JP2690111B2 - Two-dimensional laser scanning optical device - Google Patents

Two-dimensional laser scanning optical device

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JP2690111B2
JP2690111B2 JP22137788A JP22137788A JP2690111B2 JP 2690111 B2 JP2690111 B2 JP 2690111B2 JP 22137788 A JP22137788 A JP 22137788A JP 22137788 A JP22137788 A JP 22137788A JP 2690111 B2 JP2690111 B2 JP 2690111B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ光の2次元スキャンを行なわせる光学
装置に関する。
The present invention relates to an optical device for performing two-dimensional scanning of laser light.

〔発明の背景〕[Background of the Invention]

近年の精密加工技術の進歩により、被加工物のマイク
ロ化、高密度化、高精度化が進み、微小領域に微細な2
次元パターンが作成されるようになってきた。それに伴
い、サブミクロン精度で形成された2次元パターンの形
状、寸法等の精密計測の必要性も高まり、光学的測定を
行なう場合、微小領域で安定した2次元スキャンが行な
える光学装置の実現が望まれている。
Due to the progress of precision processing technology in recent years, the miniaturization, high density, and high precision of the work piece have advanced, and
Dimensional patterns are being created. Along with this, the need for precise measurement of the shape, dimensions, etc. of a two-dimensional pattern formed with submicron precision has increased, and when performing optical measurement, it is possible to realize an optical device that can perform stable two-dimensional scanning in a minute area. Is desired.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

レーザ光を微小なスポット径に集光して2次元スキャ
ンを行なわせるのに次の2つの方法がよく用いられてい
る。
The following two methods are often used to focus laser light on a minute spot diameter and perform two-dimensional scanning.

試料を2次元的に移動してスキャンする方法。 A method of moving a sample two-dimensionally and scanning.

レーザ光を偏向デバイスを用いて電気的制御でスキ
ャンする方法。
A method of electrically scanning laser light using a deflection device.

の方法は、レーザ光を固定しておいて被測定物を乗
せたステージを機械的にスキャンするもの。の方法
は、被測定物は固定しておいてレーザ光を2次元スキャ
ンさせるもので、スキャンさせる偏光デバイスとして
は、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、音響光学偏向素
子を用いる場合が多く、最近では音響光学偏光素子とガ
ルバノミラーを組み合わせて、電気的制御でレーザー光
を2次元スキャンさせる光学装置が実現されている。
In this method, the laser beam is fixed and the stage on which the object to be measured is placed is mechanically scanned. In this method, the object to be measured is fixed and the laser light is two-dimensionally scanned. As a polarizing device for scanning, a polygon mirror, a galvano mirror, or an acousto-optic deflecting element is often used. An optical device that two-dimensionally scans a laser beam by electrical control has been realized by combining a polarizing element and a galvanometer mirror.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

従来技術に記載したの方法はスキャン速度が遅くス
キャンに伴う機械的振動が発生したり、0.01ミクロンメ
ートル(以下μmと記載する)程度の微小距離毎のスキ
ャン位置設定が困難である。従来技術に記載したの音
響光学偏向素子とがルバノミラーを組み合せた方法は、
従来技術のの方法に比べてスキャン速度は早くなる
が、ガルバノミラーの振れ角が比較的大きいため、例え
ば数10μm領域の如き微小領域を0.01μm程度のステッ
プでスキャンさせる場合には、ガルバノミラーの微小な
振れ角を安定して設定することが困難で、微小領域での
安定した2次元スキャンには適していない。
The method described in the prior art has a low scanning speed, mechanical vibrations are generated during scanning, and it is difficult to set a scan position for each minute distance of about 0.01 micrometer (hereinafter referred to as μm). The method in which the acousto-optic deflection element described in the prior art is combined with the luvano mirror is
The scanning speed is faster than that of the conventional method, but the deflection angle of the galvanomirror is relatively large. Therefore, when scanning a minute area such as several tens of μm in steps of about 0.01 μm, the galvanomirror It is difficult to stably set a minute shake angle, and it is not suitable for stable two-dimensional scanning in a minute area.

本発明の目的は上述した問題点を解消して、数10μm
程度の微小領域を0.01μm程度のスキャンステップで安
定した2次元スキャンを行なわせる光学装置を提供する
ことである。
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to solve the problem of several tens of μm
It is an object of the present invention to provide an optical device capable of performing stable two-dimensional scanning with a scan step of about 0.01 μm in a small area of about 0.01 μm.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記の目的を達成するために、本発明は次のような構
成としている。
In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration.

レーザ光源から放射されるレーザ光を、第1の駆動信
号源により駆動される音響光学素子と、該音響光学素子
の光学動作を制御するレンズから成る第1の光学素子群
により第1の光偏向を行なわせ、第2の駆動信号源によ
り駆動されるピエゾトランスレータにより、入射される
レーザ光をその媒質内部でV型の反射経路を起こし、入
射される方向と同一の方向に出射させる光路変換プリズ
ムを駆動させて、前記第1の光偏向と直角の方向に第2
の光偏向を行なわせ、前記第1の光偏向と第2の光偏向
でスキャンされたレーザ光を対物レンズを含む第2の光
学素子群により集光させて2次元スキャンを行なわせ
る。
First light deflection of laser light emitted from a laser light source by a first optical element group including an acousto-optical element driven by a first drive signal source and a lens for controlling an optical operation of the acousto-optical element. And an optical path conversion prism that causes a laser beam to be incident on the V-shaped reflection path inside the medium by a piezo translator driven by a second drive signal source and emits the laser beam in the same direction as the incident direction. To drive the second light beam in the direction perpendicular to the first light deflection.
The second optical element group including the objective lens collects the laser beam scanned by the first optical deflection and the second optical deflection to perform two-dimensional scanning.

