JPH063107A

JPH063107A - 干渉計システム

Info

Publication number: JPH063107A
Application number: JP4165727A
Authority: JP
Inventors: Soichi Nakamura; 荘一中村; Shiro Sugimori; 四郎杉森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-06-24
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1994-01-11

Abstract

(57)【要約】【目的】干渉計システムにおいて、測長精度を低下さ
せずに小型化する【構成】「互いに直交する方向に直線偏光を行う偏光
成分を有する平行光束化された偏光ビーム」を偏光方向
に応じて分割する分割手段５、分割された２つの偏光ビ
ーム５１、５２の各々の光路において被測定物３４と共
に移動する平面状の反射面９ｃ、１４ｃを有する反射手
段９、１４、反射手段と対向して配置され反射手段との
間で（ｎ＋１）回ビームを往復させることで被測定物の
移動距離の２×（ｎ＋１）倍の光路長変化を得る固定光
学素子７、１２、被測定物の移動距離に比例する位相差
を持った互いに直交する方向に偏光する一対の偏光ビー
ムを合致させる合致手段１５とを有する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ナノメーターオーダー
の精度で絶対測長を行なう光学式干渉計システムに関
し、特に、従来より極めて小型の干渉計に関するもので
ある。このような干渉計は、電子顕微鏡の試料室内での
寸法測定用、高精度のXYテーブルにおける移動距離測定
用、半導体製造装置でのICパターン寸法測定用等に使用
される。

【０００２】

【従来の技術】従来、微細な線幅の測定を行なう場合に
は、例えば、『計測自動制御学会論文集 vol.26 no.9
(1990) 「マイクロパターン絶対測長装置の開発」』に
見られるように、電子顕微鏡で被測定物を観測しながら
干渉計による測長を行っている。ここで使用される干渉
計としては、例えば、参照光と測定光との光路差を増倍
させて高精度での測長を可能とした光路差増倍差動干渉
測長装置（以下、単に「測長装置」と略す）が用いられ
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとしする課題】ところが、従来の測
長装置は非常に大きく、電子顕微鏡の試料室に配置する
に際しては、該試料室を前記測長装置に合わせて大型化
する必要があった。そのため、電子顕微鏡の構成自体が
大型化してしまった。本発明は、従来の測長装置の測長
精度を低下させることなく、該装置を小型化することを
目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、「互いに直交する方向に直線偏光を行う偏光成
分を有する平行光束化された偏光ビーム」を偏光方向に
応じて分割する分割手段、前記分割された２つの偏光ビ
ームの各々の光路において被測定物の移動と共に移動す
る平面状の反射面を有する反射手段、該反射手段と対向
して配置され前記反射手段との間で（ｎ＋１：ｎは整
数）回前記偏光ビームを往復させることで前記被測定物
の移動距離の２×（ｎ＋１）倍の光路長変化を得る固定
光学素子、および前記被測定物の移動距離に比例する位
相差を持った互いに直交する方向に偏光する一対の偏光
ビームを合致させる合致手段、とで干渉計システムを構
成した（請求項１記載の発明：以下、第１発明とい
う）。

【０００５】また、前記第１発明が、前記「互いに直交
する方向に直線偏光を行う偏光成分を有する平行光束化
された偏光ビーム」を、互いに直交した偏光成分を有す
る偏光ビームから形成するか、または直線偏光ビームを
紙面に45°傾いた直線偏光の平行光束とすることで形成
する光源部を備えるようにした（請求項２記載の発
明）。

【０００６】さらに、前記第１発明が、被測定物を移動
させると共に前記反射手段が設置された移動基板と、前
記反射手段および固定光学素子にそれぞれ設けられた互
いに直交する反射面と、前記反射手段および固定光学素
子のいずれか一方に設けられた前記直交する反射面に各
々45°の角度で交わる測定基準反射面と、該測定基準反
射面への入射光および該基準反射面からの反射光が各々
通過するように前記測定基準反射面と対向して配置され
た 1/4波長板と、を有し、前記測定基準反射面に入射す
る偏光ビームがＳ偏光の時は出射する偏光ビームがＰ偏
光に、また入射する偏光ビームがＰ偏光の時は出射する
偏光ビームがＳ偏光に変換するようにした（請求項３記
載の発明）。

