JPH0875409A - レーザー測長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、バーミラーの長さを増加すること
なく、ストロークを２倍あるいはＮ倍のストロークを測
長できるレーザー測長計を実現することを目的とする。 【構成】 レーザー光源５０のレーザー光線をＮ分配し
てＮ個のオプチクスモジュール２０に供給するＮ−１個
のビームスプリッタ１４を設け、移動するバーミラー１
０１から反射するレーザー光線を、何れかのオプチクス
モジュールで検出する光学配置とした、Ｎ個のオプチク
スモジュール２０を設け、Ｎ個のオプチクスモジュール
２０からの検出信号を受けて、このＮ個の検出信号を切
り替えてバーミラー１０１移動距離を計測する測長計数
部３０を設ける構成手段。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザー測長装置に
おいて、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に大きな移動距離を
移動するステージ（台）の位置を測長するレーザー測長
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の例としては、ＸＹステージの
距離を測定するレーザー測長計の場合がある。これにつ
いて、図３と図５を参照して説明する。本装置の構成
は、図３に示すように、レーザー光源５０と、リファレ
ンスレシーバー５４と、ビームスプリッタ５６と、反射
鏡５８と、オプチクスモジュール６０、７０と、ステー
ジ１００と、測長計数部８０とで構成している。

【０００３】ステージ１００は、外部からの駆動手段に
より、ＸＹ両方向に移動させる台である。このステージ
１００上には、例えばシリコンウエハ等のような被移動
品が置かれて０．１μｍ程の精密な位置決めを行う。こ
のステージの直交する２側面には、レーザー光を反射さ
せてこのステージ１００の位置を計測する為のバーミラ
ー（棒状の反射鏡）が設けてある。Ｘ方向反射用として
Ｘミラー１０１が、また、Ｙ方向反射用としてＹミラー
１０２が取り付けてある。このバーミラーの長さは、レ
ーザー光を反射させる為にステージの移動距離＋αの長
さが必要である。

【０００４】レーザー光源５０は、２つのレーザー周波
数ｆ1、ｆ2をビームスプリッタ５６、及びリファレンス
レシーバー５４に供給する。この２つのレーザー周波数
ｆ1、ｆ2は、互いに９０度の偏光された光線である。こ
のレーザー周波数ｆ1、ｆ2の周波数差ｆdifは、例えば
数ＭＨｚ程度であり、極めて隣接した周波数関係で発生
している。リファレンスレシーバー５４は、レーザー光
源５０からのレーザー周波数ｆ1、ｆ2を干渉させた後の
干渉縞である基準干渉周波数ｆR＝ｆ2−ｆ1を電気信号
に変換し、デジタルパルス信号に変換した後、この基準
干渉周波数ｆR信号を測長計数部８０に供給している。
ビームスプリッタ（Beam splitter）５６は、入射光を
２つに分ける光学素子であり、レーザー光源５０からの
レーザー光をオプチクスモジュール６０側と、反射鏡５
８を経由してオプチクスモジュール７０側に供給してい
る。

【０００５】オプチクスモジュール６０の内部構成は、
図５に示すように、偏光ビームスプリッタ６１と、１／
４波長板６２、６４と、リファレンスミラー６３と、レ
シーバー６６とで構成していて、ステージ１００のＸミ
ラー１０１からの反射光線を受けて、Ｘ方向の移動速度
と遠近移動方向を検出する。偏光ビームスプリッタ６１
は、偏光に依存して透過／反射するビームスプリッタで
ある。レーザー光源５０からの互いに９０度に偏光され
た２つのレーザー光線ｆ1、ｆ2を受けて、一方のレーザ
ー光線ｆ1側は、この偏光ビームスプリッタで反射して
１／４波長板６２を通過し、リファレンスミラー６３で
反射して再び偏光ビームスプリッタ６１に入射する。こ
のときの入射光線は、１／４波長板６２を２回通過して
９０度偏光された結果、今度は、偏光ビームスプリッタ
６１を透過してレシーバー６６側に至る。他方のレーザ
ー光線ｆ2側は、偏光ビームスプリッタを透過して１／
４波長板６４を通過し、ステージ１００のＸミラー１０
１で反射して再び偏光ビームスプリッタ６１に入射す
る。このときの入射光線は、１／４波長板６４を２回通
過して９０度偏光された結果、今度は、偏光ビームスプ
リッタ６１を反射してレシーバー６６側に至る。これに
より、２つの光線は干渉縞を生成してレシーバー６６に
出力される。この干渉縞光線を電気信号に変換し、デジ
タルパルス信号に変換した後、この測定干渉周波数ｆx
信号を測長計数部８０に供給している。この測定干渉周
波数ｆx信号は、ｆx＝（ｆ2±ｆdop）−ｆ1として表せ
る。ここでｆdop＝２ｖ／λであり、Ｘミラー１０１が
遠近移動することにより生じるドップラ効果による成分
要素であり、近づくと＋ｆdopとなり、遠ざかると−ｆd
opとなる。

