DE102011052995A1

DE102011052995A1 - Verlagerungserfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011052995A1
Application number: DE102011052995A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Kuroda
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-03-01
Also published as: JP5618898B2; US20120050748A1; US9175987B2; JP2012073222A

Abstract

Eine Verlagerungserfassungsvorrichtung (1) enthält ein Einstrahlungsoptiksystem (2), ein Interferenzoptiksystem (3), einen Lichtempfangsabschnitt (4) und einen Verlagerungserfassungsabschnitt (5). Das Einstrahlungsoptiksystem (2) veranlasst, dass zwei Lichtbündel (A1, B1) auf ein Beugungsgitter (100) jeweils unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu einer X-Richtung, entlang der die Gitterstrukturen des Beugungsgitters (100) periodisch angeordnet sind, einfallen. Das Interferenzoptiksystem (3) veranlasst, dass zwei gebeugte Lichtstrahlen (A3, B3) M. Ordnung der jeweiligen auf das Beugungsgitter einfallenden Lichtbündel (A1, B1) miteinander interferieren, um Interferenzlicht zu erzeugen. Der Lichtempfangsabschnitt (4) empfängt das Interferenzlicht und erfasst ein Interferenzsignal. Der Verlagerungserfassungsabschnitt erfasst anhand der Änderung des Interferenzsignals eine vertikale Verlagerung einer Oberfläche, auf der das Beugungsgitter angeordnet ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung enthält einen Gegenstand, der mit den japanischen Patentanmeldungen Nr. JP 2010-194995 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 31. August 2010, und JP 2011-106686 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 11. Mai 2011, deren gesamte Inhalte hier durch Bezugnahme mit ausgenommen sind, in Beziehung steht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verlagerungserfassungsvorrichtung, die für das Erfassen der Verlagerung in einer Richtung senkrecht zu einer Oberfläche mit einem darauf angeordneten Beugungsgitter unter Verwendung der Interferenz von Licht ausgelegt ist.
Beschreibung des verwandten Gebiets:
Herkömmlich werden Verlagerungserfassungsvorrichtungen zum Erfassen der Verlagerung in einer Richtung senkrecht zu einer zu messenden Oberfläche umfassend verwendet. Ein Beispiel solcher Verlagerungserfassungsvorrichtungen ist in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H06-241728 beschrieben. In der in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H06-241728 beschriebenen Verlagerungserfassungsvorrichtung werden zwei Paare monochromatischer Lichtstrahlen verwendet, wobei jedes Paar zwei monochromatische Lichtstrahlen mit geringfügig voneinander verschiedenen Frequenzen enthält. Die zwei Lichtbündel jedes Paars fallen auf ein Beugungsgitter eines ersten Gegenstands und auf ein Beugungsgitter eines zweiten Gegenstands ein. Die zwei Lichtbündel weisen auf beiden Seiten der optischen Achse voneinander verschiedene Einfallswinkel auf, wobei die Einfallsrichtungen der zwei Lichtbündel in Bezug auf die optische Achse zueinander asymmetrisch sind. Die zwei Paare sind auf beiden Seiten der optischen Achse umkehrsymmetrisch zueinander.
Nachfolgend werden von zwei zueinander symmetrischen Positionen auf beiden Seiten der optischen Achse zwei oder mehr gebeugte Lichtbündel entnommen, die der Lichtüberlagerungsinterferenz ausgesetzt waren. Somit werden anhand der Änderung der optischen Wegdifferenz, die wegen einer Lageabweichung in einer X-Richtung parallel zu einer Oberfläche mit zwei darauf angeordneten Beugungsgittern und einer Lageabweichung in eine Z-Richtung senkrecht zu der Oberfläche mit zwei darauf angeordneten Beugungsgittern erzeugt wird, die Phasen φxz, φxz' der Lichtüberlagerungs-Erfassungssignale erfasst. Ferner werden anhand der Summe und der Differenz des Ausdrucks der Phase φxz und des Ausdrucks der Phase φxz' zweidimensionale Phasenänderungen φx, φz der zwei Gegenstände in der X-Richtung und in der Z-Richtung berechnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Da allerdings in der in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H06-241728 beschriebenen Verlagerungserfassungsvorrichtung Verlagerungsinformationen zweier Richtungen als Phase gleichzeitig in den Lichtüberlagerungs-Erfassungssignalen enthalten sind, muss ein neues Rechenmittel hinzugefügt werden, um nur die Verlagerung in der Z-Richtung zu erfassen. Somit wird die Verarbeitungsschaltung kompliziert und werden die Ansprechgeschwindigkeit und die Auflösung in Bezug auf die Erfassung verringert.
Angesichts der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verlagerungserfassungsvorrichtung vorzuschlagen, die in der Lage ist, nur die Verlagerung in einer Richtung senkrecht zu einer Fläche zu erfassen, auf der ein Beugungsgitter angeordnet ist.
Zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe enthält eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Einstrahlungsoptiksystem, ein Interferenzoptiksystem, einen Lichtempfangsabschnitt und einen Verlagerungserfassungsabschnitt. Das Einstrahlungsoptiksystem veranlasst, dass zwei Lichtbündel auf ein Beugungsgitter jeweils unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu einer Richtung, entlang der Gitterstrukturen des Beugungsgitters periodisch angeordnet sind, einfallen. Das Interferenzoptiksystem veranlasst, dass gebeugte Lichtstrahlen M. Ordnung der jeweiligen auf das Beugungsgitter einfallenden Lichtbündel miteinander interferieren, um einen Interferenzlichtstrahl zu erzeugen. Der Lichtempfangsabschnitt empfängt das Interferenzlicht, um ein Interferenzsignal zu erfassen. Der Verlagerungserfassungsabschnitt erfasst anhand der Änderung des Interferenzsignals eine vertikale Verlagerung einer Oberfläche, auf der das Beugungsgitter angeordnet ist.
In der oben erwähnten Verlagerungserfassungsvorrichtung veranlasst das Einstrahlungsoptiksystem, dass zwei Lichtbündel jeweils unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der Richtung, entlang der Gitterstrukturen des Beugungsgitters periodisch angeordnet sind, auf das Beugungsgitter einfallen. Bei dieser Anordnung sind die Phasenänderungen der gebeugten Lichtstrahlen der jeweils auf das Beugungsgitter einfallenden Lichtbündel M. Ordnung phasengleich, selbst wenn sich das Beugungsgitter in der Richtung (einer X-Richtung), entlang der die Gitterstrukturen periodisch angeordnet sind, bewegt. Somit ändert sich das Interferenzsignal, das dadurch erhalten wird, dass die gebeugten Lichtstrahlen M. Ordnung der jeweiligen Lichtbündel miteinander interferieren gelassen werden, nicht.
Andererseits ändert sich die geometrische optische Weglänge der zwei Lichtbündel, wenn sich die Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in der vertikalen Richtung (einer Z-Richtung) bewegt, sodass die gebeugten Lichtstrahlen M. Ordnung der jeweiligen Lichtbündel phasenverschoben werden. Da zu dieser Zeit die gebeugten Lichtstrahlen M. Ordnung der jeweiligen Lichtbündel um unterschiedliche Beträge gegeneinander phasenverschoben sind, ändert sich das Interferenzsignal, das dadurch erhalten wird, dass die gebeugten Lichtstrahlen M. Ordnung der jeweiligen Lichtbündel miteinander interferieren gelassen werden. Da die Änderung des Interferenzsignals proportional zu der Verlagerung der Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in der Z-Richtung erfolgt, kann die Verlagerung der Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in der Z-Richtung anhand der Änderung des Interferenzsignals erfasst werden.
Ferner können in der oben erwähnten Verlagerungserfassungsvorrichtung zwei Lichtbündel verwendet werden, um nur die vertikale Verlagerung der Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter zu erfassen. Somit ist zum Auslöschen der Änderung der Interferenzsignale, die durch die Verlagerung in der X-Richtung verursacht werden, anstelle zweier Gitterinterferometer, wie es in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H06-241728 beschrieben ist, nur ein Gitterinterferometer erforderlich. Somit kann die Anzahl der Bauelemente verringert werden und kann die Größe der Vorrichtung verringert werden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann nur die vertikale Verlagerung der Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter leicht erfasst werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A und 1B sind Ansichten, die ein erstes konkretes Beispiel eines Beugungsgitters zeigen;
2A und 2B sind Ansichten zur Erläuterung der Definitionen des ”Beugungswinkels” und der ”Beugungsordnung”;
3 ist eine Ansicht, die ein erstes Beispiel eines einfallenden Lichtstrahls und eines gebeugten Lichtstrahls in einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine Ansicht, die den optischen Weg des einfallenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls zeigt, wenn sich eine Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in der vertikalen Richtung gegenüber dem in 3 gezeigten Zustand bewegt hat;
5 ist eine Ansicht, die ein zweites Beispiel des einfaltenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine Ansicht, die den optischen Weg des einfallenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls zeigt, wenn sich die Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in der vertikalen Richtung gegenüber dem in 5 gezeigten Zustand bewegt hat;
7 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Ansicht, die einen ersten einfallenden Lichtstrahl und einen zweiten einfallenden Lichtstrahl in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Ansicht, die einen ersten gebeugten Lichtstrahl in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist eine Ansicht, die einen zweiten gebeugten Lichtstrahl in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine Ansicht, die die Neigung der Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in Nickrichtung oder in Azimutrichtung, zeigt;
13 ist eine graphische Darstellung, die ein in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugtes Interferenzsignal zeigt;
14 ist eine graphische Darstellung, die den Erfassungsfehler zeigt, der erzeugt wird, falls die Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in Nickrichtung geneigt ist;
15 ist eine graphische Darstellung, die den Erfassungsfehler zeigt, der erzeugt wird, falls die Oberfläche mit dem darauf angeordneten Beugungsgitter in Azimutrichtung geneigt ist;
16 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ist eine Ansicht, die die Einfallslage des einfallenden Lichts in einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
19A und 19B sind Ansichten, die die Superposition der gebeugten Lichtstrahlen in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
20 ist eine Ansicht, die die Fehlausrichtung der Superposition der gebeugten Lichtstrahlen auf einer in 19B gezeigten Fläche E zeigt;
21 ist eine Ansicht, die die Fehlausrichtung der Superposition der gebeugten Lichtstrahlen auf einer in 19B gezeigten Lichtempfangsfläche zeigt;
22 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
23A und 23B sind Ansichten, die die Superposition der gebeugten Lichtstrahlen in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
24 ist eine Ansicht, die die Fehlausrichtung der Superposition der gebeugten Lichtstrahlen auf einem in 23A und 23B gezeigten Blendenglied zeigt;
25 ist eine Ansicht, die die Superposition der gebeugten Lichtstrahlen auf der in 23A und 23B gezeigten Lichtempfangsfläche zeigt;
26A und 26B sind Ansichten, die Änderungen des Blendenglieds der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
27A bis 27C sind Ansichten, die Beispiele einer Lichtempfangsfläche eines Lichtempfangsabschnitts einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
28A und 28B sind Ansichten, die die Fehlausrichtung der gebeugten Lichtstrahlen in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, falls das Beugungsgitter in der Nickrichtung gedreht ist;
29 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
30 ist eine Ansicht, die die Lage eines Abbildungsoptiksystems in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
31 ist eine Ansicht, die ein zweites konkretes Beispiel des Beugungsgitters zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden anhand von 1A bis 31 die bevorzugten Ausführungsformen zur Verwirklichung der Verlagerungserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es wird angemerkt, dass in der Zeichnung gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
<Beugungsgitter>
Zunächst wird anhand von 1A bis 1B ein auf einer zu messenden Oberfläche angeordnetes Beugungsgitter 100 beschrieben.
1A ist eine Draufsicht, die ein erstes konkretes Beispiel des auf der zu messenden Oberfläche angeordneten Beugungsgitters 100 zeigt. 1B ist eine Seitenansicht, die das erste konkrete Beispiel des Beugungsgitters 100 zeigt.
