KR940005986B1

KR940005986B1 - 미소변위 검출장치

Info

Publication number: KR940005986B1
Application number: KR1019910003676A
Authority: KR
Inventors: 케이시 쿠보; 타쯔오 이또오
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤; 다니이 아끼오
Priority date: 1990-03-07
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1994-06-30
Also published as: JPH03255904A; JP2679339B2; KR910017164A; US5164791A

Abstract

내용 없음.

Description

미소변위 검출장치

제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서는 미소변위 검출 장치의 구성도.

제 2 도는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 미소변위 검출 장치의 구성도.

제 3 도는 종래의 미소변위 검출 장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 회절격자 2 : 렌즈

4 : 파장판 5 : 필터

8 : 광검출기 A : 변위면

B : 참조면

본 발명은 원자간힘을 이용한 표면형상 측정 장치에 관한 것으로서, 탐침과 시료와의 사이에 작용하는 원자간힘의 변화에 의한 나노미터이하의 탐침의 변위를 측정, 혹은 마이크로미터오더의 스트로크에서의 미소변위의 검출에 사용되는 미소변위 검출장치에 관한 것이다.

미세한 표면형상을 측정하는 장치로서, 시료와 시료의 표면 아주 가까이에 접촉하는 일 없이 설치된 날카롭게 끝이 뾰족한 탐침과의 사이에 작용하는 원자간힘을 검출하고, 이 검출된 힘이 일정하게 되도록 시료의 위치를 탐침과 수직방향으로 변화시키므로서 나노미터오더의 정밀도로 시료와 탐침과의 사이의 거리를 일정하게하여, 시료의 위치를 탐침과 수평방향으로 주사하므로서 시료의 표면형상 측정을 행하는 것이 알려져 있다. 이 측정에서는, 탐침과 시료와의 사이의 거리를 일정하게 유지하기 위하여 탐침과 시료와의 사이에 작용하는 원자간힘을 일정하게 할 필요가 있으며, 이 힘의 검출에 스프링으로 지지된 탐침이 원자간힘을 받으므로서 변화하는 휘논량을 검출하고 탐침과 시료사이의 거리를 검출한다. 이들 원자간힘을 이용한 미세표면형상의 측정장치에 있어서, 나노미터 이하 정밀도로 탐침의 변위를 측정할 필요성이 높아지고 있다.

아하 도면을 참조하면서, 종래예에 대하여 설명한다.

제 3 도는 종래의 탐침변위 검출 장치의 구성을 표시한 것이다. 제 3 도에 있어서, (101)은 평광비임 스플리터, (102),(103)은 λ/4 파장판, (104)는 렌즈, (105)는 외팔보(Cantilever)형상으로 지지되어 변위면을 가진 탐침, (106)은 참조면을 구성하는 거울, (107),(110)은 편광판, (108),(111)은 광검출기, (109)는 비임 스플리터이다.

이상과 같이 구성된 미소변위 검출 장치에 대하여 이하 그 동작에 대해서 설명한다. 주파수가 약간 다른 2주파의 지면에 수직인 방향과 수평인 방향으로 직선 편광한 레이저광선(도시생략)의 광은 비임 스플리터(109)에 입사되고, 분리된 레이저광의 일부는, 편광판(110)에 의해 지면에 45°편광한 편광성분만 광검출기(111)에 의해서 2주파의 차주파의 비이트를 참조신호로서 검출된다.

비임 스플리터(109)에 의해 분리된 또 한쪽의 광은 편광 비임 스플리터(101)에 입사되고, 지면에 평행인 편광 방향의 광은 참조광으로서 미리(106)의 방향으로 분리되어 λ/4 파장판(103)을 통과하여 미리(106)에 의해 반사되고 재차 λ/4 파장판(103) 통과하므로서 편광방향이 90°변화하게 되고, 편광비임 스플리터(101)를 이번에는 직진하여, 편광판(107)을 통과해서 광검출기(108)에 도달한다.

편광비임 스플리터(101)에 입사된 지면에 수직인 편광방향의 광은 변위광으로서 탐침(105)의 방향으로 분리되고 λ/4 파장판(102), 렌즈(104)를 통과해서 탐침(105)의 변위면에 의해 반사되어 재차 λ/4 파장판(102)을 통과하므로서 편광방향이 90°변화되고, 편광비임 스플리터(101)에 의해 진행방향이 90°구부러지고 편광판(107)을 통과해서 광검출기(108)에 도달한다.