【０００６】オプチクスモジュール７０は、上記説明の
オプチクスモジュール６０と同様であり、ステージ１０
０のＹ方向のＹミラー１０２の移動速度と遠近移動方向
を検出するものであり、測定干渉周波数ｆy信号を測長
計数部８０に供給している。

【０００７】測長計数部８０は、方向検出部８１ｂ、８
２ｂと、ＵＰ／ＤＷＮカウンタ８１、８２とで構成して
いる。これは、基準干渉周波数ｆR信号と、測定干渉周
波数ｆx信号と、測定干渉周波数ｆy信号を受けて、パル
ス数を計数して、ステージのＸ方向、Ｙ方向の距離を求
めるものである。方向検出部８１ｂは、Ｘ方向の移動距
離の計数制御部であり、基準である基準干渉周波数ｆR
信号と、Ｘミラー１０１の遠近移動方向に対応して得ら
れた測定干渉周波数ｆx信号を受けて、この両周波数の
差をとった値、Δｆ＝ｆx−ｆR＝±ｆdopが移動距離と
して得られ、これをＵＰ／ＤＷＮカウンタ８１のカウン
トパルスとして供給する。また、このΔｆ信号は、近づ
くと＋ｆdopとなり、遠ざかると−ｆdopとなる信号が得
られる。これから、ｆxとｆRの周波数値を比較し、この
比較結果をＵＰ／ＤＷＮのカウント方向制御信号として
供給する。ＵＰ／ＤＷＮカウンタ８１は、Ｘ方向の移動
距離の計数器であり、予め、ステージ１００を原点位置
に移動させた状態でカウント値を初期化クリアしてお
く。上記方向検出部８１ｂからのカウントパルスと、カ
ウント方向制御信号を受けて、ＵＰ／ＤＷＮのカウンタ
動作をして、移動距離を積算計数する。Ｙ方向の移動距
離の計数についても同様であり、方向検出部８２ｂと、
ＵＰ／ＤＷＮカウンタ８２で移動距離を積算計数する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本方式のレーザー測長
計においては、ステージ１００がＹ方向に移動する移動
範囲、即ちＹストロークは、Ｘミラー１０１の長さ未満
に制限される。また、ステージ１００がＸ方向に移動す
る移動範囲、即ちＸストロークは、Ｙミラー１０２の長
さ未満に制限される。ところで、近年においては、ステ
ージの移動範囲（ストローク）が長くなっている。この
長ストロークに対応する為には、図４に示すように、バ
ーミラーであるＸミラー１０１、Ｙミラー１０２も長く
する必要がある。しかし、長尺のバーミラーになると、
鏡面のねじれ、湾曲歪みが生じやすくなり、同一平面精
度を０．１μｍ程度の超平面を維持する必要がある為、
機械的鏡面歪みの発生をなくする為にバーミラーの厚み
も厚くなり、また、このバーミラーを機械歪みを与えな
いようにして支持固定する構造物も大きく重くなる、こ
の結果、ステージ１００全体の重量は、バーミラーの取
り付け構造物による重量割合の方が多くなってしまう。
この為に、ステージ１００の駆動手段は、この重量増に
対応した駆動能力の大きいものに変更する必要が生じて
くる。他方、バーミラーが長くなると、バーミラー全長
は、図４に示すように、ステージ１００本体より長くな
って飛び出た構造になる。しかも、Ｘ方向のＸミラーの
移動するストロークに対して、必要とする占有空間は、
２倍の占有空間１１０を必要とする。このことは、レー
ザー測長の為に、バーミラー移動範囲の為に無駄な占有
空間を確保しておかなければならない不具合となり、実
用上の不便となっている。

