JPH01187405A - 光ヘテロダインエッジセンサー及びスケール精度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は微細パターンのエツジを検出するエツジセンサ
ー及びスケール精度測定装置、特にそのエツジ検出機構
の改良に間するものである。

［従来の技術］ 半導体素子、あるいは精密測定器などの分野では基板上
に微細パターンを形成する技術が必要不可欠となってお
り、さらにその製造精度を上回る高い精度でのパターン
測定を行うことが要求されている。

例えば精密測定器あるいはＮＣ工作機械などには高精度
のりニアエンコーダが用いられており、該リニアエンコ
ーダとしてはブラシ接点型、光電形、静電容量型等が周
知であるが、いずれも長尺状のスケールが必要となる。

そして、光電型エンコーダでは長尺状スケールとして、
例えばガラス基板上にクロムよりなる目盛りパターンが
形成されたものを用いる。

ここで、該スケールの精度を測定するためスケール精度
測定装置が使用され、目盛り読み取り器としてガラス基
板よりクロム目盛りが立ち上がるエツジを検出するエツ
ジセンサーか、あるいは目盛り線の中心位置を検出する
センサーが必要となる。

従来、エツジセンサーとしては、スリット走査型、レー
ザー走査型などがあり、目盛り線の中心位置検出センサ
ーとしては光電顕微鏡があった。

スリット走査型エツジセンサーは、第５図（Ａ）にも示
すように、目盛りパターン１０を光学的に拡大し、その
像面を受光スリッ）１２で矢印１方向に走査し図示を省
略したフォトメーターで明暗を検出する。

この結果、同図（Ｂ）に示すように受光スリット１２を
透過する光量が、目盛りパターン１０上を走査するとき
低下し、その光量が一定のレベル■に達したときにパタ
ーンエツジであると判別するのである。

また、光電顕微鏡としては、第６図に示すようなものが
ある。

同図において、センサーは落射照明用ランプ１４と、対
物レンズ光学系１６と、スプリッタ１８゜２０と、振動
スリット２２と、該振動スリット２２を振動させる振動
子２４と、受光素子２６と、よりなる。

そして、落射照明用ランプ１４より出光した光はスプリ
ッタ１８に反射され、対物レンズ光学系１６を介して目
盛りパターン１０の形成されたスケール２８上に照射さ
れる。

スケール２８よりの反射光は、再度対物レンズ光学系１
６．スプリッタ１８．２０を介して振動スリット２２上
に結像し、スリット透過光は光電素子で受光され電気信
号に変換される。

その光電素子２６の出力信号変化が第７図に示される。

同図（Ａ）に示すように、目盛りパターン１０の像がス
リット２２の振幅から外れているときは信号を発生しな
いが、像がスリット振幅内に入ってくると（Ｂ）に示す
ようにスリット振動周波数と等しい周波数の信号が発生
する。

目盛りパターンの像がスリットの振幅中心に近づいてく
ると信号の振幅が増大し、やがて（Ｃ）の位置で最大と
なり、その後は（Ｄ）のように−方のピークがへこみ始
める。

これは振動スリット２２が目盛りパターン１０両側にま
で走査していることを意味する。

そして、さらに目盛りパターンの像がスリット振幅中心
に近づいて行くとピークのへこみが次第に深くなって行
き、（Ｅ）に示す両者が一致し周波数が２倍となった時
点で目盛りパターンの像がスリット中心に位置したこと
となる。

従ってこの周波数が２倍となった（Ｅ）に示す信号を検
出することによりパターンエツジを測定することができ
るのである。

しかしながら、このような光電顕微鏡あるいはスリット
走査型のエツジセンサーでは、いずれも光学像を利用し
ているので落射照明光の影響を直接受け、しかもコント
ラストの低い目盛りパターンの測定には不向きである。

また、スリット走査型では透過率の微妙な変化を検出し
、また光電顕微鏡型ではスリット自体の振動を行わなけ
ればならず、いずれも測定速度は１００〜２００μｍ／
ｓｅｃと非常に遅いものであった。

一方、レーザー走査型のエツジセンサーは、第８図にも
示すようにレーザー光を被測定物であるスケール２６上
に集光する対物レンズ１６と、該スケール２６から乱反
射する散乱光を検出する光電素子２６ａ、２６ｂを有す
る。

