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【発明の名称】 光学式変位計測装置
【発明者】 【氏名】岩崎 豐
【要約】 【課題】導波路を用いた高分解能な変位計測装置でありながら、引き込み範囲が広い変位計測装置を提供する。

【解決手段】試料表面１７に光を照射する照明光学系１４，１５，１６と、試料表面１７で反射された光を伝搬するためのダブルモードチャネル導波路２と、ダブルモードチャネル導波路２を伝搬してきた光の対称性を検出する対称性検出部６、７、１２、１３、２０と、試料表面１７で反射された光の一部を集光する集光光学系１８と、集光光学系１８が集光した光スポットの変位を検出する変位検出部１９、２１とを有する。ダブルモードチャネル導波路２は、試料表面１７からの反射光のうち、照明光学系１４、１５、１６によって照射された光の光軸方向に反射された光が入射する位置に配置されている。一方、集光光学系１８は、試料表面１７で拡散反射された光の一部を集光する位置に配置されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】試料表面に光を照射する照明光学系と、前記試料表面で反射された光を伝搬するためのダブルモードチャネル導波路と、前記ダブルモードチャネル導波路を伝搬してきた光の強度分布の対称性を検出する対称性検出部と、前記試料表面で反射された光の一部を集光する集光光学系と、前記集光光学系が集光した光スポットの変位を検出する変位検出部とを有し、前記ダブルモードチャネル導波路は、前記試料表面からの反射光のうち、前記照明光学系によって照射された光の光軸方向に反射された光が入射する位置に配置され、前記集光光学系は、前記試料表面で拡散反射された光の一部を集光する位置に配置されていることを特徴とする光学式変位計測装置。
【請求項２】請求項１に記載の光学式変位計測装置において、前記ダブルモードチャネル導波路は、前記試料表面からの反射光を入射させるための入射端面を有し、当該入射端面は、前記反射光が入射端面の中心からずれた位置に入射する位置に配置されていることを特徴とする光学式変位計測装置。
【請求項３】請求項１に記載の光学式変位計測装置において、前記ダブルモードチャネル導波路は、その長さＬが、該ダブルモードチャネル導波路を導波する偶モードと奇モード間の完全結合長をＬｃとするとき、Ｌ＝Ｌｃ（ｍ＋１／２）（ｍ＝０，１，２・・・）
を満たすことを特徴とする光学式変位計測装置。
【請求項４】請求項１に記載の光学式変位計測装置において、前記変位検出部は、光スポットの重心位置を検出することを特徴とする光学式変位計測装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動ステージの位置決め等に使用される光学式の変位計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ダブルモードチャネル導波路内でのモード干渉を利用した、全く新しい原理に基づく、導波路型の変位計測装置が特開平４−２０８９１３号公報で提案されている。以下、図３を用いてこの導波路型の変位計測装置について説明する。
【０００３】特開平４−２０８９１３号公報の導波路型の変位計測装置は、図３のようにダブルモード導波路３１等が形成された基板３０、光源２６、ハーフミラー２７、レンズ２８、減算回路３８を備えて構成される。光源２６から出射した光は、ハーフミラー２７で反射され、レンズ２８で試料表面２９に集光する。試料表面２９からの反射戻り光は、再びレンズ２８、ハーフミラー２７を透過し、基板３０上に形成されたダブルモードチャネル導波路３１の入射端面３２に入射する。このとき、基板３０は、反射戻り光が入射端面３２の中心からずれた位置に入射するよう配置されているため、この入射光によってダブルモードチャネル導波路３１には、偶モードと奇モードの光が励振され、両モードの光がモード干渉をおこしながらダブルモードチャネル導波路３１を伝搬する。そして、導波路分岐部３３で２つのチャネル導波路３４，３５に分配され、それぞれ２つのチャネル導波路３４，３５を伝搬する。２つのチャネル導波路３４，３５の出射端にそれぞれ配設された２つの光検出器３６，３７は、２つのチャネル導波路３４，３５を伝搬してきた光の強度をそれぞれ検出し、電気信号に変換する。減算回路３８は、変換された電気信号の差を求めて出力する。
