JP7148337B2 - 位置検出装置、リソグラフィ装置、力覚センサ及び力覚センサを有する装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置、リソグラフィ装置、力覚センサ及び力覚センサを有する装置に関する。

光学式位置検出装置においては、受光素子アレイの配列接続を切り替えることで、互いに異なる周期を有する複数のスケールパターンから、特定の周期成分のみを分離して検出することが可能な装置が提案されている（特許文献１参照）。このような光学式位置検出装置は、低分解能で絶対値特定範囲が広い信号と、高分解能で絶対値特定範囲が狭い信号とを動的に切り替えることができる。

特開２０１２－２２０４６０号公報

しかしながら、光学式位置検出装置では、分解能の比率が大きくなると、受光素子アレイを構成する受光素子の数が増大し、分離帯構造における効率低下や接合容量の増大などを招いてしまう。このような特性の低下は、光学式位置検出装置による位置の検出精度を低下させるおそれがある。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、対象物の位置を異なる分解能で高精度に検出するのに有利な位置検出装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての位置検出装置は、いずれか一方が対象物に設けられるスケール及び検出器を備え、前記スケールからの光を前記検出器で検出することで前記対象物の位置を検出する位置検出装置であって、前記スケールは、前記スケールと前記検出器との相対移動方向に第１空間周波数を有する第１格子パターンと、前記相対移動方向に前記第１空間周波数より低い第２空間周波数を有する第２格子パターンと、を含み、前記第２格子パターンのピッチは、前記第１格子パターンのピッチの８倍以上であり、前記検出器は、前記相対移動方向に沿って配置された複数の受光素子を含み、前記位置検出装置は、前記スケールと前記検出器との間に設けられ、前記相対移動方向に前記第１格子パターンからの干渉像の空間周波数から予め定められた周波数オフセット量だけオフセットさせた第３空間周波数を有する光学格子と、第１分解能モードでは、前記第１格子パターン及び前記光学格子を通過した光から前記周波数オフセット量に対応する空間周波数より低い第４空間周波数の成分の位相が検出されるように、前記第１分解能モードよりも分解能が低い第２分解能モードでは、前記第２格子パターン及び前記光学格子を通過した光から前記第２格子パターンの干渉像の空間周波数の成分の位相が検出されるように、前記複数の受光素子において出力を加算すべき、前記相対移動方向に連続した受光素子の数を設定する処理を行う処理部と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、対象物の位置を異なる分解能で高精度に検出するのに有利な位置検出装置を提供することができる。

本発明の一側面としてのエンコーダの構成を示す概略図である。 スケールの一部を拡大して示す平面図である。 スケールの一部を拡大して示す平面図である。 受光素子アレイを構成する複数の受光素子の配列を示す図である。 受光素子アレイを構成する複数の受光素子の配列を示す図である。 エンコーダの光路の展開図である。 スケール側から見たセンサユニットを示す図である。 高分解能モードと低分解能モードでの受光素子アレイの空間周波数応答を示す図である。 高分解能モード及び低分解能モードのそれぞれで得られる信号波形を示す図である。 発光素子のサイズに対する信号振幅の減衰の様子を示す図である。 スケールの一部を拡大して示す平面図である。 伝搬長に対する干渉像のコントラストを示すグラフである。 受光素子アレイを構成する複数の受光素子の配列を示す図である。 受光素子アレイを構成する複数の受光素子の配列を示す図である。 高分解能モードと低分解能モードでの受光素子アレイの空間周波数応答を示す図である。 本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。 本発明の一側面としての力覚センサの構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一側面としてのエンコーダ１の構成を示す概略図である。エンコーダ１は、いずれか一方が対象物に設けられるスケール及び検出器を備え、スケールからの光を検出器で検出することで対象物の位置を検出する光学式の位置検出装置である。

エンコーダ１は、位置検出の対象物である装置（不図示）の固定部に取り付けられるセンサユニット１０と、かかる装置の可動部に取り付けられ、センサユニット１０に対して可動部とともに移動可能なスケール２０とを有するリニアエンコーダである。なお、装置の固定部にスケール２０を取り付け、装置の可動部にセンサユニット１０を取り付けてもよい。換言すれば、センサユニット１０とスケール２０とが相対移動可能であればよい。以下では、センサユニット１０に対するスケールの移動方向（Ｘ方向）、即ち、センサユニット１０とスケール２０との相対移動方向を位置検出方向と称する。

センサユニット１０は、電流狭窄型ＬＥＤを含む発光素子１１及び受光素子アレイ１２を含む受光ＩＣ１３が同一パッケージ内に実装された受発光一体型のセンサユニットである。受光素子アレイ１２は、スケール２０に設けられたスケール格子（スケールパターン）２１で反射した光の強度分布を検出するための複数の受光素子が位置検出方向（Ｘ方向）に配列されて構成された検出器である。

発光素子１１からスケール２０に向かう光路中には、位置検出方向に沿って交互に配列された透過部及び遮光部を含む透過型回折格子として形成された第１格子としての光源格子１４が設けられている。

一方、スケール２０には、位置検出方向に沿って交互に配列された反射部及び非反射部を含む反射型回折格子として形成された第２格子としてのスケール格子２１が設けられている。なお、スケール格子２１は、周期的に光路長が異なるように段差が設けられた位相格子であってもよい。例えば、位相格子に発光素子１１からの光の波長の１／４の段差を設けるとともに、反射膜を一様に設けることで、受光素子アレイ１２からの出力信号に寄与する±１次回折光の回折効率を増加させることができる。

