JP7582849B2 - 光学式位置測定機構 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの測定方向に沿って互いに対して移動可能な２つの物体の高精度の位置測定に適した光学式位置測定機構に関する。この場合、両方の物体はそれぞれスケールと結合している。

干渉走査原理をベースとする光学式位置測定機構が知られており、この光学式位置測定機構では、照明光線束がスケールの測定目盛で、回折により異なる部分光線束に分割される。適切な部分光線束の統合に従って、このスケールがもう一方のスケールに対して変位すると、両方の部分光線束の干渉により検出ユニット内で周期的な信号が生じる。この検出ユニット内の信号周期を数えることにより、両方のスケールのまたはこれらスケールと結合された物体の変位の大きさが推定され得る。

このような光学式位置測定機構は、例えば半導体産業における高精度の位置測定に用いられ、半導体産業では、例えばフォトリソグラフィのための露光マスクが、１メートル／秒超の速度でウエハに対して相対的に移動し、このとき、数ナノメートル以下の範囲の位置決め精度が保たれなければならない。格子ベースの位置測定機構の、干渉計に対する決定的な利点は、干渉する部分光線束が非常に短い距離しか進まなくてよいことにある。これにより、格子ベースの位置測定機構は、気圧変動、温度変動、および湿度変動のような環境の及ぼす影響によって妨害されることがほとんどなく、これら環境の及ぼす影響は、例えば空気の屈折率の変動を通して測定を歪曲し得る。

ＷＯ２００８／１３８５０１Ａ１から、交差する２つのスケールを含んでおり、このスケールがそれぞれ、共通の測定方向を横切って周期的に配置された線または格子領域を有する測定目盛を備えている光学式位置測定機構が知られている。このような位置測定機構により、２つの方向に移動可能なテーブルの第１の測定方向ｘに沿った位置が、もう１つの第２の測定方向ｙに沿ったテーブルの位置に関係なく測定され得る。互いに対して直交に配置されたこのような２つの位置測定機構を使用する場合、テーブルの位置は、第２の測定方向ｙに沿っても、今度は第１の測定方向ｘに沿ったテーブルの位置に関係なく測定され得る。ＷＯ２００８／１３８５０１Ａ１で開示された位置測定機構の欠点は、テーブル平面または水平移動平面に垂直な、さらなる第３の測定方向ｚに沿ったテーブルの移動が、測定技術的に決定され得ないことである。

テーブル平面内でのテーブルの位置を第１および第２の測定方向ｘ、ｙに沿って測定するために、十字格子の形態での２次元の測定目盛を有するスケールを備えた位置測定機構も知られており、この十字格子が複数の位置で走査され、これにより横方向の変位もテーブル平面内での回転も、測定技術的に測定可能である。ＥＰ１０１９６６９Ｂ１ではこのような位置測定機構に関し、追加的な間隔センサを使用することが提案されており、この間隔センサにより、テーブル平面に垂直な、つまり第３の測定方向ｚに沿った移動も測定でき、したがってテーブルの６つすべての移動自由度が測定され得る。しかしこの場合に設けられた間隔センサ、例えば接触式または容量式の測定センサは、半導体産業における目下のまたは将来の製作設備の精度要求を満たさない。それに加え、高精度で拡張された十字格子は製造が厄介である。

ＥＰ１７６２８２８Ａ２では、第１の水平な測定方向ｘに沿った測定と共に、これに加えて測定方向ｘに垂直ないわゆる走査間隔の測定、つまりスケールと走査ユニットの間の測定方向ｚに沿った位置測定を、位置測定機構のさらなるコンポーネントによって可能にする光学式位置測定機構が記載されている。これは、鉛直な測定方向ｚに沿った追加的な移動自由度の測定と同意である。このために光線は、様々な光学構造をもつ透明な走査板を通って、スケールの反射性の測定目盛に当たる。２つの部分光線束に分割された光は、続いて走査板とスケールの間を複数回行ったり来たりする。その際、部分光線束の部分光線は、水平な測定方向ｘに垂直な平面に対して非対称に走っており、かつ異なる経路長を有する。これらの部分光線束は、走査光線経路の途中で、異なる光学的に有効な構造と、例えば異なる回折次数の光線の分割または統合のための格子と、ならびに光の反射のためのミラーおよび的確な偏向ためのレンズと相互作用する。最終的にこのような部分光線束が相互に統合され、これらの部分光線束が、相互に干渉し、こうしてスケールと走査ユニットの間の相対移動の際に、検出ユニットの複数の光検出器内で周期的な走査信号を生成する。部分光線束の非対称な軌道により、検出ユニット内で周期的な走査信号が得られ、これらの走査信号から、スケールと走査ユニットの水平変位も鉛直変位も推定でき、したがって両方の互いに対して移動可能な物体の両方の測定方向ｘおよびｚに沿った相対変位を推測できる。しかしながらこの位置測定機構は、ＥＰ１７６２８２８Ａ２に記載された位置測定機構の走査板の構造に基づき、上で説明したような交差するスケールを備えたシステムには使用され得ない。この走査板は、第１のスケールが測定を邪魔することなく測定方向を横切って相対的に移動し得る第２のスケールへは拡張され得ない。

そういうわけでＥＰ２４５０６７３Ａ２では、第１の格子状の測定目盛を備えた走査棒と、第２の格子状の測定目盛を備えたスケールとを含んでおり、この走査棒が２つの測定方向のうち第１または第２の測定方向ｘ、ｙに、およびスケールが両方の測定方向のそれぞれもう一方の測定方向ｙ、ｘに延びている光学式位置測定機構が提案された。これに関しスケールは走査棒に対し、第１および第２の測定方向に垂直な第３の測定方向ｚに、走査間隔の分だけずれて配置されている。この光学式位置測定機構は、照明光線束を放出する光源をさらに有しており、この照明光線束は、走査棒上の第１の測定目盛を、走査棒とスケールの交点で突き抜け、これによりスケール上の第２の測定目盛に当たり、そこから戻って走査棒におよびさらに検出ユニットに達する。このとき光は、走査棒およびスケールの光学的に有効な構造において、回折により異なる部分光線束に分割され、再び統合され、その際、相互に統合された部分光線束の干渉により、第１の測定方向ｘに沿った走査棒とスケールの間の変位の際に、検出ユニット内で周期的な信号が結果として生じる。この光学式位置測定機構は、第３の測定方向ｚに沿った走査棒とスケールの間の走査間隔の変化の際にも、検出ユニット内で周期的な信号が生成可能であるように形成されている。これでこの光学式位置測定機構は、少なくとも２つの測定方向ｘ、ｚに沿った相対移動の測定を可能にし、しかし光の波長のことによると生じる変動に非依存性ではない。このような変動は、例えば周囲空気中の温度変化および／または湿度変化の結果として生じ、かつ位置に依存する走査信号を決定する際の誤差の原因となり得る。

ＷＯ２００８／１３８５０１Ａ１ ＥＰ１０１９６６９Ｂ１ ＥＰ１７６２８２８Ａ２ ＥＰ２４５０６７３Ａ２ ドイツ特許出願第１０２０１９２０６９３７．１号

本発明の基礎となる課題は、一方のスケールの長手方向に平行な測定方向に沿った少なくとも１つの位置測定と共に、両方のスケールに垂直に方向づけられたもう１つの測定方向に沿った位置測定も可能にする、交差して配置されたスケールを備えた高精度の光学式位置測定機構を提示することである。

この課題は本発明により、請求項１の特徴を有する光学式位置測定機構によって解決される。
本発明による光学式位置測定機構の有利な実施形態は、従属請求項に記載された措置から明らかである。

本発明による光学式位置測定機構は、複数の測定方向に沿って互いに対して移動可能で、異なる平面内にあり、かつ互いに対して交差して配置されている２つのスケールの相対位置の測定に用いられる。この場合、両方のスケールはそれぞれ、異なる光学特性をもつ周期的に配置された格子領域を有する測定目盛を備えている。これらのスケールの長手方向は、第１および第２の測定方向に平行に方向づけられており、この第１および第２の測定方向により、水平移動平面が規定されており、第１および第２の測定方向に垂直に、第３の測定方向が方向づけられている。第１のスケールでは、光源から放出された照明光線束の、少なくとも２つの部分光線束への分割が行われる。部分光線束はその後、第２のスケールに衝突し、この第２のスケールはその長手方向を中心として、水平移動平面に対して傾斜して配置されている。これにより部分光線束は、第２のスケールでは第１のスケールの方向に後方反射される。後方反射された部分光線束は改めて第１のスケールに衝突し、そこで再統合され、続いてこれにより結果として生じる信号光線束が検出ユニットの方向に伝播し、この検出ユニットを介し、第３の測定方向および第１または第２の測定方向に沿ったスケールの相対移動に関する複数の移相された走査信号が生成可能である。

