JPH11257919A - 測定装置および測定方法、並びに露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、変位する物体の変位量を高精度で計
測する測定方法および装置に関し、反射鏡の反射面での
リタデーションによる誤差光の発生や偏光分離素子での
消光比が低いことに起因した誤差光の発生を防止して高
精度の変位測定ができる光波干渉測定を用いた測定方法
および装置を提供することを目的とする。 【解決手段】光源１からの光を偏光分離素子４６で分離
してＰ偏光の光を測定光として測定光路上に移動可能に
設けられた移動鏡１２で反射させ、Ｓ偏光の光を参照光
として参照光路に固定された固定鏡１１で反射させ、測
定光路を通過した測定光と参照光路を通過した参照光と
を干渉させて光電素子６で検出し、移動鏡１２の変位を
測定する測定装置において、偏光方位に応じて屈折角が
異なる光分離素子５６を、測定光路および参照光路の少
なくとも一方の光路に設けるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変位する物体の変
位量を高精度で計測することができる光波干渉測定を用
いた測定方法および装置に関する。また、基板を載置し
て移動するステージの移動量を測長する光波干渉方式の
測定装置を備え、半導体装置あるいは液晶表示装置等を
製造する際のフォトリソグラフィ工程で用いられる露光
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の変位測定を行う測定装置の代表例
として従来の光波干渉測定装置を図７を用いて説明す
る。図７において、光源１は、互いに周波数がわずかに
異なる周波数ｆ１の光と周波数ｆ１’の光とを射出す
る。射出される周波数ｆ１の光と周波数ｆ１’の光は、
偏光方位が互いに直交した直線偏光であり、周波数ｆ１
の光は図７の紙面に対して平行な偏光方位を有し、周波
数ｆ１’の光は紙面に垂直な偏光方位を有している。光
源１を射出した周波数ｆ１、ｆ１’の光は偏光分離素子
４６に入射し、周波数ｆ１の光は偏光分離素子４６を透
過して、Ｐ偏光の光として測定光路に進む測定光とな
り、周波数ｆ１’の光は偏光分離素子４６で反射して、
Ｓ偏光の光として参照光路に進む参照光となる。

【０００３】偏光分離素子４６で反射した周波数ｆ１’
の光は、波長板（１／４波長板）３１を透過して固定鏡
１１に至り、固定境１１で反射して再び波長板３１を透
過する。周波数ｆ１’の光は波長板３１を２回透過する
ので偏光方位が９０度回転させられ、Ｐ偏光の光となっ
て偏光分離素子４６を透過する。偏光分離素子４６を透
過した周波数ｆ１’の光は反射鏡（コーナー・キューブ
・プリズム）４１で光路をずらされて反射し、再び偏光
分離素子４６を透過する。偏光分離素子４６を透過した
周波数ｆ１’の光は、波長板３１を透過して固定鏡１１
に至り、固定境１１で反射して再度波長板３１を透過す
る。ここでも周波数ｆ１’の光は波長板３１を２回透過
するので偏光方位が９０度回転させられてＳ偏光の光に
なり、今度は偏光分離素子４６で反射して偏光素子５１
に向かう。

【０００４】一方、偏光分離素子４６を透過した周波数
ｆ１の光は、波長板（１／４波長板）３２を透過して移
動鏡１２に至り、移動境１２で反射して再び波長板３２
を透過する。Ｐ偏光の光である周波数ｆ１の光は波長板
３２を２回透過することになるので偏光方位が９０度回
転させられて、Ｓ偏光の光となって偏光分離素子４６で
反射する。偏光分離素子４６で反射した周波数ｆ１の光
は反射鏡４１で光路をずらされて反射し、再び偏光分離
素子４６で反射する。偏光分離素子４６で反射した周波
数ｆ１の光は、再び波長板３２を透過して移動鏡１２に
至り、移動境１２で反射して再度波長板３２を透過す
る。ここでも周波数ｆ１の光は波長板３２を２回透過す
るので、偏光方位が９０度回転させられてＰ偏光の光と
なる。従って、周波数ｆ１の光は再び偏光分離素子４６
に入射すると、今度は偏光分離素子４６を透過する。周
波数分離素子４６を透過した周波数ｆ１の光は、周波数
ｆ１’の光と同軸になって偏光素子５１に向かう。

【０００５】偏光分離素子４６を射出して同軸となって
偏光素子５１に到達した周波数ｆ１、ｆ１’の光は、偏
光素子５１で干渉し、その干渉光が受光素子６で電気信
号に変換されて測定ビート信号として位相計２１に出力
される。光源１からは周波数ｆ１との光と周波数ｆ１’
の光の干渉信号が参照ビート信号として位相計２１に出
力されている。位相計２１では、参照ビート信号に対す
る測定ビート信号の位相変化を検出し、移動鏡１２の図
７中の矢印方向の光路長変化が求められる。

【０００６】ところで、この光波干渉測定装置は、主と
してＸ−Ｙ面内を２次元移動するステージ装置の位置検
出系として利用されている。特に、超精密加工が要求さ
れる工作機械のステージ装置や、半導体装置あるいは液
晶表示装置等を製造する際のフォトリソグラフィ工程で
用いられる露光装置のステージ装置の位置決め装置とし
て、光波干渉測定装置が広く用いられている。とりわけ
微細なパターンを正確に重ね合わせて素子を形成する半
導体装置の製造工程や液晶表示装置の製造工程では、半
導体ウェハやガラス基板（以下、ウェハという）を載置
して２次元移動するステージ装置の移動量をｎｍ（ナノ
メートル）オーダの測定分解能で計測する必要があるた
め、原理的に高い精度で測長が可能な光波干渉測装置を
ステージの位置決め装置として用いてきている。

【０００７】この光波干渉測定装置をステージの位置決
め装置として搭載した露光装置として、レチクルあるい
はマスク（以下、レチクルという）に形成された回路パ
ターンを投影光学系を介してウェハ上に投影露光する投
影露光装置がある。この投影露光装置としては種々の方
式のものがあるが、例えば半導体装置の製造の場合、レ
チクルの回路パターン全体を一度に投影し得るイメージ
フィールドを持つ投影光学系を介してウェハをステップ
・アンド・リピート方式で露光する投影露光装置と、レ
チクルを１次元に走査しつつ、ウェハをそれと同期した
速度で１次元に走査させる、いわゆるステップ・アンド
・スキャン方式の投影露光装置とがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】さて、以上説明してき
たように光波干渉測定装置は、露光装置のステージ装置
を初めとする超精密位置決めに多用されているが、次に
示す問題を有している。すなわち、図７に示した従来の
光波干渉測定装置において、例えばコーナー・キューブ
・プリズムからなる反射鏡４１の反射面には、リタデー
ション（位相遅れ）を低減させるためにＡｌ（アルミニ
ウム）等の金属によるコーティングが施されている。し
かしながら、現実には金属コートを施しても反射鏡４１
のリタデーションを完全になくすことはできず、高精度
な変位測定を行おうとする場合には、この反射鏡４１で
のリタデーションに基づく誤差が無視できなくなる。

【０００９】上述したように本来、移動鏡１２で反射し
た測定光は反射鏡４１に入射する際にはＳ偏光になり、
固定鏡１１で反射した参照光は反射鏡４１に入射する際
にはＰ偏光となる。ところが、反射鏡４１の反射面で反
射したこれらの光は当該反射面でのリタデーションによ
り楕円偏光になり、参照光の反射光はＰ偏光と弱いＳ偏
光の光を含み、測定光の反射光はＳ偏光と弱いＰ偏光の
光を含んで反射鏡４１を射出する。この反射鏡４１での
リタデーションにより生じる弱いＳ偏光成分の光および
弱いＰ偏光成分の光はそのまま測定光路や参照光路に同
軸で入射して誤差光となり、この誤差光が位相計２１で
検出されてしまうことにより測定された変位量に誤差が
重畳してしまうという問題を生じる。

【００１０】また、偏光分離素子４６の消光比は現実に
は完全ではなく、Ｐ偏光の光とＳ偏光の光とを完全に分
離することができない。従って、偏光分離素子４６の消
光比に起因して、偏光分離素子４６と移動鏡１２との間
の測定光路中を多数回往復する誤差光が生じて、高精度
な変位測定ができなくなるという問題が生じる。

