JPS6024414A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、位置検出装置に関するものであって、詳しく
Ｃよ、高精度、高分解能で２次元方向の位置検出が行え
る装置を提供するものである。

近年の半導体技術の進展に伴ない、超ＬＳＩ＃ＡＴｉ装
〃や電子露光装置において、各種のサブミクロン領域の
位置検出装置が用いられている。

しかし、このような位置検出装置の多くはｌ−１８−Ｎ
ｅレーザを用いたレーザ干渉計を使用しているために、
小型化が困難であり、構成が複雑になる傾向が見られる
。また、操作、調整に熟練が数＊され、扱いにくい。２
次元方向の位置検出を行う装置ではその傾向はより強（
なる。

本発明は、このような従来の欠点を解決したものであり
、円偏光を出力する可干渉性光源と、２次元方向に回折
格子が形成され円偏光が照射さねる反射形のスケールと
、スケールの反射回折光を各方向毎に特定の角度で反射
させるミラーと、１ミラーで特定の角度で反射された反
射回折光を讐方向毎に干渉させて各方向毎に９０１１位
相の異なる第１．第２の干渉光強度信号とする第１．第
２のハーフミラ−と、ミラーで反射され各ハーフミラ−
に入射される反射回折光の偏光面を入射面と平行にする
偏光板と、各ハーフミラ−から出力される９０億位相の
異なる第１．第２の干渉光強度信号をそれぞれ電気信号
に変換する４個の受光素子と、これら受光素子の出力信
号に基づいてスケールの各方向毎の移動量を演９する演
算回路とで構成されたことを特徴とする。

以下、図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図であって
、１は可干渉性光源、２は１／４波長板、３は反射形の
スケール、４Ｘ　、４Ｙ　、５Ｘ　、５Ｙはミラー、６
Ｘ　、６Ｙ　、７Ｘ　、７Ｙは偏光板、８Ｘ　、８Ｙ４
；ｉハーフミラ−１９Ｘ　、９Ｙ　、１０Ｘ　。

１０Ｙは受光素子、１１Ｘ、１１Ｙは演算回路、１２Ｘ
、１２Ｙは表示回路である。

可干渉性光源１としては、例えばレーザダイオードを用
いる。１／４波長板２は、レーザダイオード１の出力光
を円偏光にするものである。スケール３には、２次元方
向に回折格子が設けられている。ミラー４Ｘ、５ＸはＸ
方向の±１次回折光を第１のハーフミラ−８Ｘで干渉さ
せるように反射させ、ミラー４Ｙ　、５ＹはＹ方向の±
１次回折光を第２のハーフミラ−８Ｙで干渉させるよう
に反射させる。偏光板６Ｘ　、６Ｙ　、７Ｘ　、７Ｙは
ミ５−４Ｘ　、４Ｙ　、５Ｘ　、５Ｙで反射された回折
光の偏光面がそれぞれのハーフミラ−８Ｘ、８Ｙの入射
面に対して平行になるように偏光角が設定されている。

ハーフミラ−８Ｘ　、８ＹはそれぞれＸ、Ｙ方向の反射
回折光を干渉させて９０度位相の異なる第１．第２の干
渉光強度信号を送り出すものであり、例えば金属薄躾ハ
ーフミラ−を用いる。

受光素子９Ｘ　、９Ｙ　、１０Ｘ　、１０Ｙは、各ハー
フミラ−８Ｘ　、８Ｙから出力される９０度位相の異な
る第１．第２の干渉光強度信号をそれぞれ電気信号に変
換するものであり、例えばＰＩＮフォトダイオードを用
いる。演算回路１１Ｘ、１１Ｙは、これら受光素子９Ｘ
　、９Ｙ　、１０Ｘ　、１０Ｙの出力信号に基づいてス
ケール３のＸ　、Ｙ各方向の移動量を演算する。表示回
路１２Ｘ、１２Ｙは、演算回路１１Ｘ、１１Ｙの演算結
果を表示する。

なお、これら可干渉性光源１．１／４波長板２、ミ”ｙ
−４Ｘ　、４　Ｙ　、５Ｘ　、５Ｙ％偏光板６ｘ　、６
Ｙ　、７Ｘ　、７Ｙ、ハーフミラ−８Ｘ　、８Ｙ、及び
・受光索子９Ｘ　、９Ｙ　、１０Ｘ　、１０Ｙは読取ヘ
ッドＩＩＤとしてハ通のケースに収納することができる
。