第２のスケールはその長手方向を中心として、水平移動平面に対して傾斜して配置され、それも、第１のスケールで分割された部分光線束によって規定される平面内で、分割された部分光線束の間の角の二等分線が、部分光線束の、第２のスケールでの衝突点間の結合線上に垂直に立っているように、傾斜して配置されることが好ましい。

可能な一実施形態では、スケール上の両方の測定目盛がそれぞれ、異なる移相作用をもつ周期的に配置された格子領域を有する反射型位相格子として形成される。
この場合、この両方のスケールはそれぞれ支持体を含むことができ、この支持体上に測定目盛が配置されており、この支持体は熱膨張係数ＣＴＥ≒０の材料から形成される。

さらに、両方の測定目盛の少なくとも一方は、両方の部分光線束を互いに対して直交に偏光させる幾何学的位相格子として形成され得る。
さらに、第２のスケールの測定目盛はリトロー格子として形成でき、したがって、
－ そこに入射してくる部分光線束が、入射方向とは反対側に後方反射されるか、
－ または第２の測定目盛への法線と、第１の測定目盛の回折方向とによって規定される平面内に射影された部分光線束が、入射方向とは反対側に後方反射される。

第１および第２のスケールの長手方向が互いに対して直交に方向づけられていることが有利である。
可能な一実施形態では、
－ 第１のスケールがその長手方向に沿って、第１のスケールの、対応する測定方向に沿った変位距離に相応する長さを有しており、かつ
－ 第２のスケールがその長手方向に沿って、第１のスケールの、対応する測定方向に沿った変位距離に相応する長さを有していることが企図される。

その代わりに、
－ 第１のスケールがその長手方向に沿って、第２のスケールの、対応する測定方向に沿った変位距離に相応する長さを有しており、かつ
－ 第２のスケールがその長手方向に沿って、第２のスケールの、対応する測定方向に沿った変位距離に相応する長さを有し得る。

光源および検出ユニットは、一緒に走査ヘッド内に配置されることが企図され得る。
これに関し、
－ 走査ヘッドが第２のスケールと結合されており、かつ
－ 第１のスケールが、第１、第２、および第３の測定方向に沿って、走査ヘッドに対して相対的に移動可能に配置されており、かつ
－ 第２のスケールがその長手方向を中心として、水平移動平面に対して傾斜して配置されていることができる。

さらにこれに関しては、信号光線束が、照明光線束に対して逆平行に方向づけられ得る。
さらなる一実施形態では、
－ 走査ヘッドが、第１のスケールとも第２のスケールとも結合されておらず、かつ第１の測定方向に沿って、第１のスケールに対して移動可能に配置されており、かつ
－ 第２のスケールが、第２および第３の測定方向に沿って、第１のスケールに対して相対的に移動可能に配置されていることが企図され得る。

さらに、
－ 走査ヘッドが第１のスケールと結合されており、かつ
－ 第２のスケールが、第１、第２、および第３の測定方向（ｘ、ｙ、ｚ）に沿って、走査ヘッドに対して相対的に移動可能に配置されていることができる。

その代わりにさらに、
－ 走査ヘッドが、第１のスケールとも第２のスケールとも結合されておらず、かつ第１の測定方向に沿って、第２のスケールに対して移動可能に配置されており、かつ
－ 第１のスケールが、第２および第３の測定方向に沿って、第２のスケールに対して相対的に移動可能に配置されていることが企図され得る。

最後に、４つの本発明による位置測定機構を備えた製作機構を形成でき、
－ 製作機構は工具およびテーブルを含んでおり、テーブルは、３つの測定方向に沿って、工具に対して移動可能に配置されており、かつ
－ 位置測定機構の走査ヘッドおよび第２のスケールがそれぞれ工具と結合されており、かつ
－ 位置測定機構の第１のスケールがそれぞれテーブルと結合されており、
－ これにより、位置測定機構の走査信号から、工具に対するテーブルの空間的位置が、６つすべての空間的自由度において決定可能である。

これで本発明による措置を通して、交差するスケールを備えた光学式位置測定機構において、両方のスケールに垂直に方向づけられたさらなる測定方向に沿った高精度の位置測定も行われ得る。これにより、例えば半導体製造のための製作機構内でのテーブルの移動が、６つすべての移動自由度において、測定技術的に測定され得る。

有利な一実施形態ではこれに加え、位置測定が、光波長のことによると生じる変動に依存せず、この変動は、例えば変化する空気温度または空気湿度によって引き起こされ得る。これにより、使用すべき光源への、干渉性およびドリフト挙動に関する要求が下がり、つまり安価な光源の使用が可能である。

それだけでなく、移動可能な物体上の、例えば製作機構のテーブル上の位置測定機構の必要なコンポーネントの数および質量が少なく保たれ得る。これにより、相応の機構の複雑さの度合いがより低くなる。

本発明のさらなる詳細および利点を、図と関連させて、本発明による装置の例示的実施形態の以下の説明に基づいて解説する。

図１ａは本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。図１ｂは本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。 図２ａは本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態におけるスケールの、両方の使用される測定目盛の平面図である。図２ｂは本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態におけるスケールの、両方の使用される測定目盛の平面図である。 本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態からの走査ヘッドの概略図である。 図４ａは本発明による光学式位置測定機構の第２の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。図４ｂは本発明による光学式位置測定機構の第２の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。 図５ａは本発明による位置測定機構の第２の例示的実施形態におけるスケールの、両方の使用される測定目盛の平面図である。図５ｂは本発明による位置測定機構の第２の例示的実施形態におけるスケールの、両方の使用される測定目盛の平面図である。 図６ａは本発明による光学式位置測定機構の第３の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。図６ｂは本発明による光学式位置測定機構の第３の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。 図７ａは本発明による光学式位置測定機構の第４の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。図７ｂは本発明による光学式位置測定機構の第４の例示的実施形態の、走査光線経路を有する概略断面図である。 複数の本発明による位置測定機構を備えた製作機構の非常に概略化した平面図である。 図９ａは本発明による光学式位置測定機構のさらなる１つの例示的実施形態の、部分走査光線経路を有する概略断面図である。図９ｂは本発明による光学式位置測定機構のさらなる１つの例示的実施形態の、部分走査光線経路を有する概略断面図である。

以下では、本発明の光学式位置測定機構の具体的な例示的実施形態および複数のこのような位置測定機構を備えた製作機構を説明する前に、最初に図９ａ、図９ｂに基づいて本発明と関連する基礎的な理論的考察を解説する。

両方の図９ａ、図９ｂは、交差して配置された２つのスケール（目盛り）Ｍ１、Ｍ２を備えた本発明による光学式位置測定機構の走査光線経路の部分の異なる断面図を示している。スケールＭ１、Ｍ２は、異なる平面内で複数の測定方向ｘ、ｙ、ｚに沿って互いに対して移動可能に配置されている。スケールＭ１、Ｍ２の相対位置は、位置測定機構により、少なくとも２つの異なる測定方向ｘ、ｙ、ｚに沿って測定される。実際には、両方のスケールＭ１、Ｍ２に、互いに対して移動可能な物体が結合されており、この物体の相対位置、例えば相応の機械コンポーネントに対する相対位置が、複数の空間的自由度においてお互いに決定されることになる。図ではこれらの物体は示していない。本発明による位置測定機構によって生成された走査信号により、後置された機械制御部が、相応の機械コンポーネントを適切に位置決めできる。

両方のスケールＭ１、Ｍ２はそれぞれ、測定目盛、つまり異なる光学特性をもつ周期的に配置された格子領域を有する格子を備えており、この測定目盛は見やすくする理由から図９ａ、図９ｂでは示していない。スケールＭ１およびＭ２の長手方向は、第２および第１の測定方向ｙ、ｘに平行であり、この第１および第２の測定方向ｘ、ｙにより、水平移動平面が規定されている。第１および第２の測定方向ｘ、ｙに垂直または鉛直に、第３の測定方向ｚが方向づけられている。

