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安定化格子干渉方式を用いた高精度3次元エンコーダの開発 (本文)

田宮, 英明 慶應義塾大学

2021.09.21

概要

第 1 章では，回折格子からなる 2 次元スケールを用いた 3 次元エンコーダによるステージ制御において，従来の技術では，Z 軸上の変位によって検出光路内の互いに干渉するビームの光路長差 LZ を基本的に発生させないという観点で検討されておらず，Z 軸上の変位検出において，安定かつ高精度な変位検出に課題があった．したがって検出光路内の互いに干渉するビームの光路長差をキャンセルできる格子干渉式の特徴を応用し，Z 軸上の変位検出において検出光路の光路長が変化しない原理の提案と解析，そして格子干渉計の開発を行うことで，3 次元エンコーダの実現させることを目的とした．

また本論文の構成は，既存の XY 軸上の変位検出における格子干渉計と新たに開発した Z軸上の変位検出における格子干渉計を組み合わせた方法と，新たに開発した XZ 軸上の変位検出における格子干渉計を YZ 軸上にも適用させた方法の 2 種類の 3 次元エンコーダの実現性の検討を行い，それぞれの方法がどのような特徴を持ち，従来方法に対する優位性と課題について，検証データをもとに結論を出すこととした．

第 2 章で既存の XY 軸上の変位検出における格子干渉計について，マグネスケール社製のレーザスケールと 2 次元スケールを用いて格子干渉計の安定性，内挿精度，2 次元スケールの精度，リニアリティの確認を行い，1 h で平均値± 0.2 nm の安定性と 15 pm 以下の内挿精度，1 mm あたり 0.2 nm のリニアリティを確認した．一方，2 次元スケールの正規直交性については，精度確認結果から 90° ± 0.001 mrad であることを確認し，将来的に 2 次元スケールを用いた直交度計測方法として産業機器の高精度化に貢献できることを確信した．

第 3 章では Z 軸上の変位検出における格子干渉計を新たに開発し，実装させることで性能を確認した．結果は，8.4 pm の検出分解能と，8 mm の Z 軸検出範囲を実現と，1 h で平均値± 0.7 nm の安定性と，0.5 mm あたり平均値± 1.6 nm のリニアリティが得られていることを確認した．

第 4 章では，新規に XZ 軸上の変位検出における格子干渉計を提案し，実装させることで性能を確認した結果，X 軸上の変位検出で 30.5 pm，Z 軸上の変位検出で 30.5 pm の検出分解能と，1 mm の Z 軸上の変位検出範囲と，X 軸上の変位検出で平均値± 3.5 nm，Z 軸上の変位検出で平均値± 6.5 nm のリニアリティと，X 軸上の変位検出で平均値± 0.3 nm，Z 軸上の変位検出で平均値± 0.7 nm の 1 h の安定性と，90° ± 0.01 mrad の XY 平面に対する Z 軸上の変位検出における正規直交性を確認した．

第 5 章では，既存の XY 軸上の変位検出における格子干渉計と開発した Z 軸上の変位検出における格子干渉計を組み合わせた 3 次元エンコーダと，XZ 軸上の変位検出における格子干渉計を YZ 軸上に適用した 3 次元エンコーダについて，これまでの検証結果をもとに基本性能を比較し考察した結果，XY 軸上の変位検出における格子干渉計と Z 軸上の変位検出における格子干渉計を組み合わせた構成の実現性が高く，高分解能と高い安定性を両立した XYZ 軸上の変位検出が可能になることが分かった．一方，XZ 軸上の変位検出における格子干渉計を YZ 軸上にも適用した方法は，格子干渉計の光路の往復路において，2 次元スケール上の入射位置を近づけることで，ステージの姿勢変化による誤差発生を軽減させリニアリティを改善すれば，実現性は非常に高くなり，2 次元スケール上で XYZ 軸上の検出位置が一致している構造上，数ミリの範囲で 6 自由度制御を行うような微動ステージなどの，狭い空間の変位情報を取得る場面で，優位性を発揮するという結論に達した．

本研究においては，3 次元エンコーダの高精度化に向けて，安定した Z 軸上の変位検出を実現する格子干渉計の提案と開発が特徴となっている．Z 軸上の変位検出における格子干渉計として，本研究で新たに提案した検出光路内の互いに干渉するビームの光路長差を発生させない原理は，大気中の温度や気圧，湿度の変化に対して，その影響を抑制させるだけではなく，温度変化による光源の波長変化が大きい安価な半導体レーザでも使用でき，さらに可干渉性の低い光源を使用しても広い計測範囲が得られるため，幅広い分野に応用できる．従来技術で多く利用されている He-Ne レーザを光源とした光波干渉計と比較して，計測条件を温度変化 1℃，気圧変化 30 hPa，湿度変化 10 %，計測範囲 1 mm としたとき，本格子干渉計は 1 / 8 の安定性を安価な半導体レーザで実現できることになり，また，計測範囲が 2 倍に広くなると，光波干渉計との安定性の差は 1 / 16 に拡大し優位性がさらに増す．この原理提案方法を 3 次元計測の分野に導入することにより，特に進歩が著しい半導体製造装置において重要視されるステージのピッチ，ロール，ヨーの姿勢制御の精度を上げ，露光や検査の精度を上げ微細化を促す．これによって将来的に個人用デバイス，サーバ，人工知能，次世代移動通信，自動運転，パワーデバイスによるクリーンエネルギーといった半導体を用いたアプリケーションの発展に寄与すると考える．

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