JPH03235006A - 移動体の直進性測定方法及び装置 - 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〕 この発明は、ＸＹ移動テーブル等の移動体の直進性を正
確に測定することができる移動体の直進性測定方法及び
装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に移動体の移動距離を正確に測定するには、三波長
干渉計を使用した測長方法が種々提案されている（例え
ば特開昭５３−５５０５８号公報参照）。しかしながら
、これらの測長方法は、移動体の移動距離を測定するも
のであり、移動体の蛇行による直進性能を測定すること
はできない。

そこで、移動体の直進性を測定するために、従来、第１
０図に示す構成のものが提案されている。

すなわち、レーザ発振器１からのレーザ光をハーフミラ
−２を介してウォラストンプリズム３に入射させ、この
ウォラストンプリズム３で入射されたレーザ光をその常
光線成分Ｐと異常光線成分Ｓとに分離し、これらを水平
軸Ｘに対してＹ方向に対称的に出射し、これら常光線成
分Ｐ及び異常光線成分Ｓを移動体４に固定した全反射ミ
ラー５に照射し、この全反射ミラー５で反射した反射光
を同一経路を通ってウォラストンプリズム３に入射させ
て互いに干渉させ、その干渉光をハーフミラ−２から干
渉計６に入射させ、この干渉計６で移動体４の移動方向
と直交する方向の変位ΔＹを演算するように構成されて
いる。ここで、全反射ミラー５は、ウォラストンプリズ
ム３から入射される常光線成分Ｐ及び異常光線成分Ｓを
入射経路と同一経路を通って反射するように、常光線成
分Ｐ及び異常光線成分Ｓに対して直角な反射面５ａ及び
５ｂが対称的に形成されている。

而して、第１０図の実線図示の状態即ちウォラストンプ
リズム３から出射される常光線成分Ｐ及び異常光線成分
Ｓが水平軸Ｘに対して対称的な位置に照射されている状
態では、ウォラストンプリズム３から出射された常光線
Ｐ及び異常光線Ｓが全反射ミラー５に達するまでの光路
に差がないが、移動体３がＹ方向に変位して全反射ミラ
ー５が破線図示のように変位量ΔＹだけ変位すると、全
反射ミラー５の反射面５ａ及び５ｂにおける常光線成分
Ｐ及び異常光線成分Ｓの反射位置が非対称となり、常光
線Ｐ及び異常光線Ｓに変位量ΔＹに応じた光路差Δ！が
生じ、この光路差に起因する反射光の干渉を干渉計６で
検出することにより、変位量ΔＹを測定することができ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の移動体の直進性測定装置にあ
っては、移動体の蛇行による常光線成分及び異常光線成
分の光路差による干渉を利用して直進性を測定するよう
にしているので、ウォラストンプリズム３と全反射ミラ
ー５との間の空気中を常光線成分及び異常光線成分が伝
播するときに光路差があるので、空気のゆらぎ即ち空気
の密度変化によって各光線に対する屈折率の変化によっ
て、測定値が大きく変化することから、測定環境を厳密
に調整する必要があると共に、干渉計に十分な干渉光の
入力を補償するためには、各部品目体の精度を高精度に
する必要があることはもとより、各部品の設置位置調整
も厳密さが要求されるという未解決の課題があった。

そこで、この発明は、上記従来例の未解決の課題に着目
してなされたものであり、測定環境の空気のゆらぎの影
響を受けることなく、且つ簡易な位置決めで高精度に直
進性を測定することができる移動体の直進性測定方法及
び装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、請求項（１）に係る移動体
の直進性測定方法は、固定部に対して一定方向に移動す
る移動体の直進性を測定する移動体の直進性測定方法に
おいて、前記固定部に前記移動体の移動方向にコヒール
ント光を出射する光源を配設すると共に、前記移動体に
入射光軸方向に一致する結晶軸を有する一軸結晶材料で
構成され且つ入射光を少なくとも一回当該結晶軸と直交
する方向に進行させて前記光源側に出射する反射セルを
配置し、前記光源から出射されるコヒーレント光を偏光
手段で予め定めた角度に偏光して前記反射セルに入射し
、該反射セルからの反射光に波長位相差手段によって前
記偏光手段によって出射される偏光角度に対応した等し
い位相差を与え、該波長位相差手段から出射される光の
偏光角を偏光角検出手段で検出し、該偏光角検出手段で
検出した偏光角に基づいて変位演算手段で前記移動体の
移動方向に対して直交する方向の変位を演算するように
したことを特徴としている。

