JP3921004B2

JP3921004B2 - Displacement tilt measuring device

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Publication number: JP3921004B2
Application number: JP03477399A
Authority: JP
Inventors: 正良加藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2019-02-12
Also published as: JP2000234907A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体露光装置（ステッパ）のステージ等の傾斜角度や三次元位置を測定する変位傾斜測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体露光装置（ステッパ）等においては、基板を載置して位置決めするステージの変位や傾斜の状態を迅速に測定して微小な位置制御を行っている。このようなステージの変位量及び傾斜量の測定・算出を同時にすることができる装置の一例としては、特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置がある。ここで、図１１は従来の変位傾斜測定装置の一例を示す斜視図である。図１１に示すように、この特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置１００は、所定の角度を有して設けられた２つの光源１０１，１０２からそれぞれ光ビームを測定領域に照射し、測定領域でのこれらの光ビームの各反射光を個別に受ける光センサ１０３，１０４を所定の位置に設置して、各光センサ１０３，１０４に入射する光スポットの受光位置情報に基づいて演算処理部１０５において測定領域の変位量及び傾斜量を算出するものである。
【０００３】
また、物体の変位量及び傾斜量の測定・算出を同時にすることができる装置の他の一例としては、特開平８−２４０４０８号公報に記載された変位センサがある。ここで、図１２は従来の変位センサの一例を示す斜視図である。図１２に示すように、この特開平８−２４０４０８号公報に記載された変位センサ２００は、変位測定用光源２０１から光ビームを出射し、この出射された光ビームをダイクロイックミラー２０２を透過させた後に集光レンズ２０３で集光してから測定領域に照射する。また、測定領域からの反射光を集光レンズ２０４で集光し、ダイクロイックミラー２０５を透過させた後に変位測定用受光素子２０６に光スポットとして結像させ、その結像位置に基づいて測定領域の移動量を算出する。一方、変位測定用光源２０１から出射される光ビームとは波長が異なる光ビームを傾斜測定用光源２０７から出射し、この出射された光ビームをダイクロイックミラー２０２で反射させた後に集光レンズ２０３で集光してから測定領域に照射する。また、測定領域からの反射光を集光レンズ２０４で集光し、ダイクロイックミラー２０５で反射させた後に傾斜測定用受光素子２０８に光スポットとして結像させ、その結像位置に基づいて測定領域の傾斜量を算出する。加えて、この変位センサ２００は、これらの測定領域の移動量と測定領域の傾斜量とに基づいて測定領域の変位量を算出するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置１００によれば、演算処理部１０５における測定領域の変位量及び傾斜量を光路長に基づいて算出しているために、測定対象物毎に光路長を予め測定等しておく必要があるので、汎用性や実用性に問題がある。
【０００５】
また、特開平７−３３２９５４号公報に記載された変位傾斜測定装置１００や特開平８−２４０４０８号公報に記載された変位センサ２００によれば、測定領域の変位量を算出することができる変位方向は一方向のみであり、三次元方向について算出することはできないという問題がある。
【０００６】
さらに、原理的に測定対象物の測定領域は光ビームの光スポットが基準になるため、並進運動によって測定領域は変化してしまうことになり、測定対象物の三次元的な動きが正確に測定できないという問題もある。
【０００７】
本発明の目的は、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができ、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【０００８】
本発明の目的は、小型・軽量な変位傾斜測定装置を得ることである。
【０００９】
本発明の目的は、反射部材の六軸方向の三次元位置を算出することができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【００１０】
本発明の目的は、測定対象物の所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物の所定領域の傾斜角度のみを単独で算出することができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【００１１】
本発明の目的は、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出制度の劣化を低減することができる変位傾斜測定装置を得ることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、鏡面反射性を有する測定対象物の所定領域に対して少なくとも二以上の光束を出射し、各反射光を複数の受光素子でそれぞれ受光して各反射光の受光位置を検出し、一の前記受光素子で検出した反射光の受光位置に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出するとともに、少なくとも２以上の他の前記受光素子において検出した反射光の受光位置と算出された前記傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する。
【００１３】
したがって、鏡面反射性を有する測定対象物の所定領域に対して少なくとも二以上の光束がそれぞれ出射される。測定対象物の所定領域で反射された各光束は、複数の受光素子でそれぞれ受光されて各受光位置が検出される。測定対象物の所定領域の傾斜角度が一の受光素子で検出された反射光の受光位置に基づいて算出され、その傾斜角度と少なくとも２以上の他の受光素子において検出された反射光の受光位置とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置が算出される。これにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、測定対象物の所定領域に配設され、鏡面反射性を有する反射部材と、この反射部材に対して第一光束を出射する第一光源部と、この第一光源部と同一面上に設けられ、前記第一光源部から出射される前記第一光束に対して所定の角度を有する第二光束を前記反射部材に対して出射する第二光源部と、前記反射部材で反射された前記第一光束を受光してその受光位置を検出する第一の受光素子と、この第一の受光素子と同一面上に設けられ、前記反射部材で反射された前記第二光束を受光してその受光位置を検出する第二の受光素子と、前記反射部材上に位置する前記第一光束と前記第二光束との交点に対し、その鉛直方向下方から第三光束を出射する第三光源部と、前記反射部材で反射された前記第三光束の光路上に設けられ、その第三光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、この傾斜角度検出手段で検出された傾斜角度情報に基づいて前記測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する角度演算手段と、この角度演算手段で算出された傾斜角度と前記第一の受光素子で検出された受光位置と前記第二の受光素子で検出された受光位置とに基づいて前記測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する変位量演算手段と、を備える。
【００１５】
したがって、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように、第一光源部と第二光源部と第三光源部とからそれぞれ光束が出射される。各光束は反射部材において反射され、第一光源部から出射された第一光束と第二光源部から出射された第二光束とは第一の受光素子と第二の受光素子とにおいて各々受光され、それらの受光位置が検出される。一方、反射部材上に位置する第一光束と第二光束との交点に対してその鉛直方向下方から出射される第三光束からは、傾斜角度検出手段によって測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報が検出され、角度演算手段によってその傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度が算出される。また、変位量演算手段によって各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置が算出される。これにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の変位傾斜測定装置において、前記第三光源部は、前記第一光源部と前記第二光源部とのいずれか一方の光源を併用する。
【００１７】
したがって、第三光源部の光源が、第一光束を出射する第一光源部と第二光束を出射する第二光源部とのいずれか一方の光源と併用されることにより、部品点数が削減されるとともに、装置の小型・軽量化が図られる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、測定対象物の所定領域に配設され、鏡面反射性を有する反射部材と、この反射部材に対して第一光束を出射する第一光源部と、この第一光源部と同一面上に設けられ、前記第一光源部から出射される前記第一光束に対して所定の角度を有する第二光束を前記反射部材に対して出射する第二光源部と、前記反射部材で反射された前記第一光束の光路上に設けられ、前記第一光束を異なる方向に向けて二つに分離する光分離器と、この光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に設けられ、その一方の分離光束を受光してその受光位置を検出する第一の受光素子と、前記反射部材で反射された前記第二光束を受光してその受光位置を検出する第二の受光素子と、前記光分離器により分離された他方の分離光束の光路上に設けられ、その他方の分離光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、この傾斜角度検出手段で検出された傾斜角度情報に基づいて前記測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する角度演算手段と、この角度演算手段で算出された傾斜角度と前記第一の受光素子で検出された受光位置と前記第二の受光素子で検出された受光位置とに基づいて前記測定対象物の所定領域の三次元位置を算出する変位量演算手段と、を備える。
【００１９】
したがって、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように第一光源部と第二光源部とからそれぞれ光束が出射され、各光束は反射部材において反射される。第一光源部から出射された第一光束は反射部材で反射された後にその光路上に設けられた光分離器によって異なる方向に向けて二つに分離される。そして、一方の分離光束は第一の受光素子において受光され、その受光位置が検出される。また、他方の分離光束からは、傾斜角度検出手段によって測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報が検出され、角度演算手段によってその傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度が算出される。一方、第二光源部から出射された第二光束は第二の受光素子において受光され、その受光位置が検出される。さらに、変位量演算手段によって各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置が算出される。これにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の変位傾斜測定装置において、前記光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に低収差レンズを設け、前記第一の受光素子をその低収差レンズの焦点位置から所定の距離だけ離れた位置にレンズ光軸に対して垂直に設ける。
【００２１】
したがって、第一の受光素子が、光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に設けられた低収差レンズの焦点位置から所定の距離だけ離れた位置に設けられる。これにより、たとえ低収差レンズにおける分離光束の入射位置にずれが生じた場合であっても、第一の受光素子に対するそのずれ量は縮小投影されるので、より小型の受光素子を適用することが可能になる。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項２ないし５のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、前記反射部材に対して垂直に設けられ、鏡面反射性を有する第二反射部材と、この第二反射部材に対して垂直方向から第四光束を出射する第四光源部と、前記第二反射部材で反射された前記第四光束の光路上に設けられ、その第四光束から前記測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出する傾斜角度検出手段と、を備える。
