JP2011181851A - 変位検出装置、ステージ装置、露光装置、及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子を用いる場合に、回折格子に照射される光ビームの角度が変化したときに発生する計測誤差を低減する。
【解決手段】Ｙ軸エンコーダ３Ｙは、計測用の回折格子３９Ｙ１と、供給されるレーザビームＢＩから第１ビームＢＰ及び第２ビームＣＰを分岐するビームスプリッタ２２と、第１ビームＢＰを回折格子３９Ｙ１に照射し、回折格子３９Ｙ１から発生する回折光ＢＰ２，ＢＭ２を含む干渉光ＢＥＡを受光する計測用光学系６４Ａと、第２ビームＣＰの角度の変化に起因する計測誤差を検出する角度モニタ装置３６とを備え、計測用光学系６４Ａによって検出される回折格子３９Ｙ１の変位をその計測誤差を用いて補正する。
【選択図】図５

Description

本発明は、回折格子を用いて移動体の変位を検出する変位検出装置、この変位検出装置を用いるステージ装置及び露光装置、並びにその露光装置を用いるデバイス製造方法に関する。

半導体素子等のマイクロデバイス（電子デバイス）を生産するためのフォトリソグラフィ工程で用いられる、いわゆるステッパー又はスキャニングステッパーなどの露光装置においては、従来より、露光対象の基板を移動するステージの位置計測はレーザ干渉計によって行われていた。ところが、レーザ干渉計では、計測用ビームの光路が長く、かつ変化するため、その光路上の雰囲気の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動が無視できなくなりつつある。

そこで、レーザ干渉計に比べて計測値の短期的安定性に優れるとともに、レーザ干渉計に近い分解能を持ちつつある計測装置として、例えばステージに固定された回折格子にレーザビームを照射し、回折格子から発生する回折光と他の回折光又は参照光との干渉光を光電変換して得られる電気信号から、該回折格子（ステージ）の変位情報を得る、所謂、干渉型エンコーダないし格子干渉装置も使用されつつある。

従来の干渉型エンコーダとしては、レーザダイオードよりなる光源から射出した光を回折格子に垂直に入射させ、発生した２つの回折光をそれぞれコーナーレフレクタ（ルーフレフレクタ）で再度回折格子に入射させ、その回折格子から垂直上方に平行に発生する２つの再回折光よりなる干渉光を受光する検出装置が知られている（例えば特許文献１の第４図参照）。このように、光束を２回回折させることで、回折格子が傾斜しても安定した干渉信号を得ることができる。

また、周波数及び偏光状態が異なる２つの光よりなる２周波ヘテロダイン光（２周波光）を発生する光源を用い、発生した２周波光を偏光ビームスプリッタで異なる周波数の２つの光に分岐し、分岐された２つの光を対称に傾斜させて回折格子に照射し、回折格子から垂直上方に発生する２つの回折光よりなる干渉光を受光する検出装置も知られている（例えば特許文献１の第１図参照）。

また、従来の別の干渉型エンコーダとして、光源から発生する２周波ヘテロダイン光（２周波光）を偏光ビームスプリッタで異なる周波数の光に分け、一方の周波数の光だけを回折格子に斜めに照射し、逆方向に戻ってきた回折光と偏光ビームスプリッタで分岐した他方の周波数の参照光との干渉光を受光する検出装置が知られている（例えば特許文献２参照）。

また、従来のさらに別のステージの変位計測に応用した干渉型エンコーダとして、固定フレームからレーザビームをステージに固定された回折格子に垂直に入射させ、±１次の回折光を固定フレームに設けられた屋根型プリズムで折り返して、再度、回折格子に入射させ、再回折光同士の干渉光を受光して、ステージの変位を計測する検出装置が知られている（例えば特許文献３参照）。

特開昭６２−２７４２１６号公報（第４図及び第１図） 特開２００７−１７１２０６号公報 特開２００８−１８２２４９号公報

従来の干渉型エンコーダのうち、特許文献１に記載された、２つの光を対称に傾斜させて回折格子に照射する方式の検出装置は、２つの光を回折格子上の同じ位置に照射するための光学系の調整が困難である。
また、従来の他の干渉型エンコーダはいずれも、光源から回折格子に照射されるレーザビームの角度が回折格子の周期方向（計測方向）に傾くと、回折格子に対するレーザビームの照明領域が横ずれして、回折光の位相が横ずれ量に比例して変化する。従って、干渉光の位相もずれるため計測誤差が発生する。

さらに、特許文献１又は特許文献３に記載されている干渉型エンコーダのように、コーナーレフレクタ又は屋根型プリズムで回折光を再度、回折格子に入射させても、回折格子上で最初の回折光が発生する照明領域の横ずれ量に起因する計測誤差と、再回折光が発生する照明領域の横ずれ量に起因する計測誤差とは互いに相殺しない。そのため、それらの計測誤差を合わせた誤差が全体の計測誤差として残存する。

本発明は、このような事情に鑑み、格子を用いる場合に、格子に照射される光ビームの角度（傾斜角）が変化したときに発生する計測誤差を低減することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、変位検出装置が提供される。この変位検出装置は、計測用格子と、供給される光ビームから第１ビーム及び第２ビームを分岐する分岐素子と、その第１ビームをその計測用格子に照射し、その計測用格子から発生する回折ビームを含む干渉光を受光する計測用受光系と、その計測用受光系を支持する支持機構と、その支持機構に支持されるとともに、その第２ビームの角度に依存する角度情報を検出する角度モニタ系と、その計測用受光系によって検出されるその計測用格子とその計測用受光系との相対変位を、その角度モニタ系によって検出される角度情報を用いて補正する演算装置と、を備えるものである。

また、本発明の第２の態様によれば、所定面に沿って物体を移動するステージ装置が提供される。このステージ装置は、本発明の変位検出装置と、その物体及びその変位検出装置の計測用格子を保持してその所定面に沿って移動するステージと、を備えるものである。
また、本発明の第３の態様によれば、所定面に沿って物体を移動するステージ装置が提供される。このステージ装置は、本発明の変位検出装置と、その物体を保持してその所定面に沿って移動するステージと、そのステージに対向して配置されて、その変位検出装置の計測用格子を保持するフレームと、を備えるものである。

また、本発明の第４の態様によれば、転写用パターン及び露光光学系を介して基板を露光する露光装置において、その転写用パターンが形成された部材及びその基板の少なくとも一方を移動するために、本発明の第２の態様又は第３の態様のステージ装置を備える露光装置が提供される。
また、本発明の第５の態様によれば、本発明による露光装置を用いて、基板にパターンを転写することと、そのパターンが転写されたその基板をそのパターンに基づいて加工することと、を含むデバイス製造方法が提供される。

本発明によれば、計測用格子に照射される第１ビームの角度の変化と角度モニタ系に供給される第２ビームの角度の変化とは対応しているため、角度モニタ系で検出される角度情報から第１ビームの角度の状態、ひいては計測誤差が推定できる。そこで、その角度情報を用いて、計測用受光系によって検出される計測用格子の相対変位を補正することで、計測用格子に照射される第１ビーム（光ビーム）の角度（傾斜角）が変化したときに発生する計測誤差を低減できる。

第１の実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 図１中のウエハステージ及びＡＦ系等を示す平面図である。 図２中のウエハステージを示す平面図である。 図１の露光装置の制御系を示すブロック図である。 図２中のＹ軸エンコーダ３Ｙを示す拡大断面図である。 図５のＹ軸エンコーダ３Ｙにおいて、入射するレーザビームが傾斜したときの光路の変化を示す図である。 入射するレーザビームが傾斜したときの光路の変化によって発生する計測誤差の説明に供する図である。 ウエハの露光時のウエハステージを示す平面図である。 第２の実施形態のＹ軸エンコーダ３ＹＡを示す拡大断面図である。 実施形態の変形例のスケール及び検出ヘッドの配置を示す要部の図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態につき図１〜図８を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るスキャニングステッパーよりなる走査露光型の露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは投影光学系ＰＬ（投影ユニットＰＵ）を備えており、以下においては、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面（ほぼ水平面に平行な面）内でレチクルとウエハとが相対走査される方向にＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向にＸ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。