また、請求項（２）に係る移動体の直進性測定装置は、
固定部に配設されて移動体の移動方向にコヒーレントを
出射する光源と、前記移動体に載置されて入射光軸方向
に一致する結晶軸を有する一軸結晶材料で構成され且つ
入射光を少なくとも一回当該結晶軸と直交する方向に進
行させて前記光源側に出射する反射セルと、該反射セル
及び光源との間に介装された光源からの入射光を予め定
めた角度の偏光として出射する偏光手段と、前記反射セ
ルから出射された反射光に対して前記偏光手段によって
出射される偏光角度に対応した等しい位相差を与える波
長位相差手段と、該波長位相差手段から出射される光の
偏光角を検出する偏光角検出手段と、該偏光角検出手段
で検出した偏光角に基づいて前記移動体の移動方向に対
して直交する方向の変位を演算する変位演算手段とを備
えたことを特徴としている。

ここで、測定対象となる移動体としては、例えば半導体
露光装置のＸＹ移動テーブル、その他の精密移動テーブ
ル等が挙げられる。

〔作用〕

請求項（１）及び（２）に係る移動体の直進性測定装置
においては、光源からのコヒーレント光を偏光手段で所
定角度の直線偏光とし、この直線偏光を移動体に設けた
反射セルに入射させ、この反射セル内で少なくとも一回
結晶軸と直交する方向に進行させてから光源方向に反射
させる。このようにすることにより、反射セルに入射さ
れた直線偏光の常光線成分及び異常光線成分が、反射セ
ルの結晶軸と直交する方向に進行する際に、両者に対す
る屈折率に差が生じるため、常光線成分及び異常光線成
分に位相差を生じて楕円偏光となり、これを波長位相差
手段で、楕円偏光に外接する矩形の対角ベクトルの直線
偏光に変換し、この直線偏光の角度を偏光角検出手段で
検出する。検出された偏光角度は、移動体の移動方向と
直交する方向への変位に応じて反射セルの結晶軸と直交
する方向の光路が変位の２倍分変化し、この光路変化に
応じて反射セルから出力される楕円偏光の楕円度が変化
し、これに応じて波長位相差手段から出力される直線偏
光の角度が変化する。したがって、偏光角検出手段の検
出角度に基づいて変位演算手段で、反射セルの結晶軸方
向と直交する方向における常光線成分及び異常光線成分
の屈折率比と、光源から出射されるコヒーレント光の波
長とに基づいて移動体の移動方向と直交する方向の変位
量Δｌを演算する。このように、反射セル内の結晶軸と
直交する方向における常光線成分及び異常光線成分の屈
折率差及び光路差を利用して移動体の直進性を測定する
ことから、測定雰囲気における空気のゆらぎの影響を受
けることな（直進性を正確に測定することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成図である。