Das in 1A und 1B gezeigte Beugungsgitter 100 ist auf der zu messenden Oberfläche angeordnet und ist durch periodisches Anordnen einer Oberflächenreliefprofil-Gitterstruktur entlang einer vorgegebenen Richtung gebildet. Im Folgenden ist die Richtung, entlang der die Gitterstrukturen periodisch angeordnet sind, als eine ”X-Richtung” definiert und ist die Gitterkonstante ”A”. Ferner ist die Oberfläche, auf der das Beugungsgitter 100 angeordnet ist, als eine ”Gitteroberfläche” bezeichnet.
<Definition des Beugungswinkels und der Beugungsordnung>
Nachfolgend werden anhand von 2A und 2B die Definitionen des ”Beugungswinkels” und der ”Beugungsordnung” beschrieben.
2A und 2B sind Ansichten zur Erläuterungen der Definitionen des ”Beugungswinkels” und der ”Beugungsordnung” eines gebeugten Lichtstrahls.
Wie in 2A und 2B gezeigt ist, ist in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ein Einfallswinkel θ zwischen einer Normalen N der Gitteroberfläche, auf der das Beugungsgitter angeordnet ist, und einem einfallenden Lichtstrahl konstant positiv (+). Es ist definiert, dass ein gebeugter Lichtstrahl, der zu der Seite des einfallenden Lichts mit der Normalen N als die Referenz gebeugt wird, ein gebeugter Lichtstrahl ”+”-Ordnung ist und der Beugungswinkel θ_n dieses gebeugten Lichtstrahls positiv ist (+) ist. Ferner ist definiert, dass ein gebeugter Lichtstrahl, der zu der Seite, die der Seite des einfallenden Lichtstrahls gegenüberliegt, mit der Normalen N als die Referenz gebeugt wird, ein gebeugter Lichtstrahl ”–”-Ordnung ist und dass der Beugungswinkel θ_n dieses gebeugten Lichtstrahls negativ ist (–).
Der Einfallswinkel θ und der Beugungswinkel θ_n genügen der folgenden Gleichung.

λ₀:: Wellenlänge des einfallenden Lichts
m:: Beugungsordnung
Λ:: Gitterkonstante des Beugungsgitters (Periode der periodischen Struktur)
n:: Brechungsindex des Mediums

<Grundprinzip der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird anhand von 3 bis 5 das Grundprinzip der Verlagerungserfassungsvorrichtung beschrieben.
3 ist eine Ansicht, die ein erstes Beispiel des einfallenden Lichts und des gebeugten Lichts in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. 4 ist eine Ansicht, die die optischen Wege des einfallenden Lichts und des gebeugten Lichts zeigt, wenn sich die in 3 gezeigte Gitteroberfläche in der vertikalen Richtung bewegt hat.
Eine in 3 gezeigte virtuelle Ebene F1 liegt senkrecht zu einer Geraden S, die in der X-Richtung verläuft, entlang der die Gitterstrukturen des Beugungsgitters periodisch angeordnet sind. Eine in 3 gezeigte virtuelle Ebene F2 ist eine Ebene senkrecht zu der virtuellen Ebene F1, wobei die virtuelle Ebene F2 die Gerade S enthält. Die Linie, bei der sich die virtuelle Ebene F1 und die virtuelle Ebene F2 schneiden, ist die Normale N der Gitteroberfläche. Ferner ist das in 3 gezeigte Beugungsgitter ein Reflexionsbeugungsgitter.
Die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 fallen unter Winkeln θ_A bzw. θ_B von entgegengesetzten Richtungen in Bezug auf die virtuelle Ebene F1 im Wesentlichen an demselben Punkt auf das Beugungsgitter ein. Die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 werden durch das Beugungsgitter so gebeugt, dass ein gebeugter Lichtstrahl A2 +m. Ordnung des einfallenden Lichtstrahls A1 und ein gebeugter Lichtstrahl B2 –m. Ordnung des einfallenden Lichtstrahls B1 erzeugt werden. Wenn sich die Gitteroberfläche um eine Strecke x in der (+)X-Richtung bewegt, die entlang der Geraden S verläuft, werden eine Amplitude E_A des gebeugten Lichtstrahls A2 und eine Amplitude E_B des gebeugten Lichtstrahls B2 durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt, wobei ”A” die maximale Amplitude des gebeugten Lichtstrahls A2 repräsentiert und ”B” die maximale Amplitude des gebeugten Lichtstrahls B2 repräsentiert. E_A = Acos(–mKx + δ_A) (2) E_B = Bcos(–mKx + δ_B) (3) K = 2π/Λ

δ_A, δ_B:: Anfangsphasen

Aus den Gleichungen (2) und (3) kann entnommen werden, dass die Phasenänderung des gebeugten Lichtstrahls A2 und die Phasenänderung des gebeugten Lichtstrahls B2 selbst dann, wenn sich die Gitteroberfläche um eine Strecke x in der (+)X-Richtung bewegt, die entlang der Geraden S verläuft, zueinander phasengleich sind. Somit kann entnommen werden, dass sich das Interferenzsignal überhaupt nicht ändert, selbst wenn der gebeugte Lichtstrahl A2 und der gebeugte Lichtstrahl B2 miteinander zur Interferenz gebracht werden.
Wenn sich die Gitteroberfläche wie in 4 gezeigt entlang der Normalen N um eine Strecke z in der (+)Z-Richtung bewegt, bewegt sich der Einfallspunkt des einfallenden Lichts A1 auf der Gitteroberfläche um eine Strecke ztanθ_A in der (+)X-Richtung. Andererseits bewegt sich der Einfallspunkt des einfallenden Lichts B1 auf der Gitteroberfläche um eine Strecke ztanθ_B in der (–)X-Richtung. Da in dem gebeugten Lichtstrahl A2 und in dem gebeugten Lichtstrahl B2 eine Änderung ΔLA der geometrischen optischen Weglänge und eine Änderung ΔLB der geometrischen optischen Weglänge verursacht werden, werden der gebeugte Lichtstrahl A2 und der gebeugte Lichtstrahl B2 ferner zu einem gebeugten Lichtstrahl A2 und zu einem gebeugten Lichtstrahl B2'. Die Amplituden E_A und E_B der gebeugten Lichtstrahlen A2' und B2' werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt.
Wenn die gebeugten Lichtstrahlen A2' und B2' gemischt werden, damit sie zur Interferenz gebracht werden, wird ferner die Intensität I des Interferenzsignals durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Gleichung (6) kann entnommen werden, dass die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung als Änderung des Interferenzsignals erfasst werden kann. Ferner wird ΔLA–ΔLB durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

θ'_A:: Beugungswinkel des gebeugten Lichtstrahls A
θ'_B:: Beugungswinkel des gebeugten Lichtstrahls B

Gleichung (7) kann entnommen werden, dass die Phasenänderung proportional zu der Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung ist.
5 ist eine Ansicht, die ein zweites Beispiel des einfallenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt. 6 ist eine Ansicht, die die optischen Wege des einfallenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls zeigt, wenn sich die in 5 gezeigte Gitteroberfläche in der vertikalen Richtung bewegt hat.
In dem zweiten Beispiel des einfallenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls fallen die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 unter den Winkeln θ_A, θ_B im Wesentlichen an demselben Punkt des Beugungsgitters von einer Seite (d. h. von derselben Seite) der virtuellen Ebene F1 ein. Die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 werden durch das Beugungsgitter gebeugt, sodass ein gebeugter Lichtstrahl A2 +m.-Ordnung des einfallenden Lichtstrahls A1 und ein gebeugter Lichtstrahl B2 +m. Ordnung des einfallenden Lichtstrahls B1 erzeugt werden. Selbst wenn sich die Gitteroberfläche in der (+)X-Richtung bewegt, die entlang der Geraden S verläuft, sind in diesem Fall ähnlich dem ersten Beispiel die Phasenänderung des gebeugten Lichtstrahls A2 und die Phasenänderung des gebeugten Lichtstrahls B2 zueinander phasengleich, sodass sich das Interferenzsignal überhaupt nicht ändert.
Wenn sich die Gitteroberfläche wie in 6 gezeigt um eine Strecke z entlang der Normalen N in der (+)Z-Richtung bewegt, bewegt sich der Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls A1 auf der Gitteroberfläche um eine Strecke ztanθ_A in der (+)X-Richtung. Andererseits bewegt sich der Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls B1 auf der Gitteroberfläche um eine Strecke ztanθ_B in der (+)X-Richtung. Ferner werden in dem gebeugten Lichtstrahl A2 und in dem gebeugten Lichtstrahl B2 eine Änderung ΔLA der geometrischen optischen Weglänge bzw. eine Änderung ΔLB der geometrischen optischen Weglänge verursacht, sodass der gebeugte Lichtstrahl A2 und der gebeugte Lichtstrahl B2 zu einem gebeugten Lichtstrahl A2' bzw. zu einem gebeugten Lichtstrahl B2 werden. Die Amplituden E_A und E_B der gebeugten Lichtstrahlen A2' und B2' werden jeweils durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt.
Ferner wird die Intensität I des Interferenzsignals durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wenn die gebeugten Lichtstrahlen A2 und B2' gemischt werden, damit sie zur Interferenz gebracht werden.
Aus Gleichung (10) kann entnommen werden, dass eine Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung als die Änderung des Interferenzsignals erfasst werden kann. Ferner wird ΔLA–ΔLB durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Aus Gleichung (11) kann entnommen werden, dass die Phasenänderung proportional zu der Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung ist. Wie unter Verwendung der obigen zwei Beispiele beschrieben wurde, ändert sich das Interferenzsignal, wenn sich die Gitteroberfläche in der vertikalen Richtung (d. h. in der Z-Richtung) bewegt hat, dadurch dass zwei Lichtbündel unter unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der X-Richtung auf das Beugungsgitter einfallen gelassen werden. Ferner ist die Änderung des Interferenzsignals proportional zu der Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung. Im Ergebnis kann die vertikale Verlagerung der Gitteroberfläche anhand der Änderung des Interferenzsignals erfasst werden.
Übrigens enthält der gebeugte Lichtstrahl M.-Ordnung in der vorliegenden Erfindung einen gebeugten Lichtstrahl +m. Ordnung und einen gebeugten Lichtstrahl –m. Ordnung. Mit anderen Worten, als das erste Beispiel des einfallenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls (siehe 3 und 4), ist der gebeugte Lichtstrahl M. Ordnung eine Kombination eines gebeugten Lichtstrahls m. Ordnung und eines gebeugten Lichtstrahls –m. Ordnung, falls die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 aus entgegengesetzten Richtungen in Bezug auf die Normale N der Gitteroberfläche einfallen. Ferner ist als das zweite Beispiel des einfallenden Lichtstrahls und des gebeugten Lichtstrahls (siehe 5 und 6) der gebeugte Lichtstrahl M. Ordnung eine Kombination zweier gebeugter Lichtstrahlen +m. Ordnung oder eine Kombination zweier gebeugter Lichtstrahlen –m. Ordnung, falls die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 von derselben Seite der Normalen N der Gitteroberfläche einfallen.
Somit muss die Verlagerungserfassungsvorrichtung mit einem Einstrahlungsoptiksystem versehen sein, das so ausgelegt ist, dass es veranlasst, dass zwei Lichtstrahlen jeweils unter unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Richtung, entlang der die Gitterstrukturen des Beugungsgitters periodisch angeordnet sind, auf das Beugungsgitter einfallen. Ferner ist die Verlagerungserfassungsvorrichtung außerdem mit einem Interferenzoptiksystem, um die auf das Beugungsgitter einfallenden gebeugten Lichtstrahlen M. Ordnung der zwei Lichtbündel so miteinander interferieren zu lassen, dass sie einen Interferenzlichtstrahl erzeugen, mit einem Lichteinfallsabschnitt zum Empfangen des Interferenzlichts zum Erfassen des Interferenzsignals und mit einem Verlagerungserfassungsabschnitt zum Erfassen der vertikalen Verlagerung der Gitteroberfläche anhand der Änderung des Interferenzsignals versehen.
