JPH0540184A - Stage position detector - Google Patents

Stage position detector

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JPH0540184A
JPH0540184A JP3221260A JP22126091A JPH0540184A JP H0540184 A JPH0540184 A JP H0540184A JP 3221260 A JP3221260 A JP 3221260A JP 22126091 A JP22126091 A JP 22126091A JP H0540184 A JPH0540184 A JP H0540184A
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JP
Japan
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stage
light
diffraction grating
beams
frequency
Prior art date
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JP3221260A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Onoda
浩 小野田
Takechika Nishi
健爾 西
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To eliminate the detection error due to the air fluctuation and the like in a device making use of an interferometer or the like and obtain a stage position detector with a good detection accuracy. CONSTITUTION:By providing a diffraction grating on a stage 13 which is linearly movable, light beams with different frequencies are guided from different direction so that one side diffraction light of +1 grade and the other side diffraction light of -1 grade are generated perpendicularly to the grating plane. Also provided are a detection means to detect the position of the stage 13 based on the phase difference from a standard signal with a period corresponding to the frequency difference of the two diffraction lights received simultaneously and a control means 12 to control the stage as to have relative velocity to the interference fringes. The moving direction of the interference fringes is changed forwadly and veversely in accordance with the change of the moving direction of the stage 13.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はステージの位置を検出す
る装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for detecting the position of a stage.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のステージ位置検出装置では、レー
ザ光波干渉式測長器いわゆる干渉計を利用するものが一
般的であった。これは、1次元若しくは2次元移動ステ
ージにおいて、ステージ外のある動かない点(例えば、
レーザ光源の内部)に設けられた第1の鏡(固定鏡)
と、位置測定をしようとする被計測物体(ステージ)上
に設けられた第2の鏡(移動鏡)とを利用し、双方の鏡
に既知の波長を有する光(レーザビーム)を送り、それ
らの反射光を同軸に合成して受光することでステージの
移動量を検出するものである。
2. Description of the Related Art A conventional stage position detecting device generally uses a laser light wave interference type length measuring device, a so-called interferometer. This is a fixed point (eg,
The first mirror (fixed mirror) provided inside the laser light source)
And a second mirror (moving mirror) provided on the measured object (stage) whose position is to be measured, and sends light (laser beam) having a known wavelength to both mirrors, The amount of movement of the stage is detected by coaxially synthesizing the reflected light of and receiving the light.

【0003】即ち、従来の干渉計によるものでは、ステ
ージが移動するとそれに応じて移動鏡が動いた分だけ
(固定鏡は動かない)固定鏡と移動鏡との間に光路差が
生じ、これに基いて干渉計の値(すなわちカウンタの計
数値)が変化するため、移動鏡(ステージ)の位置がこ
こで生じた光路の差より求まる事を利用していた。
That is, in the conventional interferometer, when the stage moves, the optical path difference is generated between the fixed mirror and the movable mirror by the amount that the movable mirror moves accordingly (the fixed mirror does not move). Since the value of the interferometer (that is, the count value of the counter) changes based on that, the fact that the position of the movable mirror (stage) is obtained from the difference in the optical paths generated here has been used.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の技術
革新に伴い、例えば半導体製造用の露光装置等に使用さ
れるステージ装置では、より高い位置検出精度が要求さ
れるようになり、近年では0.01μm程度以下の分解
能が要求されている。しかしながら、干渉計を用いる位
置検出においては、最小単位が使用するレーザ光の1/
2波長分程度であるため、上記要求を満足することがで
きず、これに代わる位置検出装置が渇望されている。
By the way, with recent technological innovation, for example, a stage apparatus used for an exposure apparatus for semiconductor manufacturing is required to have higher position detection accuracy. A resolution of about 0.01 μm or less is required. However, in position detection using an interferometer, the minimum unit is 1 / of the laser light used.
Since the number of wavelengths is about two wavelengths, the above requirements cannot be satisfied, and a position detection device that replaces this requirement is eagerly desired.

【0005】また、従来の干渉計による位置計測では、
鏡の反射を利用して光が行って帰ってくるその距離を測
るものであったが、光路中での空気のゆらぎ等による影
響から測定誤差が生ずる問題があった。即ち、測定光の
光路中に温度の違う空気のエリアが存在したり、風等の
影響から光路中に空気密度が異なる部分が生じると、そ
の光路中で屈折率が変化することがあり、ステージ自体
が動かない場合にも光学的光路が変化して、あたかもス
テージの位置ずれが起きたように計測されてしまう問題
があった。
Further, in the position measurement by the conventional interferometer,
Although the distance that light travels and returns is measured using the reflection of a mirror, there is a problem that measurement errors occur due to the effects of air fluctuations in the optical path. That is, if there are areas of air with different temperatures in the optical path of the measurement light, or if there is a portion with a different air density in the optical path due to the effect of wind, etc., the refractive index may change in that optical path. Even when the device itself does not move, there is a problem that the optical optical path changes and the measurement is performed as if the position of the stage was displaced.

【0006】これらの誤差は、当然にステージの移動中
の移動量を検出する際にも測定誤差として計測値に含ま
れるものであり、従来の干渉計を用いるものでは、ステ
ージの移動に伴って、固定鏡と移動鏡との間の光路が長
くなり得るので、先の精度の要求とあわせこの誤差が無
視できない値となる問題がある。さらに、干渉計では測
定光束がその光路を往復するので、検出値の誤差がさら
に大きくなる問題があった。
Naturally, these errors are included in the measured values as measurement errors when detecting the movement amount of the stage during movement, and in the case of using the conventional interferometer, the errors are accompanied by the movement of the stage. Since the optical path between the fixed mirror and the movable mirror can be long, there is a problem that this error becomes a non-negligible value together with the requirement of the accuracy described above. Further, in the interferometer, since the measurement light beam reciprocates in the optical path, there is a problem that the error of the detection value becomes larger.

【0007】そこで、本発明では、前記空気ゆらぎによ
る影響の低減と、測定精度の向上を図ることができる新
たな位置検出装置を提供する事を目的とする。
Therefore, it is an object of the present invention to provide a new position detecting device capable of reducing the influence of the air fluctuation and improving the measurement accuracy.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため本発
明では、所定方向に一次元移動可能なステージと、該ス
テージにその移動方向にほぼ沿って配列された回折格子
と、該回折格子に所定の交差角で2方向から互いに異な
る周波数の2つのビームを照射するビーム照射手段と、
前記回折格子からほぼ同一方向に発生した回折光同士の
干渉光を受光する光電検出手段と、該光電検出手段から
の検出信号と前記2つのビームの周波数差に対応した周
期の基準信号との移送差に基づいて前記ステージの位置
を検出する手段と、前記2つのビームの照射によって前
記回折格子上に形成される干渉縞と前記ステージとが相
対速度を持つように、前記干渉縞と前記ステージの少な
くとも一方の移動速度または移動方向を制御する手段と
を備えたことを特徴とするステージ位置検出装置を提供
する。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a stage capable of one-dimensional movement in a predetermined direction, a diffraction grating arranged on the stage substantially along the movement direction, and a diffraction grating are provided. Beam irradiating means for irradiating two beams having different frequencies from two directions at a predetermined crossing angle,
Photoelectric detection means for receiving interference light of diffracted lights generated in substantially the same direction from the diffraction grating, and transfer of a detection signal from the photoelectric detection means and a reference signal having a cycle corresponding to the frequency difference between the two beams. Means for detecting the position of the stage based on the difference, and the interference fringes and the stage so that the interference fringes formed on the diffraction grating by the irradiation of the two beams and the stage have a relative speed. There is provided a stage position detection device including a means for controlling at least one moving speed or moving direction.

【0009】[0009]

【作用】本発明の基本的作用を図面を用いて説明する。
図5に示すように、一次元の回折格子(反射型、又は透
過型)に垂直にコヒーレントビームを照射すると、格子
パターンのピッチに対応した回折角で±1次、±2次、
………の回折光が発生する。逆に、この回折格子に±1
次回折光の発生方向から2つのコヒーレントビーム(可
干渉)を同時に照射すると、回折格子に対して垂直方向
に±1次回折光が発生する。
The basic operation of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 5, when a one-dimensional diffraction grating (reflection type or transmission type) is vertically irradiated with a coherent beam, the diffraction angles corresponding to the pitch of the grating pattern are ± 1st order, ± 2nd order,
……… Diffracted light is generated. Conversely, this diffraction grating has a ± 1
When two coherent beams (coherent) are simultaneously irradiated from the generation direction of the second-order diffracted light, ± first-order diffracted light is generated in the direction perpendicular to the diffraction grating.

