JP6850136B2 - 光学式の位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、基準器および走査プレートを備える光学式の位置測定装置であって、基準器および走査プレートの互いに対する位置を、干渉する複数の光線によって、互いに無関係な３つの線型空間方向に確定することができる光学式の位置測定装置に関する。

出願人のドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１４２１８６２３号明細書により、一般的な位置測定装置が既知である。このような位置測定装置の特別な利点は、単一の位置測定装置によって、２つの物体の相対位置を３つの空間方向に測定することができることである。これらの空間方向のうちの２つは（例えば互いに垂直であることよって）互いに線型に依存しており、平面状の基準器に対して平行であり、平面状の走査プレートに対しても平行である。第３の空間方向は、２つの第１空間方向に対して垂直であり、走査プレートと基準器との間の間隔もしくは間隔変化に対応している。

従来技術により既知のこの位置測定装置では、走査プレートの分光用回折格子は入射する光線を複数の部分光線束に分光する役割を果たす。これらの部分光線束は基準器の光学回折格子と相互作用し、反射されて走査プレートに戻る。走査プレートにおいて、光は複数の格子領域およびミラーと相互作用し、再び基準器に到達し、基準器から走査プレートの分離用回折格子に到達する。分離用回折格子から放出された光は、複数の検出器で周期信号に変換され、これらの周期信号から最終的に３つの空間方向における位置変化を検出することができる。

この位置測定装置の作動形式および異なる格子領域の機能が上記ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１４２１８６２３号明細書に詳細に説明されている。格子領域は、回折光学系として作用し、例えば円柱レンズとして作用することができる。この場合、全ての空間方向における位置測定について最終的に良好な信号を得るためには、個々の格子領域で、（回折方向、回折効率、偏光、位相位置に関して）極めて限定的に光を操作することが特に重要である。このような操作は、これまでは走査プレートの格子領域を回折格子の目盛方向、格子周期、目盛と間隙の比率に関して最適化することにより達成された。これらのパラメータは、例えばフォトリソグラフィプロセスのためのマスクを製造する場合に簡単に調節することができる。しかしながら、このような回折格子を製造する場合に不可欠な精度は、多大な労力をかけてしか達成されないことが明らかになった。走査プレートで生じる光線の異なる入射角および偏光角により、極めて多様な条件が生じ、特に単一の光の波長によって処理することが望ましい場合には、これらの条件を意のままにすることは極めて難しい。

本発明を実現するために適した、交差格子を備える基準器は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１３２２０１９０号明細書により既知である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１４２１８６２３号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１３２２０１９０号

本発明の課題は、従来技術により既知のこれらの位置測定装置の走査プレートをさらに改良し、位置測定装置の製造時のプロセスウィンドウを拡大することである。

この課題は、請求項１に記載の装置によって解決される。この装置のさらなる有利な構成が、請求項１に従属する請求項に記載されている。

基準器および走査プレートを備え、基準器および走査プレートの互いに対する位置を、干渉する複数の光線によって、互いに線型に独立した３つの空間方向に確定することができる光学位置測定装置が開示され、２つの空間方向は基準器の平面に対して平行であり、走査プレートの平面に対しても平行であり、第３空間方向はこれらの２つの空間方向に対して垂直である。位置測定装置は、走査プレートに配置された、異なる回折次数の複数の部分光線に光を分割する分光用回折格子と、基準器に配置されており、部分光線をさらに分割し、走査プレートよる再帰反射後に、さらに分割されたこれらの部分光線を再び統合するための光学回折格子とを備える。さらに位置測定装置は、走査プレートの、基準器に向いている側に、基準器でさらに分割される部分光線を操作する回折光学系としての役割を果たす複数の格子領域と、走査プレートに配置され、基準器と走査プレートとの間で何度も反射された光を、干渉する部分光線束として分離するための分離用回折格子とを備える。位置測定装置は、位相型回折格子として形成された複数の格子領域の段高さが可変であることによって優れている。

異なる方向から光が入射する複数の回折格子領域のために異なる段高さが設けられていることにより、格子領域を設計する場合、ひいては個々の回折格子の回折効率を調節する場合に付加的な自由度が生じる。このような異なる段高さによって、例えば異なる格子領域のための異なるエッチング深さが要求されるので、作製プロセスが幾分複雑になるとしても、全体としてより大きいプロセスウィンドウが生じ、ひいては、走査プレートの作製時により大きい生産性が得られる。回折格子をエッチングする場合の労力が大きいにもかかわらず、極めて要求の多い位置測定装置のこの光学構成要素を安価に作製することができる。このような位置測定装置の作動は単一の光波長、ひいては単一の光源によって行うことができる。