スケール２０から受光素子アレイ１２に向かう光路中、即ち、スケール２０と受光素子アレイ１２との間には、第３格子としてのインデックス格子１５（光学格子）が設けられている。インデックス格子１５は、位置検出方向に沿って交互に配置された透過部及び遮光部を含む透過型回折格子として形成されている。光源格子１４及びインデックス格子１５は、それぞれ、カバーガラス１６の一方の面上に透過部となるクロム膜を設けることで形成されている。なお、内部反射による受光素子アレイ１２への直接入射を低減するために、クロム膜に代わり、酸化クロムなどのより低反射の膜を用いてもよい。光源格子１４及びインデックス格子１５が形成されたカバーガラス１６は、発光素子１１及び受光ＩＣ１３が封止された透光性樹脂１７に対して貼り合わされて、発光素子１１及び受光ＩＣ１３と光学的に一体化される。

信号処理部３０は、センサユニット１０の受光素子アレイ１２からの出力信号を処理して位置情報に変換する。信号処理部３０は、センサユニット１０で得られた信号の内挿処理、記憶部４０への信号の書き込みや読み出しなども行う。信号処理部３０は、ノイズフィルタ、増幅回路、Ａ／Ｄ変換回路の他に、信号分離部３１と、第１位相取得部３２と、第２位相取得部３３と、位相情報取得部３４と、を含む。

信号分離部３１は、受光素子アレイ１２からの出力信号を、スケール格子２１の各領域（領域Ａ、領域Ｂ）に対応する信号に分離することで、高分解能モードと低分解能モードとを切り替える機能を有する。ここで、低分解能モードとは、高分解能モード（第１分解能モード）よりも分解能が低いモード（第２分解能モード）である。信号分離部３１は、受光ＩＣ１３にスイッチ回路が設けられる場合には、スイッチ回路による接続を切り替える信号を出力することで、受光素子アレイ１２からの出力信号を分離する。このように、信号分離部３１は、受光素子アレイ１２からの出力信号を、第１パターン（領域Ａ）に対応する信号と、第２パターン（領域Ｂ）に対応する信号とに分離する。

図２及び図３を参照して、スケール２０におけるスケール格子２１の構成について説明する。図２及び図３は、スケール２０（スケール格子２１）の一部を拡大して示す平面図である。スケール格子２１は、位置検出方向、即ち、移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）において、２種類の領域Ａ及びＢを交互に配列して構成されている。

領域Ａは、Ｘ方向に沿って、ピッチＰ１（＝８μｍ）ごとに、Ｐ１／２の幅の反射膜が形成された格子パターン列（相対移動方向に第１空間周波数を有する第１格子パターン）を有する。領域Ｂは、Ｘ方向に沿って、ピッチＰ２（＝５１２μｍ）ごとに、図３に示すパターン２２が配列されたパターン列（相対移動方向に第１空間周波数より低い第２空間周波数を有する第２格子パターン）を有する。また、領域Ｂのパターンのピッチは、領域Ａのパターンのピッチの４倍以上、好ましくは、８倍以上であるとよい。領域ＡのＹ方向における幅Ｗ１は５０μｍであり、領域ＢのＹ方向における幅Ｗ２は２５μｍである。

図３に示す領域Ｂのパターン２２について説明する。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２×１／８以下の領域において、反射膜２３のＸ方向の幅は、Ｐ２×１８５／２４０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２×１／８からＷ２×１／４までの領域において、反射膜２３のＸ方向の幅は、Ｐ２×１４１／２４０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２×１／４からＷ２×３／８までの領域において、反射膜２３のＸ方向の幅は、Ｐ２×１０５／２４０である。Ｙ方向の中心からの距離がＷ２×３／８からＷ２×１／２までの領域において、反射膜２３のＸ方向の幅は、Ｐ２×６１／２４０である。このように、スケール格子２１の移動方向に垂直な方向において、反射膜２３の幅を異ならせることで、センサユニット１０とスケール２０との距離に対し、広い範囲で高周波成分をキャンセルすることができる。

図４及び図５は、本実施形態における受光素子アレイ１２を構成する複数の受光素子１２１の配列を示す図である。本実施形態では、受光素子アレイ１２は、３２個の受光素子１２１が位置検出方向に一列に並べられて構成されている。位置検出方向において互いに隣り合う２つの受光素子１２１の中心間距離（隣接素子ピッチ）Ｘ_ｐｄは、６４μｍである。また、各受光素子１２１の位置検出方向に直交する方向のサイズ（幅）Ｙ_ｐｄは、４５０μｍである。

各受光素子１２１からの出力は、スイッチ回路１８を介して切り替えられ、選択的に後段の４つの初段増幅器（不図示）に接続されている。４つの初段増幅器のそれぞれには、出力端子Ａ＋、Ｂ＋、Ａ－、Ｂ－（それぞれ、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ－相、Ｂ＋相を表す）に対応する受光素子１２１が接続される。４つの初段増幅器は、スケール２０の移動に応じて、その値が正弦波状に変化する４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）を出力する。

スイッチ回路１８は、信号処理部３０の信号分離部３１からの入力に応じて、受光素子１２１と初段増幅器の出力端子との接続を切り替える。これにより、複数の受光素子１２１において、電気的に加算される間隔が切り替わる。換言すれば、スイッチ回路１８は、複数の受光素子１２１において出力を加算すべき、相対移動方向に連続した受光素子１２１の数を設定する処理を行う処理部として機能する。

