(57)【要約】  器具に対する物体の相対的な位置を計測する役割を果たす位置測定装置を提示し、その場合器具はツールセンターポイントを有する。この位置測定装置は、交差して配置された、少なくとも一つの移動面内を互いにスライド可能な少なくとも二つの基準尺と、それに対応する、移動面に対して平行な少なくとも一つの測定方向に関する位置信号を生成する光学走査ユニットとから構成される。各基準尺は、中立な回転中心を有し、その回りでの各基準尺の傾斜が、検出した位置を変化させないように作用する。そのような走査光学系によって、二つの基準尺の中立な回転中心の位置が一致することが保証される。ツールセンターポイントに対して相対的な基準尺の配置構成によって、二つの基準尺の中立な回転中心とツールセンターポイントが移動面に対して平行な面内に有ることが保証される。
2010527013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツールセンターポイント（ＴＣＰ）を有する器具（Ｔ）に対する物体の相対的な位置を計測するための位置測定装置であって、この位置測定装置が、交差して配置された、少なくとも一つの移動面（ＸＹ）内を互いにスライド可能な少なくとも二つの基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）と、それに対応する、移動面に対して平行な少なくとも一つの測定方向（Ｍｒ）に関する位置信号を生成する光学走査ユニット（ＡＥ；ＡＥｘ，ＡＥｙ；ＡＥ１，ＡＥ２，ＡＥ３）とから構成され、各基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）が中立な回転中心（ＮＰｍ，ＮＰｆ）を有し、その回りでの各基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）の傾斜が、検出した位置を変化させないように作用し、
この走査光学系によって、二つの基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）の中立な回転中心（ＮＰｍ，ＮＰｆ）の位置が一致することが保証されており、
ツールセンターポイント（ＴＣＰ）に対して相対的な基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）の配置構成によって、二つの基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）の中立な回転中心（ＮＰｍ，ＮＰｆ）とツールセンターポイント（ＴＣＰ）が移動面（ＸＹ）に対して平行な面内に有ることが保証されている、
位置測定装置。
【請求項２】
当該の走査光学系が、
位置を固定して配置された、目盛（Ｇｆ）を有する基準尺（Ｍｆ）と、
位置を固定して配置された基準尺（Ｍｆ）に対して移動可能であるとともに、それと交差して配置された、目盛（Ｇｍ）を有する基準尺（Ｍｍ）と、
走査ユニット（ＡＥ；ＡＥｘ，ＡＥｙ；ＡＥ１，ＡＥ２，ＡＥ３）と、
の構成部品を有し、
移動可能な基準尺（Ｍｍ）が、位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の下に配置されるとともに、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の下には、走査ユニット（ＡＥ；ＡＥｘ，ＡＥｙ；ＡＥ１，ＡＥ２，ＡＥ３）が配置されており、そのため、二つの基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）の中立な回転中心（ＮＰｍ，ＮＰｆ）が、二つの基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ；Ｍｍｘ，Ｍｆｘ；Ｍｍｙ，Ｍｆｙ）の間の領域（Ｂ）内に有るか、或いは移動可能な基準尺（Ｍｍ，Ｍｍｘ，Ｍｍｙ）上に有る、
請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項３】
移動面（ＸＹ）と垂直な方向に対する中立な回転中心（ＮＰｍ，ＮＰｆ）とツールセンターポイント（ＴＣＰ）の間の位置の偏差が１ｍｍ以内である請求項１又は２に記載の位置測定装置。
【請求項４】
移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）が、位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の方を向いた基準尺側に取り付けられている請求項１から３までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
【請求項５】
移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）とツールセンターポイント（ＴＣＰ）が、移動面（ＸＹ）に対して平行な面内に配置されている請求項４に記載の位置測定装置。
【請求項６】
移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）が透過光式目盛として構成されている請求項１から５までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
【請求項７】
走査ユニット（ＡＥ；ＡＥｘ，ＡＥｙ；ＡＥ１，ＡＥ２，ＡＥ３）が、一つの光源（ＬＤ）と少なくとも一つの光電素子（ＰＥ−１，ＰＥ０，ＰＥ＋１）を有し、それらは、
光源（ＬＤ）から放出された光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）上の衝突地点（Ｐａ）に当たって、そこで複数の部分光ビームへの分割が行われ、
次に、分割された部分光ビームが、位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）に当たって、そこで移動可能な基準尺（Ｍｍ）の方向への逆反射が起こって、逆反射された部分光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）上の結合地点（Ｐｂ）で重なり合って、干渉し合い、
光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）上の結合地点（Ｐｂ）から少なくとも一つの空間方向に出て行って、走査ユニット（ＡＥ；ＡＥｘ，ＡＥｙ；ＡＥ１，ＡＥ２，ＡＥ３）の中の少なくとも一つの光電素子（ＰＥ−１，ＰＥ０，ＰＥ＋１）上に到達し、そこで移動量に応じて変調された光電流が発生する、
ように配置されている請求項１から６までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
【請求項８】
走査ユニット（ＡＥ；ＡＥｘ，ＡＥｙ；ＡＥ１，ＡＥ２，ＡＥ３）が、複数の光電素子（ＰＥ−１，ＰＥ０，ＰＥ＋１）を有し、複数の光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）上の結合地点（Ｐｂ）で異なる空間方向に出て行って、複数の光電素子（ＰＥ−１，ＰＥ０，ＰＥ＋１）上に到達し、そこで移動量に応じて変調されるとともに位相のずれた複数の光電流が発生する請求項７に記載の位置測定装置。
【請求項９】
ｄｍが移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）の目盛周期を表すものとして、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）が、１／３＊ｄｍの格子線幅と１２０°の位相のずれを有する位相格子として構成されており、そのため光電素子（ＰＥ−１，ＰＥ０，ＰＥ＋１）において、１２０°の位相のずれを持つ位相のずれた光電流が発生する請求項８に記載の位置測定装置。
