特許 6485992 複数の位置測定装置を備えた装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6485992

(24)【登録日】2019年3月1日

(45)【発行日】2019年3月20日

(54)【発明の名称】複数の位置測定装置を備えた装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20190311BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/00 G

【請求項の数】1

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-13182(P2013-13182)

(22)【出願日】2013年1月28日

(65)【公開番号】特開2013-160760(P2013-160760A)

(43)【公開日】2013年8月19日

【審査請求日】2015年9月10日

【審判番号】不服2017-18574(P2017-18574/J1)

【審判請求日】2017年12月14日

(31)【優先権主張番号】10 2012 201 393.8

(32)【優先日】2012年2月1日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390014281

【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100173521

【弁理士】

【氏名又は名称】篠原 淳司

(74)【代理人】

【識別番号】100191835

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真介

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング・ホルツアプフェル

(72)【発明者】

【氏名】イェルク・ドレシャー

(72)【発明者】

【氏名】マルクス・マイスナー

(72)【発明者】

【氏名】ラルフ・イェルガー

(72)【発明者】

【氏名】ベルンハルト・ムシュ

(72)【発明者】

【氏名】トーマス・ケルベラー

【合議体】

【審判長】 中塚 直樹

【審判官】 中村 説志

【審判官】 清水 稔

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３３８０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１４２３５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１１７７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３７２０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−５５０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１９０８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２５８７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０７７８５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−３３１２６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２２７８３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01B 11/00-11/30

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

− ２つの直交する第１及び第２のメイン移動軸（ｙ，ｘ）並びにこれに対して垂直な第３の軸（ｚ）に沿って可変に配置された対象物（１）と、
− ６つ全ての空間的な自由度において前記対象物（１）の位置を検出するための複数の位置測定装置と
を備えて成り、複数の光学的な前記位置測定装置が唯一の走査方向から前記対象物（１）を走査するとともに、この走査方向が両メイン移動軸（ｙ，ｘ）のうちいずれかに一致し、前記６つの空間的な自由度が、前記第１及び第２のメイン移動軸（ｙ，ｘ）に沿った、並びにこれら第１及び第２のメイン移動軸に対して垂直な前記第３の軸（ｚ）に沿った３つの並進運動自由度と、前記第１及び第２のメイン移動軸（ｙ，ｘ）周りの、並びにこれら第１及び第２のメイン移動軸に対して垂直な前記第３の軸（ｚ）周りの３つの回転運動自由度とを含んでおり、
前記対象物（１）において必要な、様々な前記位置測定装置の全ての標準器（２３．２，２３．３）及び測定反射器（２３．１）が前記対象物（１）の共通の側に配置されていることを特徴とする装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の位置測定装置を備えた装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体の加工及び検査において使用される機械では、対象物を精緻に位置決めする必要がよくある。そのため、例えば、ウエハを感光ユニット又は検査ユニットの工具の下方において精密に位置決めする必要がある。ここで、このウエハは、６自由度に可動なテーブル上に載置されており、このテーブルは、適当な駆動部によって移動される。その位置が精密に検出される対象物としては、ここでは、テーブルであり、このテーブルを駆動部及びこれに属する制御ユニットによって位置決めするために、テーブルの空間的な位置に対する位置信号を高精度の位置測定装置によって生成する必要がある。

【0003】

このような機械における高精度の位置測定装置としては、通常、干渉計又は格子式の光学位置測定装置が使用される。これらいずれの種類の位置測定装置においても、あらかじめ定められた移動軸に沿ったテーブルの移動ストロークがこの移動軸においてテーブルの大きさあるいは長さよりも大きくなるような場合には問題が生じる。

【0004】

干渉計を用いる場合には、移動方向あるいは移動軸におけるテーブルの位置は、通常、測定ビームを伴うミラー状の測定反射器の走査によって検出される。このとき、測定ビームは、検出された移動軸に対して平行に延在しているとともに、機械と共に位置決めされて固定されている。テーブルが更に第２の移動方向へ移動する場合には、テーブルの各位置において測定ビームがミラーに投射されることが保証される必要がある。第２の移動方向がテーブルの側方長さよりも大きく、したがってテーブルに取り付けられたミラーよりも大きい場合には、所定の位置において測定ビームがミラーに投射されず、干渉計は正確な位置信号を生成することができない。すなわち、干渉計は、検出した位置を失うことになる。このような位置の喪失を防止するために、ミラーは、追加的な第２の干渉計軸の測定ビームによって操作される必要がある。この測定ビームは、第２の移動方向において、各テーブル位置において両測定ビームのうち少なくとも１つがミラーに入射するように、第１の測定ビームに対してずらされている。また、通常、干渉計は絶対的ではなくインクリメント式に位置を検出するため、測定ビームのうちの１つがもはやミラーに投射される前に両干渉軸の間の絶対位置が明らかに成る必要がある。ここで、これは、位置開示と呼ばれる。テーブル位置が外部から、すなわち固定された枠組みから検出する干渉計を用いて、他の補助軸及び位置開示を用いることなく１つの最大の移動ストロークのみを測定可能である。この最大の移動ストロークは、各移動軸に沿ったテーブルの長さに相当する。

【0005】

これに代えて、適当な干渉計構成要素を可動のテーブルに連行させるとともに固定された枠組みの方向へ外方へ干渉計によって測定すれば、光の供給及び干渉計信号に関して問題が生じる。さらに、テーブル上の追加的な干渉計構成要素により可動のテーブルの重量が増加し、その動的特性が悪化してしまう。