信号処理部３０からの入力がハイレベルである場合には、図４に示すように、電気的に接続されている受光素子１２１の中心間距離Ｐ_ｐｄは、２５６μｍとなる。また、信号処理部３０からの入力がローレベルである場合には、図５に示すように、電気的に接続されている受光素子１２１の中心間距離Ｐ_ｐｄは、１０２４μｍとなる。

４相正弦波状信号の相対位相は、それぞれの検出ピッチに対し、Ｓ（Ａ＋）を基準とすると、Ｓ（Ｂ＋）は約＋９０度、Ｓ（Ａ－）は約＋１８０度、Ｓ（Ｂ－）は約＋２７０度の関係にある。

信号処理部３０は、４相正弦波出力Ｓ（Ａ＋）、Ｓ（Ｂ＋）、Ｓ（Ａ－）、Ｓ（Ｂ－）に対して、以下の式（１）及び式（２）に示す演算を行うことで、直流分が除去された２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）及びＳ（Ｂ）を生成する。

図６は、本実施形態におけるエンコーダ１の光路の展開図、即ち、反射を透過として示す図である。発光素子１１から光源格子１４までの距離Ｌ_０は、０．３ｍｍに設定されている。スケール格子２１からインデックス格子１５までの距離Ｌ_２は、光源格子１４からスケール格子２１までの距離Ｌ_１と等しく、或いは、等しいとみなせる範囲内に設定され、本実施形態では、Ｌ_１＝Ｌ_２＝１ｍｍに設定されている。インデックス格子１５から受光素子アレイ１２までの距離Ｌ_３は、０．３ｍｍに設定されている。ここで、それぞれの距離Ｌ_０、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は、幾何光学上の実効光路長として、物理長を屈折率で除した値として示されている。また、発光素子１１の位置検出方向における発光領域幅Ｗは３２μｍであり、発光素子１１からの光の波長（発光波長）λは６５０ｎｍである。

図７は、スケール側から見たセンサユニット１０を示す図である。光源格子１４の格子ピッチは、８μｍである。本実施形態において、インデックス格子１５は、位置検出方向における格子ピッチが位置検出方向に直交する方向に連続して変化している。Ｌ_０＝Ｌ_１＝１ｍｍにおいて、発光素子１１から受光素子アレイ１２に入射する光の主光線（中心光線）とインデックス格子１５と交わる位置をＹ＝０とし、発光素子１１に近づく方向を正（Ｙ＞０）とする。インデックス格子１５の位置検出方向の格子ピッチＰ３（Ｙ）は、以下の式（３）で表される関数に従う。

ここで、インデックス格子１５の周期を位置検出方向に直交する方向で変化させているのは、特開２０１５－２００５６８号公報に開示されているように、Ｌ_０、Ｌ_１の変化による２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）の信号振幅や位相差を安定させるためである。但し、本発明は、これに限定されるものではなく、インデックス格子１５の周期を位置検出方向に直交する方向で一様としてもよい。

高分解能モードの光学作用について説明する。高分解能モードでは、スケール格子２１の領域Ａのパターン（格子パターン列）に対応する信号（周期信号）を取得する。高分解能モードでは、３格子構成において、第１格子を光源格子１４、第２格子をスケール格子２１、第３格子をインデックス格子１５として作用させて検出を行う。高分解能モードでは、スケール格子２１とインデックス格子１５とでモアレを発生させる。

発光素子１１から射出した光（発散光束）は、光源格子１４を通過することで、互いにインコヒーレントなピッチごとに配置された複数の光源アレイを形成する。光源格子１４から射出した光は、スケール格子２１に入射する。なお、発光素子１１が半導体レーザやスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などの微小発光点を有する光源であれば、光源格子１４を省略することも可能である。

スケール格子２１の領域Ａのパターンによって回折及び反射した＋１次回折光及び－１次回折光は、インデックス格子１５で互いに干渉する。これにより、８μｍ周期の強度分布を有する干渉縞Ａがインデックス格子１５の上に形成される。干渉縞Ａの空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅ}は、領域Ａのパターン周波数ｆ_Ａを用いて、以下の式（４）で表される。

式（４）において、ｋは干渉縞の次数（干渉次数に対応する自然数）であり、±１次回折光同士の干渉縞を用いる場合は、ｋ＝２とする。なお、０次光と±１次回折光との干渉縞を用いる場合は、ｋ＝１となる。

一方、インデックス格子１５の格子周波数ｆ_{ｉｎｄｅｘ}（＝１／Ｐ３（Ｙ））は、空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅ}と僅かにずれているため、もとの干渉縞に対して粗い空間周波数ｆ_ｍがうなりとして重畳された強度分布がインデックス格子１５を通過する。このように、インデックス格子１５は、領域Ａのパターンからの干渉像の空間周波数から予め定められた周波数オフセット量だけオフセットさせた空間周波数（第３空間周波数）を有する。インデックス格子１５の格子周波数をｆ_{ｉｎｄｅｘ}とすると、干渉縞とのうなり空間周波数ｆ_ｍは、以下の式（５）で表される。

