JPS63277909A - 測長装置 - 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】 〔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］ Ｘ線露光装置等の半導体製造装置においては、半導体ウ
ニ八等の被処理物を所定の搭載位置で移動ステージ上に
載置し、これを搬送して所定の処理位置例えば露光位置
に高精度に位置合せする。

この際、一般には、上記搭載位置またはその近傍のアラ
イメント位置において被処理物上の位置合せ用パターン
を検知して被処理物の移動ステージへの載置誤差を検出
し、この誤差分を補正した量だけ移動ステージを駆動し
て被処理物を上記処理位置またはその近傍に送り込み、
ここでさらに位置検出を行なって上記処理位置に高精度
に位置決めする。上記搭載位置またはアライメント位置
から処理位置までの間、移動ステージの位置または移動
量はレーザ干渉測長器によって常時モニタされる。

［発明が解決しようとする問題点］ ゛ところで、従来の装置においては、上記搭載位置また
はアライメント位置から処理位置またはその近傍までの
移動ステージの比較的大ストロークの移動も、処理位置
への高精度位置決めのための比較的小ストロークの移動
も同一のレーザ干渉測長器によりモニタしていた。この
ため、上記処理位置に高精度に位置決めする際、移動ス
テージの位置計測用レーザビームの光路が例えば数百ｍ
ｍと長くなり、途中の空気の撹乱、気圧、水蒸気、炭酸
ガス等による計測誤差を生じ、精度が不充分になる場合
があるという不都合があった。

本発明の目的は、前述の従来形における問題点に鑑み、
大ストロークで、より高精度の測長が可能な測長装置を
提供することにある。

［間加点を解決するための手段］ 本発明は、所定の測長領域全域に亙る大ストロークの測
長と、この測長領域の一部に対応する範囲の小ストロー
ク高精度の測長とを別々の測長手段に分担せしめたこと
を特徴とする。

すなわち、大ストロークの測長手段（例えばレーザ干渉
測長器）と、ストロークは小さくてもより高精度の測長
手段（例えば格子干渉測長手段と微小ストロークのアナ
ログ測長手段とを複合した測長器）とを組合せ、例えば
、大ストロークの測長手段の出力に基づいて測長対象を
高精度側長手２つの測長手段の測定量をつなぐようにし
ている。すなわち、大ストロークの測長手段のストロー
クおよび精度をそれぞれ■３および■２とし、ストロー
クは小さくともより高精度の測長手段のストロークおよ
び精度をそれぞれＩＩｓおよびＩＩ　。

とすると、Ｉ　ｓ　＞ＩＩｓ　、Ｉ　ｐ　＞ｌｉｐであ
り、かつｔｐ＞ｕｓであることが好ましい。

［作用および効果］ 高精度または高分解能の測長器は、一般に測長ストロー
クが短い。また、レーザ干渉測長器は、微小ストローク
に対する精度すなわち分解能は低い、また大ストローク
で用いると、空気のゆらぎ等により精度および分解能が
低下する場合がある。

本発明では、大ストロークの第１の測長手段とストロー
クは小さくてもより高精度の第２の測長手段とを組合せ
たため、特に高精度測長手段による計測をより好条件下
で実行させることができ、全体として大ストロークで、
少なくとも特定のエリア（第２の測長器のストローク）
内においては［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方向ガイド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。

ＬｌはＸ、Ｙ多ステージｘｓ、ｙｓ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Ｌｌに戻すためのコーナーキューブプリズム
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ＬＩおよびステージ基台Ｄ
Ｓは不図示の定盤上に固定されている。

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に沿っ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Ｌｌ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Ｌｌで、小ストロー
クの被加工対象物エリアのステージＸＦＳ、ＹＦＳ（７
）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）測長な行ない、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Ｂ動分の測長器（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、ＭＷは回折格子〇Ｓ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１．
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（ＡＦ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により移動ステージ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の方向に微小量移動可能にしである
。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ａｘｐ　
（ｌ（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＋６））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、ＦＰ
２を経由してコーナーキューブプリズムＣＣＩ　、ＣＣ
２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１反射された光線Ｌｌｌ、　Ｌ１２は、位相差板Ｆ
ＰＩ　、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ＧＳの点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Ｉ（Ｍ２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Ｌｌｌ、　Ｌ１
２は、偏光ビームスプリッタＢＳを一透過および反射す
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ＰＣＩ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（ＡＰ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
回路によってそれぞれ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、回折格子〇Ｓ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（６）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−Ｓ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が移動するとその移動する方向により変化する０図に
示すように回折格子ＧＳがＸ方向に１ピツチ移動すると
＋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、ＣＰ２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Ｌｌ
ｌ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１．６　μｍ
とすると１．［ｉμｍの１７４、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
８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金波光は直線偏光に
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（１（ｏｃｔ−φ／２））Ｘ、！
ａｅｘｐ（ｉ　（ωｔ−π／２−φ／２））−１次光に
よる左回り円偏光を ｙ−ｘａ　　ｅｘｐ（ｉ　（ωｔ＋φ／２））ｘ−ｘａ
　　ｅｘｐ（ｉ　（ωｔ−ｔｔ／２＋φ／２））で表わ
すと、これらを合波したときの平面波はｙ謂ｙ◆＋ｙ− １ｌＩＩａ（ｅｘｐ（ｉφ／２） ＋ｅｘｐ（−ｉφ／２）） Ｘ＝Ｘ　◆　＋　Ｘ− ＝ａ（ｅｘｐ（ｉφ／２） −ｅｘｐ（−Ｌφ／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諺□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ＰＤＩ　、ＰＤ２に入る。２
つの偏光板ＰＰＩ　、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！Ｏ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９０°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ＶｆｆＲ＋ｖｓｓ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。

