JP2505360B2 - プロフィル測定用のコンパクトなレ−ザプロ−ブ - Google Patents

プロフィル測定用のコンパクトなレ−ザプロ−ブ

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JP2505360B2
JP2505360B2 JP5024547A JP2454793A JP2505360B2 JP 2505360 B2 JP2505360 B2 JP 2505360B2 JP 5024547 A JP5024547 A JP 5024547A JP 2454793 A JP2454793 A JP 2454793A JP 2505360 B2 JP2505360 B2 JP 2505360B2
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0011Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight
    • G01B5/0014Arrangements for eliminating or compensation of measuring errors due to temperature or weight due to temperature

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  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光学測定装置特にレ−ザ
プロ−ブ基準ビ−ム変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】プロフィル測定システムの重要な点はシ
ステムが熱により導入されるドリフトエラ−に感知しな
いことである。多くの応用で重要な別の点はプロフィル
測定用システムが比較的コンパクトで多量の電力を消費
しないことである。
【0003】既知のシステムの1つのタイプは出力がピ
エゾ電気駆動焦点素子を用いてサンプルに焦点を結ぶ単
一のレ−ザダイオ−ド光源を有する。散乱または反射し
た光は焦点素子によりカッドセル焦点検出器上に像を形
成し、サンプル表面プロフィルは焦点素子の位置を監視
することにより得られる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この「レ−ザ針」の1
つの欠点は解像度設定に対する1000/1の限定された距
離/解像度比である。例えば1ミクロンの距離は1ナノ
メ−タの解像度を提供する。
【0005】従って本発明の目的は熱的に導入されるエ
ラ−に実質上影響を受けない低パワ−で、コンパクトな
レ−ザプロ−ブを提供することである。
【0006】本発明の別の目的は、少なくとも(1
5 :1)の大きなダイナミック距離/解像度を有する
低パワ−で、コンパクトなレ−ザプロ−ブを提供するこ
とである。
【0007】本発明の別の目的は、例えば通常のコンパ
クトタイプのプロ−ブの代用として遠隔距離とロボット
制御応用即ち測定応用における使用又はマスク整列およ
び/又はウェハ位置設定のような半導体処理応用の整列
装置として使用されるのに適した低パワ−で、コンパク
トなレ−ザプロ−ブを提供することである。
【0008】さらに本発明のさらに別の目的は、半導体
その他の応用の高解像度でコンパクトでないプロフィル
装置として使用されるのに適した低パワ−で、コンパク
トなレ−ザプロ−ブを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】前述の問題又はその他の
克服すべき問題と本発明の目的は、プロ−ブ本体が膨脹
又は収縮したとき所望の基準空洞長を維持するためひず
み計フィ−ドバック回路を含むコンパクトなプロ−ブ基
準ビ−ム変調器により達成される。ひずみ計フィ−ドバ
ックは実質上無熱のプロ−ブを生じる。さらに、プロ−
ブ本体はシステムの機械的および光学的安定性を改良
し、熱勾配の影響を受けないようにするために低い熱膨
脹係数を有する材料から製造される。
【0010】測定の不確定に対する熱膨脹の影響を減少
させることによって測定の正確性を改良する。コンパク
トなサイズはプロフィル測定の融通性を改良する。低電
圧変調器の使用はまたプロフィル測定システムに必要な
電力を減少する。
【0011】より詳細に説明すると、本発明は、光学測
定装置特にレ−ザプロ−ブを提供することであり、それ
は予め決められた熱膨脹係数を有するように選択された
材料からなるフレ−ムを含む。ビ−ムスプリッタはサン