図中、１１は光源としてのＨｅ−Ｎｅレーザ発振器であ
って、λ＝６３２８人の波長のコヒーレントなレーザ光
を移動体１２の移動方向（Ｘ方向）に出射する。

レーザ発振器１１と移動体１２との間の固定部には、例
えばレーザ光を水平軸に対して４５度の傾きをもつ直線
偏光に偏光させる偏光板１３が配設されている。

移動体１２は、２本の平行な案内レール１２ａ。

１２ｂとこれらに夫々２つづつ係合するスライダ１２ｃ
〜１２ｆとで構成されるリニアガイドによって案内され
る移動テーブル１２ｇで構成され、この移動テーブル１
２ｇに偏光板１３から出射される直線偏光が入射される
反射セル１４が固定配置されている。この反射セル１４
は、移動体１２の移動方向に結晶軸が一致する一軸結晶
構造を有する平面からみて直角三角形の方解石プリズム
１４ａの２つの斜辺に例えば銀メツキを施して反射面１
４ｂ及び１４ｃを形成した構成を有し、底辺が入射され
る直線偏光に対して直交する方向に延長され、入射され
た直線偏光は結晶軸方向に進み、次いで反射面１４ｂで
９０度反射されて結晶軸と直交する方向に進み、次いで
反射面１４ｃで再度９０度反射されて結晶軸方向に進ん
で底辺から出射される。このように、反射セル１４が方
解石のような一軸結晶材料で構成されているので、その
結晶軸方向に進む光については振動面が９０度異なる常
光線成分Ｐ及び異常光線成分Ｓに対する屈折率は等しい
が、結晶軸と直交する方向に進む光の常光線成分Ｐ及び
異常光線成分Ｓについては屈折率ｎＰ及びｎＳが異なり
、方解石の場合には、これら屈折率がｎ　Ｐ　＝　１．
４８　、　　ｎ　ｓ　＝　１．６５となる。このため、
反射面１３ｂ及び１３ｃ間で結晶軸と直交する方向に進
む光は、その常光線成分Ｐと異常光線成分Ｓとの間に位
相差を生じ、偏光板１４で水平方向に対して４５度に偏
光された直線偏光が入射されたときに、結晶軸と直交す
る方向の距離ｌに応じた楕円偏光となって出射される。

反射セル１４から出射される楕円偏光は、１／４波長位
相差板１５に入射され、この位相差板１５で楕円偏光に
外接する矩形の対角線となる直線偏光に変換されて出射
される。

そして、この位相差板１５から出射される直線偏光は、
検光子１６に入射される。この検光子１６は、固定部に
固定された外筒１６ａ内に回転自在に配設された内筒１
６ｂに支持されてその光軸を中心として回転可能に配設
され、内筒１６ｂが駆動モータ１６ｃによってタイミン
グベルト１６ｄを介して回転駆動され、その回転角がエ
ンコーダ１６ｅによって検出される。

検光子１６の背面側には、光電子増倍管１７が配設され
、この光電子増倍管１７によって検光子１６の通過光に
応した光電変換出力が得られる。

そして、エンコーダ１６ｅの回転角検出信号及び光電子
増倍管エフの光電変換出力が演算装置１８に入力される
。この演算装置１８は例えばマイクロコンピュータで構
成され、入力される光電子増倍管１７の光電変換出力が
極大値を止るときの回転角検出値θ、を記憶し、この回
転角検出値θＰと予め設定した基準回転角θ、との差を
算出して回転角偏差Δθを算出し、この回転角偏差Δθ
をもとに下記（１）式の演算を行って移動体１２の移動
方向と直交する方向の変位量Δ！を算出する。

ここで、λはレーザ発振器１１から出射されるコヒーレ
ント光の波長（６３２８人）、ｎ、は反射セル１４の結
晶軸と直交する方向における常光線成分Ｐの屈折率（１
，４８）、ｎｓは反射セル１４の結晶軸と直交する方向
における異常光線成分Ｓの屈折率（１，６５）である。

ここで、検光子１６、駆動モータ１６ｃ、エンコーダ１
６ｅ、光電子増倍管１７及び演算装置１８きの一部で偏
光角検出手段が構成されている。

次に、上記実施例の動作を説明する。先ず、移動体１２
を所望位置に停止させておき、この状態でレーザ発振器
１１からコヒーレント光を出射させる。このコヒーレン
ト光は、第２図に示すように、同一位相で振動方向が９
０度異なる常光線成分Ｐと異常光線成分Ｓとで構成され
、このコヒーレント光は偏光板１３によって偏光されて
第３図に示すように主振動面が水平面に対して４５度傾
斜した直線偏光となり、この直線偏光が反射セル１４に
入射される。この反射セル１４内に入射した直線偏光は
、先ず反射セルの結晶軸方向に進み、この結晶軸方向で
は直線偏光の常光線成分Ｐ及び異常光線成分Ｓに対する
屈折率がともに等しいので直線偏光状態を維持し、次い
で反射面１４ｂによって反射されて結晶軸と直交する方
向に進む、このとき常光線成分Ｐと異常光線成分Ｓとで
はそれらに対する屈折率ｎｐ　　（＝１．６５）及びｎ
。

