JP2005315649A - 検出装置及びステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高精度に可動されるステージの状態の検出を行う検出装置及びステージ装置に関し、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの５つの自由度の状態の検出ができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 基準格子４０に向けて光３３１を照射する光源部３３０と、複数の開口部により光３３１を複数の光３３３に分光する分光手段３３２と、複数の反射光３３７を一括して受光する検出器３３９とを備えた検出手段１４により、複数の反射光３３７の変化に基づいて、基準格子４０に対する状態を検出する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、検出装置及びステージ装置に係り、特に高精度に可動されるステージの状態の検出を行う検出装置及びステージ装置に関する。

ＩＴ技術の根幹である半導体デバイスの高集積化、低価格化に対応し、半導体デバイスを製造する半導体露光装置に対する高生産性、高精度化、高速化等の要求が高まっている。半導体露光装置のキーコンポーネントであるＸＹステージには１０ｎｍ前後の精度と数百ｍｍの移動範囲を持った高速多自由度ステージ装置が要求される。そのため、ステージの多自由度位置と姿勢を精密に計測し、その結果をフィードバックしてステージの位置決め制御を行うことが必要となる。

従来の位置決め装置の位置計測方式としては，光学式リニアエンコーダ、レーザ測長機やオートコリメータ等が一般的に用いられてきた。これらは，基本的には１次元の長さあるいは姿勢測定を基本原理としており、その複数軸の組み合わせによって、位置あるいは姿勢の計測を行っていた。

また、高精度計測に用いられているレーザ干渉計では、レーザ光を用いてステージ（位置決め対象物）の位置の計測を行うため、ステージの置かれている装置内の空気の揺らぎなどによって、計測の値精度が低下するという問題があった。また、光学部品をステージの外部にしか置くことができないため、ステージ装置全体が大型化し、煩雑となるなどの問題点がある。

さらに、ステージがＺ軸回りに回転した場合には、ステージからの反射光が干渉計の受光部から外れて、ＸＹ方向の位置検出ができなくなるという問題があった。このような問題を解決する検出装置として、基準格子にレーザ光を照射し、基準格子により反射される反射光をＸＹ方向の２次元角度を２次元角度センサーにより検出するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、基準格子と２次元角度センサーとを有した検出装置の概略図である。図１に示すように、従来の検出装置３００では、１本の２次元角度センサー２９０の出力変化によりＸＹ方向の位置の検出を行っていた。

ここでの２次元角度センサー２９０は、基準格子の面の傾斜を検出するものであり、これにより基準格子の面の法線方向の変化を見ることができ、２次元角度センサー２９０により、ＸＹ方向（２方向）の傾斜または法線変化を検出することができる。基準格子３２０は、平面上の直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に既知の関数で変化する山と谷とが集合してなるもののことであり、基準格子３２０の形状には、正弦波が用いられる。

次に、図２を参照して、図１に示した２次元角度センサー２９０について説明する。図２は、２次元角度センサーを示した図である。２次元角度センサー２９０は、オートコリメーション法に基づいた幾何光学的なセンサーである。

図２に示すように、レーザ光源３０１から照射された１本のレーザ光３１０は、偏光ビームスプリッタ３０２と１／４波長板３０３を通過し、基準格子３２０の表面に入射する。基準格子３２０の表面で反射されたレーザ光３１２は偏光ビームスプリッタ３０２で反射され、レーザ光３１２はオートコリメータ３０５に入射する。オートコリメータ３０５は、対物レンズ３０６とスポット位置を検出する検出器３０７とを含んだ構成とされている。
特開平８−１９９１１５号公報

しかしながら、上記オートコリメーション法では、対物レンズ３０６の焦点にある標板（一般には十字線）を無限遠に結像させて、対物レンズ３０６の先にある平面鏡によって反射された平行光線を標板面に共役な位置に結像させ、結像した十字線の面内の変位から平面鏡の微小な角度の変位を読み取るため、オートコリメータ３０５等の高価でかつ複雑な部品を必要とし、検出装置３００のコストが高くなってしまうという問題があった。

また、高分解能の位置検出を行うため、基準格子３２０とマルチスポットとの周期が短くなるにつれ、光の干渉と回折によって幾何光学的な原理が成立しない可能性があるため、精度良く検出することが困難であるという問題があった。また、２次元の変位（Ｘ方向及びＹ方向の変位）と３つの姿勢変化（Ｘ軸に対する回転方向、Ｙ軸に対する回転方向、及びＺ軸に対する回転方向）との５つの自由度の状態について検出するためには、３つの２次元角度センサー３００が必要となり、センサー間の調整が難しいという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの５つの自由度の状態の検出を容易に行うことができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明では、２次元方向に対して周期的な形状の変化を有した基準格子と、前記基準格子に向けて光を照射する光源と、複数の開口部を有し、該複数の開口部により前記光源から照射された光を複数の光に分光する分光手段と、前記基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光する検出器を有した検出手段とを備え、前記検出手段は、前記検出器が受光する前記複数の反射光の変化に基づいて、前記基準格子に対する状態を検出することを特徴とする検出装置により、解決できる。

上記発明によれば、分光手段により分光された複数の光を基準格子に照射し、基準格子から反射された複数の反射光を一括して検出器で受光し、検出手段は複数の反射光の変化に基づき、状態の検出を行うため、複数の光が照射された基準格子のうちのどれかに欠陥があった際でも、他の正常な基準格子に照射された複数の光の反射光の変化に基づいて状態の検出を行うことができるので、従来の１つの光を照射し、その反射光に基づいて状態の検出を行う場合と比較して、状態の検出を精度良く行うことができる。

請求項２記載の発明では、前記検出器は、複数のフォトダイオードにより構成されており、前記複数の反射光を受光する前記検出手段の面の中央に、Ｘ軸を回転軸とする回転移動による状態の検出、及びＹ軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための４個のフォトダイオードを少なくとも有したことを特徴とする請求項１に記載の検出装置により、解決できる。

上記発明によれば、複数の反射光を受光する検出手段の面の中央に４個のフォトダイオードを設けることで、Ｘ軸を回転軸とする回転移動の状態の検出、及びＹ軸を回転軸とする回転移動の状態の検出を行うことができる。

請求項３記載の発明では、前記検出手段の面の四隅に、Ｚ軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための２個一組とされたフォトダイオードとを少なくとも有したことを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置により、解決できる。

上記発明によれば、検出手段の面の四隅に２個一組とされたフォトダイオードを設けることで、Ｚ軸を回転軸とする回転移動の状態の検出を行うことができる。

請求項４記載の発明では、前記検出器には、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いることを特徴とする請求項１に記載の検出装置により、解決できる。

上記発明によれば、検出器として、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いることにより、基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光して、検出手段により複数の反射光の変化に基づいて、基準格子に対する状態を検出することができる。

請求項５記載の発明では、前記基準格子は、該基準格子の中心軸に対して対称となる形状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検出装置により、解決できる。

上記発明によれば、基準格子の中心軸に対して対称となる形状に基準格子を構成することで、従来の２次元方向に対して正弦波の形状を有した基準格子よりも容易に基準格子を製造することができる。

請求項６記載の発明では、ベースと、前記ベース上を移動するステージと、前記ステージを駆動させるモータと、前記ステージを前記ベースに対して浮上させる浮上装置と、前記ステージの状態を検出する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の検出装置とを備えることを特徴とするステージ装置により、解決できる。