<Erste Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird anhand von 7 eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
7 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in 7 gezeigt ist, enthält die Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 ein Einstrahlungsoptiksystem 2, ein Interferenzoptiksystem 3, einen Lichtempfangsabschnitt 4, einen Verlagerungserfassungsabschnitt 5, zwei Lambda-Viertel-Plättchen 7, 8 und zwei Spiegel 9, 10. Ferner ist auf einer zu messenden Oberfläche (d. h. auf einer Gitteroberfläche) ein Reflexionsbeugungsgitter 100 angeordnet.
Das Einstrahlungsoptiksystem 2 veranlasst, dass zwei Lichtbündel jeweils von entgegengesetzten Richtungen in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der X-Richtung, entlang der die Gitterstrukturen des Beugungsgitters 100 periodisch angeordnet sind, auf das Beugungsgitter 100 einfallen. Das Einstrahlungsoptiksystem 2 enthält eine Lichtquelle 12, eine Kollimatorlinse 13, einen Polarisationsstrahlteiler 14 und zwei Spiegel 15, 16.
Die Lichtquelle 12 ist z. B. durch einen Mehrmoden-Halbleiterlaser, durch eine LED oder dergleichen konfiguriert und ist zum Aussenden von kohärentem Licht ausgelegt. Da sich die Frequenz des Mehrmoden-Halbleiterlasers proportional zu der Umgebungstemperatur ändert, kann ein durch den Modensprung verursachter Fehler verhindert werden, während der durch den Modensprung verursachte Fehler durch einen Einmoden-Halbleiterlaser nicht verhindert werden kann.
Die Kollimatorlinse 13 ist zwischen der Lichtquelle 12 und dem Polarisationsstrahlteiler 14 angeordnet und ist zum Umwandeln des von der Lichtquelle 12 ausgesendeten Lichts in einen kollimierten Lichtstahl ausgelegt. Der Polarisationsstrahlteiler 14 ist zum Teilen des von der Lichtquelle 12 ausgesendeten und durch die Kollimatorlinse 13 gegangenen Lichtstrahls in zwei Lichtbündel, die ein erster einfallender Lichtstrahl A1 und ein zweiter einfallender Lichtstrahl B1 sind. Zum Beispiel reflektiert der Polarisationsstrahlteiler 14 den s-polarisierten Lichtstrahl und lässt den p-polarisierten Lichtstrahl des Lichts von der Lichtquelle 12 durch. Da der Polarisationsatrahlteiler 14 in Bezug auf die Polarisationsrichtung der Lichtquelle 12 um 45 Grad geneigt ist, ist ferner das Verhältnis der Menge des einfallenden Lichts A1 zur Menge des einfallenden Lichts B1 1:1.
Der Spiegel 15 reflektiert den einfallenden Lichtstrahl A1 in der Weise, dass der einfallende Lichtstrahl A1 auf das Beugungsgitter 100 einfällt, und der Spiegel 18 reflektiert den einfallenden Lichtstrahl B1 in der Weise, dass der einfallende Lichtstrahl B1 auf das Beugungsgitter 100 einfällt. Auf einer Oberfläche der Spiegel 15, 15 ist jeweils eine Metalldünnschicht gebildet. Somit kann eine Änderung der Wellenlängenkennlinie und der Polarisationseigenschaft wegen Änderung der Feuchtigkeit, die durch eine allgemeine dielektrische Mehrfachschicht verursacht wird, unterdrückt werden, sodass die Lageerfassung stabil ausgeführt werden kann.
Die optische Achse des einfallenden Lichtstrahls A1 und die optische Achse des einfallenden Lichtstrahls B1 werden durch die Spiegel 15, 16 in der Weise geändert, dass der einfallende Lichtstrahl A1 und der einfallende Lichtstrahl B1 im Wesentlichen an demselben Punkt des Beugungsgitters 100 einfallen. Ferner wird der einfallende Lichtstrahl A1 durch das Beugungsgitter 100 so gebeugt, dass dadurch ein gebeugter Lichtstrahl A2 m. Ordnung erzeugt wird, und wird der einfallende Lichtstrahl B1 durch das Beugungsgitter 100 so gebeugt, dass dadurch ein gebeugter Lichtstrahl B2 –m. Ordnung erzeugt wird.
Im Folgenden werden anhand von 8 die Einzelheiten der Einfallsrichtung der auf das Beugungsgitter 100 einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 beschrieben.
8 ist eine Ansicht, die den ersten einfallenden Lichtstrahl und den zweiten einfallenden Lichtstrahl in der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in 8 gezeigt ist, liegen eine Gerade L und die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 in einer virtuellen Ebene F3. Die virtuelle Ebene F3 enthält die entlang der X-Richtung verlaufende Gerade S und ist unter einem Winkel von α Grad in Bezug auf die Normale N der Gitteroberfläche geneigt. Der Neigungswinkel α der virtuellen Ebene F3 ist auf einen solchen Wert eingestellt, dass der gebeugte Lichtstrahl 0. Ordnung von dem Beugungsgitter 100 nicht in den optischen Weg des Einstrahlungsoptiksystems 2, in den optischen Weg des Interferenzoptiksystems 3 und dergleichen gemischt wird. Bei dieser Anordnung kann das Rauschen verringert werden und kann die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Übrigens kann die virtuelle Ebene F3 ebenfalls parallel zu der Normalen der Gitteroberfläche angeordnet sein. In diesem Fall ist die Gerade L gleich der Normalen N der Gitteroberfläche.
Ferner fallen die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 von entgegengesetzten Richtungen in Bezug auf die Ebene senkrecht zur X-Richtung im Wesentlichen an demselben Punkt auf dem Beugungsgitter ein, wobei die Einfallswinkel der einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 θ_A bzw. θ_B sind. Da die einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 im Wesentlichen an demselben Punkt des Beugungsgitters einfallen, wird der durch Ungleichmäßigkeit der Dicke und/oder durch Ungleichmäßigkeit des Brechungsindex des Beugungsgitters 100 verursachte Einfluss verringert. Genauer wird keine Differenz zwischen der optischen Weglänge des gebeugten Lichtstrahls A2 und der optischen Weglänge des gebeugten Lichtstrahls B2 verursacht, was später ausführlicher beschrieben wird, sodass die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.
Nachfolgend wird anhand von 9 der gebeugte Lichtstrahl A2 beschrieben.
9 ist eine Ansicht zur Erläuterung des gebeugten Lichtstrahls A2 (eines ersten gebeugten Lichtstrahls).
Wie in 9 gezeigt ist, liegt der gebeugte Lichtstrahl A2 in einer virtuellen Ebene F4 und ist unter einem Winkel θ_A' in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der X-Richtung geneigt. Mit anderen Worten, der Beugungswinkel des gebeugten Lichtstrahls A2 ist θ_A'. Übrigens enthält die virtuelle Ebene F4 die Gerade S, die entlang der X-Richtung verläuft, und ist unter einem Winkel von β Grad in Bezug auf die Normale der Gitteroberfläche geneigt. Wie oben beschrieben wurde, wird die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θ_A und dem Beugungswinkel θ_A' durch Gleichung (1) ausgedrückt. Ferner wird die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel α und dem Neigungswinkel β durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Aus Gleichung 12 kann entnommen werden, dass α = β ist, wenn θ_A = θ_A' ist, und dass α ≠ β ist, wenn θ_A ≠ θ_A' ist.
Nachfolgend wird anhand von 10 der gebeugte Lichtstrahl B2 beschrieben.
10 ist eine Ansicht zur Erläuterung des gebeugten Lichtstrahls B2 (eines zweiten gebeugten Lichtstrahls).
Wie in 10 gezeigt ist, liegt der gebeugte Lichtstrahl B2 in einer virtuellen Ebene F5 und ist unter einem Winkel θ_B' in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der X-Richtung geneigt. Mit anderen Worten, der Beugungswinkel des gebeugten Lichtstrahls B2 ist θ_B'. Übrigens enthält die virtuelle Ebene F5 die entlang der X-Richtung verlaufende Gerade S und ist unter einem Winkel von β' Grad in Bezug auf die Normale der Gitteroberfläche geneigt. Wie oben beschrieben wurde, ist die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θ_B und dem Beugungswinkel θ_B' durch Gleichung (1) ausgedrückt. Ähnlich der Beziehung zwischen dem Neigungswinkel α und dem Neigungswinkel β ist die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel α und dem Neigungswinkel β' durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Aus Gleichung (13) kann entnommen werden, dass α = β' ist, wenn θ_B = θ_B' ist, und dass α ≠ β' ist, wenn θ_B ≠ θ_B' ist.
Die Konfiguration der Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 wird wieder anhand von 7 beschrieben.
Wie in 7 gezeigt ist, ist der Spiegel 9 in dem optischen Weg des gebeugten Lichtstrahls A2 angeordnet und ist das Lambda-Viertel-Plättchen 7 zwischen dem Spiegel 9 und dem Beugungsgitter 100 angeordnet. Ferner ist der Spiegel 10 in dem optischen Weg des gebeugten Lichts B2 angeordnet und ist das Lambda-Viertel-Plättchen 8 zwischen dem Spiegel 10 und dem Beugungsgitter 100 angeordnet.
Die optischen Achsen der Lambda-Viertel-Plättchen 7, 8 sind unter 45 Grad in Bezug auf die Polarisationsrichtung des gebeugten Lichtstrahls A2 und des gebeugten Lichtstrahls B2, die durch das Beugungsgitter 100 gebeugt worden sind, geneigt.
Der Spiegel 9 und der Spiegel 10 sind in der Weise angeordnet, dass sie senkrecht zu der optischen Achse des gebeugten Lichtstrahls A2 bzw. zu der optischen Achse des gebeugten Lichtstrahls B2 sind, sodass der Spiegel 9 und der Spiegel 10 den gebeugten Lichtstrahl A2 bzw. den gebeugten Lichtstrahl B2 zu dem Beugungsgitter 100 zurück reflektieren. Ähnlich den Spiegeln 15, 16 ist auf einer Oberfläche der Spiegel 9, 10 jeweils eine Metalldünnschicht gebildet.
Der gebeugte Lichtstrahl (der zurückkehrende Lichtstrahl) A2, der durch den Spiegel 9 reflektiert worden ist, fällt auf das Beugungsgitter 100 auf, nachdem er durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7 gegangen ist. Der gebeugte Lichtstrahl A2 wird durch das Beugungsgitter 100 erneut gebeugt, sodass ein zweimal gebeugter Lichtstrahl A3 erzeugt wird.
Ferner fällt der gebeugte Lichtstrahl (der zurückkehrende Lichtstrahl) B2, der durch den Spiegel 10 reflektiert worden ist, auf das Beugungsgitter 100 auf, nachdem er durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8 gegangen ist. Der gebeugte Lichtstrahl B2 wird durch das Beugungsgitter 100 erneut gebeugt, sodass ein zweimal gebeugter Lichtstrahl B3 erzeugt wird.
Das Interferenzoptiksystem 3 enthält den Polarisationsstrahlteiler 14 und die Spiegel 15, 16. Mit anderen Worten, in der vorliegenden Ausführungsform werden der Polarisationsstrahlteiler 14 und die Spiegel 15, 16 von dem Einstrahlungsoptiksystem 2 und von dem Interferenzoptiksystem 3 gemeinsam genutzt.
Die Funktion des Spiegels 15 als ein Bauelement des Interferenzoptiksystems 3 ist es, das zweimal gebeugte Licht A3, das durch das Beugungsgitter 100 erneut gebeugt worden ist, so zu reflektieren, dass das zweimal gebeugte Licht A3 zu dem Polarisationsstrahlteiler 14 geführt wird. Andererseits ist es die Funktion des Spiegels 16 als Bauelement des Interferenzoptiksystems 3, das zweimal gebeugte Licht B3, das durch das Beugungsgitter 100 erneut gebeugt worden ist, in der Weise zu reflektieren, dass das zweimal gebeugte Licht B3 zu dem Polarisationsstrahlteiler 14 geführt wird.