露光装置ＥＸは、照明系１０、照明系１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬにより照明されるレチクルＲ（マスク）を保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）に投射する投影光学系ＰＬを含む投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴを含むステージ装置９５、及び制御系等（不図示）を備えている。

照明系１０は、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示されるように、光源と、照明光学系とを含み、照明光学系は、回折光学素子等を含み通常照明、複数極照明、又は輪帯照明等のための光量分布を形成する光量分布形成光学系、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ又はロッドインテグレータ等）を含む照度均一化光学系、及びレチクルブラインド等（いずれも不図示）を有する。照明系１０は、レチクルブラインドで規定されたレチクルＲのパターン面のスリット状の照明領域ＩＡＲを照明光ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。照明光ＩＬとしては、一例としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられている。なお、照明光としては、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザ若しくは固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波、又は水銀ランプの輝線（ｉ線等）なども使用できる。

レチクルＲはレチクルステージＲＳＴの上面に真空吸着等により保持され、レチクルＲのパターン面（下面）には、回路パターンなどが形成されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含む図４のレチクルステージ駆動系１１によって、ＸＹ平面内で微少駆動可能であると共に、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能となっている。

レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）は、レーザ干渉計よりなるレチクル干渉計１１６によって、移動鏡１５（又は鏡面加工されたステージ端面）を介して例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１１６の計測値は、図４の主制御装置２０に送られる。主制御装置２０は、その計測値に基づいてレチクルステージＲＳＴの少なくともＸ方向、Ｙ方向、及びθｚ方向の位置を算出し、この算出結果に基づいてレチクルステージ駆動系１１を制御することで、レチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。

図１において、レチクルステージＲＳＴの下方に配置された投影ユニットＰＵは、鏡筒４０と、該鏡筒４０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。照明系１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲの照明領域ＩＡＲが照明されると、レチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介して照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの像が、ウエハＷの一つのショット領域上の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。ウエハＷは、例えばシリコン又はＳＯＩ(silicon on insulator)等からなる直径が２００ｍｍから４５０ｍｍ程度の円板状の基材の表面に、フォトレジスト（感光剤）を所定の厚さ（例えば２００ｎｍ程度）で塗布した基板を含む。

また、露光装置ＥＸは、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子である先端レンズ１９１を保持する鏡筒４０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置８の一部を構成するノズルユニット３２が設けられている。ノズルユニット３２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給可能な供給口と、液体Ｌｑを回収可能な多孔部材（メッシュ）が配置された回収口とを有する。ノズルユニット３２の供給口は、供給流路及び供給管３１Ａを介して、液体Ｌｑを送出可能な液体供給装置１８６（図４参照）に接続されている。

液浸法によるウエハＷの露光時に、図４の液体供給装置１８６から送出された液体Ｌｑは、図１の供給管３１Ａ及びノズルユニット３２の供給流路を流れた後、その供給口より照明光ＩＬの光路空間を含むウエハＷ上の液浸領域１４（図８参照）に供給される。また、液浸領域１４からノズルユニット３２の回収口を介して回収された液体Ｌｑは、回収流路及び回収管３１Ｂを介して図４の液体回収装置１８９に回収される。なお、液浸タイプの露光装置としない場合には、上記の局所液浸装置８は設けなくともよい。

図１において、ウエハステージＷＳＴは、不図示の複数の例えば真空予圧型空気静圧軸受を構成するエアパッドを介して、ベース盤１２のＸＹ面に平行な上面１２ａ上に数μｍ程度のクリアランスを介して非接触で支持されている。また、ウエハステージＷＳＴは、例えば平面モータ、又は直交する２組のリニアモータを含むステージ駆動系１２４（図４参照）によってＸ方向及びＹ方向に駆動可能である。露光装置ＥＸは、ウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するために後述のエンコーダシステムを含む位置計測システムを備えている。

ウエハステージＷＳＴは、Ｘ方向、Ｙ方向に駆動されるステージ本体９１と、ステージ本体９１上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢと、ステージ本体９１内に設けられて、ステージ本体９１に対するウエハテーブルＷＴＢ（ウエハＷ）のＺ方向の位置、及びθｘ方向、θｙ方向のチルト角を相対的に微小駆動するＺ・レベリング機構とを備えている。ウエハテーブルＷＴＢの中央の上部には、ウエハＷを真空吸着等によってほぼＸＹ平面に平行な吸着面上に保持するウエハホルダ（不図示）が設けられている。

また、ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハホルダ上に載置されるウエハの表面とほぼ同一面となる、液体Ｌｑに対して撥液化処理された表面（又は保護部材）を有し、かつ外形（輪郭）が矩形でその中央部にウエハホルダ（ウエハの載置領域）よりも一回り大きな円形の開口が形成された高平面度の平板状のプレート体２８が設けられている。
なお、上述の局所液浸装置８を設けたいわゆる液浸型の露光装置の構成にあっては、さらにプレート体２８は、図３のウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）の平面図に示されるように、その円形の開口を囲む、外形（輪郭）が矩形の表面に撥液化処理が施されたプレート部（撥液板）２８ａと、プレート部２８ａをＹ方向に挟むように配置されたＸ方向に細長い１対の第１及び第２のスケール体２８ｂ，２８ｃと、プレート部２８ａをＸ方向に挟むように配置されたＹ方向に細長い１対の第３及び第４のスケール体２８ｄ，２８ｅとを有する。スケール体２８ｂ，２８ｃは同じ構成であり、スケール体２８ｄ，２８ｅはほぼスケール体２８ｂ，２８ｃを９０°回転した構成である。

また、第１、第２のスケール体２８ｂ，２８ｃの表面にＸ軸の回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２が形成され、第３、第４のスケール体２８ｄ，２８ｅの表面にＹ軸の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２が形成されている。回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２及び３９Ｙ１，３９Ｙ２は、それぞれＹ方向及びＸ方向を長手方向とする格子線３７及び３８を所定の周期（ピッチ）でＸ方向及びＹ方向に沿って形成した反射型の回折格子（例えば位相型の回折格子）である。回折格子３９Ｘ１〜３９Ｙ２は、スケール体２８ｂ〜２８ｅの表面に、１００ｎｍ〜４μｍの周期（例えば２μｍ周期）で例えばホログラム（例えば感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成される）により反射型の回折格子を形成することで作製できる。なお、各スケール体に形成される回折格子は、機械的に溝等を形成して作製してもよい。なお、図３等では、図示の便宜上から、回折格子の周期は、実際の周期に比べて格段に広く図示されている。スケール体２８ｂ〜２８ｄの構成は同様であるため、代表的にスケール体２８ｄの概略構成を説明する。

図５に拡大して示すように、スケール体２８ｄは、表面にＹ方向（計測方向）に所定の周期ＰＹを持つ回折格子３９Ｙ１が形成された平板状部材である。なお、回折格子３９Ｙ１の表面を保護するために、その表面を覆うように、薄い接着層を介して平板状のカバーガラス（不図示）を配置してもよい。スケール体２８ｄは、低熱膨張率の材料、例えばガラス、ガラスセラミックス（例えばショット社のゼロデュア（商品名））、又はセラミックス（例えばＡｌ₂Ｏ₃あるいはＴｉＣなど）等から形成されている。スケール体２８ｄは、ウエハテーブルＷＴＢの表面に例えば吸着保持されている。

図３において、本実施形態では、プレート部２８ａの一部に基準マークが形成された基準マーク板（不図示）が固定されている。この底面に、その基準マークと対応するレチクルＲのアライメントマークの像との位置関係を計測するレチクルアライメント系（不図示）が設置され、この検出結果が主制御装置２０に供給されている。さらに、ベース盤１２の上面１２ａに、ウエハステージＷＳＴと独立にＸ方向、Ｙ方向に移動可能に計測ステージ（不図示）が載置されている。計測ステージには、例えば投影光学系ＰＬの結像特性を計測する図４の空間像計測装置４５が配置されている。

