KR100808886B1

KR100808886B1 - 위치 검출장치 및 방법

Info

Publication number: KR100808886B1
Application number: KR1020050096983A
Authority: KR
Inventors: 코 이시주카
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2008-03-03
Also published as: JP2006112974A; JP4514209B2; KR20060054006A; US7391521B2; CN100425944C; EP1647798A1; EP1647798B1; US20060082783A1; CN1760633A

Abstract

본 발명의 위치 검출장치는, 광원의 광속으로부터 평행 광속을 형성하고, 빔 스플리터에 의해 분리된 분리 광속이 기준면 및 측정 대상면 각각에 비스듬한 각도로 입사하도록, 평행 광속을 빔 스플리터에 공급하는 입사 유닛과, 기준면과 측정 대상면에서 반사되어, 빔 스플리터에 의해 광로가 통일된 분리 광속을, 광로를 따라 빔 스플리터에 평행 광속으로서 공급하기 위해 반사하는 반사 유닛을 가지고, 반사 유닛으로부터 공급되고, 빔 스플리터에서 분리되며, 기준면과 측정 대상면에서 반사되고, 빔 스플리터에서 다시 광로가 통일된 광속을 간섭시켜, 분리 광속의 위상차에 대응한 신호를 생성한다.

광로, 스플리터, 위상차, 가간섭성.

Description

위치 검출장치 및 방법{POSITION DETECTION APPARATUS AND METHOD}

도 1(a) 및 (b)는 제1실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 정면도 및 측면도,

도 2(a) 및 (b)는 도 1에 나타낸 광학계에 있어서, 측정 대상면이 약간 기울었을 경우의 광로를 설명하는 정면도 및 측면도,

도 3(a) 및 (b)는 도 1(a) 및 (b)에 나타낸 광학계에 있어서, 측정 대상면이 mm 수준으로 평행하게 면외변위 했을 경우의 광로를 설명하는 정면도 및 측면도,

도 4(a) 및 (b)는 제2실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 정면도 및 측면도,

도 5(a) 및 (b)는 제3실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 정면도 및 측면도,

도 6(a) 및 (b)는 제4실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 정면도 및 측면도,

도 7(a) 및 (b)는 제5실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 정면도 및 측면도,

도 8은 종래의 측정 대상면에 집광 조명하는 방식의 간섭계측방식의 광학계의 설명도 이다.

본 발명은, 간섭 계측을 이용해서 비접촉으로 물체의 위치 변동을 검출하는 위치 검출장치 및 그 방법에 관한 것이다.

레이저를 사용한 마이컬슨 간섭계측장치는 나노미터(nanometer) 계측을 필요로 하는 분야에서 널리 사용되고 있다. 이 종류의 간섭계측장치로는 측정 대상으로부터의 반사광을 얻는 것이 필요하다. 이 목적을 위해서, 일반적으로 미러를 사용한다. 미러를 사용한 방식에서는, 광학 얼라인먼트 조정을 극히 고정밀도로 행할 필요가 있기 때문에, 보통은 측정 대상을 위해 큐브 코너 반사기(cube corner reflector)를 이용하여 광학 얼라인먼트 편차가 발생해도 간섭 계측이 손상되지 않도록 하고 있다. 그러나, 큐브 코너 반사기는 프리즘이기 때문에 미세 부분에는 장착할 수 없다. 즉, 측정 대상이 미세할 경우에는 간섭계측장치를 사용한 위치 계측을 할 수 없게 된다.

그래서, 본 출원인은 도 8에 나타낸 바와 같이 측정 대상으로 사용하는 미러에 집광 조명함으로써, 미러의 얼라인먼트 편차에 의한 간섭 상태의 혼란을 방지하는 방법을 제안하고 있다(일본국 공개특허공보 제2001-076325호 공보).

도 8에 대해서 설명하면, 광원 LD로부터 사출한 발산 광속을 집광 광속 BEAM으로 변환하고, 비편광 빔 스플리터 NBS를 투과한 후, 편광 빔 스플리터 PBS에서 광속 BEAM을 P편광 성분과 S편광 성분으로 분리한다. 구체적으로는, PBS를 통해 P편광 성분을 투과시켜서 참조 미러 M2로 반사시키는 한편, PBS로 S편광 성분을 반사시켜서 측정 대상면 M1에서 반사시킨다. 그 후, 이들 반사된 광속을 편광 빔 스플리터 PBS에서 합파(合波)하고, 비편광 빔 스플리터 NBS에서 반사시킨다. 비편광 빔 스플리터 NBS에서 반사된 광속은 1/4파장판 QWP를 거쳐서, 상기 분리된 2광속의 광로 길이 차이의 변동에 근거하는 위상차의 변동에 따라 편광방향이 회전한 직선 편광으로 변환된다. 직선 편광을, 분할소자 GBS로 4광속으로 분할한다. 그 후, 각각의 광속을 서로 편광방향을 45°씩 비켜 놓아서 배치한 4개의 편광소자 PP1, PP2, PP3, PP4를 투과시킨다. 이렇게 해서, 4광속은 그 간섭 주기가 서로 90°위상차를 갖는 4개의 신호광으로 변환되어, 각각의 수광소자 PDl, PD2, PD3, PD4에서 수광된 후, 4개의 주기신호를 출력한다.