Die Funktion des Polarisationsstrahlteilers 14 als Bauelement des Interferenzoptiksystems 3 ist es, die zwei zweimal gebeugten Lichtstrahlen A3, B4, die durch die Spiegel 15 bzw. 16 reflektiert worden sind, miteinander in der Weise zu überlagern, dass die zwei zweimal gebeugten Lichtstrahlen A3, B3 zur Interferenz gebracht werden. Genauer lässt der Polarisationsstrahlteiler 14 den zweimal gebeugten Lichtstrahl A3, der durch den Spiegel 15 reflektiert worden ist, durch und reflektiert den zweimal gebeugten Lichtstrahl B3, der durch den Spiegel 16 reflektiert worden ist, sodass die zwei zweimal gebeugten Lichtstrahlen A3, B3 zur Interferenz gebracht werden.
Wie oben beschrieben wurde, sind die optischen Achsen der Lambda-Viertel-Plättchen 7, 8 unter 45 Grad in Bezug auf die Polarisationsrichtung des gebeugten Lichtstrahls A2 und des gebeugten Lichtstrahls B2, die durch das Beugungsgitter 100 gebeugt worden sind, geneigt. Bei dieser Anordnung geht der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3, der mit dem einfallenden Licht A1 als Referenz zweimal durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7 gegangen ist, durch den Polarisationsstrahlteiler 14. Ferner wird der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3, der mit dem einfallenden Lichtstrahl B1 als Referenz zweimal durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8 gegangen ist, durch den Polarisationsstrahlteiler 14 reflektiert.
Der Lichtempfangsabschnitt 4 enthält eine Linse 18, ein Lambda-Viertel-Plättchen 19, einen Strahlteiler 21, zwei Polarisationsstrahlteiler 22, 23 und vier Lichtempfangselemente 24 bis 27.
Die Linse 18 konzentriert das Interferenzlicht des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3, um dadurch den Fleck auf der Lichtempfangsfläche jedes der vier Lichtempfangselemente 24 bis 27 auf eine geeignete Größe einzustellen. Das Lambda-Viertel-Plättchen 19 ist so angeordnet, dass seine optische Achse in Bezug auf die Polarisationsebene des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3 unter 45 Grad geneigt ist. Somit werden der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3 und der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3, die durch das Lambda-Viertel-Plättchen 19 gegangen sind, zu zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen. Da sich die zwei zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen in demselben optischen Weg befinden, werden sie einander überlagert, um zu einem linear polarisierten Lichtstrahl zu werden, der auf den Strahlteiler 21 einfällt.
Der Strahlteiler 21 teilt das Interferenzlicht des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3 in zwei Lichtbündel.
Zum Beispiel wird die s-polarisierte Komponente des Interferenzlichts des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3 durch den Polarisationsstrahlteiler 22 reflektiert und durch das erste Lichtempfangselement 24 empfangen. Andererseits geht die p-polarisierte Komponente des Interferenzlichts des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3 durch den Polarisationsstrahlteiler 22 und wird durch das zweite Lichtempfangselement 25 empfangen. Die Phase des durch das erste Lichtempfangselement 24 photoelektrisch umgewandelten elektrischen Signals und die Phase des durch das zweite Lichtempfangselement 25 photoelektrisch umgewandelten elektrischen Signals unterscheiden sich um 180 Grad voneinander.
Ferner geht die p-polarisierte Komponente des Interferenzlichts des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3 durch den Polarisationsstrahlteiler 23 und wird durch das dritte Lichtempfangselement 26 empfangen. Andererseits wird die s-polarisierte Komponente des Interferenzlichts des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3 durch den Polarisationsstrahlteiler 23 reflektiert und durch das vierte Lichtempfangselement 27 empfangen. Die Phase des durch das dritte Lichtempfangselement 26 photoelektrisch umgewandelten elektrischen Signals und die Phase des durch das vierte Lichtempfangselement 27 photoelektrisch umgewandelten elektrischen Signals unterscheiden sich um 180 Grad voneinander.
Der Polarisationsstrahlteiler 22 der vorliegenden Ausführungsform ist so angeordnet, dass er unter 45 Grad in Bezug auf den Polarisationsstrahlteiler 23 geneigt ist. Somit unterscheiden sich die Phasen der elektrischen Signale, die durch das erste Lichtempfangselement 24 und durch das zweite Lichtempfangselement 25 erhalten werden, und die Phasen der elektrischen Signale, die durch das dritte Lichtempfangselement 26 und durch das vierte Lichtempfangselement 27 erhalten werden, um 90 Grad voneinander.
Die durch das erste Lichtempfangselement 24 und durch das zweite Lichtempfangselement 25 erhaltenen elektrischen Signale und die durch das dritte Lichtempfangselement 26 und durch das vierte Lichtempfangselement 27 erhaltenen elektrischen Signale werden durch einen Differentialverstärker (in der Zeichnung nicht gezeigt) des Verlagerungserfassungsabschnitts 5 differentiell verstärkt, um zu elektrischen Signalen mit um 90 Grad verschiedenen Phasen zu werden, wobei die Gleichstromkomponente dieser elektrischen Signale ausgelöscht wird. Ferner werden die elektrischen Signale mit um 90 Grad verschiedenen Phasen durch einen A/D-Umsetzer jeweils in digitale Signale umgesetzt und werden die digitalen Signale in eine Arithmetikeinheit wie etwa einem DSP (Digitalsignalprozessor) oder dergleichen eingegeben.
Die Arithmetikeinheit des Verlagerungserfassungsabschnitts 5 berechnet anhand der Änderung der erhaltenen elektrischen Signale (d. h. der Interferenzsignale) die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung. Ferner werden die elektrischen Signale, deren Phasen sich um 90 Grad voneinander unterscheiden, einer durch eine in dem Verlagerungserfassungsabschnitt 5 angeordnete Impulsdiskriminatorschaltung (in der Zeichnung nicht gezeigt) ausgeführten Vorwärts/Rückwärts-Unterscheidung ausgesetzt. Mit anderen Worten, es wird eine Unterscheidung ausgeführt, um zu sehen, ob die Gitteroberfläche in der (+)Z-Richtung oder in der (–)Z-Richtung verlagert worden ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die optische Weglänge in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl A1 gleich der optischen Weglänge in Bezug auf den einfallenden Lichtstrahl B1. Genauer wird als die Lichtquelle 12 ein Mehrmoden-Halbleiterlaser mit einer Kohärenzlänge von hunderten μm verwendet, wobei die Lage der Spiegel 15, 16 in der Weise eingestellt wird, dass die Sichtbarkeit der Interferenzsignale maximal wird. Da bei einer solchen Anordnung die Differenz der optischen Weglängen zwischen den zwei Lichtbündeln, die miteinander interferieren sollen, verringert werden kann, kann der durch Wellenlängenänderung der Lichtquelle 12 verursachte Erfassungsfehler minimiert werden.
Nachfolgend wird der Betrieb der Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 beschrieben.
Wie in 7 gezeigt ist, wird das von der Lichtquelle 12 ausgesendete Licht durch die Kollimatorlinse 13 in kollimiertes Licht umgewandelt und wird das kollimierte Licht durch den Polarisationsstrahlteiler 14 in den einfallenden Lichtstrahl A1 und in den einfallenden Lichtstrahl B1 geteilt. Der einfallende Lichtstrahl A1 wird durch den Spiegel 15 reflektiert, damit er auf das Beugungsgitter 100 einfällt. Andererseits wird der einfallende Lichtstrahl B1 durch den Spiegel 16 reflektiert, damit er auf das Beugungsgitter 100 einfällt. Zu diesem Zeitpunkt fallen der einfallende Lichtstrahl A1 bzw. der einfallende Lichtstrahl B1 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der X-Richtung, entlang der die Gitterstrukturen des Beugungsgitters 100 periodisch angeordnet sind, jeweils von entgegengesetzten Richtungen auf das Beugungsgitter 100 ein, wobei der Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls A1 und der Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls B1 im Wesentlichen dieselben sind.
Der einfallende Lichtstrahl A1 wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass der gebeugte Lichtstrahl A2 m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl A2 geht durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7, wird durch den Spiegel 9 reflektiert und geht daraufhin erneut durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7, um auf das Beugungsgitter 100 einzufallen, wo der gebeugte Lichtstrahl A2 gebeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl A2 wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3 erzeugt wird. Der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3 wird zu dem optischen Weg des einfallenden Lichtstrahls A1 zurückgeführt, damit er auf den Polarisationsstrahlteiler 14 einfällt.
Andererseits wird der einfallende Lichtstrahl B1 durch das Beugungsgitter 100 gebeugt, damit der gebeugte Lichtstrahl B2 –m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl B2 geht durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8, wird durch den Spiegel 10 reflektiert und geht daraufhin erneut durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8, um auf das Beugungsgitter 100 einzufallen, wo der gebeugte Lichtstrahl B2 gebeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl B2 wird durch das Beugungsgitter 100 gebeugt, sodass der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3 erzeugt wird. Der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3 wird zu dem optischen Weg des einfallenden Lichtstrahls B1 zurückgeführt, um auf den Polarisationsstrahlteiler 14 einzufallen.
Im Folgenden werden hier die Amplituden der zweimal gebeugten Lichtstrahlen A3, B3 beschrieben.
Dadurch, dass der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3 durch den Spiegel 9 reflektiert worden ist, ist er zweimal durch das Beugungsgitter 100 gebeugt worden. Ferner ist dadurch, dass der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3 durch den Spiegel 10 reflektiert worden ist, dieser zweimal durch das Beugungsgitter 100 gebeugt worden. Somit werden die Amplituden E_A, E_B des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3, B3 durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt, wenn sich die Gitteroberfläche in der (+)X-Richtung bewegt hat. E_A = Acos(–2mKx + δ_A) (14) EB = Bcos(–2mKx + δ_B) (15)
Wie Gleichung (14) und (15) entnommen werden kann, ändert sich das Interferenzsignal nicht, wenn sich die Gitteroberfläche in der (+)X-Richtung bewegt hat, selbst wenn der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3 und der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3 miteinander zur Interferenz gebracht werden, da der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3 und der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3 zueinander phasengleich sind.
Nachfolgend wird der Fall beschrieben, dass sich die Gitteroberfläche in der Z-Richtung bewegt hat.
Falls sich die Gitteroberfläche in der Z-Richtung bewegt hat, ist die Lageverschiebung zwischen dem Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls A1 und dem Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls B1 gleich der in 4 gezeigten, wobei die Amplituden E_A, E_B der zweimal gebeugten Lichtstrahlen A3, B3, die zweimal gebeugt worden sind, durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden.
Der Wert von ΔLA' in Gleichung (16) ist etwa doppelt so groß wie der Wert von ΔLA in Gleichung (4). Ähnlich ist der Wert von ΔLB' in Gleichung (17) etwa doppelt so groß wie der Wert von ΔLB in Gleichung (5).
Die zweimal gebeugten Lichtstrahlen A3, B3 mit diesen Amplituden werden durch den Polarisationsstrahlteiler 14 einander überlagert, um miteinander zur Interferenz gebracht zu werden. Die Intensität I des auf die obige Weise erhaltenen Interferenzsignals wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt, wobei die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung als die Änderung des Interferenzsignals erfasst werden kann.
Die zweimal gebeugten Lichtstrahlen A3, B3, die einander überlagert worden sind, gehen durch die Linse 18 und durch das Lambda-Viertel-Plättchen 19, um zu zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen zu werden. Da sich die zwei zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen in demselben optischen Weg befinden, werden sie einander überlagert, um zu linear polarisierten Lichtstrahlen zu werden, wobei der linear polarisierte Lichtstrahl als Interferenzlichtstrahl auf den Strahlteiler 21 einfällt. Der Interferenzlichtstrahl des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3 wird durch den Strahlteiler 21 in zwei Bündel geteilt und die zwei Bündel werden auf den Polarisationsstrahlteiler 22 bzw. auf den Polarisationsstrahlteiler 23 einfallen gelassen.
