JP5483950B2 - 光学部品保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、精密計測機や、精密加工機等のステージ分野で用いられる干渉光学系において、レーザー干渉測長計や反射ミラーなどの光学部品を保持する光学部品保持装置に関するものである。

レーザー干渉測長計においては、参照光もしくは測定光の漏れ光が原因でレーザー波長の整数分の１の周期で表れる非線形なサイクリックエラーが、レーザー干渉測長計を使用する超精密計測機の測定精度や超精密加工機の加工精度を悪化させることになる。サイクリックエラーの大きさはおおよそ数ｎｍ程度であり、近年の超精密計測機や超精密加工機に要求される精度では無視できない量となっている。

これに対して、例えば特許文献１には、測定光路の気圧、温度、湿度の環境変化により生じる光路長変化に起因するサイクリックエラーを抑制する対策が開示されている。この干渉計測定装置は、気圧、温度、湿度などを一定に保つように測定光路途中に密閉容器を設置することで、環境変化による光路長変化を抑制する。サイクリックエラーは光路長が波長の数分の１変化するのを１周期として発生するので、光路長変化が小さければサイクリックエラーの発生量も小さくなる。したがって、この対策により、環境変化に対してレーザー測長の安定性が改善されるが、レーザー測長の絶対精度は向上しない。

一方、サイクリックエラーの発生量を特定して、測長量から補正するシステムも考案されている（特許文献２参照）。これは、レーザー干渉測長計の出力信号から測定信号に対するサイクリックエラー信号の大きさの比率を計算して、それに基づいてサイクリックエラーの発生量を補正するものである。さらに、これを具現化したレーザーボード（信号処理演算機）も一般に市販されており（非特許文献１参照）、このレーザーボードを用いれば、その他は従来と同様のシステムを組むことでサイクリックエラーの補正が実現できる。

特開平１１−４４５０６号公報 ＵＳ ６、２５２、６６８ Ｂ１

「ＺＭＩ４１００ Ｓｅｒｉｅｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｂｏａｒｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｍａｎｕａｌ ＯＭＰ−０５０８Ｂ」ＺＹＧＯ社、２００５年

しかしながら、上記のサイクリックエラー補正は、規定の速度（たとえばダブルパス干渉計では１．２ｍｍ／ｓｅｃ）以上で測長距離が変化しなければならないという条件を満足しなければ補正のための演算ができない。

半導体露光装置に用いられるＸＹステージのように、レーザー干渉測長計もしくは反射ミラーの少なくとも一方がステージに搭載されていれば、ステージを十分な速度で移動させてサイクリックエラー補正を実行できる。しかしながら、レーザー干渉測長計及び反射ミラーがともに駆動源を持たない構造体に設置される場合は、上述の補正条件を達成できないため、サイクリックエラーを補正できないという問題があった。

レーザー干渉測長計又は反射ミラーを駆動させる機構を用いて、所望のタイミングでレーザー干渉測長計を駆動してサイクリックエラー補正を行うことはできるが、レーザー干渉測長計の測定精度を阻害しないように、高い静止安定性も同時に達成するのは難しい。

本発明は、レーザー干渉測長計もしくは反射ミラーなどの光学部品を搭載し、サイクリックエラー補正を行う時に振動駆動し、それ以外では高い位置安定性を得ることのできる安価でコンパクトな光学部品保持装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の光学部品保持装置は、干渉光学系の光学部品を保持する光学部品保持装置であって、ベースと、前記ベースに対し、対向して懸架された一対の弾性部材を介して、前記一対の弾性部材同士を結ぶ第一の方向の剛性よりも、前記第一の方向に対して交差する第二の方向の剛性の方が低くなるように振動可能に支持された可動部と、前記可動部を吸引するための吸引力を発生する吸引力発生手段と、前記可動部に光学部品を固定するための固定手段と、前記可動部を振動させるために、前記吸引力発生手段の吸引力を解除する吸引力解除手段と、を有し、前記可動部は、前記干渉光学系の光学部品の測定方向と前記第二の方向とが一致するように前記干渉光学系の光学部品を取り付ける取付部を備えていることを特徴とする。

静止時には光学部品の位置を安定に保持するとともに、加振時には、可動部の質量と弾性部材のばね定数で調整された固有振動数で一軸方向に自由振動させることができる。これにより、レーザー干渉測長計及び反射ミラーがともに駆動源を持たない場合でもサイクリックエラーの補正が可能になる。

