JPH0769143B2 - Optical heterodyne edge sensor and scale accuracy measuring device - Google Patents

Optical heterodyne edge sensor and scale accuracy measuring device

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JPH0769143B2
JPH0769143B2 JP63011890A JP1189088A JPH0769143B2 JP H0769143 B2 JPH0769143 B2 JP H0769143B2 JP 63011890 A JP63011890 A JP 63011890A JP 1189088 A JP1189088 A JP 1189088A JP H0769143 B2 JPH0769143 B2 JP H0769143B2
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laser
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edge
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良一 宮原
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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ッジを検出するエッジセンサ
ー及びスケール精度測定装置、特にそのエッジ検出機構
の改良に関するものである。
The present invention relates to an edge sensor for detecting edges of a fine pattern and a scale accuracy measuring device, and more particularly to improvement of an edge detecting mechanism thereof.

[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。
[Prior Art] In the field of semiconductor devices, precision measuring instruments, etc., a technique for forming a fine pattern on a substrate is indispensable, and it is required to perform pattern measurement with higher accuracy than its manufacturing precision. Has been done.

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
リ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。
For example, high-precision linear encoders are used in precision measuring instruments or NC machine tools, and brush contact types, photoelectric types, electrostatic capacitance types, etc. are well known as linear encoders, but they are all long type. The scale of is needed.

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。
And in the photoelectric encoder, as a long scale,
For example, a glass substrate on which a scale pattern made of chromium is formed is used.

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ッジを検出するエッ
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。
Here, a scale accuracy measuring device is used to measure the accuracy of the scale, and an edge sensor that detects the edge where the chrome scale rises from the glass substrate or a sensor that detects the center position of the scale line is required as a scale reader. Becomes

従来、エッ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。
Conventionally, there are a slit scanning type, a laser scanning type, etc. as the edge sensor, and a photoelectric microscope as the center position detecting sensor of the scale line.

スリット走査型エッジセンサーは、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
面を受光スリット12で矢印I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。
As shown in FIG. 5 (A), the slit scanning type edge sensor is a photometer (not shown) in which the scale pattern 10 is optically enlarged and the image plane thereof is scanned by the light receiving slit 12 in the direction of arrow I. Detect light and dark.

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IIに達したときにパターン
エッジであると判別するのである。
As a result, as shown in FIG. 6B, the amount of light passing through the light receiving slit 12 decreases when scanning the scale pattern 10, and when the amount of light reaches a certain level II, it is determined to be a pattern edge. To do.

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。
Further, there is a photoelectric microscope as shown in FIG.

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2
2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。
In the figure, the sensor is an epi-illumination lamp 14, an objective lens optical system 16, splitters 18 and 20, and a vibration slit 2
2, a vibrator 24 that vibrates the vibration slit 22, and a light receiving element 26.

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。
Then, the light emitted from the epi-illumination lamp 14 is reflected by the splitter 18 and radiated via the objective lens optical system 16 onto the scale 28 on which the scale pattern 10 is formed.

スケール28よりの反射光は、再度対物レンズ光学系16,
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。
The reflected light from the scale 28 is returned to the objective lens optical system 16,
An image is formed on the vibration slit 22 via the splitters 18 and 20,
The light transmitted through the slit is received by the photoelectric element and converted into an electric signal.

その光電素子26の出力信号変化が第7図に示される。The output signal change of the photoelectric element 26 is shown in FIG.

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。
As shown in (A) of the figure, no signal is generated when the image of the scale pattern 10 is out of the amplitude of the slit 22, but when the image comes within the slit amplitude, the slit is generated as shown in (B). A signal with a frequency equal to the vibration frequency is generated.

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)のように一方のピークがへこみ始
める。
When the image of the scale pattern approaches the amplitude center of the slit, the amplitude of the signal increases and eventually reaches the maximum at the position of (C), and then one peak begins to dent as in (D).

