(57)【要約】本発明は、第一の回折パターン（３Ａ）および該第一の回折パターンに対して所定の配向をもつ第二の回折パターン（３Ｂ）を有する物体（２）の動きを検出するシステム（１）に関する。本システムは、前記第一の回折パターンに少なくとも第一の入射ビームを与えて、前記第一の回折パターンから第一の回折ビームが得られるようにし、前記第二の回折パターンに、前記第一の入射ビームに対して所定の配向をもつ少なくとも第二の入射ビームを与えて、前記第二の回折パターンから第二の回折ビームが得られるようにするよう適応された光学手段を有する。本システムは、前記第一の回折ビームおよび前記第二の回折ビームのうちの少なくとも一つの間の位相差に基づいて前記物体の動きを検出する手段を有する。したがって、物体（２）の動きを検出するためのより大きな面内回転範囲が得られる。本発明はまた、二次元の回折パターン（３Ａ、３Ｂ）を設けられたウェーハ（２）および物体の動きを検出するための方法にも関する。
2008520997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の回折パターンおよび該第一の回折パターンに対して所定の配向をもつ第二の回折パターンを有する物体の動きを検出するシステムであって：
・前記第一の回折パターンに少なくとも第一の入射ビームを与えて、前記第一の回折パターンから第一の回折ビームが得られるようにし、前記第二の回折パターンに、前記第一の入射ビームに対して所定の配向をもつ少なくとも第二の入射ビームを与えて、前記第二の回折パターンから第二の回折ビームが得られるようにするよう適応された光学手段と、
・前記第一の回折ビームおよび前記第二の回折ビームのうちの少なくとも一つに基づいて前記物体の動きを検出する手段、
とを有するシステム。
【請求項２】
前記第一の回折パターンおよび前記第二の回折パターンの少なくとも一つが二次元回折パターンである、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第一の回折パターンが前記第二の回折格子の上に重ねて設けられる、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記第一の回折パターンが第一の面を決定し、前記第二の回折パターンが第二の面を決定し、前記第一の面と前記第二の面が互いに対してある角度をなす、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記第一の回折パターンおよび前記第二の回折パターンが直交状の回折パターンおよび環状の回折パターンである、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記第一の回折パターンおよび前記第二の回折パターンが、互いに対して相対的に回転している直交状の回折パターンである、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記第一の回折パターンおよび前記第二の回折パターンの少なくとも一方が、前記物体についての絶対的な位置情報を与えるよう適応されたさまざまな幅をもった複数の線を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記物体がさらに、前記物体の絶対的な位置の視覚的な検査のために適応された印を有している、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記光学手段が第一の光学測定系および第二の光学測定系を有しており、前記第一の光学測定系および／または前記第一の回折格子は前記第一の入射ビームによる前記第一の回折パターンの選択を許容するよう適応されており、前記第二の光学測定系および／または前記第二の回折格子は前記第二の入射ビームによる前記第二の回折パターンの選択を許容するよう適応されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記第一の光学測定系および前記第二の光学測定系の互いに対する配置が、前記物体のある特定の範囲内の動きが前記第一の回折ビームまたは前記第二の回折ビームのいずれかに基づいて検出されるようにされる、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記物体の動きを検出する前記手段が、前記第一の入射ビームと前記第一の回折ビームの間または前記第二の入射ビームと前記第二の回折ビームの間の少なくとも一方の位相差を測定するよう適応されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記光学手段が：