【請求項１０】
位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）が、反射式目盛として構成されている請求項７に記載の位置測定装置。
【請求項１１】
光源（ＬＤ）から放出される光ビームの照射角が２０°以内である請求項１０に記載の位置測定装置。
【請求項１２】
位置を固定された基準尺（Ｍｆ）が、一つの目盛（Ｇｆ）と少なくとも一つの反射器部品（Ｒ，Ｒ１，Ｒ２）を有し、それらは、
当該の分割された部分光ビームが、位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）上に当たって、その目盛が、部分光ビームを測定方向（Ｍｒ）に偏向させるとともに、測定方向（Ｍｒ）に対して垂直な方向に集束させ、
次に、部分光ビームが、少なくとも一つの反射器部品（Ｒ，Ｒ１，Ｒ２）によって反射されて、
部分光ビームが、再び位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）上に到達して、その目盛が、新たに部分光ビームを測定方向（Ｍｒ）に偏向させるとともに、再び測定方向（Ｍｒ）に対して垂直な方向にコリメートして、そのため部分光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の方向に逆反射されることとなる、
ように配置されている請求項７に記載の位置測定装置。
【請求項１３】
位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）が、測定方向（Ｍｒ）に偏向させる格子と測定方向（Ｍｒ）に対して垂直な方向に集束させる回折式円柱レンズとを重ね合わせたものである回折構造として構成されている請求項１２に記載の位置測定装置。
【請求項１４】
位置を固定された基準尺（Ｍｆ）が、目盛（Ｇｆ）とプリズム（Ｐｒ）を有し、
位置を固定された基準尺（Ｍｆ）に入射して来る部分光ビームが、先ずは位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）上に当り、その目盛が、部分光ビームを測定方向（Ｍｒ）に偏向させ、
次に、部分光ビームが、プリズム（Ｐｒ）によって反射されて、再び位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）上に到達して、その目盛が、新たに部分光ビームを測定方向（Ｍｒ）に偏向させ、そのため部分光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の方向に逆反射されることとなる、
請求項７に記載の位置測定装置。
【請求項１５】
プリズム（Ｐｒ）が、９０°の直角プリズムとして構成されている請求項１４に記載の位置測定装置。
【請求項１６】
位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）が、裏面反射式目盛として構成されている請求項１０又は１２に記載の位置測定装置。
【請求項１７】
走査ユニット（ＡＥ）が、一つの光源（ＬＤ）と少なくとも一つの光電素子（ＰＥ−１，ＰＥ０，ＰＥ＋１）を有し、それらは、
光源（ＬＤ）から放出された光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）上の衝突地点（Ｐａ）に当たって、そこで複数の部分光ビームへの分割が行われ、
次に、分割された部分光ビームが、位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）に当たって、そこで移動可能な基準尺（Ｍｍ）の方向への逆反射が起こって、逆反射された部分光ビームが、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ２ａ，Ｇｍ２ｂ）上の結合地点（Ｐｂ）に対してずれた形で当たって、測定方向（Ｍｒ）に偏向するとともに、測定方向（Ｍｒ）に対して垂直な方向に集束し、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の反射器（Ｒ１，Ｒ２）で反射された後、新たにその目盛（Ｇｍ２ａ，Ｇｍ２ｂ）によって回折して、最終的に位置を固定された基準尺（Ｍｆ）の目盛（Ｇｆ）での更なる回折後に、移動可能な基準尺（Ｍｍ）の目盛（Ｇｍ）上の結合地点（Ｐｂ）に到達し、そこで光ビームが、少なくとも一つの空間方向に出て行って、走査ユニット（ＡＥ）の中の少なくとも一つの光電素子（ＰＥ−１，ＰＥ０，ＰＥ＋１）上に到達し、そこで移動量に応じて変調された光電流が発生する、
ように配置されている請求項１から４までのいずれか一つに記載の位置測定装置。
【請求項１８】
位置を固定された基準尺と移動可能な基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ）の目盛（Ｇｍ，Ｇｆ）の目盛線が、各基準尺（Ｍｍ，Ｍｆ）の外縁に対して４５°傾斜した形で配置されている請求項１に記載の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも二つの次元（ＸとＹ）における器具に対する物体の相対的な位置を計測するための位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような位置測定装置は、例えば、シリコンウェーハ上において光学式、光電式又はイオン光学式顕微鏡を非常に精密に位置決めしなければならないウェーハ検査機械のために使用することができる。ウェーハが物体であり、顕微鏡が器具である。しかし、顕微鏡の代わりに、それ以外の任意のセンサー及び処理工具も器具としての役割を果たすことができる。一般的に、如何なる高精度な（少なくとも）二次元の位置決めも、その応用範囲に含まれる。
【０００３】
一般的に、一次元の位置を高精度に計測するには、格子型基準尺を光学的に走査して、それにより正弦及び余弦波のインクリメンタル信号を生成する位置測定装置又はエンコーダが使用される。そのような信号は、電子評価機器で補間され、その結果信号周期のほんの僅かな部分にしかならない非常に小さい測定ステップが得られる。そのようにして、ナノメートルの数分の一の測定ステップを十分に実現することができる。
【０００４】
Ｘ及びＹ方向における二次元の位置測定では、多くの場合二つの互いに垂直に配置された一次元のスライドユニットが使用され、それぞれ一次元のエンコーダを備えている。その場合、これまで所謂アッベ原理を守ることが不可能であり、そのため直線的な誘導時に傾斜による誤差によって測定誤差が生じていた。アッベ原理は、測定すべきスライド方向に対して同軸の方向に各測定システムを向けることを要求している。通常アッベ距離、即ち、エンコーダの測定軸と器具の中心点（以下において、ツールセンターポイントＴＣＰと呼ぶ）間の間隔は相当大きい。そのような場合に用いられるエンコーダの実効計測点で計測する手法では、エンコーダの測定軸は、測定方向に沿って延びている。しかし、直線的な誘導の直線性に関する偏差も、エンコーダによって検出されない測定誤差を生じさせる。これらの二つの誤差の影響は、部分的にしか再現することができず、そのため多くの場合機械を校正しても所要の精度を実現することができなかった。誘導時の偏差による典型的な再現できない精度は、１００ｎｍの範囲内に有る。
【０００５】
