JP4081317B2 - 波長較正用干渉測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉測定装置に関し、とりわけ、少なくとも１つの波長の光を放射するレーザ光源、検出器、及びレーザ光源からの光を２つの部分光線−即ち参照光線と測定光線−に分割し、かつ該部分光線を、反射手段においてそれぞれ少なくとも一度反射させた後、再び結合させる干渉計を有すると共に、参照光線と測定光線との間の経路差が、一定の波長較正距離を規定する、波長較正用干渉測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
干渉測定装置は、高精度な距離及び位置測定のために広く使用される。干渉を利用して高精度な測定を行なう場合、通常、測定光路中の可動測定物体の測定ミラーと参照光路中の参照ミラーとの間の相対経路差が測定される。測定物体の運動の際に光の位相がどのように変動するかが測定時に求められる。この場合、光線の波長が、測定の尺度をなす。相対経路差も「波長」単位で与えられる。光線の波長の実際値は、光線が通過する媒質の屈折率に依存する。屈折率は、例えば、温度、空気の圧力及び空気の湿度の緩慢な変化又は急速な変動（振動）によって、更には空気の組成の変化によっても変化する。波長の変化による測定結果の変動は、例えば凡そ±0.1μmの精度でウェハ及びマスクを測定する座標測定装置による典型的な測定では、測定されるべき構造に対し最早無視することができないものであり、それゆえ要求される測定制度に対して許容不能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
測定精度を向上させるために、持続的に波長を較正すると言う形で、光線の波長変化に対し顧慮する必要がある。
【０００４】
高精度な距離測定を行なうために、例えばDE 198 19 492から既知の座標測定装置を人工気候室で作動させることも可能であろう。人工気候室内では、少なくとも温度が一定に保持され、幾つかの人工気候室では更に空気の湿度も一定に保持される。しかし、温度及び空気湿度の調節能力には技術的限界がある。更に、許容可能な費用では、空気圧を一定に保持するための密閉気密室を製造することはできない。その理由はとりわけ−座標測定装置を例に挙げると−測定物体の単純かつ迅速な交換が必須だからである。例えば装填開口装置を作動させるだけで、急速に空気圧が変動することすらある。
【０００５】
それゆえ、各測定において、干渉計波長を常に把握していなければならない。これは、一定長を有する波長較正距離（所謂波長トラッカ）の測定によって、又は例えば温度、空気湿度等の影響要因の測定及び実際の波長の継続的算出によって行なうことができる。しかし、この波長較正は、原理的に誤差を免れることはできない。その理由は、例えば当該波長較正の基礎を成す測定の正確さにそもそも限界があることや、高精度の測定は、測定値の急速な変化に追随するために、必ずしも十分に迅速ではないということである。そのため、この波長較正は、較正された波長に更に誤差を含めてしまう。
【０００６】
とりわけ２つの異なる波長の光によって干渉的測定が行なわれる干渉測定装置の場合、干渉計の出口で位相差を測定する際の処理の限界による重大な誤差源、並びに所謂補間誤差（Interpolatorfehler）がある。後者の誤差は、ヘテロダインレーザ（Heterodynlaser）では、２つのレーザ波長の偏光分離が理想的でないことによって引き起こされる。そのため、誤った波長のレーザ光の僅かな部分を２つの偏光素子内に見出すことができる。干渉測定装置の一例として、市場で入手可能なレーザ干渉計HP10702（ヒューレット・パッカード社）が挙げられる。
【０００７】
上述の２つの誤差要素は、測定距離の長さに依存しない一定の最大値を有する。長さＬの波長較正距離を測定する場合の測定誤差δＬは、相対誤差δＬ／Ｌとして距離測定に入って来る。それゆえ、波長較正距離を十分に長くすることにより、相対誤差を無視できるか、少なくとも低減することができるであろう。参照距離が波長較正距離に比べて相当に小さい場合、参照測定の誤差は、（波長較正距離の）測定（の誤差）に比べると小さくなる。市場で入手可能な他の波長較正装置−Modell 10717 A：これもヒューレット・パッカード社製である−があるが、これは50mmより長い範囲での距離測定のためのものであり、上述の長さの条件を充足しない。
【０００８】
波長較正距離が非常に長い場合は、装置の大きさも著しく大きくしなければならないが、マスク及びウェハの測定のための座標測定装置の場合特にそうである。そのため、レーザ光線の折り畳み、即ち波長較正距離内でレーザ光線の反射を繰り返えさせることがすぐに思い付く。例えば、レーザ光線を僅かに傾けて推移させることにより、レーザ光線が「ジグザグ」状に光路を何度も進行（往復）する装置が既知である。この装置は、測定距離の伸長を最大にし得るが、傾斜角度の小さいそのようなミラー装置の製造、組立及び調節は、非常に困難である。
