(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定する方法であって、
異なる経路に沿って第１のビームおよび第２のビームを方向付けるステップであって、前記第１のビームは、前記エンコーダスケールから回折する、前記方向付けるステップと、
前記第１のビームの回折された成分を第２のビームと合成して干渉出力ビームを形成するステップと、
前記第１のビームおよび第２のビームの波長を変更するステップと、
前記第１および第２のビームの波長に応じて出力ビームの干渉を監視するステップと、
前記波長に応じた前記出力ビームの変化に基づいて、前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定するステップと、を備える方法。
【請求項２】
前記エンコーダスケールの自由度に関する情報を決定することは、
基準面と前記エンコーダスケールとの間の絶対距離を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記出力ビームを監視するステップは、
光周波数領域における前記出力ビームのコントラストが極大値となる１つ以上の波長を決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記エンコーダスケールは、回折格子を含み、
前記１つ以上の波長は、リトロー波長Ｌを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記エンコーダスケールは、波長が変更される間に固定位置にある、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記エンコーダスケールの位置を変位させるステップと、
前記出力ビームの干渉位相の変化を、前記光周波数領域の極大コントラストに対応する前記１つまたは複数の波長の少なくとも１つで、前記エンコーダスケールの位置変位に応じて決定するステップと、をさらに備え、
前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定するステップは、
干渉位相の変化に基づいて前記エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報を決定することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報は、
前記エンコーダスケールの面法線に平行な方向に沿った前記エンコーダスケールの相対変位に関する情報、および前記エンコーダスケールの面法線に直交する第１の方向に沿った前記エンコーダスケールの相対変位に関する情報のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のビームの回折された成分は、
前記エンコーダスケールから１度回折される成分を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記１度回折された成分は、前記エンコーダスケールからのｍ次回折に対応し、｜ｍ｜＞１である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２のビームと合成された前記第１のビームの回折された成分は、
前記エンコーダスケールによって１度回折された第１のビーム成分と、
前記エンコーダスケールから少なくとも２度回折された第２のビーム成分と、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のビーム成分が伝搬する空間に対応する光路長（ＯＰＬ）は、前記第２のビーム成分が伝搬する空間に対応する光路長と異なる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２のビーム成分は、ミラーから反射される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ミラーは、平面ミラー、ルーフプリズム、またはコーナー再帰反射器である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記回折された成分は、
第１のミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって第１の平面に沿って２度回折された第１の成分と、
第２のミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって第２の平面に沿って２度回折された第２の成分と、
前記エンコーダスケールによって一度回折された第３の成分と、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の平面および前記第２の平面は、互いに直交している、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の成分が伝搬する第１の空間は第１の光路長を有し、前記第２の成分が伝搬する第２の空間は第２の光路長を有し、前記第３の成分が伝搬する第３の空間は第３の光路長を有し、前記第１の光路長、前記第２の光路長、および前記第３の光路長のそれぞれは異なる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記回折された成分は、
第３のミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって前記第１の平面に沿って２度回折された第４の成分と、
第４のミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって前記第２の平面に沿って２度回折された第５の成分と、をさらに含み、
前記第１の平面と前記第２の平面は互いに直交しており、
前記第４の成分が伝搬する第４の空間は第４の光路長を有し、前記第５の成分が伝搬する第５の空間は第５の光路長を有し、
第１、第２、第３、第４および第５の光路長のそれぞれは異なる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１のビームのビーム経路は、前記エンコーダスケールの面法線に対して平行に配向されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のビームのビーム経路は、前記エンコーダスケールの面法線に対して斜めに、且つ前記エンコーダスケールの周期的な表面パターンの周期に対して法線方向に配向されている、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のビームおよび前記第２のビームの回折された成分は、第１の出力ビームを形成し、
前記エンコーダスケールは、２次元で周期的な表面パターンを含み、
前記方法は、
異なる経路に沿って第３のビーム及び第４のビームを方向付けるステップであって、前記第３のビームが前記エンコーダスケールから回折し、前記第１のビームおよび前記第３のビームの経路が前記エンコーダスケールの面法線に対して斜めに配向されている、前記方向付けるステップと、
前記第３のビームの回折された成分を前記第４のビームと合成して第２の出力ビームを形成するステップと、
前記エンコーダスケールの固定位置に対して前記第３および第４のビームの波長を変化させるステップと、
前記第１のビームおよび前記第３のビームの波長の変化に基づいて、光周波数領域における前記第１の出力ビームおよび前記第２の出力ビームのコントラストがそれぞれ極大値となる前記第１のビームおよび前記第３のビームの波長を決定するステップと、
前記エンコーダスケールの位置を変位させるステップと、
前記極大値に対応する波長における前記第１の出力ビームおよび前記第２の出力ビームの干渉位相の変化を前記エンコーダスケールの位置変化に応じて決定するステップと、をさらに備え、
前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定することは、
干渉位相の変化に基づいて前記エンコーダスケールの位置の相対的変化に関する情報を決定することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のビームおよび前記第３のビームの経路は、直交平面内にある、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のビーム、前記第２のビーム、前記第３のビーム、および前記第４のビームは、共通源を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のビームのビーム経路は、前記エンコーダスケールの面法線に対して平行に配向され、
前記回折された成分は、
第１のミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって第１の平面に沿って２度回折された第１の成分であって、前記エンコーダスケールと前記第１のミラーとの間の第１の成分の経路は、ｍ次回折に対応し、｜ｍ｜＞１である、前記第１の成分と、
第２のミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって第２の平面に沿って２度回折された第２の成分であって、前記エンコーダスケールと前記第２のミラーとの間の第２の成分の経路は、ｎ次回折に対応し、｜ｎ｜＞１である、前記第２の成分と、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のビームの波長の変化に基づいて、光周波数領域における出力ビームのコントラストが極大値となる前記第１のビームの１つ以上の波長を決定するステップをさらに備える請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記エンコーダスケールの位置を変化させるステップと、
前記エンコーダスケールの位置変化に応じて、極大コントラストに対応する１つまたは複数の波長における出力ビームの位相変化を監視するステップと、をさらに備え、
前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定するステップは、
前記エンコーダスケールの面法線に平行な第１の方向に沿った前記エンコーダスケールの位置の相対変化、前記エンコーダスケールの面法線に直交する第２の方向に沿った前記エンコーダスケールの相対変位、及び第１および第２の方向の両方に直交する第３の方向に沿った前記エンコーダスケールの相対変位に関する情報を決定するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記回折された成分は、
第３のミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって前記第１の平面に直交する第２の平面に沿って２度回折された第３の成分と、
第４のミラーで反射され、前記エンコーダスケールによって前記第２の平面に沿って２度回折された第４の成分とを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
光周波数領域における前記第１の成分と第２のビームとの間の最大コントラストが、第１の波長で生じ、光周波数領域における前記第２の成分と第２のビームとの間の最大干渉が、第１の波長とは異なる第２の波長で生じるように、各ミラーは、前記エンコーダスケールの面法線に対して異なる角度で配向されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記エンコーダスケールの位置に関する情報を決定することは、
最大５つの異なる自由度に沿って前記エンコーダスケールの移動に関する情報を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記エンコーダスケールは、２次元で周期的な表面パターンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
前記エンコーダスケールのチップおよびチルトのうちの少なくとも一方を決定するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記回折された成分は、
ミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって２度回折された第１の成分であって、前記エンコーダスケールと第１のミラーとの間の第１の成分の経路はｍ次回折に対応する、前記第１の成分と、
前記ミラーから反射され、前記エンコーダスケールによって２度回折された第２の成分であって、前記エンコーダスケールと第２のミラーとの間の第２の成分の経路はｎ次回折に対応し、ｎ≠ｍである、前記第２の成分と、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の成分および前記第２の成分のそれぞれは、前記ミラーからの反射に先立って透過型回折格子によって回折される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記回折された成分は、
前記エンコーダスケールによって２度回折され、別個の反射型回折格子によって回折された第１の成分であって、前記反射型回折格子と前記エンコーダスケールとの間の第１の成分の経路はｍ次回折に対応する、前記第１の成分と、
前記エンコーダスケールによって２度回折され、前記反射型回折格子によって回折された第２の成分であって、前記反射型回折格子と前記エンコーダスケールとの間の第２の成分の経路はｎ次回折に対応し、ｎ≠ｍである、前記第２の成分と、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
前記出力ビームを光ファイバに結合するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
入力ビームの光波長を連続的に調整するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３６】
入力ビームまたは前記出力ビームの複数の波長を離散的にサンプリングするステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
前記干渉出力ビームの位相は、前記第１および第２のビームの波長に関連する、請求項１に記載の方法。
【請求項３８】
エンコーダシステムであって、
入力光ビームを生成するように動作可能な光源と、
エンコーダスケールと、
光学アセンブリであって、
前記光源からの入力光ビームを受け取り、入力光ビームから第１のビームを生成し、
前記第１のビームが前記エンコーダスケールから回折するように、前記第１のビームを前記エンコーダスケールに方向付け、
前記第１のビームの回折された成分を第２のビームと合成して出力ビームを形成するように構成された前記光学アセンブリと、
出力ビームを検出するように構成された検出器と、
前記検出器に結合された電子プロセッサと、を備え、
前記電子プロセッサは、
前記第１のビームの波長に応じて出力ビームの変化を監視し、
前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を、前記第１のビームの波長に応じた出力ビームの変化に基づいて決定するように構成され、
前記光源は、調整可能な光源を含み、
前記電子プロセッサは、前記調整可能な光源によって生成された入力光ビームの波長を変更するように構成され、
前記光源は、多波長光源と、調整可能な波長フィルタとを含み、
前記電子プロセッサは、前記光源によって生成された入力光に適用される前記調整可能な波長フィルタの波長を変更するように構成される、エンコーダシステム。
【請求項３９】
前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報は、