さらには、レーザ光源から放射されるレーザ光を、第
1の駆動信号源で動作させられる第1のピエゾトランス
レータで前述した光路変換プリズムを駆動させて第1の
光偏向を行なわせ、第2の駆動信号源で動作させられる
第2のピエゾトランスレータで前述した光路変換プリズ
ムを駆動させて、前記第1の光偏向と直角の方向に第2
の光偏向を行なわせ、前記第1の光偏向と第2の光偏向
でスキャンされたレーザ光を対物レンズを含む光学素子
群により集光させて2次元スキャンを行なわせる。
Furthermore, the laser light emitted from the laser light source is driven by the first piezo translator operated by the first drive signal source to drive the above-mentioned optical path conversion prism to perform the first light deflection, and the second light deflection is performed. A second piezo translator that is operated by a drive signal source drives the above-mentioned optical path conversion prism, and a second piezo translator moves in a direction perpendicular to the first light deflection.
Optical deflection is performed, the laser light scanned by the first optical deflection and the second optical deflection is condensed by an optical element group including an objective lens, and two-dimensional scanning is performed.

〔作用〕[Action]

光路変換プリズムの例としてダブプリズムを用いる場
合、ダブプリズムに入射する光線位置を固定していると
き、ダブプリズムの全反射を起こすプリズム底面位置を
移動させると、ダブプリズムを透過した光線は移動前の
位置に対して、移動量の2倍シフトされた位置に出射す
る。従ってダブプリズムをピエゾトランスレータにより
微小量毎移動させることによってスキャンを行なわせる
ことができる。
When using the Dove prism as an example of the optical path changing prism, when the position of the light beam incident on the Dove prism is fixed and the prism bottom position that causes total reflection of the Dove prism is moved, the light beam that has passed through the Dove prism is not moved. The light is emitted to a position shifted by twice the movement amount with respect to the position. Therefore, scanning can be performed by moving the Dove prism by a small amount by the piezo translator.

一方、音響光学素子は印加する電気信号に応じた微小
な回折角度の変化でスキャンを行なうことができ、音響
光学素子+ダブプリズム、あるいは、ダブプリズム+ダ
ブプリズムの組み合せにより微小領域の2次元スキャン
を行なうことができる。
On the other hand, the acousto-optic element can perform scanning with a minute change in the diffraction angle according to the applied electric signal, and the acousto-optic element + dove prism or the combination of the dove prism + dove prism can perform a two-dimensional scan of a minute area. Can be done.

音響光学素子、ダブプリズムを駆動するピエゾトラン
スレータ共に電気信号により駆動されるが、電気信号の
単位変化当り音響光学素子は 10-3mrad、ピエゾトランスレータは10-3μm程度の変化
を行なわせることができるため、 10-3μmオーダのスキャン精度で駆動する電気信号に応
じた任意の軌跡で2次元スキャンが行なわれる。
Both the acousto-optic element and the piezo translator that drives the dove prism are driven by electric signals. The acousto-optic element can make a change of 10 -3 mrad and the piezo translator can make a change of 10 -3 μm per unit change of the electric signal. Therefore, the two-dimensional scanning is performed with an arbitrary trajectory according to the electric signal driven with a scanning accuracy of the order of 10 −3 μm.

〔実施例〕〔Example〕

以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施例) 第1図に本発明の第1の実施例の動作を説明するブロ
ック図を示し、光路変換プリズムとしてダブプリズムを
用いる場合について説明する。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a block diagram for explaining the operation of the first embodiment of the present invention, and the case where a Dove prism is used as an optical path changing prism will be described.

10はレーザ光源、11はレーザ光源10から放射されるレ
ーザ光で、レーザ光源10は例えばHe−Neレーザ、Arレー
ザ、半導体レーザ等が用いられる。12は音響光学素子
(以下にA・Oと略記する)、13はA・O12の光学動作
を制御するための各種のレンズから成る第1の光学素子
群14、はA・O12を駆動するための第1の駆動信号群で
ある。A・O12に超音波進行波を印加するとA・O媒質
の光弾性効果により媒質中に屈折率の周期的変動を生じ
させるため、光に対する回折格子として作用し、入射光
を回折させる。このときA・O12の回折角度は第1の駆
動信号源14からの電気信号によって制御される。このA
・O12による光偏向を第1の光偏向と称するが、例えば
偏向方向は紙面に平行な面内のX方向である。
Reference numeral 10 is a laser light source, 11 is laser light emitted from the laser light source 10, and the laser light source 10 is, for example, a He—Ne laser, an Ar laser, a semiconductor laser, or the like. 12 is an acousto-optical element (abbreviated as A / O below), 13 is a first optical element group 14 including various lenses for controlling the optical operation of A / O 12, and is for driving A / O 12. Is a first drive signal group. When an ultrasonic traveling wave is applied to the A · O12, the photoelastic effect of the A · O medium causes a periodic fluctuation of the refractive index in the medium, so that it acts as a diffraction grating for light and diffracts incident light. At this time, the diffraction angle of A · O12 is controlled by the electric signal from the first drive signal source 14. This A
The light deflection by O12 is called the first light deflection. For example, the deflection direction is the X direction in the plane parallel to the paper surface.

