JPH07159608A - 微小変位検出用光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い光強度を有する光が得られ、しかも通常
の機械加工等を用いて簡易に製造が可能な微小変位検出
用光学素子を提供する。 【構成】 被変位検出物に取り付けてこの被変位検出物
の微小変位を検出するために使用される微小変位検出用
光学素子において、変位検出方向に対してそれぞれ所定
の角度αで屋根型に形成された一対の反射面２２ａ、２
２ｂを、この反射面２２ａ、２２ｂに照射される検出光
２４の波長よりもはるかに大きい所定の周期ｄをもって
繰り返し形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば半導体製造装
置などに用いられる光学的アライメント装置や、リニア
エンコーダに用いられる微小変位検出用光学素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の微小変位検出用光学素子
としては、たとえば図４〜図５に示すようなものがあっ
た。

【０００３】図４は、従来の微小変位検出用光学素子の
一例である反射型回折格子を示す断面図である。この図
において、基板１の表面には断面形状が矩形の溝２が繰
り返し周期（格子定数）Ｐで多数形成されている。図４
の反射型回折格子に対して基板１の表面に垂直な方向か
らコヒーレント光３を入射すると、このコヒーレント光
３に対して角度±θの方向に±ｎ次回折光４ａ、４ｂが
生じる。ここに、角度θは次式で与えられる。

【数１】θ＝arc sin（ｎλ／Ｐ） ……(１) 但し ｎ：正の整数 λ：コヒーレント光３の波長

【０００４】また、図５は、従来の微小変位検出用光学
素子の一例である反射型回折格子を示す断面図である
（特願平２−１７４５８５号参照）。この図において、
基板５の表面には断面形状が屋根形の凸部６が格子定数
Ｐで多数形成されている。凸部６を構成する斜面７ａ、
７ｂは、それぞれ凸部６の稜線６ａを挾んで対称に形成
されている。図５に示す反射型回折格子は、いわゆるブ
レーズド格子の特殊な場合である。図５の反射型回折格
子に対して基板５の表面に垂直な方向からコヒーレント
光８を入射すると、このコヒーレント光８に対して角度
±θの方向に±ｎ次回折光９ａ、９ｂが生じる。この角
度θは上述の(１)式により規定される。また、斜面７
ａ、７ｂで直接反射する反射光もこの回折格子から出射
するので、斜面７ａ、７ｂの傾斜角αが次式

【数２】 ｎλ＝２Ｐ・sinα・cos（θ−α） ……(２) を満足するように設定すれば、回折光９ａ、９ｂと同一
方向に反射光が生じる。このため、図５に示す反射型回
折格子では回折光と反射光とを併用できるので、図４に
示す回折格子に比較してはるかに大きな光量を得ること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の微小変位検出用光学素子にあっては、次に示す
ような問題があった。

【０００６】まず、図４に示す反射型回折格子では、コ
ヒーレント光３の入射により角度±θ方向に出射するの
は回折光４ａ、４ｂのみであるので、微小変位検出に使
用できる光信号強度（回折効率）が非常に弱く、変位検
出の精度低下につながるおそれがあった。例えば、もっ
とも強度が強い±１次回折光であっても、その強度は入
射コヒーレント光に対して高々１０％程度でしかない。

【０００７】図５に示す反射型回折格子では、コヒーレ
ント光８の入射により同一の角度±θ方向に回折光９
ａ、９ｂと反射光を取り出すことができるので、光信号
強度を十分に高めることができる。しかし、図５に示す
ような形状を有する微小な凸部６を規則正しくかつ高精
度で製作、加工するする必要があり、加工が困難であっ
た。

【０００８】例えば、コヒーレント光８にＨｅ−Ｎｅレ
ーザ（波長λ＝0.6328μｍ）を用い、±１次回折光９
ａ、９ｂをθ＝9.1°の方向に出射させる場合、凸部６
の周期（格子周期）は４μｍと非常に微小なものとな
る。なお、上述の議論から、同一条件であれば図４に示
す反射型回折格子の格子周期と図５に示す反射型回折格
子の格子周期は同一になる。図４に示すような反射型回
折格子であれば、通常の半導体製造技術（エッチングな
ど）を用いて微小な溝２を規則正しくかつ溝２の面精度
も高精度で製作、加工する技術は十分に確立している
が、図５に示す反射型回折格子では、斜面７ａ、７ｂを
有する凸部６を製作するためにはルーリングエンジン、
斜方エッチング等の特殊な技術を用いる必要があり、か
つ、凸部６の寸法や斜面７ａ、７ｂの面精度を高精度に
制御することは困難である。