次に図面に基づいて様々な実施形態を説明し、本発明のさらなる利点および詳細を明らかにする。

図１は、位置測定装置の走査プレートおよび基準器を概略的に示す側面図である。 図２は、図１の走査プレートの、基準器に向いている側を示す平面図である。 図３は、格子領域の段高さが可変である走査プレートの第１実施例を示す図である。 図４は、格子領域の段高さが可変である走査プレートの第２実施例を示す図である。 図５は、格子領域の段高さが可変である走査プレートの第３実施例を示す図である。

図１は、２つの空間方向ＸおよびＹに延在する平面状の走査プレートＡと、この走査プレートＡに対して平行な平面状の基準器Ｍとを備える一般的な位置測定装置の原理的な構成を概略的に示す。図２は、走査プレートＡの、基準器Ｍに向いている側を平面図で示す。

光源Ｑの光Ｌが、透明な走査プレートＡをＺ方向に通過し、走査プレートＡの、基準器Ｍに向いている側に配置された分光用回折格子Ｇａに入射する。この分光用回折格子Ｇａは、光Ｌを異なる回折オーダの複数の部分光線＋１，０，−１に分割する。これらの３つの部分光線＋１，０，−１は、基準器Ｍの、走査プレートＡに向いた側に配置された光学回折格子Ｇｍに入射する。この光学回折格子Ｇｍは、部分光線＋１，０，−１を再び異なる回折オーダ、すなわち、好ましくはそれぞれ＋／−１次の回折オーダに分割する交差格子であり、０次の回折次数は抑制される。したがって、走査プレートＡに戻る全部で６本（３×２）の光線が生じる。部分光線＋１，０，−１は分光用回折格子Ｇａの後にはＸＺ平面にのみ広がり、基準器Ｍの光学回折格子Ｇｍの後にはＹ方向の成分を有する光線も存在する。なぜなら基準器Ｍの交差格子である光学回折格子ＧｍはＸ方向にもＹ方向にも回折するからである。

全部で６本の光線は、次いで基準器Ｍから走査プレートＡに戻り、そこで６つの異なる格子領域Ｂ１，Ｂ２，Ａ１．Ａ２，Ｘ１，Ｘ３に入射する。この場合に生じる異なる入射角ｗ１，ｗ２が図１にわかりやすく示されている。これらの回折格子領域は回折光学系として作用し、走査プレートＡの、基準器Ｍに向いていない方の側に塗布されたミラーＳに入射するように光を偏向し、集束する。このようなミラーは、例えば、クロム、アルミニウム、銀または金からなる蒸着層によって実現することができる。

光は、これらのミラーＳから他の６つの回折格子領域Ｂ３，Ｂ４，Ａ３，Ａ４，Ｘ２，Ｘ４に入射し、そこで再び偏向し、集束された光は基準器Ｍに戻る。光は基準器Ｍの光学回折格子Ｇｍで一本の光線に統合され、この光線は走査プレートＡに戻り、そこで分離回折格子Ｇｋに入射し、干渉する光線束が分離回折格子Ｇｋから光検出器に到達する。光検出器は、位置変化が生じた場合に周期信号を発信し、これらの周期信号から３つの全ての空間方向Ｘ，Ｙ、およびＺにおける位置変化を推論することができる。

この位置測定装置の作動形式に関しては、本明細書で概略的に説明した位置測定装置を詳細に説明している冒頭に挙げたドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１４２１８６２３号明細書を明確に指摘しておく。

走査プレートＡの幾何学配置、および特に走査プレートＡにおける格子領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４の空間的な配置、ならびに全部で６本の光線が基準器Ｍから走査プレートＡに到達し、再び戻る場合に取る経路を観察すれば、光が異なる角度ｗ１，ｗ２、位相位置、および偏光（ｓ、ｐ、円形、楕円形）により走査プレートＡに入射できることが明らかになる。したがって、光の作用を最適に操作することができるように、走査プレートＡの格子領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４をエッチング深さに関しても最適化することが提案される。

このために、このような格子領域を作製するための一般的な方法では、格子パターンを有するエッチングマスクを生成し、このエッチングマスクがエッチングプロセスによって走査プレートＡに転写されることを理解しておく必要がある。この場合、エッチングマスクは、格子目盛の方向、格子周期、および走査比（すなわち、格子周期に対する格子目盛の幅）を確定することはできるが、エッチング深さを確定することはできない。エッチング深さは、全ての回折格子について等しい１つのエッチングプロセスによって決定される。したがって、可変の段高さを有する格子領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４を生成するためには、それぞれ別のエッチングマスクに作用する異なる複数のエッチングプロセスが必要である。このことにより、付加的に必要となるリソグラフィステップに基づいて、走査プレートＡを作製する労力が増大するが、測定信号の最適化に関して、および走査プレートＡの作製プロセスにおける生産性に関して、利点が得られる。