【００１１】本発明の目的は、反射鏡の反射面でのリタ
デーションによる誤差光の発生を防止して高精度の変位
測定ができる光波干渉測定を用いた測定方法および装置
を提供することにある。また、本発明の目的は、偏光分
離素子での消光比が低いことに起因した誤差光の発生を
防止して高精度の変位測定ができる光波干渉測定を用い
た測定方法および装置を提供することにある。さらに、
本発明の目的は、高精度な変位測定が可能となる光波干
渉方式の測定装置を備えた露光装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、偏光方位が
互いに直交した２つの光の一方を測定光として測定光路
上に移動可能に設けられた移動鏡で反射させ、他方を参
照光として参照光路に固定された固定鏡で反射させ、測
定光路を通過した測定光と参照光路を通過した参照光と
を干渉させて光電検出し、移動鏡の変位を測定する測定
装置において、偏光方位に応じて屈折角が異なる光分離
素子を、測定光路および参照光路の少なくとも一方の光
路に設けたことを特徴とする測定装置によって達成され
る。

【００１３】本発明の測定装置において、直線偏光の光
を射出する光源と、直線偏光の光を測定光と参照光とに
分離する偏光分離素子とを含み、光分離素子は、移動鏡
および固定鏡の少なくとも一方と偏光分離素子との間に
配置されていることを特徴とする。また、光分離素子
は、偏光分離素子の消光比に基づく誤差光を分離するこ
とを特徴とする。また、本発明の測定装置において、測
定光路および参照光路の少なくとも一方の光路に設けら
れた波長板を有し、光分離素子は、波長板と偏光分離素
子との間に配置されていることを特徴とする。

【００１４】さらに、本発明の測定装置において、少な
くとも測定光を移動鏡で複数回反射させるように、測定
光路に設けられた反射鏡を含み、光分離素子は、反射鏡
と偏光分離素子との間に設けられていることを特徴とす
る。そして、光分離素子は、反射鏡でのリタデーション
により生じた誤差光を分離することを特徴とする。ま
た、本発明の測定装置において、偏光方位が互いに直交
した２つの光は、各々周波数が異なっていることを特徴
とする。さらに、光源は、少なくとも測定光路の気体の
屈折率変動を測定して移動鏡の変位を補正する屈折率変
動測定用の光を射出することを特徴とする。

【００１５】本発明の測定装置において、光分離素子
は、異方性を有する結晶であることを特徴とし、例えば
ウォラストンプリズムであることを特徴とする。さら
に、本発明の測定装置において、光分離素子で分離され
た誤差光を遮光する遮光手段が設けられていることを特
徴とする。

【００１６】また、上記目的は、偏光方位が互いに直交
した２つの光の一方を測定光として測定光路上に移動可
能に設けられた移動鏡で反射させ、他方を参照光として
参照光路に固定された固定鏡で反射させ、測定光路を通
過した測定光と参照光路を通過した参照光とを干渉させ
て光電検出し、移動鏡の変位を測定する測定方法におい
て、偏光方位に応じて屈折角が異なる光分離素子を測定
光路および参照光路の少なくとも一方の光路に配置し
て、当該光路で生じた誤差光を分離することを特徴とす
る測定方法によって達成される。

【００１７】このように本発明の測定方法および装置に
よれば、常光線と異常光線の光を異なる方向に射出する
異方性を有する光分離素子を所定の光路中に挿入するよ
うにしているので、例えば偏光分離素子と反射鏡との間
に光分離素子を挿入した場合を例にとれば、反射鏡での
リタデーションにより楕円偏光になった測定光あるいは
参照光に含まれた不必要な偏光成分の光（誤差光）を光
分離素子で分離することができる。さらに分離した誤差
光の光路は、測定光路および参照光路と同軸にならない
ので、本来の測定光と参照光とを干渉させて高精度な変
位測定ができるようになる。

【００１８】さらに、上記目的は、パターンが形成され
たレチクルを載置して移動可能なレチクルステージと、
レチクルステージの位置を測定するレチクルステージ側
測定手段と、基板を載置して移動可能な基板ステージ
と、基板ステージの位置を測定する基板ステージ側測定
手段とを有し、パターンの像を基板に転写する露光装置
において、レチクルステージ側測定手段と基板ステージ
側測定手段の少なくとも一方は、上記本発明の測定装置
を備えていることを特徴とする露光装置によって達成さ
れる。また、上記の構成要素を電気的、機械的または光
学的に連結することで、本発明にかかる露光装置が組み
上げられる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
光波干渉測定における測定方法および装置を図１および
図２を用いて説明する。まず、本実施の形態による光波
干渉測定装置の全体構成を図１を用いて説明する。図１
において、光源１は、互いに周波数がわずかに異なる周
波数ｆ１の光と周波数ｆ１’の光とを射出する。射出さ
れる周波数ｆ１の光と周波数ｆ１’の光は、偏光方位が
互いに直交した直線偏光であり、周波数ｆ１の光は図１
の紙面に対して平行な偏光方位を有し、周波数ｆ１’の
光は紙面に垂直な偏光方位を有している。光源１を射出
した周波数ｆ１、ｆ１’の光は偏光分離素子４６に入射
し、周波数ｆ１の光は偏光分離素子４６を透過して、Ｐ
偏光の光として測定光路に進む測定光となり、周波数ｆ
１’の光は偏光分離素子４６で反射して、Ｓ偏光の光と
して参照光路に進む参照光となる。

【００２０】ここで、図１の破線１０１で示したブロッ
ク内の構成および光路をより詳細に示した図２を用いて
説明する。偏光分離素子４６で反射した周波数ｆ１’の
光は、波長板３１を透過して固定鏡（平面鏡）１１に至
り、固定境１１で反射して再び波長板３１を透過する。
Ｓ偏光の周波数ｆ１’の光は波長板３１を２回透過して
その偏光方位が９０度回転させられてＰ偏光の光となっ
て偏光分離素子４６を透過する。偏光分離素子４６を透
過した周波数ｆ１’の光は、偏光分離素子４６と反射鏡
４１との間に設けられた光分離素子５６に入射する。光
分離素子５６は、常光線と異常光線の光を異なる方向に
射出する異方性を有する結晶であり、例えばウォラスト
ンプリズムが用いられている。また、光分離素子５６
は、Ｓ偏光の入射光をほぼそのまま透過させ、Ｐ偏光の
光を斜めに射出させるように配置されている。

【００２１】従って、光分離素子５６に入射したＰ偏光
の周波数ｆ１’の光は光分離素子５６から斜めに射出し
て反射鏡４１に入射し、光路をずらされて反射する。こ
こで、周波数ｆ１’の光は反射鏡４１でのリタデーショ
ンにより弱いＳ偏光成分（誤差光２０１）を含む楕円偏
光となるが、再び光分離素子５６に斜めから入射する
と、本来のＰ偏光の光は入射方向に対して斜めに射出さ
れて偏光分離素子４６に向かい、誤差光２０１となるＳ
偏光成分の光は光分離素子５６をほぼそのまま透過して
Ｐ偏光の光と分離される。この誤差光２０１は、光分離
素子５６と偏光分離素子４６との間に設けられた遮光板
１１０で遮光される。このように、光分離素子５６が偏
光分離素子４６と反射鏡４１との間に配置されているこ
とにより、反射鏡４１でのリタデーションにより生じた
Ｐ偏光の周波数ｆ１’の光の誤差光２０１を参照光路か
ら分離することができるようになる。

【００２２】さて、誤差光２０１が除去されたＰ偏光の
周波数ｆ１’の光は偏光分離素子４６を透過し、波長板
３１を透過して固定鏡１１に至り、固定境１１で反射し
て再度波長板３１を透過する。ここで周波数ｆ１’の光
は波長板３１を２回透過するので、偏光方位が９０度回
転させられてＳ偏光の光になって偏光分離素子４６で反
射する。偏光分離素子４６で反射した周波数ｆ１’の光
は反射鏡１３および偏光結合素子４７で反射して偏光素
子５１に向かう。

