JP2013257271A - 位置検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出し、高速で安定した計測を行う。
【解決手段】光源10からの測定光L0を偏光ビームスプリッタ12により被測定部材1に入射させる物体光束L1と参照光束L2に分割し、被測定面1aによる反射光束L1を反射型の回折格子14により反射回折させ、再び被測定面1aによって反射させて偏光ビームスプリッタ12に戻すとともに、光束L2を回折格子14により反射回折させ偏光ビームスプリッタ12に戻し、偏光ビームスプリッタ12により重ね合わされた光束L1及び光束L2の干渉光を受光する受光部20Aにより得られる干渉光強度に基づいて、相対位置情報出力部20Bにより被測定面1aの高さ方向の変位情報を得るにあたり、被測定面1aによる反射光束L1を反射して被測定面1aに戻し入射させる反射鏡15を設け、光束L1を回折格子14により2回反射回折させて偏光ビームスプリッタ12に戻す。
【選択図】図1

Description

本発明は、光源から出射された測定光を用いた非接触センサによって被測定面の変位を検出する変位検出装置に関し、詳しくは被測定面の垂直な方向の変位を検出する技術に関するものである。
従来から、被測定面の変位や形状を非接触で測定する装置として光を用いた変位検出装置が広く利用されている。代表的な例としては、レーザ光を被測定面に照射し、反射光の位置の変化をPSD(Position Sensitive Device)で検出する方法がある。しかしながら、この方法では、被測定面の傾きの影響を受けやすく、感度が低く、測定範囲を広げると測定の分解能が落ちるという問題があった。
これに対し、被測定面を鏡面としてマイケルソンの干渉計を使用する方法がある。この方法は、検出範囲が広く、直線性に優れるが、測定範囲が広がると光源の波長の変化と空気の屈折率の変化を受ける。
一方、光源から出射した光を対物レンズで被測定面に集光し、被測定面で反射した反射光を非点光学素子で集光して受光素子に入射させて、非点収差法によりフォーカスエラー信号を生成する。そして、フォーカスエラー信号を用いてサーボ機構を駆動させ、対物レンズの焦点位置が被測定面となるように対物レンズを変位させる。このとき、対物レンズに連結部材を介して一体的に取り付けられたリニアスケールの目盛を読み取ることで、被測定面の変位を検出する方式がある(例えば、特許文献1を参照)。この方法では、被測定面の傾きの変化を受けにくく、大きな測定範囲を高い分解能で計測できるメリットがあった。
特許文献1に開示された変位検出装置では、変位検出の高精度化を図るために、対物レンズの開口数(NA:Numerical Aperture)を大きくして被測定面に集光させるビーム径を小さくしている。例えば、被測定面に結像されるビーム径を2μm程度にすると、リニアスケールの検出精度は、数nm〜100数nm程度になる。
特開平5−89480号公報
しかしながら、特許文献1に記載された変位検出装置では、例えば磁石とコイルを用いたアクチュエータ等のような駆動機構により対物レンズをその光軸方向に上下運動させている。そのため、アクチュエータの構造や質量によって対物レンズの上下運動のメカ的な応答周波数が制限されていた。その結果、上記変位検出装置では、高速で振動する被測定物の計測は難しかった。また、検出点を絞れる反面、被測定物上の異物やビーム形状に近い細かな形状変化の影響を受け、大きな誤差を発生する、という問題があり、その使用条件に制約が生じてしまっていた。
そこで、本発明の目的は、上記の如き従来の問題点に鑑み、被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測が可能な変位検出装置を提供することにある。
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
すなわち、本発明は、変位検出装置であって、測定光を出射する光源と、上記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第1の光束と、参照光となる第2の光束に分割する光束分割部と、上記光束分割部によって分割され、かつ上記被測定部材の被測定面の任意の入射位置に入射され、上記被測定面によって反射された上記第1の光束を回折し、回折した上記第1の光束を再び上記被測定部材の被測定面の任意の入射位置とは別の入射位置に入射させる反射型の回折格子と、上記被測定部材の被測定面の上記別の入射位置において反射された上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面の上記別の位置に戻す第1の反射部と、 上記光束分割部によって分割され、上記反射型の回折格子により回折された上記第2の光束を反射して、上記反射型の回折格子に戻す第2の反射部と、上記第1の反射部により反射され、上記反射型の回折格子により再び回折され、上記被測定面の上記任意の入射位置において反射されて戻される上記第1の光束と、上記第2の反射部により反射され、上記回折格子によって再び回折されて戻される上記第2の光束とを重ね合わせる光束結合部と、上記光束結合部により重ね合わされた上記第1の光束及び上記第2の光束の干渉光を受光する受光部と、上記受光部により受光した干渉光強度に基づいて上記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係る変位検出装置は、例えば、上記光束分割部によって分割された上記第2の光束が第1の入射位置に入射され、入射された上記第2の光束を反射して上記反射型の回折格子に入射させ、上記反射型の回折格子により回折された上記第2の光束が上記第2の反射部により反射されて上記反射型の回折格子を介して上記第1の入射位置とは別の第2の入射位置に入射され、入射された上記第2の光束を再び反射する反射部を備え、 上記光束結合部は、上記被測定面の上記任意の入射位置において反射されて戻される上記第1の光束と、上記反射部の上記第1の入射位置とは別の第2の入射位置において反射されて戻される上記第2の光束とを重ね合わせるものとすることができる。