【００２３】
したがって、第四光源部から出射された第四光束は、反射部材に対して垂直に設けられた第二反射部材に対して垂直方向から入射して反射される。この第二反射部材において反射された第四光束からは、その光路上に設けられた傾斜角度検出手段によって測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報が検出される。これにより、この傾斜角度情報に基づいて反射部材の法線方向回りの傾斜角度が算出されるので、反射部材の六軸方向の三次元位置を算出することが可能になる。
【００２４】
請求項７記載の発明は、請求項２ないし６のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、傾斜角度検出手段は、低収差レンズと、この低収差レンズの焦点距離に一致する位置にレンズ光軸に対して垂直に設けられた傾斜角度検出用の受光素子と、で構成される。
【００２５】
したがって、傾斜角度検出手段が、低収差レンズと、この低収差レンズの焦点距離に一致する位置にレンズ光軸に対して垂直に設けられた傾斜角度検出用の受光素子とで構成されることにより、測定対象物の所定領域の変動分が低収差レンズにより補正されるので、測定対象物の所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物の所定領域の傾斜角度のみが単独で算出される。
【００２６】
請求項８記載の発明は、請求項２ないし７のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、各受光素子は光束の入射によって発生するキャリアを空間的に分離して検出するものであって、受光した光束の所定の受光光量レベル以上のスポット像を計算した後にそのスポット像のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置を検出する重心位置検出手段を備える。
【００２７】
したがって、光束の入射によって発生するキャリアが空間的に分離され、受光した光束の所定の受光光量レベル以上のスポット像が計算された後にそのスポット像のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置が検出されることにより、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出精度の劣化が低減される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。
【００２９】
ここで、図１は変位傾斜測定装置１の構成を概略的に示す斜視図である。図１に示すように、変位傾斜測定装置１は、半導体露光装置（ステッパ）のステージ等である測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度や三次元位置を測定するものに適用されており、第一光源部２と第二光源部３とを同一平面上に備えている。なお、第一光源部２と第二光源部３とを備える平面は、便宜上、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面であるものとする。第一光源部２は、レーザ光を出射する光源であるＬＤ（レーザダイオード）４と、このＬＤ４から出射された直線偏光のレーザ光を略平行光とするコリメータレンズ５と、入射光の一部を透過して一部を反射するハーフプリズム６とにより構成されている。一方、第二光源部３は、レーザ光を出射する光源であるＬＤ７と、このＬＤ７から出射された直線偏光のレーザ光を略平行光とするコリメータレンズ８と、レーザ光を所定の方向に反射するプリズム９とにより構成されている。これらの第一光源部２と第二光源部３とは、ＬＤ４から出射されるレーザ光とＬＤ７から出射されるレーザ光とが９０゜の角度をなすように設けられている。
【００３０】
これら第一光源部２と第二光源部３とが備えられている面と同一の平面上には、ビームスプリッタ１０が設けられている。なお、このビームスプリッタ１０は、便宜上、Ｚ軸上に位置するものとする。このビームスプリッタ１０には第一光源部２のハーフプリズム６を透過した第三光束であるレーザ光Ｌ３が入射し、進行方向をＺ軸方向に変更される。つまり、本実施の形態の第三光源部は、レーザ光を出射する光源であるＬＤ４を光源として第一光源部２と併用し、ハーフプリズム６とビームスプリッタ１０とを主体に構成されている。これにより、第三光源部に専用の光源を設けた場合に比べて、部品点数が削減されるとともに、装置の小型・軽量化が図られる。そして、測定対象物Ａは、その測定対象物Ａの測定対象領域である所定領域をビームスプリッタ１０の鉛直方向（Ｚ軸上）上方に位置させて測定されることになる。
【００３１】
また、この測定対象物Ａの所定領域には、反射部材である円盤形状のマーカ１１が配設される。ここで、マーカ１１について図２を参照して説明する。マーカ１１は、その中心部１１ａを鏡面反射性を有するように形成され、中心部１１ａ以外の部分には無反射性部材１１ｂがコーティングされている。このマーカ１１を配設した部分が測定対象物Ａの測定対象領域となる。なお、無反射性部材１１ｂの代わりとして、マーカ１１の中心部１１ａ以外の部分の表面を粗くして、散乱面形状にしても良い。
【００３２】
ここで、ビームスプリッタ１０によって進行方向をＺ軸方向に変更されたレーザ光Ｌ３とハーフプリズム６によって反射されてＸ−Ｚ平面上を進行する第一光束であるレーザ光Ｌ１とプリズム９によって反射されてＹ−Ｚ平面上を進行する第二光束であるレーザ光Ｌ２とが交差する交点を標準点ＳＰとする。
【００３３】
さらに、変位傾斜測定装置１には、マーカ１１の中心部１１ａがＸ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設された場合において、そのマーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ１を中心位置に入射させるように第一の受光素子であるＰＳＤ（Position Sensitive light Detector：半導体位置検出素子）１２がＸ−Ｙ平面上のＸ軸上にその中心位置を位置させて配設されるとともに、マーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ２を中心位置に入射させるように第二の受光素子であるＰＳＤ１３がＸ−Ｙ平面上のＹ軸上にその中心位置を位置させて配設されている。これらのＰＳＤ１２，１３は、入射した各レーザ光Ｌ１，Ｌ２の光スポットの位置であるスポット位置情報ａ，ｂ（図４参照）をそれぞれ検出するものである。
【００３４】
また、ビームスプリッタ１０の下方であって、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸との交点である原点Ｏには、傾斜角度検出用の受光素子であるＰＳＤ１４が配設されている。このＰＳＤ１４は、マーカ１１の中心部１１ａがＸ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設された場合において、そのマーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ３の反射光Ｌ３´をＺ軸上に位置する中心位置に入射させるように配設されている。このＰＳＤ１４は、入射した反射光Ｌ３´の光スポットの位置であるスポット位置情報ｃ（図４参照）を検出するものである。
【００３５】
さらに、ビームスプリッタ１０とＰＳＤ１４との間であって反射光Ｌ３´の光軸上には、低収差な性質を有する低収差レンズである集光レンズ１５が設けられている。ここで、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５との関係について図３を参照して説明する。図３に示すように、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５との間の距離は、集光レンズ１５の焦点距離ｆとされている。
【００３６】
ここで、Ｘ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設されたマーカ１１の中心部１１ａでレーザ光Ｌ３が反射された場合におけるその反射光Ｌ３´は、図３に実線で示すように、ＰＳＤ１４上の中心位置に位置する原点Ｏに入射・収束するようになっている。これに対し、測定対象物Ａが傾斜している状態で配設されたマーカ１１の中心部１１ａでレーザ光Ｌ３が反射された場合におけるその反射光Ｌ３´は、図３に破線で示すように、ＰＳＤ１４上の原点Ｏ以外の位置Ｄに入射・収束するようになる。なお、低収差な性質を有する集光レンズ１５を設けることで、仮にマーカ１１の中心部１１ａの三次元位置が変位した場合（例えば、平行移動した場合）であっても、ＰＳＤ１４に入射する反射光Ｌ３´の光スポット位置の変動分を集光レンズ１５により補正することができるので、測定対象物Ａの所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度のみをＰＳＤ１４に入射した光スポット位置に基づいて算出することが可能になる。つまり、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５とによって、傾斜角度検出手段が形成されている。
【００３７】
また、変位傾斜測定装置１には、信号処理回路１６が内蔵されている。次に、変位傾斜測定装置１に内蔵される信号処理回路１６の一例について図４を参照して説明する。図４に示すように、信号処理回路１６には、ＰＳＤ１４において検出された反射光Ｌ３´の光スポットの位置であるスポット位置情報ｃに基づいて測定対象物Ａの傾斜角度を算出する角度演算器１７と、この角度演算器１７において算出された測定対象物Ａの傾斜角度とＰＳＤ１２，１３において検出された光スポットの位置であるスポット位置情報ａ，ｂとに基づいてその測定対象物Ａの三次元位置の変位量を算出する空間位置演算器１８とが設けられている。
【００３８】
ここで、角度演算器１７における測定対象物Ａの傾斜角度の算出について説明する。なお、この場合においては、図５に示すように、ＰＳＤ１４において検出された光スポットの位置であるスポット位置情報ｃをスポット位置Ｄ（Ｘａ，Ｙａ）とする。このスポット位置Ｄ（Ｘａ，Ｙａ）とＸ−Ｙ平面上のＸ軸とのなす角度φは、以下に示す式▲１▼から算出される。
【００３９】
ｔａｎφ＝Ｙａ／Ｘａ・・▲１▼
また、マーカ１１の中心部１１ａは鏡面反射性を有するように形成されていることから正反射の関係が成立しており、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５との間の距離は集光レンズ１５の焦点距離ｆとされていることにより、マーカ１１の中心部１１ａの法線ベクトルであるベクトルｎとＺ軸とのなす角度θは、以下に示す式▲２▼から算出される。
【００４０】
ｆ・ｔａｎ２（π−θ）＝√（（Ｘａ）²＋（Ｙａ）²）・・▲２▼
これらの▲１▼式及び▲２▼式により、角度φ及び角度θが算出され、ベクトルｎが算出されることになる。つまり、このようにして算出されたベクトルｎは、測定対象物Ａの法線ベクトルであることにより、このベクトルｎのＺ軸に対する角度（π−θ）が測定対象物Ａの傾斜角度になる。ここに、角度演算手段が実現されている。
【００４１】
次に、空間位置演算器１８における測定対象物Ａの三次元位置の変位量の算出について説明する。マーカ１１の中心部１１ａは鏡面反射性を有するように形成されていることから正反射の関係が成立し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の方向ベクトルであるベクトルａ_i（ｉ＝１，２）に対してマーカ１１の中心部１１ａにおける反射ビームの方向ベクトルであるベクトルｒ_i（ｉ＝１，２）と、角度φ及び角度θに基づいて算出された法線ベクトルであるベクトルｎとの間には、以下に示す関係が成り立つ。
【００４２】
ベクトルｒ_i＋（−ベクトルａ_i）＝ｋ・ベクトルｎ
（｜ｒ_i｜＝１よりｋ＝−２（ベクトルｎ・ベクトルａ_i））・・▲３▼加えて、ＰＳＤ１２，１３におけるスポット位置情報ａ，ｂをスポット位置Ｐ_i（ｉ＝１，２）とした場合、マーカ１１の中心部１１ａで反射されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光軸が示す直線の式は、それぞれ以下に示すように表される。
【００４３】
ベクトル（ＯＰ_i）＋ｔ_i・ベクトルｒ_i （ｔ_iは任意の実数）・・▲４▼
よって、このように▲４▼式に基づくｉ＝１，２の直線の交差する点が、測定対象物Ａに配設されたマーカ１１の中心部１１ａの三次元位置として算出される。ここに、変位量演算手段が実現されている。
【００４４】
なお、実際には、ｉ＝１，２の直線の交差する点が一点に決まらない場合があるが、その場合には、二つの直線が最も接近する各直線上の二点の内の一方を測定点とするか、その二点間の中間位置を観測点としても大きな誤差は生じない。
【００４５】
これにより、簡単な構成で測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物Ａの所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。
【００４６】
次いで、本発明の第二の実施の形態を図６に基づいて説明する。なお、第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。
【００４７】