このように構成された装置は、次のように動作する。。

レーザダイオード１の出力光は１／４波長板２で円偏光
にされてスケール３に照射される。スケール３には２次
元方向に回折格子が形成されているので、照射光は回折
する。このときの回折角θは、スケ−ル３のピッチをｄ
ル−ザダイオード１の波長をλとすると、 ｓｉｎθ−ｍ−λ／ｄ　（Ｉｎ　；整数）但し一９０°
≦θ≦９０°　、−１≦ｌ１１−λ／ｄ≦１とする。こ
こで、例えば、λ−０．７８μ−９ｄ　＝　０．８３１
ｉｎとすると、―＝０．±１となり、θ−０’　（ＩＩ
Ｉ　−０でＯ次回折光）θ−±７０．０°　（＋＋＋−
±１で±１次回折光）となる。Ｘ方向の±１次回折光は
ハーフミラ−８Ｘに入射するようにミラー４Ｘ　、５Ｘ
で反射され、Ｘ方向の±１次回折光はハーフミラ−８Ｙ
に入射するようにミラー４Ｙ、５Ｙで反則される。なお
、ミラー４Ｘ　、４Ｙ　、５Ｘ　、５Ｙで反射されるこ
れら各±１次回折光はほぼ円偏光になっているので、偏
光板６Ｘ　、６Ｙ　、７Ｘ　、７Ｙを通して所定の偏波
光のみを取り出すようにする。ハーフミラ−８Ｘ、８Ｙ
は、入射されるこれら各±１次回折光を混合して干渉さ
せる。このとき、干渉した光には９０°の位相差を持た
せなければならない。以下にその方法を説明する。第２
図はハーフミラ−８Ｘで干渉するときの様子を示す図で
ある。図にａ３いて、Ａはガラス、Ｂは金属半透過面で
ある。一般に、金属面での反射の際には位相が遅れ、ガ
シス面での反射及び透過では位相は遅れない。寸なわら
、−１次回折光のハーフミラ−８Ｘでの反０４による位
相遅れをδ’　＋　、＋１次回折光のハーフミラ−８Ｘ
での反射による位相遅れをδ’２、ガラス媒質中での位
相遅れをそれぞれδｔ１〜δｔ、とする。＋１次回折光
がハーフミラ−８Ｘで反射透過して受光素子９Ｘ　、１
０Ｘの方向に行く光をＰ］−雪　、Ｑ＋、　、−１次回
折光がハーフミラ−８Ｘ　’ｒ反射透過して受光素子９
Ｘ　、１０Ｘの方向に行く光をＰ　＋　、Ｑ　＋　とす
る。これら４つの光束の位相遅れは、それぞれ次のよう
になる。

Ｐ＋＋：δｔ１＋δｒ２＋δｔ２ Ｐ−１：δｔ３ Ｑ＋１　；δ１゜ Ｑ−薯　；δｒ。

従って、Ｐ十＋　とＰ＋　どの位相差Δ１及びＱ＋、と
Ｑ＋との位相差Δ２は、それぞれ次式で表わされる。

Δ１−δ［１＋δｒ２＋δｔ２−δｔ３Δ２−δ［１−
δｒ１ ここで、Ｐ＋１とＰ　’＋の光路を一致させるとδ【、
＝δ【２となる。これにより次式が成立する。

Δ１−δ１．十δｒ２ このようにして、Ｐ＋１とＰ＋及びＱ　＋　＋とＱ＋が
それぞれ干渉し、受光素子９Ｘ、１０Ｘに入射される。

このとき、受光索子９Ｘ　、１０Ｘの出力の位相差をα
とすると、 α＝Δ１−Δ２ 一δｔ１＋δｒ２−δｔ１＋δｒ１ −δｒ１＋δｒ２ となる。すなわち、受光素子９Ｘ　、１０Ｘの出力の位
相差はδ’Ｉｎ　δ「２のみで決まり、ハーフミラ−８
×のガラスの厚さには無関係である。

金属面でのδｒｌ＋　δｒ２の値は、入射角φと入射光
の偏光面の角度によって決まる。δ’Ｉ＋δｒ２が最大
になるのは偏光面を第２図にとったときで、このとぎフ
レネルの公式及び屈折の法則より次式が成立する。

Ｒ１１＝　（ｊａｎ　（φ−１）　）　−Ａｐ　／ｌａ
ｎ　（φ十χ） ｓｉｎ　ｚ　＝ｓｉｎφ／ｎ　（１＋ｉ　−ｋ　）但し
、Ｒｐ；反射光複素振幅 Ａｐ；入射光複素振幅 χ；複素屈折角 ０；金属の屈折率 ｋ　；減衰定数 上式からχを消去すれば、反射光の位相遅れδは次式で
示される。

δ＝ｊａｎ　−’　［２−ｎ　−ｋ　−ｔａｎφ−ｓｉ
ｎφ（ｔａｌｌ　２φ＋１）／（（ｔａｎ２φ（ｎ２＋
（ｎ　−ｋ　）２＞　−（ｓｉｎ２φ（ｔａｎ２φ−Ｆ
ｌ）２）］ 第４図中にα−２・δと仮定してＡＵとＮｉのｎ・ｋ　
ｌａを代入したものを示す。