前記第一および／または第二の回折パターンに第一、第二および第三の入射光ビームを第一、第二および第三の方向から与えて、第一、第二および第三の回折ビームが得られるようにする手段と；
前記物体の動きを検出するために、前記第一の入射ビームと前記第一の回折ビームの対、前記第二の入射ビームと前記第二の回折ビームの対および前記第三の入射ビームと前記第三の回折ビームの対のうちの少なくとも一つの対の間の位相差を測定する手段、
とを有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
当該システムが、前記物体の回転を検出するために前記回折光ビームのさらなる次数を受けるよう構成された位置敏感検出器を有する、請求項１１記載のシステム。
【請求項１４】
半導体ウェーハであって、該ウェーハの動きを検出するために適応された、第一の二次元回折パターンおよび該第一の回折パターンの上に重ねて配置された第二の二次元回折パターンを有するウェーハ。
【請求項１５】
前記第一の回折パターンおよび前記第二の回折パターンが、直交状の回折パターンおよび環状の回折パターンである、請求項１４記載のウェーハ。
【請求項１６】
前記第一の回折パターンおよび前記第二の回折パターンが、互いに対して相対的に回転している直交状の回折パターンである、請求項１４記載のウェーハ。
【請求項１７】
第一の回折パターンおよび該第一の回折パターンに対して所定の配向をもつ第二の回折パターンを有する物体の動きを検出する方法であって：
・前記第一の回折パターンに第一の入射ビームを与えて、第一の回折ビームが得られるようにする段階と、
・前記第二の回折パターンに第二の入射ビームを与えて、第二の回折ビームが得られるようにする段階と、
・前記第一の回折ビームおよび前記第二の回折ビームのうちの少なくとも一つに基づいて前記物体の動きを検出する段階、
とを有する方法。
【請求項１８】
前記第一の入射ビームを前記第一の回折パターンを選択するよう与える段階と、前記第二の入射ビームを前記第二の回折パターンを選択するよう与える段階とをさらに有する、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記物体の動きの検出が、前記第一の入射ビームと前記第一の回折ビームの間または前記第二の入射ビームと前記第二の回折ビームの間の少なくとも一方の位相差を測定することによって行われる、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記第一および／または第二の回折パターンに第一、第二および第三の入射光ビームを第一、第二および第三の方向から与えて、第一、第二および第三の回折ビームが得られるようにする段階と；
前記第一の入射ビームと前記第一の回折ビームの対、前記第二の入射ビームと前記第二の回折ビームの対および前記第三の入射ビームと前記第三の回折ビームの対のうちの少なくとも一つの対の間の位相差を測定する段階、
とを有する、請求項１７記載の方法。
【請求項２１】
当該方法が、位置敏感検出器において前記回折光ビームのさらなる次数を受けることによって前記物体の回転を検出する段階をさらに有する、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の動きを検出するシステムおよび方法に関する。本発明はさらに、半導体ウェーハであってそのようなウェーハの動きを検出するよう適応されたウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
動く物体の位置または位置変動の精密な測定はさまざまな技術的応用において必要とされる。例として、半導体産業において応用されているリソグラフィー投影ツールおよびウェーハ検査ツールは、半導体ウェーハの位置変動の正確な情報を必要とする。もう一つの使用分野はプリント回路基板（PCB）産業に関わる。ここでは、PCB上にコンポーネントをマウントする際、PCB上にパターンをプリントする際、あるいはPCBの検査の際に、PCBの位置についての情報が必要とされる。さらにもう一つの使用分野は、電子顕微鏡などにおける、試料の位置測定および動き検出に関わる。
【０００３】