ここで、図６は変位傾斜測定装置２０の構成を部分的に示す側面図である。図６に示すように、変位傾斜測定装置２０は、第一光源部２のＬＤ４から出射された直線偏光のレーザ光をコリメータレンズ５によって略平行光としたレーザ光Ｌ１をプリズム（図示せず）を介してマーカ１１の中心部１１ａにおいて反射させる。
【００４８】
一方、マーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ１の反射光路上には光分離器であるビームスプリッタ２１が設けられており、そのビームスプリッタ２１には、マーカ１１の中心部１１ａがＸ−Ｙ平面に対して平行な状態で標準点ＳＰに配設された場合においてそのマーカ１１の中心部１１ａによって反射されたレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ１´を中心位置に入射させるＰＳＤ１２が配設されている。加えて、ビームスプリッタ２１の下方には、ＰＳＤ１４と集光レンズ１５とが設けられている。
【００４９】
そして、マーカ１１の中心部１１ａによって反射された反射光Ｌ１´は、ビームスプリッタ２１によって二つに分離され、一方の分離光束はＰＳＤ１２に入射し、他方の分離光束は集光レンズ１５を介してＰＳＤ１４に入射することになる。
【００５０】
なお、ここでは特に図示しないが、第一の実施の形態と同様に、第二光源部３のＬＤ７から出射された直線偏光のレーザ光Ｌ２は、コリメータレンズ８によって略平行光とされた後にプリズム９を介してマーカ１１の中心部１１ａにおいて反射され、ＰＳＤ１３に入射することになる。
【００５１】
このような構成により、ＰＳＤ１４において検出された光スポットの位置であるスポット位置情報ｃに基づいて測定対象物Ａの傾斜角度が算出され、この測定対象物Ａの傾斜角度とＰＳＤ１２，１３におけるスポット位置情報ａ，ｂとに基づいて測定対象物Ａの三次元位置の変位量が算出される。
【００５２】
これにより、簡単な構成で測定対象物Ａの所定領域の傾斜角度と三次元位置とが併せて算出されるので、測定対象物Ａの所定領域に対するより高精度な測定が可能になる。また、本発明の第一の実施の形態の変位傾斜測定装置１に比べ、第三光源部が不用になるので、より簡単な構成になっており、装置の小型・軽量化が図られる。
【００５３】
次いで、本発明の第三の実施の形態を図７及び図８に基づいて説明する。なお、第一の実施の形態又は第二の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。本実施の形態の変位傾斜測定装置３０は、本発明の第二の実施の形態の変位傾斜測定装置２０と比較して、集光レンズ３１を備えた点で異なるものである。
【００５４】
ここで、図７は変位傾斜測定装置３０の構成を部分的に示す側面図である。図７に示すように、ビームスプリッタ２１とＰＳＤ１２との間であって、ビームスプリッタ２１によって二つに分離された一方のレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ１´の光軸上には、低収差な性質を有する低収差レンズである集光レンズ３１が設けられている。ここで、ＰＳＤ１２と集光レンズ３１との関係について図８を参照して説明する。図８に示すように、ＰＳＤ１２と集光レンズ３１との間の距離は、集光レンズ３１の焦点距離ｆよりも所定の距離Δｆだけ長く設定されている。つまり、ＰＳＤ１２と集光レンズ３１との間の距離を“ｆ＋Δｆ”とした場合において、マーカ１１の中心部１１ａによって反射された反射光Ｌ１´とレンズ光軸とのなす角をβ、反射光Ｌ１´のレンズ中心からのずれ量をｓとすると、ＰＳＤ１２における反射光Ｌ１´の光スポット位置のずれ量Δｄは、以下に示す式▲５▼から算出される。
【００５５】
Δｄ＝（ｆ＋Δｆ）ｔａｎβ−（Δｆ／ｆ）・ｓ・・▲５▼
したがって、“Δｆ＜ｆ”の場合においては、反射光Ｌ１´のレンズ中心からのずれ量ｓは縮小投影されることになるので、ＰＳＤ１２に小型で高分解能なものを適用することができる。
【００５６】
また、たとえ集光レンズ３１における反射光Ｌ１´の入射位置にずれが生じた場合であっても、ＰＳＤ１２に対するそのずれ量は縮小投影されるので、高分解能な受光位置の検出が可能になる。
【００５７】
次いで、本発明の第四の実施の形態を図９に基づいて説明する。なお、第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。本実施の形態の変位傾斜測定装置４０は、本発明の第一の実施の形態の変位傾斜測定装置１と比較して、法線方向傾斜角度検出部４１を備えた点で異なるものである。
【００５８】
ここで、図９は変位傾斜測定装置４０の構成を概略的に示す斜視図である。図９に示すように、変位傾斜測定装置４０は、法線方向傾斜角度検出部４１を備えている。
【００５９】
ここで、法線方向傾斜角度検出部４１について詳細に説明する。法線方向傾斜角度検出部４１は、測定対象物Ａの所定の位置にマーカ１１に対して垂直に設けられた第二反射部材である平面反射鏡４２と、傾斜角度検出部４３とにより構成されている。傾斜角度検出部４３は、第四光源部を構成するＬＤ４４とコリメータレンズ４５とビームスプリッタ４６とを備えている。このような構成により、ＬＤ４４から出射された直線偏光のレーザ光は、コリメータレンズ４５において略平行光とされてからビームスプリッタ４６によって平面反射鏡４２へと第四光束であるレーザ光Ｌ４として照射された後、平面反射鏡４２において反射されて再びビームスプリッタ４６に入射する。
【００６０】
加えて、傾斜角度検出部４３は傾斜角度検出手段を構成する低収差な性質を有する低収差レンズである集光レンズ４７と傾斜角度検出用の受光素子であるＰＳＤ４８とを備えており、ビームスプリッタ４６に再び入射したレーザ光Ｌ４の反射光Ｌ４´は、ビームスプリッタ４６を透過して集光レンズ４７を介してＰＳＤ４８に入射することになる。
【００６１】
このような構成により、ＰＳＤ４８において検出された反射光Ｌ４´の光スポットの位置に基づいて測定対象物Ａの所定の位置にマーカ１１に対して垂直に設けられた平面反射鏡４２の傾斜角度が算出される。そして、平面反射鏡４２とマーカ１１との幾何学的関係により、この平面反射鏡４２の傾斜角度に基づいてマーカ１１の法線方向回りの傾斜角度が算出されることになる。すなわち、測定対象物Ａの三次元方向の傾斜量が検出されることになる。
【００６２】
これにより、この傾斜角度情報に基づいてマーカ１１の法線方向回りの傾斜角度が算出されるので、マーカ１１の六軸方向の三次元位置を算出することが可能になる。
【００６３】
なお、各実施の形態においては、受光素子としてＰＳＤ（Position Sensitive light Detector：半導体位置検出素子）を用いたが、これに限るものではなく、例えばレーザ光の入射によって発生するキャリアを空間的に分離して検出するＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）を用いても良い。ここで、図１０はＣＣＤ５０による光スポットのスポット位置情報の検出を示す模式図である。図１０に示すように、ＣＣＤ５０における光スポットのスポット位置情報の検出は、ＣＣＤ５０において受光したレーザ光の所定の受光光量レベル以上のスポット像５１を計算した後、そのスポット像５１のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置を検出することによって行われる。ここに、重心位置検出手段が実現されている。これにより、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出精度の劣化が低減されることになる。
【００６４】
また、第一光源部２と第二光源部３との光源としてＬＤ４，７をそれぞれ適用し、第四光源部の光源としてＬＤ４４を適用したが、ＬＥＤ（発光ダイオード）を適用しても良い。
【００６５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、鏡面反射性を有する測定対象物の所定領域に対して少なくとも二以上の光束をそれぞれ出射し、測定対象物の所定領域で反射した各光束を複数の受光素子でそれぞれ受光して各受光位置を検出し、測定対象物の所定領域の傾斜角度を一の受光素子で検出された反射光の受光位置に基づいて算出し、その傾斜角度と少なくとも一以上の他の受光素子において検出した反射光の受光位置とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出することにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができ、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる。
【００６６】
請求項２記載の発明によれば、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように第一光源部と第二光源部と第三光源部とからそれぞれ光束を出射し、各光束を反射部材において反射し、第一光源部から出射された第一光束と第二光源部から出射された第二光束とを第一の受光素子と第二の受光素子とにおいて各々受光してそれらの受光位置を検出する一方、反射部材上に位置する第一光束と第二光束との交点に対してその鉛直方向下方から出射する第三光束から測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出し、その傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出し、また、各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出することにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができるとともに、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる。
【００６７】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の変位傾斜測定装置において、第一光束を出射する第一光源部と第二光束を出射する第二光源部とのいずれか一方の光源と第三光源部の光源とを併用することにより、部品点数を削減するとともに、装置の小型・軽量化を図ることができる。
【００６８】
請求項４記載の発明によれば、測定対象物の所定領域に配設された反射部材において交差するように第一光源部と第二光源部とからそれぞれ光束を出射し、各光束を反射部材において反射し、第一光源部から出射された第一光束を反射部材で反射した後にその光路上に設けた光分離器によって異なる方向に向けて二つに分離し、一方の分離光束を第一の受光素子において受光してその受光位置を検出し、また、他方の分離光束から測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出し、その傾斜角度情報に基づいて測定対象物の所定領域の傾斜角度を算出する一方、第二光源部から出射した第二光束を第二の受光素子において受光してその受光位置を検出し、さらに、各受光素子における受光位置と測定対象物の所定領域の傾斜角度とに基づいて測定対象物の所定領域の三次元位置を算出することにより、簡単な構成で測定対象物の所定領域の傾斜角度と三次元位置とを併せて算出することができるとともに、測定対象物の所定領域に対するより高精度な測定をすることができる。
【００６９】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の変位傾斜測定装置において、第一の受光素子を光分離器により分離された一方の分離光束の光路上に設けた低収差レンズの焦点位置から所定の距離だけ離れた位置に設けることにより、たとえ低収差レンズにおける分離光束の入射位置にずれが生じた場合であっても、第一の受光素子に対するそのずれ量は縮小投影されるので、より小型の受光素子を適用することができる。
【００７０】
請求項６記載の発明によれば、請求項２ないし５のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、第四光源部から出射された第四光束を反射部材に対して垂直に設けた第二反射部材に対して垂直方向から入射させて反射し、この第二反射部材において反射された第四光束から測定対象物の所定領域の傾斜に関する傾斜角度情報を検出することにより、この傾斜角度情報に基づいて反射部材の法線方向回りの傾斜角度を算出することができるので、反射部材の六軸方向の三次元位置を算出することができる。
【００７１】
請求項７記載の発明によれば、請求項２ないし６のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、傾斜角度検出手段を低収差レンズとこの低収差レンズの焦点距離に一致する位置にレンズ光軸に対して垂直に設けられた傾斜角度検出用の受光素子とで構成することにより、測定対象物の所定領域の変動分を低収差レンズにより補正することができるので、測定対象物の所定領域の三次元位置の変位量に影響されることなく、測定対象物の所定領域の傾斜角度のみを単独で算出することができる。
【００７２】
請求項８記載の発明によれば、請求項２ないし７のいずれか一記載の変位傾斜測定装置において、光束の入射によって発生するキャリアを空間的に分離し、受光した光束の所定の受光光量レベル以上のスポット像を計算した後にそのスポット像のエッジ部分の幾何学形状のみから算出される重心位置に基づいて受光位置を検出することにより、光量分布の変動に伴う重心位置の変動誤差によるスポット位置情報の検出精度の劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】マーカを示す断面図である。
