JP7383048B2 - 変位測定装置、変位測定方法およびフォトリソグラフィー装置 - Google Patents

変位測定装置、変位測定方法およびフォトリソグラフィー装置 Download PDF

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Description

本発明は変位測定技術分野に関し、特に変位測定装置、変位測定方法およびフォトリソグラフィー装置に関する。
精密機械の製造、加工および応用のプロセスでは、いずれも変位に敏感な測定装置や検知装置による連携が必要である。たとえば、既存の集積回路（ＩＣ）、精密機械、マイクロエレクトロニクスシステムなどの領域では、いずれも高解像度で、高精度な変位測定装置（または変位センサー）を設置する必要がある。集積回路を例にすれば、集積回路が大規模、高集積化の方向へ飛躍的に発展することにつれて、フォトリソグラフィー装置（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｔｏｏｌｓ）のオーバーレイ精度に対する要求も高くなりつつあり、これに相応して、ウェハーステージやレチクルステージの位置情報の測定精度に対する要求も向上されつつある。
近年、ナノスケールの変位測定を含むナノスケールの測定技術が迅速に発展されてきた。ナノスケールの測定技術は、光学的方法と非光学的方法とを含む。ここで、光学的方法は、非常に短い波長のレーザーまたはＸ線ビームの干渉縞を利用して、ナノスケールの測定分解能を実現できるものである。しかしながら、従来の干渉計の測定精度は、周囲環境の影響を比較的に受けやすく（たとえば、温度や圧力などの要素の変化による測定誤差）、測定における再現精度が不十分で、更なる高いオーバーレイ精度のフォトリソグラフィー装置に対する要求を満たしにくい。
格子（または格子変位センサー）は、格子を利用する

測定であり、フィードバックデバイスを使用して線形または角変位を測定できます。 グレーティングで測定できる光路長は、その測定範囲に関係なく、非常に小さい場合があります（通常は数ミリメートル）。 したがって、このような変位センサーは、環境要因に影響されない測定精度、高い測定安定性、構造の単純さ、および小型化の容易さを備えており、ナノスケール測定の重要な部分となっています。 最新世代のフォトリソグラフィーシステムでは、干渉計の代わりに、さらに高い安定性を必要とする高精度のピコメートルスケールの測定タスクを実行するために、それらがますます使用されています。
格子用物差し（または格子用物差し変位センサー、Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｏｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒｓ）は一種の格子の光学原理を利用して動作する測定フィードバック装置であり、直線変位または角変位を測定できる。相対的に、格子用物差しを利用して測定される光路長は測定範囲と関係なく、非常に小さくまで（通常、測定光路長は数ミリメートル）測定できるため、その測定精度は環境の影響を受けにくく、測定の安定性が高く、構造が簡単で、小型化しやすい特徴があり、ナノ測定分野において重要な位置を占めている。次世代フォトリソグラフィーシステムでは、既に干渉計に取って代わりつつ、高精度、高安定性のピコメートル精度の測定を担っている。
しかしながら、既存の格子用物差しに基づく変位測定システムには、たとえば、水平方向および垂直方向における変位測定が互いに独立せず（相互に結合関係を有し、結合を解消するためのアルゴリズムが必要）、角度の許容誤差が小さく、読み取りヘッドに多くの光路構造が含まれ、非直線性誤差が大きいなどの問題がある。
本発明は従来の問題を解消するためになされたものであり、広角に適応できる変位測定を実現でき、異なる方向における変位測定を互いに独立させ、非直線性誤差を低減できる変位測定装置、変位測定方法および上記変位測定装置を備えるフォトリソグラフィー装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明に係る変位測定装置は、
第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを生成する光源モジュールと、
光接触面および前記光接触面に平行する方向に沿って配置された複数の重複回折ユニットを含む回折部材と、
少なくとも二つの再帰反射部材を含み、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを受け、さらに、前記回折部材の光接触面に平行に接触させるとともに回折されるように前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導し、続いて、回折された第一入力光ビームおよび第二入力光ビームのうちの少なくとも一方を前記少なくとも二つの再帰反射部材によって誘導して他方と組み合わせることにより少なくとも一つの出力光ビームを形成し、各前記出力光ビームは、前記回折部材の光接触面内の同じ光スポット位置から出射される同じ方向であって、かつそれぞれ前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームに対応する回折光信号を含む読み取りヘッドと、
各前記出力光ビームを検出する光学検出モジュールと、
前記光学検出モジュールに接続され、各前記出力光ビームにより生成される干渉信号の位相変化情報に基づいて前記回折部材の変位情報を取得する信号分析モジュールと、
を備える。
好ましくは、前記読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第一入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第二光スポット位置において前記第二入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第一出力光ビームを形成し、
前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第一変位情報を反映する。
好ましくは、前記読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第一光スポット位置において前記第一入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第二出力光ビームを形成し、
前記第二出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第二変位情報を反映する。
好ましくは、前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームは、いずれも同じ回折次数における方向が同じであってかつ前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームのそれぞれに対応する一次回折光信号を含み、
前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームの干渉位相は逆である。
好ましくは、前記第一出力光ビームは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの（＋１）回折次数における一次回折光信号を含み、前記第二出力光ビームは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの（－１）回折次数における一次回折光信号を含む。
好ましくは、前記信号分析モジュールは、さらに、前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームの干渉信号の位相変化情報に基づいて、前記回折部材の光接触面内の軸周りを回転する方向の回転自由度における変位情報を取得する。
好ましくは、前記読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させた後、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの一次回折光ビームのそれぞれは、前記再帰反射部材の再帰反射によって前記回折部材と再び接触して二次回折され、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの二次回折光ビームは前記回折部材の第三光スポット位置において少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第三出力光ビームを形成し、
前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の前記光接触面に平行する平行方向に沿った水平方向の自由度の第三変位情報を反映する。
好ましくは、前記回折部材は、一次元格子または二次元格子である。
好ましくは、前記再帰反射部材は、角錐プリズム、直角プリズム、キャッツアイリフレクターおよびダブプリズムのうちのいずれか一つである。
好ましくは、前記読み取りヘッドは、光ビーム角度コントローラを含む。
好ましくは、前記光ビーム角度コントローラは、一個のくさび部材、一対のくさび部材、回折格子および複屈折部材のうちのいずれか一つである。
好ましくは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームは、異なる周波数を有するレーザービームである。
好ましくは、前記光源モジュールは、光ファイバ伝送に基づく二重周波数レーザーを含み、平行方向に沿って前記回折部材に接触する前、前記読み取りヘッドは、さらに、受けた前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームに対してそれぞれ分割および合成することにより遠隔の参考光ビームを形成する。
好ましくは、前記光源モジュールは、自由空間二重周波数レーザーおよび分光部材を含み、前記自由空間二重周波数レーザーは、二重周波数の光ビームを生成し、前記分光部材は、前記二重周波数の光ビームを偏光方向の直交する二つの光ビームに分割する。
好ましくは、前記光源モジュールまたは前記読み取りヘッドは偏光制御部品を含み、前記偏光制御部品は、各前記出力光ビームのうち前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームのそれぞれに対応する前記複数の回折光ビームを、前記光学検出モジュールに入る際の偏光方向を同じくさせる。
好ましくは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームは、同じ周波数のレーザービームである。
好ましくは、前記光源モジュールまたは前記読み取りヘッドは偏光制御部品を含み、前記偏光制御部品は、各前記出力光ビームのうち前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームのそれぞれに対応する前記複数の回折光ビームを、前記光学検出モジュールに入る際の偏光方向を直交させる。
好ましくは、前記読み取りヘッドは、少なくとも四つの出力光ビームを生成し、前記光学検出モジュールは、前記少なくとも四つの出力光ビームを検出した後、各前記出力光ビームの干渉信号について位相を変位して、順に９０度オフセットした四つの前記出力光ビームを出力する。
上記目的を達成するための本発明に係る変位測定方法は、
光接触面および前記光接触面に平行する方向に沿って配置された複数の重複回折ユニットを含む回折部材を提供するステップと、
第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを取得するステップと、
前記回折部材の光接触面に平行に接触させるとともに回折されるように前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導し、続いて、回折された第一入力光ビームおよび第二入力光ビームのうちの少なくとも一方を少なくとも二つの再帰反射部材によって誘導して他方と組み合わせることにより少なくとも一つの出力光ビームを形成し、各前記出力光ビームは、前記回折部材の光接触面内の同じ光スポット位置から出射される同じ方向であって、かつそれぞれ前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームに対応する回折光信号を含むようにするステップと、
