JP2015137969A - ステージの位置制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気のゆらぎ、機械振動が大きな場所でも、ステージの位置制御を高速かつ高精度に行うことができるステージの位置制御装置及び方法を提供する。【解決手段】所定の繰り返し周波数を有する光コムを光源とする干渉光学系６０を使用することにより、ステージ１０に取り付けられた測定対象物１８の空間位置を、所定の繰り返し周波数の周波数間隔に対応する空間間隔Ｄｒを有する位置毎に精度よく検出し、ステージ１０の空間位置を検出するリニアエンコーダの検出値との変位量（誤差）を計測する。そして、位置決め制御されたステージ１０の位置毎の変位量に基づいてリニアエンコーダにより検出されるステージ１０の空間位置を校正する。これにより、アッベの条件を満足して、ステージ１０の空間位置決めを、ナノメートルオーダの超精密に実現する。【選択図】 図２

Description

本発明はステージの位置制御装置及び方法に係り、特に所定の繰り返し周波数を有する光コムを使用したステージの位置制御装置及び方法に関する。

半導体装置等の微細部品の検査装置、半導体露光装置に用いられている位置決めステージは、高精度の位置決め精度が要求される。

従来、ステージの位置決め制御は、リニアエンコーダの信号を利用して行われていたが、リニアエンコーダはアッベの条件を満足していないため、位置検出精度が低く、その制御の正確さが悪かった。

そこで、ステージを精密に位置決めするために、ヘリウム−ネオン(He-Ne)レーザを光源とし、ヘテロダイン検出方式の光波干渉測定装置が広く利用されている（特許文献１）。

この種の光波干渉測定装置（レーザ干渉計）は、ステージなどに取り付けた測定用反射鏡の参照用反射鏡に対する相対的な変位量を、干渉信号の位相変化を積算することにより求めるため、干渉計のビームが遮られると、位置の基準が失われてしまうという欠点を有している。

特許文献１に記載の発明は、上記欠点を解決するために、第１の波長の光を用いた測長用の第１の光波干渉計と、第１の波長とは異なる第２の波長の光を用いた第２の光波干渉計とを用い、両干渉計の測定光の光軸を途中から平行にして同一の測定用反射鏡に導き、両干渉計の合成波長内での測定用反射鏡の移動量の測定を、位相変化の計数をしなくても行うことができるようにし、たとえ測定光が遮断されたとしても、原点からの測定用反射鏡の位置を合成波長内で測長用の光波干渉計の分解能で行うことができるようにしている。

また、近年では「光コム（光周波数コム）」と呼ばれる特殊な光の干渉を利用した測長技術も提案されており、例えば、特許文献２は、繰り返し周波数の異なる２種類の光コムの干渉を利用した光へテロダイン距離計を開示する。光コムは、周波数の異なる複数の光成分であって、一定の繰り返し周期で離散する複数の光成分の集合によって構成される。この光コムの干渉を利用することで、基準点（原点）から測定対象までの絶対距離を高精度に計測することができる。

特開平１１−１８３１１６号公報 特開２０１３−１７８１６９号公報

特許文献１に記載の光波干渉測定方法による、ステージの精密位置決め方法によれば、第１の波長の光を用いた測長用の第１の光波干渉計と、第１の波長とは異なる第２の波長の光を用いた第２の光波干渉計とを用いることにより、測定光が遮断されたとしても、原点からの測定用反射鏡の位置を合成波長内で測長用の光波干渉計の分解能で行うことができるが、波長の異なる２種類のレーザ（He-Neレーザ）と、これらのレーザを使用した２系統の光波干渉計が必要になり、装置が複雑化及び大型化するという問題がある。

また、特許文献２に記載の光ヘテロダイン干渉計は、繰り返し周波数の異なる２種類の光コムを発生させる２種類の光源を必要とする。また、ステージ（測定対象）の位置決め制御は、大気のゆらぎ、機械振動が大きな場所で高速で実現する必要があるが、特許文献２に記載の光ヘテロダイン干渉計による測距結果を、ステージの位置決め制御にそのまま適用するのは難しいという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、大気のゆらぎ、機械振動が大きな場所でも、ステージの位置制御を高速かつ高精度に行うことができるステージの位置制御装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の一の態様に係るステージの位置制御装置は、ステージの移動指令を出力する移動指令部と、ステージの可動範囲にわたってステージの空間位置を検出する位置検出器と、移動指令部により出力されるステージの移動指令と位置検出器により検出される位置検出信号とに基づいて、ステージの位置を制御する第１の制御部と、所定の繰り返し周波数を有する光コムを発生する光周波数コム発生部と、ステージに取り付けられた測定対象物と、光周波数コム発生部から発生する光コムを分岐させ、それぞれ測定光及び参照光として測定対象物の測定面及び所定位置の参照面に入射させ、測定面及び参照面で反射した前記測定光と前記参照光との干渉光を発生させる干渉光学系と、測定対象物の測定面を移動させ、干渉光学系の光路差を変化させる光路差可変部と、干渉光学系により発生する干渉光を入射し、干渉光に対応する電気信号を出力する光検出部と、光検出部から出力される電気信号に基づいて、干渉光が最大になるように光路差可変部を制御する第２の制御部と、第１の制御部により、光コムの所定の繰り返し周波数の周波数間隔に対応する空間間隔を有する位置毎に、ステージを位置決めさせる第３の制御部と、第２の制御部による制御により干渉光が最大になったときの、測定対象物の測定面の変位量を検出する変位量検出部であって、第３の制御部により位置決め制御されたステージの位置毎に変位量を検出する変位量検出部と、変位量検出部により検出される複数の変位量に基づいて、位置検出器により検出されるステージの空間位置を校正する校正部と、を備えている。