【０００９】そこで、本発明が解決しようとする課題
は、バーミラーの長さを増加することなく、ストローク
を２倍あるいはＮ倍のストロークを測長できるレーザー
測長計を実現することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決する為の手段】上記課題を解決するため
に、本発明の構成では、レーザー光源５０のレーザー光
線をＮ分配してＮ個のオプチクスモジュール２０に供給
するＮ−１個のビームスプリッタ１４を設け、移動する
バーミラー１０１から反射するレーザー光線を、何れか
のオプチクスモジュールで検出する光学配置とするＮ個
のオプチクスモジュール２０を設け、Ｎ個のオプチクス
モジュール２０からの検出信号を受けて、このＮ個の検
出信号を切り替えてバーミラー１０１移動距離を計測す
る測長計数部３０を設ける構成手段にする。これは、Ｎ
個のオプチクスモジュールを設けて、Ｎ分割に分担して
移動範囲を検出する手段としていている。この結果、バ
ーミラー１０１の移動範囲をＮ倍の移動を実現してい
る。

【００１１】

【作用】ビームスプリッタ１４と反射鏡１２、１６は、
レーザー光線を２つに分岐して、２つのオプチクスモジ
ュール２０、２２に供給する作用がある。測長計数部３
０は、２つに分割して検出した測定干渉周波数ｆx1、ｆ
x2信号を１つの連続した測長器として計数する機能を実
現する役割を持つ。２つのオプチクスモジュール２０、
２２により、Ｘミラー１０１の移動範囲を従来よりも２
倍に拡大しても検出できる。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例は、ＸＹステージの距離を測
定するレーザー測長計のＸステージ側に２系統の測長器
を設けて、ステージ１００がＹ方向に移動する移動範
囲、即ちＹストロークを、半分づつ分担して測長する場
合である。これについて、図１と図２を参照して説明す
る。本装置の構成は、図１に示すように、レーザー光源
５０と、リファレンスレシーバー５４と、ビームスプリ
ッタ５６、１４と、反射鏡５８、１２、１６と、オプチ
クスモジュール２０、２２、７０と、ステージ１００
と、測長計数部３０とで構成している。この構成で、レ
ーザー光源５０と、リファレンスレシーバー５４と、ビ
ームスプリッタ５６と、反射鏡５８と、オプチクスモジ
ュール７０と、ステージ１００は、従来構成と同様であ
る。

【００１３】ビームスプリッタ１４は、ビームスプリッ
タ５６からの光線を反射鏡１２で反射して受けて、この
ビームスプリッタにより２つに分岐する。一方は、９０
度反射してオプチクスモジュール２０に供給し、他方
は、透過して反射鏡１６で９０度反射させてオプチクス
モジュール２２に供給する。

【００１４】２つのオプチクスモジュール２０、２２
は、ステージ１００がＹ方向に移動する移動範囲、即ち
Ｙストロークを、半分に分担して測長検出する。オプチ
クスモジュール自体は、従来と同様のものであり、ステ
ージ１００のＸ方向をＸミラー１０１からの反射光線を
受けて、移動速度と移動方向を検出する。この２つを設
けることにより、Ｘミラー１０１の長さは、Ｙストロー
クのほぼ半分の長さで良い。この２つのオプチクスモジ
ュール２０、２２の光学間隔２４は、Ｘミラー１０１の
長さよりも短い間隔の位置関係に配置して両者の測定が
重なる領域を与えるように設置する。オプチクスモジュ
ール２０は、測定範囲であるＹストロークの一方の半分
のストロークに対して、測定干渉周波数ｆx1信号を測長
計数部３０に供給し、同様に、オプチクスモジュール２
２は、測定範囲の他方の半分のストロークに対して、測
定干渉周波数ｆx2信号を測長計数部３０に供給してい
る。

