JPH0269713A - レーザ光の２次元スキャン光学装置 - 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〕 本発明はレーザ光の２次元スキャンを行なわせる光学装
置に関する。

〔発明の背景〕

近年の精密加工技術の進歩により、被加工物のマイクロ
化、高密度化、高精度化が進み、微小領域に微細な２次
元パターンが作成されるよ５になってきた。それに伴い
、サブミクロン精度で形成された２次元パターンの形状
、寸法等の精密計測の必要性も高まり、光学的計測を行
なう場合、微小領域で安定した２次元スキャンが行なえ
る光学装置の実現が望まれている。

〔従来の技術〕

レーザ光を微小なスポット径に集光して２次元スキャン
を行なわせるのに次の２つの方法がよく用いられている
。

■　試料を２次元的に移動してスキャンする方法。

■　レーザ光を偏向デバイスを用いて電気的制御でスキ
ャンする方法。

■の方法は、レーザ光を固定しておいて被測定物を乗せ
たステージを機械的にスキャンするもの。

■の方法は、被測定物は固定しておいてレーザ光を２次
元スキャンさせるもので、スキャンさせる偏光デバイス
としては、ポリゴンミラー　ガルバノミラ−音響光学偏
向素子を用いる場合が多（、最近では音響光学偏向素子
とガルバノミラ−を組み合わせて、電気的？！１１　Ｍ
でレーザ光を２次元スキャンさせる光学装置が実現され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術に記載した■の方法はスキャン速度が遅くスキ
ャンに伴う機械的振動が発生したり、０．０１ミクロン
メートル（以下μｍと記載する）程度の微小距離毎のス
キャン位置設定が困難である。従来技術に記載した■の
音響光学偏向素子とがルバノミラーを組み合せた方法は
、従来技術の■の方法に比べてスキャン速度は早（なる
が、ガルバノミラ−の振れ角が比較的大きいため、例え
ば数１０Ａｍ領域の如き微小領域を０．０１μｍ程度の
ステップでスキャンさせる場合には、ガルバノミラ−の
微小な振れ角を安定して設定することが困難で、微小領
域での安定した２次元スキャンには適していない。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、数１０μｍ
程度の微小領域を０．０１μｍ程度のスキャンステップ
で安定した２次元スキャンを行なわせる光学装置を提供
することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明は次のような構成
としている。

レーザ光源から放射されるレーザ光を、第１の駆動信号
源により駆動される音響光学素子と、該音響光学素子の
光学動作を制御するレンズから成る第１の光学素子群忙
より第１の光偏向を行なわせ、第２の駆動信号源により
駆動されるピエゾトランスレータにより、入射されるレ
ーザ光をその媒質内部でＶ型の反射経路を起こし、入射
される方向と同一の方向に出射させる光路変換プリズム
を駆動させて、前記第１の光偏向と直角の方向に第２の
光偏向を行なわせ、前記第１の光偏向と第２の光偏向で
スキャンされたレーザ光を対物レンズを含む第２の光学
素子群により集光させて２次元スキャンを行なわせる。

さらには、レーザ光源から放射されるレーザ光を、第１
の駆動信号源で動作させられる第１のピエゾトランスレ
ータで前述した光路変換プリズムを駆動させて第１の光
偏向を行なわせ、第２の駆動信号源で動作させられる第
２のピエゾトランスレータで前述した光路変換プリズム
を駆動させて、前記第１の光偏向と直角の方向に第２の
光偏向を行なわせ、前記第１の光偏向と第２の光偏向で
スキャンされたレーザ光を対物レンズを含む光学素子群
により集光させて２次元スキャンを行なわせる。

〔作用〕

光路変換プリズムの例としてダブプリズム？用いる場合
、ダブプリズムに入射する光線位置を固定しているとき
、ダブプリズムの全反射を起こすプリズム底面位置を移
動させると、ダブプリズムを透過した光線は移動前の位
置に対して、移動量の２倍シフトされた位置に出射する
。従ってダブプリズムなピエゾトランスレータにより微
小量毎移動させることによってスキャンを行なわせるこ
とができる。