上記発明によれば、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の検出装置により、ベースに対するステージの状態を精度良く検出することができる。

請求項７記載の発明では、前記モータには、平面モータを用い、前記浮上装置には、エアーベアリングを用いたことを特徴とする請求項６に記載のステージ装置により、解決できる。

上記発明によれば、モータに平面モータを適用し、浮上装置にエアーベアリングを用いた装置においても、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の検出装置により、ベースに対するステージの状態を精度良く検出することができる。

本発明は、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの５つの自由度の状態の検出を容易に行うことができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置を提供することができる。

次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

（第１実施例）
始めに、図３乃至図４を参照して、本発明の第１実施例による検出装置をステージ装置に適用した場合を例に挙げて説明する。ステージ装置２３０は、駆動装置として平面モータであるＳＡＷＹＥＲモータを有した装置である。図３は、本発明の第１実施例による検出装置を備えたステージ装置の断面図であり、図４は、図３に示した領域Ｂに対応した構成部分の平面図である。

ステージ装置２３０は、大略するとベース２３１と、ステージ２３６と、検出装置２４９とにより構成されている。ベース２３１の表面には、所定のピッチで複数の凸部２３２が形成されている。この所定のピッチが、可動ステージ２３７が移動される際の最小単位となる。また、ベース２３１は、鉄などの金属により製造されている。ステージ２３６は、大略すると可動ステージ部２３７と、固定ステージ部２３９と、チャック２４１と、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂと、Ｙ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂと、チルト駆動部２４５とにより構成されている。

可動ステージ部２３７は、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２ＢとＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂとにより駆動されるベース部分である。図４に示すように、可動ステージ部２３７の下方には、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂと、Ｙ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂとが配設されており、中央部には空間が形成されている。Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂ及びＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂは、それぞれ複数のコイル部２４４と、エアーベアリング２３８とにより構成されている。このコイル部２４４に電流を印加することで、コイル部２４４に磁力が発生し、推進力が生じて可動ステージ部２３７は駆動される。

エアーベアリング２３８は、エアーの力によりＸ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂ及びＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂをベース２３１に対して浮かすためのものである。このエアーベアリング２３８を設けることで、可動ステージ部２３７がＸ，Ｘ方向、又はＹ，Ｙ方向、或いはＺ軸を回転軸とする回転方向に駆動された際、いずれの方向に対しても自在に移動することができる。

チルト駆動部２４５は、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂ及びＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂと可動ステージ部２３７との間にそれぞれ設けられている。チルト駆動部２４５は、可動ステージ２３７の水平位置出しを行うためのものである。固定ステージ部２３９は、可動ステージ部２３７上に一体的に配設されている。固定ステージ部２３９は、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂ及びＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂを用いて可動ステージ部２３７を駆動させることで、所望の位置に移動される。固定ステージ部２３９上には、ワーク２４８を装着するためのチャック２４１が配設されている。

ここで、図５を参照して、可動ステージ部２３７の駆動方法について説明する。図５は、可動ステージの駆動方向とＸ方向及びＹ方向アクチュエータの推進力との関係を模式的に示した平面図である。可動ステージ部２３７をＸ，Ｘ方向に移動させる場合には、図５（ａ）に示すように、可動ステージ部２３７を移動させたいＸ，Ｘ方向に対してＸ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂの推進力が生じるように、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂに設けられたコイル部２４４に電流を印加する。

可動ステージ部２３７をＹ，Ｙ方向に移動させる場合には、図５（ｂ）に示すように、可動ステージ部２３７を移動させたいＹ，Ｙ方向に対してＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂの推進力が生じるように、Ｙ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂに設けられたコイル部２４４に電流を印加する。また、Ｚ軸を回転軸として、可動ステージ部２３７をＥ方向又はＤ方向）に回転移動させる場合には、図５（ｃ）又は（ｄ）に示すようなＸ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂ及びＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂの推進力が生じるよう、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂ及びＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂに設けられたコイル部２４４に電流を印加する。

そして、固定ステージ部２３９がベース２３１上の所望の位置に移動した際、コイル部２４４に対しての電流の印加をストップさせて、固定ステージ部２３９の位置を固定する。なお、可動ステージ２３７は、先に述べたように、ベース２３１の表面に設けられた凸部２３２のピッチを最小単位として移動される。

検出装置２４９は、可動ステージ部２３７の底部に設けられた検出手段１４と、後述する目盛ユニット２３３とにより構成されている。この検出装置２４９は、可動ステージ２３７の状態の測定を行う機能を奏する。ここでの「状態」とは、Ｚ軸を回転軸とする回転移動の状態と、Ｘ，Ｘ方向への移動の状態と、Ｘ軸を回転軸とする回転移動の状態と、Ｙ，Ｙ方向への移動の状態と、Ｙ軸を回転軸とする回転移動の状態とを含んでおり、少なくともこれら５つの自由度の状態のことである。検出装置２４９は、大略すると目盛ユニット２３３と、検出手段１４とにより構成されている。

まず、検出装置２４９の内、図６及び図７を参照して、目盛ユニット２３３について説明する。図６は、図３に示した領域Ｃに対応した構成部分の拡大図であり、図７は、目盛部及び検出手段を示した図である。目盛ユニット２３３は、ベース２３１に設けられた凸部２３２上に配設されている。目盛ユニット２３３は、目盛部１３と、上部樹脂２５２と、下部樹脂２５３とにより構成されている。目盛部１３は、基部４１と基準格子４０とにより構成されている。

基部４１には、角度に関する性質がＸ−Ｙ方向の２次元方向に既知の関数（本実施例では正弦波の山と谷の集合）で変化する複数の基準格子４０が所定のピッチＦで設けられている。目盛部１３の上面には、上部樹脂２５２が設けられており、目盛部１３の下面には、下部樹脂２５３が設けられている。上部樹脂２５２及び下部樹脂２５３は、目盛部１３が外力を受けて破損することを防止するためのものである。なお、上部樹脂２５２には、光の透過性の良いものを用いる。

次に、検出装置２４９を構成する検出手段１４について、図３乃至図４を参照して説明する。検出手段１４は、Ｘ方向アクチュエータ２４２Ａ，２４２Ｂ及びＹ方向アクチュエータ２４３Ａ，２４３Ｂに囲まれた可動ステージ部２３７の底面部の空間に配設された構成とされている。

このように、基準格子４０に近接した位置である可動ステージ部２３７の底面部に検出手段１４を設けることにより、従来のレーザ干渉計と比較して空気の揺らぎ等の外乱の影響を受けにくくすることができ、正確な固定ステージ２３９の位置を得ることができる。

図８は、検出手段の概略構成と目盛部とを示した図である。検出手段１４は、大略すると光源部３３０と、分光板３３２と、偏向ビームスプリッタ３３４と、１／４波長板３３６と、集束用レンズ３３８と、検出器３３９とを有した構成とされている。光源部３３０は、幅を有した光３３１を照射するためのものである。分光板３３２は、光源部３３０から照射された光３３１の進行方向側（図８においての下方）に設けられている。

図９は、分光板の平面図である。図９に示すように本実施例では、分光板３３２に９つの開口部３４１Ａ〜３４１Ｉが格子状に形成されている。分光板３３２は、光源部３３０から照射された光３３１を開口部３４１Ａ〜３４１Ｉにより、９つの光３３３に分光するためのものである。