【0010】図5において、回折格子WGのピッチ方向
は紙面の左右方向であり、2つのコヒーレントビーム
(平行光束)LB1 ,LB2 が回折格子WG上で交差す
るように、入射角θで対称的に回折格子WGを照射す
る。なお、この図では、ビームLB1 ,LB2 を直線で
示したが、実際には回折格子WGを一様に照射するだけ
のビーム径(断面積)を有している。
In FIG. 5, the pitch direction of the diffraction grating WG is the left-right direction of the paper surface, and the two coherent beams (parallel light beams) LB 1 and LB 2 are symmetrical at the incident angle θ so that they intersect on the diffraction grating WG. The diffraction grating WG is irradiated with light. In this figure, the beams LB 1 and LB 2 are shown by straight lines, but in reality, the beam diameter (cross-sectional area) is sufficient to irradiate the diffraction grating WG uniformly.

【0011】そして、ビームLB1 ,LB2 が、同一の
レーザ光源から射出したものとすると、回折格子WG上
には一次元の干渉縞IFが作られる。この干渉縞IF
は、回折格子WGと平行な明暗の縞であり、そのピッチ
f は、以下の式(1) の関係で定められる。(λはビー
ムLB1 ,LB2 の波長である。)
When the beams LB 1 and LB 2 are emitted from the same laser light source, a one-dimensional interference fringe IF is formed on the diffraction grating WG. This interference fringe IF
Is a bright and dark fringe parallel to the diffraction grating WG, and its pitch P f is defined by the relationship of the following expression (1). (Λ is the wavelength of the beams LB 1 and LB 2. )

【0012】[0012]

【数1】 [Equation 1]

【0013】ここで、一方のビームLB1 の照射により
回折格子WGから生ずる回折光について考えてみる。一
般に、ピッチPg の格子に一本のビームを照射した時に
生ずる±n次回折光の回折角An は、0次光(正反射
光、又は透過光)を基準として以下に示す(2) 式の関係
になる。
Now, let us consider the diffracted light generated from the diffraction grating WG by the irradiation of the one beam LB 1 . Generally, the diffraction angle A n of the ± n-order diffracted light generated when one beam is irradiated to the grating having the pitch P g is expressed by the following equation (2) with reference to the 0-th order light (regular reflection light or transmitted light). It becomes a relationship.

【0014】[0014]

【数2】 [Equation 2]

【0015】さて、図5に示すようにビームLB1 の入
射角はθであるから、ビームLB1の回折格子WGでの
正反射光、即ち0次光B1 (0)の出射角もθである。
そして、この0次光B1 (0)を基準として、紙面内時
計回りを正(+)、反時計回りを負(−)に定めると、
ビームLB1 の照射により回折格子WGから発生する+
1次光B1 (+1)と−1次光B1 (−1)とは、0次
光B1 (0)を挟んで対称に位置する。ここで、−1次
光B1 (−1)を回折格子WGに対して垂直に発生させ
るとなると、0次光B1 (0)と−1次光B1 (−1)
との成す角度、即ちn=1における回折角An をθにす
る必要がある。そこで、式(2) より、n=1,An =θ
とすると、以下の関係となる。
As shown in FIG. 5, since the incident angle of the beam LB 1 is θ, the regular reflection light of the beam LB 1 on the diffraction grating WG, that is, the emission angle of the 0th order light B 1 (0) is also θ. Is.
Then, with the 0th-order light B 1 (0) as a reference, when clockwise in the plane of the drawing is set to positive (+) and counterclockwise is set to negative (-),
By irradiation of the beam LB 1 generated from the diffraction grating WG +
The 1st-order light B 1 (+1) and the -1st-order light B 1 (-1) are located symmetrically with the 0th-order light B 1 (0) interposed therebetween. Here, when the −1st order light B 1 (−1) is generated perpendicularly to the diffraction grating WG, the 0th order light B 1 (0) and the −1st order light B 1 (−1) are generated.
It is necessary to set the angle formed by and, that is, the diffraction angle A n at n = 1 to θ. Therefore, from equation (2), n = 1, A n = θ
Then, the following relationship is established.

【0016】[0016]

【数3】 [Equation 3]

【0017】これを、式(1) に代入すると、以下の関係
が成り立つ。
Substituting this into equation (1), the following relationship holds.

【0018】[0018]

【数4】 [Equation 4]

【0019】この(3) 式からも明らかなように、回折格
子WGのピッチPg を、入射角θ(sinθ=λ/P
g )によって一義的に定められる干渉縞IFのピッチP
f の丁度2倍にすると、ビームLB1 の−1次光B1
(−1)は回折格子WGから垂直に発生する。尚、+1
次光B1 (+1)は、0次光B1 (0)より角度θだけ
外側に広がった方向に発生する。同様に、他方のビーム
LB2 の照射により回折格子WGから発生する±1次回
折光B2 (+1),B2 (−1)のうち、+1次光B2
(+1)は回折格子WGから垂直に発生する。そして、
同様に−1次光B2(−1)は、0次光B2 (0)より
も角度θだけ外側に広がった方向に発生する。
As is clear from the equation (3), the pitch P g of the diffraction grating WG can be calculated by changing the incident angle θ (sin θ = λ / P
g ) the pitch P of the interference fringes IF uniquely determined by
If it is exactly doubled from f , the minus first -order light beam B 1 of the beam LB 1
(-1) is generated vertically from the diffraction grating WG. +1
The next light B 1 (+1) is generated in a direction spreading outward by an angle θ from the 0th light B 1 (0). Similarly, of the ± first-order diffracted lights B 2 (+1) and B 2 (−1) generated from the diffraction grating WG by the irradiation of the other beam LB 2 , the + 1st-order light B 2
(+1) is generated vertically from the diffraction grating WG. And
Similarly, the −1st order light B 2 (−1) is generated in a direction spreading outward by an angle θ from the 0th order light B 2 (0).

【0020】従って、干渉縞IFのピッチPf が回折格
子WGのピッチPg の1/2のとき、同次数で逆符号の
±1次光B1 (−1),B2 (+1)同志が同軸(回折
格子面に対して垂直な方向)に合成され、互いに干渉し
合うことになる。さらに、干渉し合う回折光同志は±1
次光だけではなく、この図5の場合、次数差2の回折光
同志が同軸に合成されるので、これらも互いに干渉し合
うことになる。例えば、0次光B1 (0)と同軸になる
のは、ビームLB2 の照射により回折格子WGから生ず
る+2次光B2 (+2)であり、+1次光B1 (+1)
と同軸になるのは、+3次光B2 (+3)である。
Therefore, when the pitch P f of the interference fringes IF is 1/2 of the pitch P g of the diffraction grating WG, ± 1st order lights B 1 (−1) and B 2 (+1) of the same order and opposite signs are used. Are combined coaxially (direction perpendicular to the diffraction grating surface) and interfere with each other. Moreover, the diffracted lights that interfere with each other are ± 1
In the case of FIG. 5, not only the next light, but also the diffracted lights having the order difference of 2 are combined coaxially, so that they also interfere with each other. For example, the + second-order light B 2 (+2) generated from the diffraction grating WG by the irradiation of the beam LB 2 is coaxial with the 0th-order light B 1 (0), and the + 1st-order light B 1 (+1).
Coincident with is the + 3rd order light B 2 (+3).

【0021】ところで、位置計測にあたっては、図5に
示したように、ほぼ同一方向に発生する互いに干渉し合
う回折光(次数差2の回折光同志)を光電検出する。こ
こでは、図5における±1次光のB1 (−1),B2
(+1)の干渉光を光電検出するものとする。まず、図
5の回折格子WGをピッチ方向(x方向)に移動させて
みると、2つのビームLB1 ,LB2 の光の位相は、そ
れぞれ以下のように変化する。
By the way, in the position measurement, as shown in FIG. 5, diffracted lights (diffracted lights of order difference 2) generated in substantially the same direction and interfering with each other are photoelectrically detected. Here, B 1 (−1) and B 2 of the ± first-order light in FIG.
It is assumed that the interference light of (+1) is photoelectrically detected. First, when the diffraction grating WG in FIG. 5 is moved in the pitch direction (x direction), the light phases of the two beams LB 1 and LB 2 change as follows.

【0022】2・π・x/Pg ,−2・π・x/Pg
(単位はrad)
2 · π · x / P g , −2 · π · x / P g
(Unit is rad)

【0023】よって、±1次光の干渉強度は、cos
(4πx/Pg )で変化し、回折格子WGのピッチPg
の1/2の変位毎に1周期となる正弦波状の光電信号が
得られる。従って、回折格子WGと干渉縞IFとを相対
的に移動させたときの光電信号の強度変化に基づいて、
回折格子の位置ずれが計測される。
Therefore, the interference intensity of the ± 1st order light is cos.
The pitch P g of the diffraction grating WG changes with (4πx / P g ).
A sinusoidal photoelectric signal having one cycle is obtained for each 1/2 of the displacement. Therefore, based on the intensity change of the photoelectric signal when the diffraction grating WG and the interference fringes IF are relatively moved,
The displacement of the diffraction grating is measured.