미리(106)에 의해 반사된 참조광과, 탐침(105)에 의해 반사된 변위광의 차주파의 비어트가 광검출기(108)에 의해 검출된다. 여기서 탐침의 변위에 의해 상기 변위광의 광로길이가 변화하여 상기 참조광과의 광로길이차를, 광 검출기(108)에 의해 검출된 비어트 신호의 위상변화로서 출력하고, 이 비이트 신호와 광검출기(111)에 의해서 검출된 비이트 신호의 위상차를 구하므로서 변위를 검출한다.

그러나 상기와 같은 구성에서는 탐침(105)의 위치 측정의 기준위치는 미러(106)이고 이 미러(106)이 외란등에 의해 진동하였을 경우, 탐침위치의 검출에 오차가 발생한다. 또, 참조광과 변위광의 광로가 서로 다르기 때문에, 공기의 온도, 기압, 온도등의 변화에 의한 굴절률의 변화에 따라, 탐침위치의 검출에 오차가 발생하기 쉽다.

본 발명은 상기 문제점에 비추어 외란진동에 의한 측정정밀도에의 영향이 적고, 공기의 굴절률의 변화에 의한 측정 오차가 적은, 고정밀도인 미소변위 검출장치에 제공하는 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 제 1 발명인 미소변위 검출장치는, 레이저 광원과, 상기 광원의 광을 분리하는 회절격자와, 상기 회절격자에 의해 발생한 회절광의 ±1차 이외의 광을 차폐하는 필터와, 상기 회절광의 ±1차의 회절광 중의 어느쪽의 회절광의 편광상태를 변화시키는 파정판과, 상기 ±1차의 2개의 회절광을 상기 변위면과 상기 참조면에 집광하는 렌즈와, 상기 렌즈에 의해 집광되어 상기 변위면과 상기 참조면에 의해 반사한 광을 다시 상기 렌즈에 의해 평행광속화하고, 재차 상기 회절격자에 상기 변위면으로부터의 광과, 상기 참조면으로 부터의 비임이 겹쳐지도록 입사하고, 회절한 광중 상호의 1차의 회절광의 간섭광을 검출하는 광검출기를 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 제 2 발명인 미소변위 검출 장치는, 상기 구성에 있어서, 주파수가 약간 다른 2주파의 레이저광원과, 광검출기로부터 얻게된 비이트신호와 상기 레이저 광원의 비이트신호와의 위상차를 검출하는 위상 검출기를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 구성에 의해, 참조면을 변위면의 근처에 형성할 수 있으므로, 외란진동에 의한 측정 정밀도에의 영향이 적고, 또 참조광과 변위광의 광로가 대략 동일한 경로를 걷기 때문에, 공기의 굴절률의 변화에 의한 측정오차가 적은, 고정밀도인 미소변위 검출을 행하는 것이 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 미소변위 검출장치에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 제 1 도는, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 미소변위 검출장치의 전체구성을 표시한 것이다. 제 1 도에 있어서, (1)은 회절격자, (2)는 렌즈, (3)은 호울더(13)에 의해서 왼팔보 형상으로 지지된 탐침, (4)는 λ/4 파장판 (5),(6)은 필터, (7)은 편광판, (8)은 광검출기, (9)는 미러, (14)는 시료이다.

이상과 같이 구성된 미소변위 검출장치에 대하여, 이하 제1도를 이용해서 그 작용을 설명한다.

저면에 대하여 45°의 방향으로 직선편광한 He-Ne 레이저광선(도시생략)의 광은 회절격자(1)에 입사되고, 상기 회절격자(1)로 부터 출사한 광의 ±1차의 회절광 이외는 필터(5)에 의해 차폐된다.

상기 회절격자(1)로 부터 출사된 ±1차의 광중, +1차의 회절광은, λ/4 파장판(4)에 의해 원편광으로 변화된후, 렌즈(2)에 의해 초점거리에 동등한 위치 f에 설치된 탐침(3)의 변위면 A에 집광되어 반사하고, 렌즈(2)에 의해 다시 평행광속화이어, 회절격자(1)에 의해 재차 회절되고 필터(6)에 의해 +1차의 회절광만 통과한다.