（＝１．４８）が異なることにより、常光線成分Ｐ及び
異常光線成分Ｓに第５図に示すように位相差を生じ、こ
のため第４図に示すように、直線偏光が楕円偏光となり
、この楕円偏光が反射面１４ｃで反射されて反射セル１
４から出射し、１／４波長位相差板１５に入射される。

この１／４波長位相差板１５では、水平面に対して４５
度傾いた座標系で角度を観察することになるので、第６
図に示すように、第４図の楕円偏光に外接する矩形の対
角線を主振動面とする直線偏光となり、この直線偏光が
検光子１６に入射される。この検光子１６は駆動モータ
１６ｃによって回転駆動されるので、第７図に示すよう
に、検光子１６の振動面と１／４波長位相差板１５から
出射される直線偏光の振動面とが一致したときに、最大
通過光量が得られ、両振動面が直角となったときに通過
光量が零となる正弦波状の通過光量が得られ、この通過
光量が光電子増倍管１７に入射される。このため、光電
子増倍管１７から通過光量に応じた光電変換出力が得ら
れ、これが演算装置１８に入力される。この演算装置２
０には、検光子１６０回転角を検出するエンコーダ１６
ｅの回転角検出値が入力されているので、最大通過光量
時の検光子工６の回転角検出値を基準偏光角θ、として
記憶する。

その後、移動体重２を僅かに移動させて、そのときの反
射セル１４から出射される楕円偏光を１／４波長位相差
板１５で直線偏光に変換し、この直線偏光の偏光角θを
求め、この偏光角θと基準偏光角θ３との差値を偏光角
変化量Δθとし、このΔθを元に前記（１）式の演算を
行って移動体１２のＹ方向の変位量即ち蛇行量Δｌを算
出する。

このとき、移動体１２がＹ方向に変位して、反射セル１
４が第８図の実線図示の状態から破線図示のようにＹ方
向に変位置Δｌだけ変位すると、反射セル１４内の反射
面１４ｂ及び１４ｃ間の光路長！は２Δｌだけ長くなる
ことになり、反射セル１４から出射されるレーザ光は、 で表される位相角Δθだけ変化する。この位相角Δθの
変化は、楕円偏光の長軸と短軸の比を変化させ、この結
果検光子１６で検出される偏光角も変化し、この偏光角
の変化を読み取ることにより、Ｙ方向の変位量Δθを算
出することができる。

このようにして、移動体１２を順次所定量移動させる毎
に、偏光角θを計測して、位相角Δθを算出し、このΔ
θに基づいて（１）式の演算を行ってＹ方向の変位量即
ち蛇行量Δ！を算出−することにより、移動体１２の直
進性をサブミクロンオーダで正確に測定することができ
る。

この直進性の測定に当たって、レーザ光の常光線成分Ｐ
及び異常光線成分Ｓの光路差が反射セル１４内でのみ発
生し、しかも光速Ｖ、のレーザ光がレーザ発振器１１か
ら出射され、これが空気中を伝播して反射セル１４に入
射したとき、空気中での光速をＶＺ、反射セル１４内の
光速をｖ３とし、レーザ発振器ｌｌ内の屈折率をｎｌ、
空気の屈折率をｎｚ、反射セル１４の屈折率をｎ３とす
ると、光速ｖ３は、 ｎ３　　　　　　　　　　ｎｚ　　　　ｎ３　　　　　
　　　ｎ３で表すことができ、反射セル１４内の光速ｖ
：Ｉは、途中の空気の屈折率ｎ２の変化即ちゆらぎの影
響を全（受けないことになり、測定環境を整備すること
なく正確な直進性の測定を行うことができる。

