JP4779117B2

JP4779117B2 - Ｘｙｚ軸変位測定装置

Info

Publication number: JP4779117B2
Application number: JP2006134850A
Authority: JP
Inventors: 偉高; 彰秀木村; 慧清野
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-05-15
Also published as: JP2007304039A

Description

本発明は、精密ＸＹステージや表面粗さ計等の各種測定機等に用いられるＸＹＺ軸３自由度の相対変位を同時に検出できる変位測定装置に関する。

変位検出の技術は、産業分野で必要不可欠になっているが、その中でＸＹＺ方向３自由度の変位検出が要求されている分野がある。その例として、精密ＸＹステージ、また工作機械や表面粗さ計等の各種測定機等が挙げられる。例えば、半導体露光装置や液晶露光装置等に用いられる精密ＸＹステージにおいては、更なる高精度化に伴ってＸＹ方向の変位検出を行うと同時にＺ方向の運動誤差を測定することも求められている。

従来、ＸＹＺ方向３自由度の変位を求めるためには、光学式リニアエンコーダやレーザー干渉計等の1自由度変位測定用のセンサを組み合わせていた。しかし、この方法では、計測システムが大きくなってしまうという欠点がある。例えば、レーザー干渉計であれば、光学部品をステージの周囲におくことになるので、空気の揺らぎによる光伝播の乱れを防止する必要がある。そのために各方向にレーザーの光路となる金属パイプを装架する必要があり、ステージ装置全体が大型化する。

このような欠点を解消する技術として、非特許文献１に示すように２次元方向に正弦波状の形状を持つ２次元正弦波格子にレーザー光を入射し、反射した光の反射角を２次元角度センサにより検出することでＸＹ方向の位置決めを行う、サーフェスエンコーダというセンサが開発されている。サーフェスエンコーダは、コンパクトな構造でありながら１つのセンサ・ユニットでＸＹ方向２自由度の変位を同時に検出できるという特徴を有している。

しかしながら、サーフェスエンコーダは２次元正弦波格子の反射角を読み取って変位検出を行う構成となっているので、高精度化と高分解能化のために２次元正弦波格子を短ピッチ化すると入射光が回折してしまい、機能しなくなるという問題点があった。また、サーフェスエンコーダ単体ではＺ方向の変位を検出できない。

精密工学会誌 Vol.66/No.2.2000、pp.272-276

本発明は、このような従来技術の問題点を解消し、コンパクトな構造で、且つ変位検出の高精度化と高分解能化が実現できるＸＹＺ軸変位測定装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のＸＹＺ軸変位測定装置は、ＸＹＺ軸変位測定装置であって、計測基準面である２次元回折格子と、該２次元回折格子からの回折光を検出するセンサ・ユニットを備え、該センサ・ユニットは、検出器と、前記２次元回折格子に対して垂直に配置された参照２次元回折格子と、レーザー光源と、該レーザー光源からのレーザー光を前記計測基準面である２次元回折格子および前記参照２次元回折格子に垂直に入射させるとともに、前記計測基準面である２次元回折格子および前記参照２次元回折格子からの回折光を対物レンズによって干渉させる光学系と、を含み、回折光の干渉が生じている領域に前記検出器を複数設置して互いに位相が１８０度異なる干渉信号の対を複数検出し、該複数検出した干渉信号の対から正弦波信号を複数生成してＸＹＺ軸の移動量を求めることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明のＸＹＺ軸変位測定装置は、前記検出器が、前記光学系の１次回折光による干渉信号をフォトダイオードによって検出することを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明のＸＹＺ軸変位測定装置は、前記光学系が波長板を有し、該波長板によって回折光に位相差をつけて位相の異なる複数の干渉光を生成するものであって、前記センサ・ユニットは、互いに位相の異なる干渉光に基づき９０度位相の異なる前記正弦波信号を算出する演算手段と、前記正弦波信号に基づき移動方向判別情報を出力する方向弁別回路を有するものであることを特徴としている。