【００２３】一方、偏光分離素子４６を透過した周波数
ｆ１の光は、波長板３２を透過して移動鏡（平面鏡）１
２に至り、移動境１２で反射して再び波長板３２を透過
する。Ｐ偏光である周波数ｆ１の光は波長板３２を２回
透過するので、偏光方位が９０度回転させられてＳ偏光
の光となって偏光分離素子４６で反射する。偏光分離素
子４６で反射した周波数ｆ１の光は、偏光分離素子４６
と反射鏡４１との間に設けられた光分離素子５６に入射
する。上述のように光分離素子５６は、Ｓ偏光の入射光
をほぼそのまま透過させ、Ｐ偏光の光を斜めに射出させ
るように配置されている。従って、光分離素子５６に入
射した測定光であるＳ偏光の周波数ｆ１の光は光分離素
子５６をそのまま透過し、参照光であるＰ偏光の周波数
ｆ１’の光と分離されて反射鏡４１に入射して光路をず
らされて反射する。

【００２４】ここで、周波数ｆ１の光は反射鏡４１での
リタデーションにより弱いＰ偏光成分（誤差光２０２）
を含む楕円偏光となるが、再び光分離素子５６に入射し
て本来のＳ偏光の光はそのまま透過して偏光分離素子４
６に向かい、誤差光２０２となるＰ偏光成分の光は光分
離素子５６で分離されて斜めに射出する。この誤差光２
０２も、光分離素子５６と偏光分離素子４６との間に設
けられた遮光板１１０で遮光される。このように、偏光
分離素子４６と反射鏡４１との間に光分離素子５６を配
置したことにより、反射鏡４１でのリタデーションによ
り生じたＳ偏光の周波数ｆ１の光の誤差光２０２を測定
光路から分離することができるようになる。

【００２５】誤差光２０２が除去されたＳ偏光の周波数
ｆ１の光は偏光分離素子４６で反射して、波長板３２を
透過して移動鏡１２に至り、移動境１２で反射して再度
波長板３２を透過する。ここで周波数ｆ１の光は波長板
３２を２回透過するので、偏光方位が９０度回転させら
れてＰ偏光の光になって偏光分離素子４６を透過する。
偏光分離素子４６を透過した周波数ｆ１の光は偏光結合
素子４７を透過して周波数ｆ１’の光と同軸になって偏
光素子５１に向かう。

【００２６】図１に戻って、偏光結合素子４７を射出し
て同軸となって偏光素子５１に到達した周波数ｆ１、ｆ
１’の光は、偏光素子５１により干渉し、その干渉光が
受光素子６で電気信号に変換されて測定ビート信号とし
て位相計２１に出力される。光源１からは周波数ｆ１と
の光と周波数ｆ１’の光の干渉信号が参照ビート信号と
して位相計２１に出力されている。位相計２１では、参
照ビート信号に対する測定ビート信号の位相変化を検出
し、移動鏡１２の図１中の矢印方向の光路長変化が求め
られる。

【００２７】以上説明したように、本実施の形態による
測定方法および装置では、偏光方位に応じて屈折角が異
なる光分離素子５６を測定光路および参照光路の共通光
路に配置して、本来の偏光方位と異なる成分の光をそれ
ぞれの光路から分離するようにしている。このように、
異方性を有する光分離素子５６を偏光分離素子４６と反
射鏡４１との間に挿入したことにより、反射鏡４１での
リタデーションにより楕円偏光になった測定光あるいは
参照光に含まれる誤差光２０１、２０２を光分離素子５
６で分離することができるようになる。さらに、本実施
の形態では、分離した誤差光を遮光する遮光板１１０を
設けているので確実に誤差光２０１、２０２を除去する
ことができる。

【００２８】次に、本発明の第２の実施の形態による光
波干渉測定における測定方法および装置を図３を用いて
説明する。図３は、本実施の形態による光波干渉測定装
置の概略の構成を示している。本実施の形態の光波干渉
による測定方法および装置は、第１の実施の形態による
光波干渉測定装置における測定光路上および参照光路上
の空気等の気体の屈折率変動量を、異なる２つの周波数
の光を用いて測定して補正することにより移動鏡の極め
て正確な変位量が測定できる点に特徴を有している。

【００２９】本実施の形態では、図１および図２を用い
て説明した第１の実施の形態による光波干渉測定装置に
屈折率変動量測定系を付加した構成について説明する。
図３において、光源１は、図３の紙面に平行な偏光方位
を有する周波数ｆ１の光と、紙面に垂直な偏光方位を有
する周波数ｆ１’（＝ｆ１＋Δｆ）の光を同軸で射出す
る。光源１から射出された周波数ｆ１、ｆ１’の光は、
周波数結合素子６７に入射する。

【００３０】光源２は周波数ｆ２の光と、周波数ｆ２の
光を第２高調波に変換した周波数ｆ３（＝２・ｆ２）の
光を射出する。周波数ｆ２の光と周波数ｆ３の光とは、
互いに偏光方位が同じで、且つ周波数ｆ１の光の偏光方
位に対して４５°傾くように調節されている。周波数ｆ
２の光は反射鏡１４で光路を折り曲げられて周波数結合
素子６６にて周波数ｆ３の光と同軸にされ、周波数ｆ
２、ｆ３の光は周波数結合素子６７に入射して周波数ｆ
１、ｆ１’の光と同軸に結合され、偏光分離素子４８に
入射する。偏光分離素子４８ではＰ偏光成分の光は透過
しＳ偏光成分の光は反射される。従って、紙面に平行な
偏光方位を有する周波数ｆ１の光はＰ偏光の光として偏
光分離素子４８を透過して測定光路に向かい、紙面に垂
直な偏光方位を有する周波数ｆ１’の光は偏光分離素子
４８で反射して参照光路に向かう。また、周波数ｆ２の
光と周波数ｆ３の光は共に周波数ｆ１の光に対して４５
°傾いた偏光方位を有しているので偏光分離素子４８で
それぞれが透過光と反射光とに分割される。

【００３１】測定光路に進んだＰ偏光の周波数ｆ１、ｆ
２、ｆ３の光は、これら周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光に
対して１／４波長板として機能する波長板３４を透過し
てそれぞれ移動鏡１２に入射する。移動鏡１２で反射し
た円偏光の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は、再び波長板
３４を透過して偏光分離素子４８に入射する。ここで周
波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は、波長板３４を２回透過す
るので偏光方位が９０°回転してＳ偏光の光となり偏光
分離素子４８で反射する。その後、偏光分離素子４８と
反射鏡４２との間に設けられた光分離素子５７に入射す
る。光分離素子５７は、常光線と異常光線の光を異なる
方向に射出する異方性を有する結晶であり、例えばウォ
ラストンプリズムが用いられている。

【００３２】また、光分離素子５７は、Ｓ偏光の入射光
をほぼそのまま透過させ、Ｐ偏光の光を斜めに射出させ
るように配置されている。従って、光分離素子５７に入
射した測定光であるＳ偏光の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の
光は、光分離素子５７をそのまま透過して反射鏡４２に
入射し光路をずらされて反射する。ここで、周波数ｆ
１、ｆ２、ｆ３の光は反射鏡４２でのリタデーションに
より弱いＰ偏光成分（誤差光）を含む楕円偏光となる
が、再び光分離素子５７に入射して本来のＳ偏光の光は
そのまま透過して偏光分離素子４８に向かい、誤差光と
なるＰ偏光成分の光は光分離素子５７で分離されて斜め
に射出する（図示を省略）。このように、光分離素子５
７が偏光分離素子４８と反射鏡４２との間に配置されて
いることにより、反射鏡４２でのリタデーションにより
生じたＳ偏光の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光の誤差光を
測定光路から分離することができるようになる。

【００３３】誤差光が除去されたＳ偏光の周波数ｆ１、
ｆ２、ｆ３の光は偏光分離素子４８で反射して、波長板
３４を透過して移動鏡１２に至り、移動境１２で反射し
て再度波長板３４を透過する。ここで周波数ｆ１、ｆ
２、ｆ３の光は波長板３４を２回透過するので、偏光方
位が９０度回転させられてＰ偏光の光になって偏光分離
素子４８を透過する。偏光分離素子４８を透過した周波
数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は周波数分離素子６８に入射す
る。