次に、図２は図１のウエハステージＷＳＴ、この位置計測システム、及びウエハＷのアライメント系を示す平面図である。図１では図面の錯綜を避ける観点から図示が省略されているが、実際には、図２に示すように、投影ユニットＰＵの中心から−Ｙ方向に離れた位置に、Ｘ方向に概ね等間隔で並ぶ複数のアライメント系（プライマリアライメント系ＡＬ１、及びセカンダリアライメント系ＡＬ２₁，ＡＬ２₂，ＡＬ２₃，ＡＬ２₄）が、固定アーム５４、及び回転軸を中心として回動可能なアーム５６_n（ｎ＝１〜４）の先端に固定されている。

本実施形態では、アライメント系ＡＬ１及びＡＬ２₁〜ＡＬ２₄のそれぞれとして、画像処理方式のアライメント系が用いられている。そのアライメント情報は主制御装置２０に供給される。なお、アライメント系の数は５つに限られるものでなく、１つのみ（例えばプライマリアライメント系ＡＬ１のみ）でもよい。
図２において、前述した投影光学系ＰＬの下端のノズルユニット３２の周囲を四方から囲む状態で、エンコーダシステムの４つのヘッドユニット６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄが配置されている。これらのヘッドユニット６２Ａ〜６２Ｄを構成する複数のＹ軸の検出ヘッド６４及びＸ軸の検出ヘッド６６は、図２では２点鎖線で示すように、メインフレーム（不図示）に連結された取り付け板６３Ａ〜６３Ｄに固定されている。検出ヘッド６４及び６６は、それぞれＹ方向及びＸ方向に所定周期で形成された回折格子にレーザビームを照射して、回折格子から発生する回折光よりなる干渉光を光電変換して、その回折格子のＹ方向及びＸ方向の位置を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で、例えば数ｎｍ程度の精度で計測する。

ヘッドユニット６２Ａ，６２Ｃは、投影ユニットＰＵの＋Ｘ側、−Ｘ側にそれぞれＸ方向に沿って、投影光学系ＰＬの光軸を通りＸ軸と平行な直線ＬＨ上に所定間隔で配置された複数（ここでは６個）のＹ軸の検出ヘッド６４を備えている。検出ヘッド６４はそれぞれ前述のＹ軸の回折格子３９Ｙ１又は３９Ｙ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向の位置（Ｙ位置）を計測する。個々のＹ軸の検出ヘッド６４及びＹ軸の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２を含んで干渉型のＹ軸エンコーダ３Ｙが構成されている。

また、ヘッドユニット６２Ｂ，６２Ｄは、投影ユニットＰＵの＋Ｙ側、−Ｙ側にそれぞれ光軸を通りＹ軸と平行な直線ＬＶ上にほぼ所定間隔で配置された複数（ここでは７個及び１１個（ただし、図２ではその１１個のうちのプライマリアライメント系ＡＬ１と重なる３個は不図示）のＸ軸の検出ヘッド６６を備えている。検出ヘッド６６は、それぞれ前述のＸ軸の回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＸ方向の位置（Ｘ位置）を計測する。個々のＸ軸の検出ヘッド６６及びＸ軸の回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２を含んで干渉型のＸ軸エンコーダ３Ｘが構成されている。

図２のヘッドユニット６２Ａ及び６２Ｃは、それぞれＹ軸の回折格子３９Ｙ１及び３９Ｙ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＹ位置を計測する多眼のＹ軸のリニアエンコーダ７０Ａ及び７０Ｃ（図４参照）を構成する。リニアエンコーダ７０Ａ，７０Ｃはそれぞれ複数のＹ軸の検出ヘッド６４の計測値の切り替え（常に回折格子３９Ｙ１及び３９Ｙ２９に対向している検出ヘッド６４の計測値を用いること）を行う切り替え制御部を備えている。

また、ヘッドユニット６２Ｂ及び６２Ｄは、基本的にそれぞれＸ軸の回折格子３９Ｘ１及び３９Ｘ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＸ位置を計測する、多眼のＸ軸のリニアエンコーダ７０Ｂ及び７０Ｄ（図４参照）を構成する。Ｘ軸のリニアエンコーダ７０Ｂ，７０Ｄはそれぞれ複数のＸ軸の検出ヘッド６６の計測値の切り替え（常に回折格子３９Ｘ１及び３９Ｘ３に対向している検出ヘッド６６の計測値を用いること）を行う切り替え制御部を備えている。

さらに、図２のセカンダリアライメント系ＡＬ２₁，ＡＬ２₄の−Ｘ側及び＋Ｘ側に、ほ
ぼ対称に検出点が配置されるＹ軸の検出ヘッド６４ｙ₁，６４ｙ₂がそれぞれ設けられている。検出ヘッド６４ｙ₁，６４ｙ₂は、ウエハステージＷＳＴ上のウエハＷの中心が上記直線ＬＶ上にある図２に示される状態では、Ｙ軸の回折格子３９Ｙ２，３９Ｙ１にそれぞれ対向している。アライメント動作の際などでは、検出ヘッド６４ｙ₁，６４ｙ₂を含むＹ軸のリニアエンコーダ７０Ｃ，７０ＡによってウエハステージＷＳＴのＹ位置及びθｚ方向の角度が計測される。

Ｙ軸の検出ヘッド６４，６４ｙ₁，６４ｙ₂は互いに同一構成であり、Ｘ軸の検出ヘッド６６はＹ軸の検出ヘッド６４を９０°回転した構成である。以下、Ｙ軸の検出ヘッド６４、Ｙ軸の回折格子３９Ｙ１、及び図５の計数装置３０を含む一つのＹ軸エンコーダ３Ｙ（変位検出装置）の構成及び検出原理につき図５を参照して説明する。
図５は、図２中の一つのＹ軸の検出ヘッド６４によってウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）に保持されたスケール体２８ｄの表面に形成されたＹ軸の周期ＰＹの回折格子３９Ｙ１を検出している状態を示す。図５において、検出ヘッド６４にレーザビームＢＩを供給するための例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は半導体レーザ等のレーザ光源２１が備えられている。レーザビームＢＩは、例えば直線偏光で所定の可干渉性を持つ平行光束である。レーザ光源２１は、取り付け板６３Ａの一部に支持部材（不図示）を介して固定されるとともに、レーザ光源２１から射出されるレーザビームＢＩは複数のビームスプリッタ（不図示）を介して複数のＹ軸エンコーダ及び複数のＸ軸エンコーダの各検出ヘッド６４，６６に供給される。レーザ光源２１はＹ軸エンコーダ３Ｙには含まれていない。なお、レーザ光源２１をＹ軸エンコーダ３Ｙに含めることも可能である。

この場合、露光装置に対する外乱等によってレーザビームＢＩの角度（特に回折格子３９Ｙ１の周期方向又は計測方向（Ｙ方向）に対応する方向の角度）が変化すると、計測誤差が発生する。そこで、検出ヘッド６４は、周期ＰＹの回折格子３９Ｙ１が形成されたスケール体２８ｄ（ひいてはウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向の位置情報を検出する計測用光学系６４Ａと、レーザビームＢＩの角度に起因する計測誤差を検出する角度モニタ装置３６とを備えている。計測用光学系６４Ａは取り付け板６３Ａに固定されている。

また、角度モニタ装置３６は、取り付け板６３Ａの一部である平坦部６３ＡａのＸＹ平面に平行な上面に固定されたＹ方向に短いスケール体２８ｆと、この上方（＋Ｚ方向）に配置されて、取り付け板６３Ａに固定されたモニタ用光学系６４Ｂとを備えている。スケール体２８ｆの上面には、回折格子３９Ｙ１と同じ構造でＹ方向に同じ周期ＰＹのモニタ用の回折格子３９ＹＢ（モニタ用格子）が形成されている。スケール体２８ｆはスケール体２８ｄと同じ材料から形成されている。