15はダブプリズム(DOVE PRISM)、16はピエゾトラ
ンスレータ、17はピエゾトランスレータ16を駆動する第
2の駆動信号源である。ピエゾトランスレータ16でダブ
プリズム15を移動させるが、移動方向を例えば紙面と垂
直方向のZ方向に行なわせれば、同じくZ方向に第2の
光偏向が行なわれるが、この偏向量、偏向位置の制御を
第2の駆動信号源17からの電気信号によって行なう。な
お第2の光偏向の偏向方向は前述の第1の光偏向の偏向
方向と直角の方向である。
Reference numeral 15 is a DOVE PRISM, 16 is a piezo translator, and 17 is a second drive signal source for driving the piezo translator 16. The Dove prism 15 is moved by the piezo translator 16. If the moving direction is, for example, the Z direction perpendicular to the paper surface, the second light deflection is also performed in the Z direction. Control of this deflection amount and deflection position Is performed by the electric signal from the second drive signal source 17. The deflection direction of the second light deflection is perpendicular to the deflection direction of the first light deflection described above.

18は対物レンズ19を含む第2の光学素子群で、X方
向、Z方向に2次元スキャンされるレーザ光100を微小
なスポット径に集光すると共に、この集束光を微小な領
域を2次元スキャンさせるために、レーザ光100の偏向
量を一定の比率に従って縮少する動作を行なう。点101
が対物レンズ19の焦点位置で、X−Z面で集束光点の2
次元スキャンを行なう。この2次元スキャンを行なうと
き特にピエゾトランスレータ16の安定度が重要になる。
ヒステリシスが無く、移動のリニアティが良い事及び動
作速度が早いことが特に重要であるが、Queensgate Ins
truments社のピエゾトランスレータ、モデルDPT/AX100
がこのような目的に適している。またA・O12にも高精
度の偏向特性が必要であるが、イントラアクション社の
ADM−40が本目的に適している。
Reference numeral 18 denotes a second optical element group including an objective lens 19, which condenses the laser light 100, which is two-dimensionally scanned in the X and Z directions, to a minute spot diameter, and also focuses this focused light in a minute area in two dimensions. In order to scan, an operation of reducing the deflection amount of the laser light 100 according to a constant ratio is performed. Point 101
Is the focal position of the objective lens 19, and the focused light spot 2 on the XZ plane.
Perform a dimensional scan. When performing this two-dimensional scan, the stability of the piezo translator 16 is particularly important.
It is especially important that there is no hysteresis, good linearity of movement, and fast operation speed.
Truments Piezo Translator, Model DPT / AX100
Is suitable for this purpose. In addition, A ・ O12 also needs high-precision deflection characteristics.
ADM-40 is suitable for this purpose.

第2図にダブプリズム15による光偏向動作を説明する
光路図を示す。第2図(イ)はダブプリズム15が設定さ
れた基準位置にある場合、第2図(ロ)はダブプリズム
15がピエゾトランスレータの動きに連動して基準位置か
らhだけZ方向にシフトした場合である。
FIG. 2 shows an optical path diagram for explaining the light deflection operation by the Dove prism 15. FIG. 2 (a) shows the case where the dove prism 15 is at the set reference position, and FIG. 2 (b) shows the dove prism.
This is the case where 15 is shifted in the Z direction from the reference position by h in conjunction with the movement of the piezo translator.

第2図(イ)において基準位置に置かれたダブプリズ
ム15に入射されるレーザ光200が、ダブプリズム15の高
さ方向の中央部に入射すれば、図のような屈折経路を進
み、長さ方向の中央部201において全反射され、出射光2
02は入射光200と同じ高さ方向の位置に出射する。
If the laser light 200 incident on the Dove prism 15 placed at the reference position in FIG. 2 (a) enters the center of the Dove prism 15 in the height direction, it travels along the refraction path as shown in FIG. Emitted light 2 is totally reflected at the central portion 201 in the vertical direction.
02 is emitted at the same height as the incident light 200.

ダブプリズム15の全反射面がhだけZ方向にシフトさ
れた第2図(ロ)の場合は、入射光線200はダブプリズ
ム15の高さ方向の中央部よりもhだけ下方に入射される
(入射光線200のZ方向位置は固定されている)。屈折
光線は図示の経路を進み、長さ方向の中央部よりも左側
の位置203で全反射されるため、出射光204は基準となる
出射光202の位置に対して2hだけZ方向にシフトされた
位置に出射される。このようにピエゾトランスレータ16
を用いて、ダブプリズム15の全反射面をZ方向にhだけ
シフトさせることにより、2hの大きさでZ方向に出射光
位置も変化させて光偏向させることができる。
In the case of FIG. 2B in which the total reflection surface of the dove prism 15 is shifted in the Z direction by h, the incident light beam 200 is incident downward by h from the central portion of the dove prism 15 in the height direction ( The Z direction position of the incident ray 200 is fixed). The refracted ray travels along the path shown in the figure, and is totally reflected at a position 203 on the left side of the central portion in the longitudinal direction. It is emitted to the position. In this way the piezo translator 16
By using, to shift the total reflection surface of the dove prism 15 in the Z direction by h, the position of the emitted light can be changed in the Z direction by a size of 2h and the light can be deflected.

第3図に第1図に示したブロック図の光学系の構成実
施例を示す。
FIG. 3 shows a structural example of the optical system of the block diagram shown in FIG.