이 종래 예는, 측정 대상에 집광 조명하기 때문에, 얼라인먼트 편차(각도 편차)가 생겨도, 반사광의 파면은 변화되지 않는다. 다만, 반사광의 중심(광축)은 벗어난다. 파면이 벗어나지 않는 것에 의해, 반사광과 참조광의 간섭 상태는 안정적이다.

이 방식은, 큐브 코너 반사기를 사용하지 않으므로, 광학 센서 헤드부에 반도체레이저를 사용함으로써, 측정 대상면의 미세한 면외변위(out-of-plane displacement)를 측정하는 신규한 소형 변위 센서로서 활용할 수 있다.

그러나, 이 방식은 측정 대상면에 집광 조명하기 때문에, 공간분해능이 매우 높아진다. 이 때문에, 측정 대상면의 면외변위를 측정할 때에, 측정 대상물에 수평 편차 등이 생기면, 측정 대상물의 면형상성분도 검출되어, 계측이 불안정해질 수 있다. 따라서, 용도에 따라서는 면의 수평 편차 방향의 공간분해능을 낮게 한 쪽이 안정한 면외변위 측정을 행할 수 있다. 이 때문에, 측정 대상(미러)에 조명하는 영역을 넓게 하는 것이 요구되고 있었다.

또한, 상기 방식에서는, 측정 대상에 집광 조명해서 계측을 행하고 있다. 하지만, 면외변위가 크게 되면 집광 조명조건이 성립하지 않게 되어, 얼라인먼트 편차에 대하여 간섭 상태를 안정하게 하는 기능이 약해진다고 하는 문제가 있다. 이 때문에, 측정 영역은, 일반적으로 수 10㎛의 영역에 한정되어 있었다. 따라서, 면외변위의 측정 가능 영역을 mm 수준으로 확대하면서, 얼라인먼트하기 쉬운 방식(각도 편차에 대한 허용량을 크게 하는 것)이 기대되고 있었다.

본 발명은, 상기 종래 예를 감안해서 이루어진 것으로서, 측정 대상면에 대한 조명 영역을 넓게 하고, 면외변위의 측정 영역을 확대하면서, 얼라인먼트 편차에 영향을 받지 않는 신규 방식의 위치 검출장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 검출장치는, 입사한 평행 광속을 분리하고, 각 분리 광속이 기준면과 측정 대상면 각각에 공급되도록 배치된 빔 스플리터와, 광원의 광속으로부터 평행 광속을 형성하고, 빔 스플리터에 의해 분리된 분리 광속이 기준면 및 측정 대상면 각각에 비스듬한 각도로 입사하도록, 평행 광속을 상기 빔 스플리터에 공급하는 입사 유닛과, 기준면과 측정 대상면에서 반사되어, 빔 스플리터에 의해 광로가 통일된 분리 광속을, 광로를 따라 빔 스플리터에 평행 광속으로서 공급하기 위해 반사하는 반사 유닛과, 반사 유닛으로부터 공급되고, 빔 스플리터에서 분리되며, 기준면과 측정 대상면에서 반사되고, 빔 스플리터에서 다시 광로가 통일된 광속을 간섭시켜서, 분리 광속의 위상차에 대응한 신호를 생성하는 생성 수단을 구비한다.

본 발명의 그 밖의 형태 및 장점은, 동일 또는 유사 부분에는 동일 참조부호를 붙인 수반되는 도면으로부터 명백해진다.

이하, 첨부의 도면을 참조해서 본 발명의 적합한 실시예를 설명한다.

<제1실시형태>

도 1(a) 및 (b)는 제1실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 도면이다. 도 1(a) 및 (b)에 있어서, 반도체레이저(101)로부터의 직선 편광 발산광은, 렌즈(111)에 의해 렌즈(112)의 초점면상의 위치 P1에 집광 조명된다. 위치 P1으로부터 발산되는 직선 편광광은 렌즈(112)에 입사되어, 약간 비스듬한 각도의 광축을 갖는 평행 광속을 사출한다. 한편, 본 실시형태에 있어서, 「약간 비스듬한 각도의 광축을 갖는」이라고 하는 것은, 평행 광속의 광축의 방향이, 빔 스 플리터로부터의 투과광 및 반사광이 각각 측정 대상물(121) 및 참조 미러(122)의 면의 법선 방향에 대하여 약간 비스듬한 각도를 가지며(예를 들면, 1°로부터 10° 정도) 입사되도록 설정되어 있는 상태를 말한다. 렌즈(112)로부터 사출된 평행 광속은 편광 빔 스플리터(113)에서 편광 성분에 따라 2광속, 즉 반사광(S편광)과 투과광(P편광)으로 분리된다(이하, 이것들을 총칭해서 분리 광속이라고 한다). 반사광(S편광)은 참조 미러(122)를 조명하고, 투과광(P편광)은 측정 대상물(121:미러)을 조명한다. 각 미러로부터의 반사광은, 편광 빔 스플리터(113)를 거쳐서, 렌즈(112)의 초점면상의 위치 P2에 집광 조명된다. 또, 위치 P2는 위치 P1으로부터 약간 벗어난 위치다.

