JPS62502991A - レ−ザ−を利用した測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 レーザーを利用し１こ測定方法および装置玖祖分！一 本発明は、物体の外法（そとのり）タリ定用のレーザーを利用した測定システム に関し、詳しくは、像影および光の干渉を用いたレーザーを利用した測定方法お よび装置に関する。

一般に、レーザーを利用した測定システムは公知であり、高精度の測定が必要な 場合や、被測定物が、感光性、高熱性、有毒性等のために触れることができない 場合にこのシステムは有効である。　光学的測定システムは大別すると２つに分 類できる。一つは、被測定物または、その背景に存在する被測定物以外のものの 表面から反射された光の映像または測定を用いるもので、電子カメラを利用した 映像システム、ビーム走査システム、光学′比較器、舵力または斜めを走る光線 を使用する輪郭を光されない光の映像または測定を用いたシステムであって、測 定用顕微鏡、後方から来る光線を用いた光学比較器、遮光方法を用いたビーム走 査システム等が挙げられる。

背景技術 先行技術には、本発明によるレーザーを利用した測定システムと同一のものはな いが、レーザーを利用した光学測定システムを開示しているものはいくつかあり 、下記にそれらを列挙する。

米国特許第３．８５６，４１２号、および第４，１９９，２５９号による光学測 定システムにおいては、レーザービームはビームスプリッタを横切って回転ミラ ーによって走査され、レーザービームの１／２は該システムの補正をめるために 用いられ、残りの１／２は定置被測定物によって遮光される。遮光されたビーム は、信号を発生する光電管へ投射され、該信号によって被測定物の直径が計算さ れる。

米国特許第４，０６３，１０３号に開示されているエレクトロンビーム露光装置 においては、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能なキャリエージ上に配置されたワー クピースにパターンが形成される。レーザー干渉計はキャリエージの移動距離を 測定するｆ二めに用いられる。また、米国特許第３，７６５，７７４号、第３． ９０５，７０５号、第４，１２９，３８４号に開示されている光学測定システム においては、定置被測定物を横切ってレーザービームが回転ミラーによって走査 される。該ビームは被測定物によって遮光され、光検出器に映像される。そして 、検出信号が被測定物のサイズを検出するのに用いられる。さらに、米国特許第 ３．７４３．４２８号に開示されている光学測定装置においては、レーザービー ムは、定置被測定物によって遮光された後、グリッドによって制御され、それに より、該ビームは、一連のパルスに分割され、回転走査ミラーによってスリット や光検出器に映像される。被測定物のサイズは、スリットを通過するパルス数を 数えることによって計算される。

前記先行技術には共通して、幾つかの欠点があり、高精度の測定ができない。す なわち、前記の装置において、フィールドが深く、そのために、検出されｆこエ ツジの輪郭が不明瞭で高精度の測定ができない。更に、被測定物をかすめて通る 光線の量が変わり、そのため高精度の測定ができないと言う欠点がある。池の欠 点として、その遮光シグネチャの幅は走査用ビームと同じ位であり、このような システムでは、ビームを正確に曲進から直進へ変換する走査変換レンズも必要で ある。

米国特許第３，７６５，７７４号、および第３，９０５．７０５号で開示されて いる装置においては、走査ミラーが一直線にならなかったり、角速度が一定しな いなどの欠点があり、正確な測定に限界がある。また、米国特許第４，１２９， ３８４号に記載の装置は、寸法測定用のデュアルビーム方法であるが、これによ ると、測定の精度はビームと関連した要素で定まる。すなわち、二つのビームの エネルギーが等しく、共に一直線をなし、左右対称性が必要である。このデュア ルビーム方法の他の欠点は、その複雑性と高価な点にある。

発明の課題 前記先行技術の装置の測定の限界性と欠点、および、詳述はしていない他の欠点 に鑑みて、改良されたレーザー測定システム、およびレーザーを利用した測定法 の提供の必要性は明らかである。それ故、本発明の第一の目的は、簡単かつ正確 なレーザーを利用した測定装置、およびその装置を用いた測定方法の提供にある 。