【0024】以上の説明は、2つのビームLB1 ,LB
2 の周波数が等しいときであり、2つのビームLB1
LB2 に周波数差△fがあると、格子上の干渉縞IFは
速度Vでピッチ方向に走る(流れる)ことになる。この
干渉縞の移動速度Vは、V=Pf ・△fで表される。
The above description is based on the two beams LB 1 and LB.
When the frequencies of 2 are equal and the two beams LB 1 ,
If there is a frequency difference Δf in LB 2 , the interference fringes IF on the grating will run (flow) in the pitch direction at a velocity V. The moving speed V of this interference fringe is represented by V = P f · Δf.

【0025】そこで、ビームLB1 の周波数をf1 ,ビ
ームLB2 の周波数をf2 とすると、周波数差△f=f
1 −f2 となり、図5の場合ビームLB1 ,LB2 の光
の位相は回折格子WGを静止させた状態でも以下の様に
なる。
Therefore, assuming that the frequency of the beam LB 1 is f 1 and the frequency of the beam LB 2 is f 2 , the frequency difference Δf = f
1 -f 2, and the phase of light when the beam LB 1, LB 2 in FIG. 5 is as follows even kept stationary diffraction grating WG.

【0026】[0026]

【数5】 [Equation 5]

【0027】従って、図5の場合の±1次光B1 (−
1),B2 (+1)の干渉強度It は、次式で表され
る。
Therefore, the ± first-order light B 1 (-
The interference intensity I t of 1) and B 2 (+1) is expressed by the following equation.

【0028】[0028]

【数6】 [Equation 6]

【0029】この式(6) には、時間成分が入ってくるこ
とから、干渉強度が△f(=f1 −f2 )の周波数で時
間的に変化し、その位相成分として(2x/Pg )とい
う位置情報が含まれることを意味する。そして、この△
fをビート周波数と呼び、位相(2x/Pg )を計測す
るためには、基準となる同一のビート周波数(参照信
号)を発生させて、それとの位相差を測定することで位
置情報(基準位置に対する位置ずれ量)が得られるもの
となっている。
Since a time component is included in this equation (6), the interference intensity temporally changes at the frequency of Δf (= f 1 -f 2 ), and its phase component is (2x / P). g ) means that location information is included. And this △
f is called a beat frequency, and in order to measure the phase (2x / P g ), the same beat frequency (reference signal) serving as a reference is generated, and the phase difference from it is measured to measure the position information (reference The amount of positional deviation with respect to the position) can be obtained.

【0030】以上の原理説明に従い、本発明では2つの
ビームLB1 ,LB2 に周波数差△fを与えて回折格子
の位置ずれを計測する方式を採用し、移動するステージ
に直接回折格子を設けることでステージ位置の検出を行
うものとしている。即ち、本発明は上述した基本的原理
に基き、ステージ上に設けられた格子パターンにわずか
に周波数の異なる二光束を所定の角度で照射し、ここで
発生する例えば±1次回折光同士の干渉光を光電検出す
ることで得られるビート信号に基いて位置情報を検出
し、これを利用して移動可能な1次元ステージ等の位置
を知るものである。
In accordance with the above explanation of the principle, the present invention adopts a method of measuring the positional deviation of the diffraction grating by giving the frequency difference Δf to the two beams LB 1 and LB 2 , and providing the diffraction grating directly on the moving stage. Therefore, the stage position is detected. That is, the present invention is based on the above-described basic principle and irradiates two light fluxes having slightly different frequencies on a grating pattern provided on a stage at a predetermined angle, and, for example, interference light between ± first-order diffracted light beams generated here. The position information is detected based on the beat signal obtained by photoelectrically detecting, and the position information of the movable one-dimensional stage or the like is known using this position information.

【0031】このため、本発明では回折格子(格子パタ
ーンを有するものであれば良い。)を1次元的に移動可
能なステージに設けており、そのピッチ方向はその移動
方向とほぼ同一となるように配設されている。そして、
照射手段からこの格子パターン上へ、わずかに周波数の
異なる二光束を異なる二方向から入射させる。この場
合、光学手段において二光束の挟む角度(2θ)は、一
方の1次回折光と他方の−1次回折光とが同一方向に発
生する(sinθ=λ/Pg を満たす)ように設定す
る。この際、上記の如く±1次光以外にも互いに次数差
が2の回折光同志が同一方向に回折される。ここで、回
折光の強度並びに検出系の配置等の問題から、片方の+
1次回折光ともう一方の−1次回折光とが計測方向と直
交する方向(回折格子面に対して垂直な方向)に発生す
るように二光束の入射角を夫々決めることが好ましい。
For this reason, in the present invention, the diffraction grating (which has a grating pattern) is provided on the one-dimensionally movable stage, and its pitch direction is substantially the same as the moving direction. It is installed in. And
Two light fluxes having slightly different frequencies are made to enter the lattice pattern from the irradiation means from two different directions. In this case, the angle (2θ) sandwiched by the two light beams in the optical means is set so that one first-order diffracted light and the other −1st-order diffracted light are generated in the same direction (sin θ = λ / P g is satisfied). At this time, the diffracted lights having order differences of 2 other than the ± first-order lights are diffracted in the same direction as described above. Here, due to problems such as the intensity of diffracted light and the arrangement of the detection system,
It is preferable to determine the incident angles of the two light fluxes so that the first-order diffracted light and the other -1st-order diffracted light are generated in a direction orthogonal to the measurement direction (direction perpendicular to the diffraction grating surface).

【0032】さらに、検出手段では前記2光束を格子パ
ターンに照射した結果、そこから発生する次数差が2の
回折光同志(例えば±1次回折光)を光電センサーで受
け、干渉縞の明暗変化の周期(すなわちビート周波数△
f)に応じた正弦波状の交流信号、いわゆるビート信号
(位置情報を含む)を検出する。この際に、ステージ外
の固定位置に前記移動ステージに設けたのと同じ間隔
(ピッチ)の基準格子パターンを刻んでおき、前記同様
な光源手段による照射装置を持ってこの格子パターンに
も二光束を入射させ、そこで発生する例えば±1次回折
光を光電センサーで受け、ここで検出されるビート信号
を基準信号とする。そして、ここで受けた基準信号と前
記移動ステージに設けた格子パターンからの測定信号と
の位相差を検出することで、ステージの位置計測を行
う。
Further, as a result of irradiating the grating pattern with the two light fluxes by the detection means, the photoelectric sensor receives the diffracted light having the second order difference of 2 (for example, ± 1st order diffracted light), and changes the brightness of the interference fringes. Cycle (ie beat frequency △
A sinusoidal AC signal corresponding to f), that is, a so-called beat signal (including position information) is detected. At this time, a reference grid pattern having the same interval (pitch) as that provided on the movable stage is engraved at a fixed position outside the stage, and an irradiation device by the same light source means as described above is used for this grid pattern. Is incident, the ± 1st-order diffracted light generated there is received by a photoelectric sensor, and the beat signal detected here is used as a reference signal. Then, the position of the stage is measured by detecting the phase difference between the reference signal received here and the measurement signal from the grating pattern provided on the moving stage.

【0033】なお、基準回折格子としては、ステージ上
に設けたもと同一のピッチ(Pf =Pg )のものを用
い、その基準回折格子から生ずる、0次光と±1次光等
を用いて基準ビート信号としてもよい。
As the reference diffraction grating, the one having the same pitch (P f = P g ) provided on the stage was used, and the 0th order light and the ± 1st order light generated from the reference diffraction grating were used. It may be a reference beat signal.

【0034】ところで、本発明にかかる位置検出装置で
は、従来の干渉計を利用した場合の鏡を利用するものと
は異なり回折格子を利用する。そして、位置検出の際に
検出するステージの移動方向は、従来の干渉計では鏡面
に対して垂直な方向であるのに対し、本発明では回折格
子面と平行な方向である。即ち、干渉計では被検出面に
設けられた鏡に対して垂直な方向に検査光を照射し、か
つその照射方向と同一の方向に移動するステージの位置
検出を行うものであった。これに対し、本発明ではステ
ージの移動方向にほぼ沿って配列された回折格子に対
し、その格子面と対向する位置に設けられたビーム照射
手段と光電検出手段とにより、検査ビームの照射方向と
は異なり、ステージの移動方向と平行な方向から位置検
出並びに移動量の検出を行う。このため、測定光の光路
長がステージの移動により変化せず、また回折格子面に
近い位置での検出が可能であるため、空気のゆらぎ等の
影響が極めて少ないものとなり、かつ極めて高精度な位
置計測が可能なものとなっている。
By the way, the position detecting device according to the present invention uses a diffraction grating unlike the conventional one using a mirror when an interferometer is used. The moving direction of the stage, which is detected when detecting the position, is perpendicular to the mirror surface in the conventional interferometer, whereas it is parallel to the diffraction grating surface in the present invention. That is, the interferometer irradiates the inspection light in a direction perpendicular to the mirror provided on the surface to be detected, and detects the position of the stage that moves in the same direction as the irradiation direction. On the other hand, in the present invention, with respect to the diffraction gratings arranged substantially along the moving direction of the stage, the irradiation direction of the inspection beam is changed by the beam irradiation means and the photoelectric detection means provided at the position facing the grating surface. However, the position detection and the movement amount are detected from the direction parallel to the moving direction of the stage. Therefore, the optical path length of the measurement light does not change due to the movement of the stage, and since it can be detected at a position close to the diffraction grating surface, the influence of air fluctuations is extremely small, and the accuracy is extremely high. Position measurement is possible.