【０００７】また、前記第１発明において、分割手段が
前記合致手段を兼ねるようにした（請求項４記載の発
明）。さらにまた、前記第１発明が、前記合致手段から
出射した偏光ビームを２方向に分割するビームスプリッ
タ、該２分割された偏光ビームの各光路中に設置された
1/2波長板、前記２分割されたビームの１方の偏光ビー
ムの光路中に設置された 1/4波長板、前記２分割された
偏光ビームがそれぞれ前記 1/2波長板および 1/4波長板
を通過した後の光路中に設置された偏光ビームスプリッ
タ、および該偏光ビームスプリッタにより分割した偏光
ビームを各々光伝搬手段に導入するための結像手段、と
を有する出力光学系を備えるようにした（請求項５記載
の発明）。

【０００８】

【作用】従来の測長装置では、測定光を反射させるため
にコーナキューブを使用していた。しかし、このコーナ
キューブは、高さ寸法が大きいため、各光学素子間との
アライメント上、他の光学素子にも同程度の高さ寸法を
要求していた。そのため、測長装置の高さ寸法が前記コ
ーナキューブの寸法に制約されてしまい、該測定の小型
化を難しくしていた。これに対して、本発明では、コー
ナキューブの代わりに平行平面を有するプリズムを使用
している。このプリズムは、コーナキューブに比較して
高さ寸法を遥かに小さくすることができる。また、前記
プリズム部分の高さを低くすることで他の光学素子の高
さも同様に低くすることができる。その結果、干渉計を
小型化（特に高さ方向）することが可能となる。

【０００９】また、従来はコーナキューブと固定プリズ
ムとの間に複数回光（ビーム）を往復させることで、光
路差を倍増させていたが、本発明では、平行平面を有す
る反射手段（例えば、移動プリズム）と固定光学素子
（例えば、固定プリズム）とを対向させて配置するか、
あるいは反射手段と平行平面を有する固定光学素子とを
対向させて配置することにより、この両者の間で複数回
光（ビーム）を往復させて光路差を倍増することで光学
的分解能を高めるようにした。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す概略平面図
である。本実施例は、例えば電子顕微鏡における試料を
移動させる際に、その移動量を、「試料を載置する載置
台が設けられた移動基板」の移動量を測定することで求
めるように構成してある。本実施例の干渉計は、基板３
６に配置された、光源から出射した光（レーザ光）を偏
光方向に応じて２つに分割する光学系（以下、偏光分割
光学系という）と、分割された２つのレーザ光を別々の
光学系を通して各々被測定物（前記移動基板）に設置さ
れた反射手段に照射し、この反射手段よる２つの反射光
の間に光路差を生じさせると共に、該光路差を増倍させ
る光学系（以下、光路差増倍光学系という）と、前記２
つの反射光を干渉させた干渉光を測定して移動量を求め
る光学系（以下、出力光学系という）、の３つの光学系
により構成されている。

【００１１】前記偏光分割光学系は、直線偏光ビーム
（以下、単にレーザ光という）を出射するレーザ光源
１、前記レーザ光を伝搬させる偏波面保存ファイバ２、
前記レーザ光を平行光束化するコリメートレンズ３、1/
2 波長板４、および前記レーザ光を偏光方向に応じて２
つに分割する偏光ビームスプリッタ５とで構成されてい
る。

【００１２】前記光路差増倍光学系は、レーザ光の進路
を90°変える直角プリズム６、３か所の反射面を有する
直角プリズム７、１２、および1/4 波長板８、１３とを
備えている。また、４つのたわみ梁３７で基板３６に支
持された移動基板３４上に設置された、各々平行平面９
ｃ、１４ｃを有する直角プリズム９、１４とを有してい
る。移動基板３４には該基板３４を移動させる駆動手段
としてピエゾ素子３３が設置され、移動基板３４を図中
Ｘ方向に移動させることで載置台３５に載置された試料
１０を移動させることができる。なお、この光路差増倍
光学系は、平行平面９ｃ、１４ｃに対する入射光および
反射光の光軸方向が、前記Ｘ方向と同方向となるように
配置されている。

【００１３】前記出力光学系は、直角プリズム９、１４
で反射した各反射光を２つに分割するビームスプリッタ
１５、分割された一方のレーザ光の光路中に設置された
1/4波長板２１、直角プリズム２２、両光路に対して配
置された1/2 波長板１６、両光路のレーザ光に対して偏
光方向に応じて２つに分離する偏光ビームスプリッタ１
７、２３、各偏光ビームスプリッタ１７、２３で分離さ
れたうちの一方の光路中に設置された直角プリズム１
９、２５、および反射光の各光路に対して設置された結
像レンズ１８、２０、２４、２６とを備えている。さら
に、前記各結像レンズにより集光されたレーザ光を各々
伝搬するライトガイド２７、２８、２９、３０と、これ
らライトガイドからの干渉光を信号処理部３２に導く石
英系のファイバ３１とを有している。信号処理部３２
は、ライトガイドによって送られた前記４つの光信号
（干渉光）を電気信号に変換するディテクタ、互いに逆
位相の信号を減算する差動アンプ、一周期毎にパルスを
発生させて計数する周期カウンタ、一周期中の位相を多
分割する分割カウンタ、これら周期カウンタと分割カウ
ンタにおける２つのデータを加算した値に波長を乗じる
CPU、および CPUでの結果を移動基板３４の移動量とし
て表示する表示手段、とを有している。

