JPH10132507A

JPH10132507A - 干渉計

Info

Publication number: JPH10132507A
Application number: JP8290285A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shionoya; 孝塩野谷; Junji Ikeda; 順司池田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成でありながら、被検物体の変位方向
および変位量を計測することのできる干渉計を提供す
る。【解決手段】光源１と、光源１から出射された光を、計
測光と参照光とに分割するビームスプリッタ６と、計測
光の被検物体１０による反射戻り光と参照光とを干渉さ
せて検出する検出器３、４とを有する。ビームスプリッ
タ６は、位相の異なる２つの参照光を形成するために、
参照光の一部の光束の位相を、残部の光束の位相に対し
てシフトさせる位相シフト機能を有する。検出器３、４
は、位相の異なる２つの参照光を、それぞれ計測光の被
検物体による反射戻り光と干渉させて検出する。位相シ
フト機能は、例えば、参照光の一部の光束の光路長を変
化させるための段差７ａ、７ｂにより構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変位計測等に用い
られる干渉計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置等のステージ等のように
移動する被検物体の移動量を計測するために、光の干渉
を利用した干渉計が広く用いられている。干渉計は、光
の波長を基準に変位を計測するため、計測精度が高いと
いう利点がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、干渉計
は、計測する被検物体からの反射光と、変位しない参照
物体で反射した参照光とを干渉させるため、変位しない
参照物体として参照ミラーを用意する必要がある。ま
た、被検物体の変位方向を検出するためには、位相の異
なる２つの参照光を、被検物体からの反射光とそれぞれ
干渉させる。このため、参照光束を分割する光学部材
や、分割された参照光束をそれぞれ反射するための２つ
の参照ミラーが必要である。また、これら２つの参照ミ
ラーは、位相を変えるために異なる光路長で配置しなけ
ればならない。よって、被検物体の変位量と変位方向と
を計測するための従来の干渉計は、構成する光学部材の
数が多く、これらのアライメントに手間がかかるため、
高価な装置になるという問題点があった。

【０００４】本発明は、簡単な構成でありながら、被検
物体の変位方向および変位量を計測することのできる干
渉計を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、本発明では、光源と、前記光源から出射された
光を、計測光と参照光とに分割するビームスプリッタ
と、前記計測光の被検物体による反射戻り光と前記参照
光とを干渉させて検出する検出器とを有し、前記ビーム
スプリッタは、位相の異なる２つの参照光を形成するた
めに、前記参照光の一部の光束の位相を、残部の光束の
位相に対してシフトさせる位相シフト機能を有し、前記
検出器は、位相の異なる２つの参照光を、それぞれ前記
計測光の被検物体による反射戻り光と干渉させて検出す
る干渉計が提供される。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態の干渉計に
ついて、以下説明する。

【０００７】まず、図１を用いて、本発明の第１の実施
の形態の干渉計の構成を説明する。

【０００８】光検出器３、４が作り込まれたＳｉ基板２
には、半導体レーザ１が錫半田等によって固定されてい
る。また、Ｓｉ基板２上には、半導体レーザ１から出射
された光をコリメートするためのコリメータレンズ５
と、ビームスプリッタ６とが接着剤によって固定されて
いる。ビームスプリッタ６は、光検出器３、４の上に配
置される。ビームスプリッタ６は、コリメートされた光
の一部を反射面１６０で反射し、計測光として、被検物
体に取り付けられたミラー１０へ向けて照射するととも
に、反射面１６０を透過した光を、参照光として、ビー
ムスプリッタ６の側面７で反射した上、反射面１６０で
再び反射して、光検出器３、４に照射するように位置合
わせされている。

【０００９】ビームスプリッタ６の側面７は、領域７ａ
と領域７ｂの２つの領域に分かれ、これらの間に段差が
形成されている。また、領域７ａ、７ｂ上には、反射膜
８が形成されている。面７の段差は、領域７ａを厚さｈ
だけ研磨することにより作製されている。反射膜８は、
段差形成後に蒸着等によりコーティングすることにより
形成している。