本発明によれば、計測基準面である２次元回折格子とそれに対して垂直に配置された参照２次元回折格子の回折光を互いに干渉させ、その干渉光からＸＹＺ軸の３方向の変位を検出するので、全ての光路を平面的に配置したセンサ・ユニットが実現でき、ＸＹＺ軸の３方向の移動量を求めるＸＹＺ軸変位測定装置がコンパクトな構造となる。しかも、２次元回折格子からの回折光の干渉光を用いているので、２次元回折格子を短ピッチ化しても格別の問題が発生せず、高精度化と高分解能化に対応可能である。２次元回折格子にはＸＹ２次元方向に正弦波状の形状を持つ２次元正弦波格子を採用すると、切削工具を用いた工作機械により微細な２次元正弦波格子の加工が容易であるとともに、計測基準面の大面積加工が容易である。

また、複数のフォトダイオードの各々を、１次回折光を検出する位置に設けることで、センサ・ユニットをよりコンパクトな構造にできる。

また、波長板によって回折光に位相差をつけ、それにより９０度位相の異なる位置検出信号を得て、それら位置検出信号に基づき移動方向判別情報を得るようにすると、ＸＹＺ軸の３方向の移動量に加えてＸＹＺ軸の３方向の移動方向を求めることができる。

以下、図面を参照にして、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のＸＹＺ軸変位測定装置の実施の形態の基本構成を示す要部概観図である。同図において、１は計測基準面である２次元正弦波格子、２は２次元正弦波格子１の相対変位を検出するためのセンサ・ユニットである。センサ・ユニット２は、参照面として２次元正弦波格子２１が２次元正弦波格子１の計測基準面に対して垂直方向に搭載されている。２次元正弦波格子１及び２次元正弦波格子２１は、図２に示すようなＸＹ２次元方向に断面が正弦波状の形状を持つ２次元正弦波格子であり、その形状は式（１）のように表せる。図２において、Ｐは格子間のピッチ、Ａは格子の凹凸を示す振幅である。

センサ・ユニット２には、２次元正弦波格子１の基準面に対して平行にかつ２次元正弦波格子２１の参照面に対して垂直にレーザーを出力するレーザーダイオード２２が設けられている。２３はレーザーダイオード２２から出たレーザーを直進方向と垂直方向とに２分割する偏光ビームスプリッタであり、偏光ビームスプリッタ２３の後には対物レンズ２６が配置され、さらに対物レンズ２６の後には対物レンズ２６からの光を２分割するビームスプリッタ２７が配置されている。ビームスプリッタ２７の後にはビームスプリッタ２７にて２分割された光を各々２分割する偏光ビームスプリッタ２９と偏光ビームスプリッタ３２が配置されている。

偏光ビームスプリッタ２９にて２分割された一方の出力光の光路に垂直なＸ_２Ｙ_２平面にはフォトダイオード４１、５１、６１が配置されており、偏光ビームスプリッタ２９にて２分割された他方の出力光の光路に垂直なＸ_３Ｙ_３平面にはフォトダイオード４２、５２、６２が配置されている。偏光ビームスプリッタ３２にて２分割された一方の出力光の光路に垂直なＸ_４Ｙ_４平面にはフォトダイオード４３、５３、６３が配置されており、偏光ビームスプリッタ３２にて２分割された他方の出力光の光路に垂直なＸ_５Ｙ_５平面にはフォトダイオード４４、５４、６４が配置されている。フォトダイオード４１、５１、６１が配置されているＸ_２Ｙ_２平面、フォトダイオード４２、５２、６２が配置されているＸ_３Ｙ_３平面、フォトダイオード４３、５３、６３が配置されているＸ_４Ｙ_４平面およびフォトダイオード４４、５４、６４が配置されているＸ_５Ｙ_５平面は、各々対物レンズ２６の焦点面に相当する。