前記出力光ビームを検出するステップと、
各前記出力光ビームにより生成される干渉信号の位相変化情報に基づいて前記回折部材の変位情報を取得するステップと、
有する。
好ましくは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第一入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第二光スポット位置において前記第二入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第一出力光ビームを形成し、
前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第一変位情報を反映する。
好ましくは、前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化と、前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った変位とは、以下の関係式を満たし、
ここで、φｚ１は前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化であり、ΔＺ１は前記回折部材の垂直方向の自由度での変位量であり、λは前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの波長の平均値であり、θは前記回折部材の光接触面に平行に接触した後に生じる前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの一次回折のｍ次数における回折角であり、ｍは０以外の整数である
好ましくは、前記読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第一光スポット位置において前記第一入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第二出力光ビームを形成し、
前記第二出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第二変位情報を反映し、
前記第一出力光ビームと前記第二出力光ビームとの干渉位相は逆である。
好ましくは、前記第一出力光ビームおよび前記第二入力光ビームを検出した後、前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームの干渉信号により反映される前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った位置情報に基づいて、前記回折部材の光接触面内の軸周りを回転する方向の回転自由度における変位情報を取得する。
好ましくは、前記回折部材と前記第一出力光ビームとの対応する変位、および前記回折部材と前記第二出力光ビームとの対応する変位の間では、以下の関係式を満たし、
ここで、ΔＺ１およびΔＺ２はそれぞれ前記第一出力光ビームにより反映される前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った第一変位情報および前記第二出力光ビームにより反映される前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った第二変位情報であり、Ｄｆ１ｆ２は前記第一光スポット位置と前記第二光スポット位置との距離である
好ましくは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを前記回折部材の光接触面に平行に接触させた後、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの一次回折光ビームのそれぞれを、前記再帰反射部材の再帰反射によって前記回折部材と再び接触して二次回折されるようにさせ、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの二次回折光ビームは前記回折部材の第三光スポット位置において少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第三出力光ビームを形成し、
前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の前記光接触面に平行する平行方向に沿った水平方向の自由度における第三変位情報を反映する。
好ましくは、前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化と、前記回折部材の対応する水平方向の自由度における変位とは、以下の関係式を満たし、
ここで、φｘ１は前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化であり、ΔＸは前記回折部材の第一方向における変位であり、Ｐは前記回折部材の複数の重複回折ユニットの前記水平方向の自由度における距離であり、ｍは０以外の整数である
上記目的を達成するための本発明に係るフォトリソグラフィー装置は、互いに相対移動可能なウェハーステージおよびレチクルステージを含み、上述したいずれか一つに記載の変位測定装置を備え、前記回折部材は前記ウェハーステージまたは前記レチクルステージのいずれか一方に貼り付けられ、前記読み取りヘッドは前記ウェハーステージまたは前記レチクルステージの他方に貼り付けられている。
本発明に係る変位測定装置によれば、少なくとも以下のような有益な効果を奏する。
第一に、各出力光ビームの干渉信号の位相変化情報に基づいて回折部材の変位情報をそれぞれ取得するため、アルゴリズムにより結合関係を解消する必要がない。
第二に、互いに分離されている第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを回折部材に平行に接触させて回折させ、かつ回折された第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを誘導かつ組み合わせて少なくとも一つの出力光ビームを形成し、各出力光ビームは上記回折部材の光接触面内の同じ光スポット位置から出射される同じ方向の上記第一入力光ビームおよび第二入力光ビームのそれぞれに対応する回折光信号を含むため、回折部材の回転（たとえば、光接触面内の軸に対する回転）に起因されるコヒーレント光ビームの角度発散を排除できる。すなわち、測定プロセスにおいて広角に適応でき、回折部材の回転による干渉情報の強度に対する影響を低減でき、測定精度を向上させ、装置の角度許容度を向上させ、装置の取り付けや姿勢精度を制御する難易度を低減できる。
第三に、読み取りヘッドに入力される二つの入力光ビームは互いに分離され（空間において）、測定過程においては光ビームは互いに影響を与えず、最終的に干渉する前においてのみ結合するため、同じ入力光ビームによる周波数が混合重畳される測定システムに比較して、光路構造の共有による非直線性誤差を大幅に低減または避けられる。
本発明に係る変位測定方法によれば、上述の変位測定装置と同じ技術的思想を有するため、上述の変位測定装置と同様のまたは類似の有益な効果を奏する。
本発明に係るフォトリソグラフィー装置によれば、上述の変位測定装置を備えるため、上述の変位測定装置と同様のまたは類似の有益な効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る変位測定装置により第一出力光ビームを取得することを示す図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置において、（ａ）は角錐プリズムを採用して、（ｂ）は直角プリズムを採用して、（ｃ）はダブプリズムを採用して、（ｄ）はキャッツアイリフレクターを採用して、それぞれ再帰反射部材とすることを示す図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置により第一出力光ビームおよび第三出力光ビームを取得することを示す図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置により第一出力光ビーム、第二出力光ビームおよび第三出力光ビームを取得することを示す図である。 本発明の他の一実施形態に係る変位測定装置により第一出力光ビーム、第二出力光ビームおよび第三出力光ビームを取得することを示す図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置において入力光ビームが同じ周波数である場合を示す図である。 本発明の一実施形態に係る変位測定装置において入力光ビームが異なる周波数である場合を示す図である。 本発明の他の一実施形態に係る変位測定装置において入力光ビームが異なる周波数である場合を示す図である。
背景技術において説明したように、異なる方向（自由度）の測定信号が独立しておらず、結合関係があるなど、既存の格子用物差しに基づく変位測定システムに存在する問題については、さらにアルゴリズムにより結合関係を解消することにより格子用物差しの異なる自由度における変位の問題や光路設計の原因による角度の許容誤差が小さく、システムの設置精度の要求が高い問題、さらには、光学エンコーダーの読み取りヘッド内の光路において異なる回折信号に大量の光路構造が共有される際、測定信号に比較的に大きな非直線性誤差が存在する問題を解決する必要がある。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、具体的な変位測定方法を提供することにより、上述の問題を解決する。
上記の目的を達成するための本発明は、変位測定装置、変位測定方法および上記変位測定装置を含むフォトリソグラフィー装置を提供する。ここで、変位測定装置は、少なくとも、光源モジュール、回折部材、読み取りヘッド、光学検出モジュールおよび信号分析モジュールを含む。
具体的には、光源モジュールは、第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを生成する。回折部材は、光接触面および該光接触面に平行する方向に沿って配置された複数の重複回折ユニットを含む。読み取りヘッドは、少なくとも一組の再帰反射部材を含み、第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを受け、さらに、回折部材の光接触面に平行（ここで「平行」は重なり合うことを含まない）に接触させるとともに回折されるように第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを誘導し、続いて、回折された第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを誘導かつ組み合わせることにより少なくとも一つの出力光ビームを形成し、各出力光ビームは、回折部材の光接触面内の同じ光スポット位置（ここで、同じ光スポット位置とは、同一の光スポットの所在する位置、すなわち、光スポットの所在する一定の範囲内、たとえば、一つの光スポットの中心を円心とし、０．５～１．５個のスポット径の範囲内（すなわち、二つの光スポットが互いに交差または接線関係にある位置）を同じ光スポット位置とする）から出射される同じ方向であって、かつそれぞれ第一入力光ビームおよび第二入力光ビームに対応する回折光信号を含み、各出力光ビームにより生成される干渉信号の位相変化情報は、回折部材の二次元または三次元空間内の一つの自由度に沿った変位情報を反映する。光学検出モジュールは、読み取りヘッドによって形成された出力光ビームを検出する。信号分析モジュールは、光学検出モジュールに接続され、各出力光ビームの干渉信号の位相変化情報に基づいて回折部材の変位情報を取得する。実用の際、上述のいくつかの構成要素の一部または全部は、光学エンコーダシステムの構成部品であってよく、ここで、回折部材は、たとえば、光学エンコーダシステムの格子用物差しであり、読み取りヘッドは、たとえば、光学エンコーダシステムのエンコーダヘッド（ｅｎｃｏｄｅｒ ｈｅａｄ）であり、光学エンコーダシステムは、フォトリソグラフィー装置のような精密システムにおける移動可能なステージの動きを監視できる。