Der Interferenzlichtstrahl des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3, der auf den Polarisationsstrahlteiler 22 einfällt, wird in eine s-polarisierte Komponente und in eine p-polarisierte Komponente geteilt. Ferner wird die s-polarisierte Komponente durch das erste Lichtempfangselement 24 empfangen und wird die p-polarisierte Komponente durch das zweite Lichtempfangselement 25 empfangen.
Ähnlich wird der Interferenzlichtstrahl des zweimal gebeugten Lichtstrahls A3 und des zweimal gebeugten Lichtstrahls B3, der auf den Polarisationsstrahlteiler 23 einfällt, in eine s-polarisierte Komponente und in eine p-polarisierte Komponente geteilt. Ferner wird die p-polarisierte Komponente durch das dritte Lichtempfangselement 26 empfangen und wird die s-polarisierte Komponente durch das vierte Lichtempfangselement 27 empfangen.
Die durch die Lichtempfangselemente 24 bis 27 photoelektrisch umgewandelten elektrischen Signale werden in den Verlagerungserfassungsabschnitt 5 eingegeben. In dem Verlagerungserfassungsabschnitt 5 werden die durch das erste Lichtempfangselement 24 und durch das zweite Lichtempfangselement 25 erhaltenen elektrischen Signale durch den Differentialverstärker differentiell verstärkt und wird die Gleichstromkomponente der Interferenzsignale ausgelöscht.
Ferner werden die elektrischen Signale, in denen die Gleichstromkomponente ausgelöscht worden ist, durch den A/D-Umsetzer in digitale Signale umgesetzt und werden die digitalen Signale in die Arithmetikeinheit eingegeben. Die Arithmetikeinheit führt an den empfangenen digitalen Signalen einen Signalformkorrekturprozess aus und erzeugt daraufhin z. B. ein A-Phasen-Inkrementalsignal.
Ferner werden in dem Verlagerungserfassungsabschnitt 5 die durch das dritte Lichtempfangselement 26 und durch das vierte Lichtempfangselement 27 erhaltenen elektrischen Signale durch den Differentialverstärker differentiell verstärkt und werden die differentiell verstärkten Signale durch den A/D-Umsetzer in digitale Signale umgesetzt und werden die digitalen Signale zu der Arithmetikeinheit übertragen. Die Arithmetikeinheit führt an den empfangenen digitalen Signalen einen Signalformkorrekturprozess aus und erzeugt daraufhin ein B-Phasen-Inkrementalsignal, dessen Phase sich von der des A-Phasen-Inkrementalsignals um 90 Grad unterscheidet.
Der Verlagerungserfassungsabschnitt zählt durch einen Zähler die Phasenänderung pro Zeiteinheit der erzeugten Inkrementalsignale und erfasst anhand des Zählwerts die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung. Die Verlagerung kann unter Verwendung nur eines Inkrementalsignals erfasst werden; allerdings werden in der vorliegenden Ausführungsform zwei Inkrementalsignale genutzt, deren Phasen sich um 90 Grad voneinander unterscheiden. Bei dieser Anordnung kann die Verlagerungsrichtung unterschieden werden und können ferner durch Berechnen von Atanθ anhand der zwei Signale Signale mit großer Vergrößerung interpoliert werden, sodass eine hohe Auflösung erhalten werden kann. Im Ergebnis kann die Verlagerung mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Ferner wird durch die Impulsdiskriminatorschaltung und dergleichen an den zwei Inkrementalsignalen eine Vorwärts/Rückwärts-Entscheidung ausgeführt. Somit kann erfasst werden, ob die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung in positiver Richtung oder in negativer Richtung erfolgt.
Ferner kann die Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 ebenfalls mit einem Speicherelement wie etwa einem EPROM (löschbaren programmierbaren ROM) oder dergleichen versehen sein. Durch Speichern von durch eine externe Messvorrichtung gemessenen Daten in Bezug auf die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung kann die Arithmetikeinheit die erfasste Verlagerung mit den Daten in Bezug auf die in dem Speicherelement gespeicherte Verlagerung vergleichen, um den erfassten Wert zu korrigieren.
<Zweite Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird anhand von 11 und 12 eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
11 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform zeigt. 12 ist eine Ansicht, die die Neigung der Gitteroberfläche in der Nickrichtung oder in der Azimutrichtung zeigt.
Wie in 11 gezeigt ist, weist die Verlagerugserfassungsvorrichtung 31 der zweiten Ausführungsform dieselbe Konfiguration wie die Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 (siehe 7) der ersten Ausführungsform auf. Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 unterscheidet sich von der Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 dadurch, dass die Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 eine Linse 43, die in einem Einstrahlungsoptiksystem 32 angeordnet ist, und zwei Linsen 44, 45, die in dem optischen Weg des gebeugten Lichtstrahls A2 bzw. in dem optischen Weg des gebeugten Lichtstrahls B2 angeordnet sind, aufweist.
Die Linse 43 des Einstrahlungsoptiksystems 32 ist keine Kollimatorlinse, sondern eine Linse, die so ausgelegt ist, dass sie veranlasst, dass jeder der einfallenden Lichtstrahlen A1, B1 durch den Polarisationsstrahlteiler 14 geteilt wird, um auf dem Beugungsgitter 100 ein Bild mit einer geeigneten Größe zu erzeugen.
Ferner sind die Linsen 44, 45 so angeordnet, dass ihre Brennpunktlagen auf dem Beugungsgitter 100 zueinander gleich sind.
Der einfallende Lichtstrahl A1 wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass ein gebeugter Lichtstrahl A2 +m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl A2 geht durch die Linse 44 und durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7, wird durch den Spiegel 9 reflektiert und geht daraufhin erneut durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7 und durch die Linse 44, um auf das Beugungsgitter 100 einzufallen, wo der gebeugte Lichtstrahl A2 gebeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl A2 wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass ein zweimal gebeugter Lichtstrahl A3 erzeugt wird. Der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3 fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 14 ein.
Andererseits wird der gebeugte Lichtstrahl B1 durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass ein gebeugter Lichtstrahl B2 –m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl B2 geht durch die Linse 45 und durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8, wird durch den Spiegel 10 reflektiert und geht daraufhin erneut durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8 und durch die Linse 45, um auf das Beugungsgitter 100 einzufallen, wo der gebeugte Lichtstrahl B2 gebeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl B2 wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass ein zweimal gebeugter Lichtstrahl B3 erzeugt wird. Der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3 fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 14 ein.
Allerdings gibt es Fälle, in denen die Gitteroberfläche, auf der das Beugungsgitter 100 angeordnet ist, in der Nickrichtung und/oder in der Azimutrichtung, die in 12 gezeigt sind, geneigt ist. Die Azimutrichtung ist eine Richtung, in der sich die Gitteroberfläche um eine Achse dreht, die in der Z-Richtung verläuft. Ferner ist die Nickrichtung eine Richtung, entlang der sich die Gitteroberfläche um eine Achse dreht, die in einer Richtung senkrecht sowohl zu der X-Richtung als auch zu der Z-Richtung (der vertikalen Richtung) dreht.
Bei der oben erwähnten Konfiguration liegen die Brennpunktlagen der Linsen 44, 45 in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 selbst dann auf dem Beugungsgitter 100, wenn die Gitteroberfläche in der Nickrichtung und/oder in der Azimutrichtung geneigt ist. Somit fallen der gebeugte Lichtstrahl A2 und der gebeugte Lichtstrahl B2 immer senkrecht auf den Spiegel 9 und auf den Spiegel 10 ein und gehen das zurückgeführte Licht des gebeugten Lichtstrahls A2 und das zurückgeführte Licht des gebeugten Lichtstrahls B2 über denselben optischen Weg, um auf denselben Einfallspunkt des Beugungsgitters 100 einzufallen. Somit sind die optischen Weglängen der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 gleich den optischen Weglängen der zurückgeführten Lichtstrahlen der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2. Somit kann verhindert werden, dass die durch die Lichtempfangselemente 24 bis 27 erfassten Interferenzsignale abnehmen, selbst wenn die Gitteroberfläche in der Nickrichtung und/oder in der Azimutrichtung geneigt wird. Somit kann die Verlagerung in der Z-Richtung stabil erfasst werden, selbst wenn die Gitteroberfläche vibrieren gelassen oder gerüttelt wird.
Übrigens unterscheidet sich wegen der Bereitstellung der Linsen 44, 45 in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 der Einfallspunkt der durch die Spiegel 9, 10 reflektierten und auf das Beugungsgitter 100 einfallenden gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 (der zurückgeführten Lichtstrahlen) leicht von dem Einfallspunkt der auf das Beugungsgitter 100 einfallenden gebeugten Lichtstrahlen A1, B1, wenn sich die Gitteroberfläche in der Z-Richtung bewegt. Somit ist die Intensität I des Interferenzsignals nicht so einfach, wie sie in Gleichung (14) ausgedrückt ist. Allerdings kann durch Erhalten der Änderung der optischen Weglänge mittels Ray-Tracing zum Berechnen der Intensität I des in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 erhaltenen Interferenzsignals ein Ergebnis der linearen Phasenänderung zusammen mit der Änderung der Verlagerung in der Z-Richtung ähnlich Gleichung (11) erhalten werden.
Die in 13 gezeigte graphische Darstellung ist ein Rechenergebnis, das unter einer Bedingung erhalten wurde, dass die Wellenlänge der Lichtquelle 790 nm ist, dass die Gitterkonstante 1 μm ist und dass die Einfallswinkel θ_A, θ_B und der Neigungswinkel α jeweils etwa 2 Grad sind. Eine Periode des Interferenzsignals sind unter dieser Bedingung 4 μm.
Ein Rechenergebnis des verursachten Fehlerbetrags, der verursacht wird, falls die Gitteroberfläche (das Beugungsgitter 100) unter der obigen Bedingung in Nickrichtung geneigt wird, ist in 14 gezeigt. Ferner ist ein Rechenergebnis des Fehlerbetrags, der verursacht wird, falls die Gitteroberfläche unter der obigen Bedingung in Azimutrichtung geneigt wird, in 15 gezeigt.
Aus 14 und 15 kann bestätigt werden, dass selbst dann kein Fehler verursacht wird, wenn die Gitteroberfläche in der Nickrichtung und/oder in der Azimutrichtung geneigt wird, falls die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung null ist (d. h., falls die Gitteroberfläche in einer Referenzlage ist). Ferner kann bestätigt werden, dass ein Erfassungsfehler verursacht wird, falls die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung nicht null ist (d. h., falls die Gitteroberfläche in der Z-Richtung verlagert wird).
Der ”Erfassungsfehler” wird in diesem Fall durch die Phasenänderung des Interferenzsignals verursacht, die durch die Neigung der Gitteroberfläche verursacht wird, obwohl die Oberfläche nicht in der Z-Richtung verlagert wird. Dies liegt daran, dass die Einfallspunkte der auf das Beugungsgitter 100 einfallenden Licht strahlen A1, B1 nicht an einem Punkt überlagert werden, falls die Gitteroberfläche geneigt ist, wenn sich die Gitteroberfläche in der Z-Richtung bewegt hat, sodass zwischen den optischen Wegen eine Differenz der optischen Weglängen verursacht wird.
Der durch die Neigung der Gitteroberfläche verursachte Fehler der Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung kann z. B. dadurch korrigiert werden, dass zuvor eine Fehlerkorrekturtabelle erzeugt und die Tabelle in dem Speicherelement gespeichert wird und anhand des Neigungswinkels der Gitteroberfläche ein geeigneter Korrekturwert aus der Fehlerkorrekturtabelle entnommen wird. Die Neigung der Gitteroberfläche kann übrigens z. B. durch einen Winkelsensor, durch einen Drehsensor oder dergleichen erfasst werden.
