JP2013026273A - エンコーダ装置、光学装置、及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子を用いて計測する際に、干渉用の光学系をコンパクトに配置可能として、かつ格子パターン面の高さ変化に対する干渉光強度の低下を抑制する。
【解決手段】エンコーダ１０Ｘは、第１部材６に設けられたＸ軸の回折格子１２Ｘと、計測光ＭＸ１，ＭＸ２を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂにほぼ垂直に入射させるレーザ光源１６と、第２部材７に設けられて、回折格子１２Ｘから計測光ＭＸ１によって発生する回折光ＤＸ１を回折格子１２Ｘに再度入射させる直角プリズム２６Ａと、回折光ＤＸ１によって発生する回折光ＤＸ２と他の回折光ＥＸ２との干渉光を検出する光電センサ４０Ｘと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、相対移動する部材間の相対移動量を計測するエンコーダ装置、このエンコーダ装置を備えた光学装置及び露光装置、並びにこの露光装置を用いたデバイス製造方法に関する。

半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）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、例えばステージに固定された回折格子にレーザ光よりなる計測光を照射し、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検出信号から、その回折格子が設けられた部材（ステージ等）の相対移動量を計測する、いわゆるエンコーダ装置（干渉型エンコーダ）も使用されつつある（例えば特許文献１参照）。このエンコーダ装置は、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が得られるようになっている。

国際公開第２００８／０２９７５７号パンフレット

従来のエンコーダ装置は、回折格子から発生する回折光を平面ミラー等で反射しているため、回折格子の格子パターン面の高さが変化すると、その回折光が他の回折光又は参照光に対して相対的にシフトして、干渉光の強度が低下する恐れがあった。
また、従来のエンコーダ装置は、ほぼ計測光の入射面に沿って、回折光と他の回折光又は参照光とを干渉させるための複数の光学部材を配置していたため、光学系の高さが高くなり、その光学系を例えば狭い空間に組み込むことが困難であった。

本発明の態様は、このような課題に鑑み、回折格子を用いて相対移動量を計測する際に、干渉用の光学系をコンパクトに配置可能として、かつ格子パターン面の高さ変化に対する干渉光強度の低下を抑制することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動する第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置が提供される。このエンコーダ装置は、その第１部材及びその第２部材の一方に設けられ、その第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、第１計測光をその回折格子の格子パターン面にほぼ垂直に入射させる光源部と、その第１部材及びその第２部材の他方に設けられるとともに、互いに直交する第１及び第２の反射面を持ち、その回折格子からその第１計測光によって発生する第１回折光を、その２つの反射面を介してその第１方向に直交する第２方向へのシフト成分を含むようにその回折格子に再度入射させる第１の二面反射部材と、その回折格子からその第１回折光によってその格子パターン面にほぼ垂直に発生する第２回折光と他の回折光又は参照光との干渉光を検出する光電検出器と、その光電検出器の検出信号を用いてその第２部材の相対移動量を求める計測部と、を備えるものである。

また、第２の態様によれば、本発明のエンコーダ装置と、対象物用の光学系と、を備える光学装置が提供される。
また、第３の態様によれば、パターンを被露光体に露光する露光装置が提供される。この露光装置は、フレームと、その被露光体を支持するとともにそのフレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージと、その第１方向へのステージの相対移動量を計測するための本発明のエンコーダ装置と、を備えるものである。

また、第４の様態によれば、リソグラフィ工程を含み、そのリソグラフィ工程では、上記露光装置を用いて物体を露光するデバイス製造方法が提供される。

本発明によれば、回折格子から第１計測光によって発生する第１回折光を、２つの反射面を介してその回折格子に再度入射させる二面反射部材を設けているため、エンコーダ装置の干渉用の光学系をコンパクトに配置可能である。
また、二面反射部材を用いることによって、回折光と他の回折光又は参照光との相対的な横シフト量を小さくできるため、格子パターン面の高さの変化に対して干渉光の強度低下を抑制でき、計測精度を高く維持できる。

（Ａ）は第１の実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。 （Ａ）は図１のエンコーダにおける回折光の光路を示す図、（Ｂ）は格子パターン面の高さが変化したときの回折光の光路を示す図である。 図１のエンコーダにおけるノイズ光となる回折光の光路を示す図である。 実施形態の変形例に係るエンコーダを示す斜視図である。 第２の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。 図５のウエハステージに設けられた回折格子及び複数の検出ヘッドの配置の一例を示す平面図である。 図５の露光装置の制御系を示すブロック図である。 電子デバイスの製造方法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３を参照して説明する。図１は本実施形態に係るＸ軸のエンコーダ１０Ｘの要部を示す斜視図である。図１において、一例として、第１部材６に対して第２部材７は２次元平面内で相対移動可能に配置され、第２部材７の互いに直交する相対移動可能な２つの方向に平行にＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面（ＸＹ面）に直交する軸をＺ軸として説明する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの角度をそれぞれθｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向の角度とも呼ぶ。