一方、音響光学素子は印加する電気信号に応じた微小な
回折角度の変化でスキャンを行なうことができ、音響光
学素子＋ダブプリズム、あるいは、ダブプリズム＋ダブ
プリズムの組み合せにより微小領域の２次元スキャンを
行なうことができる。

音響光学素子、ダブプリズムを駆動するピエゾトランス
レータ共に電気信号により駆動させるが、電気信号の単
位変化当り音響光学素子は１０−３ｍｒａｄ、　　ピエ
ゾトランスレータは１０　　ｔｔｍ程度の変化を行なわ
せることができるため、１０−３μｍオーダのスキャン
精度で駆動する電気信号に応じた任意の軌跡で２次元ス
キャンが行なわれる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例な図面を用いて説明する。

（第１実施例） 第１図に本発明の第１の実施例の動作を説明するブロッ
ク図を示し、光路変換プリズムとしてダブプリズムを用
いる場合について説明する。

１０はレーザ光源、１１はレーザ光源１０から放射され
るレーザ光で、レーザ光源１０は例えば）（ｅ　−Ｎ　
ｅ　ｖ−ザ、Ａ　ｒ　ｖ−＋ｔ’、半ｓ体ｖ−ザ等が用
いられる。１２は音響光学素子（以下にＡ・０と略記す
る）、１３はＡ・０１２の光学動作を制御するための各
種のレンズから成る第１の光学素子群、１４はＡ・０１
２を駆動するための第１の駆動信号群である。Ａ−０１
２に超音波進行波を印加するとＡ・０媒質の光弾性効果
により媒質中に屈折率の周期的変動を生じさせるため、
光に対する回折格子として作用し、入射光を回折させる
。このときＡ−０１２の回折角度は第１の駆動信号源１
４からの電気信号によって制御される。このＡ−０１２
による光偏向を第１の光偏向と称するが、例えば偏向方
向は紙面に平行な面内のＸ方向である。

１５はダプブＩＪ、（ム（ＤＯＶＥ　　ＰＲＩＳＭ）、
１６はピエゾトランスレータ、１７はピエゾトランスレ
ータ１６を駆動する第２の駆動信号源である。ピエゾト
ランスレータ１６でダブプリズム１５を移動させるが、
移動方向を例えば紙面と垂直方向のＺ方向に行なわせれ
ば、同じくＺ方向に第２の光偏向が行なわれるが、この
偏向量、偏向位置の制御を第２の駆動信号源１７からの
電気信号によって行なう。なお第２の光偏向の偏向方向
は前述の第１の光偏向の偏向方向と直角の方向である。

１８は対物レンズ１９を含む第２の光学素子群で、Ｘ方
向、Ｚ方向に２次元スキャンされるレーザ光１００を微
小なスポット径に集光すると共に、この集束光を微小な
領域を２次元スキャンさせるために、レーザ光１００の
偏向量を一定の比率に従って縮少する動作を行なう。点
１０１が対物レンズ１９の焦点位置で、Ｘ−２面で集束
光点の２次元スキャンを行なう。この２次元スキャンを
行なうとき特にピエゾトランスレータ１６の安定度が重
要になる。ヒステリシスが無（、移動のりニアティが良
い事及び動作速度が早いことが特に重要であるが、Ｑｕ
ｅｅｎｓｇａｔｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のピエゾ
トランスレータ、モデルＤＰＴ／ＡＸＩ　ＯＯがこのよ
うな目的に適している。またＡ−０１２にも高精度の偏
向特性が必要であるが、イントラアクション社のＡＤＭ
−４０が本目的に適している。

第２図にダブプリズム１５による光偏向動作な説明する
光路図を示す。第２図（イ）はダブプリズム１５が設定
された基準位置にある場合、第２図（ロ）はダブプリズ
ム１５がピエゾトランスレータの動きに連動して基準位
置からｈだげＺ方向にシフトした場合である。