【０００９】
それゆえ、本発明の課題は、測定精度の向上ないし測定誤差の低減のため、測定光線の（進行）距離を伸長させることができると共に、（装置の複雑さ等からくる）製造、組立及び／又は調節の困難さの問題を引き起こさないような、波長較正用の干渉測定装置を創出し、発展させることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一視点によれば、上述の課題を解決するために、少なくとも１つの波長の光を放射するレーザ光源、検出器、及び前記レーザ光源からの光を参照光線と測定光線に分割し、かつ該参照光線及び該測定光線を、該参照光線の反射手段及び該測定光線の反射手段においてそれぞれ少なくとも一度反射させた後、再び結合させる干渉計を有すると共に、前記参照光線と前記測定光線との間の経路差が、一定の波長較正距離を規定するよう構成された、波長較正用干渉測定装置が提供される。この測定装置において、前記測定光線の反射手段及び前記参照光線の反射手段は、同一部材の互いに向い合う側に夫々形成されていること、及び前記測定光線の光路中に、少なくとも１つの付加的反射手段が配され、該付加的反射手段は、該付加的反射手段に入射する前記測定光線を実質的に平行方向に偏位させつつ逆方向に反射させることを特徴とする（形態１・基本構成）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を示す。なお、形態２〜５は従属請求項の対象でもある。
（形態１） 上記基本構成１参照。
（形態２） 上記の測定装置において、前記同一部材は、前記付加的反射手段と一体的に構成され、又は該付加的反射手段と共に共通の支持装置に配されることが好ましい。
（形態３） 上記の測定装置において、前記付加的反射手段は、２つのミラーを有すること、及び前記各ミラーの反射面は、互いに実質的に９０°の角度をなして配されることが好ましい。
（形態４） 上記の測定装置において、前記同一部材及び前記付加的反射手段は、共通の支持装置に配され、かつこの支持装置は、互いに実質的に９０°の角度をなす２つの傾斜面を有すること、及び前記２つのミラーは、前記傾斜面に直接取り付け可能であることが好ましい。
（形態５） とりわけ座標測定装置等の顕微鏡は、上記の測定装置を含むことが好ましい。
【００１２】
本発明により、第一に確認されていることは、部分光線の（トータルでの進行）距離を−従来技術からも既知であるとおり−付加的反射によって伸長させることができるということである。しかしながら、本発明では、測定光線が、少なくとも大きく（光軸の直交方向に）偏位（位置シフトないし位置ずらし）して反対方向に反射される、即ち、付加的反射手段に入射しかつそこから反射される測定光線は、（反射前後における光線間の角度が）例えば１０°ないし２０°の鋭角をなさない（このような小さい角度による反射を実現するためには、とりわけ製造及び組立の際に問題がある）。むしろ、付加的反射によって、（測定）光線は、例えばそれ自身（の経路）中を反射により逆戻りするか、又は入射光線に対し平行に反射される。この措置によって、波長較正距離の測定誤差を低減することができるが、そのため例えば、波長較正距離を２倍にする場合でも、測定誤差を半分にすることができる。とりわけ有利には、測定光線の付加的反射は、追加される構造費用が小さい付加的反射手段を使用することにより、低コストで実現することができ、しかも、その際に必要な調節及び製造公差に対する要求も小さくすることができる。
【００１３】
とりわけ好ましい一実施形態では、付加的反射手段は、付加的反射手段に入射する測定光線を実質的に平行方向に変位させつつ（入射方向と）逆方向に反射させる。この実施形態により、有利なことに、部分光線の（進行）距離の伸長が可能となり、しかも構造体積も著しく大きくなることはない。これによって、反射手段を好適に構成することにより、測定光線を何度も繰り返し往復推移させることができる。
【００１４】
反射手段の１つを干渉計に配することも可能であろう。そのため、ミラーとして構成される反射手段を−ミラーの平行平面形態を前提とすると−単に干渉計の相応の位置に接着させることができるため、調節の手間を殆ど掛けることなく極めて簡単に製造することができるであろう。
【００１５】
とりわけ好ましい一実施形態では、測定光線の反射手段は、付加的反射手段と一体的に構成される。これによって、相応の精度で製造することにより、本発明の態様による部分光線の案内を確実に行なうことができ、しかも異なる複数の構成要素を細かく互いに調節する必要もない。
【００１６】
更に、測定光線の反射手段と測定光線の付加的反射手段とを共通の支持手段に配することも可能であろう。その意味で、測定光線の反射手段と測定光線の付加的反射手段とは同一の支持装置に強制的に結合させられ、そのため、この場合も、反射手段、付加的反射手段及び支持装置からなる構造体を簡単に製造することができ、この構造体製造の範囲内で、各構成要素間の相互調節を完了させることも可能であろう。