ここで説明した回折格子の作用は、光がより長い経路（格子のウェブ）もしくはより短い経路（格子の間隙）を通って光学的に密な媒体を通過した場合に生じる位相差に基づいていることに言及しておく。以下の実施例でさらに示すように、このような位相型回折格子の「段高さ」という概念は、エッチング段の純粋な寸法に制限されておらず、むしろそれぞれの層の屈折率を考慮する必要もある。

次に、どのようにして格子領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４の可変の段高さを形成することができるかを３つの実施例に基づいて説明する。

図３は、格子領域Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４を有する走査プレートＡおよび光学回折格子Ｇｍを有する基準器Ｍを断面図で示す。走査プレートＡは、ゼロに近い熱膨張係数を有するガラスセラミクス（例えば「ゼロデュア」という商品名で入手可能であり、代替的には、例えば石英ブロックを使用することもできる）と、このガラスセラミクスで析出された二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の層Ｓ１からなる。五酸化タンタルおよびケイ素が、層Ｓ１のために使用してもよい代替的な材料の例である。この層Ｓ１には、可変の段高さｔ１，ｔ２を有する格子領域Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４がエッチングされている。段高さｔ１は、格子領域Ｘ１およびＸ４のために使用され、段高さｔ２は格子領域Ｘ２およびＸ３のために使用される。

段高さｔ１，ｔ２（もしくはそれぞれ同じ段高さを備える格子領域）は、走査プレートＡの中心部に対して対称的に配置されている。この中心部は、分光用回折格子Ｇａと分離用回折格子Ｇｋとの間のほぼ中央に位置する。図３〜図５では、この中心部は入射する光Ｌによって示されている。このような対称性は、基準器Ｍに対する走査プレートＡのわずかな傾斜に対する位置測定装置の影響の受けやすさを低減する。段高さの一般的な値は、波長９７６ｎｍの光によって走査する場合には、例えばｔ１＝１６００ｎｍおよびｔ２＝９５０ｎｍである。他の波長の場合には、他の最適な段高さｔ１、ｔ２が生じる。

図４は、格子領域が直接の石英ガラス基板（例えば、ＨｅｒａｓｉｌまたはＳｕｐｒａｓｉｌの商品名で入手可能）にエッチングされている走査プレートＡを示す。可能性を示すために、この場合には３つの異なる段高さｔ１，ｔ２およびｔ３が実施されている。というのも、本発明は２つのみの異なる段高さに制限されていないからである。傾斜に対する影響の受けやすさを低減するために、異なる段高さｔ１，ｔ２，ｔ３はこの場合にも走査プレートＡの中心部に対して対称的に配置されている。

別の実施例として、図５は、ゼロデュア基板と二酸化ケイ素層Ｓ１との間にさらに付加的なケイ素層Ｓ２が配置されている走査プレートＡを示す。このことは、特に大きい段高さに対応して、特に大きい位相差を生成する必要がある場合には、有意義であり得る。段高さｔ３の段を観察すると、これらの段は部分的に層Ｓ２にまで到達していることがわかる。ケイ素層Ｓ２は、ＳｉＯ_２の層Ｓ１よりも著しく高い屈折率を有する。したがって、光学的に著しく大きい段高さが効果的である。なぜなら、それぞれの段の位相変位作用は、エッチングされた層の平均屈折率に依存しているからである。エッチング技術的な労力は、付加的な層Ｓ２のおかげで減じられる。なぜなら、純粋にＳｉＯ_２の層Ｓ１と比較して、より浅いエッチング深さがあれば、回折格子における所定の位相変位を得るために十分だからである。

換言すれば：走査プレートＡを通過する光学領域は、いわゆる「光学層厚さ」
ｄ_ｏｐｔ＝ｎ・ｄ
のみを認識し、ｄは、（例えば触覚的に検出することができる）物理的な層厚さに相当し、ｎは、エッチングされた層の（平均的な）屈折率に相当する。したがって、「段高さ」という概念は、特に位相偏移の値についての基準を付与している。

基本的には、透明な基板に連続する複数の異なる層Ｓ１，Ｓ２が設けられている走査プレートＡも可能であり、この場合、これらの連続する層に可変の（異なる）段高さを有する格子領域がエッチングされる。

