JP2610349B2 - 差動型レーザ干渉計装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、２軸の位置決めなどに用いられるレーザ
干渉測長システムに係り、特に第１可動体を基準にして
第２可動体の変位の測定し得る差動型レーザ干渉計装置
に関する。

（従来の技術） ２軸の位置決めシステムとして、これを独立のＸステ
ージとＹステージとで構成されたもがある。このような
２軸の位置決めシステムにおいて、高精度の位置決めが
要求される分野、たとえば半導体集積回路の製造装置や
工作機械などでは、その一方の軸の移動に高精度の真直
度が要求される。たとえば第３図に示すように、Ｘ軸を
理想的に移動直線とする移動に対して、曲線（１）に示
すように振れ、振れ量y_stが生ずると、Ｘステージ上の
対象物に対して、Ｙステージからは相対的にＹ方向の変
位を生じたことになり、Ｘステージ上の対象物に対して
Ｙステージに設けられた加工手段により高精度の加工が
不可能になる。

従来このような２軸の位置決めシステムにおいて、上
記Ｘステージ上の対象物に対してＹステージを位置決め
する手段として、ＸステージあるいはX,Y両ステージの
変位を各別に測定して、それらをフィードバックしてい
る。

その測定手段として第４図に示すレーザ干渉計装置に
よる方法がある。特にこの第４図は、互いに直交する方
向に移動するように配置されたX,Yステージ（２），
（３）のうち、Ｙステージ（３）の変位を測定する方法
を示したものである。

このＹステージ（３）の変位測定は、２つの直交偏光
成分からなる２周波レーザ光（4H），（4V）、すなわち
互いに直交方向に偏光かつ周波数の異なる第１のレーザ
光（4H）（周波数FH）および第２のレーザ光（4V）（周
波数FV）を放出するレーザ光源（５）と、Ｙステージ
（３）に取付けられてこのＹステージ（３）の測定基準
面をなす平面鏡（６）と、レーザ光源（５）と平面鏡
（６）との間に配置された干渉計（７）と、レーザ光源
（５）から放出された２周波レーザ光（4H），（4V）を
それぞれハーフミラー（８）を介して参照光として検出
する第１光電変換検出器（9a）および干渉計（７）を通
過したレーザ光を測定光として検出する第２光電変換検
出器（9b）と、これら第１、第２光電変換検出器（9
a），（9b）から出力される電気信号を演算処理する演
算回路（図示せず）とから構成されている。

その干渉計（７）は、レーザ光源（５）から放出され
る２周波レーザ光（4H），（4V）のうち、その一方のレ
ーザ光（4H）を通過させるとともに、他方のレーザ光
（4V）を平面鏡（６）に向かって曲げる偏光ビームスプ
リッタ（10）を構成する２個のプリズム（11a），（11
b）と、上記偏光ビームスプリッタ（10）により曲げら
れた他方のレーザ光（4V）の位相を90°を変化させると
ともに、平面鏡（６）により反射された他方のレーザ光
（4V）の反射光の位相を再度90°変化させるλ/4板（1
2）と、上記偏光ビームスプリッタ（10）を通過した一
方のレーザ光（4H）と上記偏光ビームスプリッタ（10）
により曲げられる他方のレーザ光（4V）の反射光を第２
検出器（9b）に導く一対のキューブコーナ（13）とから
構成されている。

したがって、上記レーザ干渉計装置では、干渉計
（７）を介して第２検出器（9b）に導かれるレーザ光
（4H），（4V）のうち、一方のレーザ光（4H）は、周波
数変化を受けることなく周波数LHのまま導かれるが、他
方のレーザ光（4V）は、平面鏡（６）の移動によってΔ
FVの周波数変化を受け、さらにレーザ光（4V）の反射光
は、平面鏡（６）の移動とともに２往復して、±２ΔFV
の周波数変化を受け、FV±２ΔFVに変調される。

演算回路では、上記第１検出器（9a）で検出される参
照光としての２周波レーザ光（4H），（4V）の周波数F
H,FVからビート周波数信号（基準信号） FH−FV を算出するとともに、第２検出器（9b）で検出される測
定光としての一方のレーザ光（4H）の周波数FHと他方の
レーザ光（4V）の反射光の周波数FV±２ΔFVとの差（測
定信号） FH−（FV±２ΔFV） を算出し、さらに、その基準信号と測定信号とから速度
差信号±２ΔFVを算出し、この速度差信号±２ΔFVを積
分してＹステージ（３）の変位量を算出している。