以下、図面を参照しながら具体的な実施例により本発明に係る変位測定装置、変位測定方法およびフォトリソグラフィー装置について詳細に説明する。以下の実施形態は、本発明の例示的な実施形態に過ぎず、本発明の保護範囲を限定するものではないことに理解されたい。
また、図面はいずれも非常に簡略化された形式を採用して、さらに、非正確な比率を使用しているが、これは本発明に係る実施形態を容易かつ明瞭に説明する目的で用いられるだけである。その他の説明がない限り、異なる図面における同じ数字や符号は、通常は関連する部品を表す。また、以下において、「第一」、「第二」などの用語は、類似する要素を区別させるために用いられ、必ずしも特定の順序や時系列を説明するためのものではない。適切な場合において、このように使用されるこれらの用語は代替可能であり、たとえば、本明細書で説明される本発明に係る実施形態を、本明細書で説明されるまたは示される他の順序とは異なる順序で動作可能であることも理解されたい。同様に、本明細書に記載された方法が一連のステップを含み、本明細書に提示されたこれらのステップの順序は、これらのステップを実行することができる唯一の順序である必要はなく、記載されたステップのいくつかが省略されてもよく、および／または、本明細書に記載されていないいくつかの他のステップが、該方法に追加されてもよい。
図１は、本発明の一実施形態に係る変位測定装置により第一出力光ビームを取得することを示す図である。図１に示されるように、本実施形態に係る変位測定装置および取得される第一出力光ビーム６１３の光路（または方法）について、以下に説明する。
本実施形態において、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は、光源モジュール（図１に図示せず）によって生成され、空間的に一定の間隔距離を保って出力される。第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は、たとえば、いずれもレーザービームであり、両者の波長は、約１５０ｎｍから２０００ｎｍの範囲である。より具体的には、両者の波長は、４００ｎｍから１５００ｎｍの範囲、または１５００ｎｍから２０００ｎｍの範囲内において選択可能で、さらには、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は、たとえば、６３３ｎｍ、９８０ｎｍまたは１０７０ｎｍの波長を有しうる。第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の周波数は、同じであってもよく、またはわずかに異なってもよい（周波数差は、たとえば、１０Ｈｚ以下である）。このように分離された第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は読み取りヘッド１００に入り、回折部材２００の光接触面に平行に接触させて回折されるように読み取りヘッド１００によって誘導される。ここで、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の回折信号を得るために、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は、回折部材２００の光接触面の異なる位置において、同じの任意の非リトロ（ｎｏｎ－Ｌｉｔｔｒｏｗ）角度で接触（または入射）し、回折される。
回折部材２００は、光接触面に平行な方向に配置された複数の重複回折ユニット（図１に図示せず）を有する。明瞭の為、図１には、デカルト座標系における変位測定装置の断面が示され、図１におけるＸ軸方向を、回折部材２００の複数の重複回折ユニット（すなわち、複数の同じの回折ユニット）の一つの配置方向とする。回折部材２００は、１次元の回折格子であってもよく２次元の回折格子であってもよい。２次元の回折格子である場合、図１のＸＺ平面に垂直なＹ軸方向は、回折部材２００の複数の重複回折ユニットの他の一つの配置方向に属してもよい。回折格子としては、正弦波、矩形またはギザギザの回折格子を採用でき、さらには、より複雑な線形周波数変調パルス格子を採用してもよいが、これらに限定されず、他の実施形態において、回折部材２００は、ホログラム回折構造のような他の回折構造を有してもよい。いずれの回折構造を採用するにせよ、上記重複回折ユニットを含み、非リテロ角度で入射される第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の回折を実現する。本実施形態において、回折部材２００は、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１に対して、反射もする。
上記の読み取りヘッド１００は、少なくとも２つの再帰反射部材、たとえば、図１に示される第一再帰反射部材１１０および第二再帰反射部材１１１を備え、再帰反射部材内に入射した光ビームは、再帰反射されて、入射ビームと平行であるが、伝送方向が逆方向であり、かつ一定の距離だけずれた出射ビームを出力できる。これにより、第一入力光ビーム６１０および／または第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に接触した後の回折光ビームの光路および伝送方向を、再帰反射部材の設置位置や角度の変更することにより調整できる。
図２の（ａ）～（ｄ）は、それぞれ４種類の再帰反射部材の構造を示している。図２の（ａ）～（ｄ）に示されるように、第一再帰反射部材１１０と第二再帰反射部材１１１のうちの一つまた二つを、図２の（ａ）に示される角錐プリズム、図２の（ｂ）に示される直角プリズム、図２の（ｃ）に示されるダブプリズム、図２の（ｄ）に示されるキャッツアイリフレクターから選択できる。ここで、再帰反射部材への入力光ビーム６２１が対応する再帰反射部材に入射した後、再帰反射され、再帰反射部材から出力光ビーム６２２が出力される。図２の（ｄ）に示すように、キャッツアイリフレクターは、レンズ１３０１および凹面反射鏡１３０２を含み、凹面反射鏡１３０２の中心（球心）はレンズ１３０１の主点（薄いレンズの中心）に配置され、レンズ１３０１の焦点は凹面反射鏡１３０２の反射面に合わせされている。入力光ビーム６２１は、レンズ１３０１によって凹面反射鏡１３０２上に集光され、凹面反射鏡１３０２により反射され、再びレンズ１３０１を通過した後、出力光ビーム６２２は、依然として元の入力光ビームと平行であるが、方向が逆である。本実施形態において、読み取りヘッド１００内の第一再帰反射部材１１０および第二再帰反射部材１１１は、たとえば、角錐プリズムであり、ここで、角錐プリズムに入射する入力光ビームおよび出力光ビームの回折部材２００における入射点は、光接触面上の任意の重ならない位置にあってもよい。角錐プリズムの位置は、必要に応じて設計し、調節できる。
上記の読み取りヘッド１００によって第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１を誘導して回折部材２００に平行に接触させる際、第一入力光ビーム６１０は第一光スポット位置Ａで一次回折（または第一回目回折）され、第二入力光ビーム６１１は第二光スポット位置Ｂで一次回折（または第一回目回折）される。好ましくは、第一光スポット位置Ａおよび第二光スポット位置Ｂは、それぞれ回折ユニットの中心に位置する、または、第一光スポット位置Ａおよび第二光スポット位置Ｂの両方における回折パターンは同じであり、測定精度がさらに向上できる。本実施形態において、第一入力光ビーム６１０と第二入力光ビーム６１１の一次回折の回折次数の方向は同じである。ここで、「回折次数の方向が同じである」とは、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の一次回折の回折次数が、いずれも正の方向での回折次数であるか、または負の方向での回折次数であることを意味する。他の実施形態において、図１に示すように、第二入力光ビーム６１１は、第二光スポット位置Ｂにおいて＋ｎ次数の一次回折光ビーム（ｎは０以外の整数、たとえば±１、±２、±３、…、以下同様に、＋ｎは正の整数、すなわち＋１、＋２、＋３……）を生成し、第一反射部材１３０によって反射されから出射される。第一入力光ビーム６１０は、第一光スポット位置Ａにおいて＋ｍ次数の一次回折光ビーム（ｍは０以外の整数、たとえば±１、±２、±３、…、以下同様、＋ｍは正の整数、すなわち＋１、＋２、＋３……）を生成する。角錐プリズム１１０の位置が特別に設計されている場合、第一入力光ビーム６１０に対応する一次回折光ビームは、第二再帰反射部材１１１を介して回折部材２００に再帰反射され、回折部材２００の光接触面の第二光スポット位置で反射された後、第一再帰反射部材１１０に入射して再び回折部材２００に再帰反射され、回折部材２００の光接触面の第二光スポット位置Ｂで再び反射し、第一入力光ビーム６１０により生成される一次回折後の反射光ビームと第二入力光ビーム６１１の一次回折光ビームとは、第二光スポット位置Ｂにおいて少なくとも部分的に重なり合い、かつ同一方向に出射して、第一出力光ビーム６１３を形成する。読み取りヘッド１００から出力される第一出力光ビーム６１３は、第一光学検出モジュール４１１により検出され、第一光学検出モジュール４１１は第一出力光ビーム６１３の干渉信号の位相情報を採集できる。さらに、第一信号伝送光ファイバー４３１を通じて、第一光学検出モジュール４１１により採集された位相情報は、信号分析モジュール５００に伝送され、信号分析モジュール５００は、第一出力光ビーム６１３の干渉信号の位相情報を解析して位相変化情報を取得し、回折部材２００の光接触面に位置する法線方向に沿って垂直方向の自由度における変位との関係から、回折部材２００の垂直方向の自由度における変位情報を取得する。
他の実施形態として、図４に示すように、読み取りヘッド１００は、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１を回折部材２００に平行に接触させるように誘導する際、第一光入力ビームは第一光スポット位置Ａにおいて－ｍ次数の一次回折を起こし、第二入力光ビームは第二光スポットＢにおいて－ｎ次数の一次回折を起こし、第二入力光ビーム６１１に対応する一次回折光ビームは第一再帰反射部材１１０によって回折部材２００に再帰反射され、回折部材２００の光接触面で反射された後、第二再帰反射部材１１１に入り、再び回折部材に２００に再帰反射され、回折部材２００の光接触面の第一光スポット位置Ａにおいて再び反射され、第二入力光ビーム６１１により生成される一次回折後の反射光ビームと第一入力光ビーム６１０の一次回折光ビームとは、第一光スポット位置Ａにおいて少なくとも部分的に重なり合い、かつ同一方向に出射され、第二反射部材１３１で反射されて出射され、第二出力光ビーム６１４を形成する。読み取りヘッド１００から出力される第二出力光ビーム６１４は、第二光学検出モジュール４１２により検出され、第二光学検出モジュール４１２は、第二出力光ビーム６１４の干渉信号の位相情報を採集でき、さらには、第二信号伝送光ファイバー４３２を通じて、第二光学検出モジュール４１２により採集された位相情報は、信号分析モジュール５００に伝送され、信号分析モジュール５００は、第二出力光ビーム６１４の干渉信号の位相情報を分析し、位相変化情報を取得し、それと回折部材２００の光接触面の法線方向に沿って垂直方向の自由度における変位との関係から、回折部材２００の垂直方向の自由度における変位情報を取得できる。ここで、「垂直方向」とは、回折部材２００の光接触面の法線方向であり、図１および図４におけるＺ軸方向である。
本実施形態において、上述の第一出力光ビーム６１３および第二出力光ビーム６１４は、いずれも回折次数における方向が同じであり、かつ同じ回折次数に位置され、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１のそれぞれに対応する回折光信号を含む。第一出力光ビーム６１３は、第二出力光ビーム６１４と逆の干渉位相を有する。すなわち、第一出力光ビーム６１３内の干渉信号の位相は、第二出力光ビーム６１４内の干渉信号の位相と逆である。好ましくは、第一出力光ビーム６１３は、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の＋１次数の一次回折光信号を含み、第二出力光ビーム６１４は、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の－１次数の一次回折光信号を含む。