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。
This means that the vibration slit 22 is scanning up to both sides of the scale pattern 10.

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。
When the scale pattern image further approaches the slit amplitude center, the peak indentation gradually deepens, and when both of them coincide with each other as shown in (E) and the frequency doubles, the scale pattern image becomes slit. It is located in the center.

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ッジを測定することができ
るのである。
Therefore, the pattern edge can be measured by detecting the signal shown in (E) in which this frequency is doubled.

しかしながら、このような光電顕微鏡あるいはスリット
走査型のエッジセンサーでは、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。
However, such photoelectric microscopes or slit scanning type edge sensors are not suitable for measuring a scale pattern having a low contrast because they are directly affected by epi-illumination light because they use an optical image.

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。
In addition, the slit scanning type had to detect a subtle change in transmittance, and the photoelectric microscope type had to vibrate the slit itself. In both cases, the measurement speed was 100 to 200 μm / sec, which was very slow. .

一方、レーザー走査型のエッジセンサーは、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。
On the other hand, as shown in FIG. 8, the laser scanning type edge sensor includes an objective lens 16 that collects laser light on a scale 26 that is an object to be measured, and a photoelectric sensor that detects scattered light diffusely reflected from the scale 26. It has elements 26a and 26b.

そして、目盛りパターン10のエッ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。
When the edge portion of the scale pattern 10 is irradiated with the laser light, the laser light is diffusely reflected from the edge portion and detected by the photoelectric elements 26a and 26b.

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。
This state is shown in FIG. 9, in which FIG. 9A shows the detection signal of the photoelectric element 26a and FIG. 9B shows the detection signal of the photoelectric element 26b.

従って、両光電素子の検出信号のピーク値を求めること
によりエッジを検出することができる。
Therefore, the edge can be detected by obtaining the peak value of the detection signals of both photoelectric elements.

このようなレーザー走査型エッ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。
According to such a laser scanning type edge sensor, there is an advantage that it is not affected by the incident illumination light and is not affected by the contrast of the measured object.

[発明が解決しようとする課題] 従来技術の問題点 ところが、このような各種利点を有するレーザー走査型
エッ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。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the problem with the conventional technology is that the laser scanning edge sensor having various advantages as described above still has a slow measurement speed.

すなわち、レーザービームは、振動ミラー30によって微
小な振れ角で振動が与えられている。
That is, the laser beam is vibrated by the vibrating mirror 30 at a small deflection angle.

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。
This is because the synchronous detection is performed in the signal processing stage, and the vibration speed becomes the rate-determining step, and the measurement speed cannot be increased.

従って、このようなレーザー走査型エッジセンサーでは
数十〜100μm/secでの測定速度しかなく、例えばリニア
エンコーダの1000mmにも及び長尺スケールを精密測定す
るには大変な時間が要求され、またその長時間にわたる
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。
Therefore, with such a laser scanning type edge sensor, there is only a measurement speed of several tens to 100 μm / sec, and for example, a linear encoder of 1000 mm requires a very long time to accurately measure a long scale. The measurement environment changed during long-time measurement, which adversely affected the measurement accuracy.

発明の目的 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ッジセ
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。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an edge sensor and a scale accuracy measuring device with high accuracy and high measurement speed.

[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
ンエッジセンサーは、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。
[Means for Solving the Problems] To achieve the above object, an optical heterodyne edge sensor according to the present invention includes a laser oscillator, an acousto-optic element, a beam splitter, an objective lens, and two photoelectric conversion elements. , Consisting of a phase meter.

そして、レーザー発振器は、レーザー光を出射する。Then, the laser oscillator emits laser light.

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。
The acousto-optic element modulates the laser light into two kinds of laser beams having different frequencies and deflects the laser light in two directions.

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。
The beam splitter splits the two types of modulated laser beams into two directions, a reference laser beam and an irradiation laser beam, respectively.

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。
The objective lens irradiates the object to be measured so that the two types of laser beams included in the irradiation laser beam respectively form two beam spots separated by a predetermined distance on the object to be measured.