本発明の一の態様によれば、所定の繰り返し周波数を有する光コムを光源とする干渉光学系を使用することにより、ステージに取り付けられた測定対象物の空間位置を、所定の繰り返し周波数の周波数間隔に対応する空間間隔を有する位置毎に精度よく位置決めすることができる。ここで、光コムとは、周波数領域において周波数が等間隔になっている周波数成分からなる光信号であり、繰り返し周波数の周波数精度が高く、時間領域では非常に安定した超短パルスの列として現れる。

そこで、まず、リニアエンコーダ等のステージの空間位置を検出する位置検出器を使用して、光コムの繰り返し周波数の周波数間隔に対応する空間間隔を有する所定の位置にステージを位置決めする。この状態で、測定対象物の測定面を光路差可変部により移動させ、干渉光学系の光路差を変化させる。光路差が、光コムの繰り返し周波数の周波数間隔に対応する空間間隔の整数倍のときに、干渉光が最大になる。変位量検出部は、干渉光が最大になったときの、測定対象物の測定面の変位量を検出するが、この検出した変位量は、位置検出器に基づくステージの位置決め制御による誤差に相当する。そこで、変位量検出部により検出される、位置決め制御されたステージの位置毎の変位量（誤差）に基づいて、位置検出器により検出されるステージの空間位置を校正するようにしている。

これにより、ステージの空間位置決めを、ナノメートルオーダの超精密に実現している。また、干渉信号の位相変化を積算するものでないため、ビームが遮られても位置の基準が失われることがない。更に、一旦、位置決め制御されたステージの位置毎の変位量（誤差）を測定しておけば、環境が大幅に変化しない限り、位置検出器により検出されるステージの空間位置を校正して使用することができ、ステージの位置制御を高速かつ高精度に行うことができる。

本発明の他の態様に係るステージの位置制御装置において、測定対象物の測定面及び所定位置の参照面のうちの一方を、所定の振幅及び周波数で振動させる加振部を備えることが好ましい。測定光と参照光との位相を周期的に変化させ、周期的な干渉光（ビート信号）を得るためである。尚、加振部は、測定対象物の測定面及び所定位置の参照面のうちの一方を、位置検出器による位置検出の誤差よりも大きな振幅で振動させることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、第２の制御部は、加振部による振動の周波数に対応して、光検出部から出力される電気信号を位相検波する位相検波部を有し、位相検波部により検波される位相がゼロになるように光路差可変部を制御することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、加振部は、参照面が取り付けられた第１のピエゾ素子と、所定の周波数の正弦波信号を発生する発信器と、正弦波信号を増幅し、第１のピエゾ素子に出力する増幅器とからなることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、光路差可変部は、測定面が取り付けられた第２のピエゾ素子と、第２のピエゾ素子を駆動する駆動部とからなることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、第２の制御部は、光検出部から出力される電気信号を入力信号とし、発信器から出力される正弦波信号を参照信号として、入力信号と参照信号との位相差に対応する電圧信号を出力するロックインアンプを有し、電圧信号に基づいて位相差がゼロになるように駆動部を介して第２のピエゾ素子を駆動することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、変位量検出部は、第２のピエゾ素子の伸び量を直接検出して測定面の変位量を検出し、又は第２のピエゾ素子に印加する印加電圧に基づいて第２のピエゾ素子の伸び量を検出して測定面の変位量を検出することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、加振部は、測定対象物の測定面が取り付けられたピエゾ素子と、所定の周波数の正弦波信号を発生する発信器と、正弦波信号を増幅し、ピエゾ素子に出力する増幅器とからなることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、光路差可変部は、ピエゾ素子と、ピエゾ素子に電圧を印加して測定面の振動の基準位置を移動させる駆動部とからなることが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、変位量検出部は、ピエゾ素子に印加する印加電圧に基づいてピエゾ素子の伸び量を検出して測定面の変位量を検出することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、第２の制御部は、光検出部から出力される電気信号を入力信号とし、発信器から出力される正弦波信号を参照信号として、入力信号と参照信号との位相差に対応する電圧信号を出力するロックインアンプを有し、電圧信号に基づいて位相差がゼロになるように駆動部を介してピエゾ素子を駆動することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御装置において、校正部は、変位量検出部により検出される複数の変位量に基づいて、位置検出器により検出される位置検出信号を校正する変換式、又は変換テーブルを求め、位置検出器により検出される位置検出信号を、変換式又は変換テーブルに基づいて校正することが好ましい。