【0035】さらに、回折格子へ入射する二光束の幅を
広く(すなわちビーム系を太く)して二光束のビームの
重なる部分(交差領域)を増やすこと、即ち、計測方向
と直交する方向(非計測方向と呼ぶ)に十分長い交差領
域を作ることで被計測対象となる範囲が広がり、いわゆ
る測定光の焦点深度を深くすることができる。これは、
図4に示すように、本発明ではステージ403に設けら
れた格子パターン409に、ステージ403の格子パタ
ーン形成面からたてた垂線405に対して角度θだけ傾
けて二光束LB1 ,LB2 を照射する。ここで、それぞ
れのビーム径を『a』とした場合に、交差領域が垂線4
05方向に『a/sinθ』の距離だけある。従って、
この交差領域内に被計測物があれば位置計測が行えるこ
とから、本発明ではステージ403(被計測物)に対し
て、被計測方向に大きな焦点深度があるものとなってい
る。このため、測定誤差が少なくなり、検出精度の向上
が図られている。
Further, the width of the two light beams incident on the diffraction grating is widened (that is, the beam system is thickened) to increase the overlapping portion (intersection region) of the beams of the two light beams, that is, the direction orthogonal to the measurement direction (non-). By creating a sufficiently long intersection area in the measurement direction), the range to be measured becomes wider, and the so-called depth of focus of the measurement light can be deepened. this is,
As shown in FIG. 4, according to the present invention, the two light beams LB 1 and LB 2 are inclined to the lattice pattern 409 provided on the stage 403 by an angle θ with respect to the perpendicular 405 formed from the lattice pattern forming surface of the stage 403. Irradiate. Here, when each beam diameter is “a”, the intersecting area is a vertical line 4
There is a distance of "a / sin θ" in the 05 direction. Therefore,
Since position measurement can be performed if there is an object to be measured in this intersection region, the present invention has a large depth of focus in the direction to be measured with respect to the stage 403 (object to be measured). Therefore, the measurement error is reduced, and the detection accuracy is improved.

【0036】ところで、回折格子上に形成された干渉縞
の1波長分(360°)は、格子パターンピッチの1/
2である。このため、この1波長の分解能は以下の式で
表される。
By the way, one wavelength (360 °) of the interference fringes formed on the diffraction grating is 1 / of the grating pattern pitch.
It is 2. Therefore, the resolution of this one wavelength is expressed by the following equation.

【0037】[0037]

【数7】 [Equation 7]

【0038】ここで、格子パターンピッチP=8μm,
位相差計測計の分解能d=0.1°とすると、分解能は
1.1nmにもなり、本発明によれば従来型の干渉計に
比較して格段に大きな分解能が得られることがわかる。
Here, the lattice pattern pitch P = 8 μm,
When the resolution d of the phase difference meter is 0.1 °, the resolution is 1.1 nm, and it can be seen that the present invention provides a remarkably large resolution as compared with the conventional interferometer.

【0039】次に、前述したように、回折格子上に形成
される干渉縞のピッチPI は、以下の式で表される関係
に定められている。
Next, as described above, the pitch P I of the interference fringes formed on the diffraction grating is defined by the relationship expressed by the following equation.

【0040】[0040]

【数8】 [Equation 8]

【0041】ここに、前述した入射角の関係式sinθ
=λ/Pを代入すると、結果としてPI =P/2となる
ことがわかる。これは、干渉縞のピッチがP/2である
ということであるから、この時の縞の流れる速さVは、
以下の式で表される。
Here, the above-mentioned relational expression of the incident angle sin θ
=? / P, it turns out that P I = P / 2 results. This means that the pitch of the interference fringes is P / 2, so the speed V at which the fringes flow at this time is
It is expressed by the following formula.

【0042】[0042]

【数9】 [Equation 9]

【0043】したがって、この式からも明らかなよう
に、入射する2光束の周波数を変えることにより発生す
る干渉縞の速度Vを変えることができる。
Therefore, as is apparent from this equation, the velocity V of the interference fringes generated by changing the frequencies of the two incident light beams can be changed.

【0044】ここで、本発明ではこの干渉縞の流れる方
向が回折格子のピッチ方向であるから、ステージの移動
方向(正逆は問わず)と同一となる。このため、この縞
の移動速度とステージの移動速度が同じ(向きおよび速
度が同じ)になった時には、前述のビート信号が発生し
なくなる問題が生ずる。本発明ではこれを補うため、こ
れらの速度が同一とならないように、ステージと干渉縞
とが常に相対速度を持つように制御を行っている。
Here, in the present invention, since the direction in which the interference fringes flow is the pitch direction of the diffraction grating, it is the same as the moving direction of the stage (regardless of forward and backward directions). Therefore, when the moving speed of the stripe and the moving speed of the stage become the same (the direction and the speed are the same), there arises a problem that the beat signal is not generated. In the present invention, in order to compensate for this, control is performed so that the stage and the interference fringe always have a relative velocity so that these velocities do not become the same.

【0045】この制御手段による制御の一例としては、
あらかじめステージの最高移動速度より干渉縞の速度が
早くなるように、入射2光束の周波数設定を行うことが
考えられる。また、ステージの移動速度に応じて入射2
光束の周波数を変更したり、逆に、干渉縞の移動速度を
超えないように、ステージの移動速度を制限する方法も
考えられるが何れの方式を採用しても良い。
As an example of control by this control means,
It is conceivable to set the frequencies of the two incident light beams in advance so that the speed of the interference fringes is faster than the maximum moving speed of the stage. In addition, the incidence 2 depending on the moving speed of the stage
A method of changing the frequency of the light beam or conversely limiting the moving speed of the stage so as not to exceed the moving speed of the interference fringes is conceivable, but any method may be adopted.

【0046】また、このステージが半導体製造等に用い
られる、いわゆるステッパである場合には、露光時間
(停止時間)とその後の移動方向(向き)並びに速度が
予めわかっている為、このステッパの移動方向(向き)
に合せて、干渉縞の移動方向を逆向きとしてやることで
相互が必ず相対速度を持つこととなるので、移動速度を
変化させる制御を行う必要は無くなる。この干渉縞の移
動方向を代えるのは、2光束の設定周波数を入れ替える
だけで良い。
When this stage is a so-called stepper used for semiconductor manufacturing, etc., the exposure time (stopping time) and the subsequent moving direction (direction) and speed are known in advance, so that the stepper moves. Direction
In accordance with the above, since the mutual movement speeds of the interference fringes are opposite to each other, the mutual movement speeds always have a relative speed, so that it is not necessary to control the movement speed. The direction of movement of the interference fringes can be changed only by changing the set frequencies of the two light beams.

【0047】ここで、干渉縞の移動速度を変えるには、
測定光束のいずれかの周波数を変化(周波数差を変え
る)させれば良く、例えば測定光の周波数変調を行う音
響光学変調器(AOM)の変調条件(高周波信号)を変
化させることで、相互の周波数差が変化して移動速度が
変化する。この際に、回折光の反射方向が変化すること
が考えられるが、おおむね微少な周波数変化にすぎない
ため、検出手段の受光部の瞳を外れる事はない。しかし
ながら、大幅な周波数変更を行う場合には、回折格子へ
の入射角もそれに合せて変更すればよい。また、干渉縞
の移動方向を正逆とするためには、前記2光束のAOM
の変調条件を相互に切り換えて2光束の周波数を入れ替
える変更制御をすれば良い。なお、AOMの代わりに光
導波路を用いても良い。
Here, in order to change the moving speed of the interference fringes,
It suffices to change one of the frequencies of the measurement light beam (change the frequency difference). For example, by changing the modulation condition (high frequency signal) of the acousto-optic modulator (AOM) that performs frequency modulation of the measurement light, The frequency difference changes and the moving speed changes. At this time, the reflection direction of the diffracted light may change, but since it is only a slight frequency change, it does not deviate from the pupil of the light receiving portion of the detection means. However, in the case of making a drastic frequency change, the incident angle to the diffraction grating may be changed accordingly. Further, in order to make the moving directions of the interference fringes normal and reverse, the AOM of the two light fluxes is used.
It suffices to carry out change control in which the modulation conditions of (2) are switched to each other and the frequencies of the two light fluxes are switched. An optical waveguide may be used instead of the AOM.