そして、目盛りパターン１０のエツジ部分にレーザー光
が照射されると、該部分よりレーザー光が乱反射し、光
電素子２６ａ、２６ｂにより検出される。

この状態は第９図に示されており、同図（Ａ）は光電素
子２６ａの検出信号、同図（Ｂ）は光電素子２６ｂの検
出信号である。

従って、両光型素子の検出信号のピーク値を求めること
によりエツジを検出することができる。

このようなレーザー走査型エツジセンサーによれば、落
射照明光の影響は受けず、しかも被測定物のコントラス
トにも影響を受けないという利点を有する。

［発明が解決しようとする課題］ 従来肢盃ΩＩ星直 ところが、このような各種利点を有するレーザー走査型
エツジセンサーでも測定速度が非常に遅いという点に変
わりはなかった。

すなわち、レーザービームは、振動ミラー３゜によって
微小な振れ角で振動が与えられている。

これは信号処理の段階で同期検波を行うためであり、こ
の振動速度が律速段階となり測定スピードがあげられな
かったのである。

従って、このようなレーザー走査型エツジセンサーでは
数十〜１００μｍ１ｓｅｃでの測定速度しかなく、例え
ばリニアエンコーダの１０００ｍｍにも及ぶ長尺スケー
ルを精密測定するには大変な時閏が要求され、またその
長時閏にわたる測定中に測定環境が変化し測定精度にも
悪影響を与えていた。

ｉ且Ω旦狛 本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり
、その目的は高精度でしかも測定速度の速いエツジセン
サー及びスケール精度測定装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために本発明にかかる光ヘテロダイ
ンエツジセンサーは、レーザー発振器と、音響光学素子
と、ビームスプリッタと、対物レンズと、２個の光電変
換素子と、位相計と、よりなる。

そして、レーザー発振器は、レーザー光を出射する。

音響光学素子は、前記レーザー光を周波数の異なる２種
のレーザービームに変調し、かつ２方向に偏向する。

ビームスプリッタは、前記２種の変調レーザービームを
それぞれ参照レーザービーム及び照射レーザービームと
して２方向分離する。

対物レンズは、前記照射レーザービームに含まれる前記
２種のレーザービームがそれぞれ被測定物上で所定距離
離隔した２個のビームスポットを形成するよう該被測定
物上に照射する。

参照側光電変換素子は、前記参照レーザービームを受光
し、参照信号とする。

測定側光電変換素子は、前記照射レーザービームの被測
定物よりの反射ビームを受光し、測定信号とする。

位相計は、前記参照信号と測定信号の位相差を検出し、
エツジ信号とする。

また、被測定物表面に形成される２のビームスポットは
、重ならないように隣接し、そのスポット域幅が目盛り
線幅以下であることが好適である。

本発明にかかるスケール精度測定装置は、スケールを相
対駆動する駆動系と、前記スケールの位置を検出する位
置検出系と、前記スケール上の目盛りを検出する目盛り
検出系と、を含む。

そして、目盛り検出系は、前記光ヘテロダインエツジセ
ンサーよりなることを特徴とする。

［作用］ 本発明にかかる光ヘテロダインエツジセンサーは前述し
た手段を有するので、照射レーザービームにより被測定
物上に形成された２個のビームスポットよりの反射ビー
ムは、該被測定物表面の一平坦面部分から反射されたも
のであれば、参照ビームとは一定の初期位相差を生じて
いるのみである。

これに対し、前記照射ビームにより形成される２個のビ
ームスポットが段差を有して形成されると、反射ビーム
は初期位相に段差等による位相変化分が加わり、光電変
換されて得られる測定信号にも位相変化が生じる。

しかしながら、参照ビームは初期位相を持った　、まま
である。

従って、参照信号と測定信号を比較し、両者に初期位相
差に加えて位相変化を生じた時点が段差すなわちエツジ
であり、両ビームの位相差検出によりエツジ検出を行う
ことができる。

ここで、従来のレーザー走査型エツジセンサーのように
ビーム自体の振動走査は必要なく、きわめて高速でエツ
ジ検出を行うことができる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第一図は、本発明の一実施例にかかる光ヘテロダインエ
ツジセンサーをスケールの目盛り精度を測定するスケー
ル精度測定装置として使用した状態を示しており、前記
従来例と対応する部分には符号１００を加えて示し説明
を省略する。

本実施例において、スケール精度測定装置は、スケール
１２６の駆動系１５０と、該スケール１２６の位置検出
系１５２と、目盛り検出系１５４と、よりなる。

そして、駆動系１５０は、図示を省略した粗動送り機構
と、微小送り機構よりなり、該微小送り機構は、ピエゾ
圧電素子１５６と、該圧電素子１５６に駆動電圧を供給
する圧電素子ドライバー１５８と、駆動制御器１６０と
、を含む。