本発明の更に他の態様に係る発明は、移動指令部により出力されるステージの移動指令とステージの空間位置を検出する位置検出器により検出される位置検出信号とに基づいて、ステージの位置を制御するステージの位置制御方法において、所定の繰り返し周波数を有する光コムを発生させる工程と、光コムを分岐させ、それぞれ測定光及び参照光としてステージに取り付けた測定対象物の測定面及び所定位置の参照面に入射させ、測定面及び参照面で反射した測定光と参照光との干渉光を発生させる工程と、光コムの所定の繰り返し周波数に対応する所定の間隔毎に、位置検出器により検出される位置検出信号に基づいてステージを位置決めさせる位置決め工程と、位置決め工程で位置決めされた位置毎に、ステージを停止させた状態で測定対象物の測定面を移動させ、干渉光学系の光路差を変化させる光路差可変工程と、干渉光学系により発生する干渉光を入射し、干渉光に対応する電気信号を検出する光検出工程と、光検出工程により検出される電気信号に基づいて、干渉光が最大になるように光路差可変工程による干渉光学系の光路差を制御する工程と、干渉光が最大になったときの、測定対象物の測定面の変位量を検出する光路差可変工程であって、前記位置決め制御されたステージの位置毎に変位量を検出する変位量検出工程と、変位量検出工程により検出される複数の変位量に基づいて、位置検出器により検出されるステージの空間位置を校正する校正工程と、を含んでいる。

本発明の更に他の態様に係るステージの位置制御方法において、位置決め工程で位置決めされた位置毎に、ステージを停止させた状態で測定対象物の測定面及び所定位置の参照面のうちの一方を、所定の振幅及び周波数で振動させる加振工程を更に含むことが好ましい。

本発明によれば、光コムをステージの位置決め制御に適用し、位置検出器により検出されるステージの空間位置を校正するようにしたため、大気のゆらぎ、機械振動が大きな場所でも、ステージの位置制御を高速かつ高精度に行うことができる。

本発明に係るステージの位置制御装置の全体構成を示すブロック図である。 光コム計測器の第１の実施形態を示すブロック図である。 時間領域の光コムと周波数領域の光コムを示す図である。 時間領域の光コムからなる参照光と測定光を示す波形図である。 ロックインアンプ及び制御部による信号処理・制御を概念的に示すイメージ図である。 ステージの位置決め誤差を、所定の空間距離の整数倍の位置毎に計測する方法を示すフローチャートである。 第２のピエゾ素子に印加する印加電圧と、第２のピエゾ素子の伸縮に伴う測定面の変位量との関係を示すグラフである。 リニアエンコーダの検出値と計測された変位量と誤差との関係を示す図表である。 リニアエンコーダの検出値と、校正後の検出値との関係を示す図である 光コム計測器の第２の実施形態を示すブロック図である。

以下、添付図面に従って本発明に係るステージの位置制御装置及び方法の実施の形態について説明する。

＜ステージの位置制御装置の全体構成＞
図１は本発明に係るステージの位置制御装置の全体構成を示すブロック図である。

図１において、ステージ１０は、半導体装置等の微細部品の検査装置、半導体露光装置等に使用される位置決めステージ、Ｘ−Ｙステージ等である。

ステージの位置制御装置１は、主としてステージ１０の移動指令を出力する移動指令部１２、ステージ１０をＸ軸方向（図１の左右方向）に移動させる駆動部１３、ステージ１０の空間位置を検出する位置検出器（リニアエンコーダ）１４、ステージ１０の位置を制御する制御部（第１の制御部、第３の制御部、校正部）１６、ステージ１０に取り付けられた測定面１８ａを有する反射部（測定対象物）１８、測定対象物１８の測定面１８ａを移動させ、後述する干渉光学系の光路差を変化させる光路差可変部（第２のピエゾ素子）２０、及び光コム計測器３０から構成されている。

ステージ１０は、半導体装置等の微細部品の検査装置、半導体露光装置等に使用される位置決めステージ、Ｘ−Ｙステージ等である。本例のステージ１０は、説明の簡単のために１軸方向（Ｘ軸方向）のみ移動できる直進ステージとする。

駆動部１３は、電動モータと、該電動モータの駆動力をステージ１０に伝達するボールねじ機構とにより構成されるが、電磁力を用いて非接触に駆動力を発生させリニアモータにより構成されるものでもよい。