【図３】ＰＳＤと集光レンズとの関係を模式的に示す説明図である。
【図４】変位傾斜測定装置に内蔵される信号処理回路の一例を示すブロック図である。
【図５】角度演算器における測定対象物の傾斜角度の算出について示す説明図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を部分的に示す側面図である。
【図７】本発明の第三の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を部分的に示す側面図である。
【図８】ＰＳＤと集光レンズとの関係を模式的に示す説明図である。
【図９】本発明の第四の実施の形態の変位傾斜測定装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１０】ＣＣＤにおける光スポットのスポット位置情報の検出を示す模式図である。
【図１１】従来の変位傾斜測定装置の一例を示す斜視図である。
【図１２】従来の変位センサの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０変位傾斜測定装置
２第一光源部
３第二光源部
４，７光源
６，１０第三光源部
１１反射部材
１２第一の受光素子
１３第二の受光素子
１４，４８傾斜角度検出用の受光素子
１５，４７低収差レンズ
１７角度演算手段
１８変位量演算手段
２１光分離器
３１低収差レンズ
４２第二反射部材
４４，４５，４６第四光源部
５０受光素子
Ａ測定対象物
Ｌ１第一光束
Ｌ２第二光束
Ｌ３第三光束
Ｌ４第四光束
ＳＰ交点[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement inclination measuring apparatus for measuring an inclination angle and a three-dimensional position of a stage of a semiconductor exposure apparatus (stepper).
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor exposure apparatus (stepper) or the like, minute position control is performed by quickly measuring the displacement and tilt states of a stage on which a substrate is placed and positioned. As an example of an apparatus capable of simultaneously measuring and calculating the displacement amount and the tilt amount of the stage, there is a displacement tilt measuring apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-332954. Here, FIG. 11 is a perspective view showing an example of a conventional displacement inclination measuring apparatus. As shown in FIG. 11, the displacement inclination measuring apparatus 100 described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-332594 is configured to transmit light beams from two light sources 101 and 102 provided at predetermined angles to a measurement region. Based on the light receiving position information of the light spot incident on each of the optical sensors 103 and 104, the optical sensors 103 and 104 that irradiate and receive each reflected light of these light beams individually in the measurement region are installed at predetermined positions. Then, the arithmetic processing unit 105 calculates the displacement amount and the inclination amount of the measurement region.
[0003]
Another example of an apparatus that can simultaneously measure and calculate the amount of displacement and the amount of inclination of an object is a displacement sensor described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-240408. Here, FIG. 12 is a perspective view showing an example of a conventional displacement sensor. As shown in FIG. 12, a displacement sensor 200 described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-240408 emits a light beam from a displacement measurement light source 201 and transmits the emitted light beam through a dichroic mirror 202. After the light is condensed by the condensing lens 203, the measurement area is irradiated. Further, the reflected light from the measurement area is collected by the condenser lens 204, transmitted through the dichroic mirror 205, and then imaged as a light spot on the displacement measurement light-receiving element 206. Based on the imaging position of the measurement area, The amount of movement is calculated. On the other hand, a light beam having a wavelength different from that of the light beam emitted from the displacement measurement light source 201 is emitted from the tilt measurement light source 207, and the emitted light beam is reflected by the dichroic mirror 202 and then collected by the condenser lens 203. After focusing, the measurement area is irradiated. Further, the reflected light from the measurement region is condensed by the condenser lens 204, reflected by the dichroic mirror 205, and then imaged as a light spot on the tilt measurement light-receiving element 208. Based on the image formation position, the measurement region The amount of inclination is calculated. In addition, the displacement sensor 200 calculates the displacement amount of the measurement region based on the movement amount of these measurement regions and the inclination amount of the measurement region.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the displacement inclination measuring apparatus 100 described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-332594, the displacement amount and the inclination amount of the measurement region in the arithmetic processing unit 105 are calculated based on the optical path length. Since it is necessary to measure the optical path length in advance for each object, there is a problem in versatility and practicality.
[0005]
Further, according to the displacement inclination measuring apparatus 100 described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-332954 and the displacement sensor 200 described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-240408, the displacement direction in which the displacement amount of the measurement region can be calculated. Has only one direction, and there is a problem that it cannot be calculated in the three-dimensional direction.
[0006]
Furthermore, in principle, the measurement area of the measurement object is based on the light spot of the light beam, so the measurement area changes due to translational movement, and the three-dimensional movement of the measurement object is accurately measured. There is also the problem of not being able to
[0007]
An object of the present invention is to calculate the tilt angle and the three-dimensional position of a predetermined area of a measurement object with a simple configuration, and to perform a more accurate measurement on the predetermined area of the measurement object. It is to obtain a displacement inclination measuring device.
[0008]
An object of the present invention is to obtain a small and lightweight displacement inclination measuring apparatus.
[0009]
The objective of this invention is obtaining the displacement inclination measuring apparatus which can calculate the three-dimensional position of the six-axis direction of a reflection member.