【００１０】また、領域７ａと領域７ｂとの段差の高さ
ｈは、半導体レーザ１の発振波長をλとしたとき、ｈ＝（４ｍ＋１）λ／８ｎ（ｍ＝０、１、２・・・）（１）の関係を満たすように形成されている。ｎは、ビームス
プリッタ６を構成するガラスの屈折率である。

【００１１】このような高さｈの段差を領域７ａと領域
７ｂとの間に形成しておくことにより、面７の領域７ａ
で反射した参照光と、領域７ｂで反射した参照光とにつ
いての、半導体レーザ１から出射されて光検出器３、４
に達するまでの間の光路に、（４ｍ＋１）λ／４ｎ（ｍ＝０、１、２・・・）の光路長差を発生させている。

【００１２】また、光検出器３、４には、信号処理回路
１３が接続されている。

【００１３】このような構成の本実施の形態の干渉計に
おいて、半導体レーザ１から出射した光は、コリメータ
レンズ５でコリメートされ平行ビーム９となり、平行ビ
ーム９のうち一部はビームスプリッタ６の反射面１６０
で反射し、計測光として、被検物体に取り付けられたミ
ラー１０で反射する。ミラー１０は光軸に対して垂直に
配置されている。ミラー１０で反射した光はビームスプ
リッタ６を透過し、光検出器３、４に達する。

【００１４】一方、平行ビーム９のうちビームスプリッ
タ６の反射面１６０を透過した光は、参照光として、面
７の領域７ａ、７ｂに形成された反射膜８でそれぞれ反
射し、さらにビームスプリッタ６の反射面１６０で反射
し、参照光としてそれぞれ光検出器３、４に達する。こ
のとき、領域７ａの反射膜８で反射され、検出器４に達
する参照光と、領域７ｂの反射膜８で反射され、検出器
３に達する参照光との間には、（４ｍ＋１）λ／４ｎ（ｍ＝０、１、２・・・）の光路長差がある。

【００１５】また、ミラー１０で反射し光検出器３、４
に達する計測光と、反射膜８で反射し光検出器３、４に
達する参照光は同じ半導体レーザから出射した光である
ため、干渉する。ミラー１０が光軸方向に変位すると、
その変位に伴い光検出器３、４に入射する干渉光の強度
が、正弦波状に明暗を繰り返す。なお、光検出器３、４
に達する参照光の光路長には上述のように（４ｍ＋１）
λ／４ｎ（ｍ＝０、１、２・・・）の差があるため、光
検出器３、４からの正弦波状の信号には９０゜の位相差
が生じる。

【００１６】信号処理回路１３は、光検出器３、４から
の信号１１、１２を信号処理することによりミラー１０
の移動量と移動方向を測定することができる。これによ
り、ミラー１０が取り付けられた被検物体の変位を測定
することができる。

【００１７】ここで、信号処理回路１３の処理を簡単に
説明する。光路長の異なる２つの参照光と、計測光とを
それぞれ干渉させることにより得た２つの干渉光を検出
した信号から、被検物体の移動量を移動方向とを検出す
る信号処理方法は、すでによく知られている。よって、
ここでは、信号処理の一例について簡単に説明する。

【００１８】光検出器３、４の出力信号は、図７
（ａ）、（ｂ）のように正弦波の信号になる。図７
（ａ）の光検出器３の出力信号は、図７（ｂ）とは９０
゜ずれた位相を有する。信号処理回路１３は、内蔵する
二値化回路により、図７（ａ）、（ｂ）の信号をそれぞ
れ二値化し、図７（ｃ）、（ｄ）のように方形波にす
る。信号処理回路１３は、さらに内蔵する相補回路によ
り、図７（ｄ）の相補信号を求める（図７（ｅ））とと
もに、微分回路により図７（ｃ）の方形波信号の微分信
号を求める（図７（ｆ））。さらに、加算回路により、
図７（ｆ）の微分信号と図７（ｄ）の方形波信号とを加
算し、図７（ｇ）の信号を得る。また、図７（ｆ）の微
分信号と図７（ｅ）の相補信号とを加算し、図７（ｈ）
の信号を得る。信号処理回路１３は、閾値処理回路によ
り、図７（ｇ）および（ｈ）の信号のうち、点線より上
のパルス信号の数をカウントする。これにより、被検物
体に移動量が検出できる。また、図７（ｇ）および
（ｈ）のうち、いずれの信号にパルス信号が現れたかに
より、被検物体の移動方向が検出できる。