위치 P2의 근방에는 반사막(114)이 설치된다. 위치 P2에 집광된 조명은 반사막(114)에 의하여 본래의 광로로 복귀된다. 이 때문에, 반사막(114)으로부터의 반사광은, 렌즈(112)로부터 약간 비스듬한 각도의 광축을 갖는 평행 광속(렌즈(112)에 입사된 평행 광속의 광축에 실질적으로 평행한 방향을 갖는 평행 광속)으로서 사출된다. 그 후, 평행 광속은 편광 빔 스플리터(113)에서 2개의 광속으로 분리되어, 반사광(S편광)을 참조 미러(122)에, 투과광(P편광)을 측정 대상물(121)에 조명한다. 그리고, 각각의 반사광을 편광 빔 스플리터(113)를 거쳐서 동일 광로상의 광속으로서 렌즈(112)에 입사된다. 렌즈(112)에 입사된 광속은 초점면상의 위치 P1을 집광 조명하고, 거기에서 광원측으로 광속이 추출된다. 이렇게 해서, S편광은 참조 미러(122)의 면과 빔 스플리터(113)의 사이를 2회 왕복하고, P편광은 측정 대상물(121)의 면과 빔 스플리터(113)의 사이를 2회 왕복하게 된다.

이 광속은, 비편광 빔 스플리터(102)에 의해 수광소자측으로 추출된다. 추출되는 광속은, 1/4파장판(103)을 투과함으로써, 위상차의 변동에 따라 편광방향이 회전한 직선 편광으로 변환되어, 집광렌즈(104) 및 개구부재(105)를 거쳐서 빔 분할소자(106)에 도달하고, 거기에서 3광속으로 분할된다. 집광렌즈(104)는, 수광소자(108)에 입사하는 광속이 넓혀지므로, 그것을 적절히 집광해서 효율적으로 수광시키기 위한 부재다. 또한, 개구부재(105)는 간섭 광속을 3개로 분할할 때에 광속의 영역을 한정해서 확실하게 등질의 3광속을 얻기 위한 것이다. 개구부재(105)가 없으면, 본래의 광속이 넓혀지는 경우에, 분할한 3광속이 겹쳐진다. 이렇게 해서 분할된 3광속 각각은 서로 60°씩 편광축을 비켜 놓아서 배치한 편광소자 어레이(107)를 거쳐서 3분할 수광소자(108)의 각 수광부에 입사한다. 결과적으로, 측정 대상물(121)의 면외변위에 근거하는 3개의 서로 위상이 120°변위된 간섭 신호 U, V, W를 검출한다.

이렇게 해서 얻을 수 있는 3개의 간섭 신호 U, V, W는, 2회 왕복 광로에 의한 간섭 계측을 원리로 하고 있으므로, 광원 파장의 1/4을 주기로 하는 정현파 신호가 된다. 예를 들면, 파장 0.8㎛의 레이저 다이오드를 사용했을 경우에는, 주기가 0.2㎛인 정현파 신호를 얻을 수 있다. 그리고, 파수를 계수하며, 공지의 전기적인 위상분할 장치로, 전기적으로 신호를 분할함으로써 나노미터 수준의 분해능의 상대 위치 편차를 검출할 수 있다.

또한, 간섭 신호는, 120°의 위상차 신호를 3종류 발생시키는 것이 아니고, 90°의 위상차 신호를 4종류 또는 2종류 발생시키는 구성으로 하여도 된다.

도 2(a) 및 (b)는 도 1(a) 및 (b)에 나타낸 광학계에 있어서, 측정 대상면이 약간 기울었을 경우의 광로를 설명하는 도면이다. 측정 대상물(121)의 경사에 의해, 측정 대상물(121)의 면으로부터의 반사광(P편광)은 이상 광로(理想光路)로부터 다른 각도를 이루며 사출된다. 이 때문에, 렌즈(112)에 입사된 평행 광속은, 초점면상에 입사할 때에, 위치 P2로부터 약간 벗어난 위치 P3에 입사한다. 위치 P3에 입사한 P편광의 광속은, 위치 P2, P3의 근방에 설치된 반사막(114)에 의하여 본래의 광로로 돌아간다. 즉, 렌즈(112) 및 반사막(114)으로 이루어지는 캣츠아이(cat's eye) 광학계를 왕복시키는 효과에 의해, 정상적인 광로와 같은 방향으로 반사되어, 렌즈(112)로부터 평행 광속으로서 사출된다. 그리고, 이 광속 중의 P편광의 광속은 편광 빔 스플리터(113)를 투과해서 측정 대상물(121)에서 반사된다. 이 때문에, 광속은 다시 편광 빔 스플리터(113)를 투과하여, 렌즈(112)의 초점면상의 위치 P1에 집광되고, 거기에서 광원측으로 발산광으로서 사출된다.

한편, 참조 미러(122)로부터의 반사광(S편광)은 이상 광로를 경유하여, 최종적으로는 렌즈(112)의 초점면상의 위치 P1을 집광 조명하고, 거기에서 광원측으로 발산광으로서 사출된다. 이렇게 해서, 측정 대상물(121)의 면을 경유한 광속(P편광)과 참조 미러(122)를 경유한 광속(S편광)은, 최종적으로 렌즈(112)의 초점면에서 사출하게 된다. 이렇게, 사출하는 위치가 일치함으로써, 양쪽 광속의 구면파의 파면이 균일해져서, 결과적으로 간섭 상태가 안정하게 된다. 또, 이 효과는 이하의 제2~제5실시형태에 관해서도 같다.

