(57)【要約】【課題】  装置が小型であり、かつ、構成部品の位置合わせが容易な干渉計測装置を提供する。【解決手段】  プリズム３、４、６、７は互いに固着されて一体化されている。又、ガラスや石英等からなり、全て同一物質で形成されている。よって、これらのプリズムを目的に合うように決定して加工して組み立てることにより、非偏光ハーフミラー膜５、偏光ビームスプリット膜８、及び光路の位置合わせができ、装置全体の部品の位置合わせ箇所を大幅に減少させることができる。【選択図】  図１
2006322835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
僅かに周波数が異なり、偏光方向が直交する２つの可干渉光を発生する光源部と、当該光源部から出射した光束を、前記２つの可干渉光に分離するビームスプリット部、及びこれら２つの光束を回折格子に所定角度で入射させるための反射部を有する光学素子から成る照明手段と、前記回折格子により回折された回折光を干渉させてビート信号を発生させる手段と、前記ビート信号の位相状態を検出する位相検出手段と、前記光源部から出射した光束が前記ビームスプリッタに入射する前に、その一部の光束を分離して取り出す光分離手段と、光分離手段から分離して取り出された前記２つの可干渉光を干渉させてビート信号を発生させ参照信号を形成する参照信号形成手段とを有する干渉計測装置であって、
（１）前記ビームスプリッタは、互いに固着された第１の光学部材と第２の光学部材と、これらに挟まれて固定された偏光ビームスプリット膜を有する偏光ビームスプリッタであり、
（２）前記ビームスプリッタで分離された２つの光束は、それぞれ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の表面で全反射された後、別の表面を通って前記回折格子に入射するように、前記第１の光学部材と第２の光学部材の形状と屈折率が選定されており、
（３）前記光分離手段は、互いに固着された第３の光学部材と第４の光学部材と、これらに挟まれて固定された非偏光ハーフミラーを有するハーフミラー部材であり、
（４）前記第３の光学部材と第４の光学部材の形状と屈折率は、光源部からの光束が前記第４の光学部材に入射し、前記非偏光ハーフミラーを透過して前記３の光学部材に入射した光が、前記第３の光学部材内を透過して前記第２の光学部材内に入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光が、前記第４の光学部材を透過して前記参照信号形成手段に入射するように選定されており、
（５）前記第２の光学部材と前記第３の光学部材が固着されていること
を特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
前記光源からの光束は、前記第４の光学部材の表面に垂直入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光束は前記第４の光学部材の表面から垂直出射し、前記回折格子に入射する光束は、前記第１の光学部材、第２の光学部材の表面から垂直出射するように、前記第１の光学部材、第２の光学部材、第３の光学部材、第４の光学部材の形状と屈折率が選定されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉測定装置。
【請求項３】
僅かに周波数が異なり、偏光方向が直交する２つの可干渉光を発生する光源部と、当該光源部から出射した光束を、前記２つの可干渉光に分離するビームスプリット部、及びこれら２つの光束を回折格子に所定角度で入射させるための反射部を有する光学素子から成る照明手段と、前記回折格子により回折された回折光を干渉させてビート信号を発生させる手段と、前記ビート信号の位相状態を検出する位相検出手段と、前記光源部から出射した光束が前記ビームスプリッタに入射する前に、その一部の光束を分離して取り出す光分離手段と、光分離手段から分離して取り出された前記２つの可干渉光を干渉させてビート信号を発生させ参照信号を形成する参照信号形成手段とを有する干渉計測装置であって、
（１）前記ビームスプリッタは、互いに固着された第１の光学部材と第２の光学部材と、これらに挟まれて固定された偏光ビームスプリット膜を有する偏光ビームスプリッタであり、
（２）前記ビームスプリッタで分離された２つの光束は、それぞれ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の表面を透過して屈折した後、前記回折格子に入射するように、前記第１の光学部材と第２の光学部材の形状と屈折率が選定されており、
（３）前記光分離手段は、互いに固着された第３の光学部材と第４の光学部材と、これらに挟まれて固定された非偏光ハーフミラーを有するハーフミラー部材であり、
（４）前記第３の光学部材と第４の光学部材の形状と屈折率は、光源部からの光束が前記第４の光学部材に入射し、前記非偏光ハーフミラーを透過して前記３の光学部材に入射した光が、前記第３の光学部材内を透過して前記第２の光学部材内に入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光が、前記第４の光学部材を透過して前記参照信号形成手段に入射するように選定されており、