【００１９】具体的には、被検物体が正の方向に一定速
度で移動した場合、図７（ａ）、（ｂ）のように、光検
出器３の出力が、光検出器４の出力よりも位相が９０゜
進む。この場合、図７（ｇ）の信号に、図中の点線のレ
ベルより上のレベルのパルス信号が生じるが、図７
（ｈ）の信号には、点線のレベルよりレベルが上の信号
がない。よって、（ｇ）の信号のみにパルス信号が生じ
ている場合には、被検物体の移動方向が正であることが
検出できるとともに、点線レベルより上のパルス波の数
をカウントすることにより、移動量を検出できる。

【００２０】一方、被検物体が負の方向に移動した場合
には、光検出器３の出力が、図８（ａ）’のように、光
検出器４の出力よりも９０゜遅れる。よって、上述のよ
うに信号処理した場合、被検物体が正の方向に移動して
いる場合の図７（ｇ）、（ｆ）の信号は、図８
（ｇ）’、（ｈ）’のようになり、図８（ｈ）’の信号
のみに点線レベルよりも上のレベルのパルス信号が生じ
る。よって、図８（ｈ）’のように、（ｈ）の信号のみ
にパルス波が生じている場合には、被検物体の移動方向
が負であることが検出できるとともに、パルス波の数を
カウントすることにより移動量を検出できる。

【００２１】このように、本発明の第１の実施の形態に
よる干渉計では、ビームスプリッタ６の側面７に段差を
設け、この面を参照光の反射面とすることにより、参照
光を形成できる。このため、従来のように参照光を反射
するための２つのミラーを別途配置する必要がない。こ
れにより、干渉計を構成する光学部品の部品数を減少さ
せることができるため、組立およびアライメントが従来
よりも容易である。さらに、干渉計を構成する光学部品
のうち、被検物体に取り付けるミラー以外のすべての光
学部品を、半導体基板の同一平面へ配置する構成である
ので、組立やアライメント等の製造工程がさらに容易で
ある。これらのことによって本実施の形態の干渉計は、
光路長の異なる２つの参照光を用い、被検物体の移動方
向および移動量を計測することができる構成でありなが
ら、構成が簡単で、安価に製造できるという利点があ
る。

【００２２】なお、上述の図１の構成では、光検出器
３、４をＳｉ基板２中に作り込んでいるが、この構成に
限らず、別体として製造した光検出器３、４を、基板２
とビームスプリッタ６との間に挟むように配置する構成
や、光検出器３、４をビームスプリッタ６とは離れた基
板２上に配置することもできる。この場合、基板２は、
半導体基板である必要はなく、ガラス基板等の絶縁体や
金属基板にすることができる。また、別体として製造し
た光検出器３、４を、基板１に設けた凹部内に配置する
ことにより、図１と同様の構成にすることもできる。

【００２３】つぎに、図２を用いて本発明の第２の実施
の形態の干渉計について説明する。図２において、図１
の第１の実施の形態と同一の構成要素に対しては同じ番
号をつけている。

【００２４】第２の実施の形態の干渉計では、ビームス
プリッタ６の面７の段差を、領域７ｂの部分に透明薄膜
１４を厚さＴＴ＝（４ｍ＋１）λ／８ｌ（ｍ＝０、１、２・・・）（２）コーティングすることで形成している。ｌは透明薄膜１
４の屈折率である。これ以外の構成は第１の実施の形態
と同様であるので、説明を省略する。

【００２５】この構成は、第１の実施の形態と同様の効
果が得られるほか、研磨工程を用いず、薄膜形成技術の
みで段差を形成することができるという利点がある。

【００２６】つぎに、図３を用いて本発明の第３の実施
の形態の干渉計について説明する。図３では第１の実施
の形態と同一の構成要素に対しては同じ番号をつけた。

【００２７】第３の実施の形態では、図１のビームスプ
リッタ６の面７の段差の代わりに、位相シフト板１５を
ビームスプリッタ６の一部分に挿入することで、参照光
に９０゜の位相差を発生させる機能を持たせている。こ
れ以外の構成は第１の実施の形態と同様であるので、説
明を省略する。