次に、この発明の第２実施例を第９図について説明する
。

この第２実施例は、半導体露光装置のＸＹ移動テーブル
にこの発明を適用した場合の実施例を示すもので、基台
２１上にＹ方向に移動自在にＹ方向移動テーブル２２Ｙ
がリニアガイド２３Ｙによって案内されて摺動自在に配
設され、このＹ方向移動テーブル２２Ｙ上にＸ方向移動
テーブル２２Ｘがリニアガイド２３Ｘによって案内され
て摺動自在に配設され、このＸ方向移動テーブル２２Ｘ
上に被露光部材２４を位置決めして載置すると共に、こ
の被露光部材２４に対向して、基台２１に固設された門
型コラム２５に縮小投影装置２６が固定された構成を有
し、基台２１上にＹ方向直進性測定ユニッｌ−２６Ｙが
配設されていると共に、Ｙ方向移動テーブル２２Ｙ上に
Ｘ方向直進性測定ユニット２６Ｘが配設されている。

ここで、Ｙ方向及びＸ方向直進性測定ユニット２６Ｙ及
び２６Ｘの夫々は、前述した第１図のレーザ発振器１１
、偏光板１３．１／４波長位相差板１５、検光子１６、
駆動モータ１６ｃ、エンコーダ１６ｅ、光電子増倍管１
７及び演算装置１８がユニット化されて内蔵されている
。

この第２実施例によると、Ｙ方向直進性測定ユニット２
６ＹによってＹ方向移動テーブル２２ＹのＸ方向の変位
量を測定し、同様にＸ方向直進性測定ユニット２６Ｘに
よってＸ方向移動テーブル２２ＸのＹ方向の変位量を測
定し、これらＹ方向直進性測定ユニット２６Ｙ及びＸ方
向直進性測定ユニッ）２６Ｘの測定結果に基づいてＸ方
向移動テーブル２２Ｘ及びＹ方向移動テーブル２２Ｙを
微動させることにより、移動テーブル２２Ｙ及び２２Ｘ
の蛇行による誤差を補正することが可能となり、各移動
テーブル２２Ｙ及び２２Ｘによる被露光部材２４の良好
な位置決め精度を確保することができる。

なお、上記各実施例においては、反射セルＩ４で、レー
ザ発振器１１から偏光板１３を介して入射されるレーザ
光をその内部で９０度づつ２回反射させて出射させる場
合について説明したが、これに限定されるものではなく
、９０度つづ４同辺上反射させるようにしてもよく、さ
らには反射セル１４から出射される楕円偏光を反射ミラ
ーを使用して入射光とは逆方向に出射するようにしても
よい。

また、上記各実施例においては、光電変換素子として光
電子増倍管１７を適用した場合について説明したがこれ
に限らず、フォトダイオード等の光電変換素子を適用す
ることができる。

さらに、上記各実施例においては、レーザ光の主振動面
を４５度偏光させる偏光板１３を適用した場合について
説明したが、これに限らず９０度偏光させる偏光板を使
用し、これに応じて波長位相差板１５を１／２波長位相
差板を適用するようにしてもよい。

またさらに、上記各実施例においては、演算装置Ｉ８で
算出された位相角Δθに基づいて前記（１）の演算を行
って変位置Δ！を算出する場合について説明したが、こ
れに限定されるものではなく、予め実験によって位相角
Δθと変位量Δ！との関係を正確に求めておき、これを
記憶テーブルに記憶してこの記憶テーブルを参照してΔ
θから変位置Δｌを算出するようにしてもよい。

（発明の効果〕 以上説明したように、請求項（１）及び（２）に係る移
動体の直進性測定方法及び装置によれば、光源から出射
されるコヒーレント光を偏光手段で直線偏光に偏光し、
この直線偏光を移動体に配設した１軸結晶材料で形成さ
れた反射セルに入射し、この反射セルで少なくと１回結
晶軸方向と直交する方向に進行させて常光線成分及び異
常光線成分に対する屈折率差と光路長の変化とによって
画成分間に位相差を生じさせて楕円偏光とし、この楕円
偏光を波長位相差手段によって直線偏光に変換し、この
直線偏光の位相角を位相角検出手段で検出し、この位相
角検出手段で検出した位相角に基づいて演算手段で移動
体の移動方向と直交する方向の変位置を演算するように
したので、反射セル内でのみ入射光の常光線成分と異常
光線成分との間に位相差を生じさせることにより、光源
及び位相角検出手段と反射セルとの間の空気にゆらぎが
あってもその影響を受けることなく、正確に移動体の直
進性を測定することができ、しかもその測定の際に厳密
な位置決め等を必要としないので、設置作業を簡易に行
うことができる等の効果が得られる。