光路中に配置された２４、２５、２８、３０および３１は４分の１波長板であり、光路中の４分の１波長板２４、２５、２８、３０、３１、偏光ビームスプリッタ２３、対物レンズ２６、ビームスプリッタ２７、偏光ビームスプリッタ２９、３２は各光路が２次元正弦波格子１の基準面と２次元正弦波格子２１の参照面に対し垂直で、かつレーザーダイオード２２の光軸を含む平面２aに形成されるよう光学素子が互いに配置されている。以上の説明に示される通り、図１の要部概観図は、ＸＹＺ軸変位測定装置の実施の形態の基本構成について、２次元正弦波格子１、２１、レーザーダイオード２２、偏光ビームスプリッタ２３、対物レンズ２６、４分の１波長板２４、２５、２８、３０、３１、ビームスプリッタ２７、偏光ビームスプリッタ２９、３２の各構成を断面図で表し、Ｘ_２Ｙ_２平面を含むフォトダイオード４１、５１、６１、Ｘ_３Ｙ_３平面を含むフォトダイオード４２、５２、６２、Ｘ_４Ｙ_４平面を含むフォトダイオード４３、５３、６３およびＸ_５Ｙ_５平面を含むフォトダイオード４４、５４、６４を斜視図で表し、それらを組合せた図となっている。

このような構成のＸＹＺ軸変位測定装置において、レーザーダイオード２２から出たレーザーは、偏光ビームスプリッタ２３で２分割され、それぞれ計測基準面および参照面の２次元正弦波格子１、２１に入射する。これらの光は２次元正弦波格子１および２次元正弦波格子２１で回折し、干渉する。干渉した光は、各々偏光ビームスプリッタ２３を通り対物レンズ２６によって集光するが、対物レンズ２６の焦点面に到達する前に、ビームスプリッタ２７及び偏光ビームスプリッタ２９、３２によって４つに分けられる。フォトダイオード４１、５１、６１が配置されているＸ_２Ｙ_２平面上では図３に示されるような回折による光のスポットが現れる。すなわち、Ｘ_２軸Ｙ_２軸の交点に０次回折スポット４０a０が、Ｘ_２軸上に＋１次のスポット４０ａ１、＋２次のスポット４０ａ２、−１次のスポット４０ａ−１、−２次のスポット４０ａ−２が、またＹ_２軸上に＋１次のスポット４０ｂ１、＋２次のスポット４０ｂ２、−１次のスポット４０ｂ−１、−２次のスポット４０ｂ−２が各々表れる。これらスポットの中、Ｘ方向の＋１次のスポット４０ａ１の強度はフォトダイオード４１で、Ｙ方向の＋１次のスポット４０ｂ１の強度はフォトダイオード５１で、また、Ｘ方向の−１次のスポット４０ａ−１の強度はフォトダイオード６１で観察できるようになっている。

以下他の平面の光のスポットの図示を省略しているが、フォトダイオード４２、５２、６２が配置されているＸ_３Ｙ_３平面上では、Ｘ方向の＋１次のスポットの強度はフォトダイオード４２で、Ｙ方向の＋１次のスポットの強度はフォトダイオード５２で、また、Ｘ方向の−１次のスポットの強度はフォトダイオード６２で観察できるようになっている。同様に、フォトダイオード４３、５３、６３が配置されているＸ_４Ｙ_４平面上では、Ｘ方向の＋１次のスポットの強度はフォトダイオード４３で、Ｙ方向の＋１次のスポットの強度はフォトダイオード５３で、また、Ｘ方向の−１次のスポットの強度はフォトダイオード６３で観察できるようになっており、フォトダイオード４４、５４、６４が配置されているＸ_５Ｙ_５平面上では、Ｘ方向の＋１次のスポットの強度はフォトダイオード４４で、Ｙ方向の＋１次のスポットの強度はフォトダイオード５４で、また、Ｘ方向の−１次のスポットの強度はフォトダイオード６４で観察できるようになっている。つまり、Ｘ方向の＋１次のスポットがフォトダイオード４１、４２、４３、４４で、Ｙ方向の＋１次のスポットがフォトダイオード５１、５２、５３、５４で、また、Ｘ方向の−１次のスポットがフォトダイオード６１、６２、６３、６４で観察できるようになっている。