前記光学アセンブリと前記エンコーダスケールとの間の絶対距離を含む、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項４０】
前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報は、
最大５つの異なる自由度に沿った前記エンコーダスケールの移動に関する情報を含む、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項４１】
前記電子プロセッサは、光周波数領域における出力ビームのピークコントラストが極大値となる前記第１のビームの１つ以上の波長を決定するように構成される、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項４２】
前記電子プロセッサは、極大コントラストに対応する１つ以上の波長の少なくとも１つにおいて前記エンコーダスケールの位置の変化に応じて、出力ビームの干渉位相の変化を決定するように構成され、
前記エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報は、
干渉位相の変化に基づいた前記エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報をさらに含む、請求項４１に記載のエンコーダシステム。
【請求項４３】
前記エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報は、
前記エンコーダスケールの面法線に平行な方向に沿ったエンコーダスケールの相対変位に関する情報、および前記エンコーダスケールの面法線に直交する第１の方向に沿った前記エンコーダスケールの相対変位に関する情報のうちの少なくとも１つを含む、請求項４２に記載のエンコーダシステム。
【請求項４４】
前記光学アセンブリは、前記エンコーダスケールの面法線と平行に前記第１のビームを出力するように構成される、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項４５】
前記光学アセンブリは、前記エンコーダスケールの面法線に対して斜めの角度で、且つ前記エンコーダスケールの周期的な表面パターンの周期に対して法線方向に前記第１のビームを出力するように構成される、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項４６】
前記光学アセンブリは、
入力光を受け取り、コリメートされた入力ビームを出力するように構成されたコリメータと、
コリメートされた入力ビームを部分的に第２のビームに反射し、コリメートされた入力ビームを部分的に第１のビームとして透過するように構成された光学素子と、を含む、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項４７】
前記光学素子は、ビームスプリッタを含む、請求項４６に記載のエンコーダシステム。
【請求項４８】
前記ビームスプリッタと前記検出器との間の出力ビームのビーム経路内に配置されたレンズをさらに備える請求項４７に記載のエンコーダシステム。
【請求項４９】
前記エンコーダスケールから回折された前記第１のビームの第１のビーム成分を方向付けするように構成された第１のミラーをさらに備える請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項５０】
前記第１のミラーは、平面ミラー、ルーフプリズムまたはコーナー・キューブ再帰反射器である、請求項４９に記載のエンコーダシステム。
【請求項５１】
前記光学アセンブリから前記エンコーダスケールへの第１の光ビーム経路に関連する第１の光路長（ＯＰＬ）は、前記第１のミラーから前記光学アセンブリへの第２の光ビーム経路に関連する第２の光路長と異なる、請求項４９に記載のエンコーダシステム。
【請求項５２】
前記エンコーダスケールから回折される前記第１のビームの第２のビーム成分を方向付けするように構成された第２のミラーをさらに備える請求項４９に記載のエンコーダシステム。
【請求項５３】
第１の光路長が、前記光学アセンブリから前記エンコーダスケールへの第１の光ビーム経路に関連付けられ、第２の光路長が、前記第１のミラーから前記光学アセンブリへの第２の光ビーム経路に関連付けられ、第３の光路長は、前記第２のミラーから前記光学アセンブリへの第３の光ビーム経路に関連付けられ、前記第１の光路長、第２の光路長および第３の光路長のそれぞれは異なる、請求項５２に記載のエンコーダシステム。
【請求項５４】
前記第２の光ビーム経路および前記第３の光ビーム経路は、直交平面内にある、請求項５３に記載のエンコーダシステム。
【請求項５５】
前記エンコーダスケールから回折された第１のビームの第３のビーム成分を方向転換するように配置された第３のミラーと、
前記エンコーダスケールから回折された第１のビームの第４のビーム成分を方向転換するように配置された第４のミラーと、をさらに備え、
第４の光路長は、前記第３のミラーから前記光学アセンブリへの第４の光ビーム経路に関連し、第５の光路長は、前記第４のミラーから光学アセンブリへの第５の光ビーム経路に関連し、
前記第１の光路長、前記第２の光路長、前記第３の光路長、前記第４の光路長および前記第５の光路長のそれぞれは互いに異なる、請求項５３に記載のエンコーダシステム。
【請求項５６】
ミラーと前記エンコーダスケールとの間の第１のビームの第１の部分のビーム経路に配置されたレンズをさらに備え、
前記ミラーは、前記レンズの焦点面に配置される、請求項４９に記載のエンコーダシステム。
【請求項５７】
前記ミラーは、前記エンコーダスケールから回折された前記第１のビームの第２の部分を方向転換するようにさらに構成され、
前記レンズは、前記第２の部分のビーム経路内に配置され、
前記第１および第２の部分は、前記エンコーダスケールからの異なる回折次数に対応する、請求項５６に記載のエンコーダシステム。
【請求項５８】
ミラーと前記エンコーダスケールとの間の前記第１のビームの第１の部分のビーム経路内に配置された透過型回折格子をさらに備える、請求項４９に記載のエンコーダシステム。
【請求項５９】
前記ミラーは、前記エンコーダスケールから回折された第１ビームの第２の部分を方向転換するようにさらに構成され、
前記透過型回折格子は、前記第２の部分のビーム経路にさらに配置され、
前記第１および第２の部分は、前記エンコーダスケールからの異なる回折次数に対応する、請求項５８に記載のエンコーダシステム。
【請求項６０】
前記エンコーダスケールから回折される第１のビームの第１の部分を受け取り、前記エンコーダスケールに戻すように構成された回折格子構造をさらに備える請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項６１】
前記回折格子構造は、前記エンコーダスケールから回折された第１のビームの第２の部分を受け取り、前記エンコーダスケールに戻すように構成され、
前記第１および第２の部分は、前記エンコーダスケールからの異なる回折次数に対応する、請求項６０に記載のエンコーダシステム。
【請求項６２】
高密度波長分割マルチプレクサ（ＤＷＤＭ）をさらに備え、
前記高密度波長分割マルチプレクサは、入力光ビームの離散波長をサンプリングするように構成される、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項６３】
前記検出器と前記光学アセンブリのヘッドとの間の出力ビームのビーム経路に配置された高密度波長分割マルチプレクサをさらに備え、
前記高密度波長分割マルチプレクサは、前記出力ビームの１つ以上の離散波長をサンプリングするように構成される、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項６４】
前記高密度波長分割マルチプレクサは、前記出力ビームの複数の離散波長を同時にサンプリングするように構成される、請求項６３に記載のエンコーダシステム。
【請求項６５】
前記光学アセンブリは、第１の光学アセンブリであり、前記出力ビームは、第１の出力ビームであり、
前記エンコーダシステムは、第２の光学アセンブリを備え、
前記第２の光学アセンブリは、
第３のビームが前記エンコーダスケールから回折するように、異なる経路に沿って第３のビームと第４のビームを方向付けし、
前記第３のビームの回折された成分を、前記第４のビームと合成して第２の出力ビームを形成するように構成される、請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項６６】
前記第１の光学アセンブリおよび前記第２の光学アセンブリは、両方とも前記エンコーダスケールの面法線に対して斜めの角度で配向される、請求項６５に記載のエンコーダシステム。
【請求項６７】
前記エンコーダスケールは、第１の周期および第２の周期を有する２Ｄ周期パターンを含み、
前記第１の光学アセンブリは、前記第１の周期に対して垂直に配向され、前記第２の光学アセンブリは、前記第２の周期に対して垂直に配向される、請求項６６に記載のエンコーダシステム。
【請求項６８】
前記第１および第２のビームは、共通の光源から生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６９】
前記第１および第２のビームは、異なる光源から生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項７０】
前記出力ビームの波長スペクトルを空間的に分離するために、前記出力ビームに分散光学素子を通過させるステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
【請求項７１】
前記第２のビームを生成するための基準光源をさらに備える請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【請求項７２】
前記出力ビームを受け取り、前記出力ビームの波長スペクトルを空間的に分離するように構成された分散光学素子をさらに備える請求項３８に記載のエンコーダシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、スペクトル分析を使用して干渉計エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
光干渉は、さまざまな設定で正確な測定を行うために使用される。例えば、半導体リソグラフィシステムは、レーザ干渉を使用して、変位を測定し、正確なナノメートル精度でステージを位置決めする。これらのシステムでは、キャビティの動きに合わせたレーザビーム（時に試験ビームまたは測定ビームと呼ぶ）は、移動対象に取り付けられたミラーで反射され、基準となる別の光と干渉される。干渉位相は、ビーム経路が波長によって変化するごとに２πだけ変化するので、干渉位相は、キャビティの長さに関する変化の測定を提供する。ヘテロダイン又はホモダイン技法は、干渉の位相を抽出するために使用されてもよい。
【０００３】
多くの場合、これらのシステムでは、試験光ビームが空気中で長い距離を伝搬する。ビーム経路内の空気の屈折率が変化した場合、局所的でさえ、試料の見かけの変位が測定されるように、変化が生じる。この見かけの変位は、測定誤差およびより長い空気通路をもたらし、これにより深刻なエラーがある可能性が高い。
【０００４】
著しく短い光路の伝搬を有する変位測定干渉計の種類は、干渉計エンコーダシステムを含む。一般的に、干渉計エンコーダシステムは、エンコーダスケール（例えば、格子）とエンコーダヘッドとして知られている周期的な構造を含む。エンコーダヘッドは、干渉計を含んでいるアセンブリである。干渉計は、回折するエンコーダスケールに試験ビームを案内する。干渉計は、基準ビームと回折された試験ビームとを合成して干渉出力ビームを形成する。干渉出力ビームの干渉位相は、２つのビーム間の光学的な位相差に関する。干渉計エンコーダシステムは、エンコーダスケールから反射されたビームの位相シフトを測定することによって、試験ビームと直交する変位を測定する。エンコーダスケールのパターン面が試験ビーム下で移動するので、エンコーダから反射された後の固定基準ビームに対する試験ビームの相対位相が、各パターン期間において２πだけシフトする。高精度のビーム位相の測定値は、変位測定にパターン周期の小さなフラクション（ｆｒａｃｔｉｏｎ）を可能にする。エンコーダスケールの測定された移動は試験ビームと直交するので、キャビティ長、つまりビームの空気通路のかなりの減少が達成されて、大気の屈折率の変動を最小化することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、構成が、波長掃引光ビームをエンコーダスケールに導くか、または広帯域光ビームをエンコーダスケールに導くことに依拠する変位測定を行うための様々な光学式エンコーダ構成に関する。エンコーダスケールと少なくとも１つの他のビームとの相互作用の後の波長掃引ビームまたは広帯域ビームの干渉から生じる干渉ビームが記録され、波長に応じて分析される。この干渉は、基準フレームに対するエンコーダスケールの位置および向きに特徴的な強度変調をもたらす。
【０００６】
光学式エンコーダ構成は、様々な実施形態を有することができる。例えば、入射光ビームは、エンコーダスケールによって異なる回折次数に分割されてもよく、これらは、エンコーダスケールに戻され、２回目に回折し、その後相互に干渉する。ある場合には、２度回折されたビームは、エンコーダスケールと相互作用していない別個のビームと共通に干渉する。場合によっては、回折されたビームは、平面ミラー、ルーフミラーまたは再帰反射器を使用してエンコーダスケールに戻される。特定の実施形態では、エンコーダは、信号処理のために回折されたビームの使用可能な波長範囲を広げるように構成された光学素子を含むことができる。いくつかの例では、エンコーダスケールは、エンコーダが１つの横方向寸法におけるエンコーダスケールの動きに対して感度が高い１つの寸法に沿った周期パターン（例えば、ＩＤ回折格子）を含む。いくつかの例では、エンコーダスケールは、エンコーダが２つの横方向寸法においてエンコーダスケールの動きに対して感度が高いように、２つの次元（例えば、２次元格子）に沿った周期的パターンを含む。いくつかの例では、エンコーダは、エンコーダスケール上で繰り返されるパターンに沿った各次元について複数の回折次数を取り込み、エンコーダスケールの横方向の動きを、エンコーダスケールの周期パターンに対する法線の動きと区別することができるように構成される。いくつかの実施態様では、エンコーダは、エンコーダスケールの面法線に沿った動きに対する感度を決定するために、エンコーダスケールからの反射回折次数を取り込む。ある場合には、エンコーダは、エンコーダスケールの傾斜に関する情報を得るために、干渉ビームの大きさを波長に応じて評価するように構成される。ある場合には、取り込んだビームは、初期ビームを伝達した同一の光ファイバに再び結合される。あるいは、場合によっては、回折ビームは、エンコーダの光学アセンブリに到達すると、代替の経路に伝達する。他の実施形態も可能であり、本明細書で詳述される。
【０００７】
第１の態様では、本開示の特定事項は、異なる経路に沿って第１のビームおよび第２のビームを方向付けることを含む方法で具体化することができ、第１のビームが、エンコーダスケールから回折し、第１のビームの回折された成分を第２のビームと合成させて出力ビームを形成し、第１および第２のビームの波長に応じて出力ビームの強度変化を監視し、波長に応じた出力ビームの変化に基づいてエンコーダスケールの剛体運動（ｒｉｇｉｄ  ｂｏｄｙ  ｍｏｔｉｏｎ）の１つ以上の自由度に関する情報を決定する。
【０００８】