また、請求項（３）に係る移動体の直進性測定装置によ
れば、測定対象となる移動体がＸＹ移動テーブルである
ので、一方の移動テーブルの移動方向と直交する方向の
変位量を他方の移動テーブルを微動させることにより補
正することができ、高精度の位置決め精度を確保するこ
とができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成図、第２図
はレーザ発振器から出射されるコヒーレント光を示す説
明図、第３図は偏光板から出射される直線偏光を示す説
明図、第４図は反射セルで位相差を生じた常光線成分及
び異常光線成分の関係を示す説明図、第５図は反射セル
から出射される楕円偏光を示す説明図、第６図は楕円偏
光と１／４波長位相差板から出射される直線偏光との関
係を示す説明図、第７図は検光子の回転による光電子増
倍管の光電変換出力を示す波形図、第８図は反射セルの
反射状態を示す説明図、第９図はこの発明の第２実施例
を示す斜視図、第１０図は従来例を示す概略構成図であ
る。 図中、１１はレーザ発振器（光源）、１２は移動体、１
３は偏光板（偏光手段）、１４は反射セル、１５は１／
４波長位相差板（波長位相差手段）、１６は検光子、１
７は駆動モーフ、１８はエンコーダ、１９は光電子増倍
管、２０は演算装置、２２ＹはＹ方向移動テーブル、２
２Ｘはχ方向移動テーブル、２６ＹはＹ方向直進性測定
ユニット、２６ＸはＸ方向直進性測定ユニットである。 第２図 第３図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定部に対して一定方向に移動する移動体の直進
   性を測定する移動体の直進性測定方法において、前記固
   定部に前記移動体の移動方向にコヒーレント光を出射す
   る光源を配設すると共に、前記移動体に入射光軸方向に
   一致する結晶軸を有する一軸結晶材料で構成され且つ入
   射光を少なくとも一回当該結晶軸と直交する方向に進行
   させて前記光源側に出射する反射セルを配置し、前記光
   源から出射されるコヒーレント光を偏光手段で予め定め
   た角度に偏光して前記反射セルに入射し、該反射セルか
   らの反射光に波長位相差手段によって前記偏光手段によ
   って出射される偏光角度に対応した等しい位相差を与え
   、該波長位相差手段から出射される光の偏光角を偏光角
   検出手段で検出し、該偏光角検出手段で検出した偏光角
   に基づいて変位演算手段で前記移動体の移動方向に対し
   て直交する方向の変位を演算するようにしたことを特徴
   とする移動体の直進性測定方法。
2. （２）固定部に対して一定方向に移動する移動体の直進
   性を測定する移動体の直進性測定装置において、前記固
   定部に配設されて移動体の移動方向にコヒーレントを出
   射する光源と、前記移動体に載置されて入射光軸方向に
   一致する結晶軸を有する一軸結晶材料で構成され且つ入
   射光を少なくとも一回当該結晶軸と直交する方向に進行
   させて前記光源側に出射する反射セルと、該反射セル及
   び光源との間に介装された光源からの入射光を予め定め
   た角度の偏光として出射する偏光手段と、前記反射セル
   から出射された反射光に対して前記偏光手段によって出
   射される偏光角度に対応した等しい位相差を与える波長
   位相差手段と、該波長位相差手段から出射される光の偏
   光角を検出する偏光角検出手段と、該偏光角検出手段で
   検出した偏光角に基づいて前記移動体の移動方向に対し
   て直交する方向の変位を演算する変位演算手段とを備え
   たことを特徴とする移動体の直進性測定装置。
3. （３）前記移動体がＸＹ移動テーブルである請求項（２
   ）記載の移動体の直進性測定装置。