位置測定装置の好ましい実施形態では、単一の波長の光を放出する単色の光源Ｑが用いられ（例えばレーザダイオード）、これを可能にすることは本発明の出発点の１つでもあったが、本発明はこのような単色の光源Ｑに制限されていない。空間方向Ｘ，Ｙ，Ｚにおける異なる位置測定を可能にするために複数の波長が使用されることが望ましい場合にも、単一の段高さの格子領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４を備える従来の走査プレートＡの場合よりも良好に、走査プレートＡをこれらの波長に適合させることができる。

Ａ 走査プレート
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４ 格子領域
Ｇａ 分光用回折格子
Ｇｋ 分離用回折格子
Ｇｍ 光学回折格子
Ｌ 光
Ｍ 基準器
Ｓ１，Ｓ２ 層
ｔ１、ｔ２、ｔ３ 段高さ
Ｑ 光源
Ｘ，Ｙ，Ｚ 空間方向

Claims (9)

1. 基準器（Ｍ）および走査プレート（Ａ）を備える光学式の位置測定装置であって、基準器（Ｍ）および走査プレート（Ａ）の互いに対する位置を、干渉する複数の光線によって、互いに線型に独立した３つの空間方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に確定することができ、２つの空間方向（Ｘ，Ｙ）が前記基準器（Ｍ）の平面に対して平行であり、前記走査プレート（Ａ）の平面に対して平行であり、第３の空間方向（Ｚ）が前記２つの空間方向に対して垂直な成分を備え、
   前記走査プレート（Ａ）に配置されており、光（Ｌ）を異なる回折次数の複数の部分光線（＋１，０，−１）に分割する分光用回折格子（Ｇａ）と、
   前記基準器（Ｍ）に配置されており、前記部分光線（＋１，０，−１）をさらに分割し、前記走査プレート（Ａ）による再帰反射後に、さらに分割された前記部分光線（＋１，０，−１）を再び統合するための光学回折格子（Ｇｍ）と、
   前記走査プレート（Ａ）の、前記基準器（Ｍ）に向いている側に設けられ、前記基準器（Ｍ）でさらに分割される前記部分光線（＋１，０，−１）を操作する回折光学系としての役割を果たす複数の格子領域（Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｘ１〜Ｘ４）と、
   前記走査プレート（Ａ）に配置され、前記基準器（Ｍ）と前記走査プレート（Ａ）との間で何度も反射された光を、干渉する部分光線束として分離するための分離用回折格子とを備える光学式の位置測定装置において、
   位相型回折格子として形成された格子領域（Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｘ１〜Ｘ４）は、それぞれの格子領域内で同じ段高さを有し、前記格子領域（Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｘ１〜Ｘ４）の各々の段高さ（ｔ１，ｔ２，ｔ３）は、互いに異なっていることを特徴とする光学式の位置測定装置。
2. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   等しい段高さ（ｔ１，ｔ２，ｔ３）を有する前記格子領域（Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｘ１〜Ｘ４）が、前記走査プレート（Ａ）の中心部に対して対称的に対で配置されている位置測定装置。
3. 請求項２に記載の位置測定装置において、
   前記走査プレート（Ａ）の中心部が前記分光用回折格子（Ｇａ）と前記分離用回折格子（Ｇｋ）との間に位置する位置測定装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の位置測定装置において、
   前記走査プレート（Ａ）が、ゼロに近い熱膨張係数を有するガラスセラミクスを含み、該ガラスセラミクスに、エッチングにより格子領域（Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｘ１〜Ｘ４）が設けられた層（Ｓ１）が配置されている位置測定装置。
5. 請求項４に記載の位置測定装置において、
   前記層（Ｓ１）が二酸化ケイ素層である位置測定装置。
6. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の位置測定装置において、
   前記走査プレート（Ａ）が石英ガラス基板を含み、該石英ガラス基板に、エッチングにより格子領域（Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｘ１〜Ｘ４）が設けられている位置測定装置。
7. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の位置測定装置において、
   前記走査プレート（Ａ）が、ゼロに近い熱膨張係数を有するガラスセラミクスを含み、該ガラスセラミクスに、屈折率の異なる層（Ｓ１，Ｓ２）を有する層スタックが配置されており、
   前記格子領域（Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｘ１〜Ｘ４）が、エッチングにより前記層スタック内に設けられている位置測定装置。
8. 請求項７に記載の位置測定装置において、
   前記層スタックが、二酸化ケイ素およびケイ素からなる層（Ｓ１，Ｓ２）を含む位置測定装置。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の位置測定装置において、
   前記位置測定装置が単色の光源（Ｑ）によって作動される位置測定装置。
   
   

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