これらの方法は、様々な実施形態を有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、エンコーダスケールの自由度に関する情報を決定することは、基準面とエンコーダスケールとの間の絶対距離を決定することを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、出力ビームの監視は、出力ビームの干渉コントラストが極大値となる１つ以上の波長を決定することを含む。エンコーダスケールは、リトロー条件を満たす回折格子と、１つまたは複数の波長とを含むことができる。エンコーダスケールは、波長が変化している間は固定位置にあってもよい。この方法は、エンコーダスケールの位置を変化させるステップと、光周波数領域における極大コントラストに対応する１つ以上の波長のうちの少なくとも１つにおいてエンコーダスケールの位置変化に応じて出力ビームの干渉位相の変化を決定するステップとをさらに含んでもよい。エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定することは、干渉位相の変化に基づいて、エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報を決定することをさらに含むことができる。エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報は、エンコーダスケールの面法線に平行な方向に沿ったエンコーダスケールの相対変位に関する情報および／またはエンコーダスケールの面法線に直交する第１の方向に沿ったエンコーダスケールの相対変化に関する情報を含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、第１のビームの回折された成分は、エンコーダスケールから一度回折された成分を含む。一度回折された成分は、エンコーダスケールからのｍ次の回折次数に対応することができ、ここで、｜ｍ｜＞１である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、第２のビームと組み合わされた第１のビームの回折された成分は、エンコーダスケールから一度回折された第１のビーム成分と、エンコーダスケールから少なくとも２度回折された第２のビーム成分とを含む。第１のビーム成分が伝搬する空間に対応する光路長（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｔｈ  ｌｅｎｇｔｈ：ＯＰＬ）は、第２のビーム成分が伝搬する空間に対応する光路長とは異なっていてもよい。第２のビーム成分は、ミラーから反射されてもよい。ミラーは、平面ミラー、ルーフプリズム、またはコーナー再帰反射器を含むことができる。いくつかの実施形態では、回折された成分は、第１のミラーから反射され、第１の成分および第１のビームによって画定される第１の面に沿ってエンコーダスケールで２度回折された第１の成分と、第２のミラーから反射され、第２の成分および第１のビームによって画定された第２の平面に沿ってエンコーダスケールで２度回折された第２の成分と、エンコーダスケールで一度回折された第３の成分と、を含む。第１の平面および第２の平面は、互いに直交していてもよい。
【００１２】
第１の成分が伝搬する第１の空間は第１のＯＰＬを有し、第２の成分が伝搬する第２の空間は第２のＯＰＬを有し、第３の成分が伝搬する第３の空間は第３のＯＰＬを有し、第１のＯＰＬ、第２のＯＰＬ、および第３のＯＰＬは異なる。また回折された成分は、第３ミラーから反射され、第１の平面に沿ってエンコーダスケールで２度回折された第４成分と、第４ミラーから反射されてエンコーダスケールで２度回折された第５成分とを含み、第１の平面と第２の平面とが、互いに直交し、第４の成分が伝搬する第４の空間は第４のＯＰＬを有し、第５の成分が伝搬する第５の空間は第５のＯＰＬを有し、第１、第２、第３、第４、および第５のＯＰＬが互いに異なる。
【００１３】
いくつかの実施態様では、第１のビームのビーム経路は、エンコーダスケールの面法線に対して平行に配向されている。
いくつかの実施形態では、第１のビームのビーム経路は、エンコーダスケールの面法線に対して斜めに、且つエンコーダスケールの周期的な表面パターンに垂直に配向される。
【００１４】
いくつかの実施形態では、第１のビームおよび第２のビームの回折された成分が第１の出力ビームを形成し、エンコーダスケールは、２次元で周期的な表面パターンを含む。この方法は、異なる経路に沿って第３のビームおよび第４のビームを方向付けし、第３のビームが、エンコーダスケールから回折し、第１のビームおよび第３のビームの経路が、エンコーダスケールの面法線に対して斜めに配向される。
【００１５】
この方法は、第３のビームの回折された成分を第４のビームと組み合わせて第２の出力ビームを形成し、エンコーダスケールの固定位置に対して第３および第４のビームの波長を変化させ、第１のビーム及び第３のビームの波長の変化に基づいて、光周波数領域における第１の出力ビームと第２の出力ビームとのコントラストがそれぞれ極大値となる第１のビーム及び第３のビームの波長を決定し、エンコーダスケールの位置を変更し、エンコーダスケールの位置変化に応じて、極大値に対応する波長の第１の出力ビームおよび第２の出力ビームの干渉位相の変化を決定することを備え、エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定することは、干渉位相の変化に基づいて、エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報を決定することをさらに含む。第１のビームおよび第３のビームの経路は、直交平面内に位置してもよい。第１のビーム、第２のビーム、第３のビーム、および第４のビームは、共通ソースを有することができる。
【００１６】
いくつかの実施態様では、第１のビームのビーム経路は、エンコーダスケールの面法線に対して平行に配向されている。回折された成分は、第１のミラーから反射され、第１の平面に沿ってエンコーダスケールで２度回折された第１の成分を含むことができ、エンコーダスケールと第１のミラーとの間の第１の成分の経路は、ｍ次の回折次数に対応し、｜ｍ｜＞１である。回折された成分は、第２のミラーから反射され、第１の平面に沿ってエンコーダスケールで２度回折された第２の成分を含むことができ、第２の成分の経路は、エンコーダスケールと第２のミラーとの間の経路は、ｎ次の回折次数に対応し、｜ｎ｜＞１である。
【００１７】
この方法は、第１のビームの波長変化に基づいて、光周波数領域における出力ビームのコントラストが極大値となる第１のビームの１つ以上の波長を決定するステップをさらに含むことができる。この方法は、エンコーダスケールの位置を変化させ、エンコーダスケールの位置変化に応じて極大コントラストに対応する１つ以上の波長における出力ビームの位相の変化を監視することをさらに含むことができ、エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を決定することは、エンコーダスケールの面法線に平行な第１の方向に沿ったエンコーダスケールの位置の相対変化、エンコーダスケールの面法線に直交する第２の方向に沿ったエンコーダスケールの相対変位、及び第１および第２の方向の両方に直交する第３の方向に沿ったエンコーダスケールの相対変位に関する情報を決定することを含む。
【００１８】
回折された成分は、第３のミラーで反射され、且つ第１の平面と直交する第２の平面に沿ってエンコーダスケールで２度回折された第３の成分と、第４のミラーから反射され、且つエンコーダスケールによって第２の平面に沿って回折された第４の成分と、を含む。各ミラーは、光周波数領域における第１の成分と第２のビームとの間の最大コントラストが第１の波長で生じ、光周波数領域における第２の成分と第２のビームとの間の最大干渉が第１の波長と異なる第２の波長で生じるように、エンコーダスケールの面法線に対して異なる角度で配置されてもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態では、エンコーダスケールの位置に関する情報を決定することは、最大５つの異なる自由度に沿ったエンコーダスケールの動きに関する情報を決定することを含む。
【００２０】
いくつかの実施形態では、エンコーダスケールは、２次元で周期的な表面パターンを含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、エンコーダスケールの先端および／または傾斜を決定することをさらに含む。
【００２１】
いくつかの実施形態では、回折された成分は、ミラーから反射され、且つエンコーダスケールで２度回折された第１の成分であって、エンコーダスケールと第１のミラーとの間の第１の成分の経路は、ｍ次の回折次数に対応する、第１の成分と、ミラーから反射され、エンコーダスケールで２度回折された第２の成分であって、エンコーダスケールと第２のミラーとの間の第２の成分の経路は、ｎ次の回折次数に対応し、ｎ≠ｍである、第２の成分とを含む。第１の構成要素および第２の構成要素のそれぞれは、ミラーからの反射の前に透過型回折格子によって回折されてもよい。
【００２２】
いくつかの実施形態では、回折された成分は、エンコーダスケールで２度回折され、別個の反射型回折格子によって回折された第１の成分であって、反射型回折格子とエンコーダスケールとの間の第１の成分の経路は、ｍ次の回折次数に対応する、第１の成分と、エンコーダスケールで２度回折され、反射型回折格子によって回折された第２の成分であって、反射型回折格子とエンコーダスケールとの間の第２の成分の経路は、ｎ次の回折次数に対応し、ｎ≠ｍである、第２の成分とを含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、この方法は、出力ビームを光ファイバに結合することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、この方法は、入力ビームの光波長を連続的に調整することをさらに含む。
【００２４】
いくつかの実施形態では、この方法は、入力ビームまたは出力ビームの複数の波長を離散的にサンプリングするステップをさらに含む。
いくつかの実施形態では、第１および第２のビームは、共通の光源から生成される。
【００２５】
いくつかの実施形態では、第１および第２のビームは、異なる光源から生成される。
いくつかの実施形態では、この方法は、出力ビームを分散光学素子に伝搬させて出力ビームの波長スペクトルを空間的に分離するステップをさらに含む。
【００２６】
いくつかの実施態様では、干渉する出力ビームの位相は、第１および第２のビームの波長に関連する。
別の態様では、本開示のシステムにおいて具体化される特定事項は、入力光ビームを生成するように動作可能な光源と、エンコーダスケールと、光学アセンブリとを備え、光学アセンブリは、光源から入力光を受け取り、入力光ビームから第１のビームおよび第２のビームを生成し、第１のビームがエンコーダスケールから回折するように第１のビームおよび第２のビームをエンコーダスケールに異なる経路に沿って案内し、第１のビームの回折された成分を第２のビームと合成して出力ビームを形成するように構成される。システムはさらに、出力ビームを検出するように構成された検出器と、検出器に接続された電子プロセッサとを含み、プロセッサは、第１のビームの波長に応じて出力ビームの変化を監視し、エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報を、第１のビームの波長に応じた出力ビームの変化に基づいて決定するように構成される。
【００２７】
システムは、様々な実施形態を有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報は、光学アセンブリとエンコーダスケールとの間の絶対距離を含むことができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、エンコーダスケールの剛体運動の自由度に関する情報は、最大５つの異なる自由度に沿ったエンコーダスケールの動きに関する情報を含むことができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、電子プロセッサは、光周波数領域における出力ビームのピークコントラストが極大となる第１のビームの１つ以上の波長を決定するように構成される。電子プロセッサは、極大コントラストに対応する１つ以上の波長のうちの少なくとも１つにおけるエンコーダスケールの位置変化に応じて、出力ビームの干渉位相の変化を決定するように構成されてもよく、エンコーダスケールの剛体運動の自由度は、干渉位相の変化に基づいてエンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報をさらに含むことができる。エンコーダスケールの位置の相対変化に関する情報は、エンコーダスケールの面法線に平行な方向に沿ったエンコーダスケールの相対変位に関する情報および／またはエンコーダスケールの面法線に直交する第１の方向に沿ったエンコーダスケールの相対変化に関する情報を含むことができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、エンコーダスケールの面法線に平行な第１のビームを出力するように構成される。
いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、エンコーダスケールの面法線に対して斜角で、エンコーダスケールの周期的な表面パターンの周期に対して法線方向に第１のビームを出力するように構成される。
【００３１】
いくつかの実施形態では、光学アセンブリは、入射光を受け取り、コリメートされた入力ビームを出力するように構成されたコリメータと、コリメートされた入力ビームを第２のビーム内に部分的に反射し、第１のビームとしてコメリートされた入力ビームを出力する光学素子とを含むことができる。光学素子は、ビームスプリッタを含み得る。システムは、ビームスプリッタと検出器との間の出力ビームのビーム経路内に配置されたレンズをさらに含むことができる。
【００３２】
いくつかの実施形態では、システムは、エンコーダスケールから回折された第１のビームの第１のビーム成分の向きを変更するように構成された第１のミラーをさらに含む。第１のミラーは、平面ミラー、ルーフプリズムまたはコーナーキューブ再帰反射器であってもよい。光学アセンブリからエンコーダスケールへの第１の光ビーム経路に関連する第１の光路長（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｔｈ  ｌｅｎｇｔｈ：ＯＰＬ）は、第１のミラーから光学アセンブリへの第２の光ビーム経路に関連する第２のＯＰＬとは異なる。システムは、エンコーダスケールから回折された第１のビームの第２のビーム成分の向きを変更するように構成された第２のミラーをさらに含むことができる。第１のＯＰＬは、光学アセンブリからエンコーダスケールへの第１の光ビーム経路と関連してもよく、第２のＯＰＬは、第１のミラーから光学アセンブリへの第２の光ビーム経路に関連してもよく、第３のＯＰＬは、第２のミラーから光学アセンブリへの第３の光ビーム経路に関連してもよく、第１のＯＰＬ、第２のＯＰＬおよび第３のＯＰＬは互いに異なる。
【００３３】
第２の光ビーム経路および第３の光ビーム経路は、直交する平面内にあってもよい。システムは、エンコーダスケールから回折された第１のビームの第３のビーム成分の向きを変更するように構成された第３のミラーと、エンコーダスケールで回折された第１のビームの第４のビーム成分の向きを変更するように構成された第４のミラーとを含み、第４のＯＰＬは、第３のミラーから光学アセンブリへの第４の光ビーム経路に関連付けられ、第５のＯＰＬは、第４のミラーから光学アセンブリへの第５の光ビーム経路に関連付けられ、第１のＯＰＬ、第２のＯＰＬ、第３のＯＰＬ、第４のＯＰＬ、第５のＯＰＬは互いに異なる。
【００３４】