光源モジュールによって生成される第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は、好ましくは平行光ビームであり、従って、上記の光路設計によって第一出力光ビーム６１３および第二出力光ビーム６１４の位相干渉信号を直接採集できる。ただし、本発明はこれに限定されず、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に入射される前において平行でない場合、読み取りヘッド１００内に光ビーム角度コントローラーを配置することにより、光ビームの方向を制御できる。図１に示すように、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に対してより正確に平行に入射されるように、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１のうちの一方の入力光路上に第一光ビーム角度コントローラー７００を配置でき、光ビーム角度コントローラーにより光ビームの方向を制御することにより、第一入力光ビーム６１０と第二入力光ビーム６１１とが平行を保持するように調整できる。同様に、第一光ビーム６１０および第二光ビーム６１１の一次回折光信号が光接触面における同じ光スポット位置において少なくとも部分的に重なり合い（すなわち、完全に重なり合うまたは一部重なり合うことを含め、完全または一部重なりあう出力光ビームを形成し、ここで、同一光スポット位置とは、光スポットの所在する一定の範囲内、たとえば、一つの光スポットの中心を円心とし、０．５～１．５個のスポット径の範囲内（すなわち、二つの光スットが交差または接線関係にある位置）を上記の同一光スポット位置とする）、かつ同一方向に沿って出射されるように、いずれか一つの回折光ビームの光路上に第二光ビーム角度コントローラー７０１を配置してもよい。第一光ビーム角度コントローラー７００および第二光ビーム角度コントローラー７０１は、一個のくさび部材、一対のくさび部材、回折格子および複屈折部材などの光学構造のから一つ選択できる。なお、本実施形態における第一反射部材１３０および第二反射部材１３１は、オプション部品に過ぎず、読み取りヘッド１００の取付寸法および光学検出モジュールの位置に応じて選択的に採用できる。
第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に平行に入射し、第一入力光ビーム６１０の一次回折光ビームが、再帰反射部材により２回再帰反射され、回折部材２００により２回反射された後に生じる反射光ビームは、元の一次回折光ビームと平行である。したがって、第一入力光ビーム６１０の回折後の反射光ビームと、第二入力光ビーム６１１の一次回折光ビームとは、読み取りヘッド１００に対する回折部材２００の角度の変化にかかわらず、常に平行であることが分かる。すなわち、本実施形態に係る変位測定装置は、上述した光ビーム伝送により第一出力光ビーム６１３および第二出力光ビーム６１４を採集することで、回折部材２００の偏光（特に図１における座標系のＸ軸およびＹ軸に対する偏光）によるコヒーレント光角度の分離を解消し、これにより、回折部材２００のオフセットが出力光ビームの干渉信号の強度に与える影響を大幅に低減でき、測定精度が向上するとともに、変位測定装置の角度許容差の向上にも寄与するため、本実施形態における垂直方向における測定は、広角度への適応性を有する。
上記の第一出力光ビーム６１３は、回折次数における方向が同じで、かつ同じ回折次数に位置されて、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１のそれぞれに対応する一次回折光信号を含む。ここで、「一次回折光信号」とは、第一入力光ビーム６１０および／または第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に平行に接触した後に生成される一次回折光ビームの光学位相情報であり、上述の一次回折光ビームは再帰反射部材および回折部材により反射された後、光程、伝送の方向を変えることができ、一次回折光ビームの光学位相情報を保持できる。
以下、第一出力光ビーム６１３の干渉信号の位相変化と回折部材２００の変位との関係について説明する。第一入力光ビーム６１０と第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に平行に接触すると、第一入力光ビーム６１０は第一光スポット位置Ａで＋ｍ次数の一次回折を起こし、第二入力光ビーム６１１は第二光スポット位置Ｂで＋ｎ次数の一次回折を起こす。したがって、第一出力光ビーム６１３は、第一入力光ビーム６１０の＋ｍ次数の一次回折光信号と、第二入力光ビーム６１１の＋ｎ次数の一次回折光信号を含み、ｍ＝ｎの場合、第一出力光ビーム６１３の方向に沿って、垂直方向の変位に対応する位相変化の干渉信号が形成される。第一出力光ビーム６１３の干渉信号の位相変化φｚ１と対応の回折部材２００の垂直方向の変位との関係を取得するため、ここでは、第一出力光ビーム６１３に含まれた第一入力光ビーム６１０の回折光信号の位相をφｚ１ｂ１とし、第二入力光ビーム６１１の回折光信号の位相をφｚ１ｂ２とし、二つの回折光ビームが干渉された後、干渉信号の位相変化φｚ１と対応する回折部材２００の垂直方向の変位との関係の算出プロセスは、以下の式の通りである。
したがって、次の式（１）が得られる。
（１）
上述の説明によれば、第二出力光ビーム６１４は、第一入力光ビーム６１０のーｍ次数の一次回折光信号と、第二入力光ビーム６１１のーｎ次数の一次回折光信号（ｍ＝ｎ）とを含む。同様に、第二出力光ビーム６１４の干渉信号の位相変化φｚ２と回折部材２００の垂直方向の変位との関係は、次の式（２）を満たす。
（２）
式（１）および式（２）において、λは第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の波長であり（両者の周波数が異なる場合は波長の平均値）、θは第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームが回折部材２００の光接触面に平行に接触した後に生じる一次回折のｍ次数における回折角（ｍは±１、±２、±３、…）であり、ΔＸは回折部材２００のＸ軸方向の変位であり、ΔＺ１は第一出力光ビーム６１３に対応する回折部材２００のＺ軸方向の変位であり、ΔＺ２は第二出力光ビーム６１４に対応する回折部材２００のＺ軸方向の変位である。
本実施形態に係る変位測定装置は、垂直方向の自由度の変位測定に対応する第一出力光ビーム６１３および第二出力光ビーム６１４を形成するだけでなく、回折部材２００の光接触面方向と平行な水平方向の自由度の変位情報を測定するための出力光ビームも形成できる。
図３は、本発明の一実施形態に係る変位測定装置により第一出力光ビームおよび第三出力光ビームを取得することを示す図である。図３に示されるように、本実施形態に係る変位測定装置において、読み取りヘッド１００は、互いに分離された第一出力光ビーム６１３および第三出力光ビーム６１２を出力できる。第一出力光ビーム６１３の設計については、上述した説明を参照できる。以下、主に第三出力光ビーム６１２について説明する。
本実施形態において、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は、回折部材２００に平行に接触した後、回折次数における方向の異なる一次回折光ビームを生成し、たとえば、異なる入射スポットにおいて任意の非リトロ角度で回折部材２００に入射あされた後、第一入力光ビーム６１０は第一光スポット位置Ａで＋ｍ次数の一次回折光ビームを生成し、第二入力光ビーム６１１は、第二光スポット位置Ｂでーｎ次数の１次回折光ビームを生成し、二つの一次回折光ビームは、それぞれ異なる再帰反射部材により再帰反射されて再び回折部材２００と接触し、それぞれさらに一次回折の回折次数における方向が同じの二次回折をそれぞれ発生する。また、第三光スポット位置Ｃで、第一入力光ビーム６１０に対応する＋ｍ次数の二次回折光ビームと、第二入力光ビーム６１１に対応する－ｎ次数の二次回折光ビームとが生成される。すなわち、読み取りヘッド１００の構造設計により、第一入力光ビーム６１０に対応する二次回折光ビームおよび第二入力光ビーム６１１に対応する二次回折光ビームが、回折部材の同一光スポット位置において少なくとも部分的に重なり合い、同一方向に出射されて第三出力光ビーム６１２が形成され得る。
さらに、読み取りヘッド１００によって出力された第三出力光ビーム６１２は、第三光学検出モジュール４１０によって検出され、第三光学検出モジュール４１０は、第三出力光ビーム６１２の干渉信号の位相情報を採集できる。さらに、第三信号伝送光ファイバー４３０を通じて、第三光学検出モジュール４１０は、採集された位相情報を信号分析モジュール５００に伝送され、信号分析モジュール５００は受け取った位相情報を分析し、第三出力光ビーム６１２の干渉信号の位相変化情報に基づいて、回折部材２００の光接触面に平行する方向に沿った水平方向の自由度における変位情報を取得する。図３に示すように、回折部材２００がＸ軸方向に沿った１次元の回折構造である場合、第三出力光ビーム６１２により、回折部材２００のＸ軸方向の変位情報を取得できる。一方、回折部材２００がＸ軸方向およびＹ軸方向（すなわち、ＸＺ平面に対して垂直な方向）の２次元の回折構造である場合には、図３における読み取りヘッド１００および光学検出モジュールをＺ軸を中心として９０度回転させることで、回折部材２００のＹ軸方向の変位情報を取得できる。
上記の変位測定装置で得られた第三出力光ビーム６１２の光路構造では、回折部材２００に平行に入射した第一入力光ビーム６１０による一次回折光ビームが第二再帰反射部材１１１で反射され、第二入力光ビーム６１１による一次回折光ビームが第一再帰反射部材１１０で反射された後、第一入力光ビーム６１０の二次回折光ビームは、一次回折前の第一入力光ビーム６１０と平行であり、第二入力光ビーム６１１の二次回折光ビームは、一次回折前の第二入力光ビーム６１１と平行であるため、二つの二次回折光ビームは平行である。したがって、回折部材２００の読み取りヘッド１００に対する角度に変化があるのか否かに関わらず（特に、相対的にＸ軸とＹ軸の角度を変化）、第一入力光ビーム６１０の二次回折光ビームと第二入力光ビーム６１１の二次回折光ビームとは、常に平行し、回折部材２００の、たとえば回折格子というものの分離、ラスタ偏向による干渉信号の強度への影響を大幅に低減し、装置の角度許容差の向上および測定精度の向上に寄与するため、本実施形態の変位測定装置では、水平方向の測定にも広角度への適応が可能となる。
上記の第三出力光ビーム６１２は、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１にそれぞれ対応する、逆方向の回折次数に位置する第二回折光ビームを含み、第三出力光ビーム６１２の干渉信号の位相変化と回折要素の変位との関係を以下に示す。二次回折すると、読み取りヘッド１００は、第一入力光ビーム６１０に対応する＋ｍ次数の二次回折光ビームと、第二入力光ビーム６１１に対応する－ｎ次数の二次回折光ビームを生成し、ｍ＝ｎの場合、第三出力光ビーム６１２方向に水平変位に対応する位相変化の干渉信号を形成する。第三出力光ビーム６１２の干渉を得るための信号の位相の変化と対応の水平方向の変位情報の位相の変化との関係を、ここで、第三出力光ビーム６１２に含まれた第一入力光ビーム６１０回折光信号の位相を含み、第二入力光ビーム６１１の回折光信号の位相を二次回折ビーム干渉に続き、干渉信号の位相変化と対応する回折部材２００の水平変位との関係の算出プロセスは、以下の式の通りである。
したがって、次の式（３）が得られる。
（３）
式（３）において、Ｐは、回折部材２００がＸ軸方向に配置される重複回折ユニット間の間隔であり、ｍは回折次数であり、たとえば、±１、±２、±３などの０以外の整数を取り、ΔＸは測定対象の回折部材２００のＸ軸方向の変位量である。
水平方向の変位は、逆回折次数の二次回折光ビームによっても得られる。たとえば、他の実施形態では、第一入力光ビーム６１０は－ｍ次数の二次回折光ビームを生成し、第二入力光ビーム６１１は＋ｎ次数の二次回折光ビームを生成し、結果として、第三出力光ビームの位相は式（３）の位相と逆になる。
