JPH10103917A - 位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大気の屈折率変動などの外乱の影響を受ける
ことなく、高精度な位置計測を行うことのできる位置計
測装置。 【解決手段】 位置計測すべき物体に取り付けられ且つ
規則的な周期を有する基準パターンが形成されたスケー
ル（２３）と、スケールに形成された基準パターンを投
影するための投影光学系（２４）と、投影された基準パ
ターンの像の周期とわずかに異なる周期にしたがって配
置された各領域を介して基準パターンの像からの光を検
出するためのディテクタ（５）とを備えている。そし
て、ディテクタの出力に基づいて基準パターンの周期方
向に沿った物体の位置を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は位置計測装置に関
し、特に半導体製造装置のＸＹステージや３次元測定機
などに好適な高精度の位置計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の位置計測装置としてエン
コーダが使用されている。図１１は、従来の位置計測装
置として使用されているエンコーダの動作原理を説明す
る図である。また、図１２は、図１１のディテクタ１５
からの光強度信号を模式的に示す図である。

【０００３】図１１のエンコーダにおいて、光源１１か
ら射出された光ビームは、コリメートレンズ１２で平行
光束に変換された後、インデックススケール１３および
メインスケール１４を透過し、ディテクタ１５に達す
る。位置計測すべき物体に取り付けられたメインスケー
ル１４が図中矢印で示す方向に沿って移動すると、図１
２に示すように、ディテクタ１５からの光強度信号Ｉが
変化する。したがって、ディテクタ１５のカウントに基
づいて、メインスケール１４の移動量を、ひいては物体
の位置を計測することができる。また、この種の位置計
測装置として、レーザ干渉計を利用することもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来よ
り位置計測装置として使用されているエンコーダでは、
近年要求されている精度を達成するのに分解能が不足し
ている。また、従来より位置計測装置として使用されて
いるレーザ干渉計は高分解能であるが、大気の屈折率変
動のような外乱の影響を受けやすい。したがって、分解
能は高くても、外乱による誤差が大きく発生しやすく、
必要な精度を得ることができない。また、大気の屈折率
変動などの外乱を抑えるには、高価な空調設備が必要と
なり、低コストで必要な精度を得ることができない。

【０００５】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、大気の屈折率変動などの外乱の影響を受ける
ことなく、高精度な位置計測を行うことのできる位置計
測装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、位置計測すべき物体に取り付け
られ且つ規則的な周期を有する基準パターンが形成され
たスケールと、前記スケールに形成された前記基準パタ
ーンを所定面に投影するための投影光学系と、前記所定
面に投影された前記基準パターンの像の周期とわずかに
異なる周期にしたがって配置された各領域を介して前記
基準パターンの像からの光を検出するためのディテクタ
とを備え、前記ディテクタの出力に基づいて前記基準パ
ターンの周期方向に沿った前記物体の位置を計測するこ
とを特徴とする位置計測装置を提供する。

【０００７】本発明の好ましい態様によれば、前記ディ
テクタは、１次元ＣＣＤからなる。また、本発明の好ま
しい態様によれば、前記基準パターンは、第１方向およ
び第２方向に沿って二次元的に形成された位相格子パタ
ーンであり、前記位相格子パターンで発生した回折光を
前記第１方向に沿った回折光と前記第２方向に沿った回
折光とに分割するための分割手段をさらに備え、前記デ
ィテクタは、前記分割手段を介して分割された前記第１
方向に沿った回折光に基づいて形成された前記位相格子
パターンの像を検出するための第１ディテクタと、前記
分割手段を介して分割された前記第２方向に沿った回折
光に基づいて形成された前記位相格子パターンの像を検
出するための第２ディテクタとを有し、前記第１ディテ
クタの出力に基づいて前記第１方向に沿った前記物体の
位置を計測し、前記第２ディテクタの出力に基づいて前
記第２方向に沿った前記物体の位置を計測する。この場
合、前記分割手段は、前記投影光学系の瞳面の近傍に配
置された瞳分割ミラーであり、前記瞳分割ミラーは、前
記第１方向に沿った回折光だけを反射し、前記第２方向
に沿った回折光だけを透過させる特性を有することが好
ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の位置計測装置の
動作原理について説明する図であって、本発明の位置計
測装置の基本構成を示している。また、図４（ａ）は、
図３のスケール３に形成された基準パターンとその像の
光強度分布との関係を、（ｂ）は図３のディテクタ５の
ODD 出力信号Ｖo と画素pix との関係を、（ｃ）はディ
テクタ５のEVEN出力信号Ｖe と画素pix との関係をそれ
ぞれ示す図である。なお、図４（ａ）では、図示の明瞭
化のために、投影レンズ４の倍率が等倍であるときの基
準パターンとその像の光強度分布との対応関係を模式的
に示している。