図５において、レーザ光源２１から射出されたレーザビームＢＩは、ビームスプリッタ２２に入射して２分割される。ビームスプリッタ２２を透過した第１ビームＢＰは、ミラー２３Ａ，２３Ｂを介して＋Ｙ方向に計測用光学系６４Ａに入射する。ビームスプリッタ２２で反射された第２ビームＣＰは、ミラー２３Ｃで反射されて＋Ｙ方向に角度モニタ装置３６のモニタ用光学系６４Ｂに入射する。第２ビームＣＰの強度は第１ビームＢＰの強度に比べてかなり小さくともよい。

計測用光学系６４Ａにおいて、供給された第１ビームＢＰは、直交する２つの反射面を持つ反射部材２４Ａの第１反射面で反射されて、回折格子３９Ｙ１の表面に垂直に（−Ｚ方向に）照射される。本実施形態では、回折格子３９Ｙ１に垂直に入射する第１ビームＢＰによって発生する複数の回折光のうちで、−Ｙ方向に傾斜して回折角φで発生する＋１次回折光ＢＰ１及び＋Ｙ方向に傾斜して回折角（−φ）で発生する−１次回折光ＢＭ１を使用する。回折格子３９Ｙ１の周期ＰＹ及びレーザビームＢＩの波長λを用いて、回折角φは次のようになる。

ｓｉｎφ＝λ／Ｐ …（１）
なお、一般に第１ビームＢＰによって発生する＋ｍ次回折光（ｍは１以上の整数）及び−ｍ次回折光を使用してもよい。この場合の回折角φｍは次のようになる。これは後述のモニタ用光学系６４Ｂにおいても同様である。
ｓｉｎφｍ＝λ・ｍ／Ｐ …（２）
また、＋１次回折光ＢＰ１を平行に折り返すように反射して回折格子３９Ｙ１に戻すためのコーナーレフレクタ２５Ａと、−１次回折光ＢＭ１を平行に折り返すように反射して回折格子３９Ｙ１に戻すためのコーナーレフレクタ２５Ｂとが対称に設けられている。なお、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂの代わりに、互いに直交する２つの平面で内面反射を行うルーフレフレクタ若しくは屋根型プリズム、又は互いに直交する３つの反射面を持つコーナーキューブ等を使用することができる。

コーナーレフレクタ２５Ａで平行に折り返された＋１次回折光ＢＰ１は、回折格子３９Ｙ１の表面で＋Ｙ方向にずれた位置に入射し、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に−１次の再回折光ＢＰ２が発生する。同様に、コーナーレフレクタ２５Ｂで平行に折り返された−１次回折光ＢＭ１も、回折格子３９Ｙ１の表面で＋１次回折光ＢＰ１が入射する位置に入射し、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に＋１次の再回折光ＢＭ２が発生する。

回折格子３９Ｙ１から発生した再回折光ＢＰ２，ＢＭ２よりなる干渉光ＢＥＡは、反射部材２４Ａの第２反射面で反射されてフォトダイオード等の光電検出器２９Ａで受光される。光電検出器２９Ａは、干渉光ＢＥＡを光電変換して得られる検出信号ＤＳＡを計数装置３０中の第１計数部３０Ａに供給する。第１計数部３０Ａは、検出信号ＤＳＡを処理して、第１ビームＢＰ（ひいては計測用光学系６４Ａ）に対する回折格子３９Ｙ１（ウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向への相対的な位置ＹＡを求め、求めた位置ＹＡを計数装置３０内の演算部３０Ｃに出力する。

反射部材２４Ａ、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂ、及び光電検出器２９Ａを含んで計測用光学系６４Ａが構成されている。本実施形態の計測用光学系６４Ａはホモダイン干渉方式である。そこで、回折格子３９Ｙ１が＋Ｙ方向又は−方向のどちらに変位するのかを判別するために、一例として、光電検出器２９ＡをＸ方向に配列された２つの光電検出器に置き換え、−１次回折光ＢＭ１のＸ方向の半分の光束の位相を９０°シフトする位相板を配置して、その２つの光電検出器から位相が９０°異なる検出信号を第１計数部３０Ａに供給してもよい。これは後述のモニタ用光学系６４Ｂも同様である。

また、角度モニタ装置３６のモニタ用の回折格子３９ＹＢの表面はＸＹ平面に平行であり、モニタ用光学系６４Ｂの構成は計測用光学系６４Ａと同じである。即ち、モニタ用光学系６４Ｂは、ミラー２３Ｃで反射された第２ビームＣＰを回折格子３９ＹＢに垂直に（−Ｚ方向に）照射する反射部材２４Ｂと、第２ビームＣＰの照射によって発生する±１次回折光ＣＰ１，ＣＭ１を平行に回折格子３９ＹＢに折り返すように反射するコーナーレフレクタ２５Ｃ，２５Ｄとを備えている。回折格子３９ＹＢに戻された±１次回折光ＣＰ１，ＣＭ１によって回折格子３９ＹＢから垂直上方に−１次及び＋１次の再回折光ＣＰ２，ＣＭ２が発生する。そして、モニタ用光学系６４Ｂは、再回折光ＣＰ２，ＣＭ２よりなる干渉光ＢＥＢを反射部材２４Ｂを介して受光する光電検出器２９Ｂを備えている。光電検出器２９Ｂは、干渉光ＢＥＢを光電変換して得られる検出信号ＤＳＢを計数装置３０中の第２計数部３０Ｂに供給する。第２計数部３０Ｂは、検出信号ＤＳＢを処理して、第２ビームＣＰ（ひいてはモニタ用光学系６４Ｂ）に対する回折格子３９ＹＢのＹ方向への相対的な位置ＹＢを求め、求めた位置ＹＢを演算部３０Ｃに出力する。演算部３０Ｃは、次のように回折格子３９Ｙ１の位置ＹＡからモニタ用の回折格子３９ＹＢの位置ＹＢを差し引いて得られる位置ＹＴを求める。この位置ＹＴは、回折格子３９Ｙ１のＹ方向の正確な位置の情報としてＹ軸のリニアエンコーダ７０Ａ，７０Ｃ（図４参照）の切り替え制御部に供給される。

ＹＴ＝ＹＡ−ＹＢ …（３）
本実施形態では、モニタ用光学系６４Ｂを構成する反射部材２４Ｂ及びコーナーレフレクタ２５Ｃ，２５Ｄの配置と、計測用光学系６４Ａを構成する反射部材２４Ａ及びコーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂの配置とは同じ、即ち相似形で倍率γが１である。
検出ヘッド６４において、計測用光学系６４Ａ及びモニタ用光学系６４Ｂ内の回折光ＢＰ１，ＢＭ１及びＣＰ１，ＣＭ１等の光路長は短いため、空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、Ｙ軸エンコーダ３Ｙは、レーザ干渉計と比較して、空気が揺らぐ程度の短い期間における計測安定性（短期安定性）に格段に優れている。

ここで、露光装置に対する外乱等によってレーザ光源２１から検出ヘッド６４に供給されるレーザビームＢＩのＹ方向（回折格子３９Ｙ１の周期方向）の角度が変化した場合の影響につき、図６及び図７を参照して説明する。図６の点線の光路は、図５のレーザビームＢＩの角度の変化によって、第１ビームＢＰ及び第２ビームＣＰの角度が例えば反射部材２４Ａ，２４Ｂの第１反射面の反射位置を中心として時計回りに（ここでは−Ｙ方向に）角度αだけ変化した場合の、他の回折光ＢＰ１，ＣＰ１等の光路の変化を表している。なお、計測用光学系６４Ａ及びモニタ用光学系６４Ｂ内での第１ビームＢＰ及び第２ビームＣＰのＹ方向の平行移動は、回折格子３９Ｙ１及び３９ＹＢのＹ方向の位置の計測値に影響しないため、ここでは、ビームＢＰ及びＣＰは反射部材２４Ａ，２４Ｂの反射位置を中心として角度が変化するものとしている。