（５）前記第２の光学部材と前記第３の光学部材が固着されていること
を特徴とする干渉測定装置。
【請求項４】
前記光源からの光束は、前記第４の光学部材の表面に垂直入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光束は前記第４の光学部材の表面から垂直出射するように、前記第３の光学部材、第４の光学部材の形状と屈折率が選定されていることを特徴とする請求項３に記載の干渉測定装置。
【請求項５】
前記第１の光学部材、第２の光学部材、第３の光学部材、第４の光学部材の屈折率が全て同じとされていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の干渉測定装置。
【請求項６】
前記第１の光学部材、第２の光学部材、第３の光学部材、第４の光学部材が、全て３角柱状のプリズムであることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の干渉測定装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の干渉測定装置を有することを特徴とするヘテロダイン干渉型リニアエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダ、及び例えば半導体製造用の露光装置の位置合わせ装置、或いは半導体パターンの重ね合わせ精度の計測等に用いられる干渉計測装置、さらには、これを使用したリニアエンコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回折格子（パターン）に光を入射して、その回折光を干渉させることにより、回折格子の位置を測定することは、一般的に行われてきた。また、測定精度を上げるためゼーマンレーザなどの僅かに異なる波長を発する光源を利用したヘテロダイン干渉法を用いた方法も良く用いられてきた。図３にその典型的な方法を示す。図３ではゼーマンレーザ３１からの光をレンズ３２でコリメートまたは集光し、偏光ビームスプリッタ３３に入射する。ゼーマンレーザ３１からは波長が僅かに異なる光が互いに直交する直線偏光状態で出てくるので、偏光ビームスプリッタ３３に入射することで波長の異なる光ごとに光路を分けることができる。次に、この分離した光を、それぞれミラー３４、３５を用いて所望の角度で反射型回折格子３６に入射するようにする。このとき、図３に示されるようにＰ偏光の＋１次回折光とＳ偏光の−１次回折光が共に検出器３７に入射し、干渉するように全体の構成を配置する。そして、検出器３７からのビート信号の位相を観察する。このとき、ビート信号の位相はＰ偏光、Ｓ偏光が干渉する際、互いの位相差によって変わるので、ビート信号の位相の変化を見てＰ偏光とＳ偏光の位相差を検出する。
【０００３】
Ｐ偏光とＳ偏光の位相差は、反射型回折格子３６の位置変化で変わる。これを詳細に説明する。まず、図４に示すように、反射型回折格子３６に光が入射して回折していく様子を考える。説明を簡略化するために、反射型回折格子３６は、図４に示されるように凸部の部分だけ光を反射するとする。そして、光は角度θ１で入射し、θ２で回折していくとする。そして隣り合う凸部に入射する光の光路長差をＬ１、回折していく光の光路長差をＬ２とする。図４から分かるように、図４（ａ）から分かるようにＬ１、Ｌ２は、
Ｌ１＝ｄ・sin（θ１）  …（１）
Ｌ２＝ｄ・sin（θ２）  …（２）
と計算される（ここでｄは回折格子の格子間隔である）。そして、光が回折して行くためには光路長差が波長の整数倍でなければならないので
Ｌ１−Ｌ１＝λ・ｎ  （ｎは整数）  …（３）
の関係が成り立たなければならない。
【０００４】
次に図４（ｂ）のように回折格子がδx動いたときを考える。凸部の位置がδx変化すると凸部に入射するまでの光路がδ１長くなることが分かる。一方、図４（ｃ）に示すように、このとき回折光の方は光路長がδ２短くなる。そのため、光が入射して回折していくまでの光路長の変化δは、（１）式、（２）式、（３）式を用いることにより、
δ＝δ１−δ２＝δx（sin（θ１）−sin（θ２））
＝δx／ｄ・λ・ｎ  …（４）
となることが分かる。
【０００５】
図３の場合、±１次回折光が干渉するので（４）式のnは２になる。従って互いの光の位相差は、４πδx／ｄとなる。このように回折格子の位置が変わると、Ｐ偏光とＳ偏光の回折光の位相差は変化するので、ビート信号の位相が変り、これを観察することで回折格子の位置の変化を測定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このような位置測定装置では装置の小型化は非常に重要である。装置の小型化の要求は単にスペースの節約の点だけからではなく、精度の点からも求められる。例えばステージに乗せたある物の位置をステージの外にある物の位置を基準として位置合わせする場合を考える。その場合、一つの方法として、ステージの位置をモニターして位置合わせすることが考えられる。この場合、本来知りたいのはステージの上に乗っている物の位置であるので、ステージの位置をモニターするにしても、この物の近くでモニターしたほうが精度が上がると考えられる。なぜならステージのたわみや、熱膨張などが測定に影響を与えるからである。そして、被測定物の近くに位置をモニターする装置を置こうとすると必然的に、測定装置の小型化が要求されることになる。