図１において、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６の上面に固定された、ＸＹ面に平行な平板状のＸ軸の回折格子１２Ｘと、第２部材７に固定されて回折格子１２Ｘに計測光を照射するＸ軸の検出ヘッド１４Ｘと、検出ヘッド１４Ｘに計測用のレーザ光を供給するレーザ光源１６と、検出ヘッド１４Ｘから出力される検出信号を処理して第１部材６に対する第２部材７のＸ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を有する。

回折格子１２ＸのＸＹ面に平行な格子パターン面１２Ｘｂには、Ｘ方向に所定の周期（ピッチ）を持ち、位相型でかつ反射型の格子パターン１２Ｘａが形成されている。格子パターン１２Ｘａの周期は、一例として１００ｎｍ〜４μｍ程度（例えば２μｍ周期）である。格子パターン１２Ｘａは、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たもの）として、又はガラス板等に機械的に溝等を形成して反射膜を被着することで作製可能である。さらに、格子パターン面１２Ｘｂは、保護用の平板ガラスで覆われていてもよい。なお、回折格子１２Ｘの代わりに、Ｘ方向、Ｙ方向に周期的に形成された格子パターンを持つ２次元の回折格子を使用してもよい。

レーザ光源１６は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は半導体レーザ等よりなり、一例として偏光方向が互いに直交するとともに互いに周波数が異なる第１及び第２の直線偏光のレーザ光よりなる２周波ヘテロダイン光を射出する。それらのレーザ光は互いに可干渉であり、それらの平均波長をλとする。レーザ光源１６は、それらのレーザ光から分岐した２つの光束の干渉光を光電変換して得られる基準周波数の信号（基準信号）を計測演算部４２Ｘに供給する。なお、ホモダイン干渉方式も使用可能である。

検出ヘッド１４Ｘは、第２部材７に固定されてＸＹ面に平行な平板状のベース部材２２と、レーザ光源１６から供給されたヘテロダイン光を互いに同じ光量のＳ偏光の第１の計測光ＭＸ１及びＰ偏光の第２の計測光ＭＸ２（光路を点線で示している）に分割する偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）１８と、計測光ＭＸ１の光路長を計測光ＭＸ２の光路長に合わせるように計測光ＭＸ１を反射するミラー２０Ａ１，２０Ａ２，２０Ａ３及び２０Ｂと、計測光ＭＸ２を反射するミラー２０Ｃと、ミラー２０Ｄと、偏光板３０と、フォトダイオード等の光電センサ４０Ｘとを有する。ミラー２０Ａ１〜２０Ｄはベース部材２２の上面側に配置されている。ＰＢＳ１８〜光電センサ４０ＸＡまでの部材は、ベース部材２２に固定された支持部材（不図示）によって支持されている。ベース部材２２には、Ｘ方向に沿って所定間隔で配置された２つの窓部２２ｂ，２２ｃ、及び窓部２２ｂ，２２ｃの中間位置からＹ方向に離れた位置に配置された窓部２２ｄが形成されている。計測光ＭＸ１，ＭＸ２はミラー２０Ｂ，２０Ｃで反射され、それぞれ窓部２２ｂ，２２ｃを通過して回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂにほぼ垂直に入射する。

また、検出ヘッド１４Ｘは、ベース部材２２の底面で、窓部２２ｂ〜２２ｄの−Ｘ方向側にＸ方向に隣接して固定された段差ミラー２４Ａ及び支持部材２８Ａと、支持部材２８Ａに固定された直角プリズム２６Ａと、を有する。段差ミラー２４Ａは、ＸＹ平面に平行な第１の反射面２４Ａａと、この反射面２４Ａａに平行でかつ＋Ｚ方向にずれている第２の反射面２４Ａｂとを持つ。また、直角プリズム２６Ａは、互いに直交する第１及び第２の反射面２６Ａａ，２６Ａｂを持ち、反射面２６Ａａ，２６Ａｂの間の入射出面が、ＸＹ面に平行な状態からθｙ方向の時計回りに後述の角度（θｄ＋α／２）だけ回転した状態で支持されている。また、検出ヘッド１４Ｘは、窓部２２ｂ〜２２ｄを挟んで、段差ミラー２４Ａ、支持部材２８Ａ、及び直角プリズム２６Ａと対称に配置された同じ形状の段差ミラー２４Ｂ、支持部材２８Ｂ、及び直角プリズム２６Ｂを有する。