インデックス格子１５を通過した空間周波数ｆ_ｍの強度分布は、更に伝搬して、像倍率Ｍ_１で受光素子アレイ１２に投影される。像倍率Ｍ_１は、以下の式（６）で表される。但し、実効的な距離Ｌ_０は、光源格子１４の有効サイズなどにも影響され、実際の距離Ｌ_０よりも小さく作用することもある。

領域Ａのパターンによって受光素子アレイ１２に形成される強度分布の空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＡ}は、以下の式（７）で表される。

本実施形態では、ｋ＝２、Ｍ_１＝１．１３である。空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＡ}は、受光素子アレイ１２で受光する範囲において、以下の式（８）で示す強度分布を有する。

低分解能モードの光学作用について説明する。低分解能モードでは、スケール格子２１の領域Ｂのパターンに対応する信号（周期信号）を取得する。低分解能モードでは、３格子構成において、第１格子を発光素子１１、第２格子をスケール格子２１、第３格子を受光素子アレイ１２として作用させて検出を行う。低分解能モードでは、インデックス格子１５を機能させず、モアレを発生させない。

発光素子１１から射出した光（発散光束）は、光源格子１４を経て、スケール格子２１に入射する。スケール格子２１の領域Ｂのパターンによって回折及び反射した０次回折光と±１次回折光は、インデックス格子１５を経て、受光素子アレイ１２の上で互いに干渉し、像倍率Ｍ_２で干渉縞Ｂが形成される。像倍率Ｍ_２は、以下の式（９）で表される。

スケール２０が反射型スケールである場合、本実施形態のように、発光素子１１と受光素子アレイ１２とをほぼ同一面上に形成することで、センサユニット１０とスケール２０との距離にかかわらず、Ｍ２＝２でほぼ一定とすることができる。

なお、発光素子１１から射出した光は、往路で光源格子１４、復路でインデックス格子１５を通過するが、対応する（格子周期のオーダーが近い）格子構造がスケール格子の領域Ｂに存在しないため、形成される干渉縞には強く関与しない。但し、後述するように、インデックス格子１５の回折によるコントラストの低下には配慮する必要がある。

干渉縞Ｂの空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＢ}は、領域Ｂのパターンの格子周波数ｆ_Ｂ（＝１／Ｐ２）を用いて、以下の式（１０）で表される。

本実施形態では、ｋ＝１、Ｍ_２＝２である。空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＢ}は、以下の式（１１）で示す強度分布を有する。

次に、それぞれの分解能モードでの受光素子１２１の配列設定によって、互いの周期信号を分離する作用について説明する。図８は、高分解能モードと低分解能モードでの受光素子アレイ１２の空間周波数応答を示す図である。実線が高分解能モードでの空間周波数応答であり、破線が低分解能モードでの空間周波数応答である。

高分解能モードでは、スイッチ回路１８がハイに設定され、受光素子アレイ１２の電気的に接続されている受光素子１２１の中心間距離Ｐ_ｐｄは２５６μｍに設定される。受光素子アレイ１２（受光素子１２１）の空間周波数応答のピークは、１／２５６［μｍ^－１］付近である。受光素子アレイ１２に形成される強度分布の空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＡ}の範囲が空間周波数応答のピーク付近にあるため、スケール格子２１の領域Ａのパターンの成分を効率よく検出することができる。一方、スケール格子２１の領域Ｂのパターンからの干渉像の空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＢ}（＝１／１０２４［μｍ^－１］）付近に対しては、空間周波数応答が相対的に低くなっており、外乱としての信号変動が抑えられていることがわかる。高分解能モードでは、受光素子アレイ１２の空間周波数応答のピークを、インデックス格子１５の周波数オフセット量に対応する空間周波数より低い空間周波数（第４空間周波数）に近づけるように、出力を加算すべき受光素子１２１の数（第１数）を設定する。

低分解能モードでは、スイッチ回路１８がローに設定され、受光素子アレイ１２の電気的に接続されている受光素子１２１の中心間距離Ｐ_ｐｄは１０２４μｍに設定される。受光素子アレイ１２（受光素子１２１）の空間周波数応答のピークは、１／１０２４［μｍ^－１］付近である。受光素子アレイ１２に形成される強度分布の空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＢ}（＝１／１０２４［μｍ^－１］）と、空間周波数応答のピークとがほぼ一致しているため、スケール格子２１の領域Ｂのパターンの成分を効率よく検出することができる。一方、スケール格子２１の領域Ａのパターンからの強度分布に対応する空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＡ}の範囲に対しては、空間周波数応答が相対的に低くなっており、外乱としての信号変動が抑えられていることがわかる。低分解能モードでは、受光素子アレイ１２の空間周波数応答のピークを、領域Ｂのパターンからの干渉像の空間周波数に近づけるように、出力を加算すべき受光素子１２１の数（第１数とは異なる第２数）を設定する。

高分解能モードにおける受光素子アレイ１２の空間周波数応答のピーク周波数ｆ_{ｐｅａｋ１}と、低分解能モードにおける受光素子アレイ１２の空間周波数応答のピーク周波数ｆ_{ｐｅａｋ２}との関係は、ｆ_{ｐｅａｋ１}＞ｆ_{ｐｅａｋ２}となっている。より好ましくは、１．２＜ｆ_{ｐｅａｋ１}÷ｆ_{ｐｅａｋ２}＜４．０（更に好ましくは３．０）であるとよい。また、低分解能モードにおける受光素子アレイ１２の空間周波数応答のピーク周波数ｆ_ｐｅａｋは、スケール格子２１の領域ＢのパターンのピッチをＰ_２、干渉次数に対応する自然数をｋとして、以下の式で表される。