そして、被測定物であるスケール１２８は駆動制御器１
６０の制御に基づきピエゾ圧電素子１５６により矢印１
方向に駆動される。

また、位置検出系１５２は、光波干渉計１６２と、増幅
器１６４と、カウンター１６６と、よりなる。

そして、干渉計１６２により検出されたスケール１２８
の移動信号は増幅器１６４により増幅され、カウンター
１６６によりカウントされる。

本発明において特徴的なことは、目盛り検出系１５４に
光ヘテロダインエツジセンサーを用いたことである。

光ヘテロダイン干渉法は近似する周波数を持つ参照光及
び測定光の干渉を生じさせるものであり、従来この原理
を用いて表面粗さ測定装置を開発した例がある（特開昭
５９−２０８４９）。

しかしながら、表面粗さ測定装置では対象とする凹凸が
２〜３７ｚｍであり本発明が目的とする目盛りなどの膜
厚（０，０１〜０．５μｍ）とはオーダーが異なり、光
ヘテロダイン干渉法をエッジセンサーとして使用するこ
とはまったく考えられていなかった。

すなわち、目盛りの膜厚程度の領域では、目盛りエツジ
部分において、その段差と焦点位置などによって光の複
素振幅分布が複雑に変化し、さらにスケール目盛り（例
えばクロム）などの光の波長オーダーの厚さの金属面に
光が入射したときには光が厚さ数μｍ以上の金属単体に
入射したときとは異なり、光が金属内部に浸入する深さ
の度合が著しく大きくなり、しかもこれは金属及び合金
の種類によっても異なってくるために、エツジにおいて
生ずる位相は、段差による光路差分の位相に直接には比
例しない。

従って、このような膜厚では位相差は段差による光路差
に比例せず、光ヘテロダイン干渉法をエツジ検出に用い
ることは不可能と考えられていたのである。

しかしながら、本発明者は前述したような薄膜に対して
であっても、段差において比例はしないものの位相差出
力を得ることが可能である点を発見し、光ヘテロダイン
干渉法により基板上に形成された薄膜目盛りの段差を直
接検出する光ヘテロダインエツジセンサーを開発したの
である。

本実施例において、光ヘテロダインエツジセンサー１５
４は、レーザー発振器１６８と、ブラッグセル（音響光
学素子）１７０と、ビームスプリッタ１７２と、参照側
光電変換素子１７４．測定側光電変換素子１７６と、位
相計１７８と、を含む。

そして、レーザー発振器１６８より出光したレーザー光
は所定の光学系を経てブラッグセル１７０に入射する。

該ブラッグセル１７０は、制御器１８０の制御に基づく
ブラッグセルドライバー１８２により駆動電圧を受ける
。

ここで、ブラッグセル１７０は、圧電トランスデユーサ
−により発生させた超音波により内部の媒質中に超音波
と同波長の密度波を作り出し、その密度波が屈折率の周
期的変化をもたらし入射してきた光に対し位相格子の役
割を果たし該光を回折すると共に、運動密度波面により
光が反射されるのでドツプラー効果が生じ、光の周波数
を超音波の周波数だけ変化させるという二つの機能を合
わせ持つ。

そして、ブラッグセルドライバー１８２は内部に搬送用
高周波（数十〜数百Ｍ　Ｈｚ　）発生回路を内蔵してお
り、外部からもう一つの周波数（５０ＫＨｚ〜ＩＭＨｚ
程度）を取り込んで二種類の周波数をミキシングしたも
のを駆動源としてブラッグセル１７０に印加する。

本実施例においては、例えばブラッグセル１７０にはｆ
ｃ＋ｆｍ（７０ＭＨｚ＋８０ＫＨｚ）と、ｆｃ−ｆｍ（
７０ＭＨｚ−８０ＫＨｚ）の二つの周波数をかけている
。

そして、前記２本のレーザービームは所定の光学系を経
てビームスプリッタ１７２にいたる。

該ビームスプリッタ１７２は入射したレーザービームを
さらに２方向に分割し、一方はビームスプリッタ１７２
により反射され照射レーザービームとして対物レンズ１
８４を介してスケール１２８上に照射される。

そして、該スケールからの反射ビームは再度対物レンズ
１８４及びビームスプリッタ１７２を介して測定側光電
変換素子１７６に入光し、測定信号Ｓ１に変換される。

一方、ビームスプリッタ１７２により分割された他方は
該ビームスプリッタ１７２を透過し参照レーザービーム
として参照側光電変換素子１７８に入光し、参照信号ｓ
２に変換される。