図１において、第１の計測光ＭＸ１は、窓部２２ｂを介して回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂの第１の計測点ＰＡにほぼ垂直に入射し、回折格子１２Ｘから−Ｘ方向に＋１次回折光ＤＸ１が発生する。回折光ＤＸ１は、段差ミラー２４Ａの第１の反射面２４Ａａで反射されて直角プリズム２６Ａに入射し、直角プリズム２６Ａの２つの反射面２６Ａａ，２６Ａｂで反射されて段差ミラー２４Ａの第２の反射面２４Ａｂに入射する。そして、反射面２４Ａｂで反射された回折光ＤＸ１は、格子パターン面１２Ｘｂの第３の計測点ＰＣに斜めに入射し、計測点ＰＣから−１次回折光ＤＸ２が垂直に発生する。

一方、第２の計測光ＭＸ２は、窓部２２ｃを介して格子パターン面１２Ｘｂの第２の計測点ＰＢにほぼ垂直に入射し、回折格子１２Ｘから＋Ｘ方向に−１次回折光ＥＸ１が発生する。回折光ＥＸ１は、段差ミラー２４Ｂの第１の反射面２４Ｂａで反射されて直角プリズム２６Ｂに入射し、直角プリズム２６Ｂの２つの反射面２６Ｂａ，２６Ｂｂで反射されて段差ミラー２４Ｂの第２の反射面２４Ｂｂに入射する。そして、反射面２４Ｂｂで反射された回折光ＥＸ１は、格子パターン面１２Ｘｂの回折光ＤＸ１が入射した第３の計測点ＰＣに斜めに入射し、計測点ＰＣから＋１次回折光ＥＸ２が垂直に発生する。計測点ＰＣで垂直に発生した−１次回折光ＤＸ２及び＋１次回折光ＥＸ２は同軸に合成されて、ベース部材２２の窓部２２ｄ、ミラー２０Ｄ、及び偏光板３０を介して光電センサ４０Ｘで受光される。光電センサ４０Ｘの検出信号が計測演算部４２Ｘに供給される。この実施形態では、ＰＢＳ１８で分岐されてから光電センサ４０Ｘに入射するまでの計測光ＭＸ１，ＭＸ２（回折光）の光路長は互いにほぼ等しく設定されているため、計測光ＭＸ１，ＭＸ２として比較的波長幅の広いレーザ光を使用可能である。なお、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の波長幅が狭い場合には、計測光ＭＸ１，ＭＸ２（回折光）の光路長差を大きくしてもよい。

一例として、計測演算部４２Ｘは、その検出信号とレーザ光源１６から供給される基準信号とから、第１部材６に対する第２部材７のＸ方向への相対移動量を求める。Ｘ方向の相対移動量の検出分解能は例えば０．５〜０．１ｎｍ程度である。本実施形態では、最終的に２回目の−１次回折光ＤＸ２と２回目の＋１次回折光ＥＸ２との干渉光を検出しているため、相対移動量の検出分解能（検出精度）を１／２に向上（微細化）できる。また、±１次回折光を用いることによって、第１部材６と第２部材７とのθｚ方向の相対回転角による計測誤差を低減できる。

次に、本実施形態の計測光ＭＸ１，ＭＸ２の格子パターン面１２Ｘｂに対するθｙ方向（Ｘ方向）の入射角は、ノイズ光の影響を低減するために、図２（Ａ）に示すように、対称に角度αだけずれている。以下では、計測光ＭＸ１の入射角αは、時計回りにずれているものとする。角度αは、例えば０．５°〜数度程度であり、例えば０．５°〜１．５°（目標値で１°程度）に設定することが好ましい。

この場合、計測光ＭＸ１が格子パターン面１２Ｘｂに垂直に入射した場合の＋１次回折光ＤＸ１の回折角をφｄ（反時計回りの角度）とすると、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の平均波長λを用いて回折角φｄは次の関係を満たす。
sin φｄ＝λ …（１）
本実施形態では、計測光ＭＸ１は入射角αで回折格子１２Ｘに入射するため、入射した計測光ＭＸ１による回折格子１２Ｘからの＋１次回折光ＤＸ１の回折角φ１は、次のようにほぼ回折角φｄよりも角度αだけ大きくなる。

φ１≒φｄ＋α …（２）
また、回折光ＤＸ１は、段差ミラー２４Ａの第１の反射面２４Ａａで反射されて直角プリズム２６Ａに入射する。本実施形態では、支持部材２８Ａの直角プリズム２６Ａの取り付け面のＺＹ面に対するθｙ方向の傾斜角は（θｄ＋α／２）に設定されている。この結果、直角プリズム２６Ａの反射面２６Ａａ，２６Ａｂの間の入射出面は、ＸＹ面に平行な状態からθｙ方向の時計回りに角度（θｄ＋α／２）だけ回転した状態となっている。従って、直角プリズム２６Ａの直交する２つの反射面２６Ａａ，２６Ａｂで反射された回折光ＤＸ１は、段差ミラー２４Ａの第２の反射面２４Ａｂで反射された後、格子パターン面１２Ｘｂに対して反時計回りに入射角φｄ（＋１次回折光の回折角と同じ角度）で入射する。従って、回折光ＤＸ１の入射によって回折格子１２Ｘからは垂直上方（回折角０）に−１次回折光ＤＸ２が発生する。