（発明が解決しようとする課題） 従来、２軸の位置決めシステムにおいて、その一方の
軸の移動に高精度の真直度が要求される場合、たとえば
Ｘステージ上の対象物に対してＹステージを位置決めす
る手段として、X,Yステージをそれぞれその変位を各別
にレーザ干渉計装置により測定して、それらをフィード
バックすることによりおこなわれている。しかし、この
ような方法では、２台のレーザ干渉計が必要であり、測
定結果の演算処理が複雑になる。

この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであ
り、２軸の位置決めシステムなどにおける一方の軸の振
れを、その振れる面を基準面として他方の軸の変位を測
定することにより、一方の軸の振れを高精度に補正する
ことができるレーザ干渉計装置を構成することを目的と
する。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 差動型レーザ干渉計装置において、そのレーザ干渉計
装置を、互いに直交方向に偏光かつ周波数が異なる第１
のレーザ光および第２のレーザ光を放出するレーザ光源
と、このレーザ光源から放出された第１のレーザ光およ
び第２のレーザ光が入射され、その第１のレーザ光を第
１の被測定物に照射し、この第１の被測定物により反射
された第１のレーザ光およびレーザ光源から入射した第
２のレーザ光を出射する第１干渉計と、この第１干渉計
から出射した第１のレーザ光および第２のレーザ光が入
射され、その第２のレーザ光を第２の被測定物に照射
し、この第２の被測定物により反射された第２のレーザ
光および第１干渉計から入射した第１のレーザ光を出射
する第２干渉計と、レーザ光源から放出された第１のレ
ーザ光および第２のレーザ光の少なくとも一部を受光し
て第１のレーザ光と第２のレーザ光との周波数の差を基
準信号として検出する第１光電変換器と、第２干渉計か
ら出射した第１のレーザ光および第２のレーザ光を受光
して第１のレーザ光と第２のレーザ光との周波数の差を
測定信号として検出する第２光電変換器と、その基準信
号と測定信号との差から第１の被測定物と第２の被測定
物との相対変位置を算出する演算回路とから構成した。

（作用） 上記のように構成すると、従来第１、第２可動体の変
位を各別に測定していたのに対し、第１可動体を基準と
して、第２可動体の変位（Δｘ−Δｙ）を測定すること
ができ、たとえば第２可動体上の対象物に対して第２可
動体を位置決めする場合に、Ｘ軸のＹ方向への変位を補
償して高精度の位置決めが可能となる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明を実施例に基づいて説
明する。

第１図にその一実施例である差動型レーザ干渉計装置
を示す。このレーザ干渉計装置は、２つの直交偏光成分
からなる２周波レーザ光（4H），（4V）、すなわち互い
に直交方向に偏光かつ周波数の異なる第１のレーザ光
（4H）（周波数FH）および第２のレーザ光（4V）（周波
数FV）を放出するレーザ光源（５）と、Ｘ方向に移動可
能なＸステージ（２）に取付けられて、このＸステージ
（２）（第１可動体）の測定基準面をなす第１平面鏡
（6a）、およびＹ方向に移動可能なＹステージ（３）
（第２可動体）に取付けられて、このＹステージ（３）
の測定基準面をなす第２平面鏡（6b）からなる２つの反
射鏡と、レーザ光源（５）と第１平面鏡（6a）との間に
第１平面鏡（6a）に対向して配置された第１干渉計（2
0）と、第２平面鏡（6b）に対向して配置された第２干
渉計（21）と、第１干渉計（20）と第２干渉計（21）と
の間に配置され、第１干渉計（20）から出射されるレー
ザ光を第２干渉計（21）に導く反射鏡（22）と、レーザ
光源（５）と第１干渉計（20）との間に配置されたハー
フミラー（23）と、このハーフミラー（23）により反射
される２周波レーザ光（4H），（4V）を参照光として検
出する第１光電変換検出器（9a）、および第２干渉計
（21）から出射されるレーザ光を測定光として検出する
第２光電変換検出器（9b）からなる光電変換検出装置
と、これら第１および第２光電変換検出器（9a），（9
b）で光電変換された電気信号を演算処理する第２図に
示す演算回路（24）とから構成されている。