【0006】

他の欠点として、更に全体的に大きな測定コンパスが生じる。すなわち、干渉計は、テーブルの位置を、各工具に対して直接ではなく、通常は干渉計の光学ユニットの取付位置つまり干渉計ヘッドである離れた基準に対して検出するものとなっている。これにより、光学ユニットと工具の間の位置のずれが直接測定位置のずれに結びつくことがあり得る。光学ユニットと工具の間の空間的な距離は、典型的には、１〜２ｍの間にあり、このような適用に対する必要な測定精度は、ナノメートルの範囲にある。

【0007】

２つの互いに直交する移動軸に沿ったテーブルの移動を干渉計で検出するために、更に可動のテーブルの２つの側面が光学的に検出可能である必要がある。これにより、各機械のデザインにおける所定の制限が生じてしまう。

【0008】

標準器及び１つ又は複数の走査ユニットから成る格子式の位置測定装置を用いる場合には、使用できる測定長さは、各標準器の各長さによって制限されている。本発明のように、高動的な適用に対しては、このような位置測定装置の走査ユニットを固定された枠組みに配置するとともに標準器を可動のテーブルに配置することが基本的には有利である。他方、テーブルをできる限りコンパクトにしたい場合には、標準器の可能な長さがここでも強く制限されてしまう。特に、標準器に対して、移動軸に沿った可動のテーブルの長さよりも長い長さを選択することは好ましくないことが分かっている。また、従来の格子式の位置測定装置のこのような構造により、必要な移動ストロークが移動軸に沿った可動のテーブルの長さよりも大きい場合には、特に冒頭に記載したような適用における移動ストロークの実現には問題があることが分かっている。

【0009】

これに対して、逆に、格子式の位置測定装置の走査ユニットを可動のテーブル上に取り付けると、ここでも質量が増大して動的特性が悪化してしまう。同様に、走査ユニットを固定された枠組みに結合させるのに必要なケーブルも不都合であることが分かっている。

【0010】

上述の先行技術に関連して、例えば特許文献１〜３及び非特許文献１が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】欧州特許出願公開第１４６９３５１号明細書

【特許文献2】米国特許第７９０７２８７号明細書

【特許文献3】米国特許第７７５１０６０号明細書

【特許文献4】米国特許第６５４２２４７号明細書

【非特許文献】

【0012】

【非特許文献1】Ｇｅｒｄ Ｊａｅｇｅｒ、３． ＩＴＧ／ＧＭＡ−Ｆａｃｈｔａｇｕｎｇ、「Ｓｅｎｓｏｒｅｎ ｕｎｄ Ｍｅｓｓｓｙｓｔｅｍｅ」（９．−１１．３．１９９８、Ｂａｄ Ｎｅｕｈｅｉｍ）、表題「Ｌａｓｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｓｃｈｅ Ｍｅｓｓｖｅｒｆａｈｒｅｎ − Ｍｏｅｇｌｉｃｈｋｅｉｔｅｎ， Ｇｒｅｎｚｅｎ ｕｎｄ Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｅｎ」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明の目的とするところは、対象物の少なくとも１つの移動軸に沿って対象物の大きさに依存することのない移動ストロークを実現可能な、可動の対象物の高精度の位置検出に対する解決策を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0014】

さらに、上記課題は、請求項１の特徴を備えた装置によって達成される。

【0015】

本発明によれば、第１の解決手段は、２つの直交する対象物の第１及び第２のメイン移動軸に対して垂直な第３の軸に沿った対象物の位置を検出するための位置検出装置であって、
− 前記第１のメイン移動軸に沿って前記対象物の方向へビームを照射する光源と、
− 前記第３の軸に沿って周期的に配置された分割マーカで構成され、前記対象物に配置された標準器と、
− 前記対象物から離間しつつ少なくとも前記第３の軸に沿って配置された反射器と、 − 再帰反射器と、
− 検出装置と
を備えて成り、前記ビームにより生成される測定ビーム及び基準ビームの重ね合わせにより、前記対象物の前記第３の軸に沿った移動についての位置信号を生成可能であることを特徴としている。

【0016】

１つの考えられる実施形態においては、前記再帰反射器を、ビームスプリッタ要素、基準反射要素及び再帰反射要を含んで構成することが可能である。

【0017】

また、前記反射器を、
− 前記第１のメイン移動軸に沿って周期的に配置された分割マーカを含んで構成された回折格子として形成するか、又は
− 入射する測定ビームに対して垂直に配置された平面鏡として形成した。

【0018】

有利には、前記対象物に配置された標準器を、回折格子として、これに入射するビームが±１の等級のみの回折を受けるとともに、回折した分割ビームが±１の等級の少なくとも反射器の方向への反射を受けるように形成するのが好ましい。

【0019】

本発明による第１の位置測定装置の一実施形態においては、
− 前記光源から照射されるビームが前記再帰反射器において１つの測定ビームと１つの基準ビームに分光され、
− 前記測定ビームが前記標準器方向へ拡がるとともに、該標準器により前記反射器方向へ第１の反射及び回折がなされ、
− 前記反射器からの測定ビームが前記標準器の方向への第１の反射を受け、
− 前記測定ビームが前記標準器から前記再帰反射器方向への第１の反射を受け、ここで、前記測定ビームが前記標準器の方向への再帰反射及び反射を受け、
− 前記測定ビームが前記標準器において前記反射器の方向への第２の反射及び回折を受け、
− 前記測定ビームが前記反射器において前記標準器の方向への第２の反射を受け、
− 前記測定ビームが前記標準器において前記再帰反射器方向への第２の反射を受け、 − 前記基準ビームが前記再帰反射器を通過し、そして、
− 前記標準器における第２の反射の後に入射する前記測定ビームの重ね合わせがなされ、前記測定ビームと前記基準ビームから成る重ね合わされた対が前記検出装置の方向へ拡がることを特徴としている。

