JP5849103B2 - 干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステム - Google Patents

Description

本開示は、エンコーダスケールから回折させられた反射ビームまたは透過ビームにおいて生じる位相変化のヘテロダイン測定を実施するための干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムおよび方法に関する。

ある場合において、干渉測定システムは、光学干渉信号に基づいて測定対象の相対位置の変化をモニタリングする。例えば、干渉計は、測定対象と相互作用（例えば、測定対象から反射）する「測定ビーム」を「基準ビーム」とも時には呼ばれる第２のビームと重複させて干渉させることによって光学干渉信号を生成する。測定対象の相対位置の変化は測定された光学干渉信号の位相の変化に対応する。

しかしながら、干渉測定システムの多くは「周期誤差」として公知のものなどの非線形性を含む。一般的に、周期誤差は測定対象の相対位置に関して周期的である測定誤差と理解される。周期誤差は測定された干渉信号の位相および／または強度に対する寄与として表され、測定ビームと第２のビームとの間の光学経路の差の変化に対して正弦関数的依存性を有する。周期誤差は「ビーム混合」によって作り出され得、「ビーム混合」においては、第２のビームを名目上形成する入力ビームの一部分が基準経路に沿って伝播し、および／または測定経路に沿って伝播するように意図された入力ビームの一部分が代わりに基準経路に沿って伝播する。こうしたビーム混合は入力ビームの偏光の楕円率および／または干渉計の構成要素における欠陥によって引き起こされ得る。周期誤差は、干渉計において望ましくないビームの楕円率を作り出す再帰反射器および／または位相遅延板などの構成要素の欠陥によっても作り出され得る。補償されない場合には、上記の周期誤差は干渉計システムによって測定された位置変化の精度を制限し得る。

本開示は、エンコーダシステムと、エンコーダスケールの動きからもたらされる、エンコーダスケールから回折させられた反射ビームまたは透過ビームにおいて生じる位相変化の測定を実施するための方法とに関する。好適な実施形態において、エンコーダシステムは、検出器から離れるようにスプリアスビームを屈折させることにより、ゴーストビームおよび／または偏光混合効果によって作り出される周期誤差の大きさを減少させるように配置された出力構成要素を含む。

特定の態様において、本開示は、異なる周波数を有する第１のビームと第２のビームとを受け取るように配置された干渉計を含むエンコーダシステムを特徴とし、エンコーダシステムにおいては、干渉計は、測定経路に沿って第１のビームを導いて測定ビームを画定し、基準経路に沿って第２のビームを導いて基準ビームを画定する少なくとも１つの偏光ビーム分割要素を有する。エンコーダシステムはさらにエンコーダスケールと検出器と出力構成要素とを含み、エンコーダスケールは、少なくとも一度、測定ビームを回折させるように配置され、検出器は、測定ビームがエンコーダスケールから回折した後に、測定ビームと基準ビームとを受け取るように配置され、出力構成要素は、測定ビームと基準ビームとが検出器に到達して、第１のビーム及び第２のビームのスプリアス部分を検出器から離れるように回折させる前に、測定ビームと基準ビームとを受け取るように配置される。スプリアス部分は、第１のビームの偏光と、第２のビームの偏光と、偏光ビーム分割要素とのうちのいずれかの欠陥により、基準経路に沿って方向付けられた第１のビームの部分と、測定経路に沿って方向付けられた第２のビームの部分とを含む。

エンコーダシステムの実施は以下の特徴および／または他の態様の特徴のうちの１つ以上を含み得る。例えば、出力構成要素は複屈折出力構成要素であり得る。出力複屈折構成要素はプリズムペアを含むことが出来る。プリズムペアの第１のプリズムは複屈折くさびを含むことが出来、プリズムペアの第２のプリズムはガラスくさびを含むことが出来る。

一部の実施において、システムはさらに、線形偏光子と、出力光ファイバレンズと、出力構成要素から検出器までの測定ビームと基準ビームとを結合するための出力ファイバとを含む。入力光ファイバレンズと入力構成要素とは第１のビームと第２のビームとの間の伝播方向の角度差を約０．１ミリラジアンと約１０ミリラジアンとの間または約０．５ミリラジアンと約５ミリラジアンとの間にするように組み合わされることが出来る。

一部の実施において、システムはさらに、異なる周波数を有する第１のビームと第２のビームとを生成するように構成された供給源を含み、供給源はさらに第１のビームと第２のビームとが実質的に直交する偏光を有するように構成される。供給源は、異なる周波数を生成するために、音響光学変調器、電子光学変調器、またはゼーマン分割レーザを含むことが出来る。供給源は第１のビームと第２のビームとの間の伝播方向の角度差を導入するための入力構成要素を含むことが出来る。供給源は第１のビームと第２のビームとの両方が線形の偏光、円形の偏光、または楕円形の偏光を有するように構成されることが出来る。

入力構成要素は複屈折入力構成要素であり得る。入力構成要素はプリズムペアを含むことが出来る。供給源はさらに、干渉計に向かって第１のビームと第２のビームとを運ぶための入力偏光保存ファイバの対と、入力ファイバから入力構成要素までの第１のビームと第２のビームとを結合するための入力光ファイバレンズとを含むことが出来る。入力構成要素と出力構成要素とは共通の複屈折構成要素の異なる部分に対応し得る。

一部の実施において、出力構成要素はさらに測定ビームと基準ビームとを互いに組み合わせるように構成される。
一部の実施において、検出器は測定ビームと基準ビームとの間の干渉に基づいて干渉強度信号を測定するように構成される。

一部の実施において、エンコーダスケールは一次元の回折格子を備える。
一部の実施において、干渉計は測定再帰反射器を含み、測定再帰反射器においては、エンコーダスケールは、測定再帰反射器に測定ビームを回折させ、測定再帰反射器から戻る測定ビームを受け取り、それから、偏光ビーム分割要素に戻すように測定ビームを回折させる。干渉計は偏光ビーム分割要素を含む偏光ビーム分割器を有することが出来る。干渉計はさらに偏光ビーム分割要素に戻るように基準ビームを再帰反射させるための基準再帰反射器を含むことが出来る。

一部の実施において、第１のビームと第２のビームとは第１の入力ビームの組を画定し、この場合、干渉計はさらに第２の測定ビームと第２の基準ビームとを画定する第２の入力ビームの組を受け取るように配置される。エンコーダスケールは少なくとも一度、第２の測定ビームを回折させるように配置されることが出来、システムはさらに、第２の測定ビームがエンコーダスケールから回折した後に、第２の測定ビームと第２の基準ビームとを受け取るように配置された第２の検出器を含むことが出来る。システムはさらに、第２の測定ビームと第２の基準ビームとが第２の検出器に到達して第２の検出器から離れるように第２の入力ビームの組のスプリアス部分を屈折させる前に、第２の測定ビームと第２の基準ビームとを受け取るように配置された第２の出力構成要素を含むことが出来る。干渉計はさらに第２の測定再帰反射器を含むことが出来、この場合、エンコーダスケールは、第２の測定再帰反射器に第２の測定ビームを回折させ、第２の測定再帰反射器から戻る第２の測定ビームを受け取って、偏光ビーム分割要素に戻すように第２の測定ビームを回折させる。第２の検出器は第２の測定ビームと第２の基準ビームとの間の干渉に基づいて第２の干渉強度信号を測定するように構成されることが出来る。システムは第１の干渉強度信号と第２の干渉強度信号とに基づいて少なくとも２つの自由度に沿ってエンコーダスケールの位置の変化を決定するための信号処理システムをさらに含むことが出来る。

一部の実施において、第１のビームと第２のビームとは偏光ビーム分割要素に衝突する前に伝播の角度差を有する。例えば、伝播の角度差は約０．１ミリラジアンと約１０ミリラジアンとの間であり得、または伝播の角度差は約０．５ミリラジアンと約５ミリラジアンとの間であり得る。

一部の実施において、ビーム分割要素はビーム分割インタフェースを含む。ビーム分割要素はプリズムキューブ、回折光学要素、または複屈折要素であり得る。
１つ以上の実施形態の詳細が添付の図面と以下の記載とにおいて述べられる。他の特徴と他の利点とが、記載、図面、および特許請求の範囲から明らかである。

干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムの一実施形態の概略図である。 干渉ヘテロダイン光学エンコーダの一実施形態の概略図である。 干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムの一実施形態の概略図である。 図３のエンコーダシステムの拡大された部分を例示する概略図である。 干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムから取得される干渉パターンの例示的な画像である。 図５Ａの干渉パターンの積分強度値のグラフである。 干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムから取得された干渉パターンの例示的な画像である。 図５Ｃの干渉パターンの積分強度値のグラフである。 検出器によって記録された縞の数に対する積分信号強度のグラフである。 干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムの一実施形態の概略図である。 干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムの一実施形態の概略図である。 図８のビーム送達部分の概略図である。 図８のシステムのファイバ出力部分の概略図である。 干渉計を含むリソグラフィツールの一実施形態の概略図である。 集積回路を作るためのステップを記載する流れ図である。 集積回路を作るためのステップを記載する流れ図である。