【0048】[0048]

【実施例】本発明の一実施例に係るステージ位置検出装
置を、2次元移動可能なステージに応用したものを図面
を参照して説明する。ここで、2次元移動可能なステー
ジであっても、1次元移動可能な二つのステージ、例え
ばX方向にのみ移動するXステージを、Y方向にのみ移
動するYステージ上に設置して2次元ステージとした、
いわゆるXY2次元移動ステージであれば、個々のステ
ージに本発明の位置検出装置を組み入れることで、ステ
ージ位置の2次元的位置検出を行うことが可能であるこ
とは言うまでもない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A stage position detecting device according to an embodiment of the present invention applied to a two-dimensionally movable stage will be described with reference to the drawings. Here, even if the stage is two-dimensionally movable, two stages that are one-dimensionally movable, for example, an X stage that moves only in the X direction are installed on a Y stage that moves only in the Y direction. And
Needless to say, if it is a so-called XY two-dimensional moving stage, it is possible to detect the two-dimensional position of the stage position by incorporating the position detecting device of the present invention into each stage.

【0049】まず、図3に示すように、Xステージ33
aの移動方向に沿う側面に、その移動方向にピッチを持
つ回折格子パターン39aを形成し、同様にYステージ
33bの側面にも回折格子パターン39bを形成する。
そして、これらの個々の回折格子パターンに対向するよ
うに、個々の検出系(図示せず)を設ける。この際に、
X方向の検出系はYステージ33bに固定され、Y方向
の検出系はYステージの基台部に固定される。即ち、検
出系は回折格子面の垂直方向に対して距離変化が生じな
い部分に固定される。
First, as shown in FIG. 3, the X stage 33
The diffraction grating pattern 39a having a pitch in the moving direction is formed on the side surface along the moving direction of a, and similarly, the diffraction grating pattern 39b is also formed on the side surface of the Y stage 33b.
Then, individual detection systems (not shown) are provided so as to face these individual diffraction grating patterns. At this time,
The detection system in the X direction is fixed to the Y stage 33b, and the detection system in the Y direction is fixed to the base of the Y stage. That is, the detection system is fixed to a portion where the distance does not change in the vertical direction of the diffraction grating surface.

【0050】ここで、説明を簡素化するために、Xステ
ージの位置検出のみを例にして、図1を用いて本実施例
をさらに詳しく説明する。モータ14等でX方向に移動
可能な状態にあるXステージ13には、X方向に沿う側
面に間隔(ピッチ:P)が一定の格子パターン19が設
けられている。その格子パターン19を目指して、si
nθ=λ/Pの条件をみたし、一方の+1次回折光とも
う一方の−1次回折光が格子パターンに対して垂直に戻
って来て二光束が干渉するように、周波数f1と周波数
2 の値を持った二光束LB1 ,LB2 を入射させる。
Here, in order to simplify the description, the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG. 1, taking only the position detection of the X stage as an example. The X stage 13 that is movable in the X direction by the motor 14 or the like is provided with a lattice pattern 19 with a constant interval (pitch: P) on the side surface along the X direction. Aiming at the lattice pattern 19, si
It saw the conditions of nθ = λ / P, so that one plus two light beams coming back to the vertical-order diffracted light and the other of the -1st-order diffracted light to the grating pattern is interference, frequency f 1 and frequency f Two light beams LB 1 and LB 2 having a value of 2 are made incident.

【0051】この光源手段の一例について、図1及び図
2を用いて説明する。尚、この種の光源手段の一例につ
いては、例えば特開平2−272305号公報にも開示
されている。概説すれば、光源1から出た光束が、2光
束周波数シフタ2で2光束に分割され、さらに双方とも
光周波数変調器(AOM)で変調されて、既知の周波数
1 とf2 をもつ二光束LB1 ,LB2 として射出され
る。
An example of this light source means will be described with reference to FIGS. 1 and 2. An example of this type of light source means is also disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-272305. In summary, the light flux emitted from the light source 1 is split into two light fluxes by the two-flux frequency shifter 2 and both are modulated by an optical frequency modulator (AOM) to have two frequencies having known frequencies f 1 and f 2. The light beams LB 1 and LB 2 are emitted.

【0052】まず、この2光束周波数シフタ2の概略構
成並びに作用について図2を用いて説明する。He−N
eレーザからなる光源1からの直線偏光(例えばP偏
光)のレーザビーム(平行光束)は、1/4波長板20
1を透過して円偏光に変換された後、凸レンズ202を
通って偏光ビームスプリッタ(PBS)203に入射
し、ここでP偏光成分とS偏光成分とに分けられる。
First, the schematic structure and operation of the two-beam frequency shifter 2 will be described with reference to FIG. He-N
A linearly polarized (eg, P-polarized) laser beam (parallel light flux) from the light source 1 made of an e-laser is emitted by the quarter wavelength plate 20.
After passing through 1 to be converted into circularly polarized light, it passes through a convex lens 202 and enters a polarization beam splitter (PBS) 203, where it is divided into a P-polarized component and an S-polarized component.

【0053】PBS203は、入射ビームを直交する2
つの偏光に分割し、そのうちP偏光ビームLB1 はPB
S203を透過して音響光学変調器(AOM)206に
入射し、S偏光ビームLB2 はPBS203で反射さ
れ、ミラー204を介して音響光学変調器(AOM)2
05に入射する。なお、光源1を構成するレーザ装置と
AOM205,206は必ずしも2次元ステージと同一
面上になくてもよい。
The PBS 203 makes the incident beam orthogonal to each other.
P polarization beam LB 1 is PB
The S-polarized beam LB 2 is transmitted through S203 and is incident on the acousto-optic modulator (AOM) 206. The S-polarized beam LB 2 is reflected by the PBS 203, and is transmitted through the mirror 204 to the acousto-optic modulator (AOM) 2.
It is incident on 05. The laser device and the AOMs 205 and 206 that form the light source 1 do not necessarily have to be on the same plane as the two-dimensional stage.

【0054】ここで、AOM206はドライブ周波数S
1 の高周波信号で変調され、AOM205はドライブ
周波数SF2 の高周波信号で変調される。このとき、例
えば周波数SF1 は80MHz,周波数SF2 は79.
95MHzに設定されている。また、AOM205、2
06がドライブされると、0次光L0 以外に高次回折光
が発生する。そのうち、1次回折光であるLB1 ,LB
2 のみをスリット207,208を介して取り出す。
Here, the AOM 206 is the drive frequency S
The AOM 205 is modulated with the high frequency signal of F 1 , and the AOM 205 is modulated with the high frequency signal of the drive frequency SF 2 . At this time, for example, the frequency SF 1 is 80 MHz and the frequency SF 2 is 79.
It is set to 95 MHz. In addition, AOM205, 2
When 06 is driven, high-order diffracted light is generated in addition to the 0th-order light L 0 . Of these, the first-order diffracted lights LB 1 and LB
Only 2 is taken out through the slits 207 and 208.

【0055】この1次回折光LB1 (LB2 )の周波数
は、He−Neレーザビームの光の元々の周波数をfl
(光束/波長)とすると、fl+SF1 (SF2 )にな
っている。従って、スリット207,208から取り出
されたビームLB1 とLB2の周波数差△fは、(fl
+SF1 )−(fl+SF2 )=SF1 −SF2 =50
KHzとなる。
The frequency of the first-order diffracted light LB 1 (LB 2 ) is fl, which is the original frequency of the light of the He--Ne laser beam.
Letting (light flux / wavelength) be fl + SF 1 (SF 2 ). Therefore, the frequency difference Δf between the beams LB 1 and LB 2 extracted from the slits 207 and 208 is (fl
+ SF 1) - (fl + SF 2) = SF 1 -SF 2 = 50
It becomes KHz.

【0056】ここで、AOM205,206での変調条
件(ドライブ周波数)を変えることにより、双方の周波
数を変更し、回折格子上に形成される干渉縞の流れる速
さを変えることができる。この為、本実施例ではAOM
205,206に加える電圧を任意に変えることができ
るように構成されており、さらに、ステージ移動速度の
変化に応じて、干渉縞の移動速度を変化させる為、制御
装置12(図1)からの制御信号に基づいてAOM20
5,206に加える電圧が可変となるとように構成され
ている。
Here, by changing the modulation condition (drive frequency) in the AOMs 205 and 206, both frequencies can be changed and the speed at which the interference fringes formed on the diffraction grating flow can be changed. Therefore, in this embodiment, the AOM
The voltage applied to 205 and 206 can be changed arbitrarily. Further, since the moving speed of the interference fringes is changed according to the change of the moving speed of the stage, the control device 12 (FIG. 1) is used. AOM20 based on control signal
The voltage applied to 5,206 is variable.

【0057】さらに、双方の光路中には平行平面ガラス
210,211が設けられており、これらを傾ける事で
光路の位置(すなわち後述の半面ビームスプリッタ21
3から射出されるビームLB1 ,LB2 の間隔)変更を
可能ならしめ、回折格子への入射角θの変更を行うこと
ができるものとなっている。また、図2に示された通
り、AOM205から射出した光はスリット207を透
過した後、1/2波長板211に入射する。従って、A
OM205を射出したS偏光のビームLB1 は、1/2
波長板21の作用でP偏光に変換され、AOM206か
ら射出したビームLB2 の偏光方向と一致する。
Further, parallel plane glasses 210 and 211 are provided in both optical paths, and by tilting them, the position of the optical path (that is, half-plane beam splitter 21 to be described later) is provided.
The distance between the beams LB 1 and LB 2 emitted from the beam No. 3) can be changed, and the angle of incidence θ on the diffraction grating can be changed. Further, as shown in FIG. 2, the light emitted from the AOM 205 passes through the slit 207 and then enters the half-wave plate 211. Therefore, A
The S-polarized beam LB 1 emitted from the OM 205 is 1/2
It is converted into P-polarized light by the action of the wave plate 21 and coincides with the polarization direction of the beam LB 2 emitted from the AOM 206.