【0020】

第２の解決手段として、本発明によれば、第２のメイン移動軸に沿った対象物の位置を検出するための位置測定装置であって、前記対象物が２つの直交した第１及び第２のメイン移動軸に沿って可動に配置されており、
− 前記第１のメイン移動軸に沿って前記対象物の方向へビームを照射する光源と、
− 前記第２のメイン移動軸に沿って周期的に配置された分割マーカで構成され、前記対象物に配置された標準器と、
− 前記対象物から離間しつつ少なくとも第３の軸に沿って配置された反射器と、
− 再帰反射器と、
− 検出装置と
を備えて成り、前記第３の軸が前記第１及び第２のメイン移動軸に対して垂直に配向されており、前記ビームにより生成される測定ビーム及び基準ビームの重ね合わせにより、前記対象物の前記第２のメイン移動軸（ｘ）に沿った移動についての位置信号を生成可能であることを特徴としている。

【0021】

また、前記反射器は、
− 前記第２のメイン移動軸の方向に離間した２つの回折格子を含み、この回折格子が周期的に配置された分割マーカを備えているか、又は
− 前記第２のメイン移動軸の方向に離間した２つの平面鏡を含み、各平面鏡がこれに入射する測定ビームに対して垂直に配置されている
ことを特徴としている。

【0022】

有利には、前記対象物に配置された標準器を、回折格子として、これに入射するビームが±１の等級のみの回折を受けるとともに、測定ビーム及び基準ビームとしての回折した分割ビームが±１の等級の少なくとも１つの前記反射器の方向への反射を受けるように形成するのが好ましい。

【0023】

前記対象物に配置された前記標準器が、
− １次元の標準器として形成され、該標準器が前記第３の軸（ｚ）に対して０°ではない角度で前記対象物に配置されているか、又は
− ２次元の標準器として形成され、該標準器が前記第３の軸に対して平行に前記対象物に配置されているとともに、前記第３の軸に沿って周期的に配置された分割マーカを含んで構成されている
ように構成することが考えられる。

【0024】

本発明による第２の位置測定装置の一実施形態においては、
− 前記光源（１２．５）から照射されるビームが前記標準器（１３）の方向へ拡がり、そこで２つの分割ビームへ分光され、これら分割ビームが、位置信号の干渉された生成のための測定ビーム及び基準ビームとして使用可能であるとともに、これら２つの分割ビームが前記標準器（１３）における反射の後に前記反射器（１４．１，１４．２）へ異なる方向へ拡がり、
− 両分割ビームが前記反射器（１４．１，１４．２）においてそれぞれ前記標準器（１３）の方向へ第１の反射を受け、
− 両分割ビームが前記標準器（１３）において前記再帰反射器（１２．６）の方向へ第１の反射を受け、ここで、両分割ビームが前記標準器（１３）方向への再帰反射及び反射を受け、
− 両分割ビームが前記標準器（１３）において前記反射器（１４．１，１４．２）の方向への第２の反射及び回折を受け、
− 両分割ビームが前記反射器（１４．１，１４．２）が前記標準器（１３）の方向への第２の反射を受け、
− 前記分割ビームが前記標準器（１３）において再度統合され、重ね合わされたビームが前記標準器（１３）から前記検出装置（１２．５）の方向へ拡がる
ことを特徴としている。

【0025】

また、本発明による装置は、
− ２つの直交する第１及び第２のメイン移動軸並びにこれに対して垂直な第２の軸に沿って可変に配置された対象物と、
− 複数の空間的な自由度において前記対象物の位置を検出するための複数の位置測定装置と
を備えて成り、複数の光学的な前記位置測定装置が唯一の走査方向から前記対象物を走査するとともに、この走査方向が両メイン移動軸に一致することを特徴としている。

【0026】

好ましい一実施形態においては、前記対象物において必要な全ての標準器及び／又は様々な前記位置測定装置における測定反射器が前記対象物の共通の側に配置されている。

【0027】

また、前記第１のメイン移動軸に沿った前記対象物の移動を検出するため、並びに前記第２のメイン移動軸及び前記第３の軸周りの前記対象物の回転運動を検出するための位置測定装置が３軸干渉計として形成されているとともに３つの測定ビームを有しており、これら測定ビームは前記対象物において測定反射器を投射し、第１及び第２の測定ビームが前記第２のメイン移動軸から離間しつつ前記第３の軸と同じ高さで延在するとともに、第３の測定ビームが前記第３の軸の方向へ前記第１及び第２の測定ビームの下方で延在しているよう構成することも可能である。

【0028】

また、前記第３の軸に沿った前記対象物の移動を検出するため、及び前記第１のメイン移動軸周りの前記対象物の回転運動を検出するために請求項６に基づく２つの位置測定装置が形成されているとともに、前記対象物における標準器に投射される２つの測定ビームを有しており、これら両測定ビームが、前記第３の軸に沿って同じ高さで、かつ、前記第２のメイン移動軸において離間しつつ延在している。

【0029】

さらに、前記第２のメイン移動軸に沿った前記対象物の移動を検出するために、請求項１に基づく位置測定装置が形成されているとともに、前記対象物における標準器に投射される測定ビームを有している。