典型的には、物体の並進または変位は、該物体への入射光ビームを与えることによって光学的に測定される。ＥＰ−Ａ−０６０３９０５は、光源と、基板上に配置された第一および第二の回折格子を含む変位検出装置を開示している。光源からの光は第一の回折格子によって回折され、一次の回折ビームが第二の回折格子に照射される。受光素子に第三の回折格子が設けられる。この第三の回折格子は、第二の回折格子の一次の回折ビームを合成して干渉光を基板の変位を表す信号に変換するためのものである。
【０００４】
従来技術の装置の欠点は、物体の並進の正確な検出を可能にするための、回折パターンの面内での物体の回転の制限である。回折パターンの面内での物体の回転は、一次の回折ビームの回転を生じるが、それらの回折されたビームはもはや正確に光学系を通過せず、もはや適切に検出することができないのである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
物体の許容される面内回転範囲を増加させた、物体の動きを検出するシステムを提供することが本発明の一つの目的である。
【０００６】
この目的は、第一の回折パターンおよび該第一の回折パターンに対して所定の配向をもつ第二の回折パターンを有する物体の動きを検出するシステムであって：
・前記第一の回折パターンに少なくとも第一の入射ビームを与えて、前記第一の回折パターンから第一の回折ビームが得られるようにし、前記第二の回折パターンに、前記第一の入射ビームに対して所定の配向をもつ少なくとも第二の入射ビームを与えて、前記第二の回折パターンから第二の回折ビームが得られるようにするよう適応された光学手段と、
・前記第一の回折ビームおよび前記第二の回折ビームのうちの少なくとも一つに基づいて前記物体の動きを検出する手段、
とを有するシステムによって達成される。
【０００７】
半導体産業は上記システムの重要な用途をなすので、半導体ウェーハであってそのようなウェーハの動きを検出するためのシステムにおいて使用されるべく適応されたウェーハを提供することが本発明のもう一つの目的である。
【０００８】
この目的は、第一の二次元回折パターンおよび該第一の回折パターン上に配置された第二の二次元回折パターンをもつ半導体ウェーハによって達成される。回折パターンは好ましくは、処理のために必要とされるスペースを取り込まないために、ウェーハの裏側に、あるいは該ウェーハに取り付けられるべき担体上に加えられる。
【０００９】
回折格子の面内での回転範囲を増加させた、物体の動きを検出する方法を提供することが本発明のもう一つの目的である。
【００１０】
この目的は、第一の回折パターンおよび該第一の回折パターンに対して所定の配向をもつ第二の回折パターンを有する物体の動きを検出する方法であって：
・前記第一の回折パターンに第一の入射ビームを与えて、第一の回折ビームが得られるようにする段階と、
・前記第二の回折パターンに第二の入射ビームを与えて、第二の回折ビームが得られるようにする段階と、
・前記第一の回折ビームおよび前記第二の回折ビームのうちの少なくとも一つに基づいて前記物体の動きを検出する段階、
とを有する方法によって達成される。
【発明の効果】
【００１１】
物体の回転、したがって回折パターンまたは回折格子の回転の間、一次の回折ビームの方向が変動しうる。本発明に基づくシステムおよび方法は前記物体について少なくとも二つの回折パターンを用い、前記回折パターンのそれぞれは前記入射ビームの少なくとも一つに反応するよう配置されるので、回折パターンおよび前記光学手段の好適な配向により、物体の動きを検出するための面内回転範囲の増加が得られる。
【００１２】
請求項２に定義される本発明の実施形態は、回折パターンの面内での並進についての単一のセンサーシステムを用いることを許容する。
【００１３】
請求項３および１４において定義される本発明の実施形態は、両方の回折パターンに共通な各点について、増加した面内回転範囲が得られるという利点を有する。
【００１４】
請求項４において定義される本発明の実施形態は、面外回転または傾きの範囲が単一のセンサーシステムを使って向上されうるという利点を有する。
【００１５】
請求項５および１５において定義される本発明の実施形態は、回折パターンの面内における物体の大きな回転、たとえば半導体ウェーハのたとえば90°または180°の回転が検出できるという利点を有する。
【００１６】
請求項６および１６において定義される本発明の実施形態は、物体の回転中心が任意でありうるという利点を有する。
【００１７】