또, 측정 대상물(121)의 면의 경사 방향은 2방향인데, 이에 따라 렌즈(112) 의 초점면상의 집광 반사 위치(위치 P3)의 이동 방향만 다르게 되며, 기본적으로 동일한 효과가 발휘된다. 이렇게, 측정 대상면의 경사에 대하여 안정적인 간섭 광학계를 얻을 수 있기 때문에, 측정 대상에 큐브 코너 반사기를 설치하지 않고 위치 검출을 하는 것이 가능해 지고, 광학계의 소형화를 실현되는 동시에, 취급이 용이하게 된다.

도 3(a) 및 (b)는 도 1(a) 및 (b)에 나타낸 광학계에 있어서, 측정 대상면이 mm 수준으로 평행하게 면외변위 했을 경우의 광로를 설명하는 도면이다. 측정 대상물(121)로부터의 반사광(P편광)의 광축 중심은 이상 광로로부터 평행하게 벗어나기 때문에, 렌즈(112)의 초점면상의 위치 P2에 도달한다. 위치 P2는 렌즈의 초점거리와 평행 광속의 렌즈로의 입사각도에 의해 결정된다. 도 3(a) 및 (b)의 경우 이들 값은 변화되지 않는다. 위치 P2에 도달한 P편광의 광속은 위치 P2 근방에 설치된 반사막(114)에 의해 반사되고, 렌즈(112)로부터 사출되는 평행 광속은 본래의 광로와 같은 방향이지만 평행하게 벗어난 광로를 따라가게 된다. 이 P편광의 평행 광속은, 편광 빔 스플리터(113)를 투과하고, 측정 대상물(121)의 면에서 반사한다. 이때, 이 평행 광속(P편광)은, 렌즈(112)와 반사막(114)으로 이루어지는 캣츠아이 광학계에서 광속을 왕복시키는 효과에 의해, 정상적인 광로와 같은 방향으로 반사되고 있다. 따라서, 측정 대상물(121)로부터 반사된 이 평행 광속은, 편광 빔 스플리터(111)를 투과해서 렌즈(112)에 입사되어서 위치 P1에 집광되고, 거기에서 광원측으로 발산광으로서 사출된다. 또, 빔 스플리터(113)에 의해 얻을 수 있는 S편광의 분리 광속은 도 1(a) 및 (b)에서 설명한 이상 광로를 따라가고, 위치 P1에 집 광되어, 거기에서 광원측으로 발산광으로서 사출된다. 상기한 바와 같이, 사출하는 위치가 일치함으로써 양쪽 광속의 구면파의 파면이 균일해져서, 결과적으로 간섭 상태가 안정하게 된다.

다만, 광속의 광축은 평행하게 어긋나기 때문에, 렌즈(112)의 광학적 유효직경에 의해 음영(eclipse)이 일어날 가능성이 있다. 또한, 반사광을 참조광과 간섭시킬 때에, 광축의 불일치 때문에, 파면이 겹치는 영역이 좁아진다. 이러한 이유에 의해, 면외변위를 크게 할수록 간섭 광속을 수광소자 어레이에서 수광함으로써 얻을 수 있는 신호의 진폭은 저하한다. 그러나, 예를 들면 측정 대상면으로의 조명 각도 θ가 5°인 경우에, 면외변위가 1mm인 경우의 광축의 편차 X는,

X=4mm×tanθ＝0.34mm로 되고,

광속 직경 φ가 mm 수준이면 간섭 광속의 겹침은 50％ 정도 확보될 수 있다. 이렇게 1mm 정도의 면외변위가 발생해도 측정은 수행될 수 있다(단, 상기 수치는 대략적인 기준이다).

이상과 같이, 제1실시형태에 의하면, 가간섭성(coherent)의 광원을 이용하여, 측정 대상면에 mm 수준의 광속 직경의 평행 광속을 측정 대상면의 법선에 대하여 약간 비스듬한 각도로 조명한다. 그리고, 그 반사 광속을 캣츠아이 광학계로 수광하고, 해당 캣츠아이 광학계에 의한 반사 광속을 다시 측정 대상면에 조명하고, 그 반사광을 참조광과 간섭시키는 광학계를 채용하고 있다. 이 때문에, 면외변위의 측정 영역을 mm 수준 정도로 확대할 수 있으면서, 광학 얼라인먼트 편차의 영향을 받지 않는다는 효과를 나타낸다.

<제2실시형태>

제1실시형태에서는 렌즈(112)와 렌즈의 초점면상의 미러(114)를 이용하여 캣츠아이 광학계를 구성했다. 제2실시형태에서는, 소위 1/4피치의 굴절률 분포형 로드 렌즈(gradient index rod lens)의 단면에 반사막을 형성함으로써 캣츠아이 광학계를 구성하여, 제1실시형태와 같은 작용 효과를 얻는다.