30及び33はシリンドリカルレンズで各々の焦点距離は
等しくてfcとする。31及び32は凸レンズで各々の焦点距
離がf1、f2であり、凸レンズ31と凸レンズ32の間にA・
O12を配置する。以上のレンズ群30、31、32、33がA・O
12の光学動作を制御する第1の光学素子群13である。
Reference numerals 30 and 33 denote cylindrical lenses having the same focal length and f c . Reference numerals 31 and 32 are convex lenses having focal lengths f 1 and f 2 , respectively, and between the convex lens 31 and the convex lens 32, A ·
Place O12. The above lens groups 30, 31, 32, and 33 are AO
It is a first optical element group 13 for controlling the optical operation of 12.

A・O12の回折による偏向動作を最適状態で行なわせ
るために、A・O12の媒質内を伝播する超音波進行波と
光波の相互作用を十分に行なわせる必要があるため、シ
リンドリカルレンズ30と凸レンズ31の組み合せにより焦
点距離比f1/fCに応じて、レーザ光線10から放射される
円形状を持つ直線偏光のレーザ光11のビーム径及びビー
ム形状を変換する。この変換されたビーム300はシリン
ドリカルレンズ30の作用によりほぼ1次元の広がりを持
つシート形状である。なお図示のビーム形状は紙面に平
行なX方向の面内での形状を表わしており、紙面に垂直
なZ方向面内ではA・O12の中点位置301で焦点を結ぶビ
ーム形状である。
In order to perform the deflection operation by the diffraction of A · O12 in the optimum state, it is necessary to sufficiently interact the ultrasonic traveling wave and the light wave propagating in the medium of A · O12. Therefore, the cylindrical lens 30 and the convex lens The combination of 31 converts the beam diameter and the beam shape of the linearly polarized laser light 11 having a circular shape emitted from the laser beam 10 according to the focal length ratio f 1 / f C. The converted beam 300 has a sheet shape having a substantially one-dimensional spread due to the action of the cylindrical lens 30. The beam shape shown in the drawing represents a shape in the plane in the X direction parallel to the paper surface, and is a beam shape that is focused at the midpoint position 301 of A · O12 in the Z direction surface perpendicular to the paper surface.

シート形状のビーム300によりA・O12で回折作用が行
なわれるが、凸レンズ32とシリンドリカルレンズ33でシ
ート形状のビームを再び変換して円形ビーム形状に直し
てやる。なおシリンドリカルレンズ33の光線屈折面は、
シリンドリカルレンズ30の光線屈折面とは垂直な方向に
設定する。位置302が円形状に集光されたビームの焦点
位置で、A・O12によって回折された1次回折光と、回
折されない0次光との分離を行なうが、1次回折光を偏
向ビームとして用いる。
The sheet-shaped beam 300 diffracts at A · O12, and the convex lens 32 and the cylindrical lens 33 convert the sheet-shaped beam again to convert it into a circular beam shape. The light refracting surface of the cylindrical lens 33 is
It is set in a direction perpendicular to the light refracting surface of the cylindrical lens 30. The position 302 is the focal point of the circularly focused beam, and the 1st-order diffracted light diffracted by A · O 12 and the 0th-order light that is not diffracted are separated, but the 1st-order diffracted light is used as the deflected beam.

34は偏光ビームスプリッター(PBS)、15は前述した
ダブプリズム、35は焦点距離f3を有する凸レンズ、36は
1/4波長板、19は焦点距離f0を有する対物レンズ、37はP
iNフォトダイオード等から成る光検出器、38は微小な2
次元パターンを有する被測定物である。ここで対物レン
ズ19の焦点位置に被測定物38を配置し、反射光を光検出
器37で検出する。円形状で発散光となるビーム303の光
路中に偏光ビームスプリッター34とダブプリズム15を配
置する。ここでダブプリズム15は紙面に垂直な面で移動
を行なわせ、紙面に垂直な面内(Z方向)での第2の光
偏向を行なわせる。なお前述のA・O12では紙面に平行
な面内でX方向に第1の光偏向を行なわせる。
34 is a polarizing beam splitter (PBS), 15 is the above-mentioned Dove prism, 35 is a convex lens having a focal length f 3 , and 36 is
1/4 wavelength plate, 19 is an objective lens having a focal length f 0 , 37 is P
Photodetector consisting of iN photodiode, 38 is a small 2
An object to be measured having a dimensional pattern. Here, the DUT 38 is placed at the focal position of the objective lens 19, and the reflected light is detected by the photodetector 37. A polarization beam splitter 34 and a Dove prism 15 are arranged in the optical path of a circular beam divergent light beam 303. Here, the Dove prism 15 is moved in a plane perpendicular to the plane of the paper, and the second light is deflected in the plane perpendicular to the plane of the paper (Z direction). In the above-mentioned A · O12, the first light deflection is performed in the X direction in the plane parallel to the paper surface.

凸レンズ35で発散光303を平行光304に変換し、対物レ
ンズ19で直径1μm程度の微小スポット径に集光して、
焦点位置でX−Z面内で微小領域を2次元スキャンさせ
る。ここで凸レンズ35と対物レンズ19が第2の光学素子
群18である。なお1/4波長板を平行ビーム304の光路中に
配置しているが、凸レンズ35の左側に配置してもよい。
The convex lens 35 converts the divergent light 303 into parallel light 304, and the objective lens 19 condenses it into a minute spot diameter of about 1 μm.
Two-dimensional scanning is performed on a minute area in the XZ plane at the focus position. Here, the convex lens 35 and the objective lens 19 are the second optical element group 18. Although the quarter-wave plate is arranged in the optical path of the parallel beam 304, it may be arranged on the left side of the convex lens 35.