【００３４】周波数分離素子６８は、周波数ｆ１近傍の
光を透過させ、周波数ｆ２と周波数ｆ３の光を反射させ
る性質を有しており、従って、周波数ｆ１の光は周波数
分離素子６８を透過して偏光結合素子４７に向かい、周
波数ｆ２、ｆ３の光は波長板３５に向かうように分離さ
れる。

【００３５】周波数分離素子６８で反射された、測定光
路を通った周波数ｆ２、ｆ３の光のうち、周波数の低い
周波数ｆ２の光は周波数変換素子６１により周波数ｆ
３’（＝２・ｆ２）の光に変換され、測定光路を通った
周波数ｆ３の光と干渉し、その干渉光が受光素子７によ
り受光され、屈折率変動の測定信号として位相計２２に
入力される。

【００３６】一方、偏光分離素子４８で反射した周波数
ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、波長板３３を透過して固定
鏡１１に至り、固定境１１で反射して再び波長板３３を
透過する。周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は、波長板３
３を２回透過するので偏光方位が９０度回転させられて
Ｐ偏光の光となって、偏光分離素子４８を透過する。偏
光分離素子４８を透過した周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の
光は光分離素子５７に入射する。光分離素子５７は、Ｓ
偏光の入射光をほぼそのまま透過させ、Ｐ偏光の光を斜
めに射出させるように配置されているので、光分離素子
５７に入射したＰ偏光の周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光
は光分離素子５７から斜めに射出して反射鏡４２に入射
して光路をずらされて反射する。

【００３７】ここで、周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は
反射鏡４２でのリタデーションにより弱いＳ偏光成分
（誤差光）を含む楕円偏光となるが、再び光分離素子５
７に入射すると本来のＰ偏光の光は入射方向に対して斜
めに射出されて偏光分離素子４６に向かい、誤差光とな
るＳ偏光成分の光は光分離素子５７をほぼそのまま透過
して本来のＰ偏光の光と分離される（図示を省略）。こ
のように、光分離素子５７が偏光分離素子４８と反射鏡
４２との間に配置されていることにより、反射鏡４２で
のリタデーションにより生じたＰ偏光の周波数ｆ１’、
ｆ２、ｆ３の光の誤差光を参照光路から分離することが
できるようになる。

【００３８】誤差光が除去されたＰ偏光の周波数ｆ
１’、ｆ２、ｆ３の光は偏光分離素子４８を透過し、波
長板３３を透過して固定鏡１１に至り、固定境１１で反
射して再度波長板３３を透過する。ここで周波数ｆ
１’、ｆ２、ｆ３の光は波長板３３を２回透過するの
で、偏光方位が９０度回転させられてＳ偏光の光になっ
て偏光分離素子４８で反射する。偏光分離素子４８で反
射した周波数ｆ１’、ｆ２、ｆ３の光は周波数分離素子
６９に向かう。

【００３９】周波数分離素子６９は、周波数ｆ１’近傍
の光を透過させ、周波数ｆ２と周波数ｆ３の光を反射さ
せる性質を有しており、従って、周波数ｆ１’の光は周
波数分離素子６９を透過して反射鏡１３を介して偏光結
合素子４７に向かい、周波数ｆ１の光と同軸にされて偏
光素子５１に入射する。周波数分離素子６９で反射した
周波数ｆ２、ｆ３の光は波長板３６に向かうように分離
される。周波数分離素子６９で反射された、参照光路を
通った周波数ｆ２、ｆ３の光のうち、周波数の低い周波
数ｆ２の光は周波数変換素子６２により周波数ｆ３’
（＝２・ｆ２）の光に変換されて参照光路を通った周波
数ｆ３の光と干渉し、その干渉光が受光素子８により受
光され、屈折率変動の参照信号として位相計２２に入力
される。

【００４０】一方、偏光結合素子４７で同軸にされた周
波数ｆ１の光と周波数ｆ１’の光は偏光素子５１を透過
して干渉し、その干渉光が受光素子６で受光されて測定
ビート信号として位相計２１に入力される。また、光源
１からは周波数ｆ１、ｆ１’の光の一部を干渉させた参
照ビート信号が位相計２１に入力される。位相計２１で
は測定ビート信号と参照ビート信号から移動鏡１２の変
位量を求め、演算器２３に出力する。また、位相計２２
では測定信号と参照信号から測定光路および参照光路で
生じた空気等の気体の屈折率変動量を求め、演算器２３
に出力する。演算器２３では位相計２１からの移動鏡１
２の変位量と位相計２２からの屈折率変動量を演算する
ことにより移動鏡１２の真の変位量を求める。

【００４１】以上説明したように、本実施の形態による
測定方法および装置によれば、測定光路および参照光路
で生じた気体の屈折率変動を補正した高精度な変位測定
が行えると共に、光分離素子５７を測定光路および参照
光路の共通光路に配置することにより、周波数ｆ１、ｆ
１’の光だけでなく屈折率変動の測定に用いる周波数ｆ
２、ｆ３の光に生じる誤差光も除去できるようになる。

【００４２】次に、本発明の第３の実施の形態による光
波干渉測定における測定方法および装置を図４を用いて
説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における
図１および図２に示した破線１０１で示したブロック内
の構成および光路の変形例であり、偏光分離素子４６と
移動鏡１２との間、および偏光分離素子４６と固定鏡１
１との間に光分離素子を配置した点に特徴を有してい
る。図４は図１の破線１０１に対応する破線１０２を示
しており、図１および図２を用いて説明した構成要素と
同一の機能作用を有するものには同一の符号を付してそ
の説明は省略する。

【００４３】図４に示すように、偏光分離素子４６で反
射したＳ偏光の周波数ｆ１’の光は、偏光分離素子４６
と波長板３１との間に設けられた光分離素子５８に入射
する。光分離素子５８は、第１の実施の形態における光
分離素子５６と同様に常光線と異常光線の光を異なる方
向に射出する異方性を有する結晶であり、例えばウォラ
ストンプリズムが用いられている。また、光分離素子５
８は、Ｓ偏光の入射光をほぼそのまま透過させ、Ｐ偏光
の光を斜めに射出させるように配置されている。従っ
て、光分離素子５８に入射したＳ偏光の周波数ｆ１’の
光は光分離素子５８を直進して射出し、波長板３１を透
過して固定鏡１１で反射する。固定鏡１１で反射して波
長板３１を透過した周波数ｆ１’の光は、Ｐ偏光の光と
なって再び光分離素子５８に入射して光分離素子５８か
ら斜めに射出する。この斜めに射出した周波数ｆ１’の
光は偏光分離素子４６を透過して反射鏡４１に入射して
光路をずらされ、再び偏光分離素子４６を透過して光分
離素子５８に入射する。

【００４４】このとき、周波数ｆ１’の光は反射鏡４１
でのリタデーションにより弱いＳ偏光成分（誤差光２０
１）を含む楕円偏光となるが、この光が光分離素子５８
に斜めから入射すると、本来のＰ偏光の光は入射方向に
対して斜めに射出されて波長板３１に向かい、誤差光と
なるＳ偏光成分の光は光分離素子５８をほぼそのまま透
過してＰ偏光の光と分離される。このように、光分離素
子５８が偏光分離素子４６と波長板３１との間に配置さ
れていることにより、反射鏡４１でのリタデーションに
より生じたＰ偏光の周波数ｆ１’の光の誤差光２０１を
参照光路から分離することができるようになる。

【００４５】一方、偏光分離素子４６を透過したＰ偏光
の周波数ｆ１の光は、偏光分離素子４６と波長板３２と
の間に設けられた光分離素子５９に入射する。光分離素
子５９も光分離素子５８と同様に常光線と異常光線の光
を異なる方向に射出する異方性を有する結晶であり、例
えばウォラストンプリズムが用いられている。また、光
分離素子５９は、Ｐ偏光の入射光をほぼそのまま透過さ
せ、Ｓ偏光の光を斜めに射出させるように配置されてい
る。従って、光分離素子５９に入射したＰ偏光の周波数
ｆ１の光は光分離素子５９を直進して射出し、波長板３
２を透過して移動鏡１２で反射する。移動鏡１２で反射
して波長板３２を透過した周波数ｆ１の光は、Ｓ偏光の
光となって再び光分離素子５９に入射して光分離素子５
９から斜めに射出し、偏光分離素子４６で反射して反射
鏡４１に入射して光路をずらされて、再び偏光分離素子
４６で反射して光分離素子５９に入射する。