도 4(a) 및 (b)는 제2실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 도면이다. 반도체레이저(101)로부터의 직선 편광 발산광을 렌즈(211)와 쐐기 모양의 프리즘(212:프리즘(212)은 주광선의 방향을 바꾸기 위한 소자)을 투과시킴으로써, 소위 1/4피치의 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)의 단면의 위치 P21에 약간 비스듬한 각도의 광축을 갖는 집광 광속으로서 입사된다. 캣츠아이 소자로서 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)를 채용하는 경우에는, 도 4(a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 캣츠아이 소자로의 광속의 입사각도를 비켜 놓고, 중심으로부터 광속의 초점 위치를 벗어나게 할 필요가 있다. 이렇게 함으로써, 반사 위치가 입사 위치로부터 벗어날 수 있고, 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)로부터의 사출광과 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)로의 입사광이 공간적으로 분리될 수 있다. 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)에 입사된 광속은, 로드 렌즈(213)의 다른 면에서 평행 광속으로서 사출되고, 편광 빔 스플리터(214)에서 편광 성분에 따라 2광속으로 분리된다. 편광 빔 스플리터(214)에 의해 얻을 수 있은 반사광(S편광)을 참조 미러(222)에 조명하고, 투과광(P편광)을 측정 대상물(221)의 면(미러)에 조명한다. 그리고, 각각의 반사광을 편광 빔 스플리터(214)를 거쳐서, 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)의 초점면상의 위치 P22에 집광 조명한다.

위치 P22 근방에 설치된 반사막(215)에 의해, 집광 조명된 광속을 본래의 광로로 되돌리고, 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)로부터 평행 광속을 사출시키고, 다시 편광 빔 스플리터(214)에서 2광속으로 분리한다. 그리고, 반사광(S편광)을 참조 미러(222)에 조명하고, 투과광(P편광)을 측정 대상물(221)에 조명한다. 각각의 반사광은 편광 빔 스플리터(214)를 거쳐서 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)에 재입사된다. 결과적으로, 굴절률 분포형 로드 렌즈(213)의 단면상의 위치 P21으로부터 발산 광속을 추출할 수 있다. 이상에서, S편광의 광속은 참조 미러(222)의 면과 편광 빔 스플리터(214)의 사이를 2회 왕복하고, P편광의 광속은 측정 대상물(221)의 면과 편광 빔 스플리터(214)의 사이를 2회 왕복하게 된다.

위치 P21로부터 발산된 광속으로부터 간섭 신호를 얻는 구성은 제1실시형태와 같다. 즉, 위치 P21로부터 발산된 광속을 비편광 빔 스플리터(102)에 의해 수광소자측으로 추출한다. 추출된 광속은 1/4파장판(103)을 투과시킴으로써, 위상차의 변동에 따라 편광방향이 회전한 직선 편광으로 변환한다. 이것을, 빔 분할소자(106)에서 3광속으로 분할한다. 각각의 광속은 서로 60°씩 편광축을 비켜 놓아서 배치한 편광소자 어레이(107)를 거쳐서 3분할 수광소자(108)의 각 수광부에 입사한다. 결과적으로, 측정 대상물(221)의 면외변위에 근거하는 3개의 서로 위상이 120°변위된 간섭 신호를 검출한다.

이상과 같이, 제2실시형태에 의하면, 캣츠아이 광학소자로서 굴절률 분포형 로드 렌즈를 사용함으로써, 소형으로 안정한 광학계를 구성할 수 있는 장점이 있 다.

<제3실시형태>

도 5(a) 및 (b)는 제3실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 도면이다.

도 5(a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 반도체레이저(101)로부터의 직선 편광 발산광은 콜리메이터 렌즈(102)를 투과하여, 약간 비스듬한 각도의 광축을 갖는 평행 광속을 생성하여, 사출된다. 평행 광속은 편광 빔 스플리터(312)에서 편광 성분에 따라 2광속으로 분리되어, 반사광(S편광)을 참조 미러(322)로, 투과광(P편광)을 측정 대상물(321)의 면(미러)에 각각 조명된다. 각각의 반사광은 편광빔 스플리터(312)를 거쳐서, 소위 1/4피치의 굴절률 분포형 로드 렌즈(313)에 입사된다. 굴절률 분포형 로드 렌즈(313)에서는, 입사된 광속을 단면상의 위치 P32에 집광하고, 위치 P32 근방에 설치된 반사막(314)에 의하여 본래의 광로로 되돌린다. 이렇게 해서 굴절률 분포형 로드 렌즈(313)로부터 평행 광속을 사출시키고, 편광 빔 스플리터(312)에서 다시 2광속으로 분리한다. 그리고, 반사광(S편광)을 참조 미러(322)에 조명하고, 투과광(P편광)을 측정 대상물(321)의 면에 조명한다. 각각의 반사광은 편광 빔 스플리터(312)를 거쳐서 광원측으로 추출한다. 결과적으로, S편광의 분리 광속은 참조 미러(322)의 면과 빔 스플리터(312)의 사이를 2회 왕복하고, P편광의 분리 광속은 측정 대상물(321)의 면과 빔 스플리터(312)의 사이를 2회 왕복하게 된다.

상기한 바와 같이 해서 광원측으로 추출된 광속으로부터, 제1실시형태와 동 일한 구성에 의한 간섭 신호를 취득한다. 즉, 비편광 빔 스플리터(102)에 의해, 수광소자측에 광속을 추출한다. 추출된 광속은 1/4파장판(103)을 투과시켜서, 위상차의 변동에 따라 편광방향이 회전한 직선 편광으로 변환한다. 이 광속을 빔 분할소자 GBS(106)에서 3광속으로 분할한다. 각각의 광속은 서로 60°씩 편광축을 비켜 놓아서 배치한 편광소자 어레이(107)를 거쳐서 3분할 수광소자(108)의 각 수광부에 입사한다. 이렇게 해서, 측정 대상물(321)의 면의 면외변위에 근거하는 3개의 서로 위상이 120°변위된 간섭 신호를 검출한다.

