JPS6338102A - 微小変位測定方法および微小変位測定装置 - 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、回折格子を用いて物体の微小な変位測定を行
なう方法およびそのための装置に関するものである。

〔従来の技術〕

ＬＳＩの高集積化に伴い、微細化する集積回路パタンを
高精度で露光、転写づ°る紫外線またはＸ線露光装置、
あるいは高精度でバタン描画する電子ビーム露光装置等
にＪ３いては、ステージの精密位置検出ならびに位置決
めを行なう移動量（変位）測定技術の進展は不可欠のも
のどなっている。

従来より回折格子を用いて微小な変位測定を行なう方法
として、光ヘテロダイン干渉を利用するものが提案され
てＪ３す、第５図にそのような回折格子と光ヘテロダイ
ン干渉とを組み合わせた微小変位測定装置の一例を示す
。第５図において符号１は、周波数が互いにわずかに異
なり、かつ偏光面が互いに直交する２波長の単色光を発
する２波長直交偏光レーザ光源、２はビームスプリッタ
−１３ａ、３ｂは集光レンズ、４ａ、４ｂは偏光板、５
ａ、５ｂは光検出器、６ａ、６ｂはプレアンプ、７ａ、
７ｂ、７ｃ、７ｄｕ平面ミラー、８は偏光ビームスプリ
ッタ−１９は反則型回折格子、１０は移動ステージ、１
１はステージ駆動部、１２は検出信号処理部、１３は変
位表示部、１４．１５は入射光、１６は合成回折光であ
る。

この装置においては、２波長直交偏光レーザ光源１から
発したレーザ光の一部をビームスプリッタ−２を介して
取り出し、集光レンズ３ａでレーザ光を集光し、偏光板
４ａを用いて光ヘテロダイン干渉させ、光検出器５ａで
検出してプレアンプ６ａを通し、基準ビート信号として
検出信号処理部１２に入力する。一方、２波長直交偏光
レーザ光源１から発した光の一部は、ビームスプリッタ
−２，平面ミラー７ａを介して偏光ビームスプリッタ−
８に入る。偏光ビームスプリッタ−８により偏光面が互
いに直交し周波数がわずかに異なる二つの単色光、すな
わちＰ偏光の入射光１４とＳｂ２先の入射光１５に分割
し、これらを平面ミラー７ｂ、７Ｇを介して後述する所
定の入射角で反射型回折格子９に入射する。回折格子９
から得られる２波長の回折光を光学的に合成し、合成回
折光１６として平面ミラー７ｄ、集光レンズ３ｂ、偏光
板４ｂを通し、光ヘテロダイン干渉させて光検出器５ｂ
で検出し、回折光ビート信号としてプレアンプ６ｂを通
して上記の検出信号処理部１２に入力する。検出信９）
処理部１２では、回折格子９の変位に対応した基準ビー
ト信号と回折光ビート１、）号との位相差を検出し、そ
の位相差を変位置に換算して変位表示部１３で回折格子
９の変位置を表示する。また、位相差があらかじめ設定
した任意の値で一定となるように、検出信号処理部１２
よりステージ駆動部１１に制御信号を送り、回折格子９
を定められた位置にナーボ制御することもできる。

ここで、回折格子９の変位■△Ｘと、基準ビート信号Ｊ
３よび回折光ビート信号の位相差Δφとの関係について
第６図を参照して説明する。第６図において符号１７は
反ｃＪＩ型回折格子、１８ａ、１８ｂは波長λ１の入射
光、１９ａ、１９ｂは波長λ２の入射光、２０ａ、２０
ｂは合成回折光である。

偏光面が互いに直交し、かつ周波数が互いにわずかにず
れている波長λ１．波長λ２の入射光１８ａ、１９ａが
、回折格子１７の格子面の法線方向に対してそれぞれｎ
次回折角ｏｎ、、Ｏｎ２で回折格子１７の例えばＡ点に
入射した場合、回折格子１７のＡ点から格子面の法線方
向に入射光１８８．１９ａのｎ次回折光それぞれが出射
する。

それらのｎ次回舌先は、格子面の法線方向において光学
的に合成されて合成回折光２０ａとなり、光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号検出が可能となる。

ここで、回折格子１７が格子ラインに直交する方向に変
位囚ΔＸ移動してＡ点がＡ′点に変位した場合、同様に
入射光１８ｂ、１９ｂに対してそれぞれのｎ次回舌先が
出射し、それらが光学的に合成されて合成回折光２０ｂ
となる。回折格子１７の格子ピッチをＰとすると、ｎ次
回折角θｎｌ。