そのうち、第１干渉計（20）は、ハーフミラー（23）
を通過してこの第１干渉計（20）に達する２周波レーザ
光（4H），（4V）のうち、一方にレーザ光（4H）（第１
のレーザ光）を通過させ、他方のレーザ光（4V）（第２
のレーザ光）を曲げる一対のプリズム（26a），（26b）
からなる偏光ビームスプリッタ（27）と、この偏光ビー
ムスプリッタ（27）を通過して第１平面鏡（6a）に向か
う一方のレーザ光（4H）、および第１平面鏡（6a）で反
射された一方のレーザ光（4H）の反射光が通過するよう
に配置されたλ/4板（28a）と、このλ/4板（28a）を両
側から挟むように偏光ビームスプリッタ（27）の両側に
配置された一対のキューブコーナ（29a），（29b）とか
らなる。

第２干渉計（21）は、上記第１干渉計（20）と一対の
キューブコーナの配置が異なるのみで、その他は同様の
構造である。すなわち、上記第１干渉計（10）出射後、
反射鏡（22）による反射された一方のレーザ光（4H）の
反射光および他方のレーザ光（4V）のうち、一方のレー
ザ光（4H）の反射光を通過させ、他方のレーザ光（4V）
を曲げる一対のプリズム（31a），（31b）からなる偏光
ビームスプリッタ（32）と、この偏光ビームスプリッタ
（32）を通過して第２平面鏡（6b）に向かう他方のレー
ザ光（4V）、および第２平面鏡（6b）で反射された他方
のレーザ光（4V）の反射光が通過するように配置された
λ/4板（28b）とを有し、キューブコーナ（33a），（33
b）は、その偏光ビームスプリッタ（32）を構成する一
方のプリズム（31b）の隣接２辺に配置されている。

また、演算回路（24）は、第２図に示すように、第
１、第２光電変換検出器（9a），（9b）から得られる参
照光および測定光の電気信号を処理するパルス変換器
（34）と、このパルス変換器（34）を介して得られる信
号から一方のレーザ光（4H）の反射光と他方のレーザ光
（4V）の反射光との速度差信号を算出し、その速度差信
号を積分して、Ｘステージ（２）とＹステージ（３）と
の相対変位置を算出する積分演算器（35）とから構成さ
れている。

上記のように構成されたレーザ干渉計装置では、レー
ザ光源（５）から放出された２つの直交偏光成分からな
る２周波レーザ光（4H），（4V）の一部は、ハーフミラ
ー（23）により反射され、参照光として第１光電変換検
出器（9a）により検出され、光電変換される。一方、こ
のハーフミラー（23）を通過して直進するレーザ光（4
H），（4V）は、第１干渉計（20）に入射する。

この第１干渉計（20）では、偏光ビームスプリッタ
（27）により、上記２周波レーザ光（4H），（4V）のう
ち、一方のレーザ光（4H）を通過させ、他方のレーザ光
（4V）を曲げる。この偏光ビームスプリッタ（27）によ
り曲げられた他方のレーザ光（4V）は、一方のキューブ
コーナ（29a）で反射されたのち、偏光ビームスプリッ
タ（27）により曲げられ、この第１干渉計（20）から出
射される。一方、偏光ビームスプリッタ（27）を通過し
て直進する一方のレーザ光（4H）は、λ/4板（28a）を
通過するとき、位相が90°回転し、Ｘステージ（２）に
取付けられた第１平面鏡（6a）に達し、この第１平面鏡
（6a）により反射される。その反射光は、再びλ/4板
（28a）を通過する。このとき、この一方のレーザ光（4
H）の反射光は、90°位相の異なった直線偏光となる。
その後、この一方のレーザ光（4H）の反射光は、偏光ビ
ームスプリッタ（27）により曲げられ、他方のキューブ
コーナ（29b）で反射され、さらに偏光ビームスプリッ
タ（27）により曲げられて、再度λ/4板（28a）を通過
して第１平面鏡（6a）に達し、この第１平面鏡（6a）で
反射され再再度λ/4板（28a）を通過する。この反射光
は、上記したように偏光角が90°変化しているので、そ
の後、偏光ビームスプリッタ（27）を透過して直進し、
第１干渉計（20）から出射される。

