WO2005106385A1

WO2005106385A1 - 検出装置及びステージ装置

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Publication number: WO2005106385A1
Application number: PCT/JP2005/007481
Authority: WO
Inventors: Wei Gao; Satoshi Kiyono; Yoshiyuki Tomita; Toru Hirata; Yoji Watanabe; Kennichi Makino
Original assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2006-10-27
Also published as: TW200604493A; KR20070034988A; US20070041024A1; KR100854265B1; TWI256995B; US7502127B2

Abstract

　本発明は、高精度に移動されるステージの状態の検出を行う検出装置及びステージ装置に関し、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの５つの自由度の状態の検出ができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置を提供することを目的とする。基準格子に向けて光を照射する光源部と、複数の開口部により光を複数の光に分光する分光手段と、複数の反射光を一括して受光する受光素子とを備える検出手段により、複数の反射光の変化に基づいて、基準格子に対する状態を検出する。

Description

明細書

検出装置及びステージ装置

技術分野

[0001] 本発明は検出装置及びステージ装置に係り、特に高精度に移動されるステージの状態を検出する検出装置及びステージ装置に関する。

背景技術

[0002] IT技術の根幹である半導体デバイスの高集積化、低価格ィ匕に対応して、半導体デバイスを製造する半導体露光装置に対する高生産性、高精度化、高速化等の要求が高まっている。半導体露光装置のキーコンポーネントであるステージには lOnm前後の精度と数百 mmの移動範囲を有する高速多自由度ステージ装置が必要である。このため、ステージの多自由度位置と姿勢を精密に計測し、その結果をフィードバックしてステージの位置決め制御を行うことが必要となる。

[0003] 従来の位置決め装置の位置計測方式としては，光学式リニアエンコーダ、レーザ測長機やオートコリメータ等が一般的に用いられてきた。これらは，基本的には 1次元の長さあるいは姿勢測定を基本原理としており、その複数軸の組み合わせによって、位置あるいは姿勢の計測を行って、る。

[0004] また、高精度計測に用いられて、るレーザ干渉計では、レーザ光を用いてステージ

(位置決め対象物）の位置の計測を行うため、ステージの置かれている装置内の空気の揺らぎなどによって、計測値の精度が低下するという問題がある。また、レーザ干渉計では、光学部品をステージの外部にしか置くことができないため、空気の揺らぎを防止するためには各方向ごとにレーザ光の光路となる金属パイプを配置する必要がある。このため、ステージ装置全体が大型化し、その構成が煩雑になるなどの問題点がある。

[0005] さらに、ステージを Z軸回りに回転する場合には、ステージからの反射光が干渉計の受光部から外れて、 XY方向の位置検出ができなくなるという問題がある。このような問題を解決する検出装置として、基準格子にレーザ光を照射し、基準格子 (角度格子）により反射される反射光の XY方向の 2次元角度を 2次元角度センサにより検出する検出装置が知られている (例えば、特許文献 1及び特許文献 2参照)。

[0006] 図 1は、基準格子と 2次元角度センサとを有する従来の検出装置を示す概略図である。図 1に示すように、従来の検出装置 300では、 1本の 2次元角度センサ 290の出力変化により XY方向の位置の検出を行っている。

[0007] この 2次元角度センサ 290は、基準格子の面の傾斜を検出するものであり、基準格子の面の法線方向の変化を検出することができる。したがって、 2次元角度センサ 29 0により、 XY方向（2方向）の傾斜または法線変化を検出することができる。基準格子 320は、平面上の直交する 2方向（X方向及び Y方向）に既知の関数で変化する山と谷とが集合的に形成してある基準格子であり、基準格子 320の形状には、正弦波が用いられる。

[0008] 次に、図 2を参照して、図 1に示した 2次元角度センサ 290について説明する。図 2 は、 2次元角度センサを示す図である。 2次元角度センサ 290は、オートコリメーション法に基づく幾何光学的センサである。

[0009] 図 2に示すように、レーザ光源 301から照射された 1本のレーザ光 310は、偏光ビ一ムスプリッタ 302と 1Z4波長板 303を通過し、基準格子 320の表面に入射する。基準格子 320の表面で反射されたレーザ光 312は偏光ビームスプリッタ 302で反射され、レーザ光 312はオートコリメータ 305に入射する。オートコリメータ 305は、対物レンズ 306と、スポット位置を検出する受光素子 307とを含む構成を有する。

特許文献 1 :特開平 8— 199115号公報

特許文献 2：特許 2960013号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] しかしながら、上記のオートコリメーシヨン法では、対物レンズ 306の焦点にある標板 (一般には十字線)を無限遠に結像させて、対物レンズ 306の先にある平面鏡によつて反射された平行光を標板面に共役な位置に結像させ、結像した十字線の面内の変位力も平面鏡の微小な角度変位を読み取る必要がある。このため、オートコリメータ 305等の高価でかつ複雑な部品を必要とし、検出装置 300のコストが高くなるという問題がある。 [0011] また、高分解能の位置検出を行うため、基準格子 320とマルチスポットとの周期が短くなるにつれ、光の干渉と回折によって幾何光学的な原理が成立しない可能性がある。このため、精度良く検出することが困難であるという問題がある。また、 2次元の変位 (X方向及び Y方向の変位）と 3つの姿勢変化 (X軸に対する回転方向、 Y軸に対する回転方向、及び Z軸に対する回転方向）との 5つの自由度の状態について検出するためには、 3つの 2次元角度センサ 300が必要となる。したがって、これらのセンサ間の調整が難、と、う問題がある。

[0012] さらに、ステージ装置においては、ステージを移動させる際に位置検出しながら、ステージの両側に設けられた一対のリニアモータを駆動制御している。その際の位置検出精度を高めるためには、上記検出装置 300をよりコンパクトな構成としてリニアモータの移動量や傾きを正確に検出する必要がある。

[0013] また、上記以外の検出装置としては、ステージの移動方向に延在形成されたスリット板に対して移動する光センサによってスリット数を光学的に検出してステージの位置を検出するリニアスケールが知られている。このリニアスケールを用いて、移動方向のステージの変位量を検出することができる。しかし、このリニアスケールを用いて、その他の方向のステージの変位量（例えば、上下方向やステージの各軸回りの傾き角度)を検出することができない。

[0014] そのため、従来のステージ装置では、ステージの両側に一対のリニアスケールを配置し、一対のリニアスケールによって検出された検出信号の差力もステージのョーィング角を演算して求める。そして、ステージのその他の方向の傾き角度を検出することなぐステージの移動を制御している。

[0015] 従来のステージ装置は、リニアスケール力得られる移動方向の位置 (移動量）に基づいてリニアモータを駆動制御するため、ステージを移動させる際の、その他の方向の傾き状態を正確に把握していない。このため、ステージが傾いた場合にどの方向にどの位傾いたかを正確に検出することが困難であるという問題がある。

[0016] 本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの変位及び傾き角度の検出を容易に行うことができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置を提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0017] 上記の課題を解決するため、本発明の検出装置は、 2次元方向に周期的に変化する形状を有する基準格子と、前記基準格子に向けて光を照射する光源と、複数の開口部を有し、前記複数の開口部により前記光源から照射された光を複数の光に分光する分光手段と、前記基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光する受光素子を有する検出手段とを備え、前記検出手段が、前記受光素子が受光する前記複数の反射光の変化に基づいて、前記基準格子に対する状態を検出することを特徴とする。

[0018] 上記の検出装置によれば、分光手段により分光された複数の光を基準格子に照射し、基準格子から反射された複数の反射光を一括して受光素子で受光し、検出手段は複数の反射光の変化に基づき状態の検出を行う。このため、複数の光が照射された基準格子のうちのどれかに欠陥があった際でも、他の正常な基準格子に照射された複数の光の反射光の変化に基づいて状態の検出を行うことができる。従来の 1つの光を照射し、その反射光に基づいて状態の検出を行う場合と比較して、状態の検出を精度良く行うことができる。

[0019] 上記の検出装置は、前記受光素子が、複数のフォトダイオードにより構成されており、前記複数の反射光を受光する前記検出手段の面の中央に、 X軸を回転軸とする回転移動による状態の検出、及び Y軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための 4個のフォトダイオードを少なくとも有する構成としてもよい。この検出装置によれば、複数の反射光を受光する検出手段の面の中央に 4個のフォトダイオードを設けることで、 X軸を回転軸とする回転移動の状態の検出、及び Y軸を回転軸とする回転移動の状態の検出を行うことができる。

[0020] あるいは、上記の検出装置は、前記検出手段の面の四隅に、 Z軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための 2個一組とされたフォトダイオードを少なくとも有する構成としてもよい。この検出装置によれば、検出手段の面の四隅に 2個一組とされたフォトダイオードを設けることで、 Z軸を回転軸とする回転移動の状態の検出を行うことができる。

[0021] あるいは、上記の検出装置は、前記受光素子に電荷結合素子 (CCD)を用いる構成としてもよい。この検出装置によれば、受光素子として、電荷結合素子 (CCD)を用いることにより、基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光して、検出手段により複数の反射光の変化に基づいて、基準格子に対する状態を検出することができる。

[0022] あるいは、上記の検出装置は、前記基準格子を、前記基準格子の中心軸に対して対称となる形状に構成してもよい。この検出装置によれば、基準格子の中心軸に対して対称となる形状に基準格子を構成することで、従来の 2次元方向に対して正弦波の形状を有する基準格子よりも容易に基準格子を製造することができる。

[0023] 上記の課題を解決するため、本発明の検出装置は、表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記基準格子を透過した前記複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部とを備えることを特徴とする。

[0024] この検出装置によれば、発光部と受光部との間に基準格子を配置する構成であるので、検出装置の簡素化及びコンパクトィ匕を図ることが可能になり、且つ基準格子に対する発光部及び受光部の相対位置を複数の平行光の受光強度分布の変化から、基準格子の検出面に対応する 2方向の変位と、基準格子に対する各方向の傾き角度とを正確に検出することができる。

[0025] 上記の検出装置は、前記発光部が光源と、前記光源からの光を複数の平行光に分光する分光手段とを有するよう構成してもよヽ。

[0026] あるいは、上記の検出装置は、前記分光手段が所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された入射面を有するよう構成してもよヽ。

[0027] あるいは、上記の検出装置は、前記受光部が前記複数の平行光よりも多い個数の受光素子を有しており、 1つの平行光に対し少なくとも 1個の受光素子を配設するよう構成してちょい。

[0028] あるいは、上記の検出装置は、前記受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度に応じた検出信号が入力され、各光強度分布の変化から前記基準格子に対する前記発光部の相対的な移動量を演算する演算手段を備えるよう構成してもよい

[0029] あるいは、上記の検出装置は、前記演算手段が前記複数の受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度分布の変化に基づいて前記検出面に対する前記発光部及び受光部の相対的な傾き角度を演算するよう構成してもよい。

[0030] あるいは、上記の検出装置は、前記基準格子が透明基板と、前記透明基板の表面に配設される第 1の基準格子と、前記第 1の基準格子と 180度の向きとなるように前記透明基板の裏面に配設される第 2の基準格子とを備えるよう構成してもよい。

[0031] また、上記の課題を解決するため、本発明の検出装置は、表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、前記基準格子の裏面に形成された反射面と、前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記反射面から反射した複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部とを備えることを特徴とする。さらに、上記の課題を解決するため、本発明の検出装置は、表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、前記検出面に形成された反射面と、前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記反射面から反射した複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部とを備えることを特徴とする。これらの検出装置によれば、発光部及び受光部を基準格子の反射面に対向させ、反射面力反射した複数の平行光を受光する構成であるので、検出装置の簡素化及びコンパクトィ匕を図ることが可能になり、且つ基準格子に対する発光部及び受光部の相対位置を複数の平行光の受光強度分布の変化から、基準格子の検出面に対応する 2方向の変位と、基準格子に対する各方向の傾き角度とを正確に検出することがでさる。

