JPH09229626A

JPH09229626A - レーザ干渉変位計

Info

Publication number: JPH09229626A
Application number: JP8032270A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Sugino; 正芳杉野; Yutaka Suzuki; 豊鈴木; Hisashi Kawai; 寿河合; Atsuko Yokoyama; 敦子横山; Masahiro Sugimoto; 雅裕杉本; Toyokazu Onishi; 豊和大西
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 1997-09-05
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: JP3552386B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ビート信号の波形の乱れに影響されず、正確
な変位量を測定できるレーザ干渉変位計を提供する。【解決手段】フォトディテクタ１０３は被加工物１０
７とロッドレンズタンメン１０６ａ間の距離に応じた位
相状態のビート信号を検出する。データサンプラ２０３
とデコーダ２０４は、ビート信号の１周期内を状態分割
数Ｎで分割してサンプリングしたデータをコード化す
る。カウンタ２０５は、コードからビート信号の状態を
判別し、コードの状態番号ｉを加減算し、ビート信号の
波数ｎを加減算する。計算部２０６はΔＬ＝（λ₀／２
ｎ₀）×（ｎ＋ｉ／Ｎ）（nm）により変位量を得る。デ
ータのコード化により、安定状態にある信号波形のみを
選択して、変位量の測定に用いることができる。ここで
ｎ₀は１０６ａと１０７ａとの間の屈折率である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＦＭヘテロダイン法
を用いたレーザ干渉変位計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体処理装置におけるエッチング量を
モニタするためにレーザ干渉変位計が使用されている。
このレーザ干渉変位計の例としては、特公平７−６７７
１号公報、特開平７−２０１８０７号公報、特開平５−
２４８８１７号公報等が挙げられる。

【０００３】図８に、ＦＭヘテロダイン法を用いたレー
ザ干渉変位計の基本構成を示し、図９に、レーザ干渉変
位計における各信号の波形を示す。図８において、レー
ザダイオード１０１から照射された光は、コリメータレ
ンズ１０２でコリメートされ、ビームスプリッタ１０４
を介し、第１のロッドレンズ１０６により光ファイバ１
０５に導かれる。光ファイバ１０５を通過したレーザ光
は、第２のロッドレンズ１０６から、半導体処理装置１
０８内に置かれた被加工物１０７に照射される。このと
き第２のロッドレンズ端面１０６ａと被加工面１０７ａ
において光が反射され、それぞれ参照光と物体光とな
る。

【０００４】レーザダイオード１０１から照射されるレ
ーザ光の周波数は、駆動電流によりＦＭ変調されてノコ
ギリ波状となっている。したがって、ロッドレンズ端面
１０６ａから反射される参照光と被加工面１０７ａから
反射される物体光の周波数も、図９（ａ）に示すよう
に、ノコギリ波状となる。そして、両者間には両者間の
光路差（距離の差）により時間差τが生じる。これによ
りヘテロダイン干渉によるビート信号が発生し、フォト
ディテクタ１０３により、図９（ｂ）に示すビート信号
が検出される。このビート信号の位相差を測定して距離
情報を得るのがＦＭヘテロダイン法によるレーザ干渉変
位計の原理である。

【０００５】上記、光学系において位相と距離の関係は
次式にて示される。Ｌ＝（λ₀／ｎ₀）×φ／４π （nm）ただし、Ｌ：ロッドレンズ端面１０６ａと被加工物面１
０７ａ間の距離、φ：位相、λ₀：レーザダイオード１
０１の基本波長、ｎ₀：ロッドレンズ端面１０６ａと被
加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率である。

【０００６】この式は、位相φが一義的には決定できな
いため絶対値は求められないが、次のように変位量の測
定に用いることができる。すなわち、図１０に示すよう
に、ビート信号波形は、距離が増加していくと、
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）……と示すように位相が進んで
行く。したがって、この位相の変化量（位相差）を測定
することにより、被加工物の変位量を測定することがで
きる。

【０００７】このため、ノコギリ波の立ち下がりから一
定時間経過した時点ｔにおいて、スレッショルドレベル
を基準として、ビート信号の信号強度を測定して位相差
φを検出する。そして、測定の進行により、検出信号
が、（ａ）から（ｅ）までのように１周期分の変化をし
たとき、ビート信号の波数ｎを１だけ増加する。この１
周期の変化の検出方法としては、図１０（ｄ）から
（ｅ）に移行して、検出信号がスレッショルドレベルを
超えて暗から明に変化したときを検出して、１周期進ん
だと判定している。