開口部３４１Ａ〜３４１Ｉは、基部４１の表面上または面内に所定のピッチＦで配設された基準格子４０と同じピッチＦとなるように形成されている。また、分光板３３２の開口部３４１Ａ〜３４１Ｉで回折した９つの光３３３は、互いに干渉して、基準格子４０上で基準格子４０の配設ピッチと等間隔、または配設ピッチの整数倍の間隔でマルチスポットが生成される。

偏向ビームスプリッタ３３４は、分光板３３２と目盛部１３との間に設けられている。偏向ビームスプリッタ３３４は、基準格子４０の表面で反射された反射光３３７が集束用レンズ３３８に向かうようにするためのものである。集束用レンズ３３８は、偏向ビームスプリッタ３３４と検出器３３９との間に設けられており、反射光３３７を検出器３３９に対して集束させるためのものである。

次に、図１０を参照して、検出器３３９について説明する。図１０は、図８に示した検出手段をＧ視した図である。なお、同図中に一点鎖線で示した丸は、それぞれのフォトダイオードに到達した反射光３３７Ａ〜３３７Ｉを示している。検出器３３９は、その受光面３３９Ａにフォトダイオード３５０Ａ〜３５０Ｈ、及びフォトダイオード３５１〜３５４とを備えた構成とされている。

フォトダイオード３５０Ａ〜３５０Ｈ、及びフォトダイオード３５１〜３５４は、反射光３３７Ａ〜３３７Ｉを一括して受光するためのものである。検出器３３９は、一括して受光した反射光３３７Ａ〜３３７Ｉの変化、具体的には反射光３３７Ａ〜３３７Ｉの強度や反射光３３７Ａ〜３３７Ｉが照射されるフォトダイオード３５０Ａ〜３５０Ｈ、及びフォトダイオード３５１〜３５４上の位置に基づいて、基準格子４０に対する固定ステージ２３９の状態を検出するためのものである。

受光面３３９Ａは、反射光３３７Ａ〜３３７Ｉを受光する側の面である。受光面３３９Ａは、略正方形の形状をしており、その中心部には、４つのフォトダイオード３５０Ｅ〜３５０Ｈが配設されている。

受光面３３９Ａの４つの角部付近には、フォトダイオード３５１〜３５４が形成されている。具体的には、図１０中の受光面３３９Ａの左上角部にはフォトダイオード３５１、受光面３３９Ａの左下角部にはフォトダイオード３５２、受光面３３９Ａの右下角部にはフォトダイオード３５３、受光面３３９Ａの右上角部にはフォトダイオード３５４がそれぞれ配設されている。

フォトダイオード３５１は、三角形状をしたフォトダイオード３５１Ｉ，３５１Ｊを組み合わせることにより構成され、フォトダイオード３５２は、三角形状をしたフォトダイオード３５２Ｌ，３５２Ｋを組み合わせることにより構成されている。また、フォトダイオード３５３は、三角形状をしたフォトダイオード３５３Ｍ，３５３Ｎを組み合わせることにより構成され、フォトダイオード３５４は、三角形状をしたフォトダイオード３５４Ｏ，３５４Ｐを組み合わせることにより構成されている。

フォトダイオード３５０Ａは、フォトダイオード３５１とフォトダイオード３５２とを結ぶ線上の中間位置に設けられており、フォトダイオード３５０Ｂは、フォトダイオード３５２とフォトダイオード３５３とを結ぶ線上の中間位置に設けられている。また、フォトダイオード３５０Ｃは、フォトダイオード３５３とフォトダイオード３５４とを結ぶ線上の中間位置に設けられており、フォトダイオード３５０Ｄは、フォトダイオード３５１とフォトダイオード３５４とを結ぶ線上の中間位置に設けられている。

同図に示すように、フォトダイオード３５１〜３５４、及びフォトダイオード３５０Ａ〜３５０Ｄの各フォトダイオードに対しても、反射光３３７Ａ〜３３７Ｄ又は反射光３３７Ｆ〜３３７Ｉのいずれかが照射される。本実施例では、検出器３３９が受光する反射光３３７Ａ〜３３７Ｉの位置の変化により、固定ステージ部２３９の状態の検出を行う。なお、具体的な状態の検出方法については後述する。

続いて、基準格子４０を用い、上記検出器３３９により５つの自由度の状態の検出が可能かどうかの確認のために行ったシミュレーション結果について説明する。

図１１は、シミュレーションに用いた検出手段のモデルを示した図である。なお、同図では検出手段１４の内部構成を直線方向に並べ模式的に示している。また、図１１において、図８に示した検出手段と同一構成部分には同一符号を付す。

始めに、検出器３３９で見られる反射光３３７のスポット強度分布を計算式より求める。その際、検出手段１４を構成部品毎に分けて、その構成部品毎の関数を繋ぎ合わせて計算を行う。具体的には、図１１に示すように、分光板３３２と、基準格子４０と、集束用レンズ３３８と、検出器３３９と、それらの間の空間とに分けることができる。

分光板３３２の持つ波面関数ｇ（ｘ，ｙ）は、開口部３４１Ａ〜３４１Ｉにおいて１となり、開口部３４１Ａ〜３４１Ｉ以外の領域においては０となり、下記（１）式で示される。

次に、基準格子４０の位相関数Ｇ（ｘ，ｙ）について説明する。基準格子４０に入射する光３３３は、反射光３３７となり元の光路を戻る。そこで、図１２に示すように、９つの光３３３及び反射光３３７の光路を１方向として、基準格子４０の位相関数Ｇ（ｘ，ｙ）を考えることができる。

図１２は、基準格子の位相関数を説明するための図である。基準格子４０の形状をｈ（ｘ，ｙ）とすると、点（ｘ，ｙ）に入射した光３３３は基準格子４０の底辺の点ｔ’に入射した光に比べて２ｈ（ｘ，ｙ）だけ光路長が短くなる。よって基準格子４０の位相関数Ｇ（ｘ，ｙ）は、下記（２）式で示される。なお、下記（２）式に含まれるｋは、光の波数、Ａは基準格子４０の振幅、Ｐは基準格子４０波長をそれぞれ示している。

次に、集束用レンズ３３８の位相関数Ｌ（ｘ，ｙ）は、集束用レンズ３３８の焦点距離をｆとして，下記（３）式で示される。集束用レンズ３３８には、入射場所によって位相を変えて光を集光する働きがある。

光の空間の伝播について説明する。光の空間の伝播は、フレネル回折でモデル化される。観察面での波をｕ（ｘ，ｙ）、伝播開始面の波をｕ_０（ｘ，ｙ）、開始面から観察面までの距離をｚとすると、観察面での波であるｕ（ｘ，ｙ）は、下記（４）式のように示すことができる。

ここでＦ［ｖ（ｘ，ｙ）］は、ｖ（ｘ，ｙ）の２次元フーリエ変換である。λは、光の波長である。

図１１に示すように、光学系の構成部分を一直線上に並べ、分光板３３２に入射する光の複素振幅をＵ_Ａ（ｘ，ｙ）、検出器３３９上（フォトダイオード３５０Ａ〜３５０Ｈ上、及びフォトダイオード３５１〜３５４上）の複素振幅をＵ_Ｄ（ｘ，ｙ）、分光板３３２と基準格子４０との間隔をＺ_１、基準格子４０と集束用レンズ３３８との間隔をＺ_２（＝ｆ）と定義すると、スポット強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、以下に示すように求めることができ、下記（５）式のようになる。