リニアエンコーダ１４は、ステージ１０の可動範囲にわたってステージ１０の空間位置を検出するデジタルリニアエンコーダであり、サブミクロンオーダの検出精度を有する。

制御部１６は、移動指令部１２により出力されるステージ１０の移動指令とリニアエンコーダ１４により検出される位置検出信号とに基づいて、ステージ１０が移動指令に対応する位置に移動するように駆動部１３に制御信号を出力し、ステージ１０の位置を制御する。

また、制御部１６は、光コム計測器３０から出力される計測値に基づいて、リニアエンコーダ１４により検出される位置を校正する校正部としても機能するが、この詳細については後述する。

［光コム計測器の第１の実施形態］
図２は、光コム計測器の第１の実施形態を示すブロック図である。

第１の実施形態の光コム計測器３０は、光周波数コム発生部３２と、エタロン３４と、光ファイバ４０〜５０、スプリッタ５１、光コネクタ５２、５３、サーキュレータ５４、５５、ミキサ５６、コリメータ５７、５８、及び参照面５９ａを有する反射部５９からなる干渉光学系６０と、加振部（第１のピエゾ素子）６２と、光検出部６４と、負信号カット部６６と、発信器６８と、増幅器７０と、ロックインアンプ７２と、制御部７４とから構成されている。

光周波数コム発生部３２は、所定の繰り返し周波数を有する光コムを発生する。図３（ａ）に示すように、光コムは、時間領域では非常に安定した超短パルスの列として現れる。また、図３（ｂ）に示すように、光コムは、周波数領域では、正確に一定周波数（繰り返し周波数ｆ_rep）ずつ離れている多数の光から成り立っている。

図３（ａ）に示すように、光コムは、図３（ｂ）に示した光コムの繰り返し周波数ｆ_repの逆数の時間間隔Ｔ_Rを有する、安定したパルス列として出力される。尚、図３（ｂ）において、ｆ_CEOは、オフセット周波数である。

光周波数コム発生部３２から発生した光コムは、光ファイバ４０、エタロン３４及び光ファイバ４１を介してスプリッタ５１に入射し、ここで、参照光用の光コムと測定光用の光コムとに分岐させられる。エタロン３４は、干渉間距離が固定されたファブリー・ペロー・エタロンであり、入射する光コムから所望の繰り返し周波数を持つ光コムを生成して出力する。エタロン３４を介在させることにより、計測目的に合致した繰り返し周波数の光コムを生成することができる。尚、光周波数コム発生部３２から発生した光コムが、もともと計測目的に合致した繰り返し周波数の光コムとして生成されている場合には、エタロン３４は省略することができる。

スプリッタ５１により分岐させられた光コムの一方は、参照光として、光ファイバ４２、光コネクタ５２、光ファイバ４４、サーキュレータ５４、光ファイバ４５及びコリメータ５７を介して参照面５９ａを有する反射部５９に入射し、参照面５９ａで反射した参照光は、光ファイバ４５、サーキュレータ５４、及び光ファイバ４６を介してミキサ５６に入射する。

スプリッタ５１により分岐させられた光コムの他方は、測定光として、光ファイバ４３、光コネクタ５３、光ファイバ４８、サーキュレータ５５、光ファイバ４９及びコリメータ５８を介して測定面１８ａを有する反射部（測定対象物）１８に入射し、測定面１８ａで反射した測定光は、光ファイバ４９、サーキュレータ５５、及び光ファイバ５０を介してミキサ５６に入射する。

ミキサ５６は、参照光と測定光とを混合（合成）し、合成した光を光ファイバ４７を介して光検出部６４に入射させる。

光検出部６４は、入射する光を電気信号に変換する光電変換部であり、入射する光の強さに応じた電気信号（電圧信号）を出力する。

図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ時間領域の参照光と測定光の一例を示す図である。

参照光と測定光とは、同じ光周波数コム発生部３２から出力された光コムであり、繰り返し周波数ｆ_rep、パルス列の時間間隔Ｔ_Rが同じである。

従って、干渉光学系６０の参照光の光路長と測定光の光路長とが一致している場合、及び両者の光路長の差（光路差）が、パルス列の時間間隔Ｔ_Rに対応する空間距離Ｄｒの整数倍のとき、参照光と測定光とが干渉する。即ち、図４において、参照光と測定光との時間波形のずれ時間（ΔＴ）がゼロになるときに、参照光と測定光とが干渉する。

尚、本例では、パルス列の時間間隔Ｔ_Rに対応する空間距離Ｄｒとして、３０ｍｍとする。従って、エタロン３４は、繰り返し周波数が１０ＧＨｚの光コムを生成する。

第１の実施形態では、第１のピエゾ素子６２により参照面５９ａを、所定の振幅及び周波数で正弦波振動させ、参照光に正弦波状の位相変調を与えることにより、正弦波状の位相変調に対応する干渉光が発生するようにしている。