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。
The reference side photoelectric conversion element receives the reference laser beam and uses it as a reference signal.

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。
The measurement-side photoelectric conversion element receives the reflected beam of the irradiation laser beam from the object to be measured and uses it as a measurement signal.

位相計は、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。
The phase meter detects the phase difference between the reference signal and the measurement signal,
Edge signal.

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。
Further, it is preferable that the two beam spots formed on the surface of the object to be measured are adjacent to each other so as not to overlap each other, and the spot area width thereof is equal to or smaller than the scale line width.

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。
The scale accuracy measuring device according to the present invention includes a drive system that relatively drives the scale, a position detection system that detects the position of the scale, and a scale detection system that detects the scale on the scale.

そして、目盛り検出系は、前記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。
The scale detection system is composed of the optical heterodyne edge sensor.

[作用] 本発明にかかる光ヘテロダインエッ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。
[Operation] Since the optical heterodyne edge sensor according to the present invention has the above-mentioned means, the reflected beams from the two beam spots formed on the object to be measured by the irradiation laser beam have a flat surface on the object to be measured. If it is reflected from the surface portion, it only causes a constant initial phase difference from the reference beam.

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。
On the other hand, when the two beam spots formed by the irradiation beam are formed to have a step, the reflected beam adds a phase change due to the step to the initial phase and is photoelectrically converted to obtain a measurement signal. Also changes the phase.

しかしながら、参照ビームは初期位置を持ったままであ
る。
However, the reference beam remains with its initial position.

板って、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ッジ
であり、両ビームの位相差検出によりエッジ検出を行う
ことができる。
On the other hand, the reference signal and the measurement signal are compared with each other, and the time point at which a phase change occurs in addition to the initial phase difference is a step or edge, and edge detection can be performed by detecting the phase difference between both beams.

このエッジ検出の際には、相互に異なる周波数の参照信
号と測定信号とを用いることにより、位相測定のダイナ
ミックレンジに対する制限を実質的に無くすことで、エ
ッジの検出を正確に行える。
At the time of this edge detection, the reference signal and the measurement signal of different frequencies are used to substantially eliminate the limitation on the dynamic range of the phase measurement, and thus the edge can be accurately detected.

ここで、従来のレーザー走査型エッジセンサーのように
ビーム自体の振動走査は必要なく、きわめて高速でエッ
ジ検出を行うことができる。
Here, unlike the conventional laser scanning type edge sensor, vibration scanning of the beam itself is not required, and edge detection can be performed at extremely high speed.

[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。
[Embodiment] A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第一図は、本発明の一実施例にかかる光ヘテロダインエ
ッ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。
FIG. 1 shows a state in which an optical heterodyne edge sensor according to an embodiment of the present invention is used as a scale accuracy measuring device for measuring the scale accuracy of a scale, and the reference numeral 100 is given to a portion corresponding to the conventional example. In addition, the description is omitted.

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。
In this embodiment, the scale accuracy measuring device is a scale
A drive system 150 for the 126, a position detection system 152 for the scale 126,
And a graduation detection system 154.

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。
The drive system 150 is composed of a coarse feed mechanism and a minute feed mechanism (not shown). The minute feed mechanism includes a piezoelectric element 156 and a piezoelectric element driver 158 that supplies a drive voltage to the piezoelectric element 156. , And a drive controller 160.

そして、被測定物であるスケール128は駆動制御器160の
制御に基づきピエゾ圧電素子156により矢印I方向に駆
動される。
Then, the scale 128, which is the object to be measured, is driven in the direction of arrow I by the piezoelectric element 156 under the control of the drive controller 160.

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。
The position detection system 152 includes a light wave interferometer 162 and an amplifier 164.
And counter 166.

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。
Then, the movement signal of the scale 128 detected by the interferometer 162 is amplified by the amplifier 164 and counted by the counter 166.