また、本発明に係る変位検出装置は、例えば、上記第1の反射部と上記被測定面の間に光束を集光するレンズを配置したものとすることができる。
また、本発明に係る変位検出装置は、例えば、上記反射型の回折格子に入射する入射角と回折角が異なるものとすることができる。
また、本発明に係る変位検出装置において、上記レンズの焦点距離は、例えば、上記レンズと上記反射型の回折格子までの距離と略等しいものとすることができる。さらに、上記レンズの焦点距離は、上記レンズと上記第1の反射部までの距離と略等しいものとすることができる。
本発明によれば、光束分割部によって分割された被測定部材に入射させる物体光となる第1の光束と参照光となる第2の光束を反射型の回折格子により回折させ、回折された第1の光束と第2の光束を第1の反射部と第2の反射部により反射させて再び反射型の回折格子により回折させて光束結合部において重ね合わせることにより、干渉光強度に基づいて被測定面の高さ方向の変位情報を出力するので、被測定部材の高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測が可能な変位検出装置を提供することができる。
本発明を適用した変位検出装置の構成例を模式的に示す斜視図である。 上記変位検出装置における光路の説明に供する図である。 上記変位検出装置における光源から回折格子までと上記回折格子から受光部までの光路を模式的に示す図である。 上記変位検出装置における上記回折格子から第1の反射部及び第1の反射部までの光路を模式的に示す図である。 上記変位検出装置に備えられた反射型の回折格子の構成例を模式的に示す側面図である。 上記変位検出装置に備えられた相対位置情報検出部における相対位置情報出力部の構成を示すブロック図である。 上記変位検出装置における被測定部材の被測定面に照射される第1の光束の上記被測定面上での照射スポットと回折格子上における回折位置の関係を模式的に示す図である。 上記変位検出装置において上記第1の反射部と上記被測定面の間に第1の光束を集光するレンズを配置した光路を模式的に示す図である。 上記変位検出装置において、被測定面をチルトさせた場合の干渉信号出力の変化を示す図である。 上記変位検出装置において上記第2の反射部と反射部の間に第2の光束を集光するレンズを配置した光路を模式的に示す図である。 本発明を適用した変位検出装置の他の構成例を模式的に示す側面図である。 本発明に係る変位検出装置を2台使用してX軸方向の制御をしながら、Y軸のチルト量を計測するようにした構成例を模式的に示す斜視図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、例えば図1の模式的な斜視図に示すような構成の変位検出装置100に適用される。
この変位検出装置100は、反射型の回折格子14を用いて被測定部材1の被測定面1aにおける垂直な方向(測定方向Z)の変位を該被測定面1aにより反射される測定光に基づいて検出するものであって、測定光L0を出射する光源10と、この光源10から出射される測定光L0を上記被測定部材1に入射させる物体光となる第1の光束L1と、参照光となる第2の光束L2に分割する偏光ビームスプリッタ12と、この偏光ビームスプリッタ12により分割された第1の光束L1が上記被測定部材1の被測定面1aによって反射されて入射される回折格子14と、上記回折格子14により反射回折され、上記被測定部材1の被測定面1aにより反射された上記第2の第1の光束L1に基づいて、上記被測定部材1の被測定面1aの上記測定方向Zの相対位置を光学的に検出する相対位置検出部20を備える。
この変位検出装置100では、上記被測定部材1は、その被測定面1aがXY平面とほぼ平行するよう配置され、上記反射型の回折格子14は、上記XY平面に対して垂直なYZ平面とほぼ平行に配置されている。そして、上記偏光ビームスプリッタ12によって分割された第1の光束L1は、上記測定方向Zに対して傾いた方向から上記被測定部材1の被測定面1aの任意の入射位置Paに入射され、上記被測定面1aの上記入射位置Paにおいて反射されて上記反射型の回折格子14に入射され、上記反射型の回折格子14により回折されて上記被測定部材1の被測定面1aの任意の入射位置Paとは別の入射位置Pbに入射される。
また、この変位検出装置100は、上記反射型の回折格子14によりを反射回折された上記第1の光束L1が上記被測定面1aによって反射されて入射される第1の反射鏡15を備える。
この第1の反射鏡15は、上記被測定部材1の被測定面1aの上記別の入射位置Pbにおいて反射された上記第1の光束L1を反射して上記被測定部材1aの被測定面の上記別の位置Pbに戻すように設置されている。
また、この変位検出装置100は、上記偏光ビームスプリッタ12によって分割され、上記反射型の回折格子14により反射回折された上記第2の光束L2が入射される第2の反射鏡18を備える。