発信器６８は、周波数が１５０Ｈｚの正弦波信号を増幅器７０を介して第１のピエゾ素子６２に出力し、第１のピエゾ素子６２は、参照面５９ａを、振幅３μｍ、周波数１５０Ｈｚで正弦波振動させる。尚、リニアエンコーダ１４を使用したステージ１０の位置決め精度は、振幅３μｍ以内であるため、リニアエンコーダ１４を使用してステージ１０を位置決めした後、参照面５９ａを振幅３μｍの正弦波振動させることにより、干渉光を発生させることができる。

上記のように参照面５９ａを正弦波振動させることにより、光検出部６４には、正弦波状の位相変調に対応する干渉光が入射し、光検出部６４は、入射する干渉光に対応する電圧信号を負信号カット部６６に出力する。負信号カット部６６は、入力する電圧信号の負信号をカットし、正弦波状の位相変調に対応する電圧信号（電圧波形）をロックインアンプ７２に出力する。尚、負信号カット部６６の代わりに、入力信号の絶対値をとる絶対値部を設けてもよい。

ロックインアンプ７２の他の入力には、発信器６８から周波数が１５０Ｈｚの正弦波信号が加えられており、ロックインアンプ７２は、光検出部６４から出力される電気信号を位相検波する位相検波部として機能し、負信号カット部６６から入力する入力信号と正弦波信号とを掛け合わせることにより、入力信号の正弦波信号（参照信号）に対する信号位相の関数である電圧信号（直流値）を出力する。ここで、信号位相が０°になるとき、ロックインアンプ７２の出力値は、最大になる。

ロックインアンプ７２から出力される入力信号と参照信号との位相差に対応する電圧信号は、制御部７４に出力される。

制御部７４は、第２のピエゾ素子２０に駆動信号を出力し、測定面１８ａの位置を制御（走査）するもので、ロックインアンプ７２から入力する電圧信号が最大になるように第２のピエゾ素子２０に駆動信号を出力する。

図５は、ロックインアンプ７２及び制御部７４による信号処理・制御を概念的に示すイメージ図である。

図５に示すように制御部７４は、ロックインアンプ７２の出力信号が最大値になるように、測定面１８ａを走査させる駆動信号を出力する。即ち、測定面１８ａを移動（走査）させると、干渉光学系６０の光路差を変化し、その結果、ロックインアンプ７２の出力信号が変化する。制御部７４は、ロックインアンプ７２の出力信号が最大になるときの測定面１８ａの位置を、制御点（目標位置）として駆動指令を出力する。

尚、ロックインアンプ７２の出力信号が最大になるとき、入力信号の参照信号に対する信号位相はゼロになり、干渉光学系６０の光路差は、空間距離Ｄｒの整数倍になる。即ち、測定面１８ａの位置は、空間距離Ｄｒの整数倍の位置に制御されたことになる。

また、空間距離Ｄｒの整数倍の位置に制御されたときの測定面１８ａの変位量は、リニアエンコーダ１４を使用してステージ１０を位置決め制御したときのステージ１０の位置決め誤差に対応する。そこで、予め光コム計測器３０によりステージ１０の可動範囲にわたって、空間距離Ｄｒの整数倍の位置毎に位置決め誤差を計測し、その計測結果に基づいて、リニアエンコーダ１４により検出されるステージ１０の空間位置を校正することにより、高精度の位置決めを行うことができる。

次に、リニアエンコーダ１４を使用したステージ１０の位置決め誤差を、空間距離Ｄｒの整数倍の位置毎に計測する方法について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、ステージ１０の位置Ｐ_iを示すパラメータｉをゼロ（ｉ＝０）にセットする（ステップＳ１０）。

次に、移動指令部１２は、ステージ１０を位置Ｐ_iに移動させる位置指令を出力し、制御部１６は、リニアエンコーダ１４の検出信号に基づいてステージ１０を、位置Ｐ_iに移動させる（ステップＳ１２）。尚、位置Ｐ₀は、ステージ１０の可動範囲の一端とし、位置Ｐ_nを他端とする。また、位置Ｐ_iを示す位置指令と位置Ｐ_i+1を示す位置指令とは、空間距離Ｄｒ（本例では、干渉計の折り返しを考慮して、１５ｍｍ）だけ異なる位置指令とする。

続いて、光コム計測器３０により、位置Ｐ_iにおけるステージ１０の位置決め誤差を計測する。即ち、制御部７４は、ロックインアンプ７２の出力が最大になるように第２のピエゾ素子２０を駆動し、測定面１８ａを変位させる（ステップＳ１４）。

そして、ロックインアンプ７２の出力が最大になったときの測定面１８ａの変位量δ_iを検出する（ステップＳ１６）。光コム計測器３０は、検出した変位量δ_iを、制御部１６に出力する。