【０００９】図３において、光源１から射出された光ビ
ームは、コリメートレンズ２で平行光束に変換された
後、所定の周期（ピッチ）を有する基準パターンが形成
されたスケール３を照明する。スケール３の基準パター
ンを透過した光は、投影レンズ４を介して、１次元ＣＣ
Ｄからなるディテクタ５上に基準パターン像を形成す
る。ここで、投影レンズ４の倍率は、ディテクタ５上に
投影される基準パターン像のピッチと、ディテクタ５の
ＣＣＤの画素（素子）ピッチとがわずかに異なるように
設定されている。

【００１０】１次元ＣＣＤからなるディテクタ５は、図
４に示すように、奇数番目の画素の出力総和であるODD
信号Ｖo 、および偶数番目の画素の出力総和であるEVEN
信号Ｖe を出力するように構成されている。したがっ
て、スケール３がその１周期分だけピッチ方向に移動す
ると、ディテクタ５のODD 信号Ｖo およびEVEN信号Ｖe
もそれぞれ１周期分だけ変化する。

【００１１】ここで、ディテクタ５上に投影される基準
パターン像のピッチとディテクタ５のＣＣＤの画素ピッ
チとが０．１％だけ異なるように投影レンズ４の倍率を
設定すると、スケール３がその１周期分だけピッチ方向
に移動するにつれて、ディテクタ５のODD 信号Ｖo およ
びEVEN信号Ｖe がそれぞれ１０００画素分だけ変化して
元の出力状態に戻る。したがって、ODD 信号Ｖo または
EVEN信号Ｖe の位相変化を１画素分の精度で測定するこ
とにより、スケール３の基準パターンのピッチの１／１
０００の精度でスケール３の移動量を計測することがで
きる。すなわち、１μｍピッチの基準パターンが形成さ
れたスケール３を使用することにより、１ｎｍの検出精
度で位置計測を行うことができる。

【００１２】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の第１実施例にかかる位置計測
装置の構成を概略的に示す図である。また、図２（ａ）
は、図１のスケール２３に形成された位相格子パターン
とその像の光強度分布との関係を、（ｂ）は図１のディ
テクタ５のODD 出力信号Ｖo と画素pix との関係を、
（ｃ）はディテクタ５のEVEN出力信号Ｖe と画素pix と
の関係をそれぞれ示す図である。なお、図２（ａ）で
は、図示の明瞭化のために、投影レンズ２４の倍率が等
倍であるときの位相格子パターンとその像の光強度分布
との対応関係を模式的に示している。

【００１３】図１の位置計測装置において、光源２１か
ら射出された光ビームは、レンズ２２を介して投影レン
ズ２４の瞳面上に集光する。投影レンズ２４の瞳面上に
は、ハーフミラー２６が配置されている。したがって、
ハーフミラー２６で図中下方へ反射された光ビームは、
投影レンズ２４を介して平行光束に変換された後、たと
えばステージのような位置計測すべき物体に取り付けら
れたスケール２３を照明する。スケール２３には、所定
の周期（ピッチ）を有する基準パターンとして位相差π
の位相格子パターンが形成されている。