また、回折部材２００は、図３のＸＺ平面に対して互いに垂直なＹ軸方向に配置された複数の重複回折ユニットを有してもよい。上記の第三出力光ビーム６１２の試験目的と同様であることを考慮して、上記の読み取りヘッド１００はまた、第一入力光ビーム６１０と第二入力光ビーム６１１のガイドの組み合わせによって、第三出力光ビーム６１２を得る光路構造と同様の設計を形成することができる。Ｙ軸方向の一次回折、再帰反射部材での反射、および二次回折の後に、回折部材２００の光接触面の同一光スポット位置から同一方向に出射された二次回折光ビームを含む第四出力光ビーム（図示せず）が組み合わされて形成される。第四出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、回折部材２００のＹ軸方向の変位情報を反映している。ある実施形態では、読み取りヘッド１００を図３のＺ軸に沿って９０度回転させることで、第三出力光ビーム６１２と平行な方向にＹ軸方向の変位に対応する出力光ビームを検出することができ、回折部材２００のＹ軸方向の変位情報を得ることができる。
このように、本実施形態に係る変位測定装置は、回折部材２００の光接触面に平行な水平方向の自由度の変位測定と、光接触面に平行な法線方向の垂直方向の自由度の変位測定を同時に測定することができる。回折部材２００を２次元回折構造とすると、少なくとも３自由度の変位測定が可能となる。さらに、上述した光路設計を有する２つ以上の入力光ビーム、読み取りヘッド、光学検出モジュールを適切に組み合わせることにより、回折部材２００の３つ以上の自由度での変位測定を達成することができる。たとえば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、ＲＸ方向（Ｘ軸に沿った回転方向）、Ｒｙ方向（Ｙ軸に沿った回転方向）、ＲＺ方向（Ｚ軸に沿った回転方向）の６自由度の変位測定が可能である。
本実施例の変位測定装置、長所以下のいくつかの面で、第一に、各出力光ビームの干渉信号の位相変化情報に基づいて回折部材の変位情報をそれぞれ取得するため、アルゴリズムにより結合関係を解消する必要がない。すなわち、必要なだけの単独変位ｘ軸方向や単独変位ｚ軸の方向の変位応用需要に独立でき、できるだけ採取一光路の干渉信号を算出すれば相応の変位を算出できる。第二に、水平方向の測定と垂方向の測定の両方に対して広い角度の適応范囲があって、装置の角度の許容差を高めることに助けて、測定の精度を高めて、変位の測定装置の取り付けと姿勢の制御の難度を減少する。第三に、測定信号はすべて平行ビームからであるため、正確に調整する必要がなく、集積が簡単である。第四に、測定システムの構造が単純で、冗長空間が大きく、スケーラビリティが高い。第五に、変位測定装置の要素の種類が少なく、コストが低い。第六に、干渉信号は合光前に光路を共有しないため、デバイス分光、偏光性能の影響を受けない。この方式は測定原理から基本的に線形誤差にほかならないことが分かる。第七に、本実施形態では、回折部材の光接触面で入力光ビームが回折した後、その回折ビームはすべて光学検出モジュールに収集され、水平方向および垂下方向の変位信号検出に使用され、乱視オーバーフローの変位測定装置は存在しない。第８に、乱視オーバーフローがないため、変位測定装置の光パワー利用率が非常に高い。
図４は一本発明の実施例の変位測定装置の第一出力光ビーム、第２出力光ビームおよび第三出力光ビームを取得することを示す図である。図４に示すように、本実施形態において、読み取りヘッド１００は、第一出力光ビーム６１３、第二出力光ビーム６１４および第三出力光ビーム６１２を同時に形成する。上記説明により、この３つの出力光ビームを通じてビームを検出して分析した後、実現できる水平方向（図４中ｘ軸方向）と２スピンドルに垂（写真４ ｚ軸の方向で）の変位測定。について第一輸出光ビーム６１３、第二出力光ビーム６１４、第三出力光ビーム６１２の光路構造は上述の説明を参照できる。
採取して分析を通じて２共有回折部材２００で違う光スポット位置を射て均対応垂れ、自由度の出力光ビームが二つの垂変位測定結果にされ、技術の効果は、一方に補償できる環境測定光路への影響（たとえば２路ｚ軸出力のビームは違う環境で測定時）、変位測定の精度を高めるのに役立つ測定精度を上げる。一方、この２つの垂れ下がった変位測定結果から、さらに、回折部材２００が光接触面内に位置する軸に沿って回転する回転自由度の変位情報を求めることができる。具体的に説明すると、次のようになります。
図４のＸＺ平面に分散された第一出力光ビーム６１３および第二出力光ビーム６１４を例にとると、第一光学検出モジュール４１１および第二光学検出モジュール４１２をそれぞれ位相収集して信号分析モジュール５００に送信すると、第一出力光ビーム６１３から得られる回折部材２００のＺ軸方向の変位量と、第二出力光ビーム６１４から得られる回折部材２００のＺ軸方向の変位量が得られる。式（４）を満たすこととの関係。
（４）
式（４）において、和はそれぞれ第一出力光ビーム６１３および第二出力光ビーム６１４によって測定された傾き変位であり、Ｄｆ１ｆ２は、第一出力光ビームおよび第二出力光ビームが回折部材に平行に接触したときの間隔（図４における第一光スポット位置Ａと第二光スポット位置Ｂとの距離）である。
式（４）の関係により、第一出力光ビーム及び第二出力光ビームが共にＹＺ平面に分布している場合、縦方向の変位情報を含む２つの出力光ビームを収集して計算することにより、図４のＸ軸を軸とする回折部材２００のずれ量、すなわちＲｘ自由度の変位情報を得ることができる。
図５は、本発明の他の実施例に係る変位測定装置から得られる第一出力光ビーム、第二出力光ビーム及び第三出力光ビームの概略図である。図４および図５を参照すると、読み出し読み取りヘッド１００は、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１を受信した後、両者を回折部材２００の光接触面に平行に入射させて回折させる。さらに、第一再帰反射部材１１０及び第二再帰反射部材１１１により、回折光ビームの反射及び回折部材２００の入力光ビームへの光接触による反射を実現し、図４の回折次数から逆方向の回折光ビームを集光する。第一出力光ビーム６１３、第二出力光ビーム６１４および第三出力光ビーム６１２は、図４に示す出力光ビームに対応する回折次数が逆方向になる。本実施形態の信号伝送光ファイバおよび信号分析モジュールの機能は、図４の構成と同じであるため、図５には示さない。
第三出力光ビーム６１２を例にとると、本実施形態では、第一入力光ビーム６１０が回折部材２００の光接触面で生成した－ｍ次数の一次回折光ビームが、逆回折部材で回折部材２００に反射され、再び－ｍ次数の回折（２回目）を生成し、回折部材２００の光接触面で第２入力光ビーム６１１が生成した＋ｎ次数の一次回折光ビームは、逆回折部材で回折部材２００に反射され、再び＋ｎ次数の回折（２回目）を生成し、１ビームを入力する６１０の２次回折ビームと２入力ビーム６１１の２次回折ビームで同じ光スポットの位置が少なくとも部分重合併射を同じ方向に沿ってｍ＝ｎの時、第三出力光ビーム６１２、第三出力光ビーム６１２ビームを含む対応はｘ軸方向変位情報の位相の変化を式（５）のとおり関係を満たす。
（５）
ここで、Ｐは回折部材２００のＸ軸方向のゲート距離、ｍは回折次数であり、たとえば±１、±２、±３などの０以外の整数をとることができ、測定対象の回折部材２００のＸ軸方向の変位となる。図５を参照すると、この実施例において、Ｚ軸変位に関する２つの出力光ビームを用いて取得された位相データは、図４に対応する位相データとも逆である。実際どの回折で具体的な採用業務報告の方向に光路のデザイン、読み取りヘッド１００の形状や装着できる空間など、デザインの要求を考慮し、を通じて対応は違って自由の出力光ビームが干渉信号の位相の変化に対応する情報を、均２００回折部材を受け取ることは相応の自由の変位情報。複数の出力光ビームが信号検出端で合光する前に共進しないため、干渉信号品質は部材分光不良、偏波エイリアシングなどの影響を受けず、変位測定装置の出力信号品質は良好である。
本実施形態では、光源モジュールが生成する上記第一入力光ビーム６１０及び第二入力光ビーム６１１の周波数が同じになるように、光源モジュールは単一周波数レーザで実装することができる。単一周波数レーザの場合は、光源モジュールのサイズが小さく、読み取りヘッド１００の近くに直接配置してもよいし、光ファイバを介して読み取りヘッド１００に伝送してもよい。あるいは、光源モジュールと光探知できるモジュール均集積読み取りヘッド１００のセルの内部では、すなわち光源を実現できる出力の形成、ビーム組合や光探査の一体化構造を一体化構造、使用シーンを活用できる大きな現場応用集成と守護の難易度を下げる、効率性を高め、適用各種高、低精度測定変位シーンで。
図６は、本発明の一実施形態に係る変位測定装置の入力光ビームが同じ周波数である場合の模式図である。図参照６、受信用光出力６１３ビームの初めて探査４１１と受信用モジュール３出力６１２の３光学検出モジュールモジュール４１０均の４分の１を含む波の写真や非偏波分光鏡、偏波分光鏡の組合は、光学利用方法で、信号の干渉を移し相の順で９０度の差の４路出力信号を受け、後の変位計算に用いる。第一光学検出モジュール４１１は、４つのチャンネル位相シッピングの機能を実行するために、４分の１波長板４８１、非偏光分光器４８２、第一偏光分光器４８３、第二偏光分光器４８４、第一光カプラ４８５、第二光カプラ４８６、第三光カプラ４８７および第４の光カプラ４８８を含む。
４チャンネル移相検出方法を採用する場合、回折部材の変位情報に対応する出力光ビームのうち、第一入力光ビーム６１０及び第二入力光ビーム６１１にそれぞれ対応する２つの回折光信号は、入力光学検出モジュールの前に、偏光方向が互いに垂直である（すなわち直交である）という要件を満たす必要がある。設置できるため、１ ６１０と入力ビーム２入力ビームを持つ６１１到着読み取りヘッド１００のセルの前に、互いに直交偏波の方向も読んで１００頭のセルに買収された後、を通じて読み取りヘッド１００のコンポーネントで１沿って入力ビーム６１０と２入力ビーム６１１の一つの光で道を設置偏波統制部材は、それぞれの光学検出モジュールへの出力を容易にするために、光学検出モジュールへの入射時に２つの回折ビームの偏光方向を直交させるために、出力光ビームが含む第一入力光ビーム６１０及び第二入力光ビーム６１１にそれぞれ対応する２つの回折ビーム（又は回折光信号）の偏光方向を直交させる。偏光制御部材は、たとえば、ウェーブレットまたは偏光板である。
本実施形態では、光源モジュールは、生成される第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の周波数を異なるものにするために、光ファイバ伝送デュ頻レーザで実装されてもよい（通常、両者の周波数差は小さい範囲に限定される）。
図７は、本発明の一実施例に係る変位測定装置の入力光ビームが異なる周波数の場合の模式図である。図７を参照して、本実施形態では、光源モジュール３００は、光ファイバ伝送デュアル周波数レーザであり、この光ファイバ伝送デュアル周波数レーザの構成は、以下の光学要素を含むことができる。単一周波数レーザ３１１、遮蔽器３２２、第一光周波数変位器３２３、第二光周波数変位器３２４、第一光ミラー３３０、第二光ミラー３３１、第三光ミラー３３２、及び第４の光ミラー３３３、第一反射鏡３３４、第二反射鏡３３５、第一遮光板３２５、第二遮光板３２６及び第三遮光板３２７、第三ビーム角度制御部３７０、第一保偏光ファイバ結合器３４０、第二保偏光ファイバ結合器３４１及びマルチモード光ファイバ結合器３５０。上述した光ファイバ伝送用デュアル周波数レーザがデュアル周波数ビームを出力する原理は以下の通りである。
単周波数レーザ３１１による単周波数レーザーを二つの束に分けて、二つの駆動周波数を通じてそれぞれ違うの声光帯域の器に移し移乏、周波数がそれぞれ１周波数と２周波数の二束で、この二束えて束ねるでほとんどエネルギー保を通じて偏光ファイバカップリングには、入力し、保偏光ファイバ読み取りヘッド１００のセルを読み、エネルギーで複数の反射鏡を通じ、スペクトロスコープが合束され，レーザの基準光信号が形成される。ビーム角度制御装置は、第一周波数ビームと第二周波数ビーム合成レーザ参照光信号との調整を補助するために使用されてもよく、別の実施形態では、第二偏光スペクトロスコープ又はアスタ回折方式を使用して合束されてもよい。