다른한편, 상기 회절격자(1)에 의해 출사한 -1차의 회절광은 렌즈(2)에 의해 탐침(3)의 호울더(13)위에 형성한 참조면 B에 집광한후 반사하여 렌즈(2)에 의해 다시 평행광속화하고, 회절격자(1)에 의해 재차 회절하여 필터(6)에 의해 -1차의 회절광만 통과한다.

이때, 회절격자(1)에 상기 변위면 A에 반사한 광과 상기 참조면 B에 반사한 광의 비임이 회절격자(1)위에서 대략 겹쳐지도록 구성한다. 또, 회절격자(1)에 의해 재차 회절된 ±1차의 회절광은 다시 대략 동일한 광로를 걷도록 구성하고, 필터(6)에 의해 필터링한 광은 미러(9)에 의해 반사하여 편광판(7)을 통과하고 광검출기(8)에 의해 변위신호로서 검출한다.

광검출기(8)의 신호강도는, 회절격자(1)에 입사하여 ±1차의 회절광으로 분리한 2개의 광어, 재차 회절격자(1)에 의해 회절될때까지의 광로 길이의 차에 대하여 정현파형상으로 변화한다. 여기서, 편광판(7)을 회전조정 하므로서, 탐침(3)의 변위에 의해 광검출기(8)의 신호 출력이 정현파의 원점으로 되도록 조정하고, 탐침(3) 레이저광의 λ/4 파장이하의 미소한 변위는, 상기 광 검출기(8)에 의해 검출된 신호강도에 근사적으로 비례하여 검출한다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 탐침(3)의 변위의 검출의 기준이 되는 참조면 B를 탐침(3)의 근처에 형성할 수 있으므로, 외란진동에 의한 측정 정밀도에의 영향이 적고, 고정밀도인 미소 변위 검출을 행할 수 있으며, 또 참조신호의 광로와 변위신호의 광로가 대략 동일한 경로를 걷고, 공기의 굴절률의 변화에 의한 영향을 참조광, 측정광 모두 동일한 비율로 받으므로, 굴절률의 변화가 상보되어 측정오차가 적은, 고정밀도인 미소 변위검출을 행할 수 있다.

제 2 도는, 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 미소변위 검출 장치의 전체구성을 표시한 것이다. 제 2 도에 있어서, (1)은 회절격자, (2)는 렌즈, (3)은 호울더(13)에 의해서 왼판보형상으로 지지된 탐침, (4)는 λ/4 파장판, (6),(6)은 필터, (7),(11)은 편광판, (8),(12)는 광검출기, (9)는, 미리, (10)은 비임 스풀리터, (14)는 시료이다.

이상과 같이 구성된 미소변위 검출 장치에 대하여, 이하 제 2 도를 사용해서 그 작용을 설명한다.

주파수가 약간 다른 2주파의 지연에 수직인 방향과 수평인 방향으로 직선 편광한 He-Ne 레이저광원(도시생략)의 광은 비임 스플리터(10)에 입사되고, 분리된 레이저광의 일부는, 편광판(11)에 의해 지면에 45°로 편광한 편광한 편광 성분만 광검출기(12)에 의해서 상기 레이저광원의 2주파의 차주파의 비이트를 참조신호로서 검출한다.

비임 스플리터(10)에 의해 분리된 또 한쪽의 광은 회절 격자(1)에 입사되고, 상기 회절격자(1)로 부터 출사한 광의 ±1차의 회절광 이외는 필터(5)에 의해 차폐된다.

상기 회절격자(1)로 부터 출사된 ±1차의 광원, +1차의 회절광은, 파장판(4)에 의해 편광면이 90°변화하고, 렌즈(2)에 의해 초점거리에 동등한 위치 f에 설치된 탐침(3)의 변위면 A에 집광하여 반사되며, 렌즈(2)에 의해 다시 평행광속화되고, 회절격자(1)에 의해 재차회절되어 필터(6)에 의해 +1차의 회절광만 통과한다.