これと対称に、第２の計測光ＭＸ２によって発生した−１次回折光ＥＸ１は、段差ミラー２４Ｂの第１の反射面２４Ｂａで反射されて直角プリズム２６Ｂの、ＸＹ面に平行な状態からθｙ方向の反時計回りに角度（θｄ＋α／２）だけ回転した面に入射し、直角プリズム２６Ｂの直交する２つの反射面２６Ｂａ，２６Ｂｂで反射される。そして、回折光ＥＸ１は、段差ミラー２４Ｂの第２の反射面２４Ｂｂで反射された後、格子パターン面１２Ｘｂに対して時計回りに入射角φｄで入射する。従って、回折光ＥＸ１の入射によって回折格子１２Ｘからは垂直上方（回折角０）に、すなわち−１次回折光ＤＸ２に平行に＋１次回折光ＥＸ２が発生する。従って、回折光ＤＸ２，ＥＸ２の干渉光は強度変化のコントラストが高いため、高精度に位置検出が可能である。

本実施形態において、図２（Ｂ）に示すように、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂの高さ（Ｚ方向の位置）が位置ＰＤに変化した場合には、回折格子１２Ｘの計測点ＰＡから発生した回折光ＤＸ１は、段差ミラー２４Ａ、直角プリズム２６Ａ、及び段差ミラー２４Ａを介して光路ＰＥで示すようにほぼ回折格子１２Ｘのもとの計測点ＰＣに入射する。同様に、回折格子１２Ｘの計測点ＰＢから発生した回折光ＥＸ１は、段差ミラー２４Ｂ、直角プリズム２６Ｂ、及び段差ミラー２４Ｂを介して光路ＰＦで示すようにほぼ回折格子１２Ｘのもとの計測点ＰＣに入射する。従って、回折光ＤＸ２，ＥＸ２間の相対的な横シフトがほとんど発生しないため、常に高精度に位置検出が可能である。

ただし、図３に示すように、本実施形態では、回折格子１２Ｘの計測点ＰＣに入射した回折光ＤＸ１によって同じ方向に−２次回折光ＤＸ２１が発生する。図３において、この回折光ＤＸ２１は、第２の反射面２４Ａｂ、直角プリズム２６Ａ、第１の反射面２４Ａａを介して回折格子１２Ｘの計測点ＰＡに戻り、計測点ＰＡから回折角がほぼ（θｄ−α）の＋２次回折光ＤＸ２２が発生する。この回折光ＤＸ２２は、第１の反射面２４Ａａ、直角プリズム２６Ａ、第２の反射面２４Ａｂを介して回折格子１２Ｘの計測点ＰＣに戻り、計測点ＰＣからほぼ回折角２・αで−１次回折光ＤＸ２３が発生する。この回折光ＤＸ２３と他の回折光ＤＸ２，ＥＸ２との干渉光がノイズ光となる。

しかしながら、回折光ＤＸ２３と他の回折光ＤＸ２，ＥＸ２とのθｙ方向の角度（交差角）はほぼ２・αであり、周期の小さい干渉縞が形成されるのみで、計測誤差は極めて小さくなる。ここで、計測光ＭＸ１，ＭＸ２（平均波長λ）のビーム径をｄとして、回折光ＤＸ２３と回折光ＤＸ２，ＥＸ２とが合流して形成される干渉縞の周期がそのビーム径ｄの１／１００以下程度であれば（干渉縞が１００本以上形成される程度であれば）、得られる干渉縞を光電変換して得られる検出信号の０次光に起因する変動成分（ノイズ成分）はほぼ１％以下になり、計測誤差は極めて小さくなる。この際の条件は以下のようになる。ただし、角度αをｒａｄで表している。

ｄ・２・α≧１００λ …（３）
ここで、一例としてビーム径ｄを２ｍｍ、波長λを０．６３３μｍとすると、式（３）を満たす角度αは以下のようになる。
α≧０．０１５８（ｒａｄ）＝０．９１° …（４）
従って、計測光ＭＸ１，ＭＸ２のビーム径が２ｍｍ程度であれば、計測光ＭＸ１，ＭＸ２のＸ方向の入射角αは、０．９１°以上、例えば１°程度であることが好ましい。なお、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の入射角αが大きくなると、格子パターン面１２ＸａのＺ方向の位置の変化に対して、回折光ＤＸ２，ＥＸ２の横シフト量が大きくなり、相対位置情報を含む干渉光の強度が小さくなるため、式（４）を満たす範囲内で角度αはあまり大きくしない方がよい。