[0010]
An object of the present invention is to obtain a displacement inclination measuring apparatus capable of independently calculating only the inclination angle of a predetermined area of the measurement object without being affected by the displacement amount of the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object. That is.
[0011]
An object of the present invention is to obtain a displacement inclination measuring apparatus capable of reducing deterioration of a spot position information detection system due to a variation error of a center of gravity position accompanying a variation in light amount distribution.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, at least two or more light beams are emitted to a predetermined region of a measurement object having specular reflectivity, and each reflected light is received by a plurality of light receiving elements, and a light receiving position of each reflected light. And calculating an inclination angle of a predetermined area of the measurement object based on the light receiving position of the reflected light detected by the one light receiving element, and at least 2 Based on the light receiving position of the reflected light detected by the other light receiving elements and the calculated tilt angle, the three-dimensional position of the predetermined region of the measurement object is calculated.
[0013]
Therefore, at least two or more light beams are respectively emitted to the predetermined region of the measurement object having specular reflectivity. Each light beam reflected by the predetermined region of the measurement object is received by a plurality of light receiving elements, and each light receiving position is detected. The inclination angle of the predetermined area of the measurement object is calculated based on the light receiving position of the reflected light detected by one light receiving element, and the inclination angle and at least 2 The three-dimensional position of the predetermined region of the measurement object is calculated based on the light receiving position of the reflected light detected by the other light receiving elements. Thereby, since the inclination angle and the three-dimensional position of the predetermined region of the measurement object are calculated together with a simple configuration, it is possible to perform higher-accuracy measurement on the predetermined region of the measurement object.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a reflecting member that is disposed in a predetermined region of the measurement object and has specular reflectivity, a first light source unit that emits a first light flux to the reflecting member, and the first light source A second light source part that is provided on the same plane as the part and emits a second light beam having a predetermined angle with respect to the first light beam emitted from the first light source part to the reflecting member; and the reflection A first light-receiving element that receives the first light flux reflected by the member and detects the light-receiving position; and the second light-receiving element provided on the same plane as the first light-receiving element and reflected by the reflecting member A third light beam is emitted from below in the vertical direction to the intersection of the second light receiving element that receives the light beam and detects the light receiving position, and the first light beam and the second light beam located on the reflection member. On the optical path of the third light beam reflected by the reflecting member Tilt angle detection means for detecting tilt angle information relating to the tilt of the predetermined area of the measurement object from the third light flux, and the measurement object based on the tilt angle information detected by the tilt angle detection means. An angle calculating means for calculating an inclination angle of the predetermined area; an inclination angle calculated by the angle calculating means; a light receiving position detected by the first light receiving element; and a light receiving position detected by the second light receiving element. Displacement amount calculating means for calculating a three-dimensional position of a predetermined region of the measurement object based on
[0015]
Therefore, light beams are emitted from the first light source unit, the second light source unit, and the third light source unit, respectively, so as to intersect at the reflecting member disposed in a predetermined region of the measurement object. Each light beam is reflected by the reflecting member, and the first light beam emitted from the first light source unit and the second light beam emitted from the second light source unit are respectively received by the first light receiving element and the second light receiving element. These light receiving positions are detected. On the other hand, from the third light beam emitted from below in the vertical direction with respect to the intersection of the first light beam and the second light beam located on the reflecting member, the inclination of the predetermined area of the measurement object is tilted by the tilt angle detecting means. The angle information is detected, and the angle calculation means calculates the inclination angle of the predetermined region of the measurement object based on the inclination angle information. Further, the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object is calculated based on the light receiving position of each light receiving element and the inclination angle of the predetermined area of the measurement object by the displacement amount calculation means. Thereby, since the inclination angle and the three-dimensional position of the predetermined region of the measurement object are calculated together with a simple configuration, it is possible to perform higher-accuracy measurement on the predetermined region of the measurement object.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the displacement tilt measuring apparatus according to the second aspect, the third light source unit uses one of the light sources of the first light source unit and the second light source unit.
[0017]
Therefore, the number of parts is reduced by using the light source of the third light source unit together with one of the first light source unit that emits the first light beam and the second light source unit that emits the second light beam. In addition, the device can be reduced in size and weight.
[0018]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a reflecting member disposed in a predetermined region of the measurement object and having a specular reflection property, a first light source unit that emits a first light flux to the reflecting member, and the first light source. A second light source part that is provided on the same plane as the part and emits a second light beam having a predetermined angle with respect to the first light beam emitted from the first light source part to the reflecting member; and the reflection A light separator provided on the optical path of the first light beam reflected by the member, and separating the first light beam into two parts in different directions; and the light of one separated light beam separated by the light separator. A first light receiving element provided on the road for receiving one of the separated light beams and detecting the light receiving position; and a second light receiving the second light beam reflected by the reflecting member and detecting the light receiving position. And the other separated light beam separated by the light separator. An inclination angle detection means for detecting inclination angle information relating to the inclination of the predetermined area of the measurement object from the other separated light beam, and the measurement based on the inclination angle information detected by the inclination angle detection means Angle calculating means for calculating an inclination angle of a predetermined area of the object, an inclination angle calculated by the angle calculating means, a light receiving position detected by the first light receiving element, and a light receiving position detected by the second light receiving element Displacement amount calculating means for calculating a three-dimensional position of a predetermined region of the measurement object based on the light receiving position.
[0019]
Therefore, light beams are emitted from the first light source unit and the second light source unit so as to intersect at the reflecting member disposed in the predetermined region of the measurement object, and each light beam is reflected by the reflecting member. The first light beam emitted from the first light source unit is reflected by the reflecting member and then separated into two in different directions by a light separator provided on the optical path. One separated light beam is received by the first light receiving element, and its light receiving position is detected. Further, from the other separated light flux, the tilt angle information relating to the tilt of the predetermined area of the measurement object is detected by the tilt angle detection means, and the tilt angle of the predetermined area of the measurement object is determined based on the tilt angle information by the angle calculation means. Is calculated. On the other hand, the second light flux emitted from the second light source unit is received by the second light receiving element, and the light receiving position is detected. Further, the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object is calculated based on the light receiving position of each light receiving element and the inclination angle of the predetermined area of the measurement object by the displacement amount calculation means. Thereby, since the inclination angle and the three-dimensional position of the predetermined region of the measurement object are calculated together with a simple configuration, it is possible to perform higher-accuracy measurement on the predetermined region of the measurement object.
[0020]
According to a fifth aspect of the present invention, in the displacement inclination measuring apparatus according to the fourth aspect, a low aberration lens is provided on an optical path of one separated light beam separated by the light separator, and the first light receiving element is lowered to the low light receiving element. It is provided perpendicular to the lens optical axis at a position away from the focal position of the aberration lens by a predetermined distance.
[0021]
Therefore, the first light receiving element is provided at a position away from the focal position of the low aberration lens provided on the optical path of one separated light beam separated by the light separator by a predetermined distance. As a result, even if there is a shift in the incident position of the separated light beam in the low aberration lens, the shift amount with respect to the first light receiving element is reduced and projected, so a smaller light receiving element can be applied. It becomes possible.
[0022]
According to a sixth aspect of the present invention, in the displacement inclination measuring apparatus according to any one of the second to fifth aspects, a second reflective member that is provided perpendicular to the reflective member and has specular reflectivity, and the second reflective member A fourth light source unit that emits a fourth light beam from a direction perpendicular to the reflecting member; and a light source part that is provided on an optical path of the fourth light beam reflected by the second reflecting member. Inclination angle detection means for detecting inclination angle information relating to the inclination of the predetermined region.
[0023]
Therefore, the fourth light flux emitted from the fourth light source unit is incident on and reflected from the second reflecting member provided perpendicular to the reflecting member. From the fourth light beam reflected by the second reflecting member, the tilt angle information relating to the tilt of the predetermined region of the measurement object is detected by the tilt angle detecting means provided on the optical path. Thereby, since the inclination angle around the normal direction of the reflecting member is calculated based on the inclination angle information, the three-dimensional position of the reflecting member in the six-axis direction can be calculated.
[0024]
According to a seventh aspect of the present invention, in the displacement tilt measuring apparatus according to any one of the second to sixth aspects, the tilt angle detecting means includes a low aberration lens and lens light at a position that matches the focal length of the low aberration lens. And a light receiving element for detecting an inclination angle provided perpendicular to the axis.
[0025]
Therefore, the tilt angle detection means is composed of a low aberration lens and a light receiving element for tilt angle detection provided perpendicular to the lens optical axis at a position that matches the focal length of the low aberration lens. Since the variation of the predetermined area of the measurement object is corrected by the low aberration lens, only the inclination angle of the predetermined area of the measurement object is not affected by the displacement amount of the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object. Is calculated independently.
[0026]
The invention according to claim 8 is the displacement inclination measuring apparatus according to any one of claims 2 to 7, wherein each light receiving element spatially separates and detects a carrier generated by incidence of a light beam, A center-of-gravity position detecting unit is provided that detects a light-receiving position based on a center-of-gravity position calculated only from the geometric shape of the edge portion of the spot image after calculating a spot image of a received light flux that is equal to or higher than a predetermined received light amount level.