【００１４】次に、測定時のレーザ光の伝搬について説
明する。レーザ光源１から出射した直線偏光ビーム（以
下、レーザ光という）は、偏波面保存ファィバ２内を伝
搬してコリメートレンズ３に入射して平行光束化され
る。そして、1/2 波長板４を通過することで紙面に対し
て45°傾いた直線偏光となって偏光ビームスプリッタ５
に入射する。レーザ光は、偏光ビームスプリッタ５によ
って、前記光路差増倍光学系における差動系を形成する
Ｓ（直線）偏光の第１の測定光（図中、左方向へ進む）
５１とＰ（直線）偏光の第２の測定光（図中、右方向へ
進む）５２とに分離され、光路差増倍光学系に進む。

【００１５】偏光ビームスプリッタ５で反射された第１
の測定光５１は、直角プリズム６により進行方向を90°
変えられ直角プリズム７に入射する。そして、この第１
の測定光５１は直角プリズム７の各反射面と直角プリズ
ム９の各反射面との間で反射を繰り返した（図では一往
復させた場合を示し、反射面７ａ、９ａ、９ｂ、７ｂ、
７ｃの順で反射する）後、1/4 波長板８を通過して直角
プリズム９の平行平面９ｃに入射してここで反射する。
反射した第１の測定光は、再度1/4 波長板８を通過する
ことでＰ偏光となり、入射時とは逆の経路を通って偏光
ビームスプリッタ５に向かう。

【００１６】一方、偏光ビームスプリッタ５を通過した
第２の測定光５２は、直角プリズム６を経て直角プリズ
ム１２に入射する。そして、参照光５１と同様に直角プ
リズム１２と平行平面１４ｃを有する直角プリズム１４
との間で反射を繰り返した（図では一往復させた場合を
示し、反射面１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１２ｂ、１２ｃ
の順で反射する）後、1/4 波長板１３を通過して直角プ
リズム１４の平行平面１４ｃに入射してここで反射す
る。反射した第２の測定光５２は、再度1/4 波長板１３
を通過することでＳ偏光となり、逆の経路を通って偏光
ビームスプリッタ５に向かう。

【００１７】戻ってきた各測定光５１および５２は、偏
光ビームスプリッタ５で重ねられて互いに干渉する。こ
の干渉光は、ビームスプリッタ１５に入射して２方向に
分割される。ビームスプリッタ１５を透過したレーザ光
（干渉光）は、1/2 波長板１６により偏光面を45°傾け
られた状態で偏光ビームスプリッタ１７に入射し、透過
光と反射光とに分離される。この偏光ビームスプリッタ
１７における反射光の光軸と透過光の光軸は互いに直交
しており、干渉強度は逆相（即ち０°と180 °の位相信
号）となる。

【００１８】一方、ビームスプリッタ１５で反射したレ
ーザ光（干渉光）は、1/4 波長板２１により前記参照光
と測定光の位相差が90°になる。この後、直角プリズム
２２により進行方向を90°変えられて1/2 波長板１６を
通過し、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。この偏
光ビームスプリッタ２３で分離された透過光と反射光の
光軸は、前記偏光ビームスプリッタ１７の場合と同様に
互いに直交しているため、位相差が180 °となっている
（つまり、90°と270 °の位相差信号が得られる）。