本発明において特徴的なことは、目盛り検出系154に光
ヘテロダインエッジセンサーを用いたことである。
A feature of the present invention is that an optical heterodyne edge sensor is used for the scale detection system 154.

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)。
The optical heterodyne interferometry method causes interference between the reference light and the measuring light having similar frequencies, and there is an example in which a surface roughness measuring device has been developed by using this principle in the past (Japanese Patent Laid-Open Publication No. Sho.
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
2〜3μm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。
However, in the surface roughness measuring device, the target unevenness is 2 to 3 μm and the order is different from the film thickness (0.01 to 0.5 μm) of the scale or the like targeted by the present invention, and the optical heterodyne interferometry is used as the edge sensor. I had no idea what to do.

すなわち、目盛りの膜厚程度の領域では、目盛りエッジ
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、エッジにおいて
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。
That is, in the region of the thickness of the scale, the complex amplitude distribution of the light changes intricately at the scale edge portion due to the step and the focus position, and further, the thickness of the wavelength scale of the light of the scale scale (for example, chrome). When the light is incident on the metal surface of, unlike the case where the light is incident on a simple metal having a thickness of several μm or more, the depth of the light penetrating into the metal is significantly increased. The phase that occurs at the edge is not directly proportional to the phase of the optical path difference due to the step because it varies depending on the type.

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ッジ検出に用い
ることは不可能と考えられていたのである。
Therefore, with such a film thickness, the phase difference was not proportional to the optical path difference due to the step, and it was considered impossible to use the optical heterodyne interferometry for edge detection.

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ッジセンサーを開発したの
である。
However, the present inventor has found that even for a thin film as described above, it is possible to obtain a phase difference output although it is not proportional to the step, and it is formed on the substrate by optical heterodyne interferometry. We have developed an optical heterodyne edge sensor that directly detects the steps on the thin film scale.

本実施例において、光ヘテロダインエッセンサー154
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。
In the present embodiment, the optical heterodyne essence sensor 154
Includes a laser oscillator 168, a Bragg cell (acousto-optical element) 170, a beam splitter 172, a reference side photoelectric conversion element 174, a measurement side photoelectric conversion element 176, and a phase meter 178.

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。
Then, the laser light emitted from the laser oscillator 168 enters the Bragg cell 170 through a predetermined optical system.

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。
The Bragg cell 170 receives a driving voltage from a Bragg cell driver 182 under the control of the controller 180.

ここで、ブラッグセル170は、圧電トランスデューサー
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ップラー効果が生じ、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。
Here, the Bragg cell 170 creates a density wave of the same wavelength as the ultrasonic wave in the internal medium by the ultrasonic wave generated by the piezoelectric transducer, and the density wave causes a periodic change of the refractive index to the incident light. On the other hand, it plays the role of a phase grating and diffracts the light, and since the light is reflected by the kinetic density wavefront, the Doppler effect occurs, and it has two functions of changing the frequency of light by the frequency of ultrasonic waves.

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MHz)発生回路を内蔵しており、外部
からもう一つの周波数(50KHz〜1MHz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。
The Bragg cell driver 182 has a high frequency (several tens to several hundreds of MHz) generation circuit for carrier built in, and another frequency (about 50 KHz to 1 MHz) is externally fetched to mix two kinds of frequencies. The thing is applied to the Bragg cell 170 as a drive source.

本実施例においては、例えばブラッグセル170にはfc+f
m(70MHz+80KHz)と、fc−fm(70KHz−80KHz)の二つ
の周波数をかけている。
In this embodiment, for example, fc + f is applied to the Bragg cell 170.
Two frequencies, m (70MHz + 80KHz) and fc-fm (70KHz-80KHz) are applied.

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。
Then, the two laser beams pass through a predetermined optical system and reach the beam splitter 172.

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184を
介してスケール128上に照射される。
The beam splitter 172 further divides the incident laser beam into two directions, one of which is reflected by the beam splitter 172 and is irradiated as an irradiation laser beam onto the scale 128 via the objective lens 184.