次に、基準格子４０に対して５つの自由度の移動が生じた際のスポット強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）の変化について説明する。Ｘ軸方向とＹ軸方向とに対するそれぞれの変位量をΔｘ，Δｙとし、Ｚ軸を回転軸として回転移動する際の回転角度をθｚ（ヨーイング角）、Ｘ軸を回転軸として回転移動する際の回転角度をθｘ（ローリング角）、Ｙ軸を回転軸として回転移動する際の回転角度をθｙ（ピッチング角）とすると、下記（６）式が得られる。

式（６）を式（５）に代入し、計算することで基準格子４０に５つの自由度の運動が生じたときのＩ（ｘ，ｙ）の変化を求めることができる。また、後述するシミュレーションで用いる光３３３の複素振幅Ｕ_Ａ（ｘ，ｙ）の分布は、下記（７）式で示され、複素振幅Ｕ_Ａ（ｘ，ｙ）の分布を図示したものが図１３である。図１３は、分光板に入射する光の複素振幅Ｕ_Ａ（ｘ，ｙ）の分布を示した図である。

図１４は、第１実施例のシミュレーション条件を示した図であり、図１５は、スポット強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）の変化をシミュレーションした結果を示した図である。なお、Ｘ１方向は、Ｘ軸に対して直交する方向、Ｙ１方向はＹ軸に対して直交する方向、Ｚ１方向はＸ１，Ｙ１方向に直交する方向を示している。

次に、図１６乃至図１７に示したシミュレーション結果を参照して、基準格子４０に対してＸ軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分布の変化について説明する。図１６は、基準格子に対してＸ軸方向に移動体（可動ステージ２３７）が変位した際のスポット強度分布をＸ１視（図１５参照）した図であり、図１７は、基準格子に対してＸ軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＹ１視（図１５参照）した図である。

図１６に示すように、Ｘ軸方向に移動体が変位した際には、Ｘ１方向から見たスポット強度分布３７０Ａ〜３７０Ｅのうちの中心に位置するスポット強度分布３７０Ｃの両側にあるスポット強度分布３７０Ａ，３７０Ｂ，３７０Ｄ，３７０Ｅの大きさが変化していることが分かる。一方、図１７に示すように、Ｙ１方向からスポット強度分布３７１Ａ〜３７１Ｅを見た際には、Δｘ（Ｘ軸方向の変位）の値が変化しても５つのスポット強度分布３７１Ａ〜３７１Ｅの大きさに変化は見られない。

上記シミュレーション結果から、Ｘ軸方向に移動体が変位した際には、Ｘ１方向からスポット強度分布３７０Ａ，３７０Ｂ，３７０Ｄ，３７０Ｅをモニターすることで、移動体のＸ軸方向に対する移動距離及び位置（座標）の検出が可能であることが推察される。具体的には、Ｘ軸方向に移動体が変位した際には、受光面３３９Ａに設けられた２つのフォトダイオード３５０Ａ，３５０Ｃ（図１０参照）が受光する反射光３３７Ｄ，３３７Ｆのスポット強度分布をモニターすることで、移動体のＸ軸方向に対する移動距離及び位置（座標）を検出可能であることが分かった。

なお、図示していないが、シミュレーション結果から、Ｙ軸方向に移動体が変位した際には、Ｙ１方向から５本のスポット強度分布のうちの中心に位置するスポット強度分布の両側にある２つ（合計４つ）のスポット強度分布の大きさが変化すること判明した。よって、Ｙ軸方向に移動体が変位した際には、受光面３３９Ａに設けられた２つのフォトダイオード３５０Ｂ，３５０Ｄ（図１０参照）により、反射光３３７Ｂ，３３７Ｄのスポット強度をモニターすることで、移動体のＹ軸方向に対する移動距離及び位置（座標）を検出可能であることが分かった。

次に、図１８に示したシミュレーション結果を参照して、Ｚ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位（回転移動）した際のスポット強度分布の変化について説明する。図１８は、Ｚ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＺ１視した図（図１５参照）である。なお、図１８において、θｚは、ヨーイング角（Ｚ軸を回転軸とする角度）を示している。

図１８（ｃ）に示すように、θｚ＝０arcsecの場合には、４隅に反射される反射光３３７Ａ，３３７Ｃ，３３７Ｇ，３３７Ｉの位置は、中央の反射光３３７Ｅの位置を中心として時計回り，反時計回りどちらにも回転していないことが分かる。また、図１８（ａ），（ｂ）に示すように、Ｚ軸を回転軸として移動体がマイナス方向（反時計回り）に回転移動した場合には、４隅に反射される反射光３３７Ａ，３３７Ｃ，３３７Ｇ，３３７Ｉの位置は、中央のピーク３３７Ｅを中心として反時計回りに回転していることが分かる。

また、図１８（ｄ），（ｅ）に示すように、Ｚ軸を回転軸として移動体がプラス方向（時計回り）に回転移動した場合には、４隅に反射される反射光３３７Ａ，３３７Ｃ，３３７Ｇ，３３７Ｉの位置は、中央の反射光３３７Ｅの位置を中心として時計回りに回転することが分かる。さらに、図１８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示した反射光３３７Ａ，３３７Ｃ，３３７Ｇ，３３７Ｉのそれぞれの位置は異なっていることから、受光面３３９Ａの四隅に設けられたフォトダイオード３５１〜３５４（図１０参照）により、反射光３３７Ａ，３３７Ｃ，３３７Ｇ，３３７Ｉの位置をＺ１方向からモニターすることで、Ｚ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際の移動体の位置、移動量及び回転角度などの検出が可能であることが分かった。

次に、図１９乃至図２２に示したシミュレーション結果を参照して、Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位（回転移動）した際のスポット強度分布の変化について説明する。図１９は、Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＸ１視（図１５参照）した図であり、図２０は、図１９の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。また、図２１は、Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＹ１視（図１５参照）した図であり、図２２は、図２１の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。なお、図１９乃至図２２において、θｙは、ピッチング角（Ｙ軸を回転軸とする角度）を示している。

図２０に示すように、Ｙ軸を回転軸としてプラス方向（時計回り）に移動体が変位（回転移動）した際、Ｘ１方向から見たスポット強度分布３７５ＣのＸ軸方向の位置は同図の左側に移動し、Ｙ軸を回転軸としてマイナス方向（反時計回り）に移動体が変位（回転）した際、Ｘ１方向から見たスポット強度分布３７５ＣのＸ軸方向の位置は同図の右側に移動する。

一方、図２２に示すように、Ｙ軸を回転軸として移動体が変位（プラス方向及びマイナス方向の回転）した際、Ｙ１方向から見たスポット強度分布３８０ＣのＹ軸方向の位置は全く変化していない。なお、スポット分布強度分布３７５ＣがＸ軸方向に移動する際、スポット分布強度分布３７５Ａ，３７５Ｂも一体的に移動する。

このことから、Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際には、受光面３３９Ａの中心に設けられた４つのフォトダイオード３５０Ｅ〜３５０Ｈ（図１０参照）により、Ｘ１方向から見たスポット強度分布３７５ＣのＸ軸方向の位置（反射光３３７Ｅの位置）をモニターすることで、移動体のＹ軸回りの回転角度を検出が可能なことが分かった。なお、図示していないシミュレーション結果から、Ｘ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際も、受光面３３９Ａの中心に設けられた４つのフォトダイオード３５０Ｅ〜３５０Ｈにより受光される反射光３３７Ｅ（スポット強度分布３７５Ｃ）のＹ軸方向の位置をモニターすることで、移動体のＸ軸回りの回転角度θｘ（ローリング角）の検出が可能であることが分かった。