今日、そのような理由から、高精度な二次元の位置計測には、平面鏡式レーザー干渉計が使用されている。二つの平面鏡式レーザー干渉計の互いに垂直な測定軸は、アッベ条件に応じて、固定位置のＴＣＰと交差するように配置されている。そのようにして、ＸＹテーブルの全ての誘導偏差が検出されており、そのためもはや精度に対して微々たる影響しか持たない。しかし、空気中で動作するレーザー干渉計の欠点は、空気の屈折率の変動が相当大きい測定誤差を生じさせることである。即ち、有利な労働条件下での３０ｃｍの空気の厚さ自体に対して、２０ｎｍ〜５０ｎｍの誤差を見込まなければならない。所要の精度が１〜１０ｎｍであるアプリケーションの数が増える中で、それでは不十分である。
【０００６】
特許文献１は、交差する点で光学的に走査される二つの交差した基準尺の配置構成を記載している。一方の基準尺は、所謂縦目盛、即ち、格子線が基準尺面の短い方の端部に対して平行な格子を装着している。他方の基準尺は、横目盛を備えている、即ち、格子線が基準尺面の長い方の端部に対して平行に延びている。縦目盛と横目盛の垂直な配置構成によって、格子線が互いに平行となり、そのため好適な走査光学系を用いて、交差する点で相対的な位置を検出することができる。
【０００７】
アッベ条件にもとづき位置を検出するために、ＸＹ平面内において、縦目盛をＴＣＰの方向に向けるとともに、ＴＣＰと同様に位置を固定している。横目盛は、ＸＹテーブルと固定されている。垂直に配置された縦目盛と横目盛の第二の対が第二の測定方向を検出し、その縦目盛は、同じくＸＹ平面内においてＴＣＰの方向に向けられている。常に交差する点で走査可能とするためには、二つの走査光学系をそれぞれ縦目盛に沿ってスライドさせなければならない。しかし、特許文献１は、好適な走査光学系を開示していないし、如何にして走査光学系を縦目盛に沿って誘導すべきかに関する示唆も与えていない。より精密な観測では、アッベ距離をＸＹ平面内でのみ零とされているが、目盛（特許文献１の図２の符号３と８）と物体（特許文献１の図２の符号６）が異なるＺ方向の位置に配置されているので、Ｚ方向のアッベ距離は零となっていない。従って、Ｘ又はＹ軸の回りのテーブルの傾斜は、依然として測定誤差を生じさせている。
【０００８】
特許文献２では、そのような測定構成に関する別の詳細が開示されている。縦目盛に沿った走査ヘッドの必要な誘導に関する実施構成の例が記載されている。この文献にも、好適な走査光学系は記載されていない。この文献の図３から分かる通り、Ｚ方向におけるアッベ距離が考慮されていない。
【０００９】
特許文献３には、そのような配置構成で縦目盛と横目盛を走査するために、そのような位置測定装置用の様々な走査光学系が記載されている。そこでも、Ｚ方向におけるアッベ距離は、言及も考慮も最小化もされていない。提案されている走査光学系は、より精密に分析する場合、以下において、エンコーダの中立な回転中心（ＮＰ）と呼ぶ、走査光学系の実効測定点をＺ方向に関して物体と同じレベルにすることができないので、本測定課題に殆ど適さない。中立な回転中心の位置に関する分析方法は、ずっと後に記載されており、次の結果が得られる。特許文献３の図５又は６による走査光学系の中立な回転中心は、符号５の格子の遥か上に、凡そ符号５の第一の格子と符号４の格子との間隔を隔てて存在する。従って、記載されている配置構成（特許文献３の図３）による走査では、必然的にＺ方向において相当大きいアッベ距離が生じる。特許文献３の図８による走査光学系は、符号４の格子の高さに中立な回転中心を有する。符号７のミラーが、Ｚ方向に対して、最適には物体の面でなければならない格子面の上に突き出ているので、そのような配置構成は、器具と符号７のミラーが邪魔になるために、通常器具と物体間の間隔が狭い場合に匹敵するものとはならない。同様のことが、特許文献３の図９と１０による走査光学系にも言える。特許文献３の図１１と１２による走査光学系の中立な回転中心は、符号４の格子の遥か下に、凡そ符号４の格子と符号５の格子との間隔を隔てて存在する。同様に、この場合も中立な回転中心のＺ方向の位置を物体と同じレベルにすることはできない。
【００１０】
特許文献２と特許文献３は、縦目盛を有する、位置を固定された基準尺の上に配置された形で動かされる、そのような位置測定装置に関する走査光学系しか記載していない。
【００１１】
最後に、未だ公開されていない特許文献４には、縦目盛と横目盛を走査するための走査光学系が記載されている。この文献の種々の実施構成では、同じく中立な回転中心の好適なＺ方向の位置とその測定物体に対する相対的な位置に関する示唆は見い出せない。そこでは、改善構成として、テーブルの少なくとも三つの場所でＺ方向における追加測定を行って、それによりテーブルの六つの自由度全てを検出することを記載している。従って、テーブルの主運動軸ＸとＹの回りの傾斜ＲｘとＲｙの補正は、相応のデジタル信号処理によって行うことができる。しかし、ＲｘとＲｙを更に計測するためには、例えば、ウェーハステッパーなどの非常に高価な機械でのみ正当化される相当大きい追加負担を必要とする。この場合、ＲｘとＲｙの傾斜は、動作中に専用のアクチュエーターによって変更しなければならないので、そのような傾斜を更に計測することが必要である。例えば、ウェーハ検査機械の場合などのそれ以外のアプリケーションの大部分に関しては、ＲｘとＲｙのアクチュエーターは使用されず、そのため基本的にそのような計測を省略することができる。しかし、そのような場合、Ｚ軸方向における中立な回転中心の理想的でない位置が依然として残ることとなる。
【００１２】
ここで考察した特許文献１〜４は、それぞれＴＣＰの位置が固定された機械構成に限定される。それらは、如何にして縦目盛と横目盛を交差させることによって、ＴＣＰが動くそれ以外の機械構成を改善することができるかに関する示唆を与えていない。
【００１３】
更に、位置測定装置又はエンコーダの補間精度を考慮しなければならない。機械では、軸方向ＸとＹが同時に主運動方向であることも多いので、横目盛は、格子線に沿って動かされる。十分に誤差を補正するための補償方法では、信号の位相シフトとそのため測定方向の運動成分も常に必要となるので、格子公差による信号雑音は、そのような電子的な補償方法によって補正することができない補間誤差を生じさせることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】ドイツ特許第２５２１６１８号明細書
【特許文献２】欧州特許公開第１７３４３９４号明細書
【特許文献３】国際特許公開第２００７／０３４３７９号明細書
【特許文献４】欧州特許第１６３３６２号明細書
【特許文献５】ドイツ特許公開第２００５０２９９１７号明細書
【特許文献６】ドイツ特許出願第１０２００６０４２７４３．２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の課題は、従来技術で周知のシステムよりも大幅に向上した精度を保証する、少なくとも二次元の位置計測のための位置測定装置を提供することである。特に、この場合、Ｚ方向におけるアッベ距離を零に低減することも可能な、そのような位置測定装置用の走査光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本課題は、請求項１による位置測定装置によって解決される。
【００１７】
本発明による位置測定装置の有利な実施構成は、従属請求項から明らかとなる。
【００１８】