θｎ２、波長λ１．λ２の間には ｓ＋ｎ０ｎ１＝ｎ・λ＋／Ｐ（ｎは正の整数）・・・・
・・（１） Ｓｔｎ　θ　ｎ２＝ｎ−λ　２　／　Ｐ　（〃　　　　
　　〉・・・・・・（２） の関係がある。回折格子１７がΔＸだけ変位することに
より、入射光１８ａと１８ｂとにはΔＸ・ｓｉｎθｎ＋
、入射光１９ａと１９ｂとには−ΔＸ−５ｔｎθｎ２の
光路長差がそれぞれ生じる。したがって、合成回折光２
０ａと２０ｂとから得られる光ヘテロダイン干渉ビート
信号には、位相差Δφが生じ、この△φ（よ、 Δφ　−（２π　・　Δ　Ｘ　　−ｓｉｎ　θ　ｎ＋／
　λ　１　　）＋　く　２　π　・　Δ　Ｘ　　−ｓｉ
ｎ　θ　ｎ　２　／　λ　ｚ）−（３）となる。（３）
式に（１）、（２）式を代入すると、 Δφ−２π・（ｎ・ΔＸ）／Ｐ ＋２π・（ｎ・ΔＸ）／Ｐ ΔＸ ＝２π・□　　　　・・・・・・（４）Ｐ／２ｎ となり、位相差Δφは、回折格子１７の変位Δ×に対し
Ｐ／２ｎを周期として変化する。

すなわち、前記第５図における回折格子９からの合成回
折光１６が入射光１４．１５のｎ次回舌先の合成回折光
である場合、前記光検出器５ａ。

６ｂで検出される基準ビート信号と回折光ビート信号と
の位相差Δφは、回折格子９の格子ピッチをＰとすると
、回折格子９の変位ｆｆ１Ｐ／２ｎを１周期として変化
する。したがって、検出信号処理部１２において例えば
位相検波し、位相差をＤＣ信号に変換し、例えば位相差
Ｏ°ごとにＤＣ信号からパルス信号を生成し、そのパル
ス信号をカウントすることによって、分解能Ｐ／２ｎの
精度で回折格子９の変位測定が可能である。ざらに、位
相差０°から３６０°までのＤＣ信号変化を例えば１／
３６０に補間して位相差の検出分解能を１°に設定し、
前記パルス間の回折格子の変位を位相差検出することに
より、回折格子９の変位を分解能Ｐ／（２ｎ・３６０）
で検出することができる。なお、回折格子９の変位の方
向は、基準ビート信号に対する回折光ビート信号の位相
差の正負を弁別することにより容易に判定することがで
きる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、上記従来の微小変位測定装置においては、回
折格子面の法線方向についての微小変位を検出できない
という欠点があった。

このことについて、第７図を参照して説明する。

第７図において符丹２１は反射型回折格子、２２ａ、２
２ｂは波長λ１の入射光、２３ａ、２３ｂは波長λ２の
入射光、２４ａ、２４ｂは合成回折光である。波長λ１
．λ２のレーザー光の入射角はそれぞれｎ次回折角θｎ
＋、θｎ２である。

入射光２２ａ、２３ａが回折格子２１の８点に入射した
場合、格子面の法線方向に入射光２２ａ。

２３ａのｎ次回舌先がそれぞれ出射し、それらが光学的
に合成されて合成回折光２４ａとなる。ここで、回折格
子２１が法線方向に変位量ΔＺ移動して８点がＢ′点に
変位した場合、同様に入射光２２ｂ、２３ｂに対してｎ
次回舌先がそれぞれ出射して合成回折光２４ｂとなる。

入射光２２ａと２２ｂとには−Δｚ（１＋ｃｏｓθｎ１
）、入射光２３ａと２３ｂとには−△Ｚ（１＋ｃｏｓθ
ｎ２）の光路長差がそれぞれ生じるので、合成回折光２
４ａと２４ｂとから得られる光ヘテロダイン干渉ビート
信号には位相差Δφが生じ、この△φは、Δφ＝（２π
・ΔＺ（１＋ｃｏｓθｎ２）／λ２）−（２ｙｒ−ΔＺ
　（１＋ｃｏｓθｎ＋　）、／λ１）−２π・△Ｚ・（
（λ１−λ２） ＋（λ、　ＣＯＳθｎ２−λ２　ｃｏｓθｎ＋））／λ
１　λ２　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
　（５）となる。

ところが、波長λ１．λ２のレーザ光の周波数差Δｆす
なわちビート信号の周波数は、例えば数十Ｋ）−１ｚ〜
数Ｍ　Ｉ−１ｚ程度であって光の周波数に比べて非常に
小さく、 １λ１−２２１＝（Δｆ／Ｃ，＞　・λ１　・λ２＃Ｏ
（Ｃは光速）　・・・・・・（６）となり、λ１＃λ２
．θｎ１＃θｎ２となって、（５）式の位相差△φはΔ
Ｚの値に関係なく常に０となってしまう。