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。
Then, the reflected beam from the scale is again the objective lens.
The light enters the measurement-side photoelectric conversion element 176 via the beam splitter 184 and the beam splitter 172 and is converted into the measurement signal s1.

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s2に変換
される。
On the other hand, the other split by the beam splitter 172 passes through the beam splitter 172, enters the reference side photoelectric conversion element 178 as a reference laser beam, and is converted into a reference signal s2.

両信号s1,s2は増幅器186により増幅され、位相計178に
入力される。
Both signals s1 and s2 are amplified by the amplifier 186 and input to the phase meter 178.

そして両信号の位相差が検出され、エッジパルス回路18
8によりエッジ信号s3が出力される。
Then, the phase difference between the two signals is detected, and the edge pulse circuit 18
The edge signal s3 is output by 8.

該エッジ信号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、エッジ位置がプリントアウトさ
れる。
The edge signal s3 is output to the printer 190 together with the output of the counter 166, and the edge position is printed out.

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。
The operation of the optical system of this embodiment is shown in more detail in FIG.

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1に対し微小角ずらして配置されている。
As is clear from the figure, the laser oscillator 168 is a He-Ne
It is composed of a laser light source 168a and a beam expander 168b, and is arranged with a slight angle shift with respect to the reference axis 1.

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202を介し
てブラッグセル170に入光される。
The laser light emitted from the laser oscillator 168 enters the Bragg cell 170 via the cylindrical lens 200 and the spherical lens 202.

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L1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。
In the Bragg cell 170, two laser beams L1 and L2 whose frequencies have been changed as described above are formed, respectively diffracted, and emitted from the slit 206a of the stopper 206 via the spherical lens 204 substantially along the reference axis 1.

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1よりずれままブラッグセル170より
出射しストッパ206により吸収される。
The laser light component L3 not diffracted by the Bragg cell is emitted from the Bragg cell 170 while being deviated from the reference axis 1 and absorbed by the stopper 206.

前記スリット206aより出射したレーザービームL1,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。
Laser beams L1 and L2 emitted from the slit 206a
Enters the beam splitter 172 through the cylindrical lens 208 with a slight difference in diffraction angle.

該ビームスプリッタ172では前記レーザービームL1,L2の
一部はそのまま通過して、参照例光電変換素子174に入
光し参照信号に変換される。
In the beam splitter 172, some of the laser beams L1 and L2 pass through as they are, and enter the reference photoelectric conversion element 174 to be converted into a reference signal.

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L1,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。
On the other hand, the laser beams L1 and L2 reflected by the beam splitter 172 toward the scale 128 form a spot on the scale 128 via the objective lens 184.

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ポット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。
As shown in FIG. 3, spots 212a and 212b are formed corresponding to the minute diffraction angle differences of the laser beams L1 and L2, and the diameters of the spots are approximately 1 μm, and both spots are adjacent to each other. .

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。
Therefore, if both spots are positioned with a step, an optical path difference (phase difference) is generated between the reflected beams, a difference in quantum mechanical interaction between light and glass, and a difference between light and metal. Optical factors will be added to change the phase.

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。
Then, the reflected beams from both spot positions again enter the measurement side photoelectric conversion element 176 via the objective lens 184 and the beam splitter 172, and are converted into a measurement signal.

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。
The scale measuring system of the measuring apparatus according to the present embodiment is configured as described above, and its operation will be described below with reference to FIG.

まず、同図(A)に示すようにスケール128上を矢印I
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。
First, as shown in FIG.
When spot scanning is performed in the direction, a signal as shown in FIG. 7B is obtained from each photoelectric conversion element.

ここで、実線は参照側光電変換素子174からの参照信号s
2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。
Here, the solid line is the reference signal s from the reference side photoelectric conversion element 174.
2, the dotted line indicates the measurement signal s1 from the measurement-side photoelectric conversion element 176.

