JP3692347B2 - 格子スケール位置計測システム用小型望遠レンズ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は格子スケール位置計測システムに関する。より詳細には、本発明は格子スケール位置計測システム用望遠レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
格子スケール位置計測システムは、物体、対象物に装着した格子からの回折光を観測することによって、その物体の移動を正確に計測するものである。図１は、物体110の位置を計測する格子スケール位置計測システム100の例を示す。計測を行うには、反射格子120を物体110に取り付け、レーザー又はその他のビーム源140からの平行光ビーム130を照射する。
【０００３】
格子120は、ビームＸ0に中心を有する０次極大、ビームＸ1に中心を有する１次極大、ビームＸ2に中心を有する２次極大、及び更に高次の極大（図示していない）に光ビーム140を回折する。システム100のレンズ150は、この回折光を受光し、１次極大Ｘ1からの光を像平面170上に集光する。空間フィルタ160は、選択的に１次極大内の光を透過すると共に格子120からの残りの回折光を遮断する。
【０００４】
この結果、１次極大からの光は、格子120の刻線間隔とレンズ150の倍率によって決定される空間周期（すなわち波長）を有する周期的な強度分布175を像平面170上に形成する。この周期的な強度分布175の位置又は位相は格子120の位置に依存している。したがって物体110と格子120が入射ビーム140に対して垂直に移動するにつれ、周期的な強度分布175も像平面170上を移動する。
【０００５】
検出器180は、像平面170に沿った空間的に異なる位置において光の強度を計測する。空間的に異なる地点において計測されたこの強度の差は、周期的な強度分布175の位置すなわち位相を表している。したがって、周期的な強度分布175の移動又は位相の変化は物体110の移動を表す。検出器180は、周期的な強度分布175の位相の変化を計測し、それによって物体110の移動を計測する。
【０００６】
正確な計測を行うために、検出器180は像平面170上の明瞭な像を必要とする。特にレンズ150として球面レンズを使用すると、強度分布175の輪郭をぼんやりさせる球面収差が生じ、検出器180による強度分布175の位相の計測が困難になる。一方、非球面レンズは球面収差を軽減できるが、標準的な既製の非球面レンズが球面収差を最小化するのは、物体が無限遠に位置している場合である。システム100においては、１次ビームＸ1からの光は格子120から発散しており、無限遠に存在する物体としての近似は正確ではない。したがって非球面レンズを使用したとしても、収差による精度の問題が生じる。
【０００７】
またシステム100は、その大部分の適用事例において、レンズ150と像平面170間に比較的大きな距離を必要とするという欠点も有する。例えば物体110が集積回路組立装置内のウエハ用ステージである場合、物体100とレンズ150間の間隔として約19mm以上が必要であり、この結果、物体距離も約19mm以上となる。加えて、相応な寸法の格子（例えば10 μmピッチ）を使用する場合、周期的な強度分布175の位相を計測するには、検出器180に格子ピッチの９倍以上の倍率が必要である。この間隔及び倍率の要件により、物体と像間の合計光路長は約200 mmにもなる。通常、長さが200 mmの計測装置は、多くの集積回路組立装置のような空間が限られているシステムにとって大き過ぎる。
【０００８】
折り返しミラーによって、この光路長を比較的小型のパッケージ内で折り返すことができる。例示的なシステムの１つにおいては、７つの折り返しミラーを使用して計測装置の寸法を小型化している。しかしながら折り返しミラーには位置決めが必要であり、これは製造コストを上昇させる。加えて、折り返しミラーの位置は計測システムを使用する際にドリフトされやすく、計測システムの定期的な再較正は不便であるだけでなく、これを許容できないアプリケーションも存在する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