【0030】

したがって、本発明による手段により、移動軸に沿った対象物の必要な移動ストロークが得られるとともに、これと同時に、対象物の高精度な位置検出が保証される。

【0031】

本発明による解決手段は、位置測定装置の追加的な構成要素に基づく可動の物体の質量の増加を必要としない。同様に、固定された枠組みとの可動の物体のケーブル接続が不要となる。すなわち、可動の対象物には、位置測定装置のパッシブな構成要素のみが配置される。

【0032】

本発明による装置の一実施形態においては、適当に可動に支持された対象物の６つ全ての自由度の検出が可能である。

【0033】

ここで、基本的には、本発明による第１及び第２の位置測定装置は、対応する測定課題が生じる場合には、それぞれ全体の配置にかかわらず使用することが可能である。

【0034】

本発明による装置について特に好ましくは、対応する対象物の６つ全ての自由度の測定のため、この対象物は、単に唯一の走査方向から光学的に検査あるいは走査される必要がある。好ましくは、比較的長いメイン移動軸に対応する方向からこのようなことが行われる。これにより、対応する対象物が例えば可動のテーブルとして機械に形成されている場合には、構造的なバリエーションが広がることになる。

【0035】

本発明の他の詳細及び利点は、以下の図面に基づく実施例の説明に関連して図面と共に説明する。

【発明の効果】

【0036】

本発明によれば、対象物の少なくとも１つの移動軸に沿って対象物の大きさに依存することのない移動ストロークを実現可能な、可動の対象物の高精度の位置検出に対する解決策を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】対象物が移動する異なる軸の定義を示す概要図である。

【図2a】本発明による第１の位置測定装置の第１の視点（ｚｙ平面）における走査光路を非常に簡略化して示す図である。

【図2b】本発明による第１の位置測定装置の第２の視点（ｘｙ平面）における走査光路を非常に簡略化して示す図である。

【図2c】本発明による第１の位置測定装置の標準器の平面図である。

【図2d】本発明による第１の位置測定装置の反射器の平面図である。

【図3a】本発明による第２の位置測定装置の第１の視点（ｚｙ平面）における走査光路を非常に簡略化して示す図である。

【図3b】本発明による第２の位置測定装置の第２の視点（ｘｙ平面）における走査光路を非常に簡略化して示す図である。

【図3c】本発明による第２の位置測定装置の反射器の平面図である。

【図3d】本発明による第２の位置測定装置（ｚｙ平面）の光路の一部を拡大して示す図である。

【図4a】本発明による装置を第１の視点（ｚｙ平面）において非常に簡略化して示す図である。

【図4b】本発明による装置を第２の視点（ｘｙ平面）において非常に簡略化して示す図である。

【図4c】本発明による装置の測定反射器及び標準器の平面図である。

【図4d】本発明による装置の反射器の平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0039】

図１には原理図が示されており、この原理図に基づき以下では異なる軸ｘ，ｙ，ｚが定義されている。そして、この軸に沿って、対象物１が移動するとともに、異なる軸ｘ，ｙ，ｚに沿ったこの移動が検出される。概略的にのみ示された対象物１は、例えば半導体製造又は半導体検査のために使用される機械の台である。この台上には、例えばウエハが配置され、このウエハは、処理又は検査のために、他の機械構成要素に対して高い精度で位置決めされる必要がある。ここで、上記台は、対象物１に対して相対的に長いプロセス軸あるいは第１のメイン移動軸ｙと、これに垂直な短い第２のメイン移動軸ｘとに沿って移動するものであり、さらに、対象物１の移動は第３の軸ｚに沿って可能であり、この第３の軸ｚは、第１及び第２のメイン移動軸ｙ，ｘに対して垂直に配向されている。その結果、対象物１に対する第１のメイン移動軸ｙに沿った移動路は、これに対して垂直な第２のメイン移動軸ｘに沿った移動路よりも長くなっている。加えて、本実施の形態においては、第１のメイン移動軸ｙに沿った移動路は、この第１のメイン移動軸ｙに沿った対象物１の大きさよりも長くなっている。

【0040】

２つのメイン移動軸ｘ，ｙ及び第３の軸ｚに沿ったリニアな対象物の移動の検出の他に、対象物１の高精度の位置決めに対して、空間における更に対象物１の３つの異なる軸ｘ，ｙ，ｚ周りの回転移動の計測技術的な検出が必要である。対象物１のこれら軸ｘ，ｙ，ｚ周りの回転運動は、以下においてＲｘ運動，Ｒｙ運動及びＲｚ運動と表記する。

【0041】

移動可能な対象物１の６つ全ての自由度を検出するために、複数の位置測定装置が用いられ、これら位置測定装置は、装置あるいはシステム全体に対して適切に組み合わせられることが可能である。６つの自由度の検出のためのシステム全体に依存せずに使用することができるこれら位置測定装置のうち２つを、以下では、第１及び第２の解決手段としてそれぞれ独立して表記する。そして、６つの自由度全てを検出するためのシステム全体が複数の位置測定装置から成る装置として説明される。

【0042】

以下では、まず、非常に簡略化された図２ａ〜図２ｄにおける図示に基づき、本発明による第１の位置測定装置について説明する。この第１の位置測定装置は更に第３の軸ｚに沿った対象物の移動を検出するために用いられ、この第３の軸ｚは、両メイン移動軸ｘ，ｙに対して垂直に配向されている。この解決手段を、上述したとおり、基本的に、以下に更に説明する（装置）全体にも依存せずに適当な用途に使用することが可能である。