次に、図２３乃至図２５を参照して、上記シミュレーション結果を踏まえて、移動体の状態の検出方法について説明する。図２３は、基準格子に対して移動体がＸ軸方向に変位した際の検出方法を説明するための図である。なお、図２３において、スポット強度分布３８５Ｄは反射光３３７Ｄに対応したスポット強度分布を示しており、スポット強度分布３８５Ｆは反射光３３７Ｆに対応したスポット強度分布を示している。

図２３に示すように，基準格子４０に対して移動体がＸ軸方向に移動すると、フォトダイオード３５０Ａ，３５０Ｃが受光する反射光３３７Ｄ，３３７Ｆのスポット強度分布３８５Ｄ，３８５Ｆの大きさが変化する。ここで、フォトダイオード３５０Ａの出力をＩ_３５０Ａ、フォトダイオード３５０Ｃの出力をＩ_３５０Ｃとすると、基準格子４０に対する移動体のＸ軸方向の変位量ΔＸは、Ｓ_Ｘ＝（Ｉ_３５０Ｃ−Ｉ_３５０Ａ）／（Ｉ_３５０Ｃ＋Ｉ_３５０Ａ）から求めることができる。また、基準格子４０に対して移動体がＹ軸方向に移動した場合には、フォトダイオード３５０Ｂの出力をＩ_３５０Ｂ、フォトダイオード３５０Ｄの出力をＩ_３５０Ｄとすると、基準格子４０に対する移動体のＹ軸方向の変位量ΔＹは、Ｓ_Ｙ＝（Ｉ_３５０Ｄ−Ｉ_３５０Ｂ）／（Ｉ_３５０Ｄ＋Ｉ_３５０Ｂ）から求めることができる。

図２４は、基準格子に対して移動体がＹ軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。なお、図２４において、スポット強度分布３８５Ｅは、反射光３３７Ｅに対応したスポット強度分布を示している。図２４に示すように，基準格子４０に対して移動体がＹ軸を回転軸として回転すると、３つの反射光３３７Ｄ〜３３７Ｆに対応したスポット強度分布３８５Ｄ〜３８５Ｅの位置が全体的にＸ軸方向に移動する。この際の移動量は、オートコリメーション法に従う。この移動量は、受光面３３９Ａの中心に設けられた４つのフォトダイオード３５０Ｅ〜３５０Ｈにより検出することができる。

ここで、フォトダイオード３５０Ｅの出力をＩ_３５０Ｅ、フォトダイオード３５０Ｆの出力をＩ_３５０Ｆ、フォトダイオード３５０Ｇの出力をＩ_３５０Ｇ、フォトダイオード３５０Ｈの出力をＩ_３５０Ｈとすると、Ｓ_qＹ＝（Ｉ_３５０Ｇ＋Ｉ_３５０Ｈ−Ｉ_３５０Ｅ−Ｉ_３５０Ｆ）／（Ｉ_３５０Ｅ＋Ｉ_３５０Ｆ＋Ｉ_３５０Ｇ＋Ｉ_３５０Ｈ）からＸ軸方向の移動量を求めることができ、求めたＸ軸方向の移動量からθｙ（ピッチング角）を求めることができる。同様に、Ｓ_qＸ＝（Ｉ_３５０Ｆ＋Ｉ_３５０Ｇ−Ｉ_３５０Ｅ−Ｉ_３５０Ｈ）／（Ｉ_３５０Ｅ＋Ｉ_３５０Ｆ＋Ｉ_３５０Ｇ＋Ｉ_３５０Ｈ）よりＹ軸方向の移動量が求めることができ、求めたＹ軸方向の移動量からθｘ（ローリング角）を求めることができる。

図２５は、基準格子に対して移動体がＺ軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。基準格子４０に対して移動体がＺ軸を回転軸として回転すると、先の図１８で説明したように４つの反射光３３７Ａ，３３７Ｃ，３３７Ｇ，３３７Ｉの位置が中央の反射光３３７Ｅの位置を中心に回転する。

ここで、フォトダイオード３５１Ｉの出力をＩ_３５１Ｉ、フォトダイオード３５１Ｊの出力をＩ_３５１Ｊ、フォトダイオード３５１Ｋの出力をＩ_３５１ｋ、フォトダイオード３５１Ｌの出力をＩ_３５１Ｌ、フォトダイオード３５１Ｍの出力をＩ_３５１Ｍ、フォトダイオード３５１Ｎの出力をＩ_３５１Ｎ、フォトダイオード３５１Ｏの出力をＩ_３５１Ｏ、フォトダイオード３５１Ｐの出力をＩ_３５１Ｐとすると、Ｓ_qＺ＝｛（Ｉ_３５１Ｊ＋Ｉ_３５１Ｌ＋Ｉ_３５１Ｎ＋Ｉ_３５１Ｐ）−（Ｉ_３５１Ｉ＋Ｉ_３５１ｋ＋Ｉ_３５１Ｍ＋Ｉ_３５１Ｏ）｝／（Ｉ_３５１Ｉ＋Ｉ_３５１Ｊ＋Ｉ_３５１ｋ＋Ｉ_３５１Ｌ＋Ｉ_３５１Ｍ＋Ｉ_３５１Ｎ＋Ｉ_３５１Ｏ＋Ｉ_３５１Ｐ）より回転量を求めることができ，この回転量の値からθｚ（ヨーイング角）を求めることができる。

次に、図２６に示すような寸法で構成された検出器３３９を用いた場合に５つの自由度の状態に対して検出が可能かどうかのシミュレーションを行った。図２６は、シミュレーションで用いた検出器の寸法を示した図である。

図２７は、Ｘ軸方向に０μｍから１００μｍまで５μｍずつ駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。図２７に示すように、Ｘ軸方向用駆動信号に対して、Ｘ軸方向に関する出力は正弦波を描くように変化するが、Ｙ軸方向の出力、ピッチ方向の出力、ロール方向の出力、及びヨー方向の出力に関しては、Ｘ軸用駆動信号に対しての変化は見られない。このことから、移動体のＸ軸方向の状態の検出が可能なことが分かる。

図２８は、Ｙ軸方向に０μｍから１００μｍまで５μｍずつ駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。図２８に示すように、Ｙ軸方向用駆動信号に対して、Ｙ軸方向に関する出力は正弦波を描くように変化するが、Ｘ軸方向の出力、ピッチ方向の出力、ロール方向の出力、及びヨー方向の出力に関しては、Ｙ軸用駆動信号に対しての変化は見られない。このことから、移動体のＹ軸方向の状態の検出が可能なことが分かる。

図２９は、ピッチ方向に−２０arcsecから＋２０arcsecまで２arcsecずつ駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。図２９に示すように、ピッチ方向用駆動信号に対して、ピッチ方向に関する出力は右肩上がりに変化するが、Ｘ軸方向の出力、Ｙ軸方向の出力、ロール方向の出力、及びヨー方向の出力に関しては、ピッチ用駆動信号に対しての変化は見られない。このことから、移動体のピッチ方向の状態の検出が可能なことが分かる。