図６において、計測用光学系６４Ａ内の光路とモニタ用光学系６４Ｂ内の光路の形状とは同じである。従って、計測用光学系６４Ａにおける回折格子３９Ｙ１に対する第１ビームＢＰ及び回折光ＢＰ１，ＢＭ１のＹ方向のずれ量と、モニタ用光学系６４Ｂにおける回折格子３９ＹＢに対する第２ビームＣＰ及び回折光ＣＰ１，ＣＭ１のＹ方向のずれ量とは同じである。従って、レーザビームＢＩ（ひいてはビームＢＰ，ＣＰ）の角度の変化αに起因する、計測用光学系６４Ａを介して計測される回折格子３９Ｙ１の位置ＹＡの変化量である計測誤差ΔＹＡと、モニタ用光学系６４Ｂを介して計測される回折格子３９ＹＢの位置ＹＢの変化量である計測誤差ΔＹＢとは等しい。

また、角度モニタ装置３６において計測される回折格子３９ＹＢの位置ＹＢは、例えばベースライン計測時等にリセットされるため、その後で計測される位置ＹＢは計測誤差ΔＹＢ、即ち、回折格子３９Ｙ１の計測誤差ΔＹＡとなる。そこで、計測用光学系６４Ａによって計測される回折格子３９Ｙ１の位置ＹＡを真の値ＹＡｔｒと計測誤差ΔＹＡとに分けると、演算部３０Ｃにおいて式（３）によって計算される回折格子３９Ｙ１の位置ＹＴは、次のように真の値ＹＡｔｒとなる。

ＹＴ＝（ＹＡｔｒ＋ΔＹＡ）−ΔＹＢ
＝（ＹＡｔｒ＋ΔＹＡ）−ΔＹＡ＝ＹＡｔｒ …（４）
従って、式（３）又は式（４）から求められる回折格子３９Ｙ１の位置ＹＴからは、レーザビームＢＩの角度の変化αに起因する計測誤差が除去されている。
なお、モニタ用光学系６４Ｂの光学系の配置の計測用光学系６４Ａの光学系の配置に対する倍率γが１と異なる（例えばγが１より小さい）場合には、角度モニタ装置３６によって計測される回折格子３９ＹＢの位置ＹＢ’である計測誤差ΔＹＢ’は、次のように計測用光学系６４Ａにおける回折格子３９Ｙ１の計測誤差ΔＹＡのγ倍になる。従って、次のように、計測誤差ΔＹＡは、計測誤差ΔＹＢ’の１／γになる。

ΔＹＡ＝ΔＹＢ’／γ …（５）
そこで、倍率γが１と異なる場合には、角度モニタ装置３６によってリセット後に計測される回折格子３９ＹＢの位置（即ち計測誤差）をＹＢ’とすると、演算部３０Ｃは、式（３）の代わりに、次のように計測用光学系６４Ａで計測される位置ＹＡから位置ＹＢ’の１／γ倍を差し引いて位置ＹＴを求めればよい。これによって、倍率γが１と異なる場合にも、回折格子３９Ｙ１の位置の計測誤差ΔＹＡを高精度に補正できる。

ＹＴ＝ＹＡ−ＹＢ’／γ …（６）
ここで、計測用光学系６４Ａにおいて第１ビームＢＰの角度がαだけ変化した場合の回折格子３９Ｙ１の位置の計測誤差を、図７を参照して計算する。図７の光学系４３は、計測用光学系６４Ａと等価な光学系である。
図７の光学系４３において、基準とする点Ｓから回折格子３９Ｙ１上の点Ａに第１ビームＢＰが垂直に入射し、第１ビームＢＰによる回折格子３９Ｙ１から±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１が発生する。そして、＋１次回折光ＢＰ１はコーナーレフレクタ２５Ａの点Ｂ１に入射し、コーナーレフレクタ２５Ａの頂点を通り回折光ＢＰ１に平行な対称軸に関して点Ｂ１に対称な点Ｂ２から射出され、再び回折格子３９Ｙ１上の点Ｄに入射する。点Ｄで回折された−１次回折光ＢＰ２は点Ｅに向かう。同様に、−１次回折光ＢＭ１は、点Ａ、点Ｃ１、点Ｃ２、点Ｄ、点Ｅという経路で伝搬する。

そして、光学系４３において、第１ビームＢＰが点線の光路で示すように、時計回りに（−Ｙ方向に）角度α（ｒａｄ）だけ傾く場合を考える。点Ｓと点Ａとの間隔をＬ、点Ａと点Ｄとの中点と左右のコーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂのビーム入射面までの距離をＬ１とすると、まず、第１ビームＢＰが回折格子３９Ｙ１に入射する点は、点Ａに対してほぼ距離Ｌ・αだけ−Ｙ方向の点Ａ’になる。

次に、＋１次回折光ＢＰ１のコーナレフレクタ２５Ａへの入射点は、点Ｂ１からほぼ距離（Ｌ・α・ｃｏｓφ＋Ｌ１・α）だけ左側の点Ｂ１’になる。コーナーレフレクタ２５Ａからの射出点は入射点に関して対称であるから、＋１次回折光ＢＰ１が射出される点Ｂ２’は、元の点Ｂ２から右側に、ほぼ距離（Ｌ・α・ｃｏｓφ＋Ｌ１・α）だけずれている。また、回折格子３９Ｙ１から再回折光ＢＰ２が射出される点Ｄ’は、元の点Ｄから＋Ｙ方向にほぼ距離（Ｌ・α＋２Ｌ１・α／ｃｏｓφ）だけずれる。同様に、−１次回折光ＢＭ１の光路のずれを追跡すると、再回折光ＢＭ２が回折格子３９Ｙ１から射出される点Ｄ’は、点Ｄから＋Ｙ方向に距離（Ｌ・α＋２Ｌ１・α／ｃｏｓφ）だけずれる。従って、±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１に対する回折格子３９Ｙ１のＹ方向への実質的な相対変位ΔＹは次のように、距離Ｌ（図６の反射部材２４Ａと回折格子３９Ｙ１との距離）には依存しない値になる。

ΔＹ＝距離ＤＤ’−距離ＡＡ’＝２Ｌ１・α／ｃｏｓφ …（７）
また、回折格子３９Ｙ１に対する照明領域の相対変位Ｙ０によって、±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１の１回の回折あたりの位相変化の差δは、δ＝２π・２・Ｙ０／ＰＹとなる。また、入射するレーザビームＢＰが角度αだけ傾いたときの、±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１の２回の回折時の回折格子３９Ｙ１の相対変位ΔＹは式（７）であり、再回折光ＢＰ２，ＢＭ２の位相差δαは、δα＝２π・４・ΔＹ／ＰＹとなる。従って、発生する計測誤差ΔＹＡは次のように、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂと回折格子３９Ｙ１との平均的な距離Ｌ１、第１ビームＢＰの角度のずれα、及び回折角φの関数となる。また、距離Ｌ１がγ倍になると（即ち、計測用光学系６４Ａの形状がγ倍になると）、計測誤差ΔＹＡはγ倍になることが分かる。

ΔＹＡ＝（δα／２π）・（ＰＹ／４）＝２Ｌ１・α／ｃｏｓφ …（８）
従って、距離Ｌ１及び回折角φは既知であるため、何らかの方法で角度のずれαを求めることができれば、式（８）から計測誤差ΔＹＡは計算できる。本実施形態では、式（８）の計測誤差ΔＹＡと同じ計測誤差ΔＹＢがモニタ用光学系６４Ｂでも発生しているため、計測誤差ΔＹＡを計算する必要はない。

例えば、距離Ｌ１＝１０ｍｍ、回折角φ＝１８°として、角度のずれα＝１μｒａｄとすると、式（６）の計測誤差ＹＥは２１ｎｍとなる。従って、本実施形態のように、計測精度が数ｎｍの場合には、無視できない計測誤差となることが分かる。
次に、本実施形態の露光装置ＥＸは、図２に示すように、照射系９０ａ及び受光系９０ｂから成る、例えば米国特許第５，４４８，３３２号明細書に開示されるものと同様の構成の斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（以下、多点ＡＦ系と呼ぶ。）９０を備えている。一例として、投影光学系ＰＬと、ウエハステージＷＳＴ上のウエハのローディング位置ＬＰ及びアンローディング位置ＵＰとのＹ方向の間の領域に、多点ＡＦ系９０の照射系９０ａ及び受光系９０ｂが不図示のメインフレームに支持されて配置されている。