【００４６】このとき、周波数ｆ１の光は反射鏡４１で
のリタデーションにより弱いＰ偏光成分（誤差光２０
２）を含む楕円偏光となるが、光分離素子５９に斜めか
ら入射すると、本来のＳ偏光の光は光分離素子５９への
入射方向に対して斜めに射出されて波長板３２に向か
い、誤差光となるＰ偏光成分の光は光分離素子５９をほ
ぼそのまま透過してＳ偏光の光と分離される。このよう
に、光分離素子５９が偏光分離素子４６と波長板３２と
の間に配置されていることにより、反射鏡４１でのリタ
デーションにより生じたＳ偏光の周波数ｆ１の光の誤差
光２０２を測定光路から分離することができるようにな
る。

【００４７】このように本実施の形態においても、光分
離素子５８を参照光路に、光分離素子５９を測定光路に
それぞれ配置して、本来の偏光方位と異なる成分の光を
それぞれの光路から分離するようにしている。こうする
ことにより、反射鏡４１でのリタデーションにより楕円
偏光になった参照光あるいは測定光に含まれる誤差光２
０１、２０２を光分離素子５８、５９で分離して除去す
ることができる。また、本実施の形態では、誤差光２０
１、２０２を光分離素子５８、５９で除去するようにし
たが、偏光分離素子４６でも除去することができる。

【００４８】次に、本発明の第４の実施の形態による光
波干渉測定における測定方法および装置を図５を用いて
説明する。本実施の形態では、光源からの光を参照光と
測定光とに分離する偏光分離素子の消光比に起因して生
じる誤差光を減少させた測定方法および装置について説
明する。図５に示すように、光源３は、図５の紙面に平
行な偏光方位を有する周波数ｆ１の光と、紙面に垂直な
偏光方位を有する周波数ｆ１’（＝ｆ１＋Δｆ）の光を
同軸で射出する。光源３から射出された周波数ｆ１、ｆ
１’の光は、偏光分離素子４９に入射する。周波数ｆ１
の光はＰ偏光の光として偏光分離素子４９を透過して測
定光路へ向かい、周波数ｆ１’の光はＳ偏光の光として
偏光分離素子４９で反射して参照光路へ向かう。このと
き、偏光分離素子４９の消光比は完全ではなく、Ｐ偏光
の光とＳ偏光の光とを完全に分離することができない。
従って、偏光分離素子４９の消光比に起因して、測定光
路に向かう周波数ｆ１の光は、弱いＳ偏光の周波数ｆ
１’の光（誤差光）を含んでいる。一方、参照光路に向
かう周波数ｆ１’の光は、弱いＰ偏光の周波数ｆ１の光
（誤差光）を含んでいる。

【００４９】偏光分離素子４９を透過した周波数ｆ１の
光と周波数ｆ１’の光は、偏光分離素子４９と波長板３
８との間に設けられた光分離素子６１に入射する。光分
離素子６１は、第１の実施の形態における光分離素子５
６と同様に常光線と異常光線の光を異なる方向に射出す
る異方性を有する結晶であり、例えばウォラストンプリ
ズムが用いられている。また、光分離素子６１は、Ｐ偏
光の入射光をほぼそのまま透過させ、Ｓ偏光の光を斜め
に射出させるように配置されている。従って、光分離素
子６１に入射したＰ偏光の周波数ｆ１の光は光分離素子
６１を直進して射出し、波長板３８を透過して移動鏡１
６で反射する。一方、誤差光となる弱いＳ偏光の周波数
ｆ１’の光は光分離素子６１で光路が斜めに曲げられて
測定光路から分離されて除去される。移動鏡１６を反射
して波長板３８を透過した周波数ｆ１の光は、Ｓ偏光の
光となって再び光分離素子６１に入射して光分離素子６
１から斜めに射出し、偏光分離素子４９で反射して偏光
素子５２に入射する。

【００５０】一方、偏光分離素子４９で反射した周波数
ｆ１’の光と周波数ｆ１の光は、偏光分離素子４９と波
長板３７との間に設けられた光分離素子６０に入射す
る。光分離素子６０は、光分離素子６１と同様に常光線
と異常光線の光を異なる方向に射出する異方性を有する
結晶であり、例えばウォラストンプリズムが用いられて
いる。また、光分離素子６０は、Ｓ偏光の入射光をほぼ
そのまま透過させ、Ｐ偏光の光を斜めに射出させるよう
に配置されている。従って、光分離素子６０に入射した
Ｓ偏光の周波数ｆ１’の光は光分離素子６０を直進して
射出し、波長板３７を透過して固定鏡１５で反射する。
一方、誤差光となる弱いＰ偏光の周波数ｆ１の光は光分
離素子６０で光路が斜めに曲げられて参照光路から分離
されて除去される。

【００５１】固定鏡１５を反射して波長板３７を透過し
た周波数ｆ１’の光は、Ｐ偏光の光となって再び光分離
素子６０に入射して光分離素子６０から斜めに射出し、
偏光分離素子４９を透過して周波数ｆ１の光と同軸にな
って偏光素子５２に入射する。偏光素子５２に到達した
周波数ｆ１、ｆ１’の光は、偏光素子５２により干渉し
て受光素子９でその干渉光が電気信号に変換されて測定
ビート信号として位相計２３に出力される。光源３から
は周波数ｆ１との光と周波数ｆ１’の光の干渉信号が参
照ビート信号として位相計２３に出力されている。位相
計２３では、参照ビート信号に対する測定ビート信号の
位相変化を検出し、移動鏡１６の図５中の矢印方向の光
路長変化が求められる。このように本実施の形態によれ
ば、光分離素子６０を参照光路に、光分離素子６１を測
定光路にそれぞれ配置することにより、偏光分離素子４
９の消光比に起因した本来の偏光方位と異なる成分の光
をそれぞれの光路から分離して除去することができる。

【００５２】次に、本発明の第５の実施の形態として、
上述の第１の実施の形態による光波干渉測定における測
定装置を搭載した露光装置について図６を用いて説明す
る。図６は、本実施の形態による露光装置の概略の構成
を示している。本実施の形態では、ステップ・アンド・
スキャン方式の露光動作を採用した投影露光装置を例に
とって説明する。照明系３００は、水銀ランプ、あるい
はＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等の光
源からの照明光を、フライアイレンズ、コンデンサーレ
ンズ等を介してレチクルステージ３３０に載置されたレ
チクルＲ上に照度均一に照射するようになっている。コ
ラム３３２は、投影レンズＰＬの鏡筒を固定するコラム
（図示せず）と一体になっている。レチクルステージ３
３０は駆動系３３４によってＸ方向の一次元走査移動、
ヨーイング補正のための微少回転移動を行うことができ
るようになっている。

【００５３】レチクルステージ３３０の一端には、第１
の実施の形態で説明した光波干渉を用いた測定装置がレ
チクルステージ３３０の位置決め測長系として搭載され
ている。図６では、図１を用いて説明した光波干渉測定
装置の光源１、偏光結合素子４７、反射鏡１３、偏光素
子５１、受光素子６、および位相計２１は１つのブロッ
クとしてまとめて干渉測定系３３８として示している。
また図示は省略したが、Ｘ方向の一次元走査移動量とと
もにヨーイング補正量も計測するため、干渉測定系３３
８の光源１から射出された周波数ｆ１、ｆ１’の光をビ
ームスプリッタで分割してＸ−Ｙ面内で平行な２軸の干
渉計を構成し、それぞれの測定光が移動平面鏡１２ｒに
ほぼ垂直に入射するようにしてある。こうすることによ
り、例えば一方の干渉計の測定光の測定光路を投影レン
ズＰＬの光軸ＡＸと交差させる位置に配置してＸ方向の
一次元走査移動量を計測すると共に、他方の干渉計の計
測値との差分を求めることによりヨーイング補正量を演
算することができるようになる。以下、投影レンズＰＬ
の光軸ＡＸと交差させる位置に測定光路が配置された干
渉計を代表として説明する。