[0027]
Therefore, the center of gravity calculated from only the geometric shape of the edge portion of the spot image after the carrier generated by the incidence of the light beam is spatially separated and a spot image of the received light beam equal to or higher than the predetermined received light amount level is calculated. By detecting the light receiving position based on the position, deterioration of the detection accuracy of the spot position information due to the fluctuation error of the gravity center position due to the fluctuation of the light amount distribution is reduced.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0029]
Here, FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of the displacement inclination measuring apparatus 1. As shown in FIG. 1, a displacement inclination measuring apparatus 1 is applied to an apparatus for measuring an inclination angle and a three-dimensional position of a predetermined area of a measurement object A that is a stage of a semiconductor exposure apparatus (stepper). The one light source part 2 and the second light source part 3 are provided on the same plane. In addition, the plane provided with the 1st light source part 2 and the 2nd light source part 3 shall be a plane parallel to an XY plane for convenience. The first light source unit 2 includes an LD (laser diode) 4 that is a light source that emits laser light, a collimator lens 5 that makes the linearly polarized laser light emitted from the LD 4 substantially parallel light, and a part of the incident light. And a half prism 6 that reflects and partially reflects the light. On the other hand, the second light source unit 3 is an LD 7 that emits laser light, a collimator lens 8 that makes the linearly polarized laser light emitted from the LD 7 substantially parallel light, and reflects the laser light in a predetermined direction. And a prism 9 that performs the above operation. The first light source unit 2 and the second light source unit 3 are provided such that the laser beam emitted from the LD 4 and the laser beam emitted from the LD 7 form an angle of 90 °.
[0030]
A beam splitter 10 is provided on the same plane as the surface on which the first light source unit 2 and the second light source unit 3 are provided. In addition, this beam splitter 10 shall be located on a Z-axis for convenience. A laser beam L3, which is a third light beam that has passed through the half prism 6 of the first light source unit 2, is incident on the beam splitter 10, and the traveling direction is changed to the Z-axis direction. That is, the third light source unit of the present embodiment is configured mainly using the half prism 6 and the beam splitter 10 by using the LD 4 that is a light source that emits laser light as a light source together with the first light source unit 2. Thereby, compared with the case where a dedicated light source is provided in the third light source unit, the number of parts is reduced, and the apparatus can be reduced in size and weight. Then, the measurement object A is measured by positioning a predetermined area, which is the measurement object area of the measurement object A, above the beam splitter 10 in the vertical direction (on the Z axis).
[0031]
In addition, a disc-shaped marker 11 that is a reflecting member is disposed in a predetermined region of the measurement object A. Here, the marker 11 will be described with reference to FIG. The marker 11 is formed so that the central part 11a has a specular reflectivity, and a part other than the central part 11a is coated with a non-reflective member 11b. A portion where the marker 11 is disposed is a measurement target region of the measurement target A. Instead of the non-reflective member 11b, the surface of the portion other than the central portion 11a of the marker 11 may be roughened to have a scattering surface shape.
[0032]
Here, the laser beam L3 whose traveling direction is changed to the Z-axis direction by the beam splitter 10 and the first light beam that is reflected by the half prism 6 and travels on the XZ plane are reflected by the prism 9. The intersection point where the laser beam L2 that is the second light beam traveling on the YZ plane intersects is defined as a standard point SP.
[0033]
Furthermore, when the central portion 11a of the marker 11 is disposed at the standard point SP in a state parallel to the XY plane, the displacement inclination measuring apparatus 1 is reflected by the central portion 11a of the marker 11. A PSD (Position Sensitive Light Detector) 12 serving as a first light receiving element is arranged with its center position on the X axis on the XY plane so that the laser beam L1 is incident on the center position. The PSD 13 as the second light receiving element is positioned on the Y axis on the XY plane so that the laser beam L2 reflected by the center portion 11a of the marker 11 is incident on the center position. Are arranged. These PSDs 12 and 13 detect spot position information a and b (see FIG. 4) which are the positions of the light spots of the incident laser beams L1 and L2, respectively.
[0034]
A PSD 14 that is a light receiving element for detecting an inclination angle is disposed below the beam splitter 10 and at an origin O that is an intersection of the X axis, the Y axis, and the Z axis. The PSD 14 is a reflected light of the laser beam L3 reflected by the center portion 11a of the marker 11 when the center portion 11a of the marker 11 is arranged at the standard point SP in a state parallel to the XY plane. L3 ′ is disposed so as to enter the center position located on the Z axis. The PSD 14 detects spot position information c (see FIG. 4) which is the position of the light spot of the incident reflected light L3 ′.
[0035]
Further, a condensing lens 15 which is a low aberration lens having a low aberration property is provided between the beam splitter 10 and the PSD 14 and on the optical axis of the reflected light L3 ′. Here, the relationship between the PSD 14 and the condenser lens 15 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the distance between the PSD 14 and the condenser lens 15 is the focal length f of the condenser lens 15.
[0036]
Here, when the laser beam L3 is reflected by the central portion 11a of the marker 11 disposed at the standard point SP in a state parallel to the XY plane, the reflected beam L3 ′ is a solid line in FIG. As shown, it is incident and converges on the origin O located at the center position on the PSD 14. On the other hand, the reflected light L3 ′ when the laser beam L3 is reflected by the center portion 11a of the marker 11 disposed in a state where the measuring object A is inclined is as shown by a broken line in FIG. , The light beam enters and converges at a position D other than the origin O on the PSD 14. In addition, even if the three-dimensional position of the central portion 11a of the marker 11 is displaced (for example, when it is moved in parallel) by providing the condensing lens 15 having a low aberration property, reflection incident on the PSD 14 is performed. Since the fluctuation of the light spot position of the light L3 ′ can be corrected by the condenser lens 15, the predetermined amount of the measurement object A is not affected by the amount of displacement of the three-dimensional position of the predetermined region of the measurement object A. Only the inclination angle of the region can be calculated based on the position of the light spot incident on the PSD 14. That is, the PSD 14 and the condenser lens 15 form an inclination angle detection unit.
[0037]
Further, the displacement inclination measuring apparatus 1 has a signal processing circuit 16 built therein. Next, an example of the signal processing circuit 16 built in the displacement inclination measuring apparatus 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the signal processing circuit 16 includes an angle calculator that calculates the inclination angle of the measurement object A based on the spot position information c that is the position of the light spot of the reflected light L <b> 3 ′ detected by the PSD 14. 17 and the third order of the measurement object A based on the inclination angle of the measurement object A calculated by the angle calculator 17 and the spot position information a and b which are the positions of the light spots detected by the PSDs 12 and 13. A spatial position calculator 18 for calculating the displacement amount of the original position is provided.
[0038]
Here, calculation of the inclination angle of the measuring object A in the angle calculator 17 will be described. In this case, as shown in FIG. 5, the spot position information c, which is the position of the light spot detected by the PSD 14, is set as the spot position D (Xa, Ya). An angle φ formed by the spot position D (Xa, Ya) and the X axis on the XY plane is calculated from the following equation (1).
[0039]
tanφ = Ya / Xa ・・ ▲ 1 ▼
Further, since the central portion 11a of the marker 11 is formed so as to have specular reflectivity, a regular reflection relationship is established, and the distance between the PSD 14 and the condenser lens 15 is the focal point of the condenser lens 15. By setting the distance f, the angle θ formed by the vector n, which is a normal vector of the central portion 11a of the marker 11, and the Z axis is calculated from the following equation (2).
[0040]
f · tan2 (π−θ) = √ ((Xa) ² + (Ya) ² ・・ ▲ 2 ▼
From these equations (1) and (2), the angle φ and the angle θ are calculated, and the vector n is calculated. That is, since the vector n calculated in this way is a normal vector of the measurement object A, the angle (π−θ) of the vector n with respect to the Z axis becomes the inclination angle of the measurement object A. Here, an angle calculation means is realized.
[0041]
Next, calculation of the displacement amount of the three-dimensional position of the measuring object A in the spatial position calculator 18 will be described. Since the center portion 11a of the marker 11 is formed to have specular reflectivity, a regular reflection relationship is established, and a vector a which is a direction vector of the laser beams L1 and L2. _i A vector r which is a direction vector of the reflected beam at the central portion 11a of the marker 11 with respect to (i = 1, 2). _i The relationship shown below is established between (i = 1, 2) and the vector n, which is a normal vector calculated based on the angle φ and the angle θ.
[0042]
Vector r _i + (-Vector a _i ) = K · vector n
(| R _i From | = 1, k = −2 (vector n · vector a _i )) (3) In addition, the spot position information a and b in the PSDs 12 and 13 are replaced with the spot position P. _i When (i = 1, 2), the formulas of the straight lines indicated by the optical axes of the laser beams L1 and L2 reflected by the central portion 11a of the marker 11 are expressed as shown below.
[0043]
Vector (OP _i ) + T _i ・ Vector r _i (T _i Is an arbitrary real number) ・・ ▲ 4 ▼
Therefore, the point where the straight lines of i = 1, 2 based on the equation (4) intersect is calculated as the three-dimensional position of the central portion 11a of the marker 11 disposed on the measurement object A. Here, a displacement amount calculating means is realized.
[0044]
In reality, there may be cases where the intersection of the straight lines with i = 1, 2 is not determined as one point, but in that case, one of the two points on each straight line that the two straight lines are closest to is determined. A large error does not occur even if it is set as a measurement point or an intermediate position between the two points.