図３０は、ロール方向に−２０arcsecから＋２０arcsecまで２arcsecずつ駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。図３０に示すように、ロール方向用駆動信号に対して、ロール方向に関する出力は右肩上がりに変化するが、Ｘ軸方向の出力、Ｙ軸方向の出力、ピッチ方向の出力、及びヨー方向の出力に関しては、ロール用駆動信号に対しての変化は見られない。このことから、移動体のロール方向の状態の検出が可能なことが分かる。

図３１は、ヨー方向に−３６０００arcsecから＋３６０００arcsecまで３６００arcsecずつ駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。図３１に示すように、ヨー方向用駆動信号に対して、ヨー方向に関する出力は、Ｘ軸方向の出力、Ｙ軸方向の出力、ピッチ方向の出力、及びロール方向の出力よりも大きく変化していることが分かる。このことから、移動体のヨー方向の状態の検出が可能なことが分かる。

上記シミュレーション結果から、光源部３３０から照射された光を分光板３３２により複数の光３３３に分光させて基準格子に照射し、複数の反射光３３７を図２６に示したような構成とされた多素子型フォトダイオード３５０で一括して受光することで、移動体の５つの自由度の状態の検出を行うことができる。また、複数の反射光３３７の変化に基づいて移動体の状態を検出するため、複数の光３３７が照射された基準格子４０のうちのどれかに欠陥があった際でも、欠陥のない基準格子４０から反射された複数の反射光３３７の変化に基づいて状態の検出を行うことができるため、従来の１つの光を基準格子４０に照射し、その反射光に基づいて状態の検出を行う場合と比較して、状態の検出を精度良く行うことができる。

また、本実施例の検出手段１４においては、従来技術のようなオートコリメーション法を用いての検出を行っていないので、検出器３３９の構成を簡単化でき、検出手段１４のコストの低減を図ることができる。

なお、本実施例では、フォトダイオード３５１〜３５４、及びフォトダイオード３５０Ａ〜３５０Ｄを設けた検出器３３９を用いたが、フォトダイオード３５１〜３５４、及びフォトダイオード３５０Ａ〜３５０Ｄの代わりにＣＣＤを用いても良く、ＣＣＤを用いた場合においても本実施例と同様な効果を得ることができる。

（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例による矩形に構成された基準格子４００を適用した際のシミュレーション結果について説明する。

始めに、図３２を参照して、第２実施例の基準格子について説明する。図３２は、本発明の第２実施例の基準格子の斜視図である。基準格子４００は、略正方角形状の柱状部４０１と、柱状部４０１と同じ正方形状の凹部４０２を面内２軸方向に交互に配置して形成されている。基準格子４００のＰＶ値は０．０８μｍとされている。

次に、上記構成とされた基準格子４００を用いて、図３３に示したシミュレーション条件でシミュレーションを行うことで得られたスポット強度分布について説明する。図３３は、第２実施例のシミュレーション条件を示した図であり、図３４は、シミュレーションにより得られたスポット強度分布を示した図である。図３４に示すように、本実施例においても、第１実施例で説明した図１５と同様に複数の強度の異なるピークが表れることが分かる。

次に、図３５乃至図３６に示したシミュレーション結果を参照して、基準格子４００に対してＸ軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分布の変化について説明する。図３５は、基準格子に対してＸ軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＸ１視（図３４参照）した図であり、図３６は、基準格子に対してＸ軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分をＹ１視（図３４参照）した図である。なお、Ｘ１方向は、Ｘ軸に対して直交する方向、Ｙ１方向はＹ軸に対して直交する方向、Ｚ１方向はＸ１，Ｙ１方向に直交する方向を示している。

図３５乃至図３６に示すように、本実施例においても、第１実施例と同様に、Ｘ軸方向に移動体が変位した際には、Ｘ１方向から見たスポット強度分布４１０Ａ〜４１０Ｃのうちの中心に位置するスポット強度分布４１０Ｂの両側にあるスポット強度４１０Ａ，４１０Ｃの大きさが変化し、Ｙ１方向からスポット強度分布を見た際には、Δｘ（Ｘ軸方向の変位）の値が変化してもスポット強度分布４１１Ａ〜４１１Ｃの大きさに変化は見られないことが分かる。

次に、図３７に示したシミュレーション結果を参照して、Ｚ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布の変化について説明する。図３７は、Ｚ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＺ１視（図３４参照）した図である。なお、図３７において、θｚは、ヨーイング角（Ｚ軸を回転軸とする角度）を示している。

図３７に示すように、第２実施例においても、第１実施例と同様に、４隅に反射される反射光３３７Ａ，３３７Ｃ，３３７Ｇ，３３７Ｉの位置は、中央の反射光３３７Ｅの位置を中心として時計回りに回転することが分かる。

次に、図３８乃至図４１に示したシミュレーション結果を参照して、Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布の変化について説明する。図３８は、Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＸ１視（図３４参照）した図であり、図３９は、図３８の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。また、図４０は、Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＹ１視（図３４参照）した図であり、図４１は、図４０の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。なお、図３８乃至図４１において、θｙは、ピッチング角（Ｙ軸を回転軸とする角度）を示している。

図３９乃至図４１に示すように、本実施例の場合においても、第１実施例と同様に、Ｙ軸を回転軸としてプラス方向（時計回り）に移動体が変位（回転）した際、Ｘ１方向から見たスポット強度分布４１３ＢのＸ軸方向の位置は同図の左側に移動し、Ｙ軸を回転軸としてマイナス方向（反時計回り）に移動体が変位（回転）した際、Ｘ１方向から見たスポット強度分布４１３ＢのＸ軸方向の位置は同図の右側に移動することが分かる。

以上説明したシミュレーション結果から、形状が複雑な２次元方向に対して正弦波の形状を有した基準格子４０の代わりに、基準格子４００の中心軸に対して対称となる形状に構成された基準格子４００を用いて、移動体の５つの自由度の状態を検出することができることが分かった。これにより、状態の検出を行う際に必要な基準格子４００の形状を簡単化して、基準格子４００を容易に製造することができる。

（第３実施例）
次に、図４２乃至図４３を参照して、本発明の第３実施例であるステージ装置１０について説明する。図４２は、本発明の第３実施例であるステージ装置の分解斜視図であり、図４３は、部分的に切り欠いて組み立てられた状態のステージ装置の斜視図である。このステージ装置１０は、例えば半導体製造用のステッパ等において被移動体となるウェハを所定位置に移動させるのに用いられる装置である。

このステージ装置１０は、大略するとベース１１、ステージ１２、検出装置２４、及び駆動装置等により構成されている。ベース１１はステージ装置１０の基台となるものであり、後述するリニアモータ構造部２０Ａ，２５Ａ、Ｚ方向電磁石３０、及び検出手段１４が配設される。なお、検出手段１４は、第１実施例に用いた検出手段１４と同一構成のものである。

ステージ１２は移動体となるウェハ６０及びチャック６１が上部に搭載されると共に、下部にはマグネット１５，１６、ヨーク１７、及びスペーサ１８を介してＺ方向用マグネット１９が配設される。このステージ１２は、ベース１１に対して図中矢印Ｘ軸方向移動、Ｙ軸方向移動、及びＺ軸を中心とした回転移動が可能な構成とされている。

図４２に示すように、目盛部１３は、ステージ１２の背面（ベース１１と対向する面）の略中央位置に固定されている。一方，検出手段１４は、ベース１１に配設された構成とされている。具体的には、検出手段１４は、ベース１１に設けられた取り付け用基板３３に設けられている。