【０００７】
又、図３に示されるような測定装置には、以下のような問題点がある。すなわち、ゼーマンレーザ３１、レンズ３２、偏光ビームスプリッタ３３、ミラー３４、ミラー３５相互の位置合わせを行わなければならず、このように数の多い単独部品の相互間の位置合わせは非常に困難であることである。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、装置が小型であり、かつ、構成部品の位置合わせが容易な干渉計測装置、及びこれを使用したリニアエンコーダを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための第１の手段は、僅かに周波数が異なり、偏光方向が直交する２つの可干渉光を発生する光源部と、当該光源部から出射した光束を、前記２つの可干渉光に分離するビームスプリット部、及びこれら２つの光束を回折格子に所定角度で入射させるための反射部を有する光学素子から成る照明手段と、前記回折格子により回折された回折光を干渉させてビート信号を発生させる手段と、前記ビート信号の位相状態を検出する位相検出手段と、前記光源部から出射した光束が前記ビームスプリッタに入射する前に、その一部の光束を分離して取り出す光分離手段と、光分離手段から分離して取り出された前記２つの可干渉光を干渉させてビート信号を発生させ参照信号を形成する参照信号形成手段とを有する干渉計測装置であって、
（１）前記ビームスプリッタは、互いに固着された第１の光学部材と第２の光学部材と、これらに挟まれて固定された偏光ビームスプリット膜を有する偏光ビームスプリッタであり、
（２）前記ビームスプリッタで分離された２つの光束は、それぞれ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の表面で全反射された後、別の表面を通って前記回折格子に入射するように、前記第１の光学部材と第２の光学部材の形状と屈折率が選定されており、
（３）前記光分離手段は、互いに固着された第３の光学部材と第４の光学部材と、これらに挟まれて固定された非偏光ハーフミラーを有するハーフミラー部材であり、
（４）前記第３の光学部材と第４の光学部材の形状と屈折率は、光源部からの光束が前記第４の光学部材に入射し、前記非偏光ハーフミラーを透過して前記３の光学部材に入射した光が、前記第３の光学部材内を透過して前記第２の光学部材内に入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光が、前記第４の光学部材を透過して前記参照信号形成手段に入射するように選定されており、
（５）前記第２の光学部材と前記第３の光学部材が固着されていること
を特徴とすることを特徴とする干渉計測装置である。
【００１０】
本手段においては、第１の光学部材から第４の光学部材までが固着により一体化されて、第１の光学部材と第２の光学部材の間に偏光ビームスプリット膜、第３の光学部材と第４の光学部材の間に非偏光ハーフミラーが挟み込まれた構造となっている。よって、第１の光学部材から第４の光学部材の形状を決定して精密に加工すれば、これらを組み立てることにより、光学要素の位置合わせができ、調整する箇所が少なくて済む。又、このように一体化構成することにより、装置の小型化が可能である。
【００１１】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記光源からの光束は、前記第４の光学部材の表面に垂直入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光束は前記第４の光学部材の表面から垂直出射し、前記回折格子に入射する光束は、前記第１の光学部材、第２の光学部材の表面から垂直出射するように、前記第１の光学部材、第２の光学部材、第３の光学部材、第４の光学部材の形状と屈折率が選定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本手段においては、第１の光学部材から第４の光学部材の結合体に入射する光束、及びこれから出射する光束が、それぞれ界面に垂直入射、界面から垂直出射するようにされているので、界面での屈折が起こらず、設計が容易となる。よって、精度の高い測定装置とすることができる。