この変位検出装置100では、上記偏光ビームスプリッタ12によって分割された上記第2の光束L2が第1の入射位置P1に入射され、入射された上記第2の光束L2を反射して上記反射型の回折格子14に入射させる反射鏡17を備える。この反射鏡17は、上記反射型の回折格子14によりを反射回折された上記第2の光束L2が上記第1の入射位置P1とは別の第2の入射位置P2に入射され、入射された上記第2の光束L2を再び反射する。上記第2の反射鏡18は、上記反射鏡17の上記第2の入射位置P2において反射された上記第1の光束L2を反射して上記反射鏡17の上記第2の入射位置P2に戻すように設置されている。
さらに、この変位検出装置100における相対位置検出部20は、光束結合部により重ね合わされた上記第1の光束L1及び上記第2の光束L2の干渉光Laを受光する受光部20Aと、上記受光部20Aにより受光した干渉光強度に基づいて上記被測定面1aの高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力部20Bからなる。
ここで、光源10には、例えば半導体レーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、ガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード、白色光等が挙げられる。
光源10として、可干渉距離が短い光源を用いると、可干渉距離が短くなるほど、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぐことができ、高精度な計測をすることができる。したがって、光源10は、可干渉距離ができるだけ短い光源を用いることが望ましい。
さらに、光源10として、シングルモードのレーザを用いると、波長を安定させるために、光源10の温度をコントロールすることが望ましい。また、シングルモードのレーザの光に、高周波重畳などを付加して、光の可干渉性を低下させてもよい。さらに、マルチモードのレーザを用いる場合も、ペルチェ素子等で光源10の温度をコントロールすることで、不要な迷光の干渉によるノイズを防ぎ、さらに安定した計測が可能になる。
この光源10から出射された測定光L0は、コリメートレンズ等からなるレンズ11を介して偏光ビームスプリッタ12に入射されている。レンズ11は、光源10から出射された測定光L0を平行光にコリメートする。そのため、偏光ビームスプリッタ12には、レンズ11により平行光にコリメートされた測定光L0が入射される。
偏光ビームスプリッタ12は、例えば、光源10から入射される測定光L0のうち、s偏光を反射し、p偏光を透過し、コリメートされた測定光L0を物体光である第1の光束L1と、参照光である第2の光束L2に分割する光束分割部として機能する。また、この偏光ビームスプリッタ12は、被測定部材1及び反射鏡17から反射されて戻ってきた第1の光束L1及び第2の光束L2を重ね合わせて、相対位置検出部20の受光部20Aに照射する光束結合部として機能する。すなわち、この変位検出装置100における偏光ビームスプリッタ12は、測定光L0を第1の光束L1と第2の光束L2に分割する光束分割部としての役割と、第1の光束L1と第2の光束L2を重ね合わせる光束結合部としての役割を有している。
偏光ビームスプリッタ12では、測定光L0が第1の光束L1と第2の光束L2に分割されるが、その光量比率は、相対位置検出部20の受光部20Aに入射する際に被測定部材1側と第2の反射鏡18側でそれぞれが同じ光量になるような比率にすることが好ましい。
また、光源10と偏光ビームスプリッタ12との間に偏光板を設けてもよい。これにより、それぞれの偏光に対して直行した偏光成分としてわずかに存在する漏れ光、ノイズを除去することができる。
また、第1の位相板13及び第2の位相板16は、それぞれ1/4波長板等から構成されている。
この変位検出装置100において、回折格子14は、上記被測定部材1の被測定面1a上の上記入射位置Paにおいて反射されて入射される上記第1の光束L1を反射し、かつ回折させ上記被測定部材1の被測定面1a上の入射位置Pbに戻す反射型の回折格子からなる。
そして、この回折格子14は、図2に示すように、当該回折格子14に対して垂直方向であるX方向よりθRZ1だけZ軸を回転させており、回折した第1の光束L1をX方向よりθRZ2だけZ軸を回転させた方向に向けている。このため、1回目の被測定面1aに入射した位置Paと、2回目の被測定面1aに入射した位置Pbは、異なる。
ここで、上記変位検出装置100において、光源10から出射されて偏光ビームスプリッタ12により分割された第1の光束L1と第2の光束L2が通過する光源10から反射型の回折格子14までと上記反射型の回折格子14から受光部20Aまでの光路を図3に示すとともに、上記反射型の回折格子14から第1の反射部15及び第2の反射部18までの光路を図4に示す。
この変位検出装置100では、上記反射型の回折格子14は、被測定部材1の被測定面1aに対して略直角、すなわち回折格子14の回折面と被測定部材1の被測定面1aで形成される角度がほぼ90°となるように配置されている。すなわち、上述の如く、上記反射型の回折格子14は、上記被測定部材1の被測定面1aとほぼ平行なXY平面に対して垂直なYZ平面とほぼ平行に配置されている。