既存の格子スケール位置計測システムのこれらの欠点を考慮して、小型の装置であって、複雑なミラーの位置決めを必要とせず、計測時にドリフトせず、かつ正確な位相計測を実行可能な倍率と明瞭度を有する光の強度分布を提供するシステムが求められている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施態様によれば、格子スケール位置計測システムは、有限共役に位置する一対の非球面レンズを含む望遠レンズを利用する。この望遠レンズに付加された拡大システムは、像平面内の周期的な強度分布（すなわち像）を正確な位相の計測に必要とされる寸法に拡大することができる。光は非球面レンズによって拡大システム内の小さなアパーチャに集束され、このアパーチャを通過する光線は大きな球面収差を回避するのに十分な近軸光であるため、この拡大システムでは球面レンズを使用することができる。
【００１１】
本発明による一実施例は、有限共役で機能するサブシステムを形成するように配置されている第１非球面レンズ及び第２非球面レンズを含む望遠レンズである。この一構成例において、第１非球面レンズは、物体が第１非球面レンズの焦点に位置するように配置され、第２非球面レンズは、第１非球面レンズの像が第２非球面レンズの物体となるように配置される。これらの非球面レンズは、サブシステムが等倍の実像をもたらすように、実質上同一のものを使用し、配置することが可能である。１つ以上の負のレンズを含み得る拡大システムによって、このサブシステムからの像を拡大することができる。
【００１２】
本発明による別の実施例は、望遠レンズ及び検出器を含む格子スケール計測システムである。望遠レンズによって格子の像を形成し、望遠レンズが像平面に形成する強度分布の移動を検出器によって計測する。通常、この望遠レンズは、前述の望遠レンズのような構成の複数の非球面レンズを含む。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。なお各図面において、同一の参照符号は類似又は同一の構成要素を示す。格子スケール位置計測システム用望遠レンズは、球面レンズ又は有限距離に物体及び像を有する（無限共役用に製造された）非球面レンズに関連する球面収差を導くことなく、有限共役で機能するように配列された一対の非球面レンズを含む。拡大システムの小さな軸上部分でのみ像／強度パターンを形成するように、位相計測用に像／強度パターンを拡大する追加の拡大システムを配置することができる。加えて、この拡大システムは、許容できないほどの球面収差を導くことなく、発生させることなく、球面レンズを使用することができる。また、この望遠レンズは、周期的な強度パターンの位相を正確に計測するのに必要な像の品質及び倍率をもたらすとともに、単一レンズシステムの光路長よりも格段に短い光路長を実現することができる。したがって、多数の折り返しミラーを使用することなく、小型の計測装置の製造が可能となる。
【００１４】
図２は、本発明の実施例による格子スケール位置計測システム200を示す。システム200は、物体110に装着されている格子120の移動を計測し、特に格子120の表面に沿って延伸してかつ格子120を形成する反射線に垂直な軸に沿った動きを計測する。本発明の例示的な実施例においては、格子120は一連の矩形クロム片を含み、各クロム片は幅約９〜10 μmであり、隣接するクロム片と約５μm隔置されている（つまりピッチすなわち刻線間隔は15μmである）。
【００１５】
物体110は、組立プロセスにおいてウエハを支持し位置合わせするステージとすることができ、さらに一般的には、システム200は格子に沿った方向のあらゆる物体の移動を計測することができる。なお、ステージ又はその他の物体は複数方向に移動可能であるが、一時点における動きは１つの軸方向に制限されるため、システム200のような別の計測システムを利用することによって、その他の移動軸に沿った動きも計測可能である。
【００１６】
システム200は、ビーム源240、望遠レンズ250、空間フィルタ260及び検出器180を含む。この図示されている実施例では、ビーム源240は、光ファイバ244、コリメーティングレンズ246及びミラー248を介して入射ビーム130をもたらすレーザーダイオード242を含む。結果生じる平行ビーム130は、約0.15mmの直径を有することが好ましい。なおレーザーダイオード242は、計測光学系の熱環境への影響を軽減するため、システム200のケース280の外に隔離されている。光ファイバ244、コリメーティングレンズ246及びミラー248はケース280に装着され、システム200の製造時に位置決めされる。
【００１７】
望遠レンズ250は、一対の非球面レンズ252及び254と、拡大システム255を含む。通常、レンズ252及び254は、Geltech, Inc.社のようなメーカーが市販するような標準的な非球面レンズである。なお標準的な非球面レンズは、無限遠に物体を結像する際に球面収差を最小とする。
【００１８】