システムは、ミラーとエンコーダスケールとの間の第１ビームの第１部分のビーム経路に配置されたレンズをさらに含み、ミラーがレンズの焦点面に位置する。ミラーは、エンコーダスケールから回折される第１のビームの第２の部分の向きを変更するようにさらに構成されてもよく、レンズは、第２の部分のビーム経路にさらに配置され、第１および第２の部分は、エンコーダスケールからの回折次数に対応する。
【００３５】
システムは、ミラーとエンコーダスケールとの間の第１のビームの第１の部分のビーム経路に配置された透過型格子をさらに含むことができる。ミラーは、エンコーダスケールで回折される第１のビームの第２の部分の向きを変更するようにさらに構成されてもよく、透過型格子は、第２の部分のビーム経路にさらに配置され、第１および第２の部分は、エンコーダスケールからの回折次数に対応する。
【００３６】
いくつかの実施形態では、システムは、エンコーダスケールから回折された第１のビームの第１の部分を受け取り、エンコーダスケールに戻すように構成された回折格子構造をさらに含む。回折格子構造は、エンコーダスケールから回折される第１のビームの第２の部分を受け取り、エンコーダスケールに戻し、第１および第２の部分がエンコーダスケールからの異なる回折次数に対応するように構成されてもよい。
【００３７】
いくつかの実施形態では、光源は、可変光源を含み、電子プロセッサは、可変光源によって生成された入射光ビームの波長を連続的に走査するように構成される。
いくつかの実施態様では、光源は多波長光源を含む。システムは、光源に結合された高密度波長分割マルチプレクサ（ｄｅｎｓｅ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：ＤＷＤＭ）をさらに含み、ＤＷＤＭは、入力光ビームの離散波長をサンプリングするように構成される。システムは、検出器と光学アセンブリヘッドとの間の出力ビームのビーム経路に配置されたＤＷＤＭをさらに備え、ＤＷＤＭは、出力ビームの１つ以上の離散波長をサンプリングするように構成される。ＤＷＤＭは、出力ビームの複数の離散波長を同時にサンプリングするように構成することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、光学アセンブリは第１の光学アセンブリであり、出力ビームは第１の出力ビームであり、システムは、第３のビームがエンコーダスケールから回折するように第３のビームおよび第４のビームを異なる経路に沿って案内し、第３のビームの回折された成分を第４のビームと合成して第２の出力ビームを形成するように構成された第２の光学アセンブリを含む。第１の光学アセンブリおよび第２の光学アセンブリは、両方とも、エンコーダスケールの面法線に対して斜角で配向されてもよい。エンコーダスケールは、第１の周期および第２の周期を有する２Ｄ周期パターンを含むことができ、第１の光学アセンブリは、第１の周期に対して垂直に配向され、第２の光学アセンブリは、第２の周期に対して垂直に配向される。
【００３９】
いくつかの実施形態では、システムは、第２のビームを生成するための基準光源をさらに含む。
いくつかの実施形態では、システムは、出力ビームを受け取るように構成され、出力ビームの波長スペクトルを空間的に分離するように構成された分散光学素子をさらに含む。
【００４０】
異なる実装形態は、様々な利点を有することができる。例えば、本明細書に記載されたシステムおよび方法は、空気中を伝搬する短いビーム経路による測定誤差の減少の利点と、絶対距離測定を実行する機能とを組み合わせることができる。いくつかの実施形態では、システムおよび方法は、波長調整の結果として測定密度を実質的に増加させることができる。例えば、干渉計エンコーダシステムの異なるキャビティが異なる光路長を有するとき、エンコーダスケールの複数の自由度に関する情報は、例えば、エンコーダスケールの位置および／または相対的な動きを含む単一波長のスキャンで取得される。いくつかの実施態様では、光学キャビティは異なる光路長を必要としない。その代わりに、光学キャビティは、異なる角度で配置された反射光学素子を用いて形成することができ、異なる光学周波数でコントラストピークを生じさせることができる。いくつかの実施形態では、エンコーダスケールが（例えば、Ｘ方向およびＹ方向の）異なる周期を有する２次元周期パターンを含む場合、異なる波長帯域を使用して、異なる方向にわたる先端および／または傾斜を含むエンコーダスケールの位置および／または相対的な動きを分析する。
【００４１】
いくつかの実施形態では、干渉計エンコーダシステムに光学キャビティを形成するために使用されるミラーは、エンコーダスケールおよび／またはミラーのミスアライメントに対するシステムの感度を低下させるルーフプリズムである。場合によっては、干渉形エンコーダシステムは、複数の異なるキャビティ（例えば、５つの異なるキャビティ）を利用することができ、エンコーダスケールの自由度の測定の精度を高め、測定誤差を低減することができる。
【００４２】
特定の実施形態では、基準キャビティが干渉計エンコーダシステムの一部として一体的に形成され、別個の局所的な基準干渉計の必要性を排除する。すなわち、システムは、システムで使用される光の波長を監視するための全体的な基準キャビティを含むことができる。いくつかの実施形態では、干渉計エンコーダシステムは、従来のエンコーダ測定システムで使用されるよりもはるかに少ない光学部品を使用してエンコーダスケールの位置および／または相対的な動きの測定を行うことができる。いくつかの実施形態では、入射光ビームを光源から光学アセンブリに供給し、出力ビームを光学アセンブリから検出器モジュールに供給するための光ファイバの使用は、光学部品の数をさらに低減し、光ビームと空気との相互作用によるエラーを最小化させる。
【００４３】
本発明の１つまたは複数の実施例の詳細は、添付図面および以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴および利点は、明細書および図面ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図２】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図３】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図４】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図５】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図６Ａ】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図６Ｂ】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図７ａ】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図７ｂ】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図８】波長可変ビームを有するエンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図９Ａ】干渉計エンコーダシステムのための光ビーム経路を示す概略図である。
【図９Ｂ】傾斜エンコーダスケールを有する干渉計エンコーダシステムの光ビーム経路を示す概略図である。
【図１０Ａ】試験ビームの波長が調整されるエンコーダシステムの強度のプロットを示す。
【図１０Ｂ】分数ナイキストにおけるパワースペクトルのプロットを示し、図１０Ａのプロットのフーリエ変換に対応する。
【図１１Ａ】試験ビームの波長が調整されるエンコーダシステムの強度のプロットを示す。
【図１１Ｂ】分数ナイキストにおけるパワースペクトルのプロットを示し、図１１Ａのプロットのフーリエ変換に対応する。
【図１２Ａ】コントラストピークを広げるための干渉計エンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図１２Ｂ】コントラストピークを広げるための干渉計エンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図１２Ｃ】コントラストピークを広げるための干渉計エンコーダシステムの例を示す概略図である。
【図１３Ａ】離散波長サンプリングの例を示す概略図である。
【図１３Ｂ】離散波長サンプリングの例を示す概略図である。
【図１４】干渉計エンコーダシステムの一例を示す概略図である。
【図１５】干渉計を含むリソグラフィツールの実施形態の概略図である。
【図１６Ａ】集積回路を製造するためのステップを説明するフローチャートである。
【図１６Ｂ】集積回路を製造するためのステップを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本開示は、エンコーダスケールの位置及び移動に関する情報を得るために、エンコーダスケールの１次以上の様々な回折次数から生じる干渉信号の位相を評価するために波長調整（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｔｕｎｉｎｇ）に依拠する方法及びシステムを包含する。エンコーダシステムでは、エンコーダスケールの移動が干渉位相に符号化され、干渉位相を測定することによって移動を推定することができる。波長調整は、干渉位相をリカバーする（recover）ために既知の方法で干渉強度を変調するための便利で有用な方法を提供する。
【００４６】
図１に示すように、エンコーダシステム１００は、（例えば、広帯域または波長可変光源を含む）光源モジュール１０２、光ファイバ１０４、光学アセンブリ１０６、測定対象物１０８、検出モジュール１２０（例えば、偏光子および光電検出器）、および電子プロセッサ１３０を含む。一般に、光源モジュール１０２は、光源を含み、ビーム整形光学系（例えば、レンズ）、波長フィルタおよび／または偏光管理光学系（例えば、偏光子および／または波長板）などの他の構成要素も含むことができる。エンコーダシステムの様々な実施形態は、本開示を通じて説明される。基準のためにデカルト座標系（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  ｓｙｓｔｅｍ）が示されている。
【００４７】
光ファイバ１０４は、シングルモードファイバまたはマルチモードファイバであってもよい。いくつかの実施態様では、ファイバは不要であり、光は自由空間を通って導かれる。測定対象物１０８は、光学アセンブリ１０６からＺ軸に沿ってある公称距離に配置される。エンコーダシステムがリソグラフィツールのウェハステージまたはレチクルステージの位置を監視するために使用されるような多くの用途では、測定対象物１０８は、光学アセンブリに対してＸ方向および／またはＹ方向に移動するが、測定対象物１０８は、Ｚ軸にも沿って移動することができる。移動中、エンコーダシステム１００は、ｘ軸に関する測定対象物１０８の位置を含み、さらに、ある実施形態では、ｙ軸及び／又はｚ軸に対する及び／又はピッチ（例えば、ｘ軸及び／又はｙ軸の周りの回転）及び／又はヨー（例えば、ｚ軸の周りの回転）角度の向きに関する測定対象物１０８の位置を含む光学アセンブリ１０６に対する測定対象物１０８の１つ又は複数の自由度を監視する。
【００４８】
図１の実施形態では、（図１に示すように、ファイバ１０４を介して伝達される）光は、光源モジュール１０２から送出され、光学要素１１４（例えば、ビームスプリッタまたは光サーキュレータ）を介して光学アセンブリ１０６に到達する。光学アセンブリ１０６は、コリメートされた入力ビームを生成するように構成された１つ以上の光学要素（例えば、コリメータ１１６（ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ））を含む。光学アセンブリ１０６はまた、基準面１１８を含み、コリメートされた入力ビームの一部が基準面１１８から反射して、アセンブリ１０６を介して、ファイバ１０４に戻って結合される基準ビーム（図示せず）を提供する。基準面１１８は、コリメートされた入力ビームを部分的に反射し、コリメートされた入力ビームを部分的に透過するように構成された光学要素（例えば、ビームスプリッタ）の一部であってもよい。例えば、基準面は、アセンブリ１０６内の最後の光学要素の射出段階であってもよい。基準面１１８（すなわち、試験ビーム１１２）を透過するコリメートされたビームの部分は、エンコーダスケール１１０に方向付けされ、エンコーダスケール１１０に当たる。エンコーダスケール１１０は、測定対象物１０８に堅固に取り付けられてもよく、測定対象物自体であってもよい。
【００４９】
エンコーダスケール１１０は、例えば、試験ビーム１１２を１次以上の回折次数に回折させる測定目盛を含む。通常、エンコーダスケールは、回折格子またはホログラフィック（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ）回折構造のような様々な異なる回折構造を含むことができる。例または回折格子は、正弦曲線（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ）、長方形、または鋸歯状の回折格子を含む。格子は、一定の周期を有する周期構造だけでなく、より複雑な周期構造（例えば、チャープ回折格子（ｃｈｉｒｐｅｄ  ｇｒａｔｉｎｇｓ））によっても特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、エンコーダスケール１１０は、測定ビームを２つ以上の平面に回折することができる。例えば、エンコーダスケールは、測定ビームをＸ−Ｚ平面及びＹ−Ｚ平面の回折次数に回折する２次元回折格子であってもよい。エンコーダスケールは、測定対象物１０８の移動の範囲に対応する距離にわたってＸＹ平面内に延在することができる。通常、使用される回折構造（例えば、格子周期）の選択は、入力ビームの波長、光学アセンブリの配置、および測定に使用される回折次数に応じて変更され得る。いくつかの実施形態では、回折構造は、約１λ〜約２０λの範囲の周期を有する回折格子であり、λは光源の波長である。回折格子は、例えば、約１μｍから約１０μｍの範囲の周期を有することができる。他の周期も同様に可能である。
【００５０】
エンコーダスケール１１０に当たった後、０次の回折ビームは、光学アセンブリ１０６を通って戻ってファイバ１０４に再結合される。ファイバ１０４内の基準ビームと試験ビームは結合して、スプリッタ／サーキュレータ１１４によって検出モジュール１２０に方向付けされる出力ビームを形成する。検出モジュール１２０は出力ビームを検出し、検出された出力ビームに応答して干渉信号を電子プロセッサ１３０に送る。電子プロセッサ１３０は、信号を受信して分析し、光学アセンブリ１０６に対する測定対象物１０８の１つ以上の自由度に関する情報を決定する。図１は干渉変位測定システムの一例に過ぎない。エンコーダシステムの配置および構成に関するさらなる例および追加の情報は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８，３００，２３３号に見出すことができる。
【００５１】
基準ビームに対して、試験ビームの位相φは、伝搬される光路長（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐａｔｈ  ｌｅｎｇｔｈ：ＯＰＬ）ｎＤおよび光の光周波数に依存し、以下のように表すことができる。
【００５２】
【数１】
0006469833.tif 000002
ここで、ｖ＝ｃ／λは真空の光学周波数（λは波長）、ｎは媒質のＤに沿った屈折率、Ｄはキャビティ領域（シングルパス）の物理的な経路長であり、エンコーダスケール１２２と光学アセンブリ１０６の基準面１１８との間のビームを生成する。光周波数が掃引されるときにＤおよびｎが固定されていると、出力ビームの干渉位相は、