[0032] また、上記の課題を解決するため、本発明のステージ装置は、ベースと、前記べ一ス上を移動するステージと、前記ステージを駆動させるモータと、前記ステージを前記ベースに対して浮上させる浮上装置と、前記ステージの状態を検出する検出装置とを備えるステージ装置であって、前記検出装置が、 2次元方向に周期的に変化する形状を有する基準格子と、前記基準格子に向けて光を照射する光源と、複数の開口部を有し、前記複数の開口部により前記光源から照射された光を複数の光に分光する分光手段と、前記基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光する受光素子を有する検出手段とを備え、前記検出手段が前記受光素子の受光する前記複数の反射光の変化に基いて、前記基準格子に対する状態を検出することを特徴とする。このステージ装置によれば、上述した検出装置を用いることにより、ベースに対するステージの変位及び傾き角度を精度良く検出することができる。

[0033] 上記のステージ装置は、前記モータに平面モータを用い、前記浮上装置にエアーベアリングを用いる構成としてもよい。このステージ装置によれば、モータに平面モータを用い、浮上装置にエアーベアリングを用いたステージ装置においても、上述した検出装置を用いることにより、ベースに対するステージの状態を精度良く検出することがでさる。

[0034] また、上記の課題を解決するため、本発明のステージ装置は、ベースと、前記べ一スに対して移動可能に配設されるステージと、前記ステージに駆動力を付与する駆動手段と、前記ステージの移動を検出する検出装置と、前記検出装置の検出結果に応じて前記ステージが所定速度で移動するように前記駆動手段を制御する制御手段とを備えるステージ装置であって、前記検出装置が、表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記基準格子を透過した前記複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部とを備えることを特徴とする。このステージ装置によれば、ステージの移動を複数の平行光を発光する発光部と、基準格子を透過または反射した複数の平行光を受光する受光部とにより、基準格子の検出面に対応するステージの 2方向の位置検出を正確に行えると共に、各方向のステージの傾き角度を同時に検出することができ、ステージの傾きを高精度に修正するようにステージを駆動制御することが可能になる。

[0035] 上記のステージ装置は、前記駆動手段が一対のリニアモータであり、前記制御手段が前記一対のリニアモータを並進駆動する構成としてもよい。あるいは、上記のステージ装置は、前記検出装置を前記リニアモータの近傍に配設する構成としてもよい。

発明の効果

[0036] 本発明によれば、製造しやす、形状の基準格子を用いて、ベースに対するステージの変位及び傾き角度の検出を容易に行うことができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0037] [図 1]基準格子と 2次元角度センサとを有する検出装置を示す概略図である。

[図 2]2次元角度センサを示す図である。

[図 3]本発明の一実施形態による検出装置を備えるステージ装置を示す断面図である。

[図 4]図 3に示した領域 Bに対応した構成部分の平面図である。

[図 5A]可動ステージの駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエータの推進力との関係を模式的に示す平面図である。

[図 5B]可動ステージの駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエータの推進力との関係を模式的に示す平面図である。

[図 5C]可動ステージの駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエータの推進力との関係を模式的に示す平面図である。

[図 5D]可動ステージの駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエータの推進力との関係を模式的に示す平面図である。

[図 6]図 3に示した領域 Cに対応した構成部分の拡大図である。

[図 7]目盛部及び検出手段を示す図である。

[図 8]検出手段の概略構成と目盛部とを示す図である。

[図 9]分光板の平面図である。

[図 10]図 8に示す検出手段を矢印 Gで示す方向からみた図である。 [図 11]シミュレーションに用いた検出手段のモデルを示す図である。

圆 12]基準格子の位相関数を説明するための図である。

[図 13]スポット強度分布 I (X, y)の変化をシミュレーションした結果を示す図である。

[図 14A]基準格子に対して X方向に移動体 (可動ステージ 237)が変位した際のスポットの強度分布を XI方向からみた図である。

圆 14B]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポットの強度分布を XI 方向からみた図である。

圆 14C]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポットの強度分布を XI 方向からみた図である。

圆 14D]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポットの強度分布を XI 方向からみた図である。

圆 14E]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポットの強度分布を XI 方向からみた図である。

圆 15A]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y1方向からみた図である。

圆 15B]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y1方向からみた図である。

圆 15C]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y1方向からみた図である。

圆 15D]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y1方向からみた図である。

圆 15E]基準格子に対して X方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y1方向からみた図である。

[図 16A]Z軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Z 1方向からみた図である。

[図 16B]Z軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Z 1方向からみた図である。

[図 16C]Z軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Z 1方向からみた図である。

[図 16D]Z軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Z 1方向からみた図である。

[図 16E]Z軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Z 1方向からみた図である。

[図 17A] Y軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を X 1方向からみた図である。

[図 17B]Y軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を X 1方向からみた図である。

[図 17C]Y軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を X 1方向からみた図である。

[図 18A]図 17Aの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。

[図 18B]図 17Bの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。

[図 18C]図 17Cの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。

[図 19A]Y軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y

1方向からみた図である。

[図 19B]Y軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y 1方向からみた図である。

[図 19C]Y軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y 1方向からみた図である。

[図 20A]図 19Aの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。

[図 20B]図 19Bの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。

[図 20C]図 19Cの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。

圆 21]基準格子に対して移動体が X軸方向に変位した際の検出方法を説明するための図である。

圆 22]基準格子に対して移動体が Y軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。

圆 23]基準格子に対して移動体力軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。

[図 24]本発明の一実施形態の基準格子の変更例を示す斜視図である。

圆 25]本発明の一実施形態によるステージ装置を示す分解斜視図である。

[図 26]部分的に切り欠いて組み立てられた状態のステージ装置を示す斜視図である

[図 27]本発明の一実施形態による検出装置を適用するステージ装置の概略構成を示す図である。

圆 28]本発明の一実施形態による透過型検出装置の構成を示す斜視図である。圆 29]透明体角度格子の検出面に複数の光を照射する様子を拡大して示す斜視図である。

[図 30]図 28の透過型検出装置の構成を X方向からみた図である。

[図 31]分光板のグリッドパターンの一例を拡大して示す図である。

圆 32]複数のフォトダイオードが配置された受光面を拡大して示す図である。

圆 33]透明体角度格子に光が位置 (x,y)に入射するモデルを示す図である。

[図 34]図 28の透過型検出装置の強度分布 I(x,y)のシミュレーション結果を示すダラフである。

[図 35]4分割 PD55を拡大して示す図である。

圆 36]X, Y変位の相対的な位置関係から Θ z方向の回転も求める方法を説明するための図である。

[図 37]受光部における複数のフォトダイオードの配置を説明するための図である。圆 38]図 28の透過型検出装置の X方向の変位を検出する方法を説明するための図である。

圆 39]図 28の透過型検出装置の XY位置の検出方法の検出原理を説明するための図である。

[図 40]図 28の透過型検出装置の光学系の変形例を示すの図である。

圆 41]本発明の一実施形態による反射型検出装置の構成を示す斜視図である。圆 42]図 41の反射型検出装置の反射面に貼り付けた透明体角度格子のモデルを示す図である。 [図 43]図 41の反射型検出装置の光が反射面で反射されるところでそのまま透過するように仮想したモデルを示す図である。

[図 44]図 41の反射型検出装置の光学系の構成を示す図である。

圆 45]本発明の一実施形態による反射面角度格子を用いた反射型検出装置の構成を示す斜視図である。

[図 46]図 45の反射型検出装置の反射面角度格子のモデルを示す図である。

圆 47]図 45の反射型検出装置の光学系の構成を示す図である。

[図 48]本発明の一実施形態による反射型検出装置に用いる光センサユニットの構成を示す図である。

符号の説明

[0038] 10, 110, 230 ステージ装置； 12, 111, 231 ベース； 14 第 1ステージ； 16 第 2ステージ； 112, 236 ステージ； 113 目盛部； 114, 290 検出手段； 115 X方向用マグネット； 116 Y方向用マグネット； 117 ヨーク； 118 スぺーサ； 119 Z方向用マグネット； 120A, 120B X方向リニアモータ構造部； 121A, 121B X方向用コィル； 122A, 122B X方向用コア； 124, 249, 300 検出装置； 125A, 125B Y方向リニアモータ構造部； 126A, 126B Y方向用コイル； 127A, 127B Y方向用コァ； 130 Z方向電磁石； 131 Z方向用コイル； 132 Z方向用コア； 133 取り付け用基板； 140, 320, 400 基準格子； 141 基部； 18, 20,24 リニアモータ； 22 透過型検出装置； 28 制御装置； 30, 102 透明体角度格子； 32 透明基板; 34 発光部； 34a レーザ光源 (LD) ; 36 受光部； 38 分光板； 51〜59 フォトダイオード； 70 反射型検出装置； 74 基板； 76, 100 光センサユニット； 78 偏向ビームスプリッタ (PBS) ; 90 反射型検出装置； 92 反射面角度格子。

発明を実施するための最良の形態

[0039] 本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。

[0040] 図 3と図 4を参照して、本発明の一実施形態による検出装置をステージ装置に適用した場合を例に挙げて説明する。ステージ装置 230は、駆動装置として平面モータである SAWYERモータを有する装置である。図 3は、本発明の一実施形態による検出装置を備えるステージ装置を示す断面図であり、図 4は、図 3に示した領域 Bに対応した構成部分の平面図である。

[0041] ステージ装置 230は、大略するとベース 231と、ステージ 236と、検出装置 249とにより構成されている。ベース 231の表面には、所定のピッチで複数の凸部 232が形成されている。この所定のピッチ力ステージ 236を移動させる際の最小単位となる。また、ベース 231は、鉄などの金属により製造されている。ステージ 236は、大略すると可動ステージ部 237と、固定ステージ部 239と、チャック 241と、 X方向ァクチユエ一タ 242A, 242Bと、 Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bと、チルト駆動部 245とにより構成されている。

[0042] 可動ステージ部 237は、 X方向ァクチユエータ 242A, 242Bと Y方向ァクチユエ一タ 243A, 243Bとにより駆動されるベース部分である。図 4に示すように、可動ステージ部 237の下方には、 X方向ァクチユエータ 242A, 242Bと、 Y方向ァクチユエータ 2 43A, 243Bとが配設されており、中央部には空間が形成されている。 X方向ァクチュエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bは、それぞれ複数のコィル部 244と、エアーベアリング 238とにより構成されている。このコイル部 244に電流を印加することで、コイル部 244に磁力が発生し、推進力が生じて可動ステージ部 237は駆動される。

[0043] エアーベアリング 238は、エアーの力により X方向ァクチユエータ 242A, 242B及ひ Ύ方向ァクチユエータ 243A, 243Bをベース 231に対して浮かすためのものである。このエアーベアリング 238を設けることで、可動ステージ部 237が X方向、又は Y 方向、或いは Z軸を回転軸とする回転方向に駆動された際、いずれの方向に対しても自在に移動することができる。

[0044] チルト駆動部 245は、 X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエ一タ 243A, 243Bと可動ステージ部 237との間にそれぞれ設けられている。チルト駆動部 245は、可動ステージ 237の水平位置出しを行うためのものである。固定ステージ部 239は、可動ステージ部 237上に一体的に配設されている。固定ステージ部 239 は、 X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bを用いて可動ステージ部 237を駆動させることで、所望の位置に移動される。固定ステージ部 239上には、ワーク 248を装着するためのチャック 241が配設されている。 [0045] ここで、図 5A乃至図 5Dを参照して、可動ステージ部 237の駆動方法について説明する。図 5A乃至図 5Dは、可動ステージ部の駆動方向と X方向及び Y方向ァクチユエータの推進力との関係を模式的に示す平面図である。