[0045]
Thereby, since the inclination angle and the three-dimensional position of the predetermined area of the measuring object A are calculated together with a simple configuration, it is possible to perform more accurate measurement on the predetermined area of the measuring object A.
[0046]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same part as the part shown in 1st embodiment is shown using the same code | symbol, and description is also abbreviate | omitted.
[0047]
Here, FIG. 6 is a side view partially showing the configuration of the displacement inclination measuring apparatus 20. As shown in FIG. 6, the displacement tilt measuring apparatus 20 uses a prism (not shown) as a laser beam L <b> 1 obtained by making the linearly polarized laser beam emitted from the LD 4 of the first light source unit 2 substantially parallel light by the collimator lens 5. Is reflected at the central portion 11a of the marker 11.
[0048]
On the other hand, a beam splitter 21 as a light separator is provided on the reflected light path of the laser beam L1 reflected by the center portion 11a of the marker 11, and the center portion 11a of the marker 11 is X in the beam splitter 21. When arranged at the standard point SP in a state parallel to the −Y plane, a PSD 12 is provided for causing the reflected light L1 ′ of the laser light L1 reflected by the central portion 11a of the marker 11 to enter the central position. ing. In addition, a PSD 14 and a condenser lens 15 are provided below the beam splitter 21.
[0049]
The reflected light L 1 ′ reflected by the central portion 11 a of the marker 11 is separated into two by the beam splitter 21, one separated light beam enters the PSD 12, and the other separated light beam passes through the condenser lens 15. The light enters the PSD 14.
[0050]
Although not particularly shown here, the linearly polarized laser beam L2 emitted from the LD 7 of the second light source unit 3 is converted into a substantially parallel beam by the collimator lens 8 in the same manner as in the first embodiment. 9 is reflected at the central portion 11 a of the marker 11 and enters the PSD 13.
[0051]
With such a configuration, the inclination angle of the measurement object A is calculated based on the spot position information c that is the position of the light spot detected in the PSD 14, and the inclination angle of the measurement object A and the spot positions in the PSDs 12 and 13 are calculated. Based on the information a and b, the displacement amount of the three-dimensional position of the measuring object A is calculated.
[0052]
Thereby, since the inclination angle and the three-dimensional position of the predetermined area of the measuring object A are calculated together with a simple configuration, it is possible to perform more accurate measurement on the predetermined area of the measuring object A. Moreover, since the third light source unit is not required as compared with the displacement inclination measuring apparatus 1 of the first embodiment of the present invention, the configuration is simpler, and the apparatus can be reduced in size and weight.
[0053]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same part as the part shown in 1st Embodiment or 2nd Embodiment is shown using the same code | symbol, and description is also abbreviate | omitted. The displacement inclination measuring apparatus 30 of the present embodiment is different from the displacement inclination measuring apparatus 20 of the second embodiment of the present invention in that a condenser lens 31 is provided.
[0054]
Here, FIG. 7 is a side view partially showing the configuration of the displacement inclination measuring apparatus 30. As shown in FIG. 7, there is a low aberration property between the beam splitter 21 and the PSD 12 on the optical axis of the reflected light L1 ′ of one laser light L1 separated into two by the beam splitter 21. A condensing lens 31 which is a low aberration lens having Here, the relationship between the PSD 12 and the condenser lens 31 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8, the distance between the PSD 12 and the condenser lens 31 is set longer than the focal length f of the condenser lens 31 by a predetermined distance Δf. That is, when the distance between the PSD 12 and the condensing lens 31 is “f + Δf”, the angle between the reflected light L1 ′ reflected by the center portion 11a of the marker 11 and the lens optical axis is β, and the reflected light L1. If the displacement amount of ′ from the lens center is s, the displacement amount Δd of the light spot position of the reflected light L1 ′ in the PSD 12 is calculated from the following equation (5).
[0055]
Δd = (f + Δf) tan β− (Δf / f) · s (5)
Therefore, in the case of “Δf <f”, the shift amount s of the reflected light L1 ′ from the lens center is projected in a reduced scale, so that the PSD 12 having a small size and high resolution can be applied.
[0056]
Further, even if the incident position of the reflected light L1 ′ in the condenser lens 31 is shifted, the shift amount with respect to the PSD 12 is projected in a reduced scale, so that it is possible to detect the light receiving position with high resolution.
[0057]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same part as the part shown in 1st embodiment is shown using the same code | symbol, and description is also abbreviate | omitted. The displacement inclination measuring device 40 of the present embodiment is different from the displacement inclination measuring device 1 of the first embodiment of the present invention in that a normal direction inclination angle detection unit 41 is provided.
[0058]
Here, FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of the displacement inclination measuring apparatus 40. As shown in FIG. 9, the displacement inclination measuring device 40 includes a normal direction inclination angle detection unit 41.
[0059]
Here, the normal direction inclination angle detection unit 41 will be described in detail. The normal direction inclination angle detection unit 41 includes a plane reflecting mirror 42 that is a second reflecting member provided perpendicularly to the marker 11 at a predetermined position of the measurement object A, and an inclination angle detection unit 43. ing. The tilt angle detection unit 43 includes an LD 44, a collimator lens 45, and a beam splitter 46 that constitute a fourth light source unit. With such a configuration, the linearly polarized laser light emitted from the LD 44 is converted into substantially parallel light by the collimator lens 45 and then irradiated to the planar reflecting mirror 42 by the beam splitter 46 as the laser light L4 as the fourth light beam. After that, the light is reflected by the plane reflecting mirror 42 and enters the beam splitter 46 again.
[0060]
In addition, the tilt angle detection unit 43 includes a condensing lens 47 that is a low aberration lens having a low aberration property that constitutes a tilt angle detection unit, and a PSD 48 that is a light receiving element for detecting the tilt angle, and includes a beam splitter. The reflected light L 4 ′ of the laser light L 4 that is incident again on the light 46 passes through the beam splitter 46 and enters the PSD 48 via the condenser lens 47.
[0061]
With such a configuration, the inclination angle of the planar reflecting mirror 42 provided perpendicularly to the marker 11 at a predetermined position of the measurement object A based on the position of the light spot of the reflected light L4 ′ detected by the PSD 48 is increased. Calculated. Then, the inclination angle around the normal direction of the marker 11 is calculated based on the inclination angle of the plane reflecting mirror 42 based on the geometric relationship between the plane reflecting mirror 42 and the marker 11. That is, the amount of inclination of the measuring object A in the three-dimensional direction is detected.
[0062]
Thereby, since the inclination angle around the normal direction of the marker 11 is calculated based on the inclination angle information, the three-dimensional position of the marker 11 in the six-axis direction can be calculated.
[0063]
In each embodiment, a PSD (Position Sensitive light Detector) is used as a light receiving element. However, the present invention is not limited to this. For example, carriers generated by incidence of laser light are spatially separated. It is also possible to use a CCD (Charge Coupled Device) for detection. Here, FIG. 10 is a schematic diagram showing detection of spot position information of a light spot by the CCD 50. As shown in FIG. 10, the spot position information of the light spot in the CCD 50 is detected by calculating the spot image 51 having a level equal to or higher than a predetermined received light amount of the laser beam received by the CCD 50 and then geometrical of the edge portion of the spot image 51. This is performed by detecting the light receiving position based on the position of the center of gravity calculated only from the geometric shape. Here, the center-of-gravity position detecting means is realized. As a result, the deterioration of the detection accuracy of the spot position information due to the fluctuation error of the gravity center position due to the fluctuation of the light amount distribution is reduced.
[0064]
Moreover, although LD4 and 7 were applied as a light source of the 1st light source part 2 and the 2nd light source part 3, and LD44 was applied as a light source of a 4th light source part, LED (light emitting diode) may be applied.
[0065]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, at least two or more light beams are respectively emitted to a predetermined region of the measurement object having specular reflectivity, and each light beam reflected by the predetermined region of the measurement object is a plurality of light receiving elements. And detecting each light receiving position, calculating an inclination angle of a predetermined region of the measurement object based on the light receiving position of the reflected light detected by one light receiving element, and at least one or more other inclination angles. By calculating the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object based on the light receiving position of the reflected light detected by the light receiving element, the inclination angle and the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object can be calculated with a simple configuration. In addition, it is possible to perform calculation with higher accuracy for a predetermined region of the measurement object.
[0066]
According to the second aspect of the present invention, the light beams are emitted from the first light source unit, the second light source unit, and the third light source unit so as to intersect with each other in the reflecting member disposed in the predetermined region of the measurement object, Each light beam is reflected by the reflecting member, and the first light beam emitted from the first light source unit and the second light beam emitted from the second light source unit are respectively received by the first light receiving element and the second light receiving element. While detecting their light receiving positions, the inclination relating to the inclination of the predetermined region of the measurement object from the third light beam emitted from below in the vertical direction with respect to the intersection of the first light beam and the second light beam located on the reflecting member The angle information is detected, the inclination angle of the predetermined area of the measurement object is calculated based on the inclination angle information, and the measurement object is calculated based on the light receiving position of each light receiving element and the inclination angle of the predetermined area of the measurement object. Calculate the 3D position of a given area of an object By, it is possible to calculate together with the inclination angle and the three-dimensional position of a predetermined region of the measuring object with a simple configuration, it is possible to make highly accurate measurement than for a given area of the measurement object.