なお、上記反射型の回折格子14における被測定部材1に対する配置する精度は、変位検出装置100に要求する測定精度によって種々設定されるものである。すなわち、変位検出装置100に高い精度を要求する場合、回折格子14を被測定部材1の被測定面1aに対して90°±0.5°の範囲に配置することが好ましい。これに対し、回折格子14を被測定部材1の被測定面1aに対して90°から±2°の範囲で配置しても、変位検出装置100を工作機械等の低精度の測定に用いる場合には、十分である。
また、上記反射型の回折格子14に入射した第1の光束L1は、当該回折格子14によって反射され、かつ回折される。この回折格子14の格子ピッチΛは、回折角が回折格子14への入射角とほぼ等しくなるように設定するのがX方向のサイズをコンパクトにする上で理想であるが、異なっても良い。回折角が回折格子14への入射角が異なる場合は、後述する図11に示す変位検出装置100Aように、光学系をXZ平面に配置することができ、Y方向の薄型化が可能になる。
回折格子14の格子ピッチΛは、被測定面1aへの入射角をθ1、光の波長をλとすると、次の式1を満たす値に設定できる。なお、上述したように、回折格子14が被測定部材1の被測定面1aに対して直角に配置されているため、回折格子14への入射角は、π/2−θ1となり、回折角は、π/2−θ2となる。
Λ=λ/(sin(π/2−θ1)+sin(π/2−θ2)) ・・・式1
なお、被測定物1が、半導体ウエハーのように、積層された透明の材料である場合、表面以外の反射光の影響を受けることから、θ1ができるだけ大きい方が望ましく、θ1>50°以上で設計し、表面の反射光量をできるだけ大きくする。
例えば、θ1=θ2に設定した場合は、θRZ1=θRZ2となる。
回折した光束L1は、X方向よりθRZ2だけZ軸を回転させた軸上の被測定面1aに入射位置Pbに入射され、反射した後、第1の反射鏡15によって反射されて戻される。
そのため、回折格子14によって反射し、かつ回折されて再び被測定部材1の被測定面1aに入射するときの光路が、偏光ビームスプリッタ12によって分割された第1の光束L1が被測定部材1の被測定面1aによって反射されて回折格子14に入射するときの光路に重なり合う。その結果、回折格子14よって回折された第1の光束L1は、偏光ビームスプリッタ12から被測定部材1の被測定面1aに入射された照射スポットP1と同じ入射位置Paに戻る。そして、第1の光束L1は、被測定部材1の被測定面1aで再び反射され、偏光ビームスプリッタ12から照射されたときの光路と同じ光路を通って偏光ビームスプリッタ12に戻る。
なお、回折格子14としては、例えば図5の側面図に一例を示すような構造の回折格子が用いられる。
この回折格子14は、ホログラフィー回折格子や描画装置で作製された回折格子が用いられるが、 溝の断面形状を鋸歯状に形成した、いわゆるブレーズド回折格子14A,14Bを用いても良い。この回折格子14によれば、被測定部材1の被測定面1aで反射された物体光である第1の光束L1や、第2の反射鏡18で反射された参照光である第2の光束L2の回折効率を高めることができ、信号のノイズを低下させることができる。
また、この変位検出装置100において、反射鏡17は、図1及び図3に示すように、偏光ビームスプリッタ12によって分割された第2の光束L2を回折格子14に反射するものである。この反射鏡17は、上記反射型の回折格子14を間に挟んで被測定部材1と対向する位置に設けられている。そして、反射鏡17の反射面は、被測定部材1の被測定面1aと略平行に配置される。そのため、反射鏡17及び回折格子14は、反射鏡17の反射面と回折格子14の回折面で形成される角度がほぼ90°となるように配置されている。
この反射鏡17は、上記偏光ビームスプリッタ12によって分割された上記第2の光束L2が第1の入射位置P1に入射され、入射された上記第2の光束L2を反射して上記反射型の回折格子14に入射させ、上記反射型の回折格子14によりを反射回折された上記第2の光束L2が上記第1の入射位置P1とは別の第2の入射位置P2に入射され、入射された上記第2の光束L2を再び反射して第2の反射鏡18に入射させる。
そして、第2の反射鏡18は、回折格子14によって回折された第2の光束L2を再び反射して回折格子14に戻す。そして、この第2の反射鏡18によって反射され、かつ回折格子14によって回折された第2の光束L2も、第1の光束L1と同様に、偏光ビームスプリッタ12から照射されたときの光路と同じ光路を通って偏光ビームスプリッタ12に戻る。
この第2の反射鏡18は、第1の光束L1における偏光ビームスプリッタ12から回折格子14までの光路長と、第2の光束L2における偏光ビームスプリッタ12から回折格子14までの光路長が等しくなるように配置される。第2の反射鏡18を設けたことで、この変位検出装置100を製造する際に、第1の光束L1の光路長と第2の光束L2の光路長や光軸の角度を調整し易くすることができる。その結果、気圧や湿度や温度の変化による光源10の波長変動の影響を受けにくくすることができる。
上述したように、第2の反射鏡18の反射面と回折格子14の回折面は、被測定部材1の被測定面1aと回折格子14の関係と同様に、略直角に配置することが好ましい。これにより、回折格子14によって回折されて再び第2の反射鏡18の反射面に入射するときの光路が、第2の反射鏡18によって反射されて回折格子14に入射するときの光路に重なり合う。