この場合、Ｘステージ（２）の移動により第１平面鏡
（6a）に動きがあると、上記第１干渉計（20）から出射
される一方のレーザ光（4H）の反射光は変調される。そ
の第１平面鏡（6a）に動きに基づく周波数変化をΔFHと
すると、第１平面鏡（6a）に対して２往復する間に±２
ΔFHの周波数変化を受ける。したがって、第１干渉計
（20）から出射される一方のレーザ光（4H）（反射光）
の周波数はFH±２ΔFHとなり、他方のレーザ光（4V）
は、変調されることなく、周波数FVのまま出射される。

この第１干渉計（20）から出射される各レーザ光（4
H），（4V）は、反射鏡（22）で反射され、第２干渉計
（21）に導かれる。

第２干渉計（21）では、上記第１干渉計（20）の動作
原理と同様の原理により、既に周波数変化（FH±２ΔF
H）を受けている一方のレーザ光（4H）については、偏
光ビームスプリッタ（32）を通過して直進し、一方のキ
ューブコーナ（33a）で反射され、再度偏光ビームスプ
リッタ（32）を通過して直進し、第２干渉計（21）から
出射される。一方、他方のレーザ光（4V）は、偏光ビー
ムスプリッタ（32）で曲げられ、λ/4板（28b）を通過
してＹステージ（３）に取付けられた第２平面鏡（6b）
に達する。この他方のレーザ光（4V）は、第２平面鏡
（6b）により反射され、その反射光は、再びλ/4板（28
b）、偏光ビームスプリッタ（32）を通過して直進し、
その後、他方のキューブコーナ（33b）で反射され、再
度偏光ビームスプリッタ（32）、λ/4板（28b）を通過
し、第２平面鏡（6b）で反射され、再再度λ/4板（28
b）通過し、偏光ビームスプリッタ（32）により曲げら
れて第２干渉計（21）から出射される。

この場合、Ｙステージ（３）の移動により第２平面鏡
（6b）に動きがあると、この第２干渉計（21）から出射
されるレーザ光（4H），（4V）は、偏光ビームスプリッ
タ（32）で曲げられることなく直進して第２干渉計（1
1）から出射される一方のレーザ光（4H）については、
この第２干渉計（21）で周波数変化を受けることなく周
波数FH±２ΔFHのまま出射される。しかし、他方のレー
ザ光（4V）については、第２平面鏡（6b）に対して２往
復する間に±２ΔFVの周波数変化を受け、第２干渉計
（21）から出射される他方のレーザ光（4V）（反射光）
の周波数はFV±２ΔFVとなる。

この第２干渉計（21）から出射されるレーザ光（4
H），（4V）は、測定光として第２光電変換検出器（9
b）により検出され、光電変換される。

光電変換検出装置では、上記レーザ光源（５）から放
出された２周波レーザ光（4H），（4V）を参照光として
検出する第１光電変換検出器（9a）から周波数FH,FV、
および上記第２干渉計211）から出射されるレーザ光（4
H），（4V）の反射光を測定光として検出する第２光電
変換検出器（9b）から周波数FH±２ΔFH,FV±２ΔFV
を、第２図に示した演算回路（24）のパルス変換器（3
4）において、ビート周波数信号（基準信号） FH−FV が、またFH±２ΔFH,FV±２ΔFVから、それらの差（測
定信号） （FH±２ΔＦ）−（FV±２ΔFV） を算出する。さらに、その基準信号と測定信号とから速
度信号 （±２ΔＦ）−（２ΔFV） を算出する。この速度信号は、第１および第２平面鏡
（6a），（6b）、すなわちＸステージ（２）とＹステー
ジ（３）との相対的な速度変動に対応した信号である。
したがって、この速度信号を積分演算器（35）に出力し
て積分することになり、Ｘステージ（２）とＹステージ
（３）との相対変位量 Δｘ−Δｙ が求められる。

したがって、従来ＸステージおよびＹステージの変位
を各別に測定してＸステージとＹステージとの相対変位
を求めていたのに対し、上記差動型レーザ干渉計装置を
用いれば、Ｘステージ（２）を基準面として、この面に
対するＹステージ（３）の変位（Δｘ−Δｙ）を求める
ことができ、その変位により、たとえばＸステージ
（２）上の対象物に対してＹステージ（３）を位置決め
する場合に、Ｘ軸のＹ方向移動誤差すなわち変位を補償
することができ、高精度の位置決めが可能となる。