プルビ−ム光路と基準ビ−ム光路を生成するためのフレ
−ムに結合される。ビ−ムスプリッタは光放射をフレ−
ムへおよびフレ−ムから伝送するように結合されてい
る。ピエゾ電気スタックは励起信号を結合され、励起信
号に応答して基準ビ−ム光路の長さを位相変調するミラ
−を含む。レ−ザプロ−ブはピエゾ電気スタックと結合
する第1のひずみ計と、フレ−ムに結合する第2のひず
み計を含む。閉ル−プ制御システムはサンプルビ−ム光
路の光路長と予め決められた関係の基準ビ−ム光路長を
維持するため検出されたひずみに従って励起信号を変化
する。
【0012】この技術はフレ−ムの膨脹または縮小がピ
エゾ電気スタックにより整合され、非共通のビ−ム光路
の長さにおけるネットゼロ変化を生む点で効率的にプロ
−ブを無熱化する。この無熱技術は実質上プロフィル測
定デ−タの熱ドリフト不確定を減少する。
【0013】また光ファイバを構造に結合する装置が開
示されている。この装置は光ファイバの端子を支持する
ための光ファイバ支持体を含む。光ファイバ支持体は光
ファイバの端子の端部が構造表面と所望の角度で関連し
て位置するように構造に回転可能に結合される形態を有
する。光ファイバ支持体はさらに光ファイバ支持体を構
造表面に対して所望の角度で光ファイバ支持体が固定さ
れるようにクランプ機能を含む。
【0014】本発明の前述した特徴およびその他の特徴
は添付の図面を伴う後述の本発明の詳細な説明により明
白である。
【0015】
【実施例】図1を参照すると、本発明に従って構成され
動作されるコンパクトなレ−ザプロ−ブ1の上面図が示
されている。
【0016】フレ−ムまたはプロ−ブ本体10は低熱膨脹
係数を有する単一の材料から組立てられることが好まし
い。本発明の好ましい実施例ではこの材料はス−パ−イ
ンバ−であるが本発明の実施はこの特定の材料に限定さ
れない。本体10はこの発明の好ましい材料の安定(寸法
および熱)特性を維持するため機械加工される。プロ−
ブ本体10内に含まれる構成要素はまたプロ−ブ本体10と
の材料の不整合を最少にするため可能な限りプロ−ブ本
体10と同一の材料で構成される。プロ−ブ本体10はプロ
−ブ本体10の寸法安定性を維持するため単一の1/4−
20ボルト11aを使用してベッド11に取付けられている。
プロ−ブ本体10のおおよその寸法は長さ6.5 cm、幅5.
0 cm、高さ1.5 cmである。
【0017】光ファイバ12はレ−ザダイオ−ドの光を光
源検出器構造(図示せず)から伝送し、また混合した基
準ビ−ム光とサンプルビ−ム光を光源検出器構造へ戻す
ように伝送する。光源検出器構造10の適切な実例はPete
r J. de Groot 氏による1991年3月出願の米国特許第
S.N.07/676,144号明細書(“Three Wavelength Opt
ical Measurement Apparatus and Method ”)に記載さ
れている。
【0018】光ファイバ12はファイバ位置設定構造体14
によりレ−ザプロ−ブ1内の光学素子と整列されてい
る。位置設定構造体14はファイバ12角度調節のための限
定された動作の「ボ−ル」16とクランプ機構18と、ファ
イバ支持マンドレル20とを含む。ファイバ12が支持マン
ドレル20に位置された後クランプねじ22はボ−ル16の調
節が可能なように緩められる。ファイバ12の角度が正確
に調節された後、クランプねじ22はボ−ル16が好ましい
位置に確保されるように締められる。
【0019】図4は本発明のファイバ位置設定構造体14
の好ましい実施例の分解図を示している。ファイバ支持
マンドレル20は限定された動作ボ−ル16に圧入されて固
定されている。マンドレル20はファイバ(図示せず)を
支持し、ボ−ル16の角度位置を調節する役目をする。ボ
−ル16は例えば実質上円筒型の形態を形成するためボ−
ルベアリングを加工することにより製造される。ボ−ル
16はまたロッドの上部および下部端部の丸い端部を形成
することにより製造される。いかなる方法によってボ−
ル16が製造されても最終結果は第1の端部16aは曲率半
径を有し、第2の端部16bも曲率半径を有している。端
部16a、16bの曲率半径は必要ではないが典型的には互
いに等しく作られる。
【0020】位置設定用の固定装置はプロ−ブ本体10、
クランプ18、図4では1つのみが示されている4つのク
ランプボルト22を有する。球状端部16aの曲率半径より
も僅かに大きい曲率半径を有する球形凹部又はシ−ト10
aはプロ−ブ本体10の表面10bへ加工される。第2の同
様な球形シ−ト18aは端部16bを受けるためクランプ18