両信号ｓ＋、、ｓ２は増幅器１８６により増幅され、位
相計１７８に入力される。

そして両信号の位相差が検出され、エツジパルス回路１
８８によりエツジ信号Ｓ３が出力される。

該エツジ信号ｓ３は前記カウンター１６６の出力と共に
プリンター１９０に出力され、エツジ位置がプリントア
ウトされる。

第２図には本実施例の光学系の作用がより詳細に示され
ている。

同図より明らかなように、レーザー発振器１６８はＨｅ
−Ｎｅレーザー光源１６８ａと、ビームエキスパンダー
１６８ｂとよりなり、基準軸ｌに対し微小角ずらして配
置されている。

そして、該レーザー発振器１６８より出射されたレーザ
ー光はシリンドリカルレンズ２００及び球面レンズ２０
２を介してブラッグセル１７０に入光される。

ブラッグセル１７０では前述したように周波数が変化し
た２本のレーザービームＬｌ及びＬ２が形成され、それ
ぞれ回折しほぼ基準軸１に沿って、球面レンズ２０４を
介してストッパ２０６のスリット２０６ａより出射する
。

なお、ブラッグセルによって回折されなかったレーザー
光成分Ｌ３は基準軸ｌよりずれたままブラッグセル１７
０より出射しストッパ２０６により吸収される。

前記スリット２０６ａより出射したレーザービームＬｌ
、Ｌ２は、微小な回折角の差を有した状態でシリンドリ
カルレンズ２０８を介してビームスプリッタ１７２に入
光する。

該ビームスプリッタ１７２では前記レーザービ−ムＬｌ
、Ｌ２の一部はそのまま通過して、参照側光電変換素子
１７４に入光し参照信号に変換される。

一方、ビームスプリッタ１７２によりスケール１２８方
向に反射されたレーザービームＬｌ、Ｌ２は対物レンズ
１８４を介してスケール１２８上にスポットを形成する
。

第３図にも示されるように、レーザービームＬ１、Ｌ２
の微小な回折角差に対応してそれぞれスボッ）２１２ａ
、２１２ｂが形成され、それぞれの直径は約１μｍであ
り、両スポットは隣接している。

従って、両スポットが段差を有して位置すれば、その反
射ビーム間に光路差（位相差）を生じ、また光とガラス
、光と金属との量子力学的相互作用の違いを生じ、さら
にその他光学的諸要因が付加されて位相が変化すること
となる。

そして、両スポット位置からの反射ビームは再度対物レ
ンズ１８４、ビームスプリッタ１７２を介して測定側光
電変換素子１７６に入光し、測定信号に変換される。

本実施例にかかる測定装置の目盛り測定系は以上のよう
に構成され、次にその作用について第４図を参照しつつ
説明する。

まず、同図（Ａ）に示すようにスケール１２８上を矢印
１方向にスポット走査すると、各光電変換素子からは同
図（Ｂ）に示すような信号が得られる。

ここで、実線は参照側光電変換素子１７４からの参照信
号Ｓ２を、点線は測定側光電変換素子１７６からの測定
信号Ｓ１を示す。

同図より明らかなように、両スポット共に目盛り上ある
いは基板上にある場合には両者には初期位相差のみが存
在し、ｆｃ＋ｆｍとｆｃ−ｆｍのビート周波数２ｆｍを
描くが、段差部分ではさらに位相変化を生ずる。

すなわち、測定信号ｓｌは目盛りより基板に移行する時
点で参照信号Ｓ２に対し位相進みを生じ、基板から目盛
りに移行する時点で位相遅れを生じている。

なお、位相進み、位相遅れは光学系のＺ軸方向の＋、−
の取り方、ピント位置で逆になる場合もある。

従って、位相計１７８により両信号ｓｌ、ｓ２の位相差
をとると、第４図（Ｃ）に示すように正負両側にそれぞ
れ段差に対応してピークを生じる。

そして、正負それぞれに設定されたスレッシュホールド
レベル＋ＳＨ，−３Ｈに達した時点でエツジパルス回路
１８８は同図（Ｄ）、（Ｅ）に示すようにエツジパルス
を発生する。

このようにして得られた測定結果はエツジの位置信号と
共にプリンター１９０へ出力されることとなる。

以上のように構成された光ヘテロダインエツジセンサー
によれば、線幅２μｍ程度の目盛り精度を測定するのに
１　ｍｍ／　ｓｅｃ　〜５　ｍｍ／　ｓｅｅ程度の測定
速度を得られ、従来のエツジセンサーに比較し１０〜１
００倍の測定速度となる。