本開示は干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムにおける誤差補正に関する。以下の開示は３つの節にまとめられる。「干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステム」と題される本開示の第１節は、干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムがどのように動作し得るかに関する一般的な記載に関する。「角度をつけられたビームの誤差補正」と題される本開示の第２節は、干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムにおいて誤差を補正するための構造と方法とに関する。「リソグラフィツール用途」と題される本開示の第３節は、リソグラフィシステムにおいて干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムを利用するための構造と方法とに関する。
干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステム
図１を参照すると、干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステム１００の例は、光源モジュール１２０（例えば、レーザを含む）と、光学アセンブリ１１０と、測定対象１０１と、検出器モジュール１３０（例えば、偏光子や検出器を含む）と、電子プロセッサ１５０とを含む。一般的に、光源モジュール１２０は光源を含み、ビーム成形光学系（例えば、光平行光学系）、光誘導構成要素（例えば、光ファイバ導波路）、および／または偏光管理光学系（例えば、偏光子および／または波長板）などの他の構成要素を含むことも出来る。光学アセンブリ１１０の様々な実施形態が以下で記載される。光学アセンブリは「エンコーダヘッド」とも呼ばれる。デカルト座標系が参考のために示される。

測定対象１０１はＺ軸に沿って光学アセンブリ１１０からある程度のわずかな距離だけ離れて配置される。エンコーダシステムがリソグラフィツールにおいてウエハステージまたはレチクルステージの位置をモニタリングするために使用される場合などの多くの用途において、測定対象１０１は、Ｚ軸に対して光学アセンブリから名目上一定の距離を残しながら、Ｘ軸および／またはＹ軸において光学アセンブリに対して動かされる。この一定の距離は比較的に小さく（例えば、数センチメートル以下に）なり得る。しかしながら、こうした用途において、測定対象の場所は典型的には名目上一定の距離からわずかな量だけ変わり、デカルト座標系内での測定対象の相対的な配向もまたわずかな量だけ変わり得る。動作の間、エンコーダシステム１００は光学システム１１０に対する測定対象１０１に関する次に述べる自由度のうちの１つ以上をモニタリングする。これらの自由度は、Ｘ軸に対する測定対象１０１の位置を含み、特定の実施形態においては、ｙ軸および／またはｚ軸に対する測定対象１０１の位置、および／またはピッチ角度配向およびヨー角度配向に対する測定対象１０１の位置をさらに含む。一部の実施形態において、光学アセンブリが測定対象１０１に対して動かされることが出来るが、一部の実施形態においては、測定対象１０１と光学アセンブリとの両方を動かすことが出来る。

測定対象１０１の位置をモニタリングするために、供給源モジュール１２０は入力ビーム１２２を光学アセンブリ１１０に導く。光学アセンブリ１１０は入力ビーム１２２から測定ビーム１１２を導出し、測定ビーム１１２を測定対象１０１に向ける。光学アセンブリ１１０はまた入力ビーム１２２から基準ビーム（図示せず）を導出し、測定ビームとは異なる経路に沿って基準ビームを方向付ける。例えば、光学アセンブリ１１０は測定ビーム１１２と基準ビームとに入力ビーム１２２を分割するビームスプリッタを含むことが出来る。測定ビームと基準ビームとは直交する偏光（例えば、直交する線形の偏光）を有し得る。

測定対象１０１はエンコーダスケール１０５を含み、エンコーダスケール１０５は、エンコーダヘッドからの測定ビームを１つ以上の回折次数に回折させる測定目盛りである。一般的に、エンコーダスケールは回折格子やホログラフィック回折構造などの様々な異なる回折構造を含むことが出来る。例または回折格子は、正弦曲線回折格子、長方形回折格子、または鋸歯回折格子を含む。回折格子は一定のピッチを有する周期的な構造を特徴とし得るが、より複雑な周期的な構造（例えば、チャープ格子）を特徴ともし得る。一般的に、エンコーダスケールは２つ以上の面に測定ビームを回折させることが出来る。例えば、エンコーダスケールはＸ−Ｚ面とＹ−Ｚ面とにおける回折次数に測定ビームを回折させる二次元の回折格子であり得る。エンコーダスケールは測定対象１１０の動く範囲に対応する距離に渡ってＸ−Ｙ面で延在する。

本実施形態において、エンコーダスケール１０５は、図１に示されたデカルト座標系のＹ軸に対して平行な、ページの面に対して直交して延伸する回折格子線を有する回折格子である。回折格子線はＸ軸に沿って周期的である。エンコーダスケール１０５はＸ−Ｙ面に対応する回折格子面を有し、エンコーダスケールはＹ−Ｚ面において１つ以上の回折次数に測定ビーム１１２を回折させる。

これらの回折次数の測定ビームのうちの少なくとも１つ（ラベルをつけられたビーム１１４）が光学アセンブリ１１０に戻り、光学アセンブリ１１０において、ラベルをつけられたビーム１１４は基準ビームと組み合わされて出力ビーム１３２を形成する。例えば、一度回折させられた測定ビーム１１４は１次回折ビームであり得る。

出力ビーム１３２は測定ビームと基準ビームとの間の光学経路長の差に関する位相情報を含む。光学アセンブリ１１０は出力ビーム１３２を検出器モジュール１３０に向け、検出器モジュール１３０は、出力ビームを検出し、検出された出力ビームに応答して電子プロセッサ１５０に信号を送信する。電子プロセッサ１５０は信号を受信して分析し、光学アセンブリ１１０に対する測定対象１０１に関する１つ以上の自由度に関する情報を決定する。

特定の実施形態において、測定ビームと基準ビームとはわずかな周波数の差（例えば、ｋＨｚからＭＨｚの範囲の差）を有することにより、この周波数差に概ね対応する周波数で関心のある干渉信号を作り出す。この周波数は以下で「ヘテロダイン」周波数または「基準」周波数と相互交換可能に呼ばれ、（角周波数に関して）ω_Ｒとして表示される。測定対象の相対位置の変化に関する情報はこのヘテロダイン周波数における干渉信号の位相に概ね対応する。信号処理技術がこの位相を抽出するために使用されることが出来る。一般的に、動くことが出来る測定対象は、この位相項を時間変化するものにする。これに関して、測定対象の動きの１次時間導関数が本明細書において「ドップラ」偏移と呼ばれる量だけヘテロダイン周波数から干渉信号の周波数を偏移させる。

異なる周波数の測定ビームと基準ビームとが、その他の技術のうち、例えば、レーザゼーマン分裂によって作り出されることが出来るか、音響−光学変調によって作り出されることが出来るか、２つの異なるレーザモードを使用して作り出されることが出来るか、または複屈折要素を使用してレーザに対して内的に作り出されることが出来る。直交する偏光は、偏光ビームスプリッタが、異なる経路に沿って測定ビームと基準ビームとを方向付け、測定ビームと基準ビームとを組み合わせて出力ビームを形成し、次に出力ビームが偏光子を通過することを可能にし、偏光子は直交して偏光させられた成分が干渉することが出来るように直交して偏光させられた成分を混合する。対象の動きが存在しない場合、干渉信号はヘテロダイン周波数で発振し、これがまさに２つの成分の光学周波数の差である。動きが存在する場合、ヘテロダイン周波数は周知のドップラ関係を通じて対象の速度に関連付けられる変化を招く。従って、ヘテロダイン周波数の変化のモニタリングにより光学アセンブリに対する対象の動きをモニタリングすることを可能にする。

以下で記載される実施形態において、「入力ビーム」は一般的に光源モジュールによって放出されるビームを指す。ヘテロダイン検出に関して、入力ビームは、上で考察された通り、わずかに異なる周波数を有する成分を含み得る。

エンコーダスケール１０５は一方向で周期的である構造として図１に描かれるが、さらに一般的には、測定対象は測定ビームを適切に回折させる様々な異なる回折構造を含むことが出来る。一部の実施形態において、測定対象は、２つの方向で（例えば、ｘ軸とｙ軸に沿って）周期的である回折構造（例えば、エンコーダスケール）を含み、２つの直交する面におけるビームに測定ビームを回折させてもよい。一般的に、エンコーダシステムが、システムに対する幾何形状的な制約の範囲内で対応する基準信号と組み合わされた時に、１つ以上の検出可能な干渉信号を確立するために充分な強度を有する１つ以上の回折させられた測定信号を提供するように、エンコーダスケールの回折構造と光源モジュールとは選択される。一部の実施形態において、供給源モジュールは４００ｎｍ〜１，５００ｎｍの範囲の波長を有する入力ビームを提供する。例えば、入力ビームは約６３３ｎｍまたは約９８０ｎｍの波長を有することが出来る。一般的に、ヘテロダイン供給源の周波数分割は、入力ビームの２つの成分の波長間で非常にわずかな差をもたらすだけであるので、入力ビームが完全には単色でなかったとしても、入力ビームは単一の波長によって入力ビームを特徴付けることに役立つままであることを留意されたい。一部の実施形態において、供給源モジュールは、ＨｅＮｅレーザ、レーザダイオードもしくは他の固体レーザ供給源、発光ダイオード、またはスペクトル帯域幅を変調するためのフィルタを有したり有さなかったりするハロゲンライトなどの熱源を含むことが出来る。