第１のスケールＭ２では、不図示の光源から放出された照明光線束Ｂの、少なくとも２つの部分光線束への分割が行われる。部分光線束はその後、第２のスケールＭ１にぶつかり、この第２のスケールＭ１は、ここではｙ方向に方向づけられたその長手方向を中心として、水平移動平面に対して傾斜して配置されている。これに関し部分光線束は、第２のスケールＭ１では第１のスケールＭ２の方向に後方反射される。後方反射された部分光線束は改めて第１のスケールＭ２に衝突し、そこで再統合され、続いてこれにより結果として生じる信号光線束Ｓが、同様に不図示の検出ユニットの方向に伝播する。この検出ユニットを介し、第３の測定方向ｚおよび第１または第２の測定方向ｘ、ｙに沿ったスケールＭ１、Ｍ２の相対移動に関する複数の移相された（又は、位相ずれした）走査信号が生成可能である。

したがってこのような光学式位置測定機構により、その上に測定目盛が配置された両方のスケールＭ１、Ｍ２の間の相対的な位置変化が測定される。水平なｘｙ移動平面内でのできるだけ大きな可動範囲を実現し得るには、第１のスケールＭ２がこの平面内で拡張されなければならない。収色性の、つまり波長に依存しない位置測定を保証するには、分割と再統合の間の両方の部分光線束の走査光線経路が、同じ光路長を有する必要がある。

分割された部分光線束が衝突する第２のスケールＭ１が、図９ａ、図９ｂに示しているように、その長手方向ｙを中心として傾斜して配置されている場合、水平移動平面内の測定方向を自由に選択でき、同時に、鉛直な測定方向ｚに沿った相対移動に関する測定感度が保証される。つまり、生成された走査信号は、水平移動平面内の１つの測定方向ｘまたはｙに沿った相対移動についての情報と共に、第３の測定方向ｚに沿った相対移動に関する情報も内包している。さらにこれに関し、両方の分割された部分光線束の間の角の二等分線が、法線

として、両方の分割された部分光線束が衝突するスケール平面に垂直に方向づけられている場合、両方の部分光線束の同一経路長が保証され、かつ走査は収色性であり、つまりことによると生じる波長変動の影響を受けない。これを以下に示す。

光線束が光学回折格子で回折されると、光線束が方向変化

を、格子の位相の勾配

に比例して起こす。

式中、ｍは格子の回折次数を示している。
第１の直線格子が第２の格子に対してｘ方向に値

の分だけ相対的に変位すると、第１の格子における部分光線束の位置位相Φが

の分だけ変化する。
これを基に、第２の格子が変位値

の分だけ変位すると、位置測定機構の位置位相Φが

の分だけ変化することが明らかになる。この関係式において、それぞれの最初の添え字は、図９ａ、図９ｂによる第１または第２の回折枝（Beugungsast）Ｌ１、Ｌ２を示しており、添え字ｌは、それぞれの回折された部分光線束の格子接触を意味する。

これによりまた、ΔΦ≠０が当てはまることになり、したがって

および

が満たされている場合には、方向ｚに沿った位置変化に対する感度が存在している。
したがって格子ベースの位置測定機構が方向ｚに沿った感度を有するには、信号生成に利用される格子の少なくとも１つが、ｘｙ平面に対して傾斜して配置されなければならない。

収色性の位置測定とは、基本的に、１次での位置位相Φの形態での測定結果が、光の波長λに依存しない位置測定のことであり、すなわち

したがって本発明による走査が波長に依存しないためには、分割と再統合の間の両方の部分光線束が、光路長差ΔΛを有さないことが不可欠であり、これに関し光路長差は、
ΔΛ＝Λ２－Λ１
により明らかになり、式中、Λ１：＝第１の部分光線束の光路長、Λ２：＝第２の部分光線束の光路長である。

以下では、図９ａ、図９ｂに示した走査に関してこの条件が満たされていることが、つまりそこでは両方の部分光線束の光路長が分割と再統合の間で同一であることが示される。

図９ａ、図９ｂにより、分割と再統合の間の両方の部分光線束の経路長差ΔΛは、
ΔΛ＝２・（Ｌ２－Ｌ１）
によって与えられる。式中、Ｌ１およびＬ２は、第１のスケールＭ２上の分割点Ｐ０と第２のスケールＭ１上の衝突点Ｐ１１またはＰ１２との間の部分光線束の長さを意味する。

図９ａではＬ０で、両方の点Ｐ０とＰｓの結合線を表している。これに関しＰ０は分割点を、およびＰｓは両方の部分光線束の角の二等分線と第２のスケールＭ１の表面との交点を示している。

これにより角の二等分線が、両方の衝突点Ｐ１１とＰ１２の結合線上に垂直に立っている場合、部分光線束の長さＬ１とＬ２が同じ長さであり、したがって経路長鎖ΔΛ＝０であることが分かる。そういうわけでこの場合にのみ、
Ｌ１＝Ｌ０／ｃｏｓ（α１）＝Ｌ２＝Ｌ０／ｃｏｓ（α２） 式中α１＝α２
が当てはまり、ここでは、α１で、角の二等分線に対する第１の回折枝Ｌ１の角度が、およびα２で、角の二等分線に対する第２の回折枝Ｌ２の角度が表されている。

以下に、図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂ、および図３に基づいて、本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態を解説する。これに関し図１ａ、図１ｂは、走査光線経路を有する異なる断面図を、図２ａ、図２ｂは、使用されるスケールの測定目盛の平面図を、および図３は、この位置測定機構の走査ヘッドの図を示している。

本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態により、波長に依存しない走査が実現でき、この場合、両方のスケール１０、２０または－概略的に示された－それと結合した機械コンポーネント１、２の、測定方向ｙおよびｚに沿った相対移動が、測定技術的に測定可能である。

以下に、図ではｘで表された方向を第１の測定方向、およびこれに対して直交する方向ｙを第２の測定方向と呼ぶ。ここでは、測定方向ｘ、ｙにより、水平移動平面が規定されており、この移動平面内でまたはこれに対して平行に、第１のスケール２０が移動可能に配置されている。第１および第２の測定方向ｘ、ｙに垂直にまたは水平移動平面に直交して、鉛直な方向ｚが方向づけられており、この方向ｚを以下に第３の測定方向ｚと呼ぶ。第１のスケール２０はこの方向に沿っても移動可能に配置されている。

ここで、本願で使用される名称、水平、鉛直、第１の、第２の、および第３の測定方向ならびに上および下は、言うまでもなく決して制限的に理解されるべきではないことを指摘しておく。

第１のスケール２０はこの例示的実施形態では、したがって３つの測定方向ｘ、ｙ、ｚに沿って、固定の走査ヘッド３０に対して移動可能に配置されており、走査ヘッド３０のほうは第２のスケール１０と結合されている。走査ヘッド３０は光源および検出ユニットを含んでおり、これに関する詳細は図１ａ、図１ｂでは示していない。走査ヘッド３０のさらなる細部は、この説明がさらに進んだところで図３に基づいて解説する。

第１のスケール２０の長手方向は、図示した例では第２の測定方向ｙに平行に方向づけられており、第２のスケール１０の長手方向は、第１の測定方向ｘに平行に方向づけられている。したがって両方のスケール１０、２０の長手方向は互いに対して直交に方向づけられている。

第１のスケール２０はその長手方向ｙに沿って、第１のスケール２０の関連する測定方向ｙに沿った変位距離に相応する長さを有している。第２のスケール１０はその長手方向ｘに沿って、第１のスケール２０の関連する測定方向ｘに沿った変位距離に相応する長さを有している。

さらに図１ａおよび図１ｂから明らかなように、第２のスケール１０は、ここではｘ方向に延びるその長手方向を中心として、第１および第２の測定方向ｘ、ｙによって規定される水平移動平面に対して傾斜して配置されている。第２のスケール１０につけられた傾斜に関しては、この例示的実施形態のさらなる説明を参照されたい。