しかも、測定速度１ｍｍ／ｓｅｅにおいて、繰り返し精
度σ＝０．０１μｍを得ることができる。

なお、測定時間を短くすることにより、測定中の環境要
因変化が少なくなり一定条件下での測定ができると共に
、測定精度を悪化させる熱膨張などによる誤差を少なく
することができる。

［発明の効果コ 本発明は前述したように構成されているので、次に記載
する効果を奏する。

請求項（１）に記載される光ヘテロダインエツジセンサ
ーにおいては、光ヘテロダイン干渉法により直接被測定
物のエツジを検出することとしているので、従来のよう
に振動ミラーなどを用いてビームを振動させる必要がな
くなり、高速度でのエツジ検出を行うことができる。

請求項（２）に記載される光ヘテロダインエツジセンサ
ーにおいては、ビームスポットをそれぞれ重ならないよ
うに隣接させ、そのスポット域幅を目盛り線幅以下とし
たので、目盛りエツジを正確に測定することができる。

請求項（３）に記載されるスケール精度測定装置におい
ては、目盛り検出系として光へテロダインエツジセンサ
ーを用いたので、長尺状のスケールの精度も灼時間で精
度測定することができ、環境変動の影響を受けにくくな
り測定精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例にかかる光ヘテロダインエ
ツジセンサーを用いたスケール精度測定装置の説明図、 第２図は、第１図に示したエツジセンサーの光学系の説
明図、 第３図は、第１図に示したエツジセンサーのビームスポ
ットの説明図、 第４図は、第１図に示したエツジセンサーの信号処理状
態の説明図、 第５図は、従来のスリット走査型エツジセンサーの説明
図、 第６図及び第７図は、従来の光電顕微鏡の説明図、 第８図及び第９図は、従来のレーザー走査型エッシセン
サーの説明図である。 １０．１１０　　・・・　目盛りパターン２８．１２８
　　・・・　スケール １５０　　　　・・・　駆動系 １５２　　　　・・・　位置検出系 １５４　　　　・・・　目盛り検出系 １６８　　　　・・・　レーザー発振器１７０　　　　
・・・　ブラッグセル（音響光学素子） １７２　　　　・・・　ビームスプリッタ１７４　　　
　・・・　参照側光電変換素子１７６　　　　・・・　
測定側光電変換素子１７Ｂ　　　　　・・・　位相計

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー光を出射するレーザー発振器と、前記レ
   ーザー光を周波数の異なる２種のレーザービームに変調
   しかつ２方向に偏向する音響光学素子と、 前記２種の変調レーザービームをそれぞれ参照レーザー
   ビーム及び照射レーザービームとして２方向分離するビ
   ームスプリッタと、 該照射レーザービームに含まれる前記２種のレーザービ
   ームがそれぞれ被測定物上で所定距離離隔した２個のビ
   ームスポットを形成するよう該被測定物上に照射する対
   物レンズと、 前記参照レーザービームを受光し、参照信号とする参照
   側光電変換素子と、 前記照射レーザービームの被測定物よりの反射ビームを
   受光し、測定信号とする測定側光電変換素子と、 前記参照信号と測定信号の位相差を検出し、エッジ信号
   とする位相計と、 を備えることを特徴とする光ヘテロダインエッジセンサ
   ー。
2. （２）請求項（１）に記載のセンサーにおいて、被測定
   物表面に形成される２のビームスポットは、それぞれ重
   ならないように隣接し、スポット域幅が目盛り線幅以下
   であることを特徴とする光ヘテロダインエッジセンサー
   。
3. （３）スケールを相対駆動する駆動系と、 前記スケールの位置を検出する位置検出系と、前記スケ
   ール上の目盛りを検出する目盛り検出系と、を含むスケ
   ール精度測定装置において、前記目盛り検出系は、 レーザー光を出射するレーザー発振器と、 前記レーザー光を周波数の異なる２種のレーザービーム
   に変調しかつ２方向に偏向する音響光学素子と、 前記２種の変調レーザービームをそれぞれ参照レーザー
   ビーム及び照射レーザービームとして２方向分離するビ
   ームスプリッタと、 該照射レーザービームに含まれる前記２種のレーザービ
   ームがそれぞれ被測定物上で所定距離離隔した２個のビ
   ームスポットを形成するよう該被測定物上に照射する対
   物レンズと、 前記参照レーザービームを受光し、参照信号とする参照
   側光電変換素子と、 前記照射レーザービームの被測定物よりの反射ビームを
   受光し、測定信号とする測定側光電変換素子と、 前記参照信号と測定信号の位相差を検出し、エッジ信号
   とする位相計と、 を備える光ヘテロダインエッジセンサーよりなることを
   特徴とするスケール精度測定装置。