一般的に、回折構造（例えば、格子ピッチ）は、入力ビームの波長、および光学アセンブリの構成、ならびに測定のために使用される回折次数に依存して変わり得る。一部の実施形態において、回折構造は約１λ〜約２０λの範囲のピッチを有する回折格子であり、λは光源の波長である。回折格子は約１μｍ〜約１０μｍの範囲のピッチを有することが出来る。

エンコーダシステムの様々な実施形態が可能である。例えば、回折させられた測定ビームがリトロウ条件（Ｌｉｔｔｒｏｗ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を満たさないような入射角で測定ビームは測定対象１０１に入射させられることが出来る。リトロウ条件は入射ビームに対する、回折格子などの回折構造の配向を指し、回折させられたビームが入射ビームと同一直線上にあるように回折構造が回折させられたビームを供給源に向かって戻るように方向付ける。回折させられたビームが入射ビームと同一直線上にない時には、リトロウ条件は満たされない。

一部の実施形態において、測定ビームがエンコーダスケールに対する二重の通路を作り、２倍の回折次数の測定ビームが測定のために使用されるように、エンコーダシステムは構成される。例えば、図２を参照すると、干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステム２００は、基準再帰反射器２１２と、測定再帰反射器２１４と、偏光ビームスプリッタ２１６とを有する光学アセンブリ２１０を含む。システム２００はまた、対象２０１と、レーザ供給源２１８と、検出器２４２と偏光子２４４とを含む検出器モジュール２４０と、電子プロセッサ２５０とを含む。デカルト座標系が参考のために示される。

モニタリングを行うために、供給源２１８は入力ビーム２７０を偏光ビームスプリッタ２１６に向ける。偏光ビームスプリッタ２１６は入力ビーム２７０から測定ビーム２７４と基準ビーム２７５とを導出し、測定ビーム２７４の偏光と基準ビーム２７５の偏光とは直交する。図２の例において示される通り、測定ビーム２７４は図の面に対して直交して偏光させられる（ｓ−偏光）が、２次ビーム２７５は図の面において偏光される（ｐ−偏光）。しかしながら、測定ビームと基準ビームとは互いから区別可能である（例えば、直交して偏光させられる）限り、測定ビームと基準ビームとは、あらゆる偏光（例えば、線形、円形、または楕円形）を有することが出来る。

ビームスプリッタ２１６は測定ビーム２７４を対象２０１に向ける。対象２０１は入射測定ビーム２７４を回折させるエンコーダスケール２０５を含み、非０次回折次数（例えば、１次または２次）の測定ビーム２７４に対応する一度回折された測定ビームを提供することが出来る。回折させられた測定ビーム２７４は次に、２度回折させられた測定ビームを提供するためにもう一度エンコーダスケール２０５に衝突するように測定再帰反射器２１２によって向きを変えられる。２度回折させられた測定ビーム２７４は次に偏光ビームスプリッタ２１６に戻る。偏光ビームスプリッタ２１６は次に出力ビーム２９０を形成するために基準ビーム２７５と２度回折させられた測定ビーム２７４を組み合わせ、この場合、基準ビーム２７５は基準再帰反射器２１２によって向きを変えられている。図２は偏光ビームスプリッタを示すが、偏光特性に基づいて同様にビームを方向付ける他の光学構成要素が使用されてもよい。これらの光学構成要素は、例えば、プリズムキューブ、回折光学系、複屈折構成要素、およびビームが視射角で入射する反射表面（被覆されていない反射表面または被覆された反射表面）を含む。

出力ビーム２９０は２度回折された測定ビームに対応する成分と基準ビームに対応する成分との間の光学経路の差に関する位相情報を含む。偏光ビームスプリッタ２１６は次に出力ビーム２９０を検出器モジュール２４０に向ける。検出器モジュール２４０において、出力ビームが検出器２４２に入射する前に、偏光子２４４は出力ビーム２９０の測定ビーム成分と基準ビーム成分とを混合する。これは、例えば、偏光子２４４がｓ−偏光の光の成分とｐ−偏光の光の成分とを透過させるように偏光子２４４の透過軸を配向することによって（例えば、ページの面に対して４５°で透過軸を配向することによって）達成されることが出来る。出力ビーム２９０の混合された成分を検出すると、次に、検出器モジュール２４０の検出器２４２は応答して電子プロセッサ２５０に信号を送信する。

電子プロセッサ２５０は信号を受信して分析し、光学アセンブリ２１０に対する対象２０１の１つ以上の自由度に関する情報を決定する。具体的には、電子プロセッサは部分的には信号のヘテロダイン位相に基づいてこの情報を決定する。従って、ヘテロダイン周波数の変化をモニタリングすることにより、光学アセンブリ２１０に対する対象２０１の動きをモニタリングすることを可能にする。

図２に示される通り、偏光ビームスプリッタは入力ビームからの測定ビーム成分と基準ビーム成分との分離を引き起こす。しかしながら、一部の実施において、測定ビーム成分と基準ビーム成分との分離は不完全であり得る。例えば、測定ビーム成分の一部分は測定ビーム経路に従わず、および／または基準ビーム成分の一部分は基準ビーム経路に従わず、ビーム「混合」をもたらす。

一般的に、他の所望のビームと混合するスプリアスビームは「ゴーストビーム」と呼ばれる。ゴーストビームは、それらが結合するビームと異なる振幅、異なる位相オフセット、および／または異なる周波数を有し、検出された干渉信号の周波数もしくは位相のシフト、または検出された干渉信号の振幅の変化をもたらし得る。結果として、エンコーダスケールの位置の測定における周期誤差が生じ得、周期誤差においては、誤差が光学アセンブリに対するエンコーダスケールの位置に関して周期的である。

ゴーストビームは干渉エンコーダシステムにおける様々な欠陥によって引き起こされ得る。例えば、異なる周波数成分の入力ビームの偏光において意図しない楕円率が、測定経路と基準経路とのそれぞれに沿って入力ビームを分割するために使用される偏光ビームスプリッタを通じて、漏れをもたらし得る。すなわち、第１の偏光と第１の周波数とを有する測定ビームの一部分は、意図された通りに測定経路に沿う代わりに基準経路に沿ってビームスプリッタを出ることがあり得る一方、第２の異なる偏光と第２の異なる周波数とを有する基準ビームの一部分は、意図された通りに基準経路に沿う代わりに測定経路に沿ってビームスプリッタを出ることがあり得る。一部の実施形態において、入力ビームにおいて意図しない楕円形の偏光は照明源において固有の偏光混合によるものである。偏光ビームスプリッタを通じた漏れはビームスプリッタ自体の欠陥によっても引き起こされ得る。例えば、一部の実施形態において、偏光ビームスプリッタは低消光比を有してもよく、この場合、消光比は望まれたビーム成分に対する望ましくないビーム成分の透過である。一部の実施形態において、偏光ビームスプリッタを通じた漏れはビームスプリッタの偏光面と入力ビームの調整不良によるものである。

ゴーストビームは干渉エンコーダシステムの他の成分からの望ましくない反射によっても生じ得る。例えば、一部の実施形態において、干渉エンコーダシステムは１つ以上の四分の一波長板を利用する。四分の一波長板が１００％のビーム透過を可能としない場合には、波長板に入射するビームの一部分が測定経路または基準経路の中に意図することなく反射させられることがあり得る。

一部の実施形態において、エンコーダスケールからの反射もまたゴーストビームをもたらす。例えば、回折させられた測定ビームの一部分が入射測定ビームと同一直線上の経路に沿って（すなわち、エンコーダスケールからの回折前に）ビームスプリッタに向かって意図することなく伝播することがあり得る。周期誤差の原因に関する上記の例は網羅的なものではないこと、こうした周期誤差を発生させる他のメカニズムも存在することを留意されたい。

所望のビームとゴーストビームとの干渉は、漏れによるものであっても干渉システムにおける他の欠陥によるものであっても、検出された出力ビームにおける偏向をもたらす様々な種類の周期誤差をもたらし得る。電子手段またはアルゴリズム手段がシステムの欠陥の結果として作り出される周期誤差を軽減するために適用されることが出来る。しかしながら、一部の例において、周期誤差は非常に大きく、測定結果を非常に不確かなものにする。
角度をつけられたビームの誤差補正
一部の実施形態において、周期誤差は測定ビームと基準ビームとの間の分離角度を増加させることによって最小化されることが出来る。例えば、図３は、ビーム混合によって引き起こされる非線形性や周期誤差などの、非線形性や周期誤差を抑制するためのヘテロダイン光学エンコーダシステム３００の概略図である。エンコーダシステム３００の基本動作原理は図１に示されたシステム１００の基本動作原理と同様である。しかしながら、エンコーダシステム３００は測定ビームと基準ビームとの間の分離を高めるために測定ビームと基準ビームとの間の伝播角度の差を導入したり除去したりする１つ以上の偏光光学系を含む。これは、測定ビームと基準ビームとの偏光に加えて測定ビームと基準ビームとの伝播角度によって測定ビームと基準ビームとが区別されることを可能にすることにより、ゴーストビームと偏光混合効果とによって作り出される周期誤差の大きさを減らす。