【００１９】このようにして０°、180 °、90°、270
°の信号が得られる。これらの４つの信号は、各々結像
レンズ１８、２０、２４、２６により集光されてそれぞ
れレーザ光を伝搬するライトガイド２７、２８、２９、
３０内に導入される。そして、石英系ファイバ３１によ
り信号処理部３２に送られる。信号処理部３２では、前
記４つの信号をディテクタで検出して電気信号に変換し
た後電気的に増幅する。そして、互いに逆位相の信号を
差動アンプ（図示せず）で減算することにより、90°の
位相差をもつ２つの信号を得る。この信号は一周期毎に
パルスを発生させて計数する周期カウンタと一周期中の
位相を多分割する分割カウンタ（共に図示せず）とに入
力される。 CPU（図示せず）では前記周期カウンタと分
割カウンタにおける２つのデータを加算し、この加算後
の値に波長を乗じることで、その結果を移動基板３４の
移動量として表示する。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明では、反射手段とし
てコーナキューブの換わりに三角形の底辺に平行な平面
を持つプリズムを使用することで、干渉計の高さ寸法を
極めて小さくすることができる。そのため、電子顕微鏡
の試料室のようにスペースが限られている場所にも設置
することができる。また、XYテーブルや半導体製造装置
における高精度寸法測定用としても使用することができ
る。

【００２１】さらに、本発明の干渉計を備えた干渉測長
装置を電子顕微鏡の試料室に設置すれば、光の波長を基
準とした絶対測定が可能となるので従来の比較測定より
も高い精度で測定することができる。なお、本発明は、
空気（大気）の「ゆらぎ」による測定誤差を除去するた
めに、２つの異なる波長の光（２色の光）を用いてこの
光の干渉によって同時に同一測定物の測長を行う光学系
を有する「２波長干渉計」においても適用できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の一実施例の構成を示す概略平面図
である。

【図２】は、図１のＡＡ’断面を示す概略図である。

【符号の説明】

１レーザ光源２偏波面保存ファイバ３コリメートレンズ４ 1/2 波長板５偏光ビームスプリッタ７３カ所の反射面を有する直角プリズム８ 1/4 波長板９平行平面を有する直角プリズム１０試料１２３カ所の反射面を有する直角プリズム１３ 1/4 波長板１４平行平面を有する直角プリズム１５ビームスプリッタ１６ 1/2 波長板１７偏光ビームスプリッタ２１ 1/4 波長板２３偏光ビームスプリッタ３１石英系ファイバ３２信号処理部３３ピエゾ素子３４移動基板３６固定基板３７たわみ梁

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年５月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の詳細な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の詳細な説明】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、「互いに直交する方向に直線偏光を行う偏光成
分を有する平行光束化された偏光ビーム」を偏光方向に
応じて分割する分割手段、前記分割された２つの偏光ビ
ームの各々の光路において被測定物の移動と共に移動す
る平面状の反射面を有する反射手段、該反射手段と対向
して配置され前記反射手段との間で（ｎ＋１：ｎは整
数）回前記偏光ビームを往復させることで前記被測定物
の移動距離の２×（ｎ＋１）倍の光路長変化を得る固定
光学素子、および前記被測定物の移動距離に比例する位
相差を持った互いに直交する方向に偏光する一対の偏光
ビームを合致させる合致手段、とで干渉計システムを構
成した（請求項１記載の発明：以下、第１発明とい
う）。また、前記第１発明が、前記「互いに直交する方
向に直線偏光を行う偏光成分を有する平行光束化された
偏光ビーム」を、互いに直交した偏光成分を有する偏光
ビームから形成するか、または直線偏光ビームを紙面に
45°傾いた直線偏光の平行光束とすることで形成する光
源部を備えるようにした（請求項２記載の発明）。さら
に、前記第１発明が、被測定物を移動させると共に前記
反射手段が設置された移動基板と、前記反射手段および
固定光学素子にそれぞれ設けられた互いに直交する反射
面と、前記反射手段および固定光学素子のいずれか一方
に設けられた前記直交する反射面に各々45°の角度で交
わる測定基準反射面と、該測定基準反射面への入射光お
よび該基準反射面からの反射光が各々通過するように前
記測定基準反射面と対向して配置された 1/4波長板と、
を有し、前記測定基準反射面に入射する偏光ビームがＳ
偏光の時は出射する偏光ビームがＰ偏光に、また入射す
る偏光ビームがＰ偏光の時は出射する偏光ビームがＳ偏
光に変換するようにした（請求項３記載の発明）。ま
た、前記第１発明において、分割手段が前記合致手段を
兼ねるようにした（請求項４記載の発明）。さらにま
た、前記第１発明が、前記合致手段から出射した偏光ビ
ームを２方向に分割するビームスプリッタ、該２分割さ
れた偏光ビームの各光路中に設置された 1/2波長板、前
記２分割されたビームの１方の偏光ビームの光路中に設
置された 1/4波長板、前記２分割された偏光ビームがそ
れぞれ前記 1/2波長板および 1/4波長板を通過した後の
光路中に設置された偏光ビームスプリッタ、および該偏
光ビームスプリッタにより分割した偏光ビームを各々光
伝搬手段に導入するための結像手段、とを有する出力光
学系を備えるようにした（請求項５記載の発明）。