第4図に第3図に示した光学系の構成によるスキャン
による光路変換を説明する光路図を示し、第4図(イ)
はA・O12によるX方向の光偏向を説明する光路図、第
4図(ロ)はダブプリズム15によるZ方向の光偏向を説
明する光路図である。第4図(イ)、(ロ)の両方の図
において、第3図に示したシリンドリカルレンズ30、凸
レンズ31、偏光ビームスプリッター34、1/4波長板36は
光路説明には関係しないから図から省略している。
FIG. 4 shows an optical path diagram for explaining optical path conversion by scanning with the configuration of the optical system shown in FIG. 3, and FIG.
Is an optical path diagram for explaining light deflection in the X direction by A · O12, and FIG. 4B is an optical path diagram for explaining light deflection in the Z direction by the Dove prism 15. In both FIGS. 4 (a) and 4 (b), the cylindrical lens 30, the convex lens 31, the polarization beam splitter 34, and the 1/4 wavelength plate 36 shown in FIG. 3 are not related to the explanation of the optical path. Omitted.

第4図(イ)において、A・O12によって回折された
回折1次光400はθなる回折角で進行し、凸レンズ32に
よって平行光路で進行する平行光401に変換される。シ
リンドリカルレンズ33は平行光401に対して屈折作用を
持たず、更にダブプリズム15もX方向に偏向される平行
光401に対しては、X方向への光路変換作用を持たな
い。平行光401は凸レンズ35で屈折され、対物レンズ19
で微小スポット径に集光されて再び平行光に変換されて
X方向のスキャンを行なう。A・O12に印加される第1
の駆動信号源14の駆動信号によるA・O12の回折角の変
化をθとすれば、対物レンズ19の焦点位置における偏
向量の変化DXは式 DX=(f0/f3)×f2×θ…… で表わされる。
In FIG. 4 (a), the diffracted first-order light 400 diffracted by A · O12 travels at a diffraction angle of θ and is converted by the convex lens 32 into parallel light 401 traveling in the parallel optical path. The cylindrical lens 33 has no refracting action on the parallel light 401, and the dove prism 15 also has no optical path changing action in the X direction on the parallel light 401 deflected in the X direction. The parallel light 401 is refracted by the convex lens 35, and the objective lens 19
Then, the light is focused into a small spot diameter, converted into parallel light again, and scanned in the X direction. First applied to A · O12
If the change in the diffraction angle of the A · O12 by the driving signal of the driving signal source 14 and theta d, a change in deflection amount at the focal position of the objective lens 19 D X has the formula D X = (f 0 / f 3) × It is represented by f 2 × θ d .

第4図(ロ)において、Z方向の光路についてはA・
O12では回折作用が行なわれず光ビーム402は直進する。
ダブプリズム15において、第2図で説明した如く光ビー
ム402は屈折され、基準位置からの変化hに対して、2h
だけシフトされた位置に屈折光が出射され、平行に進行
する平行光403が得られる。平行光403は凸レンズ35と対
物レンズ19によって第4図(イ)で説明したのと同様
に、微小スポット径に集光されてZ方向のスキャンを行
なう。ダブプリズム15を駆動するピエゾトランスレータ
16に印加される第2の駆動信号源17の駆動信号によるダ
ブプリズム15の移動量をhとしたとき、対物レンズ19の
焦点位置における偏向量DZは式 DZ=(f0/f3)×2h…… で表わされる。
In FIG. 4B, the optical path in the Z direction is A.
At O12, the diffraction effect is not performed and the light beam 402 goes straight.
In the Dove prism 15, the light beam 402 is refracted as described with reference to FIG.
The refracted light is emitted to a position shifted by a distance, and parallel light 403 traveling in parallel is obtained. The parallel light 403 is condensed by the convex lens 35 and the objective lens 19 into a minute spot diameter in the same manner as described with reference to FIG. Piezo translator driving the Dove prism 15
When the movement amount of the Dove prism 15 by the drive signal of the second drive signal source 17 applied to 16 is h, the deflection amount D Z at the focus position of the objective lens 19 is expressed by the formula D Z = (f 0 / f 3 ) × 2h …….

式、式において偏向量DX、DZは(f0/f3)によっ
て変化させることができるため、希望する偏向量に応じ
て第2の光学素子群を構成する凸レンズ35と対物レンズ
19の焦点距離を設定すればよい。
Since the deflection amounts D X and D Z in the equation can be changed by (f 0 / f 3 ), the convex lens 35 and the objective lens that form the second optical element group according to the desired deflection amount.
You can set a focal length of 19.

(第2実例例) 次にダブプリズムを2個用いた2次元スキャン光学系
について説明する。第1実施例においてはX方向のスキ
ャンをA・O12を用いて行なったが、A・O12の代りにダ
ブプリズムを用いてスキャンさせることも可能である。
(Example of Second Example) Next, a two-dimensional scanning optical system using two Dove prisms will be described. In the first embodiment, the scanning in the X direction was performed by using A.O12, but it is also possible to scan by using a Dove prism instead of A.O12.