한편, 제3실시형태에서 사용하고 있는 굴절률 분포형 로드 렌즈(313) 및 반사막(314)은 캣츠아이와 동일한 기능을 한다. 도 1에 나타낸 바와 같은 렌즈와 렌즈의 초점면상에 배치한 반사막에 의하여 대체하는 것도 가능하다.

<제4실시형태>

도 6(a) 및 (b)는 제4실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 도면이다.

제4실시형태에서는 반도체레이저(101)로부터의 직선 편광 발산광은 렌즈(411)에 의해 편파면 유지형 광화이버(402)에, 광화이버의 편광축과 광속의 편광면이 일치하는 상태로 입사한다. 그리고, 광화이버의 다른 단면을 렌즈(412)의 초점면상의 위치 P41에 배치해서 발산 광속을 사출한다. 발산 광속은 렌즈(412)에 의해 평행 광속으로 변환되어, 약간 비스듬한 각도의 광축을 갖는 평행 광속으로서 사출된다. 이 평행 광속을 편광 빔 스플리터(413)에 의해 각각 편광 성분을 갖는 2광속으로 분리한다. 2광속 중의 반사광(S편광)은 참조 미러(422)에, 투과광(P편 광)은 측정 대상물(421)의 면(미러)에 각각 조명된다.

각각의 반사광은, 편광 빔 스플리터(413)를 거쳐서, 렌즈(412)의 초점면상의 위치 P42에 집광 조명되어, 위치 P42 근방에 설치된 반사막(414)에 의해, 본래의 광로로 복귀된다. 이렇게 해서, 다시 렌즈(412)로부터 평행 광속을 사출한다. 이 평행 광속은 편광 빔 스플리터(413)에서 2광속으로 분리되어, 반사광(S편광)은 참조 미러(422)에, 투과광(P편광)은 측정 대상물(421)의 면(미러)에 조명된다. 각각의 반사광을 편광 빔 스플리터(413)를 거쳐서 렌즈(412)에 입사하고, 렌즈(412)의 초점면상의 위치 P41을 향해서 광속을 진행시킨다. 결과적으로, S편광은 참조 미러(422)의 면과 빔 스플리터(413)의 사이를 2회 왕복하고, P편광은 측정 대상물(421)의 면과 빔 스플리터(413)의 사이를 2회 왕복한다.

이 광속은 편파면 유지형 광화이버(402)의 단면이 배치된 위치 P41 전에 배치된 비편광 빔 스플리터(102)에 의해 수광소자측으로 추출된다. 그 후, 제1실시형태와 동일한 구성에 의해 간섭 신호를 생성한다. 즉, 추출된 광속을 1/4파장판(103)을 투과시켜서, 위상차의 변동에 따라 편광방향이 회전한 직선 편광으로 변환한다. 이 직선 편광의 광속을 빔 분할소자(106)에서 3광속으로 분할한다. 각각의 광속은 서로 60°씩 편광축을 비켜 놓아서 배치한 편광소자 어레이(107)를 투과시켜서 3분할 수광소자(108)의 각 수광부에 입사한다. 결과적으로, 측정 대상면(측정 대상물(421)의 면)의 면외변위에 근거하는 3개의 서로 위상이 120°변위된 간섭 신호를 검출한다. 이렇게 광화이버에서 광원을 검출 헤드부로부터 떨어지게 함으로써 위치 검출을 위한 검출 헤드를 용이하게 소형화할 수 있는 동시에, 광원의 발 열의 영향 회피에 의한 안정화에 유효하다.

<제5실시형태>

도 7(a) 및 (b)는 제5실시형태에 의한 레이저 간섭계측장치의 광학계를 설명하는 도면이다. 제1 또는 제4실시형태를 개량하고, 광원측으로부터의 순방향 진행 광로와 수광소자측으로 진행하는 복귀 광로가 공간적으로 분리하도록 구성한 것이다.

반도체레이저(101)로부터의 직선 편광 발산광을, 렌즈(411)에 의해 편파면 유지형 광화이버(402)에, 광화이버의 편광축과 광속의 편광면이 일치하는 상태로 입사시킨다. 광화이버(402)의 다른 단면을 렌즈(412)의 초점면상에 약간 비스듬한 각도로 배치하여, 발산 광속을 사출시킨다. 발산 광속은 렌즈(412)에 의해 평행 광속으로 변환되어서, 약간 비스듬한 각도의 광축을 갖는 평행 광속으로서 사출된다. 평행 광속은 편광 빔 스플리터(413)에 의해 각각 편광 성분을 갖는 2광속으로 분리되어, 반사광(S편광)은 참조 미러(422)의 면에, 투과광(P편광)은 측정 대상물(421)의 면에 각각 조명된다. 그리고, 각각의 반사광은 편광 빔 스플리터(413)를 거쳐서 렌즈(412)에 입사되어, 렌즈(412)의 초점면상의 위치 P52에 집광된다. 위치 P52에 집광된 광속은 위치 P52 근방에 설치된 반사막(414)에 의해, 인접 영역의 광로로 되돌려지고, 다시 렌즈(412)로부터 평행 광속으로서 사출된다.