다른한편 상기 회절격자(1)로 부터 출사한 -1차의 회절광은 렌즈(2)에 의해 탐침(3)의 호울더(13)위에 형성된 참조면 B에 집광한후 반사되어, 렌즈(2)에 의해 다시 평행광속화 되고, 회절격자(1)의 의해 재차 회절되어 필터(6)에 의해 -1차의 회절광만 통과한다.

이때, 회절격자(1)에 상기 변위면 A에 반사된 광과 상기 참조면 B에 반사된 광의 비임이 회절격자(1)위에서 대략 겹치도록 구성한다. 또, 회절격자(1)에 의해 재차 회절된 ±1차의 회절광은 다시 대략 동일한 광로를 걷도록 구성되어 있으며, 필터(6)에 의해 필터링된 광은 미러(9)에 의해 반사되어 편광판(7)에 의해 지면에 대해서 수평 또는 수직인 편광면의 광만 통과되고, 광검출기(8)에 의해서 상기 레이저광원의 2주파의 차주파의 비이트 변위 신호로서 검출한다. 이 변위신호의 비이트의 위상은 회절격자(1)에 입사되어 ±1차의 회절광으로 분리된 2개의 광이 재차 회절격자(1)에 의해 회절될때 까지의 광로길이의 차에 따라서 변화한다.

탐침(3)의 변위는, 상기 광 검출기(8)에 검출된 변위신호의 비이트와, 광검출기(12)에 의해 검출된 참조신호의 비이트의 위상을 도시 생략한 위상 검출기에 의해 비교하므로서 변위에 비례한 위상각으로서 검출한다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 탐침(3)의 변위의 검출의 기준이 되는 참조면 B를 탐침(3)의 근처에 형성할 수 있으므로, 외란진동에 의한 측정 정밀도에의 영향이 적으며, 고정밀도인 미소변위 검출을 행할 수 있고, 또 참조 신호의 광로와 변위신호의 광로가 대략 동일한 경로를 걷고, 공기의 굴절률의 변화에 의한 영향을 참조광, 측정광 모두 동일한 비율로 받으므로, 굴절류의 변화가 상보되어 측정 오차가 적은, 고정밀도인 미소변위 검출을 행할 수 있고, 또 변위의 검출을 신호강도의 변화가 아닌 비이트 신호의 위상차에 의해 검출하고 있으므로 상기 신호강도의 변화에 영향 되지 않는 고정밀도인 미소 변위 검출을 행할 수 있다.

또한, 제1, 제 2 실시예에 있어서, 광원에 He-Ne 레이저를 사용하였으나 다른 종류의 레이저를 사용해도 된다.

이상과 같이 본 발명은, 회절격자와, 필터와, 렌즈에 의해 검출광학계를 구성하고 있으므로, 참조면을 변위면의 근처에 형성할 수 있으며, 외란진동에 의한 측정 정밀도에의 영향이 적고, 고정밀도인 미소 변위 검출을 행할 수 있으며, 또 참조신호의 광로와 변위 신호의 광로가 대략 동일한 경로를 걷고, 공기의 굴절률의 변화가 상보되어 측정오차가 적은, 고정밀도인 미소변위 검출을 행하는 것이 가능하게 된다.

Claims

레이저광원과, 상기 광원의 광을 분리하는 회절격자와 상기 회절격자에 의해 발생한 회절광의 ±1차 이외의 광을 차폐하는 필터와, 상기 회절광의 ±1차의 회절광중의 어느 한쪽의 회절광의 편광상태를 변화시키는 파장판과, 상기 ±1차의 2개의 회절광을 변위면과 참조면에 집광하는 렌즈와, 상기 렌즈에 의해 집광되어 상기 변위면과 상기 참조면에 의해 반사한 광을 다시 상기 렌즈에 의해 평행광속화하고, 재차 상기 회절격자에 상기 변위면으로 부터의 광과 상기 참조면으로 부터의 비임이 다르도록 입사하여, 회절한 광중 상호의 1차의 회절광의 간섭광을 검출하는 광검출기를 구비한 것을 특징으로 하는 미소변위 검출장치.
제 1 항에 있어서, 상기 주파수가 약간 다른 2주파의 레이저광원과 상기 광검출기로 부터 얻게된 비이트신호와 레이저광원의 비이트 신호와의 위상차를 검출하는 위상 검출기를 구비한 것을 특징으로 하는 미소변위 검출장치.