第２図打）において基準位置に置かれたダブプリズム１
５に入射されるレーザ光２００が、ダブプリズム１５の
高さ方向の中央部に入射すれば、図のような屈折経路を
進み、長さ方向の中央部２０１において全反射され、出
射光２０２は入射光２００と同じ高さ方向の位置に出射
する。

ダブプリズム１５の全反射面がｈだけＺ方向にシフトさ
れた第２図（ロ）の場合は、入射光線２００はダブプリ
ズム１５の高さ方向の中央部よりもｈだけ下方に入射さ
れる（入射光線２００の２方向位置は固定されている）
。屈折光線は図示の経路を進み、長さ方向の中央部より
も左側の位置２０６で全反射されるため、出射光２０４
は基準となる出射光２０２の位置に対して２ｈだけＺ方
向にシフトされた位置に出射される。このようにピエゾ
トランスレータ１６を用いて、ダブプリズム１５の全反
射面をＺ方向にｈだけシフトさせることにより、２ｈの
大きさでＺ方向に出射光位置を変化させて光偏向させる
ことができる。

第３図に第１図に示したブロック図の光学系の構成実捲
例を示す。

６０及び３３はシリンドリカルレンズで各々の焦点距離
は等しくてｆｃとする。３１及び３２は凸レンズで各々
の焦点距離がｆ、　　　ｆ、であり。

凸レンズ６１と凸レンズ６２の間にＡ・０１２を配置す
る。以上のレンズ群６０．３１．６２．６６がＡ・０１
２の光学動作を制御する第１の光学素子群１３である。

Ａ−０１２の回折による偏向動作を最適状態で行なわせ
るために、Ａ−０１２の媒質内を伝播する超音波進行波
と光波の相互作用を十分に行なわせる必要があるため、
シリンドリカルレンズ３０と凸レンズ３１０組み合せに
より焦点距離比ｆ、／ｆｅに応じて、レーザ光源１０か
ら放射される円形状を持つ直線偏光のレーザ光１１のビ
ーム径及びビーム形状を変換する。この変換されたビー
ム６００はシリンドリカルレンズ６０の作用によりほぼ
１次元の広がりを持つシート形状である。なお図示のビ
ーム形状は紙面に平行なＸ方向の面内での形状を表わし
ており、紙面に垂直なＺ方向面内ではＡ・０１２の中点
位置３０１で焦点を結ぶビーム形状である。

シート形状のビーム３００によりＡ・０１２で回折作用
が行なわれるが、凸レンズ６２とシリンドリカルレンズ
６６でシート形状のビームを再び変換して円形ビーム形
状に直してやる。なおシリンドリカルレンズ６６の光線
屈折面は、シリンドリカルレンズ３０の光線屈折面とは
垂直な方向に設定する。位置６０２が円形状に集光され
たビームの焦点位置で、Ａ・０１２によって回折された
１次回折光と、回折されない０次光との分離を行なうが
、１次回折光を偏向ビームとして用いる。

６４は偏光ビームスプリッタ−（ＰＢＳ）、１５は前述
したダブプリズム　６５は焦点距離ｆ３を有する凸レン
ズ、６６は１／４波長板、１９は焦点距ｔｉｔ　ｆ　ｏ
を有する対物レンズ、３７はＰｉＮフォトダイオード等
から成る光検出器、６８は微小な２次元パターンを有す
る被測定物である。ここで対物レンズ１９の焦点位置に
被測定物６８を配置し、反射光を光検出器３７で検出す
る。円形状で発散光となるビーム３０３の光路中に偏光
ビームスプリッタ−３４とダブプリズム１５を配置する
。ここでダブプリズム１５は紙面忙垂直な面で移動を行
なわせ、紙面に垂直な面内（Ｚ方向）での第２の光偏向
を行なわせる。なお前述のＡ−０１２では紙面に平行な
面内でＸ方向に第１の光偏向を行なわせる。