このように、従来の微小変位測定装置においては回折格
子面の法線方向についての微小変位ΔＺを検出できない
ものであった。したがって紫外線露光装置における焦点
合わせ、あるいはＸ線露光装置におけるマスク・ウェハ
間のギャップ設定等のウェハ面の法線方向の制御が必要
不可欠な場合には、上記のような従来の装置は適用でき
ないものであった。このため従来においては、２方向の
変位を測定するためには他の測定装置を用いなければな
らず、装置が大型化、複雑化覆るという問題を有してい
た。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、回折格子
面の法線方向の微小変位についても測定、することので
きる方法およびそのための装置を提供することを目的と
している。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 この発明の微小変位測定方法は、周波数が互いにわずか
に異なる２波長の単色光を合成し光ヘテロダイン干渉さ
せて基準ビート信号を生成するとともに、前記２波長の
単色光のいずれか一方を分光してそれら分光した単色光
をそれぞれ互いに妥なる方向から物体上に固定した回折
格子に対して入射さじ、かつ前記２波長の単色光の他方
を前記回折格子に対して入射させて前記一方の単色光の
それぞれの分光の回折光と前記他方の単色光の回折光と
をそれぞれ合成して第１および第２の光ヘテロダイン干
渉ビート信号を生成し、前記基準ビート信号と前記第１
の光ヘテロダイン干渉ビート信号との位相差、および前
記基準ビート信号と前記第２の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号との位相差をそれぞれ検出することによって、そ
れら位相差から前記物体の前記回折格子の格子ラインに
直交する方向の微小変位およびその回折格子の法線方向
の微小変位をそれぞれ測定することを特徴としている。

また、この発明の微小変位測定装置は、物体上に固定さ
れた回折格子と、周波数が互いにわずかに箕なる２波長
の単色光を発生する光源と、その光源から発けられた２
波長の単色光を合成し光ヘテロダイン干渉させて基準ビ
ート信号を生成する第１の光合成検出手段と、前記光源
から発せられた２波長の単色光のいずれか一方を分光す
る分光手段と、前記分光されたそれぞれの重色光および
前記他方の単色光を前記回折格子に所定の角度を在した
方向からそれぞれ入射させる入射角調整手段と、前記一
方の単色光のそれぞれの分光の回折光と前記使方の単色
光の回折光とをそれぞれ合成して第１、第２の光ヘテロ
ダイン干渉ビート信号を生成づ゛る第２、第３の光合成
検出手段と、前記第１　Ｊ３よび第２の光合成検出手段
によってそれぞれ生成された基準ビート信号および第１
の光ヘテロダイン干渉ビート信号とから第１の位相差信
号を算出処理して前記物体の前記回折格子の格子ライン
に直交する方向の変位りに換算する第１の信号処理装置
と、その第１の信号処理装置によって算出処理された第
１の位相差信号および前記第１、第３の光合成検出手段
によってそれぞれ生成された基準ビート信号、第２の光
ヘテロゲイン干渉ビート信号とから第２の位相差信号を
算出処理して前記物体の前記回折格子の法線方向の変位
けに換算する第２の信号処理装置とを具備してなること
を特徴としている。

〔作用〕

本発明では、２波長の単色光の一方を分光することによ
って合計３本の単色光を回折格子に対して入射させ、そ
れらの回折光から第１、第２の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号を生成する。ぞして、それら第１、第２の光ヘテ
ロゲイン干渉ビート信号と基晧ビート信号に基づいて、
回折格子の微小変位を２方向すなわら回折格子の格子ラ
インに直交する方向と回折格子の法線方向の双方に対し
て検出づる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図を参照して
説明する。

第１図は本発明に係る微小変位測定装置の第１実施例を
示す。第１図において符号２５は２波長直交偏光レーザ
光源（光源）、２６ａ、２６ｂはビームスプリッタ−１
２７は偏光ビームスプリッタ−１２８ａ、２８ｂ、２８
ｃ、３３ａ、３３ｂ。

３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは平面ミラー、２９ａ
、２９ｂ、２９ｃは集光レンズ、３０ａ。

３０ｂ、３０ｃは偏光板、３１ａ、３１ｂ、３１Ｃは光
検出器、３２ａ、３２ｂ、３２ｃはプレアンプ、３５は
反射型回折格子、３６はＺ移動ステージ、３７はＸＹ移
動ステージ、３８はＸ変位検出信号処理部（第１の信号
処理装置）、３９は２変位検出信号処理部（第２の信号
処理装置）、４０はＸ変位表示部、４１はＺ変位表示部
、４２はＺステージ駆動部、４３４；ｔ　Ｘ　Ｙステー
ジ駆動部、４４．４５．４６は入射光、４１．４８は合
成回折光である。

この第１実施例の装置においては、２波良直交偏光レー
ザ光＆ｉ２５から発したレーザ光の一部をビームスプリ
ッタ−２６８，平面ミラー２８ａ。

集光レンズ２９ａ、偏光板３０ａを介して光検出器３１
ａ（第１の光合成検出手段）で検出し、光ヘテロダイン
干渉の基準ビート信号としてプレアンプ３２ａを通して
Ｘ変位検出信号処理部３８、Ｊ３よびＺ変位検出信号処
理部３つに入力する。一方、２波長直交偏光レーデ光源
２５から発したレーザ光は、ビームスプリッタ−２６８
を介して偏光ビームスプリッタ−２７に入り、ここでＰ
偏光。