光源モジュール３００が出力した第一周波数ビームは、上述した光ファイバ伝送デュアル周波数レーザを介して、第一バイアス光ファイバ４７０を介して第一バイアス光ファイバ準化器４５０に入力され、読み取りヘッド１００に入り、前述した第一入力光ビーム６１０を形成する。光源モジュール３００から出力された第二周波数ビームは、第二保偏光ファイバ４７１を介して第二保偏光ファイバ準化器４５１に入力され、読み取りヘッド１００に入り、前述の第二入力光ビーム６１１を形成する。違って自由で出力のビームを得るために、１ ６１１と入力ビーム２入力ビーム経読んで６１１頭のコンポーネントを誘導した後、１００ ２００回折部材の光で接触が一度や二度回折、を獲得できる本実施例は、前の描写の初輸出ビーム出力６１３、２、ビーム６１４、３ビーム６１２と、そして、第１信号伝送ファイバ４３１を介して取り込まれた第１出力光ビーム６１３の干渉信号を信号解析部５００に伝送する第１光学検出モジュール４１１、第２光学検出モジュール４１２及び第３光学検出モジュール４１０により検出される。第二光学検出モジュール４１２は、集光された第二出力光ビーム６１４の干渉信号を第二信号伝送ファイバ４３２を介して信号分析モジュール５００に伝送し、第三光学検出モジュール４１０は、集光された第三出力光ビーム６１２の干渉信号を第三信号伝送ファイバ４３０を介して信号分析モジュール５００に伝送する。また、上記の光ファイバ伝送デュアル周波数レーザは、マルチモード・ファイバ結合器３５０から出た後に、読み取りヘッド１００に受信されることなく、信号伝送光ファイバを介して信号分析モジュール５００に直接伝送される基本基準光ビームを出力する。
光ファイバを用いて２周波数レーザビームを伝送するため，周囲の温度，圧力，振動の変化による光ファイバの位相の変化を補償する必要がある。図参照７、一種の補償方法は読み取りヘッド１００のセルの内部の補償、光ファイバー伝送のデュアルバンドがビーム自由空間に再び準直ビーム後、２００回折部材に入力光接触に位相の変化まで、周波数を通じて、それぞれ違った１入力できるビーム６１０と２入力ビーム６１１わり箸一部光エネルギーが、光を形成し合長距離参考光信号（利用の光学部材の写真まで７ １３２、第３反射の部材分光部材１３３、第二分光部材１３４、３分光部材１３５、４ビーム角度コントローラ７０２、４ふさぐ光板１３６）、４光を通じ４１３検出前述の遠隔探査モジュール光信号を参考に、そして、第４信号伝送光ファイバ４３３を介して信号分析モジュール５００に出力される。信号分析モジュール５００は、第一出力光ビーム６１３、第二出力光ビーム６１４、第三出力光ビーム６１２によって直接測定された異なる自由度に対応する変位情報と、それぞれ遠隔参照光信号に対応する変位情報とを減算することで、光ファイバ伝送の影響を受けない実際の異なる自由度の変位情報を得ることができる。別の実施形態では、遠隔参照光信号は、スペクトラム方式または偏光スペクトラム方式で取得することもでき、２つのビームを合わせて、アスタ回折方式で取得することもできる。本実施形態では、必要に応じて読み取りヘッド１００内に１つ以上のビーム角度コントローラを設けてもよい。図７を参照すると、第一ビーム角度制御部７００は、入射読み取りヘッド１００の異なる周波数を有する第一入力光ビーム６１０及び第二入力光ビーム６１１を平行に調整するのを支援するために使用することができ、第三ビーム角度制御部７０２は、上記遠隔参照光信号の平行度の調整を支援するために使用することができる。
変位測定装置の光源モジュールに光ファイバ伝送デュアル周波数レーザを採用することには，次のような利点がある。
第一に、回折部材の変位測定時、二つの周波数のビームは入力信号探知端ない光に均合計路、信号の質も受けない部材分光干渉しない理想、偏波混畳などの要因が影響を測定システムの基本ノンリニヤリティ誤差は存在しない、必要がないため、光信号処理過程で補償ノンリニヤリティ誤差；
第二に、光源モジュール出力の２入射周波数ビームの偏波の方向と同時に、形成の水準と垂に直接探知できる、シグナルを送る必要もない光位相を採取し、一部で干渉偏振片合成信号を避ける偏振片エネルギー使用による損失は、今回、信号の強度の光出力の利用率は１００％に上る、そしてビーム光学性能に対する影響が小さく、２つの入力光ビームの偏光方向が完全に直交していない場合、形成された水平方向および水平方向の信号も直接検出することができ、光位相収集部に偏光板を配置する必要がない。この場合、信号強度がやや弱く、光電力損失がやや大きい。偏光方向が直交している場合には、形成された水平方向および水平方向の信号を直接検出することはできず、光学検出モジュールの前に偏光板を配置して検出する必要がある。偏光板の作用により、この時間の電力損失は約５０％になる。
第三に、光ファイバー伝送デュアルバンドレーザ光源としてモジュールを読んでヘッドのセルが任意に置く必要測定位置に使うシーン、柔軟にできる大きな現場応用集成と守護の難易度を下げる、効率性を高め、たとえば用は読んでヘッドのコンポーネントを設置できる運動壇上につい台に移動し、インストール回折部材で固定不動のシステムである。
異なる周波数の入力光ビームを提供するために、本発明の変位測定装置において、光源モジュールは、自由空間デュアル周波数レーザを含むこともできる。図８は、本発明の他の実施例による変位測定装置の入力光ビームが異なる周波数である場合の模式図である。図８を参照すると、本実施形態において、光源モジュール３００は、自由空間デュアル周波数レーザを含み、特に、光源モジュール３００は、自由空間デュアル周波数レーザ３１０、第二偏光ミラー３２１、及び偏光状態調整要素３２０を含み得る。光源モジュール３００が自由空間複周波数レーザ３１０を利用して複周波数ビームを出力する原理は以下の通りである。
一般に、自由空間複周波数レーザは、２つのビームの周波数がわずかにずれているレーザビーム、すなわち、それぞれが第一周波数のレーザビーム及び第二周波数のレーザビームであり、２つのビームの偏光方向は直交している。第一周波数のレーザビームの偏光方向をＳ偏光とし、第二周波数のレーザビームの偏光方向をＰ偏光とする。第二偏光ミラー３２１を介してレーザビームが作用すると、第一周波数のＳ偏光ビームが偏光分光面で反射し、前述の第一入力光ビーム６１０を形成する。偏光分光面を透過し、第二偏光ミラー３２１の反射面で反射された後、第一入力光ビーム６１０と平行であるが距離だけずれた第二周波数のＰ偏光ビームが、偏光状態調整部材３２０を介して作用した後、偏光方向がＰ偏光からＳ偏光に変化して、前述の第二入力光ビーム６１１が形成される。これにより、光源モジュール３００は、伝播方向が平行で偏光方向が同じ２つのデュアル周波数入力ビームを出力することができる。
前述の説明によれば、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１は、読み出し読み取りヘッド１００によって受信された後、それらのガイドおよび結合によって、第一出力光ビーム６１３、第二出力光ビーム６１４および第三出力光ビーム６１２、次に、光学検出モジュールによる検出と信号分析モジュールによる回折部材２００の自由度の異なる変位情報を得ることができる。第２偏光分光器３２１を用いた分光により、わずかな非線形誤差が存在する場合には、信号分析モジュール５００の設計及び選択により、非線形誤差補償のための光電検出及び信号処理機能を持たせて補償することができる。上記の偏光状態調整要素３２０は、ビーム偏光状態の変化を可能にするために、１つの２分の１ウェーハー、２つの４分の１ウェーハー、または当分野で周知の他の偏光制御および調整要素を使用することができる。
上述した自由空間デュアル周波数レーザーを用いた変位測定装置は、光源モジュールが大きいため、移動台に合わせて回折部材２００が動き、ヘッドセットが固定されている測定シーンに好適であり、複数の自由度で回折部材２００の変位測定が可能である。また、光源モジュールに自由空間レーザーを採用する場合、上記の光ファイバ伝送デュアルレーザの場合には、読み取りヘッド１００は遠隔参照光信号を形成する必要がなく、光路伝送構造が単純で測定軸数が少ないという利点があり、装置の光パワー利用率の向上と構造複雑性の低減が可能である。
本実施形態は、互いに相対移動可能なウェーハーステージおよびレチクルステージを含むフォトリソグラフィー装置をさらに含む。フォトリソグラフィー装置は、上述した変位測定装置を含む。
リソグラフィは半導体工芸のカギ工芸、その仕事を含む誘導空間の図案複射の光の弊に塗り頂いたウエハー（たとえばガラスやチップ）で確定ウエハーのどの位置を含む受信複射（「い」と呼ばれる）とどんな位置にそこで光の弊に（「暴露」と呼ばれる）の過程を誘導ウエハーで、相対的に空間の図案複射定時、光の弊が通常の設置を支えるいたウエハーステージを移動できるステージ（並進と回転を含む）、移動ウエハーで正確な位置をそこからウエハーをウエハープラットフォームの移動時、測位を掩似通ったのを掩似通ったプラットフォームは普通、静止で違うデザインに基づいたリソグラフィ設備で、露出の期間に、マスク・プラットフォームは、マスク・プラットフォームがウェハーステージと協調して移動するように構成される。リソグラフィ装置は、半導体チップ、液晶パネル、ＯＬＥＤパネル、ＣＣＤセンサなどの製造に用いられる半導体デバイス及び半導体デバイスを含む製品を製造する重要なプロセス装置でもある。
上記の変位測定装置は、リソグラフィ装置の露光作業中にダイの位置を正確に測定するエンコーダシステムとして機能することができる。具体的には、図１ ～図８に示す回折部材２００（たとえば、ラスタ）は、ウェーハーステージまたはレチクルステージのうちの一方に貼り付けることができ、読み取りヘッド１００は、ウェーハーステージまたはレチクルステージのうちの他方に貼り付けることができる。ウエーハーステージおよびレチクルステージは、フォトリソグラフィー装置の動作中に相対的に移動するため、具体的な取付許容重量および寸法に応じて、具体的なラスタおよび読み取りヘッドの貼り付け方式を考慮することができる。
この変位測定装置を備え、幅角度の適応性、変位測定装置やエンコーダーを高めることができるシステムの角度を容差、小さく回折向かう電波を部材というものに対する干渉情報、強度の影響も小さくするのに役立つと姿勢制御難易度を設置、小さくまで計光路構造によるノンリニヤリティの誤差を避け、精度測定やリソグラフィ設備のシステムの精度を高める。
また、本実施形態は、上述した変位測定装置を用いることができる変位測定方法を備える。具体的には、変位測定方法は、以下のステップを含む。
（ステップ１）
光接触面と、その光接触面に平行な方向に配置された複数の重複回折ユニットとを含む回折部材を提供する。
（ステップ２）
第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを取得する。
（ステップ３）
第一入力光ビームおよび第二入力光ビームは、回折部材に平行に接触し、両方とも回折するように方向付けられ、次いで、回折された第一入力光ビームおよび第二入力光ビームは、少なくとも１つの出力光ビームを形成するために、少なくとも２つの逆方向回折部材によって方向付けられ、結合される。各出力光ビームは、回折部材の光接触面内の同じスポット位置から出射され、かつ、第一入力光ビームおよび第二入力光ビームにそれぞれ対応する方向の回折光信号を含む。
（ステップ４）
出力光ビームを検出する。
（ステップ５）
各出力光ビームの干渉信号の位相変化情報から回折部材の変位情報を得る。