図９は、高分解能モード及び低分解能モードのそれぞれで得られる信号波形を示す図である。高分解能モードでの信号周期ＳｐＡは、Ｐ１／ｋ＝４μｍである。低分解能モードでの信号周期ＳｐＢは、Ｐ２／ｋ＝５１２μｍである。

高分解能モードと低分解能モードでの信号周期の切り替え比率は、４μｍと５１２μｍであるため、１２８倍である。一方、各モードで切り替えられる、連続して足し合わされる受光素子の数の比率は、１個と４個の４倍であり、信号周期の比率に対して非常に小さく抑えられている。これにより、各受光素子間の分離帯の増加による受光効率の低下、及び、接合容量の増大を防止することができる。

このように、本実施形態におけるエンコーダ１は、高分解能モードと低分解能モードとの切り替えにおいて、３格子構成における各光学素子の作用を異ならせている。これにより、高い分解能切り替え比率を有しながら、高い応答性及び検出効率を実現することができる。

なお、エンコーダ１においては、スケール格子２１の領域Ｂからの干渉縞のインデックス格子１５（光学格子上）での周期、及び、インデックス格子１５の周期のうち、長い方の周期が短い方の周期の３倍未満、好ましくは、１．５倍未満であるとよい。

次に、高分解能の絶対位置情報を取得するための処理について説明する。第１位相取得部３２は、スイッチ回路１８への入力がハイレベルである場合の２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に基づいて、スケール格子２１の領域Ａのエネルギー分布の位相（位相信号）Φ１を、以下に示す式（１２）の演算によって取得する。なお、ＡＴＡＮ２［Ｙ，Ｘ］は、象限を判別して０～２πの位相に変換する逆正接演算関数である。

同様に、第２位相取得部３３は、スイッチ回路１８への入力がローレベルである場合の２相正弦波状信号Ｓ（Ａ）、Ｓ（Ｂ）に基づいて、スケール格子２１の領域Ｂのエネルギー分布の位相（位相信号）Φ２を、以下に示す式（１３）の演算によって取得する。

本実施形態の位置情報取得部３４は、第１位相取得部３２の出力を相対位置信号として取得する。相対位置信号の変化を計数することによって、スケール２０が検出開始位置から所定周期として何周期目に位置するかの情報を取得することができる。

スイッチ回路１８への入力の切り替え前後で、時間差をおかずに信号を取得することで、ほぼ同一位置での位相Φ１及びΦ２を得ることができる。

本実施形態では、図４及び図５に示すように、受光素子アレイ１２の複数の受光素子１２１の少なくとも一部は、位相Φ１を取得するための受光素子１２１及び位相Φ２を取得するための受光素子１２１として共通して用いられる。これにより、従来技術のように、位相Φ１を取得するための受光素子と位相Φ２を取得するための受光素子とを別々に設ける場合と比べて、受光素子アレイ１２を小型化することができる。

信号処理部３０は、以下の式（１４）に示す演算によって、位相Φ２の周期内で位相Φ１の周期の何番目にあるかを求め、位相Φ１をつなぎ合わせて位相Φ１の位置精度を有する絶対位置信号ＡＢＳを取得する。このような処理を行うことで、高精度なインクリメントパターン信号の精度で、長ストロークの絶対位置を検出することができる。

発光素子１１（光源）のサイズの影響について説明する。図１０は、受光素子アレイ１２に形成される強度分布の空間周期を２５６μｍとした場合における発光素子１１のサイズ（発光サイズ）Ｗに対する信号振幅の減衰の様子を示す図である。

高分解能モードにおけるスケール格子２１の領域Ａのパターンによる干渉像の受光素子アレイ上での光量分布は、発光サイズＷに対し、以下の式（１５）に示す光学横倍率Ｍ_ＬＥＤ１を適用した上で、点光源像に畳み込みを行った分布で近似が可能である。高分解能モードでは、受光素子アレイ上の空間周期と発光サイズＷとが近づいても、受光素子アレイ上でのコントラストは殆ど変化しない。

一方、低分解能モードにおけるスケール格子２１の領域Ｂのパターンによる干渉像の受光素子アレイ上での光量分布も近似が可能である。具体的には、発光サイズＷに対し、以下の式（１６）に示す光学横倍率Ｍ_ＬＥＤ２を適用した上で、微小点光源による干渉像に畳み込みを行った分布で近似が可能である。

本実施形態では、光学横倍率Ｍ_ＬＥＤ２が１であるため、低分解能モードでは、受光素子アレイ上の空間周期と発光サイズＷとが近づくと、受光素子アレイ上でのコントラストは消失する。

式（１５）及び式（１６）を参照するに、Ｍ_ＬＥＤ２＞Ｍ_ＬＥＤ１が明らかであるため、受光素子アレイ上の強度分布の空間周期を同一に設定した場合、高分解能モードは、低分解能モードと比べて、発光サイズＷの影響による減衰が小さい。換言すれば、本実施形態のように、検出対象の受光素子アレイ上の強度分布に対応する受光素子の配列周期を、低分解能モードと比べて、高分解能モードで小さくすることが、信号効率の観点から好ましい。