[0046] 可動ステージ部 237を X方向に移動させる場合には、図 5Aに示すように、可動ステージ部 237を移動させた!/、X方向に対して X方向ァクチユエータ 242A, 242Bの推進力が生じるように、 X方向ァクチユエータ 242A, 242Bに設けられたコイル部 244 に電流を印加する。

[0047] 可動ステージ部 237を Y方向に移動させる場合には、図 5Bに示すように、可動ステージ部 237を移動させた!/ヽ Y方向に対して Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bの推進力が生じるように、 Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bに設けられたコイル部 244 に電流を印加する。

[0048] また、 Z軸を回転軸として、可動ステージ部 237を E方向又は D方向）に回転移動させる場合には、図 5C又は図 5Dに示すような X方向ァクチユエータ 242A, 242B及ひ Ύ方向ァクチユエータ 243A, 243Bの推進力が生じるよう、 X方向ァクチユエータ 2 42A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bに設けられたコイル部 244に電流を印加する。

[0049] そして、固定ステージ部 239がベース 231上の所望の位置に移動した際、コイル部 244に対しての電流の印加をストップさせて、固定ステージ部 239の位置を固定する。なお、可動ステージ 237は、先に述べたように、ベース 231の表面に設けられた凸部 232のピッチを最小単位として移動される。

[0050] 検出装置 249は、可動ステージ部 237の底部に設けられた検出手段 114と、後述する目盛ユニット 233とにより構成されている。この検出装置 249は、可動ステージ 2 37の状態の測定を行う機能を奏する。ここでの「状態」とは、 Z軸を回転軸とする回転移動の状態と、 X方向への移動の状態と、 X軸を回転軸とする回転移動の状態と、 Y 方向への移動の状態と、 Y軸を回転軸とする回転移動の状態とを含んでおり、少なくともこれら 5つの自由度の状態のことである。検出装置 249は、大略すると目盛ュ-ット 233と、検出手段 114とにより構成されている。

[0051] まず、検出装置 249の内、図 6及び図 7を参照して、目盛ユニット 233について説明する。図 6は、図 3に示した領域 Cに対応した構成部分の拡大図であり、図 7は、目盛部及び検出手段を示す図である。目盛ユニット 233は、ベース 231に設けられた凸部 232上に配設されている。目盛ユニット 233は、目盛部 113と、上部榭脂 252と、下部榭脂 253とにより構成されている。目盛部 113は、基部 141と基準格子 140とにより構成されている。

[0052] 基部 141には、角度に関する性質力 Y方向の 2次元方向に既知の関数 (この実施形態では正弦波の山と谷の集合)で変化する複数の基準格子 140が所定のピツチ Fで設けられている。目盛部 113の上面には、上部榭脂 252が設けられており、目盛部 113の下面には、下部榭脂 253が設けられている。上部榭脂 252及び下部榭脂 253は、目盛部 113が外力を受けて破損することを防止するためのものである。なお、上部榭脂 252には、光の透過性の良いものを用いる。

[0053] 次に、検出装置 249を構成する検出手段 114について、図 3乃至図 4を参照して説明する。検出手段 114は、 X方向ァクチユエータ 242A, 242B及び Y方向ァクチユエータ 243A, 243Bに囲まれた可動ステージ部 237の底面部の空間に配設された構成とされている。

[0054] このように、基準格子 140に近接した位置である可動ステージ部 237の底面部に検出手段 114を設けることにより、従来のレーザ干渉計と比較して空気の揺らぎ等の外乱の影響を受けに《することができ、正確な固定ステージ 239の位置を得ることができる。

[0055] 図 8は、検出手段の概略構成と目盛部とを示す図である。検出手段 114は、大略すると光源咅 330と、分光板 332と、偏向ビームスプリッタ 334と、 1/4波長板 336と、集束用レンズ 338と、受光素子 339とを有する構成とされている。光源部 330は、幅を有する光 331を照射するためのものである。分光板 332は、光源部 330から照射された光 331の進行方向側（図 8においての下方）に設けられている。

[0056] 図 9は、分光板の平面図である。図 9に示すように本実施形態では、分光板 332に 9つの開口部 341A〜341Iが格子状に形成されている。分光板 332は、光源部 330 力も照射された光 331を開口部 341A〜341Iにより、 9つの光 333に分光するためのものである。 [0057] 開口部 341A〜341Iは、基部 141の表面上または面内に所定のピッチ Fで配設された基準格子 140と同じピッチ Fとなるように形成されている。また、分光板 332の開口部 341A〜341Iで回折した 9つの光 333は、互いに干渉して、基準格子 140上で基準格子 140の配設ピッチと等間隔、または配設ピッチの整数倍の間隔でマルチスポットが生成される。

[0058] 偏向ビームスプリッタ 334は、分光板 332と目盛部 113との間に設けられている。偏向ビームスプリッタ 334は、基準格子 140の表面で反射された反射光 337が集束用レンズ 338に向力ようにするためのものである。集束用レンズ 338は、偏向ビームスプリッタ 334と受光素子 339との間に設けられており、反射光 337を受光素子 339に対して集束させるためのものである。

[0059] 次に、図 10を参照して、受光素子 339について説明する。図 10は、図 8に示した検出手段を矢印 Gで示す方向からみた図である。なお、図 10中に一点鎖線で示した丸は、それぞれのフォトダイオードに到達した反射光 337A〜337Iを示している。受光素子 339は、その受光面 339Aにフォトダイオード 350A〜350Hと、フォトダイォード 351〜354とを配設した構成を有する。

[0060] フォトダイオード 350A〜350H、及びフォトダイオード 351〜354は、反射光 337A 〜3371を一括して受光するためのものである。受光素子 339は、一括して受光した反射光 337A〜337Iの変化、具体的には反射光 337A〜337Iの強度や反射光 33 7A〜337Iが照射されるフォトダイオード 350A〜350H、及びフォトダイオード 351 〜354上の位置に基づいて、基準格子 140に対する固定ステージ 239の状態を検出するためのものである。

[0061] 受光面 339Aは、反射光 337A〜337Iを受光する側の面である。受光面 339Aは、略正方形の形状をしており、その中心部には、 4つのフォトダイオード 350E〜350 Hが配設されている。

[0062] 受光面 339Aの 4つの角部付近には、フォトダイオード 351〜354が形成されている。具体的には、図 10に示す受光面 339Aの左上角部にはフォトダイオード 351、受光面 339Aの左下角部にはフォトダイオード 352、受光面 339Aの右下角部にはフォトダイオード 353、受光面 339Aの右上角部にはフォトダイオード 354がそれぞれ配設されている。

[0063] フォトダイオード 351は、三角形状をしたフォトダイオード 35 II, 351Jを組み合わせることにより構成され、フォトダイオード 352は、三角形状をしたフォトダイオード 352L , 352Kを組み合わせることにより構成されている。また、フォトダイオード 353は、三角形状をしたフォトダイオード 353M, 353Nを組み合わせることにより構成され、フォトダイオード 354は、三角形状をしたフォトダイオード 3540, 354Pを組み合わせることにより構成されている。

[0064] フォトダイオード 350Aは、フォトダイオード 351とフォトダイオード 352とを結ぶ線上の中間位置に設けられており、フォトダイオード 350Bは、フォトダイオード 352とフォトダイオード 353とを結ぶ線上の中間位置に設けられている。また、フォトダイオード 35 OCは、フォトダイオード 353とフォトダイオード 354とを結ぶ線上の中間位置に設けられており、フォトダイオード 350Dは、フォトダイオード 351とフォトダイオード 354とを結ぶ線上の中間位置に設けられて、る。

[0065] 図 10に示すように、フォトダイオード 351〜354、及びフォトダイオード 350A〜350 Dの各フォトダイオードに対しても、反射光 337A〜337D又は反射光 337F〜337I のいずれかが照射される。この実施形態では、受光素子 339が受光する反射光 337 A〜337Iの位置の変化により、固定ステージ部 239の状態の検出を行う。なお、具体的な状態の検出方法については、後述する。

[0066] 次に、基準格子 140を用い、上記受光素子 339により 5つの自由度の状態の検出が可能かどうかの確認のために行ったシミュレーション結果について説明する。

[0067] 図 11は、シミュレーションに用いた検出手段のモデルを示す図である。なお、図 11 では検出手段 114の内部構成を直線方向に並べ模式的に示す。また、図 11において、図 8に示す検出手段と同一構成部分には同一符号を付す。

[0068] 始めに、受光素子 339で見られる反射光 337のスポット強度分布を計算式より求める。その際、検出手段 114を構成部品毎に分けて、その構成部品毎の関数を繋ぎ合わせて計算を行う。具体的には、図 11に示すように、分光板 332と、基準格子 140と、集束用レンズ 338と、受光素子 339と、それらの間の空間とに分けることができる。

[0069] 分光板 332の波面関数 g (x, y)は、開口部 341A〜341Iにおいて 1に等しぐ開口部 341A〜341I以外の領域において 0に等しくなる。この波面関数 g (x, y)は、式（1 )で示される。

[0070] [数 1]

次に、基準格子 140の位相関数 G (x, y)について説明する。基準格子 140に入射する光 333は、反射光 337となり元の光路を戻る。そこで、図 12に示すように、 9つの光 333及び反射光 337の光路を 1方向として、基準格子 140の位相関数 G (x, y)を考えることができる。

[0071] 図 12は、基準格子の位相関数を説明するための図である。基準格子 140の形状を h (x, y)とすると、点 (X, y)に入射した光 333は基準格子 140の底辺の点 t'に入射した光に比べて 2h (x, y)だけ光路長が短くなる。よって基準格子 140の位相関数 G (x , y)は、式（2)で示される。ここで、式（2)において、 kは光の波数、 Aは基準格子 14 0の振幅、 Pは基準格子 140波長をそれぞれ示す。

[0072] [数 2]

h\x, y) - A cos

P

G(X, y) - exp[i2kh(x

, y)]

次に、集束用レンズ 338の位相関数 L (x, y)は、式（3)で示される。ここで、式（3) において、 fは集束用レンズ 338の焦点距離を示す。集束用レンズ 338は、入射箇所によって位相を変えて光を集光する機能を有する。

[数 3]

光の空間の伝播について説明する。光の空間の伝播は、フレネル回折でモデルィ匕される。観察面での光波を u(x, y)、伝播開始面の光波を u (X, y)、開始面から観察面までの距離を zとすると、観察面での光波を表す u (x, y)は、式 (4)で示される。

[数 4]

：で F[v (x, y) ]は、 v(x, y)の 2次元フーリエ変換である。 λは、光の波長である

[0075] 図 11に示すように、光学系の構成部分を一直線上に並べ、分光板 332に入射する光の複素振幅を U (X, y)、受光素子 339上（フォトダイオード 350Α〜350Η上、及びフォトダイオード 351〜354上）の複素振幅を U (X, y)、分光板 332と基準格子 1

40との間隔を Z、基準格子 140と集束用レンズ 338との間隔を Z (=f)と定義する。このとき、スポット強度分布 I (x, y)は、下記の式（5)に示すように求めることができる。

[0076] [数 5]

u_c (x, y) = u_c {x, y) · L(X, y)