図２の干渉エンコーダシステムと同様に、システム３００は検出器３４２と偏光子３４４とを有する検出器モジュール３４０と、供給源３１８と、電子プロセッサ３５０と、エンコーダスケール３０５を含む対象３０１と、基準再帰反射器３１２と測定再帰反射器３１４と偏光ビームスプリッタ３１６とを有する光学アセンブリ３１０とを含む。光学アセンブリ３１０は複屈折構成要素などの偏光光学系３２０も含む。

システム３００の動作の間、レーザ供給源３１８は、一次ビーム部分３７１と二次ビーム部分３７２とを画定する直交して偏光された同一直線上の成分を有する入力ビーム３７０を作り出す。例えば、一次ビーム部分は図の面から出て線形で偏光させられることが出来る（例えば、ｓ−偏光）が、二次ビーム部分は図の面において線形で偏光させられることが出来る（例えば、ｐ−偏光）。直交して偏光された部分はさらにそれらの部分の間にヘテロダイン周波数のシフトを含み得る。一次ビーム部分と二次ビーム部分とが互いに区別可能である（例えば、直交して偏光させられる）限り、一次ビーム部分と二次ビーム部分とはあらゆる偏光（例えば、線形、円形、または楕円形）を有することが出来ることを留意されたい。

入力ビーム３７０は第１の偏光光学系３２０に入射する。偏光光学系３２０は一次ビーム部分３７１の伝播方向と二次ビーム部分３７２の伝播方向との間にわずかな分離角αを与える。角度分離の量は、レーザ供給源３１８によって画定され得る入力ビーム３７０の初期ビーム偏光だけでなく偏光光学系３２０の材料および配向に基づいて決定されることが出来るものであり、以下で記載される。一次ビーム成分と二次ビーム成分とのそれぞれの偏光状態は一般的に偏光光学系３２０から現れる際に保存される。

次に、一次ビーム３７１と二次ビーム３７２とは測定ビーム３７４と基準ビーム３７５とをそれぞれ画定するように偏光ビームスプリッタ３１６によって一次ビーム３７１の偏光と二次ビーム３７２の偏光とに従ってさらに分離させられる。偏光ビームスプリッタインタフェース３１１は、エンコーダスケール３０５に向かった測定経路に沿って測定ビーム３７４の向きを変えると同時に、基準再帰反射器３１２に向かった基準経路に沿って基準ビーム３７５を透過させる。測定ビーム３７４は、対象３０１上に位置決めされたエンコーダスケール３０５によって１つ以上の回折次数に回折させられる。好適な実施形態において、回折させられた測定ビームは次に、測定再帰反射器３１４に向かって偏光ビームスプリッタ３１６から離れる方向に沿って伝播し、測定再帰反射器３１４において、回折させられたビームはエンコーダスケール３０５に戻るように向きを変えられる。測定ビーム３７４は次に、エンコーダスケール３０５から再び回折して偏光ビームスプリッタ３１０に戻る。同時に、基準ビーム３７５が偏光ビームスプリッタ３１６に向かって戻るように基準再帰反射器３１２によって向きを変えられる。

二度回折させられた測定ビーム３７４は次に偏光ビームスプリッタインタフェース３１１によって反射させられるが、基準ビーム３７５はインタフェース３１１を通って透過させられる。しかしながら、第１の偏光光学系３２０によって最初に与えられた入力ビーム３７０の角度分離により、二度回折させられた測定ビーム３７４と基準ビーム３７５とは検出器３４２に向かって平行な経路に沿って移動しない。そうではなく、ビームスプリッタ３１６を出る二度回折させられた測定ビーム３７４と基準ビーム３７５とのビーム経路はビーム経路間の分離の角度αで伝播する。

収束するビームが、二度回折させられた測定ビーム経路と基準ビーム経路との間の分離の角度を取り除く第２の偏光光学系３２１（例えば、複屈折構成要素）に入射する。結果として、測定ビーム３７４と基準ビーム３７５とは第２の偏光光学系３２１を通って透過し、出力ビームとして同一直線上で伝播する。偏光子３４４は同一直線上のビームを混合する。混合されたビームは干渉信号を作り出す検出器３４２によって検出される。検出器３４２は次に電子プロセッサ３５０に干渉信号を送信する。

しかしながら、例えばゴーストビームを含む、適切な偏光および／または適切な伝播角度を伴わないビームは、第２の偏光光学系３２１を通って同一直線上で透過させられない。そうではなく、それらのスプリアスビームは検出器から離れるように第２の偏光光学系３２１によって屈折させられる。

電子プロセッサ３５０はエンコーダシステム３００に対する対象３０１の１つ以上の自由度に関する情報を決定するために干渉信号のヘテロダイン周波数を受信して分析する。図２に示されたエンコーダシステム２００と同様に、ヘテロダイン周波数の変化は周知のドップラ関係を通じた対象３０１の速度の変化に対応する。しかしながら、エンコーダシステム２００とは対照的に、第２の偏光光学系３２１を出るスプリアスビームの非平行性が干渉測定に対するそれらのビームの寄与を抑制する。従って、一部の実施において、エンコーダシステム３００に対する対象３０１の動きがモニタリングされることが出来、ビーム混合による周期誤差が減少させられることが出来る。

図３の例において、第１の偏光光学系３２０と第２の偏光光学系３２１とのそれぞれが、複屈折プリズムペアなどの複屈折構成要素を含むことが出来る。例えば、ペアにおける第１のプリズムは複屈折くさびプリズムを含むことが出来、ペアにおける第２のプリズムは等方性くさびプリズムを含むことが出来る。一部の実施形態において、複屈折くさびと等方性くさびとは共に単一の複合複屈折構成要素を構成するように（例えば、光学接着剤を使用して）融合されることが出来る。選択された偏光を有する第１のビームが角偏向を全く伴うことなく複屈折構成要素を通って透過する一方で、第１のビームに対して直交する偏光を有する第２のビームが複屈折構成要素によって角偏向させられるように、くさびの材料と配向とは選択されることが出来る。例えば、等方性プリズムはＢＫ７または融合シリカなどの一般的な光学ガラスのうちの任意のものから形成されてもよい。複屈折プリズムは、結晶水晶ＳｉＯ２、ルチルＴｉＯ２、サファイアＡｌ２Ｏ３、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ３、カルサイトＣａＣＯ３などの１つ以上の異なる材料で形成されてもよい。プリズムペアはまた異なる結晶配向または程度の異なる複屈折を有する２つの異なる複屈折材料のものであってもよい。図３に示された複屈折構成要素のそれぞれがプリズムペアを含むが、複屈折構成要素は、単一のプリズム、３つのプリズム、またはプリズムの何らかの他の組み合わせを含むことが出来る。

偏光光学系３２０によって与えられる角度分離は約０．０５ミリラジアン（ｍｒａｄ）と約２０ミリラジアンとの間であることが出来、例えば、約０．１ミリラジアンと約１０ミリラジアンとの間、または約０．５ミリラジアンと約５ミリラジアンとの間を含む。

一部の実施形態において、２つの別々の偏光光学系を使用することは必要ではない。その代わりに、単一の複屈折プリズムペアなどの単一の偏光光学系が、入力ビームの直交して偏光された部分に角度分離を与えたり、偏光ビームスプリッタを出る回折させられた測定ビームと基準ビームとの角度分離を取り除いたりするために使用されることが出来る。

図４は図３のエンコーダシステム３００の動作中の、システム３００の拡大部分を例示する概略図である。特に、図４は測定ビーム３７４と基準ビーム３７５とが偏光ビームスプリッタ３１６を出て検出器３４２に向かって伝播する時の測定ビーム３７４と基準ビーム３７５とを示す。ビーム混合またはゴーストビームが存在しないと、（例えばｓ−偏光を有する）測定ビーム３７４と（例えばｐ−偏光を有する）基準ビームとが分離角度αと等しい収束角度で複屈折構成要素３２１に近づく。両方のビームが偏光子３４４と検出器３４２とに向かって同一直線上で伝播するように、複屈折構成要素３２１は次に分離角度を取り除く。