なお、例えば＋２次回折光の回折効率が低い場合には、角度αは０でもよい。
本実施形態の効果等は以下の通りである。本実施形態のＸ軸のエンコーダ１０Ｘは、第１部材６と第２部材７とのＸ方向の相対移動量を計測するエンコーダである。そして、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６に設けられ、Ｘ方向を周期方向とする回折格子１２Ｘと、可干渉性のある計測光ＭＸ１及びＭＸ２を発生するレーザ光源１６よ、計測光ＭＸ１，ＭＸ２を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂにほぼ垂直に入射させるミラー２０Ｂ，２０Ｃと、第２部材７に設けられるとともに、互いに直交する反射面２６Ａａ，２６Ａｂを持ち、回折格子１２Ｘから計測光ＭＸ１によって発生する＋１次回折光ＤＸ１を、反射面２６Ａａ，２６Ａｂを介してＹ方向にシフトさせて回折格子１２Ｘに再度入射させる直角プリズム２６Ａと、回折格子１２Ｘから回折光ＤＸ１によって格子パターン面１２Ｘｂにほぼ垂直に発生する−１次回折光ＤＸ２と他の回折光ＥＸ２との干渉光を検出する光電センサ４０Ｘと、光電センサ４０Ｘの検出信号を用いて第２部材７の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を備えている。

本実施形態によれば、回折格子１２Ｘから計測光ＭＸ１によって発生する回折光ＤＸ１を、２つの反射面を介して回折格子１２ＸにＹ方向にシフトさせて再度入射させる直角プリズム２６Ａ（二面反射部材）を設けているため、エンコーダ１０Ｘの干渉用の光学系を第２部材７の例えば底面にコンパクトに配置可能である。
また、直角プリズム２６Ａを用いることによって、回折光ＤＸ２と他の回折光ＥＸ２との相対的な横シフト量を小さくできるため、格子パターン面１２Ｘｂの高さ変化に対して干渉光の強度低下を抑制でき、計測精度を高く維持できる。

なお、直角プリズム２６Ａ，２６Ｂの代わりに例えば直交する２つの反射面を持つダハプリズム等も使用可能である。
本実施形態では、第２の計測光ＭＸ２によって回折格子１２Ｘから発生する回折光ＥＸ２と回折光ＤＸ２との干渉光を検出している。しかしながら、例えば回折光ＤＸ２と他の参照光との干渉光を検出してもよい。

次に、本実施形態の変形例につき図４を参照して説明する。なお、図４において図１に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図４は、Ｙ軸のエンコーダ１０Ｙを示す。エンコーダ１０Ｙは、第１部材６に固定された回折格子１２Ｘを９０°回転した構成のＹ軸の回折格子１２Ｙと、第２部材７に固定されてＹ軸の検出ヘッド１４Ｙと、検出ヘッド１４Ｙにレーザ光を供給するレーザ光源１６と、検出ヘッド１４Ｙから出力される検出信号を処理して第１部材６に対する第２部材７のＹ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｙと、を有する。なお、回折格子１２Ｙの代わりに２次元の回折格子を使用してもよい。

検出ヘッド１４Ｙは、第２部材７に固定されてＸＹ面に平行な平板状のベース部材２２と、レーザ光源１６からのレーザ光を可干渉な計測光ＭＹ１，ＭＹ２に分割するＰＢＳ１８Ａと、ミラー２０Ｅ〜２０Ｈと、光電センサ４０Ｙとを有する。ベース部材２２には、Ｙ方向に沿って所定間隔で配置された２つの窓部２２ｅ，２２ｆ、及び窓部２２ｆからＹ方向に離れた位置に配置された窓部２２ｇが形成されている。計測光ＭＹ１，ＭＹ２はミラー２０Ｅ，２０Ｇ及びミラー２０Ｆで反射され、それぞれ窓部２２ｅ，２２ｆを通過して回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂの計測点ＰＤ，ＰＥにＹ方向の入射角αで入射する。この変形例でも、ＰＢＳ１８Ａで分岐されてから光電センサ４０Ｙに入射するまでの計測光ＭＹ１，ＭＹ２の光路長は互いにほぼ等しく設定されている。

また、検出ヘッド１４Ｙは、ベース部材２２の底面に固定された段差ミラー２４Ａと同じ形状の段差ミラー２４Ｃ及び支持部材２８Ｃと、支持部材２８Ｃに固定された直角プリズム２６Ｃと、を有する。また、検出ヘッド１４Ｙは、窓部２２ｅ〜２２ｇを挟んで、段差ミラー２４Ｃ、支持部材２８Ｃ、及び直角プリズム２６Ｃと対向するように配置された支持部材３２、及び支持部材３２に固定されて計測点ＰＥの方向を向く直角プリズム２６Ｄを有する。