【作用】従来の測長装置では、測定光を反射させるため
にコーナキューブを使用していた。しかし、このコーナ
キューブは、高さ寸法が大きいため、各光学素子間との
アライメント上、他の光学素子にも同程度の高さ寸法を
要求していた。そのため、測長装置の高さ寸法が前記コ
ーナキューブの寸法に制約されてしまい、該測定の小型
化を難しくしていた。これに対して、本発明では、コー
ナキューブの代わりに平行平面を有するプリズムを使用
している。このプリズムは、コーナキューブに比較して
高さ寸法を遥かに小さくすることができる。また、前記
プリズム部分の高さを低くすることで他の光学素子の高
さも同様に低くすることができる。その結果、干渉計を
小型化（特に高さ方向）することが可能となる。また、
従来はコーナキューブと固定プリズムとの間に複数回光
（ビーム）を往復させることで、光路差を倍増させてい
たが、本発明では、平行平面を有する反射手段（例え
ば、移動プリズム）と固定光学素子（例えば、固定プリ
ズム）とを対向させて配置するか、あるいは反射手段と
平行平面を有する固定光学素子とを対向させて配置する
ことにより、この両者の間で複数回光（ビーム）を往復
させて光路差を倍増することで光学的分解能を高めるよ
うにした。

【実施例１】図１は、本発明の一実施例を示す概略平面
図である。本実施例は、例えば電子顕微鏡における試料
を移動させる際に、その移動量を、「試料を載置する載
置台が設けられた移動基板」の移動量を測定することで
求めるように構成してある。本実施例の干渉計は、基板
３６に配置された、光源から出射した光（レーザ光）を
偏光方向に応じて２つに分割する光学系（以下、偏光分
割光学系という）と、分割された２つのレーザ光を別々
の光学系を通して各々被測定物（前記移動基板）に設置
された反射手段に照射し、この反射手段よる２つの反射
光の間に光路差を生じさせると共に、該光路差を増倍さ
せる光学系（以下、光路差増倍光学系という）と、前記
２つの反射光を干渉させた干渉光を測定して移動量を求
める光学系（以下、出力光学系という）、の３つの光学
系により構成されている。前記偏光分割光学系は、直線
偏光ビーム（以下、単にレーザ光という）を出射するレ
ーザ光源１、前記レーザ光を伝搬させる偏波面保存ファ
イバ２、前記レーザ光を平行光束化するコリメートレン
ズ３、1/2 波長板またはポラライザー４、および前記レ
ーザ光を偏光方向に応じて２つに分割する偏光ビームス
プリッタ５とで構成されている。前記光路差増倍光学系
は、レーザ光の進路を90°変える直角プリズム６、３か
所の反射面を有する直角プリズム７、１２、および1/4
波長板８、１３とを備えている。また、４つのたわみ梁
３７で基板３６に支持された移動基板３４上に設置され
た、各々平行平面９ｃ、１４ｃを有する直角プリズム
９、１４とを有している。移動基板３４には該基板３４
を移動させる駆動手段としてピエゾ素子３３が設置さ
れ、移動基板３４を図中Ｘ方向に移動させることで載置
台３５に載置された試料１０を移動させることができ
る。なお、この光路差増倍光学系は、平行平面９ｃ、１
４ｃに対する入射光および反射光の光軸方向が、前記Ｘ
方向と同方向となるように配置されている。前記出力光
学系は、直角プリズム９、１４で反射したあと前記光路
差増倍光学系の光路を戻ってきて合成された光束を２つ
に分割するビームスプリッタ１５、分割された一方のレ
ーザ光の光路中に設置された1/4 波長板２１、直角プリ
ズム２２、両光路に対して配置された1/2 波長板１６、
両光路のレーザ光に対して偏光方向に応じて２つに分離
する偏光ビームスプリッタ１７、２３、各偏光ビームス
プリッタ１７、２３で分離されたうちの一方の光路中に
設置された直角プリズム１９、２５、および反射光の各
光路に対して設置された結像レンズ１８、２０、２４、
２６とを備えている。さらに、前記各結像レンズにより
集光されたレーザ光を各々伝搬するライトガイド２７、
２８、２９、３０と、これらライトガイドからの干渉光
を信号処理部３２に導く石英系のファイバ３１とを有し
ている。信号処理部３２は、ライトガイドによって送ら
れた前記４つの光信号（干渉光）を電気信号に変換する
ディテクタ、互いに逆位相の信号を減算する差動アン
プ、一周期毎にパルスを発生させて計数する周期カウン
タ、一周期中の位相を多分割する分割カウンタ、これら