すなわち、この変位検出装置100では、光束分割部として機能する偏光ビームスプリッタ12により、光源10から出射された測定光L0を第1の光束L1と第2の光束L2に分割して、上記第1の光束L1を物体光として上記被測定部材1の被測定面1a上の任意の入射位置Paに入射し、上記入射位置Paにおいて反射された上記第1の光束L1を反射型の回折格子14に入射して反射回折させ、回折された上記第1の光束L1を再び上記被測定部材1の被測定面1a上の上記入射位置Paとは別の入射位置Pbに入射させている。さらに、上記入射位置Pbにおいて反射された上記第1の光束L1を第1の反射部として機能する第1の反射鏡15により反射して上記反射型の回折格子14に戻して再度反射回折させ、上記反射型の回折格子14により2回反射回折された上記第1の光束L1を上記被測定部材1の被測定面1a上の上記入射位置Paにおいて反射させることにより上記偏光ビームスプリッタ12に戻している。
また、上記第2の光束L2を参照光として上記反射鏡17上の入射位置P1に入射し、上記入射位置P1において反射された上記第2の光束L2を上記反射型の回折格子14に入射して反射回折させ、回折された上記第2の光束L1を再び上記被測定部材1の被測定面1a上の上記入射位置P1とは別の入射位置P2に入射させている。さらに、上記入射位置P2において反射された上記第2の光束L2を第2の反射部として機能する第2の反射鏡18により反射して上記反射型の回折格子14に戻して再度反射回折させ、上記反射型の回折格子14により2回反射回折された上記第2の光束L2を上記反射鏡17上の上記入射位置P1において反射させることにより上記偏光ビームスプリッタ12に戻している。
そして、上記偏光ビームスプリッタ12は、上記第1の反射鏡15により反射され、上記反射型の回折格子14により再び回折され、上記被測定面1aの上記入射位置Paにおいて反射されて戻される上記第1の光束L1と、上記第2の反射鏡18により反射され、上記回折格子14によって再び回折されて戻される上記第2の光束L2とを重ね合わせる光束結合部として機能する。
ここで、偏光ビームスプリッタ12から被測定部材1と回折格子14と第1の反射鏡15を介して偏光ビームスプリッタ12に戻るまでの第1の光束L1の光路長と、偏光ビームスプリッタ12から反射鏡17と回折格子14と第2の反射鏡18を介して偏光ビームスプリッタ12に戻るまでの第2の光束L2の光路長は、略等しく設定されている。このように、第1の光束L1と第2の光束L2の光路長を等しく設定することにより、気圧や湿度、温度の変化による光源10の波長変動があったとしても、第1の光束L1及び第2の光束L2が受ける影響を等しくすることができる。その結果、気圧補正や湿度補正、温度補正を行う必要がなく、周囲環境に関わらず安定した測定を行うことができる。
また、相対位置検出部20は、受光部20Aと相対位置情報出力部20Bからなる。
相対位置検出部20の受光部20Aは、偏光ビームスプリッタ12により重ね合わされた第1の光束L1と第2の光束L2が入射される集光レンズ21と、この集光レンズ21により集光された第1の光束L1と第2の光束L2すなわち入射光を分割するハーフミラー22と、このハーフミラー22により分割された入射光が入射される第1の偏光ビームスプリッタ23と、上記ハーフミラー22により分割された入射光が例えば1/4波長板等からなる受光側位相板24を介して入射される第2の偏光ビームスプリッタ25を備える。
これら第1の偏光ビームスプリッタ23及び第2の偏光ビームスプリッタ25は、s偏光成分を有する干渉光を反射させ、p偏光成分を有する干渉光を透過させて、第1の光束L1と第2の光束L2との干渉光を分割するものである。
第1の偏光ビームスプリッタ23は、入射される光束の偏光方向が入射面に対して45度傾くように配置されている。この第1の偏光ビームスプリッタ23における光の出射口側には、第1の受光素子26と、第2の受光素子27が設けられている。また、第2の偏光ビームスプリッタ25における光の出射口側には、第3の受光素子28と、第4の受光素子29が設けられている。
また、相対位置検出部20の相対位置情報出力部20Bは、図6に示すように、第1の差動増幅器61aと、第2の差動増幅器61bと、第1のA/D変換器62aと、第2のA/D変換器62bと、波形補正処理部63と、インクリメンタル信号発生器64とを有している。
第1の差動増幅器61aは、受光部20Aの第1の受光素子26及び第2の受光素子27が入力端に接続され、出力端に第2のA/D変換器62bが接続されている。また、第2の差動増幅器61bは、受光部20Aの第3の受光素子28及び第4の受光素子29が入力端に接続され、出力端に第2のA/D変換器62bが接続されている。そして、第1のA/D変換器62a及び第2のA/D変換器62bは、波形補正処理部63に接続されている。波形補正処理部63は、インクリメンタル信号発生器64に接続されている。
このような構成の変位検出装置100において、偏光ビームスプリッタ12により重ね合わされて、相対位置検出部20の受光部20Aに入射される第1の光束L1と第2の光束L2は、第1の偏光ビームスプリッタ23に対してそれぞれp偏光成分とs偏光成分を有することになる。したがって、第1の偏光ビームスプリッタ23を透過した第1の光束L1及び第2の光束L2は、同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。よって、第1の光束L1と第2の光束L2を第1の偏光ビームスプリッタ23によって干渉させることができる。
同様に、第1の偏光ビームスプリッタ23によって反射される第1の光束L1及び第2の光束L2は、第1の偏光ビームスプリッタ23に対して同じ偏光方向を有する偏光同士が干渉する。そのため、第1の偏光ビームスプリッタ23によって干渉させることができる。