一実施形態による光学部品保持装置を示すもので、（ａ）は光学部品保持装置を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の光学部品保持装置にレーザー干渉測長計を搭載した状態を示す斜視図である。 図１の装置の磁気回路を示すもので、（ａ）、（ｂ）は吸引力を発生した状態と吸引力を解除した状態をそれぞれ示す模式断面図、（ｃ）、（ｄ）は吸引力を発生した状態と吸引力を解除した状態の磁束密度ベクトルをそれぞれ説明する説明図である。 図１の装置を上方から眺めたもので、（ａ）は可動部を吸引していない状態を示す平面図、（ｂ）は可動部を吸引して球座をストッパに突き当てた状態を示す平面図である。 図２の磁気回路に係るもので、（ａ）は永久磁石の角度とヨークに働く吸引力の関係を示すグラフ、（ｂ）は可動部の吸引力を解除して自由振動させたときの過渡応答を示すグラフである。 ダブルパスのレーザー干渉測長計を示すもので、（ａ）、（ｂ）は干渉光学系の参照光と測定光を示す光路図、（ｃ）はレーザー干渉測長計を示す斜視図である。

図１は一実施形態を示すもので、光学部品保持装置１はベース２を有し、ベース上の可動部３は、弾性部材である４枚の板ばね４を介して振動可能に支持されている。各板ばね４は平行平板の薄板であり、図１（ａ）に示す矢印Ａ方向には剛性が低く、可動部３は容易に変位できるが、それ以外の方向には剛性が高く可動部３は変位しにくい。ベース上を可動部３が矢印Ａ方向に振動するときの固有振動数は、可動部３の質量と板ばね４の剛性を調整することで目標とする固有振動数に一致させることが可能である。したがって、可動部３に初期変位を与えてから所望のタイミングで解除すれば、目標とする固有振動数で矢印Ａ方向の自由振動が得られる。

可動部３には球座５が取付けられており、ベース２に取付けられたストッパ６は、可動部３が後方へ吸引されたときに球座５がストッパ６へ突き当たって変位を制限し、球座５とストッパ６の間に予圧を与えたときに接触剛性が確保できる。

吸引力発生解除機構７は、可動部３を吸引する吸引力（磁気吸引力）を発生するための吸引力発生手段と、吸引力を解除するための吸引力解除手段とを構成する。吸引力発生解除機構７は、回転自在に支持された永久磁石１０と、可動部３に取付けられた第１のヨークであるＴ字形状のヨーク１１と、ベース２に取付けられた第２のヨークであるコの字形状のヨーク１２とを有する磁気回路を備える。高圧エアーを駆動源とする吸引力解除手段であるロータリーアクチュエータ１３は、図２に示すように、永久磁石１０を支持するシャフト１４を回転させるもので、シャフト１４を支持するベアリング１５を内蔵している。シャフト１４の回転は回転ストッパ１６によって９０度に制限される。

以下、吸引力発生解除機構７及びその中核をなす磁気回路について詳細に説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、図１（ａ）において矢印Ｂ方向から眺めた磁気回路を示す。この磁気回路は、可動部３に取付けられたＴ字形状のヨーク１１と、ベース２に取付けられたコの字形状のヨーク１２と、矩形断面の永久磁石１０と、から構成される。永久磁石１０は図中にＮ、Ｓと記された方向に一様に磁化している。永久磁石１０を中心周りに自在に回転できるように、シャフト１４を軸中心が一致するように固定する。シャフト１４及び永久磁石１０は軸中心周りに回転可能であるが、回転角度は回転ストッパ１６により図２（ａ）の状態から（ｂ）の状態に切り替わる間の９０度に制限され、その範囲を超えるように回転することはできない。したがって、シャフト１４に直結されたロータリーアクチュエータ１３の回転方向を切り替えることで、図２（ａ）の状態と（ｂ）の状態を瞬時に切り替えることが可能である。

なお、一般的なエアーを駆動源とするロータリーアクチュエータは、２つのポートに割り当てる吸気、排気を電磁弁で切り替えれば回転方向は逆転する。したがって、スイッチのＯＮ、ＯＦＦの指令だけで吸引力の発生、解除を切り替えられるため、非常に簡単なシステムを実現できる。