凸レンズ３５で発散光３０６を平行光３０４に変換し、
対物レンズ１９で直径１μｍ程度の微小スポット径に集
光して、焦点位置でＸ−２面内で微小領域を２次元スキ
ャンさせる。ここで凸レンズ６５と対物レンズ１９が第
２の光学素子群１８である。なお１７４波長板を平行ビ
ーム６０４の光路中に配置しているが、凸レンズ３５の
左側に配置してもよい 第４図に第３図に示した光学系の構成によるスキャンに
よる光路変換を説明する光路図を示し、第４図（イ）は
Ａ・０１２によるＸ方向の光偏向を説明する光路図、第
４図（ロ）はダブプリズム１５によるＺ方向の光偏向を
説明する光路図である。第４図（イ）、（ロ）の両方の
図において、第３図に示したシリンドリカルレンズ３０
、凸レンズ６１、偏光ビームスプリッタ−３４，１／４
波長板６６は光路説明には関係しないから図から省略し
ている。

第４図（イ）において、Ａ−０１２によって回折された
回折１次光４００はθなる回折角で進行し、凸レンズ６
２によって平行光路で進行する平行光４０１に変換され
る。シリンドリカルレンズ６６は平行光４０１に対して
屈折作用を持たず、更にダブプリズム１５もＸ方向に偏
向される平行光４０１に対しては、Ｘ方向への光路変換
作用を持たない。平行光４０１は凸レンズ６５で屈折さ
れ、対物レンズ１９で微小スポット径に集光されて再び
平行光に変換されてＸ方向のスキャンを行なう。

Ａ・０１２に印加される第１の駆動信号源１４の駆動信
号によるＡ−０１２の回折角の変化をθｄとすれば、対
物レンズ１９の焦点位置における偏向量の変化ＤＸは■
式 ％式％ 第４図（ロ）において、Ｚ方向の光路についてはＡ−０
１２では回折作用が行なわれず光ビーム４０２は直進す
る。ダブプリズム１５において、第２図で説明した如く
光ビーム４０２は屈折され、基準位置からの変化りに対
して、２ｈだけシフトされた位置に屈折光が出射され、
平行に進行する平行光４０３が得られる。平行光４０３
は凸レンズ３５と対物レンズ１９によって第４図（イ）
で説明したのと同様に、微小スポット径に集光されてＺ
方向のスキャンを行なう。ダブプリズム１５を駆動する
ピエゾトランスレータ１６に印加される第２の駆動信号
源１７の駆動信号によるダブプリズム１５の移動量をｈ
としたとき、対物レンズ１９の焦点位置における偏向量
Ｄｚは０式 ％式％ ■式、■式において偏向量ＤＸ　　ＤｚはＣｆ、／ｆ３
）によって変化させることができるため、希望する偏向
量に応じて第２の光学素子群を構成する凸レンズ６５と
対物レンズ１９の焦点距離を設定すればよい。

（第２実椎例） 次にダブプリズムを２個用いた２次元スキャン光学系て
ついて説明する。第１実施例においてはＸ方向のスキャ
ンをＡ・０１２を用いて行なったが、Ａ・０１２の代り
にダブプリズムを用いてスキャンさせることも可能であ
る。

第５図にダブプリズムを２個用いて２次元スキャンを行
なわせる第２の実症例の動作を説明するブロック図を示
す。１０は前述したレーザ光源で。

レーザ光１１を放射する。５１は第１のダブプリズムで
Ｘ方向の第１の光偏向を行なう。５２は第１のダブプリ
ズム５１を移動させるための第１のピエゾトランスレー
タ（以下ＰＺＴと略記する）、５３は第１のＰＺＴ５２
を駆動するための第１の駆動信号源である。５４は第２
のダブプリズムでＺ方向の第２の光偏向を行なう。５５
は第２のダブプリズム５４を移動させるための第２のＰ
　Ｚ　Ｔ。

５６は第２のＰＺＴ５５を駆動するための第２の駆動信
号源である。５７は対物レンズ１９を含み、第１と第２
のダブプリズム５１及び５４の光学動作を制菌するため
の光学系である。

