JPS63277904A

JPS63277904A - 測長装置

Info

Publication number: JPS63277904A
Application number: JP62112262A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Nose; 哲志野瀬; Minoru Yoshii; 実吉井; Yukichi Niwa; 丹羽　雄吉; Akira Kuroda; 亮黒田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1987-05-11
Publication date: 1988-11-15

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】［産業上の利用分野］本発明は、高精度かつ大ストロークな測長装置に関する
。

［従来の技術］従来、高精度測長用としてはレーザ干渉計や格子干渉計
が用いられている。

しかし、これらの干渉計は、例えば１００ｍｍ以上の比
較的大きなストロークの計測が可能である反面、基本的
には計測光の波長または回折光の次数および偏光状態と
いった光学配置で決まる所定のピッチを単位長さとして
測長するものであるため、分解能が低く、例えばサブミ
クロン以下の微小距離を計測する場合の精度は低い。

そこで、例えば格子干渉計においては、回折光の次数お
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げることが提案されてい
る。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、電気的な分割は光量の変動や回折効率の
変動などにより誤差が発生しやすい。

一方、デジタルオーディオディスク、ビデオディスク等
で用いられている光ピツクアップ装置のオートフォーカ
ス（以下、ＡＦという）で用いられる被走査面位置検出
手段（以下、ＡＦ測長手段という）は、高精度高分解能
であるが、その測長ストロークは極めて小さい、また、
このようなＡＦ測長手段はストロークを大きくしようと
すると精度が低下する。

本発明の目的は、ストロークが大きく、かつより高精度
な測長装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］上記目的を達成するため本発明では、相対的に移動する
２物体の一方にこの相対移動方向に沿って配列された該
相対移動方向に対して傾斜する面を設け、他方の物体に
配設したＡＦ測長手段等の高精度高分解能測長手段によ
り上記相対移動方向と角度をなす方向から上記傾斜面ま
での距離を計測するようにしている。

上記斜面は、例えばブレーズド回折格子状に形成する。

［作用および効果］本発明では、２物体の補対移動量を傾斜面によって縦／
横変換した後、相対移動方向の側方より計測している。

従って、上記傾斜面を微小高低差を有する斜面を多数配
列したブレーズド回折格子状に形成することにより、上
記測長手段の測長ストロークは、上記相対し動のストロ
ークにかかわらず該斜面の高低差で足り、大ストローク
の移動を小ストロークの測長手段で計測することができ
る。

また、ブレーズド回折格子状斜面を上記相対移動方向に
並列でかつ斜面のピッチの約１／２ずらして配置し、こ
れを順次切り換えて測長することにより、段差部分の不
確定要素を除き、より高精度の測長を行なうことができ
る。

また、１列の斜面の２点を計測し、この計測点を順次切
り換えるようにしても同様に段差部分の不確定要素を除
くことができる。

さらに、格子干渉計等のように分解能は低いが単位長さ
の精度の高い測長器と組合せてこの単位長さ内の距離を
本発明の測長装置によりさらに分解（補間）するように
すれば、より高精度大ストローク化することができる。

［実施例］以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る測長装置の概観を示
す、この処理装置は、光プローブを用いて被加工物もし
くは被測定物を加工もしくは測定するものである。

同図において、ＤＳはステージ基台で、この基台ＤＳ上
にＹステージ基台が、Ｙステージ基台上にＸステージＸ
Ｓが搭載されている。基台ＤＳにはｙ方向ガイ下ＹＧ％
ＹステージＹＳにはＸ方向ガイドＸＧが設けてあり、Ｘ
、Ｙの各ステージｘｓ、ｙｓは、それぞれ不図示のＸ、
Ｙモータによって駆動され、カイトＸＧ、ＹＧに沿って
Ｘ。

ｙ方向に移動する。

ＬＩはＸ、Ｙ多ステージｘｓ、ｙ、ｓの移動量および位
置を計測する大ストローク測長器としてのレーザ干渉測
長器、ＣＰｘ、ＣＰｙは測長器Ｌｌから入射したレーザ
光Ｌｘ、Ｌｙを確実に１８０゜反転しもとと平行な光路
を経て測長器ＬＩに戻すためのコーナーキエーブプリズ
ムである。ＸステージＸＳ上に点線で示す部分ＤＶは小
ストロークステージ、高分解能測長装置および光プロー
ブ等の配置空間である。測長器Ｌｌおよびステージ基台
ＤＳは不図示の定盤上に固定されてし）る。

第２図は、第１図の光プローブ等配置空間ＤＶの部分拡
大図を示す、同図において、ＤＦＳは小ストロークステ
ージ用の基台で、小ストロークステージ用Ｘ方向ガイド
ＹＦＧが設けられており、ＸステージＸＳ上に固定され
ている。この基台ＤＦＳ上には小ストロークＸステージ
ＹＦＳがガイドＹＦＧに沿つて移動自在に搭載され、Ｙ
ステージＹＦＳ上には小ストロークＸステージＸＦＳが
ＹステージＹＦＳに設けられた小ストロークステージ用
Ｘ方向ガイドＸＦＧに沿って移動自在に搭載され、Ｘス
テージＸＦＳには加工または計測のための光プローブＬ
Ｐが固定されている。

この光プローブＬＰの位置は、基台ＤＦＳに取り付けた
ｙ方向基準尺ＳＹとＹステージＹＦＳに取り付けたｙ方
向測長ヘッドＭＹとからなるｙ座標検出用測長器ＭＹ、
およびＹステージＹＦＳに取り付けたＸ方向基準尺ＳＸ
とＸステージＸＦＳに取り付けたＸ方向測長ヘッドＨＸ
とからなるＸ座標検出用測長器ＭＸとにより、基台ＤＦ
Ｓ　（すなわちＸステージＸＳ）に対する相対位置座標
として検出される。一方、小ストロークステージ基台Ｄ
ＦＳの定盤に対する座標は、レーザ干渉測長器ＬＩによ
りＸ、Ｙ多ステージの位置として計測される。

すなわち、第２図においては、大ストロークステージＸ
Ｓ、ＹＳの移動はレーザ干渉測長器ＬＩで、小ストロー
クの被加工対象物エリアのステージＸＦＳ、ＹＦＳの移
動は測長装置ＭＸ、ＭＹで計測する。このように、成る
特定エリアの移動に対して測長手段を複合構成にし、小
ストローク移動量の測長は大ストロークのステージ移動
量の測長器（レーザ干渉測長器）とは別途設けた測長器
により高精度（高分解能）ｔｉｌｌ長を行ない、大スト
ローク移動量の測長器の誤差に依存しないようにするこ
とによって、大ストロークかつ高精度の測長を実現する
ことができた。

ここで、小ストローク移動量の測長器はストロークが小
である必要はないが、少なくとも上記特定エリアにおい
ては大ストローク移動量の測長器より高精度（高分解能
）であることが必要である。

第３図は、本発明の他の実施例に係る高精度高分解能測
長器を１軸ステージにセットした例を示す。この測長器
は、格子干渉測長器とオートフォーカス装置に用いられ
るフォーカス検出手段とを組合せ、格子干渉測長器の光
学配置で決まる一定間隔のパルス信号の間をフォーカス
検出手段のフォーカス測長出力で補間することにより、
格子干渉測長器の高精度を保ったまま、分解能を高め、
さらなる高精度、高分解能化を図ったものである。この
測長器は、これ自体、上記実施例の全体構成をより具体
的に表わしたものであると同時に、上記実施例の一部で
ある小ストローク移動量の測長器（第２図の測長器ＭＸ
、ＭＹ）としても好適に使用することができるものであ
る。

第３図において、ＳＲは移動ステージ、ＧＳは基準尺と
しての回折格子、ＭＨは回折格子ＧＳに対する移動ステ
ージＳＲの移動量を計測するための測長ヘッド、ＲＧは
ガイド、ＳＳは送り螺子、ＭＴはモータである。ガイド
ＲＧ、ＲＧおよび回折格子ＧＳは定盤ｓｐ上に矢印Ａで
示す移動ステージＳＲの移動方向と平行に固定され、移
動ステージＳＲはモータＭＴにより回転駆動される送り
螺子ＳＳの作用によりガイドＲＧに沿って矢印Ａの方向
に移動する。