非球面レンズ252は、そのレンズ252の焦点面に物体（すなわち格子120）を有し、空間フィルタ260は、格子120の１次極大に対応する反射光のみを通過する。非球面レンズ254の物体は、非球面レンズ252が１次極大からの光を利用して無限遠において形成する像である。したがって非球面レンズ252及び254は、サブシステムとして非球面レンズ254の焦点面に像を有し、この像における球面収差は最小限のものとなる。
【００１９】
レンズ252及び254は、必ずしもその必要ではないが、同一とすることができる。非球面レンズ252及び254が同一である場合には、１倍すなわち等倍の倍率を有するサブシステムが形成される。しかしながら非球面レンズ252及び254の焦点距離を異なるものとし、拡大することも可能である。
【００２０】
システム200は、非球面レンズ254からの光を拡大システム255に反射する折り返しミラー270を１つ有する単純な構成を利用している。ミラー270は、システム200用のケース280をさらに小型化することを可能にする光学要素である。クリップ（図示していない）によって、時間の経過と共に収縮して計測較正においてドリフトを生じさせる接着剤の使用を回避するように、ミラー270をケース280に直接接触させて保持することができる。
【００２１】
図示されている実施例においては、拡大システム255は、負の焦点距離を有する２つのレンズ256及び258を含む。これらの２つのレンズ256及び258は、チューブを利用して支持台で保持し、一直線上に保つことができる。拡大システム255の代替的な実施例では、１つ又は３つ以上の負のレンズを含んだり、更なる光学要素を付加することなく構成することも可能である。さらに一般的には、ミラー又はレンズのような拡大要素を含む、あらゆる形式の拡大システムを使用することが可能である。後述するように、図２の構成は、単一レンズによる設計構造によって実現可能なものよりも、相当に短い物体−像間距離を実現しつつ、必要とされる像の品質及び倍率を提供することが可能である。
【００２２】
検出器180は、望遠レンズ250の像平面における３つの異なる地点で光の強度を計測する３つの光検出器を含む。例示的な実施例においては、望遠レンズ250は約45μmの空間周期を有する強度分布をもたらし、検出器180は15μmすなわち120°離れた地点での光の強度を計測する。検出器がもたらす３つの強度計測値を使用し、処理システム（図示していない）によって強度分布の位相を判定する。この位相の変化は、強度分布の移動、すなわち対応する物体110の移動を示す。
【００２３】
表１は、本発明の例示的な実施例における望遠レンズ250の光学仕様の一覧表である。表１の各行は光学表面に対応している。「要素」というタイトルの列は、各行に示された光学表面をもたらす図２における構成要素の参照符号を示している。Ｚvxの列は、光学表面の頂点位置をmmで表す。屈折率はその光学表面の前の屈折率を示している。曲率は、その光学表面の曲率半径を示す。非球面に対するＡ4およびＡ6は非球面整級数係数であり、Ｓはその光学表面の形状係数である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１の実施例において、２つの非球面レンズ252及び254は対称に配置され、サブシステムとして等倍の実像を形成している。ほとんどの既製の非球面レンズは無限共役用に製造されているため（すなわち物体が無限遠にある場合に球面収差を補正するように製造されているため）、この設計上の特性は重要である。２つの非球面レンズを対称に配列して組み合わせることによって、本システムは有限共役で機能し、球面収差を最小化する。
【００２６】
この非球面レンズの対が最小の球面収差をもたらすが、表１の実施例においては、２つの負のレンズ256及び258を含む拡大システム255によっても球面収差は導かれる。しかしながら、第１の負のレンズの第１表面を通過後の伝搬光線はほぼ近軸光であるため、拡大システム255の球面収差に対する影響は比較的小さい。図３は、表１に示す設計仕様の望遠レンズの球面収差310が、単一の非球面レンズを利用するシステムの球面収差320と比べてどの程度小さいかを示す。
【００２７】
表１の望遠レンズのさらなる利点は、物体−像間の合計距離が55mm未満であり、これは類似の単一レンズで必要とされる物体−像間距離約200 mmの４分の１をわずかに上回る程度に過ぎない。光路長の短縮によって、多数の折り返しミラーを必要としない小型の計測システムを実現することが可能となる。
【００２８】
以上、特定の実施例を参照しつつ本発明を説明したが、これらの説明は本発明の適用における一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。開示した実施例における特徴の様々な適用や組み合わせは、特許請求の範囲の記載によって定義される本発明の範囲内に含まれるものである。
