JPS63277924A

JPS63277924A - 変位測定装置

Info

Publication number: JPS63277924A
Application number: JP62112264A
Authority: JP
Inventors: Akira Kuroda; 亮黒田; Minoru Yoshii; 実吉井; Tetsushi Nose; 哲志野瀬; Yukichi Niwa; 丹羽　雄吉
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1987-05-11
Publication date: 1988-11-15
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPH0648170B2

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】［ａ業上の利用分野］本発明は、装置の主要部をＩＣ化することにより装置の
小型化、低ノイズ化および高精度化を可能にした測長装
置に関する。

［従来の技術］従来の格子干渉測長装置は、光源、偏光ミラー、コーナ
ーキューブ、偏光板、光検出器等が別々に組み合わさっ
て立体的に構成されていた。

［発明が解決しようとする問題点］そのため、従来・の格子干渉測長装置においては、 ■多光学部材間の機械的変動、温度変化や空気のゆらぎ
等により干渉信号に誤差が加わり、測長精度を劣化させ
る。

■また、光源や検出系を別々に取り付けているために、
空間的に占める体積が大きく、小型にすることができな
い。

■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。

本発明の目的は、上述の従来形における問題点に鑑み、
格子干渉式測長装置において、光源、光学部材、検出系
および処理回路の一部または全部を同一基板上に一体化
するという構想に基づき、装置の小型化、低ノイズ化お
よび高精度化を図ることにある。

［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、光源と光検出器と
を有する測長ヘッド部と、基準尺としての回折格子とを
具備し、該測長ヘッド部から該回折格子に光を当て、該
回折格子から出射される異なる次数の回折光を干渉させ
て得られる光の明暗を該測長ヘッド部で検出し、該明暗
に基づいて該測長ヘッド部と該回折格子との相対移動量
を検出する格子干渉測長装置において、上記回折格子を
除く部分の主要部をＩＣ化したことを特徴とする。

［作用および効果］本発明によれば、基準尺となる回折格子以外の主要部を
１枚の基板上に集積化しているため、格子干渉測長装置
を、組立調整が不要で、外乱に強く、小型軽量で高精度
に構成することができる。

［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ステージ基
台が搭載されている。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各ステージ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ＬＩ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ＤＳ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ステージ基台Ｓ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ＨＹ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の定盤に刃する座標は、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８勅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）測長を行ない、大ストローク
穆勤分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、ＭＷ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（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
コーナーキエーブプリズムＣＣＩ　、ＣＣ２、偏光ビー
ムスプリッタＢＳ、光検出器ＰＣＩ　、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
ＡＮに、他方はビームスプリッタＨＭ２を経て回折格子
〇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、回折格子〇Ｓ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（
ωｔ−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　、
ＦＰ２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ＰＯ２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、回折格子〇Ｓに対し
て測長ヘッドＭＷ　（ＡＦステージＡＦＳ）が移動した
場合の光検出器ＰＤＩ。

ＰＯ２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（ｃ）、（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ＧＳの１ピツチ分の
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ＩＩ　Ｌ　ＩＴとなる。

さらに、第５図（ａ）、（ｂ）に示す信号Ｒ０Ｓ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。図に
示すように回折格子〇Ｓ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ピツチ穆動すると明暗が
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１．６　μｍ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
°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◆＝ａ　　ｅｘｐ（ｉ　（ωを一φ／２））Ｘｓ　＝
ｌｌ　　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　（ｃｔ＋ｔ−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− ＝ａ（ｅｘｐ（ｉφ／２）＋ｅｘｐ（−ｉφ／２））Ｘ＝Ｘ　◆　＋　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＋□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４５１の差をつけ
ておくと、例えば第一１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．Ｏ１μｍ〜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０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ｖｆｆｉｌｌ＋ＶＩＩｍが変化して繰り返し精度を
悪くする。゛そこで、ここでは０”、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シレールの
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１
７２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Ｏ”、４５’の偏光板ＰＰＩ、Ｐ
Ｐ２の他に９０６の偏光板ＰＰ３を別売路中に設ければ
よい。同図において、ＨＭ３゜ＨＭ４はハーフミラ−１
ＰＤＩ　、ＦＤ２　、ＦＤ３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１θ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１Ｏ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位置に対応した上２
９２５面上のスポット状態および光量分布を示す。この
上２９２５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８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！ｂの差動信号ΔＩ（−Ｉ＾−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、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ＡＰ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０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、穆勤ステージ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！（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　（
ＡＦセンサＰＳの差信号ＩＡ−１，）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
る位置に微少量穆動すれば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
１００　　（ＮＡ４０．９　）を用い、ＡＦセンサＰＳ
としてＣＣＤやポジションセンサ等を用いれば０．０１
μｍ〜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セー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０、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ｌ
１％ＡＦ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く、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上に光源ＬＤ
、コリメータレンズＣＬ、（扁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ＭＨでパルス列（
３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。