ここで、変位量δ_iは、制御部７４から第２のピエゾ素子２０に印加する印加電圧に基づいて検出することができる。

図７は第２のピエゾ素子２０に印加する印加電圧と、第２のピエゾ素子２０の伸縮に伴う測定面１８ａの変位量との関係を示すグラフである。制御部７４は、変位量検出部としても機能し、図７のグラフに示すように第２のピエゾ素子２０に印加する印加電圧の大きさにより、測定面１８ａの変位量を検出することができる。尚、制御部７４は、基準電圧Ｖ_refを基準して、測定面１８ａを、基準位置Ｐ_refを中心に正又は負方向に変位させる電圧信号を出力することが好ましい。

第２のピエゾ素子２０に印加する印加電圧による測定面１８ａの変位量の検出分解能は、ナノメートルオーダである。また、測定面１８ａの変位量は、第２のピエゾ素子２０の伸縮量を、歪みゲージ、静電サンサ等で検出することで求めるようにしてもよい。

次に、制御部１６は、ステップＳ１６で検出された変位量δ_iを、位置Ｐ_iに関連づけて記憶する（ステップＳ１８）。

続いて、制御部１６は、パラメータｉが、ｎか否かを判別し（ステップＳ２０）、パラメータｉがｎでない場合（「No」の場合）には、ステップＳ２２に遷移させ、パラメータｉがｎの場合（「Yes」の場合）には、計測を終了する。

ステップＳ２２は、パラメータｉを１だけインクリメントして ステップＳ１２に遷移させる。

ステップＳ１２からステップＳ２０の処理を繰り返し行うことにより、位置Ｐ_i毎の位置決め誤差（変位量δ_i）を取得することができる。

次に、リニアエンコータ１４による検出値を、各位置Ｐ_iに関連づけて記憶した変位量δ_iに基づいて校正する校正方法について説明する。

いま、各位置Ｐ_iの位置指令により位置制御されたステージ１０のリニアエンコータ１４による検出値をｘ_i（ｘ_i＝Ｐ_i）とし、各位置Ｐ_iにおける変位量をδ_iとすると、各検出値ｘ_iの検出の誤差Δ_iは、次式、
［数１］
Δ_i＝δ_i−δ_i-1
により表すことができる。

図８は、リニアエンコーダ１４の検出値ｘ_iと、計測された変位量δ_iと、誤差Δ_iとの関係を示す図表である。ここで、誤差Δ_iは、位置Ｐ₀の位置指令により位置制御されたステージ１０のリニアエンコータ１４による検出値ｘ₀（＝位置Ｐ₀）を基準にした場合の、各検出値ｘ_iの誤差を表す。

図９は、リニアエンコーダ１４の検出値と、校正後の検出値との関係を示す図である。

図９に示すように位置指令の各位置Ｐ₁、Ｐ₂、…に対応する検出値ｘ₁、ｘ₂、…は、それぞれ誤差Δ₁、Δ₂、…により補正することで、ナノメートルオーダで校正することができる。

また、検出値ｘ_iと検出値ｘ_i+1との間の検出値の誤差は、誤差Δ_iと誤差Δ_i+1とを線形補間することで算出することができるが、隣接する３点以上の誤差を使用して、スプライン補間を行うことが好ましい。即ち、リニアエンコーダ１４の検出値に対して、図９の太線で示すスプライン曲線上の値に補正することで、リニアエンコーダ１４の全ての測定範囲（ｘ₀〜ｘ_n）の検出値を校正することができる。

具体的には、制御部１６は、光コム計測器３０が計測した、空間距離Ｄｒ（本例では、３０ｍｍ）間隔の位置Ｐ_i毎の位置決め誤差（変位量δ_i）を取得し、取得した複数の変位量δ_iに基づいてリニアエンコーダ１４の検出値を校正するための変換式又は変換テーブルを作成する。その後、ステージ１０の位置決め制御を行う場合には、制御部１６は、リニアエンコーダ１４の検出値を、変換式又は変換テーブルにより校正し、校正した検出値を使用して位置決め制御を行う。これにより、ステージ１０の位置決め制御をナノメートルオーダで行うことができる。

尚、リニアエンコーダ１４の検出値を校正するための変換式又は変換テーブルは、環境の変化等に適応できるように定期的に更新することが好ましい。

［光コム計測器の第２の実施形態］
図１０は、光コム計測器の第２の実施形態を示すブロック図である。尚、図１０において、図２に示した第１の実施形態の光コム計測器３０と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２に示した第１の実施形態の光コム計測器３０は、第１のピエゾ素子６２により参照面５９ａを、所定の振幅及び周波数で正弦波振動させ、参照光に正弦波状の位相変調を与えるようにしているが、図１０に示す第２の実施形態の光コム計測器３０Ａは、主として参照面５９ａを有する反射部５９を固定し、第２のピエゾ素子２０により測定対象物１８の測定面１８ａを、所定の振幅及び周波数で正弦波振動させ、測定光に正弦波状の位相変調を与える点で相違する。