【０００８】この例における変位量は、次式から得られ
る。 ΔＬ＝（λ₀／２ｎ₀）×（ｎ＋φ／２π）（nm）ただし、ΔＬ：被加工物面１０７ａの変位、ｎ：ビート
周波数の波数（カウント数）、φ：位相差、λ₀：レー
ザダイオード１０１の基本波長、ｎ₀：ロッドレンズ端
面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率
である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の測定法に置いて
は、位相差を正しく測定する為にビート信号の波形が安
定していることが必要である。しかしながら、上述のレ
ーザ干渉変位計をウェットエッチング中のエッチング量
をモニタするために用いる場合は、反応中に発生する泡
が光路内に存在したり、周辺機器からの振動によりビー
ト信号の波形に乱れが生じる。これにより、距離の測定
に誤差が生じることがある。

【００１０】図１１を用いて、泡により誤判定が発生す
る理由を説明する。図は、距離が変化しておらず、ビー
ト信号の状態も（ａ）から（ｄ）のように変化していな
い状態を示している。この状態で、泡の発生により
（ｂ）（ｃ）のように波形が乱れると、ビート信号の位
相に変化がなくても、時点ｔにおける検出信号値に変化
が生じ、時点ｔにおいて本来「明」であるべきものが
「暗」に変化する。この場合、（ｃ）から（ｄ）のよう
に、信号レベルが暗から明へと変化すると、ビート信号
の波数ｎに１が加えられ、実際には距離の変動がないの
に、距離の変動があったものとしてカウントされてしま
う。

【００１１】図１２を用いて、周辺機器からの振動によ
り誤判定が発生する理由を説明する。図は、（ａ）から
（ｆ）までエッチングの進行により距離が増加して、ビ
ート信号の位相が進んでいる状態を示している。ただ
し、（ｆ）の時点においては、被加工物の振動により、
ビート信号の位相にずれが生じている。このため、
（ｅ）から（ｆ）へは急激で不規則な変化が生じるた
め、状態の判別が不能となっている。

【００１２】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、ビート信号の波形の乱れ
に影響されず、正確な変位量を測定できるレーザ干渉変
位計を提供することを目的としたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のレーザ干
渉変位計においては、周波数変調したレーザ光を測定対
象に照射し、照射面からの反射光と測定対象からの反射
光を干渉させてビート信号を発生させる。このビート信
号は、照射面と測定対象間の距離の増加又は減少に応じ
て、その状態が変化する。つまり、ビート信号の位相が
進むか又は遅れる。

【００１４】データサンプラは、タイミングコントロー
ラが発生する信号により、ビート信号の１周期内を状態
分割数Ｎで分割して、一定のサンプリング周期でサンプ
リング測定する。デコーダは、サンプリングしたデータ
の正負を判定しコード化する。カウンタは、デコーダに
よりコード化されたデータからビート信号の状態を判別
する。そして、距離の増加又は減少によりビート信号の
状態が変化したときは、コードの状態番号ｉを１だけ加
減算する。また、計測が進み、ビート信号の状態が１周
期分変化したときは、ビート信号の波数ｎを１だけ加減
算する。

【００１５】上記構成において、変位量は次式により得
られる。 ΔＬ＝（λ₀／２ｎ₀）×（ｎ＋ｉ／Ｎ）（nm）ただし、ΔＬ：測定対象の変位、ｎ：ビート信号の波数
（カウント数）、Ｎ：状態分割数、ｉ：コードの状態番
号（カウント開始の状態を状態１とする）、ｎ ₀：ロッ
ドレンズ端面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物
質の屈折率である。

【００１６】以上説明したレーザ干渉変位計では、ビー
ト信号から得た信号をコード化してコードパターンを得
ることで、正常なビート信号の波形と、泡又は振動など
の影響により崩れた波形とを判別することができる。そ
して、本来表れる筈のないコードパターンを除去するこ
とで、安定状態にある信号波形のみを選択して、変位量
の測定に用いることができる。したがって、ウェットエ
ッチング中のエッチング量の測定のように、泡、振動な
どが問題となりうる状態での測定であっても、変位量の
測定を正確に行うことができる。