<Dritte Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird anhand von 16 eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
16 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform zeigt.
Wie in 16 gezeigt ist, weist die Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 der dritten Ausführungsform dieselbe Konfiguration wie die Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 (siehe 11) der zweiten Ausführungsform auf. Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 unterscheidet sich von der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 dadurch, dass ein gebeugter Lichtstrahl A2' –m. Ordnung des einfallenden Lichtstrahls A1 und ein gebeugter Lichtstrahl B2' +m. Ordnung des einfallenden Lichtstrahls B1 verwendet werden.
Wie in 16 gezeigt ist, sind in dem optischen Weg des gebeugten Lichtstrahls A2' –m. Ordnung des einfallenden Lichtstrahls A1 eine Linse 44, ein Lambda-Viertel-Plättchen 7 und ein Spiegel 9 angeordnet. Ferner sind in dem optischen Weg des gebeugten Lichtstrahls B2' +m. Ordnung des einfallenden Lichtstrahls B1 eine Linse 45, ein Lambda-Viertel-Plättchen 8 und ein Spiegel 10 angeordnet.
Die optische Achse des Lambda-Viertel-Plättchens 7 und die optische Achse des Lambda-Viertel-Plättchens 8 sind jeweils unter 45 Grad in Bezug auf die Polarisationsrichtung des gebeugten Lichtstrahls A2' und in Bezug auf die Polarisationsrichtung des gebeugten Lichtstrahls B2', die durch das Beugungsgitter 100 gebeugt worden sind, geneigt.
Der Spiegel 9 und der Spiegel 10 sind so angeordnet, dass sie senkrecht zu der optischen Achse des gebeugten Lichtstrahls A2' bzw. zu der optischen Achse des gebeugten Lichtstrahls B2' sind, sodass der Spiegel 9 bzw. der Spiegel 10 den gebeugten Lichtstrahl A2' und den gebeugten Lichtstrahl B2 zu dem Beugungsgitter 100 zurück reflektieren.
Der einfallende Lichtstrahl A1 wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass der gebeugte Lichtstrahl A2' –m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl A2' geht durch die Linse 44 und durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7, wird durch den Spiegel 9 reflektiert und geht daraufhin erneut durch das Lambda-Viertel-Plättchen 7 und durch die Linse 44, um auf das Beugungsgitter 100 einzufallen, wo der gebeugte Lichtstrahl A2' gebeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Brennpunkt des zurückgeführten Lichtstrahls des gebeugten Lichtstrahls A2' auf dem Beugungsgitter 100. Der gebeugte Lichtstrahl A2' wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass ein zweimal gebeugter Lichtstrahl A3' erzeugt wird. Der zweimal gebeugte Lichtstrahl A3' fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 14 ein.
Andererseits wird der einfallende Lichtstrahl B1 so durch das Beugungsgitter 100 gebeugt, dass der gebeugte Lichtstrahl B2 +m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl B2' geht durch die Linse 45 und durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8, wird durch den Spiegel 10 reflektiert und geht daraufhin erneut durch das Lambda-Viertel-Plättchen 8 und durch die Linse 45, um auf das Beugungsgitter 100 einzufallen, wo der gebeugte Lichtstrahl B2' gebeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Brennpunkt des zurückgeführten Lichtstrahls des gebeugten Lichtstrahls B2' auf dem Beugungsgitter 100. Der gebeugte Lichtstrahl B2' wird durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass ein zweimal gebeugter Lichtstrahl B3' erzeugt wird. Der zweimal gebeugte Lichtstrahl B3' fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 14 ein.
Die Richtung der Phasenänderung des Interferenzsignals, wenn sich die Gitteroberfläche in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 in der Z-Richtung bewegt hat, ist entgegengesetzt zu der Richtung der Phasenänderung des Interferenzsignals, wenn sich die Gitteroberfläche in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 in der Z-Richtung bewegt hat. Mit anderen Worten, in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 ist der Anstieg des Graphen der Phase des Interferenzsignals gegenüber dem des in 13 gezeigten Graphen umgekehrt. Allerdings sind der Fehler der Verlagerung in der Z-Richtung, der durch die Neigung der Gitteroberfläche der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 der vorliegenden Ausführungsform verursacht wird, und der Fehler der Verlagerung in der Z-Richtung, der durch die Neigung der Gitteroberfläche der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 der zweiten Ausführungsform verursacht wird, zueinander gleich.
<Vierte Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform ist durch die Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 der zweiten Ausführungsform und durch die Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 der dritten Ausführungsform konfiguriert.
Der Einfallspunkt des auf das Beugungsgitter 100 in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 einfallenden Lichts ist gleich dem Einfallspunkt des auf das Beugungsgitter 100 in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 einfallenden Lichts. Zum Beispiel fällt der einfallende Lichtstrahl der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 von der Seite der in 9 gezeigten virtuellen Ebene F3 ein und fällt der einfallende Lichtstrahl der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 von der Seite der in 9 gezeigten virtuellen Ebene F4 ein.
Ferner sind die Einfallswinkel θ_A, θ_B der einfallenden Lichtstrahlstrahlen der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 gleich den Einfallswinkeln θ_A, θ_B der einfallenden Lichtstrahlen der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51.
Wie in der dritten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist die Richtung der Phasenänderung des Interferenzsignals, wenn sich die Gitteroberfläche in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 in der Z-Richtung bewegt hat, entgegengesetzt zu der Richtung der Phasenänderung des Interferenzsignals, wenn sich die Gitteroberfläche in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 in der Z-Richtung bewegt hat. Ferner sind der Fehler der Verlagerung in der Z-Richtung, der durch die Neigung der Gitteroberfläche der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 verursacht wird, und der Fehler der Verlagerung in der Z-Richtung, der durch die Neigung der Gitteroberfläche der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 verursacht wird, zueinander gleich.
Somit wird die Differenz zwischen der Phase des durch die Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 erfassten Interferenzsignals und der Phase des durch die Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 erfassten Interferenzsignals berechnet und wird die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung anhand des Ergebnisses der Berechnung erfasst. Somit kann die durch die Neigung der Gitteroberfläche verursachte Fehlerkomponente der Verlagerung beseitigt werden.
Nachfolgend wird anhand von 17 eine Änderung der Verlagerungserfassungsvorrichtung der vierten Ausführungsform beschrieben.
17 ist eine Ansicht, die die Einfallslage des einfallenden Lichtstrahls der Änderung zeigt.
Der Fehler, der verursacht wird, falls die Gitteroberfläche in der Nickrichtung geneigt ist, ist größer als der Fehler, der verursacht wird, falls die Gitteroberfläche in der Azimutrichtung geneigt ist (siehe 14 und 15).
Somit wird in der Änderung nur der Fehler beseitigt, der verursacht wird, falls die Gitteroberfläche in der Nickrichtung geneigt ist. Wie in 17 gezeigt ist, sind in diesem Fall ein Einfallspunkt P1 des einfallenden Lichtstrahls in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 31 und ein Einfallspunkt P2 des einfallenden Lichtstrahls in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 51 in einer Richtung senkrecht sowohl zu der X-Richtung als auch zu der Z-Richtung voneinander getrennt. Somit gibt es keinen Fehler bei der Erfassung der Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung, selbst wenn die Gitteroberfläche in der Nickrichtung geneigt ist, da die zwei bei den Einfallspunkten P1, P2 einfallenden Lichtstrahlen einander überlagert werden.
<Fünfte Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird anhand von 18 eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
18 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 in Übereinstimmung mit der fünften Ausführungsform zeigt.
Wie in 18 gezeigt ist, weist die Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 der fünften Ausführungsform dieselbe Konfiguration wie die Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 (siehe 7) der ersten Ausführungsform auf. Die unterschiedlichen Abschnitte der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 im Vergleich zu der Verlagerungserfassungsvorrichtung 1 sind ein Einstrahlungsoptiksystem 62 und ein Interferenzoptiksystem 63.
Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 enthält das oben erwähnte Einstrahlungsoptiksystem 62, das oben erwähnte Interferenzoptiksystem 63, einen Lichtempfangsabschnitt 4 und einen Verlagerungserfassungsabschnitt 5. Ferner ist auf der zu messenden Oberfläche ein reflektierendes Beugungsgitter 100 angeordnet.
Das Einstrahlungsoptiksystem 62 veranlasst, dass jeweils von einer Seite einer Ebene senkrecht zu der X-Richtung, entlang der die Gitterstrukturen des Beugungsgitters 100 periodisch angeordnet sind, zwei Lichtbündel auf das Beugungsgitter 100 einfallen. Das Einstrahlungsoptiksystem 62 enthält eine Lichtquelle 12, eine Kollimatorlinse 13, einen Strahlteiler 64 und zwei Spiegel 15, 16.
Die Lichtquelle 12 ist z. B. durch einen Mehrmoden-Halbleiterlaser oder dergleichen konfiguriert und ist für das Aussenden von p-polarisiertem Licht ausgelegt. Die Kollimatorlinse 13 ist für das Umwandeln des von der Lichtquelle 12 ausgesendeten Lichts in einen kollimierten Lichtstrahl ausgelegt. Der Polarisationsstrahlteiler 64 ist für das Teilen des von der Lichtquelle 12 ausgesendeten und durch die Kollimatorlinse 13 geführten Lichts in zwei Lichtbündel ausgelegt, die ein erster einfallender Lichtstrahl A1 und ein zweiter einfallender Lichtstrahl B1 sind. Der Strahlteiler 64 ist z. B. ein halbdurchlässiger Spiegel, wobei das Verhältnis der Menge des einfallenden Lichts A1 zu der Menge des einfallenden Lichts B1 1:1 ist.
Der Spiegel 15 reflektiert den einfallenden Lichtstrahl A1 in der Weise, dass der einfallende Lichtstrahl A1 auf das Beugungsgitter 100 einfällt, und der Spiegel 16 reflektiert den einfallenden Lichtstrahl B1 in der Weise, dass der einfallende Lichtstrahl B1 auf das Beugungsgitter 100 einfällt. Die optische Achse des einfallenden Lichtstrahls A1 und die optische Achse des einfallenden Lichtstrahls B1 werden durch die Spiegel 15, 16 in der Weise geändert, dass der einfallende Lichtstrahl A1 und der einfallende Lichtstrahl B1 im Wesentlichen jeweils von einer Seite einer Ebene senkrecht zu der X-Richtung bei demselben Punkt des Beugungsgitters 100 einfallen. Ferner wird der einfallende Lichtstrahl A1 durch das Beugungsgitter 100 gebeugt, um dadurch einen gebeugten Lichtstrahl A2 +m. Ordnung zu erzeugen, und wird der einfallende Lichtstrahl B1 durch das Beugungsgitter 100 gebeugt, um dadurch einen gebeugten Lichtstrahl B2 +m. Ordnung zu erzeugen.
Das Interferenzoptiksystem 63 enthält zwei Spiegel 65, 66, ein Dummy-Glas, ein Lambda-Halbe-Plättchen 68 und einen Polarisationsstrahlteiler 69.
Der Spiegel 65 reflektiert den durch das Beugungsgitter 100 gebeugten Lichtstrahl A2 in der Weise, dass der gebeugte Lichtstrahl A2 zu dem Polarisationsstrahlteiler 69 geführt wird. Ferner reflektiert der Spiegel 66 den durch das Beugungsgitter 100 gebeugten Lichtstrahl B2 in der Weise, dass der gebeugte Lichtstrahl B2 zu dem Polarisationsstrahlteiler 69 geführt wird. Die Winkel der Spiegel 65, 66 sind in der Weise eingestellt, dass die gebeugten Lichtstrahlen A2, B2, nachdem sie durch den Polarisationsstrahlteiler 69 gegangen sind, einander richtig überlagert werden.