制御部７４は、第２のピエゾ素子２０に駆動信号を出力し、測定面１８ａの位置を制御（走査）するもので、ロックインアンプ７２から入力する電圧信号が最大になるように（位相がゼロになるように）第２のピエゾ素子２０に駆動信号を出力する。

一方、発信器６８は、周波数が１５０Ｈｚの正弦波信号を増幅器７０を介して第２のピエゾ素子２０に出力し、第２のピエゾ素子２０は、測定面１８ａを、振幅３μｍ、周波数１５０Ｈｚで正弦波振動させる。

即ち、制御部７４から出力される走査用の駆動信号（電圧）と、発信器６８から増幅器７０を介して出力される正弦波信号とが加算され、加算された信号が第２のピエゾ素子２０に加えられることにより、第２のピエゾ素子２０は、測定面１８ａを正弦波振動させるとともに、測定面１８ａの正弦波振動の基準位置を移動（走査）させる。

そして、制御部７４は、ロックインアンプ７２から入力する電圧信号が最大（干渉光が最大）になるときの駆動信号により、測定対象物１８の測定面１８ａの変位量を検出することができる。尚、この検出した変位量は、リニアエンコーダ１４の検出値に基づくステージ１０の位置決め制御による誤差に相当する。

［その他］
本実施の形態の光コム計測器３０、３０Ａは、参照面又は測定面を正弦波振動させ、参照光又は測定光に正弦波状の位相変調を与えることにより、正弦波状の位相変調に対応する干渉光を発生させるようにしたが、これに限らず、参照面又は測定面を正弦波振動させず、また、ロックインアンプ７２を使用せずに、例えば、第２のピエゾ素子２０に三角波状の電圧信号を印加して測定面１８ａのみを移動（走査）させ、光検出部６４の出力信号にピーク値が生じたとき（干渉光が発生したとき）の電圧信号から測定面１８ａの変位量を検出するようにしてもよい。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０…ステージ、１２…移動指令部、１３…駆動部、１４…リニアエンコーダ、１６、７４…制御部、１８…測定対象物（反射部）、１８ａ…測定面、２０…第２のピエゾ素子、３０、３０Ａ…光コム計測器、３２…光周波数コム発生部、３４…エタロン、４０〜５０…光ファイバ、５１…スプリッタ、５２、５３…光コネクタ、５４、５５…サーキュレータ、５６…ミキサ、５７、５８…コリメータ、５９…反射部、５９ａ…参照面、６０…干渉光学系、６２…第１のピエゾ素子、６４…光検出部、６６…負信号カット部、６８…発信器、７０…増幅器、７２…ロックインアンプ

Claims (14)