本実施形態では、多点ＡＦ系９０の検出領域ＡＦのＸ方向の長さは、ウエハＷの直径とほぼ等しい程度に設定されている。そして、多点ＡＦ系９０の複数の計測点は、検出領域ＡＦ内に１行又は複数行（例えば２行）に配置される。この場合、検出領域ＡＦに対してウエハＷをＹ方向に１回走査するだけで、多点ＡＦ系９０によってウエハＷのほぼ全面でＺ位置の分布（面位置情報）を計測できる。また、検出領域ＡＦは、Ｙ方向に関して、前述の液浸領域１４（露光領域ＩＡ）とアライメント系ＡＬ１，ＡＬ２₁〜ＡＬ２₄の検出領域との間に配置されているので、多点ＡＦ系９０とアライメント系とでその検出動作を並行して行うことが可能となっている。

本実施形態の露光装置ＥＸは、多点ＡＦ系９０の複数の計測点のうち両端に位置する計測点の近傍、すなわち検出領域ＡＦの両端部近傍に、Ｘ方向に関して対称な配置で、各一対の被検面のＺ位置計測用の面位置センサ（以下、Ｚセンサと呼ぶ）７２ａ，７２ｂ及び７２ｃ，７２ｄを備えている。Ｚセンサ７２ａ〜７２ｄは、被検面に対し上方から光束を照射し、その反射光を受光してその光の照射点における被検面の法線方向（ここではＺ方向）の位置情報を計測する、例えば光ディスク装置の検出器のようなセンサである。

図２において、ヘッドユニット６２Ｃ及び６２Ａは、それぞれ複数のＹヘッド６４の検出中心を結ぶＸ軸に平行な直線ＬＨを挟むように対称に、かつ直線ＬＨに平行な２本の直線に沿って所定間隔で配置された複数（ここでは各６個、合計で１２個）のＺセンサ７４_i,j（ｉ＝１，２、ｊ＝１〜６）及びＺセンサ７６_p,q（ｐ＝１，２、ｑ＝１〜６）を備えている。各Ｚセンサ７４_i,j及び７６_p,qとしては、前述のＺセンサ７２ａ〜７２ｄと同様のセンサが用いられている。また、一対のＺセンサ７４_1,4，７４_2,4は、Ｚセンサ７２ａ，７２ｂと同一のＹ軸に平行な直線上に位置しており、一対のＺセンサ７６_1,3，７６_2,3は、Ｚセンサ７２ｃ，７２ｄと同一のＹ軸に平行な直線上に位置している。Ｚセンサ７４_i,j及び７６_p,qは例えば取り付け板６３Ｃ，６３Ａに固定されている。

ウエハステージＷＳＴ（回折格子３９Ｙ１，３９Ｘ１等を含む）、リニアエンコーダ７０Ａ〜７０Ｄ、Ｚセンサ７２ａ〜７２ｄ、Ｚセンサ７４_i,j、Ｚセンサ７６_p,q、及びステージ駆動系１２４を含んでステージ装置９５が構成されている。
また、図４には、露光装置ＥＸの制御系の主要な構成が示されている。この制御系は、装置全体を統括的に制御するコンピュータから成る主制御装置２０を中心として構成されている。

以下、本実施形態の露光装置ＥＸにおいて、主制御装置２０の制御のもとで所定ロットのウエハに順次レチクルＲのパターンの像を露光する際の動作の一例につき説明する。この場合、予め図２のＺセンサ７２ａ〜７２ｄ、Ｚセンサ７４_i,j及び７６_p,q、並びに多点ＡＦ系９０のＺ位置の計測値は、例えばその被検面が投影光学系ＰＬの像面と同じＺ位置にあるときに０になるように調整が行われている。

先ず、図２のウエハステージＷＳＴの中心をローディング位置ＬＰに移動して、不図示のウエハローダ系からウエハステージＷＳＴ上にウエハＷをロードする。
次に、ウエハステージＷＳＴの中心を、投影光学系ＰＬの光軸を通りＹ軸に平行な直線ＬＶ上に移動した後、さらにウエハステージＷＳＴの中心が投影光学系ＰＬの露光領域（露光位置）の方向に移動するように、ウエハステージＷＳＴの＋Ｙ方向への移動を開始する。その移動中、プライマリアライメント系ＡＬ１で基準マーク（不図示）の位置計測を行う。

さらにウエハステージＷＳＴを＋Ｙ方向に移動して、Ｚセンサ７２ａ〜７２ｄによってウエハＷの両側のＹ軸の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２の表面のＺ位置を計測しつつ、多点ＡＦ系９０の検出領域ＡＦでウエハＷの全面を走査して、回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２のＺ位置を基準として、ウエハＷ表面のＺ位置分布を計測する。この計測結果は、主制御装置２０内の記憶部に記憶される。

また、上述のように、ウエハステージＷＳＴをＹ方向に移動して多点ＡＦ系９０でウエハＷの表面のＺ位置分布を計測する途中で、計測対象のアライメントショットのウエハマークがアライメント系ＡＬ１，ＡＬ２₁〜ＡＬ２₄の検出領域内に入ったときにウエハステージＷＳＴを停止させて、順次、アライメント系ＡＬ１，ＡＬ２₁〜ＡＬ２₄によってそのウエハマークの位置を検出する。その後、主制御装置２０は、計測された複数のウエハマークの座標を用いて、例えばＥＧＡ方式でウエハの全部のショット領域の配列座標（ショット配列）を算出する。

次に算出された配列座標に基づいて図４のリニアエンコーダ７０Ａ〜７０Ｄの計測値を用いてウエハステージＷＳＴを駆動することで、図８に示すように、液浸方式で、かつステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全部のショット領域に投影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパターン像を露光する。この際に、投影光学系ＰＬを挟むように配置されている図２のＺセンサ７４_i,j 及び７６_p,q を用いて、ウエハＷの両側の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２の表面のＺ位置を計測し、この計測値と上記のように求められているウエハＷ表面のＺ位置分布とからウエハＷ表面のＺ位置を間接的に求め、このように求めたウエハＷ表面のＺ位置に基づいてウエハステージＷＳＴのＺ・レベリング機構を駆動して、ウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させる。

次に、ウエハステージＷＳＴの中心を図８のアンローディング位置ＵＰに移動して、露光済みのウエハＷのアンロードを行って、そのウエハＷを不図示のウエハローダ系に受け渡す。次に未露光のウエハがあるかどうかを判定し、未露光のウエハがある場合にはウエハのローディングを行った後、上記の露光動作を繰り返す。
本実施形態によれば、リニアエンコーダ７０Ａ〜７０ＤによってウエハステージＷＳＴの位置を高精度に計測できるため、ウエハＷの各ショット領域に微細な回路パターンを高精度に形成できる。

本実施形態の作用等は以下の通りである。
（１）本実施形態のＹ軸エンコーダ３Ｙは、計測用光学系６４Ａ（又は第１ビームＢＰ）に対する回折格子３９Ｙ１（又はウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向の位置（相対変位）を検出する変位検出装置である。そして、Ｙ軸エンコーダ３Ｙは、計測用の回折格子３９Ｙ１（計測格子）と、供給されるレーザビームＢＩから第１ビームＢＰ及び第２ビームＣＰを分岐するビームスプリッタ２２と、第１ビームＢＰを回折格子３９Ｙ１に照射し、回折格子３９Ｙ１から発生する再回折光ＢＰ２，ＢＭ２を含む干渉光ＢＥＡを受光する計測用光学系６４Ａと、計測用光学系６４Ａを支持する取り付け板６３Ａに支持されて、第２ビームＣＰの角度の変化に応じた計測誤差ΔＹＢ（角度情報）を検出する角度モニタ装置３６と、計測用光学系６４Ａによって検出される回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置ＹＡから角度モニタ装置３６によって検出される計測誤差ΔＹＢを差し引いて補正する計数装置３０と、を備えている。