前記課題を解決するための第３の手段は、僅かに周波数が異なり、偏光方向が直交する２つの可干渉光を発生する光源部と、当該光源部から出射した光束を、前記２つの可干渉光に分離するビームスプリット部、及びこれら２つの光束を回折格子に所定角度で入射させるための反射部を有する光学素子から成る照明手段と、前記回折格子により回折された回折光を干渉させてビート信号を発生させる手段と、前記ビート信号の位相状態を検出する位相検出手段と、前記光源部から出射した光束が前記ビームスプリッタに入射する前に、その一部の光束を分離して取り出す光分離手段と、光分離手段から分離して取り出された前記２つの可干渉光を干渉させてビート信号を発生させ参照信号を形成する参照信号形成手段とを有する干渉計測装置であって、
（１）前記ビームスプリッタは、互いに固着された第１の光学部材と第２の光学部材と、これらに挟まれて固定された偏光ビームスプリット膜を有する偏光ビームスプリッタであり、
（２）前記ビームスプリッタで分離された２つの光束は、それぞれ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の表面を透過して屈折した後、前記回折格子に入射するように、前記第１の光学部材と第２の光学部材の形状と屈折率が選定されており、
（３）前記光分離手段は、互いに固着された第３の光学部材と第４の光学部材と、これらに挟まれて固定された非偏光ハーフミラーを有するハーフミラー部材であり、
（４）前記第３の光学部材と第４の光学部材の形状と屈折率は、光源部からの光束が前記第４の光学部材に入射し、前記非偏光ハーフミラーを透過して前記３の光学部材に入射した光が、前記第３の光学部材内を透過して前記第２の光学部材内に入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光が、前記第４の光学部材を透過して前記参照信号形成手段に入射するように選定されており、
（５）前記第２の光学部材と前記第３の光学部材が固着されていること
を特徴とする干渉測定装置である。
【００１３】
本手段は、前記第１の手段とは、（２）の点が異なるだけである。すなわち、前記第１の手段においては、第１の光学部材と第２の光学部材の表面で、分離された光束をそれぞれ全反射させてから別の表面から回折格子に入射させていたが、本手段においては、分離された光束をそれぞれ表面で屈折させて外部に取り出し、回折格子に入射させるようにしている。よって、本手段は、前記第１の手段と同等の作用効果を奏する。
【００１４】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記光源からの光束は、前記第４の光学部材の表面に垂直入射し、前記非偏光ハーフミラーで反射された光束は前記第４の光学部材の表面から垂直出射するように、前記第３の光学部材、第４の光学部材の形状と屈折率が選定されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本手段においては、第４の光学部材に入射する光束、第４の光学部材から出射する光束が、それぞれ界面に垂直入射、界面から垂直出射するようにされているので、界面での屈折が起こらず、設計が容易となる。よって、精度の高い測定装置とすることができる。
【００１６】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記第１の光学部材、第２の光学部材、第３の光学部材、第４の光学部材の屈折率が全て同じとされていることを特徴とするものである。
【００１７】
第１の光学部材から第４の光学部材までの屈折率を全て同じとしておけば、これらの光学部材の界面を光束が通過するときに反射や屈折がほとんど起こらないので、第１の光学部材から第４の光学部材の形状の設計が容易になると共に、迷光の発生を防ぎ、装置の精度を上げることができる。
【００１８】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記第１の光学部材、第２の光学部材、第３の光学部材、第４の光学部材が、全て３角柱状のプリズムであることを特徴とするものである。
【００１９】
本手段においては、３角柱状のプリズムの３角形の部分を光学要素として使用するが、３角形は一番辺の数が少なく、同じ大きさのプリズムを考えた場合、一辺の長さが長くなり加工がし易い。又、頂角の数も少ないので、加工精度を高くすることが可能であり、精度の高い測定装置とすることができる。
【００２０】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかの干渉測定装置を有することを特徴とするヘテロダイン干渉型リニアエンコーダである。
【００２１】