請求項７および８において定義される本発明の実施形態は、物体の変位が検出できるのみならず、物体上の絶対位置についての情報が利用可能にされるという利点を有する。
【００１８】
請求項９および１８において定義される本発明の実施形態は、前記回折パターンを互いに重ねて配置するために好適なシステムを提供する。特定の回折格子の選択はたとえば、回折格子の格子周期および／または光学測定系の波長に基づく。
【００１９】
請求項１０において定義される本発明の実施形態は、物体の動きを検出するための関連する単数または複数の回折ビームが第一または第二の測定系のいずれかによって受信されるよう両測定系を配置することによって最適な測定範囲が得られるという利点を有する。したがって、第一の回折ビームの一つまたは複数の検出は、まず、第一の測定系によって実行されることができ、物体の回転に起因するこれら第一の回折ビームの方向の変動によりこれらのビームがこの第一の測定系の外に出てしまうので、物体の同じ動き成分を示す第二の回折ビームを受けるよう第二の測定系が配置される。
【００２０】
請求項１１および１９において定義される本発明の実施形態は、回折パターンの面外方向の物体の並進が検出できるという利点を有する。請求項１２および２０には、物体のあらゆる並進、すなわち面内および面外の並進の検出を許容する、特に有利な実施形態が定義されている。本発明のあるさらなる実施形態は請求項１３および２１において定義されている。この実施形態では、回折格子の面内および面外の両方を含む物体のあらゆる回転が検出できる。さらに、物体が回転する場合、これは物体の並進を測定するための回折ビームの位相にも影響する。したがって、有意な回転運動成分をもつ物体については、物体の並進を計算するために回転を決定するべきである。したがって、面内回転範囲を増した物体のあらゆる動きを検出するよう適応されたシステムが得られる。
【００２１】
上記の諸実施形態またはその諸側面が組み合わせてもよいことは理解しておくべきである。
【００２２】
本発明についてさらに添付の図面を参照して解説する。図面は本発明の基づく好ましい実施形態を概略的に示すものである。本発明がいかなる仕方であれこの個別的な好ましい実施形態に制限されるものではないことは理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、矢印Ｒ１によって示されるように格子Ｇ面内で回転している二次元格子Ｇに向けられた入射ビームＩを概略的に示している。回折されたビームの回折次数D(0,0)の方向は変動しないが、格子Ｇの回転Ｒのため、回折次数D(0,1)、D(1,0)、D(−1,0)、D(0,−1)の方向は矢印Ｒ２によって示されるように変動する。したがって、そのような回折次数に基づいてそのような格子Ｇで物体の動きを検出するためのシステムは、そのような物体が格子Ｇの面内で回転しているときは困難をもつ。
【００２４】
本発明は、物体の動きを検出するための前記回折次数の測定を可能にしたままで、物体が格子面内で回転することを許容する、物体の動きを検出するためのシステムおよび方法に関する。
【００２５】
図２および図３は、第一の回折パターン３Ａおよび第二の回折パターン３Ｂ（以下、格子３Ａおよび格子３Ｂとも称する）が加えられている物体２の動きを検出するためのシステム１を概略的に描いている。物体２はたとえばウェーハまたはプリント回路基板である。回折パターン３Ａおよび３Ｂは重なって設けられており、回折パターン３Ａ、３Ｂの組み合わせは、物体２に直接加えられてもよいし、一つまたは複数の中間的または補助的構成要素（図示せず）によって物体２に取り付けられてもよい。第一の光学測定系４Ａ（以下、センサーシステムとも称する）が離間距離Ｓ１のところに設けられる。図のようなＸ、Ｙ、Ｚ方向の物体２の並進を検出するためである。第二の光学測定系４Ｂ（以下、やはりセンサーシステムとも称する）が、物体２に対して第一の光学測定系４Ａとは異なる配向で、Ｓ１とは異なる離間距離Ｓ２のところに設けられる。
【００２６】
第一の光学測定系４Ａは、第一の入射ビーム５を第一の回折パターン３Ａに与えて、第一の回折ビーム６が得られるようにする。前記第一の光学測定系４Ａに対して所定の配向をもつ第二の光学測定系４Ｂは、前記第二の回折パターン３Ｂに第二の入射ビーム７を与えて、第二の回折ビーム８が得られるようにする。システム１は、回折されたビーム６、８、または少なくとも一つの回折次数がそれぞれ測定系４Ａおよび４Ｂに向けられるように配置される。