【００１５】測長計数部３０は、各オプチクスモジュー
ルからの干渉周波数信号を受けて、ステージのＸ方向、
Ｙ方向の移動距離を求めるものである。この為に、測長
計数部３０の内部構成は、図２に示すように、切替制御
部４０と、マルチプレクサ（ＭＵＸ）３６と、方向検出
部８１ｂ、８２ｂと、ＵＰ／ＤＷＮカウンタ８１、８２
とで構成している。この構成で、従来の構成に、切替制
御部４０と、ＭＵＸ３６を追加した構成である。

【００１６】以下に、２つに分割して測定計数するＸ側
測長計数動作部分についての動作説明をする。ＭＵＸ３
６は、測定干渉周波数ｆx1、あるいは測定干渉周波数ｆ
x2信号を受けて、何れかを選択して方向検出部８１ｂに
供給する切替器である。方向検出部８１ｂは、従来と同
様であり、ＭＵＸ３６からの信号と基準干渉周波数ｆR
信号とを受けて、Ｘ方向の計数制御部であり、基準であ
る基準干渉周波数ｆR信号と、測定干渉周波数ｆx1／ｆx
2信号を受けて、この両周波数の差の値Δｆをカウント
パルスとして出力し、また、カウント方向制御信号を出
力する。ＵＰ／ＤＷＮカウンタ８１は、このカウントパ
ルスと、カウント方向制御信号を受けて、積算計数す
る。ここで、計数値８１xを切替制御部４０に供給して
いる。このカウンタの動作は、数ＭＨｚである基準干渉
周波数ｆR信号に同期して動作させている。

【００１７】切替制御部４０は、ＵＰ／ＤＷＮカウンタ
８１からの計数値８１xを受けて、ＭＵＸ３６の切替を
制御しているものである。この切替制御部４０の構成
は、第１比較値３１と、第２比較値３２と、第１比較器
３３と、第２比較器３４と、ＳＲＦＦ（フリップ・フロ
ップ）３５とで構成している。第１比較器３３は、ＵＰ
／ＤＷＮカウンタ８１からの計数値８１xを一方の入力
端に受け、第１比較値３１の値を他方の入力端に受け
て、両者を比較して、計数値８１xが第１比較値３１以
上の検出信号３３ａで、ＳＲＦＦ３５をセット状態に切
り替える。第２比較器３４も、同様であり、ＵＰ／ＤＷ
Ｎカウンタ８１からの計数値８１xを一方の入力端に受
け、第２比較値３２の値を他方の入力端に受けて、両者
を比較して、計数値８１xが第２比較値３２以下の検出
信号３４ａで、ＳＲＦＦ３５をクリア状態に切り替え
る。ここで、第１比較値３１、第２比較値３２は、外部
から任意の値に設定できるレジスタである。この２つの
比較値は、状態切替動作が頻繁にならないようにする
為、第１比較値３１の値と、第２比較値３２の値は、あ
る程度の差、例えば１００カウント値以上の差を持たせ
ておく。これにより、切替位置付近で停止しているとき
において、状態切替が繰り返し起こるハンティング（hu
nting）動作を防止している。ＳＲＦＦ３５は、上記セ
ット／クリア信号を受けて、切替状態を保持するフリッ
プ・フロップであり、この状態信号をＭＵＸ３６に供給
して、測定干渉周波数ｆx1、ｆx2信号の切替えを行う。