第４図は測長ヘッドＭＨの構成説明図である。

同図において、ＳＰは定盤で、この定盤ｓｐ上には移動
ステージＳＲが移動自在に搭載されるとともに回折格子
ＧＳが移動ステージＳＲの移動方向Ａと平行に固定され
ている。また、移動ステージＳＲには移動方向Ａに垂直
なミラー面を有する平面ミラーＰＭが固定されるととも
に微動ステージ（ＡＰステージ）ＡＦＳが搭載されてい
る。微動ステージＡＦＳはピエゾ駆動機構等のような微
小駆動機構ＰＤを介して移動ステージＳＲに接続されて
おり、この微小駆動機構ＰＤにより軸動ステージＳＲに
対して移動ステージＳＲの移動方向（矢印Ａの方向）と
同方向である矢印Ｂの方向に微小量穆勤可能にしである
。また、微動ステージＡＦＳ上には格子干渉測長系およ
びオートフォーカス（以下、ＡＦという）測長系からな
る測長光学系が設置されている。

この測長光学系は、半導体レーザ等の光源ＬＤ、コリメ
ータレンズＣＬ、ビームスプリッタＨＭＩ　、ＨＭ２　
、位相差板ＦＰＩ　、ＦＰ２　、プリズムミラーま、た
はコーナーキューブプリズムＣＣＩ　、ＣＣ２、偏光ビ
ームスプリッタＢＳ、光検出器ＰＤＩ　、ＰＤ２　、対
物レンズＬＮ、光位置検出器（ポジションセンサ）ＰＳ
等からなり、光源ＬＤおよびコリメータレンズＣＬを格
子干渉測長系とＡＦ測長系とで共用する等光学部品の省
略を図っである。

第４図において、光源ＬＤから出射されコリメータレン
ズＣＬにより平行化された光束は、ビームスプリッタＨ
ＭＩにより２つの光束に分割され、一方は対物レンズＬ
Ｎに、他方はビームスプリッタＨＭ２を経て回折格子Ｇ
Ｓに入射する。

回折格子ＧＳに入射した光は、回折格子ＧＳにより回折
され、回折格子ＧＳの位相δが回折波面に加算され、入
射光の初期位相を０とすると回折波の位相光はｅｘｐ（
ｉ（ωｔ＋ｍδ））となる。

ここでｍは回折次数であり、例えば＋１次光と一１次光
はそれぞれｅｘｐ（ｉ（ωｔ＋δ））とｅｘｐ（ｉ（ω
ｔ−δ））となる、＋１次光である光線Ｌｌｌと一１次
光である光線Ｌ１２は、それぞれ位相差板ＦＰＩ　、Ｆ
Ｐ２を経由してコーナーキューブプリズムＣＣＩ　、Ｃ
Ｃ２に入射し、ここで入射方向と平行方向逆向きに反射
される０反射された光線Ｌｌｌ、　Ｌ１２は、位相差板
ＦＰＩ、ＦＰ２を往復２回経由することにより右回りお
よび左回りの円偏光にされ、回折格子Ｇ３０点Ｐ１に対
し移動ステージＳＲの移動方向（矢印Ａの方向）に離れ
た点Ｐ２において再び回折され、さらにビームスプリッ
タＨＭ２を介して偏光ビームスプリッタＢＳに入射する
。この偏光ビームスプリッタＢＳに入射した右回りおよ
び左回りの円偏光特性を有する光線Ｌ　１１．　Ｌ　１
２は、偏光ビームスプリッタＢＳを透過および反射する
。透過光ＬＲＩとＬＲ２および反射光ＬＳＩとＬＳ２は
それぞれ直線偏光になり、互いに干渉し合って光検出器
ＰＤＩ、ＰＤ２に入射する。

光検出器ＰＤＩおよびＰＤ２は２つの円偏光の直交成分
を干渉光強度として検出するため、回折格子ＧＳに対し
て測長ヘッドＭＨ（ＡＦステージＡＦＳ）が移動した場
合の光検出器ＰＤＩ。

ＰＤ２の出力Ｒ，Ｓは、第５図（ａ）、（ｂ）に示すよ
うに９０”の位相差を有する。この２つの信号Ｒ，Ｓを
一定レベルを基に（ｅ）、（ｄ）に示すように不図示の
回路によフてそれぞれ２値化し、その立上りと立下りの
タイミングで（ｅ）に示すように１周期当たり４個のパ
ルスを発生させ、そのパルス数を計数することによって
測長ヘッドＭＨと回折格子ＧＳの相対移動量を計測する
ことができる。この場合、回折格子ＧＳの１ピッチ分の
移動に対する干渉光の強度変化の周期は４周期となり、
パルス数は１６個となる。また、このパルス計数時には
上記相対移動の方向を検出し、その検出結果に応じて計
数値を加算するか減算するかを決定する。移動方向は、
第５図（ｅ）の各パルスの発生タイミングにおける信号
（Ｃ）、−（ｄ）のレベルにより判別することができる
。例えば信号（Ｃ）の立下りタイミングにおける信号（
ｄ）のレベルは、正方向移動時がＨ”であるとすれば、
逆方向移動時には“Ｌ”となる。

さらに、第５図（ａ）、（ｂ）に示す信号Ｒ１Ｓを加算
および減算して信号Ｒ，Ｓに対して４５＠ずつ位相の異
なった信号Ｒ＋Ｓ、Ｒ−５を作成し、これらについても
上記同様に２値化し、立上りおよび立下りのタイミング
でパルスを発生するようにすれば、回折格子ＧＳの１ピ
ツチ分の移動について３２個のパルスを発生させること
ができる。但し、この場合、これらの信号を確実に処理
するためには、光量および回折効率の変動等を考慮する
必要がある。

第６図は、格子干渉測長器の原理説明図である。

同図において、回折格子ＧＳに入射したコヒーレント光
は±１次光として回折する。この回折光の位相は格子Ｇ
Ｓが６勤するとその移動する方向により変化する。図に
示すように回折格子ＧＳがＸ方向に１ピツチ穆動すると
＋１次回折光Ｌｌｌは位相が１波長進み、−１次回折光
Ｌ１２は１波長遅れる。これらの回折光Ｌｌｌ、　　Ｌ
１２は、コーナキューブＣＰＩ　、ＣＦ２により戻され
、格子ＧＳにより再び回折されると先の＋１次回折光Ｌ
ｌｌはさらに１波長進み、−１次回折光Ｌ１２は１波長
遅れる。そのため、最終的にＬｌｌとＬ１２を合波させ
た干渉光は、回折格子ＧＳが１ピツチ移動すると明暗が
４回変化する。従って回折格子の１ピツチが１．６μｍ
とすると１．８μｍのｌ／４、つまり　０．４μｍおき
に明暗が変化する。この明暗の変化を光電変換し、明暗
をカウントすることにより　０．４μｍおきのパルスを
得ることができる。上述した第４図の干渉測長系におい
ては、分解能をさらに高くするため、電気的処理により
、回折格子の１ピツチ当たり１６または３２個、つまり
　０．１μｍまたは０．０５μｍおきにパルスを発生し
ている。

次に、格子干渉測長器の方向を検知する方法について説
明する。

測長方向を検出するためには９０°位相を変えた２つの
信号を取り出す必要がある。

第６図に示すように、直線偏光のコヒーレント光をλ／
４板ＱＷＩ　、ＱＷ２をそのファースト軸に対して４５
＠　に入射させて透過させることにより円偏光にするこ
とができる。

＋１次の回折光と一１次の回折光を例えばそれぞれ左回
り右回り、の円偏光にして合波すると合波光は直線偏光
になる。

その直線偏光の偏光方位は、±１次光の位相差φによっ
て決まる。

今、＋１次光による左回り円偏光をｙ＊　ｘａ　ｅｘｐ（ｉ　（ωを一φ／２））Ｘや＝ａ
　　ｅｘｐ（ｉ　（ωｔ°−π／２−φ／２））−１次
光による左回り円偏光をｙ−＝ａ　　ｅｘｐ（ｉ　（ωｔ＋φ／２））ｘ−＝ａ
　　ｅｘｐ（ｉ　（ωを一π／２＋φ／２））で表わす
と、これらを合波したときの平面波はｙ−ｙ令　＋ｙ− ｘａ（ｅｘｐ（ｉφ／２）＋ｅｘｐ（−１φ／２））ＸＺＸ　◆　＋　Ｘ− ＝ａ（ｅｘｐ（ｉφ／２） −ｅｘｐ（−ｉφ／２））となり、これは第７図に示すように偏光方向θがφ／２
である直線偏光であることがわかる。

ここで、ａは光波の振幅、ωは光波の角周波数を表わす
。

従って、第６図で格子ＧＳをＸだけ移動することにより
±１次光の位相差φは、格子ＧＳのピッチをｐとすれば
、なる位相差を得る。そのため、±１次光の合波の偏光方
位θは４　π θ冨□Ｘ　となる。