Das Dummy-Glas 67 ist zwischen dem Spiegel 66 und dem Polarisationsstrahlteiler 69 angeordnet, wobei die Dicke des Dummy-Glases 67 so eingestellt ist, dass die optische Weglänge des Dummy-Glases 67 im Wesentlichen gleich der optischen Weglänge des Lambda-Halbe-Plättchens 68 ist. Der gebeugte Lichtstrahl B2 geht durch das Dummy-Glas 67, ohne die Polarisationsrichtung zu ändern, und fällt als der p-polarisierte Lichtstrahl auf den Polarisationsstrahlteiler 69 auf.
Das Lambda-Halbe-Plättchen 68 ist zwischen dem Spiegel 65 und dem Polarisationsstrahlteiler 69 angeordnet und ist zum Drehen der Polarisationsrichtung des gebeugten Lichtstrahls A2 um 90 Grad ausgelegt. Mit anderen Worten, dadurch, dass der gebeugte Lichtstrahl A2 durch das Lambda-Halbe-Plättchen 68 geht, wird er von dem p-polarisierten Lichtstrahl in einen s-polarisierten Lichtstrahl umgewandelt.
Der Polarisationsstrahlteiler 69 reflektiert den s-polarisierten gebeugten Lichtstrahl A2, der durch das Lambda-Halbe-Plättchen 68 gegangen ist, und lässt den p-polarisierten gebeugten Lichtstrahl B2, der durch das Dummy-Glas 67 gegangen ist, durch, um dadurch die zwei gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 miteinander zu überlagern, sodass die zwei gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 miteinander zur Interferenz gebracht werden.
Da der Lichtempfangsabschnitt 4 und der Verlagerungsabschnitt 5 dieselbe Konfiguration wie in der ersten Ausführungsform aufweisen, wird ihre Beschreibung übrigens weggelassen.
Nachfolgend wird der Betrieb der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 beschrieben.
Wie in 18 gezeigt ist, wird das von der Lichtquelle 12 ausgesendete Licht durch die Kollimatorlinse 13 in einen kollimierten Lichtstrahl umgewandeit und wird der kollimierte Lichtstrahl durch den Strahlteiler 64 in den einfallenden Lichtstrahl A1 und in den einfallenden Lichtstrahl B1 geteilt. Der einfallende Lichtstrahl A1 wird durch den Spiegel 15 reflektiert, damit er unter einem Einfallswinkel θ_A auf das Beugungsgitter 100 einfällt. Andererseits wird der einfallende Lichtstrahl B1 durch den Spiegel 16 reflektiert, damit er unter dem Einfallswinkel θ_B auf das Beugungsgitter 100 einfällt.
Mit anderen Worten, der einfallende Lichtstrahl A1 bzw. der einfallende Lichtstrahl B1 fallen auf das Beugungsgitter 100 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der X-Richtung, entlang der die Gitterstrukturen des Beugungsgitters 100 periodisch angeordnet sind, unter verschiedenen Winkeln auf, wobei der Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls A1 und der Einfallspunkt des einfallenden Lichtstrahls B1 im Wesentlichen dieselben sind.
Der einfallende Lichtstrahl A1 wird durch das Beugungsgitter 100 gebeugt, sodass ein gebeugter Lichtstrahl A2 +m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl A2 ist unter einem Winkel θ_A' in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der X-Richtung geneigt. Mit anderen Worten, der Beugungswinkel des gebeugten Lichtstrahls A2 ist θ_A'. Der gebeugte Lichtstrahl A2 wird durch den Spiegel 65 reflektiert, geht durch das Lambda-Halbe-Plättchen 68 und fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 69 auf.
Andererseits wird der einfallende Lichtstrahl B1 durch das Beugungsgitter 100 in der Weise gebeugt, dass der gebeugte Lichtstrahl B2 +m. Ordnung erzeugt wird. Der gebeugte Lichtstrahl B2 ist unter einem Winkel θ_B' in Bezug auf die Ebene senkrecht zu der X-Richtung geneigt. Mit anderen Worten, der Beugungswinkel des gebeugten Lichtstrahls B2 ist θ_B'. Der gebeugte Lichtstrahl B2 wird durch den Spiegel 66 reflektiert, geht durch das Dummy-Glas 67 und fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 69 auf.
Die gebeugten Lichtstrahlen A2, B3 werden durch den Polarisationsstrahlteiler 69 einander überlagert, damit sie miteinander zur Interferenz gebracht werden. Die gebeugten Lichtstrahlen A2, B2, die einander überlagert worden sind, gehen durch die Linse 18 und durch das Lambda-Viertel-Plättchen 19 des Lichtempfangsabschnitts 4, um zu zwei zirkular polarisierten Lichtstrahlen mit zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen zu werden.
Anschließend werden die Operationen des Lichtempfangsabschnitts 4 und des Verlagerungserfassungsabschnitts 5 ausgeführt, wobei diese Operationen gleich jenen der ersten Ausführungsform sind. Mit anderen Worten, der Verlagerungserfassungsabschnitt zählt durch einen Zähler die Phasenänderung pro Zeiteinheit der erzeugten Inkrementalsignale und erfasst anhand des Zählwerts die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung.
Falls sich in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Ausführungsform die Gitteroberfläche in der Z-Richtung bewegt hat, werden die Amplituden E_A, E_B der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 durch die Gleichungen (8) und (9) ausgedrückt. Ferner wird die Intensität I des Interferenzsignals durch Gleichung (10) ausgedrückt.
Falls dagegen die Periode A des Beugungsgitters auf einen Wert in der Nähe der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts verringert wird, hängt der Beugungswirkungsgrad des gebeugten Lichts von der Polarisationsrichtung ab. Ferner wird für p-polarisiertes einfallendes Licht ein hoher Beugungswirkungsgrad erwartet. Da in der vorliegenden Ausführungsform der einfallende Lichtstrahl A1 und der einfallende Lichtstrahl B1 p-polarisierte Lichtstrahlen sind, kann ein hoher Beugungswirkungsgrad erzielt werden und kann die Verlagerung mit hoher Auflösung erfasst werden.
19A ist eine Ansicht, die eine Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 zeigt. 19B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil D von 19A zeigt. Übrigens sind in 19A und 19B die Bauelemente von der Linse 18 bis zu den Lichtempfangselementen 24 und 27 weggelassen, damit die Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 leichter verstanden werden kann.
20 ist eine Ansicht, die die Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 auf einer in 19B gezeigten Fläche E zeigt. 21 ist eine Ansicht, die die Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 auf einer in 19B gezeigten Lichtempfangsfläche zeigt.
Wie in 19A bis 21 gezeigt ist, gibt es in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 eine Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2, falls sich die Gitteroberfläche (das Beugungsgitter 100) in der Z-Richtung bewegt hat. Da das Interferenzsignal klein wird, wird somit der Bereich der Verlagerung, der in der Z-Richtung erfasst werden kann, schmal.
In der vorliegenden Ausführungsform ist als die Lichtquelle 12 ein Mehrmoden-Halbleiterlaser verwendet. Somit kann ein durch Modensprung verursachter Fehler verhindert werden, während der durch Modensprung verursachte Fehler nicht verhindert werden kann, wenn als die Lichtquelle ein Einmoden-Halbleiterlaser verwendet ist. Da der Mehrmoden-Halbleiterlaser im Vergleich zu einem Einmoden-Halbleiterlaser eine kurze Kohärenzlänge aufweist, kann ferner die Sichtbarkeit des Interferenzsignals maximiert werden. Somit kann die Differenz der optischen Weglängen zwischen den zwei gebeugten Lichtstrahlen A2, B2, die miteinander interferieren sollen, minimiert werden, wobei der durch Änderung der Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers verursachte Fehler verringert werden kann.
Übrigens muss die Kohärenzlänge ausreichend größer als das in Gleichung (11) gezeigte ”ΔLA–ΔLB” sein, falls ein Mehrmoden-Halbleiterlaser verwendet ist. Dies liegt daran, dass das Interferenzsignal wegen der durch ”ΔLA–ΔLB” verursachten Differenz der optischen Weglängen wesentlich abfällt, falls die Kohärenzlänge kürzer als ”ΔLA–ΔLB” ist.
Ferner können als die Lichtquelle der vorliegenden Erfindung ebenfalls ein DFB-Laser (Laser mit verteilter Rückkopplung) oder ein DBR-Laser (Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor) verwendet werden, die keinen Modensprung zeigen. Da der DFB-Laser und der DBR-Laser eine lange Kohärenzlänge aufweisen, muss übrigens entweder der optische Weg unter Verwendung einer Lichtquelle mit kurzer Kohärenzlänge zuvor eingestellt werden oder die Temperatur des DFB-Lasers oder des DBR-Lasers genau gesteuert werden, um den durch die Wellenlängenänderung verursachten Fehler zu verhindern.
<Sechste Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird anhand von 22 eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
22 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 in Übereinstimmung mit der sechsten Ausführungsform zeigt.
Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 der sechsten Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie die Probleme mit der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 der fünften Ausführungsform (siehe 19A bis 21) mildert. Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 weist dieselbe Konfiguration wie die Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 (siehe 18) der fünften Ausführungsform auf. Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 unterscheidet sich von der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 dadurch, dass die Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 mit einem Blendenglied 72 versehen ist.
Wie in 22 gezeigt ist, ist das Blendenglied 72 zwischen einem Polarisationsstrahlteiler 69 und einer Linse 18 angeordnet. Das Blendenglied 72 weist eine kreisförmige Apertur auf. Der Durchmesser der Apertur des Blendenglieds 72 ist so eingestellt, dass nur der überlagerte Teil der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 durch die Apertur gehen kann, selbst wenn sich die Gitteroberfläche (das Beugungsgitter 100) in der Z-Richtung bewegt hat.
Übrigens kann der Durchmesser der Apertur des Blendenglieds 72 außerdem einstellbar sein.
23A ist eine Ansicht, die eine Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 zeigt. 23B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil D von 23A zeigt. Übrigens sind in 23A und 23B die Bauelemente von der Linse 18 bis zu den Lichtempfangselementen 24 bis 27 weggelassen, sodass eine Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 leichter verstanden werden kann.
24 ist eine Ansicht, die eine Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 auf dem in 23A und 23B gezeigten Blendenglied 72 zeigt. 25 ist eine Ansicht, die die Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 auf der in 23A und 23B gezeigten Lichtempfangsfläche zeigt.
Wie in 23A, 23B und 24 gezeigt ist, wird die Fehlausrichtung der Überlagerung in den gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 verursacht, bevor sie durch das Blendenglied 72 gehen. Das Blendenglied 72 lässt nur den überlagerten Teil der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 hindurchgehen.
Im Ergebnis fällt nur der überlagerte Teil der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 auf die Lichtempfangsfläche ein. Da das Interferenzsignal in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 somit in einem weiteren Bereich als in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 der fünften Ausführungsform auf einen konstanten Pegel gesteuert werden kann, kann der Bereich der Verlagerung, der in der Z-Richtung erfasst werden kann, vergrößert werden.
Übrigens müssen die gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 auf dem Blendenglied 72 ein bestimmtes Größenniveau aufweisen, sodass in einem notwendigen Messbereich zuverlässig ein ausreichender überlagerter Teil erhalten werden kann, wobei die gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 vorzugsweise jeweils eine flache Intensitätsverteilung aufweisen. Falls die gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 jeweils ein Lichtbündel mit einer Gauß'schen Verteilung aufweisen, ist es ferner wirksam, einen Homogenisator zu verwenden, um die Verteilung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 in eine Rechteckverteilung umzuwandeln.
Ferner ist das Blendenglied 72 nicht darauf beschränkt, zwischen den Polarisationsstrahlteiler 69 und der Linse 18 angeordnet zu sein, sondern kann an anderen Orten angeordnet sein, solange das Blendenglied 72 zwischen dem Beugungsgitter 100 und dem Lichtempfangselement angeordnet ist.
26A ist eine Ansicht, die eine erste Änderung des Blendenglieds zeigt.
26B ist eine Ansicht, die eine zweite Änderung des Blendenglieds zeigt.