本発明の目的は、特に、移動光学部材の数が最小で済むレーザーを利用した測定 システムを提供することにある。また、本発明の他の目的は細かい調整を必要と する移動部材が備わっていないレーザーを利用しにθす定システムの提供にある 。更に、本発明の他の目的は、使い易く、非常に高精度の測定のできる測定方法 の提供にある。又、本発明の他の目的は、被測定物の正確な配置に手間のかから ないレーザーを利用した測定システムの提供である。更に本発明の目的は、被測 定物からのレーザービームの反射光が本システムの作動に支障を来たさないよう に被測定物がレーザービームを遮光するレーザーを利用したシステムの提供にあ る。また、本発明の別の目的はレーザービームの波長係数内で正確な測定のでき るレーザーを利用した干渉計の提供にある。

発明の開示 本発明による構成は、レーザーの干渉を利用して被測定物の外法を測定するため の方法とシステムの提供によって達成される。このシステムは、映像システムと 狭いスリットを通過して光学検出器を通して一直線に伝播するレーザービームか らなる遮光用サブシステムを備えている。

該映像システムは、被測定物に近似して拡大され、必要によっては、反転された 光のフィールドパターンのレプリカ（スリット上）を発生きせる役目を果す。リ ニヤ・トランスレータは一直線をなす第一のレーザー光線を横切って被測定物を 移動させ、その結果、光検出器へのビームの投射が被測定物で遮光される。第２ のレーザー光線はリニヤ・トランスレータ上に設けられた反射鏡で反射され、リ ニヤ・トランスレータの変位接続されたしきい域にある電子は、干渉計に接続さ れた縞吸光カウンタを始動および停止する。この縞吸光率カウンタは、干渉パタ ーン中の縞の数を数えて、第一レーザービームが遮光される期間にリニヤ・トラ ンスレータが移動した距離を正確に決定する。この縞の数のカウントは、被測定 物の直径を正確に計算するために用いられる。

本発明のシステムの作動は、被測定物をリニヤ・トランスレータ上に載置し、次 に、被測定物が前記第一のレーザー光線を横切って移動されて、このレーザー光 線を遮光する。第一の検出器は被測定物が一番最初にレーザー光線を検知する瞬 間を検出して、干渉計に信号を送信し、被測定物の移動した距離の測定を開始す る。被測定物が光線から離れると、該検出器は干渉計に信号を送り、被測定物の 移動し１こ距離の測定が終了する。該干渉計で測定された距離によって、被測定 物の移動方向の寸法が計算される。

図面の簡単な説明 前記の目的によって、本発明の利点および特徴が明らかになり、以下の詳細な説 明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面によって本発明の特質がより容易 に理解されるであろう。

第１図は本発明にかかるシステムの全体構成図、第２図は被測定物から伝播する 光波を示す三次元のグラフ、第３図は本発明のビーム遮光サブシステムにおける 光検出器の出力のグラフ、第４図は本発明の電子コンポーネントの回路構成図、 第５図は本発明の干渉計の光検出器の出力以下、付の図面を参照して本発明の実 施例について詳述するに、各図面を通じて、同一部材は同一番号で示す。第１図 は本発明によるレーザーを利用した測定システムの全体構成図である。

遮光性サブシステムｌＯと、映像サブシステム１２、および干渉計システム１４ の関係か第１図に示されており、各サブシステムは破線で示とえば従来の低電力 のヘリウム・ネオン装置である。レーザービーム１８はビームの進路を定めるレ ンズ２０と２２を通過し、−直線（規準線光ビーム）になる。該ビームの横断面 は小さい。（この横断面は以下、光学基準ゾーン（ＯＲＺ）と称する）。該０Ｒ Ｚｒ横断面」の形状はビームに垂直な平面内のビームの形状（たとえば、ｅ−２ 強度の外形）である。トランスレータ２４（ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）の表面（垂 直方向）に垂直な方向の該横断面の長さは被測定物を固定する際の精度によって 制御され、実際上、被測定物の垂直方向の不確かさよりも大きい。典型的な例と して、被測定物の近くでは、横断面は垂直方向に０．００フインチ、水平方向に ０．００１インチだけそれぞれ長い。