図４は、図1に係わる対物レンズ２６までのＸＺ軸断面の光波の様子を示す説明図であり、２次元正弦波格子１および２次元正弦波格子２１に入射した光波Ｕａと光波Ｕｂは、ある回折角をもって２次元的に回折し、４分の１波長板２４と偏光ビームスプリッタ２３あるいは４分の１波長板２５と偏光ビームスプリッタ２３を通過した後、対物レンズ２６によってその焦点面上に集光する。対物レンズ２６には、同じ角度で入射した光を焦点面上で１点に集光させるという働きがあるので、２次元正弦波格子１からのｎ次回折光と、２次元正弦波格子２１からのｎ次回折光が、焦点面上でｎ次のスポットを形成することになる。以上、図４を用いてＸＺ軸に関する回折について説明したが、２次元正弦波格子１および２次元正弦波格子２１は、ＸＺ軸方向とＹＺ軸方向とで断面が全く同じ正弦波状の形状を持っている。従って、ＹＺ軸の場合も全く同様に回折光が集光し、その場合は、ＸをＹに置き換えたものになる。すなわち、フォトダイオード４１、４２、４３、４４ではＸ方向の＋１次光が、フォトダイオード５１、５２、５３、５４ではＹ方向の＋１次光が、フォトダイオード６１、６２、６３、６４ではＸ方向の−１次光が集光する。

次に、光の干渉を利用してＸＹＺ３自由度の変位を検出する詳細な原理を、光波の位相と偏光状態に注目して説明する。まず、レーザーダイオード２２から対物レンズ２６までの光波について説明する。今、２次元正弦波格子１にΔｘ、Δｙ、Δｚの変位が生じたとする。この時、回折光の位相シフト現象とＺ方向に関する光路の変化を考慮すれば、光波Ｕａ及び光波Ｕｂの位相状態は以下の式（２）、式（３）のように表される。

ただし、Ｋ＝２π／Ｐ、ｋ＝２π／λ、Ｐは２次元正弦波格子のピッチ、λはレーザー光の波長である。θは１次回折光の回折角である。またＬは図４に示すように２次元正弦波格子２１から対物レンズまでの光路長である。ところで、光波Ｕａは偏光ビームスプリッタ２３によって分割された直後はＳ偏光であるが、４分の１波長板２４を通過することで、Ｐ偏光となる。同様に光波Ｕｂは４分の１波長板２５を通過することでＳ偏光となるので、偏光状態まで考慮すると２つの光波Ｕａ及び光波Ｕｂはベクトルとして以下の式（４）及び（５）の様に表すことができる。（以下、光波のＰ偏光成分及びＳ偏光成分を考慮する場合、光波をベクトルとして考える。）

次に、対物レンズ２６からビームスプリッタ２７までの光波について、図５を用いて説明する。図５は、図1に係わる対物レンズ２６とビームスプリッタ２７における光波の様子を示す説明図であり、対物レンズ２６を通った直後の光波ベクトルＵは以下の式(６)の様に、ベクトルＵａ及び光波ベクトルＵｂの重ね合わせで表される。

また、ビームスプリッタ２７によって２分割された直後の光波ベクトルＵ２は、エネルギーが各々２分の１になるので、振幅成分は式(７)のようにルート２分の１倍になる。

続いて、フォトダイオード４１及び４２に向かう光波について図６を用いて説明する。図６は、ビームスプリッタ２７から焦点面までの光波の様子を示す説明図であり、ビームスプリッタ２７にて２分割された一方の光波ベクトルＵ２は４分の１波長板２８を通過し、偏光ビームスプリッタ２９によって更に２分割される。４分の１波長板２８の高速軸はP偏光の振動方向に対して４５度傾けて配置してある。４分の１波長板２８を通過後の光波ベクトルＵ３の偏光状態は、ジョーンズベクトルを用いて以下の式(８)の様に演算される。

光波ベクトルＵ３は、偏光ビームスプリッタ２９を通過した後フォトダイオード４１ではそのP成分が、フォトダイオード４２ではそのS成分が検出される。従って、フォトダイオード４１及び４２における光波Ｕ［４１］及びＵ［４２］は以下の式（９）及び式（１０）式の様に表される。