【００１７】また、請求項２記載のレーザ干渉変位計に
おいては、データサンプラの前段にバンドパスフィルタ
を設けることにより、距離の変動によるビート信号の周
波数変化の影響を除去し、正確にビート信号の状態を判
別することを可能としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、ＦＭヘテロダイン法によ
る変位測定器の一例を示す構成図であり、図２は、計測
方法を説明するための波形図である。図１において、レ
ーザダイオード１０１より照射された光は、コリメータ
レンズ１０２によりコリメートされ、ビームスプリッタ
１０４、第１のロッドレンズ１０６、光ファイバ１０５
を介し、第２のロッドレンズ１０６により半導体処理装
置１０８内に置かれた被加工物１０７に照射される。半
導体処理装置１０８においてはウエットエッチング処理
が行われる。

【００１９】このとき、ロッドレンズ端面１０６ａで反
射された一部の光と、被加工物面１０７ａにて反射され
た光は、既に図４を用いて説明したように、ヘテロダイ
ン干渉してビート信号を発生する。このビート信号は、
フォトディテクタ１０３により検出される。フォトディ
テクタ１０３の出力は、ビート信号の周波数近傍を中心
周波数（＝１／Ｔｓ）とするバンドパスフィルタ２０２
により周波数が固定される。このバンドパスフィルタ２
０２を設けることにより、距離の変動によるビート信号
の周波数変化の影響を除去する。なお、このバンドパス
フィルタ２０２は省略することも可能である。

【００２０】タイミングコントローラ２０１は、前述の
図９のノコギリ波の立ち下がり時点から、一定のマスク
時間ｔを置き、その時点ｔから、Ｔｓ／４毎のデータを
ビート信号の一周期（Ｔｓ）分サンプリングする様に、
データサンプラ２０３にタイミング信号を出す。このタ
イミング信号は、図２において、ｔ，ｔ＋Ｔｓ／４，ｔ
＋Ｔｓ／２，ｔ＋３Ｔｓ／４として示されている。

【００２１】データサンプラ２０３は、タイミングコン
トローラ２０１に従い、バンドパスフィルタ２０２の出
力信号を図２の各時点でサンプリングし、デコーダ２０
４に受け渡す。デコーダ２０４は、サンプリングした各
データの正負を判定しコード化する。このとき、サンプ
リングされた値がゼロの場合は、直前にサンプリングさ
れた値を使用する。

【００２２】本例のようにビート信号の１周期内の状態
分割数を４とした場合、図２に示すように、ビート信号
の状態のコードは、１００１，００１１，０１１０，１
１００の４パターンとなる。この４パターンにそれぞれ
コードの状態番号ｉとして１〜４の番号を割り振る。し
たがって、これ以外のコードが、発生した場合は、不正
確なコードとして除去し、残ったコードにより正確に状
態を判別することができる。

【００２３】ここで、不正確なコードが発生した場合に
ついて、図により説明する。図３は、泡によりビート信
号の干渉強度が弱化した場合を示す。図３は、前述の従
来における図１１の場合に対応している。つまり、変位
量が０で、測定が進行しても、ビート信号の状態に変化
がない場合を示している。図３（ｂ）と（ｃ）におい
て、泡が光路中に存在して、干渉強度が弱化して、検出
信号が明から暗へ変化すると、そのコードは（ｂ）で１
０００、（ｃ）で００００となる。これらのコードは、
前述の正常なコードパターンに含まれていないので、正
常なコードでないことが判別でき、不正確なコードとし
て除去する。したがって、従来のように誤って波数ｎを
カウントすることが防止できる。

【００２４】図４は振動によりビート信号波形が乱れた
場合を示す。図６は、前述の従来における図１２の場合
に対応している。図４において、（ａ）から（ｅ）にか
けて測定が進んでいき、（ｆ）において振動によりビー
ト信号の位相がずれたとする。本例では、この場合で
も、そのコードは１１００となって、正常なコードとし
て取り扱われる。したがって、従来におけるように判別
不能となることはない。そして、（ｆ）において、その
直前の（ｅ）のコード１００１との対比により、ビート
信号の波数ｎに−１がされることがあっても、それ以降
に正常な信号が検出されれば、波数ｎの値は正常な値に
戻される。