以上の構成において第１と第２のダブプリズム５１及び
５４は図示の如く、全反射を起こすダブプリズム底面の
位置が互いに垂直になるように配置し、いずれの場合も
ダブプリズム底面位置を移動させる必要があるから、第
１のＰＺＴ５２はＸ方向、第２のＰＺＴ５５はＺ方向へ
の移動を行なわせるような構成とする。

第６図に第５図に示したブロック図の光学系の構成実栴
例を示す。６０は凸レンズで、レーザ光源１０かも放射
された円形状のレーザ光１１のビーム径を拡大した発散
光６００を作成する。この発散光６００の光路中に前述
の第１のダブプリズム５１と第２のダブプリズム５４を
配置する。

６１は焦点距離ｆ３を有する凸レンズで発散光６００を
平行光６０１に変換し、焦点距離ｆ。を有する対物レン
ズ１９で平行光６０１を集光して微小スポラ）Ｋ集束さ
せ、焦点位置に被測定物６８を配置して２次元スキャン
を行なわせる。なお第６図においては反射光検出の際に
有用な偏光ビームスプリッタ−１／４波長板、光検出器
は省略している。

第７図に第６図に示した光学系の構成によるスキャンに
よる光路変換を説明する図を示し、第７図（イ）は第１
のダブプリズム５１によるＸ方向スキャンの光路図、第
７図（ロ）は第２のダブプリズム５４によるＺ方向スキ
ャンの光路図である。

第７図（イ）において第１のダブプリズム５１の全反射
を起こす底面を基準位置からｈｘだげＸ方向にシフトさ
せると、出射光７００は基草位置から２ｈｘシフトされ
る。第２のダブプリズム５４はＸ方向に対する光路変換
作用は持たず直進して凸レンズ６１により屈折され、対
物レンズ１９で再び屈折させて平行に進行させる。第１
の駆動信号源５３の駆動信号知よる第１のダブプリズム
５１の移動量をｈｘとしたとき、対物レンズ１９の焦点
位置における偏向量りえは０式 ％式％ で表ノフされる。

第７図（ロ）において、Ｚ方向の光路については第１の
ダブプリズム５１は光路変換作用を持たないので直進し
、第２のダブプリズム５４の全反’Ｎ＆起こす底面を基
準位置がらｈ２だげＺ方向にシフトさせると、出射光７
０１は基準位置から２ｈ２シフトされ、第７図（イ）の
場合と同様に凸レンズ６１と対物レンズ１９で屈折され
て、対物レンズ１９の焦点面でＺ方向のスキャンが行な
われる。

第２の駆動信号源５６の駆動信号による第２のダブプリ
ズムの移動量をｈ２とすれば、対物レンズ１９の焦点位
置における偏向量Ｄつは０式％式％ 第２の実施例の場合でも、ピエゾトランスレータによる
移動量が決まれば、凸レンズ６１及び対物レンズ１９の
焦点距離比を任意に設定することにより希望する量だけ
２次元スキャンが行なわれる。

次に、第１の実症例及び第２の実施例で説明した２次元
スキャンを行なう場合の駆動信号について述べる。

第８図に第１実施例で説明した場合でのラスタースキャ
ンを行なわせる駆動信号の一例を示す。

信号８０は第１の駆動信号源１４から発せられる信号で
Ａ−０１２を駆動する。信号８１は第２の駆動信号源１
７から発せられる信号でＰＺＴｌ＜Ｓを駆動する。駆動
信号８０は電圧レベルがＶ工、〜ＶＸ２　　までの範囲
で変化するランプ波で、この電圧範囲で前述したθｄの
回折角変化が行なわれ、印加した電圧値に応じたＸ位置
にスキャンされる。駆動信号８１は駆動信号８０に同期
して電圧がステップ状に変化する信号で、印加した電圧
（Ｗ　Ｖｚ　１、ＶＰ　ｔ　、・・・・・・に応じたＺ
位置にスキャンされる。

本実施例の場合はＸ方向に１ラインスキヤンしたら、Ｚ
方向の位置をシフトさせて更に１ラインスキヤンさせ、
この動作を順次くり返してラスタースキャンを行なう。

第２実施例で述べたダブプリズムを２個用いる場合でも
、第１のダブプリズム５１を型動信号８００ランプ状信
号で駆動すればよい。更には希望するスキャンの形式に
合わせて駆動信号の電圧を設定すればよい。