【0043】

干渉計及び格子式の位置測定装置から成る組合せである本発明による第１の位置測定装置は、本実施例においては、光源２．１、対象物１に配置された標準器３、第３の軸ｚに沿って前記対象物から離間して配置された反射器４、再帰反射器２．６及び検出装置２．５を含んで構成されている。ここで、光源２．１、再帰反射器２．６及び検出装置２．５は光学ユニット２に配置されており、この光学ユニット２は、長い第１のメイン移動軸ｙにおいて対象物１から離間して配置されている。

【0044】

以下では、本発明による第１の位置測定装置において第３の軸ｚに沿った移動についての位置信号を生成することができる光路について説明する。

【0045】

例えば前置されたコリメータレンズを備える適当なレーザ光源である光源２．１は、ｙ方向に沿った、すなわち対象物１の方向、第１のメイン移動軸ｙ方向に沿った、コリメータされたビームを検出する。光学ユニット２の再帰反射器２．６はビームをビームスプリッタ要素２．２に照射し、このビームスプリッタ要素２．２は、ここではビームスプリッタキューブとして形成されている。このビームスプリッタ要素２．２あるいはそのビームスプリッタ面により、これに入射されるビームが測定ビーム及び基準ビームへ分光される。図２ｂには、測定ビームは実線で示されており、基準ビームは破線で示されている。

【0046】

測定ビームは、分光後第１のメイン移動軸ｙに沿って対象物１あるいは対象物１に配置された標準器３の方向に沿って拡がる。標準器３は、図２ｃの平面図に示すように、第３の軸ｚに沿って周期的に配置されつつ異なる光学的な反射特性を有する分割マーカで構成されている。すなわち、回折格子が標準器３として機能する。ここで、この回折格子は、これに入射するビームが単に±１の等級における回折となり、０の等級が抑制されるように形成されている。図示する例においては、入射する測定ビームの第１の反射及び回折が反射器４の方向となるようになっている。このような形態においては、信号生成のために、両分光のうち１つのみ、すなわち＋１の等級のものが使用される。

【0047】

このように形成された標準器３は、本実施例においては、第２のメイン移動軸ｘに沿って、対象物１の長さ全体にわたって延在している。

【0048】

反射器４は、対象物１から離間しつつ第３の軸ｚに沿って配置されているとともに、可動の対象物１に対して不動の機械部分５に連結されている。本実施例においては、反射器４が回折格子として形成されており、この回折格子により、測定ビームの再帰反射が対象物１における標準器３の方向になされる（リトロー配置）。反射器４の平面図を示す図２ｄによれば、この反射器４は、第１のメイン移動軸ｙに沿って周期的に配置されつつ異なる反射率を有する分割マーカで構成されている。

【0049】

さらに、標準器３により、再帰反射器２．６方向への測定ビームの第１の再帰反射がなされる。この場所において、ビームスプリッタ２．２内で再帰反射要素２．３方向に屈折がなされるとともに、対象物１における標準器３方向への再帰反射及び新たな反射がなされる。標準器３においては、反射器４における測定ビームの標準器３方向への第２の反射及び回折がなされる前に、反射器４方向への第２の反射及び回折がなされる。最後に、測定ビームは、２回ほど再帰反射器２．６へ反射される。

【0050】

ビームスプリッタ要素２．２において生じる基準ビームは、分光後、以下のように再帰反射器２．６を貫通する。すなわち、基準ビームは、まず、例えば平面鏡として形成された基準反射要素２．４の方向へ拡がり、そこから反射されて、例えば再帰反射するプリズムとして形成され得る再帰反射要素２．３へ至る。これにより生じた屈折の後、基準ビームは、再帰反射器２．４方向へ再度拡がり、そこから再度反射される。ビームスプリッタ要素２．２のビームスプリッタ面において、基準ビームは、対象物１から入射される測定ビームと共に干渉的な重ね合わせへと至る。測定ビームと基準ビームの重ねあわされた対は、次に、概略的にのみ示した検出装置２．５の方向へ拡がる。ここで、この検出装置２．５を公知の干渉計−検出装置として形成することができ、この検出装置は、位相のずれた干渉信号を検出することができるものである。したがって、標準器３と共に対象物１が第３の軸ｚに沿って移動する際には、検出装置２．５において、位相がずれつつＰ／４の信号周期を有する複数の位置信号が生じる。ここで、Ｐは、標準器３のｚ方向の分割周期である。

【0051】

対象物１のｙ方向の他の移動構成要素においては、検出装置２．５によって生成される位置信号は、追加的な構成要素を含んでいる。対象物の移動がこの第１のメイン移動軸ｙにおいて通常は独立した位置測定装置によって検出されるため、この構成要素は知られており、その結果、このような情報に関連して必要な位置情報あるいは対象物自由度をｚ方向に沿って決定することが可能である。

【0052】

再帰反射器２．６を使用することは、このような位置測定装置において、可動の対象物１の名目上の位置に対する起こり得る傾斜に基づくビーム断絶を相殺することに寄与するものである。ここで、本発明による再帰反射器２．６及び特に測定ビームへのその再帰反射する効果は、図示の実施形態と置換することが可能である。例えば、あのプリズムの組合せ及び／又はミラーの組合せを用いることも考えられる。

【0053】

第３の軸ｚに沿った対象物の移動に関する位置信号の生成は、上述の第１の位置測定装置すなわち対象物１あるいはこれに配置された標準器３の唯一の走査方向への光学的な走査によってなされる。この唯一の走査方向は、より長い移動ストロークを有する第１のメイン移動軸ｙに一致している。