【0058】そして、ビームLB1 は、ミラー212を
介して半面ビームスプリッタ(HBS)213に入射
し、S偏光ビームLB2 (周波数f2 )は、直接HBS
213に入射する。ここで、HBS213は、図6に詳
細に図示したように、接合面の半分に全反射ミラーMA
を蒸着し、ここにビームLB1 を入射させることでほぼ
100%の光量で反射させる。一方、ビームLB2 は接
合面の透明部をそのまま透過する。これによって2本の
ビームLB1 ,LB2 の主光線は互いに平行となると共
に、位置計測光学系の光軸を挟んで対称的に位置する2
本のビームLB1,LB2 になる。
Then, the beam LB 1 is incident on the half-plane beam splitter (HBS) 213 via the mirror 212, and the S-polarized beam LB 2 (frequency f 2 ) is directly transmitted to the HBS.
It is incident on 213. Here, as shown in detail in FIG. 6, the HBS 213 has a total reflection mirror MA on one half of the bonding surface.
Is vapor-deposited, and the beam LB 1 is made incident thereon to be reflected with a light amount of almost 100%. On the other hand, the beam LB 2 passes through the transparent portion of the joint surface as it is. As a result, the principal rays of the two beams LB 1 and LB 2 become parallel to each other and are positioned symmetrically with respect to the optical axis of the position measurement optical system.
The beams become book beams LB 1 and LB 2 .

【0059】以上のように、2光束周波数シフタ2から
射出された二光束LB1 ,LB2 は、その主光線が互い
に位置検出光学系の光軸を挟んで平行となるようにHB
S3に入射する。ここで、ビームLB1 は周波数f1
ビームLB2 は周波数f2 であり、前述したようにその
周波数差△fは50KHzに定められている。また、こ
れらの偏光方向は同一偏光方向、例えばP偏光に揃えら
れているいるが、PBS3に入射する前に、1/4波長
板(図示せず)が設けられており、互いに円偏光の状態
に揃えられている。従って、偏光ビームスプリッタ(P
BS)3に入射したビームLB1 は、周波数f1 のP偏
光ビームLB1PとS偏光ビームLB1Sとに波面分割さ
れ、ビームLB2は周波数f2 のP偏光ビームLB2P
S偏光ビームLB2Sとに波面分割される。
As described above, the two light beams LB 1 and LB 2 emitted from the two light beam frequency shifter 2 are HB so that their principal rays are parallel to each other with the optical axis of the position detection optical system interposed therebetween.
It is incident on S3. Here, the beam LB 1 has a frequency f 1 ,
The beam LB 2 has a frequency f 2 , and the frequency difference Δf is set to 50 KHz as described above. Further, these polarization directions are aligned in the same polarization direction, for example, P polarization, but a ¼ wavelength plate (not shown) is provided before entering the PBS 3 so that they are circularly polarized with each other. It is aligned with. Therefore, the polarization beam splitter (P
The beam LB 1 incident on BS) 3 is wavefront-divided into a P-polarized beam LB 1P and an S-polarized beam LB 1S having a frequency f 1 , and a beam LB 2 is a P-polarized beam LB 2P and an S-polarized beam LB having a frequency f 2. Wavefront is divided into 2S and.

【0060】ここで、PBS3を通過した2本のP偏光
ビームLB1P(周波数f1 ),LB2P(周波数f2
は、装置上の何れかの箇所に固定された参照用回折格子
5上で互いに交差する。この際に、参照用回折格子5
は、瞳を像面に変換するレンズ系(逆フーリエ変換レン
ズ)4を介して固定されており、レンズ系4の焦点面に
配置されている。そして、ビームLB1P,LB2Pは、こ
の参照用回折格子5に異なる2方向から所定の交差角で
入射する平行光束になり、互いに参照用回折格子5上で
交差して透過する。従って、参照回折格子5上には干渉
縞IF’が作られ、この干渉縞IF’は速度V’で移動
する。
Here, the two P-polarized beams LB 1P (frequency f 1 ) and LB 2P (frequency f 2 ) that have passed through the PBS 3
Intersect with each other on a reference diffraction grating 5 fixed at any position on the device. At this time, the reference diffraction grating 5
Are fixed via a lens system (inverse Fourier transform lens) 4 for converting the pupil into an image plane, and are arranged in the focal plane of the lens system 4. Then, the beams LB 1P and LB 2P become parallel light fluxes that enter the reference diffraction grating 5 from two different directions at a predetermined crossing angle, and they cross each other on the reference diffraction grating 5 and are transmitted. Therefore, the interference fringes IF 'are formed on the reference diffraction grating 5, and the interference fringes IF' move at the velocity V '.

【0061】そして、参照格子5とビームLB1P,LB
2Pにより作られた干渉縞とのピッチ関係は、Pf'=Pg'
に定めてある。このため、図7に詳しく示すように、参
照格子5を透過したビームLB1Pの0次光(実線)と、
参照格子5から発生したビームLB1Pの+1次光(破
線)とが同一方向に合成されて干渉光BT(0,+1)
となり、ビームLB2Pの0次光(実線)と、ビームLB
1Pの−1次光(破線)とが同一方向に合成されて干渉光
BT(0,+1),BT(0,−1)を同一受光面で受
け、周波数△f(25KHz)の参照信号SRを出力す
る。なお、この参照信号SRは、位相差検出器10に入
力され、測定信号の基準値を与える。
Then, the reference grating 5 and the beams LB 1P and LB
The pitch relationship with the interference fringes created by 2P is P f '= P g '
Stipulated in. Therefore, as shown in detail in FIG. 7, the 0th-order light (solid line) of the beam LB 1P transmitted through the reference grating 5,
The + 1st order light (broken line) of the beam LB 1P generated from the reference grating 5 is combined in the same direction to form the interference light BT (0, + 1).
And the 0th order light of the beam LB 2P (solid line) and the beam LB
The -1st-order light (broken line) of 1P is combined in the same direction to receive the interference light BT (0, + 1), BT (0, -1) on the same light receiving surface, and the reference signal SR of frequency Δf (25 KHz) Is output. The reference signal SR is input to the phase difference detector 10 and gives the reference value of the measurement signal.

【0062】一方、PBS3で反射された2本のS偏光
ビームLB1S(周波数f1),LB2S(周波数f2)
は、対物レンズ7に入射する。対物レンズ7を通った2
本のビームLB1S,LB2Sは、ステージ13上の格子マ
ークGwを入射角θ,−θで照射し、互いに交差する。
格子マークGw上にはピッチ方向に速度Vで流れる干渉
縞が作られ、その干渉縞のピッチPf は、格子マークG
wのピッチPg に対して1/2に設定されている。従っ
て、図5で説明した通り、ウエハWから垂直に±1次光
の干渉光BT(±1)が発生する。干渉光BT(±1)
は、入射ビームLB1S,LB2Sがともに平行光束である
ため、同様に平行光束として発生し、対物レンズ7を逆
進し、ミラー8で反射されて光電素子9に達する。尚、
光電素子9は、位置検出光学系のほぼ瞳面(ここでは、
対物レンズ7の前側焦点位置)に配置されている。
On the other hand, the two S-polarized beams LB 1S (frequency f1) and LB 2S (frequency f2) reflected by the PBS3.
Enters the objective lens 7. 2 through the objective lens 7
The book beams LB 1S and LB 2S irradiate the grating mark Gw on the stage 13 at incident angles θ and −θ and intersect each other.
Interference fringes flowing at a velocity V in the pitch direction are formed on the lattice mark Gw, and the pitch P f of the interference fringes is determined by the lattice mark G.
It is set to 1/2 of the pitch P g of w. Therefore, as described with reference to FIG. 5, the interference light BT (± 1) of ± first-order light is vertically generated from the wafer W. Interference light BT (± 1)
Since the incident beams LB 1S and LB 2S are both parallel light fluxes, they are similarly generated as parallel light fluxes, travel backward through the objective lens 7, and are reflected by the mirror 8 to reach the photoelectric element 9. still,
The photoelectric element 9 is arranged in a substantially pupil plane of the position detection optical system (here,
It is arranged at the front focus position of the objective lens 7.