第5図にダブプリズムを2個用いて2次元スキャンを
行なわせる第2の実施例の動作を説明するブロック図を
示す。10は前述したレーザ光源で、レーザ光11を放射す
る。51は第1のダブプリズムでX方向の第1の光偏向を
行なう。52は第1のダブプリズム51を移動させるための
第1のピエゾトランスレータ(以下PZTと略記する)、5
3は第1のPZT52を駆動するための第1の駆動信号源であ
る。54は第2のダブプリズムでZ方向の第2の光偏向を
行なう。55は第2のダブプリズム54を移動させるための
第2のPZT、56は第2のPZT55を駆動するための第2の駆
動信号源である。57は対物レンズ19を含み、第1と第2
のダブプリズム51及び54の光学動作を制御するための光
学系である。
FIG. 5 shows a block diagram for explaining the operation of the second embodiment in which two-dimensional scanning is performed using two Dove prisms. Reference numeral 10 denotes the above-mentioned laser light source, which emits the laser light 11. A first Dove prism 51 deflects the first light in the X direction. Reference numeral 52 denotes a first piezo translator (hereinafter abbreviated as PZT) for moving the first Dove prism 51, 5
Reference numeral 3 is a first drive signal source for driving the first PZT 52. A second Dove prism 54 deflects the second light in the Z direction. 55 is a second PZT for moving the second Dove prism 54, and 56 is a second drive signal source for driving the second PZT 55. 57 includes the objective lens 19 and includes the first and second
This is an optical system for controlling the optical operation of the Dove prisms 51 and 54.

以上の構成において第1と第2のダブプリズム51及び
54は図示の如く、全反射を起こすダブプリズム底面の位
置が互いに垂直になるように配置し、いずれの場合もダ
ブプリズム底面位置を移動させる必要があるから、第1
のPZT52はX方向、第2のPZT55はZ方向への移動を行な
わせるような構成とする。
In the above configuration, the first and second Dove prisms 51 and
As shown in the drawing, 54 is arranged so that the positions of the bottom surfaces of the dove prisms that cause total reflection are perpendicular to each other. In either case, it is necessary to move the bottom surface positions of the dove prisms.
The second PZT 55 is configured to move in the X direction, and the second PZT 55 is configured to move in the Z direction.

第6図に第5図にし示したブロック図の光学系の構成
実施例を示す。60は凸レンズで、レーザ光源10から放射
された円形状のレーザ光11のビーム径を拡大した発散光
600を作成する。この発散光600の光路中に前述の第1の
ダブプリズム51と第2のダブプリズム54を配置する。61
は焦点距離f3を有する凸レンズで発散光600を平行光601
に変換し、焦点距離f0を有する対物レンズ19で平行光60
1を集光して微小スポットに集束させ、焦点位置に被測
定物38を配置して2次元スキャンを行なわせる。なお第
6図においては反射光検出の際に有用な偏光ビームスプ
リッター、1/4波長板、光検出器は省略している。
FIG. 6 shows a structural example of the optical system of the block diagram shown in FIG. Reference numeral 60 denotes a convex lens, which is a divergent light obtained by expanding the beam diameter of the circular laser light 11 emitted from the laser light source 10.
Create 600. The above-mentioned first Dove prism 51 and second Dove prism 54 are arranged in the optical path of this divergent light 600. 61
Is a convex lens with a focal length f 3
And the parallel light 60 is converted by the objective lens 19 having the focal length f 0.
1 is condensed and focused on a minute spot, and the DUT 38 is placed at the focal position to perform a two-dimensional scan. In FIG. 6, a polarization beam splitter, a 1/4 wavelength plate and a photodetector which are useful for detecting reflected light are omitted.

第7図に第6図に示した光学系の構成によるスキャン
による光路変換を説明する図を示し、第7図(イ)は第
1のダブプリズム51によるX方向スキャンの光路図、第
7図(ロ)は第2のダブプリズム54によるZ方向スキャ
ンの光路図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining optical path conversion by scanning by the configuration of the optical system shown in FIG. 6, and FIG. 7 (a) is an optical path diagram of X direction scanning by the first Dove prism 51, FIG. (B) is an optical path diagram of Z-direction scanning by the second Dove prism 54.

第7図(イ)において第1のダブプリズム51の全反射
を起こす底面を基準位置からhXだけX方向にシフトさせ
ると、出射光700は基準位置から2hXシフトされる。第2
のダブプリズム54はX方向に対する光路変換作用は持た
ず直進して凸レンズ61により屈折され、対物レンズ19で
再び屈折させて平行に進行させる。第1の駆動信号源53
の駆動信号による第1のダブプリズム51の移動量をhX
したとき、対物レンズ19の焦点位置における偏向量DX
式 DX=(f0/f3)×2h…… で表わされる。
In FIG. 7A, when the bottom surface of the first Dove prism 51 that causes total reflection is shifted from the reference position by h X in the X direction, the emitted light 700 is shifted by 2 h X from the reference position. Second
The dove prism 54 has no optical path changing action in the X direction, goes straight, is refracted by the convex lens 61, and is refracted again by the objective lens 19 to proceed in parallel. First drive signal source 53
When the moving amount of the first Dove prism 51 due to the drive signal of H x is h X , the deflection amount D X at the focus position of the objective lens 19 is expressed by the formula D X = (f 0 / f 3 ) × 2h. .