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。
As is clear from the figure, when both spots are on the scale or on the substrate, there is only an initial phase difference between them, and the beat frequency 2fm of fc + fm and fc−fm is drawn, but at the stepped portion, the phase is further increased. Cause a change.

すなわち、測定信号s1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。
That is, the measurement signal s1 has a phase lead with respect to the reference signal s2 at the time of shifting from the scale to the substrate, and has a phase delay at the time of shifting from the substrate to the scale.

なお、位相進み、位相遅れば光学系のZ軸方向の+,−
の取り方、ピント位置で逆になる場合もある。
If the phase advances and the phase lags, + and-in the Z-axis direction of the optical system.
It may be reversed depending on how to take and focus position.

従って、位相計178により両信号s1,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。
Therefore, when the phase difference between the two signals s1 and s2 is calculated by the phase meter 178, peaks are generated on the positive and negative sides corresponding to the steps, as shown in FIG. 4 (C).

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,−SHに達した時点でエッジパルス回路188は
同図(D),(E)に示すようにエッジパルスを発生す
る。
Then, when the threshold levels + SH and -SH set respectively for positive and negative are reached, the edge pulse circuit 188 generates an edge pulse as shown in FIGS.

このようにして得られた測定結果はエッジの位置信号と
共にプリンター190へ出力されることとなる。
The measurement result obtained in this way is output to the printer 190 together with the edge position signal.

以上のように構成された光ヘテロダインエッジセンサー
によれば、線幅2μm程度の目盛り精度を測定するのに
1mm/sec〜5mm/sec程度の測定速度を得られ、従来のエッ
ジセンサーに比較し10〜100倍の測定速度となる。
According to the optical heterodyne edge sensor configured as described above, it is possible to measure the scale accuracy of a line width of about 2 μm.
A measurement speed of about 1 mm / sec to 5 mm / sec can be obtained, which is 10 to 100 times faster than the conventional edge sensor.

しかも、測定速度1mm/secにおいて、繰り返し精度σ=
0.01μmを得ることができる。
Moreover, at a measurement speed of 1 mm / sec, repeatability σ =
0.01 μm can be obtained.

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。
By shortening the measurement time, changes in environmental factors during measurement can be reduced, and measurement can be performed under constant conditions, and errors due to thermal expansion that deteriorate measurement accuracy can be reduced.

[発明の効果] 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。
[Effects of the Invention] Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.

請求項(1)に記載される光ヘテロダインエッジセンサ
ーにおいては、光ヘテロダイン干渉法により直接被測定
物のエッ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、高速度でのエッジ検出を行うことができる。
In the optical heterodyne edge sensor according to claim (1), since the edge of the object to be measured is directly detected by the optical heterodyne interferometry, it is necessary to vibrate the beam by using a vibrating mirror or the like as in the conventional case. Is eliminated, and edge detection can be performed at high speed.

このエッジ検出の際には、相互に異なる周波数の参照信
号と測定信号とを用いることにより、位相測定のダイナ
ミックレンジに対する制限を実質的に無くすことで、エ
ッジの検出を正確に行なうことができる。
At the time of this edge detection, the reference signal and the measurement signal of different frequencies are used, thereby substantially eliminating the limitation on the dynamic range of the phase measurement, so that the edge can be accurately detected.

請求項(2)に記載される光ヘテロダインエッジセンサ
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、目盛りエッジを正確に測定することができる。
In the optical heterodyne edge sensor according to claim (2), since the beam spots are adjacent to each other so as not to overlap each other and the spot area width is set to be equal to or smaller than the scale line width, the scale edge can be accurately measured. .