次に、基準格子 140に対して 5つの自由度の移動が生じた際のスポット強度分布 I ( X, y)の変化について説明する。 X軸方向と Y軸方向とに対するそれぞれの変位量を Δ χ, Ayとし、 Z軸を回転軸として回転移動する際の回転角度を 0 z (ョーイング角）、 X軸を回転軸として回転移動する際の回転角度を θ χ(ローリング角）、 Υ軸を回転軸として回転移動する際の回転角度を Θ y (ピッチング角）とすると、下記の式 (6)が得られる。

[数 6]

式 (6)を式 (5)に代入し、計算することで基準格子 140に 5つの自由度の運動が生じたときの I (x, y)の変化を求めることができる。基準格子 140に 5つの自由度の運動が生じたときの I (x, y)の変化は、下記の式（7)で示される。

[数 7]

図 13は、スポット強度分布 I (x, y)の変化をシミュレーションした結果を示す図である。なお、 XI方向は、 X軸に対して直交する方向、 Y1方向は Y軸に対して直交する方向、 Z1方向は XI, Y1方向に直交する方向を示している。

[0079] 次に、図 14A乃至図 15Eに示すシミュレーション結果を参照して、基準格子 140に対して X軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分布の変化について説明する。図 14A乃至図 14Eは、基準格子に対して X軸方向に移動体 (可動ステージ部 237 )が変位した際のスポット強度分布を XI方向（図 13参照)からみた図である。図 15A 乃至図 15Eは、基準格子に対して X軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y1方向（図 13参照）からみた図である。

[0080] 図 14A乃至図 14Eに示すように、 X軸方向に移動体が変位した際には、 XI方向から見たスポット強度分布 370A〜370Eのうちの中心に位置するスポット強度分布 37 OCの両佃 Jにあるスポット強度分布 370A, 370B, 370D, 370Eの大きさ力 S変ィ匕して、ることが分力る。

[0081] 一方、図 15A乃至図 15Eに示すように、 Y1方向力もスポット強度分布 371A〜37 IEを見た際には、 Δ χ(Χ軸方向の変位)の値が変化しても 5つのスポット強度分布 3 71Α〜371Εの大きさに変化は見られない。

[0082] 上記シミュレーション結果から、 X軸方向に移動体が変位した際には、 XI方向からスポット強度分布 370Α, 370Β, 370D, 370Εをモニターすることで、移動体の X軸方向に対する移動距離及び位置 (座標）の検出が可能であることが推察される。

[0083] 具体的には、 X軸方向に移動体が変位した際には、受光面 339Αに設けられた 2つのフォトダイオード 350Α, 350C (図 10参照）が受光する反射光 337D, 337Fのスポット強度分布をモニターすることで、移動体の X軸方向に対する移動距離及び位置 (座標）を検出可能であることが分かる。

[0084] なお、図示していないが、シミュレーション結果から、 Υ軸方向に移動体が変位した際には、 Y1方向から 5本のスポット強度分布のうちの中心に位置するスポット強度分布の両側にある 2つ (合計 4つ）のスポット強度分布の大きさが変化すること判明した。よって、 Υ軸方向に移動体が変位した際には、受光面 339Αに設けられた 2つのフォ卜ダイオード 350Β, 350D (図 10参照）により、反射光 337Β, 337Dのスポット強度をモニターすることで、移動体の Υ軸方向に対する移動距離及び位置 (座標）を検出可能であることが分かる。

[0085] 次に、図 16A乃至図 16Eに示すシミュレーション結果を参照して、 Ζ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位（回転移動）した際のスポット強度分布の変化について説明する。図 16A乃至図 16Eは、 Ζ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Z1方向（図 13参照）からみた図である。なお、図 16A乃至図 16Eにおいて、 θ ζは、ョーイング角（Ζ軸を回転軸とする角度）を示している。

[0086] 図 16Cに示すように、 0 z = Oarcsecの場合には、 4隅に反射される反射光 337Α, 337C, 337G, 3371の位置は、中央の反射光 337Eの位置を中心として時計回り，反時計回りどちらにも回転していないことが分かる。

[0087] また、図 16Aと図 16Bに示すように、 Z軸を回転軸として移動体がマイナス方向（反時計回り）に回転移動した場合には、 4隅に反射される反射光 337A, 337C, 337G , 3371の位置は、中央のピーク 337Εを中心として反時計回りに回転していることが分かる。

[0088] また、図 16Dと図 16Eに示すように、 Ζ軸を回転軸として移動体がプラス方向（時計回り）に回転移動した場合には、 4隅に反射される反射光 337Α, 337C, 337G, 33 71の位置は、中央の反射光 337Εの位置を中心として時計回りに回転することが分力る。さらに、図 16A乃至図 16Eに示す反射光 337Α, 337C, 337G, 3371のそれぞれの位置は異なっていることから、受光面 339Αの四隅に設けられたフォトダイォード 351〜354 (図 10参照）により、反射光 337Α, 337C, 337G, 3371の位置を Ζ 1方向からモニターすることで、 Ζ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際の移動体の位置、移動量及び回転角度などの検出が可能であることが分かる。

[0089] 次に、図 17A乃至図 20Cに示すシミュレーション結果を参照して、 Υ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位（回転移動）した際のスポット強度分布の変化について説明する。図 17A乃至図 17Cは、 Υ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を XI方向（図 13参照）からみた図である。図 18A乃至図 18 Cは、図 17A乃至図 17Cの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。また、図 19A乃至図 19Cは、 Υ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布を Y1方向（図 13参照）からみた図である。図 20Α乃至図 20Cは、図 1 9Α乃至図 19Cの中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。なお、図 17 Α乃至図 20Cにおいて、 Θ yは、ピッチング角（Y軸を回転軸とする角度）を示している。

[0090] 図 18A乃至図 18Cに示すように、 Y軸を回転軸としてプラス方向（時計回り）に移動体が変位（回転移動）した際、 XI方向から見たスポット強度分布 375Cの X軸方向の位置は図 18Aの左側に移動し、 Y軸を回転軸としてマイナス方向（反時計回り）に移動体が変位（回転)した際、 XI方向から見たスポット強度分布 375Cの X軸方向の位置は図 18Cの右側に移動する。

[0091] 一方、図 20A乃至図 20Cに示すように、 Y軸を回転軸として移動体が変位 (プラス方向及びマイナス方向の回転）した際、 Y1方向から見たスポット強度分布 380Cの Y 軸方向の位置は全く変化していない。なお、スポット分布強度分布 375Cが X軸方向に移動する際、スポット分布強度分布 375A, 375Bも一体的に移動する。

[0092] このことから、 Y軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際には、受光面 33 9Aの中心に設けられた 4つのフォトダイオード 350E〜350H (図 10参照）〖こより、 X 1方向から見たスポット強度分布 375Cの X軸方向の位置 (反射光 337Eの位置）をモ二ターすることで、移動体の Y軸回りの回転角度を検出が可能なことが分かる。

[0093] なお、図示していないシミュレーション結果から、 X軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際も、受光面 339Aの中心に設けられた 4つのフォトダイオード 350E 〜350Hにより受光される反射光 337E (スポット強度分布 375C)の Y軸方向の位置をモニターすることで、移動体の X軸回りの回転角度 θ x (ローリング角）の検出が可能であることが分かる。

[0094] 次に、図 21乃至図 23を参照して、上記シミュレーション結果を踏まえて、移動体の状態の検出方法について説明する。図 21は、基準格子に対して移動体が X軸方向に変位した際の検出方法を説明するための図である。なお、図 21において、スポット強度分布 385Dは反射光 337Dに対応したスポット強度分布を示しており、スポット強度分布 385Fは反射光 337Fに対応したスポット強度分布を示している。

[0095] 図 21に示すように，基準格子 140に対して移動体が X軸方向に移動すると、フォトダイオード 350A, 350C力受光する反射光 337D, 337Fのスポット強度分布 385D , 385Fの大きさが変化する。ここで、フォトダイオード 350Aの出力を I 、フォトダイ

350A オード 350Cの出力を I とすると、基準格子 140に対する移動体の X軸方向の変

350C

位量 ΔΧは、 S = (I -I +1 )力求めることができる。また、基準

X 350C 350A 350C 350A

格子 140に対して移動体が Y軸方向に移動した場合には、フォトダイオード 350Bの出力を I 、フォトダイオード 350Dの出力を I とすると、基準格子 140に対する移

350B 350D

動体の Y軸方向の変位量 ΔΥは、 S = (I -I +1 )力求めること

Y 350D 350B 350D 350B

ができる。

[0096] 図 22は、基準格子に対して移動体が Y軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。なお、図 22において、スポット強度分布 385Eは、反射光 337Eに対応したスポット強度分布を示している。図 22に示すように，基準格子 140 に対して移動体が Y軸を回転軸として回転すると、 3つの反射光 337D〜337Fに対応したスポット強度分布 385D〜385Eの位置が全体的に X軸方向に移動する。この際の移動量は、オートコリメーシヨン法に従う。この移動量は、受光面 339Aの中心に設けられた 4つのフォトダイオード 350E〜350Hにより検出することができる。

[0097] ここで、フォトダイオード 350Eの出力を I 、フォトダイオード 350Fの出力を I 、

350E 350F フォトダイオード 350Gの出力を I 、フォトダイオード 350Hの出力を I とすると、

350G 350H

S = (1 +1 -I -I +1 +1 +1 )力ら X軸方向の移 qY 350G 350H 350E 350F 350E 350F 350G 350H

動量を求めることができ、求めた X軸方向の移動量から Θ y (ピッチング角）を求めることがでさる。

[0098] 同様に、 S = (1 +1 -I -I +1 +1 +1 )より Y軸 qX 350F 350G 350E 350H 350E 350F 350G 350H 方向の移動量が求めることができ、求めた Y軸方向の移動量から θ χ(ローリング角）を求めることができる。

[0099] 図 23は、基準格子に対して移動体力 ¾軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。基準格子 140に対して移動体力軸を回転軸として回転すると、前述した図 16A乃至図 16Eで説明したように 4つの反射光 337A, 337C, 3 37G, 3371の位置が中央の反射光 337Eの位置を中心に回転する。

[0100] ここで、フォトダイオード 3511の出力を I 、フォトダイオード 351Jの出力を I 、フ

3511 351J オトダイオード 351Kの出力を I 、フォトダイオード 351Lの出力を I 、フォトダイォ

351k 351L

ード 351Mの出力を I 、フォトダイオード 351Nの出力を I 、フォトダイオード 35

351M 351N

lOの出力を I 、フォトダイオード 351Pの出力を I とすると、 S = { (1 +1

3510 351P qZ 35U 351L

+ 1 +1 ) - (1 +1 +1 +1 ) }/ (! +1 +1 +1 +1 +

351N 351P 3511 351k 351M 3510 3511 35U 351k 351L 351M

I +1 +1 )より回転量を求めることができ，この回転量の値から 0 z (ョーイン

351N 3510 351P

グ角）を求めることができる。

[0101] 光源部 330から照射された光を分光板 332により複数の光 333に分光させて基準格子に照射し、複数の反射光 337を多素子型フォトダイオード 350で一括して受光することで、移動体の 5つの自由度の状態の検出を行うことができる。また、複数の反射光 337の変化に基づいて移動体の状態を検出するため、複数の光 337が照射された基準格子 140のうちのどれかに欠陥があった際でも、欠陥のない基準格子 140 力も反射された複数の反射光 337の変化に基づいて状態の検出を行うことができる。このため、従来の 1つの光を基準格子に照射し、その反射光に基づいて状態の検出を行う場合と比較して、状態の検出を精度良く行うことができる。