【００２７】
そのようなシステム１のある実施形態がのちに図１０を参照して解説される。測定系４Ａおよび４Ｂが単一の光学手段に統合されてもよいことを注意しておく。例として、ハイデンハイン社（Heidenhain  GmbH）は、単一の回折格子が取り付けられている物体の動きを検出するための２座標エンコーダシステムを発売している。光学手段は、当該物体の前記単数の回折格子に二つのビームを与え、当該物体からの複数の回折されたビームを検出して当該物体の動きを検出する。もう一つの例は、オプトラ社（Optra  Inc.）のNanoGridエンコーダに関わる。
【００２８】
前記第一および第二の光学測定系４Ａ、４Ｂは、少なくとも前記第一の回折ビームに基づいて物体２の動きを検出するための手段を有する。物体２の格子３Ａ、３Ｂの面内での動きは、たとえば第一の回折ビーム６と第二の回折ビーム８との間の位相差を測定することによって検出されうる。代替的または追加的に、第一の入射ビーム５と第一の回折ビーム６との間の位相差および／または第二の入射ビーム７と第二の回折ビーム８との間の位相差が測定されることもできる。そのようなシステムは、本出願人の同時係属の特許出願（「物体の並進を検出する検出システム」）において詳細に記載されており、回折格子３Ａ、３Ｂの面外の物体２の運動を検出することを許容する。これについてはのちに図９Ｂを参照しつつさらに説明する。
【００２９】
第一の格子３Ａは第二の格子３Ｂに重ねて設けられる。そのような多層格子は、たとえば、スーパーオーディオ・コンパクトディスク（ＣＤ）または多層式デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）の製造などから知られている諸方法によって提供されうる。第二の入射ビーム７が第二の格子３Ｂに到達するために諸施策が施されている。例として、第一の光学測定系４Ａおよび／または第一の回折格子３Ａは、前記第一の入射ビーム５に前記第一の回折パターン３Ａを選択させるよう適応されており、第二の光学測定系４Ｂおよび／または第二の回折格子３Ｂは、前記第二の入射ビーム７に前記第二の回折パターン３Ｂを選択させるよう適応されている。特定の回折格子３Ａ、３Ｂの選択は、たとえば回折格子３Ａ、３Ｂの格子周期p（図７Ｂ参照）および／または光学測定系４Ａ、４Ｂの波長に基づく。
【００３０】
動作中、物体２の回折パターン３Ａの面内での回転、回折ビーム６、８、特にその一次のものの方向は図１に示したように変動しうる。本発明に基づくシステム１および方法は前記物体２について少なくとも二つの回折パターン３Ａ、３Ｂを用いるので、該回折パターン３Ａ、３Ｂのそれぞれは、前記入射ビーム５，７の少なくとも一つに反応するよう配置される。回折パターン３Ａ、３Ｂの光学手段４Ａ、４Ｂに対する好適な配向により、面内回転範囲の増加が得られる。ここで、好適な配向とは、単数または複数の回折ビーム６、８または少なくとも物体の動きの検出に使われるその関連する次数を、比較的大きな回転について受け取れるように回折パターンおよび光学手段が配置されなければならないことを意味する。
【００３１】
図４Ａ〜４Ｄは、本発明のある実施形態に基づく、物体上の第一および第二の回折パターンのいくつかの配位を概略的に表示している。
【００３２】
図２および図３は回折パターン３Ａ、３Ｂを、単一のセンサーシステム４Ａまたは４Ｂによって物体２のあらゆる面内並進の検出を許容する二次元格子として示したが、図４Ａは回折格子３Ａ、３Ｂは両方とも一次元である、すなわち碁盤目パターンではなく平行線である実施形態を表示している。回折格子３Ａおよび３Ｂは互いに対して所定の配向をもち、線が好ましくは垂直でないようになっている。
【００３３】
図４Ｂは、第一の面内の第一の回折パターン３Ａおよび第二の面内の第二の回折パターン３Ｂを概略的に表示している。回折パターン３Ａ、３Ｂは一次元および／または二次元回折パターンでありうる。両回折パターンは角度αで組み合わされており、物体２のより大きな傾き範囲、すなわち図２のＸ軸および／またはＹ軸のまわりの回転が単一の測定系４Ａまたは４Ｂによって検出されることを可能にしている。
【００３４】
図４Ｃおよび４Ｄは、物体２上の絶対的な位置情報が得られるという点で向上した機能性をもつ回折パターンの組み合わせを示している。
【００３５】