【００１７】
反射手段は、ミラー又は偏向プリズムとして構成することができるであろう。ミラーないし平面鏡を反射手段として使用する場合、反射手段は、その反射ミラー面が、測定光線に対し垂直に配され、ミラーないし平面鏡に入射した測定光線が実質的にもと来た経路を逆戻りするよう反射させることも可能であろう。反射手段として偏向プリズムを使用する場合−偏向プリズムを相応に構成し並びに測定光路に相応に配置することを前提とするが−測定光線は偏向プリズムにおいて実質的に平行方向に変位され反射され得るであろう。
【００１８】
とりわけ好ましい他の実施形態では、付加的反射手段は２つのミラーを有する。ミラーの反射面は、互いにほぼ９０°の角度をなして配される。測定光路に配されかつ干渉計に相対する（ないし干渉計から測定光線が直接到来する）付加的反射手段の第一のミラーは、測定光線に対しほぼ４５°の角度をなして配され、それによって第一のミラーで反射された光線が、（付加的反射手段の）第二のミラーに同様にほぼ４５°の角度をなして入射し、そこで再び反射され、干渉計から到来した光線に対し実質的に平行方向に変位されて、反転した方向に進行することも可能であろう。
【００１９】
更なる実施形態では、反射手段及び付加的反射手段は共通の支持装置に配される。この場合、支持装置は、互いにほぼ９０°の角度をなす２つの傾斜面を有する。付加的反射手段の２つのミラーは、これら傾斜面にそれぞれ直接配設可能である。支持装置は、より容易な製造を可能とするため、２又は３以上の部分から組み立てることも可能であろう。
【００２０】
とりわけ有利な実施形態では、とりわけ座標測定装置等の顕微鏡には、上記各実施形態の波長構成用干渉測定装置が配される。このため、例えば座標測定装置の場合、本発明により、空気圧、空気温度、空気湿度及び／又は空気の組成（密度）に応じた波長の変化を検出することができる。
【００２１】
【実施例】
本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、特許請求の範囲に付した図面参照符号は、発明の理解の容易化のためであり、本発明を図示の態様に限定することは意図しない。また、以下の実施例も発明の理解の容易化のために過ぎず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換・変更等を排除することも意図しない。この点に関しては、出願から補正後に至るまで同様である。
【００２２】
図１は、従来の干渉測定装置の模式図であり、図２は、本発明の波長較正用干渉測定装置の模式図である。これら干渉測定装置は、何れも、レーザ光源１、検出器２及び干渉計３を有する。レーザ光源１は、相異なる２つの波長を有する光を放射する。干渉計３は、レーザ光源１から来る光を２つの部分光線４、５、即ち参照光線４及び測定光線５に分割する。干渉計３は、反射手段６、７でそれぞれ反射させた後、２つの部分光線４、５を結合し１つの光線にする。参照光線４と測定光線５との経路差は、一定の波長較正距離１１を規定する（これは、図１にのみ示した）。
【００２３】
図２に示した本発明の干渉測定装置の光路には、更に、付加的反射手段８が配設されるが、これは、入射する測定光線５をその進入方向と反対方向に反射させるものである。
【００２４】
図２に示した本発明の干渉測定装置は、例えば、レーザ光源１から放射された光の波長の周囲の条件の変動に基づいた変化の検出に使用される。この場合、測定光線５が進行する距離は、一定の長さを有する。測定光線５は、付加的反射手段８によって平行方向に偏向され、（付加的反射手段８への入射方向と）反対方向に反射されるため、測定光線５の進行距離は、反射手段６と関連する付加的反射手段８によって伸長される。
【００２５】
図２から分かる事は、測定光線５の反射手段６が付加的反射手段８と一体的に形成されていることである。その意味で、これらは単一の部材であるといえる。図２の反射手段６は、ミラーとして作用する、即ち、この一体形成部材は、この（反射手段６の）位置にミラー化層が配されている。
【００２６】
図２の付加的反射手段８は、２つのミラー８、９を有する。それらミラーの反射面は、互いに９０°の角度をなして配される。付加的反射手段８は、所謂コーナーレフレクタとして一体的に構成することもできるであろう。この場合も、反射面は、互いに９０°の角度をなして配される。
【００２７】