【００１４】スケール２３の位相格子パターンで発生し
た回折光は、投影レンズ２４を介して集光され、ハーフ
ミラー２６および２７を透過し、１次元ＣＣＤからなる
ディテクタ５上に位相格子パターン像を形成する。ま
た、スケール２３の位相格子パターンで発生した回折光
は、投影レンズ２４を介して集光され、ハーフミラー２
６を透過しハーフミラー２７で反射され、開口部を有す
るスリット２９上に位相格子パターン像を形成する。ス
リット２９の開口部を通過した光は、ディテクタ２５に
よって検出される。ここで、投影レンズ２４の倍率は、
ディテクタ５上に投影される位相格子パターン像のピッ
チと、ディテクタ５のＣＣＤの画素ピッチとがわずかに
異なるように設定されている。また、スリット２９の開
口部は、スリット２９上に形成される位相格子パターン
像のピッチよりも小さく形成されている。

【００１５】１次元ＣＣＤからなるディテクタ５は、図
２に示すように、奇数番目の画素の出力総和であるODD
信号Ｖo 、および偶数番目の画素の出力総和であるEVEN
信号Ｖe を出力するように構成されている。したがっ
て、スケール２３がその１周期分だけピッチ方向に移動
すると、ディテクタ５のODD 信号Ｖo およびEVEN信号Ｖ
e もそれぞれ１周期分だけ変化する。こうして、ディテ
クタ５のODD 信号Ｖo またはEVEN信号Ｖe の位相変化を
測定することにより、スケール２３の移動量を、ひいて
は位置計測すべき物体であるステージの位置を計測する
ことができる。

【００１６】また、第１実施例では、１次元ＣＣＤから
なるディテクタ５よりも応答速度の速いディテクタ２５
によりスリット２９の開口部を通過した光を検出するこ
とによって、スケール２３が高速移動する場合にもスケ
ール２３の移動量を計測することができる。すなわち、
スケール２３の高速移動時にはディテクタ２５の出力信
号に基づいて高い応答速度でスケール２３の移動量を計
測し、スケール２３の低速移動時または停止時にはディ
テクタ５の出力信号に基づいて高精度でスケール２３の
移動量を計測することができる。たとえば、ディテクタ
５の出力信号の周期が０．５μｍでその位相変化が１４
０°でありディテクタ２５のカウントが１００である場
合、スケール２３の移動量は１００×０．５μｍ＋（１
４０／３６０）×０．５μｍ＝５０．１９４μｍとな
る。

【００１７】図５は、本発明の第２実施例にかかる位置
計測装置の構成を概略的に示す図である。また、図６
は、図５のスケール３３において二次元的に形成された
位相格子パターンを示す図である。なお、図５におい
て、スケール３３を照明するための照明系の図示が省略
されている。図６に示すように、ステージのような位置
計測すべき物体に取り付けられたスケール３３には、位
相格子パターンがｘ方向およびｙ方向に沿って二次元的
に形成されている。スケール３３の位相格子パターンで
発生した回折光は、投影レンズ４を介して集光され、そ
の瞳面の近傍に配置された瞳分割ミラー３４に入射す
る。瞳分割ミラー３４によって分割された回折光は、１
次元ＣＣＤからなる第１のディテクタ３５ａ上および同
じく１次元ＣＣＤからなる第２のディテクタ３５ｂ上に
位相格子パターン像を形成する。

【００１８】図７は、図５の瞳分割ミラー３４の反射特
性および透過特性を説明する図である。また、図８
（ａ）は第１のディテクタ３５ａ上に形成される位相格
子パターン像を、（ｂ）は第２のディテクタ３５ｂ上に
形成される位相格子パターン像をそれぞれ示す図であ
る。図７に示すように、瞳分割ミラー３４は、スケール
３３の位相格子パターンでｘ方向に発生した±１次回折
光だけを反射し、ｙ方向に発生した±１次回折光だけを
透過させる特性を有する。したがって、図８（ａ）に示
すように、ｙ方向に沿って延びた第１のディテクタ３５
ａ上には、ｙ方向の回折光による像が形成される。ま
た、図８（ｂ）に示すように、ｘ方向に沿って延びた第
２のディテクタ３５ｂ上には、ｘ方向の回折光による像
が形成される。