本発明による、器具がツールセンターポイントを有する、器具に対する物体の相対的な位置を計測するための位置測定装置は、交差して配置された、少なくとも一つの移動面内を互いにスライド可能な少なくとも二つの基準尺と、それに対応する、移動面に対して平行な少なくとも一つの測定方向に関する位置信号を生成する光学式走査ユニットとから構成される。各基準尺は、中立な回転中心を有し、その回りでの各基準尺の傾斜は、検出した位置の変化を生じさせることはない。本走査光学系によって、二つの基準尺の中立な回転中心の位置が一致することが保証される。ツールセンターポイントに対して相対的な基準尺の配置構成によって、二つの基準尺の中立な回転中心とツールセンターポイントが移動面に対して平行な面内に有ることが保証される。
【００１９】
実現可能な実施形態では、走査光学系は、次の構成部品を有する。
・位置を固定して配置された、目盛を有する基準尺
・位置を固定して位置された基準尺に対して移動可能な形で、その基準尺と交差して配置された、目盛を有する基準尺
・走査ユニット
この場合、移動可能な基準尺は、位置を固定された基準尺の下に配置されるとともに、移動可能な基準尺の下には、走査ユニットが配置されており、そのため二つの基準尺の中立な回転中心は、二つの基準尺の間又は移動可能な基準尺上に有る。
【００２０】
移動面に対して垂直な方向における中立な回転中心とツールセンターポイントの位置偏差を１ｍｍ以内とするのが特に有利である。
【００２１】
有利には、移動可能な基準尺の目盛は、位置を固定された基準尺の方向を向いた基準尺側に取り付けられる。
【００２２】
この場合、移動可能な基準尺の目盛とツールセンターポイントを移動面に対して平行な面内に配置するのが特に有利である。
【００２３】
有利な実施構成では、移動可能な基準尺の目盛が透過光式目盛として構成される。
【００２４】
走査ユニットの実現可能な変化形態は、一つの光源と少なくとも一つの光電素子を有し、それらは、
光源から放出された光ビームが、移動可能な基準尺の目盛上の衝突地点に当たって、そこで複数の部分光ビームへの分割が行われ、
次に、分割された部分光ビームが、位置を固定された基準尺の目盛に当り、そこで移動可能な基準尺の方向への逆反射を起こして、逆反射された部分光ビームが、移動可能な基準尺の目盛上の結合地点で重なり合って、干渉し合い、
光ビームが、移動可能な基準尺の目盛上の結合地点から少なくとも一つの空間方向に出て行って、走査ユニット内の少なくとも一つの光電素子上に到達し、そこで移動量に応じて変調された光電流が発生する、
ように配置される。
【００２５】
この場合、走査ユニットは、複数の光電素子を有し、複数の光ビームが、移動可能な基準尺の目盛上の結合地点で異なる空間方向に出て行って、複数の光電素子上に到達して、そこで移動量に応じて変調された複数の光電流が発生するようにすることもできる。
【００２６】
移動可能な基準尺の目盛が、１／３＊ｄｍ（ｄｍは、移動可能な基準尺の目盛の目盛周期を表す）の格子線幅と１２０°の位相のずれを有する位相格子として構成されて、光電素子において、位相シフトが１２０°の位相のずれた光電流が発生するようにするのが特に有利であることが分かっている。
【００２７】
本発明による位置測定装置の実現可能な実施構成では、位置を固定された基準尺の目盛が、反射式目盛として構成される。
【００２８】
この場合、光源から放出される光ビームの照射角を２０°以内とすることが有利である。
【００２９】
別の実施構成では、位置を固定された基準尺が、一つの目盛と少なくとも一つの反射器素子とを有し、それらは、
当該の分割された部分光ビームが、位置を固定された基準尺の目盛上に当って、その目盛が、部分光ビームを測定方向に偏向させるとともに、測定方向に対して垂直な方向に集束させ、
次に、部分光ビームが、少なくとも一つの反射器素子によって反射されて、
部分光ビームが、再び位置を固定された基準尺の目盛上に到達して、その目盛が、部分光ビームを新たに測定方向に偏向させるとともに、再び測定方向に対して垂直な方向にコリメートして、その結果部分光ビームが、移動可能な基準尺の方向に逆反射されることとなる、
ように配置される。
【００３０】
この場合、有利には、位置を固定された基準尺の目盛は、測定方向に偏向させる格子と測定方向に対して垂直な方向に集束させる回折式円柱レンズとを重ね合わせたものである回折構造として構成される。
【００３１】
別の実施構成では、位置を固定された基準尺は、目盛とプリズムを有し、位置を固定された基準尺上に入射した光ビームが、先ずは位置を固定された基準尺の目盛上に当り、その目盛が、部分光ビームを測定方向に偏向させて、次に、部分光ビームが、プリズムによって反射されて、再び位置を固定された基準尺の目盛上に到達し、その目盛が、部分光ビームを新たに測定方向に偏向させて、その結果部分光ビームが、移動可能な基準尺の方向に逆反射されることとなる。
【００３２】
この場合、有利には、プリズムを９０°の直角プリズムとして構成する。
【００３３】
別の実施構成では、位置を固定された基準尺の目盛は、裏面反射式目盛として構成される。
【００３４】
別の実施構成では、走査ユニットは、一つの光源と少なくとも一つの光電素子を有し、それらは、
光源から放出された光ビームが、移動可能な基準尺の目盛上の衝突地点に当たって、そこで複数の部分光ビームへの分割が行われ、
次に、分割された部分光ビームが、位置を固定された基準尺の目盛に当り、そこで移動可能な基準尺の方向への逆反射を起こして、逆反射された部分光ビームが、移動可能な基準尺の目盛上に結合地点に対してずれた形で当たり、その目盛が、部分光ビームを測定方向に偏向させるとともに、測定方向に対して垂直な方向に集束させ、部分光ビームが、移動可能な基準尺の反射器で反射された後、その目盛によって新たに回折して、最終的に位置を固定された基準尺の目盛での更なる回折後に、移動可能な基準尺の目盛上の結合地点に到達し、そこで光ビームが、少なくとも一つの空間方向に出て行って、走査ユニットの中の少なくとも一つの光電素子上に到達して、そこで移動量に応じて変調された光電流が発生する、
ように配置される。
【００３５】
更に、位置を固定された基準尺と移動可能な基準尺の目盛の目盛線を各基準尺の外縁に対して４５°傾斜させて配置することができる。
【００３６】
以下における図面と関連した実施例の記述にもとづき、本発明の更なる詳細及び利点を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術によるＸＹテーブル上の位置測定装置の配置構成図
【図２】反射場所を有する基準尺で対称的に回折する場合の中立な回転中心ＮＰｍの位置を示す図
【図３】中立な回転中心ＮＰｍとＮＰｆの最適なＺ方向の位置を示す図
【図４ａ】本発明による位置測定装置の第一の実施例の走査光学系の前面図
【図４ｂ】本発明による位置測定装置の第一の実施例の走査光学系の側面図
【図５】図４ａ，４ｂの走査光学系の斜視図
【図６】ＸＹテーブル上に図４ａ，４ｂ，５の位置測定装置を配置した斜視図
【図７ａ】本発明による位置測定装置の第二の実施例の走査光学系の前面図
【図７ｂ】本発明による位置測定装置の第二の実施例の走査光学系の側面図
【図８ａ】本発明による位置測定装置の第二の実施例の逆反射作用を有する基準尺の偏向作用を図解するための詳細な前面図
【図８ｂ】本発明による位置測定装置の第二の実施例の逆反射作用を有する基準尺の偏向作用を図解するための詳細な側面図
【図９】本発明による図７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの位置測定装置の逆反射器目盛として構成された目盛構造の詳細図
【図１０】本発明による位置測定装置の第三の実施例の走査光学系の斜視図
【図１１ａ】本発明による位置測定装置の第四の実施例の走査光学系の前面図
【図１１ｂ】本発明による位置測定装置の第四の実施例の走査光学系の側面図