【００５４】干渉測定系３３８の光源１から射出された
周波数ｆ１、ｆ１’の光は同軸でレチクルステージ用偏
光分離素子（以下、ＰＢＳという）４６ｒに入射し、周
波数ｆ１の光はＰＢＳ４６ｒを透過して、Ｐ偏光の光と
して測定光路に進む測定光となり、周波数ｆ１’の光は
ＰＢＳ４６ｒで反射して、Ｓ偏光の光として参照光路に
進む参照光となる。

【００５５】ＰＢＳ４６ｒで反射した周波数ｆ１’の光
は、反射鏡１８ｒで光路を折り曲げられて１／４波長板
３１ｒを透過して固定鏡（平面鏡）１１ｒにほぼ垂直に
入射する。固定鏡１１ｒは、投影レンズＰＬの光軸ＡＸ
とレチクルＲの中心との相対変位を測定できるように、
投影レンズＰＬの鏡筒上端部に固定されている。固定境
１１ｒで反射した周波数ｆ１’の光は再び波長板３１ｒ
を透過してその偏光方位が９０度回転させられてＰ偏光
の光となってＰＢＳ４６ｒを透過する。ＰＢＳ４６ｒを
透過した周波数ｆ１’の光は、ＰＢＳ４６ｒと反射鏡
（コーナー・キューブ・プリズム）４１ｒとの間に設け
られた光分離素子５６ｒに入射する。光分離素子５６ｒ
には、ウォラストンプリズムが用いられている。また、
光分離素子５６ｒは、Ｓ偏光の入射光をほぼそのまま透
過させ、Ｐ偏光の光を斜めに射出させるように配置され
ている。

【００５６】従って、光分離素子５６ｒに入射したＰ偏
光の周波数ｆ１’の光は光分離素子５６ｒから斜めに射
出して反射鏡４１ｒに入射し、光路をずらされて反射す
る。ここで、周波数ｆ１’の光は反射鏡４１ｒでのリタ
デーションにより弱いＳ偏光成分（誤差光）を含む楕円
偏光となるが、再び光分離素子５６ｒに斜めから入射す
ると、本来のＰ偏光の光は入射方向に対して斜めに射出
されてＰＢＳ４６ｒに向かい、誤差光となるＳ偏光成分
の光は光分離素子５６ｒをほぼそのまま透過してＰ偏光
の光と分離される。

【００５７】誤差光が除去されたＰ偏光の周波数ｆ１’
の光はＰＢＳ４６ｒを透過し、反射鏡１８ｒで光路を折
り曲げられて波長板３１ｒを透過して固定鏡１１ｒに至
り、固定境１１ｒで反射して再度波長板３１ｒを透過す
る。ここで周波数ｆ１’の光は波長板３１ｒを２回透過
するので、偏光方位が９０度回転させられてＳ偏光の光
になってＰＢＳ４６ｒで反射する。ＰＢＳ４６ｒで反射
した周波数ｆ１’の光は、干渉測定系３３８内の偏光素
子５１ｒに向かう。

【００５８】一方、ＰＢＳ４６ｒを透過した周波数ｆ１
の光は、波長板３２ｒを透過して移動鏡（平面鏡）１２
ｒに至り、移動境１２ｒで反射して再び波長板３２ｒを
透過する。移動鏡１２ｒはレチクルステージ３３０の側
面に固定されて、レチクルステージ３３０と共に図６の
矢印方向に移動できるようになっている。Ｐ偏光である
周波数ｆ１の光は波長板３２ｒを２回透過するので、偏
光方位が９０度回転させられてＳ偏光の光となってＰＢ
Ｓ４６ｒで反射する。ＰＢＳ４６ｒで反射した周波数ｆ
１の光は、ＰＢＳ４６ｒと反射鏡４１ｒとの間に設けら
れた光分離素子５６ｒに入射する。光分離素子５６ｒ
は、Ｓ偏光の入射光をほぼそのまま透過させ、Ｐ偏光の
光を斜めに射出させるように配置されているので、光分
離素子５６ｒに入射した測定光であるＳ偏光の周波数ｆ
１の光は光分離素子５６ｒをそのまま透過し、参照光で
あるＰ偏光の周波数ｆ１’の光と分離されて反射鏡４１
ｒに入射して光路をずらされて反射する。

【００５９】ここで、周波数ｆ１の光は反射鏡４１ｒで
のリタデーションにより弱いＰ偏光成分（誤差光）を含
む楕円偏光となるが、再び光分離素子５６ｒに入射して
本来のＳ偏光の光はそのまま透過してＰＢＳ４６ｒに向
かい、誤差光となるＰ偏光成分の光は光分離素子５６ｒ
で分離されて斜めに射出する。

【００６０】誤差光が除去されたＳ偏光の周波数ｆ１の
光はＰＢＳ４６ｒで反射して、波長板３２ｒを透過して
移動鏡１２ｒに至り、移動境１２ｒで反射して再度波長
板３２ｒを透過する。ここで周波数ｆ１の光は波長板３
２ｒを２回透過するので、偏光方位が９０度回転させら
れてＰ偏光の光になってＰＢＳ４６ｒを透過する。ＰＢ
Ｓ４６ｒを透過した周波数ｆ１の光は偏光結合素子４７
ｒを透過して周波数ｆ１’の光と同軸になって干渉測定
系３３８内の偏光素子５１ｒに向かう。

【００６１】偏光素子５１ｒに到達した周波数ｆ１、ｆ
１’の光は干渉し、その干渉光に基づいて測定ビート信
号が検出されて、参照ビート信号に対する測定ビート信
号の位相変化が検出されて、レチクルステージ３３０の
移動と共に移動する移動鏡１２ｒと、投影レンズＰＬの
鏡筒に固定された固定鏡１１ｒとの相対変位が求められ
る。本実施の形態による露光装置に搭載されたレチクル
ステージ３３０の移動量を測長する光波干渉測定装置で
も、偏光方位に応じて屈折角が異なる光分離素子５６ｒ
を測定光路および参照光路の共通光路に配置して、本来
の偏光方位と異なる成分の光をそれぞれの光路から分離
するようにしている。このように、異方性を有する光分
離素子５６ｒをＰＢＳ４６ｒと反射鏡４１ｒとの間に挿
入したことにより、反射鏡４１ｒでのリタデーションに
より楕円偏光になった測定光あるいは参照光に含まれる
誤差光を光分離素子５６ｒで分離することができるよう
になる。従って、反射鏡によるリタデーション誤差を低
減させて、高精度にレチクルステージ３３０の移動量を
検出することができるようになっている。このような光
路で構成された光波干渉測定装置からの信号に基づい
て、レチクルＲのＸ方向の位置とヨーイング量がリアル
タイムに主制御部３１０に出力される。

【００６２】さて、レチクルＲに形成されたパターンの
像は投影レンズＰＬによって１／４に縮小されてウェハ
Ｗ上に結像される。ウェハＷは微小回転可能なウェハホ
ルダ３４４に基準マーク板ＦＭとともに保持される。ホ
ルダ３４４は投影レンズＰＬの光軸ＡＸ（Ｚ）方向に微
動可能なＺステージ３４６上に設けられる。そしてＺス
テージ３４６はＸ、Ｙ方向に二次元移動するウェハステ
ージ３４８上に設けられ、このウェハステージ３４８は
駆動系３５４で駆動される。またウェハステージ３４８
のＸ方向の座標位置とヨーイング量はＸ軸方向測定系３
５０を含む光波干渉測定装置によって計測されるように
なっている。また図示は省略したが上述のレチクルステ
ージ３３０と同様に、Ｘ方向の座標位置とヨーイング補
正量を計測するために、Ｘ軸方向測定系３５０の光源１
から射出された周波数ｆ１、ｆ１’の光をビームスプリ
ッタで分割してＸ−Ｙ面内で平行な２軸の干渉計を構成
し、それぞれの測定光が移動平面鏡１２ｗにほぼ垂直に
入射させるようにして、例えば一方の干渉計の測定光を
投影レンズＰＬの光軸ＡＸと交差させる位置に配置して
Ｘ方向の一次元走査移動量を計測すると共に、他方の干
渉計の計測値との差分を求めることによりヨーイング補
正量を演算するようになっている。また、同様にしてウ
ェハステージ３４８のＹ方向の座標位置は図示しないＹ
軸方向定系を含む光波干渉測定装置によって計測される
ようになっている。以下、投影レンズＰＬの光軸ＡＸと
交差させる位置に測定光路が配置されたＸ軸方向測定用
の干渉計を代表として説明する。