【００５３】
【数２】
0006469833.tif 000003
に従って変化し、Δは変数の変化または変化量を示す。したがって、光周波数範囲Δｖが分かれば、相対変位を測定する典型的な変位測定干渉計システムとは対照的に、距離は絶対的に決定することができる。
【００５４】
代替的には、コリメータアセンブリの位置が固定され、エンコーダスケールがｚ軸に沿って移動可能であると、固定波長における０次の干渉位相は、ＯＰＬの変化Δｚに対して感度が高く、以下のように表すことができる。
【００５５】
【数３】
0006469833.tif 000004
ここで、負の符号は、回折格子が＋ｚ方向に（すなわち、図１に示すコリメータアセンブリ１０６に向かって）移動する場合に位相が減少することを示す。図１に示す実装形態は、格子平面に垂直な移動（すなわち、平面外移動（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ｍｏｔｉｏｎ）またはビーム軸に沿った移動）に対して感度が高いが、回折格子に平行な面内移動（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｍｏｔｉｏｎ）に対しては感度が高くない。
【００５６】
光源モジュール１０２は、光源モジュール１０２から供給される光の光周波数を掃引することによって調整することができる。例えば、いくつかの実施形態では、光源モジュール１０２は、波長／周波数可変光源を含み、光源によって出力される光の周波数は、レーザ発振キャビティ（ｌａｓｉｎｇ  ｃａｖｉｔｙ）の光路長を調整することによって（例えば、レーザ発振キャビティの屈折率を調整することによって、レーザ発振キャビティの長さを機械的に調整することによって、又はレーザ発振キャビティの長さを温度的に変化させることによって）変更され得る。他の実施形態では、光源モジュール１０２は、離散波長がサンプリングされる広帯域光源（例えば、キセノンランプまたは石英タングステンハロゲンランプ）を含むことができる。例えば、光源モジュール１０２は、光源の異なる波長を分離するように変化させることができる複数の色フィルタ（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｆｉｌｔｅｒｓ）を有する統合調整可能フィルタ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  ｆｉｌｔｅｒ）を含むことができる。光源モジュール１０２は、光源によって生成される光に適用される色フィルタを変更することによって光ビームの光周波数を制御する電子プロセッサ１３０に結合されてもよい。波長を離散的にサンプリングするための他の選択肢については、図１３Ａ〜図１３Ｂに記載されている。光源を連続的に調整することによって、または波長を離散的に選択することによって、光源モジュール１０２は、比較的広い範囲の使用可能な波長を提供することができる。例えば、光源モジュール１０２は、約７００ｎｍまでの範囲にわたって光の波長を出力することができる（例えば、約６００ｎｍ、約５００ｎｍ、約４００ｎｍ、約３００ｎｍ、約２００ｎｍ、約１００ｎｍ、または約５０ｎｍの範囲）である。可視および近赤外（例えば、約４００ｎｍ〜約２，０００ｎｍ）の波長を使用することができる。例示的な波長範囲は、約１，０００ｎｍ〜約１，６００ｎｍを含む。光源モジュール１０２は、波長範囲を約１００ｋＨｚ以上（例えば、約１５０ｋＨｚまで、約２００ｋＨｚまで、約３００ｋＨｚまで、約４００ｋＨｚまで、または約５００ｋＨｚまで）の速度まで掃引することができる。約１ＭＨｚまでの最大周波数を使用することができる。
【００５７】
測定対象物に関する追加の及び／又は異なる情報を得るために、図１に示す実施態様に複数の変更を加えることができる。例えば、図２は、測定対象物の複数の自由度に関する情報を決定することを可能にする例示的なエンコーダシステム２００を示す概略図である。図１に示すように、エンコーダシステム２００は、光源モジュールからの光を受光する光ファイバ２０４と、試験ビーム２１２および基準ビーム（図示せず）を生成する光学アセンブリ２０６と、エンコーダスケール２１０に取り付けられる測定対象物２０８と、を含む。システム２００の光源モジュール、検出モジュールおよび電子プロセッサは、分かりやすくするために省略されている。光学アセンブリ２０６は、コリメートされたビームを生成するように構成された１つ以上の光学要素（例えば、コリメータ２１６）と、基準ビームを反射し、エンコーダスケール２１０に向かって試験ビームを伝搬させるための基準面２１８とを含む。第１のキャビティは、光学アセンブリ２０６とエンコーダスケール２１０との間のビームが伝搬する空間によって画定され、ｎＤの光路長を有する。
【００５８】
図１のシステム１００とは対照的に、光学アセンブリ２０６は、試験ビーム２１２がエンコーダスケール２１０にリトロー角θＬで衝突するように、エンコーダスケールの面法線に対して傾いている。試験ビーム２１２の波長が掃引されると、回折ビーム角度が、以下の回折格子の式に応じて変化する。
【００５９】
【数４】
0006469833.tif 000005
ここで、θｉおよびθｍはそれぞれ入射角およびｍ次の回折角であり、Λは回折格子の周期（ｇｒａｔｉｎｇ  ｐｅｒｉｏｄ）であり、すべての角度はエンコーダスケールの面法線に対して測定される。より長い波長は、固定されたΛに対するより短い波長よりも大きな角度に回折する。通常、正および負の回折次数（ｍ）が存在するので、ｍは符号付き整数（ｓｉｇｎｅｄ  ｉｎｔｅｇｅｒ）である。
【００６０】
従って、波長が掃引されるとき、（エンコーダスケール２１０によって回折された）戻った試験ビームの角度は、戻った試験ビームが光学アセンブリ２０６にわたって掃引するように変化する。戻り試験ビームは、リトロー条件が満たされている波長λＬに近い波長の範囲についてのみ、入射試験ビームの経路に沿って、名目上再帰反射される（ｎｏｍｉｎａｌｌｙ  ｒｅｔｒｏ  ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ）。
【００６１】
【数５】
0006469833.tif 000006
戻った試験ビームおよび基準ビームは、光学アセンブリ２０６によって結合されて、検出モジュールによって検出される出力ビームを生成する。回折された試験ビームと参照ビームとの干渉による出力ビームの干渉コントラストは、波長スイープ中にλＬで最大値を示す。この現象は、ここでは「コントラストピーキング（ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｐｅａｋｉｎｇ）」または「ピークコントラスト（ｐｅａｋ  ｃｏｎｔｒａｓｔ）」と呼ばれ、後述するようにセンサの構成および機能に多くの意味を持つ。
【００６２】
基準位置を座標原点に設定すると、瞬間干渉位相（ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｐｈａｓｅ）は、ビームがエンコーダスケールに当たる点に基づき、図２に示すような１次元周期構造に対して以下のように表すことができる。
【００６３】
【数６】
0006469833.tif 000007
ここで、（ｘ、ｚ）は、試験ビームがｘ−ｚ平面内で回折格子に衝突する点である。さらに、Ｄは式（２）で測定されるため、ｘとｚの相対移動は、以下の２つの式を用いて減結合して（ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ）導き出すことができる。
【００６４】
【数７】
0006469833.tif 000008
及び
【００６５】
【数８】
0006469833.tif 000009
したがって、掃引による干渉変調を解析することによって、エンコーダスケール２１０に対するリトロー波長ＸＬおよび絶対距離Ｄが推定される。コントラストピークにおける位相変化は、複数の自由度に沿ったエンコーダスケール２１０の相対的な位置変化に関する情報を提供する。
【００６６】
図２のエンコーダスケール２１０は、回折ビームがｘ−ｚ平面内を伝搬するように、ｘ方向に周期的な１次元周期構造を有すると仮定する。しかしながら、構造が２次元に沿って周期的である場合、別の光学アセンブリヘッドがｙ−ｚ平面に設けられて、ｙ−ｚ平面で回折された試験ビームを検出し、続いてｙ方向の移動を測定する。第１の光学アセンブリと同様に、第２の光学アセンブリは、例えば、入力光を受光するコリメータを含み、部分反射基準面を使用して第２の試験ビームおよび第２の基準ビームを生成することができる。第２の試験ビームおよび第２の基準ビームは、第１の試験ビームおよび第１の基準ビームと同じ光源によって生成された光ビームから生成することができる。あるいは、第２の試験ビームおよび第２の基準ビームは、異なる光源によって生成された光ビームから導出されてもよい。
【００６７】
第２の光学アセンブリの相対的なｙおよびｚの変位は、以下の式から決定することができる。
【００６８】
【数９】
0006469833.tif 000010
ここで、プライム記号（ｐｒｉｍｅ）は、変数が第２の光学アセンブリに関連付けられていることを示す。第２の光学アセンブリはまた、第２のキャビティの基準面とエンコーダスケールの表面との間で試験ビームが伝搬し、物理的距離Ｄ’を有する空間によって画定される第２のキャビティを形成する。２つのアセンブリは異なる基準を有するので、第２の光学アセンブリによって形成される第２のキャビティのＯＰＬ  ｎＤ’は、通常、第１の光学アセンブリ２０６によって形成される第１のキャビティのＯＰＬ  ｎＤとは異なる。しかしながら、Δｚは、両方に共通である。
【００６９】
図３は、波長調整を利用するエンコーダシステムの別の実施形態を示す概略図である。図３に示すように、システム３００は、光源モジュールからの入力ビームを受け取る光ファイバ３０４と、入力ビームから試験ビーム３１２および基準ビーム（図示せず）を生成する光学アセンブリ３０６と、エンコーダスケール３１０とを含む。システム３００の測定対象物、光源モジュール、検出モジュールおよび電子プロセッサは、明瞭化のために省略されている。光学アセンブリ３０６は、コリメートされた入力ビームを生成するように構成された１つ以上の光学要素（例えば、コリメータ３１６）と、入力ビームの第１の部分を反射し（基準ビームを生成する）、試験ビーム３１２として入力ビームの第２の部分を透過する基準面３１８とを含む。システム３００はまた、反射器３２０（例えば、ミラー）を含む。
【００７０】
移動中、試験ビーム３１２は、エンコーダスケール３１０に衝突し、その結果、エンコーダスケールの面法線に対して角度θｍで伝搬するｍ次回折された試験ビームと同様に、入力試験ビーム３１２と同じ経路に沿って光学アセンブリ３０６に戻る０次回折された試験ビームが生じる。ｍ次回折ビームは、反射器３２０によってエンコーダスケール３１０に戻され、ビームは、エンコーダスケール３１０から、０次回折された試験ビームと同時に入射する経路に沿って再び回折される。従って、ｍ次及び０次の回折された試験ビーム経路の間の差は、ｍ次のビーム、つまりｎＤｍで横切られる追加の光学的長さである。これらのビームの両方は、光学アセンブリ３０６を通って戻り、基準ビームと干渉し、ファイバ３０４に再結合され、スプリッタ／サーキュレータによって検出モジュールに導かれ、そこで干渉が電子プロセッサによって分析される。エンコーダスケールが周期的な回折格子であると仮定すると、１次において、この構成は２つの干渉キャビティを有し、（ｎＤと等しい光路長を有する）基準回折格子（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ−ｇｒａｔｉｎｇ：ＲＧ）キャビティおよび（ｎＤ＋ｎＤｍと等しい光路長を有する）基準ミラー（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ−ｍｉｒｒｏｒ：ＲＭ）キャビティを含む。従って、ＲＭキャビティは、エンコーダスケール３１０と光学アセンブリ３０６との間の入射及び回折された試験ビームが伝搬する領域に加えて、反射器３２０とエンコーダスケール３１０との間のｍ次回折された試験ビームが伝搬する領域に対応するが、ＲＧキャビティは、エンコーダスケール３１０と光学アセンブリ３０６との間の入射および回折された試験ビームが伝搬する領域に対応する。多重干渉は、追加の高次のキャビティを生成するが、これらは瞬時に無視される。
【００７１】
２つの１次キャビティの干渉は、光周波数が掃引されるときの異なる挙動を示す。ＲＧキャビティに起因する検出器での干渉コントラストは、光が伝搬する光学媒質の屈折率ｎを考慮して以下の式に示すように干渉位相が式（３）により規定されるように掃引に起因するビームの角度変化がないので、掃引中に原則的に一定である。
【００７２】
【数１０】
0006469833.tif 000011
一方、ＲＭキャビティによる干渉コントラストは、ｍ次回折された試験ビームがミラーに垂直に（ｎｏｒｍａｌｌｙ）当たる波長で最大となる。回折格子の式（４）から、このことは式（１１）において生じる。
【００７３】
【数１１】
0006469833.tif 000012
ＲＭキャビティに関連する干渉位相は、以下の式（１２）に従った面内及び面外回折格子移動（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ａｎｄ  ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｍｏｔｉｏｎ）の両方に対して感度が高い。
【００７４】
【数１２】
0006469833.tif 000013
ＲＭキャビティ内の光は、図２のジオメトリ（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）に比べて回折格子に２度衝突するので、式（６）と比較して第１項に「２」の追加係数がある。両方のキャビティ位相が同時に測定されると仮定すると、ｘおよびｚ変位は式（１０）、（１２）を用いて解くことができる。
【００７５】
２つのキャビティは異なるＯＰＬを有するので、それらの干渉周波数は異なり、それらの位相はフーリエ変換（または他のタイプの周波数感度フィルタ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｆｉｌｔｅｒ））を用いて同時に測定される。このようにして、図３の実施形態では、ｘとｚの両方の変位は同時に測定される。式（１２）は、固定波長における位相挙動を説明するが、その波長における位相の抽出は、後述するように、ある波長の範囲について記録された変調された強度を分析することによって行われることに留意されたい。
【００７６】
エンコーダスケールが２次元である場合、別のミラーが配置されて、ｙ方向の回折を遮ることができ、このことは、エンコーダスケール３１０と光学アセンブリ３０６との間の試験ビームが伝搬する領域に加えて、第２のミラーとエンコーダスケール３１０との間の試験ビームが移動する領域に対応する第３のキャビティを生成する。この第３のキャビティからの出力ビームの位相は、以下の式（１３）に従った面内及び面外回折格子移動に対して感度が高い。
【００７７】
【数１３】
0006469833.tif 000014
式（１０）、（１２）および（１３）を用いて３つの位相測定値を組み合わせると、ｘ、ｙおよびｚに沿った変位の同時測定が提供される。３つのキャビティのすべてが異なるＯＰＬを有し、位相が、測定された出力ビームにおいて周波数分離可能である限り、３つの位相測定はすべて、単一の光学アセンブリおよび対応する検出モジュールで行うことができる。
【００７８】