被検物体ＭＯが停止したことを確認すると、測長ユニッ
トのアクチュエータ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ＭＨ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つまりＶ　ＡＦ＝　ＯＶ
を示すとアクチェエータ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Ｖ」を用いて測長器１１ｘ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ＩＵ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ＩＬＩ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　、コーナー午ユーププリズム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図の回折格子〇Ｓ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。同一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ＭＷ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Ｇ
Ｓと平行にＡＦ測長用のブレーズド格子ＢＧＩ　、ＢＯ
２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　、Ｂ
Ｏ２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　、八−フミラー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、八−フミ？−ＨＭ
ＬＬ、　８Ｍ１２．対物レンズＬＮ１．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、ＢＧ２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９８％高低差をＨとする。ピッチをｐ８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Ａ
Ｆ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ＳＭが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ＢＯ２側からＢＯ２
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傷信号は、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傷信号り
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Δｌ（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
得られ一〇点からに点までの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＋６・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ＶＡＦを記憶
し、次のパルス信号が発生するまではこの電圧ｖＡＦ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
Ｘ１００　　（ＮＡ４０．９　）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　！１
４３μｍ、高低差８４１　μｍ　、平面ＦＳに対する傾
き角θ＝１８°のものを用いたところ、ＡＦ傷信号リニ
アな範囲は１μｍ弱であり、差動出力最大値（！ａ−１
ａ）ｗａｘは約２　ｖｏｌｔ、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、ＤＡＣ（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ＭＨ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ＰＲ１，
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“部材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０２
つの光束Ｌｏｔ、　ＬＯ２はそれぞれλ／４板ＱＷＩ　
、ＱＷ２に入射した後固定格子〇ＦＩ　、ＧＦ２で回折
を受け、その±Ｎ次の回折光ＬＮＩ、　ＬＮ２が相対移
動格子〇Ｓに入り、ここで再び反射回折を受は同じ方向
に戻りて合流する。

こＱ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、　　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Ｏ”、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
動格子〇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−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〜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ｉｌができる
。もし、センサを２個しか使わず、位相が０°、９０゜
の２ｆｆｆｉの信号のみを電気的に処理することにより
センサを４個使りな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
った光は光源り、Ｄ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フな、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　ＡＳＳ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ＬＯＩ、　ＬＯ２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ＭＨＩ　、ＭＲ２に
より導波路ＷＧ中で反射され、グレーティングカブラＧ
ＣＩ　、ＣＣ２に入る。グレーティングカブラＧＣＩ　
、ＣＣ２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−１，６μｍ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　、ＣＣ２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　、ＣＣ２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富−１、ｐ＝１．８μｍとするとなり
、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ｌ／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ｍｘｌ、ｎｘ−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（。

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！７４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　ｃｏｕｓｔｌｃ　　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ｆＯ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ｆｏ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の移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ＳＲ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ユ
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
。３ｇ３７図にこの様子を示す、ウオーラストンブリズ
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〇Ｓ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８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て
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ＯＳ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を通ってセンサＰＤＩ、ＰＤ２に至
る。

位相差板ＦＰＩ　、ＰＰ２は１例えばλ／４板を用し）
、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Ｏ０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＾−Ｉａ）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
出器の出力波型図、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小ス小ストロークデステージ：光プローブ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４、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、 ′ｓ６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
０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、上記ポジシミンセンサの出力から作成され
る差動信号Δ■（＝ＩＡ−Ｉａ　）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Ｄｖ：光プローブ等の配置空間ＤＦＳ　：小ストロータステージ用基台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　：　３Ｆ座標検出用測長器ＳＲ；移動ステージＧＳ：回折格子（基準尺、移動格子）ＭＨ：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：偏光ビームスプリッタＰＤｚ光検出器（ディテクタ、光センサ）ＬＮ：対物レ
ンズＰＳｚ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 ■Ｕ：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５図第９図第１５図ｋ、第１８図第１９図第２４図第３７図ＰＯ２第３８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板と、該基板上に設けられた導波路層と、該導
波路層に設けられ光源からの光束を２つの光束に分割す
る手段および分割された各光束を該導波路の２箇所から
空間の特定箇所へ向けて出射する手段とを設けた光集積
回路と、該空間の特定箇所を通り該２箇所の出射点と平行に配設
され該基板と相対的に移動可能な基準尺としての回折格
子と、該集積回路の該２箇所の出射点から出射され、該回折格
子により回折され相互に干渉し合った光を受光する光検
出手段とを具備することを特徴とする測長装置。
（２）前記基板がＧａＡｓ基板である特許請求の範囲第
１項記載の測長装置。
（３）前記基板がＳｉ基板である特許請求の範囲第１項
記載の測長装置。
（４）前記光集積回路に、前記回折格子から前記基板へ
垂直回折され相互干渉して入射する回折光を検出する光
電変換手段と、該光電変換手段の出力を処理する処理回
路とを含む特許請求の範囲第２または３項記載の測長装
置。
（５）前記光集積回路に、光源を含む特許請求の範囲第
２項記載の測長装置。
（６）前記回折格子に２列の格子線列を、光の偏光状態
および前記回折光の次数等の光学配置によって定まる前
記干渉光の明暗変化の周期の１／４周期に対応するピッ
チだけ前記相対移動方向にずらして配置し、前記光検出
手段により各格子線列からの回折光による干渉光を別個
に検出す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）前記光集積回路に、前記２つの光束の一方の周波
数をΔｆだけ遷移する周波数シフタと、前記光検出手段
の出力の該遷移周波数Δｆに対する位相差を検出し、前
記相対移動量および移動方向を検知する手段とを含む特
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。