【００２５】図１に戻って、カウンタ２０５では、デコ
ーダ２０４が正常なコードを出力したときを測定開始時
とする。そして、この測定開始時に、ビート信号の波数
ｎを０にセットし、コードの状態番号を１にセットす
る。このとき、ビート信号の状態が図２（ａ）に示した
波形であれば、検出された符号は＋；−；−；＋とな
り、それをコード化したコードは１００１となる。

【００２６】計測が進み、変位量が増大していくと、ビ
ート信号は位相が進んでいく。その結果、（ｂ）のよう
に位相がπ／２進むと、コードは００１１に変化し、そ
のコードの状態番号ｉを２とする。以後、同様に、
（ｃ）のコード００１１をコードの状態番号３、（ｄ）
のコード１１００をコードの状態番号４とする。更に変
位量が増大していくと、コードの状態番号１に戻ること
となる。

【００２７】なお、レーザ干渉変位計をエッチング装置
以外の用途に用いた場合で、変位量が減少していくとき
には、コードの状態番号ｉは１、４、３、２の順序で変
化していくこととなる。コードが全てのコードを通過し
初期のコードに戻ったとき（例えば、１００１から始ま
り、００１１，０１１０，１１００を全て通過して初期
の１００１に戻ったとき）、カウンタ２０５は、ビート
信号の波数ｎに１を加減算する。この加減算の判別は、
波の進行方向を上記のコードの変化方向から検出し、加
減算の場合分けをする。例えば、１００１から００１１
へ変化したときは加算をし、１００１から０１１０へ変
化したときは減算をする。

【００２８】計算部２０６は、カウンタ２０５により得
た波数ｎとコードの状態番号ｉから、次式を用いて変位
量を計算する。 ΔＬ＝（λ₀／２ｎ₀）×（ｎ＋ｉ／４）（nm）ただし、ΔＬ：被加工物面１０７ａの変位、ｎ：ビート
信号の波数（カウント数）ｉ：コードの状態番号（カウ
ント開始の状態を状態１とする）、ｎ₀：ロッドレンズ
端面１０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折
率である。

【００２９】以上説明した実施形態によれば、コードパ
ターンは、単にビート信号の正負を検出するだけで得ら
れるので、干渉強度が低下してもコード化は正常に行う
ことができ、計測ミスを無くすことができる。また、信
号の正負のみを判定しているため、干渉信号に乱れがあ
っても正負の判定ができれば、データとして用いること
ができる。

【００３０】また、従来のようにスレッショルドレベル
による計測を行う場合、波の進行方向（変位量の増加又
は減少）までは判定することができないが、本例によれ
ば、コード化を行うことによって可能となる。例えば
〔００１１〕の次が〔１００１〕か〔０１１０〕のどち
らかになるかで、進行方向を判定することができる。さ
らに、従来のスレッショルドレベルを用いた計測では、
振動による波数の揺れが明縞（又は暗縞）のなかで発生
した場合は、検知することはできないが、波の進行方向
自体を検知することにより、波数の増減を正しく判定す
ることができる。〔他の実施形態１〕図５に、ＦＭヘテロダイン法による
変位測定装置の他の実施形態を示す。なお、図５につい
ては、前述の図１と異なる点についてのみ説明する。

【００３１】レーザダイオード１０１、フォトディテク
タ１０３に光コネクタ３０２が接続される。この２つの
光コネクタ３０２を接続したファイバカップラ３０１が
ロッドレンズ１０６に接続される。これにより、ファイ
バカップラ３０１にてロッドレンズ端面１０６ａと被加
工物面から反射されてきた干渉信号の分岐が可能とな
る。その他の点については、前述の図１の例と同様の構
成であり、同様の結果を得ることができる。