【０００９】本発明の目的は、光学素子から高い光強度
を有する光が得られ、しかも通常の機械加工等を用いて
簡易に製造が可能な微小変位検出用光学素子を提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明する。本発明は、被変位検出物に取り付け
てこの被変位検出物の微小変位を検出するために使用さ
れる微小変位検出用光学素子に適用される。そして、上
述の目的は、変位検出方向に対してそれぞれ所定の角度
αで屋根型に形成された一対の反射面２２ａ、２２ｂ
を、この反射面２２ａ、２２ｂに照射される検出光２４
の波長よりも大きい所定の周期ｄをもって繰り返し形成
することにより達成される。

【００１１】

【作用】反射面２２ａ、２２ｂの繰り返し周期ｄは検出
光２４の波長よりもはるかに大きいので、この反射面２
２ａ、２２ｂに検出光２４を照射して得られる光２５
ａ、２５ｂは反射面２２ａ、２２ｂに直接反射して得ら
れる反射光のみとなり、回折光は出射されない。また、
検出光２４の波長よりはるかに大きい繰り返し周期ｄを
有する反射面２２ａ、２２ｂは、回折格子を製造する際
に用いられる微小加工工程を経ることなく、通常の機械
加工等により製造することができる。

【００１２】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明による微小変位検出用光学素
子の一実施例を示す断面図である。この図において、２
０は基板であり、その表面には断面形状が屋根形の凸部
２１が繰り返し周期ｄで多数形成されている。凸部２１
を構成する反射面２２ａ、２２ｂは鏡面に形成され、そ
れぞれ基板２０に垂直な中立面２３を挾んで面対称に形
成されている。反射面２２ａ、２２ｂの傾斜角αは、こ
の光学素子に入射するコヒーレント光２４の波長をλ、
ビーム径をＤ、さらにこれら波長λおよびビーム径Ｄに
対応する図４または図５のような反射型回折格子の格子
定数をＰ、この回折格子の特定次の回折光の角度を±θ
としたとき、次式により与えられる。

【数３】 ｎλ＝２Ｐ・sinα・cos（θ−α） ……(３) つまり、この条件は図５に示す反射型回折格子の斜面７
ａ、７ｂの傾斜角αに要求されるものと同じである。ま
た、凸部２１の繰り返し周期ｄは、次式の条件を満足す
るような値である。

【数４】Ｄ≧ｄ≫Ｐ ……(４） すなわち、凸部２１の繰り返し周期ｄはコヒーレント光
２４のビーム径Ｄ以下であり、回折格子の格子定数Ｐよ
り十分大きい必要がある。通常、回折格子の格子定数Ｐ
はコヒーレント光２４の波長λと略同等のオーダーであ
るから、上述の（４)式は次のようにも表現できる。

【数５】Ｄ≧ｄ≫λ ……(４)´

【００１４】以上示した(３)、(４)、(４)´の条件を満
足することにより、コヒーレント光２４の入射により角
度±θ方向に反射光２５ａ、２５ｂのみが出射し、か
つ、この反射光２５ａ、２５ｂは、同一方向に出射する
回折光と位相的に等価な空間的コヒーレンス状態にあ
る。つまり、本実施例の光学素子は、図４、図５に示し
たような従来の反射型回折格子と全く等価に使用するこ
とが可能である。なお、凸部２１の繰返し周期ｄがコヒ
ーレント光２４の波長λより１〜２桁程度以上大きけれ
ば、本実施例の光学素子からは反射光２５ａ、２５ｂの
みが出射し、回折光は出射しない。

【００１５】したがって、本実施例の光学素子によれ
ば、微小変位検出用の光として反射光２５ａ、２５ｂの
みを出射することができるので、図４に示すような従来
の反射型回折格子のように回折光４ａ、４ｂのみ出射さ
れる場合に比較して出射光の光強度を高くすることがで
き（たとえば反射光２５ａ、２５ｂでは回折光４ａ、４
ｂの数倍〜数十倍のレベルの強度が得られる）、Ｓ／Ｎ
比の高い検出信号が得られる。

【００１６】また、本実施例の光学素子における凸部２
１の繰り返し周期ｄは、コヒーレント光２４のビーム径
Ｄおよび波長λに対応する回折格子（すなわち図４また
は図５に示すような従来の反射型回折格子の繰り返し周
期）Ｐ、言い換えればコヒーレント光２４の波長λに比
較して十分に大きく設定されているので、通常の機械加
工や光学研磨方法を用いて本実施例の光学素子を製作す
ることができ、簡易に製作することができる。一例とし
て、波長λ＝0.6328μｍ、ビーム径Ｄ＝２ｍｍのコヒー
レント光２４を入射して、回折格子の±１次回折光に相
当するθ＝9.1°の方向に反射光２５ａ、２５ｂを発生
させる場合、上述のように回折格子の格子定数Ｐ＝４μ
ｍであるが、本実施例の光学素子の場合は、繰り返し周
期ｄ≦２ｍｍであればよく、通常の機械加工等により十
分製作が可能である。