【図１２ａ】図１１ａと１１ｂの基準尺の偏向作用を図解するための別の前面図
【図１２ｂ】図１１ａと１１ｂの基準尺の偏向作用を図解するための別の側面図
【図１３ａ】本発明による位置測定装置の第五の実施例の走査光学系の前面図
【図１３ｂ】本発明による位置測定装置の第五の実施例の走査光学系の側面図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、例えば、前述した特許文献１により既に周知の従来技術による二つの位置測定装置又はエンコーダＥｘとＥｙを備えたＸ及びＹ方向に移動可能なＸＹテーブルＣｈの周知の配置構成を図示している。ＸＹテーブルＣｈ上に有る物体Ｏｂは、ＴＣＰを有する器具Ｔに対して相対的に位置決めされるものとする。そのために、二つの位置測定装置ＥｘとＥｙは、テーブルＣｈの移動面ＸＹ内におけるＸ方向又はＹ方向の位置を計測する。Ｘ方向のエンコーダ又はＸ方向の位置測定装置Ｅｘは、縦目盛として構成された目盛Ｇｆｘを有する位置を固定された基準尺Ｍｆｘと、横目盛として構成された目盛Ｍｍｘを有する、ＸＹテーブルＣｈ上に固定された、そのため移動可能な基準尺Ｍｍと、走査ユニットＡＥｘとから構成される。走査ユニットＡＥｘは、Ｘ方向にのみスライド可能であり、ＸＹテーブルＣｈのＸ方向の位置と共に、即ち、移動可能な基準尺ＭｍのＸ方向の位置と共に移動する。そうすることによって、走査ユニットＡＥｘは、交差領域において二つの目盛ＭｆｘとＭｍｘを走査することができる。同様に、Ｙ方向のエンコーダ又はＹ方向の位置測定装置Ｅｙは、構成部品Ｍｆｙ，Ｍｍｙ及びＡＥｙを有し、走査ユニットＡＥｙは、Ｙ方向にのみスライド可能であり、ＸＹテーブルＣｈのＹ方向の位置と共に移動する。見易くするために、図１には、リニア又は平面モーターやガイド部材などの駆動部品は図示されていない。
【００３９】
以下において、本発明による改善された位置測定装置、特に、それらの各走査光学系を図２〜１３ｂにもとづき説明する。ここでは、前記の従来技術の文献と同じ用語を使用する。
【００４０】
Ｚ方向におけるアッベ距離を解決する、即ち、零に低減することが可能であるためには、位置測定装置の実効的な測定点を精密に知ることが必要である。そして、そのような実効的な測定点は、各測定方向に沿ったＴＣＰの所に存在しなければならない。
【００４１】
目盛又は基準尺格子を有する基準尺と走査ユニットだけから成る従来の位置測定装置の実効的な測定点は、通常位置測定装置の中立な回転中心ＮＰと呼ばれている。基準尺又は走査ユニットが中立な回転中心ＮＰの回りで傾斜しても、位相シフトが起こらず、それによって表される位置に関する値は、第一の桁において変わらない。
【００４２】
本発明による二つの基準尺Ｍｆ，Ｍｍを交差させた形のエンコーダ構成では、二つの中立な回転中心ＮＰｍとＮＰｆが存在する。基準尺Ｍｍが回転中心ＮＰｍの回りで傾斜しても、基準尺Ｍｆが回転中心ＮＰｆの回りで傾斜しても、得られる位置は変わらない。二つの中立な回転中心ＮＰｍ，ＮＰｆは、通常一致しない。本発明では、好適な走査光学系によって、二つの基準尺の中立な回転中心ＮＰｍ，ＮＰｆの位置が一致することを保証している。
【００４３】
ここで、先ずは中立な回転中心ＮＰｍが位置測定装置の実効的な測定点であるので、移動可能な基準尺Ｍｍの傾斜を考察する。中立な回転中心ＮＰｍの位置を設定可能とするためには、傾斜した基準尺Ｍｍで回折した場合、場合によっては反射した場合の二つの干渉し合う部分光ビームの異なる位相のずれを考察しなければならない。図２には、基準尺Ｍｍ上の反射式目盛として構成された目盛Ｇｍで対称的に回折する二つの部分光ビームに関する事例が図示されている。しかし、本考察は、同じく透過光式目盛、即ち、光を透過する目盛、或いは対称的でない事例に関しても有効である。ｋベクトルｋinとｋ’inで表された二つの入射する部分光ビームＳinとＳ’inは、ｋベクトルｋout とｋ’out で表された出射する部分光ビームＳout とＳ’out として回折する。基準尺Ｍｍが任意の僅かな動きをした場合の二つの部分光ビームの位相のずれΔΦ又はΔΦ’は、次の式で与えられる。
【００４４】
【数１】
2010527013.tif 000003
ここで、ΔｘP 及び
【００４５】
【数２】
2010527013.tif 000004
は、衝突地点Ｐ又はＰ’における基準尺Ｍｍの動きを表す。
【００４６】
基準尺Ｍｍが傾斜して動いた場合、ΔｘP と
【００４７】
【数３】
2010527013.tif 000005
は異なる。これらの点の所に表されたベクトルΔｋ又はΔｋ’は、それぞれ一点で交差する直線を規定する。その点は、位置測定装置の中立な回転中心ＮＰｍであり、その理由は、その点の回りの基準尺Ｍｍの傾斜がベクトルΔｋ又はΔｋ’に対して垂直な方向に二つの衝突地点ＰとＰ’を第一の桁の大きさで動かし、その結果前記の式によると位相のずれが起こらないからである。部分光ビームが基準尺Ｍｍ上に複数回衝突する位置測定装置では、個々の中立な回転中心ＮＰｍが、回折、反射、透過などの如何なる相互作用も計算上平均化して、位置測定装置の中立な回転中心ＮＰｍが維持されることとなる。
【００４８】
位置測定装置の中立な回転中心ＮＰｍは、物体と同じレベルにしなければならない、即ち、同じＺ方向の位置に持って行かなければならない。大抵の場合、物体の表面が器具と相互作用するので、その表面は、基準の高さとしての役割も果たす。通常、その上にＴＣＰが有る。本発明では、同じレベルにすることだけで、Ｚ方向におけるアッベ距離を解決することもできる。所要の同じレベルにする精度は、容易に計算することができる。２０μラジアンの通常の誘導偏差と５ｎｍのテーブルの所要の位置決め精度では、５ｎｍ／２０μラジアン＝２５０μｍの最大アッベ距離となる。従って、同じレベルにすることは、製造時に非常に精密となるように留意しなければならず、さもないとナノメートル範囲でのテーブルの位置決め精度を達成できない。そのため、図３の通り、物体ＯＢは位置を固定された基準尺Ｍｆの下を動かすべきであるので、如何なる場合でも位置測定装置の中立な回転中心ＮＰｍを目盛Ｇｆを装着した位置を固定された基準尺Ｍｆの下に置かなければならない。実際有利には、少なくとも０．５ｍｍとすべき安全な距離Ｄｍｉｎを維持しなければならない。また、他方では、中立な回転中心ＮＰｍは、目盛Ｇｍを備えた動かされる基準尺Ｍｍの下に置いてはならない。さもないと、動かされる基準尺Ｍｍを物体ＯＢの上に突き出るようにしなければならない。器具Ｔと物体ＯＢ間の間隔が非常に狭い通常の場合、器具Ｔと動かされる基準尺Ｍｍの間の衝突を防止するためには、移動範囲を大幅に制限しなければならない。しかし、同じ理由から、走査光学系は、例えば、偏向ミラーなどの中立な回転中心ＮＰｍの上に突き出る部品も必要とすべきでない。最適には、中立な回転中心ＮＰｍのＺ方向の位置は、二つの基準尺ＭｆとＭｍの間の領域Ｂ内に有る（図３参照）。そのような領域Ｂは、固定された基準尺Ｍｆからの最小限の間隔によって限定されるとともに、動かされる基準尺Ｍｍにまで及ぶ。
【００４９】