０°、　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ＰＰＩ、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、８Ｍ３゜ＨＭ４はハーフミラ−１
ＰＤＩ　、ＰＤ２　、ＰＤ３はディテクタ（光検出器）
である。

第４図に戻って、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ＨＭＩ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図の移動ステージ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１Ｏ図の実線
の光路な経て、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■３の差動信号Δ！（冒Ｉａ−１ａ　
）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、移動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（圧電アクチェエータ）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１／１８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）８．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、８勤ステージＳＲの移動時、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５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５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）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っているため、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
置に微少量移動すれば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・ΔＸ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ＡＦ傷信号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
ＩＧＯ（ＮＡｖｏ、９　）を用い、ＡＦセンサＰＳとし
てＣＯＤやポジショ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
、ＡＦ傷信号リニアな領域は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センナの差動信号や光点位置信号（
Ｓ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モあれば良い。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移動量を求めると
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、移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Ｉ
ＩＩＡＦステージＡＦＳ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ζ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、１軸の移動について示したが、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ｆｉＬ
Ｄ、コリメータレンズＣＬ、偏光ビームスプリッタＨＭ
Ｉ、　　λ／４板ＱＷ、集光レンズＧＬＩ。

ＧＬ２、ＣＣＤ等の光位置検検知センサからなるＡＰ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Ｍｌでパルス列
信号と−して検出する。

ステージ可動部ＳＴはアクチェエータＡＴにより能動的
に可動する。被検物体ＭＯの測長基準面Ｏ３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。

被検物体ＭＯ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Ｏ５に
オートフォーカスを合焦布せようとする。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ＭＷ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ＶＡＩ−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つまりＶＡ、＝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！Ｕ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Ｉυ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　、コーナーキューブプリズムＣＣＩ
　、ＣＣ２、偏光ビームスプリッタＢＳおよび光検出器
ＰＤＩ　、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ーキューブ
プリズムＣＰを微動ステージＡＦＳ上に固定された台Ｒ
Ｔ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、ＡＦ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、相対移動する２物体の一
方に固定しである。同図に図示した基準部材ＳＭ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　、ＢＯ２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Ｐａの半分だけ基準部材ＳＭと測長
ヘッド光学系ＭＨ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ＣＦ２、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ΔＦ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　、ＢＯ
２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Ｍｌ（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っている。

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
　、ＢＯ２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、ＢＧ２のピッ
チをＰ！１％高低差をＨとする。ピッチをＰａは格子干
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移動が、第２５図におい
て基準部材Ｓ　Ｍ　ｈｉ　ｘ軸の負の方向に移動するも
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ＢＧＩ側からＢ
Ｏ２側への切換を行なう。基準部材ＳＭの相対移動方向
がＸ軸の正の方向であるときは、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
にどちらに移動しているかは、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ＡＰ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ＡＦ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　ｍ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
　ｍ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ｖａｒ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との相対移
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、Ｓｉ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
ＸＩＧＯ（ＮＡ〜０．９）の対物レンズＬＮＩ　、ＬＮ
２を用い、ブレーズド格子としてピッチＰａ〜３μｍ、
高低差Ｈ４１μｍ、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−Ｉａ）ｗａ
ｘは約２ｖｏｌｔ、ノイズ（Ｎ）は５ｍＶであった。Ｓ
／Ｎ＝１としたときの差動出力値ΔＩ　（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と測長へ９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ってもよ
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Ｍｌ（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　
、ＰＨ１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
精度を保持したまま、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
小高低差を有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、コーナーキュ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て
°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
ＰＰＩ〜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ＬＯＩ、　ＬＯ２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ＧＳ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　ＮＰＤ４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フてくる。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〜ＰＤ４
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、９０°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、波長変化が起こったとしても信号
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、センサを２個しか使わず、゛位相が０＠、９０゜
の２種の信号のみを電気的に処理することによりセンサ
を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２１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、コーナーキエーブ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った。

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ったものである。ここでは
、Ｇａ　Ａｓ基板上に第２８図の測長器の測長ヘッド部
ＭＷ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。グレーティングカブラ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、グレーティングカプラ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Ｌ　０１．　Ｌ　０２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
ＧＣＩ　、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＝ｔ、ａμｍ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な
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、ｎ−−１、ｐ＝１．６μｍとすると、夏
は となり、基準格子ＧＳが０．１μｍピッチ動くごとに１
周期の正喀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の穆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１／４周期位相のずれた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図のように基準格子
ＧＳにその移動方向に （例えばｍＷｌ、ｎｍ−１とすれば１７８ピツチ）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１／４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Ｏ３Ｃ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ｆ、およびｆＯ＋Δｆの光波をそ
れぞれグレーティングカブラＧＣＩ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Ｇ
Ｓ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（７）ｌ動量と移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Ｓｉ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３６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つの互り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。ウォ・−ラストンプリズ
ムＷＰに入る光は例えばＰ、Ｓ両偏光Ｌ　ＯＰ。