【００１７】しかも、この凸部２１の繰り返し周期ｄが
コヒーレント光２４のビーム径Ｄ以下に設定されてお
り、このコヒーレント光２４により少なくとも１つの凸
部２１全体が必ず照明されるので、微小変位検出のため
にビーム径Ｄを絞った場合でも広い変位検出領域を確保
することができる。

【００１８】次に、図２を参照して、本実施例の微小変
位検出用光学素子が適用される位置検出装置を説明す
る。この位置検出装置は、光ヘテロダイン干渉回折光を
用いて基準物体Ａと移動物体Ｂとの位置合わせを行うも
のであり、特開昭６２−２６１００３号公報に開示され
たものに類似する。位置検出装置はたとえば半導体装置
製造用の縮小露光装置に適用され、基準物体Ａはたとえ
ばマスク、移動物体Ｂはたとえばウェハである。

【００１９】図２において、３０はレーザ装置であり、
このレーザ装置３０は互いに直交する２つの直線偏光を
発生し、かつ、これら直線偏光の周波数ｆ₁、ｆ₂がわず
かに異なるようなレーザ光を発生する。このようなレー
ザ装置３０としては、たとえば横ゼーマンレーザが知ら
れている。３１はレーザ装置３０から出射されるレーザ
光の光路上に配置された偏光ビームスプリッタ、３２ａ
および３３ａはそれぞれ偏光ビームスプリッタ３１によ
り分岐された第１の偏光（周波数ｆ₁）の入射角を調整
する入射角調整用ハーフミラーおよび入射角調整用ミラ
ー、３２ｂおよび３３ｂはそれぞれ偏光ビームスプリッ
タ３１により分岐された第２の偏光（周波数ｆ₂）の入
射角を調整する入射角調整用ハーフミラーおよび入射角
調整用ミラーである。３４は第２の偏光の偏光状態を90
°回転して第１の偏光と同一方向の直線偏光とするため
の１／２波長板である。

【００２０】３５ａおよび３５ｂはそれぞれ基準物体Ａ
および移動物体Ｂの上に設置された本実施例の光学素子
であり、これら光学素子３５ａ、３５ｂには、それぞれ
入射角調整用ハーフミラー３２ａ、３２ｂおよび入射角
調整用ミラー３３ａ、３３ｂから第１および第２の偏光
が入射される。これら第１および第２の偏光は、それぞ
れ上述した角度±θ方向から光学素子３５ａ、３５ｂに
入射され、かつ、この入射偏光により同一光路の反射光
が垂直方向に出射するようにその入射角、入射位置が設
定されている。つまり、図２に示す光学素子３５ａ、３
５ｂでは、図１に示す光学素子に対して入射光（コヒー
レント光２４）と出射光（反射光２５ａ、２５ｂ）とが
逆になっているが、当然のごとくいずれが入射光であっ
ても出射光であっても問題は生じない。

【００２１】３６ａおよび３６ｂはそれぞれ光学素子３
５ａ、３５ｂからの反射光を所定方向に導くミラー、３
７ａおよび３７ｂはそれぞれミラー３６ａ、３６ｂから
の反射光が入力される光検出器、３８は光検出器３７
ａ、３７ｂからの検出信号に基づいて基準物体Ａに対す
る移動物体Ｂの変位量を検出する信号処理部である。

【００２２】次に、図２の位置検出装置の動作について
説明する。レーザ装置３０から出射された、２周波数ｆ
₁、ｆ₂の直交直線偏光成分を有するレーザ光は、偏光ビ
ームスプリッタ３１により周波数ｆ₁の第１の偏光およ
び周波数ｆ₂の第２の偏光に分岐される。第１の偏光は
入射角調整用ハーフミラー３２ａおよび入射角調整用ミ
ラー３３ａにより角度＋θ方向からそれぞれ光学素子３
５ａ、３５ｂに入射し、第２の偏光は１／２波長板３４
によりその偏光方向が90°回転されて第１の偏光と同一
の偏光方向とされた後、入射角調整用ハーフミラー３２
ｂおよび入射角調整用ミラー３３ｂにより角度−θ方向
からそれぞれ光学素子３５ａ、３５ｂに入射する。