リニヤ・トランスレータ２４は、ビーム１８の伝播方向にほぼ垂直な方向で前後 に移動し、被測定物２６をビーム１８を横切って移動させるように構成されてい る。被測定物２６はビーム１８の通路すなわち、ＯＲＺへと移動させられるので 、ビーム１８は遮光される。

映像システム１２は、伝播したビーム１８を幅が約５マイクロメータ（５ｘｌＯ −ｓメータ）の狭い垂直なスリット３４へと直進させるレンズ２８．３０、およ びミラー３２からなる。光検出器３６はスリット３４の後方に、そこから短い距 離の所に配置され、電圧信号Ｖｔ（第３図参照）を発するように構成されている 。この電圧信号Ｖ、は、スリット３４を通過する光ビーム１８の強度を表わす。

前記構成によって、被測定物２６がＯＲＺから離れてその外側に位置する時は、 光検出器３６の出力信号Ｖ、は相対最大値を取り、また被測定物２６がＯＲＺ内 にある時は、ビーム１８は遮光されて、出力信号Ｖ。

は相対最小値を取る。このようにして、信号ｖ２によって被測定物２６がビーム １８を遮光している時間を決定することができる。リニヤ・トランスレータ２４ に向けられた干渉リニヤ測定システム１４と協働する信号Ｖ！を用いて、ビーム １８が遮光されている間に、リニヤ・トランスレータ２４が移動する距離を計算 することができる。その距離が被測定物２６の寸法である。

被測定物２６を正確に測定かるには、ＯＲＺの遮光ゾーン、すなわち、被測定物 が最初にＯＲＺゾーンに入っＴこ位置と最後に該ゾーンから出た位置を正確に映 像しなければならない。遮光ゾーンの映像は、移動中の被測定物２６の表面によ る遮光によって遮断されて形成された所の一つの移動する明から暗への転換領域 、すなわち、影の領域である。この遮光ゾーンには、映像システム１２に向かっ て摂動せずに進む光線と、被測定物２６から反射された光線とが含まれる。摂動 を起こさない光と反射光は重畳して、空間に存在する高度の空間凝縮性（ｓｐａ ｔｉａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ）による干渉パターンを形成する。

第２図を参照するに、被測定物が最初に入ったＯＲＺ点を含む伝播軸５４（すな わち、ビーム１８の伝播の方向軸）に垂直な遮光ゾーンにおける平面は、その中 で被測定物規準平面５６（ＯＲＰ）と定められる。前記ＯＲＰにおいて、光の分 配は、被測定物２６の完全な幾何学的な影と一致する光の強度として、「ステッ プ」の変化６２を生じる。光がこの平面から伝播すると、影の境界線は回折のた めにわずかに広がる（第２図のライン６４および６Ｂ参照）。実際には、平面を ＯＲＰの少し前方で映像することにより、被測定物の部分の寸法を正確に、繰り 返し測定できることが見出された。前記典型的な例として、ＯＲＰの約０．００ ２インチ前方で平面（被測定物平面）を映像（ｉｍａｇｉｎｇ）することによっ て、１インチの土５ミリオンスまで正確に測定することができる。

映像システム１２によって、回折に限界があり、高解像度（ミリミータにつき２ ００サイクル）を有し、被測定物の平面において、拡大された光のフィールド分 散のレプリカ（ｒｅｐｌｉｃａ）が生じる。映像（レプリカ）平面はスリット３ ４の平面と一致する。被測定物から伝播されたビームがスリットを通過すると、 その映像は拡大率だけ実効値が下がる。これにより、被測定物の平面の小さい領 域のサンプリングが可能となる。たとえば、回折係数１５の場合、５マイクロメ ータ（５ｘｌＯ−’メータ）のスリットによって１０マイクロインチの幅の領域 がサンプリングされる。