この直線偏光の合波は第６図に示すようにビームスプリ
ッタＨＭ３で分けられ、偏光板ＰＰＩ。

ＰＰ２を通過後ディテクタＰＣＩ　、ＰＯ２に入る。２
つの偏光板ＰＰ１．ＰＰ２の透過軸に４５″″の差をつ
けておくと、例えば第１の偏光子ＰＰＩを通過後のディ
テクタＰＤＩがθ第０のときに光量のピークを検出する
場合、第２の偏光子ＰＰ２を通過後のディテクタＰＤ２
ではのときに光量がピークになる。これは第１の偏光子によ
るディテクタＰＤＩの信号に比べて９Ｇ”位相差のつい
た信号となる。これにより測長方向の判別が可能となる
。

次に、より繰返し精度の高いパルス信号を発生する方法
を説明する。

第３図の測長器における精度（分解能）は、後述するよ
うに、例えば０．０１μｍ〜０．００２μｍである。こ
のＡＦ測長系の高精度を最大限に生かすためには、干渉
測長系において繰り返し精度の高いパルス信号を発生す
ることが必要である。この繰り返し精度はＡＦで分解さ
れる精度０．００２μｍ以下の繰り返し精度が必要とな
る。

上述のように電気的処理により格子１ピツチ当たりのパ
ルス数を増加する方式において、精度を悪くする要因は
、光量の変動や回折効率の変動などである。例えば、第
５図の（ａ）、（ｂ）に示されているような信号Ｒ，Ｓ
にＤＣレベルの変動や振幅の変動があるとスライスする
位置ＶＢＲ＊Ｖｌｉｌ＋が変化して繰り返し精度を悪く
する。

そこで、ここではＯ”、１８０°信号を使うことを提案
する。

Ｏ′″、１８０°の信号の差を検出すればＤＣレベルの
変動や振幅の変動は、０°、　１８０　＠の２つの信号
に共通であるために除き取ってしまうことができる。第
８図にこの様子を示す。

０＠、１８０°の信号を用いると、パルス信号は１７２
波長ごとに出る。この場合は０．２μｍおきにパルス信
号が出ることになるがこのまま用いてもよい。

第９図は、この方法を実現するための構成の一例を示す
。すなわち、方位角が０°、４５°の偏光板ＰＰ１．Ｐ
Ｐ２の他に９０°の偏光板ＰＰ３を別売路中に設ければ
よい、同図において、）（Ｍ３゜）１Ｍ４はハーフミラ
−１ＰＤＩ　、ＰＯ２、ＰＯ３はディテクタ（光検出器
）である。

第４図に戻りて、光源ＬＤから出射されコリメータレン
ズＣＬにより平行化され、ビームスプリッタ）（Ｍｌを
透過した光は、ＡＦ測長系の対物レンズＬＮ−に入力さ
れる。

第１０図は、ＡＦ測長系の動作説明図である。

同図において、光源ＬＤからの光は、対物レンズＬＮに
対して主光軸から偏心した位置に入射される。そして、
対物レンズＬＮのターゲット（第４図の６動ステージＳ
Ｒに固定された平面ミラーＰＭのミラー面）が合焦位置
（イ）にあるとき、光源ＬＤからの光は第１０図の実線
の光路を経て、対物レンズＬＮに対する合焦位置（イ）
の共役（結像）位置に配置されたセンサＰＳ上の中心部
（イ）にミラー面に投影された光点の像を結像する。ま
た、ターゲットＰＭが対物レンズＬＮのデオーカス（非
合焦）位置（ロ）および（ハ）にあるときは、それぞれ
第１０図の２点鎖線および破線の光路を経て、センサＰ
Ｓ上の中心部（イ）より離れた位置（ロ）および位置（
ハ）にデフォーカス像を結ぶ。

第１１図は、上記各平面ミラーＰＭ位置に対応したセン
サ２５面上のスポット状態および光量分布を示す、この
センサ２５面上のＡゾーンのセンサ信号量とＢゾーンの
センサ信号量との差はいわゆる５字カーブ特性を有する
。第１２図は、不図示の差動増幅器によって得られるセ
ンサ信号量■＾とＩａの差動信号ΔＩ（＝Ｉａ−Ｉｎ）
のデフォーカス量（ターゲット位置）に対する関係を示
す。

第４図のＡＦ測長系においては、このＳ字特性曲線にお
けるデフォーカス量と差動信号ΔＩとの関係がリニアな
領域を利用する。

次に、第１３図のフローチャートおよび第１４図と第１
５図の出力波形図を参照しながら第３図および第４図の
測長器の動作を説明する。

第３図の測長器は、その全体動作を不図示の中央処理装
置により制御するように構成されている。

まず、電源投入時などの動作開始時は、移動ステージＳ
Ｒを原点へ移動し、移動ステージＳＲが原点に来たとき
カウンタをリセットすることにより初期設定を行ない、
その後、穆勤ステージ駆動指令の入力を待機する。

待機状態において、ステージ駆動指令が入力されると、
まずＡＦ動作を行なう。つまり、ＡＦ測長系の出力に基
づいてピエゾ微小駆動機構（圧電アクチュエータ）ＦＤ
によりＡＦステージＡＦＳを駆動し、対物レンズＬＮを
平面ミラーＰＭに合焦させる。合焦状態になると、ＡＦ
ステージＡＦＳをその位置で移動ステージＳＲにロック
し、モータＭＴにより移動ステージＳＲを駆動する。

この測長器においては、移動ステージＳＲが動くと、前
述したように、格子干渉測長系の電気回路（図示せず）
から定盤ＳＰに対して固定された回折格子ＧＳの周期ｐ
の１／１６ごとにパルス信号が出てくるようになってい
る（第５図、第１４図参照）。カウンタはこのパルス数
の積算を行なう。

中央処理装置は、移動ステージＳＲの穆勅時、停止指令
が入力されると、移動ステージＳＲを停止し、カウンタ
によるパルス積算数を算出する。

この後、ＡＦステージＡＦＳのロックを解除し、圧電ア
クチュエータＦＤを駆動してＡＦ系と格子干渉光学系が
載っているＡＦステージＡＦＳを動かし、上で得られた
格子干渉測長系のパルス信号間のどの位置に移動ステー
ジが来ているのかを検出する。つまり、第１４図に示す
ように、移動ステージＳＲが静止した位置を８点とし、
その時のパルスカウント数をＮとすると、オートフォー
カス手段により８点の位置がカウント数Ｎと次のＮ＋１
の間のどの位置にあるかを高精度に決定する。

まず、移動ステージＳＲが止まった時のカウンタのパル
ス積算数Ｎを記憶し、圧電アクチュエータＦＤでＡＦス
テージＡＦＳすなわち測長光学系ＭＨを微小量（パルス
間隔分ΔＸより僅かに多い程度）動かす、すると、移動
ステージＳＲに対し固定して取付けられている平面ミラ
ーＰＭをターゲットとするＡＦ測長系にデフォーカスが
加わり、第１５図に示すように差動出力信号ΔＩ　（Ａ
ＦセンサＰＳの差信号ＩＡ−Ｉｎ　）が変わる。このと
き、デフォーカス量と差信号との関係がリニアになる領
域内にピエゾ駆動量の送り量を設定しておけば、予め差
信号とデフォーカス量の関係が分かつているため、差信
号が与えられればデフォーカス量が一意的に決められる
。従って、ピエゾ駆動によりＮ番目のパルスに対応する
位置に微少量穆勤すればＮ番目のパルスに対応する位置
における差信号が得られ、これをデフォーカス量にして
δとするとＮ番目のパルス発生位置Ｎ・Δ芥にδを加え
た量が移動ステージＳＲが止まった点Ｓの測長位置とな
る。ここにΔＸは格子干渉測長系のパルス列の周期であ
る。なお、移動ステージＳＲが静止するまでは光学系の
載った微動ステージＡＦＳはＡＰ倍信号０となる位置（
合焦位置）で静止している。

この測長器において、例えば回折格子ＧＳの格子ピッチ
を１．６μｍとすれば、格子干渉測長系のパルス信号の
周期は０．１μｍとなる。従って、ピエゾ駆動量を〜０
．２μｍ程度振らせてやれば上記の方法が可能であり、
格子干渉測長装置の高ストロークを保持してＡＦの精度
で測長が達成でき、ステージ等の位置決めが高精度に実
現する。

例えば、ＡＦ測長の精度は、ＡＦ用対物レンズとしてｘ
ｌｏｏ（ＮＡ〜０．９）を用い、ＡＦセンサＰＳとして
ＣＣＤやポジシ目ンセンサ等を用いれば０．０１μｍ〜
０．００２μｍ程度の精度が実現される。この場合、Ａ
Ｆ信号のリニアな領域は１μｍ程度である。