【００２３】光学素子３５ａ、３５ｂに第１および第２
の偏光が入射されると、この光学素子３５ａ、３５ｂか
らは垂直方向に反射光が出射される。この反射光はそれ
ぞれ第１の偏光の成分および第２の偏光の成分を持ち、
これら第１および第２の偏光の偏光方向は同一であるの
で可干渉である。したがって、光学素子３５ａ、３５ｂ
からの反射光は、第１および第２の偏光が干渉したもの
であり、これら第１および第２の偏光の周波数ｆ₁、ｆ₂
がわずかに異なっているので、包絡線の周波数が周波数
ｆ₁、ｆ₂の差になる正弦波形のビート信号となる。反射
波（ビート信号）はミラー３６ａ、３６ｂにより光検出
器３７ａ、３７ｂにそれぞれ導かれ、その強度が検出さ
れて信号処理部３８に入力される。

【００２４】ここで、光学素子３５ｂが光学素子３５ａ
に対して図中矢印方向に相対的にずれていた場合、これ
ら光学素子３５ａ、３５ｂから得られる２つのビート信
号の間には変位量に比例した位相差が生じる。信号処理
部３８は、光検出器３７ａ、３７ｂにより検出された２
つのビート信号の強度に基づいてこれらビート信号の間
の位相差を検出し、光学素子３５ａ、３５ｂ間の相対的
変位量、ひいては基準物体Ａと移動物体Ｂとの間の相対
的変位量を算出する。

【００２５】また、図３は、本実施例の微小変位検出用
光学素子が適用されるリニアエンコーダを示す図であ
り、光学素子はリニアエンコーダのスケールとして用い
られている。レーザ装置４０から出射したレーザ光は偏
光ビームスプリッタ４１により反射、透過２つの光線に
分岐され、ミラー４２ａ、４２ｂを介して本実施例の光
学素子４３に角度±θの方向から入射される。光学素子
（スケール）４３による反射光は垂直方向に出射し、そ
の前方にあるミラー４４によって反射され、再度光学素
子４３に垂直方向に入射する。光学素子４３による反射
光は角度±θの方向に出射して上述と逆の光路を辿り、
偏光ビームスプリッタ４１に入射され、光検出器４５に
導かれる。ここで、２つの光線は、１／４波長板４６
ａ，４６ｂをそれぞれ１往復ずつ通過しているので、偏
光ビームスプリッタ４１を最初に透過した光は反射し、
最初に反射した光は透過され、それぞれの光は重なりあ
って偏光板４７で可干渉となり、光検出器４０に導かれ
る。

【００２６】光学素子４３が図中矢印方向に変位すると
光検出器４５に入力される光線の位相が変位量に比例し
て変化するので、光検出器４５の後段に設けられた不図
示の信号処理部により位相変化を検出し、光学素子４３
の変位量を算出する。

【００２７】なお、本発明の微小変位検出用光学素子
は、その細部が上述の一実施例に限定されず、種々の変
形が可能である。一例として、上述の一実施例では反射
型の光学素子を用いていたが、透過型の光学素子であっ
ても本発明が適用可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、検出光の波長よりもはるかに大きい所定の周期を
もって一対の反射面を繰り返し形成したので、この反射
面に検出光を照射して得られる光を反射光のみとするこ
とができ、従来の回折格子のように回折光のみが出射さ
れる場合に比較して出射光の光強度を高くすることがで
き、Ｓ／Ｎ比の高い検出信号が得られる。加えて、反射
面の繰り返し周期が検出光の波長よりも大きくされてい
るので、通常の機械加工や光学研磨方法を用いて製作す
ることができ、簡易に製作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である微小変位検出用光学素
子を示す断面図である。

【図２】一実施例の微小変位検出用光学素子が適用され
る位置検出装置を示すブロック図である。

【図３】一実施例の微小変位検出用光学素子が適用され
るリニアエンコーダを示すブロック図である。

【図４】従来の反射型回折格子の一例を示す断面図であ
る。

【図５】従来の反射型回折格子の他の例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

ｄ 繰り返し周期 Ｄ ビーム径 α 傾斜角 θ 回折光の角度 ２１ 凸部 ２２ａ、２２ｂ 反射面 ２３ 中立面 ２４ コヒーレント光 ２５ａ、２５ｂ 反射光 ３５ａ、３５ｂ、４３ 光学素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被変位検出物に取り付けて、前記被変位
   検出物の微小変位を検出するために使用され、 変位検出方向に対してそれぞれ所定の角度で屋根型に形
   成された一対の反射面が、該反射面に照射される検出光
   の波長よりも大きい所定の周期をもって繰り返し形成さ
   れていることを特徴とする微小変位検出用光学素子。