第7図(ロ)において、Z方向の光路については第1
のダブプリズム51は光路変換作用を持たないので直進
し、第2のダブプリズム54の全反射を起こす底面を基準
位置からhZだけZ方向にシフトさせると、出射光701は
基準位置から2hZシフトされ、第7図(イ)の場合と同
様に凸レンズ61と対物レンズ19で屈折されて、対物レン
ズ19の焦点面でZ方向のスキャンが行なわれる。第2の
駆動信号源56の駆動信号による第2のダブプリズムの移
動量をhZとすれば、対物レンズ19の焦点位置における偏
向量DZは式 DZ=(f0/f3)×2hZ…… で表わされる。
In FIG. 7B, the optical path in the Z direction is the first
Since the dove prism 51 of No. 3 has no optical path changing action, it goes straight, and when the bottom surface of the second dove prism 54 that causes total reflection is shifted in the Z direction from the reference position by h Z , the emitted light 701 becomes 2 h Z from the reference position. It is shifted and refracted by the convex lens 61 and the objective lens 19 as in the case of FIG. 7A, and the focal plane of the objective lens 19 is scanned in the Z direction. If the amount of movement of the second Dove prism by the drive signal of the second drive signal source 56 is h Z , the deflection amount D Z at the focus position of the objective lens 19 is given by the formula D Z = (f 0 / f 3 ) × 2h Z: Represented by.

第2の実施例の場合でも、ピエゾトランスレータによ
る移動量が決まれば、凸レンズ61及び対物レンズ19の焦
点距離比を任意に設定することにより希望する量だけ2
次元スキャンが行なわれる。
Also in the case of the second embodiment, if the amount of movement by the piezo translator is determined, the focal length ratio of the convex lens 61 and the objective lens 19 is arbitrarily set to obtain the desired amount of 2
A dimensional scan is performed.

次に、第1の実施例及び第2の実施例で説明した2次
元スキャンを行なう場合の駆動信号について述べる。
Next, drive signals for performing the two-dimensional scan described in the first and second embodiments will be described.

第8図に第1実施例で説明した場合でのラスタースキ
ャンを行なわせる駆動信号の一例を示す。信号80は第1
の駆動信号源14から発せられる信号でA・O12を駆動す
る。信号81は第2の駆動信号源17から発せられる信号で
PZT16を駆動する。駆動信号80は電圧レベルがVX1〜VX2
までの範囲で変化するランプ波で、この電圧範囲で前述
したθの回折角変化が行なわれ、印加した電圧値に応
じたX位置にスキャンされる。駆動信号81は駆動信号80
に同期して電圧がステップ状に変化する信号で、印加し
た電圧値VZ1、VZ2、……に応じたZ位置にスキャンされ
る。
FIG. 8 shows an example of drive signals for performing raster scan in the case described in the first embodiment. Signal 80 is first
A · O12 is driven by a signal generated from the drive signal source 14 of. The signal 81 is a signal emitted from the second drive signal source 17.
Drive the PZT16. The drive signal 80 has a voltage level of V X1 to V X2.
With the ramp wave changing in the range up to, the diffraction angle change of θ d described above is performed in this voltage range, and the X position is scanned according to the applied voltage value. Drive signal 81 is drive signal 80
Is a signal whose voltage changes stepwise in synchronism with, and is scanned to the Z position according to the applied voltage values V Z1 , V Z2 , ....

本実施例の場合はX方向に1ラインスキャンしたら、
Z方向の位置をシフトさせて更に1ラインスキャンさ
せ、この動作を順次くり返してラスタースキャンを行な
う。第2実施例で述べたダブプリズムを2個用いる場合
でも、第1のダブプリズム51を駆動信号80のランプ状信
号で駆動すればよい。更には希望するスキャンの形式に
合わせて駆動信号の電圧を設定すればよい。
In the case of this embodiment, after scanning one line in the X direction,
The position in the Z direction is shifted to scan another line, and this operation is sequentially repeated to perform raster scan. Even when the two Dove prisms described in the second embodiment are used, the first Dove prism 51 may be driven by the ramp signal of the drive signal 80. Further, the voltage of the drive signal may be set according to the desired scan format.

以上光路変換プリズムの実施例としてダブプリズムを
用いる例を説明したが、光路変換プリズムの他の実施例
を第9図に示す。91は各々の頂角が60゜で、断面形状が
正三角形をなす第1のプリズム、92は頂角が30゜、60
゜、90゜の角度をなす第2のプリズムで、以上の2つの
プリズムを図のように重ねて用いる。第1のプリズム91
に入射されるレーザ光93は、第1のプリズム91に垂直に
入射され、その媒質内部でダブプリズムの場合と同様に
V型の反射経路を起こし、第2のプリズム92から出射さ
れるレーザ光94は、第2のプリズム92の垂直な面から入
射される方向と同一方向に出射される。
Although the example using the Dove prism has been described above as an example of the optical path changing prism, another example of the optical path changing prism is shown in FIG. 91 is a first prism with an apex angle of 60 ° and a regular triangular cross section, and 92 is an apex angle of 30 °, 60
This is the second prism that makes an angle of 90 °, and the above two prisms are used as shown in the figure. First prism 91
The laser light 93 that is incident on the first prism 91 is perpendicularly incident on the first prism 91, causes a V-shaped reflection path inside the medium as in the case of the Dove prism, and is emitted from the second prism 92. 94 is emitted in the same direction as the incident direction from the vertical surface of the second prism 92.