しかし、ハーフミラ−の場合には、金属面の他にガラス
面での反射があると考えられる。ガラス面での反射はブ
リュータス角を境にして位相が１８０６反転する。そこ
で、ハーフミラ−の場合、入射角φと受光素子９Ｘ　、
１０Ｘ間の位相差αの関係を実測すると、第３図のよう
になり、金属面反射の特性とガラス面反射の特性を合せ
持つインコネルハーフミラ−の場合、φが約７５６でα
は９０’どなる。図において、横軸は入射角φを表わし
、縦軸は受光素子９Ｘ　、１０Ｘ間の位相差αを表わし
ている。従って、この出力によりスクール３の移動方向
が判別でき、正弦波の波の数を８ｊ数することにより移
動量がわかる。そして、このように受光索子９Ｘ　、１
０Ｘ間の位相差αは正確に９０″になっているので、さ
らにアナログ的に補間して１／　１００〜１／１０００
μｍの超高分解能を得ることができる。このように構成
した場合、スケール３に照射される光ビームの径を４〜
５＋ｎｗ＋１スケール３のピッチｄを０．８μ霧とする
ど、このビーム径の中に格子は約５０００本存在するこ
とになり、このすべての格子で１本の干渉縞を作ること
になる。従って、スケール３の格子欠陥や小さなピッチ
むらあるいはスケール３に付着したゴミや汚れの影響も
非常に小さくできる。なお、第２図ではＸ方向の±１次
回折光がハーフミラ−８Ｘで干渉するときの様子につい
て説明したが、Ｙ方向の±１次回折光についてもハーフ
ミラ−８Ｙで同様に干渉動作することになる。

第４図は、本発明に係る装置を用いてＸ−Ｙステージの
位四制御を行う例を示したものである。

スケール３はステージ１３上の一角に取すイ］【プられ
ている。ステージ１３は駆動装置１４により読取ヘッド
ＨＤに対して２次元方向に駆動される。

すなわち、駆動装置１４は、ステージ１３を、読取ヘッ
ドｌ−ｊ　Ｄ　−Ｉ　Ｘ信号処理回路１５Ｘ−１Ｘ信号
偏差増幅器１６Ｘ−＋Ｘ信号サーボ増幅器１７Ｘよりな
るサーボループでＸ方向に移動させると共に、読取ヘッ
ドＨＤ−＋Ｙ信号処理回路１５Ｙ→Ｙ信号偏差増幅器１
６Ｙ→Ｙ信号サーボ増幅器１７Ｙよりなるサーボループ
でＹ方向に移動させる。このように構成することにより
、１個の読取ヘット１−ＩＤでステージ１３の２次元方
向の位置をＩＩ精瓜、高分解能で制御することができ、
構成の簡略化も図れる。

以上説明したように、本発明によれば、−個の読取ヘッ
ドで２次元方向の位置を高Ｎ度、高分解能で検出測定で
きる装置が実現でき、２次元方向の駆動機構を備えた各
種の装置の位置検出装置として好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
ハーフミラ−で干渉するときの位相関係の説明図、第３
図は入射角と受光素子出力間の位相差の関係を示す説明
図、第４図は本発明に係る装置を用いてＸ−Ｙステージ
の位置問罪を行う例を示す説明図である。 １・・・可干渉性光源、２・・・１／４波長板、３・・
・反射形スケール、４Ｘ　、４Ｙ　、５Ｘ　、５Ｙ・・
・ミラー、６Ｘ　、６Ｙ　、７Ｘ　、７Ｙ・・・偏光板
、８Ｘ　、８Ｙ・・・ハーフミラ−１９Ｘ　、９Ｙ　、
ＩＯＸ　、１０Ｙ・＝受光素子、１１　Ｘ　、１１　Ｙ
・］Ｈｕｔ、１２Ｘ’、１２Ｙ・・・表示回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円偏光を出力する可干渉性光源と、２次元方向に回折格
   子が形成され円偏光が照射される反射形のスケールと、
   スケールの反射回折光を各方向毎に特定の角度で反射さ
   せるミラーと、ミラーで特定の角度で反射された反射回
   折光を各方向毎に干渉させて各方向毎に９０度位相の異
   なる第１．第２の干渉光強度信号とする第１．第２のハ
   ーフミラ−と、ミラーで反射され各ハーフミラ−に入射
   される反射回折光の偏光面を入射面と平行にする偏光板
   と、各ハーフミラ−から出力される９０度位相の興なる
   第１．第２の干渉光強度信号をそれぞれ電気信号に変換
   する４個の受光素子と、これら受光素子の出力信号に基
   づいてスケールの各方向毎の移動ｉ＠演算する演算回路
   とで構成されたことを特徴とする位置検出装置。