未知パラメータΔｘ、Δｙ及びΔｚは、図３に示されている実施態様に対して負の次数の回折を監視することによっても見出すことができる。例えば、図４に示すエンコーダシステム４００は、エンコーダスケール３１０からの負のｍ’次の回折次数を測定する第２のキャビティを含むことを除いて、システム３００と同様である。第２のキャビティは、エンコーダスケール３１０と光学アセンブリ３０６との間の入射試験ビームおよび回折試験ビームが伝搬する領域に加えて、第２の反射器４０４とエンコーダスケール３１０との間のｍ’次回折された試験ビームが伝搬する領域に対応する。従って、第２のキャビティのＯＰＬは、
【００７９】
【数１４】
0006469833.tif 000015
として表すことができる。
【００８０】
式（１２）および（１３）の第１項が負の回折次数の符号を変更するので、正および負の次数の位相測定の適切な線形結合（ｌｉｎｅａｒ  ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を使用して、これらのパラメータを減結合することができる。例えば、負の回折次数キャビティをｍ’、Δｘ、Δｚとすることは、以下の式およびΔｙに対する同様な式で得られる。
【００８１】
【数１５】
0006469833.tif 000016
通常、｜ｍ｜は｜ｍ’｜と等しくなる必要はないが、もしそうであればジオメトリは単純化される。例えば、ｍ＝１、ｍ’＝−１の場合、式（１４）および（１５）は（１６）に簡易化される。
【００８２】
【数１６】
0006469833.tif 000017
同様の式をｙキャビティを用いて得ることができる。ｘ方向とｙ方向の両方の＋と−の次数を用いると、追加の冗長性（additional redundancy）が利用されて測定誤差を減らすことができる。しかしながら、（例えば、光学アセンブリおよび出力ファイバを通る）単一のチャネルは、測定された出力ビーム内のすべての情報を運ぶので、位相が周波数分離可能であるように、（０次、２つの正の次数および２つの負の次数）の５つのキャビティは異なる光路長を有する。
【００８３】
例えば、図５は、コリメータ５１６および基準面５１８を有する光学アセンブリ５０６、エンコーダスケール５１０、および回折された試験ビームをエンコーダスケール５１０に戻すように反射するミラー５２０を含むという点で、図３のシステム３００と同様のエンコーダシステム５００を示す概略図である。図３に示すように、ミラー５２０は、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面の両方に沿って＋および−の回折次数の両方を偏向（deflect）するように配置される。しかし、単一の光学アセンブリがすべての情報を運ぶので、位相が周波数分離可能であるように、（０次、２つの正の次数、及び２つの負の次数の）５つのキャビティは異なる光学長を持たなければならないことに注意されたい。このことは、各ミラー５２０が他の３つのミラーよりもエンコーダスケール５１０から異なる距離に位置するようにミラー５２０を配置することによって達成することができる。
【００８４】
図１〜３に示す３つの実装形態は、表１にまとめた測定特性を有する。この表では、エンコーダシステムは、エンコーダスケールとして単一の光学アセンブリ／検出モジュールと２−Ｄ回折格子を使用すると仮定する。各列について、エンコーダシステムは、自由度の変化を測定するか（Ｍ）、自由度の変化に敏感である（Ｓ）か、または自由度の変化に鈍感であるか（Ｉ）のいずれかである。図２に示す実施形態では、ｙ軸が測定され得るが、別の光学アセンブリ／検出モジュールの組み合わせを追加するだけである。
【００８５】
【表１】
0006469833.tif 000018
図３〜５の実施形態はミラーを用いて光学キャビティを形成しているが、他の光学素子は有利に代替され得る。例えば、図６Ａおよび図６Ｂは、２つの代替的なエンコーダシステム構成を示す概略図であり、複数の反射器が、それぞれルーフミラー６０２およびコーナーキューブ再帰反射器（ｃｏｒｎｅｒ  ｃｕｂｅ  ｒｅｔｒｏ−ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）６０４を含む。コーナーキューブ再帰反射器は、３つの互いに垂直な平面ミラー（すなわち、キューブのコーナー）の交差から構成される光学要素である。コーナーキューブは、ミラー面のいずれかに当たるビームを再帰反射する。ルーフミラーまたはプリズムは、２つの互いに垂直なミラー（すなわち、キューブのエッジの１つ）から構成された光学系である。ルーフプリズムは、互いに垂直なミラーの両方に垂直な平面内にあるビームを再帰反射するという点で、コーナーキューブとは異なる。ルーフミラーおよび再帰反射器を用いる利点は、エンコーダスケールの変化（例えば、エンコーダスケールの誤った傾斜および／または格子構造の変動）または回折された試験ビームの角度の偏差につながる他の特徴に対するエンコーダシステムの許容誤差（tolerance）を改善することである。
【００８６】
図１〜６に示された実施形態の別の利点は、回折された試験ビームおよび基準ビームは、照明に使用されるのと同じ光ファイバに沿って戻るので、エンコーダシステムが多数の構成要素を必要とせず、コンパクトに構成され得ることである。それにもかかわらず、基準ビームおよび回折された試験ビームを、照明に使用されるのと同じ経路に沿って送り返すことを必要としない他の実施形態も可能である。
【００８７】
例えば、図７ａは、基準ビームおよび試験ビームが光学アセンブリ７０４とは別個に組み合わされるエンコーダシステム７００を示す概略図である。具体的には、光源モジュール７０２からのコリメートされた入力ビームは、光学アセンブリ７０４のコリメート光学系（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃ）を介してビーム分割構成要素（ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）７０６に供給される。ビーム分割構成要素７０６は、コリメートされた入力ビームを、検出器モジュール７０８に向かって方向転換される第１の部分（例えば、基準ビーム）と、エンコーダスケール７１０に向かって伝搬される第２の部分（例えば、試験ビーム）に分割する。試験ビームは、エンコーダスケール７１０で回折されると、反射器７１２（例えば、ミラー）で反射されてビーム分割構成要素７０６に戻され、回折された試験ビームが基準ビームと合成されて出力ビームを形成する。検出モジュール７０８は、出力ビームを検出して、電子プロセッサ（図示せず）によって分析され得る干渉信号を生成する。第２のキャビティは、要素７０６のビーム分割界面（ｂｅａｍ−ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）からエンコーダスケール７１０までの回折ビームが伝搬する距離（図７ａの距離「ａ」）、エンコーダスケール７１０から反射器７１２までの回折ビームが伝搬する距離（図７ａの距離「ｂ」）、及びビーム分割界面に戻る回折ビームが伝搬する距離（図７ａの距離「ｃ」）によって規定される対応するＯＰＬ  ｎＤｍを有する。
【００８８】
他の実施形態と同様に、エンコーダスケールの面法線に対して測定された回折された試験ビームの角度は、試験ビームの光学周波数の変化と共に変化し、出力ビームの干渉強度の変化をもたらす。各キャビティについて最大干渉強度に関連する光周波数が決定されると、それらの周波数における位相変化を分析して、エンコーダスケール７１０の異なる移動度（ｄｅｇｒｅｅｓ  ｏｆ  ｍｏｔｉｏｎ）に関する情報を決定することができる。
【００８９】
図７ｂは、図７ａに示すエンコーダシステムの変形例を示す概略図である。図７ｂに示すように、エンコーダシステム７５０はビーム分割要素７０６を含むが、検出モジュール７５６に結合された入力ファイバ７５１とは別の第２の光ファイバ７５４も含む。基準ビームおよび回折された試験ビームを含む出力ビームは、レンズ７５８を使用して光ファイバ７５４に結合される。レンズ７５８はここではファイバ７５４から分離されて示されているが、レンズ７５８はファイバ７５４の端部に結合されてもよい。図７ａおよび図７ｂに示される実施形態の利点は、エンコーダスケールとの試験ビームの相互作用を最小にして、エンコーダシステムの放射効率（ｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を高めることである。すなわち、回折自体は、複数の次数の回折ビームを生成するために非効率的であり得るので、実際にエンコーダスケールによって回折される回数を減らすことが有利である。試験ビームとエンコーダスケールとの間の相互作用が少なくなると、最終的に基準ビームと干渉する回折された試験ビームの強度が大きくなり、電子プロセッサによって分析された干渉信号の信号対ノイズ比が改善される。さらに、別の利点は、ファイバへの再結合が、散乱光からの偽干渉（ｓｐｕｒｉｏｕｓ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）を大幅に低減する空間フィルタリング（ｓｐａｔｉａｌ  ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）を提供することである。
【００９０】
上述したように、重要な設計検討事項は、各キャビティからの信号位相を出力ビーム干渉信号から精度よく抽出できるように、様々なキャビティの光学長を設定することである。
【００９１】
コントラストピーキングのために、ミラー傾斜を変更することも別の選択肢である。異なるＯＰＬを有するキャビティはフーリエ領域（Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｄｏｍａｉｎ）で分離することができるが、干渉信号が波長走査の異なる点で生じるので、ミラー傾斜を変更することによってキャビティが時間領域（ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ）において分離される。キャビティの試験ミラーの傾斜を調整して、異なるキャビティの異なる波長で最大干渉が起こり、それにより、精度良い信号抽出が可能になることが有利である。
【００９２】
したがって、試験ミラーの傾斜は、エンコーダシステム構成のもう一つの考慮事項です。図８は、ミラーを傾けて時間領域において異なるキャビティを分離することに依存するエンコーダシステム８００の一例を示す概略図である。図３に示すエンコーダシステムの実施形態と同様に、システム８００は、光源モジュールからの入力ビームを受け取るための光ファイバ８０４、スプリッタ８０５、試験ビーム８１２および（図示されていない）基準ビームを得るための（コリメータ８１６および基準面８１８を有する）光学アセンブリ８０６、エンコーダスケール８１０、および平面ミラー８２０を含む。システム８００の測定対象、光源モジュール、検出モジュールおよび電子プロセッサは、明瞭化のために省略されている。ミラー８２０は、軸（例えば、図８のｙ軸）を中心に回転可能である。ミラー８２０がその軸の周りを回転すると、ミラー８２０からの通常の反射に関連する波長がシフトし、従って、最大干渉がλからλ’にシフトする。ここで、λ’＞λである。図８に示すように、この波長シフトは、θからθ’までの最大干渉を生じさせる回折ビームの角度の増加に関連する。
【００９３】
実際の状況では、エンコーダスケールの移動には平行移動とともに回転も含まれ、これらの回転により、ビームに入射角と回折角の変化が生じる。ピークコントラスト（λｐ）で波長を測定することにより、エンコーダスケール特性および波長掃引が既知であれば、入射ビームおよび回折ビームによって規定される平面に垂直な軸の周りの回転の決定が可能になる。例えば、図９Ａの概略図に示される幾何学的形状およびビーム経路を考慮する。実験座標系（ｌａｂ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  ｓｙｓｔｅｍ）は、ｚ軸が垂直で、ｘ軸が水平で示されている。まず、エンコーダのスケール面法線が（ｚ軸に沿った）入射ビームと整列しているときにλｐの測定を行い、この測定を
【００９４】
【数１７】
0006469833.tif 000019
と呼ぶものと仮定する。今度は回折格子がページ（ｐａｇｅ）の平面内で実験起点（ｌａｂ  ｏｒｉｇｉｎ）について角度τだけ回転させる。正のτは時計回りの回転を示す（右手プロット）。入射ビームを提供する光学アセンブリは移動せずに、入射ビームは依然としてｚ軸に整列しているので、τは、リチャードソン・グレーティングの規則（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ）に整合する符号（sign）の新しい入射角を表す。ピークコントラスト波長は、実験座標系の回折角τが変化しない波長で生じる。図９Ｂに示すビーム経路および回折格子の式から、傾斜角が、以下のτに対する超越方程式を解くことによってリカバーされる。
【００９５】
【数１８】
0006469833.tif 000020
小さなτの有効な近似（useful approximation）は次の式となる。
【００９６】
【数１９】
0006469833.tif 000021
光学アセンブリとミラーが強固に取り付けられ、エンコーダスケールの面のみがこのアセンブリに対して移動すると仮定すると、様々なコントラストピークでキャビティ位相および波長を得るためにこれらの波長掃引を迅速に繰り返し、各トレースをフーリエ変換で分析することは、アセンブリに対するエンコーダスケールの移動を追跡するのに必要な全ての情報を提供する。（光ビームを含む平面に垂直な軸の周りの）エンコーダスケールの傾斜がピーク位置から直接測定され、特定の光周波数で位相を追跡することにより、面内及び面外のエンコーダスケールの移動の両方の混合であるビーム光路の変化の高分解能測定が提供される。次に、この移動は、適切なジオメトリに対する上記の式を使用して分離される。したがって、単一の光学アセンブリ／検出器の構成は、エンコーダスケールの移動の５つの自由度、ｘ、ｙ、ｚの変位、及びｘ、ｙの回転に対して構成され得る。
【００９７】
異なるキャビティＯＰＬまたは反射器の傾斜に起因するピークコントラストの特定は、例示を用いてより理解することができる。例えば、図４に示されるものと同様なエンコーダシステムのジオメトリの例から得られる干渉強度のシミュレーションを考慮する。ミラーは、Ｄ＝１０ｍｍ、Ｄｍ＝＋１＝１６ｍｍ、Ｄｎ＝−１＝１２ｍｍの一次回折された試験ビームを反射するように配置されている。シミュレーションでは、照明は１００ｎｍにわたって波長が調整され、約１．４５μｍで中心である。エンコーダスケールは、２．８μｍの周期を有する回折格子であると仮定されているので、λ＝１．４μｍにおける１次回折角は、エンコーダスケールの面法線に対して約３０度である。コリメータ焦点距離および単一モードファイバのコア直径（典型的には約９μｍ）によって求められるビーム直径は、角度に応じてコントラスト低下を規定する。試験ビームが中心波長に同調されたとき、回折された試験ビームがミラーに正常に当たるように、正および負の回折次数の両方のミラーが、エンコーダスケールの面法線に対して同じ角度に設定されると仮定する。
【００９８】
上記構成を用いた第１の測定では、エンコーダスケールは停止していると仮定する。図１０Ａは、光学周波数が直線的に増加した１００ｎｍの調整の間にシミュレーションシステムで測定された８１９２個の干渉強度サンプルを示す。０次のキャビティからのトレース全体にわたって測定される連続的な干渉に注意されたい。これは、０次キャビティのコントラストが波長に応じたものではない（しかし、試験回折格子の傾斜に依存する）ためである。＋１および−１の回折次数のキャビティからの光が干渉するため、中心近くで追加の干渉（Extra interference）が測定された。これらのキャビティの両方に対する干渉は、（図１０Ａに示す干渉強度トレースの中心に生じる）中心波長の近傍に限定される。
【００９９】