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ヘテロダインエッジセンサ
ーを用いたので、エッジ検出を正確に行なうことができ
ると共に、長尺状のスケールの精度も短時間で精度測定
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。
In the scale accuracy measuring device according to claim (3), since the optical heterodyne edge sensor is used as the scale detection system, the edge can be accurately detected, and the accuracy of the long scale is short. The accuracy can be measured with, and the measurement accuracy is improved because it is less affected by environmental changes.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の一実施例にかかる光ヘテロダインエ
ッ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図に示したエッジセンサーの光学系の説
明図、 第3図は、第1図に示したエッジセンサーのビームスポ
ットの説明図、 第4図は、第1図に示したエッ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ッジセンサーの説明
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ジセン
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 178……位相計
FIG. 1 is an explanatory view of a scale accuracy measuring device using an optical heterodyne edge sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory view of an optical system of the edge sensor shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is an explanatory view of a beam spot of the edge sensor shown in FIG. 1, FIG. 4 is an explanatory view of a signal processing state of the edge sensor shown in FIG. 1, and FIG. 5 is a conventional slit scanning type edge. FIGS. 6 and 7 are explanatory views of a conventional photoelectric microscope, and FIGS. 8 and 9 are explanatory views of a conventional laser scanning edge sensor. 10,110 …… Scale pattern 28,128 …… Scale 150 …… Drive system 152 …… Position detection system 154 …… Scale detection system 168 …… Laser oscillator 170 …… Bragg cell (acousto-optic device) 172 …… Beam splitter 174 …… Reference side Photoelectric conversion element 176 …… Measurement side photoelectric conversion element 178 …… Phase meter

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基盤上に形成された薄膜目盛りの段差を検
出するエッジセンサーにおいて、 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として2方向分離するビー
ムスピリッタと、 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。
1. An edge sensor for detecting a difference in level of a thin film scale formed on a substrate, wherein a laser oscillator for emitting a laser beam and the laser beam are modulated into two types of laser beams having different frequencies and are bidirectional. An acousto-optic device that deflects, a beam splitter that separates the two types of modulated laser beams into two directions, that is, a reference laser beam and an irradiation laser beam, and the two types of laser beams included in the irradiation laser beam are measured. An objective lens for irradiating the object to be measured so as to form two beam spots separated by a predetermined distance on the object, a reference side photoelectric conversion element which receives the reference laser beam and serves as a reference signal, and the irradiation laser. A photoelectric conversion element on the measurement side that receives a reflected beam of the beam from the object to be measured and outputs a measurement signal, and the reference signal. An optical heterodyne edge sensor comprising: a phase meter that detects the phase difference between the signal and the measurement signal and uses it as an edge signal.
【請求項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。
2. The sensor according to claim 1, wherein
An optical heterodyne edge sensor characterized in that the two beam spots formed on the surface of the object to be measured are adjacent to each other so as not to overlap each other, and the spot area width is equal to or less than the scale line width.
【請求項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検出系と、を含むスケール精度
検出系と、を含むスケール測定装置において、 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として2方向分離するビー
ムスピリッタと、 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
側光電交換素子と、 前記照射レーザービームの被測定物側よりの反射ビーム
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。
3. A scale measuring device including: a drive system that relatively drives a scale; a position detection system that detects the position of the scale; and a scale accuracy detection system that includes a scale detection system on the scale, The graduation detection system includes a laser oscillator that emits laser light, an acousto-optic device that modulates the laser light into two types of laser beams having different frequencies and deflects the laser beams in two directions, and the two types of modulated laser beams. A beam splitter that separates into two directions as a reference laser beam and an irradiation laser beam, and the two kinds of laser beams included in the irradiation laser beam respectively form two beam spots separated by a predetermined distance on the object to be measured. An objective lens for irradiating the object to be measured, and a reference side for receiving the reference laser beam and using it as a reference signal An electric exchange element, a measurement-side photoelectric conversion element that receives a reflected beam of the irradiation laser beam from the measured object side, and uses it as a measurement signal, detects a phase difference between the reference signal and the measurement signal, and uses it as an edge signal. A scale accuracy measuring device comprising a phase meter and an optical heterodyne edge sensor including the phase meter.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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