図４Ｃでは、一つの回折パターン３Ａしか示されていない。回折パターン３Ａは二組の水平な回折線および二組の垂直な回折線を有する。各組のピッチＱは異なっており、第一の組の水平線の位置は一般に、所定の位置を除いて、第二の組の水平線とは位相が合っていない。同じことは二組の垂直線についても成り立つ。印Ｍは、ＣＣＤカメラなどを用いた視覚的検査のために用いられる。
【００３６】
図４Ｄは、変調されたデューティサイクルをもつ回折パターン３Ｂと組み合わされた第一の回折パターン３Ａを表示している。この変調された回折パターン３Ｂの線幅は、物体２が動くと回折ビーム８の位相のみならず振幅もが変動するように変化している。絶対的な位置は、干渉パターンの位相および振幅を同時に合わせることによって決定される。基準位置を、たとえば干渉信号の位相が０になり、かつ振幅がその最大値に達する位置として定義できる。
【００３７】
図５は、第一および第二の回折パターン３Ａ、３Ｂのある実施形態を示している。第一の回折パターン３Ａは直交状の回折パターンであり、一方、第二の回折パターン３Ｂは環状の回折パターンである。この順を逆にしてもよいことは認められるはずである。右側のパターンが両回折パターン３Ａ、３Ｂの組み合わせを示している。組み合わされた回折パターン３Ａ、３Ｂは、光学測定系４Ａ、４Ｂが環状の回折パターンの同心円状の回折環の一つに向けられる場合に、物体２の動きを検出するために、物体２の回折パターンの面内での大きな回転、たとえば半導体ウェーハの90°、180°、270°または360°の回転を可能にする。
【００３８】
最後に、本発明の特に有利な実施形態の記述を図７Ａないし図１１Ｄを参照して手短に記載する。この実施形態は、本出願人の同時係属の特許出願（「物体の並進を検出する検出システム」）においてさらに詳細に記載されており、システム１のさまざまな構成要素の図解のため、該文献は参照によって本出願に組み込まれる。したがって、本記載はこの有利な実施形態の基本概念を与えるにとどめる。
【００３９】
図７Ａ〜７Ｄは、周期的な反射格子３Ａの並進の効果の概略的な図解である。図７Ａでは、入射ビーム５は格子３Ａに向けられる。入射光ビームＩは静止している格子３Ａから回折されて、回折ビーム６を形成する。回折次数D(−1)、D(0)、D(＋1)の回折光ビーム６が示されている。図７Ｂは、同じ状況を１次について、入射光ビーム５と回折光ビーム６の波長λの指示を付けて示している。
【００４０】
図７Ｃおよび７Ｄはそれぞれ、格子３Ａの、該格子３Ａの面に平行な並進および該格子３Ａを含む平面の法線nに平行な成分をもつ並進の効果を示しており、点線が並進前の状況を、実線が並進後の状況を表す。図のように、格子３Ａの並進は回折ビーム６の位相に影響する。具体的には、格子３Ａについて、格子３Ａの周期をpとして距離p/4の面内並進Tはλ/2の位相シフトを生じる。距離λ/4の面外並進はλ/2.14の位相シフトを生じる。以下の記述では、図７Ｄの状況は、法線nに平行な距離λ/4の並進が回折ビーム６のλ/2の位相シフトを生じると近似することにする。
【００４１】
第二の入射光ビーム７および第二の回折格子３Ｂから得られる第二の回折光ビーム８についても同様の記述が有効である。
【００４２】
図８Ａおよび８Ｂは、物体２の面内並進を検出するために位相差ΔΦを測定する第一の方法を示している。二つの入射ビーム５１および５２が異なる方向から格子３Ａに与えられ、結果として生じる回折光ビーム６１と６２の間の位相差が測定される。図８Ａに描かれる面内並進Tについては、p/4の並進Tから生じる回折光ビームDどうしの間の位相差はλ/2である。しかし、図８Ｂに表示される格子３Ａの面外並進は、回折ビーム６の位相シフトどうしが打ち消し合うので測定されない。
【００４３】
図９Ａおよび９Ｂは、位相差ΔΦを測定する、本発明の第二の実施形態に基づくシステムおよび方法を示している。図７Ａおよび７Ｂに描かれている第一の方法とは対照的に、各回折ビーム６の位相は個々に、入射ビーム５１、５２と回折ビーム６１、６２との間の干渉を測定することによって測定される。したがって、面内並進については入射ビームと回折ビームの各対について位相シフトλ/4が測定され、面外並進については各対についてλ/2の位相シフトが測定される。よって、本発明に基づくシステムおよび方法は、面内並進および面外並進の検出を許容する。面内および面外並進の両方を決定するため、システムは、面内並進と面外並進の位相シフト寄与を区別できるよう構成されるべきである。
【００４４】