強度信号のフーリエ変換を実行することによって、干渉トレースは、異なるキャビティの各々について位相および干渉コントラスト情報が提供される。例えば、図１０Ｂのグラフは、上側のグラフの干渉強度トレースのフーリエ変換から導出された分数ナイキスト（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  Ｎｙｑｕｉｓｔ）における周波数に応じたパワースペクトルを示す。６つの干渉キャビティを表す６つのピークが測定される。３つのピークは、これまで説明したキャビティ、すなわち０次のキャビティ（基準面と格子面との間の干渉）、＋１次キャビティ（基準ミラーと左側ミラーとの間の干渉）、−１次キャビティ（基準ミラーと右ミラーとの間の干渉）に対応する。残りのピークは、２つの試験ミラー間の干渉、右ミラーとエンコーダスケールとの干渉、および左ミラーとエンコーダスケールとの間の干渉を表す。キャビティ長は、６つの干渉ピークが良好に分離されるように選択される。特に、（ほぼ無限に高い単一線として現れる）０．１１６の周波数での狭いピークは０次のキャビティであり、０．２５５でのピークは−１次のキャビティであり、＋１次のキャビティは０．３０２である。０．０４７，０．１４０，０．１８６でのピークは、２つの試験ミラー間の干渉、−１次ミラーを用いた試験回折格子、＋１次ミラーを用いた試験回折格子をそれぞれ表す。各キャビティの位相は、対応するピークの最大値における複素フーリエ係数から得ることができる。
【０１００】
図１１Ａは、同じエンコーダシステムのジオメトリに対する干渉強度トレースのシミュレーションを示すプロットであり、図１０Ａのプロットはそのジオメトリに基づき、そのジオメトリでは、−１次のキャビティのミラーは、１．４３μｍの波長で最大の干渉が生じるように傾けられている。図１１Ａを参照すると、−１次キャビティから生じる干渉は、ここでは、ほぼ強度サンプル５５００に変位される。図１１Ｂを参照すると、２つのミラーで反射された光がもはや一致しないので、パワースペクトルにおける２つの試験ミラー間の干渉を表すピークは消失している。したがって、そのスペクトル領域は、望ましくない干渉信号が除去されるので、その範囲内の干渉周波数に関連する追加のキャビティが、エンコーダシステムに追加され得る。
【０１０１】
キャビティの端部で平面ミラーのような非分散要素を使用することは、波長が掃引されるときに干渉コントラストが短時間だけ測定されることを意味する。これは、フーリエ領域のピークを広げて弱め、位相分解能を低下させる。したがって、いくつかの状況では、良好なコントラスト干渉が観測される時間を長くすることが有利であり得る。
【０１０２】
例えば、図１２Ａは、良好な干渉が観測される時間を増加させるためにレンズに依存する干渉測定エンコーダシステムの一例を示す概略図である。他の実施形態と同様に、図１２Ａに示すシステムは、試験ビーム１２１２をエンコーダスケール１２１０に方向付け、エンコーダスケール１２１０からの反射および回折後に試験ビームを受け取る光学アセンブリ１２０６を含む。しかしながら、ミラー１２２０は、中間レンズ１２１８の焦点面に配置される。中間レンズ１２１８の位置決めは、再帰反射される回折ビームの角度範囲を増加させ、良好な品質の干渉をもたらす波長の範囲を拡大する。
【０１０３】
図１２Ｂは、良好な干渉が観測される時間を増加させるために二次回折格子１２２２に依存する干渉エンコーダシステムの一例を示す概略図である。回折格子１２２２は、ビーム（１２１４，１２１６）がミラー１２２４に再び方向付けされるように、エンコーダスケール１２１０の周期にほぼ等しい格子周期の伝搬を実行する。図１２Ａと同様に、図１２Ｂに示す構成は、エンコーダスケール１２１０の分散を補償することによって検出モジュールに記録される良好なコントラスト干渉をもたらす回折ビーム角度の範囲を増加させ、所望の再帰反射を生じさせる波長の範囲を拡大する。
【０１０４】
図１２Ｃは、エンコーダスケール分散を補償するために二次回折格子１２２６に依拠する干渉エンコーダシステムの別の例を示す概略図であり、掃引中に良好な干渉が観測される時間を増加させる。図１２Ｃの実施形態では、回折格子１２２６は、ビーム（１２１４，１２１６）がエンコーダスケール１２１０に向かって反射されるように、エンコーダスケール１２１０の周期のほぼ半分に等しい格子周期を有する反射リトロー状態（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ  Ｌｉｔｔｒｏｗ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）で動作する。また、図１２Ａ〜図１２Ｂに示す実施形態と同様に、図１２Ｃの構成は、再帰反射される回折ビームの角度範囲を増加させ、拡大された波長範囲にわたって検出モジュールに記録される良好な干渉コントラストを提供する。
【０１０５】
波長の変化は、時間の経過とともに光源の光周波数／波長を連続的に走査することによって具体化され得るが、連続走査は必要ではない。代わりに、多くの離散波長からなる光源は、順次選択された離散波長、及び各離散波長でサンプリングされた干渉を用いて使用され得る。また、図１３Ａ〜１３Ｂは、異なる波長での出力ビームの離散的サンプリングに依拠するエンコーダシステムの２つの代替的な実施例を示す概略図である。各構成は、単一の離散波長が一度にサンプリングされるように、波長フィルタ（この場合は高密度波長分割多重化器（ｄｅｎｓｅ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：ＤＷＤＭ））に依拠する。各構成のＤＷＤＭは、ＤＷＤＭによってどの波長の光が選択されるかを制御するように動作可能な電子プロセッサ（図示せず）に結合されてもよい。図１３Ａは、（入力ビームが試験ビームと基準ビームとに分離される前に）光学アセンブリの上流の光ファイバ１３０４に結合されたＤＷＤＭ１３３２を使用して個別の波長が一度に選択される多波長光源１３３０（例えば、スペクトル広帯域光源）を有するエンコーダシステム１３００を示す。出力ビームの干渉は、検出モジュール内の単一の高速検出器（ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を使用してサンプリングされる。
【０１０６】
図１３Ｂは、ＤＷＤＭ１３３２が光学アセンブリの下流で（すなわち、回折された試験ビームと基準ビームが結合した後の）光ファイバ１３０４に結合されるエンコーダシステム１３５０の代替的な構成を示す。図１３Ａに示す実施形態とは対照的に、ＤＷＤＭ１３３２は、出力ビームの複数の波長を離散的に、一度に、または同時にサンプリングするように構成することができる。出力ビームの複数の波長が同時にサンプリングされる場合、サンプリングされた各出力ビームは、ＤＷＤＭ１３３２から単一の検出器または別々の対応する検出器に供給される。このように、図１３Ｂに示す実施形態は、同時サンプリングによる図１３Ａに示す実装形態におけるスピードの利点を有する。図１３Ｂの実施形態は、複数の検出器を使用するために複雑さを増すこともある。いくつかの実施形態では、光源は、複数の個別に選択可能な狭帯域光源の構成を含むことができる。複数の狭帯域光源は一度に一つずつ励起され、励起された狭帯域光源ごとに出力干渉がサンプリングされてもよい。
【０１０７】
いくつかの実施態様では、光源モジュールとしてスペクトル的に広帯域の光源（例えば、白色光源）が使用され、波長を調整する代わりに、広範囲の波長が同時に使用される。図１４は、エンコーダスケール１４１０で広帯域光源１４０２から複数の波長を同時に生成することによって出力干渉が得られる干渉型エンコーダシステム１４００の一例を示す概略図である。光源１４０２からの照明は、光ファイバ１４０４を介して、コリメータアセンブリ１４０６に供給され、エンコーダスケール１４１０に方向付けられる。エンコーダスケール１４１０は、光を複数の回折次数に回折し、その一部は、アセンブリ１４０６に戻され、ファイバ１４０４に再結合される。例えば、０次回折は、アセンブリ１４０６に直接戻る。非ゼロ次回折は、ミラー１４０８に向かってスペクトル的に拡散される（スペクトル１４３０を参照）。ここで、回折された成分の少なくともいくつかは、エンコーダスケール１４１０に向けて反射され（すなわち、これらスペクトル成分は、垂直入射で、又は略垂直入射でミラーに衝突する）、アセンブリ１４０６に再び方向付けられる。
【０１０８】
システム３００および一次近似に類似して、基準回折格子（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ−Ｇｒａｔｉｎｇ：ＲＧ）キャビティ、基準ミラー（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ−Ｍｉｒｒｏｒ：ＲＭ）キャビティおよび回折格子ミラー（Ｇｒａｔｉｎｇ−Ｍｉｒｒｏｒ：ＧＭ）キャビティの３つの光学キャビティが形成される。ファイバ１４０４に再結合された光は、スプリッタ／サーキュレータ１４１４を通って分光器アセンブリ／検出器モジュール１４２０に供給される。分光器アセンブリ１４２０は、光をコメリートする（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ）ための光学系と、コメリートされた光を受け取ってコリメートされた光の波長スペクトルを空間的に分離する回折格子（又は他の分散素子）１４４０と、光を多素子検出器（ｍｕｌｔｉ−ｅｌｅｍｅｎｔ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１４４４に方向付ける光学素子１４４２と、多素子検出器１４４４とを含む。各検出素子は、小さなスペクトル成分を受信するが、各成分は、検出器１４４４によって同時に取得される。続いて、各要素からの信号は、検出器１４４４に結合された電子プロセッサ（図示せず）によって処理され、様々なスペクトル成分の振幅および位相をリカバーする。各要素によって取得されるスペクトル成分の幅は、好ましくは、所望の全てのキャビティの結果として適切なコントラスト干渉が観測されるように十分に狭い。したがって、決定された回折格子の分散特性および使用される検出素子の数は、所望のコントラスト干渉およびスペクトル成分の幅に依存する。他のタイプの分光計（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）も使用することができる。例えば、検出モジュール１４２０は、フィルタホイール（ｆｉｌｔｅｒ  ｗｈｅｅｌ）、調整可能なファブリ・ペローキャビティ（ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  ｃａｖｉｔｙ）、または傾斜光学系を有する回折格子などの走査型分光計を含むことができる。いくつかの実施形態では、検出モジュール１４２０は、図１４に示されるような受動分光計（ｐａｓｓｉｖｅ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を含み得るが、異なる分散要素（例えば、屈折ウェッジ（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｗｅｄｇｅ））および集束光学系を有する。
【０１０９】
多素子検出器１４４４の各検出素子が、十分に狭いスペクトル成分を検出して、適切なコントラストが１次キャビティで測定されると仮定すると、検出素子のアレイによって取得された強度の同時分析は、同じスペクトル範囲にわたって波長を掃引することによって利用可能な情報を提供する。例えば、検出モジュールで検出された信号にフーリエ変換を適用した後、図１４の挿入図に示すように、各キャビティについて異なる周波数のピークを測定することができる。しかしながら、各検出素子からの信号が同時に取得されるので、システム１４００は、波長掃引の間に起こり得るキャビティの動作に対してあまり敏感ではない可能性がある。この方式は複雑な検出システムを潜在的に必要とする欠点を有するが、システム１４００を使用することができる用途に応じてキャビティの動作感度を低減することが望ましい利点である。
【０１１０】
本明細書に記載のシステムおよび技術の他の実施形態も可能である。例えば、いくつかの実施形態では、干渉計エンコーダシステムは、複数の光学アセンブリを含むことができ、光学アセンブリは、エンコーダスケールの構成および配置において、本明細書に記載のアセンブリに類似する。各アセンブリは、対応する出力ファイバを有してもよく、複数のアセンブリの出力ファイバは、一列に配置されてもよい。さらに、システムは、各出力ファイバから光出力（すなわち、基準および回折測定ビーム）を受け取るように構成された分散要素（たとえば、回折格子または屈折ウェッジ）および対応する光学要素（例えば、レンズ）を含むことができる。分散素子および対応する光学素子は、受け取った光をファイバが整列される方向に直交する方向にスペクトル的に拡散するように構成されてもよい。スペクトル拡散された出力ビームは、その後、面検出器（ａｒｅａｌ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）（例えば、電荷結合検出器（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）または相補型金属酸化膜半導体カメラチップ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｃａｍｅｒａ  ｃｈｉｐ））に方向付けられる。検出器によって記録された強度パターンは、単一の次元の波長、及び他の直交する次元の異なる光学アセンブリに対応する。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載された干渉計エンコーダシステムは、同じ光源から試験ビームおよび基準ビームを生成する代わりに、１つまたは複数の基準光源（たとえば基準波長レーザ源）を含むことができる。独立した光源からの基準ビームを提供することは、基準ビームを使用して分光計を較正することができるため、図１４に示される「瞬間的（ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ）」分光計構成で特に有用であり得る。
【０１１２】
通常、エンコーダスケールの自由度に関する情報を決定することを含む上述の分析方法のいずれかは、コンピュータハードウェアまたはソフトウェア、またはその両方の組合せで具体化することができる。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書に記載の様々な実施形態において検出器に結合された電子プロセッサはコンピュータに搭載され、検出モジュールから得られた信号の分析を実行するように構成することができる。分析は、本明細書に記載の方法に従って標準的なプログラミング技術を使用してコンピュータプログラムで実行することができる。プログラムコードは、本明細書に記載の機能を実行し、出力情報（例えば、自由度情報）を生成するために、入力データ（例えば、干渉位相情報）に適用される。出力情報は、ディスプレイ・モニタなどの１つまたは複数の出力デバイスに適用される。各プログラムは、コンピュータ・システムと通信するために、高水準の手続き型（ｈｉｇｈ  ｌｅｖｅｌ  ｐｒｏｃｅｄｕｒａｌ）またはオブジェクト指向のプログラミング言語で具体化することができる。しかし、プログラムは、必要に応じて、アセンブリ言語または機械語で具体化することができる。いずれの場合でも、言語はコンパイルされた言語または解釈された言語である可能性がある。さらに、プログラムは、その目的のために予めプログラムされた専用の集積回路上で動作することができる。
【０１１３】