【0054】

図示の本発明による第１の位置測定装置の他にも、代替的は実施形態が存在する。すなわち、例えば、反射器４を対象物１の上方に平面鏡として形成するとともに、この平面鏡を、これに入射する測定ビームに対して垂直に配置する。さらに、生じた±１の両回折等級のうちいずれかのみを標準器３において使用するだけではなく、両回折等級を使用することも可能である。このために、上述の例による反射器４と同様に形成された第２の反射器を対象物１の下方に設ける必要がある。さらに、適当な装置においては、上述の第１の位置測定装置を与えられた測定要求に応じて複数の実施形態において使用することが可能である。

【0055】

本発明による第２の位置測定装置については、以下において、図３ａ〜図３ｄに基づいて説明する。第２の位置測定装置は、第２のメイン移動軸ｘすなわち図１における両メイン移動軸ｘ，ｙのうちより短いものに沿った対象物１の位置の検出に寄与するものである。第２の位置測定装置も、本発明による第１の位置測定装置と同様に、基本的に独立、すなわち以下に説明する装置（全体）に依存せずに、位置決めに使用することができる。

【0056】

本発明による第２の位置測定装置は、本実施例においては、光源１２．１と、対象物１に配置された標準器１３と、第３の軸ｚに沿って対象物１から離間して配置された反射器１４．１，１４．２と、再帰反射器１２．６と、検出装置１２．５とを含んで構成されている。ここで、反射器は、図示の実施例において、二部分で構成されている。また、光源１２．１、再帰反射器１２．６及び検出装置１２．６は光学ユニット１２内に配置されており、この光学ユニット１２は、長い第１のメイン移動軸ｙにおいて対象物１から離間して配置されている。さらに、第２のメイン移動軸ｘにおける対象物自由度の検出も、対象物１あるいはこれに配置された位置測定装置の構成部材の走査方向からの光学的な走査によってなされる。なお、この走査方向は、対象物１の第１のメイン移動軸ｙに一致する。

【0057】

以下において、各図に基づいて光路について説明する。この光路により、本発明による第２の位置測定装置において短い第２のメイン移動軸ｘに沿った移動に関する位置信号が生成される。

【0058】

例えばここでも前置されたコリメータレンズを備えたレーザ光源として形成された光源１２．１は、コリメートされたビームをｙ方向すなわち第１のメイン移動軸ｙに沿って対象物１の方向へ照射するものである。光学ユニット１２の再帰反射器１２．６においては、照射されたビームは、ビームスプリッタキューブとして形成されたビームスプリッタ要素１２．２へ投射される。ビームは、ビームスプリッタ要素１２．２において屈折面１２．７を通過し、対象物１あるいはこれに配置された標準器１３の方向へ第１のメイン移動軸ｙに沿って拡がる。

【0059】

本発明による第２の位置測定装置の図示の実施例においては、対象物１における標準器１３は、もはや入射するビームに関して垂直あるいは第３の軸ｚに対して平行ではなく、図３ｄに示すように、ｚ軸に対して９０°とは異なる角度αだけ、あるいはｚ軸に対して非平行となっている。

【0060】

対象物１の全体の長さにわたって第２のメイン移動軸ｘに沿って延在する標準器１３は、図３ｂに示すように、第２のメイン移動軸ｘに沿って周期的に配置されつつ異なる光学的な反射特性を有する分割マーカで構成されている。したがって、回折格子が標準器１３として機能する。ここで、この回折格子は、第１の投射箇所Ｐ１においてこれに入射するビームが単に±１の等級の回折を受けるとともに、０の等級の回折が抑制されるよう形成されている。本発明による第２の位置測定装置の図示の実施例においては、入射するビームの第１の屈折及び回折あるいは分光が２つの部分ビームとなる。これら部分ビームは、図３ｂに示すように、二部分から成る反射器１４．１，１４．２の方向へ拡がる。反射器１４．１，１４．２は、第３の軸ｚに沿いつつ対象物１から離間して配置されているとともに、対象物１に対して不動の機械部分５に機械的に結合されている。

【0061】

したがって、本発明による第２の位置測定装置においては、標準器１３において分光される両部分ビームが測定ビーム及び基準ビームの役割を果たす。これら測定ビーム及び基準ビームは、第２のメイン移動軸ｘに沿った対象物の移動に関する位置信号の干渉的な生成に使用される。ここで、厳密にいえば、本発明による第１の位置測定装置に対する差異において、位置測定装置は、実際には、２つの測定ビームである。これは、これら両測定ビームが可動の対象物１に照射される一方、基準ビームが第１の位置測定装置において対象物１に到達しないためである。しかしながら、以下では、統一的な専門用語の観点から、第２の位置測定装置においても測定ビーム及び基準ビームが問題となる。なお、これら測定ビームと基準ビームの重なりにより、興味深い位置信号が生成される。

【0062】

本発明による第２の位置測定装置の図示の時指令においては、反射器１４．１，１４．２は、第２のメイン移動軸ｘ方向に離間した２つの回折格子を含んで構成されており、これら回折格子は、異なる反射率を有しつつ周期的に配置された分割マーカで構成されている。図３ｃにおける反射器１４．１，１４．２の両回折格子の図示によれば、分割マーカは、第２のメイン移動軸ｘに対して傾斜して延在している。このように選択された回折格子あるいは反射器１４．１，１４．２の形成に基づき、両分割ビームは、対象物１に配置された標準器１３の方向へ反射する（リトロー配置）。