[0067]
According to a third aspect of the present invention, in the displacement tilt measuring apparatus according to the second aspect, either one of the light source of the first light source unit that emits the first light beam and the second light source unit that emits the second light beam; By using together with the light source of the third light source unit, the number of parts can be reduced and the apparatus can be reduced in size and weight.
[0068]
According to the fourth aspect of the present invention, light beams are emitted from the first light source unit and the second light source unit so as to intersect each other at the reflecting member disposed in the predetermined region of the measurement object, and each light beam is reflected by the reflecting member. The first light beam reflected from the first light source unit is reflected by the reflecting member and then separated into two in different directions by an optical separator provided on the optical path. The light receiving element of the light receiving element detects the light receiving position, detects inclination angle information related to the inclination of the predetermined area of the measurement object from the other separated light flux, and detects the predetermined area of the measurement object based on the inclination angle information. While the second light beam emitted from the second light source unit is received by the second light receiving element, the light receiving position is detected, and the light receiving position in each light receiving element and a predetermined region of the measurement object Tilt angle and By calculating the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object based on it, it is possible to calculate the inclination angle and the three-dimensional position of the predetermined area of the measurement object with a simple configuration, and More accurate measurement can be performed on a predetermined area.
[0069]
According to the fifth aspect of the present invention, in the displacement tilt measuring apparatus according to the fourth aspect, the focal position of the low aberration lens in which the first light receiving element is provided on the optical path of one separated light beam separated by the light separator. By providing it at a position that is a predetermined distance away from the first light receiving element, even if a deviation occurs in the incident position of the separated light beam in the low aberration lens, the deviation amount with respect to the first light receiving element is reduced and projected. A smaller light receiving element can be applied.
[0070]
According to a sixth aspect of the present invention, in the displacement tilt measuring apparatus according to any one of the second to fifth aspects, the second luminous flux emitted from the fourth light source unit is provided perpendicular to the reflecting member. The tilt angle information is obtained by detecting the tilt angle information regarding the tilt of the predetermined region of the measurement object from the fourth light flux reflected from the second reflecting member by being incident on the reflecting member from the vertical direction. Since the inclination angle around the normal direction of the reflecting member can be calculated based on this, the three-dimensional position of the reflecting member in the six-axis direction can be calculated.
[0071]
According to the seventh aspect of the present invention, in the displacement tilt measuring apparatus according to any one of the second to sixth aspects, the tilt angle detecting means is arranged such that the lens light is positioned at a position that matches the focal length of the low aberration lens and the low aberration lens. By configuring with a light-receiving element for detecting an inclination angle provided perpendicular to the axis, the fluctuation of the predetermined area of the measurement object can be corrected by the low aberration lens, so the predetermined area of the measurement object Only the inclination angle of the predetermined region of the measurement object can be calculated independently without being influenced by the displacement amount of the three-dimensional position.
[0072]
According to an eighth aspect of the present invention, in the displacement tilt measuring apparatus according to any one of the second to seventh aspects, carriers generated by incidence of a light beam are spatially separated, and a predetermined received light intensity level of the received light beam. After calculating the above spot image, by detecting the light receiving position based on the center of gravity position calculated only from the geometric shape of the edge part of the spot image, the spot position due to the variation error of the center of gravity position due to the fluctuation of the light quantity distribution Degradation of information detection accuracy can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a displacement inclination measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a marker.
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a relationship between a PSD and a condensing lens.
FIG. 4 is a block diagram showing an example of a signal processing circuit built in the displacement inclination measuring apparatus.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing calculation of an inclination angle of a measurement object in an angle calculator.
FIG. 6 is a side view partially showing a configuration of a displacement inclination measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a side view partially showing a configuration of a displacement inclination measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing a relationship between a PSD and a condenser lens.
FIG. 9 is a perspective view schematically showing a configuration of a displacement inclination measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing detection of spot position information of a light spot in a CCD.
FIG. 11 is a perspective view showing an example of a conventional displacement inclination measuring apparatus.
FIG. 12 is a perspective view showing an example of a conventional displacement sensor.
[Explanation of symbols]
1, 20, 30, 40 Displacement tilt measuring device
2 First light source
3 Second light source
4,7 light source
6,10 Third light source
11 Reflective member
12 First light receiving element
13 Second light receiving element
14, 48 Light receiving element for detecting tilt angle
15,47 Low aberration lens
17 Angle calculation means
18 Displacement amount calculation means
21 Light separator
31 Low aberration lens
42 Second reflecting member
44, 45, 46 Fourth light source section
50 Light receiving element
A Measurement object
L1 First luminous flux
L2 Second light flux
L3 Third light flux
L4 Fourth light flux
SP intersection

Claims

At least two or more light beams are emitted to a predetermined region of the measurement target having specular reflectivity, each reflected light is received by a plurality of light receiving elements, and a light receiving position of each reflected light is detected. The tilt angle of the predetermined region of the measurement object is calculated based on the light receiving position of the reflected light detected by the element, and the light receiving position of the reflected light detected by at least two or more other light receiving elements and the calculated tilt angle. The displacement inclination measuring device which calculates the three-dimensional position of the predetermined area | region of a measuring object based on these.

A reflective member disposed in a predetermined region of the measurement object and having specular reflectivity;
A first light source unit that emits a first light flux to the reflecting member;
A second light source unit that is provided on the same plane as the first light source unit and emits a second light beam having a predetermined angle with respect to the first light beam emitted from the first light source unit to the reflecting member. When,
A first light receiving element that receives the first light flux reflected by the reflecting member and detects the light receiving position;
A second light receiving element that is provided on the same plane as the first light receiving element, receives the second light flux reflected by the reflecting member, and detects the light receiving position;
A third light source unit that emits a third light beam from below in the vertical direction with respect to the intersection of the first light beam and the second light beam located on the reflecting member;
An inclination angle detecting means provided on an optical path of the third light beam reflected by the reflecting member, and detecting inclination angle information relating to the inclination of the predetermined region of the measurement object from the third light beam;
An angle calculation means for calculating an inclination angle of a predetermined region of the measurement object based on the inclination angle information detected by the inclination angle detection means;
Based on the tilt angle calculated by the angle calculation means, the light receiving position detected by the first light receiving element, and the light receiving position detected by the second light receiving element, the three-dimensional of the predetermined region of the measurement object Displacement amount calculating means for calculating the position;
Displacement tilt measuring device comprising:

The displacement tilt measuring apparatus according to claim 2, wherein the third light source unit uses one of the light sources of the first light source unit and the second light source unit.

A reflective member disposed in a predetermined region of the measurement object and having specular reflectivity;
A first light source unit that emits a first light flux to the reflecting member;
A second light source unit that is provided on the same plane as the first light source unit and emits a second light beam having a predetermined angle with respect to the first light beam emitted from the first light source unit to the reflecting member. When,
An optical separator that is provided on the optical path of the first light beam reflected by the reflecting member and separates the first light beam into two in different directions;
A first light receiving element that is provided on the optical path of one separated light beam separated by the light separator, receives the one separated light beam, and detects the light receiving position;
A second light receiving element that receives the second light flux reflected by the reflecting member and detects the light receiving position;
An inclination angle detecting means provided on an optical path of the other separated light beam separated by the light separator, and detecting inclination angle information relating to the inclination of the predetermined region of the measurement object from the other separated light beam;
An angle calculation means for calculating an inclination angle of a predetermined region of the measurement object based on the inclination angle information detected by the inclination angle detection means;
Based on the tilt angle calculated by the angle calculation means, the light receiving position detected by the first light receiving element, and the light receiving position detected by the second light receiving element, the three-dimensional of the predetermined region of the measurement object Displacement amount calculating means for calculating the position;
Displacement tilt measuring device comprising:

A low aberration lens is provided on the optical path of one separated light beam separated by the light separator, and the first light receiving element is located at a predetermined distance from the focal position of the low aberration lens with respect to the lens optical axis. The displacement inclination measuring apparatus according to claim 4 provided vertically.

A second reflecting member provided perpendicular to the reflecting member and having specular reflectivity;
A fourth light source unit that emits a fourth light flux from a direction perpendicular to the second reflecting member;
An inclination angle detecting means provided on the optical path of the fourth light beam reflected by the second reflecting member, and detecting inclination angle information relating to the inclination of the predetermined region of the measurement object from the fourth light beam;
A displacement inclination measuring apparatus according to any one of claims 2 to 5.

The tilt angle detection means is composed of a low aberration lens and a light receiving element for tilt angle detection provided perpendicular to the lens optical axis at a position that coincides with the focal length of the low aberration lens. The displacement inclination measuring apparatus as described in any one of thru | or 6.

Each light receiving element spatially separates and detects carriers generated by the incidence of a light beam. After calculating a spot image of a received light beam at a predetermined light receiving light level or higher, the geometry of the edge portion of the spot image is calculated. The displacement inclination measuring device according to any one of claims 2 to 7, further comprising a center-of-gravity position detecting unit configured to detect a light receiving position based on a center-of-gravity position calculated only from a geometric shape.