中立な回転中心ＮＰｍの位置の他に、固定された基準尺Ｍｆに関する中立な回転中心ＮＰｆの位置も重要である。中立な回転中心ＮＰｆの設定は、前述した同じ方法で行うことができる。中立な回転中心ＮＰｆの最適な位置は、測量コンパスの妨害効果を観察すれば発見することができる。熱的又は時間的な変動効果或いは変化する機械的な力によって、器具Ｔと固く接続された基準尺Ｍｆが物体ＯＢ及びそれと固く接続された基準尺Ｍｍに対して動く可能性が有る。直線的な動きが位置測定装置によって検出される一方、傾斜した動きは、通常測定誤差を生じさせる。器具の中立な回転中心として看做すことができるＴＣＰをスライドさせるためのてこの腕と、位置測定装置の位置をスライドさせるためのてこの腕とが同じである場合にのみ、測定誤差を防止することができる。即ち、中立な回転中心ＮＰｆとＴＣＰのＺ方向の位置を一致させなければならない。従って、最適な位置測定装置は、同一の中立な回転中心ＮＰｍとＮＰｆを持たなければならない。そのため、本発明では、基準尺Ｍｍ，ＭｆをツールセンターポイントＴＣＰに対して相対的に配置することによって、中立な回転中心ＮＰｍ，ＮＰｆとツールセンターポイントＴＣＰが移動面ＸＹに対して平行な面内に有ることを保証している。この条件は、三つの空間成分Ｘ，Ｙ，Ｚの全てに対して有効である。
【００５０】
以下において、図４ａ〜１３ｂにもとづき、この条件の遵守を保証する、本発明による位置測定装置の走査光学系とそれに対応する基準尺の配置構成の異なる実施形態を説明する。
（１）本発明による位置測定装置の走査光学系の第一の実施構成
図４ａ，４ｂ，５は、測定方向Ｍｒに互いに移動可能な二つの基準尺ＭｍとＭｆ及び走査ユニットＡＥを有する、本発明による位置測定装置の走査光学系の第一の実施構成を図示している。この場合、それに対応する位置測定装置は、図１の配置構成において、Ｘ方向エンコーダ及びＹ方向エンコーダとして使用することができる。
【００５１】
図示している走査光学系の走査ビームパスを以下で説明する前に、先ずは本出願の用語における走査光学系には、移動量に応じた出力信号の生成を行うための、走査ビームパス内の全ての構成部品、即ち、二つの基準尺ＭｍとＭｆ以外に、更に走査ユニットＡＥと、その中に配置された構成部品、例えば、光源ＬＤなどと、レンズＬと、複数の光電素子ＰＥ０，ＰＥ−１，ＰＥ＋１とが含まれることを指摘しておきたい。
【００５２】
レーザーダイオード、有利には、垂直に放射するＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）の形の光源ＬＤの光ビームは、コリメータレンズＬによってコリメートされて、目盛Ｇｍの目盛線方向に対して傾斜した形で基準尺Ｍｍに当たる。衝突地点Ｐにおいて、透過光式目盛として構成された目盛Ｇｍが、光ビームを＋１と−１の回折次数に分割する。次に、二つの部分光ビームは、反射式目盛として構成された目盛Ｇｆを有する基準尺Ｍｆに当たる。二つの部分光ビームは、−１又は＋１の回折次数での回折によって、測定方向Ｍｒに偏向して戻される一方、目盛線方向にのみ反射される。目盛Ｇｆの目盛周期ｄｆは、目盛Ｇｍの目盛周期ｄｍの半分しかない。更なるビームパス内において、二つの部分光ビームは、新たに基準尺Ｍｍ上に到達して、目盛Ｇｍでの新たな回折によって、結合地点Ｐｂで重なり合って干渉し合う。その結果得られる−１，０，＋１の回折次数で出て行く光ビームは、それに応じた光電流を生成する光電素子ＰＥ０，ＰＥ−１，ＰＥ＋１に到達する。図示されていない更なる信号フローでは、光電流は、増幅されて、周知の手法で補間回路に供給され、補間回路は、光電流から高分解能の位置に関する値を算出する。本実施例では、有利には、それぞれ１２０°である、光電流間の所要の位相シフトは、目盛Ｇｍの特別な実施形態によって実現される。それは、特許文献４の通り、約０．３３＊ｄｍの格子線幅と約１２０°の位相のずれを有する位相格子として構成される。目盛Ｇｆは、有利には、約ｄｍ／２の目盛線幅と１８０°の位相のずれを持つ位相目盛である。
【００５３】
この走査光学系の中立な回転中心ＮＰｍとＮＰｆは、衝突地点Ｐａと結合地点Ｐｂの間の中間の同じ地点に有る（図４ａ，４ｂ参照）。そのことは、前述した方法にもとづき容易に再確認することができる。そのため、この走査光学系は、本発明による位置測定装置の最適な実施形態に関する前述した非常に重要な前提条件を満たしている。図３の中立な回転中心ＮＰｍとＮＰｆが有利な領域Ｂ内に有るようにするために、この例では、動かされる目盛Ｇｍを透過光式目盛として選定するとともに、固定された目盛Ｇｆを反射式目盛として選定しなければならない。従って、走査は、動かされる目盛の側から行われ、特許文献３に図示されているような固定された目盛Ｇｆの側から行われない。そのため、光源ＬＤ、レンズＬ及び光電素子ＰＥ０，ＰＥ−１，ＰＥ＋１を有する一方の走査ユニットＡＥと、他方の固定された目盛Ｇｆとは、動かされる目盛Ｇｍの逆側に配置されている。見易くするために、全体の配置構成は、図５に立体的な図面で図示されている。
【００５４】
更に、図６には、Ｘ及びＹ方向の動きを検出するためのＸＹテーブルが直前に説明した実施例による二つの位置測定装置Ｅｘ，Ｅｙを備えたシステム全体が立体的な図面で図示されている。
【００５５】
この実施例では、透過光式目盛として構成された目盛Ｇｍが、有利には、位置を固定された基準尺Ｍｆの方を向いた、移動可能な基準尺Ｍｍの側に取り付けられている。反射式目盛として構成された目盛Ｇｆは、裏面反射式目盛として構成して、それを基準尺Ｍｍと逆方向を向いた、基準尺Ｍｆの側に取り付けることもできる。そうすることによって、中立な回転中心ＮＰｆとＮＰｍの位置は変化しない。
【００５６】
レンズＬから放出される光ビームの照射角は、有利には、走査ユニットＡＥと基準尺Ｍｆの間隔が変化した場合に光ビームのずれが限定されるように、出来る限り小さく選定すべきである。２０°の値を上回るべきではない。二つの基準尺ＭｍとＭｆ間の間隔は、有利には、１〜３０ｍｍの範囲内である。
【００５７】
本発明による位置測定装置の第一の実施構成の走査光学系の代替形態は、例えば、位相のずれた信号を生成する別の方式、例えば、偏光式走査から得られる。その場合、基準尺ＭｆとＭｍの間にλ／２又はλ／４位相板を挿入して、それによって二つの部分光ビームを直交するように偏光する。望ましくない熱損失を防止するために、光を供給するとともに、光信号を戻すための光ファイバーを使用することもできる。レーザーダイオードの代わりに、例えば、ＬＥＤなどの別の光源を用いることもできる。
【００５８】
更に、冒頭で考察した従来技術と異なり、走査光学系の動かされる構成部品を、縦目盛として構成された目盛Ｇｆと逆側に、そのため横目盛として構成された目盛Ｇｍの下に配置することが非常に有利であることが分かっていることを指摘しておきたい。
【００５９】
従って、走査ユニットＡＥと、位置を固定された目盛Ｇｆと、それに対して相対的に動かされる目盛Ｇｍとを含む、本発明による走査光学系の実施形態は、二つの交差した基準尺Ｍｆ，Ｍｍの二つの中立な回転中心ＮＰｆ，ＮＰｍの位置が一致することを保証するものである。
（２）本発明による位置測定装置の走査光学系の第二の実施構成
図７ａと７ｂは、本発明による位置測定装置の第二の実施例の走査光学系を異なる図面で図示している。レーザーダイオードＬＤの光ビームは、又もやコリメータレンズＬによってコリメートされて、光軸ＯＡに対して平行な形で基準尺Ｍｍに対して垂直な方向に偏向する。その上側では、透過光式目盛として構成された目盛Ｇｍが分割地点Ｐａで光ビームを−１と＋１の回折次数に分割する。二つの部分光ビームは、下側に特別な透過光式目盛として構成された目盛Ｇｆを装着した基準尺Ｍｆ上に到達する。この目盛Ｇｆは、部分光ビームを測定方向Ｍｒに見て光軸ＯＡに対して平行な方向に偏向させる。それに対して垂直な方向では、目盛Ｇｆは、部分光ビームを集束させるとともに、それを偏向させており、その結果部分光ビームは、基準尺Ｍｆの裏側の反射器Ｒ１又はＲ２上に集束した形で当たる。部分光ビームは、反射された後、再び目盛Ｇｆ上に到達する。そこで、再度測定方向Ｍｒに偏向し、その場合偏向は、入射する光ビームに対して対称的に行われる。測定方向Ｍｒに対して垂直な方向では、目盛Ｇｆは、再び部分光ビームをコリメートして、それらを光軸ＯＡに対して平行な方向に偏向させる。出て行った部分光ビームは、戻って目盛Ｇｍにまで到達して、そこの結合地点Ｐｂで、＋１又は−１の回折次数での回折によって重なり合って、干渉し合う。目盛Ｇｍの目盛構造は、第一の実施例と同様に、得られた−１，０，＋１の回折次数で出て行く光ビームが、それぞれ１２０°の位相のずれを持つ形で強度を変調されて、光電素子ＰＥ０，ＰＥ−１，ＰＥ＋１によって検出されるように選定される。