なお、第３図の測長器において、ＡＦ光学系は必ずしも
平面ミラーＰＭ位置とＡＦセンサＰＳ位置が結像（共役
）関係になっていなくてもよく、微小ステージＡＦＳの
移動量に対し、ＡＦセンサの差動信号や光点位置信号（
移動方向に対するデフォーカス量）がリニアもしくはリ
ニアに近い特性で与えられる系であれば良い、リニアで
ない場合は、移動（デフォーカス）量と信号との関係を
リードオンリメモリ（ＲＯＭ）に入れておいて信号に応
じた移動量を読み出すことにより微小穆動量を求めると
よい。

このように第３図の測長器は、高ストロークな測長手段
と、穆動量に対して信号出力がリニアに近い出力をもつ
光学系とを組合せて高ストロークな測長手段の信号（分
解能）間を埋めることにより、高ストロークな測長手段
の精度をさらに向上している。

これにより、従来の格子干渉計の場合の回折光の次数お
よび偏光状態といった光学配置で決まる信号をさらに電
気的に分割処理して分解能を上げる場合に生じる、光量
の変動や回折効率の変動などにより誤差が発生し易いと
いう問題が解決される。

なお、第３図の測長器に対して次の点を変形することも
可能である。

例えば、上述において、デフォーカス量δを検出する際
ＡＦステージＡ’ＦＳをＮ番目のパルスとＮ＋１番目の
パルスに対応する位置とに微小駆動し、双方の位置にお
ける差信号を検知して上記デフォーカス量δを算出する
ようにすれば、パルス間隔やＡＦセンサ出力が変動した
場合にも正確なデフォーカス量δを求めることができる
。

また、高ストロークな測長手段は格子干渉測長器に限ら
ず、レーザ干渉測長器等の他の方式であってもよい。

また、微動ステージ上に載った光学系は、ＡＦ系の対物
レンズのみと、格子干渉測長器の系であってもよ＜、Ａ
Ｆ系の全てが微動ステージ上に載っている必要はない。

また、第３図は、ＩＩＩＩｔｈの８勤について示したが
、２軸以上の測長についても同様に複合構造とすればよ
い。

また、第４図でＡＦ系はＴＴＬ−ＡＦ方式を示したが、
ＤＡＤ　（デジタルオーデオデスク）やビデオデスクの
光ピツクアップに用いられるＡＦ系や、カメラのオート
フォーカスで用いられているＡＦ系でもよい。

また、上述のように、ＡＦ系はいわゆる結像関係にある
必要はなく、移動方向に対し、センサ信号がリニアに近
い出力が得られればよい、光点がセンサ面上でリニアに
移動する系であれば必ずしも第４図で示す平面ミラー面
上の点とセンサ面上が共役でなくてもよい。

第１６図は、本発明の実施例に係る測長装置を測長器ユ
ニットとしてまとめた例である。

この測長ユニットは、ステージ可動部ＳＴ上に光源ＬＤ
、コリメータレンズＣＬ、偏光ビームスプリッタ）ＩＭ
Ｉ、　λ／４板ＱＷ、集光レンズＧＬＩ。

ＧＬ２、ＣＣＤ等の光位置検知センサからなるＡＦ手段
ＰＳを配置し、さらにステージ可動部ＳＴの動きを、ス
テージ可動部ＳＴに固定したリニア格子ＧＳとステージ
固定部ＳＳに配置した読み取りヘッドＭＷでパルス列信
号として検出する。

ステージ可動部ＳＴはアクチュエータＡＴにより能動的
に可動する。被検物体ＭＯの測長基準面Ｏ８は面精度の
高いミラー面にしである。

この方式の最大のポイントは、検知処理回路ＥＤにおい
て合焦検知回路ＦＦが、パルス列測長器電気系ＰＣから
パルス信号を受は取るごとにその時点のＡＦ出力値を更
新して記憶することである。

第１７図はその動作フローである。また、第１８図はパ
ルス間隔とＡＦ電圧値の例を示している一１被検物体Ｍ
Ｏが停止したことを確認すると、測長ユニットのアクチ
ェエータＡＴが駆動し、被検基準面Ｏ８にオートフォー
カスを合焦させようとする。この動きはステージ可動部
ＳＴに取り付けであるスケールＧＳと読み取りヘッドＭ
Ｈで干渉光の光量変化を検出し、パルス列測長器電気系
ＰＣでこの光量変化をパルス信号としてカウントし測長
する。この場合の分解能はパルス間隔ΔＸ（第１８図）
である。

その間にパルス信号を中央演算系ＣＰＵが受は取るごと
にそのときの合焦電圧ｖａｒを更新して記憶しておく。

オートフォーカス系が合焦信号っまりＶＡＦ−ＯＶを示
すとアクチュエータＡＴは停止する。

そこで中央演算系ＣＰＵではそれまでカウントしていた
カウント数ｊと合焦検知系ＦＦが最後に記憶した合焦電
圧ｖｉを用いて測長器１１１ｘをｘ＝ｊ・Δｘ＋ＶＪ　
・ξ と算出する。ここに、ΔＸはパルス間隔に対応する移動
距離で例えば０，４μｍピッチである。またξはＡＦの
感度で予め較正されているものとする。

第１９図は、この測長ユニットを２軸に用いた例であり
、半導体露光装置のＡＡ（オートアライメント）用ヘッ
ドの高精度位置決めに用いたものである。

第２０図は、第３図の測長器の回折格子干渉測長系に代
えてレーザ干渉測長系を用いた例を示す。

第２０図において第３図と共通または対応する部分につ
いては同一の符号を付しである。第２０図において、レ
ーザヘッドＬＺ、干渉ユニット■υおよびコーナキュー
ブプリズムＣＰはレーザ干渉測長系を構成している。干
渉ユニットＩＵは定盤ＳＰに、コーナキューブプリズム
ＣＰは微動ステージＡＦＳに固定しである。

第２１図は第２０図の微動ステージＡＦＳ上の測長光学
系を示す。第４図で回折格子干渉測長光学系を構成する
ため配置されていたビームスプリッタＨＭ２、位相差板
ＦＰＩ　、ＦＰ２　、コーナキューブプリズムＣＣ１，
ＣＣ２、偏光ビームスプリッタＢＳおよび光検出器ＰＤ
Ｉ、ＰＤ２を除去し、代わりにレーザ光をレーザ干渉ユ
ニットに向けて反射するためのコーナキューブプリズム
ＣＰを微動ステージＡＦＳ上に固定された台ＲＴ上にセ
ットしである。ＡＦ測長光学系は第４図と同様に構成し
である。

この測長器においても第３図のものと同様の手順（第１
３図参照）および作用で測長が行なわれ　゛る。すなわ
ち、粗動ステージＳＲおよび微動ステージＡＦＳを移動
して微動ステージＡＦＳまたはこれに固定された不図示
の光プローブ等の測定対象物が所定の単位長ΔＸを移動
するごとにレーザ干渉系からパルス信号が出力され、Ａ
Ｆ測長系のアナログ測長出力によりこのパルス間を補間
する。これにより、大ストローク分の測長に対してはレ
ーザ干渉測長系の精度が保持したまま、このレーザ干渉
測長系のパルス間を補間したより高分解能（高精度）の
測長を実現することができる。

第２２図は、本発明のさらに他の実施例を示す。

同図において、ＳＭは第４図の回折格子ＧＳに相当する
回折格子を設けた基準部材で、相対８動する２物体の一
方に固定しである。同図に図示した基準部材３Ｍ以外の
光学部品は測長ヘッド光学系ＭＨを構成しており、上記
２物体の他方に一体として固定され配置されている。基
準部材ＳＭには、第２３図に示すように、格子干渉測長
用の回折格子ＧＳを設けてあり、さらにこの格子ＧＳと
平行にＡＦ測長用のブレーズド格子ＢＧＩ、ＢＧ２およ
びＡＦ測長基準面としての反射面となる平面ＦＴが設け
られている。２つのブレーズド格子ＢＧＩ　、ＢＯ２は
互いに格子ピッチｐ、の半分だけ基準部材ＳＭと測長ヘ
ッド光学系ＭＷとの相対移動方向（矢印Ａの方向）にず
らして配置しである。

第２２図において、光源ＬＤＩ、ハーフミラ−ＨＭ２、
位相差板ＦＰＩとＦＰ２．ミラーＣＰＩとＣＰ２、偏光
ビームスプリッタＢＳおよび光検出器ＰＤＩとＰＤ２は
干渉測長光学系を構成している。この干渉測長光学系お
よび基準部材ＳＭ上の格子干渉測長用格子ＧＳは、第４
図等において説明したパルス列を発生する光学系および
センサに対応している。