の表面18bへ加工される。クランプ18はファイバ位置設
定装置の安定性を改善するようにプロ−ブ本体10と同一
の材料から製造されることが好ましい。
【0021】この機構構造の結果はボ−ル16およびファ
イバを含むマンドレル20がプロ−ブ本体10に回転可能に
結合され、従って表面10bと好ましい角度関係をもって
ファイバ12の端子を設定するため調節可能に位置される
ことができる。ファイバ12を所望の角度関係に設定した
後ボルト22はボ−ル16をその所望位置に固定するように
締められる。
【0022】文字Aで示されているファイバ12の端部か
ら放射されたレ−ザ光はレンズ構造28によりサンプル表
面24上、また基準ミラ−上に焦点を結ばせられる。レン
ズ構造28は1以上の画像形成レンズ32が設けられている
ス−パ−インバ−レンズセル30を含む。焦点はレンズセ
ル30をプロ−ブ本体10内でスライドすることにより調整
される。レンズセル30の所望の位置を決定後、レンズセ
ル30はセットねじ34でクランプされる。レ−ザ1の「動
作距離」は従ってファイバ12からの光をサンプル表面24
が次に位置される所望の動作距離に位置される光学平面
上に焦点を結ばせるためにレンズセル構造28を移動する
ことにより微細に調節される。公称の動作距離は2.5 c
mである。正確な焦点位置は光源/検出器構造の信号強
度を監視することにより決定され、最大信号振幅が得ら
れるまでレンズセル30の位置調整が行われる。
【0023】文字Bで示されているレンズセル30を出た
光は偏光ビ−ムスプリッタにより基準ビ−ム(C)と対
象物ビ−ム(D)に分割される。基準ビ−ム(C)は光
路屈折用ミラ−38から基準ミラ−26に反射される。ミラ
−38の角度はピッチ調節/ロッキングねじ40とロ−ル調
節/ロッキングねじ42で調節される。これらのねじ(4
0,42 )はミラ−支持体44をプロ−ブ本体10に接続す
る。
【0024】基準ミラ−26は変調段46に取付けられる。
変調段46はプロ−ブ本体10と同一の材料で作られるのが
好ましい管50内に取付けられている低電圧のピエゾ電気
スタック48上で支持されている。ピエゾ電気スタック50
は巻線52によってケ−ブル56により遠隔電源(図示せ
ず)に接続されている電子装置パッケ−ジ54に結合され
る。
【0025】基準ビ−ム路の長さは基準ビ−ムの焦点を
提供するためピエゾ電気スタック48の移動により調整さ
れ、公称の通路の長さは2.5 cmである。サンプルビ−
ムの焦点調節では、光源検出器構造の信号は監視され、
基準ビ−ム焦点は信号が最大のとき達成される。サンプ
ルビ−ムはこの調節期間中、阻止されるのが好ましい。
【0026】動作において標準ミラ−26とサンプル24の
表面から反射された光は偏光分極ビ−ムスプリッタ36で
再結合され、レンズ構造28によりファイバ12に結合され
る。結合された光はビ−ムスプリッタ36に関連するサン
プル表面24の変位を決定するため光源/検出器構造で干
渉的に比較される。この変位はサンプル24までの距離ま
たはサンプル24の特性を指示する。
【0027】本発明によると、標準ミラ−26用の低電圧
ピエゾ電気スタック50の変調器は2つの信号、即ちdc
バイアス信号とac変調信号により制御される。dcバ
イアス信号はピエゾ電気スタック48の公称の長さを制御
し、ac変調信号はほぼ公称の長さのスタック48の動作
範囲を制御する。ac変調信号の1つの好ましい周波数
は5Hzである。基準チャンネルの焦点微調節はdcバ
イアス電圧とピエゾ電気スタック48の公称の長さを調節
することにより行われる。
【0028】ピエゾ電気スタック制御電子装置54はac
変調電圧による線形動作を維持するためピエゾスタック
48変調器の歪み計すなわち抵抗線ひずみゲ−ジ58の出力
を使用する。電子装置54はプロ−ブ本体10の長さの変化
を同時的に補償するためピエゾ電気スタック48変調器に
供給されるdcバイアス電圧を調節するためのス−パ−
インバ−プロ−ブ本体上10に位置する同様の抵抗線ひず
みゲ−ジ60の出力を使用する。この技術はスタック48の
ピエゾ電気材料をプロ−ブ本体10のス−パ−インバ−材
料に固定させ、従って、基準ビ−ム路を無熱化する。制
御電子装置54からの信号は電気ケ−ブル56により供給さ
れる低雑音ピエゾ電源に伝送される。
【0029】即ちピエゾ電気スタック48変調器はそれに
取付けられている第1の抵抗線ひずみゲ−ジ58とプロ−
ブ本体10の中心リブ10aに取付けられている第2の抵抗
線ひずみゲ−ジ60とによって制御される。この技術はス
−パ−インバ−プロ−ブ本体10に取付けられている第2