【００３２】この構成は光学系の構成を光コネクタによ
るファイバの結合により行うことができるため、装置制
作段階に於けるレーザ光軸合わせに掛かる工数を減らす
ことができる。また、図１の例における光学系を用いた
場合、光学構成部品の防震が製作上の重要な課題となる
が、ファイバカップラ３０１を用いるならば、レーザの
通過部分をファイバ内のみに限定できるため、防震の必
要が無くなる。そのため、装置全体に占める光学装置の
費用等の比率を下げることができる。〔他の実施形態２〕上記各実施形態では、ビート信号の
１周期内の分割数を４としているが、これを変更するこ
とは可能である。例えば、分割数を８つとした場合、正
常なヘテロダイン干渉データをコード化すると、図６に
示すように、〔１１１００００１，１１００００１１，
１００００１１１，００００１１１１，０００１１１１
０，００１１１１００，０１１１１０００，１１１１０
０００〕となる。

【００３３】この場合も、これ以外のコードが発生した
場合は、不正確なコードとして除去することができる。
また、コードの状態番号、符号検出、コード化の方法に
ついては、４分割コードの例に準じる。分割数８の場合
は、距離は次式により得られる。 ΔＬ＝（λ₀／２ｎ₀）×（ｎ＋ｉ／８）（nm）ただし、ΔＬ：被加工物面１０７ａの変位、ｎ：ビート
信号の波数（カウント数）ｉ：コードの状態番号（カウ
ント開始を状態１とする）、ｎ₀：ロッドレンズ端面１
０６ａと被加工物面１０７ａとの間の物質の屈折率であ
る。

【００３４】このように、分割数を増加させることによ
り、ヘテロダイン干渉によるビート信号のうなりを細か
く計測することができ測定精度を向上できる。また、図
７に示すように、４分割コードでは、正常パターンが全
パターン中２５％（＝４／１６）であるのに対し、８分
割コードでは、正常パターンが全パターン中３．１％
（＝８／２５６）である。この様に、全体に対する正常
パターンの率が減っているため、ヘテロダイン干渉のビ
ート信号の乱れを検出しやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ干渉変位計の１例を示す構成
図。

【図２】図１のレーザ干渉変位計による計測方法を説明
する波形図。

【図３】図１のレーザ干渉変位計における泡による影響
を説明する波形図。

【図４】図１のレーザ干渉変位計における振動にる影響
を説明する波形図。

【図５】本発明のレーザ干渉変位計の他の例を示す構成
図。

【図６】本発明の状態分割数を８とした場合を説明する
波形図。

【図７】本発明の分割数が４の場合と８の場合を比較し
た波形図。

【図８】従来のレーザ干渉変位計を示す構成図。

【図９】図８のレーザ干渉変位計の原理を説明する波形
図。

【図１０】図８のレーザ干渉変位計の計測方法を説明す
る波形図。

【図１１】図８のレーザ干渉変位計における泡による影
響を説明する波形図。

【図１２】図８のレーザ干渉変位計における振動による
影響を説明する波形図。

【符号の説明】

１０１…レーザダイオード１０２…コリメータレンズ１０３…フォトディテクタ１０４…ビームスプリッタ１０５…光ファイバ１０６…ロッドレンズ１０７…被加工物１０８…半導体処理装置２０１…タイミングコントローラ２０２…バンドパスフィルタ２０３…データサンプラ２０４…デコーダ２０５…カウンタ２０６…計算部３０１…ファイバカップラ３０２…光コネクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河合寿愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者横山敦子愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者杉本雅裕愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者大西豊和愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数変調したレーザ光を測定対象に照
射し、照射面からの反射光と前記測定対象からの反射光
を干渉させてビート信号を発生させ、前記照射面と前記
測定対象との間の光路差に比例した前記ビート信号の位
相変位を測定することにより距離情報を得るレーザ干渉
変位計において、前記ビート信号の１周期内を一定のサ
ンプリング周期で測定するための信号を発生するタイミ
ングコントローラと、前記サンプリング周期で前記ビー
ト信号をサンプリングするデータサンプラと、サンプリ
ングしたデータの正負を判定しコード化するデコーダ
と、前記コード化されたデータからビート信号の状態を
判別し、この状態の変化をカウントすることによりビー
ト信号の位相変位を計測するカウンタとを設けたことを
特徴とするレーザ干渉変位計。
【請求項２】距離の変動による前記ビート信号の周波
数変化を除くため、前記データサンプラの前段にバンド
パスフィルタを設けたことを特徴とする請求項１記載の
レーザ干渉変位計。