[0102] また、この実施形態の検出手段 114においては、従来技術のようなオートコリメーシヨン法を用いての検出を行っていないので、受光素子 339の構成を簡単化でき、検出手段 114のコストの低減を図ることができる。

[0103] なお、本実施形態では、フォトダイオード 351〜354、及びフォトダイオード 350A 〜350Dを設けた受光素子 339を用いた力フォトダイオード 351〜354、及びフォトダイオード 350A〜350Dの代わりに CCDを用いてもよ!ヽ。 CCDを用いる場合においても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

[0104] 次に、図 24を参照して、本実施形態の基準格子の変更例について説明する。図 2 4は、本実施形態による基準格子の変更例を示す斜視図である。図 24の基準格子 4 00は、略正方形状の柱状部 401と、柱状部 401と同じ正方形状の凹部 402を面内 2 軸方向に交互に配置して形成されている。本実施形態の基準格子として、図 24に示すような略正方形状の基準格子 400を用いてもよい。基準格子 400の PV値は 0. 08 /z mとされている。

[0105] 次に、図 25及び図 26を参照して、本発明の一実施形態によるステージ装置 10について説明する。図 25は、本発明の一実施形態によるステージ装置を示す分解斜視図であり、図 26は、部分的に切り欠いて組み立てられた状態のステージ装置を示す斜視図である。このステージ装置 110は、例えば半導体製造用のステツパ等において被移動体となるウェハを所定位置に移動させるのに用いられる装置である。

[0106] このステージ装置 110は、大略するとベース 111、ステージ 112、検出装置 124、及び駆動装置等により構成されてヽる。ベース 111はステージ装置 110の基台となるものであり、後述するリニアモータ構造部 120A, 125A、 Z方向電磁石 130、及び検出手段 114が配設される。なお、本実施形態の検出手段 114の構成は、図 3に示す検出手段 114と同一である。

[0107] ステージ 112は移動体となるウェハ 60及びチャック 61が上部に搭載されると共に、下部〖こはマグネット 115, 116、ヨーク 117、及びスぺーサ 118を介して Z方向用マグネット 119が配設される。このステージ 112は、ベース 111に対して図中矢印 X軸方向移動、 Y軸方向移動、及び Ζ軸を中心とした回転移動が可能な構成とされている。

[0108] 図 25に示すように、目盛部 113は、ステージ 112の背面（ベース 111と対向する面 )の略中央位置に固定されている。一方，検出手段 114は、ベース 111に配設された構成とされている。具体的には、検出手段 114は、ベース 111に設けられた取り付け用基板 133に設けられている。

[0109] 続いて、駆動装置について説明する。駆動装置は、ベース 111に対してステージ 1 12を X軸方向移動， Υ軸方向移動，及び Ζ軸を中心とした回転移動を行なわれるものである。この駆動装置は、ベース 111に配設された X方向リニアモータ構造部 120 A, 120Β、 Υ方向リニアモータ構造咅 125A, 125Β、 Ζ方向電磁石 130と、ステージ 112に配設された X方向用マグネット 115, Υ方向用マグネット 116, Ζ方向用マグネット 119等により構成されている。

[0110] X方向リニアモータ構造部 120Aはベース 111上に配設されており、一対の X方向用コイル 121A— 1, 121A— 2 (双方をまとめていうときには X方向用コイル 121Aという）と、 X方向用コア 122Aとにより構成されている。一対の X方向用コイル 121A— 1, 121A— 2は図中矢印 X軸方向に並設されており、それぞれ独立して電流を供給できる構成とされている。

[0111] また、 X方向リニアモータ構造部 120Bは X方向リニアモータ構造部 120Aと同一構成とされており、 X方向用コイル 121B (符号は付さないが、一対の X方向用コイルにより構成されて、る）及び X方向用コア 122Bとにより構成されて、る。この X方向リニァモータ構造部 120Αと X方向リユアモータ構造部 120Βは、前記した検出装置 114 の配設位置を挟んで、図中矢印 Υ軸方向に離間して配置された構成とされてヽる。

[0112] 一方、 Υ方向リニアモータ構造部 125A及び Υ方向リニアモータ構造部 125Bも、前記した X方向リニアモータ構造部 120Aと同様の構成とされている。即ち、 Υ方向リニァモータ構造部 125Aは Υ方向用コイル 126A (符号は付さないが、一対の Υ方向用コイルにより構成されている）と Υ方向用コア 127Aとにより構成され、 Υ方向リニアモータ構造部 125Bは Υ方向用コイル 126B (符号は付さないが、一対の Υ方向用コィルにより構成されている）と Υ方向用コア 127Bとにより構成されている。この Υ方向リユアモータ構造部 125Aと Υ方向リニアモータ構造部 125Bは、前記した検出手段 11 4の配設位置を挟んで、図中矢印 X軸方向に離間して配置された構成とされて!/ヽる。

[0113] Z方向電磁石 130は、ベース 111に対してステージ 112を浮上させることにより、前記した X方向用マグネット 115 Aと後述するステージ 112に設けられた各マグネット 11 5, 116との間にギャップを形成する機能を奏するものである。この Z方向電磁石 130 は、 Z方向用コイル 131と Z方向用コア 132とにより構成されている。また、浮上を安定ィ匕するため、矩形状とされたベース 111の四隅位置にそれぞれ配設されている。

[0114] なお、ベース 111に対してステージ 112を浮上させる手段は、この実施形態で使用している磁気的手段の他にも、圧縮空気を用いる方法や、複数のボールでベース 11 1を支持する手段等が考えられる。

[0115] 一方、前記したようにステージ 112には X方向用マグネット 115及び Y方向用マグネット 116が配設されている。図に現れないが,各マグネット 115, 116はそれぞれ一対ずつ合計 4個が配設されている。従って、ステージ 112を底面側カゝらみた状態において、各マグネット 115, 116は協働して略四角形をなすよう配置されている。

[0116] X方向用マグネット 115は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列（小磁石の集合体）により構成されている。同様に、 Y 方向用マグネット 116も、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列により構成されている。各マグネット 115, 116の上部にはヨーク 117が配設されており、このヨーク 117は各マグネット 115, 116を構成する複数の各磁石を磁気的に結合する機能を奏する。

[0117] 上記構成において、ベース 111に対しステージ 112を装着した状態において、一対の X方向用マグネット 115の一方が X方向リニアモータ構造部 120A上に位置し、かつ他方の X方向用マグネット 115が X方向リニアモータ構造部 120B上に位置するよう構成されている。

[0118] また、ベース 111に対しステージ 112を装着した状態において、一対の Y方向用マグネット 116の一方が Y方向リニアモータ構造部 125A上に位置し、かつ他方の Y方向用マグネット 116が Y方向リニアモータ構造部 125B上に位置するよう構成されている。

[0119] また、ベース 111がステージ 112に装着された状態で、かつ Z方向電磁石 130によりステージ 112がベース 111に対し浮上した状態において、各マグネット 115, 116 が発生する磁界が対向するリニアモータ構造部 120A, 120B, 125A, 125Bに係合するよう構成されている。

[0120] 更に、上記装着状態において、各マグネット 115, 116は、各リニアモータ構造部 1 20A, 120B, 125A, 125B【こ設 ίナられて!ヽる各コィノレ 121A, 121B, 126A, 126 Βの卷回方向に対して直交するよう配置されて、る。

[0121] 駆動装置を上記構成とすることにより、 X方向リニアモータ構造部 120A, 120Bと X 方向用マグネット 115は協働して、ステージ 112を図中矢印 X軸方向に駆動するリニァモータとして機能する。同様に、 Υ方向リニアモータ構造部 125A, 125Bと Υ方向用マグネット 116は協働して、ステージ 112を図中矢印 Υ軸方向に駆動するリニアモータとして機能する。

[0122] 即ち、この実施形態では X, Υ両方向にそれぞれ 2組ずつのリニアモータを配置する構成となる。この構成により、装置中央部分に比較的大きな空間を確保できるため、この位置に検出装置 124を設置することができる。なお、本実施形態ではステージ 112に目盛部 113を配設し、ベース 111に検出手段 114を配設した構成とした。これは、目盛部 113には配線を接続する必要がないためである。しかしながら、目盛部 1 13をベース 111に配設し、検出手段 114をステージ 112に設ける構成とすることも可能である。

[0123] また上記構成とされた駆動装置において、 X方向リニアモータ構造部 120Aと X方向リニアモータ構造部 120Bのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ 112は図中矢印 X軸方向に並進運動する。

[0124] 同様に、 Υ方向リニアモータ構造部 125Aと Υ方向リニアモータ構造部 125Bのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ 112は図中矢印 Υ軸方向に並進運動する。

[0125] また、対になった各リニアモータ構造部 120Aと 120B、 125Aと 125Bをそれぞれ逆方向に駆動させることにより、ステージ 112は図中矢印 Ζ軸まわり θ Ζの回転運動を行なう。

[0126] このように、検出手段 114と目盛部 113とからなる検出装置 124をステージ装置 11 0に設けることにより、ステージ 112の 5つの自由度の状態を検出手段 114により検出することができる。

[0127] なお、上記の実施形態では、 2次元方向に対して正弦波の形状を有する基準格子 140を備える目盛部 113を用いる構成を例に挙げて説明を行った。あるいは、基準格子 140の代わりに、基準格子 400の中心軸に対して対称となる形状に構成された基準格子 400を用いても良い。

[0128] また、上記の実施形態は、半導体製造装置のみならず、マイクロマシン， IT用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より微細で多様なマイクロマシンを製造することが可能となる。さらに、レーザ力卩ェの分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されている。

[0129] 次に、図 27は本発明の一実施形態による検出装置を適用するステージ装置の概略構成を示す図である。尚、この実施形態の以下の説明では、後述する透過型検出装置 22の構成及び作動原理を説明する際の便宜上、透明体角度格子 30に対して光を照射する方向を Z方向としており、図 27にお、ては左右方向を Z方向として説明する。

図 27に示されるように、ステージ装置 10は、ベース 12と、ベース 12に対して移動可能に設けられた第 1ステージ 14と、第 1ステージ 14に搭載され左右方向に移動可能に設けられた第 2ステージ 16と、第 1ステージ 14の両端を並進駆動する一対のリニアモータ (駆動手段） 18, 20と、リニアモータ 18の近傍に配置された透過型検出装置 2 2と、第 2ステージ 16を駆動するリニアモータ 24と、リニアモータ 24と平行に配置されたリニアスケール 26とを有する。

[0130] 透過型検出装置 22は、本発明の要部を構成しており、後述するように第 1ステージ 14の移動位置を主検出対象としており、移動方向（X方向）以外の方向に対する運動誤差要因となる上下方向（Y方向）、各軸回りの角度 0 x、 0 y、 0 zも同時に検出することができるように構成されて！、る。

[0131] 透過型検出装置 22及び Xリニアスケール 26により検出された検出信号は、座標変翻27により座標変換されて制御装置 28に入力される。制御装置 28は、予め設定されて演算式に基づいてリニアモータ 18, 20, 24へ供給される制御量を演算する演算手段 (制御プログラム）を有し、演算により得られた制御信号を各サーボアンプ 29a 〜29cに出力する。そして、各サーボアンプ 29a〜29cで増幅された駆動信号は、リユアモータ 18, 20, 24へ供給されてリニアモータ 18, 20, 24が駆動される。

[0132] また、透過型検出装置 22では、後述するように第 1ステージ 14の X, Y方向の変位及び Θ z方向の傾き角度を検出することができる。そのため、制御装置 28では、透過型検出装置 22によって検出された各方向の検出データに基づいて第 1ステージ 14 が傾かないようにリニアモータ 18, 20を高精度に並進駆動することが可能になる。