【００１８】上記説明のように構成することで、２つの
オプチクスモジュール２０、２２からの測定干渉周波数
ｆx1、ｆx2信号を受けて、連続した１つの測長器として
使用することが可能となる。これにより、バーミラーの
長さの２倍の移動範囲を測長できるレーザー測長計を実
現できる。また、バーミラーの長さを半分にできること
から、長尺なバーミラーを使う必要がなくなり、移動の
為の無駄な占有空間を確保する必要もなくなる。

【００１９】上記実施例１の説明では、２つのオプチク
スモジュールを設けた場合で説明したが、２つ以上のＮ
個のオプチクスモジュールを設け、これに対応したビー
ムスプリッタを設ける構成手段としても良く、同様にし
て実施できる。これにより、バーミラーの長さのＮ倍の
ストロークを測長できるレーザー測長計を実現できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、下記に記載されるような効果を奏する。ビ
ームスプリッタ１４と反射鏡１２、１６により、レーザ
ー光源を２つに分岐して、２つのオプチクスモジュール
２０、２２に供給する働きがある。測長計数部３０は、
２つに分割して検出した測定干渉周波数ｆx1、ｆx2信号
を１つの連続した測長計数器として計数する効果があ
る。２つのオプチクスモジュール２０、２２は、測定干
渉周波数ｆx1、ｆx2信号を測長計数部３０に供給するこ
とで、連続した１つの測長器として位置を検出すること
ができる効果がある。これにより、バーミラーの長さの
２倍のストロークを測長できるレーザー測長計を実現で
きる効果が得られる。逆に、バーミラーの長さは、半分
にできることから、バーミラー移動の為の無駄な占有空
間を半減できる効果が得られる。これらより、短いバー
ミラーで、長いストロークを必要とするステージのレー
ザー測長を容易に実現できる。

【００２１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、ＸＹステージの距離を測定するレー
ザー測長計のＸステージ側に２系統の測長器を設けて、
Ｙストロークを、半分づつ分担して測長する場合の構成
図である。

【図２】本発明の、測長計数部３０の内部構成図であ
る。

【図３】従来の、ＸＹステージの距離を測定するレーザ
ー測長計の構成図である。

【図４】従来の、バーミラーが長いときの、移動ストロ
ークに対する必要な占有空間を説明する図である

【図５】オプチクスモジュール６０の内部構成図の例で
ある。

【符号の説明】

１２、５８、１６ 反射鏡 １４、５６ ビームスプリッタ ２０、６０、７０、２２ オプチクスモジュール ２４ 光学間隔 ３０、８０ 測長計数部 ３１ 第１比較値 ３２ 第２比較値 ３３ 第１比較器 ３３ａ、３４ａ 検出信号 ３４ 第２比較器 ３５ ＳＲＦＦ（フリップ・フロップ） ３６ マルチプレクサ（ＭＵＸ） ４０ 切替制御部 ５０ レーザー光源 ５４ リファレンスレシーバー ６１ 偏光ビームスプリッタ ６２、６４ １／４波長板 ６３ リファレンスミラー ６６ レシーバー ８１ｂ、８２ｂ 方向検出部 ８１、８２ ＵＰ／ＤＷＮカウンタ ８１x 計数値 １００ ステージ １０１ Ｘミラー（バーミラー） １０２ Ｙミラー（バーミラー） １１０ 占有空間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光源（５０）とリファレンスレ
   シーバー（５４）とを有して、レーザー光線を反射する
   バーミラー（１０１）をステージ（１００）に取り付け
   て、このステージ（１００）の距離を計測するレーザー
   測長装置において、 当該レーザー光源（５０）のレーザー光線をＮ分配して
   Ｎ個のオプチクスモジュール（２０）に供給するＮ−１
   個のビームスプリッタ（１４）を設け、 移動するバーミラー（１０１）から反射するレーザー光
   線を、何れかのオプチクスモジュールで検出する光学配
   置とするＮ個のオプチクスモジュール（２０）を設け、 Ｎ個のオプチクスモジュール（２０）からの検出信号を
   受けて、このＮ個の検出信号を切り替えてバーミラー
   （１０１）距離を計測する測長計数部（３０）を設け、 以上を具備していることを特徴としたレーザー測長装
   置。