図１～図８に示すように、本実施例に係る変位測定方法において、第一入力光ビーム６１０と第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に平行に接触する際、第一入力光ビーム６１０は、第一光スポット位置Ａにおいて一次回折され、６１１第２入力ビーム光スポット発生位置ｂ回折の業務報告の方向と同じ一回回折、第一入力光ビーム６１０（別の実施例では、第二入力光ビーム６１１）との１回の回折光ビームをガイドして、１回の回折光ビームが、たとえば、一方の再帰反射部材、回折部材２００、他方の再帰反射部材２００の順に反射された後、再帰反射部材および回折部材２００で反射されるようにする。回折部材２００の光接触面で再び反射され、同一スポット位置で第二入力光ビーム６１１（別の実施形態では第一入力光ビーム６１０）と少なくとも部分的に再結合されて同一方向に出射され、第一出力光ビーム６１３（別の実施形態では第二出力光ビーム６１４）が形成される。第一出力光ビーム６１３と第二出力光ビーム６１４の干渉信号の位相変化情報は、光接触面に位置する法線方向の自由度に沿った回折部材２００の変位情報を反映している。第一出力光ビーム６１３の干渉信号の位相変化と対応する回折部材２００の変位との間は、本実施形態で前述した式（１）を満たし、第二出力光ビーム６１４の干渉信号の位相変化と対応する回折部材２００の変位との間は、本実施形態で前述した式（２）を満たす。
好ましい方法では、上述した第一出力光ビーム６１３と第二出力光ビーム６１３の両方が、上記の方法で同時に形成され、すなわち、２軸方向の変位測定が実現される。出力が検出まで１ビーム６１３と２ビーム６１４後、参照前述の式（４）、ビーム出力を通じて初めてビームと２ ６１３ ６１４の干渉信号所の反映の所述回折２００は垂れ、自由に部材の変位情報、一方に補償できる環境測定光路への影響は、測定精度の向上により、一方、回折部材２００が光接触面内に位置する軸に沿って回転する回動自由度の変位情報は、式（４）で得ることができる。
以下では、本実施形態の変位測定方法により、回折部材２００の縦方向自由度の変位情報だけでなく、回折部材２００の横方向自由度の変位情報（本実施形態では、図１のＸＹ平面を「水平」とする）を得ることができる。
上述した第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１を回折部材２００と平行に接触させた後、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の一次回折光ビームは、それぞれが逆回折部材を介して回折部材２００と再び接触して２回回折を起こし、第一入力光ビーム６１０及び第二入力光ビーム６１１に対応する第二回折光ビームは、回折部材２００の光接触面の第三スポット位置Ｃにおいて少なくとも部分的に再結合されて同一方向に出射し、第三出力光ビーム６１２を形成する。第三出力光ビーム６１２の干渉信号の位相変化情報は、回折部材２００の光接触面方向と平行な水平自由度の変位情報を反映している。第三出力光ビーム６１２の干渉信号の位相変化は、前述の式（３）を満たす。本実施形態では、第三出力光ビーム６１２を形成する第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１の一次回折光ビームの回折次数次方向は、同じ入力光ビームに対応して逆方向であり、２回目および１回目の回折次数次方向は同じである。第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１にそれぞれ対応する第三出力光ビーム６１２における回折光信号は、同じ回折次数に対応し、たとえば、第三出力光ビーム６１２は、第一入力光ビーム６１０に対応する＋１次２次回折光ビーム（または２次回折光信号）と、第二入力光ビーム６１１に対応する－１次２次回折光ビーム（または２次回折光信号）とを含むことができ、または、別の実施形態では、第三出力光ビーム６１２は、第一入力光ビーム６１０に対応するー１次の２次回折ビームと、第二入力光ビーム６１１に対応する＋１次の２次回折ビームとを含むことができる。
上述した出力光ビームを得るプロセスを２つ以上適切に組み合わせることにより、回折部材２００の３つ以上の自由度での変位測定を達成することができる。たとえば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、ＲＸ方向（Ｘ軸に沿ったヨー方向）、Ｒｙ方向（Ｙ軸に沿ったヨー方向）、ＲＺ方向（Ｚ軸に沿ったヨー方向）の６自由度の変位測定が可能である。
出力をこの１とかビーム６１３、２、ビーム６１４ ２００ ６１２回折部材などを反映し、３出力光ビームは、自由度の変位情報輸出ビーム後、利用できる光学探査（または位相探査）出力デバイス前述ビームを検出し、さらにを通じて信号の伝送できる光ファイバに検出の光信号を分析し、回折部材２００の自由度に応じた変位情報は、出力光ビーム毎の干渉信号の位相変化情報から得られる。
本実施形態の変位測定方法は、第一入力光ビーム６１０および第二入力光ビーム６１１が回折部材２００に平行に接触して回折（１回目の回折）した後、第一入力光ビーム６１０及び第二入力光ビーム６１１にそれぞれ対応する回折光信号が、回折部材２００の光接触面内の同一スポットから反射され、かつ方向が重なり合うことにより、１自由度の回折部材変位情報と独立した関連する少なくとも１つの出力光ビームを形成する。あまりの出力できるビームを通じて得回折違って自由で部材の変位情報、アルゴリズムにより結合を解消する必要もない、に向かう電波を回折部材の解消というもの（たとえば，光の接触を相対的に向かう電波を内の軸というもの）による関係の光の角度の分離、小さく回折向かう電波を部材というものに対する干渉情報、強度の影響で測定精度の向上、すなわち広い角度の適応能力を備えている、また、この方法を適用した変位測定装置の角度許容差を高め、装置の取り付けと姿勢制御の難しさを低減することにも役立つ。また、形成された複数の出力光ビームは互いに独立しているため、各出力光ビームの干渉信号を検出し、ある自由度（又は方向）における回折部材の個別に得られる変位情報を解析することができ、計算プロセスの簡略化に役立つ。また、本実施形態の変位測定方法は、同一出力光ビームをアルゴリズム的にデカップリングすることにより異なる自由度の変位を得る測定方法と比較して、共光路構造に起因する非線形誤差を大幅に低減または回避することができる。
本実施形態の変位測定方法は、上述した変位測定装置の一般的な考え方に基づいており、変位測定装置の説明を参照することができる。
こうした描写は当発明が佳実施例の描写が、当発明限定範囲のいかなる権利ではなく、いかなる本分野の技術者が離脱しない本発明の精神と範囲内でも利用できるようにと提示内容自身の発明の方法と技術改正案に可能な変動と、ため、およそ未本発明案の内容から、本発明の技術的実体に基づいて上記の実施形態に対してなされるいかなる簡単な修正、均等な変化および修飾も、本発明の技術的態様の保護範囲に属する。
１００ 読み取りヘッド、
１１０ 第一再帰反射部材、
１１１ 第二再帰反射部材、
１３０ 第一反射部材、
１３１ 第二反射部材、
１３２ 第三反射部材、
１３３ 第一分光部材、
１３４ 第二分光部材、
１３５ 第三分光部材、
１３６ 第四遮光板、
２００ 回折部材、
３００ 光源モジュール、
３１０ 自由空間二重周波数レーザー、
３１１ 単周波数レーザー、
３２０ 偏光状態調節部材、
３２１ 第二偏光分光鏡、
３２２ 隔離器、
３２３ 第一音響光学周波数シフター、
３２４ 第二音響光学周波数シフター、
３２５ 第一遮光板、
３２６ 第二遮光板、
３２７ 第三遮光板、
３３０ 第一分光鏡、
３３１ 第二分光鏡、
３３２ 第三分光鏡、
３３３ 第四分光鏡、
３３４ 第一反射鏡、
３３５ 第二反射鏡、
３４０ 第一偏波保持光ファイバーカプラー、
３４１ 第二偏波保持光ファイバーカプラー、
３５０ マルチモード光ファイバーカプラー、
３７０ 第三光ビーム角度コントローラー、
４１０ 第三光学検出モジュール、
４１１ 第一光学検出モジュール、
４１２ 第二光学検出モジュール、
４１３ 第四光学検出モジュール、
４３０ 第三信号伝送光ファイバー、
４３１ 第一信号伝送光ファイバー、
４３２ 第二信号伝送光ファイバー、
４３３ 第四信号伝送光ファイバー、
４５０ 第一偏波保持光ファイバーコリメーター、
４５１ 第二偏波保持光ファイバーコリメーター、
４７０ 第一偏波保持光ファイバー、
４７１ 第二偏波保持光ファイバー、
４８１ 四分の一波長板、
４８２ 非偏光分光鏡、
４８３ 第一偏光分光鏡、
４８４ 第二偏光分光鏡、
４８５ 第一光カプラー、
４８６ 第二光カプラー、
４８７ 第三光カプラー、
４８８ 第四光カプラー、
５００ 信号分析モジュール、
６１０ 第一入力光ビーム、
６１１ 第二入力光ビーム、
６１２ 第三出力光ビーム、
６１３ 第一出力光ビーム、
６１４ 第二出力光ビーム、
６２１ 再帰反射部材への入力光ビーム、
６２２ 再帰反射部材からの出力光ビーム、
７００ 第一光ビーム角度コントローラー、
７０１ 第二光ビーム角度コントローラー、
７０２ 第三光ビーム角度コントローラー、
１３０１ レンズ、
１３０２ 凹面反射鏡。

Claims (25)

  1. 第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを生成する光源モジュールと、
    光接触面および前記光接触面に平行する方向に沿って配置された複数の重複回折ユニットを含む回折部材と、
    少なくとも二つの再帰反射部材を含み、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを受け、さらに、前記回折部材の光接触面に平行に接触させるとともに回折されるように前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導し、続いて、回折された第一入力光ビームおよび第二入力光ビームのうちの少なくとも一方を前記少なくとも二つの再帰反射部材によって誘導して他方と組み合わせることにより少なくとも一つの出力光ビームを形成し、各前記出力光ビームは、前記回折部材の光接触面内の同じ光スポット位置から出射される同じ方向であって、かつそれぞれ前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームに対応する回折光信号を含む読み取りヘッドと、
    各前記出力光ビームを検出する光学検出モジュールと、
    前記光学検出モジュールに接続され、各前記出力光ビームにより生成される干渉信号の位相変化情報に基づいて前記回折部材の変位情報を取得する信号分析モジュールと、
    を備え、
    前記読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第一入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第二光スポット位置において前記第二入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第一出力光ビームを形成し、
    前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第一変位情報を反映する、変位測定装置。
  2. 前記読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第一光スポット位置において前記第一入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第二出力光ビームを形成し、
    前記第二出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第二変位情報を反映する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
  3. 前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームは、いずれも同じ回折次数における方向が同じであってかつ前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームのそれぞれに対応する一次回折光信号を含み、
    前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームの干渉位相は逆である、
    ことを特徴とする請求項２に記載の変位測定装置。
  4. 前記第一出力光ビームは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの（＋１）回折次数における一次回折光信号を含み、前記第二出力光ビームは、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの（－１）回折次数における一次回折光信号を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載の変位測定装置。