【００６３】Ｘ軸方向測定系３５０を含む光波干渉測定
装置は、第１の実施の形態で説明した光波干渉測定装置
と同一である。図６において、図１を用いて説明した光
波干渉測定装置の光源１、偏光結合素子４７、反射鏡１
３、偏光素子５１、受光素子６、および位相計２１は１
つのブロックとしてまとめてＸ軸方向測定系３５０とし
て示している。

【００６４】Ｘ軸方向測定系３５０の光源１から射出さ
れた周波数ｆ１、ｆ１’の光は同軸でウェハステージ用
偏光分離素子（ＰＢＳ）４６ｗに入射し、周波数ｆ１の
光はＰＢＳ４６ｗを透過して、Ｐ偏光の光として測定光
路に進む測定光となり、周波数ｆ１’の光はＰＢＳ４６
ｗで反射して、Ｓ偏光の光として参照光路に進む参照光
となる。

【００６５】ＰＢＳ４６ｗで反射した周波数ｆ１’の光
は、反射鏡１８ｗで光路を折り曲げられて１／４波長板
３１ｗを透過して固定鏡（平面鏡）１１ｗにほぼ垂直に
入射する。固定鏡１１ｗは、投影レンズＰＬの光軸ＡＸ
に対するウェハステージ３４８の相対変位を測定できる
ように、投影レンズＰＬの鏡筒下端部に固定されてい
る。固定境１１ｗで反射した周波数ｆ１’の光は再び波
長板３１ｗを透過してその偏光方位が９０度回転させら
れてＰ偏光の光となってＰＢＳ４６ｗを透過する。ＰＢ
Ｓ４６ｗを透過した周波数ｆ１’の光は、ＰＢＳ４６ｗ
と反射鏡（コーナー・キューブ・プリズム）４１ｗとの
間に設けられた光分離素子５６ｗに入射する。光分離素
子５６ｗには、ウォラストンプリズムが用いられてい
る。また、光分離素子５６ｗは、Ｓ偏光の入射光をほぼ
そのまま透過させ、Ｐ偏光の光を斜めに射出させるよう
に配置されている。

【００６６】従って、光分離素子５６ｗに入射したＰ偏
光の周波数ｆ１’の光は光分離素子５６ｗから斜めに射
出して反射鏡４１ｗに入射し、光路をずらされて反射す
る。ここで、周波数ｆ１’の光は反射鏡４１ｗでのリタ
デーションにより弱いＳ偏光成分（誤差光）を含む楕円
偏光となるが、再び光分離素子５６ｗに斜めから入射す
ると、本来のＰ偏光の光は入射方向に対して斜めに射出
されてＰＢＳ４６ｗに向かい、誤差光となるＳ偏光成分
の光は光分離素子５６ｗをほぼそのまま透過してＰ偏光
の光と分離される。

【００６７】さて、誤差光が除去されたＰ偏光の周波数
ｆ１’の光はＰＢＳ４６ｗを透過し、反射鏡１８ｗで光
路を折り曲げられて波長板３１ｗを透過して固定鏡１１
ｗに至り、固定境１１ｗで反射して再度波長板３１ｗを
透過する。ここで周波数ｆ１’の光は波長板３１ｗを２
回透過するので、偏光方位が９０度回転させられてＳ偏
光の光になってＰＢＳ４６ｗで反射する。ＰＢＳ４６ｗ
で反射した周波数ｆ１’の光は、Ｘ軸方向測定系３５０
内の偏光素子５１ｗに向かう。

【００６８】一方、ＰＢＳ４６ｗを透過した周波数ｆ１
の光は、波長板３２ｗを透過して移動鏡（平面鏡）１２
ｗに至り、移動境１２ｗで反射して再び波長板３２ｗを
透過する。移動鏡１２ｗはウェハステージ３４８上のＺ
ステージ３４６の側端部に固定されて、ウェハステージ
３４８と共にＸ方向に移動できるようになっている。Ｐ
偏光である周波数ｆ１の光は波長板３２ｗを２回透過す
るので、偏光方位が９０度回転させられてＳ偏光の光と
なってＰＢＳ４６ｗで反射する。ＰＢＳ４６ｗで反射し
た周波数ｆ１の光は、ＰＢＳ４６ｗと反射鏡４１ｗとの
間に設けられた光分離素子５６ｗに入射する。光分離素
子５６ｗは、Ｓ偏光の入射光をほぼそのまま透過させ、
Ｐ偏光の光を斜めに射出させるように配置されているの
で、光分離素子５６ｗに入射した測定光であるＳ偏光の
周波数ｆ１の光は光分離素子５６ｗをそのまま透過し、
参照光であるＰ偏光の周波数ｆ１’の光と分離されて反
射鏡４１ｗに入射して光路をずらされて反射する。

【００６９】ここで、周波数ｆ１の光は反射鏡４１ｗで
のリタデーションにより弱いＰ偏光成分（誤差光）を含
む楕円偏光となるが、再び光分離素子５６ｗに入射して
本来のＳ偏光の光はそのまま透過してＰＢＳ４６ｗに向
かい、誤差光となるＰ偏光成分の光は光分離素子５６ｗ
で分離されて斜めに射出する。

【００７０】誤差光が除去されたＳ偏光の周波数ｆ１の
光はＰＢＳ４６ｗで反射して、波長板３２ｗを透過して
移動鏡１２ｗに至り、移動境１２ｗで反射して再度波長
板３２ｗを透過する。ここで周波数ｆ１の光は波長板３
２ｗを２回透過するので、偏光方位が９０度回転させら
れてＰ偏光の光になってＰＢＳ４６ｗを透過する。ＰＢ
Ｓ４６ｗを透過した周波数ｆ１の光は偏光結合素子４７
ｗを透過して周波数ｆ１’の光と同軸になってＸ軸方向
測定系３５０内の偏光素子５１ｗに向かう。偏光素子５
１ｗに到達した周波数ｆ１、ｆ１’の光は干渉し、その
干渉光に基づいて測定ビート信号が検出されて、参照ビ
ート信号に対する測定ビート信号の位相変化が検出され
て、ウェハステージ３４８の移動と共に移動する移動鏡
１２ｗと、投影レンズＰＬの鏡筒に固定された固定鏡１
１ｗとの相対変位が求められる。

【００７１】本実施の形態による露光装置に搭載された
ウェハステージ３４８の移動量を測長する光波干渉測定
装置でも、偏光方位に応じて屈折角が異なる光分離素子
５６ｗを測定光路および参照光路の共通光路に配置し
て、本来の偏光方位と異なる成分の光をそれぞれの光路
から分離するようにしている。このように、異方性を有
する光分離素子５６ｗをＰＢＳ４６ｗと反射鏡４１ｗと
の間に挿入したことにより、反射鏡４１ｗでのリタデー
ションにより楕円偏光になった測定光あるいは参照光に
含まれる誤差光を光分離素子５６ｗで分離することがで
きるようになる。従って、反射鏡によるリタデーション
誤差を低減させて、高精度にウェハステージ３４８の移
動量を検出することができるようになっている。このよ
うな光路で構成された光波干渉測定装置からの信号に基
づいて、ウェハＷのＸ方向の位置とヨーイング量がリア
ルタイムに主制御部３１０に出力される。