[0133] ここで、透過型サーフェスエンコーダとして用いられる透過型検出装置 22の構成について図 28を参照して説明する。

図 28に示されるように、透過型検出装置 22は、第 1ステージ 14の移動方向に延在形成された透明体角度格子 (基準格子) 30と、透明体角度格子 30を垂直状態に保持する透明基板 32と、透明体角度格子 30に向けて複数の平行光を発光する発光部 34と、透明体角度格子 30を透過した複数の平行光を受光する受光部 36とを有する。

[0134] 透明基板 32は、透明なガラス板など力もなり、固定側となるベース 12に垂直状態に固定されている。そして、透明基板 32の表面には、透明体角度格子 30が固着されている。透明体角度格子 30及び透明基板 32は、透明材によって形成されているため、発光部 34から照射された光が透過する性質を有している。

[0135] また、透明体角度格子 30は、図 29に拡大して示すように表面に所定の正弦波形状の輪郭を有する立体的な凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面 30aが形成されている。この検出面 30aの凹凸形状は、例えば、金型を押し付けることにより微細な凹曲面、凸曲面を均一、且つ高精度に形成することが可能になる

[0136] 発光部 34は、透明体角度格子 30の表面の鉛直方向に対向するように設けられている。また、受光部 36は、透明体角度格子 30の裏面の鉛直方向に対向するように設けられている。そして、発光部 34及び受光部 36は、可動側となる第 1ステージ 14に固定されたブラケット（図示せず）により一体的に支持されており、且つ透明体角度格子 30及び透明基板 32を介して正対するように保持されてヽる。

[0137] そのため、発光部 34及び受光部 36は、第 1ステージ 14と共に Y方向に駆動されると、透明体角度格子 30及び透明基板 32に対して移動することになる。その際、発光部 34から発光された複数の平行光が検出面 30aの凹曲面と凸曲面によって屈折されて透過して受光部 36に受光される。受光部 36には、後述するように発光部 34からの複数の平行光を受光する複数の受光素子が所定間隔で設けられている。そして、発光部 34からの光が検出面 30aの凹曲面と凸曲面とを透過する位置によって屈折率が変化して受光部 36での各光の受光強度分布の変化から透明体角度格子 30に対する発光部 34及び受光部 36の移動量を求めることが可能になる。

[0138] 図 30は図 28において透過型検出装置 22の構成を X方向からみた構成図である。

図 30に示されるように、発光部 34は、例えば、レーザダイオード力もなる光源 34a 力もの光を複数本 (例えば、 n= 9本)の平行光に分光しており、光源 34aの出射面には、分光手段としてのグリッドパターンを有する正方形の分光板 38が取り付けられている。

[0139] 図 31は分光板 38のグリッドパターンの一例を拡大して示す図である。図 31に示されるように、分光板 38は、 X方向及び Y方向の 2次元平面に 9つの微小開口 38A〜3 81が所定間隔 Lで格子状に形成されている。分光板 38は、光源 34aから照射された

F

光 40を微小開口 38A〜38Iにより、 9つの光 42〜42に分光するためのものである

1 9

[0140] 尚、図 31では、分光板 38に 9つの微小開口 38A〜38Iを設けた構成を例に挙げて説明したが、微小開口の配置数及び間隔については、任意に設定することができ、例えば、微小開口を X方向及び Y方向に 10 X 10個配置することも可能である。従つて、分光板 38によって分光される光の数 (換言すると、受光部 36に照射されるスポット数）は、微小開口の配置数を選択することにより任意の数に設定することができる。

[0141] 微小開口 38A〜38Iは、検出面 30aに形成された凹曲面及び凸曲面の配設ピッチ Fと同一寸法となるように形成されている。また、分光板 38の微小開口 38A〜38Iを通過した 9本の光 42〜42は、平行光となって透明体角度格子 30の検出面 30aに

1 9

照射されるため、透明体角度格子 30の配設ピッチ Fと等間隔 (または開口部 38A〜 381を通過する際の回折により配設ピッチ Fの整数倍の間隔)でマルチスポットが生成される。

[0142] また、透明体角度格子 30を透過した 9本の光 42〜42は、受光部 36の直前に配

1 9

置された対物レンズ 44により受光部 36の受光面 36aに集光される。

[0143] 図 32に示されるように、受光部 36の受光面 36aには、透明体角度格子 30を透過した 9本の光 42〜42を受光するフォトダイオード 51〜59が設けられている。

1 9

[0144] 次に、図 32を参照して、受光部 36について説明する。図 32中に破線で示した丸印は、それぞれのフォトダイオード 51〜59に到達した光 42〜42のマルチスポット

1 9

を示している。受光部 36の受光面 36aに設けられたフォトダイオード 51〜59は、光 4 2〜42の受光強度に応じた検出信号を出力する。フォトダイオード 51〜59のうち

1 9

受光面 36aの四隅に配置されたフォトダイオード 51, 53, 57, 59は、一対の受光素子を組み合わせた 2分割 PD力もなり、受光面 36aの中央に配置されたフォトダイォード 55は 4個の受光素子を組み合わせた 4分割 PD力もなる。

[0145] 受光面 36aの左上に配置された 2分割 PD51は、三角形状に形成された受光素子（ 51a, 51b)がー組となって光 42の光強度を検出し、右上の角部に配置された 2分割 PD53は三角形状に形成された受光素子（53a, 53b)がー組となって光 42の光

3 強度を検出し、左下の角部に配置された 2分割 PD57は三角形状に形成された受光素子（57a, 57b)がー組となって光 42の光強度を検出し、右下の角部に配置された 2分割 PD59は三角形状に形成された受光素子（59a, 59b)がー組となって光 42の

9 光強度を検出する。

[0146] また、受光面 36aの中央に配置された 4分割 PD55は、 4個の受光素子 55a〜55d が X方向及び Y方向に 2列ずっとなるように並設されており、 4個の受光素子 55a〜5 5dにより中央に照射される光 42の光強度を検出する。また、受光面 36aの 4辺の中

5

間に酉己置された、フォトダイ才ード 52， 54， 56， 58は、夫々光 42， 42， 42， 42の

2 4 6 8 光強度を検出する。本実施形態では、上記 9個のフォトダイオード 51〜59を有する受光部 36によって検出された光 42〜42の強度分布の変化により、第 1ステージ 1

1 9

4の位置及び傾き角度の検出を行う。

[0147] 続いて、透過型検出装置 22のシミュレーション結果について説明する。 [0148] 透明体角度格子 30を用いたモデルでは、透明体角度格子 30の検出面 30aの表面形状は式 (8)に示すように 2次元に正弦波を重ね合わせた凹曲面と凸曲面となっている。

[0149] [数 8]

ここで、透明体角度格子形状のピッチ P , Pは数 100 m以下のオーダーであり、振幅 Ax, Ayは数 lOOnm以下のオーダーであり、これに光を入射すると回折格子のような役割を果たす。そこで、ここでは検出装置 22のモデルを立てるに当たり光を波として扱い、振幅、位相を計算することで解析した。すなわち、ここで用いるのは幾何光学のモデルではなく波動光学のモデルである。

[0150] 図 33に示されるように、透明体角度格子 30の鉛直方向からほぼ垂直に光が位置 (x,y)に入射するものとする。このとき、面∑1から面∑ 2まで進むと、光は距離

2A-h(x,y)だけ進んだ後、透明体角度格子 30内を距離 h(x,y)だけ進み透明体角度格子 30を透過する。透明体角度格子 30の屈折率を n、透明体角度格子 30外の屈折率を 1とすると、この光が面∑ 1から面∑ 2まで進んだときの光路長 Lは式 (9)のように表される。

[0151] [数 9]

L = 2A - h(x, y)+ n - h(x, v) ■(9)

面∑ 1から面∑ 2まで進んだとき Lだけ光路長があるので、それに波数 k(=2 π / λ , λ：光の波長)をかけた kLだけ位相が遅れることになる。よって、透明体角度格子 30 の持つ位相関数 G(x,y)は、下記の式 (10)のように表せる。 [0152] [数 10]

G{x, y) = e~^ikL

定数項 e-i^は無視できるので， G(x,y)は式 (1 1)のように表せる.

透明体角度格子 30に X方向， Y方向の変位と Z軸回りの回転が生じたときは、式 (11 )を下記の式 (12)のようにして表現できる。

[数 11]

Gに' ' ) = _e-ik{ -\)h{x'+hx,y'^y)

■(12)

以上が透明体角度格子 30のモデルのシミュレーション結果である。

[0154] 続いて、透明体角度格子 30を用いた透過型検出装置 22の光学系について説明する。

[0155] 図 30に示されるように、透過型検出装置 22の光学系にお、て、レーザ光源 (LD)3 4aから出た平行光 42〜42は、微小開口 38A〜38Iを有する格子状の分光板 38

1 9

に入射する。分光板 38の各微小開口 38A〜38Iで回折した光は、互いに干渉し、透明体角度格子 30上ではグリッドパターンの開口間隔と同じ間隔でピークの立つ平行光 42〜42 (マルチビーム）が生成される。平行光 42〜42は、透明体角度格子 3 0を透過した後、対物レンズ 44によって受光部 36の受光面 36aに集光される。

[0156] この光学系の受光部 36の受光面 36a上の強度分布を求めるために、ここでは、光学系を要素ごとに分け、それぞれの要素の持つ光波の振幅項と位相項に影響を与える関数を用いる。それらの関数を元にして ua, ua', · ··, udと順に計算していく手法を採用する。この光学系は、発光部 34、分光板 38、透明体角度格子 30、対物レンズ 44、及び各要素間の光波伝播空間から構成される。

[0157] これらの関数について、以下順に説明する。発光部 34は、その強度分布がガウシアン分布に従う平行光 uaを発光するものと仮定する。すなわち、平行光 uaは同一面内に位相のそろった光波である。位相項を無視し、振幅項にガウシアン分布式のルートを取った値とする。発光部 34の関数は、下記の式 (13)のように定義する。

[0158] [数 12]

I ²—

ua{x, y) = ie ²び² (ただし， σ = 1200 ^) - -(13)

分光板 38は、グリッドパターンの各微小開口 38Α〜38Ιに入射した光は透過する力それ以外の光は遮る。分光板 38の透過関数 g(x,y)は、下記の式 (14)で表せる。

[0159] [数 13]

(開口上）

(それ以外） ...₍₁₄₎

透明体角度格子 30の位相関数は、上述したとおりである。

[0160] 対物レンズ 44は平面波を入射すると球面波にする作用がある。対物レンズ 44の位相関数 L(x,y)は、式 (15)で表される。

[0161] [数 14]

光の空間の伝播はフレネル回折の式で考えられる。面∑ 1から出た光は距離 zだけ離れた面∑ 2まで伝播する。このとき、フレネル回折の式は、下記の式 (16)で表される。

[0162] [数 15]

ここで、 u (X ,y )は面∑ 1での波面、 u(x,y)は面∑ 2での波面、 iは虚数単位、 λは光

0 0 0

の波長をそれぞれ示す。

[0163] 式 (16)は畳み込み積分であり、下記の式 (10)のようにフーリエ変換を用いた形に変形できる。ここで、 F[v(x,y)]は v(x,y)のフーリエ変換を表し、 F— t co fey)]は co (x,y)の逆フーリエ変換を表す。

[0164]

-ik-^j z +x +y

ie

w(; , ) = w。(x， )

^ z² + x² + y

以上から、透過型検出装置 22のモデルをまとめ、受光部 36の受光面 36aの強度分布 I(x,y)を求める。受光面 36aの強度分布 I(x,y)は、下記の式（18)で示される。