사출된 평행 광속은, 편광 빔 스플리터(413)에서 2광속으로 분리되어, 반사광(S편광)은 참조 미러(422)의 면에, 투과광(P편광)은 측정 대상물(421)의 면(미러)에 각각 조명된다. 각각의 반사광은 편광 빔 스플리터(413)를 거쳐서 렌즈 (412)에 입사되어, 렌즈(412)의 초점면상의 위치 P51에 집광되고, 거기에서 광화이버측으로 광속이 사출된다. 이상에서, S편광의 광속은 참조 미러(422)의 면과 빔 스플리터(413)의 사이를 2회 왕복하고, P편광의 광속은 측정 대상물(421)의 면과 빔 스플리터(413)의 사이를 2회 왕복하게 된다.

제5실시형태에서는 순방향 진행 광로의 편파면 유지형 광화이버의 단면이 배치된 위치 P51 전에 배치된 부분반사 빔 스플리터(511)에 의해, 복귀하는 광속을 공간적으로 추출한다. 추출된 광속은, 1/4파장판(103)을 투과함으로써, 위상차의 변동에 따라 편광방향이 회전한 직선 편광으로 변환된다. 이 직선 편광을 빔 분할소자(106)에서 3광속으로 분할하고, 각각의 광속을 서로 60°씩 편광축을 비켜 놓아서 배치한 편광소자 어레이(107)를 거쳐서 3분할 수광소자(108)의 각 수광부에 입사한다. 결과적으로, 측정 대상물(421)의 면의 면외변위에 근거하는 3개의 서로 위상이 120°변위된 간섭 신호를 검출한다. 한편, 부분반사 빔 스플리터(511) 대신에, 미세 프리즘을 이용하여도 된다.

면외변위의 측정 가능 영역은 평행 광속 조명에 의한 마이컬슨 간섭계측장치의 경우, 광원의 간섭성만으로 결정된다. 하지만, 소형으로 하기 위해서는 광원(반도체레이저(101))으로서 면발광형 레이저 다이오드를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 면발광형 레이저 다이오드는, 복귀광에 의한 횡모드 변동을 야기하고, 편파면이 옮겨지는 현상이 발생할 경우가 있다. 이 때문에, 면발광형 레이저 다이오드로의 복귀광을 방지하는 방책이 필요하다. 제5실시형태는, 광원측으로 진행하는 광속을 부분반사 빔 스플리터(511)에 의해 차단할 수 있기 때문에, 상기한 관점으 로부터 장점을 갖는다. 또, 제1실시형태~제4실시형태를 실현하는 경우에는, 복귀광을 배제하는 아이소레이터(isolator) 등을 만드는 것이 바람직하다.

또, 상기 각 실시형태에 있어서, 참조 미러와 편광 빔 스플리터의 사이와 측정 미러와 편광 빔 스플리터의 사이를 2회 왕복한 간섭 광속을 수광소자측에 추출하기 위한 소자로서, 제1~제4실시형태에서는 비편광 빔 스플리터(102)를, 제5실시형태에서는 부분반사 빔 스플리터(511)를 사용했다. 하지만, 비편광 빔 스플리터(102) 대신에 부분반사 빔 스플리터(511)를 이용하여도 되고, 부분반사 빔 스플리터(511) 대신에 비편광 빔 스플리터(102)를 이용하여도 된다. 또한, 그것들 대신에 미세 프리즘을 사용하는 것도 가능하다.

이상에서 설명한 각 실시형태에 의하면, 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.

(1) mm 수준의 평행광 조명을 채용하므로, 측정 대상면의 면형상이나 미세한 상처 등의 영향을 받지 않는다.

(2) mm 수준의 평행광 조명과 가간섭성이 좋은 광원의 조합에 의해, mm 수준의 측정 영역을 실현한다.

(3) 캣츠아이 소자에 의한 2회 왕복의 경로(2회 왕복 간섭 계측 광학계)를 실현했으므로, 높은 분해능(광원 파장의 1/4주기의 정현파 신호를 출력)을 얻을 수 있다.

(4) 캣츠아이 소자에 의한 2회 왕복 간섭 계측 광학계에 의해, 측정 대상면의 얼라인먼트 편차가 생겨도 안정한 측정을 실현할 수 있다.

(5) 특히 제5실시형태에 의하면, 광속의 순방향 진행 광로가 복귀 광로와 공 간적으로 분리되므로, 광원으로의 복귀광을 배제할 수 있고, 아이소레이터 등을 사용하지 않더라도, 보다 안정한 측정이 가능해 진다.

(6) 측정부에 배치하는 큐브 코너 반사기와 참조광용의 내부 큐브 코너 반사기의 사용이 필요 없게 되고(제1~제5실시형태), 또는 캣츠아이 렌즈와 콜리메이터 렌즈를 공용으로 하는 것(제3실시형태) 등에 의해, 광학계의 소형화를 실현할 수 있었다.

(7) 또한, 공기 중에 노출되는 부분을 감소시킴으로써, 안정한 측정을 실현할 수 있다(공기 중에 노출되는 부분으로는, 편광 빔 스플리터로부터 측정 대상면까지의 광로로, 공기 중에서 광속이 통과하는 부분을 가리킨다. 이 부분의 공기가 흔들리면, 간섭 신호가 흔들리기 때문에, 노출되는 부분이 짧을수록 측정이 안정적이다).