次いで、インデックス格子１５による回折の影響について説明する。受光素子アレイ上の強度分布が良好なコントラストを得るためには、インデックス格子１５の回折による縞の消失を避けなければならない。インデックス格子１５から受光素子アレイ１２への伝搬に伴う光線シフト量が、受光素子アレイ上の強度分布の周期の半分に達すると、コントラストが極小となる。

受光素子アレイ上の強度分布の周期は、高分解能モードにおいて、１／ｆ_{ｉｍａｇｅＡ}であり、低分解能モードにおいて、１／ｆ_{ｉｍａｇｅＢ}である。一方、空間周波数ｆ_{ｉｎｄｅｘ}のインデックス格子１５による回折角θは、発光素子１１からの光の波長をλとして、ｓｉｎθ＝ｆ_{ｉｎｄｅｘ}・λである。インデックス格子１５から受光素子アレイ１２への伝搬に伴う光線シフト量は、Ｌ_３・ｔａｎθで表される。ここで、ｓｉｎθ≒ｔａｎθ≒θと近似すると、良好なコントラストが得られる条件は、高分解能モードでは、以下の式（１７）となり、低分解能モードでは、以下の式（１８）となる。なお、Δｆは、インデックス格子１５の周波数オフセット量である。

＜第２実施形態＞
本実施形態において、スケール２０は、石英基板に加工された段差部がスケール格子２１（領域Ａ及びＢ）としてパターニングされている。かかる段差部は、エッチングによって、発光素子１１からの光の波長の１／４程度の深さで形成され、表面には、反射膜としてのアルミ膜及び誘電体膜が積層されている。

図１１を参照して、スケール２０におけるスケール格子２１の構成について説明する。図１１は、スケール格子２１の一部を拡大して示す平面図であって、グレー部分が段差部の凹部である。スケール格子２１は、相対移動方向に垂直な方向において、２種類の領域Ａ及びＢを交互に配列して構成されている。

領域Ａは、Ｘ方向に沿って、ピッチＰ１（＝８μｍ）ごとに、Ｐ１／２の幅の凹部が形成された格子パターン列を有する。領域Ｂは、Ｘ方向に沿って、ピッチＰ２（＝５１２μｍ）ごとに、Ｐ２／２の幅の凹部が形成されたサブ格子領域２４を有する。また、各サブ格子領域２４において、Ｘ方向に沿って、ピッチＰ_ｓｕｂごとに、Ｐ_ｓｕｂ／２の幅の凹部が形成された微細なサブ格子を含む構造を有する。本実施形態において、ピッチＰ_ｓｕｂ（サブ格子周期）は、１．６５μｍである。領域ＡのＹ方向における幅Ｗ１は５０μｍであり、領域ＢのＹ方向における幅Ｗ２は２５μｍである。

スケール格子２１の格子周期が概ね１０μｍ以下の格子周期であれば、発光素子１１からの光の波長幅による平均化効果、及び、受光素子アレイ１２での光路長の違いによる平均化効果によって、ギャップ依存性が小さい安定したコントラストを得ることができる。但し、スケール格子２１の格子周期が１０μｍ以上である場合、高次回折光の干渉によって、良好なコントラストが得られる伝搬長の範囲が制限される。かかる伝搬長Ｌは、低分解能モードでは、以下の式（１９）で表され、高分解能モードでは、以下の式（２０）で表される。

格子構造が同じ場合、波長λと信号周期Ｓｐとの関係、Ｓｐ２／λで正規化される伝搬長Ｌに応じて、コントラストが周期的に変化する。従って、共通の伝搬長において、周期信号Ｓｐが著しく異なる複数の領域において同時に良好なコントラストを得ることができない場合がある。特に、位相格子構造において、Ｌ＜０．５・Ｓｐ^２／λの領域、即ち、短い伝搬長において、大きい格子周期の干渉像のコントラストが得られない。

そこで、本実施形態では、各サブ格子領域２４が微細なサブ構造を有する構造とすることで、上述した問題を改善している。サブ格子領域２４のピッチＰ_ｓｕｂは、設計中心の伝搬長をＬ_ｃとして、以下の式（２１）の付近とするとよい。

また、式（２１）は、サブ格子領域２４の空間周波数（第５空間周波数）ｆ_ｓｕｂとして、以下の式でも表される。但し、発光素子１１とスケール格子２１との間の距離をＬ_ａ（＝Ｌ_０＋Ｌ_１）とし、スケール格子２１と受光素子アレイ１２との間の距離をＬ_ｂ（＝Ｌ_２＋Ｌ_３）とする。

サブ格子領域２４のサブ格子が１本である場合には、そのサブ格子の幅をＰ_ｓｕｂ／２とする。図１２は、サブ格子領域２４のサブ格子を１本、３本、５本とした場合における伝搬長Ｌに対する干渉像のコントラスト（Ｐ２周期変調振幅／ＤＣ成分）を示すグラフである。図１２を参照するに、サブ格子を増やすにつれて、コントラストのピークが近接側にシフトしていくことがわかる。これにより、Ｌ＜０．５・Ｓｐ^２／λの条件下において、有効な干渉像のコントラストを向上することができる。

このように、本実施形態におけるエンコーダ１は、高分解能モードと低分解能モードとの切り替え比率を大きくした場合において、検出効率を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
図１３及び図１４は、本実施形態における受光素子アレイ１２を構成する複数の受光素子１２１の配列を示す図である。本実施形態では、受光素子アレイ１２は、６４個の受光素子１２１が位置検出方向に一列に並べられて構成されている。位置検出方向において互いに隣り合う２つの受光素子１２１の中心間距離Ｘ_ｐｄは、３２μｍである。また、各受光素子１２１の位置検出方向に直交する方向のサイズ（幅）Ｙ_ｐｄは、４５０μｍである。