対照的に、複屈折構成要素３２１に入射するビームが、不適切な角度で複屈折構成要素３２１に向かって伝播するゴーストビーム（例えば、欠陥のあるビームスプリッタインタフェースまたは欠陥のある偏光によって、偏光ビームスプリッタを通って偶発的に透過するか、または偏光ビームスプリッタから偶発的に反射するビーム）である場合には、こうしたゴーストビームは複屈折構成要素３２１を通過する際に屈折させられてスプリアス偏光ビームとして検出器から離れるように伝播する。例えば、図３を参照すると、不完全に偏光させられたビームがビーム３７４に対して平行に伝播する場合には、不完全に偏光させられたビームはスプリアスｐ−偏光ビームとして複屈折構成要素３２１を出る。同様に、不完全に偏光されたビームがビーム３７５に対して平行に伝播する場合には、不完全に偏光されたビームはスプリアスｓ−偏光ビームとして複屈折構成要素３２１を出る。２つのスプリアスビーム間の角度は分離角度αの約２倍である。

スプリアスビームは、構成要素３２１による屈折の後であっても、依然として偏光子３４４を通過し検出器３４２上に進むが、スプリアスビームは測定ビームと基準ビームとによって作り出された一次干渉信号をあまり変化させない。その代わりに、スプリアスビームによって作り出された光学干渉信号は、スプリアス成分が補償された出力ビーム３９０から偏向されたり、互いから偏向されたりする場合には、検出器の空間範囲関して積分された時に平均化される。例えば、スプリアスビームは検出器の表面に縞模様を発生させ得、縞模様は、検出器の面積に対して積分された時には、弱い汚染信号をもたらす。所望される場合には、スプリアスビームはまた空間フィルタリングによって取り除かれてもよい（図３には示されていない）。対照的に、適切な伝播角度と適切な偏光とを有する測定ビームと基準ビームとが、出力構成要素３２１を通過した後に同一直線状で検出器に透過した時には、ビームによって作り出されるヘテロダイン干渉信号は明確なコントラスト（すなわち、平均信号値に対する信号変調の比）を有する。

図５Ａはビーム間で０ではない分離角度を有する２つのビーム（例えば、同一直線上にないスプリアスビーム）間の干渉に基づいてシミュレーションされた干渉パターンの例示的な画像である。ＭＡＴＨＣＡＤ（登録商標）１４シミュレーションソフトウェアを使用してシミュレーションを行った。図５Ｂは時間に対する検出器の面積に関して積分された、図５Ａの干渉パターンの積分強度値を描くグラフである。対照的に、図５Ｃは２つのビーム間で分離角度を有さない２つのビーム（例えば、同一直線上にある測定ビームおよび基準ビーム）間の干渉に基づいてシミュレーションされた干渉パターンの例示的な画像である。ビームは、強度が均一であるとしてモデル化されている。実際には、ビームは典型的にはよりガウス分布的な強度分布を有する。図５Ｄは時間に対する検出器の面積に関して積分された、図５Ｃの干渉パターンの積分強度値を描くグラフである。図５の例に示される通り、スプリアスビームからの干渉パターンの積分は、比較的に大きさが小さい信号に対応するが、測定ビームと基準ビームとの積分強度信号の大きさはかなり大きい。

望ましくないスプリアス信号が減衰させられる程度を決定するために、検出器の面積全体の縞の合計数νが決定される。一例において、縞の数が以下の方程式

によって与えられるように、検出器の面積は円形であると仮定され、ここで、Ｒは検出器の半径であり、λは波長であり、αは干渉ビーム間の発散角である。次に、複素表現の実部であるヘテロダイン信号が計算される。簡単にするために、ヘテロダイン信号の複素表示が、
Ｉ（ｔ，ν，ｘ）＝ｅｘｐ［ｉ（ｆｔ＋πｖｘ／Ｒ）］ （２）
として表されることが出来るように、（実際には、ビームプロフィールは変わり得るが）ビームプロフィールは検出器の開口に渡って完全に平坦であると仮定され、ここで、ｆはヘテロダイン周波数であり、ｘは干渉縞に対して直交する線形座標であり、信号強度は１に正規化された。合計信号は検出器の全面積に関する積分であり、方程式

によって提供される。

極座標（ｒ，θ）において、方程式３は

となり、
ここで、
ｘ（ｒ，θ）＝ｒｃｏｓ（θ） （５）
である。

方程式１を組み込むと、次に、方程式５は

となる。

を

と共に使用すると、
ヘテロダイン信号は

と表されることが出来る。

従って、積分信号強度は

に対して比例することがあり得る。

検出器の直径に渡って記録された縞の数に対するシミュレーションされた積分信号強度のグラフが図６に示される。図６に示される通り、相対的な発散が少ないビーム、従って縞の数が少ないビーム（方程式１を参照されたい）はヘテロダイン信号に非常に寄与することが明らかである。例として、検出器の面積が半径Ｒ＝０．５ｍｍの円形であり、ビームプロフィールはこの面積に渡って均一であるので、方程式（１）に従って、波長λ＝６３３ｎｍにおける１ミリラジアンほどの大きさの発散角は視野に渡って３．１６個の縞を生成する。結果として生じる信号に対する寄与は同一直線上のビームに対する最大値である１と比較して、わずか０．０１２５である。正確な量的計算は、異なるビームプロフィール（例えば、ガウス・ビーム・プロフィール）に対しては異なり得るが、上述の基本原理は当てはまる。

他の構成の干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムもまた可能である。例えば、一部の実施形態において、干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステムは２つの別個の検出器モジュールを組み込み、検出器モジュールのそれぞれは、両方とも、動きの感度分解能を改善し、一次ビーム軸に沿ったエンコーダの動きと二次ビーム軸に沿ったエンコーダの動きとを区別するために基準信号を用いて異なる回折次数を別々に干渉し検出する。

例えば、図７は２つの別個の検出器７４０、７４１を利用するエンコーダシステム７００の概略図である。図７の例において、レーザ供給源７１８は、直交して偏光された同一直線上の成分（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を有する入力ビーム７７０を作り出す。入力ビーム７７０は非偏光ビームスプリッタ７６０に入射し、非偏光ビームスプリッタ７６０において、ビーム７７０は別々の入力ビーム７７０ａ（図７における実線）と入力ビーム７７０ｂ（図７における点線）とに分離させられる。非偏光ビームスプリッタ７６０はまたビーム７７０ａ、７７０ｂのうちの少なくとも１つの向きを変えるように構成された再帰反射器７６２を含むことが出来るので、両方のビームが偏光ビームスプリッタ７１６に向かって同一直線上で伝播する。

ビームスプリッタ７１６に到達する前に、各入力ビームは、ビームの直交して偏光された部分に角度分離を与える対応する偏光光学系を通過する。図７の例に示される通り、偏光光学系７２０ａは第１の測定ビーム７７４ａと第１の基準ビーム７７５ｂとを導出するために入力ビーム７７０ａのｓ−偏光部分とｐ−偏光部分とに第１の分離角度α_１（図示せず）を与える。同様に、偏光光学系７２０ｂは第２の測定ビーム７７４ｂと第２の基準ビーム７７５ｂとを導出するために入力ビーム７７０ｂのｓ−偏光部分とｐ−偏光部分とに第２の分離角度α_２（図示せず）を与える。

両方の測定ビームは次に、エンコーダスケール７０５を有する対象７０１に向かってビームスプリッタインタフェース７１１によって向きを変えられる。この例において、エンコーダスケール７０５は１つ以上の回折次数に入射測定ビーム７７４ａ、７７４ｂのそれぞれを回折させる。測定ビーム７７４ａからの回折次数のうちの少なくとも１つがエンコーダスケール７０５に戻るように第１の測定再帰反射器７１４ａによって向きを変えられる。同様に、第２の測定ビーム７７４ｂからの回折次数のうちの少なくとも１つがエンコーダスケール７０５に戻るように第２の測定再帰反射器７１４ｂによって向きを変えられる。両方の回折次数が次に偏光ビームスプリッタ７１６に向かって再び戻るように回折させられる。また、両方の基準ビームが基準再帰反射器７１２に向かってビームスプリッタインタフェース７１１を通って透過させられ、基準再帰反射器７１２において、基準ビームはビームスプリッタ７１６に戻るように向きを変えられる。ビームスプリッタ７１６を出る際に、二度回折させられた測定ビーム７７４ａと基準ビーム７７５ａとは分離角度α_１（図示せず）で偏光光学系７２１ａに向かって収束する。同様に、二度回折させられた測定ビーム７７４ｂと基準ビーム７７５ｂとは分離角度α_２（図示せず）で偏光光学系７２１ｂに向かって収束する。

各偏光光学系は次に第１の出力ビーム７９０ａまたは第２の出力ビーム７９０ｂのいずれかを提供するために、二度回折させられた測定ビーム／基準ビームの対応する対の間の分離角度を取り除く。次に偏光子７４４が第１の干渉パターンを作り出すために出力ビーム７９０ａの同一直線上の部分と直交する部分とを混合し、第２の干渉パターンを作り出すために出力ビーム７９０ｂの同一直線上の部分と直交する部分とを混合し、ここで、第１の干渉パターンと第２の干渉パターンとは検出器７４０と検出器７４１とのそれぞれによって検出される。検出器７４０、７４１はそれぞれ次にプロセッサ７５０に送信される干渉信号を作り出す。単一の偏光子７４４が図７の例に示されるが、別個の偏光子が出力ビーム７９０ａおよび７９０ｂのそれぞれに対して提供されることが出来る。