例として、図１０、１１Ａ、１１Ｂは、二次元格子３Ａが加えられている物体２（図示せず）の並進Tおよび回転Rを検出するシステム１の一部を概略的に示している。表示されているシステム１は、二次元格子３Ａに異なる方向から第一、第二、第三の入射光ビーム５１、５２、５３を与える光学ヘッド４Ａを有している。これらの入射光ビーム５１、５２、５３から第一、第二、第三の回折光ビーム６１、６２、６３が生じる。回折ビーム６１、６２、６３のうち、回折次数−1、0、＋1が示されている。入射ビーム５と回折ビーム６の３つの対が黒、暗灰色、明灰色で示されている。さまざまなビーム経路を見分けられるよう、図１０のビームは同じ測定スポットに集まらず、互いにわずかにずれた３つの異なるスポットに集まっているが、実際には三つのビームは同じ測定スポットに集まる。測定ヘッド４Ａはさらに、前記第一の入射ビーム５１と前記第一の回折ビーム６１、前記第二の入射ビーム５２と前記第二の回折ビーム６２、前記第三の入射ビーム５３と前記第三の回折ビーム６３からなる三つの対の少なくとも一つの間の位相差ΔΦを測定する手段を有している。回折次数の光強度が十分である限り、回折ビーム６１、６２、６３のあらゆる回折次数を位相差ΔΦの測定に使うことができる。ビームI1、I2、I3の波長および入射角ならびに格子３Ａの周期pは、回折次数＋1の回折ビーム６１、６２、６３が測定ヘッド４Ａで格子３Ａの並進Tを検出するために使われるように決定されている。明確のため、図１０、１１Ａおよび１１Ｂでは、下層の第二の回折格子３Ｂと、第二の入射光ビーム７１、７２および７３を与えて第二の回折光ビーム８１、８２、８３を得られるようにし、それにより入射ビーム７と回折ビーム８の間の位相差を測定するための光学測定ヘッド４Ｂとは省略してある。しかし、第一の光学測定系４Ａおよび第二の光学測定系４Ｂの互いに対する配置が、物体２の回折パターン３Ａの面内での回転が前記第一の回折ビーム６または前記第二の回折ビーム８のいずれかに基づいて検出されるようにされることが好ましいことは理解されるはずである。それぞれが格子３Ａ、３Ｂの一つを見る測定系４Ａ、４Ｂすべての回転範囲をつなげて大きな回転範囲にしてもよい。
【００４５】
システム１はさらに、前記物体２の回転Rを検出するために前記回折光ビーム６１、６２、６３のさらなる次数、図１０では次数0および−1を受けるよう構成された位置敏感検出器１０を有している。格子３Ａの回転Rx、Ry、Rzは位置敏感検出器１０上でのこれらの次数の変位を生じ、したがって物体２の回転が検出できる。物体２が回転すると、一つまたは複数の光ビームの光路長が変わることがあるので、物体２の並進を測定するための回折ビーム６１、６２、６３の位相も影響されうる。したがって、有意な回転運動成分Rx、Ry、Rzをもつ物体２については、物体の並進を計算するためにこの回転を決定するべきである。
【００４６】
より精密には、二次元の回折格子３Ａについては、回折次数は２つの座標によって示される。一次は(0,0)によって、x方向の一次は(1,0)によって、y方向の一次は(0,1)によって示される、などである。ここに記載する実施形態では、さらなる次数(0,0)および(−1,0)が物体２の回転を測定するために使用される。次数(0,0)は、本稿では次数0によっても示すが、これは回転RxおよびRyにのみ敏感である。一方、より高い次数、ここでは(−1,0)はRx、Ry、Rzに敏感である。しかし、(−1,−1)のようなさらに他の次数も使ってもよい。明確のため、以下では二つの座標による次数の指示は省略する。
【００４７】
回折された＋1次のビーム６１、６２、６３は、第一再方向付け手段１１に向けられる。この逆行反射器を経たのち、ビーム６１、６２、６３は二度目に格子３Ａに向けられる。回折ビームの一部は光ヘッド４Ａに入射し、格子３の並進を検出するためにそれらのさらに回折されたビームの位相が測定される。
【００４８】
回折された次数0および−1はそれぞれ二次元位置敏感検出器１０および一次元位置敏感デバイスに当たる。回折次数0のスポットの位置が二次元位置敏感検出器１０を用いて二つの方向で測定され、一方、次数−1のビームの位置は一方向で測定される。
【００４９】
三つの位相測定および三つのスポット位置測定を使って、回折格子３の三つの並進および三つの回転が決定される。
【００５０】
図１１Ａでは、明確さの理由のため、単一の入射ビーム５だけがその対応する回折ビーム６１とともに描かれている。回折ビーム６１については次数＋1、0、−1が示されている。明らかに、回折格子３Ａの格子周期p、波長λおよび入射角は、入射面内の回折された次数＋1のビームが格子３Ａの法線nに沿う方向に向けられるように選ばれる。図１１Ａにおける球面Ｈは、回折次数の配向をより明瞭に示すために描かれているだけである。格子３Ａの十字線は二次元回折格子の配向を示す。