この第１の例示的実施形態ではそれだけでなく、さらなる例示的実施形態の説明からもっと明らかになるように、第１のスケール２０もそのｙ方向での長手方向を中心として、水平移動平面に対して傾斜して配置されている。しかしながらこれは本発明の本質的な構成ではない。

図１ａおよび図１ｂでは、スケール１０、２０上に設けられた測定目盛は示しておらず、これらの測定目盛はそれぞれ、異なる光学特性をもつ周期的に配置された格子領域から成っている。相応の測定目盛２１、１１を備えた両方のスケール２０、１０の平面図を図２ａおよび図２ｂに示している。スケール２０、１０上の測定目盛２１、１１として、この例示的実施形態では、異なる移相（位相シフト）作用をもつ周期的に配置された格子領域２１ａ、２１ｂまたは１１ａ、１１ｂを有する反射型位相格子が設けられている。

スケール２０、１０はそれぞれ支持体２２、１２を含んでおり、この支持体２２、１２上に測定目盛２１、１１が配置されている。この支持体２２、１２は熱膨張係数ＣＴＥ≒０の材料から、例えばゼロデュアのようなガラスセラミックスから形成されることが好ましい。

支持体上に配置された測定目盛１１、２１は多層構造を有している。この多層構造は、例えば支持体１２、２２上に配置された金属のまたは誘電性のミラー層と、移相層と、構造化された反射層とから成り得る。

第１のスケール２０の場合には、格子領域２１ａ、２１ｂを有する図２ａに示した測定目盛２１が、いわゆる十字格子として形成されている。この十字格子は、この例示的実施形態では２つの直線格子の重畳から結果として生じている。この場合、これらの直線格子の第１の直線格子は、ｙ方向での回折作用を有しており、第２の直線格子は、ｙ方向での回折作用を、ただし第１の直線格子より低い強度で有しており、さらに第２の直線格子はｘ方向での回折成分を有している。図２ａの表示は、両方の直線格子の重畳から結果として生じる十字格子の２値化バージョンを示している。

第２のスケール１０では、測定目盛１１の格子領域１１ａ、１１ｂは、図２ｂでのｘｙ平面への射影図により、長手方向ｘに垂直に周期的に、したがって第２の測定方向ｙに沿って周期的に配置されている。第２のスケール１０の測定目盛１１は、この例示的実施形態ではいわゆるリトロー格子として形成されており、したがってそこに入射してくる光線束は、入射方向とは反対側に後方反射される。これに関してはその代わりに、第１のスケールで分割された部分光線束によって規定される平面内に射影された部分光線束が、入射方向とは反対側に後方反射されてもよい。

以下に、本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態の走査光線経路を解説する。
点Ｐ０で走査ヘッド３０内の光源から第１の測定方向ｘに平行に放出された照明光線束Ｂは、点Ｐ１で第１のスケール２０に衝突し、そこでは第１の測定目盛２１を介し、少なくとも２つの部分光線束または回折次数への分割が行われる。相応の分割は、第１の測定目盛２１において、例えばｙ方向だけの回折作用をもつ第１の直線格子の第１の回折次数への回折ならびにｙおよびｘ方向への組み合わされた回折作用をもつ第２の直線格子における第１の回折次数への回折を介して行うことができる。このように分割された部分光線束はその後、法線

に対して同一の角度α１またはα２で伝播し、かつｘｚ射影（図１ｂ）内での光線交差なしで、傾斜して配置された第２のスケール１０の表面へと、第２のスケール１０の方向に伝播する。言い換えれば、第１のスケール２０で分割された部分光線束によって規定される平面内で、分割された部分光線束の間の角の二等分線が、部分光線束の、第２のスケール１０での衝突点Ｐ２１、Ｐ２２間の結合線に垂直である。よって衝突点Ｐ２１、Ｐ２２では、部分光線束が第２のスケール１０または第２の測定目盛１１にぶつかる。衝突点Ｐ２１、Ｐ２２から部分光線束は、第２のスケール１０のリトロー格子として形成された測定目盛１１を介し、入射方向とは反対側に第１のスケール２０へと後方反射され、続いて第１のスケール２０上の点Ｐ３で再統合される。その後、この再統合または重畳された部分光線束による、結果として生じた信号光線束Ｓが、照明光線束Ｂに対して逆平行（照明光線束Ｂに平行であるが、照明光線束Ｂとは反対方向）に走査ヘッド３０の方向に伝播し、点Ｐ４で、そこに配置された検出ユニットに衝突する。検出ユニットを介しおよび信号光線束の捕捉を介し、第２の測定方向ｙおよび第３の測定方向ｚに沿ったスケール１０、２０の相対移動に関する複数の移相された走査信号が生成可能である。

検出ユニットを介した走査信号の生成に関しては、図３での走査ヘッド３０の概略図を参照されたい。照明光線束Ｂを生成するための光源３１．１および前置されたコリメーション光学系３１．２を備えた照明ユニット３１に隣接して、走査ヘッド３０内には検出ユニット３２が配置されており、検出ユニット３２は、信号光線束Ｓから複数の移相された走査信号を生成するために用いられる。このために検出ユニット３２は、例えば格子として形成された分割素子３２．３を含んでおり、分割素子３２．３は、入射してくる信号光線束Ｓを３つの部分光線束に分割し、これらの部分光線束はその後、それぞれ偏光子３２．２ａ～３２．２ｃの方向に、その後は相応の偏光子３２．２ａ～３２．２ｃに後置された検出素子３２．１ａ～３２．１ｃへと伝播する。検出要素３２．１ａ～３２．１ｃによりこれらの部分光線束が、３つの移相された周期的な走査信号に、例えば３つの互いに対して１２０°位相がずれた走査信号に変換され、走査信号はその後、後置された機械制御部により、既知のやり方でさらに処理され得る。

本発明による光学式位置測定機構の第１の例示的実施形態の解説した走査光線経路は、上で言及したように、第２の測定方向ｙおよび第３の測定方向ｚに沿った第２のスケール１０の相対変位に対して感度のある走査信号を供給する。これは図１ａで、いわゆる感度ベクトル

によって示されており、この感度ベクトルは、格子ベースの光学式位置測定機構が、どの測定方向に沿った位置変化に対して感度があるかを提示している。図から明らかなように、感度ベクトル

は、ここではｙ方向の成分もｚ方向の成分も有しており、よってつまりこの相応の位置測定機構は、これらの測定方向での位置変化に対して感度がある。
２つの測定方向ｙおよびｚに沿った位置測定の所望の感度と共に、本発明による光学式位置測定機構の解説した第１の例示的実施形態は、位置測定の波長非依存性も保証している。これは、第１のスケール２０で分割された部分光線束によって規定される平面内で、分割された部分光線束の間の角の二等分線が、部分光線束の、第２のスケール１０での衝突点Ｐ２１、Ｐ２２間の結合線上に垂直に立っているような、第２のスケール１０の適切な傾斜によって保証されている。

第１の例示的実施形態の一変形形態では、さらにビームスプリッタ素子が、図３により走査ヘッド３０に組み込まれて配置され得る。第１のスケール２０から走査ヘッド３０の方向に伝播する信号光線束Ｓが、放出された照明光線束Ｂの点Ｐ０から空間的に分離した点Ｐ４で検出ユニットに衝突するのを、ビームスプリッタ素子を介して保証することができる。

さらに、スケールの一方が、そこに入射してくる光線束への偏光作用をもつ測定目盛を有することができ、したがってこの測定目盛を介して回折された部分光線束では、異なる偏光状態が結果として生じる。このために測定目盛の一方を幾何学的位相格子として形成することができ、この幾何学的位相格子は、それによって回折された部分光線束の、互いに対して直交する偏光を引き起こす。

以下に、本発明による光学式位置測定機構の第２の例示的実施形態を、図４ａ、図４ｂならびに図５ａおよび図５ｂに基づいて解説する。これらの図は第１の例示的実施形態に倣って、走査光線経路を解説するための概略断面図および使用されるスケールの平面図またはｘｙ平面内への相応の射影図を示している。

本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態により、両方のスケール１１０、１２０または－ここでも概略的に示された－それと結合した機械コンポーネント１０１、１０２の、測定方向ｘおよびｚに沿った相対移動が測定技術的に測定可能な、波長に依存しない走査が実現され得る。