しかしながら、適切な偏光および／または適切な伝播角度を伴わないスプリアスビームは、偏光光学系７２１ａ、７２１ｂを通って同一直線上で透過させられない。そうではなく、それらのスプリアスビームは検出器から離れるように偏光光学系７２１ａ、７２１ｂによって屈折させられる。

電子プロセッサ７５０は干渉信号のヘテロダイン周波数を受信して分析する。Ｚ方向におけるエンコーダスケールの動きは両方の検出器モジュールの測定に共通するので、Ｘ方向に沿ったエンコーダスケールの動きは反対符号で検出されるが、Ｘ方向とＺ方向とに沿った動きは各干渉信号に対する２つの別個の位相の合計または差からなる複合信号によって区別されることが出来る。一部の実施形態において、追加の検出器モジュールがＹ軸に沿った転置の測定のために提供される。こうした二次元（２Ｄ）の用途（Ｘ測定およびＹ測定）に関して、面積回折格子が使用されることが出来る。例えば、エンコーダスケール７０５はＸ方向とＹ方向との両方で周期的であることが出来る。

他の実施形態における通り、第１の偏光光学系７２０ａおよび７２０ｂのそれぞれは、複屈折プリズムペアなどの複屈折構成要素を含むことが出来、複屈折プリズムペアにおいては、ペアにおける第１のプリズムが複屈折くさびであり、ペアにおける第２のプリズムが等方性くさびである。複屈折くさびと等方性くさびとは別個の構成要素であることが出来るか、または単一の複合複屈折構成要素を形成するように（例えば、光学接着剤を使用して）共に融合されることが出来る。選択された偏光を有する第１のビームが角偏向を全く伴うことなく複屈折構成要素を通って透過される一方で、第１のビームに対して直交した偏光を有する第２のビームが複屈折構成要素によって角偏向させられるように、くさびの材料と配向とは選択されることが出来る。一部の実施形態において、単一の複屈折プリズムペアなどの単一の偏光光学系が各入力ビームの直交して偏光された部分に角度分離を与えると共に、偏光ビームスプリッタを出る回折させられた測定ビームと基準ビームとから分離角度を取り除くためにも使用されることが出来る。

一部の実施形態において、光ファイバが自由空間光源入力の代わりに使用される。例えば、図８は二重の光ファイバ入力８１８と光ファイバ出力８０８とを含む例示的な干渉ヘテロダイン光学エンコーダシステム８００の概略図である。この例においては、ファイバ入力８１８は第１のファイバコアと第２の別個のファイバコアとを含む偏光保存ファイバである。第１のファイバコアは第１の偏光を有する第１のビームを提供するように構成される一方で、第２のファイバコアは第２の直交する偏光を有する第２のビームを提供するように構成される。

偏光光学系８２０（例えば、複屈折プリズムＡとガラスプリズムＢとを有する複屈折プリズムペア）は直交して偏光された入力ビームに分離角度を与えるように集束レンズ８１９と組み合わせて動作する。対照的に、偏光光学系８２１（例えば、第２の複屈折プリズムペア）は、回折させられた測定ビームと基準ビームとの間の分離角度を取り除き、ファイバ出力８０８から離れるようにスプリアスビームを屈折させるように動作する。レンズ８０９はファイバ出力８０８に干渉信号を結合するために使用されることが出来、ファイバ出力８０８においては、回折させられた測定ビームと基準ビームとを偏光子８４４において混合することによって干渉信号が取得される。エンコーダシステム８００の他の構成要素はシステム３００および／またはシステム７００に関して上で記載された構成要素と同様である。

図９は例示的なシステム８００のビーム送達部分をさらに詳細に示す概略図である。図９の例に示される通り、レンズ８１９は入力ファイバピグテール８１７の端に組み込まれる。偏光光学系８２０は複屈折プリズム８２２とガラスプリズム８２３とを含む。二重ファイバ入力８１８の２つのファイバコアは、様々な距離だけ分離させられることが出来、様々な距離は、約７５μｍと約１７５μｍとの間の距離、約１００μｍと約１５０μｍとの間の距離、または約１２５μｍと約１３５μｍとの間の距離を含むが、それらには限定されない。レンズ８１９は所望の平行ビーム幅に従って様々な焦点距離を有することが出来る。例えば、レンズ８１９の焦点距離は１／ｅ^２の最大平行ビーム強度において１．２５ｍｍの幅を有するビームに対して約７．０ｍｍであり、約１．０２３°〜約１．１０５°の基準ビームからの測定ビームの初期角度分離をもたらすことが出来る。他の分離角度がビームに与えられることが出来る。例えば、入力光ファイバレンズ８１９と入力偏光光学系８２０とは第１のビームと第２のビームとの間の伝播方向の角度差を約０．１ミリラジアンと約１０ミリラジアンとの間、または約０．５ミリラジアンと約５ミリラジアンとの間にするように組み合わせることが出来る。

図１０は偏光光学系８２１と偏光子８４４とを含む図８のファイバ出力部分を示す概略図である。例に示される通り、レンズ８０９は出力ファイバピグテール８０７の端に組み込まれる。一部の実施において、複屈折プリズムと等方性プリズムとを含み得る偏光光学系８２１は、１／ｅ^２のビーム直径に渡って、回折させられた測定ビームと基準ビームとの間の角度分離を１ミリラジアンまたは２つの縞模様に減らす。一部の実施において、上記の減少は周期誤差の源を実質的に減少させるには充分である。

一般的に、エンコーダスケールの自由度に関する情報を決定することを含む、上記の分析方法のいずれもが、コンピュータハードウェアもしくはコンピュータソフトウェア、または両者の組み合わせにおいて実施されることが出来る。例えば、一部の実施形態において、電子プロセッサはコンピュータに設置され１つ以上のエンコーダシステムに接続され、そしてエンコーダシステムからの信号の分析を行うように構成されることが出来る。分析は本明細書で記載される方法に従って標準的なプログラミング技術を使用してコンピュータプログラムで実施されることが出来る。本明細書に記載された機能を行い、出力情報（例えば、自由度情報）を生成するためにプログラムコードが入力データ（例えば、干渉位相情報）に加えられる。出力情報はディププレイモニタなどの１つ以上の出力デバイスに適用される。各プログラムはコンピュータシステムと通信するために高レベルの手続き型またはオブジェクト指向のプログラミング言語で実施されてもよい。しかしながら、プログラムは所望される場合にはアセンブリ言語または機械言語で実施されることが出来る。いずれの場合においても、言語はコンパイラ型言語またはインタープリタ型言語であり得る。さらに、プログラムはその目的のために事前プログラミングされた専用集積回路上で作動することが出来る。

こうしたコンピュータプログラムそれぞれは、格納媒体または格納デバイスが本明細書において記載された手順を行うためにコンピュータによって読み取られた時にコンピュータを構成し動作させるために、汎用目的または専用目的のプログラマブルコンピュータによって読み取り可能な格納媒体または格納デバイス（例えば、ＲＯＭまたは磁気ディスク）に格納されるのが好ましい。コンピュータプログラムはまたプログラムの実行中にはキャッシュまたはメインメモリに存在することも出来る。分析方法はまたコンピュータプログラムで構成されたコンピュータ読み取り可能な格納媒体として実施されることが出来、この場合、そのように構成された格納媒体は本明細書において記載された機能を行うために予め定められた特定の方法でコンピュータを動作させる。
リソグラフィツール用途
リソグラフィツールはコンピュータチップなどの大規模集積回路を製造する際に使用されるリソグラフィ用途において特に有用である。リソクラフィは半導体製造業界にとって鍵となる技術駆動輪である。オーバレイの改善は２２ｎｍ以下の線幅（設計ルール）にするための５つの最も困難な問題のうちの１つである。例えば、ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｏａｄｍａｐ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ、ｐｐ．５８−５９（２００９）を参照されたい。Ｍ．Ｓ．Ｈｉｂｂｓ、「Ｓｙｓｔｅｍ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｔｅｐｐｅｒｓ ａｎｄ ｓｃａｎｎｅｒｓ」、Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ、Ｋ．Ｓｕｚｕｋｉ、Ｂ．Ｓｍｉｔｈ、Ｅｄｓ．、ｐｐ．４６−４７（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、２００７）もまた参照されたい。

オーバレイはウエハステージとレチクル（マスク）ステージとを配置するために使用される計測法の性能、すなわち精度や正確性に直接的に依存する。リソグラフィツールは毎年５０００万ドル〜１億ドルの製品を作り出し得るので、計測法の改善からもたらされる経済的な価値はかなりのものである。リソグラフィツールの歩留まりが１％増加する毎に、集積回路の製造業者に毎年約１００万ドルの経済的な利益をもたらし、リソグラフィツールの供給業者に競争上の利点をかなりもたらす。