本実施形態によれば、回折格子３９Ｙ１に照射される第１ビームＢＰの角度の変化と角度モニタ装置３６に供給される第２ビームＣＰの角度の変化とは同じであるため、角度モニタ装置３６で検出される計測誤差ΔＹＢは、そのまま計測用光学系６４Ａにおける計測誤差となる。従って、その計測誤差ΔＹＢを用いて、計測用光学系６４Ａを介して計測される位置を補正することで、回折格子３９Ｙ１に照射される第１ビームの角度が変化したときに発生する計測誤差を低減できる。従って、回折格子３９Ｙ１の変位をｎｍのオーダで安定にかつ高精度に計測できる。

（２）また、角度モニタ装置３６は、取り付け板６３Ａに支持されるモニタ用の回折格子３９ＹＢ（モニタ用格子）と、取り付け板６３Ａに支持されるとともに、第２ビームＣＰを回折格子３９ＹＢに照射し、回折格子３９ＹＢから発生する再回折光ＣＰ２，ＣＭ２を含む干渉光ＢＥＢを受光するモニタ用光学系６４Ｂとを含んでいる。従って、角度モニタ装置３６によって、第１ビームＢＰの角度の変化によって計測用光学系６４Ａにおいて発生する計測誤差をそのまま計測できるため、第１ビームＢＰの角度の変化を直接計測することなく、回折格子３９Ｙ１の計測誤差を正確に補正できる。

（３）また、回折格子３９Ｙ１と回折格子３９ＹＢとは周期が同じであるため、角度モニタ装置３６の計測値がそのまま計測用光学系６４Ａにける計測誤差となる。
なお、回折格子３９Ｙ１と回折格子３９ＹＢとは周期が異なってもよい。このように周期が異なる場合には、角度モニタ装置３６の計測値ＹＢを用いて式（８）に対応する式から角度αを計算し、この角度αから式（８）より計測用光学系６４Ａで発生する計測誤差ΔＹＡを求め、この計測誤差ΔＹＡを計測される位置ＹＡから差し引けばよい。

（４）また、計測用光学系６４Ａ及びモニタ用光学系６４Ｂにおいて、それぞれ回折格子３９Ｙ１，３９ＹＢには第１ビームＢＰ，第２ビームＣＰを垂直に照射すればよいため、計測用光学系６４Ａ及びモニタ用光学系６４Ｂの調整が容易である。
なお、計測用光学系６４Ａ及びモニタ用光学系６４Ｂから回折格子３９Ｙ１，３９ＹＢに対して第１ビームＢＰ及び第２ビームＣＰをＹ方向に斜めに傾斜させて照射する構成も可能である。

（５）また、本実施形態のステージ装置９５は、ベース盤１２の上面１２ａ（所定面）に沿ってウエハＷ（物体）を移動するステージ装置であり、回折格子３９Ｙ１及び検出ヘッド６４を含むＹ軸エンコーダ３Ｙと、ウエハＷ及び回折格子３９Ｙ１を保持して上面１２ａに沿って移動するウエハステージＷＳＴと、を備えている。従って、外乱等で検出ヘッド６４に供給されるレーザビームＢＩの角度が変化した場合にも、ウエハステージＷＳＴの位置を高精度に計測できる。

（６）また、本実施形態の露光装置ＥＸは、レチクルＲのパターン（転写用パターン）及び投影ユニットＰＵ（露光光学系）を介してウエハＷ（基板）を露光する露光装置において、ウエハＷを移動するために、そのウエハステージＷＳＴを含むステージ装置９５を備えている。この場合、ウエハステージＷＳＴの位置を高精度に制御できるため、ウエハＷに対して高精度に露光を行うことができる。

なお、回折格子３９Ｙ１及び検出ヘッド６４よりなるＹ軸エンコーダ３Ｙと同様の検出装置で、レチクルＲを移動するレチクルステージＲＳＴのＸ方向及び／又はＹ方向の位置を計測してもよい。この場合、回折格子をレチクルステージＲＳＴに配置し、検出ヘッドを回折格子と対向するように配置すればよい。回折格子はレチクルステージＲＳＴの上面または下面のいずれか一方、あるいは両面に設けてもよい。回折格子をレチクルステージＲＳＴの下面に配置する場合には、検出ヘッドは、投影ユニットＰＵに対して所定の位置関係となるように、たとえば投影ユニットＰＵに固定して配置してもよい。また、このときに、ウエハステージＷＳＴの位置はリニアエンコーダ７０Ａ〜７０Ｄ等を用いて計測してもよいが、ウエハステージＷＳＴの位置をレーザ干渉計によって計測してもよい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態につき図９を参照して説明する。本実施形態は、図１の露光装置ＥＸのステージ装置９５のＹ軸エンコーダ３Ｙ（図５参照）の代わりに使用できるＹ軸エンコーダ（変位検出装置）に本発明を適用したものである。以下、図９において、図５に対応する部分には同一又は類似の符号を付してその詳細な説明を省略又は簡略化する。

図９は、本実施形態のＹ軸エンコーダ３ＹＡの構成を示す拡大断面図である。図９において、Ｙ軸エンコーダ３ＹＡは、検出ヘッド１６４、回折格子３９Ｙ１が形成されたスケール体２８ｄ、及び計数装置１６８を含んで構成されている。検出ヘッド１６４は、レーザ光源２１からのレーザビームＢＩを第１ビームＢＰ及び第２ビームＣＰに分割するビームスプリッタ２２と、第１ビームＢＰを用いて回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置を検出するための計測用光学系６４Ａと、第２ビームＣＰを用いて第２ビームＣＰ（ひいては第１ビームＢＰ）のＹ方向（回折格子３９Ｙ１の周期方向）の角度のずれαを計測する角度モニタ装置１６５とを備えている。計測用光学系６４Ａ及び角度モニタ装置１６５は取り付け板６３Ａに固定されている。

角度モニタ装置１６５は、ミラー２３Ｃで反射された第２ビームＣＰを−Ｚ方向に反射する反射部材２４Ｂと、第２ビームＣＰを集光するレンズ１６６と、レンズ１６６の焦点面に配置された受光面を有するポジションセンサ１６７とを有する。ポジションセンサ１６７で検出される第２ビームＣＰのＹ方向の位置の情報は計数装置１６８内の角度演算部３０Ｃに供給される。角度演算部３０Ｃは、例えばリセット後の第２ビームＣＰの位置のＹ方向へのずれ量から第２ビームＣＰのＹ方向の角度のずれαを求めて演算部３０Ｄに供給する。演算部３０Ｄには、計数部３０Ａで求められる回折格子３９Ｙ１の位置ＹＡも供給されている。

演算部３０Ｄは、その角度のずれαを用いて式（８）より計測用光学系６４Ａにおける計測誤差ΔＹＡを計算し、位置ＹＡからその計測誤差ΔＹＡを差し引いて得られる位置ＹＴをＹ軸のリニアエンコーダ７０Ａ，７０Ｃ（図４参照）の切り替え制御部に供給する。この他の構成は第１の実施形態と同様である。
本実施形態によれば、角度モニタ装置１６５によって第２ビームＣＰを介して第１ビームＢＰの角度のずれαを直接計測し、この計測結果に基づいて計測用光学系６４Ａを介して計測される回折格子３９Ｙ１の位置を補正している。従って、供給されるレーザビームＢＩの角度が変化しても、検出ヘッド１６４で計測される回折格子３９Ｙ１の位置の計測誤差を低減できる。従って、回折格子３９Ｙ１の変位をｎｍのオーダで安定にかつ高精度に計測できる。
なお、第１の実施形態と同様に、回折格子３９Ｙ１及び検出ヘッド６４ＡよりなるＹ軸エンコーダ３ＹＡと同様の検出装置で、レチクルＲを移動するレチクルステージＲＳＴのＸ方向及び／又はＹ方向の位置を計測してもよい。この場合、回折格子の配置についても第１の実施形態で説明した例と同様の変形例が適用可能である。