  5. 前記信号分析モジュールは、さらに、前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームの干渉信号の位相変化情報に基づいて、前記回折部材の光接触面内の軸周りを回転する方向の回転自由度における変位情報を取得する、
    ことを特徴とする請求項２に記載の変位測定装置。
  6. 前記読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させた後、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの一次回折光ビームのそれぞれは、前記再帰反射部材の再帰反射によって前記回折部材と再び接触して二次回折され、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの二次回折光ビームは前記回折部材の第三光スポット位置において少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第三出力光ビームを形成し、
    前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の前記光接触面に平行する平行方向に沿った水平方向の自由度の第三変位情報を反映する、
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の変位測定装置。
  7. 前記回折部材は、一次元格子または二次元格子である、ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
  8. 前記再帰反射部材は、角錐プリズム、直角プリズム、キャッツアイリフレクターおよびダブプリズムのうちのいずれか一つである、ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
  9. 前記読み取りヘッドは、光ビーム角度コントローラを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
  10. 前記光ビーム角度コントローラは、一個のくさび部材、一対のくさび部材、回折格子および複屈折部材のうちのいずれか一つである、ことを特徴とする請求項９に記載の変位測定装置。
  11. 前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームは、異なる周波数を有するレーザービームである、ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
  12. 前記光源モジュールは、光ファイバ伝送に基づく二重周波数レーザーを含み、平行方向に沿って前記回折部材に接触する前、前記読み取りヘッドは、さらに、受けた前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームに対してそれぞれ分割および合成することにより遠隔の参考光ビームを形成する、ことを特徴とする請求項１１に記載の変位測定装置。
  13. 前記光源モジュールは、自由空間二重周波数レーザーおよび分光部材を含み、前記自由空間二重周波数レーザーは、二重周波数の光ビームを生成し、前記分光部材は、前記二重周波数の光ビームを偏光方向の直交する二つの光ビームに分割する、ことを特徴とする請求項１１に記載の変位測定装置。
  14. 前記光源モジュールは偏光制御部品を含み、前記偏光制御部品は、各前記出力光ビームのうち前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームのそれぞれに対応する複数の前記回折光信号の前記光学検出モジュールに入る際の偏光方向を同じくさせる、ことを特徴とする請求項１１に記載の変位測定装置。
  15. 前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームは、同じ周波数のレーザービームである、ことを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
  16. 前記光源モジュールまたは前記読み取りヘッドは偏光制御部品を含み、前記偏光制御部品は、各前記出力光ビームのうち前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームのそれぞれに対応する前記複数の回折光ビームを、前記光学検出モジュールに入る際の偏光方向を直交させる、ことを特徴とする請求項１５に記載の変位測定装置。
  17. 前記読み取りヘッドは、少なくとも四つの出力光ビームを生成し、前記光学検出モジュールは、前記少なくとも四つの出力光ビームを検出した後、各前記出力光ビームの干渉信号について位相を変位して、順に９０度オフセットした四つの前記出力光ビームを出力する、ことを特徴とする請求項１６に記載の変位測定装置。
  18. 光接触面および前記光接触面に平行する方向に沿って配置された複数の重複回折ユニットを含む回折部材を提供するステップと、
    第一入力光ビームおよび第二入力光ビームを取得するステップと、
    前記回折部材の光接触面に平行に接触させるとともに回折されるように前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導し、続いて、回折された第一入力光ビームおよび第二入力光ビームのうちの少なくとも一方を少なくとも二つの再帰反射部材によって誘導して他方と組み合わせることにより少なくとも一つの出力光ビームを形成し、各前記出力光ビームは、前記回折部材の光接触面内の同じ光スポット位置から出射される同じ方向であって、かつそれぞれ前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームに対応する回折光信号を含むようにするステップと、
    前記出力光ビームを検出するステップと、
    各前記出力光ビームにより生成される干渉信号の位相変化情報に基づいて前記回折部材の変位情報を取得するステップと、
    有し、
    前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第一入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第二光スポット位置において前記第二入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第一出力光ビームを形成し、
    前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第一変位情報を反映する変位測定方法。
  19. 前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化と、前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った変位とは、以下の関係式を満たし、
    ここで、φｚ１は前記第一出力光ビームの干渉信号の位相変化であり、ΔＺ１は前記回折部材の垂直方向の自由度での変位量であり、λは前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの波長の平均値であり、θは前記回折部材の光接触面に平行に接触した後に生じる前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの一次回折のｍ次数における回折角であり、ｍは０以外の整数である、
    ことを特徴とする、請求項１８に記載の変位測定方法。
  20. 読み取りヘッドによって前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを誘導して前記回折部材の光接触面に平行に接触させる際、前記第一入力光ビームは第一光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームは第二光スポット位置において一次回折され、前記第二入力光ビームの一次回折光ビームは、前記再帰反射部材および前記回折部材により往復反射された後、前記第一光スポット位置において前記第一入力光ビームの一次回折光ビームと少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第二出力光ビームを形成し、
    前記第二出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の光接触面の法線方向に沿った垂直方向の自由度の第二変位情報を反映し、
    前記第一出力光ビームと前記第二出力光ビームとの干渉位相は逆である、
    ことを特徴とする、請求項１８に記載の変位測定方法。
  21. 前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームを検出した後、前記第一出力光ビームおよび前記第二出力光ビームの干渉信号により反映される前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った位置情報に基づいて、前記回折部材の光接触面内の軸周りを回転する方向の回転自由度における変位情報を取得する、
    ことを特徴とする、請求項２０に記載の変位測定方法。
  22. 前記回折部材と前記第一出力光ビームとの対応する変位、および前記回折部材と前記第二出力光ビームとの対応する変位の間では、以下の関係式を満たし、
    ここで、ΔＺ１およびΔＺ２はそれぞれ前記第一出力光ビームにより反映される前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った第一変位情報および前記第二出力光ビームにより反映される前記回折部材の垂直方向の自由度に沿った第二変位情報であり、Ｄｆ１ｆ２は前記第一光スポット位置と前記第二光スポット位置との距離であり、Ｒｙは前記回折部材の光接触面内の軸周りを回転する方向の回転自由度における変位情報である、
    ことを特徴とする、請求項２１に記載の変位測定方法。
  23. 前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームを前記回折部材の光接触面に平行に接触させた後、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの一次回折光ビームのそれぞれを、前記再帰反射部材の再帰反射によって前記回折部材と再び接触して二次回折されるようにさせ、前記第一入力光ビームおよび前記第二入力光ビームの二次回折光ビームは前記回折部材の第三光スポット位置において少なくとも部分的に重なり合い、かつ同じ方向に沿って出射することにより第三出力光ビームを形成し、
    前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化情報は、前記回折部材の前記光接触面に平行する平行方向に沿った水平方向の自由度における第三変位情報を反映する、
    ことを特徴とする、請求項１８～２２のいずれか一項に記載の変位測定方法。
  24. 前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化と、前記回折部材の対応する水平方向の自由度における変位とは、以下の関係式を満たし、
    ここで、φｘ１は前記第三出力光ビームの干渉信号の位相変化であり、ΔＸは前記回折部材の第一方向における変位であり、Ｐは前記回折部材の複数の重複回折ユニットの前記水平方向の自由度における距離であり、ｍは０以外の整数である、
    ことを特徴とする、請求項２３に記載の変位測定方法。
  25. 互いに相対移動可能なウェハーステージおよびレチクルステージを含むフォトリソグラフィー装置であって、請求項１～１７のいずれか一項に記載の変位測定装置を備え、前記回折部材は前記ウェハーステージまたは前記レチクルステージのいずれか一方に貼り付けられ、前記読み取りヘッドは前記ウェハーステージまたは前記レチクルステージの他方に貼り付けられている、フォトリソグラフィー装置。
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