Ｓ偏光の２つのレーザ光に分離され、Ｐ偏光成分は平面
ミラー３３ａ、３４ｂを介して後述する所定の入射角で
入射光４４として反射型回折格子３５に入射する。Ｓ偏
光成分はビームスプリッタ−２６ｂ（分光手段）にｊ二
りざらに分割され、平面ミラー３４ｃを介して入射光４
５どして、また平面ミラー３３ｂ、３４ａを介して入射
光４６として、それぞれ反射型回折格子３５に入射する
。入射光４４．４５により回折格子３５から得られる合
成回折光４７を平面ミラー２８ｂ、集光レンズ２つす、
偏光板３０ｂを介して光検出器３１ｂ（第２の光合成検
出手段）で検出し、第１の光ヘテロダイン干渉ご一１〜
信号としてプレアンプ３２ｂを通してＸ変位検出信号処
理部３８に入力する。

さらに、入射光４４．４６により回折格子３５から得ら
れる合成回折光４８を平面ミラー３４ｄ。

２８Ｃ１集光レンズ２９Ｃ１偏光板３０Ｇを介して光検
出器３１Ｃ（第３の光合成検出手段）で検出し、第２の
光ヘテロダイン干渉ビート信号としてプレアンプ３２ｃ
を通してＺ変位検出信″；′ｉ処理部３９に入力する。

Ｘ変位検出信号処理部３８では、回折格子面内で格子ラ
イン方向に直交する方向（第１図において左右方向。以
後Ｘ方向という）についての回折格子３５の変位に対応
した基準ビー　１−信号と第１の光ヘテロダイン干渉ご
一ト信号との位相差を検出し、その位相差を変位Ｍに換
りンし、Ｘ変位表示部４０で変位量を表示する。Ｚ変位
検出信号処理部３つでは、基準ビート信号と第２の光ヘ
テロダイン干渉ビート信号との位相差を検出し、ざらに
Ｘ変位検出信号処理部３８より基準ビート信ｆ）と第１
の光ヘテロダイン干渉ビート係号との位相差信号（第１
の位相差信号）を入ツノして゛加偉処理することにより
、回折格子面の法線方向（第１図において上下方向。以
（１２方向という）についての回折格子３５の変位に対
応した位相差信号（第２の位相差信号）を生成し、その
位相差を変位ａに換算してＺ変位表示部４１で表示する
。また、位相差があらかじめ設定した任意の値で一定と
なるように、ＸおよびＸ変位検出信号処理部３８．３９
より７およびＸＹステージ駆動部４２．４３に制御信号
を送り、回折格子３５を定められた位置にサーボ制御す
る。

この装置では、入１３＝１光４４．４５を７方向に対し
てそれぞれｎ次回折角で入用した場合、回折格子３５の
Ｘ方向の変位δ１ΔＸと、基へトビート信号と第１の光
ヘテロダイン干渉ビート信号どの位相差ΔφＸとの関係
は、第６図および第７図で説明した従来の装置による場
合と同様に、 ΔＸ △φＸ＝２π・□ Ｐ／２ｎ （Ｐは回折格子３５の格子ピッチ）・・・・・・（７）
となり、また、Ｚ方向の変位量ΔＺに対して位相差は変
化せず一定となる。

一方、回折格子３５の変位量△Ｘ、ΔＺと、基準ビー１
へ信号および第２の光ヘテロダイン干渉ビー］〜信号と
の位相差ΔφＺＸとは次のような関係にあり、それにつ
いて第２図および第３図を参照して説明する。第２図に
おいて符号４９は反射型回折格子、５０ａ、５０ｂは波
長λ１の入射光、５１ａ、５１ｂは波長λ２の入射光、
５２ａ、５２ｂは合成回折光である。

偏光面が互いに直交し周波数が互いにわずかにずれた波
長λ１．λ２の入（ト）光５０ａ、５１ａが、Ｚ方向に
対してそれぞれｎ次回折角θｎｌ　、ｎ次回折角の３倍
の角度３θｎ２で回折格子４９の例えばへ点に入０４　
した場合、回折格子４つのΔ点から７方向に対してｎ次
回折角の２倍の角度２θｎ１の方向に入射光５　Ｑ　ａ
の十ｎ次回折光、入射光５１ａの−ｎ次回折光がそれぞ
れ出射する。上述したように、式（６）よりθｎ１′；
θｎ２となり、入射光５０ａ、５１ａのそれぞれトｎ次
、−ｎ次回折光は光学的に合成されて合成回折光５２ａ
となり、光ヘテロゲイン干渉ビート信号検出が可能とな
る。