続いて、駆動装置について説明する。駆動装置は、ベース１１に対してステージ１２をＸ軸方向移動，Ｙ軸方向移動，及びＺ軸を中心とした回転移動を行なわれるものである。この駆動装置は、ベース１１に配設されたＸ軸方向リニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ、Ｙ軸方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５Ｂ、Ｚ方向電磁石３０と、ステージ１２に配設されたＸ軸方向用マグネット１５，Ｙ軸方向用マグネット１６，Ｚ方向用マグネット１９等により構成されている。

Ｘ軸方向リニアモータ構造部２０Ａはベース１１上に配設されており、一対のＸ軸方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２（双方をまとめていうときにはＸ軸方向用コイル２１Ａという）と、Ｘ軸方向用コア２２Ａとにより構成されている。一対のＸ軸方向用コイル２１Ａ−１，２１Ａ−２は図中矢印Ｘ軸方向に並設されており、それぞれ独立して電流を供給できる構成とされている。

また、Ｘ軸方向リニアモータ構造部２０ＢはＸ軸方向リニアモータ構造部２０Ａと同一構成とされており、Ｘ軸方向用コイル２１Ｂ（符号は付さないが、一対のＸ軸方向用コイルにより構成されている）及びＸ軸方向用コア２２Ｂとにより構成されている。このＸ軸方向リニアモータ構造部２０ＡとＸ軸方向リニアモータ構造部２０Ｂは、前記した検出装置１４の配設位置を挟んで、図中矢印Ｙ軸方向に離間して配置された構成とされている。

一方、Ｙ軸方向リニアモータ構造部２５Ａ及びＹ軸方向リニアモータ構造部２５Ｂも、前記したＸ軸方向リニアモータ構造部２０Ａと同様の構成とされている。即ち、Ｙ軸方向リニアモータ構造部２５ＡはＹ軸方向用コイル２６Ａ（符号は付さないが、一対のＹ軸方向用コイルにより構成されている）とＹ軸方向用コア２７Ａとにより構成され、Ｙ軸方向リニアモータ構造部２５ＢはＹ軸方向用コイル２６Ｂ（符号は付さないが、一対のＹ軸方向用コイルにより構成されている）とＹ軸方向用コア２７Ｂとにより構成されている。このＹ軸方向リニアモータ構造部２５ＡとＹ軸方向リニアモータ構造部２５Ｂは、前記した検出手段１４の配設位置を挟んで、図中矢印Ｘ軸方向に離間して配置された構成とされている。

Ｚ方向電磁石３０は、ベース１１に対してステージ１２を浮上させることにより、前記したＸ軸方向用マグネット１５Ａと後述するステージ１２に設けられた各マグネット１５，１６との間にギャップを形成する機能を奏するものである。このＺ方向電磁石３０は、Ｚ方向用コイル３１とＺ方向用コア３２とにより構成されている。また、浮上を安定化するため、矩形状とされたベース１１の四隅位置にそれぞれ配設されている。

なお、ベース１１に対してステージ１２を浮上させる手段は、本実施例で採用している磁気的な手段の他にも、圧縮空気を用いる方法や、複数のボールでベース１１を支持する手段等が考えられる。

一方、前記したようにステージ１２にはＸ軸方向用マグネット１５及びＹ軸方向用マグネット１６が配設されている。図に現れないが,各マグネット１５，１６はそれぞれ一対ずつ合計４個が配設されている。従って、ステージ１２を底面視した状態において、各マグネット１５，１６は協働して略四角形をなすよう配置されている。

Ｘ軸方向用マグネット１５は、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列（小磁石の集合体）により構成されている。同様に、Ｙ軸方向用マグネット１６も、複数の同等の永久磁石を極性が交互に現れるように直線状に配列した複数の磁石列により構成されている。各マグネット１５，１６の上部にはヨーク１７が配設されており、このヨーク１７は各マグネット１５，１６を構成する複数の各磁石を磁気的に結合する機能を奏する。

上記構成において、ベース１１に対しステージ１２を装着した状態において、一対のＸ軸方向用マグネット１５の一方がＸ軸方向リニアモータ構造部２０Ａ上に位置し、かつ他方のＸ軸方向用マグネット１５がＸ軸方向リニアモータ構造部２０Ｂ上に位置するよう構成されている。また、ベース１１に対しステージ１２を装着した状態において、一対のＹ軸方向用マグネット１６の一方がＹ軸方向リニアモータ構造部２５Ａ上に位置し、かつ他方のＹ軸方向用マグネット１６がＹ軸方向リニアモータ構造部２５Ｂ上に位置するよう構成されている。

また、ベース１１がステージ１２に装着された状態で、かつＺ方向電磁石３０によりステージ１２がベース１１に対し浮上した状態において、各マグネット１５，１６が発生する磁界が対向するリニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ，２５Ａ，２５Ｂに係合するよう構成されている。更に、上記装着状態において、各マグネット１５，１６は、各リニアモータ構造部２０Ａ，２０Ｂ，２５Ａ，２５Ｂに設けられている各コイル２１Ａ，２１Ｂ，２６Ａ，２６Ｂの巻回方向に対し直交するよう配置されている。

駆動装置を上記構成とすることにより、Ｘ軸方向リニアモータ構造部２０Ａ，２０ＢとＸ軸方向用マグネット１５は協働して、ステージ１２を図中矢印Ｘ軸方向に駆動するリニアモータとして機能する。同様に、Ｙ軸方向リニアモータ構造部２５Ａ，２５ＢとＹ軸方向用マグネット１６は協働して、ステージ１２を図中矢印Ｙ軸方向に駆動するリニアモータとして機能する。

即ち、本実施例ではＸ，Ｙ両方向にそれぞれ２組ずつのリニアモータが配置された構成となる。この構成とすることにより、装置中央部分に比較的大きな空間を確保できるため、この位置に検出装置２４を設置することができる。なお、本実施例ではステージ１２に目盛部１３を配設し、ベース１１に検出手段１４を配設した構成とした。これは、目盛部１３には配線を接続する必要がないためである。しかしながら、目盛部１３をベース１１に配設し、検出手段１４をステージ１２に設ける構成とすることも可能である。

また上記構成とされた駆動装置において、Ｘ軸方向リニアモータ構造部２０ＡとＸ軸方向リニアモータ構造部２０Ｂのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ１２は図中矢印Ｘ軸方向に並進運動する。同様に、Ｙ軸方向リニアモータ構造部２５ＡとＹ軸方向リニアモータ構造部２５Ｂのみを同時に同方向に駆動させると、ステージ１２は図中矢印Ｙ軸方向に並進運動する。また、対になった各リニアモータ構造部２０Ａと２０Ｂ、２５Ａと２５Ｂをそれぞれ逆方向に駆動させることにより、ステージ１２は図中矢印Ｚ軸まわりθＺの回転運動を行なう。

このように、検出手段１４と目盛部１３とからなる検出装置２４をステージ装置１０に設けることにより、ステージ１２の５つの自由度の状態を検出手段１４により検出することができる。