第1の偏光ビームスプリッタ23によって反射された第1の光束L1及び第2の光束L2との干渉光は、第1の受光素子26によって受光される。また、第1の偏光ビームスプリッタ23を透過した第1の光束L1及び第2の光束L2との干渉光は、第2の受光素子27によって受光される。ここで、第1の受光素子26と第2の受光素子27とによって光電変換される信号は、180度位相の異なる信号となる。
この変位検出装置100では、第1の光束L1を2回回折している。そのため、2回回折された第1の光束L1には、2Kzの位相が加わる。Kは、2π/Λで示される波数である。また、zは、回折格子14上における第1の光束L1の移動量を示している。
ここで、図7に示すように、被測定部材1が高さ方向にz/2だけ移動すると、被測定部材1の被測定面1aに照射される第1の光束L1は、照射スポットが入射位置Paから入射位置Pa’に移動する。また、被測定部材1の被測定面1aで反射された第1の光束L1は、回折格子14の回折位置T1から回折位置T2に移動する。つまり、被測定物1が高さ方向に対してz/2だけ移動すると、第1の光束L1は回折格子14上では2倍のzだけ移動する。さらに、2回回折することで、第1の光束L1には、2Kzの位相が加わり、2周期分の光の明暗が生じる干渉光が受光部20Aによって受光される。
すなわち、第1の受光素子33と第2の受光素子34では、Acos(2Kz+δ)の干渉信号を得ることができる。また、第3の受光素子35と第4の受光素子36では、Acos(2Kz+δ’)の干渉信号を得ることができる。
例えば、回折格子の格子ピッチΛを0.5515μm、波長λを780nm、回折格子14の入射角及び回折角を45°に設定したとき、被測定部材1が高さ方向に0.5515μm移動する例について説明する。
被測定部材1が高さ方向に0.5515μm移動すると、第1の光束L1は、回折格子14上を0.5515μmの2倍、すなわち2ピッチ分移動する。さらに、第1の光束L1は、2回回折されるため、4回の光の明暗が受光部20Aによって検出される。すなわち、得られる信号の1周期は、0.5515μm/4=0.1379μmとなる。
なお、この変位検出装置100では、第1の偏光ビームスプリッタ23に対して、第3の受光素子28と第4の受光素子29に受光される光束を分割する第2の偏光ビームスプリッタ26を45度傾けて配置している。このため、第3の受光素子28と第4の受光素子29において得られる信号は、第1の受光素子26と第2の受光素子27において得られる信号に対し、90度位相がずれている。
したがって、例えば第1の受光素子26と第2の受光素子27で得られる信号をsin信号、第3の受光素子28と第4の受光素子29において得られる信号をcos信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。
これらの受光素子26〜29によって得られる信号は、相対位置情報出力部20Bによって演算され、被測定面1aの変位量がカウントされる。
相対位置情報出力部20Bでは、まず、受光部20Aの第1の受光素子26と第2の受光素子27で得られた位相が互いに180度異なる信号を第1の差動増幅器61aによって差動増幅し、干渉信号の直流成分をキャンセルする。
そして、この信号は、第1のA/D変換器62aによってA/D変換され、波形補正処理部63によって信号振幅とオフセットと位相が補正される。この信号は、例えばA相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器64から出力される。
また同様に、第3の受光素子35及び第4の受光素子36で得られた信号は、第2の差動増幅器61bによって差動増幅され、第2のA/D変換器62bによってA/D変換される。そして、波形補正処理部63により信号振幅とオフセットと位相とが補正され、A相と位相が90度異なるB相のインクリメンタル信号としてインクリメンタル信号発生器64から出力される。
こうして得られた2相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定部材1の被測定面1aの高さ方向の変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。
また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号のパルス数をカウントすることにより、第1の光束L1と第2の光束L2の干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。これにより、被測定部材1の被測定面1aの変位量が検出される。
なお、この変位検出装置100における相対位置情報出力部20Bの出力する相対位置情報は、上述の2相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。
このような構成の変位検出装置100では、上記反射型の回折格子14により2回反射回されて戻ってくる物体光すなわち上記第1の光束L1と参照光すなわち上記第1の光束L1を偏光ビームスプリッタ12により重ね合わせることにより得られる干渉光Laを受光部20Aにより受光し、相対位置情報出力部20Bにより干渉光Laの干渉光強度に基づいて上記被測定面1aの高さ方向の変位情報を得るので、被測定部材1の高さ方向の変位を高分解能で検出でき、高速で安定した計測を行うことができる。