この例では、図ではｘで示された方向を第１の測定方向、およびこれに対して直交する方向を方向ｙと呼び、この測定方向ｘおよび方向ｙにより、水平移動平面が規定されている。この移動平面内でまたはこれに対して平行に、ここでは第２のスケール１１０が方向ｙに沿って移動可能に配置されている。第２のスケール１１０はさらに、ここでも両方の別の方向ｘ、ｙに垂直に方向づけられた第３の測定方向ｚに沿っても移動可能に配置されている。

第１のスケール１２０は、固定の機械コンポーネント１０２と結合されている。前の例示的実施形態とは違い、走査ヘッド１３０は、ここでは第１の測定方向ｘに沿って移動可能なさらなる機械コンポーネント１０３と結合されている。走査ヘッド１３０の構造および機能に関しては、前の例を参照されたい。

第１のスケール１２０の長手方向は、この例示的実施形態では第１の測定方向ｘに平行に方向づけられており、第２のスケール１１０の長手方向は、第２の方向ｙに平行に方向づけられている。両方のスケール１１０、１２０の長手方向はここでも互いに対して直交に方向づけられている。

この例示的実施形態では、第１のスケール１２０はその長手方向ｘに沿って、第２のスケール１１０の対応する測定方向ｘに沿った変位距離に相応する長さを有している。第２のスケール１１０はその長手方向ｙに沿って、第２のスケール１１０の、対応する測定方向ｙに沿った変位距離に相応する長さを有している。

図４ａから明らかなように、走査光線経路内の第２のスケール１１０はこの例示的実施形態でも、第２のスケール１１０のｙ方向での長手方向を中心として、第１のスケール１２０と、第１の測定方向ｘおよび方向ｙによって規定される水平移動平面とに対して傾斜して配置されている。第２のスケール１１０の傾斜に関しては、前の例示的実施形態についての解説を参照されたい。

相応の測定目盛１２１を備えた第１のスケール１２０の平面図が図５ａに示されており、図５ｂでは前出の例に倣って、その測定目盛１１１を備えた第２のスケール１１０の射影がｘｙ平面への射影において図示されている。スケール１２０、１１０上の測定目盛１２１、１１１として、この例示的実施形態でもそれぞれ、異なる移相作用をもつ周期的に配置された格子領域１２１ａ、１２１ｂまたは１１１ａ、１１１ｂを有する反射型位相格子が設けられている。

スケール１２０、１１０はここでもそれぞれ支持体１２２、１１２を含んでおり、この支持体１２２、１１２上に、測定目盛１２１、１１１が配置されており、この測定目盛１２１、１１１は基本的に第１の例示的実施形態でのように形成され得る。支持体１２２、１１２は、この例でも熱膨張係数ＣＴＥ≒０の材料から形成されることが好ましい。

第１のスケール１２０上では、図５ａから明らかなように、測定目盛１２１の格子領域１２１ａ、１２１ｂが、このスケール１２０の長手方向ｘに沿って周期的に配置されている。第２のスケール１１０では、測定目盛１１１の格子領域１１１ａ、１１１ｂが、図５ｂにより、長手方向ｙに垂直に周期的に、したがって第１の測定方向ｘに沿って周期的に配置されている。

第２のスケール１１０の測定目盛１１１は、この例示的実施形態でもリトロー格子として形成されており、したがってそこに入射してくる光線束は、入射方向とは反対側に後方反射される。

第２のスケール１１０の測定目盛１１１の目盛周期ＴＰ_Ｇ２の適切な選択を通して、ここでは、そこに入射してくる部分光線束の回折および後方反射の際に、ｙ方向の光線方向成分が変化しないことが保証されている。このために、目盛周期ＴＰ_Ｇ２は下記のように選択される。

ＴＰ_Ｇ２＝ＴＰ_Ｇ１・（ｃｏｓβ）／２
式中、ＴＰ_Ｇ１は、第１のスケール１２０上の測定目盛１２１の目盛周期を、およびβは、図４ａによる、第２のスケール１１０が水平に対して傾斜して配置されている角度を示している。

以下に、本発明による光学式位置測定機構の第２の例示的実施形態の走査光線経路を解説する。
点Ｐ０で走査ヘッド１３０内の光源から放出された照明光線束Ｂは、点Ｐ１で第１のスケール１２０またはその上に配置された測定目盛１２１に衝突し、その際、ここでは第１の例示的実施形態とは違い、第１のスケール１２０が斜めに照明される。第１の測定目盛１２１を介し、第１の例示的実施形態に倣って照明光線束Ｂの、少なくとも２つの部分光線束または回折次数への分割が行われる。分割された部分光線束はその後、図４ａによるｘｚ射影平面内で法線

に対して同一の角度α１またはα２で伝播し、傾斜して配置された第２のスケール１１０の表面へと、第２のスケール１１０の方向に伝播する。その後、部分光線束は衝突点Ｐ２１、Ｐ２２で第２のスケール１１０または第２の測定目盛１１１にぶつかる。衝突点Ｐ２１、Ｐ２２から部分光線束は、第２のスケール１１０のリトロー格子として形成された測定目盛１１１を介し、ｘｚ射影平面内で入射方向とは反対側に第１のスケール１２０の方向に後方反射され、続いて第１のスケール１２０上の点Ｐ３で再統合される。その後、この再統合または重畳された部分光線束による、結果として生じた信号光線束Ｓが、照明光線束Ｂに対して逆平行に走査ヘッド１３０の方向に伝播し、点Ｐ４で、そこに配置された検出ユニットに衝突する。検出ユニットを介しおよび信号光線束の捕捉を介し、第１の測定方向ｘおよび第３の測定方向ｚに沿ったスケール１１０、１２０の相対移動に関する複数の移相された走査信号が生成可能である。

これは図４ａでも、本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態の感度ベクトル

によって示されている。図から明らかなように、感度ベクトル

は、ここではｘ方向の成分もｚ方向の成分も有している。
両方の測定方向ｘおよびｚに沿った位置測定の所望の感度と共に、本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態も、位置測定の波長非依存性を保証している。これは、第１の例示的実施形態に倣ってここでも、走査光線経路内の第２のスケール１１０の適切な傾斜によって保証されている。

これに加え、この例示的実施形態では部分光線束が測定方向ｘに垂直にずらされることに基づき、ここでは、第１のスケール１２０から走査ヘッド１３０の方向に伝播する信号光線束Ｓが、放出された照明光線束Ｂの点から空間的に分離した点で検出ユニットに衝突するのを保証するビームスプリッタ素子は必要ない。

以下に、本発明による光学式位置測定機構の第３の例示的実施形態を、図６ａおよび図６ｂに基づいて解説する。これらの図は、両方の別の例示的実施形態に倣って、走査光線経路を解説するための概略断面図を示している。

本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態も、波長に依存しない走査を保証しており、これにより、両方のスケール２１０、２２０またはそれと結合した機械コンポーネント２０１、２０２の、測定方向ｘおよびｚに沿った相対移動が、測定技術的に測定される。

以下に、図ではｘで表された方向を第１の測定方向、およびこれに対して直交する方向ｙを第２の測定方向と呼び、ここでも測定方向ｘ、ｙにより、水平移動平面が規定されている。この移動平面内でまたはこれに対して平行に、ここでは第２のスケール２１０が第１および第２の測定方向ｘ、ｙに沿って移動可能に配置されている。第２のスケール２１０はさらに、ここでも両方の別の測定方向ｘ、ｙに垂直に方向づけられた第３の測定方向ｚに沿っても移動可能に配置されている。

第１のスケール２２０は、第２のスケール２１０に対し、固定の機械コンポーネント２０２と結合されている。この例示的実施形態では、固定の第１のスケール２２０と走査ヘッド２３０も結合されている。走査ヘッド２３０の構造および機能に関しては、上で解説した第１の例示的実施形態を参照されたい。

第１のスケール２２０の長手方向は、この例示的実施形態では第１の測定方向ｘに平行に方向づけられており、第２のスケール２１０の長手方向は、第２の測定方向ｙに平行に方向づけられている。これにより、両方のスケール２１０、２２０の長手方向はここでも互いに対して直交に方向づけられている。