【００６０】
前の実施例と同様に、基準尺Ｍｍは、ＸＹテーブルと固定されるとともに、それと共にＸ及びＹ方向にスライドすることが可能である一方、模式的に図示されている走査ユニットＡＥは、ＸＹテーブルに対して測定方向Ｍｒにしか移動せず、測定方向に対して垂直な方向に関しては、図示されていないリニア誘導部材によって固定されたままである。基準尺Ｍｆは、位置を固定された形で配置されている。
【００６１】
この実施例の特徴は、目盛Ｇｆの実施形態に有る。それは、以下において、逆反射器目盛とも呼ばれる。図８ａと８ｂには、図解のために、基準尺Ｍｆの領域における走査ビームパス内のビームフローが詳しく図示されている。目盛Ｇｆ又は逆反射器目盛は、回折構造の形で二つの機能を同時に実現している。一方の機能では、入射して来る部分光ビームを測定方向Ｍｒに、或いはその逆方向に偏向させる。そのような偏向作用は、目盛周期ｄｆの周期的な目盛の光学作用に相当する。透過光式目盛として構成された目盛Ｇｆは二回通過されるので、この実施例では、ｄｆは、目盛Ｇｍの目盛周期ｄｍと等しい。他方の機能では、目盛Ｇｆは、回折式円柱レンズである。この円柱レンズは、図８ｂから明らかな通り、部分光ビームを測定方向Ｍｒに対して垂直な方向に反射器Ｒ１又はＲ２上に集束させる。同時に測定方向Ｍｒに対して垂直な方向に偏向させることは、入射して来る部分光ビームに円柱レンズの中心Ｚに対するずれＳを生じさせる。反射器Ｒ１とＲ２は、金属からでも干渉ミラーとしても構成することができる。
【００６２】
ビームフロー内で二回通過される円柱レンズは、反射器Ｒ１又はＲ２と共に、入射して来る光ビームを測定方向Ｍｒに対して垂直な方向に、かつそのような垂直な方向にのみ逆転させる逆反射器を形成する。この逆反射器は、プリズム角が９０°の直角プリズムと同じ光学作用を有する。そのような逆反射によって、光軸ＯＡの回りにおける基準尺Ｍｍ，Ｍｆの大幅に大きな回転を補償することが可能となる。そのようなモアレ回転と呼ばれる基準尺Ｍｍ，Ｍｆの傾斜時に、それに対抗する測定方向Ｍｒに対して垂直な方向への二つの部分光ビームのビーム傾斜を発生させている。逆反射器が無いと、特に、信号周期が短い位置測定装置において、モアレ傾斜が、非常に大きい信号の劣化を引き起こすこととなる。その結果モアレ傾斜に関する許容範囲が極度に狭くなる。逆反射器によって、測定方向Ｍｒに対して垂直な方向へのビーム傾斜が補償されて、その結果信号周期が非常に短い位置測定装置でも、大幅に広いモアレ許容範囲が実現可能となる。そのための別の実施形態は、特許文献５と６に見い出すことができる。
【００６３】
特許文献５により周知の（走査）目盛と異なり、逆反射器目盛、即ち、この実施例の目盛Ｇｆは、入射して来る部分光ビームを測定方向Ｍｒ及びその逆方向に偏向させなければならず、そのため標準的な目盛を分割した作用を持たなければならない。その結果、所要の目盛Ｇｆを異なるサイズとしなければならない。図９は、目盛Ｇｆ又は逆反射器目盛の詳細な構造を図示している。それは、測定方向Ｍｒに対して周期的に配置された、それぞれｄｆ／２の幅の個別の縞ＧｆＡとＧｆＢから構成されている。二つの縞ＧｆＡとＧｆＢは、互いに相補的である、即ち、それらの構造は、各地点で二元構造の二つの状態を入れ換えることによって、互いに入れ子となった構造とすることができる。各縞ＧｆＡ又はＧｆＢは、回折式円柱レンズを形成する。それは、次の位相関数φ（ｙ）を用いて計算される。
【００６４】
【数４】
2010527013.tif 000006
ここで、ｙは横方向の位置、Ｄｆは基準尺Ｍｆの厚さ、ｎは基準尺Ｍｆの屈折率、λは使用する光源の波長である。
【００６５】
縞ＧｆＡでは、｜φ（ｙ）｜≦π／２となる各地点で第一の状態が出現し、縞ＧｆＢでは、それと相補的な第二の状態がそこに出現する。この二元構造は、有利には、位相のずれが１８０°の位相目盛として構成される。周縁領域では、波長λの範囲の局所的な目盛周期が生じているので、数値的な最適化によって、位相のずれと構造の幅又は形状を局所的に適合させて、使用する回折次数の最大限の回折効率を達成することができる。この最適化によって、図９に図示されている長方形に代わって、通常角を丸くした構造の素子が得られる。縞模様の円柱レンズをブレーズ型構造として構成するのが、特に有利であるが、負担がかかる。
【００６６】
目盛Ｇｆ又は逆反射器目盛は、図７ｂに図示されている通り、測定方向Ｍｒに対して垂直な方向にビームのずれ２＊Ｓを生じさせる。それによって、コリメートされた光源の照射方向を基準尺ＭｍとＭｆに対して垂直な方向にずらすと同時に、ｙ方向に対して隣接して配置された光電素子ＰＥ０，ＰＥ−１，ＰＥ＋１を用いた検出が可能となる。この場合、第一の実施例のような斜めの照射方向は、もはや不要である。そのような高い対称性によって、二つの基準尺Ｍｍ，Ｍｆと走査ユニットＡＥに関する特に大きな位置の許容範囲が実現される。特に、基準尺ＭｍとＭｆ間の間隔に関して、関連する許容範囲の制限が、もはや実際に存在しなくなる。
（３）本発明による位置測定装置の走査光学系の第三の実施構成
図１０は、プリズムＰｒが基準尺Ｍｆの裏側に配置され、プリズムＰｒが９０°の直角プリズムとして構成された、本発明による位置測定装置の第三の実施例の走査光学系を立体的な図面で図示している。この場合、第二の実施構成の回折式逆反射器目盛又は目盛Ｇｆの二つの機能は、基準尺Ｍｆの二つの構成部材、即ち、目盛ＧｆとプリズムＰｒに分割されている。ここでは、目盛Ｇｆは、基準尺Ｍｍの目盛Ｇｍと同じ目盛周期を有する。そうすることによって、入射して来る部分光ビームを測定方向Ｍｒに光軸に沿って偏向させている。そして、９０°の直角プリズムは、測定方向Ｍｒに対して垂直な方向への逆反射を生じさせている。部分光ビームが測定方向Ｍｒに対して目盛Ｇｆを新たに通過して行くことは、二つの部分光ビームを測定方向Ｍｒに対して目盛Ｇｍ上の共通の結合地点Ｐｂに向かわせて、そこで、この実施例に通り、二つの部分光ビームの干渉を生じさせることとなる。
【００６７】
この例では、基準尺Ｍｆの二つの構成部材、即ち、プリズムＰｒと目盛Ｇｆは、互いに固く接続されている。有利には、それらは、一体的に製作される。それに代わって、それらを別個に製作して、次に、例えば、押込みばめによって接続することができる。二つの部材を固く接続した別個の構造も可能である。非常に安価な変化形態では、９０°の直角プリズムの代わりに、二つの狭い縞模様のミラーが、９０°の角度で互いに固定されて、逆反射器として使用される。
【００６８】
更なる機能に関しては、前に説明した第二の実施例を参照されたい。
【００６９】
第三の実施構成の特別な利点は、損失の小さい回折式構造素子が使用されているので、大きな信号強度を達成可能なことである。それによって、以下で述べる補間回路の補間品質を改善することができる。
【００７０】
一般的に、逆反射器目盛も直角プリズムを搭載した目盛も、非常に多くの走査方式と組み合わせることができる。即ち、走査光学系にモアレ補償を配備すること、場合によっては、顧客毎に選択肢を提供することも容易に可能である。
【００７１】