図４において、第１の計測光ＭＹ１は、回折格子１２Ｙの格子パターン面１２Ｙｂの第１の計測点ＰＤにほぼ垂直に入射し、回折格子１２Ｙからの＋１次回折光ＤＹ１は、段差ミラー２４Ｃの第１の反射面で反射されて直角プリズム２６Ｃに入射し、直角プリズム２６Ｃの２つの反射面で反射されて段差ミラー２４Ｃの第２の反射面に入射する。そして、この反射面で反射された回折光ＤＹ１は、格子パターン面１２Ｘｂの第３の計測点ＰＦに斜めに入射し、計測点ＰＦから−１次回折光ＤＹ２が垂直に発生する。

一方、第２の計測光ＭＹ２は、窓部２２ｆを介して格子パターン面１２Ｙｂの第２の計測点ＰＥにＹ方向の入射角αで入射し、回折格子１２Ｙから＋Ｙ方向に−１次回折光ＥＹ１が発生する。回折光ＥＹ１は、直角プリズム２６Ｃの２つの反射面２６Ｄａ，２６Ｄｂで反射されて格子パターン面１２Ｙｂの回折光ＤＹ１が入射した第３の計測点ＰＦに斜めに入射し、計測点ＰＦから＋１次回折光ＥＹ２が垂直に発生する。計測点ＰＦで垂直に発生した−１次回折光ＤＹ２及び＋１次回折光ＥＹ２は同軸に合成されて、ベース部材２２の窓部２２ｇ、ミラー２０Ｈ、及び偏光板３０を介して光電センサ４０Ｙで受光される。光電センサ４０Ｙの検出信号が計測演算部４２Ｙに供給され、計測演算部４２Ｙはその検出信号を用いて第１部材６と第２部材７とのＹ方向の相対移動量を求める。この変形例のエンコーダ１０Ｙにおいても、上記の実施形態と同様の効果が得られる。
なお、図１のエンコーダ１０Ｘの検出ヘッド１４Ｘと図４のエンコーダ１０Ｙの検出ヘッド１４Ｙとは交差するように配置することが可能である。

［第２の実施形態］
第２の実施形態につき図５〜図７を参照して説明する。図５は、この実施形態に係るエンコーダ装置を備えた露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは、スキャニングステッパーよりなる走査露光型の投影露光装置である。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、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ＲとウエハＷ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軸を取って説明する。

露光装置ＥＸ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照明系１１０、及び照明系１１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬ（例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波など）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を備えている。さらに、露光装置ＥＸは、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１９５、及び制御系等（図７参照）を備えている。

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１１のレチクルステージ駆動系１１１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である。

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１１５（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７のコンピュータよりなる主制御装置１２０に送られる。主制御装置１２０は、その計測値に基づいてレチクルステージ駆動系１１１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５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１４０と、鏡筒１４０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１１０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（半導体ウエハ）Ｗの一つのショット領域の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。

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１４０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置１０８の一部を構成するノズルユニット１３２が設けられている。ノズルユニット１３２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給するための供給管１３１Ａ及び回収管１３１Ｂを介して、液体供給装置１８６及び液体回収装置１８９（図１１参照）に接続されている。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１０８は設けなくともよい。

図５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（エアパッド）を介して、ベース盤１１２のＸＹ面に平行な上面１１２ａに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１１参照）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、レチクルＲのアライメントを行う空間像計測系（不図示）、ウエハＷのアライメントを行うアライメント系ＡＬ（図１１参照）、照射系９０ａ及び受光系９０ｂよりなりウエハＷの表面の複数箇所のＺ位置を計測する斜入射方式の多点のオートファオーカスセンサ９０（図７参照）、及びウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するためのエンコーダ装置８Ｂ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１９１と、ステージ本体１９１上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢと、ステージ本体１９１内に設けられて、ステージ本体１９１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１２８が設けられている。
なお、上述の局所液浸装置１０８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１２８は、図６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）１２８ａと、プレート部１２８ａを囲む周辺部１２８ｅとを有する。周辺部１２８ｅの上面に、プレート部１２８ａをＹ方向に挟むようにＸ方向に細長い１対のＹ軸の第１及び第２の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２が配置され、プレート部１２８ａをＸ方向に挟むようにＹ方向に細長い１対のＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２が配置されている。Ｘ方向を周期方向とする反射型の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２は図１の回折格子１２Ｘと同じ構成であり、Ｙ方向を周期方向とする回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２は回折格子１２Ｘを９０°回転した構成である。