【0063】また、光電素子9には、干渉光BT(±
1)の両側に並んで、ビームLB1S,LB2Sの各0次光
成分BT(0,+2),BT(0,−2)も入射してく
る。ここで、光電素子9は、図8に示すように、複数の
受光エレメントPD1 〜PD3で構成され、そのうち、
中心部のエレメントPD1 を使用する。図8では、破線
は瞳共役面Ep’を表わす。干渉光BT(±1)、及び
図5中に示した干渉光BT(+2,0),BT(0,−
2)は、瞳面ではともに微小スポット(1mm以下)に
収斂し、互いに分離している。
In addition, the photoelectric element 9 has an interference light BT (±
The zero-order light components BT (0, + 2) and BT (0, -2) of the beams LB 1S and LB 2S are also incident side by side on both sides of 1). Here, the photoelectric element 9 is composed of a plurality of light receiving elements PD 1 to PD 3 as shown in FIG.
The central element PD 1 is used. In FIG. 8, the broken line represents the pupil conjugate plane Ep '. The interference light BT (± 1) and the interference lights BT (+2,0) and BT (0, −) shown in FIG.
In 2), both converge on a minute spot (1 mm or less) on the pupil plane and are separated from each other.

【0064】尚、ここではエレメントPD1 からの光電
信号(後述のSG)のみを用いることとしているが、例
えば3つのエレメントPD1 からPD3 の各信号の強度
を比較し、信号強度がいちばん高いものを用いるように
しても良い。当然ながら比較的大きな受光面を1つだけ
光電素子9に設け、干渉光BT(±1)以外の光が受光
面に入射しないように光電素子9の前に空間フィルター
を配置して、干渉光BT(±1)のみを用いることとし
ても良い。
Although only the photoelectric signal (SG described later) from the element PD 1 is used here, for example, the signal strengths of the three elements PD 1 to PD 3 are compared and the signal strength is the highest. You may make it use the thing. Of course, only one relatively large light receiving surface is provided in the photoelectric element 9, and a spatial filter is arranged in front of the photoelectric element 9 so that light other than the interference light BT (± 1) does not enter the light receiving surface. It is also possible to use only BT (± 1).

【0065】そして、干渉光BT(±1)の強度変化
は、受光エレメントPD1 で光電変換され、計測信号S
Gとして出力される。なお、Y方向用の位置検出系につ
いても全く同様である。
Then, the intensity change of the interference light BT (± 1) is photoelectrically converted by the light receiving element PD 1 , and the measurement signal S
It is output as G. The same applies to the position detection system for the Y direction.

【0066】ここで、光電素子9で検出された干渉光B
T(±1)は、周波数△fで強度変調されているため、
信号SGは周波数△f(50KHz)の交流信号であ
る。この光電素子9の出力信号SGが、先の式(6) に相
当するものであり、この信号SGは参照用の光電素子6
からの信号SRとともに位相差検出器10に入力する。
そして、位相差検出器10は、検出信号SGと基準信号
SRとの位相差△φを求め、それに対応した格子マーク
Gwの位置ずれ量△x(又は△y)を次式により算出す
る。
Here, the interference light B detected by the photoelectric element 9
Since T (± 1) is intensity-modulated with frequency Δf,
The signal SG is an AC signal having a frequency Δf (50 KHz). The output signal SG of the photoelectric element 9 corresponds to the above equation (6), and this signal SG is the photoelectric element 6 for reference.
It is input to the phase difference detector 10 together with the signal SR from.
Then, the phase difference detector 10 obtains the phase difference Δφ between the detection signal SG and the reference signal SR, and calculates the corresponding positional deviation amount Δx (or Δy) of the lattice mark Gw by the following equation.

【0067】[0067]

【数10】 [Equation 10]

【0068】ここで、位置検出動作をさらに詳しく説明
すると、図1に示した位相差検出器10は、図9に示し
たように、参照信号SRの大きさと計測信号SGの大き
さを500KHzでデジタル・サンプリングし、各信号
の少なくとも1周期の波形(サンプリング数10点)を
メモリに記憶する。そして、信号SRの波形をFref.と
し、信号SGの波形をFsig.として以下の演算を行う。
The position detecting operation will be described in more detail. In the phase difference detector 10 shown in FIG. 1, the magnitude of the reference signal SR and the magnitude of the measurement signal SG are set to 500 KHz as shown in FIG. Digital sampling is performed and at least one cycle waveform of each signal (10 sampling points) is stored in a memory. Then, the following calculation is performed with the waveform of the signal SR as Fref. And the waveform of the signal SG as Fsig.

【0069】[0069]

【数11】 [Equation 11]

【0070】[0070]

【数12】 [Equation 12]

【0071】ここで、sinθ,cosθは、メモリ上
に予め記憶された標準となる波形データであり、θre
f.,θsig.はそれぞれ信号SR,SGの位相を表わす。
従って、位相差検出器10は、さらに位相θref.とθsi
g.との差θsig.−θref.=△φを算出し、先の式(7) に
より位置ずれ量△x(又は△y)を求める。さらに、双
方の位相が一波長分ズレた場合には、その数をカウンタ
11に記憶させておき、位置ずれ量△xは一波長以内で
計測する。
Here, sin θ and cos θ are standard waveform data stored in advance in the memory, and θre
f. and .theta.sig. represent the phases of the signals SR and SG, respectively.
Therefore, the phase difference detector 10 further includes the phases θref.
The difference from g. θsig.−θref. = Δφ is calculated, and the positional deviation amount Δx (or Δy) is obtained from the above equation (7). Further, when both phases are shifted by one wavelength, the number is stored in the counter 11, and the positional deviation amount Δx is measured within one wavelength.

【0072】そして、主制御装置12は、算出されたず
れ量△x(又は△y)と、カウンタ11に蓄積されたウ
エハステージ13の移動距離の情報(位相が一波長分ズ
レた数)とに基づいて、ウエハステージ13の現在位置
を決定する。このとき、ステージの移動速度もしくは干
渉縞の移動測度を変更させる場合には、制御装置12か
ら、モータ14もしくは二光束周波数シフタ2へ制御信
号を発する。
Then, main controller 12 calculates the calculated shift amount Δx (or Δy) and the information on the moving distance of wafer stage 13 stored in counter 11 (the number of phases shifted by one wavelength). The current position of the wafer stage 13 is determined based on At this time, when changing the moving speed of the stage or the moving measure of the interference fringes, the control device 12 issues a control signal to the motor 14 or the two-beam frequency shifter 2.

【0073】また、位置計測を開始する前提として、格
子マークの端もしくはその近傍に設けられた基準位置マ
ークにおいてカウンタ11をリセットし、同時にその基
準位置における基準ずれ量△x’をオフセット量として
取り込み、その後の位置検出をその基準マークでのプリ
セット値を基準として算出(基準位置からの相対位置検
出を行う)する。また、干渉縞の移動方向(向き)を変
更させる場合には、変更させる時点における位置をメモ
リーしておき、その逆向きでのカウント量および位置ず
れ量を逆算する事で、プリセット値(基準位置マーク)
からの相対位置を算出する。
As a premise of starting the position measurement, the counter 11 is reset at the reference position mark provided at the edge of the lattice mark or in the vicinity thereof, and at the same time, the reference deviation amount Δx ′ at the reference position is taken in as the offset amount. Then, the subsequent position detection is calculated based on the preset value at the reference mark (relative position detection from the reference position is performed). In addition, when changing the moving direction (direction) of the interference fringes, the position at the time of changing is stored in memory, and the count value and position shift amount in the opposite direction are calculated backwards to obtain the preset value (reference position). mark)
Calculate the relative position from.

【0074】以上のように、本実施例によれば、移動ス
テージの格子パターンから戻ってくる回折光が、ステー
ジの位置に応じて位相が変化し、その変化量△φはステ
ージが△x動くのに対して、以下の関係にある。
As described above, according to this embodiment, the phase of the diffracted light returning from the grating pattern of the moving stage changes according to the position of the stage, and the change amount Δφ moves Δx of the stage. On the other hand, they have the following relationship.

【0075】[0075]

【数13】 [Equation 13]

【0076】このため、+1次回折光と−1次回折光で
はそれぞれ逆符号の位相変化をするので、前記ディテク
タ9からのビート信号の位相変化は、以下のようにな
る。
For this reason, the + 1st-order diffracted light and the -1st-order diffracted light undergo phase changes of opposite signs, and the phase change of the beat signal from the detector 9 is as follows.

【0077】[0077]

【数14】 [Equation 14]

【0078】したがって、△φを検出することによりス
テージの微小変位量△xを知ることができる装置となっ
ている。また、位相差が0となる点(一波長分ずれた位
置)と方向とを取り込む際に制御系にてカウント(一波
長分ずれた数をカウント)しておけば長い距離の位置変
位量も容易に把握できる。
Therefore, the device can detect the minute displacement amount Δx of the stage by detecting Δφ. In addition, if the control system counts the number (shifted by one wavelength) when capturing the point (position shifted by one wavelength) and the direction where the phase difference becomes 0, the displacement amount of a long distance can also be obtained. Easy to grasp.