以上光路変換プリズムの実施例としてダブプリズムな用
いる例を説明したが、光路変換プリズムの他の実症例を
第９図に示す。９１は各々の頂角が６０°で、断面形状
が正三角形をなす第１のプリズム、９２は頂角が３０’
　　　６０’　　　９０″″の角度をなす第２のプリズ
ムで、以上の２つのプリズムを図のように重ねて用いる
。第１のプリズム９１に入射されるレーザ光９６は、第
１のプリズム９１に垂直に入射され、その媒質内部でダ
ブプリズムの場合と同様にＶ型の反射経路を起こし、第
２のプリズム９２から出射されるレーザ光９４は、第２
のプリズム９２の垂直な面から入射される方向と同一方
向に出射される。

本実施例の場合もダブプリズムの場合と同様にピエゾト
ランスレータで、駆動すれば、移動量の２倍だけ入射光
線と出射光線の位置がシフトされる。

本実施例のプリズムを用いる場合の光学系は前述した光
学系のダブプリズムと置き換えればよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな如（、本発明によれば簡素な光
学系の構成で微小領域を安定して２次元スキャンを行な
わせることが可能で、微小な２次元マイクロパターンの
形状、寸法等を高精度に検出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は一本発明の第１の実施例を説明するブロック図
、第２図はダブプリズムによる光偏向の動作を説明する
光路図、第３図は第１図に示したフロック図の光学系の
構成例を示す光路図、第４図は第３図に示した光学系に
よる光偏向の光路を説明する光路図、第５図は本発明の
第２の実施例を説明するブロック図、第６図は第５図に
示したブロック図の光学系の構成例を示す光路図、第７
図は第６図に示した光学系による光偏向の光路を説明す
る光路図、第８図は堅動信号の例を示す波形図、第９図
は光路変換プリズムの第２の実楕例を説明する光路図で
ある。 １０・・・・・・レーザ光源、 １２・・・・・・音響光学素子、 １５・・・・・・ダブプリズム、 １６・・・・・・ピエゾトランスレータ。 １９・・・・・・対物レンズ、 ５１・・・・・・第１のダブプリズム、５４・・・・・
・第２のダブプリズム。 ９１・・・・・・第１のプリズム、 ９２・・・・・・第２のプリズム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源から放射されるレーザ光を、第１の駆
   動信号源により駆動される音響光学素子と、該音響光学
   素子の光学動作を制御するレンズから成る第１の光学素
   子群により第１の光偏向を行なわせ、第２の駆動信号源
   により駆動されるピエゾトランスレータで、入射される
   レーザ光をその媒質内部でＶ型の反射経路を起こし、入
   射される方向と同一の方向に出射させる光路変換プリズ
   ムを駆動させて、前記第１の光偏向と直角の方向に第２
   の光偏向を行なわせ、前記第１の光偏向と第２の光偏向
   でスキャンされたレーザ光を、対物レンズを含む第２の
   光学素子群により集光させて２次元スキャンを行なわせ
   ることを特徴とするレーザ光の２次元スキャン光学装置
   。
2. （２）レーザ光源から放射されるレーザ光を、第１の駆
   動信号源により動作させられる第１のピエゾトランスレ
   ータで、入射されるレーザ光をその媒質内部でＶ型の反
   射経路を起こし、入射される方向と同一の方向に出射さ
   せる第１の光路変換プリズムを駆動させて第１の光偏向
   を行なわせ、第２の駆動信号源により動作させられる第
   ２のピエゾトランスレータで第２の光路変換プリズムを
   駆動させて、前記第１の光偏向と直角な方向に第２の光
   偏向を行なわせ、前記第１の光偏向と第２の光偏向でス
   キャンされたレーザ光を対物レンズを含む光学素子群に
   より集光させて２次元スキャンを行なわせることを特徴
   とするレーザ光の２次元スキャン光学装置。