これらを用いると、フォトダイオード４１及び４２によって検出される干渉信号Ｉ［４１］とＩ［４２］は以下の式（１１）及び（１２）の様に表される。

式（１１）及び（１２）から、Ｉ［４１］とＩ［４２］は互いに位相が１８０度ずれた信号になることが分かる。

次いで、フォトダイオード４３及び４４に向かう光波について図７を用いて説明する。図７は、ビームスプリッタ２７から別の焦点面までの光波の様子を示す説明図であり、ビームスプリッタ２７にて２分割された他方の光波ベクトルＶは最初に４分の１波長板３０を通過する。ここで４分の１波長板３０の高速軸は、Ｐ偏光の振動方向に対して平行に配置してある。この時、４分の１波長板３０を通過後の光波ベクトルＶ２の偏光状態はジョーンズベクトルを用いて下の式（１３）の様に演算される。

更に、光波ベクトルＶは４分の１波長板３１を通過する。ここで４分の１波長板３１の高速軸は、Ｐ偏光に対して４５度傾けて配置してある。従って、４分の１波長板３１を通過後の光波ベクトルＶ２の偏光状態は、ジョーンズベクトルを用いて下の式(１３)の様に演算される。

光波ベクトルＶ２は、偏光ビームスプリッタ３１を通過した後フォトダイオード４３ではそのＰ成分が、フォトダイオード４４ではそのＳ成分が検出されるので、フォトダイオード４３及び４４における光波Ｕ［４３］及びＵ［４４］は以下の式（１４）及び式（１５）の様に表される。

従って、フォトダイオード４３及び４４によって検出される干渉信号Ｉ［４３］とＩ［４４］は以下の式(１７)及び（１８）式の様に表される。

式（１７）及び（１８）から、Ｉ［４３］とＩ［４４］は互いに位相が１８０度ずれた信号になることが分かる。

以上の説明では、Ｘ方向の＋１次のスポット４０ａ１を含むＸ方向の＋１次回折光についてフォトダイオード４１ないし４４が検出する干渉信号を説明したが、Ｙ方向の＋１次のスポット４０ｂ１を含むＹ方向の＋１次回折光についてフォトダイオード５１ないし５４及び、Ｘ方向の−１次のスポット４０ａ−１を含むＸ方向の−１次回折光についてフォトダイオード６１ないし６４が検出する干渉信号も同様に求められる。つまり、Ｙ方向の＋１次のスポット４０ｂ１であれば、Ｘ方向の＋１次のスポット４０ａ１に関する光波におけるＫΔｘの部分がＫΔｙに変わり、Ｘ方向の−１次のスポット４０ａ−１であれば、Ｘ方向の＋１次のスポット４０ａ１に関する光波におけるＫΔｘの部分が−ＫΔｘに変わる。これを考慮すると、各フォトダイオード４１ないし４４、フォトダイオード５１ないし５４、フォトダイオード６１ないし６４で検出される干渉信号は表１の様になる。

これらの干渉信号を、以下のような式（１９）ないし式（２４）により演算処理する。実際は加減算回路及び除算回路を用いてこの演算を行うが、ここではその説明を省略する。

これらの演算処理により６つの正弦波信号が得られる。式（１９）、（２１）及び（２３）から以下の式（２５）ないし（２７）の様にΔｘ、Δｙ、Δｚ、すなわちＸＹＺ軸の３方向の移動量が求められる。

また、信号（１９）及び信号（２０）は位相差が９０度であるが、方向弁別回路を用いることにより、KΔｘ＋ｋ（１＋１／ｃｏｓθ）Δｚの増減を知ることができる。同様にして、信号（２１）及び信号（２２）から、KΔｙ＋ｋ（１＋１／ｃｏｓθ）Δｚの増減を、信号（２３）及び信号（２４）から、−KΔｘ＋ｋ（１＋１／ｃｏｓθ）Δｚの増減を知ることができる。結果、Δｘ、Δｙ、Δｚの増減、すなわちＸＹＺ軸の３方向の移動方向が判別できる。