なお、上記の各実施形態では、以下のような変形が可能である。
（１）上記の計測用光学系６４Ａ及びモニタ用光学系６４Ｂ（第１の実施形態）は、ホモダイン干渉方式であるが、干渉する２つのレーザビームの一方を位相変調しておいてもよい。
また、ホモダイン干渉方式の代わりに、供給されるレーザビームＢＩとして、例えば互いに周波数及び偏光状態が異なる２つのレーザ光よりなる２周波ヘテロダイン光を用いて、ヘテロダイン干渉方式で回折格子３９Ｙ１及び回折格子３９ＹＢの位置を検出してもよい。

（２）また、上記の実施形態では、ウエハステージＷＳＴのウエハテーブルＷＴＢに、回折格子３９Ｙ１等が形成されたスケール体２８ｄ等を設け、投影ユニットＰＵ側の取り付け板６３Ｃ等にＹ軸エンコーダ３Ｙ，３ＹＡ等の検出ヘッド６４，６４Ａ等を設けている。しかしながら、図１０に示すように、例えば投影ユニットＰＵ（投影光学系ＰＬ）の鏡筒４０のフランジ部４０Ｆを支持するフレーム３５Ａの底面に、連結機構３５Ｂを介して投影ユニットＰＵを通す開口が形成された平板状の計測フレーム３５Ｃを支持し、計測フレーム３５Ｃの底面にＸ軸の回折格子３９Ｘ及びＹ軸の回折格子３９Ｙが所定配置で形成されたスケール体３６を取り付けてもよい。回折格子３９Ｘ，３９Ｙは、図３の回折格子３９Ｘ１，３９Ｙ１等と同じ特性を持つ反射型の回折格子である。

また、図１０において、ウエハステージＷＳＴの上部のウエハＷを保持するウエハテーブルＷＴＢの周縁部に、ウエハＷをＸ方向に挟むように１対（又は複数対）のＸ軸の検出ヘッド６６が固定され、ウエハＷをＹ方向に挟むように１対（又は複数対）のＹ軸の検出ヘッド６４が固定されている。検出ヘッド６４，６６で使用されるレーザビームは、例えば外部のレーザ光源から可撓性を持つ光ガイド（不図示）を介して供給される。ウエハステージＷＳＴ、回折格子３９Ｘ，３９Ｙが設けられた計測フレーム３５Ｃ、及び検出ヘッド６６，６４等を含んで、露光装置のステージ装置９５Ａが構成されている。ステージ装置９５Ａによれば、ウエハステージＷＳＴ側の検出ヘッド６４，６６によって、ウエハステージＷＳＴに対向するように配置されたフレーム３５Ａで支持された回折格子３９Ｙ，３９Ｘ（スケール体３６）のＹ方向、Ｘ方向の相対位置を検出することによって、投影ユニットＰＵに対するウエハステージＷＳＴの位置を高精度に計測できる。また、検出ヘッド６４の代わりに第２の実施形態の検出ヘッド１６４を使用してもよい。

同様に、Ｙ軸エンコーダ３Ｙ，３ＹＡで図１のレチクルステージＲＳＴの位置を計測する場合にも、レチクルステージＲＳＴ側に検出ヘッド６４，６６等を配置し、レチクルステージＲＳＴに対向するように配置されたフレームに回折格子３９Ｙ，３９Ｘを配置してもよい。
また、上記の実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（又はマイクロデバイス）を製造する場合、電子デバイスは、図１１に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたレチクル（マスク）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造してレジストを塗布するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置（露光方法）によりレチクルのパターンを基板（感光基板）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。

言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置ＥＸ（露光方法）を用いてレチクルのパターンの像を基板（ウエハ）に転写することと、そのパターンの像が転写されたその基板をそのパターンの像に基づいて加工すること（ステップ２２４の現像、エッチング等）とを含んでいる。この際に、上記の実施形態によれば、露光装置のウエハステージＷＳＴのウエハテーブルＷＴＢ（基板）の位置を高精度に制御できるため、電子デバイスを高精度に製造できる。

なお、本発明は、上述のステップ・アンド・スキャン方式の走査露光型の投影露光装置（スキャナ）の他に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（ステッパ等）にも適用できる。さらに、本発明は、液浸型露光装置以外のドライ露光型の露光装置にも同様に適用することができる。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子やプラズマディスプレイなどを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックスウエハ上に転写する露光装置、並びに撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、及びＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。このように、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＷＴＢ…ウエハテーブル、ＷＳＴ…ウエハステージ、３Ｙ…Ｙ軸エンコーダ、２０…主制御装置、２８ｂ〜２８ｅ…プレート、３６…角度モニタ装置、３９Ｙ１，３９Ｙ２…Ｙ軸の回折格子、６２Ａ〜６２Ｄ…ヘッドユニット、６４…Ｙ軸の検出ヘッド、６４Ａ…計測用光学系、６４Ｂ…モニタ用光学系

Claims (10)

1. 変位検出装置であって、
   計測用格子と、
   供給される光ビームから第１ビーム及び第２ビームを分岐する分岐素子と、
   前記第１ビームを前記計測用格子に照射し、前記計測用格子から発生する回折ビームを含む干渉光を受光する計測用受光系と、
   前記計測用受光系を支持する支持機構と、
   前記支持機構に支持されるとともに、前記第２ビームの角度に依存する角度情報を検出する角度モニタ系と、
   前記計測用受光系によって検出される前記計測用格子と前記第１ビームとの相対変位を、前記角度モニタ系によって検出される角度情報を用いて補正する演算装置と、
   を備えることを特徴とする変位検出装置。
2. 前記角度モニタ系は、
   前記支持機構に支持されるモニタ用格子と、
   前記支持機構に支持されるとともに、前記第２ビームを前記モニタ用格子に照射し、前記モニタ用格子から発生する回折ビームを含む干渉光を受光するモニタ用受光系と、を含み、
   前記演算装置は、前記計測用受光系によって検出される前記相対変位を、前記モニタ用受光系によって検出される前記モニタ用格子と前記第２ビームとの相対変位を用いて補正することを特徴とする請求項１に記載の変位計測装置。
3. 前記モニタ用格子と前記計測用格子とは同じ周期を持つ回折格子であることを特徴とする請求項２に記載の変位計測装置。
4. 前記モニタ用受光系と前記計測用受光系とはほぼ相似であることを特徴とする請求項２又は３に記載の変位計測装置。
5. 前記計測用受光系に対する前記モニタ用受光系の倍率をγ、前記モニタ用受光系によって検出される前記モニタ用格子と前記モニタ用受光系との相対変位をＹとして、
   前記演算装置は、前記計測用受光系によって検出される前記相対変位をＹ／γだけ補正することを特徴とする請求項４に記載の変位計測装置。
6. 前記第１ビームは前記計測用格子にほぼ垂直に入射し、
   前記第２ビームは前記モニタ用格子にほぼ垂直に入射することを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の変位検出装置。
7. 所定面に沿って物体を移動するステージ装置において、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の変位検出装置と、
   前記物体及び前記変位検出装置の前記計測用格子を保持して前記所定面に沿って移動するステージと、
   を備えることを特徴とするステージ装置。
8. 所定面に沿って物体を移動するステージ装置において、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の変位検出装置と、
   前記物体を保持して前記所定面に沿って移動するステージと、
   前記ステージに対向して配置されて、前記変位検出装置の前記計測用格子を保持するフレームと、
   を備えることを特徴とするステージ装置。
9. 転写用パターン及び露光光学系を介して基板を露光する露光装置において、
   前記転写用パターンが形成された部材及び前記基板の少なくとも一方を移動するために、請求項７又は８に記載のステージ装置を備えることを特徴とする露光装置。
10. 請求項９に記載の露光装置を用いて、基板にパターンを転写することと、
    前記パターンが転写された前記基板を前記パターンに基づいて加工することと、
    を含むデバイス製造方法。

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