【０００４】ダブルモードチャネル導波路３１の長さＬは、ダブルモードチャネル導波路３１を導波する偶モードと奇モード間の完全結合長をＬｃとするとき、Ｌ＝Ｌｃ（ｍ＋１／２）（ｍ＝０，１，２・・・）
で表わせる長さに設定されている。このような長さＬに、ダブルモードチャネル導波路３１の長さが設定されている場合には、ダブルモードチャネル導波路３１の入射端面３２における入射光の位相の非対称性を、導波路分岐部３３における伝搬光の強度分布の非対称性として、選択的に検出できる。すなわち、ダブルモードチャネル導波路３１の入射端面３２における入射光の位相が、ダブルモードチャネル導波路３１の中心軸について対称である場合には、導波路分岐部３３において伝搬光の強度分布が対称になるため、２つのチャネル導波路３４，３５に分配される光の強度は等しい。一方、ダブルモードチャネル導波路３１の入射端面３２における入射光の位相が非対称である場合には、導波路分岐部３３において伝搬光の強度分布が非対称になるため、２つのチャネル導波路３４，３５に分配される光の強度は、入射光の位相の非対称性に対応した差が生じる。
【０００５】これを図４（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて具体的に説明する。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、ダブルモードチャネル導波路３１の入射端面３２付近に反射戻り光３９が入射する様子を模式的に描いた説明図であり、戻り光３９内の曲線４０は、その位置での波面を表わしている。試料表面２９が、レンズ２８の焦点位置にあるとき、ダブルモードチャネル導波路３１の入射端面３２での反射戻り光３９の波面は、入射端面３２の幅方向と平行である（図４（ｂ））。よって、導波路分岐部３３でチャネル導波路３４，３５に分配される光強度は等しく、したがって減算回路の３８出力は０になる。
【０００６】一方、試料表面２９がレンズ２８の焦点位置よりもダブルモードチャネル導波路３１に近いとき、ダブルモードチャネル導波路の入射端面３２での波面は、曲面になり、ダブルモードチャネル導波路３１の幅方向に対して傾斜する（図４（ｃ））。よって、導波路分岐部３３でチャネル導波路３４，３５に分配される光強度は等しくなく、減算回路３８の出力は０にならない。
【０００７】また、試料表面２９がレンズ２８の焦点位置よりもダブルモードチャネル導波路３１から遠いとき、ダブルモードチャネル導波路３１の入射端面３２での波面は、図４（ｃ）の場合とは、逆方向に傾斜する（図４（ａ））。よって、導波路分岐部３３で、チャネル導波路３４，３５に分配される光強度は等しくなく、したがって減算回路３８の出力は０にはならず、しかも、減算回路３８の出力は、図４（ｃ）の場合とは逆極性となる。
【０００８】このような減算回路３８の出力を縦軸にとり、このときの試料表面２８の変位量を横軸にとると、図５に示したように、試料表面２９がレンズ２８の焦点位置にあるとき、出力信号がゼロとなる点を通る曲線４３が得られる。従って、減算回路３８の出力信号から試料表面２９の上下方向の変位量を知ることができる。図５において曲線４３のピークとピークの間に相当する試料表面２９の変位量を引き込み範囲と呼ぶ。引き込み範囲における曲線４３は、傾斜が急峻であるため、この変位計測装置の構成を用いたセンサは、極めて高い分解能を有することが知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記のような導波路型の変位計測装置は、極めて高い分解能を有する反面、引き込み範囲が狭いという問題があった。
【００１０】本発明は、このような課題を解決し、導波路を用いた高分解能な変位計測装置でありながら、引き込み範囲が広い変位計測装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような装置を提供する。