図２（ｃ）、（ｄ）は、磁気回路の磁束密度ベクトルの方向を表している。図２（ｃ）は永久磁石１０の磁化方向が水平方向と一致する状態で、便宜的にこの状態を角度基準（０度）とする。この状態では永久磁石１０のＮ極からの磁束がヨーク１１とヨーク１２を通ってＳ極に帰するような閉じたループになる。したがって、ヨーク１１とヨーク１２はどちらも永久磁石１０に近づくような水平方向の吸引力を大きく受ける。一方、図２（ｄ）は永久磁石１０が９０度回転して磁化方向が鉛直方向と一致する状態である。永久磁石１０のＮ極からの磁束はヨーク１２を通ってＳ極に帰するのが大半であるため、ヨーク１１に働く磁力は非常に小さくなる。

永久磁石１０が０度と９０度の角度位置におけるヨーク１１に働く吸引力は、実際には０度から９０度までの間で連続的に変化する。図４（ａ）は永久磁石１０の角度を０度から９０度まで１０度毎に変化させたときの、ヨーク１１に働く水平方向の吸引力を磁気解析で計算した一例である。横軸は永久磁石１０の回転角度で、図２（ａ）の状態を０度としその位置から時計回りを正としている。縦軸はヨーク１１に働く水平方向の吸引力であり、永久磁石１０に近づく方向を正としている。永久磁石１０が０度の位置では約６０Ｎの吸引力が発生するが、回転角度が大きくなるにつれてその吸引力が減少して７０度以上になると吸引力はほぼ０になることがわかる。

このように吸引力発生解除機構７においては、永久磁石１０が０度の位置にある状態でヨーク１１に働く吸引力を発生し、その状態からロータリーアクチュエータ１３で瞬時に永久磁石１０を９０度回転させると吸引力を解除できる。

図３（ａ）は図１（ａ）の装置を上方から眺めた平面図で説明のために簡略化したものである。先述したように、ベース２に対して可動部３が板ばね４で支持されており、可動部３は矢印Ａ方向には容易に変位可能である。図３（ａ）は可動部３に吸引力が働いていない状態を表している。この状態から吸引力発生解除機構７を用いて可動部３を吸引すると、図３（ｂ）に示すように、板ばね４を撓ませながら可動部３の球座５がベース２のストッパ６に突き当たるまで変位する。この変位量だけ板ばね４を撓ませるのに必要な力よりも十分に大きな吸引力が得られるように、永久磁石１０の材質及び磁気回路の寸法を選定もしくは調整すれば、球座５とストッパ６はお互いに押し合う力が働き、大きな接触剛性が得られる。

例えば、可動部３を変位させるのに１０Ｎの力が必要な場合に６０Ｎで吸引すると、球座５とストッパ６間にはお互いに５０Ｎの力で押し合うことになる。球座５半径１０ｍｍで、材質が鋼鉄であるとすれば、Ｈｅｒｔｚの公式から３×１０^７［Ｎ／ｍ］の接触剛性が得られることになる。したがって、可動部３を吸引すると球座５がストッパ６に突き当たって静止し、その接触剛性で矢印Ａ方向の剛性は高く、その他の方向はもともと板ばね４の剛性が高いため、外乱に対するベース上の可動部３の静止位置の安定性が高くなる。

この状態から可動部３に働く吸引力を解除すると、図３（ａ）の状態に戻ろうとする板ばね４の復元力で、可動部３が矢印Ａ方向に自由振動を始める。この自由振動は、図１（ｂ）に示すように、干渉光学系のレーザー干渉測長計１００を可動部３に保持させたときの搭載物を含む可動部３の質量と板ばね４のばね定数で決定される１次固有モードの振動数で振動する。一般に、搭載物の質量は変更できないが、可動部３の質量及び板ばね４の寸法及び材質は変更できるので、可動部３の固有振動数は目標とする振動数に一致させることが可能である。

図４（ｂ）は、可動部３を自由振動させたときの過渡応答を測定した結果である。横軸と縦軸はそれぞれ時間と可動部３の変位を表し、時刻１．７２秒において可動部３に働く吸引力を解除している。３５Ｈｚの固有振動数、全振幅１００μｍの正弦波形の過渡振動が得られている。