以上説明したように、本発明によれば、１つのセンサ・ユニットでＸＹＺ方向の変位を検出できるので、コンパクトな構造でＸＹＺ軸方向の相対変位を求めることができる。しかも、光波の回折原理を用いているので、２次元正弦波格子を短ピッチ化しても格別の問題が発生せず、高精度化と高分解能化が可能である。

また、以上の本発明のＸＹＺ軸変位測定装置の実施の形態においては、２次元回折格子を２次元正弦波格子としたが、１次光が回折される形状であれば何でも良い。例えば、２次元的に矩形的に変化する２次元回折格子でも構わない。

本発明に係わるＸＹＺ軸変位測定装置は、工作機械や表面粗さ計等の各種測定機、および半導体露光装置や液晶露光装置等の精密ＸＹステージ等の様々な分野に適用できる。

本発明のＸＹＺ軸変位測定装置の実施の形態の基本構成を示す要部概観図である。図1に係わる２次元正弦波格子の要部斜視図である。図1に係わるＸ_２Ｙ_２平面上での光のスポットの様子を示す説明図である。図1に係わる対物レンズ２６までのＸＺ軸断面の光波の様子を示す説明図である。図1に係わる対物レンズ２６とビームスプリッタ２７における光波の様子を示す説明図である。図1に係わるビームスプリッタ２７から焦点面までの光波の様子を示す説明図である。図1に係わるビームスプリッタ２７から別の焦点面までの光波の様子を示す説明図である。

符号の説明

１２次元正弦波格子
２センサ・ユニット
２１２次元正弦波格子
２２レーザーダイオード
２３偏光ビームスプリッタ
２４、２５４分の１波長板
２６対物レンズ
２７ビームスプリッタ
２８、３０、３１４分の１波長板
２９、３２偏光ビームスプリッタ
４１、４２、４３フォトダイオード
４４、５１、５２フォトダイオード
５３、５４、６１フォトダイオード
６２、６３、６４フォトダイオード
４０ａ０Ｘ_２Ｙ_２平面上における０次のスポット
４０ａ１Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＸ方向の１次のスポット
４０ａ２Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＸ方向の２次のスポット
４０ａ−１Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＸ方向の−１次のスポット
４０ａ−２Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＸ方向の−２次のスポット
４０ｂ１Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＹ方向の１次のスポット
４０ｂ２Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＹ方向の２次のスポット
４０ｂ−１Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＹ方向の−１次のスポット
４０ｂ−２Ｘ_２Ｙ_２平面上におけるＹ方向の−２次のスポット

Claims

ＸＹＺ軸変位測定装置であって、計測基準面である２次元回折格子と、該２次元回折格子からの回折光を検出するセンサ・ユニットを備え、該センサ・ユニットは、検出器と、前記２次元回折格子に対して垂直に配置された参照２次元回折格子と、レーザー光源と、該レーザー光源からのレーザー光を前記計測基準面である２次元回折格子および前記参照２次元回折格子に垂直に入射させるとともに、前記計測基準面である２次元回折格子および前記参照２次元回折格子からの回折光を対物レンズによって干渉させる光学系と、を含み、
回折光の干渉が生じている領域に前記検出器を複数設置して互いに位相が１８０度異なる干渉信号の対を複数検出し、該複数検出した干渉信号の対から正弦波信号を複数生成してＸＹＺ軸の移動量を求めることを特徴とするＸＹＺ軸変位測定装置。
前記検出器が、前記光学系の１次回折光による干渉信号をフォトダイオードによって検出することを特徴とする請求項１に記載のＸＹＺ軸変位測定装置。
前記光学系が波長板を有し、該波長板によって回折光に位相差をつけて位相の異なる複数の干渉光を生成するものであって、前記センサ・ユニットは、互いに位相の異なる干渉光に基づき９０度位相の異なる前記正弦波信号を算出する演算手段と、前記正弦波信号に基づき移動方向判別情報を出力する方向弁別回路を有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸＹＺ軸変位測定装置。