【００１２】すなわち、試料表面に光を照射する照明光学系と、前記試料表面で反射された光を伝搬するためのダブルモードチャネル導波路と、前記ダブルモードチャネル導波路を伝搬してきた光の強度分布の対称性を検出する対称性検出部と、前記試料表面で反射された光の一部を集光する集光光学系と、前記集光光学系が集光した光スポットの変位を検出する変位検出部とを有し、前記ダブルモードチャネル導波路は、前記試料表面からの反射光のうち、前記照明光学系によって照射された光の光軸方向に反射された光が入射する位置に配置され、前記集光光学系は、前記試料表面で拡散反射された光の一部を集光する位置に配置されていることを特徴とする光学式変位計測装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１４】まず、本発明の実施の形態の変位計測装置の構成について図１を用いて説明する。本実施の形態の変位計測装置の基本的な構成は、導波路型の変位計測装置において、被検面で拡散反射された光を利用して、三角測量型変位計測をおこなうことにより、三角測量型の変位計測と導波路型の変位計測の結果とを組み合わせて、被検面の変位を計測する構成である。
【００１５】以下、図１に従って、本実施の形態の変位計測装置の具体的な構成について説明する。Ｓｉ基板１上には、導波路の幅方向にダブルモードであるダブルモードチャネル導波路２が形成されている。ダブルモードチャネル導波路２は、基板１上に堆積した酸化ケイ素薄膜によって形成されている。ダブルモードチャネル導波路２の端面３は、Ｓｉ基板１の第１の側面４に配置されている。ダブルモードチャネル導波路２の反対側の端部には、導波路分岐部５が接続されている。導波路分岐部５には、２本のチャネル導波路６，７が接続されている。２本のチャネル導波路６，７の端面８，９は、Ｓｉ基板１の第２の側面１１に配置されている。端面８，９には、それぞれシリコンフォトダイオード１２，１３が配設されている。シリコンフォトダイオード１２、１３には、第１の減算回路２０が接続されている。基板１は、ダブルモードチャネル導波路２の端面３を被検面１７に向けるように配置されている。
【００１６】ダブルモードチャネル導波路２の長さＬは、ダブルモードチャネル導波路２を導波する偶モードと奇モード間の完全結合長をＬｃとするとき、Ｌ＝Ｌｃ（ｍ＋１／２）（ｍ＝０，１，２・・・）
で表わせる長さに設定されている。
【００１７】基板１と被検面１７との間には、レーザ光源１４、ハーフミラー１５、レンズ１６が配置されている。これらは、レーザー光源１４から出射した光が、ハーフミラー１５で反射し、レンズ１６で集光されて被検面１７上に照射され、被検面１７からの反射戻り光は、再びレンズ１６を通り、ハーフミラー１５を透過してダブルモードチャネル導波路２の端面３に入射するように配置されている。しかも、端面３に入射する反射戻り光の光軸が、ダブルモードチャネル導波路２の幅方向について、中心からわずかにずれるように配置されている。
【００１８】一方、レンズ１６の横の空間には、受光レンズ１８が配置されている。受光レンズ１８は、光源１４から出射され、レンズ１６で集光されて照射された光のうち被検面１７で拡散反射された光を集光するために配置されている。受光レンズ１８の背後には、受光レンズ１８で集光された受光するために、２分割型シリコンフォトダイオード１９が配置されている。２分割型シリコンフォトダイオード１９には、第２の減算回路２１が接続されている。
【００１９】第１の減算回路２０および第２の減算回路２１の出力は、コントローラ２２に入力される。上面が被検面１７である被検物体１１７は、被検面１７を上下させるドライブ装置２３に搭載されている。コントローラ２２は、第１および第２の減算回路２０、２１の出力を用いて、ドライブ装置２３を制御し、被検面１７を上下させることにより、被検面１７をレンズ１６の焦点位置に位置決めする。
【００２０】つぎに、図１の変位計測装置の各部の動作について説明する。