ここで、回折格子４つが変位■ΔＸ移動してＡ点がＡ′
点に変位した場合、同様に入射光５０ｂ。

５１ｂに対してそれぞれの一←ｎ次、−ｎ次回折光が光
学的に合成され合成回折光５２ｂとなる。回折格子４つ
が△Ｘ変位することにより、入射光５Ｑａと５０ｂとに
はΔＸ・（ｓｔｎθｎ　＋　　ｓｔｎ　２０　ｎｌ）、
入射光５１ａと５１ｂとには△Ｘ（ｓ；ｎ３０ｎ２−３
＋ｎ２θｎ２）の光路長差がそれぞれ生じる。したがっ
て合成回折光５２ａと５２ｂとから得られる光ヘテロダ
イン干渉ビート信号には、位相差Δφ’ｚｘが生じ、こ
のΔφ’ｚｘはΔφ’　　ｚｘ＝２π−ΔＸ（（ｓｉｎ
θｎ１−　ｓｒｎ　２０ｎ１　）／λ＋　　−（ｓｔｎ
３０　ｎｚ−Ｓ山　２　θ　ｎ　２　　）　／　λ　２
　　）　　　　　　　　　　　　　・・・・・・　（８
）となる。ここでθｎ１≠θｎｚ、ｓ；ｎ３θｎ、２＝
３　ｓｉｎ　＋９　ｎ　２　、λ１＝−２２であるから
（８）式は、△φ’　　ｚｘ ′；２π・△Ｘ　・　（−２ＳＩｎＯｎ１　）／λ１−
へＸ ＝２π・　□＝−ΔφＸ Ｐ／２ｎ　　　　・・・・・・（９） となり、ΔＸに対する基準ビート信号と第２の光ヘテロ
ダイン干渉ビート信号との位相差Δφ′　２Ｘは、式（
７）で示されている基準ビート信号と第１の光ヘテロダ
イン干渉ビート信号との位相差Δφｘ、ｌ！：位相のず
れ方向が反対となる。

一方、第３図において符号５３は反射型回折格子、５４
．ａ、５４ｂは波長λ１の入射光、５５ａ。

５５ｂは波長λ２の入射光、５６ａ、５６ｂは合成回折
光である。波長λ１．λ２の入射光５４ａ。

５５ａがＺ方向に対してそれぞれｎ次回折角θｎ１、ｎ
次回折角の３倍の角度３θｎ２で回折格子５３の例えば
Ｂ点に入射した場合、Ｚ方向に対してｎ次回折角の２倍
の角度２θｎ、の方向に入射光５４ａの＋ｎｎ次回先光
入射光５５ａの−ｎ次回折光が出射して合成回折光５６
ａとなり、光ヘテロダイン干渉ビート信号が検出可能と
なる。ここで、回折格子５３が変位量ΔＺ移動してＢ点
がＢ′点に変位した場合、同様に入射光５４ｂ、５５ｂ
に対してそれぞれ＋ｎ次、−ｎ次回折光が光学的に合成
されて合成回折光５６ｂとなる。回折格子５３がΔＺ変
位することにより、入射光５４ａと５４ｂとには−△Ｚ
−（ＣＯ３θｎ、　４−ＣＯ３２θｎ１）、入射光５５
ａと５５ｂとには−△２−（ｃｏｓ　３θｎ２＋ＣＯ３
２０ｎｚ　）の光路長冷がそれぞれ生じる。したがって
、合成回折光５６ａと５６ｂとから得られる光ヘテ１コ
ダインモ渉ビート信号には、位相差Δφ”ｚｘが生じ、 Δφ″ｚｘ＝２ｙｒ−ΔＺ’（（Ｃ３Ｓ３θｎ２＋ｃｏ
ｓ２θｎ２）／λ２−　（ｃｏｓθｎ１−ｃｏｓ　２Ｏ
ｎ＋　）、／λ＋　）　　　　−（１０〉となる。λ１
勾λ２．Ｏｎ、≠θｎ２を考慮すると、 △φ”ｚｘｓ２ｙｒ−△Ｚ−（ＣＯ３３θｎ１−　ｃｏ
ｓθｎ１）／λ＋　　　　　　−−（１１）となり、 ΔＺ＝λ＋　／　（ｃｏｓ　３θｎ１−ＣＯ３θｎ１　
）の周期で位相が変化することがわかる。

したがって、式（９）、＜１１）より、前記回折格子３
５（第１図参照）の微小変位ΔＸ、ΔＺに対して、基準
ビート信号と第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号との
位相差ΔφＺＸは、△φ７Ｘ−△φ’ｚｘ＋Δφ″ｚｘ −一Δφｘ＋２π・△Ｚ・ （ｃｏｓ　３０　ｎ　＋−ｃｏｓθｎ１）／λ１・・・
・・・（１２） となる、、７１なわら、前記Ｚ変位検出信号処理部３９
において、基準ビート信号と第２の光ヘテロダイン干渉
ビー１〜信号との位相佇ΔφＺＸを検出し、前記Ｘ変位
検出信号処理部３８において検出した基準ご−１へ信号
と第１の光ヘテロダイン干渉ビート信号との位相差Δφ
Ｘとの加は処理を行なうことにより、次式（１３）に示
づように、回折格子３５の微小変位ΔＺに対応した位相
差信号Δφ７を検出することができる。