本実施例の場合もダブプリズムの場合と同様にピエゾ
トランスレータで駆動すれば、移動量の2倍だけ入射光
線と出射光線の位置がシフトされる。本実施例のプリズ
ムを用いる場合の光学系は前述した光学系のダブプリズ
ムと置き換えればよい。
In the case of the present embodiment as well, when driven by the piezo translator as in the case of the Dove prism, the positions of the incident light beam and the outgoing light beam are shifted by twice the movement amount. When the prism of this embodiment is used, the optical system may be replaced with the Dove prism of the optical system described above.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の説明から明らかな如く、本発明によれば簡素な
光学系の構成で微小領域を安定して2次元スキャンを行
なわせることが可能で、微小な2次元マイクロパターン
の形状、寸法等を高精度に検出することが可能である。
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to stably perform a two-dimensional scan on a minute area with a simple optical system configuration, and to improve the shape and size of a minute two-dimensional micro pattern. It is possible to detect with accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1の実施例を説明するブロック図、
第2図はダブプリズムによる光偏向の動作を説明する光
路図、第3図は第1図に示したブロック図の光学系の構
成例を示す光路図、第4図は第3図に示した光学系によ
る光偏向の光路を説明する光路図、第5図は本発明の第
2の実施例を説明するブロック図、第6図は第5図に示
したブロック図の光学系の構成例を示す光路図、第7図
は第6図に示した光学系による光偏向の光路を説明する
光路図、第8図は駆動信号の例を示す波形図、第9図は
光路変換プリズムの第2の実施例を説明する光路図であ
る。 10……レーザ光源、 12……音響光学素子、 15……ダブプリズム、 16……ピエゾトランスレータ、 19……対物レンズ、 51……第1のダブプリズム、 54……第2のダブプリズム、 91……第1のプリズム、 92……第2のプリズム。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a first embodiment of the present invention,
2 is an optical path diagram for explaining the operation of light deflection by the Dove prism, FIG. 3 is an optical path diagram showing an example of the configuration of the optical system of the block diagram shown in FIG. 1, and FIG. 4 is shown in FIG. FIG. 5 is an optical path diagram for explaining the optical path of light deflection by the optical system, FIG. 5 is a block diagram for explaining the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a structural example of the optical system of the block diagram shown in FIG. FIG. 7 is an optical path diagram for explaining an optical path of light deflection by the optical system shown in FIG. 6, FIG. 8 is a waveform diagram showing an example of a drive signal, and FIG. 9 is a second optical path conversion prism. FIG. 3 is an optical path diagram for explaining the example of FIG. 10 ... Laser light source, 12 ... Acousto-optic element, 15 ... Dove prism, 16 ... Piezo translator, 19 ... Objective lens, 51 ... First dove prism, 54 ... Second dove prism, 91 ...... First prism, 92 ...... Second prism.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】レーザ光源から放射されるレーザ光を、第
1の駆動信号源により駆動される音響光学素子と、該音
響光学素子の光学動作を制御するレンズから成る第1の
光学素子群により第1の光偏向を行なわせ、第2の駆動
信号源により駆動されるピエゾトランスレータで、入射
されるレーザ光をその媒質内部でV型の反射経路を起こ
し、入射される方向と同一の方向に出射させる光路変換
プリズムを駆動させて、前記第1の光偏向と直角の方向
に第2の光偏向を行なわせ、前記第1の光偏向と第2の
光偏向でスキャンされたレーザ光を、対物レンズを含む
第2の光学素子群により集光させて2次元スキャンを行
なわせることを特徴とするレーザ光の2次元スキャン光
学装置。
1. A first optical element group including a laser beam emitted from a laser light source, the acousto-optical element driven by a first drive signal source, and a lens for controlling an optical operation of the acousto-optical element. The piezo translator driven to perform the first light deflection and driven by the second drive signal source causes the incident laser light to have a V-shaped reflection path inside the medium and is directed in the same direction as the incident direction. The optical path conversion prism to be emitted is driven to perform the second light deflection in the direction perpendicular to the first light deflection, and the laser light scanned by the first light deflection and the second light deflection is A two-dimensional scanning optical device for laser light, characterized in that a second optical element group including an objective lens collects the light to perform two-dimensional scanning.
【請求項2】レーザ光源から放射されるレーザ光を、第
1の駆動信号源により動作させられる第1のピエゾトラ
ンスレータで、入射されるレーザ光をその媒質内部でV
型の反射経路を起こし、入射される方向と同一の方向に
出射させる第1の光路変換プリズムを駆動させて第1の
光偏向を行なわせ、第2の駆動信号源により動作させら
れる第2のピエゾトランスレータで第2の光路変換プリ
ズムを駆動させて、前記第1の光偏向と直角な方向に第
2の光偏向を行なわせ、前記第1の光偏向と第2の光偏
向でスキャンされたレーザ光を対物レンズを含む光学素
子群により集光させて2次元スキャンを行なわせること
を特徴とするレーザ光の2次元スキャン光学装置。
2. A laser beam emitted from a laser light source is a first piezo translator which is operated by a first drive signal source, and the incident laser beam is V inside the medium.
A second optical path conversion prism that drives a first optical path conversion prism that causes a reflection path of the mold to be emitted in the same direction as the incident direction, and causes the second optical path conversion prism to operate. The second optical path conversion prism is driven by the piezo translator to perform the second optical deflection in the direction perpendicular to the first optical deflection, and the scanning is performed by the first optical deflection and the second optical deflection. A two-dimensional scanning optical device for laser light, characterized in that laser light is condensed by an optical element group including an objective lens to perform two-dimensional scanning.
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