スイッチ回路１８は、信号処理部３０の信号分離部３１からの入力に応じて、受光素子１２１と初段増幅器の出力端子との接続を切り替える。これにより、複数の受光素子１２１において、電気的に加算される間隔が切り替わる。

信号処理部３０からの入力がハイレベルである場合、図１３に示すように、６４個の受光素子１２１のうち左右にそれぞれ１６個ずつある受光素子１２１は、信号を取り出す受光素子１２１が連続する２個のうちの１個となっている。従って、中央の３２個の受光素子１２１からの出力信号に対して両側のそれぞれの１６個の受光素子１２１からの出力信号の重み付けは１／２になる。

信号処理部３０からの入力がローレベルである場合、図１４に示すように、６４個の受光素子１２１のうち左右にそれぞれ１６個ずつある受光素子１２１は、信号を取り出す受光素子１２１が連続する８個のうちの４個とし、且つ、中央の２個を用いていない。このように、本実施形態では、センサユニット１０に重み付けが設けられている。これにより、互いの信号分離精度を向上させることができる。

図１５は、高分解能モードと低分解能モードでの受光素子アレイ１２の空間周波数応答を示す図である。実線が高分解能モードでの空間周波数応答であり、破線が低分解能モードでの空間周波数応答である。図８と比較して、空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＢ}付近においては、高分解能モードでの空間周波数応答が低減され、空間周波数ｆ_{ｉｍａｇｅＡ}の範囲においては、低分解能モードでの空間周波数応答が低減されている。

このように、本実施形態におけるセンサユニット１０では、高分解能モードと低分解能モードとの切り替えにおける信号の分離精度を向上させることができる。

＜第４実施形態＞
図１６は、第１実施形態で説明したエンコーダ１を有する装置の一例としての露光装置５００の構成を示す概略図である。露光装置５００は、半導体デバイスや液晶表示素子の製造工程であるリソグラフィ工程に用いられ、基板（半導体ウエハ）にパターン（電子回路パターン）を形成するリソグラフィ装置である。露光装置５００では、エンコーダ１を、基板を保持して２次元方向に移動するステージの位置を検出するために用いている。

ステージ５０は、動作可能な可動部であって、基板５３を保持する。投影光学系５１は、基板５３に対して、マスク（不図示）のパターンの光学像（パターン像）を投影（露光）する光学系である。駆動部５５は、ステージ５０を、投影光学系５１に対してＸ方向及びＹ方向に駆動する。これにより、基板上におけるマスクのパターン像の投影位置が制御される。

本実施形態では、エンコーダ１のスケール２０は、ステージ５０に取り付けられ、エンコーダ１のセンサユニット１０は、露光装置５００の固定部である筐体５４に取り付けられている。なお、エンコーダ１として、実施形態２や実施形態３で説明したものを用いてもよい。

制御部５６は、センサユニット１０の受光素子アレイ１２からの出力からステージ５０の位置を求め、求めたステージ５０の位置に基づいて駆動部５５を制御する。換言すれば、制御部５６は、エンコーダ１の検出結果に基づいて、ステージ５０の位置を制御する。

このように、本実施形態では、露光装置５００のステージ５０の位置を、第１実施形態で説明したエンコーダ１を用いて、高分解能に、且つ、安定的に検出することで、ステージ５０の移動（動作）を高精度に制御することができる。なお、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態で説明したエンコーダ１は、露光装置に限らず、ロボットアームや搬送装置などの様々な装置における可動部の位置の検出に用いることができる。

本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、デバイス（半導体素子、磁気記憶媒体、液晶表示素子など）などの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、露光装置５００を用いて、感光剤が塗布された基板を露光する（パターンを基板に形成する）工程と、露光された基板を現像する（基板を処理する）工程を含む。また、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージングなど）を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

＜第５実施形態＞
本実施形態では、第１実施形態で説明したエンコーダ１を、外力を検出する力覚センサに応用した例を説明する。図１７は、本実施形態における光学式の力覚センサ６００の構成を示す概略図である。力覚センサ６００は、力センサ部６１０と、処理部６２０と、を有する。力センサ部６１０は、外力によって力センサ部内の変位部６１２に生じた変位を示す変位信号を処理部６２０に出力する。処理部６２０は、力センサ部６１０から入力された変位信号に基づいて外力のベクトル量を求め、その結果を力覚信号として出力する。

力センサ部６１０は、ベース部６１１と、変位部６１２と、ベース部６１１と変位部６１２とを連結して支持する弾性支持部（弾性部材）６１３と、変位検出部６１４と、を含む。変位検出部６１４は、センサユニット１０やスケール２０で構成されるエンコーダ１を含み、ベース部６１１に対する変位部６１２の変位（変位部６１２の位置）を検出する。変位検出方向は、図１７において、Ｘ方向である。変位部６１２は、変位部６１２に作用する外力に応じて、弾性支持部６１３を弾性変形させながらベース部６１１に対してＺ軸周りでの回転変位が可能である。外力は、センサユニット１０とスケール２０との相対変位量とほぼ比例関係にある。従って、エンコーダ１の位置検出値に係数をかけることで、外力に変換することができる（即ち、変位部６１２に作用する外力を検出することができる）。