光源ＬＤ２、コリメータレンズＣＬ、ハーフミラ−ＨＭ
ＩＩ、　ＨＭ１２、対物レンズＬＮＩ　、ＬＮ２および
光位置検出器Ｐｓｉ、ＰＳ２は２組のＡＦ測長光学系を
構成している。各ＡＦ測長光学系は第４図等において説
明したものと光学的に等価に構成されている。また、こ
れらのＡＦ測長光学系は、第２４図に示すように、それ
ぞれ基準部材ＳＭ上のブレーズド格子ＢＧＩ　、ＢＯ２
の表面近傍に合焦するように配置しである。

さらに、半導体レーザ等の光源ＬＤ３および光点位置検
出用センサＰＳ３は、測長ヘッド光学系ＭＨの検出面と
基準部材ＳＭとの相対傾きを検出するためのもので、光
源ＬＤ３から基準部材ＳＭ上の反射面領域ＦＴに光を投
射し、光点位置検出用センサＰＳ３において領域ＦＳか
らの反射光を受光して基準部材ＳＭと測長ヘッド光学系
ＭＨとの平行性検出信号を得るようになつｔいる。

第２５図は、第２２図の格子干渉測長系から出力される
パルス列信号と基準部材ＳＭ上のブレーズド格子ＢＧＩ
　、ＢＧ２’の断面形状（したがってＡＦ測長系の出力
）との関係を示す、ブレーズド格子ＢＧＩ　、ＢＯ２の
ピッチをｐ、、高低差をＨとする。ピッチをｐ♂ぼ格子
干渉測長系のパルス列の周期ΔＸの偶数倍、例えば１０
倍にしである。

この装置における測長時は、格子干渉測長系のパルス列
は図示のように累積数・・・・・−Ｎ−１，Ｎ。

Ｎ＋１．−・・・・・をカウントしていく。ブレーズド
格子ＢＧＩ、ＢＧ２表面位置を計測する各ＡＦ測長系は
、例えば格子ＢＧＩの段差の直前で格子ＢＯ２側のＡＦ
測長系に切り換え、さらに格子ＢＧ２の段差の直前で格
子ＢＧＩ側のＡＦ測長系に切り換える。つまり測長ヘッ
ドＭＨに対する基準部材の相対′Ｓ勅が、第２５図にお
いて基準部材ＳＭがＸ軸の負の方向にｇ勤するものであ
るときは、同図に示すように、Ｎ−１番目のパルスのタ
イミングでＢＯ２側からＢＧＩ側への切換を行ない、Ｎ
＋４番目のパルスのタイミングでＢＯ２側からＢＯ２側
への切換を行なう。基準部材ＳＭの相対穆動方向がＸ軸
の正の方向であると籾は、逆方向の切換を行なう。基準
部材ＳＭが測長ヘッド光学系ＭＨに対、して相対的にど
ちらに８勤しているかは、格子ＢＧＩおよびＢＯ２それ
ぞれに対応するＡＦ測長信号により判別することができ
る。

従って、切換の方向はこの判別情報に基づいて行なえば
よい。

ブレーズド格子表面近傍に合焦しているＡＦ測長系の出
力信号（ＡＦ信号）は、基準部材ＳＭが相対移動するに
伴いＡＦ測長光学系のデフォーカス量が変化することに
より変化する。従って、基準部材ＳＭのＸ軸方向の移動
をブレーズド格子表面の高低方向の情報として取り出す
ことができる。この場合、ＡＦ測長信号のデフォーカス
量に対する特性がリニアな領域（第１２図参照）を利用
するためには、ブレーズド格子の高さＨをＡＦ信号のり
ニアリテイが保証される高さより小さくする必要がある
０例えば、ブレーズド格子の長辺の中心においてＡＰ系
のセンサ面上の差動出力信号ΔＩ（第１１および１２図
参照）が０となるように、すなわち合焦するようにして
おけば第２５図のに点の位置のときに高低量δの信号が
得られ、０点からに点までのＸ軸方向の長さはδ・Ｈ／
　ｐ　ａとして求まる。よって０点に対応するパルス列
がＮ番目であればに点の位置はＮ・ΔＸ＋δ・Ｈ／　ｐ
　ａとして求まる。

また、第２６図に示すように、干渉測長系からパルス信
号が発生する度にその時点のＡＦ検知電圧ｖａｒを記憶
し、次のパルス信号が発生するまではこの電圧ＹＡＰか
らの差電圧に基づいて補間するようにしてもよい。

なお、ＡＦ測長用の光をブレーズド格子に入射する場合
、入射光と反射光との張る面が基準部材ＳＭとの相対穆
動方向と直角に近くなるように設定するのが好ましい。

ブレーズド格子は、Ｓｔウェハの結晶方向とエツチング
スピードとの関係を利用したウェットエツチングによる
製作方法やいわゆるルーリングエンジンによる機械的加
工法やりソグライフイとドライエツチングによる製造方
法等公知の方法により製作することができる。

格子干渉測長用格子のピッチｐを１．６μｍ、格子干渉
測長系のパルス列周期を０．４μｍとし、ＡＦ測長系に
Ｘ　１００　　（Ｎ　Ａ〜０．９）の対物レンズＬＮＩ
　、ＬＮ２を用い、ブレーズド格子としてピッチｐ、〜
３μｍ１高低差Ｈ〜１μｍ１平面ＦＳに対する傾き角θ
−１８°のものを用いたところ、ＡＦ信号のリニアな範
囲は１μｍ弱であり、差動出力最大値（Ｉａ−１ａ）＝
ａａＸは約２ｖｏｌＬノイズ（Ｎ）は５ｍＶであった。

Ｓ／Ｎ、＝１としたときの差動出力値ΔＸ　（Ｓ）とし
て求められるＡＦ精度は０．００２５μｍであった。ま
た、基準格子ＳＭと測長ヘッド光学系ＭＨとの相対移動
量の測長精度は０．００７μｍであった。

なお、この実施例において、大ストローク測長器は格子
干渉測長器に限らず、レーザ干渉測長器のように測長の
パルス信号が得られる他の方式の測長器でありてもよい
。

また、第２２図で各ＡＦ測長系は実施例のＴＴＬ−ＡＦ
方式に限らず、ＤＡＤ　（デジタルオーデオデスク）や
ビデオデスクに用いられる光ピツクアップ用の方式や、
カメラのオートフォーカスに用いられている方式のもの
を用いることも可能である。

また、基準部材、ＳＭと測長ヘッド光学系ＭＷとはどち
らが移動しても良いし、双方が移動してもよい。

さらに、上記実施例においては、２列のブレーズド格子
を用いているが、第２７図に示すように、１列のブレー
ズド格子に２つのオートフォーカスプローブ系ＰＲＩ、
ＰＲ２をつけてもよい。この場合には、２つのプローブ
間はブレーズド格子の実質的に半ピツチずれた点を狙う
ようにするのが好ましい。

第２２図の測長器においては、格子干渉測長器やレーザ
干渉測長器等のように一定の長さに対応した間隔でパル
ス信号を出力する測長器のパルス間を、ブレーズド格子
状部材の表面形状にピントを合せた高精度（高分解能）
小ストロークなＡＦ測長手段の測長値により補間してい
るため、パルスを発生する測長器のパルス発生位置の高
精度を係持したまま、パルス間をさらに分解して高精度
、高分解能の測長を実現することができる。

また、ＡＦ測長手段は、ストロークが例えば１μｍ程度
と極めて小ストロークなため、第３図の実施例において
は、測長ヘッド搭載ステージを移動ステージＳＲと微動
ステージＡＦＳとの２段構造としているが、ここでは微
小高低差を看する斜面を繰返し配列してなるブレーズド
格子状部材を用いて被測定物体の移動方向の小ストロー
ク分の変位をこの移動方向に対する交差方向の変位に変
換した後、計測するようにしたため、ブレーズド格子状
部材の高低差をＡＦ測長手１段のストローク内となるよ
うに設定すれば、ＡＦ手段を移動させることなく、大ス
トロークの移動のうちの小ストローク変位分を測長する
ことができる。

さらに、２列のブレーズド格子状部材をその段差位置を
移動方向にずらして配列したり、１列のブレーズド格子
状部材のおよそ半ピツチずれた点をＡＦ測長のターゲッ
トとしてブレーズド格子状部材の段差の前後でＡＦ測長
の対象部材または位置を切り換え、ブレーズド格子状部
材表面形状不確定な部分でのＡＦ測長信号を使わないよ
うにすることにより、より高精度化を図ることができる
。

第２８図は、コーナーキユーブを用いることなく構成し
た回折格子干渉測長器を示す、同図において、相対移動
回折格子ＧＳは、相対移動する２物体の一方に固定して
あり、測長ヘッド部ＭＨは上記２物体の他方に固定しで
ある。