ΔφＺ−△φＺＸ＋Δφｘ＝２π・ΔＺ・（ｃｏｓ　３
θｎ１−ＣＯ３θｎ＋）／λ１・・・・・・（１３） したがって、検出信号処理部３８．３９において、例え
ば位相検波し、位相差信号ΔψＸ、Δφ２をＤＣ信号に
変換し、例えば位相差Ｏ°ごとにＤＣ信号からパルス信
号を生成し、そのパルス信号をカウントすることににす
、分解能Ｐ／２ｎ。

λ＋　／　（ｃｏｓ　３θｎ１−ＣＯ３θｎＩ）でそれ
ぞれ回折格子３５のＸ方向、Ｚ方向の変位測定が可能で
ある。さらに、位相差０°から３６０°までのＤＣ信号
変化を例えば１／３６０に補完して位相差の検出分解能
を１°に設定し、前記パルス間に回折格子３５の変位を
位相差検出することにより、回折格子３５のＸ方向、Ｚ
方向の変位をそれぞれ分解能、Ｐ／２ｎ・３６０．λｔ
　／　（ｃｏｓ　３θｎ１−ｃｏｓθｎ、）・３６０で
検出することができる。なお、Ｘ方向、Ｚ方向の変位の
方向は、基準ビート信号に対する第１あるいは第２の光
ヘテロダイン干渉ビート信号の位相差の正負を弁別する
ことにより容易に判定することがぐぎる。

以上で第１実施例を説明したが、次に第４図を参照して
第２実施例を説明する。

第４図は、本発明に係る微小変位測定装着の第２実施例
を示すもので、第４図において符号５７は２波長直交偏
光レーデ光源（光源）、５８ａ、。

５８　ｂ　＋；！ビームスプリッター１５９ａ、５９ｂ
。

５９ｃ、５９ｄ、６５ａ、６５ｂ、６５．ｃは平面ミラ
ー、６０ａ、６０ｂ、６０ｃは集光レンズ、６１ａ、６
１ｂ、６１ｃ、６１ｄは偏光板、６２ａ、６２ｂ、６２
ｃＧよ光検出器、６３ａ、６３ｂ。

６３Ｇはプレアンプ、６４は１／２波長板、６６（，１
反０４型回折格子、６７　Ｇ、Ｌ　７移動ステージ、６
８はＸＹ移動ステージ、６９はＺステージ逐動部、７０
はＸＹステージ駆動部、７１はＸ変位検出信′；″ｉ処
理部（第１の信号処理装置）、７２はＺ変位検出信号処
理部（第２の信号処理装置）、７３はＸ変位表示部、７
４はＺ変位表示部、７５ａ、７５ｂは偏光ビームスプリ
ッタ−１７６ａ、７６ｂは入射光、７７ａ、７７ｂは回
折光である。

この第２実施例の装置は、第１図で示した第１実施例の
装置とはレーザービームの回折格子６６への入射方向が
一部逆となっており、回折格子６６には２波艮直交偏光
レーザ光がビームスプリッタ−５８ａ、５８ｂを介して
Ｚ方向から入射光７５　Ｅｌとして入射する。回折格子
６６からの±ｎｎ次回先光７７ａ、７７ｂ、それぞれＨ
いに直交する偏光面をを有した２波長のＰ　（Ｑ光、Ｓ
−光からなる。回折光７７ａから平面ミラー６５ｂ、５
９Ｃ１偏光ビームスプリッタ−７５ａを介してＳ偏光の
単色光を取り出し、回折光７７ｂから平面ミラ・−６５
０、偏光ビームスプリッタ−７５ｂ、７５ａを介してＰ
偏光の単色光を取り出し、両幅光の単色光を光学的に合
成して平面ミラー５９ｂ、集光レンズ６０ｂ、偏光板６
１ｂを介して光ヘテロダイン干渉させて光検出：’Ａ’
ｉ　（’ＴＳ　２の光合成検出手段）６２ｂにより第１
の光ヘテロダイン干渉ビート信号を検出する。

一方、ビームスプリッタ−５８ｂ（分光手段）で分割し
たレーデ光を平面ミラー５９ｄ１偏光板６１ｄを介して
Ｐ偏光の単色光を取り出し、１／２波長板６４により偏
光面を９０°回転させて平面ミラー６５ａを介し、Ｚ方
向に対してｎ次回折角の２倍の角度より入射光７６ｂと
して回折格子６６に入射ざじる。入射光７６ｂの−ｎ次
回折光は回折光７７ｂと同一の方向に回折し、入射光７
６ａの＋ｎｎ次回先光７７ｂＳ偏光の単色光と光ヘテロ
ダイン干渉する。入射光７６ｂの−ｎ次回折光と回折光
７７ｂの５（ｉｔｌｉ光との合成回折光を平面ミラー６
５Ｇ、　（ｇ光ビームスプリッタ−７５ｂを介して取り
出し、集光レンズ６０ｃ、偏光板６１Ｃを介して光ヘテ
ロダイン干渉さけ、光検出器６２Ｃ（第３の光合成検出
手段）により第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号を検
出する。