【0063】

標準器１３を介して、再帰反射器１２．６方向への両分割ビームの第１の反射がなされる。この箇所で、屈折面１２．７におけるビームスプリッタ要素１２．２において、入射する両分割ビームが再帰反射要素１２．３の方向へ屈折し、つづいて、屈折面１２．７において分割ビームの再帰反射及び対象物１における標準器１３の方向への新たな反射がなされる。標準器１３上においては、両分割ビームが第２の投射箇所Ｐ２へ投射され、この第２の投射箇所Ｐ２は、ビームの第１の投射箇所Ｐ１に対して離間している。最後に、標準器１３により、分割ビームの反射器１４．１，１４．２の方向への第２の反射がなされる。反射器１４．１，１４．２においては、両分割ビームの標準器１３の方向への第２の反射がなされる。標準器１３では、測定ビーム及び基準ビームに対応する部分ビームは、再度統合され、重ね合わされたビームとして、ここでも単に概略的に示唆された検出装置１２．５の方向へ拡がる。標準器１３を含む対象物１の第２のメイン移動軸ｘに沿った移動時には、検出装置１２．５により位相のずれた複数の位置信号が生成される。なお、この位置信号は、例えば対象物１の移動制御に使用することが可能である。

【0064】

標準器３への二度の投射及びこれら二度の間に設定された再帰反射器２．６の通過を伴う選択された光路により、生成された位置信号の侵入は、可動の対象物１の傾斜に基づき相殺される。このような傾斜時には、ビームシアリング及びモアレ効果が生じ得るとともに、位置信号の強さにおいて上述の侵入が生じ得る。図示の本発明の第２の位置測定装置の実施例の他にも、当然、代替的な実施形態が存在する。

【0065】

例えば、反射器１４．１，１４．２を、それぞれ入射する部分ビームに対して垂直に配置された２つの平面鏡によって対象物１の上方に形成することが考えられる。さらに、対象物１において第３の軸ｚに対して角度αをもって配置された一次元の標準器１３を２次元の標準器で置換することができる。ここで、この２次元の標準器は、対象物１において第３の軸ｚに対して平行に配置されている。また、この標準器は、第２のメイン移動軸ｘに沿った周期的な分割マーカの他に、第３の軸ｚに沿って周期的に配置された分割マーカも含んでいる。

【0066】

さらに、＋１及び−１の干渉等級の代わりに、測定光路及び基準光路に対する他の異なる２つの干渉等級を使用するとともに、干渉された重ね合わせをもたらすことも可能である。

【0067】

図４ａ〜図４ｄに基づき、複数の位置測定装置による６自由度での対象物１の位置測定に適した装置について説明する。ここでも例えば半導体の加工又は検査のための機械におけるテーブルである対象物１は、図１に示すように、第１及び第２のメイン移動軸ｙ、ｘ並びにこれらに対して垂直な第３の軸ｚに沿って移動可能となっている。第１のメイン移動軸ｙは、ここでも両移動軸ｘ、ｙのうち長い方のものとなっている。この対象物１は、第１のこの第１のメイン移動軸ｙに沿って所定の値だけ摺動可能となっており、この所定の値は、この方向において対象物１の大きさよりもはるかに大きなものとなっている。

【0068】

ここで、図４ａ及び図４ｂには非常に簡略化された標準的な複数の測定光路が示唆されており、これら測定光路は、対象物１の６自由度における位置検出あるいは位置決定に使用される。各位置測定装置の詳細な光路の記述については、見やすさの観点から、これを省略している。特に様々な測定ビームが対象物１の方向へ２回拡がることについては示されていない。

【0069】

対象物１の第１のメイン移動軸ｙに沿った移動の検出並びに対象物１の第２のメイン移動軸ｘ及び第３の軸ｚ周りの回転運動Ｒｘ，Ｒｚの検出のために、公知の位置測定装置が設けられている。この位置測定装置はいわゆる３軸干渉計として形成されており、この３軸干渉計は、例えば特許文献４に開示されている。

【0070】

本発明による装置に設けられた３軸干渉計は３つの測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３を使用しており、これら測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３は、それぞれ第１のメイン移動軸ｙの方向から対象物１を走査するものとなっている。このため、対象物１には測定反射器２３．１が配置されており、この測定反射器２３．１には、図４ａ及び図４ｂに示すように、３つの測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３が入射するとともに、この箇所から再度光学ユニット１２方向へ反射される。この測定反射器２３．１は対象物１における当該測定反射器２３．１側に配置されており、この側は、第１のメイン移動軸ｙにおいて光学ユニット１２に対向する側である。また、図４ｃには測定反射器２３．１が走査方向から見てとることができ、さらに、投射箇所ＰＭｙ_１，ＰＭｙ_２，ＰＭｙ_３に入射する３つの測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３も見てとることができる。光学ユニット１２においては、３軸干渉計の他の光学要素及び本発明による装置における他の位置測定装置が格納されている。３軸干渉計においては、特に例えば適当な光源が１つ又は複数のビームスプリッタ要素、基準反射器及び検出装置となっている。

【0071】

図４ａ〜図４ｃに示すように、この位置測定装置あるいは３軸干渉計の第１及び第２の測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２は、ｚ方向に同じ高さで延びるとともに、互いにｘ方向へ離間しつつ測定反射器２３．１における投射箇所ＰＭｚ_１，ＰＭｚ_２へ投射される。これら第１及び第２の測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２の下方におけるｚ方向においては、図示の実施例では、３軸干渉計の第３の測定ビームＭｙ_３が延在している。なお、この第３の測定ビームＭｙ_３は、投射箇所ＰＭｙ_３において測定反射器２３．１に投射される。