測長ヘッド部ＭＨの光源ＬＤ例えば半導体レーザから出
射されたレーザ光は、コリメータレンズＣＬで平面波と
なり、ハーフミラ−ＨＭ２Ｏで２光束に分けられる。２
つの光束ＬＯ１，ＬＯ２はそれぞれλ／４板ＱＷＩ　、
ＱＷ２に入射した後固定格子ＧＦＩ　、ＧＦ２で回折を
受け、その±Ｎ次の回折光ＬＮＩ、　ＬＮ２が相対移動
格子ＧＳに入り、ここで再び反射回折を受は同じ方向に
戻って合流する。

この光をハーフミラ−ＨＭ２１〜ＨＭ２３で分は偏光板
ＰＰｌ−ＰＰ４とセンサ（光検出器）ＰＤＩ〜ＰＤ４の
組合せで電気信号に変換して取り出す。

ここで、光束ＬＯ１，ＬＯＺ中に置かれているλ／４板
ＱＷＩ　、ＱＷ２は、それぞれファースト軸がレーザ光
の直線偏光に対して＋４５’　、−４５°になるように
セットしておく、また、偏光板ＰＰＩ〜ＰＰ４は偏光方
位がそれぞれ０°、４５°、　９０＠。

１３５°になるように角度を設定しておく、−すると、
センサＰＤＩ〜ＰＤ４へ入射する光量は相対移動格子Ｇ
Ｓの移動に伴い、第２９図に示すように変化し、これが
光量検出出力として得られる。つまり、各センサＰＤＩ
〜ＰＤ４からは９０゜ずつ位相がずれた出力が得られる
。

第３０図は、第２８図の測長器において光源ＬＤの出力
波長が変動した場合の回折光束の状態を示す、第３０図
において、最良調整状態の光束の光路を実線で、波長が
変動したときの光路を点線と一点鎖線で示す、波長変動
があるときのセンサＰＤＩ　Ｐ−ＰＤ４の出力は第３１
図のようになり、この出力には相対移動格子ＧＳの移動
量に無関係ないわゆるバイアス量が乗ってくる。この理
由は第３０図に示すように斜線で示した干渉エリア以外
の干渉縞が立たない光束エリアが増えるためであり、波
長の変動量により干渉縞が立たないエリアの広さが変わ
るためである。従って第３１図の光検出器ＰＤＩ〜ＰＤ
４・の出力信号波形に示すような変動が起こる。しかし
ながら、９Ｇ’おきに位相の変った４つの検出信号をも
とに処理をする場合には、波長変化が起こりたとしても
信号の周期に対しての分割は精度よく行なうことができ
る。もし、センサな２個しか使わず、位相が０°、９０
＠の２　ｆｆｆｉの信号のみを電気的に処理することに
よりセンサな４個使った場合と同じピッチのパルスを得
ようとすれば、波長変動があるときは得られた信号の電
気的な分割精度は悪くなる。これは第５〜８図を用いて
前述したのと同じである。

また、第６図に示すような構成でＰＩ点で格子ＧＳに入
った光は光源ＬＤの波長が変動すると回折方向（角度）
が変わる。この特性に対応して、コーナーキューブ（プ
リズム”）ＣＣＩとＣＣ２を配置している。コーナーキ
ューブとは入射光の方向と同じ方向に反射して光が戻る
ように多面間の角度を９０°に加工してなるプリズムで
ある。ところが、このコーナーキューブは加工に高精度
が求められ、そのためにコスト高となる。

第２８図の装置においては、移動格子ＧＳの他に測長ヘ
ッド部ＭＨ側にも回折格子（固定格子ＧＦＩ　、ＧＦ２
　）を設け、固定格子の±Ｎ次光が移動格子により再回
折され、その回折光が光路を同じくしてセンサに至る構
成としている。このため、上述したようにコーナーキュ
ーブなしでも波長変動時、移動格子の移動に応じて明暗
の変化する干渉光を得ることができる。すなわち、この
格子干渉測長器はコーナーキューブなしで波長の変動に
対し安定性が良いため、装置のコストダウンを図ること
ができる。また、以下に示すようにＩＣ化が容易になる
。

例えば第６図のような構成の格子干渉測長器は光源ＬＤ
、偏光ミラーＢＳ、コーナーキューブＣＣＩ　、ＣＣ２
、偏光板ＰＰＩ　、ＰＰ２　、検出器ＰＤＩ　、ＰＤ２
等が別々に組み合さって立体的に構成されていた。その
ため、光学部材間の機械的変動、温度変化や空気のゆら
ぎにより干渉信号に誤差が混入し、測長精度を劣化させ
るという不都合があった。また、光源や検出系を別々に
取り付けていたため空間的に占める体積が大きく、小型
にすることができなかった。さらに検出系から処理回路
に至るまでの空間的距離のためノイズが入りやすく、測
定精度を悪くする等の問題点がありた。

第３２図は、格子回折測長器の主要部分をＩＣ化するこ
とにより上記欠点の解消を図フたものである。ここでは
、Ｇａ　Ａｓ基板上に第２８図の測長器の測長ヘッド部
ＭＨの光学系に対応する部分と、干渉光の明暗に応じて
パルスを発生する信号処理電気系とを形成した例を示す
。

Ｇａ　Ａｓ基基板Ｓ上上は誘電体導波路ＷＧ層が形成さ
れており予め設定した光路を光波が伝搬する。

光源ＬＤはＧａ　Ａｓ基基板Ｓ上上例えばＭＢＥ（分子
線ビームエピタキシー）等で形成することができる。導
波路ＷＧ中に形成したレンズおよびビームスプリッタ部
ＬＳは光源ＬＤからの発散光を平行光にしてから２方向
に分ける。グレーティングカプラＧＣＩ　、ＣＣ２は薄
膜導波路ＷＧ中を伝搬した光波を空間へある角度で出射
する。

基準回折格子ＧＳは、第２８図の測長器の移動格子ＧＳ
に相当するものであり、グレーティングカブラＧＣＩ　
、ＣＣ２からの光波を同一方向へ向けて回折する。光検
出器ＰＤは、基準回折格子ＧＳからの回折光の干渉光強
度を検出する。

次に動作を説明する。

光源ＬＤからの光波は導波路ＷＧ中を伝搬し、レンズお
よびビームスプリッタ部ＬＳにより２つの方向の違う平
行光Ｌｏｔ、　ＬＱ２として導波路ＷＧ中を伝搬する。

それぞれの光Ｌ　０１．　Ｌ　０２は基準格子ＧＳの長
手方向と平行になるようにミラーＭＲＩ　、ＭＲ２によ
り導波路ＷＧ中で反射され、グレーティングカブラＧＣ
Ｉ　、ＧＣ２に入る。グレーティングカブラＧＣＩ　、
ＧＣ２は、それまで導波路ＷＧ中を伝搬した光波を基板
面から、ある設定された角度で導波面を介して外に出射
する。

この角度は基準格子ＧＳのピッチと光の波長とに関係し
、ピッチｐ＝１．８μｍの基準格子を使った場合、波長
をλ＝　０．８３μｍとすれば出射角は５８．８°とな
る。

グレーティングカブラＧＣＩ　、ＧＣ２からの２つの光
波は基準回折格子ＧＳにより垂直回折されて光検出器Ｐ
Ｄに入る。光検出器ＰＤでは２つの回折光の干渉強度を
光電変換する。

次に測長器としての動作原理を説明する。

グレーティングカブラＧＣＩ　、ＧＣ２により空間へ出
射した光波は基準格子ＧＳ上で回折するが、そのときの
回折光の強度分布は以下の式で示される。

ここに、Ｘは基板と基準格子の相対変化量ｐは基準回折
格子のピッチｍはグレーティングカブラＧＣＩからの光が基準回折格子で回折される回折次数ｎはグレーティングカブラＧＣ２からの光が基準回折格子で回折される回折次数である。

今、ｍ−＋１、ｎ５ｇ−１、ｐｇｗｌ、６　μｍとする
と、■はとなり、基準格子ＧＳが０．１μｍピッチ動くごとに１
周期の正弦波信号となることがわかる。検出器ＰＤは、
この正弦波信号の周期をカウントすることにより基準格
子ＧＳの移動量を測定することができる。

この格子干渉式測長器は、光源、光学部材および検出系
処理回路を同一基板上で一体化しているため、小型化、
低ノイズ化および高精度化が可能である。

次に、基準格子ＧＳの移動方向を検出する手段について
述べる。

移動方向を検出するには１７４周期位相のす、れな２つ
の信号を得る必要がある。

具体的方法としては、例えば第３３図のように基位相を
ずらして２列の格子線列ＧＬＩ　、ＧＬ２を形成してお
く。さらに、基板ＳＢ上に各格子線列に対応して２つの
光電検出器ＰＤＩ　、ＰＤ２を形成しておく。