周期カウンタと分割カウンタにおける２つのデータを加
算した値に波長を乗じる CPU、および CPUでの結果を移
動基板３４の移動量として表示する表示手段、とを有し
ている。次に、測定時のレーザ光の伝搬について説明す
る。レーザ光源１から出射した直線偏光ビーム（以下、
レーザ光という）は、偏波面保存ファィバ２内を伝搬し
てコリメートレンズ３に入射して平行光束化される。そ
して、1/2 波長板４を通過することで紙面に対して45°
傾いた直線偏光となって偏光ビームスプリッタ５に入射
する。レーザ光は、偏光ビームスプリッタ５によって、
前記光路差増倍光学系における差動系を形成するＳ（直
線）偏光の第１の測定光（図中、左方向へ進む）５１と
Ｐ（直線）偏光の第２の測定光（図中、右方向へ進む）
５２とに分離され、光路差増倍光学系に進む。偏光ビー
ムスプリッタ５で反射された第１の測定光５１は、直角
プリズム６により進行方向を90°変えられ直角プリズム
７に入射する。そして、この第１の測定光５１は直角プ
リズム７の各反射面と直角プリズム９の各反射面との間
で反射を繰り返した（図では一往復させた場合を示し、
反射面７ａ、９ａ、９ｂ、７ｂ、７ｃの順で反射する）
後、1/4 波長板８を通過して直角プリズム９の平行平面
９ｃに入射してここで反射する。反射した第１の測定光
は、再度1/4 波長板８を通過することでＰ偏光となり、
入射時とは逆の経路を通って偏光ビームスプリッタ５に
向かう。一方、偏光ビームスプリッタ５を通過した第２
の測定光５２は、直角プリズム６を経て直角プリズム１
２に入射する。そして、第１の測定光５１と同様に直角
プリズム１２と平行平面１４ｃを有する直角プリズム１
４との間で反射を繰り返した（図では一往復させた場合
を示し、反射面１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１２ｂ、１２
ｃの順で反射する）後、1/4 波長板１３を通過して直角
プリズム１４の平行平面１４ｃに入射してここで反射す
る。反射した第２の測定光５２は、再度1/4 波長板１３
を通過することでＳ偏光となり、逆の経路を通って偏光
ビームスプリッタ５に向かう。このとき、各測定光５
１、５２は、試料１０が移動した空間を３往復している
ので、この試料１０の移動距離の６倍の光路長変化が得
られたことになる。戻ってきた各測定光５１および５２
は、偏光ビームスプリッタ５で重ねられて互いに干渉す
る。この干渉光は、ビームスプリッタ１５に入射して２
方向に分割される。ビームスプリッタ１５を透過したレ
ーザ光（干渉光）は、1/2 波長板１６により偏光面を45
°傾けられた状態で偏光ビームスプリッタ１７に入射
し、透過光と反射光とに分離される。この偏光ビームス
プリッタ１７における反射光の光軸と透過光の光軸は互
いに直交しており、干渉強度は逆相（即ち０°と180 °
の位相信号）となる。一方、ビームスプリッタ１５で反
射したレーザ光（干渉光）は、1/4 波長板２１により前
記参照光と測定光の位相差が90°になる。この後、直角
プリズム２２により進行方向を90°変えられて1/2 波長
板１６を通過し、偏光ビームスプリッタ２３に入射す
る。この偏光ビームスプリッタ２３で分離された透過光
と反射光の光軸は、前記偏光ビームスプリッタ１７の場
合と同様に互いに直交しているため、位相差が180 °と
なっている（つまり、90°と270 °の位相差信号が得ら
れる）。このようにして０°、180 °、90°、270 °の
信号が得られる。これらの４つの信号は、各々結像レン
ズ１８、２０、２４、２６により集光されてそれぞれレ
ーザ光を伝搬するライトガイド２７、２８、２９、３０
内に導入される。そして、石英系ファイバ３１により信
号処理部３２に送られる。信号処理部３２では、前記４
つの信号をディテクタで検出して電気信号に変換した後
電気的に増幅する。そして、互いに逆位相の信号を差動
アンプ（図示せず）で減算することにより、90°の位相
差をもつ２つの信号を得る。この信号は一周期毎にパル
スを発生させて計数する周期カウンタと一周期中の位相
を多分割する分割カウンタ（共に図示せず）とに入力さ
れる。 CPU（図示せず）では前記周期カウンタと分割カ
ウンタにおける２つのデータを加算し、この加算後の値
に波長を乗じることで、その結果を移動基板３４の移動
量として表示する。