【００１９】ここで、投影レンズ４の倍率は、ディテク
タ５ａおよび５ｂ上に投影される位相格子パターン像の
ピッチとディテクタ５ａおよび５ｂのＣＣＤの画素ピッ
チとがわずかに異なるように設定されている。こうし
て、ディテクタ５ａのODD 信号Ｖo またはEVEN信号Ｖe
の位相変化を測定することにより、スケール３３のｙ方
向に沿った移動量を、ひいては位置計測すべき物体であ
るステージのｙ方向位置を計測することができる。ま
た、ディテクタ５ｂのODD 信号Ｖo またはEVEN信号Ｖe
の位相変化を測定することにより、スケール３３のｘ方
向に沿った移動量を、ひいては位置計測すべき物体であ
るステージのｘ方向位置を計測することができる。

【００２０】なお、第２実施例では、投影レンズ４の瞳
面の近傍に瞳分割ミラー３４を配置することにより、ス
ケール３３からの回折光をｘ方向の回折光とｙ方向の回
折光とに分割している。しかしながら、投影レンズ４を
介した回折光をハーフミラーなどで分割した後、分割さ
れた各回折光から瞳制限フィルターによりｘ方向の回折
光およびｙ方向の回折光をそれぞれ選択することもでき
る。

【００２１】図９は、本発明の第３実施例にかかる位置
計測装置の構成を概略的に示す図である。また、図１０
（ａ）は、図９のスケール４３に形成された基準パター
ンとその像の光強度分布との関係を、（ｂ）は図９のデ
ィテクタ５のODD 出力信号Ｖo と画素pix との関係を、
（ｃ）はディテクタ５のEVEN出力信号Ｖe と画素pixと
の関係をそれぞれ示す図である。なお、図１０（ａ）で
は、図示の明瞭化のために、投影レンズ４の倍率が等倍
であるときの基準パターンとその像の光強度分布との関
係を模式的に示している。

【００２２】図９において、光源１から射出された光ビ
ームは、コリメートレンズ２で平行光束に変換された
後、基準パターンが形成されたスケール４３を照明す
る。スケール４３の基準パターンを透過した光は、投影
レンズ４を介して、１次元ＣＣＤからなるディテクタ５
上に基準パターン像を形成する。ここで、投影レンズ４
の倍率は、ディテクタ５上に投影される基準パターン像
のピッチと、ディテクタ５のＣＣＤの画素ピッチとがわ
ずかに異なるように設定されている。

【００２３】図１０（ａ）に示すように、スケール４３
に形成された基準パターン４３ａには、細かい周期を有
するパターン４３ｂの情報と粗い周期を有するパターン
４３ｃの情報とが組み込まれている。したがって、ディ
テクタ５上に投影される基準パターン像の光強度分布に
は、波形のくぼみが１つ形成される。その結果、基準パ
ターン像の光強度分布における波形のくぼみに対応し
て、ディテクタ５のODD信号Ｖo およびEVEN信号Ｖe の
１周期中にも波形のくぼみが１つ形成されることにな
る。ここで、ディテクタ５のODD 信号Ｖo およびEVEN信
号Ｖe の全体的な位相情報はパターン４３ｂの情報に対
応するものであり、各信号の１周期中に形成された波形
のくぼみの位置情報はパターン４３ｃの情報に対応する
ものである。

【００２４】したがって、ディテクタ５のODD 信号Ｖo
およびEVEN信号Ｖe の１周期が１０μｍで、その位相検
出精度が０．１μｍである場合、スケール４３の移動量
を１０μｍの範囲内において０．１μｍの精度で計測す
ることが可能となる。このように、第３実施例では、広
い範囲で高精度な位置計測を行うことができるので、高
速で追従可能であるが精度の高くない位置計測装置と組
み合わせることにより、高速で且つ高精度な位置計測を
実現することが可能になる。

【００２５】

【効果】以上説明したように、本発明によれば、大気の
屈折率変動などの外乱の影響を受けることなく、高精度
な位置計測を行うことのできる位置計測装置を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる位置計測装置の構
成を概略的に示す図である。