【0079】なお、格子パターンに二光束を照射した時
に出てくる回折光は、高次のものも出てくるので、±1
次光だけでなく、これら高次回折光(次数差が2となる
ものの組合わせ、例えば0次光と+2次光等)を使って
もビート信号を得る事ができる。さらに、基準格子5の
系で示したように、次数差が2のものでなく、次数差が
1のものを応用することも可能である。
The diffracted light emitted when the grating pattern is irradiated with two light fluxes also has a higher order, so ± 1.
The beat signal can be obtained not only by the next-order light but also by using these higher-order diffracted lights (a combination of those having a difference in order of 2, for example, 0th-order light and + second-order light). Further, as shown in the system of the reference lattice 5, it is possible to apply the one having the order difference of 1 instead of the one having the order difference of 2.

【0080】また、本実施例では、本発明をXYの2次
元移動ステージに応用した例を説明したが、これにZス
テージを設けその移動方向(Z方向、図3におけるXY
面に垂直な方向)に沿う格子パターンを設ける事で、X
YZ3次元移動ステージに応用する事も可能である。加
えて、ステージのX方向の検出系を2組設けることによ
りステージのヨーイングについての補正も行なえる。な
お、図2中の半面ビームスプリッタ213を単なるビー
ムスプリッタとしても良く、この場合にはPBS3が不
要になるといった利点がある。さらに、格子パターン1
9に照射する2光束を、例えばP偏光とS偏光とにし、
光電素子9の前に検光子を配置するような構成としても
構わない。
Further, in the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an XY two-dimensional moving stage has been described, but a Z stage is provided on this and the moving direction (Z direction, XY in FIG. 3).
By providing a grid pattern along the direction (perpendicular to the plane), X
It can also be applied to a YZ three-dimensional moving stage. In addition, by providing two sets of detection systems in the X direction of the stage, the yawing of the stage can be corrected. Note that the half-plane beam splitter 213 in FIG. 2 may be a mere beam splitter, and in this case, there is an advantage that the PBS 3 becomes unnecessary. Furthermore, grid pattern 1
The two light fluxes for irradiating 9 are, for example, P-polarized light and S-polarized light,
The analyzer may be arranged in front of the photoelectric element 9.

【0081】[0081]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
テージに設けられた格子パターンに周波数の異なる二光
束を送り、ほぼ同一方向に戻ってくる回折光から検出さ
れるビート信号に基いてステージ位置を知るものである
ため、第1の光束と第2の光束において光路長が一定で
かつ短いので空気のゆらぎ等の影響も小さくなる。
As described above, according to the present invention, two luminous fluxes having different frequencies are sent to the grating pattern provided on the stage, and based on the beat signal detected from the diffracted light returning in substantially the same direction. Since the stage position is known, the optical path lengths of the first light flux and the second light flux are constant and short, so that the effects of air fluctuations and the like are reduced.

【0082】また、いわゆるヘテロダイン方式で移動量
を検出しているので、分解能が高くなり、微小な変化量
までが検出できる利点があり、かつ、位相差を検出して
いるので光量変動にも強い利点がある。
Further, since the movement amount is detected by the so-called heterodyne method, there is an advantage that the resolution is high and even a minute change amount can be detected, and since the phase difference is detected, it is strong against the fluctuation of the light amount. There are advantages.

【0083】さらに、予めステージの移動速度が干渉縞
の速さを超えることが分ってる場合や、移動時間が長い
場合、つまり移動速度が上ると分っている場合には、Δ
f(変調された2光束の周波数の差)の初期設定を大き
くしておく事で、ステージと干渉縞とが常に相対速度を
持つようになり、位置検出が不能となる事態が防止でき
る。但し、干渉縞の移動速度が速すぎる(周波数差が大
きい)と、分解能が低下する為、分解能との兼ね合いで
定める必要がある。分解能の低下が問題となる場合に
は、ステージの移動速度を制限する制御若しくは干渉縞
の移動方向を逆向きとする制御等をすれば、このような
問題も回避できる。
Further, when it is known in advance that the moving speed of the stage exceeds the speed of the interference fringes, or when the moving time is long, that is, when it is known that the moving speed increases, Δ
By increasing the initial setting of f (the difference between the frequencies of the two modulated light fluxes), it is possible to prevent the stage and the interference fringes from always having a relative velocity, which makes it impossible to detect the position. However, if the moving speed of the interference fringes is too fast (the frequency difference is large), the resolution will decrease, so it must be determined in consideration of the resolution. When the decrease in resolution is a problem, such a problem can be avoided by controlling the moving speed of the stage or controlling the moving direction of the interference fringes in the opposite direction.

【0084】一方、本発明をステッパに応用する場合に
は、ステッパの移動制御手段によりステージ(ステッ
パ)の移動方向が予めプログラムされているため、ステ
ージの移動方向と常に逆向きに干渉縞が移動するよう
に、入射する光の周波数を逆転させる制御を行うことで
上記問題が解決できる。
On the other hand, when the present invention is applied to a stepper, since the movement direction of the stage (stepper) is programmed in advance by the movement control means of the stepper, the interference fringes always move in the opposite direction to the movement direction of the stage. As described above, the above problem can be solved by controlling the frequency of the incident light to be reversed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例に係るステージ位置検出装置
の概略構成を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a stage position detection device according to an embodiment of the present invention.

【図2】上記実施例における二光束周波数シフタの詳し
い構成を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a two-beam frequency shifter in the above embodiment.

【図3】上記実施例におけるステージとそこに設けられ
た格子マークを示す構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a stage and a lattice mark provided therein in the embodiment.

【図4】本発明の検出系において二光束が交差する状態
(二光束の重なっている領域)を説明する説明図であ
る。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a state in which two light beams intersect with each other (a region where the two light beams overlap) in the detection system of the present invention.

【図5】本発明の回折格子に二光束を照射して回折光か
らビート信号を得る様子を説明する説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining how a diffraction grating of the present invention is irradiated with two light beams to obtain a beat signal from the diffracted light.

【図6】上記実施例における二光束周波数シフタの半面
ビームスプリッタを説明する構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a half-plane beam splitter of the two-beam frequency shifter in the above embodiment.

【図7】上記実施例における基準信号検出系を説明する
構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram illustrating a reference signal detection system in the above embodiment.

【図8】上記実施例におけるビート信号検出のための受
光素子を説明する構成図である。
FIG. 8 is a configuration diagram illustrating a light receiving element for detecting a beat signal in the above embodiment.

【図9】上記実施例における位置検出時の位置ずれ量の
検出方法を説明する説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a method of detecting a positional deviation amount at the time of position detection in the above embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…レーザ 2…二光束周波数シフタ 13,33,403…可動ステージ 6,9…ディテクタ(光電素子) 205,206…AOM(光周波数変調器) 39a,39b…格子パターン 10…位相差検出器 11…カウンタ 12…制御装置 14…モーター DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser 2 ... Two-beam frequency shifter 13, 33, 403 ... Movable stage 6, 9 ... Detector (photoelectric element) 205, 206 ... AOM (optical frequency modulator) 39a, 39b ... Lattice pattern 10 ... Phase difference detector 11 ... Counter 12 ... Control device 14 ... Motor

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所定方向に一次元移動可能なステージ
と;該ステージにその移動方向にほぼ沿って配列された
回折格子と;該回折格子に所定の交差角で2方向から互
いに異なる周波数の2つのビームを照射するビーム照射
手段と;前記回折格子からほぼ同一方向に発生した回折
光同士の干渉光を受光する光電検出手段と;該光電検出
手段からの検出信号と前記2つのビームの周波数差に対
応した周期の基準信号との移送差に基づいて、前記ステ
ージの位置を検出する手段と;前記2つのビームの照射
によって前記回折格子上に形成される干渉縞と前記ステ
ージとが相対速度を持つように、前記干渉縞と前記ステ
ージの少なくとも一方の移動速度または移動方向を制御
する手段と;を備えたことを特徴とするステージ位置検
出装置。
1. A stage capable of moving one-dimensionally in a predetermined direction; a diffraction grating arranged on the stage substantially along the movement direction thereof; and 2 having different frequencies from two directions at a predetermined crossing angle on the diffraction grating. Beam irradiation means for irradiating one beam; photoelectric detection means for receiving interference light of diffracted light generated in the same direction from the diffraction grating; detection signal from the photoelectric detection means and frequency difference between the two beams Means for detecting the position of the stage based on a difference in transfer with a reference signal having a cycle corresponding to the above; and an interference fringe formed on the diffraction grating by irradiation of the two beams and a relative speed of the stage. A stage position detection device, comprising: means for controlling the moving speed or moving direction of at least one of the interference fringes and the stage.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6331885B1 (en) 1997-09-19 2001-12-18 Nikon Corporation Stage apparatus, scanning type exposure apparatus, and device produced with the same
JPWO2007142351A1 (en) * 2006-06-09 2009-10-29 株式会社ニコン MOBILE DEVICE, EXPOSURE APPARATUS, EXPOSURE METHOD, AND DEVICE MANUFACTURING METHOD

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