【００２９】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１． 格子スケール計測システムであって、
格子（120）の像を形成するように配置され、複数の非球面レンズ（252、254）からなる望遠レンズ（250）と、
前記望遠レンズの像平面における強度分布（175）の移動を計測するように配置されている検出器（180）からなるシステム。
【００３０】
２． 前記望遠レンズが、有限共役で機能するサブシステムを形成するように配置されている第１非球面レンズ（252）及び第２非球面レンズ（254）と、
前記サブシステムの像を拡大するように配置されている拡大システム（255）からなる１項に記載のシステム。
【００３１】
３． 前記拡大システムが、負の焦点距離を有する第１の負のレンズ（256）からなる２項に記載のシステム。
【００３２】
４． 前記拡大システムが、さらに負の焦点距離を有する第２の負のレンズ（258）からなる３項に記載のシステム。
【００３３】
５． 前記第１及び第２非球面レンズが実質上同一である４項に記載のシステム。
【００３４】
６． 前記第１非球面レンズが、物体（120）が前記第１非球面レンズの焦点に位置するように配置され、
前記第２非球面レンズが、前記第１非球面レンズの像が前記第２非球面レンズの物体となるように配置されている４項又は５項に記載のシステム。
【００３５】
７． 前記サブシステムが、等倍率をもたらす前記第１及び第２非球面レンズを含む２〜６項のいずれか１項に記載のシステム。
【００３６】
【発明の効果】
本願発明は、格子スケール計測システム（200）用望遠レンズに関し、この望遠レンズは、共に有限共役で最小球面収差を有するように機能する一対の非球面レンズ（252、254）を含む。同一の非球面レンズは、等倍の倍率を有するサブシステムもたらし、典型的には１以上の負のレンズ（256、258）を含む拡大システム（255）は強度パターン（175）の倍率を拡大し、強度パターンの位相の正確な計測を可能とする。この構成により、小型の装置であって、複雑なミラーの位置決めを必要とせず、計測時にドリフトせず、かつ正確な位相計測を実行可能な倍率と明瞭度を有する光の強度分布を提供するシステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の格子スケール位置計測システムを示す。
【図２】本発明の実施例による格子スケール位置計測システムを示す。
【図３】単一レンズシステムと本発明の実施例によるシステムにおける球面収差の比較を示す。
【符号の説明】
１２０ 格子
１７５ 周期的な強度分布
１８０ 検出器
２５２ 第１非球面レンズ
２５４ 第２非球面レンズ
２５５ 拡大システム
２５６ 第１の負のレンズ
２５８ 第２の負のレンズ

Claims (5)

1. 格子スケール計測システムであって、
   格子（120）の像を形成するように配置されているとともに像平面に焦点を有する第１非球面レンズ（ 252 ）及びこの第１非球面レンズ（ 252 ）と有限共役で機能するように配置されている第２非球面レンズ（ 254 ）を有するサブシステムと、該サブシステムの像を拡大するように配置され、負の焦点距離を有する第１の負のレンズ（256）を含む拡大システム（255）とからなる望遠レンズ（250）と、
   前記望遠レンズの像平面における強度分布（175）の移動を計測するように、前記像平面の焦点に配置されている検出器（180）からなるシステム。
2. 前記拡大システムが、さらに負の焦点距離を有する第２の負のレンズ（258）からなる請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１及び第２非球面レンズが実質上同一である請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１非球面レンズが、物体（120）が前記第１非球面レンズの焦点に位置するように配置され、
   前記第２非球面レンズが、前記第１非球面レンズの像が前記第２非球面レンズの物体となるように配置されている請求項２又は３に記載のシステム。
5. 前記サブシステムが、等倍率をもたらす前記第１及び第２非球面レンズを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。

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