[数 17]

ua x, y) - ua(x， y)- g(x, y),

ub (x, y) = ub{x, y) - G(x, y) uc (x, y) = c(x, y)- L{X, y)

■(18)

受光部 36の受光面 36aの強度分布 I(x,y)のシミュレーションを行うと、図 34のような結果が得られる。式 (18)に従って、強度分布 I(x,y)を計算した結果を図 34に示す。

[0166] 次に、 4分割 PD55を用いた位置検出方法について説明する。

[0167] 透明体角度格子 30に対する X方向， Y方向の変位に対して、光 42〜42のスポッ

1 9 ト強度はそれぞれ X方向， Y方向にのみピークの高さが変化することが分力つた。この原理を利用して図 35に示す 4分割 PD55を用いてこれらの変位を検出することができる。以下にその検出原理及びシミュレーション結果を説明する。

[0168] 4分割 PD55は、前述したように 4つの受光素子 55a〜55dを X、 Y方向に 2列ずつ組み合わせたものであり、 4個のフォトダイオードを設けた場合と実質的に同一である。

[0169] 図 35において、 X方向， Y方向のセンサ出力を S , Sとすると、受光素子 55a〜55d

X Y

の出力を図 35に示す I〜1を用いてそれぞれ以下のように定義する。

1 4

[0170] [数 18]

更に、図 36に示すように、 2本のプローブを用いることで、 X, Y変位の相対的な位置関係から Θ z方向の回転角を求めることができる。

[0171] ここで、多素子型 PDを用いた位置 ·姿勢検出方法について説明する。

[0172] 上記 4分割 PD55を用いる検出方法とは異なり、多素子型 PDを用いてスポットのピ一クーつ一つの挙動を検出することでより多くの自由度を検出することが可能になる。受光部 36の受光面 36a (図 32参照）では、 XY方向に一定の周期で多数のピークが並ぶことになる。その多数あるピークの中で中心の 9つのピークに対して、図 37に示すようなフォトダイオード 51〜54, 56〜59を配置する。この受光部 36は、受光面 36aの 4辺に 1素子のフォトダイオード 52, 54, 56, 58が配置され、受光面 36aの 4隅には正方形を斜めにカットした 2分割 PD51, 53, 57, 59が配置されている。この多素子型 PDからなる受光部 36を用いて位置 ·姿勢の 3自由度を検出する方法を、以下順に XY位置の検出方法、 Θ zの検出方法について述べる。

[0173] まず、 XY位置の検出方法について述べる。 [0174] 図 38 (A)〜（E)は一例として図 28の透過型検出装置の X方向の変位を検出する方法を示している。 X方向に変位が生じると、図 38 (A)〜（E)に示すようにフォトダイォード 51〜54, 56〜59上でスポットのピークが X方向に関してのみ高さ分布が変化する。受光部 36の X方向のセンサ出力を Sとする。受光面 36aの X方向 2辺の中間位置

X

に配置されたフォトダイオード 54, 56の強度検出値 I , 1 を用いて、受光部 36の X

XI X2

方向のセンサ出力 Sは、式 (21)の計算より求められる。

X

[0175] Y方向も同様にして受光部 36のセンサ出力を Sとする。受光面 36aの Y方向 2辺の

Y

中間位置に配置されたフォトダイオード 52, 58の強度検出値 I , 1 を用いて、受光

Yl Y2

部 36のセンサ出力 Sは、式 (22)の計算より求められる。

Y

[0176] [数 19]

■(21)

■(22)

+ I_Y2

次に、 Ζ軸回りの θ ζ方向の検出方法について説明する。

[0177] θ ζ回転が生じると、光 42〜42のスポット全体がスポット中心のピークを軸として

1 9

同じ 0 ζだけ回転する。そこで受光面 36aの 4隅に配置された 2分割 PD51, 53, 57, 59の 8個の受光素子を使ってスポットの強度変化を検出することで Θ zを検出できる。図 39 (A)〜（C)に図 28の透過型検出装置の XY位置の検出方法の検出原理を示す。 2分割 PD51, 53, 57, 59の 8個の受光素子 51a, 51b, 53a, 53b, 57a, 57b, 59a, 59bの出力を I , I , I , I , I , I , I , I とすると、受光杳 36の 0 z

Θ zl θ z2 θ z3 θ z4 θ z5 θ z6 θ z7 θ z8

方向の出力 S は、下記の式 (23)より求められる。

θ ζ

[0178] [数 20] S = 100 ( 2 + ⁴ + 6 + 8 ) - + 3 + + IQL ) ί Λ

³² ( ι + 3 + 5 + τ ) + ( ₂ + 4 + l + )

■■■(23)

図 40は、本実施形態の透過型検出装置の光学系の変形例を示す。

[0179] 図 40に示されるように、透過型検出装置 22における基準格子は、透明基板 32の表面及び裏面に一対の透明体角度格子 30の裏面同士を背中合わせに貼り合せた構成としてもよい。すなわち、この基準格子は、透明基板 32と、透明基板 32の表面に配設される第 1の基準格子 30と、第 1の基準格子 30と 180度の向きとなるように透明基板 32の裏面に配設される第 2の基準格子 30とを備える。この基準格子を透過型検出装置 22の光学系に用いることにより、 Z方向を除く X方向と Y方向の位置及び各軸回りの回転角 0 x、 0 y、 0 zの検出信号を得ることが可能となる。

[0180] 次に、反射型サーフェスエンコーダとして用いられる反射型検出装置 70の構成について図 41を参照して説明する。

[0181] 図 41に示されるように、反射型検出装置 70は、第 1ステージ 14の移動方向に延在形成された透明体角度格子 (基準格子) 30と、透明体角度格子 30を垂直状態に保持する反射面 (ミラー） 74aが形成された基板 74と、透明体角度格子 30に向けて複数の平行光を発光し、反射面 74aからの反射光を受光する光センサユニット 76とを備える。光センサユニット 76は、複数の平行光を発光する発光部（図示せず）と、透明体角度格子 30を透過して反射面 74aで反射した複数の反射光を受光する受光部 (図示せず)とを有する。

[0182] 反射型検出装置 70では、透明体角度格子 30の検出面 30aに対向する側に光センサユニット 76を設ける構成であるので、前述した図 28の透過型検出装置のものよりも透明体角度格子 30をリニアモータ 18に近接することが可能になり、その分リニアモータ 18の近い位置で X方向、 Y方向及び各軸回りの角度 0 x、 0 y、 0 zを検出することが可能になる。 [0183] ここで、反射型検出装置 70の状態検出の原理について説明する。

[0184] 図 42に反射面 74aに貼り付けた透明体角度格子 30のモデルを示す。透明体角度格子 30の検出面 30aの形状は、前述した図 28の透過型検出装置と同様に式 (24)に示すように 2次元に正弦波を重ね合わせたものとなって、る。

[0185] [数 21]

， ) 一ん cos| ■(24)

ノ V ノ

ここで、透明体角度格子 30の表面形状のピッチ P , Pは数 100 m以下のオーダー

、そして振幅 A , Aは数 lOOnm以下のオーダーであり、これに光を入射すると回折格子のような役割を果たす。そこで、ここでは、前述した図 28の透過型検出装置と同様に反射型検出装置 70のモデルを立てるに当たり光を波として扱い、振幅、位相を計算することで解析した。すなわち、ここで用いるのは幾何光学のモデルではなく波動光学のモデルである。

[0186] また、以下の説明では、図 42のように透明体角度格子 30の鉛直方向から光が位置 (x,y)に入射するものとする。このとき、面∑力も基板 74の反射面 74aまで進むとき、光は距離 2A-h(x,y)だけ進んだ後、透明体角度格子 30内に入射し、距離 h(x,y)だけ進む。そして、反射面 74aによって反射された光は、再び同じ光路を迪り、面∑まで進む。

[0187] また、光が反射面 74aで反射されるところでそのまま透過するように仮想したモデルを図 43に示す。このとき、透明体角度格子 30の屈折率を n、透明体角度格子 30外の屈折率を 1とすると、この光が面∑力入射し、再び面∑ (図 43では∑')まで進むときの光路長 Lは、式 (25)のように表される。

[0188] [数 22] L^2{2A-^x,y)}+n-2}(x,y (25)

光が面∑から再び面∑まで進んだとき Lだけ光路長があるので、それに波数 k(=2 π /λ , λ：光の波長)をかけた k sLだけ位相が遅れることになる。よって、透明体角度格

n

子 30の持つ位相関数 Gr(x,y)は、下記の式 (26)のように表せる。

[数 23]

Gr\x,v)=e

レ C '(26)

定数項 _e 4kAは無視できるので， _Qr (_X，y)は式 (27)のように表せる.

透明体角度格子 30に X方向、 Y方向の変位と X, Υ, Z軸回りの回転が生じたときは、式 (27)を下記の式 (28)のようにして表現できる。

[数 24]

"J2A(«-1 ){h{x'+Ax,y'+Ay)+e_r ·χ+θ_χ -y

Gr x y) = e

一 '一

X co 0_z X

ノ sin COSH

Z Z y ■(28) 以上が反射面 74aに貼り付けた透明体角度格子 30のモデルである。

[0191] 図 44は図 41の反射型検出装置 70の光学系の構成を示す。尚、図 44において、前述した図 28の透過型検出装置と同一部分には同一符号を付す。

[0192] 光センサユニット 76は、発光部 34と受光部 36とを有する構成であるので、発光部 3

4と受光部 36とを別体に設けるものよりも装置全体を小型化することが可能になる。発光部 34のレーザ光源 (LD)34aから出た平行光 40は、微小開口が 2次元に一定周期に並んだグリッドパターンを有する分光板 38に入射する。

[0193] 分光板 38において、グリッドパターンの各微小開口 38A〜38Iで回折された光は、互いに干渉し、偏向ビームスプリッタ (PBS)78と 1/4波長板 80を透過する。そして、透明体角度格子 30上では、グリッドパターンの開口間隔と同じ間隔でピークの立つ 9本の平行光 42〜42が生成される。

1 9

[0194] さらに、透明体角度格子 30を透過して反射面 74aで反射され再び透明体角度格子 30を透過した後、偏向ビームスプリッタ 78で 90度の方向に反射され、対物レンズ 44によって受光部 36の受光面 36a上に集光される。

[0195] 前述した図 28の透過型検出装置で述べた方法と同様に、反射型検出装置 70のモデルをまとめ、受光部 36の受光面 36a上の強度分布 I(x,y)を求める。この実施形態における受光面 36aの強度分布 I(x,y)は、下記の式（29)で示される。

[0196] [数 25]

ub(x, y)- Gr(x,

1 ie— ^{+I +}ヌ

uc(x, y) = F F\ub' (x, y^- F uc (x, y) = c(x, y)- L{x,y) j z + x² + y

, (29)

次に、反射面角度格子を用いた反射型検出装置 90の構成について図 45を参照して説明する。

[0197] 図 45に示されるように、反射型検出装置 90は、第 1ステージ 14の移動方向に延在形成された反射面角度格子 (基準格子) 92と、反射面角度格子 92を垂直状態に保持する基板 94と、反射面角度格子 92に向けて複数の平行光を発光し、反射光を受光する光センサユニット 76とを備える。反射面角度格子 92は、検出面 92aの表面に光を反射する反射膜が形成されている。光センサユニット 76は、複数の平行光を発光する発光部（図示せず)と、反射面角度格子 92の検出面 92aで反射した複数の反射光を受光する受光部（図示せず)とを有する。