この例では、第１のスケール２２０はその長手方向ｘに沿って、第２のスケール２１０の対応する測定方向ｘに沿った変位距離に相応する長さを有している。第２のスケール２１０はその長手方向ｙに沿って、第２のスケール２１０の対応する測定方向ｙに沿った変位距離に相応する長さを有している。

図６ａにより、第２のスケール２１０はこの例示的実施形態でも、ｙ方向でのその長手方向を中心として、第１のスケール２２０と、第１および第２の測定方向ｘ、ｙによって規定される水平移動平面とに対して傾斜して配置されている。第２のスケール２１０の傾斜に関しては、第１の例示的実施形態の説明を参照されたい。

第３の例示的実施形態で使用されるスケール２１０、２２０および測定目盛は、第２の例示的実施形態からの、図５ａおよび図５ｂに示した測定目盛に相応しており、これをもって図５ａおよび図５ｂを参照するよう明示的に指示する。

以下に、本発明による光学式位置測定機構の第３の例示的実施形態の走査光線経路を解説する。
点Ｐ０で走査ヘッド２３０内の光源から放出された照明光線束Ｂは、点Ｐ１で第２のスケール２１０に配置された反射領域２１５に衝突し、反射領域２１５では、照明光線束が第１のスケール２２０の方向に偏向される。その後、点Ｐ２で照明光線束Ｂは第１のスケール２２０に衝突し、そこでは第１の測定目盛を介し、前の例示的実施形態に倣って少なくとも２つの部分光線束または回折次数への分割が行われる。分割された部分光線束はその後、図６ａにより、法線

に対して同一の角度α１またはα２で伝播し、傾斜して配置された第２のスケール２１０の表面へと、第２のスケール２１０の方向に伝播する。その後、部分光線束は衝突点Ｐ３１、Ｐ３２で第２のスケール２１０または第２の測定目盛にぶつかる。衝突点Ｐ３１、Ｐ３２から部分光線束は、第２のスケール２１０のリトロー格子として形成された測定目盛を介し、ｘｚ射影平面内で入射方向とは反対側に第１のスケール２２０の方向に後方反射され、続いて第１のスケール２２０上の点Ｐ４で再統合される。その後、この再統合または重畳された部分光線束による、結果として生じた信号光線束Ｓが、照明光線束Ｂに対して逆平行に、第２のスケール２１０での反射領域２１５を介して伝播し、そこでは点Ｐ５に衝突する。点Ｐ５では走査ヘッド２３０の方向への偏向が結果として生じ、走査ヘッド２３０では信号光線束Ｓが点Ｐ６で、そこに配置された検出ユニットに衝突する。その後、検出ユニットを介しおよび信号光線束Ｓの捕捉を介し、第１の測定方向ｘおよび第３の測定方向ｚに沿ったスケール２１０、２２０の相対移動に関する複数の移相された走査信号が生成可能である。

図６ａでは、感度ベクトル

が示されており、この感度ベクトルから、本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態が、どの測定方向に沿った位置変化に対して感度があるかが分かる。図６ａによれば、感度ベクトル

は、ここではｘ方向の成分もｚ方向の成分も有している。
２つの測定方向ｘおよびｚに沿った位置測定の所望の感度と共に、本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態も、位置測定の波長非依存性を保証している。これは、第１の例示的実施形態に倣ってここでも、第２のスケール２１０の適切な傾斜によって保証されている。

続いて、本発明による光学式位置測定機構の第４の例示的実施形態を、走査光線経路を解説するための概略断面図を別の例示的実施形態に倣って示す図７ａおよび図７ｂに基づいて解説する。

本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態でも、波長に依存しない走査が保証されている。これにより、両方のスケール３１０、３２０またはそれと結合した機械コンポーネント３０１、３０２の、測定方向ｙおよびｚに沿った相対移動が、測定技術的に測定される。

ここでも以下に、図ではｘで表された方向を第１の測定方向、およびこれに対して直交する方向ｙを第２の測定方向と呼び、この測定方向ｘ、ｙにより、ここでも水平移動平面が規定されている。この移動平面内でまたはこれに対して平行に、この例示的実施形態では機械コンポーネント３０３と結合された走査ヘッド３３０が、第１の測定方向ｘに沿って移動可能に配置されており、この場合、走査ヘッド３３０は、測定方向ｘに沿って移動可能な機械コンポーネント３０３に配置されている。したがってこの例示的実施形態では、走査ヘッド３３０は、第１のスケール３２０とも第２のスケール３１０とも結合されていない。走査ヘッド３３０の構造および機能に関しては、上で解説した第１の例示的実施形態を参照されたい。

第１のスケール３２０は、第２のスケール３１０に対して移動可能に、機械コンポーネント３０２に配置されており、ここでは第１のスケール３２０が第２の測定方向ｙに沿って移動可能である。第２のスケール３１０は、固定の機械コンポーネント３０１と結合されている。

第１のスケール３２０の長手方向は、この例示的実施形態では第２の測定方向ｙに平行に方向づけられており、第２のスケール３１０の長手方向は、第１の測定方向ｘに平行に方向づけられている。したがって両方のスケール３１０、３２０の長手方向はここでも互いに対して直交に方向づけられている。

この例示的実施形態では、第１のスケール３２０はその長手方向ｙに沿って、第１のスケール３２０の対応する測定方向ｙに沿った変位距離に相応する長さを有している。第２のスケール３１０はその長手方向ｘに沿って、第１のスケール３２０の対応する測定方向ｘに沿った変位距離に相応する長さを有している。

図７ａにより、第２のスケール３１０はこの例示的実施形態では、そのｘ方向での長手方向を中心として、第１のスケール３２０と、第１および第２の測定方向ｘ、ｙによって規定される水平移動平面とに対して傾斜して配置されている。第２のスケール３１０の傾斜に関しては、第１の例示的実施形態の説明を参照されたい。

第４の例示的実施形態で使用されるスケール３１０、３２０および測定目盛は、第１の解説した例示的実施形態と同一に形成されている。
以下に、本発明による光学式位置測定機構の第４の例示的実施形態の走査光線経路を解説する。

点Ｐ０で走査ヘッド３３０内の光源から第１の測定方向ｘに平行に放出された照明光線束Ｂは、点Ｐ１で第１のスケール３２０に衝突し、そこでは第１の測定目盛を介し、照明光線束Ｂの、少なくとも２つの部分光線束または回折次数への分割が行われる。分割された部分光線束はその後、法線

に対して同一の角度α１またはα２で伝播し、傾斜して配置された第２のスケール３１０の表面へと、第２のスケール３１０の方向に伝播する。その後、部分光線束は衝突点Ｐ２１、Ｐ２２で第２のスケール３１０またはその上に配置された第２の測定目盛にぶつかる。衝突点Ｐ２１、Ｐ２２から部分光線束は、第２のスケール３１０のリトロー格子として形成された測定目盛を介し、再び入射方向とは反対側に第１のスケール３２０の方向に後方反射され、続いて第１のスケール３２０上の点Ｐ３で再統合される。その後、この再統合または重畳された部分光線束による、結果として生じた信号光線束Ｓが、照明光線束Ｂに対して逆平行に走査ヘッド３３０の方向に伝播し、点Ｐ４で、そこに配置された検出ユニットに衝突する。検出ユニットを介しおよび信号光線束の捕捉を介し、第２の測定方向ｙおよび第３の測定方向ｚに沿ったスケール３１０、３２０の相対移動に関する複数の移相された走査信号が生成可能である。

図７ａでも感度ベクトル

が示されており、この感度ベクトルから、本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態が、どの測定方向に沿った位置変化に対して感度があるかが分かる。図７ａによれば、感度ベクトル

は、ここではｙ方向の成分もｚ方向の成分も有している。
２つの測定方向ｙおよびｚに沿った位置測定の所望の感度と共に、本発明による光学式位置測定機構のこの例示的実施形態も、位置測定の波長非依存性を保証している。これは、第１の例示的実施形態に倣ってここでも、第２のスケール３１０の適切な傾斜によって保証されている。