本手段は、小型で組み立てが容易なテロダイン干渉型リニアエンコーダとすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、装置が小型であり、かつ、構成部品の位置合わせが容易な干渉計測装置、及びこれを使用したリニアエンコーダを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である干渉計測装置の光学系の概要を示す図である。ゼーマンレーザ１から放出される、僅かに周波数の異なるＰ偏光とＳ偏光の光束は、レンズ２でコリメートされて平行光束となり、プリズム３の表面３ａに垂直入射する。プリズム３中を透過した光束は、プリズム３とプリズム４との間に挟んで固定された非偏光ハーフミラー膜５の作用によりその一部が反射され、他の部分が非偏光ハーフミラー膜５を透過してプリズム６に入射する。プリズム６とプリズム７の間には偏光ビームスプリット膜８が挟まれて固定されており、これによりＰ偏光は偏光ビームスプリット膜８を透過してプリズム７中に入射し、Ｓ偏光は偏光ビームスプリット膜８で反射されてプリズム６中に戻る。これらの分離されたＳ偏光とＰ偏光は、それぞれプリズム６とプリズム７の表面６ａ、７ａで全反射され、他の表面６ｂ、７ｂを垂直に透過して、回折格子９に入射する。
【００２４】
そして、回折格子９においては、Ｐ偏光の＋１次回折光と、Ｓ偏光の−１次回折光が干渉して反射回折「光となる。この反射回折光は反射鏡１０で反射され、偏光子１１を通って測定信号検出器１２で受光される。偏光子１１の角度は、Ｐ偏光、Ｓ偏光に対してそれぞれ４５°となるようにされており、これにより、偏光子１１に入射したＰ偏光、Ｓ偏光は、それぞれ、その半分の光量が偏光子１１を透過し測定信号検出器１２で受光される。測定信号検出器１２で受光された光がビート信号を発生し、そのビート信号の位相を検出することにより、回折格子９の位置を検出できることは、従来の技術と同様である。
【００２５】
一方、非偏光ハーフミラー膜５で反射された光束は、プリズム３の表面を垂直に透過して偏光子１３に入り、それを透過して参照信号検出器１４で受光される。偏光子１３の角度は、Ｐ偏光、Ｓ偏光に対してそれぞれ４５°となるようにされており、これにより、偏光子１３に入射したＰ偏光、Ｓ偏光は、それぞれ、その半分の光量が偏光子１３を透過し参照信号検出器１４で受光される。参照信号検出器１４で受光された光もビート信号を発生する。このビート信号の位相は、測定信号検出器１２で発生するビート信号の位相の基準値として使用される。
【００２６】
本手段においては、プリズム３、４、６、７は互いに固着されて一体化されている。又、ガラスや石英等からなり、全て同一物質で形成されている。よって、これらのプリズムを目的に合うように決定して加工して組み立てることにより、非偏光ハーフミラー膜５、偏光ビームスプリット膜８、及び光路の位置合わせができ、装置全体の部品の位置合わせ箇所を大幅に減少させることができる。又、図１に示すように、プリズム３、４、６、７は全て３角柱状のプリズムである。よって、形状が簡単で頂点の数も少ないので、加工が容易である。又、寸法に比して辺の長さが長くなるので加工がし易く、又、全体の小型化が容易である。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態の第２の例である干渉計測装置の光学系の概要を示す図である。図２において、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。図２に示す実施の形態は、図１におけるプリズム６、７の代わりにプリズム１５、１６を使用しているところが異なっており、それに伴って、プリズム３、４の形状や、他の要素の配置が異なっているだけである。プリズム４からプリズム１５に入射した光束は、偏光ビームスプリット膜８によりＰ偏光とＳ偏光が分離される。分離されたＳ偏光とＰ偏光は、それぞれプリズム１５の表面１５ａ、プリズム１６の表面１６ａで屈折されて外部に放出され、回折格子９に入射する。その他の作用は、図１に示した実施の形態と全く同じであるのでその説明を省略する。
【００２８】
本実施の形態の干渉計測装置は、テロダイン干渉型リニアエンコーダ用として用いることができる。これは、小型で組み立てが容易なテロダイン干渉型リニアエンコーダとすることができる。本実施発明の実施の形態であるテロダイン干渉型リニアエンコーダ中における干渉計測装置の機能は、従来のものと変わるところがないのでその説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例である干渉計測装置の光学系の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の第２の例である干渉計測装置の光学系の概要を示す図である。
【図３】粒来の、ヘテロダイン干渉法を用いた位置計測装置の光学系の概要を示す図である。
【図４】ヘテロダイン干渉法を用いた位置計測方法の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…ゼーマンレーザ、２…レンズ、３…プリズム、４…プリズム、５…非偏光ハーフミラー膜、６…プリズム、７…プリズム、８…偏光ビームスプリット膜、９…回折格子、１０…反射鏡、１１…偏光子、１２…測定信号検出器、１３…偏光子、１４…参照信号検出器、１５…プリズム、１６…プリズム
【図１】
2006322835.tif 000003
【図２】
2006322835.tif 000004
【図３】
2006322835.tif 000005
【図４】
2006322835.tif 000006