これまでに説明した実施構成では、基準尺ＭｍとＭｆは、光を透過する目盛領域を有する。本発明による実施構成では、個々の光ビームをそれらに対応する互いに画定し合う目盛領域を通して誘導するために、特許文献３の複数の実施構成で必要であった、基準尺Ｍｍ，Ｍｆと走査ユニットＡＥの相互位置の許容範囲を更に制限する必要はない。
（４）本発明による位置測定装置の走査光学系の第四の実施構成
図１１ａと１１ｂは、図７ａと７ｂの第二の実施例の図面と同様の本発明による位置測定装置の第四の実施例の走査光学系を図示している。図１２ａと１２ｂには、第二の実施例と同様に、同じく位置を固定された基準尺Ｍｆの領域における走査ビームパス内のビームフローが図示されている。
【００７２】
レーザーダイオードＬＤの光ビームは、又もやコリメータレンズＬによってコリメートされて、光軸ＯＡに対して平行な形で移動可能な基準尺Ｍｍに対して垂直な方向に偏向する。この上側では、又もや透過光式目盛として構成された目盛Ｇｍが、入射して来る光ビームを−１と＋１の回折次数の部分光ビームに分割する。
【００７３】
二つの分割された部分光ビームは、下側又は移動可能な基準尺Ｍｍの方を向いた側の中央領域に反射層Ｒを装着した、位置を固定された基準尺Ｍｆに到達し、その反射層Ｒは、移動可能な基準尺Ｍｍと逆側の方向に反射する作用を有する。分割された部分光ビームは、反射層Ｒの側方に隣接する形で、位置を固定された基準尺Ｍｆの下側で光軸ＯＡの方に屈折して、位置を固定された基準尺Ｍｆの上側のここでは反射式目盛として構成された目盛Ｇｆ上に到達する。反射式目盛Ｇｆは、反射式位相格子として構成されており、その回折機能に関して、図７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの第二の実施例における透過光式目盛として構成された目盛Ｇｆと同じ光学特性を有する。それは、目盛Ｇｆに入射して来る部分光ビームを測定方向Ｍｒに見て光軸ＯＡの方に平行な方向に向けるとともに、部分光ビームを測定方向Ｍｒに対して垂直な方向に関して反射層Ｒの方に集束させることを意味する。即ち、その光学作用は、又もや測定方向Ｍｒにおける分割格子と測定方向Ｍｒに対して垂直な方向における回折式円柱レンズとを重ね合わせたものに相当する。回折式円柱レンズの焦点距離は、焦点がその上の反射層Ｒの面内に有るように選定される。
【００７４】
次に、反射層Ｒでの部分光ビームの目盛Ｇｆの方向に戻る形の反射が起こり、そこで部分光ビームは、新ためてコリメートされると同時に、測定方向Ｍｒに偏向する。入射して来る部分光ビームと円柱レンズの光軸ＯＡの間のずれＳのために、測定方向Ｍｒに対して垂直な方向、即ち、ｙ方向に関して、位置を固定された基準尺Ｍｆに入射する部分光ビームとそこから出射する部分光ビームの間のビームのずれ２Ｓが生じる。部分光ビームは、位置を固定された基準尺Ｍｆを出る際に、再び回折を受けて、全てが移動可能な基準尺Ｍｍの目盛Ｇｍ上の結合地点Ｐｂに当たり、そこで、第二の実施例と同様に、＋１又は−１の回折次数での回折によって重なり合って、干渉し合うこととなる。目盛Ｇｍの目盛構造は、第二の実施例と同様に、−１，０，＋１の回折次数で得られた、そこから出て行く光ビームが、互いにスライド可能な構成部品の相対的な運動の際に、それぞれ１２０°の位相のずれた形で強度を変調されるとともに、光電素子ＰＥ０，ＰＥ−１，ＰＥ＋１によって検出されるように選定される。
【００７５】
基準尺Ｍｍは、第二の実施例と同様に、ＸＹテーブルと固定されるとともに、それと共にＸとＹ方向にスライド可能である一方、模式的に図示されている走査ユニットＡＥは、ＸＹテーブルに対して測定方向Ｍｒにのみ動かされるとともに、それと垂直な方向に対しては、リニア誘導部材によって固定されたままである。基準尺Ｍｆは、又もや位置を固定された形で配置されている。
【００７６】
この実施例の特徴は、所謂裏面反射式基準尺として構成された、反射式位相格子として構成された目盛Ｇｆを有する、位置を固定された基準尺Ｍｆの実施形態に有る。その具体的な光学特性に関しては、ここでは反射式位相目盛に転換されている第二の実施例の説明を参照されたい。
【００７７】
この実施例では、位置を固定された基準尺Ｍｆが汚れから保護された裏面反射式目盛を有することが、特に有利である。平坦な反射層、例えば、金属層によって、目盛を保護しているので、汚れが位相目盛の溝に入り込むことはできない。位置を固定された基準尺Ｍｆの逆側は、汚れた時に容易に清掃することが可能な平坦な面だけを有する。
（５）本発明による位置測定装置の走査光学系の第五の実施構成
図１３ａと１３ｂは、前の実施例の図面と同様の本発明による位置測定装置の第五の実施例の走査光学系を図示している。
【００７８】
レーザーダイオードＬＤのコリメートされた光ビームは、光軸ＯＡに対して平行な方向に移動可能な基準尺Ｍｍ上に当たる。目盛周期ｄｍの第一の透過光式目盛Ｇｍ１は、その表面の分割地点Ｐａに当たった光ビームを−１と＋１の回折次数に分割する。二つの分割された部分光ビームは、位置を固定された基準尺Ｍｆの反射目盛Ｇｆ上に到達し、そこで戻されて回折する。非常に小さい目盛周期ｄｆ＜ｄｍ／２のために、部分光ビームは、測定方向ｘにずれた形で再び移動可能な基準尺Ｍｍの分割地点Ｐａに到達する。それらは、そこで第一の透過光式目盛Ｇｍ１の両側に配置された第二の透過光式目盛Ｇｍ２ａ又はＧｍ２ｂによって回折する。第二の透過光式目盛Ｇｍ２ａ，Ｇｍ２ｂは、図７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂによる第二の実施例の目盛Ｇｍと同様に実現されている。従って、それらは、部分光ビームを測定方向ｘに関して光軸ＯＡに対して平行な方向に偏向させるとともに、測定方向ｘに対して垂直な方向に関して移動可能な基準尺Ｍｍの下側の反射器Ｒ１又はＲ２上に集束させる。部分光ビームは、Ｒ１又はＲ２で反射した後、新たに目盛Ｇｍ２ａ又はＧｍ２ｂに到達して、そこで再び測定方向ｘに偏向して戻されるとともに、再び測定方向ｘに対して垂直な方向にコリメートされる。部分光ビームは、位置を固定された基準尺Ｍｆの格子Ｇｆで再び回折した後、目盛Ｇｍ１によって結合地点Ｐｂで再び重なり合って、干渉し合うこととなる。最後に、前の実施例と同様に、光電素子ＰＥ０，ＰＥ−１，ＰＥ＋１が、異なる方向に放出された光ビームを検出する。
【００７９】
中立な回転中心ＮＰｍとＮＰｆの空間的な位置は、前述した方法を用いて容易に設定することができる。これらの中立な回転中心は、位置を固定された目盛Ｇｆの大きな偏向作用によって、基準尺ＭｍとＭｆの間に有る。目盛周期ｄｆを目盛周期ｄｍと比べて小さく選定する程、Ｚ方向における中立な回転中心ＮＰｆとＮＰｍの位置が高くなる。従って、それらをアプリケーションの要件に好適に適合させることができる。如何なる場合でも、特別な利点は、それによって、より深い位置で移動可能な基準尺Ｍｍをテーブルと固定することができ、もはやその上側をＴＣＰと一直線に並べる必要がないことである。従って、それを器具との衝突から容易に保護することができる。更に、移動可能な基準尺Ｍｍが、もはや測定物体（例えば、ウェーハ）の厚さだけテーブルの上端の上に突き出る必要がないので、測定物体（ウェーハ）をテーブルから容易に取り去ることができる。
【００８０】
当然のことながら、本発明の範囲内には、ここで説明した例の他に、多くの別の実施例が有る。
【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５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【国際調査報告】
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