吸引力を解除すると可動部３には外力が働かないため、上記の自由振動はやがて減衰して図３（ａ）の状態で静止する。なお、この状態では矢印Ａ方向に拘束するものがないため位置の安定性は低い。したがって、静止位置の安定性が必要な場合には再度可動部３を吸引して図３（ｂ）の状態にする。その後再び可動部３を振動させたい場合には再度吸引力を解除すればよい。このように繰り返して振動駆動と静止保持を切り替えることができる。

次に、ダブルパスのヘテロダイン干渉測長装置であるレーザー干渉測長計１００について説明する。なお、ヘテロダイン干渉測長装置に限定されず、ホモダイン干渉測長装置でもよい。測定光路の往復数も２往復のダブルパスだけに限定されず、１往復のシングルパス、または３往復以上のマルチパスでもよい。

図５は、ダブルパスのヘテロダイン干渉計における干渉光学系を説明するもので、図中の破線は光の進行経路を示しており、（ａ）は参照光、（ｂ）は測定光の光路を示す。レーザー干渉測長計１００は、偏光ビームスプリッタ１０１、１／４λ波長板１０２、１０３、参照平面ミラー１０４、コーナーキューブ１０５から構成され、ターゲットとなる反射ミラー１０６に対向する。

図５（ｃ）に示すように、レーザー干渉測長計１００は、専用の固定手段であるマウント１１０に搭載され、マウント１１０は、図１（ｂ）に示すように、可動部３にボルトの締結により固定される。なお、レーザー干渉測長計１００の測長方向は可動部３の振動する方向、つまり矢印Ａ方向と一致するように取付けなければならない。一方、測定対象には不図示のターゲットミラーを固定する。

レーザー干渉測長計１００を光学部品保持装置１に搭載する代わりに、ターゲットとなる反射ミラー１０６の方を搭載してもよい。可動部３に搭載する対象が異なるだけであるので説明は省略する。

通常の測長時においてはベース２に対してレーザー干渉測長計１００を静止位置に保つように、可動部３を永久磁石１０で吸引して球座５をストッパ６に突き当てておく。そして、サイクリックエラーの補正データを取得するときには、磁気回路を切り替えて、可動部３に働く吸引力を解除することで、可動部３及びそれに搭載されているレーザー干渉測長計１００を振動駆動させる。予め、サイクリックエラー補正のために必要な速度を達成するように、振動の振幅と周波数を調整しておけば、自由振動の過渡振動中にサイクリックエラーの補正に必要なデータを取得できる。

１ 光学部品保持装置
２ ベース
３ 可動部
４ 板ばね
５ 球座
６ ストッパ
１０ 永久磁石
１１、１２ ヨーク
１３ ロータリーアクチュエータ
１６ 回転ストッパ
１００ レーザー干渉測長計
１０６ 反射ミラー
１１０ マウント

Claims (5)

1. 干渉光学系の光学部品を保持する光学部品保持装置であって、
   ベースと、
   前記ベースに対し、対向して懸架された一対の弾性部材を介して、前記一対の弾性部材同士を結ぶ第一の方向の剛性よりも、前記第一の方向に対して交差する第二の方向の剛性の方が低くなるように振動可能に支持された可動部と、
   前記可動部を吸引するための吸引力を発生する吸引力発生手段と、
   前記可動部に光学部品を固定するための固定手段と、
   前記可動部を振動させるために、前記吸引力発生手段の吸引力を解除する吸引力解除手段と、を有し、
   前記可動部は、前記干渉光学系の光学部品の測定方向と前記第二の方向とが一致するように前記干渉光学系の光学部品を取り付ける取付部を備えていることを特徴とする光学部品保持装置。
2. 前記吸引力発生手段によって吸引された前記可動部の静止位置を規定するストッパがさらに設けられていることを特徴とする請求項１記載の光学部品保持装置。
3. 前記吸引力は、磁気回路によって発生する磁気吸引力であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学部品保持装置。
4. 前記吸引力発生手段は、
   前記可動部に取付けられた第１のヨークと、
   前記ベースに取付けられた第２のヨークと、
   前記第１及び前記第２のヨークの間に、回転自在に支持された永久磁石と、を備え、
   前記吸引力解除手段は、
   前記永久磁石を回転させるロータリーアクチュエータを備えたことを特徴とする請求項３に記載の光学部品保持装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学部品保持装置と、レーザー干渉測長計と、反射ミラーと、を有する干渉光学系において、
   前記光学部品保持装置によって保持された光学部品は、前記レーザー干渉測長計又は前記反射ミラーであることを特徴とする干渉光学系。

Images