各格子線列ＧＬＩ　、ＧＬ２それぞれからの回折光は空
間的に分離された別々のセンサＰＤＩ。

ＰＤ２で受ける。これによって得られた信号は第３４図
に示すように１７４周期位相のずれた信号として得るこ
とができる。

第３５図は、格子干渉測長器を光ヘテロダイン化した例
である。

この場合は、途中に周波数シフタＦＳ例えば□Ｓ　Ａ　
Ｗ　（Ｓ　ｕｒｆａｃｅ　　Ａ　ｃｏｕｓｔｉｃ　　Ｗ
　ａｖｅ　）デバイスを入れることにより光源ＬＤから
の出力光の周波数ｆ０に対し、周波数を発振器ＯＳＣの
発振周波数であるΔｆだけシフトした光波を得ることが
できる。これらの周波数ｆ０およびｆ０＋Δｆの光波を
それぞれグレーティングカブラＧｅｔおよびＧＣ２を介
して格子線列が１列の基準格子ＧＳに入射し、基準格子
ＧＳによる回折光を光検出器ＰＤで受光する。

光検出器ＰＤで直接得られる信号は、となり、位相検知回路ＰＳＤで発振器ＯＳＣの出力信号
との位相差を検知することにより前記実施例と同様に基
準格子ＧＳの移動量と８動方向を検出することができる
。

この装置の特徴は方向判別するための特別な格子（例え
ば第３３図参照）を用いる必要がなく、さらに短時間で
時間平均ができるため、高精度に移動量を検知すること
ができることである。

なお、第３２図および第３５図の測長器用ＩＣにおいて
は、基板ＳＢとしてＧａ　Ａｓ基板を用いているが、こ
れはＳ１基板上でもよい、その場合には光源ＬＤを外付
けすることになる。

このように、格子干渉式測長器において基準格子以外の
光学系と、信号処理電気系を１枚の基板上に集積化する
ことにより、組立調整が不要で外乱に強く、小型軽量で
高精度な測長が可能となる。

一般的な格子干渉測長装置では、ミラーやコーナーキュ
ーブ等を配置して系を構成している。特に格子に入射す
る光学系にミラー等が用いられており、組立て調整の難
しさやコンパクト化に難がある。

第３８図は、ウオーラストンプリズムのような複屈折プ
リズムを用いて相対的に移動する格子に対して光を入射
することにより、格子へ入射するまでの光学系を簡略化
した例を示す。

同図において、半導体レーザ等の光源ＬＤから出た光を
コリメータレンズＣＬにより平面波にし、ウオーラスト
ンプリズムｗＰに垂直入射する。ウオーラストンプリズ
ムは２つの複屈折材料例えば方解石をプリズム状にして
貼り合せてなり、２つの互いに直角な偏光成分に分けら
れて、両方の成分の光とも取り出せるようになっている
。第３７図にこの様子を示す。ウオーラストンプリズム
ＷＰに入る光は例えばＰ、Ｓ両偏光ＬＯＰ。

ＬＯ５に対し例えば４５”の偏光方向をもつ直線偏光で
あってもよいし、あるいはコリメータレンズＣＬとウオ
ーラストンプリズムｗＰの間にλ／４板を入れ円偏光に
してもよい。

第３７図において、ウオーラストンプリズムｗＰを出た
光はＰ偏光とＳ偏光がそれぞれ格子ＧＳに対し同じ入射
角であり、かつ格子ＧＳの相対移動方向（矢印Ａの方向
）の成分が逆方向になっている状態となる。この光をλ
／４板ＱＷに通すと、Ｐ偏光、Ｓ偏光は違いに回転方向
が逆の円偏光となる。これらの円偏光は空間的に干渉し
合う。この干渉した光を、ビームスプリッタＢＳによっ
て分け、前に偏光板ＰＰ１．ＰＰ２を配した２つの光検
出器ＰＤＩ　、ＰＤ２に導けば第５図に示すような信号
出力が得られ、第３図の装置について上述したような電
気的処理を行なうことにより格子干渉測長器の信号が求
められる。偏光板ＰＰＩとＰＰ２は互いに４５°偏光軸
をずらしである。

なお、第３６図の装置において、複屈折プリズムとしで
はロッションプリズムやグラントンプソンプリズムなど
他のものを使用することも可能である。ただし、これら
のプリズムの時は入射光とプリズムのアライメントの関
係がウオーラストンプリズムのように端面垂直入射では
なくなる。

第３８図は、コーナーキューブを用いて光路を折り返し
、回折光を２往復させることによって測長基準格子ＧＳ
による光分割数を８に増やして系の分解能をあげた格子
干渉測長器の例を示す。

例えば、第４図に示す構成の測長器ではセンサＰＤＩ　
、ＰＤ２における光量が、第５図（ａ）。

（ｂ）の信号Ｒ％Ｓで示すように、基準格子ＧＳのピッ
チの１７４の周期で変化する。上記格子干渉測長器にお
い°ては、このセンサＰＤＩ、ＰＤ２の光量検出信号Ｒ
％Ｓの周期をさらに電気的に分割して格子ＧＳの１ピツ
チ当たりのパルス信号をより多くすることにより分解能
の向上を図っている。

しかし、電気Ｉ￥１処理により分割する場合、信号−の
振幅や直流レベルの変動によりパルス間隔が変動し、精
度が劣化する場合がある。

これに対し、ここでは、測長基準格子〇Ｓでの回折回数
を増やし基準格子ＧＳが１ピツチ移動する間にセンサの
光量変化の回数が８回といったようなより多数回になる
ように光学系を構成することにより、基準格子のピッチ
の１／８というような細かい周期でセンサにおける光量
を変化せしめ、光学的配置でもって格子に対する分割数
を上げている。

第３８図において、格子干渉測長光学系の半導体レーザ
等の光源ＬＤから出射された光は、コリメータレンズＣ
Ｌで平面波光束ＬＯとされ、該光学系と相対的に８動可
能な関係にある測長基準格子ＧＳ上の点Ｐ１に入射され
る。この入射光は、基準格子ＧＳで回折を受ける。それ
ぞれ±Ｎ次の回折光Ｌ　１１．　　Ｌ　１２はコーナー
キューブＣＣＩ。

ＣＣ２に入射され、ここでもとの光路と平行逆向きに反
射されて、再び測長基準格子ＧＳ上の点Ｐ２．Ｐ３点に
至り、格子ＧＳで再度回折される。再度回折された光Ｌ
　２１．　　Ｌ　２２は位相差板ＦＰＩ　、ＰＰ２を通
ることにより偏光状態が変わり、その後コーナーキュー
ブＣＣ３、ＣＣ４で反射されて格子ＧＳ上の点Ｐ４．Ｐ
５に戻る。格子ＧＳで再再度回折された光Ｌ３１．　　
Ｌ３２はコーナーキューブＣＣＩ　、ＣＣ２でもう一度
反射されてさらに格子ＧＳ上の同一点Ｐ６に戻り、ここ
で４度目の回折を受ける。４度の回折を受けた光Ｌ４１
とＬ４２とは互いに干渉し合う。この干渉光は、ミラー
ＭＲを経てビームスプリッタＨＭで２つの光束に分けら
れ、偏光板ＰＰＩ、ＰＰ２を通りてセンサＰＤＩ、ＰＤ
２に至る。

位相差板ＦＰＩ、ＦＰ２は、例えばλ／４板を用い、そ
れぞれレーザ光Ｌ２１．　Ｌ２２の直線偏光に対してフ
ァースト軸が＋４５°、−４５°になるようにセットし
である。また偏光板ＰＰＩ　、ＰＰ２はそれぞれ０°、
４５＠になるように偏光板の角度を設定しておけば良い
。すると、２つのセンサＰＤＩ、ＰＤ２では位相の９０
′″ずれて強度変動する信号が得られる。また、例えば
測長基準格子のピッチが２．４μｍ１回折次数がすべて
±１であれば、センサＰＤＩ、ＰＤ２では格子のピッチ
の１７８である０、３μｍ周期の信号が得られる。これ
をさらに例えば第４および６図の測長器について上述し
た電気的分割法で分割すれば、上述の倍の１ピツチ当た
り３２個、周期０．０７５μｍのパルスを得ることがで
きる。