の抵抗線ひずみゲ−ジ60がピエゾ電気スタック48に供給
されるac変調電圧にdcオフセットを提供することに
使用されるようにピエゾ電気スタック48の無熱化を行
う。
【0030】これは図2の波形図と図3の簡単な回路図
で示されている。プロ−ブ本体10の本発明の好ましい材
料は負の熱膨脹係数のス−パ−インバ−であるのでdc
バイアス電圧は温度の増加と共に減少する。選択された
材料が正の熱膨脹係数を有するならばdcバイアス電圧
は温度が増加するとき増加される。最終結果はdcオフ
セット電圧がスタック48のピエゾ電気材料がプロ−ブ本
体10のス−パ−インバ−と類似した方法で動作するよう
にピエゾ電気スタック48のゼロ変調の長さを変化する。
【0031】図2の波形はピエゾ電気スタック48を駆動
する指令電圧の1例を示している。指令電圧は例えば、
5Hzの周波数を有する鋸歯波形である。
【0032】図3の閉ル−プ制御システムはピエゾ電気
スタック48を駆動する。ピエゾ電気スタック指令位置電
圧は入力端子に供給され、抵抗R1を通ってエラ−増幅
器A1に供給される。エラ−増幅器A1はサ−ボル−プ
のサ−ボ利得の調節用の電位差計R2を含む。エラ−増
幅器A1の出力は抵抗R3を通ってパワ−増幅器A2に
供給される。増幅器A2の出力はエラ−増幅器A1の出
力に比例する電流である。この電流は、積分され鋸歯駆
動信号に応答して位置(長さ)を変化するピエゾ電気ス
タック48に供給される。ピエゾ電気スタック48は抵抗R
4を通じて接地点に結合される。長さの変化を感知する
ためにピエゾ電気スタック48に抵抗線ひずみゲ−ジ58が
取付けられている。抵抗線ひずみゲ−ジ58はス−パ−イ
ンバ−本体10に設けられている抵抗線ひずみゲ−ジ60と
共に平衡ブリッジ回路の2つのア−ムを形成する。本発
明の好ましい実施例では各抵抗線ひずみゲ−ジ(58,60
)は公称ひずみのないとき350 オ−ムの抵抗を有す
る。それぞれの抵抗線ひずみゲ−ジの入力ノ−ドは電圧
標準(VR)に結合され、電圧基準は正の基準電圧を抵
抗線ひずみゲ−ジ58の入力ノ−ドに供給し、大きさが等
しく極性が反対の電位を抵抗線ひずみゲ−ジ60の入力ノ
−ドに供給する。計測用増幅器A3はそれぞれの抵抗線
ひずみゲ−ジ58と60の出力ノ−ド間に接続されるノ−ド
に結合される。増幅器A3への第2の入力端子にはVR
により出力される基準電圧が結合される。この基準電圧
は公称ゼロボルトである。増幅器A3は抵抗線ひずみゲ
−ジ58,60により形成される1/2ブリッジ回路から得
られる差電圧を増幅する。差電圧の大きさはピエゾ電気
スタック48の長さと本発明の1つの観点によるス−パ−
インバ−本体10の熱膨脹又は収縮の変化による抵抗線ひ
ずみゲ−ジ58,60 に供給されるひずみの相違の関数であ
る。このエラ−電圧は増幅器A4に結合される。増幅器
A4はフィ−ドバック利得の調節用の電位差計R5と、
オフセット(ゼロ)調節用の電位差計R6を含む。増幅
器A4の出力はピエゾ電気スタック48に結合されるミラ
−26を廻る周辺でサ−ボル−プを閉じるために増幅器A
1の入力に結合される。
【0033】この技術はスパ−インバ−の膨脹又は収縮
がピエゾ電気スタック48により整合され、共通ではない
ビ−ム路の長さにおけるネットゼロ変化を生むので効率
的にプロ−ブ1を無熱化する。この無熱技術は実質上プ
ロフィル測定デ−タの熱ドリフト不確定を減少する。
【0034】コンパクトなプロ−ブ1のオ−プンセル構
造は基準ビ−ムとサンプルビ−ム路が両者とも共通の雰
囲気を有するのでプロフィル測定デ−タの雰囲気効果の
不確定を有効に減少する。
【0035】これらの技術は従って熱により誘起するエ
ラ−に不成であり低電力でコンパクトなレ−ザプロ−ブ
を生み、少なくとも(105 :1)の大きなダイナミッ
ク距離/解像度を示す。結果としてコンパクトなレ−ザ
プロ−ブ1は本発明の前述の実施例の応用に使用するの
に適している。
【0036】本発明は特に本発明の好ましい実施例に関
して示され、説明されたが本発明の技術的範囲内から逸
脱することなく形態と詳細の変化が行われることが当業
者には明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のコンパクトなレ−ザプロ−ブの上面
図。
【図2】ピエゾ電気スタック指令電圧における変化を示
したグラフ。
【図3】基準レ−ザビ−ム変調器の閉ル−プ位置制御を
行うための図2の指令電圧に応答する回路の簡単な概略
図。
【図4】図1のコンパクトなレ−ザプロ−ブの構成要素
であるコンパクトなファイバ位置設定装置の分解斜視