さらに、ビームスプリッタ−５８ａによりレーザ光の一
部を取り出し、平面ミラー５９ａ１集光レンズ６０ａ、
ｔｔｉ光板６１ａを介して光ヘテロダイン干渉さＶて光
検出器６２ａ（第１の光合成検出手段）より基準ビート
信号を検出する。基準ビート信号、第１および第２の光
ヘテロダイン干渉ビート信号をそれぞれプレアンプ６３
ａ、６３ｂ。

６３Ｃを通し、Ｘ変位検出信号処理部７１へＥ３Ｑビー
ト信号と第１の光ヘテロダイン干渉ビート信号を入力し
、Ｚ変位検出信丹処理部７２へ基準ビート信号と第２の
光ヘテロダイン干渉ビート信号を入力する。検出信号処
理部７１．７２では第１実施例の場合と同様に、それぞ
れ位相検波して位相差をΔφＸ、△φ２を回折格子６６
の変位置ΔＸ、ΔＺに換算し、変位表示部７３．７４に
より表示する。また位相差が一定となるように検出信号
処理部７１．７２よりそれぞれステージ駆動部７０．６
９に制御信号を送り、回折格子６６を定められた位置に
サーボ制御する。

この第２実施例においては、上述と同様の解析を行なう
ことにより、回折格子６６の変位△Ｘ。

ΔＺと位相差信号ΔφＸ、Δφ２との間には、次のＪ：
うな関係式が成り立つことは明らかである。

ΔＸ △φｘ＝２π・□ Ｐ／２ｎ （Ｐは回折格子６６の格子ピッチ）・・・（１４）Δφ
ｚ＝２π−ΔＺ−（ｃｏｓ２θｎ＋　−１）（θｒｌ＋
Ｇｊｎ次回折角）・・・・・・（１５）以上で本発明の
詳細な説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。たとえば、上記第１．第２実施例において
は２波長の単色光光源として２波長直交偏光レーザ光源
を用いたが、２波長の単色光としてブラッグセルなどの
音響光学素子を用いて生成した光を用いても同様の効果
を得ることができる。また、第１図においては、偏光板
を使用せずに回折格子面にＪ３いて２波長の単色光の偏
光面の方向が一致するように、２波長の１１１色光のい
ずれか一方の光路系に１／２波長板を組み込むことにＪ
：つでも干渉性のよい光ヘテロダイン干渉ご一１〜信号
が得られ、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施例では、回折格子への入射光の方向およ
び回折格子からの回折光の方向が、回折格子面に垂直な
Ｚ方向を含み格子ラインの方向に垂直な面内にある場合
について述べたが、前記Ｚ方向を含み格子ラインの方向
に垂直な面に対して所定の角度を有した方向から２波長
の単色光を入会１して、所定の角度を有した方向におい
て回折光を検出し、光学的に合成して光ヘテロダイン干
渉ビート信号を生成する方法を用いても同様の効果を得
ることができる。

また、本発明において用いる回折格子としては、吸収型
回折格子２位相型回折格子のいずれを用いてもよく、さ
らにバイナリ−回折格子に限定されることなく、正弦波
状回折格子、フレーズ回折格子などの種々の回折格子を
用いることら可能である。また、反射型回折格子の他に
透過型回折格子を用いることも可能である。

さらに、上記実施例では、周波数の異なる２つの波長の
レーザー光のそれぞれの１次回折光どうしが２方向にお
いて合成回折光となるように設定したが、２つの合成回
折光を（ｑる方法としては、高次の回折光、あるいは胃
なる次数の回折光の合成回折光を用いても良く、その場
合には位相差信Ｖ］の周期が変わるだけであり、位相イ
信弓に応じた検出信号処理を行なうことによってＸ、Ｚ
方向の変位を検出でさ、同様の効果を得ることができる
。

な（１３，２つの回折格子を用いてそれらの格子ライン
方向が互いに直交するように物体上に設置すれば、互い
に直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸について高粘度の微小変位
測定を行なうことが可能となる。

（発明の効果） 以上で詳帽に説明したように、本発明の微小変位測定方
法によれば、周波数がＨいにわずかに菫なる２波長の単
色光のうちいずれか一方を分光して回折格子に入射し、
それらの分光のそれぞれの回ｆｌｉ光と他方の単色光の
回折光とをそれぞれ合成することによって第１、第２の
光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成させるようにした
ことにより、回折格子の２方向の微小変位、すなわら回
折格子の格子ラインに直角な方向の微小変位と回折格子
の法線方向の微小変位を、それぞれ第１、第２の光ヘテ
ロダイン干渉ご−１・信号の位相変化として測定できろ
。しかも、光源の強度変動Ｃ）回折格子の回折効率が変
動すること等ににって回折光強度が変動したような場合
であっても、回折光のビート信号の振幅が変動するのみ
で位相変化に影響はないので、位相差検出を高人定かつ
高精Ｉｌ！ぐ行うことができる。したがって、物体の２
方向の微小変位をそれぞれ高精度で測定することが可能
であるという効果を奏する。