また、本実施形態の力覚センサ６００を有する様々な装置も本発明の一側面を構成する。かかる装置は、例えば、可動部と、力覚センサ６００と、力覚センサ６００を用いて可動部の動作を制御する制御部と、を有する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１：エンコーダ １０：センサユニット １２：受光素子アレイ １４：光源格子 １５：インデックス格子 ２０：スケール ２１：スケール格子 ３０：信号処理部

Claims (13)

1. いずれか一方が対象物に設けられるスケール及び検出器を備え、前記スケールからの光を前記検出器で検出することで前記対象物の位置を検出する位置検出装置であって、
   前記スケールは、前記スケールと前記検出器との相対移動方向に第１空間周波数を有する第１格子パターンと、前記相対移動方向に前記第１空間周波数より低い第２空間周波数を有する第２格子パターンと、を含み、前記第２格子パターンのピッチは、前記第１格子パターンのピッチの８倍以上であり、
   前記検出器は、前記相対移動方向に沿って配置された複数の受光素子を含み、
   前記位置検出装置は、
   前記スケールと前記検出器との間に設けられ、前記相対移動方向に前記第１格子パターンからの干渉像の空間周波数から予め定められた周波数オフセット量だけオフセットさせた第３空間周波数を有する光学格子と、
   第１分解能モードでは、前記第１格子パターン及び前記光学格子を通過した光から前記周波数オフセット量に対応する空間周波数より低い第４空間周波数の成分の位相が検出されるように、前記第１分解能モードよりも分解能が低い第２分解能モードでは、前記第２格子パターン及び前記光学格子を通過した光から前記第２格子パターンの干渉像の空間周波数の成分の位相が検出されるように、前記複数の受光素子において出力を加算すべき、前記相対移動方向に連続した受光素子の数を設定する処理を行う処理部と、
   を有することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記処理部は、前記第１分解能モードでは、前記検出器の空間周波数応答のピークを前記第４空間周波数に近づけるように、前記受光素子の数を第１数に設定し、前記第２分解能モードでは、前記検出器の空間周波数応答のピークを前記第２格子パターンからの干渉像の空間周波数に近づけるように、前記受光素子の数を前記第１数とは異なる第２数に設定する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記第２格子パターンからの干渉像の前記光学格子上での周期、及び、前記光学格子の周期のうち、長い方の周期が短い方の周期の３倍未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記第１分解能モードにおける前記検出器の空間周波数応答のピーク周波数ｆ_{ｐｅａｋ１}と、前記第２分解能モードにおける前記検出器の空間周波数応答のピーク周波数ｆ_{ｐｅａｋ２}との関係は、
   ｆ_{ｐｅａｋ１}＞ｆ_{ｐｅａｋ２}
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
5. 前記複数の受光素子は、前記第１格子パターンからの光及び前記第２格子パターンからの光を受光するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
6. 前記第２分解能モードにおける前記検出器の空間周波数応答のピーク周波数ｆ_ｐｅａｋは、前記第２格子パターンのピッチをＰ_２、干渉次数に対応する自然数をｋとすると、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
7. 前記第２格子パターンは、前記相対移動方向に周期的に光路長の異なる領域が形成された位相格子を含み、
   前記位相格子は、前記第２空間周波数より高い第５空間周波数を有するサブ格子を含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
8. 前記第５空間周波数は、前記第５空間周波数をｆ_ｓｕｂ、前記第２格子パターンのピッチをＰ_２、前記スケールに入射する光の波長をλ、前記スケールに入射する光の光源と前記スケールとの間の距離をＬ_ａ、前記スケールと前記検出器との間の距離をＬ_ｂとすると、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項７に記載の位置検出装置。
9. 前記第３空間周波数は、前記第３空間周波数をｆ_{ｉｎｄｅｘ}、前記周波数オフセット量をΔｆ、前記スケールに入射する光の光源と前記スケールとの間の距離をＬ_ａ、前記スケールと前記光学格子との間の距離をＬ_２、前記光学格子と前記検出器との間の距離をＬ_３とすると、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
10. 前記第３空間周波数は、前記第３空間周波数をｆ_{ｉｎｄｅｘ}、前記第２空間周波数をｆ_Ｂ、干渉次数に対応する自然数をｋ、前記スケールに入射する光の光源と前記スケールとの間の距離をＬ_ａ、前記スケールと前記光学格子との間の距離をＬ_２、前記光学格子と前記検出器との間の距離をＬ_３とすると、
    

    

    を満たすことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
11. 基板にパターンを形成するリソグラフィ装置であって、
    前記基板を保持して移動するステージと、
    前記ステージの位置を対象物の位置として検出する請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の位置検出装置と、
    前記位置検出装置の検出結果に基づいて、前記ステージの位置を制御する制御部と、
    を有することを特徴とするリソグラフィ装置。
12. ベース部と変位部とを連結して支持する弾性支持部と、
    前記ベース部に対する前記変位部の変位を検出して前記変位部に作用する外力を検出する検出部と、
    を有し、
    前記検出部は、前記変位部の位置を対象物の位置として検出する請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の位置検出装置を含むことを特徴とする力覚センサ。
13. 可動部と、
    請求項１２に記載の力覚センサと、
    前記力覚センサを用いて前記可動部の動作を制御する制御部と、
    を有することを特徴とする装置。

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