また、この変位検出装置100では、上記反射型の回折格子14によりを反射回折された物体光すなわち第1の光束L1が被測定部材1の被測定面1a上の入射位置Paとは別の入射位置Pbにおいて反射されて入射される第1の反射鏡15を備え、上記被測定部材1の被測定面1aの上記入射位置Pbにおいて反射された上記第1の光束L1を第1の反射鏡15により反射して上記被測定部材1の被測定面1aの上記別の位置Pbに戻すようにしたので、例えば図8に示すように、上記第1の反射鏡15と上記被測定部材1の被測定面1aとの間に第1の光束L1を集光するレンズ19を配置することができる。
上記レンズ19は、上記レンズ19から上記被測定部材1の被測定面1aまでの距離をaとし、上記反射型の回折格子まで上記反射型の回折格子14の回折面の距離bとして、その焦点距離fを上記レンズ19から上記反射型の回折格子14までの距離(a+b)に近づけて、上記被測定部材1の被測定面1aにより反射されて上記反射型の回折格子14に入射される第1の光束L1を上記反射型の回折格子14の回折面上に集光するようにことで、上記被測定部材1の被測定面1aのチルトに対する干渉信号の低下を抑制する効果がある。
そこで、上記レンズ19の焦点距離fは、当該レンズ19から上記反射型の回折格子14の回折面までの距離(a+b)と略等しいものとされる。
さらに、上記レンズの19焦点距離fは、当該レンズ19から上記第1の反射鏡15の反射面までの距離cと略等しいものし、f=a+b=cとすることで、上記チルトに対する干渉信号の低下を抑制する効果をさらに高めることができる。
上記被測定部材1の被測定面1aのチルトに対する許容を広げることは、被測定面1aが、球面であるような、例えばレンズの形状測定なども可能になり、使い勝手がさらに向上する変位計測装置となる。
ここで、上記レンズ19を焦点距離f=a+b=cを満たす条件で配置した場合と、上記レンズ19を配置しない場合で、被測定面1aをX軸方向にチルトさせた場合の干渉信号の出力結果を図9に示す。
レンズ19の焦点距離f=13.5mm、a=約5.7mm、b=約7.8mm、c=約13.5mmとした。
上記レンズ19を配置した場合は、無い場合と比較して、大幅に角度特性が改善されることが確認された。
さらに、 上記変位検出装置100では、図10に示すように、上記第1の反射鏡15と上記被測定部材1の被測定面1aとの間に第1の光束L1を集光するレンズ19Aを配置するとともに、上記第2の反射部18と上記反射部17の間に第2の光束L2を集光するレンズ19Bを配置するようにしてもよい。
このように第2の光束L2すなわち参照光側にもレンズ19Bを入れることにより、組み立て時の反射部17のミラー調整が簡単になる。
また、上記変位検出装置100では、上記反射型の回折格子14の格子ピッチΛは、回折角が回折格子14への入射角とほぼ等しくなるように設定したが、図11に示す変位検出装置100Aように、反射型の回折格子14Aに入射する入射角と回折角を異なるようにして、光学系をXZ平面に配置するようにしてもよい。
なお、この変位検出装置100Aにおいて、上記変位検出装置100と同一の構成要素については、同一符号を図11中に付して、その詳細な説明を省略する。
この変位検出装置100Aは、上記変位検出装置100における上記第1の反射部15に対応する第1の反射面59Aと上記第2の反射部19に対応する第2の反射面59Bを有する反射ブロック59を備え、光源10から出射された測定光L0が偏光ビームスプリッタ12により物体光となる第1の光束L1と参照光となる第2の光束L2に分割されて、上記第1の光束L1が第1の反射面59Aで反射され、上記第2の光束L1が第2の反射面59Bにより反射されて、上記偏光ビームスプリッタ12に戻され干渉光Laとして相対位置検出部20の受光部20Aに入射されるまでの光学系をXZ平面に配置してある。
このように光学系をXZ平面に配置することにより、この変位検出装置100AのY方向の薄型化が可能になる。
ここで、チルトに対する許容が改善されると、ステージのチルト計測にも使用することができる。図12は、X軸方向の制御可能なステージ210及びX軸用リニアエンコーダ220に、2台の本発明に係る変位検出装置200A,200Bを使用してリニアエンコーダスケール230の反射面を検出することで、X軸方向の制御をしながら、Y軸のチルト量を計測する構成例である。この構成例では、ステージ210の両側にリニアエンコーダを配置しなくても、ステージ210のY軸のチルト量の補正が可能になり、さらにシンプルなステージ制御が実現できる。
1 被測定部材、1a 被測定面、10 光源、11 レンズ、12 偏光ビームスプリッタ、13 第1の位相板、14,14A 反射型の回折格子、15 第1の反射鏡、16 第2の位相板、17 反射鏡、18 第2の反射鏡、19,19A,19B レンズ、20 相対位置検出部、20A 受光部、20B 相対位置情報出力部、21 集光レンズ、22 ハーフミラー、23 第1の偏光ビームスプリッタ、24 受光側位相板、25 第2の偏光ビームスプリッタ、26 第1の受光素子、27 第2の受光素子、28 第3の受光素子、29 第4の受光素子、59A 第1の反射面59A、59B 第2の反射面59A、61a 第1の差動増幅器、61b 第2の差動増幅器、62a 第1のA/D変換器、62b 第2のA/D変換器、63 波形補正処理部、64 インクリメンタル信号発生器、100,100A,200A,200B 変位検出装置、210 ステージ、220 リニアエンコーダ、230 リニアエンコーダスケール

Claims (6)