【実施例２】図３は、本発明の他の実施例を示す概略平
面図である。なお、図３において図１と同一機能を有す
る構成要件は同一符号を付してその説明を適宜省略す
る。本実施例の干渉計も実施例１と同様、電子顕微鏡等
において試料の移動量の測定に用いられることを想定し
ている。この干渉計は、実施例１の干渉計と同様、偏光
分割光学系、光路差増倍光学系、出力光学系の３つの光
学系を備え、前記偏光分割光学系と出力光学系は実施例
１における各光学系とそれぞれ同じ構成である。本実施
例と実施例１の干渉計の違いは、本実施例ではレーザ光
源１から出射されたレーザ光を偏光方向に応じて２つに
分割する手段と、分割された各測定光を合致させる手段
とを別構成にしたことである。そして、前記光路差増倍
光学系は、レーザ光の進路を90°変える直角プリズム
６、２か所の反射面を有する直角プリズム６０、６１、
1/4 波長板８、１３、および偏光ビームスプリッタ５
５、５６、５７とを備えている。また、４つのたわみ梁
３７で基板３６に支持された移動基板３４上に設置され
た、それぞれ平行平面６２ｃ、６３ｃを有する直角プリ
ズム６２、６３とを有している。この光路差増倍光学系
は、平行平面６２ｃ、６３ｃに対する入射光および反射
光の光軸方向が移動基板３４の移動方向Ｘと同じになる
ように配置される。次に、測定時のレーザ光の伝搬につ
いて説明する。レーザ光源１から出射したレーザ光は、
偏波面保存ファイバ２内を伝搬してコリメートレンズ３
に入射して平行光束化される。そして、ポラライザ４を
通過することで紙面に対して45°傾いた直線偏光となっ
て偏光ビームスプリッタ５に入射する。このレーザ光
は、偏光ビームスプリッタ５によって、前記光路差増倍
光学系（本実施例では５増倍：測定光が試料１０が移動
した空間を５往復するので、この試料１０の移動距離の
10倍の光路長変化が得られる）における差動系を形成す
るＳ（直線）偏光の第１の測定光５１とＰ（直線）偏光
の第２の測定光５２とに分離され、光路差増倍光学系に
進む。偏光ビームスプリッタ５で反射された第１の測定
光５１は、直角プリズム６により進行方向を90°変えら
れ、偏光ビームスプリッタ５５の偏光ビームスプリット
面５５ａで反射された後、平行平面６２ｃを有する直角
プリズム６２に入射する。そして、この第１の測定光５
１は、直角プリズム６２の各反射面と直角プリズム６０
の各反射面との間で反射を繰り返した後、1/4 波長板８
を通過して直角プリズム６２の平行平面６２ｃに入射し
てこの面で反射する。反射した第１の測定光５１は、再
度1/4 波長板８を通過することでＳ偏光からＰ偏光に変
わり、直角プリズム６２と直角プリズム６０の各反射面
で反射を繰り返した後、ビームスプリッタ５５の偏光ビ
ームスプリット面５５ａを通過する。そして、直角プリ
ズム６により進行方向を90°変えられて偏光ビームスプ
リッタ５７に向かう。一方、偏光ビームスプリッタ５を
通過した第２の測定光５２は、直角プリズム６を経て偏
光ビームスプリッタ５６の偏光ビームスプリット面５６
ａを通過した後、直角プリズム６３に入射する。そし
て、第１の測定光５１と同じように直角プリズム６１と
直角プリズム６３との間で反射を繰り返した後、1/4 波
長板１３を通過して直角プリズム６３の平行平面６３ｃ
に入射してこの面で反射する。反射した第２の測定光５
２は、再度1/4 波長板１３を通過することでＰ偏光から
Ｓ偏光に変わり、直角プリズム６３と直角プリズム６１
の各反射面で反射を繰り返した後、ビームスプリッタ５
６の偏光ビームスプリット面５６ａで反射する。そし
て、直角プリズム６により進行方向を90°変えられ、偏
光ビームスプリッタ５７に向かう。各測定光５１、５２
は、試料１０が移動した空間を５往復しているので、こ
の試料１０の移動距離の10倍の光路長変化が得られたこ
とになる。戻ってきた各測定光５１と５２は、偏光ビー
ムスプリッタ５７で重ねられて互いに干渉し、ビームス
プリッタ１５に入射する。ビームスプリッタ１５以降の
レーザ光（第１、第２の測定光）の伝搬過程は実施例１
と同一であるので説明を省略する。