この映像方法によって幅２００万分の１インチもの狭い特ｍ（ｓｉｇｎａｔａｒ ｅ）が生じ、高精度の測定が可能となる。スリットの長さは、被測定物の垂直方 向の移動を許容できるように構成されている。

このように、信号Ｖ、は、スリット３４の後方で光検出器３６によって検出され た映像平面での光の強度を表わす。特徴信号Ｖｔ（第３図参照）と関連したしき い値電圧ＶＨを調整することによって、しきい値点間で測定したの距離は、実際 の寸法とは少し変わる場合がある。被測定物の寸法を決定するために用いられる ＶＨのレベルは計算によって確定できるが、既知のサイズの被測定物２６で本装 置の補正によってもさらに容易に確定できる。

このシステムの補正の一方法は、しきい値点間で測定された距離が被・測定物の 寸法と完全に一致するようにＶｌ（を選択することによってできる。この補正方 法以外に、測定されたしきい値点間の距離が既知の量によって被測定物の寸法か ら偏移するようにＶＨを選択する方法がある。

シグナルＶ、は、第１図に図示されたレーザー３８、お上び光学システムからな る干渉システム１４と協働して用いられる。レーザー３８は、周波数の安定した 低パワーレーザーで、たとえば、シングル縦方向モードにおいて作動するヘリウ ム・ネオンデバイスである。そのレーザー３８の出力は、ミラー４２で反射され 、ビーム・スプリッタ４４へ投射されたビーム４０からなる。ビーム４０の半分 はリニヤ・トランスレータ２４へ向って偏向する。残りの半分は、ビーム・スプ リッタ４４を貫通し、ミラー４６と第２ヒーム・スプリッタ４８で反射され、そ の後、光検出器５０へ投射される。ビーム・スプリッタ４４によって偏移を受け ｆ二光線部分４０は、リニヤ・トランスレータ２４上に設けられた立方体角プリ ズム反射鏡５２からミラー５４へ入射方向と同じ方向に反射され、このミラー５ ４から光検出器５０へ反射される。

ビーム４０の半分は、それぞれ重畳されて、検出器５０で干渉パターンが形成さ れる。従来の干渉計でも充分、リニヤ・トランスレータの移動距離を正確に決定 することができる。トランスレータ２４の振動によって引き起こされたノイズを 減少するために、被測定物２６がビーム１８を遮光している間、トランスレータ を一定の速度で維持することが重要である。

第４図を参照して電子回路の種々のコンポーネントの作動を説明する。

光検出器３６は増幅器６８によって増幅され、しきい回路７ｏを介して伝達され るシグナル■、を発生する。このようなしきい回路は公知であって、Ａ’４　Ｅ ｌのようにシグナルＶ、がＶＨ以下に下がる時期を決定するために用いられる。

しきい回路７０の出力は、干渉計の縞吸光カウンタ８２を制御するために用いら れる。光検出器５０から出力されたシグナル■１は、光検出器５０へ投射された 光を表わし、該シグナル■、は増幅器７２によって増幅される（第５図参照）。

シグナルＶ、は、次に、ＤＣ残留偏差を除去する高域フィルタ７４を通過する（ 第６図の一番上のグラフ参照）。シグナル■、は次に、シュミット・トリガ回路 ７６を通過する。この時、該シュミット・トリガ回路７６から方形波シグナルＶ 、が発生する（第６図参照）。

この方形波シグナルＶ３の波長は、約１２．５マイクロインチ（１２，５ｘｌＯ −８インチ）の入力シグナルｖＩの波長に等しい。入力シグナルＶＩの波長は、 レーザー３８の波長の半分に、百万分の−の精度で等しく、かつ、それが温度、 および大気圧の変化に対して補正される。