このような各コンピュータプログラムは、好ましくは、本明細書に記載の手順を実行するために記憶媒体または装置がコンピュータによって読み取られた場合にコンピュータを構成し動作させる汎用または専用のプログラム可能なコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体または装置（例えば、ＲＯＭまたは磁気ディスケット）に記憶されている。コンピュータプログラムは、プログラム実行中にキャッシュまたはメインメモリに存在することもできる。分析方法はまた、コンピュータプログラムで構成されたコンピュータ可読記憶媒体として具体化することもでき、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを本明細書に記載された機能を実行するために特定の所定の方法で動作させるように構成される。
【０１１４】
リソグラフィツール・アプリケーション
リソグラフィツールは、コンピュータチップなどのような大規模集積回路の製造に使用されるリソグラフィ用途に特に有用である。リソグラフィは、半導体製造業界にとって重要な技術ドライバーである。オーバレイ改善（Ｏｖｅｒｌａｙ  ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ）は、１６ｎｍの線幅（設計ルール）以下の５つの最も困難な課題の１つであり、例えば、国際技術ロードマップまたは半導体（２０１０年更新）を参照されたい。
【０１１５】
オーバーレイ（Ｏｖｅｒｌａｙ）は、ウェハおよびレチクル（またはマスク）ステージを位置決めするために使用される計測システムの性能、すなわち正確度および精度に直接依存する。リソグラフィツールは、年間５０〜１００万ドルの製品を生産する可能性があるため、改良された度量衡システムの経済的価値は相当大きい。リソグラフィツールの歩留まりが１％増加する毎に、集積回路製造業者にとって約１万ドル／年の経済的利益がもたらされ、リソグラフィツールベンダーにとっては実質的な競争優位性が得られる。
【０１１６】
リソグラフィツールの機能は、空間的にパターン化された放射を、フォトレジストがコーティングされたウェハ上に方向付けることである。このプロセスは、ウェハのどの位置が放射線を受け取るか（アライメント）を決定し、その位置のフォトレジストに放射線を適用する（露光）ことを含む。
【０１１７】
露光中、放射源（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）はパターン化されたレチクルを照射し、パターン化されたレチクルは放射を散乱させて空間的にパターン化された放射を生成する。レチクルはマスクとも呼ばれ、これらの用語は以下では互換的に使用される。縮小リソグラフィの場合、縮小レンズは散乱された放射線（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を集め、レチクルパターンの縮小画像を形成する。あるいは、近接印刷の場合、散乱された放射は、レチクルパターンの１：１画像を生成するためにウェハにコンタクトする前に、小さな距離（通常、ミクロンオーダ）を伝搬する。放射線によって、放射線パターンをレジスト内の潜像（ｌａｔｅｎｔ  ｉｍａｇｅ）に変換するレジストの光化学プロセスが開始される。
【０１１８】
ウェハを適切に位置決めするために、ウェハは、専用センサによって測定することができるウェハ上のアライメントマークを含む。アライメントマークの測定された位置は、ツール内のウェハの位置を規定する。この情報は、ウェハ表面の所望のパターニングの仕様と共に、空間的にパターニングされた放射に対するウェハのアライメントをガイドする。そのような情報に基づいて、フォトレジストがコーティングされたウェハを支持する平行移動可能なステージは、放射線がウェハの正しい位置を露出するようにウェハを移動させる。リソグラフィスキャナなどの特定のリソグラフィツールでは、マスクは、露光中にウェハと協働して移動する平行移動可能なステージ上に配置される。
【０１１９】
前述したようなエンコーダシステムは、ウェハおよびレチクルの位置を制御し、レチクルイメージをウェハ上に位置合わせする位置決め機構の重要な構成要素である。そのようなエンコーダシステムが上記の特徴を含む場合、システムによって測定された距離の精度は、オフラインのメンテナンスを必要とせずに、長期間にわたって増加および／または維持することができ、結果として歩留まりが向上し、ツールのダウンタイムが短縮されます。
【０１２０】
通常、露光システムとも呼ばれるリソグラフィツールは、照明システムおよびウェハ位置決めシステムを含む。照明システムは、紫外線、可視線、Ｘ線、電子線、またはイオン放射のような放射線を供給する放射源と、放射線にパターンを付与するためのレチクルまたはマスクとを含み、それにより空間的にパターン化された放射線を生成する。さらに、縮小リソグラフィの場合、照明システムは、空間的にパターン化された放射線をウェハ上に結像するレンズアセンブリを含むことができる。結像された放射線は、ウェハ上にコーティングされたレジストを露光する。照明システムはまた、マスクを支持するマスクステージと、マスクを通って照射される放射線に対するマスクステージの位置を調整する位置決めシステムとを含む。ウェハ位置決めシステムは、ウェハを支持するウェハステージと、結像された放射線に対するウェハステージの位置を調整する位置決めシステムとを含む。集積回路の製造は、複数の露光ステップを含むことができる。リソグラフィに関する一般的な参考文献については、例えば、Ｊ．Ｒ．Ｓ  ＳｈｅａｔｓおよびＢ．Ｗ．Ｓｍｉｔｈ、Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ、Ｉｎｃ．、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９９８）を参照されたい。
【０１２１】
上述のエンコーダシステムを使用して、露光システムの他の構成要素、例えばレンズアセンブリ、放射源、または支持構造に対するウェハステージおよびマスクステージのそれぞれの位置を正確に測定することができる。このような場合、エンコーダシステムの光学アセンブリは固定構造に取り付けられ、エンコーダスケールはマスクおよびウェハステージのうちの１つのような可動要素に取り付けられ得る。代替的には、光学アセンブリが可動物体に取り付けられ、エンコーダスケールが静止物体に取り付けられた状態に、状況を逆転させることができる。
【０１２２】
概して、このようなエンコーダシステムは、露光システムのいずれか１つの要素の露光システムの他のいずれか１つの要素に対する位置を測定するように用いられる。光学アセンブリは、要素の１つに取り付けられるか、もしくはエンコーダスケールが取り付けられているか、または他の要素によって支持される。
【０１２３】
干渉計システム１８２６を使用するリソグラフィツール１８００の一例を図１５に示す。エンコーダシステムは、露光システム内のウェハ（図示せず）の位置を正確に測定するために使用される。ここでは、ステージ１８２２は、露光ステーション（ｅｘｐｏｓｕｒｅ  ｓｔａｔｉｏｎ）に対してウェハを位置決めし、支持するように用いられる。スキャナ１８００は、他の支持構造及びこれらの構造上に担持された様々な構成要素を担持するフレーム１８０２を含む。露光基台１８０４の上部には、レンズハウジング１８０６が取り付けられ、レンズハウジング１８０６の上部には、レチクルまたはマスクを支持するために用いられるレチクルまたはマスクステージ１８１６が取り付けられている。露光ステーションに対してマスクを位置決めする位置決めシステムは、要素１８１７によって概略的に示されている。位置決めシステム１８１７は、例えば、圧電トランスデューサ素子（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ｅｌｅｍｅｎｔ）および対応する制御電子機器を含むことができる。この記載された実施形態には含まれていないが、上述したエンコーダシステムのうちの１つ以上を使用して、マスクステージの位置を正確に測定することができ、リソグラフィ構造を製造するプロセスにおいてその位置を正確に監視しなければならない他の可動要素も測定することができる（上記したＳｈｅａｔｓ  ａｎｄ  Ｓｍｉｔｈ  Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｓｒａｐｈｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙを参照）。
【０１２４】
露光基台１８０４の下方には、ウェハステージ１８２２を支持する支持台１８１３が懸架されている（Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ）。ステージ１８２２は、光学アセンブリ１８２６によってステージに方向付けられた測定ビーム１８５４を回折する測定対象物１８２８を含む。光学アセンブリ１８２６に対するステージ１８２２の位置決めのための位置決めシステムは、要素１８１９によって概略的に示されている。位置決めシステム１８１９は、例えば、圧電トランスデューサ素子および対応する制御電子機器を含むことができる。測定対象物は、測定ビームを回折して、露光ベース１８０４上に取り付けられた光学アセンブリに反射する。エンコーダシステムは、先に説明した任意の実施形態とすることができる。
【０１２５】
動作中、ＵＶレーザ（図示せず）からの紫外線（ＵＶ）ビームなどの放射ビーム１８１０は、ビーム成形光学アセンブリ１８１２を通過し、ミラー１８１４での反射後に下方に進む。その後、放射ビームは、マスクステージ１８１６によって搬送されるマスク（図示せず）を通過する。マスク（図示せず）は、レンズハウジング１８０６に保持されたレンズアセンブリ１８０８を介してウェハステージ１８２２上のウェハ（図示せず）上に結像される。基台１８０４およびそれによって支持される様々な構成要素は、ばね１８２０によって示される減衰システム（ｄａｍｐｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）によって環境振動から隔離される。
【０１２６】
いくつかの実施形態では、前述したエンコーダシステムのうちの１つ以上を使用して、例えばウェハおよびレチクル（またはマスク）ステージに関連するが限定されない複数の軸および角度に沿った変位を測定することができる。また、ＵＶレーザビームではなく、例えばＸ線ビーム、電子ビーム、イオンビーム、および可視光ビームを含む他のビームを用いてウェハを露光することができる。
【０１２７】
特定の実施形態では、光学アセンブリ１８２６は、レチクル（またはマスク）ステージ１８１６またはスキャナシステムの他の可動構成要素の位置の変化を測定するように配置することができる。最後に、エンコーダシステムは、スキャナに加えて、またはスキャナではなく、ステッパ（ｓｔｅｐｐｅｒ）を含むリソグラフィシステムと同様の方法で使用することができる。
【０１２８】
当技術分野で周知のように、リソグラフィは、半導体デバイスの製造において製造方法の重要な部分である。例えば、米国特許第５，４８３，３４３号は、このような製造方法のステップを概説している。これらのステップは、図１６Ａおよび図１６Ｂを参照して以下に説明される。図１６Ａは、（ＩＣやＬＳＩ等の）半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ等の半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。ステップ１９５１は、半導体デバイスの回路を設計するための設計プロセスである。ステップ１９５２は、回路パターン設計に基づいてマスクを製造するプロセスである。ステップ１９５３は、シリコン等の材料を用いてウェハを製造するプロセスである。
【０１２９】
ステップ１９５４は、前処理と呼ばれるウェハプロセスであり、このようにして用意されたマスクとウェハを用いて、リソグラフィによってウェハ上に回路が形成される。十分な空間分解能に対応するウェハ上の回路のパターンをマスク上に形成するには、ウェハに対するリソグラフィツールの干渉測位が必要である。本明細書に記載の干渉計方法およびシステムは、ウェハプロセスで使用されるリソグラフィの有効性を改善するために特に有用であり得る。
【０１３０】
ステップ１９５５は組み立てステップであり、後工程と呼ばれ、ステップ１９５４によって処理されたウェハが半導体チップ内に形成される。このステップは、組み立て（ダイシングおよびボンディング）およびパッケージング（チップシーリング）を含む。ステップ１９５６は、ステップ１９５５で作成された半導体デバイスの動作確認や耐久性チェックなどを行う検査工程である。これらのプロセスにより、半導体デバイスは完成し、出荷される（ステップ１９５７）。
【０１３１】
図１６Ｂは、ウェハプロセスの詳細を示すフローチャートである。ステップ１９６１は、ウェハの表面を酸化するための酸化プロセスである。ステップ１９６２は、ウェハ表面に絶縁膜を形成するＣＶＤプロセスである。ステップ１９６３は、ウェハ上に電極を蒸着により形成する電極形成工程である。ステップ１９６４は、イオンをウェハに注入するためのイオン注入プロセスである。ステップ１９６５は、ウェハにレジスト（感光材料）を塗布するレジストプロセスである。ステップ１９６６は、上述した露光装置を用いてウェハ上のマスクの回路パターンを露光（すなわちリソグラフィ）によりプリントする露光工程である。上述したように、本明細書に記載の干渉計システムおよび方法の使用は、そのようなリソグラフィステップの精度および解像度を改善する。
【０１３２】
ステップ１９６７は、露光されたウェハを現像する現像プロセスである。ステップ１９６８は、現像されたレジスト像以外の部分を除去するためのエッチング処理である。ステップ１９６９は、エッチング処理後のウェハ上に残っているレジスト材料を剥離するレジスト剥離プロセスである。これらの工程を繰り返すことにより、回路パターンが形成され、ウェハ上に重ね合わされる。
【０１３３】
上述のエンコーダシステムは、対象の相対位置を正確に測定する必要がある他の用途にも使用することができる。例えば、レーザ、Ｘ線、イオン、または電子ビームなどの書込みビームが、基板またはビームのいずれかが移動するときにパターンを基板上にマークする用途では、エンコーダシステムは、基板と書込みビームとの間の相対的な移動を測定するように用いられる。
【０１３４】
いくつかの実装形態が説明されている。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な改変がなされ得ることが理解されるであろう。従って、他の実施態様も、以下の請求項の範囲内にある。
【図１】
0006469833.tif 000022
【図２】
0006469833.tif 000023
【図３】
0006469833.tif 000024
【図４】
0006469833.tif 000025
【図５】
0006469833.tif 000026
【図６Ａ】
0006469833.tif 000027
【図６Ｂ】
0006469833.tif 000028
【図７ａ−７ｂ】
0006469833.tif 000029
【図８】
0006469833.tif 000030
【図９Ａ】
0006469833.tif 000031
【図９Ｂ】
0006469833.tif 000032
【図１０Ａ】
0006469833.tif 000033
【図１０Ｂ】
0006469833.tif 000034
【図１１Ａ】
0006469833.tif 000035
【図１１Ｂ】
0006469833.tif 000036
【図１２Ａ】
0006469833.tif 000037
【図１２Ｂ】
0006469833.tif 000038
【図１２Ｃ】
0006469833.tif 000039
【図１３Ａ】
0006469833.tif 000040
【図１３Ｂ】
0006469833.tif 000041
【図１４】
0006469833.tif 000042
【図１５】
0006469833.tif 000043
【図１６Ａ】
0006469833.tif 000044
【図１６Ｂ】
0006469833.tif 000045