また、本発明の微小変位測定装置は、検出光学系を一体
にまとめることにより小型簡便なものと構成できるので
、上記方法の実施に用いて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図（，１木発明の実施例を示す図であ
る。第１図ないし第３図は第１実施例を示すもので、第
１図（ｊこの第１実施例の装置の概略４Ｈ４成図、第２
図および第３図はそれぞれ回折格子の拡大図である。第
４図は第２実施例の装置の概略構成図である。 第５図ないし第７図は従来の微小変位測定装置を示すも
ので、第５図はこの従来の装置の概略構成図、第６図お
よび第７図はそれぞれ回折格子の拡大図である。 ２５・・・・・・２波長直交偏光レーザー光源（光源）
、２６［）・・・・・・ビームスプリッタ−（分光手段
）、３１ａ・・・・・・光検出器（第１の光合成検出手
段）、３１ｂ・・・・・・光検出器（第２の光合成検出
手段〉、３１ｃ・・・・・・光検出器（第３の光合成検
出手段）、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃｍ
−−−−・平面ミラー（入射角調整手段）、 ３５．４９．５３・・・・・・回折格子、３Ｇ・・・・
・・７移動ステージ（物体）、３７・・・・・・ＸＹ移
動ステージ（物体）、３８・・・・・・Ｘ変位検出信号
処理部（第１の信号処理装置）、 ３９・・・・・・Ｚ変位検出信号処理部（第２の信号処
理装置）、 ５７・・・・・・２波長直交偏光レーＩＪ’−光Ｊｌ　
（光源）、５８ｂ・・・・・・ビームスプリッタ−（分
光−１段）、６３ａ・・・・・・光検出器（第１の光合
成検出手段）、６３ｂ・・・・・・光検出器（第２の光
合成検出手段）、６３ｃ・・・・・・光検出器（第３の
光合成検出手段）、５９ｄ、６５ａ・・・・・・平面ミ
ラー（へ〇Ｊ角調整手段）６６・・・・・・回折格子、 ６７・・・・・・７移動ステージ（物体）、６８・・・
・・・ＸＹ移動ステージ（物体）、７１・・・・・・Ｘ
変位検出信号処理部（第１の信号処理装置）、 ７２・・・・・・Ｚ変位検出信号処理部（第２の信号処
理装置）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周波数が互いにわずかに異なる２波長の単色光を
   合成し光ヘテロダイン干渉させて基準ビート信号を生成
   するとともに、前記２波長の単色光のいずれか一方を分
   光してそれら分光した単色光をそれぞれ互いに異なる方
   向から物体上に固定した回折格子に対して入射させ、か
   つ前記２波長の単色光の他方を前記回折格子に対して入
   射させて前記一方の単色光のそれぞれの分光の回折光と
   前記他方の単色光の回折光とをそれぞれ合成して第１お
   よび第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成し、前
   記基準ビート信号と前記第１の光ヘテロダイン干渉ビー
   ト信号との位相差、および前記基準ビート信号と前記第
   ２の光ヘテロダイン干渉ビート信号との位相差をそれぞ
   れ検出することによって、それら位相差から前記物体の
   前記回折格子の格子ラインに直交する方向の微小変位お
   よびその回折格子の法線方向の微小変位をそれぞれ測定
   することを特徴とする微小変位測定方法。
2. （２）物体上に固定された回折格子と、周波数が互いに
   わずかに異なる２波長の単色光を発生する光源と、その
   光源から発せられた２波長の単色光を合成し光ヘテロダ
   イン干渉させて基準ビート信号を生成する第１の光合成
   検出手段と、前記光源から発せられた２波長の単色光の
   いずれか一方を分光する分光手段と、前記分光されたそ
   れぞれの単色光および前記他方の単色光を前記回折格子
   に所定の角度を有した方向からそれぞれ入射させる入射
   角調整手段と、前記一方の単色光のそれぞれの分光の回
   折光と前記他方の単色光の回折光とをそれぞれ合成して
   第１、第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成する
   第２、第３の光合成検出手段と、前記第１および第２の
   光合成検出手段によってそれぞれ生成された基準ビート
   信号および第１の光ヘテロダイン干渉ビート信号とから
   第１の位相差信号を算出処理して前記物体の前記回折格
   子の格子ラインに直交する方向の変位量に換算する第１
   の信号処理装置と、その第１の信号処理装置によつて算
   出処理された第１の位相差信号および前記第１、第３の
   光合成検出手段によつてそれぞれ生成された基準ビート
   信号、第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号とから第２
   の位相差信号を算出処理して前記物体の前記回折格子の
   法線方向の変位量に換算する第２の信号処理装置とを具
   備してなることを特徴とする微小変位測定装置。