図３は、反射手段６及び付加的反射手段８の支持装置１２の模式的部品展開図である。支持装置１２は、切石ないし角柱状の外形を有し、中空であり、更に連通孔１３を有する。連通孔１３を介して、周囲の空気は支持装置１２の内部に侵入することができ、そのため波長に対する周囲の空気の影響を、本発明の干渉測定装置によって測定することができる。付加的反射手段８は、この場合、２つのミラー９、１０によって構成され、これらは、２つの傾斜面１４、１５にそれぞれ直接配される。傾斜面１４、１５は、互いに９０°の角度をなすが、この角度は、例えばフライス盤によって切削加工することにより精密に形成することができる。ミラー９及び１０は、それぞれ傾斜面１４及び１５に圧滑接合（aufsprengen）される、即ち、ミラーはまず対応する傾斜面に載置され、僅かな距離だけ摺動させられるが、このとき、ミラーに対し傾斜面の方向に圧力が軽く印加される。このため、ミラー９、１０は、支持装置１２とミラー９ないし１０との間の接着力により支持装置１２に結合される。更に、外側境界面（表面）には、この組立構造体の侵食・腐食等を阻止するために、ラッカー・ワニス等が塗布される。
【００２８】
部材１６もまた支持装置１２に圧滑接合される。部材１６は、２つの連通孔１７を有するが、これら連通孔１７を通過して、測定光線５（図３には示されていない）は支持装置１２内に侵入する。２つの連通孔１７が設けられているのは、干渉計から測定光線が２つ射出されるからである。更に、部材１６は、ミラー領域１８を有するが、このミラー領域１８は、２つのミラー９、１０から反射された測定光線をその進行方向と反対方向に反射させるよう作用する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の独立請求項１（基本構成）により、所定の課題として掲げた効果が上述の通り達成される。即ち、本発明の波長較正用の干渉測定装置により、測定光線の（進行）距離を伸長させて測定精度の向上ないし測定誤差の低減を行なうことができると共に、更に、（従来の装置で見られた装置の複雑さ等からくる）製造、組立及び／又は調節の困難さの問題を解消することができる。
各従属請求項により、既述のとおり更に付加的な効果がそれぞれ達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の干渉測定装置の模式図。
【図２】本発明の一実施例の模式図。
【図３】図２の実施例の一部の具体的構造の模式図。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ 検出器
３ 干渉計
４ 部分光線（参照光線）
５ 部分光線（測定光線）
６ 反射手段
７ 反射手段
８ 付加的反射手段
９ ミラー
１０ ミラー
１１ 波長較正距離
１２ 支持装置
１３ 支持装置１２の連通孔
１４ 傾斜面
１５ 傾斜面
１６ 部材
１７ 連通孔
１８ 部材１６のミラー領域

Claims (5)

1. ・少なくとも１つの波長の光を放射するレーザ光源（１）、
   ・検出器（２）、及び
   ・前記レーザ光源（１）からの光を参照光線（４）と測定光線（５）に分割し、かつ該参照光線（４）及び該測定光線（５）を、該参照光線（４）の反射手段（７）及び該測定光線（５）の反射手段（６）においてそれぞれ少なくとも一度反射させた後、再び結合させる干渉計（３）
   を有すると共に、前記参照光線（４）と前記測定光線（５）との間の経路差が、一定の波長較正距離（１１）を規定するよう構成された、波長較正用干渉測定装置において、
   前記測定光線（５）の反射手段（６）及び前記参照光線（４）の反射手段（７）は、同一部材の互いに向い合う側に夫々形成されていること、及び
   前記測定光線（５）の光路中に、少なくとも１つの付加的反射手段（８）が配され、該付加的反射手段（８）は、該付加的反射手段（８）に入射する前記測定光線（５）を実質的に平行方向に偏位させつつ逆方向に反射させること
   を特徴とする測定装置。
2. 前記同一部材は、前記付加的反射手段（８）と一体的に構成され、又は該付加的反射手段（８）と共に共通の支持装置（１２）に配される
   ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記付加的反射手段（８）は、２つのミラー（９、１０）を有すること、及び
   前記各ミラー（９、１０）の反射面は、互いに実質的に９０°の角度をなして配されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記同一部材及び前記付加的反射手段（８）は、共通の支持装置（１２）に配され、かつこの支持装置（１２）は、互いに実質的に９０°の角度をなす２つの傾斜面（１４、１５）を有すること、及び
   前記２つのミラー（９、１０）は、前記傾斜面（１４、１５）に直接取り付け可能であること
   を特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 請求項１〜４の一に記載の波長較正用干渉測定装置を有する
   ことを特徴とする顕微鏡。

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