したがって、本発明による光学式位置測定機構の上で解説した例示的実施形態は、それぞれ一方では、第１の測定方向ｘまたは第２の測定方向ｙに関する変位情報を供給し、この両方の測定方向ｘ、ｙはそれぞれ、水平移動平面内で互いに対して直交に方向づけられている。それに加えてそれぞれの位置測定機構の感度は、直交する移動平面に垂直に方向づけられた第３の測定方向ｚに沿った位置変化のためにそれぞれ実現されている。つまり、もう一方ではさらに第３の測定方向ｚに関する変位情報が提供される。したがって、解説した位置測定機構の各々により、互いに対して移動可能な２つの物体のそれぞれ２つの直線的で空間的な移動自由度が、測定技術的に測定され得る。それだけでなく、複数の本発明による位置測定機構を適切に組み合わせることで、空間内の互いに対して移動可能な２つの物体の６つすべての可能な移動自由度を測定技術的に測定でき、これは、測定方向ｘ、ｙ、ｚに沿った並進移動および測定方向ｘ、ｙ、ｚを中心とした回転移動である。以下に、図８での非常に概略化した表示に基づいて例示的に概要を述べるが、図８では、例えば製作機構の場合に、４つの本発明による位置測定機構を使って、テーブルＷに対する工具Ｔの相対位置が、６つすべての空間的な移動自由度において測定可能である。この製作機構は例えば、テーブルＷ上に配置された半導体ウエハが、露光光学系として形成された工具Ｔに対して位置決めされるフォトリソグラフィシステムであり得る。

図示した製作機構では、全部で４つの上で解説した第１の例示的実施形態による位置測定機構が設けられており、これらの位置測定機構は、テーブルＷに対する工具Ｔの、６つすべての空間的な移動自由度における空間的位置の測定に使用される。この場合、テーブルＷは、３つの測定方向ｘ、ｙ、ｚに沿って、工具に対して移動可能に配置されており、これに関しては測定方向ｘ、ｙが主要移動方向であり、測定方向ｚに沿ってより少ない変位が可能である。さらに、３つの測定方向ｘ、ｙ、ｚを中心とした、テーブルの少ない回転移動も可能である。

この場合、第１の位置測定機構は、走査ヘッドＡＫ１と、ｙ方向に延びている第１のスケールＭ１_１と、ｘ方向に延びている第２の傾斜したスケールＭ１４_２とを含んでいる。第１のスケールＭ１_１は、テーブルＷの第１の側に配置されており、走査ヘッドＡＫ１および第２のスケールＭ１４_２は工具Ｔと結合されている。第１の位置測定機構により、位置または測定量ｍ１、ｍ２が決定され、この場合、相応の第１の位置測定機構の感度は、測定方向ｙおよびｚに沿った工具ＴとテーブルＷの相対移動に対して存在している。

第２の位置測定機構は、走査ヘッドＡＫ２と、ｘ方向に延びている第１のスケールＭ２３_１と、ｙ方向に延びている第２の傾斜したスケールＭ２_２とを含んでいる。第１のスケールＭ２３_１は、テーブルＷの第２の側に配置されており、走査ヘッドＡＫ２および第２のスケールＭ２_２は工具Ｔと結合されている。第２の位置測定機構により、位置または測定量ｍ３、ｍ４が決定され、この場合、相応の第２の位置測定機構の感度は、測定方向ｘおよびｚに沿った工具ＴとテーブルＷの相対移動に対して存在している。

第３の位置測定機構は、走査ヘッドＡＫ３と、ｘ方向に延びている第１のスケールＭ２３_１と、ｙ方向に延びている傾斜した第２のスケールＭ３_２とを含んでいる。つまり第２および第３の位置測定機構は一緒に、走査光線経路内の第１のスケールとして同じスケールＭ２３_１を利用しており、スケールＭ２３_１は、テーブルＷの第２の側に配置されている。走査ヘッドＡＫ３および第２のスケールＭ３_２は工具Ｔと結合されている。第３の位置測定機構により、位置または測定量ｍ５、ｍ６が決定され、この場合、相応の第３の位置測定機構の感度は、測定方向ｘおよびｚに沿った工具ＴとテーブルＷの相対移動に対して存在している。

第４の位置測定機構は、走査ヘッドＡＫ４と、ｙ方向に延びている第１のスケールＭ３_１と、ｘ方向に延びている傾斜した第２のスケールＭ１４_２とを含んでいる。つまり第１および第４の位置測定機構は一緒に、走査光線経路内の傾斜した第２のスケールとして同じスケールＭ１４_２を利用している。第１のスケールＭ３_１は、テーブルＷの第３の側に配置されており、走査ヘッドＡＫ４および第２のスケールＭ１４_２は工具Ｔと結合されている。第４の位置測定機構により、位置または測定量ｍ７、ｍ８が決定され、この場合、相応の第４の位置測定機構の感度は、測定方向ｙおよびｚに沿った工具ＴとテーブルＷの相対移動に対して存在している。

これにより、得られた位置または測定量ｍ１～ｍ８およびその組合せから、テーブルＷに対する工具Ｔの空間的位置が、６つすべての空間的な移動自由度において決定され得る。

この場合、なかでも、テーブルＷには３つの側でしか機能面が必要ないことが特に有利であり、機能面にはそれぞれ、様々な位置測定機構の第１のスケールＭ１_１、Ｍ２３_１、Ｍ３_１が配置されている。それだけでなく、テーブルＷには位置測定のためのさらなる素子は必要ない。

図８に基づいて解説した、製作機構内での複数の本発明による位置測定機構の配置は、もちろん例示的にのみ理解されるべきである。これだけではなく、複数の空間的自由度において互いに対して移動可能なコンポーネントの相対位置を測定技術的に測定するための、本発明による位置測定機構の相互の多種多様なさらなる配置および組合せの可能性、または相応の製作機構および機械内で用い得るさらなる既知の位置測定機構を含んだ多種多様なさらなる配置および組合せの可能性が存在している。

具体的に説明した例示的実施形態だけでなく、本発明の枠内で、もちろん本発明による光学式位置測定機構のためのもっとさらなる形態可能性が存在している。
よって、両方の部分光線束を互いに対して直交に偏光させる偏光格子または幾何学的位相格子として形成された、スケール上の測定目盛を使用することができる。このようにして、移相された信号を生成するために偏光光学的手法を用いることができる。相応の測定目盛に関しては、本出願人のドイツ特許出願第１０２０１９２０６９３７．１号を参照されたい。

Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０、Ｍ１４_２、Ｍ２_２、Ｍ３_２ 第２のスケール
Ｍ２；２０；１２０；２２０；３２０、Ｍ１_１、Ｍ２３_１、Ｍ３_１ 第１のスケール
１１、２１；１１１、１２１ 測定目盛
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ；１１１ａ、１１１ｂ、１２１ａ、１２１ｂ 格子領域
１２、２２ 支持体
３０；１３０；２３０；３３０、ＡＫ１、ＡＫ２、ＡＫ３、ＡＫ４ 走査ヘッド
３１．１ 光源
３２ 検出ユニット
Ｂ 照明光線束
Ｓ 信号光線束
Ｔ 工具
Ｗ テーブル
ｘ 第１の測定方向
ｙ 第２の測定方向
ｚ 第３の測定方向

Claims (16)