  1. 測定光を出射する光源と、
    上記光源から出射された測定光を被測定部材に入射させる物体光となる第1の光束と、参照光となる第2の光束に分割する光束分割部と、
    上記光束分割部によって分割され、かつ上記被測定部材の被測定面の任意の入射位置に入射され、上記被測定面によって反射された上記第1の光束を回折し、回折した上記第1の光束を再び上記被測定部材の被測定面の任意の入射位置とは別の入射位置に入射させる反射型の回折格子と、
    上記被測定部材の被測定面の上記別の入射位置において反射された上記第1の光束を反射して上記被測定部材の被測定面の上記別の位置に戻す第1の反射部と、
    上記光束分割部によって分割され、上記反射型の回折格子により回折された上記第2の光束を反射して、上記反射型の回折格子に戻す第2の反射部と、
    上記第1の反射部により反射され、上記反射型の回折格子により再び回折され、上記被測定面の上記任意の入射位置において反射されて戻される上記第1の光束と、上記第2の反射部により反射され、上記回折格子によって再び回折されて戻される上記第2の光束とを重ね合わせる光束結合部と、
    上記光束結合部により重ね合わされた上記第1の光束及び上記第2の光束の干渉光を受光する受光部と、
    上記受光部により受光した干渉光強度に基づいて上記被測定面の高さ方向の変位情報を出力する相対位置情報出力手段と
    を備えた変位検出装置。
  2. 上記光束分割部によって分割された上記第2の光束が第1の入射位置に入射され、入射された上記第2の光束を反射して上記反射型の回折格子に入射させ、上記反射型の回折格子により回折された上記第2の光束が上記第2の反射部により反射されて上記反射型の回折格子を介して上記第1の入射位置とは別の第2の入射位置に入射され、入射された上記第2の光束を再び反射する反射部を備え、
    上記光束結合部は、上記被測定面の上記任意の入射位置において反射されて戻される上記第1の光束と、上記反射部の上記第1の入射位置とは別の第2の入射位置において反射されて戻される上記第2の光束とを重ね合わせることを特徴とする請求項1記載の変位検出装置。
  3. 上記反射型の回折格子に入射する入射角と回折角が異なることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の変位検出装置。
  4. 上記第1の反射部と上記被測定面の間に光束を集光するレンズを配置したことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の変位検出装置。
  5. 上記レンズの焦点距離は、上記レンズと上記反射型の回折格子までの距離と略等しいことを特徴とする請求項4に記載の変位検出装置。
  6. 上記レンズの焦点距離は、上記レンズと上記第1の反射部までの距離と略等しい請求項5の変位検出装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114384763A (zh) * 2020-10-20 2022-04-22 上海微电子装备(集团)股份有限公司 位移测量装置和光刻设备

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH085323A (ja) * 1994-06-16 1996-01-12 Mitsutoyo Corp 格子干渉型変位検出装置
JP2000081308A (ja) * 1998-07-02 2000-03-21 Sony Precision Technology Inc 光学式変位測定装置
JP2003279385A (ja) * 2002-03-18 2003-10-02 Mitsutoyo Corp 光学式変位検出装置および方法
JP2006177876A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Mitsutoyo Corp 変位検出装置
JP2012073222A (ja) * 2010-08-31 2012-04-12 Mori Seiki Co Ltd 変位検出装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH085323A (ja) * 1994-06-16 1996-01-12 Mitsutoyo Corp 格子干渉型変位検出装置
JP2000081308A (ja) * 1998-07-02 2000-03-21 Sony Precision Technology Inc 光学式変位測定装置
JP2003279385A (ja) * 2002-03-18 2003-10-02 Mitsutoyo Corp 光学式変位検出装置および方法
JP2006177876A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Mitsutoyo Corp 変位検出装置
JP2012073222A (ja) * 2010-08-31 2012-04-12 Mori Seiki Co Ltd 変位検出装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114384763A (zh) * 2020-10-20 2022-04-22 上海微电子装备(集团)股份有限公司 位移测量装置和光刻设备

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