干渉計の分解能力は波長の約半分に制限されているので、シグナル■。

は、周波数逓倍用のフェーズ・ロック・ループ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋ　Ｌｏｏ ｐ／ＰＬＬ）回路を通過して、周波数が増加する。この逓倍回路にはＰ　Ｌ　Ｌ 回路７８が備わっている。この回路は、たとえばエクサ（Ｅ　ｘａｒ）によって 製造された従来のＸＲ２１ｓである。前記逓倍回路は、更に周波数ディバイダ８ ０、たとえば標準７４ＬＳ９３回路がＰＬＬ回路の帰還ループ内に設けられてい る。前記Ｐ　Ｌ　Ｌ回路は、帰還制御システムとして用いられ、これにより、ト ランスレータ２４の速度が一定に保たれる。

ＰＬＬ回路の出力ｖ４は、方形波であって、その周波数はディバイダ８０の周波 数ディビジョン係数に等しい係数で増倍したものである。この回路の特徴は、周 波数を増倍することだけでなく、位相同期またはエツジ同期（ｌｏｃｋｉｎｇ） にある。これにより、各正遷移またはＶ４のエツジの大きさが入力波の波長の１ ／８（８増倍の場合）で表わされる。こう言う訳で、各立上がりエツジがデジタ ル・カウンタによるカウントで可能になり、かつ、トランスレータ２４の移動距 離の約１．５６マイクロインチを表わすことになる。前記ＰＬＬ回路の出力Ｖ、 は、次に７４ＬＳＩ６１のようなデジタル・カウンタ８２へ向かう。萌５己デジ タル・カウンタ８２は、しきい回路７０によって起動させられた時、■４の正遷 移をカウントする。直径計算器８４は、次にフリンジ・カウント（ｆｒｉｎｇｅ 　ｃｏｕｎｔ）を、被測定物２６の真の寸法を表わす数字に変換するのに用いら れる。

次に操作法について述べる。被測定物２６はリニヤ・トランスレータ２４上に置 かれ、被測定物２６は、次に、第１のレーザービームを横切って該ビームを遮光 するように移動する。第１光検出器３６は、ビームが被測定物２６によって遮光 される最初の瞬間を検出して、干渉計に信号を送り、それにより、干渉計は被測 定物の移動距離の測定を開始する。

被測定物２６がビームから離れると、光検出器３６は干渉計に信号を送り、その 信号に従って干渉計は被測定物の移動距離の測定を終了する。

このようにして、実際に測定された距離から被測定物２６の移動した方向の距離 が計算される。

前記の実施例に限定されることなく、本発明の精神と範囲を逸脱することなしに 、添付の特許請求の範囲において限定した以外は、本発明の多くの変更態様が可 能なことは前述に徴して明らかである。

手続補正書（７１ｉ′幻 咽−称＝＝−箒悸昨願第−＝＝；−一−−峙ＰＣＴ／ＵＳ　８６１００８０５ ２、発明の名称 レーザーを利用した測定方法および装置３　補正をする者 住所　〒５４０　大阪府大阪市東区域見２丁目１番６１号６　補正の対象 ７、補正の内容 （１）特許法第１８４条の５第１項の規定による書面の国際番号の欄、別紙のと おり、ｒＰｃＴ／ＬＩＳ　８６１００８０６ｊを：”ＰＣＴ／ＵＳ８６１００８ ０５ｊに訂正します。