본 발명에 의하면, 측정 대상면에 대한 조명 영역을 넓게 하고, 면외변위의 측정 영역을 확대하면서, 얼라인먼트 편차에 영향을 받지 않는 신규 방식의 위치 검출장치 및 방법이 제공된다.

본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 수반되는 청구범위에 따른 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않게 다양한 변형 및 변경이 실시될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

Claims

입사한 평행 광속을 분리하여 각 분리 광속이 기준면과 측정 대상면 각각에 공급되도록 배치된 빔 스플리터와,

광원의 광속으로부터 평행 광속을 형성하고, 상기 빔 스플리터에 의해 분리된 분리 광속이 상기 기준면 및 상기 측정 대상면 각각에 비스듬한 각도로 입사하도록, 상기 평행 광속을 상기 빔 스플리터에 공급하는 입사 유닛과,

상기 기준면과 상기 측정 대상면에서 반사되어, 상기 빔 스플리터에 의해 광로가 통일된 상기 분리 광속을, 그 광로를 따라 상기 빔 스플리터에 평행 광속으로서 공급하도록 반사하는 반사 유닛과,

상기 반사 유닛으로부터 공급되고, 상기 빔 스플리터에서 분리되며, 상기 기준면과 상기 측정 대상면에서 반사되고, 상기 빔 스플리터에서 다시 광로가 통일된 복귀 광속을 간섭시켜서, 상기 분리 광속의 위상차에 대응한 신호를 생성하는 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
제1항에 있어서,

상기 입사 유닛은,

상기 광원으로부터의 광속을 제1위치에 집광하는 집광 수단과,

상기 제1위치를 초점위치로 갖도록 배치되어, 상기 제1위치에서 발산되는 광속을 평행 광속으로 변환하는 제1렌즈를 포함하고,

상기 제1렌즈는,

상기 광로가 통일된 상기 분리 광속을, 상기 제1렌즈에 의해, 상기 제1렌즈의 초점위치로서 상기 제1위치와는 다른 제2위치에 집광하고,

상기 반사유닛은 상기 제2위치에서, 상기 제1렌즈를 향해서 상기 분리 광속을 반사하는 반사 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
제1항에 있어서,

상기 입사유닛은,

상기 광원으로부터의 광속을 제1위치에 집광하는 집광수단과,

상기 제1위치에 입사되는 광속을 받아서, 상기 평행 광속을 생성하는 굴절률 분포형 렌즈를 포함하고,

상기 굴절률 분포형 렌즈는 광로가 통일된 상기 분리 광속을 상기 제1위치와는 다른 제2위치에 집광하고,

상기 반사유닛은 상기 제2위치에서 상기 분리 광속을 반사하는 반사 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
제1항에 있어서,

상기 입사 유닛은,

상기 광원으로부터의 광속을 평행 광속으로 변환하는 콜리메이터 렌즈를 포함하고,

상기 반사 유닛은,

상기 광로가 통일된 상기 분리 광속을 초점면에 집광하는 굴절률 분포형 렌즈와,

상기 초점면에 설치된 반사 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
제2항에 있어서,

상기 집광 수단은 상기 광원으로부터의 광속을 상기 제1위치에 집광하는 제2렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
제2항에 있어서,

상기 집광 수단은, 상기 광원으로부터의 광속을 전파하고, 상기 제1위치에 출사단을 가지는 광화이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
제3항에 있어서,

상기 제1위치는 상기 굴절률 분포형 렌즈의 단면상에 설치된 투과부이며, 상기 제2위치가 상기 굴절률 분포형 렌즈의 단면상에 설치된 반사부인 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
제6항에 있어서,

상기 광화이버는, 상기 복귀 광속의 광로가 상기 제1렌즈를 향하는 광로와 공간적으로 분리되도록, 상기 제1렌즈에 대하여 설정된 각도를 가지고 배치되고,

상기 생성 수단은, 상기 복귀 광속의 광로상에 설치된 반사 부재에 의해 광속을 추출하여, 광속을 간섭시키는 것을 특징으로 하는 위치 검출장치.
입사한 평행 광속을 분리하여 각 분리 광속이 기준면과 측정 대상면 각각에 공급되도록 배치된 빔 스플리터를 사용한 위치 검출 방법으로서,

광원의 광속으로부터 평행 광속을 형성하고, 상기 빔 스플리터에 의해 상기 평행 광속으로부터 얻은 분리 광속이 상기 기준면 및 상기 측정 대상면 각각에 비스듬한 각도로 입사하도록, 상기 평행 광속을 상기 빔 스플리터에 공급하는 단계와,

상기 기준면과 상기 측정 대상면에서 반사되어 상기 빔 스플리터에 의해 광로가 통일된 상기 분리 광속을, 상기 광로를 따라 상기 빔 스플리터에 평행 광속으로서 공급하도록 반사하는 단계와,

반사 유닛으로부터 공급되고, 상기 빔 스플리터에서 분리되며, 상기 기준면과 상기 측정 대상면에서 반사되고, 상기 빔 스플리터에서 다시 광로가 통일된 광속을 간섭시켜서, 상기 분리 광속의 위상 차에 대응한 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 방법.