【００２８】このような位相シフト板１５を挿入したビ
ームスプリッタ６を用いた場合にも、第１の実施の形態
と同様の効果が得られる。

【００２９】このような位相シフト板１５を挿入したビ
ームスプリッタ６の製造方法の一例について説明する。
まず、図９に示すように、薄いガラス板６１の上に、気
相成長法等により、ガラス板６１とは屈折率の異なる光
学薄膜６５を形成し、この上に、ガラス板６１よりも薄
いガラス板６２を接着する。光学薄膜６５は、半導体レ
ーザ１の出射光を透過する特性を有するものにする。接
着剤は、ガラス板６１および６２と同じ屈折率を持つ材
料を用いる。図９のような積層体を、点線９１、９２、
９３の位置で切断し、点線９２の切断面には、図１０の
ように三角柱形状のガラス部材６３を、接着剤により接
着する。ガラス部材６３の屈折率および接着剤の屈折率
は、光の反射を防ぐために、ガラス板６１、６２の屈折
率と同じにする。また、点線９１の切断面には、反射膜
１６１を構成するための光学薄膜を形成してから、三角
柱形状のガラス部材６４を接着剤により接着する。

【００３０】これにより光学薄膜６５が、位相シフト板
１５として作用するビームスプリッタ６が製造できる。

【００３１】また、図１１のように、三角柱形状のガラ
ス部材２６１の斜面に、切り込み２６２を機械加工によ
り形成し、この切り込み２６２の内部にガラス部材２６
１とは屈折率の異なる樹脂を注入し硬化させたのち、斜
面をもう一つの三角柱形状のガラス部材の斜面と接着す
ることにより、ビームスプリッタ６を製造することもで
きる。この場合、切り込み２６２内の樹脂が、位相シフ
ト板１５として作用する。なお、切り込み２６２内は、
ガラス部材２６１と屈折率が異なる空間であればよいた
め、樹脂を注入せず、空間のままで用いることもでき
る。

【００３２】つぎに、図４を用いて本発明の第４の実施
の形態の干渉計について説明する。図４では、第１の実
施の形態と同一の構成要素に対しては同じ番号をつけ
た。

【００３３】第４の実施の形態ではコリメータレンズ５
の代わりに、ビームスプリッタ６の面１８に図５のよう
に形成されたフレネルレンズ１６を用いている。これ以
外の構成は第１の実施の形態と同様であるので、説明を
省略する。

【００３４】このように本発明の第４の実施の形態では
フレネルレンズを利用することにより、干渉計を構成す
る光学部品の数をさらに減少させることが可能になるた
め、アライメントや組立を更に容易にすることが可能に
なる。

【００３５】つぎに、図６を用いて本発明の第５の実施
の形態の干渉計について説明する。図６において、図１
の第１の実施の形態と同一の構成要素に対しては同じ番
号をつけている。

【００３６】第５の実施の形態では、図１のミラー１０
の代わりに、頂角を９０゜にしたコーナーミラー１７を
用いている。コーナーミラー１７は、照射された光を２
回全反射することによりを検出器３、４に照射する。こ
のとき、頂角を９０゜にしたコーナーミラー１７は、２
回全反射を行わせると、コーナーミラー１７が、入射光
軸に対して傾いている場合にも、反射光の光軸が入射光
の光軸に対して平行になるという特徴がある。よって、
被検物体の傾斜により、コーナーミラー１７が入射光軸
光軸に対して斜めに傾いた場合でも正確に変位量を測定
できるようになる。

【００３７】コーナーミラー１７としては、Ｓｉ基板に
異方性エッチングにより９０゜のＶ溝を形成したものを
用いることができる。これにより、コーナーミラー１７
を安価に製造することができるため、干渉計を更に安価
にすることができる。これ以外の構成は第１の実施の形
態と同様であるので、説明を省略する。なお、コーナー
ミラー１７はコーナーキューブでもよい。

【００３８】

【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば、
簡単な構成でありながら、被検物体の変位方向および変
位量を計測することのできる干渉計を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の干渉計の構成を
示すブロック図。