【００２１】光源１４から出射した光は、ハーフミラー１５で反射され、レンズ１６で被検面１７に集光される。被検面１７からの反射戻り光は、レンズ１６、ハーフミラー１５を透過し、基板１上に形成されたダブルモードチャネル導波路２の入射端面３に入射する。このとき、上述したように、反射戻り光は、入射端面３の中心からダブルモードチャネル導波路２の幅方向にずれた位置に入射するよう配置されているため、この入射光によってダブルモードチャネル導波路２には、偶モードと奇モードの光が励振され、両モードの光がモード干渉をおこしながらダブルモードチャネル導波路２を伝搬する。そして、導波路分岐部５で２つのチャネル導波路６、７に分配され、それぞれ２つのチャネル導波路６、７を伝搬し、シリコンフォトダイオード１２、１３によって検出される。第１の減算回路２０は、２つのシリコンフォトダイオード１２、１３の出力の差を出力する。
【００２２】ダブルモードチャネル導波路２の長さＬは、上述したように設定されているため、ダブルモードチャネル導波路２の入射端面３における入射光の位相の非対称性を、導波路分岐部５における伝搬光の強度分布の非対称性として、選択的に検出できる。よって、第１の減算回路２０の出力は、被検面１７の変位に対して、従来の図５と同様の曲線になる。すなわち、第１の減算回路２０の出力は、被検面１７がレンズ１６の焦点位置に位置する場合には０となり、被検面１７がレンズ１６の焦点位置から変位すると、変位量に応じて出力の絶対値が大きくなる。また、被検面１７の変位の方向が上方向か下方向かにより、出力の極性が逆極性となる。よって、第１の減算回路２０の出力から、被検面１７の変位を検出することができる。
【００２３】一方、被検面１７に照射された光の一部は、被検面１７によって拡散反射される。拡散反射された光の一部は、受光レンズ１８によって２分割型シリコンフォトダイオード１９上に集光される。２分割型シリコンフォトダイオード１９は、図８に示したように、２つのフォトダイオード５４，５５を近接して配置したものである。被検面１７が上下に移動すると、それに伴い、拡散反射光が異なった角度で２分割型シリコンフォトダイオード１９上に集光されるため（図６）、２分割型シリコンフォトダイオード１９上での光スポット４９の位置が変化する。２つのフォトダイオード５４，５５に生じる電流をそれぞれｉ１，ｉ２とすると、（ｉ１−ｉ２）は、光スポット４９の重心位置に対して、図９の曲線５８のような関係にある。ただし、光スポット４９の重心位置を示すｘ軸は、図８に示すように２つのフォトダイオード５４，５５の中間を原点としている。よって、２つのフォトダイオード５４，５５の光電流の差（ｉ１−ｉ２）を第２の減算回路２１により求めることによって、２分割型シリコンフォトダイオード１９上の光スポット４９の位置すなわち、被検面１７の上下方向の変位量を知ることができる。
【００２４】このように、本実施の形態の変位計測装置では、第１の減算回路２０の出力、ならびに、第２の減算回路２１の出力それぞれによって、被検面１７の上下方向の変位量を知ることができる。このとき、第１の減算回路２０の出力と第２の減算回路２１の出力とを、横軸を被検面１７の変位量にした同じ座標軸上に同じスケールで描くと、図２のようになる。図２において、横軸は、被検面１７の上下方向の変位量で、縦軸は、信号強度である。図２からわかるように、第１の減算回路２０から得られる信号は、曲線の勾配が急で分解能が高いが、引き込み範囲が狭い。一方、第２の減算回路２１から得られる信号は、引き込み範囲が広いが、曲線の勾配が緩く分解能が低いという特徴がある。よって、本実施の形態の変位計測装置では、第１と第２の減算回路２０，２１の出力が得られるため、この２つを用いることによって、引き込み量としては、第２の減算回路２１の広い引き込み量が得られ、分解能としては、第１の減算回路２０の高い分解能をレンズ１６の焦点付近で得られる。