Das in 26A gezeigte Blendenglied 74 weist eine ovale Apertur auf. Ferner weist ein in 26A gezeigtes Blendenglied 75 eine rechteckige Apertur auf. Die Größen der Aperturen der Blendenglieder 74, 75 entsprechen dem überlagerten Teil der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2. Somit kann im Vergleich zu dem Fall, in dem das Blendenglied 72 verwendet wird, ein verhältnismäßig großer Anteil des überlagerten Teils der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 durchgelassen werden, sodass ein verhältnismäßig starkes Interferenzsignal erhalten werden kann.
Obwohl die Aperturen der in 26A und 26B gezeigten Blendenglieder 74, 75 in ovaler Form bzw. in rechteckiger Form gebildet sind, kann die Form der Apertur des Blendenglieds der vorliegenden Erfindung übrigens geeignet ausgelegt sein, sodass die Apertur nur zulassen kann, dass der überlagerte Teil der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 durchgelassen wird.
<Siebente Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Nachfolgend wird anhand von 27A bis 27C eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer siebenten Ausführungsform beschrieben.
27A ist eine Ansicht, die ein erstes Beispiel eines Lichtempfangselements der Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der siebenten Ausführungsform zeigt. 27B ist eine Ansicht, die ein zweites Beispiel des Lichtempfangselements zeigt, und 27C ist eine Ansicht, die ein drittes Beispiel des Lichtempfangselements zeigt.
Die Verlagerungserfassungsvorrichtung der siebenten Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie die Probleme mit der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 der fünften Ausführungsform (siehe 19A bis 21) mildert. Der einzige Unterschied zwischen der Verlagerungserfassungsvorrichtung der siebenten Ausführungsform und der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 ist das Lichtempfangselement. Somit erfolgt hier die Beschreibung für das Lichtempfangselement der siebenten Ausführungsform.
Ein in 27A gezeigtes Lichtempfangselement 81 weist eine kreisförmige Lichtempfangsfläche 81a auf. Der Durchmesser der Lichtempfangsfläche 81a ist auf eine kleinere Größe als der des überlagerten Teils der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 eingestellt. Da diese Lichtempfangsfläche 81a äquivalent der Bereitstellung des Blendenglieds der sechsten Ausführungsform ist, kann der Bereich der Verlagerung, die in der Z-Richtung erfasst werden kann, wie im Fall der sechsten Ausführungsform vergrößert werden.
Ein in 27B gezeigtes Lichtempfangselement 82 weist eine ovale Lichtempfangsfläche 82a auf. Ferner weist ein in 27C gezeigtes Lichtempfangselement 83 eine rechteckige Lichtempfangsfläche 83a auf. Die Durchmesser der Lichtempfangsflächen 82a, 83a der Lichtempfangselemente 82, 83 sind jeweils auf eine kleinere Größe als der überlagerte Teil der gebeugten Lichtstrahlen A2, B3 eingestellt. Somit kann im Vergleich zu dem Fall, dass das Lichtempfangselement 81 verwendet wird, ein verhältnismäßig großer Abschnitt des überlagerten Teils der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 empfangen werden, sodass ein verhältnismäßig starkes Interferenzsignal erhalten werden kann.
Übrigens kann die Form der Lichtempfangsfläche des Lichtempfangselements der vorliegenden Erfindung geeignet ausgelegt werden, solange die Lichtempfangsfläche eine Fläche aufweist, die nur zulässt, dass der überlagerte Teil der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 empfangen wird.
<Achte Ausführungsform der Verlagerungserfassungsvorrichtung>
Zunächst wird anhand von 28A und 28B die Erscheinung der Fehlausrichtung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 der sechsten Ausführungsform beschrieben.
28A ist eine Ansicht, die eine Fehlausrichtung der gebeugten Lichtstrahlen in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 zeigt, falls die Gitteroberfläche (das Beugungsgitter 100) in Neigungsrichtung gedreht ist. 23B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil D von 28A zeigt. Übrigens sind in 28A und 28B die Bauelemente von der Linse 18 bis zu den Lichtempfangselementen 24 bis 27 weggelassen, damit eine Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 leichter verstanden werden kann.
Wie in 28A und 28B gezeigt ist, gehen die gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 unter unterschiedlichen Winkeln durch die Apertur des Blendenglieds 72, wenn die Gitteroberfläche (das Beugungsgitter 100) in Nickrichtung gedreht ist. Somit wird auf der Lichtempfangsfläche jedes der Lichtempfangselemente 24 bis 27 eine Fehlausrichtung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 erzeugt. Im Ergebnis wird das durch jedes der Lichtempfangselemente 24 bis 27 erhaltene Interferenzsignal schwach, sodass die Verlagerung der Gitteroberfläche in der Z-Richtung schwer zu erfassen ist.
Nachfolgend wird anhand von 29 und 30 eine Verlagerungserfassungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
29 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Verlagerungserfassungsvorrichtung 91 in Übereinstimmung mit der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 30 ist eine Ansicht, die die Lage eines Abbildungsoptiksystems der Verlagerungserfassungsvorrichtung 91 in Übereinstimmung mit der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Übrigens sind in 29 die Bauelemente von der Linse 18 bis zu den Lichtempfangselementen 24 bis 27 weggelassen, damit die Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 leichter verstanden werden kann.
Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 91 der achten Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie die Probleme mit der Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 der sechsten Ausführungsform (siehe 28A und 28B) mildert. Die Verlagerungserfassungsvorrichtung 91 unterscheidet sich von der Verlagerungserfassungsvorrichtung 61 dadurch, dass die Linse 18 in der Verlagerungserfassungsvorrichtung 91 als das Abbildungsoptiksystem der vorliegenden Erfindung fungiert.
Die Linse 18 ist in einer solchen Lage angeordnet, dass die Bilder der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 bei dem Blendenglied 72 auf der Lichtempfangsfläche erzeugt werden. Somit fallen die gebeugten Lichtstrahlen A2, B2, die unter einem geeigneten Winkel durch die Apertur des Blendenglieds 72 gegangen sind, bei der Bildlage des Blendenglieds 72 auf die Lichtempfangsfläche auf. Im Ergebnis kann die Verringerung des Interferenzsignals selbst dann verhindert werden, wenn die Gitteroberfläche (das Beugungsgitter 100) in Nickrichtung gedreht ist, da es weder eine Fehlausrichtung der Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 noch eine Fehlausrichtung der Wellenfronten der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 auf der Lichtempfangsfläche gibt. Ferner kann der Bereich der Verlagerung, der in der Z-Richtung erfasst werden kann, sichergestellt werden.
Übrigens bedeutet die oben erwähnte Wellenfront eine Oberfläche mit derselben Phase in jedem der gebeugten Lichtbündel A2, B2. Falls die Wellenfronten fehlausgerichtet sind, wird in den gebeugten Lichtstrahlen A2, B2, die miteinander interferieren sollen, eine Phasendifferenz erzeugt, sodass das Interferenzsignal abnimmt.
Wie in 30 gezeigt ist, ist die Strecke zwischen dem Blendenglied 72 und einer Hauptebene der Linse 18 durch ”s” bezeichnet, ist der Brechungsindex des Raums der Strecke ”s” durch ”n” bezeichnet, ist die Strecke zwischen der anderen Hauptebene der Linse 18 und der Lichtempfangsfläche durch ”s'” bezeichnet und ist der Brechungsindex des Raums der Strecke ”s'” durch ”n'” bezeichnet. Übrigens ist die Hauptebene eine Ebene, die einen Hauptpunkt der Linse enthält. Somit ist die Strecke s die Strecke zwischen dem Blendenglied 72 und einem Hauptpunkt der Linse 18 und ist die Strecke s' die Strecke zwischen dem anderen Hauptpunkt der Linse 18 und der Lichtempfangsfläche.
Ferner ist die Brennweite der Linse 18 auf der Seite des Blendenglieds 72 durch ”f” bezeichnet und ist die Brennweite der Linse 18 auf der Seite der Lichtempfangselemente 24 bis 27 durch ”f” bezeichnet. In diesem Fall wird die Lagebeziehung zwischen dem Blendenglied 72, der Linse 18 und den Lichtempfangselementen 24 bis 27 durch die folgende Gleichung ausgedrückt. n'/s' – n/s = n'/f' = n/f (19)
Da Gleichung (19) eine Näherungsgleichung ist, wird die Lage der Linse 18 in der Praxis mittels Ray-Tracing oder dergleichen in der Weise eingestellt, dass die Fehlausrichtung der gebeugten Lichtstrahlen A2, B2 minimal wird. Ferner kann die Form der Apertur des Blendenglieds 72 geeignet ausgelegt werden. Zum Beispiel kann die Apertur des Blendenglieds 72 ähnlich der Verlagerungserfassungsvorrichtung 71 der sechsten Ausführungsform in ovaler Form oder in Rechteckform ausgelegt werden, um dadurch das Interferenzsignal zu verstärken.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen und in der beigefügten Zeichnung gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern können daran Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel sind die oben erwähnten Ausführungsformen unter Verwendung eines Beispiels beschrieben worden, in dem das Beugungsgitter ein durch Anordnen der Gitterstrukturen des Beugungsgitters auf lineare Weise konfiguriertes Beugungsgitter 100 ist (siehe 1). Allerdings kann das Beugungsgitter der vorliegenden Erfindung auch ein durch wiederholtes Anordnen der Gitterstrukturen in zwei Dimensionen konfiguriertes Beugungsgitter wie etwa das in 31 gezeigte Beugungsgitter 101 sein. Da es in diesem Fall mehrere Perioden von Gitterstrukturen wie etwa Λ₁, Λ₂ gibt, kann irgendeine dieser Perioden von Gitterstrukturen als die Gitterkonstante des Beugungsgitters verwendet werden.
Obwohl die oben erwähnten Ausführungsformen unter Verwendung eines Beispiels beschrieben worden sind, in dem ein reflektierendes Beugungsgitter verwendet ist, kann in der vorliegenden Erfindung ferner auch ein lichtdurchlässiges Beugungsgitter verwendet werden. Ferner sind die Arten des Beugungsgitters in der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter der vorliegenden Erfindung alternativ ein Amplitudenbeugungsgitter mit einem darauf markierten Hell-Dunkel-Muster sein oder ein Phasenbeugungsgitter mit einer darauf markierten Brechungsindexänderung oder Formänderung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-194995 [0001]
JP 2011-106686 [0001]
JP 06-241728 [0003, 0010]
JP 06-241782 [0005]

Claims

Verlagerungserfassungsvorrichtung, die umfasst: ein Einstrahlungsoptiksystem, das dafür ausgelegt ist zu veranlassen, dass zwei Lichtbündel auf ein Beugungsgitter jeweils unter verschiedenen Winkeln in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu einer Richtung, entlang der Gitterstrukturen des Beugungsgitters periodisch angeordnet sind, einfallen; ein Interferenzoptiksystem, das dafür ausgelegt ist zu veranlassen, dass zwei gebeugte Lichtstrahlen M. Ordnung der jeweiligen auf das Beugungsgitter einfallenden Lichtbündel miteinander interferieren, um Interferenzlicht zu erzeugen; einen Lichtempfangsabschnitt, der zum Empfangen des Interferenzlichts ausgelegt ist, um ein Interferenzsignal zu erfassen; und einen Verlagerungserfassungsabschnitt, der zum Erfassen einer vertikalen Verlagerung einer Oberfläche, auf der das Beugungsgitter angeordnet ist, anhand der Änderung des Interferenzsignals ausgelegt ist.
Verlagerungserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: ein Blendenglied, das in einem optischen Weg zwischen dem Beugungsgitter und dem Lichtempfangsabschnitt angeordnet ist, wobei das Blendenglied eine kleinere Apertur als die Weite des Lichtbündels aufweist.
Verlagerungserfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, die ferner umfasst: ein Abbildungsoptiksystem, das zum Erzeugen eines Bilds des Interferenzlichts auf einer Lichtempfangsfläche des Lichtempfangsabschnitts ausgefegt ist.
Verlagerungserfassungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtempfangsabschnitt eine Lichtempfangsfläche aufweist, deren Größe kleiner als die Weite des Lichtbündels ist.