また、図５において、投影ユニットＰＵを支持するフレーム（不図示）に連結部材（不図示）を介してＸＹ面にほぼ平行な平板状の計測フレーム１５０が支持されている。計測フレーム１５０の底面に、投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように、図１のＸ軸の検出ヘッド１４Ｘと同じ構成の複数の検出ヘッド１４Ｘが固定され、投影光学系ＰＬをＹ方向に挟むように、図４のＹ軸の検出ヘッド１４Ｙと同じ構成の複数の検出ヘッド１４Ｙが固定されている（図６参照）。また、複数の検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙにレーザ光（計測光及び参照光）を供給するための複数のレーザ光源（不図示）も備えられている。なお、検出ヘッド１４Ｙの代わりに図１の検出ヘッド１４Ｘを９０°回転した構成の検出ヘッドを使用してもよい。

図６において、投影光学系ＰＬからの照明光でウエハＷを露光している期間では、常に複数の検出ヘッド１４Ｘのいずれか２つがＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向し、複数の検出ヘッド１４Ｙのいずれか２つがＹ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２に対向するように構成されている。各検出ヘッド１４Ｘは、回折格子１２Ｘ１又は１２Ｘ２に計測光を照射し、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２から発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２Ｘ（図７）に供給する。計測演算部４２Ｘでは、図１の計測演算部４２と同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＸ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めて計測値切り替え部８０Ｘに供給する。計測値切り替え部８０Ｘでは、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向している検出ヘッド１４Ｘに対応する計測演算部４２Ｘから供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。

また、各検出ヘッド１４Ｙは、回折格子１２Ｙ１又は１２Ｙ２に計測光を照射し、回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２から発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２Ｙ（図１１）に供給する。計測演算部４２Ｙでは、計測演算部４２Ｘと同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＹ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めて計測値切り替え部８０Ｙに供給する。計測値切り替え部８０Ｙでは、回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２に対向している検出ヘッド１４Ｙに対応する計測演算部４２Ｙから供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。

複数の検出ヘッド１４Ｘ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｘ、及びＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２からＸ軸のエンコーダ１０ＸＢが構成され、複数の検出ヘッド１４Ｙ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｙ、及びＹ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２からＹ軸のエンコーダ１０ＹＢが構成されている。そして、Ｘ軸のエンコーダ１０ＸＢ、Ｙ軸のエンコーダ１０ＹＢ、及び計測値切り替え部８０Ｘ，８０Ｙからエンコーダ装置８Ｂが構成されている。主制御装置１２０は、エンコーダ装置８Ｂから供給される相対位置の情報に基づいて、計測フレーム１５０（投影光学系ＰＬ）に対するウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置、及びθｚ方向の回転角等の情報を求め、この情報に基づいてステージ駆動系１２４を介してウエハステージＷＳＴを駆動する。

そして、露光装置ＥＸの露光時には、先ずレチクルＲ及びウエハＷのアライメントが行われる。その後、レチクルＲへの照明光ＩＬの照射を開始して、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパターンの一部の像をウエハＷの表面の一つのショット領域に投影しつつ、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとを投影光学系ＰＬの投影倍率βを速度比としてＹ方向に同期して移動（同期走査）する走査露光動作によって、そのショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。その後、ウエハステージＷＳＴを介してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作と、上記の走査露光動作とを繰り返すことによって、液浸法でかつステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの全部のショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。

この際に、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙにおいては、計測光及び回折光の光路長はレーザ干渉計に比べて短いため、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙを用いた計測値に対する空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、本実施例のエンコーダ装置８Ｂ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）が格段に優れているため、レチクルＲのパターン像をウエハＷに高精度に転写できる。さらに、検出ヘッド１４Ｘ，１４ＹはＺ方向の高さを低くコンパクトに構成できるため、計測フレーム１５０の底面等に複数の検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙを容易に設置できる。

なお、本実施例では、計測フレーム１５０側に検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ等を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に回折格子１２Ｘ１，１２Ｙ１等を配置している。この他の構成として、計測フレーム１５０側に回折格子１２Ｘ１，１２Ｙ１等を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ等を配置してもよい。
また、上記の実施例の露光装置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８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、上記の実施例の露光装置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）に転写し、その基板を現像するリソグラフィ工程と、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工程（ステップ２２４のエッチング等）とを含んでいる。この際に、上記の実施例によれば、露光装置のウエハステージＷＳＴ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への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光装置にも適用することができる。

また、上記の実施形態又は実施例のエンコーダ１０Ｘ，１０Ｙは、露光装置以外の検査装置又は計測装置等の検査又は加工対象の物体用の光学系を備えた光学装置において、その物体の相対移動量を計測するために適用することができる。
なお、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ことは勿論である。

ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＭＸ１，ＭＸ２…計測光、ＤＸ１，ＤＸ２…±１次回折光、ＥＸ２，ＥＸ…±１次回折光、１０Ｘ…Ｘ軸のエンコーダ、１２Ｘ…Ｘ軸の回折格子、１４Ｘ…Ｘ軸の検出ヘッド、１６…レーザ光源、２４Ａ，２４Ｂ…段差ミラー、２６Ａ，２６Ｂ…直角プリズム、４０Ｘ，４０Ｙ…光電センサ、４２Ｘ，４２Ｙ…計測演算部

この場合、格子パターン１２ＸａのＸ方向の周期をｐ、計測光ＭＸ１が格子パターン面１２Ｘｂに垂直に入射した場合の＋１次回折光ＤＸ１の回折角をφｄ（反時計回りの角度）とすると、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の平均波長λを用いて回折角φｄは次の関係を満たす。
ｐ・sin φｄ＝λ …（１）
本実施形態では、計測光ＭＸ１は入射角αで回折格子１２Ｘに入射するため、入射した計測光ＭＸ１による回折格子１２Ｘからの＋１次回折光ＤＸ１の回折角φ１は、次のようにほぼ回折角φｄよりも角度αだけ大きくなる。

Claims (11)

1. 第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動する第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、
   前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、
   第１計測光を前記回折格子の格子パターン面にほぼ垂直に入射させる光源部と、
   前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられるとともに、互いに直交する第１及び第２の反射面を持ち、前記回折格子から前記第１計測光によって発生する第１回折光を、前記２つの反射面を介して前記第１方向に直交する第２方向へのシフト成分を含むように前記回折格子に再度入射させる第１の二面反射部材と、
   前記回折格子から前記第１回折光によって前記格子パターン面にほぼ垂直に発生する第２回折光と他の回折光又は参照光との干渉光を検出する光電検出器と、
   前記光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の相対移動量を求める計測部と、
   を備えることを特徴とするエンコーダ装置。
2. 前記光源部は前記第１計測光と可干渉性のある第２計測光をも前記回折格子の格子パターン面にほぼ垂直に入射させ、
   前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられるとともに、互いに直交する第３及び第４の反射面を持ち、前記回折格子から前記第２計測光によって前記第１回折光とほぼ対称に発生する第３回折光を、前記２つの反射面を介して前記第２方向へのシフト成分を含むように前記回折格子に再度入射させる第２の二面反射部材と、を備え、
   前記光電検出器は、前記第２回折光と、前記回折格子から前記第３回折光によって前記格子パターン面にほぼ垂直に発生する第４回折光との干渉光を検出することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
3. 前記格子パターン面に平行で互いに高さの異なる第５及び第６の反射面を持つ第１の平行反射部材を備え、
   前記回折格子から発生する前記第１回折光を、前記第１の平行反射部材の前記第５の反射面、前記第１の二面反射部材の前記第１の反射面及び前記第２の反射面、並びに前記第１の平行反射部材の前記第６の反射面を介して前記回折格子に再度入射させることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ装置。
4. 前記第１計測光及び前記第２計測光の前記回折格子に対する第１及び第２の入射位置は前記第１方向にずれており、
   前記格子パターン面に平行で互いに高さの異なる第７及び第８の反射面を持つ第２の平行反射部材を備え、
   前記回折格子から発生する前記第２計測光の前記第３回折光を、前記第２の平行反射部材の前記第７の反射面、前記第２の二面反射部材の前記第３の反射面及び前記第４の反射面、並びに前記第２の平行反射部材の前記第８の反射面を介して前記回折格子の前記第３の入射位置に再度入射させることを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ装置。
5. 前記光源部から前記回折格子に対して出射される前記第１計測光及び前記第２計測光を、前記格子パターン面の法線方向に対して前記第１方向に所定角度傾斜させる角度調整部材を備えることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ装置。
6. 第１の二面反射部材の入射面の法線方向は、前記所定角度の１／２の角度で補正されていることを特徴とする請求項５に記載のエンコーダ装置。
7. 前記第１計測光の前記第１回折光及び前記第２回折光は前記回折格子による１次回折光であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
8. 前記第１及び第２の二面反射部材はそれぞれ直角プリズムであることを特徴とする請求項２又は５に記載のエンコーダ装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、
   対象物用の光学系と、を備えることを特徴とする光学装置。
10. パターンを被露光体に露光する露光装置であって、
    フレームと、
    前記被露光体を支持するとともに前記フレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージと、
    前記第１方向への前記ステージの相対移動量を計測するための請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、を備えることを特徴とする露光装置。
11. リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程で、請求項１０に記載の露光装置を用いて物体を露光することを特徴とするデバイス製造方法。

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