なお、上記実施例では、レーザ干渉計装置の光源とし
て、２周波レーザ光を放出するレーザ光源を用いたが、
光源としては、他のレーザ光源でもよい。

また、上記実施例は、Ｘ軸を基準としてＹ軸の変位を
測定する場合について説明したが、同時にＹ軸を基準と
してＸ軸の変位を測定するようにすることもでき、さら
に、上記実施例にＹ軸を基準としてＸ軸の変位を測定す
る系を追加して、同時にＸ軸の変位を測定するようにす
ることもできる。

［発明の効果］ レーザ干渉計装置を、互いに直交方向に偏光かつ周波
数が異なる第１のレーザ光および第２のレーザ光を放出
するレーザ光源と、このレーザ光源から放出された第１
のレーザ光および第２のレーザ光が入射され、その第１
のレーザ光を第１の被測定物に照射し、この第１の被測
定物により反射された第１のレーザ光およびレーザ光源
から入射した第２のレーザ光を出射する第１干渉計と、
この第１干渉計から出射した第１のレーザ光および第２
のレーザ光が入射され、その第２のレーザ光を第２の被
測定物に照射し、この第２の被測定物により反射された
第２のレーザ光および第１干渉計から入射した第１のレ
ーザ光を出射する第２干渉計と、レーザ光源から放出さ
れた第１のレーザ光および第２のレーザ光の少なくとも
一部を受光して第１のレーザ光と第２のレーザ光との周
波数の差を基準信号として検出する第１光電変換器と、
第２干渉計から出射した第１のレーザ光および第２のレ
ーザ光を受光して第１のレーザ光と第２のレーザ光との
周波数の差を測定信号として検出する第２光電変換器
と、基準信号と測定信号との差から第１の被測定物と第
２の被測定物との相対変位量を算出する演算回路とから
構成すると、従来第１、第２可動体の変位を各別に測定
していたのに対し、第１可動体を基準として、第２可動
体の変位（Δｘ−Δｙ）を測定することができ、たとえ
ば第２可動体上の対象物に対して第２可動体を位置決め
する場合、Ｘ軸のＹ方向への変位を補償して高精度に位
置決めすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である差動形レーザ干渉計
装置の構成を示す図、第２図はその演算回路の構成を示
す図、第３図は２軸の位置決めシステムにおけるＸ軸の
振れを説明するための図、第４図は従来のレーザ干渉計
装置の構成を示す図である。 ２…Ｘステージ、３…Ｙステージ 4H,4V…２周波レーザ光 ５…レーザ光源、6a…第１平面鏡 6b…第２平面鏡、9a…第１光電変換検出器 9b…第２光電変換検出器 20…第１干渉計、21…第２干渉計 23…ハーフミラー、24…演算回路 27…偏光ビームスプリッタ 28a,28b…λ/4板 29a,29b…キューブコーナ 32…偏光ビームスプリッタ 33a,33b…キューブコーナ 34…パルス変換器、35…積分演算器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに直交方向に偏光かつ周波数が異なる
   第１のレーザ光および第２のレーザ光を放出するレーザ
   光源と、 このレーザ光源から放出された上記第１のレーザ光およ
   び第２のレーザ光が入射され、上記第１のレーザ光を第
   １の被測定物に照射し、この第１の被測定物により反射
   された上記第１のレーザ光および上記レーザ光源から入
   射した上記第２のレーザ光を出射する第１干渉計と、 この第１干渉計から出射した上記第１のレーザ光および
   上記第２のレーザ光が入射され、上記第２のレーザ光を
   第２の被測定物に照射し、この第２の被測定物により反
   射された上記第２のレーザ光および上記第１干渉計から
   入射した上記第１のレーザ光を出射する第２干渉計と、 上記レーザ光源から放出された上記第１のレーザ光およ
   び第２のレーザ光の少なくとも一部を受光して上記第１
   のレーザ光と第２のレーザ光との周波数の差を基準信号
   として検出する第１光電変換器と、 上記第２干渉計から出射した上記第１のレーザ光および
   上記第２のレーザ光を受光して上記第１のレーザ光と上
   記第２のレーザ光との周波数の差を測定信号として検出
   する第２光電変換器と、 上記基準信号と上記測定信号との差から上記第１の被測
   定物と上記第２の被測定物との相対変位置を算出する演
   算回路と を具備することを特徴とする差動型レーザ干渉計装置。