[0198] 反射型検出装置 90では、反射面角度格子 92の検出面 92aに対向する側に光センサユニット 76を設ける構成であるので、前述した図 28の透過型検出装置のものよりも反射面角度格子 92をリニアモータ 18に近接することが可能になり、その分リニアモータ 18の近い位置で X方向、 Y方向及び各軸回りの角度 0 x、 0 y、 0 zを検出することが可能になる。

[0199] ここで、反射型検出装置 90の状態検出の原理について説明する。

[0200] 図 46は反射面角度格子 92のモデルを示す。反射面角度格子 92の形状は、前述した図 28の透過型検出装置と同様に式 (30)に示すように 2次元に正弦波を重ね合わせたものとなっている。

[数 26] (x,y) '(30)

ここで、反射面角度格子 92の表面形状のピッチ P , Pは数 100 m以下のオーダー

、そして振幅 A , Aは数 lOOnm以下のオーダーであり、これに光を入射すると回折格子のような役割を果たす。そこで、ここではエンコーダのモデルを立てるに当たり光を波として扱い、振幅、位相を計算することで解析した。すなわち、ここで用いるのは幾何光学のモデルではなく波動光学のモデルである。

[0202] 図 46のように反射面角度格子 92の上方力も垂直に光が位置 (x,y)に入射するものとする。このとき、光は面∑力距離 2A-h(x,y)だけ進んだ後、反射面角度格子 92の検出面 82aに形成された反射膜によって反射される。また、光が面∑力入射し、再び面∑ (図 2では∑')まで進むときの光路長 Lは、式 (31)のように表される。

[0203] [数 27]

L=2\2A-}{x,y)} ■(31 )

面∑から再び面∑まで進んだとき Lだけ光路長があるので、それに波数 k(=2 π / λ , λ：光の波長)をかけた kLだけ位相が遅れることになる。よって、反射面角度格子 92 の持つ位相関数 Gr(x,y)は、以下の式 (32)のように表せる。

[数 28] Gr{x,y)=e^ikL

_=e-^y) ._e-f^ ...₍₃₂₎ 定数項 e-wkAは無視できるので， _Gr (_x,_y)は式 (33)のように表せる.

Gr{x,v)=eⁱ²^^y) ...(33)

反射面角度格子 92に X方向， Y方向の変位と X, Υ, Z軸回りの回転が生じたときは式 (33)を以下の式 (34)のようにして表現できる。

[数 29]

'(34)

以上、反射面角度格子 92のモデルについて説明した。

[0206] 次に、上記の反射面角度格子 92を用いた反射型検出装置 90について説明する。

[0207] 図 47は図 45の反射型検出装置 (反射型サーフェスエンコーダ)の光学系の構成を示す。尚、図 47において、前述した図 41の反射型検出装置と同一部分には同一符号を付す。

[0208] 図 47に示されるように、光センサユニット 76は、発光部 34と受光部 36とを有する構成であるので、発光部 34と受光部 36とを別体に設けるものよりも装置全体を小型化することが可能になる。発光部 34のレーザ光源 (LD)34aから出た平行光 40は、微小開口が 2次元に一定周期に並んだグリッドパターンを有する分光板 38に入射する。

[0209] 分光板 38において、グリッドパターンの各微小開口 38A〜38Iで回折された光は、互いに干渉し、偏向ビームスプリッタ (PBS)78と 1/4波長板 80を透過する。そして、透明体角度格子 30上では、グリッドパターンの開口間隔と同じ間隔でピークの立つ 9本の平行光 42〜42が生成される。

1 9

[0210] さらに、反射面角度格子 92の検出面 92aの反射膜で反射され、偏向ビームスプリツタ 78で 90度の方向に反射され、対物レンズ 44によって受光部 36の受光面 36a上に集光される。

[0211] 前述した図 28の透過型検出装置で述べた方法と同様に、反射型検出装置 90のモデルをまとめ、受光部 36の受光面 36aの強度分布 I(x,y)を求める。この実施形態における受光面 36aの強度分布 I(x,y)は、下記の式（35)で示される。

[0212] [数 30] a (x, y) = ua(x, y)- g{x, y),

- Gr(x, y) L(x, y)

■(35)

図 48は本発明の一実施形態による反射型検出装置に用いる光センサユニット 100 の構成を示す図である。尚、図 48において、前述した図 44の光センサユニット 76と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。 [0213] 図 48に示されるように、光センサユニット 100は、発光部 34と受光部 36とを有しており、発光部 34のレーザ光源 (LD)34aから出た平行光 40は、分光手段として機能する透明体角度格子 102の入射面 102aに入射する。

[0214] 透明体角度格子 102の入射面 102aは、前述した透明体角度格子 30の検出面 30 aと同様な形状に構成されている。すなわち、入射面 102aには、表面に所定の正弦波形状の輪郭を有する立体的な凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成されている。この入射面 102aの凹凸形状は、前述した透明体角度格子 30と同様な方法で微細な凹曲面、凸曲面を均一、且つ高精度に形成される。

[0215] 発光部 34は、透明体角度格子 102の入射面 102aに対して鉛直方向から対向するように設けられている。発光部 34から出射された平行光 40は、入射面 102a全体に照射されるため、入射面 102aの凹曲面及び凸曲面が微細なレンズとして機能することにより、凹曲面で拡散した光と凸曲面で収束した光とが重なり合った複数の光に分光される。このときの分光された光の数やピッチは、凹曲面及び凸曲面の曲率半径によって選択的に設定することが可能である。

[0216] 従って、前述した分光板 38の代わりに透明体角度格子 102を分光手段として用いることにより分光板 38よりも精密な分光が可能になる。

[0217] 透明体角度格子 102によって分光された光は、偏向ビームスプリッタ (PBS)78と 1/4 波長板 80を透過する。そして、透明体角度格子 30上では、所定間隔でピークの立つ平行光 42〜42が生成される。

[0218] さらに、透明体角度格子 30を透過して反射面 74aで反射され再び透明体角度格子 30を透過した後、偏向ビームスプリッタ 78で 90度の方向に反射され、対物レンズ

44によって受光部 36の受光面 36a上に集光される。

[0219] また、受光部 36の受光素子に多素子型 PD (図 32参照）や CCD素子を用いることによって、 XY位置のほかにピッチング、ローリング、ョーイングなどの各軸回りの回動による傾き姿勢も計測することが可能になる。

[0220] 以上、本発明の好ましい実施形態について詳述した力本発明は力かる実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形 '変更が可能である。産業上の利用可能性

[0221] 本発明は、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの 5つの自由度の状態の検出を容易に行うことができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置に適用できる。

[0222] 上記実施形態では、ステージの位置を検出する検出装置を一例として説明したが

、これに限らず、他の可動体の移動位置及び移動に伴う状態 (傾き)を検出することができるのは勿論である。

[0223] また、検出装置としては、例えば、リニアエンコーダ以外としてロータリエンコーダにも適用することも可能であり、さらには、ステージ装置以外のものとしてはハードデイスク装置やデジタル 'ビデオ ·ディスク装置にも適用することができる。

[0224] また、マウスなどのパーソナルコンピュータの入力装置やコンピュータゲーム装置の入力装置にも適用することが可能である。

[0225] さらに、物流関係の対象物情報 (例えば、荷物の位置情報)や商品の 2次元バーコードの検出装置にも応用することができるので、 ICタグと同等な高密度光タグへの応用も可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 2次元方向に周期的に変化する形状を有する基準格子と、

前記基準格子に向けて光を照射する光源と、

複数の開口部を有し、前記複数の開口部により前記光源力照射された光を複数の光に分光する分光手段と、

前記基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光する受光素子を有する検出手段とを備え、かつ、前記検出手段が、前記受光素子が受光する前記複数の反射光の変化に基づいて、前記基準格子に対する状態を検出することを特徴とする検出装置。

[2] 前記受光素子は、複数のフォトダイオードにより構成されており、

前記複数の反射光を受光する前記検出手段の面の中央に、 X軸を回転軸とする回転移動による状態の検出、及び Y軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための 4個のフォトダイオードを少なくとも有することを特徴とする請求項 1に記載の検出装置。

[3] 前記検出手段の面の四隅に、 Z軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための 2個一組とされたフォトダイオードとを少なくとも有することを特徴とする請求項 1に記載の検出装置。

[4] 前記受光素子には、電荷結合素子 (CCD)を用いることを特徴とする請求項 1に記載の検出装置。

[5] 前記基準格子は、前記基準格子の面内 2軸に対して対称となる形状に構成されて

V、ることを特徴とする請求項 1に記載の検出装置。

[6] 表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、

前記基準格子に対して移動可能に設けられ、前記基準格子の鉛直方向から前記検出面に向けて複数の平行光を発光する発光部と、

前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記基準格子を透過した前記複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と

を備えることを特徴とする検出装置。

[7] 表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、

前記基準格子の裏面に形成された反射面と、

前記発光部と一体的に移動するように設けられ、前記反射面から反射した複数の平行光を受光する複数の受光素子を有する受光部と

を備えることを特徴とする検出装置。

[8] 表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、

前記検出面に形成された反射面と、

を備えることを特徴とする検出装置。

[9] 前記発光部は、光源と、前記光源からの光を複数の平行光に分光する分光手段とを有することを特徴とする請求項 6に記載の検出装置。

[10] 前記分光手段は、所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された入射面を有することを特徴とする請求項 9に記載の検出装置。

[11] 前記受光部は、前記複数の平行光よりも多い個数の受光素子を有しており、 1つの平行光に対し少なくとも 1個の受光素子を配設することを特徴とする請求項 6に記載の検出装置。

[12] 前記受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度に応じた検出信号が入力され、各光強度分布の変化から前記基準格子に対する前記発光部の相対的な移動量を演算する演算手段を備えることを特徴とする請求項 6に記載の検出装置。

[13] 前記演算手段は、前記複数の受光素子で受光された前記複数の平行光の光強度分布の変化に基づいて前記検出面に対する前記発光部及び受光部の相対的な傾き角度を演算することを特徴とする請求項 12に記載の検出装置。

[14] 前記基準格子は、透明基板と、前記透明基板の表面に配設される第 1の基準格子と、前記第 1の基準格子と 180度の向きとなるように前記透明基板の裏面に配設される第 2の基準格子とを備えることを特徴とする請求項 6に記載の検出装置。

[15] ベースと、前記ベース上を移動するステージと、前記ステージを駆動させるモータと、前記ステージを前記ベースに対して浮上させる浮上装置と、前記ステージの状態を検出する検出装置とを備えるステージ装置であって、前記検出装置は、

2次元方向に周期的に変化する形状を有する基準格子と、

前記基準格子に向けて光を照射する光源と、

前記基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光する受光素子を有する検出手段とを備え、かつ、前記検出手段が、前記受光素子が受光する前記複数の反射光の変化に基づいて、前記基準格子に対する状態を検出することを特徴とするステージ装置。

[16] 前記モータには平面モータを用い、前記浮上装置にはエアーベアリングを用いることを特徴とする請求項 15に記載のステージ装置。

[17] ベースと、前記ベースに対して移動可能に配設されるステージと、前記ステージに駆動力を付与する駆動手段と、前記ステージの移動を検出する検出装置と、前記検出装置の検出結果に応じて前記ステージが所定速度で移動するように前記駆動手段を制御する制御手段とを備えるステージ装置であって、前記検出装置は、表面に所定の形状を有する凹曲面と凸曲面とが 2次元方向に交互に形成された検出面を有する基準格子と、

を備えることを特徴とするステージ装置。前記駆動手段は一対のリニアモータであり、前記制御手段は前記一対のリニアモータを並進駆動することを特徴とする請求項 17に記載のステージ装置。

前記検出装置を前記リニアモータの近傍に配設することを特徴とする請求項 18に記載のステージ装置。