リソグラフィツールの機能は空間的にパターニングされた放射線をフォトレジスト被覆ウエハ上に導くことである。プロセスはどの位置のウエハが放射線を受けるかを決定すること（位置合わせ）と、その位置においてフォトレジストに照射を加えること（露光）とを含む。

露光の間、放射線源はパターニングされたレチクルを照射し、パターニングされたレチクルが放射線を散乱させることにより、空間的にパターニングされた放射線を作り出す。レチクルはマスクとも呼ばれ、これらの用語は以下で相互交換可能に使用される。縮小リソグラフィの場合、縮小レンズが散乱させられた放射線を収集しレチクルパターンの縮小画像を形成する。あるいは、近接印刷の場合、散乱させられた放射線は、レチクルパターンの１：１画像を作り出すためにウエハに接触する前にわずかな距離（典型的には約数ミクロン）を伝播する。放射線はレジストにおいて光化学プロセスを開始させ、光化学プロセスがレジスト内で放射線パターンを潜像に転換する。

ウエハを適切に配置するために、ウエハはウエハ上に位置合わせマークを含み、位置合わせマークは専用のセンサによって測定されることが出来る。位置合わせマークの測定された位置はツール内でのウエハの位置を画定する。ウエハ表面の所望のパターニングの仕様と共にこの情報が、空間的にパターニングされた放射線に対するウエハの位置合わせを誘導する。こうした情報に基づいて、フォトレジスト被覆ウエハを支持する平行移動可能なステージがウエハを動かすことにより、放射線がウエハの正しい位置を露光する。マスクはまた、特定のリソグラフィツール、例えば、リソグラフィスキャナにおいて、露光の間にウエハに合わせて動かされる平行移動可能なステージ上に配置される。

先に考察されたエンコーダシステムはウエハやレチクルの配置を制御しウエハ上にレチクル画像を登録する配置メカニズムの重要な構成要素である。こうしたエンコーダシステムが上記の特徴を含む場合には、システムによって測定された距離の精度が増加させられ、および／またはオフラインでの保守を伴うことなく長期間に渡って維持されることにより、歩留まりの増加やツールの休止時間が少ないことによる高スループットをもたらすことが出来る。

一般的に、露光システムとも呼ばれるリソグラフィツールは典型的には照明システムとウエハ配置システムとを含む。照明システムは、紫外線、可視光線、Ｘ線、電子線、またはイオン放射線などの放射線を提供するための放射線供給源と、放射線にパターンを伝えるためのレチクルまたはマスクとを含むことにより、空間的にパターニングされた放射線を生成する。さらに、縮小リソグラフィの場合に関して、照明システムは空間的にパターニングされた放射線をウエハ上に画像化するためのレンズアセンブリを含むことが出来る。画像化された放射線はウエハ上に被覆されたレジストを露光する。照明システムはまた、マスクを支持するためのマスクステージと、マスクを通って方向付けられる放射線に対するマスクステージの位置を調節するための配置システムとを含む。ウエハ配置システムは、ウエハを支持するためのウエハステージと、画像化された放射線に対するウエハステージの位置を調節するための配置システムとを含む。集積回路の製造は複数の露光ステップを含み得る。リソグラフィに関する一般的な参照に関しては、例えば、Ｊ．Ｒ．ＳｈｅａｔｓおよびＢ．Ｗ．Ｓｍｉｔｈ、ｉｎ Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ．、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９８）を参照されたい。その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

上記のエンコーダシステムは、レンズアセンブリ、放射線供給源、または支持構造などの露光システムの他の構成要素に対するウエハステージとマスクステージとのそれぞれの位置を正確に測定するために使用されることが出来る。こうした場合において、エンコーダシステムの光学アセンブリは定常構造に取り付けられることが出来、エンコーダスケールはマスクステージとウエハステージのうちの一方などの可動な要素に取り付けられることが出来る。あるいは、状況が反転させられることが出来、光学アセンブリが可動な対象に取り付けられ、エンコーダスケールが定常な対象に取り付けられる。

さらに一般的には、こうしたエンコーダシステムは露光システムの他の構成要素に関する、露光システムのその他任意の構成要素に対する位置を測定するために使用されることが出来、露光システムにおいては、光学アセンブリが構成要素のうちの１つに取り付けられるか、またはそれに支持され、エンコーダスケールは構成要素の他のものに取り付けられるか、またはそれに支持される。

干渉エンコーダシステム１１２６を使用するリソグラフィツール１１００の例が図１１に示される。干渉エンコーダシステムは露光システム内でのウエハ（図示せず）の位置を正確に測定するために使用される。ここで、ステージ１１２２が露光ステーションに対してウエハを配置し支持するために使用される。スキャナ１１００はフレーム１１０２を含み、フレーム１１０２は、他の支持構造と、それらの構造上に担持された様々な構成要素とを担持する。露光基部１１０４はレンズ筐体１１０６を露光基部１１０４の上部に据え付け、レンズ筐体１１０６の上にレチクルステージまたはマスクステージ１１１６が据え付けられ、レチクルステージまたはマスクステージ１１１６はレチクルまたはマスクを支持するために使用される。露光ステーションに対してマスクを配置するための配置システムは要素１１１７によって概略的に示される。配置システム１１１７は、例えば、圧電性トランスデューサ要素と、対応する制御電子機器とを含むことが出来る。上記のエンコーダシステムのうちの１つ以上が、この記載された実施形態において含まれていないが、それらもまた、マスクステージの位置だけでなく、リソグラフィ構造を製造するためのプロセスにおいて正確にモニタリングされなければならない他の可動な要素の位置をも正確に測定するために使用されることが出来る（上記の、ＳｈｅａｔｓおよびＳｍｉｔｈ、Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙを参照されたい）。

ウエハステージ１１２２を担持する支持基部１１１３が露光基部１１０４の下に吊り下げられる。ステージ１１２２は光学アセンブリ１１２６によってステージに向けられる測定ビーム１１５４を回折させるための測定対象１１２８を含む。光学アセンブリ１１２６に対してステージ１１２２を配置するための配置システムは要素１１１９によって概略的に示される。配置システム１１１９は、例えば、圧電性トランスデューサ要素と、対応する制御電子機器とを含むことが出来る。測定対象は光学アセンブリに戻るように測定ビームを回折させ、光学アセンブリは露光基部１１０４上に据え付けられている。干渉エンコーダシステムは先に記載された実施形態のうちの任意のものであり得る。

動作の間、放射線ビーム１１１０、例えば、ＵＶレーザ（図示せず）からの紫外線（ＵＶ）ビームがビーム成形光学アセンブリ１１１２を通過し、ミラー１１１４から反射した後、下方向に移動する。その後、放射線ビームはマスクステージ１１１６によって担持されたマスク（図示せず）を通過する。マスク（図示せず）はレンズ筐体１１０６において担持されたレンズアセンブリ１１０８を介してウエハステージ１１２２上のウエハ（図示せず）上に画像化される。基部１１０４と基部１１０４によって支持された様々な構成要素とはバネ１１２０によって描かれた減衰システムによって環境の振動から隔離される。

一部の実施形態において、先に記載されたエンコーダシステムのうちの１つ以上が、複数の軸に沿った転置と、限定するものではないが、例えば、ウエハステージおよびレチクル（またはマスク）ステージと関連付けられる角度とを測定するために使用されることが出来る。また、ＵＶレーザビーム以外に、例えば、Ｘ線ビーム、電子ビーム、イオンビーム、および可視光学ビームを含む他のビームがウエハを露光するために使用されることが出来る。

特定の実施形態において、光学アセンブリ１１２６がレチクル（またはマスク）ステージ１１１６またはスキャナシステムの他の可動な構成要素の位置の変化を測定するために配置されることが出来る。最後に、エンコーダシステムは、スキャナに加えて、またはスキャナではなくステッパを含むリソグラフィシステムと同様の方法で使用されることが出来る。

当分野において周知の通り、リソグラフィは半導体デバイスを作るための製造方法の重要な部分である。例えば、米国特許第５，４８３，３４３号はこうした製造方法のためのステップを概説する。これらのステップは図１２Ａと図１２Ｂとを参照して以下で記載される。図１２Ａは、半導体チップ（例えば、ＩＣまたはＬＳＩ）、液晶パネル、またはＣＣＤなどの半導体デバイスを製造する流れに関する流れ図である。ステップ１２５１は半導体デバイスの回路を設計するための設計プロセスである。ステップ１２５２は回路パターン設計に基づいてマスクを製造するためのプロセスである。ステップ１２５３はシリコンなどの材料を使用することによってウエハを製造するためのプロセスである。

ステップ１２５４は前工程と呼ばれるウエハプロセスであり、そのように準備されたマスクとウエハとを使用することによって、回路がリソグラフィによってウエハ上に形成される。充分な空間的解像度でマスク上のそれらのパターンに対応する回路をウエハ上で形成するために、ウエハに対するリソグラフィツールの干渉測位が必要である。本明細書において記載された干渉法や干渉法システムはウエハプロセスにおいて使用されるリソグラフィの有効性を改善するために特に有用であり得る。