【図２】（ａ）は、図１のスケール２３に形成された位
相格子パターンとその像の光強度分布との関係を、
（ｂ）は図１のディテクタ５のODD 出力信号Ｖo と画素
pixとの関係を、（ｃ）はディテクタ５のEVEN出力信号
Ｖe と画素pix との関係をそれぞれ示す図である。

【図３】本発明の位置計測装置の動作原理について説明
する図であって、本発明の位置計測装置の基本構成を示
している。

【図４】（ａ）は、図３のスケール３に形成された基準
パターンとその像の光強度分布との関係を、（ｂ）は図
３のディテクタ５のODD 出力信号Ｖo と画素pix との関
係を、（ｃ）はディテクタ５のEVEN出力信号Ｖe と画素
pix との関係をそれぞれ示す図である。

【図５】本発明の第２実施例にかかる位置計測装置の構
成を概略的に示す図である。

【図６】図５のスケール３３において二次元的に形成さ
れた位相格子パターンを示す図である。

【図７】図５の瞳分割ミラー３４の反射特性および透過
特性を説明する図である。

【図８】（ａ）は第１のディテクタ３５ａ上に形成され
る位相格子パターン像を、（ｂ）は第２のディテクタ３
５ｂ上に形成される位相格子パターン像をそれぞれ示す
図である。

【図９】本発明の第３実施例にかかる位置計測装置の構
成を概略的に示す図である。

【図１０】（ａ）は、図９のスケール４３に形成された
基準パターンとその像の光強度分布との関係を、（ｂ）
は図９のディテクタ５のODD 出力信号Ｖo と画素pix と
の関係を、（ｃ）はディテクタ５のEVEN出力信号Ｖe と
画素pix との関係をそれぞれ示す図である。

【図１１】従来の位置計測装置として使用されているエ
ンコーダの動作原理を説明する図である。

【図１２】図１１のディテクタ１５からの光強度信号を
模式的に示す図である。

【符号の説明】

１、２１ 光源 ２、２２ レンズ ３、２３、３３、４３ スケール ４、２４ 投影レンズ ５、３５ ディテクタ ２６、２７ ハーフミラー ３４ 瞳分割ミラー Ｖo ODD 出力信号 pix 画素 Ｖe EVEN出力信号

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 位置計測すべき物体に取り付けられ且つ
   規則的な周期を有する基準パターンが形成されたスケー
   ルと、 前記スケールに形成された前記基準パターンを所定面に
   投影するための投影光学系と、 前記所定面に投影された前記基準パターンの像の周期と
   わずかに異なる周期にしたがって配置された各領域を介
   して前記基準パターンの像からの光を検出するためのデ
   ィテクタとを備え、 前記ディテクタの出力に基づいて前記基準パターンの周
   期方向に沿った前記物体の位置を計測することを特徴と
   する位置計測装置。
2. 【請求項２】 前記ディテクタは、１次元ＣＣＤからな
   ることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
3. 【請求項３】 前記基準パターンは、第１方向および第
   ２方向に沿って二次元的に形成された位相格子パターン
   であり、 前記位相格子パターンで発生した回折光を前記第１方向
   に沿った回折光と前記第２方向に沿った回折光とに分割
   するための分割手段をさらに備え、 前記ディテクタは、前記分割手段を介して分割された前
   記第１方向に沿った回折光に基づいて形成された前記位
   相格子パターンの像を検出するための第１ディテクタ
   と、前記分割手段を介して分割された前記第２方向に沿
   った回折光に基づいて形成された前記位相格子パターン
   の像を検出するための第２ディテクタとを有し、 前記第１ディテクタの出力に基づいて前記第１方向に沿
   った前記物体の位置を計測し、前記第２ディテクタの出
   力に基づいて前記第２方向に沿った前記物体の位置を計
   測することを特徴とする請求項１または２に記載の位置
   計測装置。
4. 【請求項４】 前記分割手段は、前記投影光学系の瞳面
   の近傍に配置された瞳分割ミラーであり、 前記瞳分割ミラーは、前記第１方向に沿った回折光だけ
   を反射し、前記第２方向に沿った回折光だけを透過させ
   る特性を有することを特徴とする請求項３に記載の位置
   計測装置。