第４および６図の構成の測長器では２．４μｍの格子ピ
ッチに対しセンナでの信号強度は０．６μｍの周期であ
る。従って第４および６図の測長器に比べて本実施例で
は光学配置でもって２倍の分解能が得られることになる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る測長装置の概観図、第２図は、第１図における光プローブ等配置空間の部分
拡大図、第３図は、１軸ステージにセットした本発明の“実施例
に係る測長器の概略構成図、第４図は、第３図における測長ヘッドの構成説明図、第５図は、第４図における光検出器の出力波形図、第６図は、第４図における格子干渉式測長系の作用説明
図、第７図は、第６図の構成における検出光の偏光方位回転
説明図、第８図は、第６図の構成における位相０°および１８０
　”の信号波形図、第９図は、第６図の構成において位相ｏ０と１８０°の
信号を取り出すための構成例を示す図、第１０図は、第
４図におけるＡＦ測長系の作用説明図、第１１図は、第１Ｏ図における平面ミラー位置に対する
ポジションセンサ面上のスポット状態および光量分布を
示す図、第１２図は、上記ボジシ目ンセンサの出力から作成され
る差動信号ΔＩ　（＝Ｉａ−Ｉｎ　）と上記平面ミラー
の位置（デフォーカス量）との関係を示す特性図、第１３図は、第３図の測長器の動作を示すフローチャー
ト、第１４図は、第３図の測長器における格子干渉測長系の
出力信号特性図、第１５図は、第３図の測長器におけるＡＦ測長系の出力
信号特性図、第１８図は、測長器ユニットとしてまとめた実施例を示
す構成図、第１７図は、＄１８図の測長器ユニットの動作を示すフ
ローチャート、第１８図は、第１８図の測長器ユニットにおける格子干
渉測長パルス信号とＡＦ測長出力電圧との関連を示す特
性図、第１９図は、第１６図の測長ユニットを２軸に用いる場
合の概略構成図、第２０図は、干渉測長系としてレーザ干渉測長系を用い
た実施例を示す概略構成図、第２１図は、第２０図における微動ステージ上の測長光
学系の詳細を示す図、第２２図は、ブレーズド格子を用いてＡＦ測長する実施
例の構成図、第２３図は、上記ブレーズド格子が形成された基準部材
の斜視図、第２４図は、第２２図におけるブレーズド格子とＡＦ測
長系との位置関係を示す説明図、第２５図は、第２２図
における格子干渉測長系の出力パルス列信号とＡＦ測長
系の出力との関係を示す特性図、第２６図は、第２０図の実施例の変形例における基準部
材位置とＡＦ測長信号切換状態の関係を示す説明図、第２７図は、第２０図の実施例の別の変形例におけるブ
レーズド格子とＡＦ測長系との位置関係を示す説明図、第２８図は、コーナーキユーブを用いることなく構成し
た本発明の実施例に係る回折格子干渉測長器の構成図、第２Ｓ図は、第２８図における各光検出器の出力波形図
、第３０図は、第２８図の測長器において光源の出力波長
が変動した場合の回折光束の状態を示す説明図、第３１図は、第２８図における光源波長変動時の各光検
出器の出力波形図、第３２図は、主要部分をＩＣ化した本発明の実施例に係
る格子回折測長器の構成図、第３３図は、第３２図の測長器の変形例を示す要部拡大
図、第３４図は、第３３図の測長器に招ける各光検出器の出
力波形図、第３５図は、第３２図の測長器のさらに他の変形例を示
す要部拡大図、第３６図は、ウオーラストンプリズムを用いた本発明の
実施例に係る格子干渉測長器の構成図、第３７＠は、第
３６図におけるウオーラストンプリズムの作用説明図、
そして第３８図は、回折光な測長基準格子に２往復させること
によって系の分解能を上げた本発明の実施例に係る格子
干渉測長器の構成図である。ＤＳ＝ステージ基台ＸＳ：ＸステージＹＳ：ＹステージＬＩ：レーザ干渉測長器ＣＰ：コーナーキエーブプリズムＤｖ＝光プローブ等の配置空間ＤＦＳ　：小ストロークステージ用基台ＸＦＳ　：小ス
トロークＸステージＹＦＳ小ストロークＹステージＬＰ：光ブローブＳＸ：ｘ方向基準尺ＨＸ：ｘ方向測長ヘッドＭＸ：ｘ座標検出用測長器ＳＹ：ｙ方向基準尺ＨＹ：ｙ方向測長ヘッドＭＹ　：　ｙ座標検出用測長器ＳＲ：移動ステージＧＳ二回折格子（基準尺、移動格子）ＭＨ８測長ヘッドＳＰ：定盤ＰＭ：平面ミラーＡ　Ｆ　Ｓ　：　微ｗにテーラ（Ａ　ｖステー１）ＦＤ
：微小駆動機構ＬＤ：光源ＣＬ：コリメータレンズＨＭ：ビームスプリッタ（またはハーフミラ−）ＣＣ：コーナーキューブプリズム（またはプリズムミラー）ＢＳ二偏光ビームスプリッタＰＤ：光検出器（ディテクタ、光センサ）ＬＮ：対物レ
ンズＰＳ：光位置検出器（センサ）ＳＴ：ステージ可動部ＱＷ：λハ板ＧＬ：集光レンズＳＳ：ステージ固定部へＴ：アクチュエータＭＯ：被検物体Ｏ５：測長基準面ＥＤ：信号処理電気系ＰＣ：パルス列測長器電気系ＦＦ：合焦検知系ｃｐｕ：中央制御演算系ＬＺ：レーザヘッドＩＵ：干渉ユニットＳＭ：基準部材ＢＧ：ブレーズド格子ＦＴ二二対射面なる平面ＦＰ：位相差板ＧＦ：固定格子ＰＰ：偏光板ＳＢ：ＧａＡｓ基板ＷＧ：誘電体導波路層ＬＳ：レンズおよびヒームスプリツタ部ＧＣニゲレーテ
ィングカブラＦＳＳ同周波数シフタＳＣ：発振器ＰＳＤ：位相検知回路ＭＲ：ミラーＷＰ：ウオーラストンプリズムＡＰニアパーチャ特許出願人　　　キャノン株式会社代理人　弁理士　　　伊　東　哲　也代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄第３図第６図第９図第１０図第１５面第１７図烈第１８図第１９図第２４図第２６　ｒｌＩ第２７図第３７図ＰＯ２第３８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）相対的に移動する２物体の一方にこの相対移動方
向に沿って配列された該相対移動方向に対して傾斜する
面と、他方の物体に配設されて上記相対移動方向と角度をなす
方向から上記傾斜面までの距離を計測する測長手段とを備え、該測長手段の計測出力に基づき上記相対移動の
量を検知することを特徴とする測長装置。
（２）前記傾斜面の配列体として、ブレーズド格子を用
いた特許請求の範囲第１項記載の測長装置。
（３）前記傾斜面を前記移動方向に並列でかつ該傾斜面
配列ピッチの約１／２ずらして２列配置し、前記測長手
段による各列の傾斜面上の被測定点を順次切り換えて前
記相対移動量を検知する特許請求の範囲第１または２項
記載の測長装置。
（４）前記測長手段が前記傾斜面の前記移動方向に約１
／２ずれた２点を計測するものであり、各計測点の計測
値を順次切り換えて用いることにより前記相対移動量を
検知する特許請求の範囲第１または２項記載の測長装置
。
（５）前記距離計測手段が、前記傾斜面近傍に合焦可能
な対物レンズを備え、該対物レンズの該傾斜面に対する
フォーカス状態に応じた電気信号を出力するオートフォ
ーカス検知手段である特許請求の範囲第１〜４項のいず
れか１つに記載の測長装置。
（６）前記オートフォーカス検知手段が、前記対物レン
ズの主光軸から偏心した位置に光線を入射する光源と、
前記垂直面で反射され該対物レンズを介して入射される
光線の入射位置を検出する光位置検知手段とを備え、こ
の光位置検知手段の出力を前記電気信号として出力する
特許請求の範囲第５項記載の測長装置。
（７）前記２物体の相対位置が所定ピッチ偏位するごと
にパルス信号を出力するパルス測長手段、および該パル
ス信号と前記傾斜面までの距離計測出力とに基づいて上
記相対位置の偏位量を上記所定ピッチの１ピッチ分より
小さな分解能で検知する演算手段と組合せた特許請求の
範囲第１〜６項のいずれか１つに記載の測長装置。
（８）前記パルス測長手段が、前記２物体の一方に光源
および光検知器を備えた干渉測長ヘッドを、他方に回折
格子を配設してなり、該回折格子を基準尺とし該回折格
子により形成される異なる次数の回折光を干渉させて得
られる光の強度変化に応じてパルス信号を出力する格子
干渉測長器である特許請求の範囲第７項記載の測長装置
。
（９）前記パルス測長手段が、レーザ干渉測長器である
特許請求の範囲第７項記載の測長装置。