【0072】

したがって、このような３つの測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３から得られる離間信号に基づき、対象物の移動についての３つの自由度が検出される。ここで、対応する離間信号は、それぞれ、不図示の基準ビームと、適当な検出装置により得られる対応する信号の検出とを伴う測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３の干渉した重ね合わせに基づき得られる。冒頭で述べたように、対象物１の第１のメイン移動軸ｙに沿った移動並びに対象物１の第２のメイン移動軸ｘ及び第３の軸ｚ周りの回転運動Ｒｘ，Ｒｚが問題である。

【0073】

他の２つの自由度における対象物１の移動を検出するため、すなわち対象物１の第３の軸ｚに沿った移動を検出するため、及び対象物１の第１のメイン移動軸ｙ周りの回転運動Ｒｙを検出するために、他の２つの位置測定装置が利用される。これら位置測定装置は、それぞれ上述の第１の位置測定装置において詳細に説明したように、１つの構造あるいは光路を有している。これらの位置測定装置のこれら２つの利用される測定ビームは、図４ａ及び図４ｂにおいて符号Ｍｚ_１，Ｍｚ_２で示されているとともに、ｚ方向には同じ高さ、ｘ方向には互いに離間して延在している。これら位置測定装置の２つの測定ビームＭｚ_１，Ｍｚ_２は、対象物１において上述のように投射箇所ＰＭｚ_１，ＰＭｚ_２において標準器２３．２へ投射されている。また、この標準器２３．２により、反射器２４への屈折がなされる。両位置測定装置の対応する測定ビームＭｚ_１，Ｍｚ_２は、この反射器２４から再び標準器２３．２を介して光学ユニット１２の方向へ反射される。なお、この光学ユニット１２においては、これら両位置測定装置の必要な他の様々な光学構成部材も配置されている。

【0074】

これら両位置測定装置のために必要な標準器２３．２は３軸干渉計の測定反射器２３．１のように対象物１における当該標準器側に配置されており、この側は、第２のメイン移動軸ｙにおける光学ユニット１２へ割り当てて配置されている。図４ｃには、この側の走査方向からの平面図が示されている。

【0075】

最後に、可動の対象物１の６番目の自由度を検出するため、すなわち対象物１の第２のメイン移動軸ｘに沿った移動を検出するために、装置には、上述の第２の位置測定装置に対応する位置測定装置が設けられている。これに対応する測定ビームは、図４ａ，図４ｂにおいて符号Ｍｘで示されているとともに、投射箇所ＰＭｘにおいて対象物１に配置された標準器２３．３へ投射される。この標準器２３．３も、他の標準器２３．２や、３軸干渉計の測定反射器２３．１と同様に対象物１における当該標準器側に配置されており、この側は、第２のメイン移動軸ｙにおける光学ユニット１２へ割り当てて配置されている。測定ビームＭｘあるいは対応する分割ビームの反射器２４方向への分光及び屈折は、標準器２３．３からなされ、後続の光路は、本発明の対２の位置測定装置に関連して上述したものに対応する。この位置測定装置の他の光学構成部も光学ユニット１２内に配置されている。

【0076】

図４ｄには反射器２４の側が示されており、この側には、標準器２３．２，２３．３から回折した測定ビームＭｚ_１，Ｍｚ_２及びＭｘが投射されるとともに、リトロー配置においては再度反射される。中央に配置された測定ビームＭｘのための両反射器２４．１，２４．２の他に、測定ビームＭｚ_１，Ｍｚ_２のために外側に配置された反射器２４．３，２４．４も検出可能である。なお、上述のように、様々な反射器は、それぞれ回折格子として形成されている。

【0077】

このような装置により、６つの全ての自由度において可動の対象物１の位置を検出できる。提案された装置について決定的なことは、使用される全ての位置測定装置の光学的な走査が１つの走査装置によりなされる点である。このことは、図示した実施例において、第１のメイン移動軸ｙであり、この第１のメイン移動軸ｙに沿って、第２のメイン移動軸ｘに対して明らかに長い対象物１に対する移動ストロークが可能である。この方向に沿って、使用される様々な位置測定装置の全ての測定ビームＭｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３，Ｍｚ_１，Ｍｚ_２及びＭｘが延在している。

【0078】

本発明による位置測定装置あるいは本発明による装置の上述の実施例の他にも、本発明の範囲を逸脱しない限り、更なる実施形態が存在する。このことは、例えば各位置測定装置、場合によっては必要となる基準光路の実現のための他の形態、必要な再帰反射のための代替的な形態などに対応している。

【符号の説明】

【0079】

１ 対象物
２，１２ 光学ユニット
２．１，１２．１ 光源
２．２，１２．２ ビームスプリッタ要素
２．３，１２．３ 再帰反射要素
２．４ 基準反射要素
２．５，１２．５ 検出装置
２．６，１２．６ 再帰反射器
３，１３，２３．２，２３．３ 標準器
４，１４．１，１４．２，２４，２４．１，２４．２ 反射器
５ 機械部分
１２．７ 屈折面
２３．１ 測定反射器
Ｍｙ_１，Ｍｙ_２，Ｍｙ_３ 測定ビーム
Ｐ１ 第１の投射箇所
Ｐ２ 第２の投射箇所
ＰＭｙ_１，ＰＭｙ_２，ＰＭｙ_３ 投射箇所
Ｍｚ_１，Ｍｚ_２，Ｍｚ_３ 測定ビーム
ＰＭｚ_１，ＰＭｚ_２，ＰＭｚ_３ 投射箇所
Ｍｘ 測定ビーム

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図2d】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図3d】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図4d】