【００２５】具体的に、本実施の形態の変位計測装置を使用して、被検面１７の高精度位置制御を行う場合のコントローラー２２の動作について説明する。コントローラー２２には、第１および第２の減算回路２０，２１の出力が入力される。コントローラ２２は、まず、第２の減算回路２１の出力信号を用いて、第２の減算回路２１の出力が０に近づく方向に、被検面１７を上下させる。これにより、被検面１７が、第１の減算回路２０の出力信号の引き込み範囲に入るようにする。第１の減算回路２０の出力の引き込み範囲に入ったかどうかは、第１の減算回路２０の出力をモニターすることにより確認できる。
【００２６】次に、被検面１７が第１の減算回路２０の引き込み範囲に入ったところで、第１の減算回路２０の出力信号がゼロになるように被検面１７を上下させる。これにより、レンズ１６の焦点位置に被検面１７を位置決めすることができる。
【００２７】このようにすることで、広い引き込み範囲を有する第２の減算回路２１の信号を使用して、被検面１７を引き込み範囲が狭い第２の減算回路２１の引き込み範囲内に迅速に導くことができ、しかも、最終的な位置決めは、分解能が高い第１の減算回路２０の出力信号を用いておこなうことができるため、高い精度で被検面１７を位置決めすることができる。
【００２８】また、本実施の形態の変位計測装置は、導波路を用いる変位計測装置に、レンズ１８、２分割型シリコンフォトダイオード１９、第２の減算回路２１を追加するのみで、光源を追加することなく、広い引き込み範囲の出力信号を得ることができる。これは、被検面１７において、光源１４からの光の一部が拡散反射されることを利用しているためである。このように、本実施の形態の変位計測装置は、光源が単一で簡単な光学系でありながら、広い引き込み範囲で、しかも、高精度で被検面を位置決めできるという利点がある。
【００２９】なお、本実施の形態では、被検面１７がレンズ１６の焦点位置に位置するときの光スポット４９の重心が、２分割型シリコンフォトダイオード１９の２つのフォトダイオード５４、５５の中間に位置するように、光学系を位置合わせしている。そのため、図２において第２の減算回路２１の出力曲線２５のゼロ点位置が、第１の減算回路２０の出力曲線２４のゼロ点と重なっている。しかしながら、本実施の形態の変位計測装置は、必ずしも、２つの曲線のゼロ点位置が重なるように位置合わせされている必要はなく、図２の第２の減算回路２１の出力の引き込み範囲内に、第１の減算回路２０の出力の引き込み範囲が含まれていればよく、用途に応じて任意の位置にシフトさせて配置することができる。図２の第１の減算回路２０の出力に対して、第２の減算回路２１の出力をシフトさせるには、２分割フォトダイオード１９の位置を横方向にシフトさせる等の方法で実現できる。
【００３０】また、本実施の形態では、拡散反射光を検出する検出素子として、２分割型シリコンフォトダイオード１９を用いているが、これに限らず、光スポット４９のシフトが検出できる位置センサであればよい。たとえば、図７に示すポジションセンサを２分割型シリコンフォトダイオード１９に代えて使用することができる。図７に示したポジションセンサは、２つの出力電極５０，５１の間の距離を距離２Ｌ、２つの出力電極５０，５１の中点を原点として、光スポット４９の重心位置５２の原点からの距離をｘで表わすと、共通電極５３と２つの出力電極５０，５１のそれぞれとの間に流れる光電流ｉ１，ｉ２は、ｘ＝Ｌ（ｉ１−ｉ２）／（ｉ１＋ｉ２）
で表わせる。従って、ｉ１，ｉ２を測定し、コントローラ２２が上式を計算することにより、スポットの重心位置５２すなわち、被検面１７の上下方向の変位量を知ることができる。
【００３１】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、導波路を用いた高分解能な変位計測装置でありながら、引き込み範囲が広い変位計測装置を提供することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００４１１２
【氏名又は名称】株式会社ニコン
【出願日】 平成１０年（１９９８）１月１３日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】三品 岩男 （外１名）
【公開番号】 特開平１１−２０１７５１
【公開日】 平成１１年（１９９９）７月３０日
【出願番号】 特願平１０−４７５２