【発明の効果】以上のように本発明では、反射手段とし
てコーナキューブの換わりに三角形の底辺に平行な平面
を持つプリズムを使用することで、干渉計の高さ寸法を
極めて小さくすることができる。そのため、電子顕微鏡
の試料室のようにスペースが限られている場所にも設置
することができる。また、XYテーブルや半導体製造装置
における高精度寸法測定用としても使用することができ
る。さらに、本発明の干渉計を備えた干渉測長装置を電
子顕微鏡の試料室に設置すれば、光の波長を基準とした
絶対測定が可能となるので従来の比較測定よりも高い精
度で測定することができる。なお、本発明は、空気（大
気）の「ゆらぎ」による測定誤差を除去するために、２
つの異なる波長の光（２色の光）を用いてこの光の干渉
によって同時に同一測定物の測長を行う光学系を有する
「２波長干渉計」においても適用できるものである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】は、実施例１の構成を示す概略平面図である。

【図２】は、図１のＡＡ’断面を示す概略図である。

【図３】は、実施例２の構成を示す概略平面図である。

【主要部分の符号の説明】１レーザ光源２偏波面保存ファイバ３コリメートレンズ４ 1/2 波長板またはポラライザー５偏光ビームスプリッタ（分割手段または合致手段）７３カ所の反射面を有する直角プリズム８ 1/4 波長板９平行平面を有する直角プリズム１０試料１２３カ所の反射面を有する直角プリズム１３ 1/4 波長板１４平行平面を有する直角プリズム１５ビームスプリッタ１６ 1/2 波長板１７偏光ビームスプリッタ２１ 1/4 波長板２３偏光ビームスプリッタ３１石英系ファイバ３２信号処理部３３ピエゾ素子３４移動基板３６固定基板３７たわみ梁５５偏光ビームスプリッタ５６偏光ビームスプリッタ５７偏光ビームスプリッタ（合致手段）６０２か所の反射面を有する直角プリズム６１２か所の反射面を有する直角プリズム

【手続補正書】

【提出日】平成５年５月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】追加

【補正内容】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】「互いに直交する方向に直線偏光を行う
偏光成分を有する平行光束化された偏光ビーム」を偏光
方向に応じて分割する分割手段、前記分割された２つの
偏光ビームの各々の光路において被測定物の移動と共に
移動する平面状の反射面を有する反射手段、該反射手段
と対向して配置され前記反射手段との間で（ｎ＋１：ｎ
は整数）回前記偏光ビームを往復させることで前記被測
定物の移動距離の２×（ｎ＋１）倍の光路長変化を得る
固定光学素子、および前記被測定物の移動距離に比例す
る位相差を持った互いに直交する方向に偏光する一対の
偏光ビームを合致させる合致手段とを有することを特徴
とする干渉計システム。
【請求項２】前記「互いに直交する方向に直線偏光を
行う偏光成分を有する平行光束化された偏光ビーム」
を、互いに直交した偏光成分を有する偏光ビームから形
成するか、または直線偏光ビームを紙面に45°傾いた直
線偏光の平行光束とすることで形成する光源部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の干渉計システム。
【請求項３】被測定物を移動させると共に前記反射手
段が設置された移動基板と、前記反射手段および固定光学素子にそれぞれ設けられた
互いに直交する反射面と、前記反射手段および固定光学素子のいずれか一方に設け
られた前記直交する反射面に各々45°の角度で交わる測
定基準反射面と、該測定基準反射面への入射光および該基準反射面からの
反射光が各々通過するように前記測定基準反射面と対向
して配置された 1/4波長板と、を有することを特徴とす
る請求項１記載の干渉計システム。
【請求項４】前記分割手段が、前記合致手段を兼ねる
ことを特徴とする請求項１記載の干渉計システム。
【請求項５】前記合致手段から出射した偏光ビームを
２方向に分割するビームスプリッタ、該２分割された偏
光ビームの各光路中に設置された 1/2波長板、前記２分
割されたビームの１方の偏光ビームの光路中に設置され
た 1/4波長板、前記２分割された偏光ビームがそれぞれ
前記 1/2波長板および 1/4波長板を通過した後の光路中
に設置された偏光ビームスプリッタ、および該偏光ビー
ムスプリッタにより分割した偏光ビームを各々光伝搬手
段に導入するための結像手段とを有する出力光学系を備
えたことを特徴とする請求項１記載の干渉計システム。