【００５１】
三つの光学ヘッド４Ａが、三つの入射光ビーム５１、５２、５３が図６Ｂに示される仮想角錐Pの三つの辺に沿う方向になるような位置および配向にされる。図１０で見て取れるように、三つの入射ビームの入射面内の回折された次数＋1のビーム５１(＋1)、５２(＋1)、５３(＋1)は互いに平行であり、第一の再方向付け手段１１に向けられる。これは、入射ビームが仮想角錐Pの辺に沿った方向にされるビームレイアウトについて典型的である。
【００５２】
第一の再方向付け手段１１（以下、零オフセット逆行反射器とも称する）の機能は、はいってくるビームを、反射ビームがはいってくるビームと平行になり、かつはいってくるビームと一致するように再方向付けすることである。零オフセット逆行反射器１１はコーナーキューブ１２、偏光ビームスプリッターキューブ１３、半波長板１４および折り畳み鏡としてはたらくプリズム１５を含む。通常、逆行反射器としてはコーナーキューブが使われる。入射ビームと反射ビームは互いに平行だが空間的に離間している。零オフセット逆行反射器１１は入射ビームを再方向付けして、同じ光路に沿って格子３Ａに戻らせる。入射ビームの方向または位置が名目的でなければ、入射ビームと反射ビームの間のオフセットは０にはならない。
【００５３】
上記の諸実施形態は本発明を限定するのではなく解説するものであり、当業者は付属の請求項の範囲から外れることなく数多くの代替的な実施形態を設計できるであろうことは注意しておくべきである。本発明の概要は、回折パターンと測定系の好適な配向によって、物体の動きを検出する測定範囲の増大が得られるという洞察である。請求項において、括弧内に参照符号があったとしてもその請求項を限定するものと解釈してはならない。「有する」の語は請求項において挙げられているもの以外の要素またはステップの存在を排除しない。要素の単数形の表現はそのような要素の複数の存在を排除しない。ある種の施策が互いに異なる従属請求項において言及されているというだけの事実がそれらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】回折格子の面内回転の結果としての一次の回折ビームの回転を示す図である。
【図２】本発明のある実施形態に基づくシステムを示す図である。
【図３】本発明のある実施形態に基づく図２のシステムの断面を表示する図である。
【図４Ａ】本発明のある実施形態に基づく、物体上の第一および第二の回折パターンの配位を示す図である。
【図４Ｂ】本発明のある実施形態に基づく、物体上の第一および第二の回折パターンの配位を示す図である。
【図４Ｃ】本発明のある実施形態に基づく、物体上の第一および第二の回折パターンの配位を示す図である。
【図４Ｄ】本発明のある実施形態に基づく、物体上の第一および第二の回折パターンの配位を示す図である。
【図５】本発明のある実施形態に基づく、第一および第二の回折パターンの第一の例を示す図である。
【図６】本発明のある実施形態に基づく、第一および第二の回折パターンの第二の例を示す図である。
【図７Ａ】回折パターンの並進の回折ビームへの効果の概略的な図解である。
【図７Ｂ】回折パターンの並進の回折ビームへの効果の概略的な図解である。
【図７Ｃ】回折パターンの並進の回折ビームへの効果の概略的な図解である。
【図７Ｄ】回折パターンの並進の回折ビームへの効果の概略的な図解である。
【図８Ａ】物体の動きを検出するための位相差を測定する第一の方法を示す図である。
【図８Ｂ】物体の動きを検出するための位相差を測定する第一の方法を示す図である。
【図９Ａ】物体の動きを検出するための位相差を測定する第二の方法を示す図である。
【図９Ｂ】物体の動きを検出するための位相差を測定する第二の方法を示す図である。
【図１０】本発明のある実施形態に基づく、物体の並進および回転を検出するための第一の測定系を示す概略図である。
【図１１Ａ】図１０に示したシステムの個別的な側面を示す図である。
【図１１Ｂ】図１０に示したシステムの個別的な側面を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【国際調査報告】
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