【図２】本発明の第２の実施の形態の干渉計の構成を
示すブロック図。

【図３】本発明の第３の実施の形態の干渉計の構成を
示すブロック図。

【図４】本発明の第４の実施の形態の干渉計の構成を
示すブロック図。

【図５】本発明の第４の実施の形態に用いられるフレ
ネルレンズの形状を示す正面図。

【図６】本発明の第５の実施の形態の干渉計の構成を
示すブロック図。

【図７】第１の実施の形態の干渉計の信号処理回路１
３の信号処理の過程をしめす説明図。

【図８】第１の実施の形態の干渉計の信号処理回路１
３の信号処理の過程をしめす説明図。

【図９】第３の実施の形態の干渉計のビームスプリッ
タの製造工程を示す側面図。

【図１０】第３の実施の形態の干渉計のビームスプリッ
タの製造工程を示す側面図。

【図１１】第３の実施の形態の干渉計のビームスプリッ
タの別の製造工程を示す側面図。

【符号の説明】

１・・・半導体レーザ２・・・Ｓｉ基板３、４・・・受光素子５・・・コリメータレンズ６・・・ビームスプリッタ７・・・参照光に光路長差を発生させる段差を有する面８・・・反射膜１０・・・ミラー１１、１２・・・受光素子からの信号１３・・・信号処理回路１５・・・位相シフト板１６・・・フレネルレンズ１７・・・コーナーミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源から出射された光を、計
測光と参照光とに分割するビームスプリッタと、前記計
測光の被検物体による反射戻り光と前記参照光とを干渉
させて検出する検出器とを有し、前記ビームスプリッタは、位相の異なる２つの参照光を
形成するために、前記参照光の一部の光束の位相を、残
部の光束の位相に対してシフトさせる位相シフト機能を
有し、前記検出器は、位相の異なる２つの参照光を、それぞれ
前記計測光の被検物体による反射戻り光と干渉させて検
出することを特徴とする干渉計。
【請求項２】請求項１において、前記光源、ビームスプ
リッタ、および、検出器は、同一の基板上に搭載されて
いることを特徴とする干渉計。
【請求項３】請求項２において、前記ビームスプリッタ
は、前記検出器の上に搭載されていることを特徴とする
干渉計。
【請求項４】請求項１において、前記ビームスプリッタ
は、前記参照光を反射する反射面を有し、前記反射面に
は、前記参照光の一部の光束の光路長を残部の光束の光
路長に対して異なる長さにするために、段差が形成され
ていることを特徴とする干渉計。
【請求項５】請求項４において、前記段差が形成された
反射面は、前記ビームスプリッタの側面であることを特
徴とする干渉計。
【請求項６】請求項５において、前記段差は、前記ビー
ムスプリッタの側面の一部の領域に、光学薄膜を成膜す
ることにより形成されていることを特徴とする干渉計。
【請求項７】請求項１において、前記ビームスプリッタ
は、前記一部の光束を通過させる位相シフト板を有する
ことを特徴とする干渉計。
【請求項８】請求項７において、前記位相シフト板は、
前記ビームスプリッタの一部に挿入されていることを特
徴とする干渉計。
【請求項９】請求項１において、前記光源から出射され
た光が入射する前記ビームスプリッタの側面には、前記
光源からの光をコリメートするためのフレネルレンズが
取り付けられていることを特徴とする干渉計。
【請求項１０】請求項１において、前記計測光の前記被
検物体からの反射戻り光を形成するために、前記被検物
体の前記計測光が照射される位置に取り付けるられる、
頂角が９０゜のコーナーミラーをさらに有することを特
徴とする干渉計。
【請求項１１】入射光の進行方向を２方向に分割するビ
ームスプリッタであって、分割した一方の光のうち、一部の光束の位相を、残部の
光束の位相に対してシフトさせる位相シフト機能を有す
ることを特徴とするビームスプリッタ。
【請求項１２】請求項１１において、前記分割した一方
の光を反射する反射面を有し、前記反射面には、前記光
の一部の光束の光路長を残部の光束の光路長に対して異
なる長さにするために、段差が形成されていることを特
徴とするビームスプリッタ。