同書面の発明者及び特許出願人の欄：別紙の通り。

（２）委任状及び翻訳文：　別紙の通り。

以上 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）レーザービームを供給し、被測定物を移動させ、被測定物で前記ビームを遮 光し、被測定物に隣接する平面を光検出器に映像することによってビームが遮光 されるのを検出し、被測定物がビームを遮光している間に被測定物の移動距離を 測定し、被測定物の移動した距離に基づいて被測定物の移動方向に被測定物の寸 法を計算する各工程からなる測定方法。 ２）前記ビームの伝播方向に対し横断方向にビーム中を、リニヤ・トランスレー タ上で被測定物が移動することによってビームが遮光される請求の範囲第１項に 記載の方法。 ３）さらに、検出された光の強度に比例した電圧信号を発する光検出器でビーム を測定し、電圧信号がしきい電圧を横切る時期を決定し、電圧信号がしきい電圧 以下である場合にのみ被測定物の移動距離を測るように被測定物の移動距離を測 定する手段を制御する各工程を付加してなる請求の範囲第２項に記載の測定方法 。 ４）さらに、測定距離が被測定物の正しい寸法を出すように寸法の分っている被 測定物でビームを遮光し、しきい電圧を設定することによってしきい電圧の目盛 定めをする工程を付加してなる請求の範囲第３項に記載の測定方法。 ５）前記リニヤ・トランスレータから反射されたビームをローカル発振器のビー ムと重畳し、干渉パターンにおける変化を干渉計で測定して干渉パターンを形成 することによって被測定物の移動距離を測定する請求の範囲第２項に記載の測定 方法。 ６）さらに、被測定物の移動を位相同期ループ回路で制御する工程を付加してな る請求の範囲第２項に記載の測定方法。 ７）さらに、ビームが被測定物で遮光される時期を決定するために前記光検出器 から伝達された信号をしきい電子に当てる工程を付加してなる請求の範囲第５項 に記載の測定方法。 ８）レーザービームを供給し、ビームを遮光するためにリニヤ・トランスレータ でビーム中に被測定物を移動させ、ビームが遮光される時期を決定するためにビ ームを測定し、リニヤ・トランスレータから反射されたビームとローカル発振器 のビームとを重畳することによって干渉パターンを形成し、干渉パターン中の変 化を干渉計で測定することによって被測定物がビームを遮光している間被測定物 が移動した距離を決定し、被測定物が移動した距離に基づいて被測定物の移動方 向において被測定物の寸法を計算する各工程からなる測定方法。 ９）前記高分解能および干渉が制限された映像システムで被測定物に隣接した平 面を映像することによってビームの測定が行なわれる請求の範囲第８項に記載の 測定方法。 １０）前記平面が被測定物の移動する平面の約０．００２インチ前方にある請求 の範囲第９項に記載の測定方法。 １１）前記平面が垂直方向のスリットを備えた平面に映像される請求の範囲第９ 項に記載の測定方法。 １２）前記測定手段が垂直方向のスリットを用いてレーザービームをサンプリン グする請求の範囲第８項に記載の測定方法。 １３）前記測定手段がビームの横断面を備えた平面を垂直方向のスリットを備え た第二の平面に映像することからなる請求の範囲第８項に記載の測定方法。 １４）レーザービームと、ビームを測定する手段と、被測定物を移動させ、ビー ムを遮光する手段と、被測定物がビームを遮光している間に被測定物が移動した 距離を決定する手段と、被測定物の移動した距離に基づいてその移動方向におい て被測定物の寸法を計算するための手段とからなる測定装置。 １５）前記測定手段が前記移動手段に隣接した平面を垂直方向のスリットに映像 するための高分解能を有し、回折の制限された映像システム、および、映像され た平面を検知する光検出器とからなる請求の範囲第１４項に記載の測定装置。 １６）前記距離決定手段が、前記移動手段から反射された第二のビームとローカ ル発振器のビームとを重畳することによって干渉パターンを形成する手段、およ び、前記干渉パターンにおける変化を測定する干渉計とからなる請求の範囲第１ ５項に記載の測定装置。 １７）さらに、前記測定装置が、前記干渉手段を制御するための前記光検出器に よって発生された信号を用いる手段を付設してなる請求の範囲第１６項に記載の 測定装置。