【００７２】さて、本実施の形態では投影倍率を１／４
としたので、スキャン露光時のウェハステージ３４８の
Ｘ方向の移動速度Ｖｗｓは、レチクルステージ３３０の
速度Ｖｒｓの１／４である。さらに本実施の形態では、
レチクルＲと投影レンズＰＬとを介してウェハＷ上のア
ライメントマーク（または基準マークＦＭ）を検出する
ＴＴＲ（スルーザレチクル）方式のアライメントシステ
ム３６０と、レチクルＲの下方空間から投影レンズＰＬ
を介してウェハＷ上のアライメントマーク（または基準
マークＦＭ）を検出するＴＴＬ（スルーザレンズ）方式
のアライメントシステム３６２とを設け、ステップ・ア
ンド・スキャン露光の開始前、あるいはスキャン露光中
にレチクルＲとウェハＷとの相対的な位置合せを行なう
ようにしている。

【００７３】本実施の形態による走査型投影露光装置に
おける露光シーケンスと制御は、主制御部３１０によっ
て統括的に管理される。主制御部３１０は、レチクルス
テージ３３０およびウェハステージ３４８のＸ軸側に設
けられた光波干渉測定装置および図示を省略したＹ軸側
の光波干渉測定装置からの位置情報、ヨーイング情報の
入力、駆動系３３４、３５４内のタコジェネレータ等か
らの速度情報の入力等に基づいて、スキャン露光時にレ
チクルステージ３３０とウェハステージ３４８とを所定
の速度比を保ちつつ、レチクルＲに形成されたパターン
とウェハパターンとの相対位置関係を所定のアライメン
ト誤差内に抑えたまま相対移動させて、レチクルＲのパ
ターン前面をウェハＷ上の所定のショット領域に正確に
転写することができるようになっている。このように、
本実施の形態による露光装置によれば、高精度な変位測
定が可能となる光波干渉方式の測定装置をステージ測長
系に備えているので極めて正確にレチクルステージある
いはウェハステージを位置決めすることができるように
なる。

【００７４】本発明は、上記実施の形態に限らず種々の
変形が可能である。例えば、上記第１乃至第４の実施の
形態ではへテロダイン干渉法を用いて移動鏡の変位量を
求めているが、本発明はこれに限られず、ホモダイン干
渉法を用いた場合にももちろん適用することができる。
また例えば、上記第２の実施の形態では測定光路の屈折
率変動計測でホモダイン干渉法を用いているが、本発明
はこれに限られず、ヘテロダイン干渉法を用いた場合に
ももちろん適用することができる。

【００７５】また例えば、第５の実施の形態における露
光装置はステップ・アンド・スキャン方式の露光動作を
しているが、本発明はこれに限られず、ステップ・アン
ド・リピート方式の露光装置にももちろん適用すること
ができる。また、第５の実施の形態では、第１の実施の
形態による光波干渉測定装置を搭載した例で説明した
が、本発明はこれに限られず、第２乃至第４の実施の形
態で説明した、いずれの光波干渉測定装置も搭載可能で
ある。

【００７６】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、反射鏡の
反射面でのリタデーションによる誤差光の発生を防止し
て高精度の光波干渉測定を行うことができる。また、本
発明によれば、偏光分離素子での消光比が低いことに起
因した誤差光の発生を防止して高精度の光波干渉測定を
行うことができるようになる。また、本発明によれば、
極めて高精度にステージ装置の位置決め制御が行える露
光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光波干渉測定
装置の概略の構成を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態による光波干渉測定
装置の測長部分を拡大して示した図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態による光波干渉測定
装置の概略の構成を示す図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態による光波干渉測定
装置の概略の構成を示す図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態による光波干渉測定
装置の概略の構成を示す図である。

【図６】本発明の第５の実施の形態による露光装置の概
略の構成を示す図である。

【図７】従来の光波干渉測定装置の概略の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１、２、３ 光源 ６、７、８ 受光素子 １１、１２、１３、１４、１５、１６ 反射鏡 ２１、２２ 位相計 ２３ 演算器 ３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ 波
長板 ４１、４２ 反射鏡 ４６、４８ 偏光分離素子 ４７ 偏光結合素子 ５１ 偏光素子 ５６、５７、５８、５９、６０ 光分離素子 ６１、６２ 周波数変換素子 ６６、６７ 周波数結合素子 ６８、６９ 周波数分離素子 ２０１、２０２ 誤差光 ３００ 照明系 ３１０ 主制御部 ３３０ レチクルステージ ３３４ 駆動系 ３３８ 干渉測定系 ３４６ Ｚステージ ３４８ ウェハステージ ３５０ Ｘ軸方向測定系 ３５４ 駆動系 Ｒ レチクル ＰＬ 投影光学系 Ｗ ウェハ ＡＸ 投影光学系の光軸

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】偏光方位が互いに直交した２つの光の一方
   を測定光として測定光路上に移動可能に設けられた移動
   鏡で反射させ、他方を参照光として参照光路に固定され
   た固定鏡で反射させ、前記測定光路を通過した前記測定
   光と前記参照光路を通過した前記参照光とを干渉させて
   光電検出し、前記移動鏡の変位を測定する測定装置にお
   いて、 偏光方位に応じて屈折角が異なる光分離素子を、前記測
   定光路および前記参照光路の少なくとも一方の光路に設
   けたことを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の測定装置において、 直線偏光の光を射出する光源と、 前記直線偏光の光を前記測定光と前記参照光とに分離す
   る偏光分離素子とを含み、 前記光分離素子は、前記移動鏡および前記固定鏡の少な
   くとも一方と前記偏光分離素子との間に配置されている
   ことを特徴とする測定装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の測定装置におい
   て、 前記光分離素子は、前記偏光分離素子の消光比に基づく
   誤差光を分離することを特徴とする測定装置。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の測定装
   置において、 前記測定光路および前記参照光路の少なくとも一方の光
   路に設けられた波長板を有し、 前記光分離素子は、前記波長板と前記偏光分離素子との
   間に配置されていることを特徴とする測定装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の測定装
   置において、 少なくとも前記測定光を前記移動鏡で複数回反射させる
   ように、前記測定光路に設けられた反射鏡を含み、 前記光分離素子は、前記反射鏡と前記偏光分離素子との
   間に設けられていることを特徴とする測定装置。
6. 【請求項６】請求項５記載の測定装置において、 前記光分離素子は、前記反射鏡でのリタデーションによ
   り生じた誤差光を分離することを特徴とする測定装置。
7. 【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載の測定装
   置において、 前記偏光方位が互いに直交した２つの光は、各々周波数
   が異なっていることを特徴とする測定装置。
8. 【請求項８】請求項２乃至７のいずれかに記載の測定装
   置において、 前記光源は、少なくとも前記測定光路の気体の屈折率変
   動を測定して前記移動鏡の変位を補正する屈折率変動測
   定用の光を射出することを特徴とする測定装置。
9. 【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の測定装
   置において、 前記光分離素子は、異方性を有する結晶であることを特
   徴とする測定装置。
10. 【請求項１０】請求項９記載の測定装置において、 前記光分離素子は、ウォラストンプリズムであることを
    特徴とする測定装置。
11. 【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかに記載の測
    定装置において、 前記光分離素子で分離された前記誤差光を遮光する遮光
    手段が設けられていることを特徴とする測定装置。
12. 【請求項１２】偏光方位が互いに直交した２つの光の一
    方を測定光として測定光路上に移動可能に設けられた移
    動鏡で反射させ、他方を参照光として参照光路に固定さ
    れた固定鏡で反射させ、前記測定光路を通過した前記測
    定光と前記参照光路を通過した前記参照光とを干渉させ
    て光電検出し、前記移動鏡の変位を測定する測定方法に
    おいて、 偏光方位に応じて屈折角が異なる光分離素子を前記測定
    光路および前記参照光路の少なくとも一方の光路に配置
    して、当該光路で生じた誤差光を分離することを特徴と
    する測定方法。
13. 【請求項１３】パターンが形成されたレチクルを載置し
    て移動可能なレチクルステージと、 前記レチクルステージの位置を測定するレチクルステー
    ジ側測定手段と、 基板を載置して移動可能な基板ステージと、 前記基板ステージの位置を測定する基板ステージ側測定
    手段とを有し、 前記パターンの像を前記基板に転写する露光装置におい
    て、 前記レチクルステージ側測定手段と前記基板ステージ側
    測定手段の少なくとも一方は、請求項１乃至１１のいず
    れかに記載の測定装置を備えていることを特徴とする露
    光装置。