1. 複数の測定方向（ｘ、ｙ、ｚ）に沿って互いに対して移動可能で、異なる平面内にあり、かつ互いに対して交差して配置されている第１および第２のスケール（Ｍ１、Ｍ２；１０、２０；１１０、１２０；２１０、２２０；３１０、３２０）の相対位置を測定するための光学式位置測定機構であって、
   － 前記第１のスケール（Ｍ２；２０；１２０；２２０；３２０）が第１の測定目盛（２１；１２１）を備えており、前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）が第２の測定目盛（１１；１１１）を備えており、前記第１および第２の測定目盛（１１、２１；１１１、１２１）がそれぞれ異なる光学特性をもつ周期的に配置された格子領域（１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ；１１１ａ、１１１ｂ、１２１ａ、１２１ｂ）を有し、かつ前記第１のスケール（Ｍ２；２０；１２０；２２０；３２０）の長手方向が第１および第２の測定方向（ｘ、ｙ）のうちの一方に平行であり、前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）の長手方向が前記第１および第２の測定方向（ｘ、ｙ）のうちの他方に平行であり、前記第１および第２の測定方向（ｘ、ｙ）により、水平移動平面が規定されており、前記第１および第２の測定方向（ｘ、ｙ）に垂直に、第３の測定方向（ｚ）が方向づけられており、かつ
   － 前記第１のスケール（Ｍ２；２０；１２０；２２０；３２０）では、光源（３１．１）から放出された照明光線束（Ｂ）を少なくとも２つの部分光線束へ分割し、かつ
   － 前記部分光線束がその後、前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）に衝突し、前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）がその長手方向を中心として、前記水平移動平面に対して傾斜して配置されており、それにより前記部分光線束が、前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）では前記第１のスケール（Ｍ２；２０；１２０；２２０；３２０）の方向に後方反射され、かつ
   － 前記後方反射された部分光線束が改めて前記第１のスケール（Ｍ２；２０；１２０；２２０；３２０）に衝突し、そこで再統合され、続いてこれにより結果として生じる信号光線束が検出ユニット（３２）の方向に伝播し、前記検出ユニット（３２）を介し、前記第３の測定方向（ｚ）および前記第１または第２の測定方向（ｘ、ｙ）に沿った前記第１および第２のスケール（Ｍ１、Ｍ２；１０、２０；１１０、１２０；２１０、２２０；３１０、３２０）の相対移動に関する複数の移相された走査信号が生成可能である、光学式位置測定機構。
2. 請求項１に記載の光学式位置測定機構であって、
   前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）がその長手方向を中心として、前記水平移動平面に対して傾斜して配置されており、そして、前記第１のスケール（Ｍ２；２０；１２０；２２０；３２０）で分割された前記部分光線束によって規定される平面内で、前記分割された部分光線束の間の角の二等分線が、前記部分光線束の、前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）での衝突点間の結合線に垂直に延びているように、傾斜して配置されている、光学式位置測定機構。
3. 請求項１または２に記載の光学式位置測定機構であって、
   前記第１および第２のスケール（Ｍ１、Ｍ２；１０、２０；１１０、１２０；２１０、２２０；３１０、３２０）上の前記第１および第２の測定目盛（１１、２１；１１１、１２１）がそれぞれ、異なる移相作用をもつ周期的に配置された格子領域（１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ；１１１ａ、１１１ｂ、１２１ａ、１２１ｂ）を有する反射型位相格子として形成されている、光学式位置測定機構。
4. 請求項３に記載の光学式位置測定機構であって、
   前記第１および第２のスケール（Ｍ１、Ｍ２；１０、２０；１１０、１２０；２１０、２２０；３１０、３２０）がそれぞれ支持体（１２、２２）を含んでおり、前記支持体（１２、２２）上に前記第１および第２の測定目盛（１１、２１；１１１、１２１）が配置されており、かつ前記支持体（１２、２２）が熱膨張係数ＣＴＥ≒０の材料から形成されている、光学式位置測定機構。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の光学式位置測定機構であって、
   前記第１および第２の測定目盛（１１、２１；１１１、１２１）の少なくとも一方が、前記両方の部分光線束を互いに対して直交に偏光させる幾何学的位相格子として形成されている、光学式位置測定機構。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の光学式位置測定機構であって、
   前記第２のスケール（Ｍ１；１０；１１０；２１０；３１０）の前記第２の測定目盛（１１；１１１）がリトロー格子として形成されており、したがって、
   － そこに入射してくる前記部分光線束が、入射方向とは反対側に後方反射されるか、
   － または前記第２の測定目盛への法線と、前記第１の測定目盛の回折方向とによって規定される平面内に射影された前記部分光線束が、入射方向とは反対側に後方反射される、光学式位置測定機構。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の光学式位置測定機構であって、
   前記第１および第２のスケール（Ｍ１、Ｍ２；１０、２０；１１０、１２０；２１０、２２０；３１０、３２０）の長手方向が互いに対して直交に方向づけられている、光学式位置測定機構。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光学式位置測定機構であって、
   － 前記第１のスケール（Ｍ２；２０；３２０）がその長手方向（ｙ）に沿って、前記第１のスケール（Ｍ２；２０；３２０）の、対応する測定方向（ｙ）に沿った変位距離に相応する長さを有しており、かつ
   － 前記第２のスケール（Ｍ１；１０；３１０）がその長手方向（ｘ）に沿って、前記第１のスケール（Ｍ２；２０；３２０）の、対応する測定方向（ｘ）に沿った変位距離に相応する長さを有している、光学式位置測定機構。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光学式位置測定機構であって、
   － 前記第１のスケール（１２０；２２０）がその長手方向（ｘ）に沿って、前記第２のスケール（１１０；２１０）の、関連する測定方向（ｘ）に沿った変位距離に相応する長さを有しており、かつ
   － 前記第２のスケール（１１０；２１０）がその長手方向（ｙ）に沿って、前記第２のスケール（１１０：２１０）の、対応する測定方向（ｙ）に沿った変位距離に相応する長さを有している、光学式位置測定機構。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の光学式位置測定機構であって、
    前記光源（３１．１）および前記検出ユニット（３２）が、一緒に走査ヘッド（３０；１３０；２３０；３３０）内に配置されている、光学式位置測定機構。
11. 請求項１０に記載の光学式位置測定機構であって、
    － 前記走査ヘッド（３０）が前記第２のスケール（１０）と結合されており、かつ
    － 前記第１のスケール（２０）が、前記第１、第２、および第３の測定方向（ｘ、ｙ、ｚ）に沿って、前記走査ヘッド（３０）に対して相対的に移動可能に配置されており、かつ
    － 前記第２のスケール（１０）がその長手方向を中心として、前記水平移動平面に対して傾斜して配置されている、光学式位置測定機構。
12. 請求項１１に記載の光学式位置測定機構であって、
    前記信号光線束（Ｓ）が、前記照明光線束（Ｂ）に対して逆平行に方向づけられている、光学式位置測定機構。
13. 請求項１０に記載の光学式位置測定機構であって、
    － 前記走査ヘッド（１３０）が、前記第１のスケールとも前記第２のスケール（１１０、１２０）とも結合されておらず、かつ前記第１の測定方向（ｘ）に沿って、前記第１のスケール（１２０）に対して移動可能に配置されており、かつ
    － 前記第２のスケール（１１０）が、前記第２および第３の測定方向（ｙ、ｚ）に沿って、前記第１のスケール（１２０）に対して相対的に移動可能に配置されている、光学式位置測定機構。
14. 請求項１０に記載の光学式位置測定機構であって、
    － 前記走査ヘッド（２３０）が前記第１のスケール（２２０）と結合されており、かつ
    － 前記第２のスケール（２１０）が、前記第１、第２、および第３の測定方向（ｘ、ｙ、ｚ）に沿って、前記走査ヘッド（２３０）に対して相対的に移動可能に配置されている、光学式位置測定機構。
15. 請求項１０に記載の光学式位置測定機構であって、
    － 前記走査ヘッド（３３０）が、前記第１のスケールとも前記第２のスケール（３１０、３２０）とも結合されておらず、かつ前記第１の測定方向（ｘ）に沿って、前記第２のスケール（３１０）に対して移動可能に配置されており、かつ
    － 前記第１のスケール（３２０）が、前記第２および第３の測定方向（ｙ、ｚ）に沿って、前記第２のスケール（３１０）に対して相対的に移動可能に配置されている、光学式位置測定機構。
16. 請求項１１に記載の位置測定機構を４つ備えた製作機構であって、
    － 前記製作機構が工具（Ｔ）およびテーブル（Ｗ）を含んでおり、前記テーブル（Ｗ）が、前記３つの測定方向（ｘ、ｙ、ｚ）に沿って前記工具（Ｔ）に対して直線的に変位可能におよび前記３つの測定方向（ｘ、ｙ、ｚ）を中心として回転するように、移動可能に配置されており、かつ
    － 前記位置測定機構の前記走査ヘッド（ＡＫ１、ＡＫ２、ＡＫ３、ＡＫ４）および前記第２のスケール（Ｍ１４_２、Ｍ２_２、Ｍ３_２）がそれぞれ前記工具（Ｔ）と結合されており、かつ
    － 前記位置測定機構の前記第１のスケール（Ｍ１_１、Ｍ２３_１、Ｍ３_１）がそれぞれ前記テーブル（Ｗ）と結合されており、
    － これにより、前記位置測定機構の走査信号から、前記工具（Ｔ）に対する前記テーブル（Ｗ）の空間的位置が、６つすべての空間的自由度において決定可能である製作機構。