ステップ１２５５は後工程と呼ばれる組み立てステップであり、ステップ１２５４によって処理されたウエハが半導体チップに形成される。このステップは、組み立て（ダイシングおよびボンディング）とパッケージング（チップシーリング）とを含む。ステップ１２５６は検査ステップであり、ステップ１２５５で作り出された半導体デバイスの動作性チェックや耐久性チェックなどが行われる。これらのプロセスを用いて、半導体デバイスは完成され、それらは発送される（ステップ１２５７）。

図１２Ｂはウエハプロセスの詳細を示す流れ図である。ステップ１２６１はウエハの表面を酸化させるための酸化プロセスである。ステップ１２６２はウエハ表面上に絶縁フィルムを形成するためのＣＶＤプロセスである。ステップ１２６３は気相蒸着によってウエハ上に電極を形成するための電極形成プロセスである。ステップ１２６４はウエハにイオンを注入するためのイオン注入プロセスである。ステップ１２６５はウエハにレジスト（感光材料）を塗布するためのレジストプロセスである。ステップ１２６６は上記の露光装置を通じて露光（すなわち、リソグラフィ）によってウエハ上にマスクの回路パターンを印刷するための露光プロセスである。ここでもやはり、上記の通り、本明細書において記載された干渉法システムや干渉法の使用がこうしたリソグラフィステップの精度や解像度を改善する。

ステップ１２６７は露光されたウエハを現像するための現像プロセスである。ステップ１２６８は現像されたレジスト画像以外の部分を取り除くためのエッチングプロセスである。ステップ１２６９はエッチングプロセスを受けた後にウエハ上に残るレジスト材料を分離するためのレジスト分離プロセスである。これらのプロセスを繰り返すことによって、回路パターンがウエハ上に形成されて重ねられる。

上記のエンコーダシステムはまた対象の相対位置が正確に測定される必要がある他の用途においても使用されることが出来る。例えば、レーザビーム、Ｘ線ビーム、イオンビーム、または電子ビームなどの記入ビームが、基板またはビームのいずれかが動くと基板の上にパターンをつける用途において、エンコーダシステムは基板と記入ビームとの間の相対運動を測定するために使用されることが出来る。

他の実施形態は以下の特許請求の範囲の範囲内である。

Claims (33)

1. エンコーダ干渉システムであって、
   異なる周波数を有する第１のビームと第２のビームとを受け取るように配置された干渉計であって、前記干渉計は、測定経路に沿って前記第１のビームを方向付けて測定ビームを画定し、基準経路に沿って前記第２のビームを方向付けて基準ビームを画定する少なくとも１つの偏光ビーム分割要素を含む、前記干渉計と、
   少なくとも一度、前記測定ビームを回折させるように配置されたエンコーダスケールと、
   前記測定ビームが前記エンコーダスケールから回折された後に、前記測定ビームと前記基準ビームとを受け取るように配置された検出器と、
   前記測定ビームと前記基準ビームとが前記検出器に到達する前に、前記測定ビームと前記基準ビームとを受け取るように配置されるとともに、前記第１のビームのスプリアス回折部分を受け取って前記検出器から離れるように屈折させるように配置された出力構成要素とを備え、前記スプリアス回折部分は、前記エンコーダスケールからの回折の結果として前記検出器に向う前記測定ビームの経路とは異なる経路に進む第１のビームの一部分を含む、エンコーダ干渉システム。
2. 前記出力構成要素は、複屈折出力構成要素である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複屈折出力構成要素は、プリズムペアを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記プリズムペアにおける第１のプリズムは、複屈折くさびであり、前記プリズムペアにおける第２のプリズムは、ガラスくさびである、請求項３に記載のシステム。
5. 線形偏光子と、
   出力光ファイバレンズと、
   前記出力構成要素から前記検出器まで前記測定ビームと前記基準ビームとを結合するための出力ファイバと
   をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記異なる周波数を有する前記第１のビームと前記第２のビームとを生成するように構成された供給源をさらに備え、前記供給源は、前記第１のビームと前記第２のビームとが実質的に直交する偏光を有するようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記供給源は、前記異なる周波数を生成するために、音響光学変調器、電子光学変調器、またはゼーマン分割レーザを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記供給源は、前記第１のビームと前記第２のビームとの間の伝播方向に角度差を導入するための入力構成要素を含む、請求項６に記載のシステム。
9. 前記入力構成要素は、複屈折入力構成要素である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記入力構成要素は、プリズムペアを含む、請求項８に記載のシステム。
11. 前記供給源はさらに、
    前記干渉計に向かって前記第１のビームと前記第２のビームとを運ぶための入力偏光保存ファイバの対と、
    入力ファイバから前記入力構成要素まで前記第１のビームと前記第２のビームとを結合するための入力光ファイバレンズと
    を含む、請求項８に記載のシステム。
12. 前記入力構成要素と前記出力構成要素とは、共通の複屈折構成要素の異なる部分に対応する、請求項８に記載のシステム。
13. 前記出力構成要素は、前記測定ビームと前記基準ビームとを互いに結合するようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
14. 前記検出器は、前記測定ビームと前記基準ビームとの間の干渉に基づいて干渉強度信号を測定するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
15. 前記エンコーダスケールは、一次元の回折格子を含む、請求項１に記載のシステム。
16. 前記干渉計は、測定再帰反射器を含み、前記エンコーダスケールは、前記測定ビームを前記測定再帰反射器へ回折させ、前記測定再帰反射器から戻る前記測定ビームを受け取り、前記偏光ビーム分割要素に戻るように前記測定ビームを回折させる、請求項１に記載のシステム。
17. 前記ビーム分割要素は、偏光ビームスプリッタであり、前記干渉計はさらに、前記偏光ビームスプリッタに戻るように前記基準ビームを再帰反射させるための基準再帰反射器を含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１のビームと前記第２のビームとは第１の組の入力ビームを画定し、前記干渉計はさらに、第２の測定ビームと第２の基準ビームとを画定する第２の組の入力ビームを受け取るように配置され、前記エンコーダスケールは、少なくとも一度、前記第２の測定ビームを回折させるように配置され、前記システムはさらに、前記第２の測定ビームが前記エンコーダスケールから回折された後に、前記第２の測定ビームと前記第２の基準ビームとを受け取るように配置された第２の検出器を備える、請求項１に記載のシステム。
19. 前記第２の測定ビームと前記第２の基準ビームとが前記第２の検出器に到達し、前記第２の検出器から離れるように前記第２の組の入力ビームのスプリアス部分を屈折させる前に、前記第２の測定ビームと前記第２の基準ビームとを受け取るように配置された第２の出力構成要素をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記干渉計はさらに第２の測定再帰反射器を備え、前記エンコーダスケールは、前記第２の測定ビームを前記第２の測定再帰反射器へ回折させ、前記第２の測定再帰反射器から戻る前記第２の測定ビームを受け取って、前記偏光ビーム分割要素に戻るように前記第２の測定ビームを回折させる、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記第２の検出器は、前記第２の測定ビームと前記第２の基準ビームとの間の干渉に基づいて、第２の干渉強度信号を測定するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
22. 第１の干渉強度信号と第２の干渉強度信号とに基づいて、少なくとも２つの自由度に沿った前記エンコーダスケールの位置の変化を決定するための信号処理システムをさらに備える、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記第１のビームと前記第２のビームとは、前記偏光ビーム分割要素上に衝突する前に伝播角度の差を有する、請求項１に記載のシステム。
24. 前記伝播角度の差は、約０．１ミリラジアンと約１０ミリラジアンとの間である、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記伝播角度の差は、約０．５ミリラジアンと約５ミリラジアンとの間である、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記入力光ファイバレンズと前記入力構成要素とが結合して、前記第１のビームと前記第２のビームとの間の前記伝播方向の角度差が約０．１ミリラジアンと約１０ミリラジアンとの間になるようにする、請求項１１に記載のシステム。
27. 前記角度差は約０．５ミリラジアンと約５ミリラジアンとの間である、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記ビーム分割要素は、ビーム分割インタフェースを含む、請求項１に記載のシステム。
29. 前記ビーム分割要素は、プリズムキューブである、請求項１に記載のシステム。
30. 前記ビーム分割要素は、回折光学要素を含む、請求項１に記載のシステム。
31. 前記ビーム分割要素は、複屈折要素を含む、請求項１に記載のシステム。
32. 前記供給源は、前記第１のビームと前記第２のビームとの両方が、線形の偏光、円形の偏光、または楕円形の偏光を有するように構成されている、請求項６に記載のシステム。
33. 前記少なくとも１つの偏光ビーム分割要素は、回折されたビームがリトロウ条件を満たさないように前記第１のビームを前記エンコーダスケールに向けるように配置されている、請求項１に記載のシステム。