なお、本実施例では、２次元方向に対して正弦波の形状を有した基準格子４０を備えた目盛部１３を用いた場合を例に挙げて説明を行ったが、基準格子４０の代わりに、基準格子４００の中心軸に対して対称となる形状に構成された基準格子４００を用いても良い。また、上記した本発明は、半導体製造装置のみならず、マイクロマシン，ＩＴ用光通信部品等、今後微細加工を必要とする分野に広く適用することが可能である。即ち、現在のマイクロマシン製造技術の多くは半導体製造技術を利用しており、本発明を用いることにより、より微細で多様なマイクロマシンを製造することが可能となる。さらに、レーザ加工の分野では、サブミクロンの精度で超高速に動くステージが要求されている。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明は、製造しやすい形状の基準格子を用いて、ステージの５つの自由度の状態の検出を容易に行うことができ、かつ検出の精度を向上することのできる検出装置及びステージ装置に適用できる。

基準格子と２次元角度センサーとを有した検出装置の概略図である。 ２次元角度センサーを示した図である。 本発明の第１実施例による検出装置を備えたステージ装置の断面図である。 図３に示した領域Ｂに対応した構成部分の平面図である。 可動ステージの駆動方向とＸ方向及びＹ方向アクチュエータの推進力との関係を模式的に示した平面図である。 図３に示した領域Ｃに対応した構成部分の拡大図である。 目盛部及び検出手段を示した図である。 検出手段の概略構成と目盛部とを示した図である。 分光板の平面図である。 図８に示した検出手段をＧ視した図である。 シミュレーションに用いた検出手段のモデルを示した図である。 基準格子の位相関数を説明するための図である。 分光板に入射する光の複素振幅Ｕ_Ａ（ｘ，ｙ）の分布を示した図である。 第１実施例のシミュレーション条件を示した図である。 スポット強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）の変化をシミュレーションした結果を示した図である。 基準格子に対してＸ方向に移動体（可動ステージ２３７）が変位した際のスポットの強度分布をＸ１視した図である。 基準格子に対してＸ方向に移動体が変位した際のスポット強度分をＹ１視した図である。 Ｚ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＺ１視した図である。 Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＸ１視した図である。 図１９の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。 Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＹ１視した図である。 図２１の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。 基準格子に対して移動体がＸ軸方向に変位した際の検出方法を説明するための図である。 基準格子に対して移動体がＹ軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。 基準格子に対して移動体がＺ軸を回転軸として回転した際の検出方法を説明するための図である。 シミュレーションで用いた検出器の寸法を示した図である。 Ｘ軸方向に駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。 Ｙ軸方向に駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。 ピッチ方向に駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。 ロール方向に駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。 ヨー方向に駆動するよう駆動信号を入力した際のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第２実施例の基準格子の斜視図である。 第２実施例のシミュレーション条件を示した図である。 シミュレーションにより得られたスポット強度分布を示した図である。 基準格子に対してＸ軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＸ１視した図である。 基準格子に対してＸ軸方向に移動体が変位した際のスポット強度分をＹ１視した図である。 Ｚ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＺ１視した図である。 Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＸ１視した図である。 図３８の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。 Ｙ軸を回転軸とする回転方向に移動体が変位した際のスポット強度分布をＹ１視した図である。 図４０の中心に位置するスポット強度分布を拡大した図である。 本発明の第３実施例であるステージ装置の分解斜視図である。 部分的に切り欠いて組み立てられた状態のステージ装置の斜視図である。

符号の説明

１０，２３０ ステージ装置
１１，２３１ ベース
１２，２３６ ステージ
１３ 目盛部
１４，２９０ 検出手段
１５ Ｘ方向用マグネット
１６ Ｙ方向用マグネット
１７ ヨーク
１８ スペーサ
１９ Ｚ方向用マグネット
２０Ａ，２０Ｂ Ｘ方向リニアモータ構造部
２１Ａ，２１Ａ−１，２１Ａ−２，２１Ｂ Ｘ方向用コイル
２２Ａ，２２Ｂ Ｘ方向用コア
２４，２４９，３００ 検出装置
２５Ａ，２５Ｂ Ｙ方向リニアモータ構造部
２６Ａ，２６Ｂ Ｙ方向用コイル
２７Ａ，２７Ｂ Ｙ方向用コア
３０ Ｚ方向電磁石
３１ Ｚ方向用コイル
３２ Ｚ方向用コア
３３ 取り付け用基板
４０，３２０，４００ 基準格子
４１ 基部
２３３ 目盛ユニット
２３２ 凸部
２３７ 可動ステージ
２３８ エアーベアリング
２３９ 固定ステージ部
２４１ チャック
２４４ コイル部
２４５ チルト駆動部
２４２Ａ，２４２Ｂ Ｘ方向アクチュエータ
２４３Ａ，２４３Ｂ Ｙ方向アクチュエータ
２４８ ワーク
２５２ 上部樹脂
２５３ 下部樹脂
３００ ２次元角度センサー
３０１ レーザ光源
３０２，３３４ 偏光ビームスプリッタ
３０３，３３６ １／４波長板
３０５ オートコリメータ
３０６ 対物レンズ
３０７ 検出器
３１０，３１２ レーザ光
３３０ 光源部
３３１ 光
３３２ 分光板
３３７，３３７Ａ〜３３７Ｉ 反射光
３３８ 集束用レンズ
３３９ 検出器
３３９Ａ 受光面
３４１Ａ〜３４１Ｉ 開口部
３５０Ａ〜３５０Ｈ，３５１〜３５４，３５１Ｉ〜３５１Ｐ フォトダイオード
３７０Ａ〜３７０Ｅ，３７１Ａ〜３７１Ｅ，３７５Ａ〜３７５Ｅ，３８０Ａ〜３８０Ｅ，３８５Ｄ〜３８５Ｆ，４１０Ａ〜４１０Ｃ，４１１Ａ〜４１１Ｃ，４１３Ａ〜４１３Ｃ，４１５Ａ〜４１５Ｃ スポット強度分布
４０１ 柱状部
４０２ 凹部
Ｂ，Ｃ 領域
Ｅ，Ｄ 方向
Ｆ ピッチ

Claims (7)

1. ２次元方向に対して周期的な形状の変化を有した基準格子と、
   前記基準格子に向けて光を照射する光源と、
   複数の開口部を有し、該複数の開口部により前記光源から照射された光を複数の光に分光する分光手段と、
   前記基準格子で反射された複数の反射光を一括して受光する検出器を有した検出手段とを備え、
   前記検出手段は、前記検出器が受光する前記複数の反射光の変化に基づいて、前記基準格子に対する状態を検出することを特徴とする検出装置。
2. 前記検出器は、複数のフォトダイオードにより構成されており、
   前記複数の反射光を受光する前記検出手段の面の中央に、Ｘ軸を回転軸とする回転移動による状態の検出、及びＹ軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための４個のフォトダイオードを少なくとも有したことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記検出手段の面の四隅に、Ｚ軸を回転軸とする回転移動による状態の検出を行うための２個一組とされたフォトダイオードとを少なくとも有したことを特徴とする請求項１または２に記載の検出装置。
4. 前記検出器には、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
5. 前記基準格子は、該基準格子の面内２軸に対して対称となる形状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検出装置。
6. ベースと、
   前記ベース上を移動するステージと、
   前記ステージを駆動させるモータと、
   前記ステージを前記ベースに対して浮上させる浮上装置と、
   前記ステージの状態を検出する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の検出装置とを備えることを特徴とするステージ装置。
7. 前記モータには、平面モータを用い、
   前記浮上装置には、エアーベアリングを用いたことを特徴とする請求項６に記載のステージ装置。