1. ステージの移動指令を出力する移動指令部と、
   前記ステージの可動範囲にわたって当該ステージの空間位置を検出する位置検出器と、
   前記移動指令部により出力されるステージの移動指令と前記位置検出器により検出される位置検出信号とに基づいて、前記ステージの位置を制御する第１の制御部と、
   所定の繰り返し周波数を有する光コムを発生する光周波数コム発生部と、
   前記ステージに取り付けられた測定対象物と、
   前記光周波数コム発生部から発生する光コムを分岐させ、それぞれ測定光及び参照光として前記測定対象物の測定面及び所定位置の参照面に入射させ、前記測定面及び参照面で反射した前記測定光と前記参照光との干渉光を発生させる干渉光学系と、
   前記測定対象物の測定面を移動させ、前記干渉光学系の光路差を変化させる光路差可変部と、
   前記干渉光学系により発生する干渉光を入射し、該干渉光に対応する電気信号を出力する光検出部と、
   前記光検出部から出力される電気信号に基づいて、前記干渉光が最大になるように前記光路差可変部を制御する第２の制御部と、
   前記第１の制御部により、前記光コムの所定の繰り返し周波数の周波数間隔に対応する空間間隔を有する位置毎に、前記ステージを位置決めさせる第３の制御部と、
   前記第２の制御部による制御により前記干渉光が最大になったときの、前記測定対象物の測定面の変位量を検出する変位量検出部であって、前記第３の制御部により位置決め制御されたステージの位置毎に変位量を検出する変位量検出部と、
   前記変位量検出部により検出される複数の変位量に基づいて、前記位置検出器により検出されるステージの空間位置を校正する校正部と、
   を備えたステージの位置制御装置。
2. 前記測定対象物の測定面及び所定位置の参照面のうちの一方を、所定の振幅及び周波数で振動させる加振部を備えた請求項１に記載のステージの位置制御装置。
3. 前記第２の制御部は、前記加振部による振動の周波数に対応して、前記光検出部から出力される電気信号を位相検波する位相検波部を有し、前記位相検波部により検波される位相がゼロになるように前記光路差可変部を制御する請求項２に記載のステージの位置制御装置。
4. 前記加振部は、前記参照面が取り付けられた第１のピエゾ素子と、所定の周波数の正弦波信号を発生する発信器と、前記正弦波信号を増幅し、前記第１のピエゾ素子に出力する増幅器とからなる請求項２又は３に記載のステージの位置制御装置。
5. 前記光路差可変部は、前記測定面が取り付けられた第２のピエゾ素子と、前記第２のピエゾ素子を駆動する駆動部とからなる請求項４に記載のステージの位置制御装置。
6. 前記第２の制御部は、前記光検出部から出力される電気信号を入力信号とし、前記発信器から出力される正弦波信号を参照信号として、前記入力信号と参照信号との位相差に対応する電圧信号を出力するロックインアンプを有し、前記電圧信号に基づいて前記位相差がゼロになるように前記駆動部を介して前記第２のピエゾ素子を駆動する請求項５に記載のステージの位置制御装置。
7. 前記変位量検出部は、前記第２のピエゾ素子の伸び量を直接検出して前記測定面の変位量を検出し、又は前記第２のピエゾ素子に印加する印加電圧に基づいて当該第２のピエゾ素子の伸び量を検出して前記測定面の変位量を検出する請求項５に記載のステージの位置制御装置。
8. 前記加振部は、前記測定対象物の測定面が取り付けられたピエゾ素子と、所定の周波数の正弦波信号を発生する発信器と、前記正弦波信号を増幅し、前記ピエゾ素子に出力する増幅器とからなる請求項２又は３に記載のステージの位置制御装置。
9. 前記光路差可変部は、前記ピエゾ素子と、前記ピエゾ素子に電圧を印加して前記測定面の振動の基準位置を移動させる駆動部とからなる請求項８に記載のステージの位置制御装置。
10. 前記変位量検出部は、前記ピエゾ素子に印加する印加電圧に基づいて当該ピエゾ素子の伸び量を検出して前記測定面の変位量を検出する請求項９に記載のステージの位置制御装置。
11. 前記第２の制御部は、前記光検出部から出力される電気信号を入力信号とし、前記発信器から出力される正弦波信号を参照信号として、前記入力信号と参照信号との位相差に対応する電圧信号を出力するロックインアンプを有し、前記電圧信号に基づいて前記位相差がゼロになるように前記駆動部を介して前記ピエゾ素子を駆動する請求項９又は１０に記載のステージの位置制御装置。
12. 前記校正部は、前記変位量検出部により検出される複数の変位量に基づいて、前記位置検出器により検出される位置検出信号を校正する変換式、又は変換テーブルを求め、前記位置検出器により検出される位置検出信号を、前記変換式又は変換テーブルに基づいて校正する請求項１から１１のいずれか１項に記載のステージの位置制御装置。
13. 移動指令部により出力されるステージの移動指令と前記ステージの空間位置を検出する位置検出器により検出される位置検出信号とに基づいて、前記ステージの位置を制御するステージの位置制御方法において、
    所定の繰り返し周波数を有する光コムを発生させる工程と、
    前記光コムを分岐させ、それぞれ測定光及び参照光として前記ステージに取り付けた測定対象物の測定面及び所定位置の参照面に入射させ、前記測定面及び参照面で反射した前記測定光と前記参照光との干渉光を発生させる工程と、
    前記光コムの所定の繰り返し周波数に対応する所定の間隔毎に、前記位置検出器により検出される位置検出信号に基づいて前記ステージを位置決めさせる位置決め工程と、
    前記位置決め工程で位置決めされた位置毎に、前記ステージを停止させた状態で前記測定対象物の測定面を移動させ、干渉光学系の光路差を変化させる光路差可変工程と、
    前記干渉光学系により発生する干渉光を入射し、該干渉光に対応する電気信号を検出する光検出工程と、
    前記光検出工程により検出される電気信号に基づいて、前記干渉光が最大になるように前記光路差可変工程による干渉光学系の光路差を制御する工程と、
    前記干渉光が最大になったときの、前記測定対象物の測定面の変位量を検出する光路差可変工程であって、前記位置決め制御されたステージの位置毎に変位量を検出する変位量検出工程と、
    前記変位量検出工程により検出される複数の変位量に基づいて、前記位置検出器により検出されるステージの空間位置を校正する校正工程と、
    を含むステージの位置制御方法。
14. 前記位置決め工程で位置決めされた位置毎に、前記ステージを停止させた状態で前記測定対象物の測定面及び所定位置の参照面のうちの一方を、所定の振幅及び周波数で振動させる加振工程を更に含む請求項１３に記載のステージの位置制御方法。

Images