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の相対穆動方向（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ＰＰＩ、ＰＰ２を配した２つの光検
出器ＰＤ１．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て
はロッジ日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　
、ＰＯ２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、電気的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ＧＳでの回折回数
を増やし基準格子ＧＳが１ピツチ穆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ナにおける光量
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移動可
能な関係にある測長基準格子ＧＳ上の点Ｐｉ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、ＦＰ２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Ｃ
Ｃ３、ＣＣ４で反射されて格子ＧＳ上の点Ｐ４．Ｐ５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Ｌ４
２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、ＰＤ２に至
る。

位相差板ＦＰＩ　、ＰＰ２は、例えばλ８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Ｏ’
、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　、ＰＯ２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１／８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
ッチに対しセンサでの信号強度は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０°と１８０°の
信号を取り出すための構成例を示す図、第１Ｏ図は、第
４図におけるＡＦ測長系の作用説明図、 第１１図は、第１０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、上記ポジションセンサの出力から作成され
る差動信号ΔＩ（＝Ｉ＾−１ｍ）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１６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、第１６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１６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カバルス列信号と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、コーナーキュ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２９図は、第２８図に招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図の測長器にお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図は、第
３６図に招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、回折光を測長基準格子に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：コーナーキューブプリズム Ｄ■：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：光プローブ ＳＸ：ｘ方向基準尺 ＨＸ：ｘ方向測長ヘッド ＭＸ：ｘ［探検出用測長器 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、６勤格子） ＭＨｚ測長ヘッド ＳＰ：定盤 ＰＭ：平面ミラー ＡＦＳ　：微動ステージ（ＡＦステージ）ＦＤ：微小駆
動機構 ＬＤ：光源 ＣＬ：コリメータレンズ ＨＭ：ビームスブリツタ （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：偏光ビーム又プリッタ 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／４板 ＧＬ：集光レンズ ＳＳ：ステージ固定部 へＴ：アクチェエータ ＭＯ＝被検物体 Ｏ３：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 ■Ｕ：干渉ユニット ＳＭ：基準部材 ＢＧ：ブレーズド格子 ＦＴ二反射面となる平面 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；グレーテ
ィングカブラ ＦＳＳ局周波数シフ 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５図 第６図 第９図 第１５図 ｈ。 第１８図 第１９図 第２４図 第３７区 ＰＤ２ 第３８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の測長領域に亙り可動体の位置または移動量を
   計測する比較的大ストロークな第１の測長手段と、 比較的小さなストローク範囲で上記可動体の位置または
   移動量を計測する第１の測長手段より高精度な第２の測
   長手段と、 第１の測長手段の計測出力と第２の測長手段の計測出力
   とを関連付けする手段と を具備することを特徴とする測長装置。 ２、前記第１の測長手段が、レーザ干渉測長器である特
   許請求の範囲第１項記載の測長装置。 ３、前記第１の測長手段が、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った次数の回折光を干渉さ
   せて得られる光の強度変化に基づき該回折格子に対する
   前記可動体の移動量を計測する格子、干渉測長器である
   特許請求の範囲第１項記載の測長装置。 ４、前記第２の測長手段が、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った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前記可動体が該回折
   格子に対し所定の単位長移動するごとにパルス信号を発
   生する格子干渉測長手段と、少なくとも該単位長に対応
   する範囲内で上記可動体の位置に対してリニアに変化す
   る電気レベル信号を発生するアナログ測長手段と、これ
   らのパルス信号および電気レベル信号に基づいて上記可
   動体の位置を検知する演算手段とからなる測長器である
   特許請求の範囲第２または３項記載の測長装置。 ５、前記第２の測長手段が、少なくとも前記干渉測長器
   の光学配置により定まる単位長に対応する範囲内で前記
   可動体の位置に対してリニアに変化する電気レベル信号
   を発生するアナログ測長手段である特許請求の範囲第２
   または３項記載の測長装置。 ６、前記可動体が加工用または計測用光プローブである
   特許請求の範囲第１〜５項のいずれか１つに記載の測長
   装置。 ７、前記可動体が被処理物である特許請求の範囲第１〜
   ５項のいずれか１つに記載の測長装置。 ８、前記可動体が被処理物搬送用の移動ステージである
   特許請求の範囲第１〜５項のいずれか１つに記載の測長
   装置。 ９、前記可動体が粗動ステージに搭載された微動ステー
   ジ上に搭載されており、前記第１の測長手段は上記粗動
   ステージの位置または移動量を計測し前記第２の測長手
   段は上記粗動ステージに対する微動ステージの相対位置
   または移動量を計測する特許請求の範囲第６または７項
   記載の測長装置。