図。
フロントページの続き (72)発明者 ガイ・エイチ・ヘイズ アメリカ合衆国、コネチカット州 06098、ウインステッド、アールデー・ ナンバー2、ターンブル・ロード 59 (72)発明者 ピーター・ジェー・デグルート アメリカ合衆国、ワシントン州 98008、 ベレビュー、サウスイースト・サーティ ーナインス・プレース 16449 (56)参考文献 特開 平2−308109(JP,A) 特開 平2−296206(JP,A) 特開 平3−231209(JP,A) 特開 昭60−225005(JP,A) 実開 昭61−24710(JP,U) 特公 平2−16442(JP,B2)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フレームと、 このフレームに結合され、
    サンプルビーム光路と基準ビーム光路とを生成する手段
    と、 前記基準ビーム光路の長さが前記サンプルビーム光路の
    路の長さと予め決められた関係に維持されるように基準
    ビーム光路の路長を前記フレームの寸法における変化に
    応答して変化させる手段と、 ここで、 前記変化させる手段は基準ビーム光路の路の長
    さを変化するために前記フレームの寸法における変化に
    応答する閉ループ制御システムを含を具備することを特徴とする 光学測定装置。
  2. 【請求項2】 前記予め決められた関係が両者が等しい
    関係である請求項1記載の光学測定装置。
  3. 【請求項3】 前記変化させる手段がスタックされて配
    置された直列的な関係の複数のピエゾ電気素子を含み、
    この複数のピエゾ電気素子は前記フレームの寸法の変化
    を補償するため励起信号を結合され、前記フレームの寸
    法の変化に応答して励起信号を調整する手段を具備して
    いる請求項1記載の光学測定装置。
  4. 【請求項4】 前記変化させる手段がさらに長さにおけ
    る変化を検出するため前記複数のピエゾ電気要素に結合
    される第1のひずみ計手段と、寸法における変化を検出
    するため前記フレームに結合されている第2のひずみ計
    手段と、前記励起信号を前記第1のひずみ計手段と第2
    のひずみ計手段により検出されたひずみの差に従って変
    化するために前記第1のひずみ計手段と第2のひずみ計
    手段に結合された手段とを具備する請求項3記載の光学
    測定装置。
  5. 【請求項5】 前記フレームが予め決められた熱膨張係
    数を有するように選択された材料から構成されている請
    求項1記載の光学測定装置。
  6. 【請求項6】 前記生成手段が光ファイバを前記フレー
    ムに結合する手段を含む請求項1記載の光学測定装置。
  7. 【請求項7】 前記基準ビームの光路が前記フレーム内
    に完全に含まれている請求項1記載の光学測定装置。
  8. 【請求項8】 予め決定された熱膨張係数を有するよう
    に選択された材料で構成されたフレームと、 サンプルビーム光路と基準ビーム光路を提供するため前
    記フレームに結合され、前記フレームからの放射および
    前記フレームへの放射を伝送する光ファイバに光学的に
    結合されているビームスプリッタ手段と、 前記基準ビーム光路の長さを前記励起信号に応答して位
    相変調するためのミラーを具備し、励起信号が結合され
    ているピエゾ電気スタック手段と、 前記基準ビーム光路の長さを実質上前記サンプルビーム
    光路の長さと等しく維持するように励起信号を変化する
    ために前記フレームの寸法変化に応答する手段とを具備
    することを特徴とする光学測定装置。
JP5024547A 1992-02-12 1993-02-12 プロフィル測定用のコンパクトなレ−ザプロ−ブ Expired - Lifetime JP2505360B2 (ja)

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US07/834,758 US5239366A (en) 1992-02-12 1992-02-12 Compact laser probe for profilometry

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JPH0611317A JPH0611317A (ja) 1994-01-21
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