JP2014096456A - ステージ装置及びその調整方法、露光装置並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ステージの回転を高精度で計測できるステージ装置を提供する。
【解決手段】 ステージ装置は、ステージ１と、該ステージの側面に設置されたミラー１２の表面の位置を計測可能に配置された干渉計測器４と、該干渉計測器の計測結果に基づいて前記ステージを位置決めする駆動部２０５とを備える。前記干渉計測器は、計測光が前記ミラーに入射する入射位置を周期的に変動させる変動部１６と、前記入射位置の周期的な変動に伴って発生する前記干渉計測器の計測結果の変動量に基づいて、前記ミラーの回転を検出する検出部１４と、を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ステージ装置及びその調整方法、露光装置並びにデバイス製造方法に関する。

従来技術のステージ装置において、ステージのＺ軸周りの角度（ωＺ）を計測するための一例として、レーザー干渉計のＸ干渉計に角度検出機構を設けたものが開示されている（特許文献１）。ここでは、Ｘ干渉計から照射されたＸ計測光が、ステージの微動ステージのＸバーミラーで反射した後、ビームスプリッタで分岐され、角度検出機構に入射する。角度検出機構は、Ｘ計測光のずれを検出することで、微動ステージのＺ軸周りの角度（ωＺ）の相対的な変化を算出している。

図９に示すように、ステージ装置では、装置立ち上げ時にステージ１００の位置の初期化を行う。ステージ１００は微動ステージ１０１と粗動ステージ１０２とで構成される。ステージ１００の位置の初期化によって、ステージ位置決めの基準が算出される。ステージ定盤１０３上にある３本の位置決めピン１０４に粗動ステージ１０２が押し当てられる。この状態でレーザー干渉計１０５におけるＸ干渉計１０６のＸ計測光１０７によって微動ステージ１０１のＸバーミラー１１０の位置を計測する。また、Ｙ干渉計１０８のＹ計測光１０９によってＹバーミラー１１１の位置を計測する。さらに初期化ユニット１１２、１１３でＸ干渉計１０６、Ｙ干渉計１０８の測長値を０にリセットすることで基準を算出する。位置決めピン１０４は、粗動ステージ１０２が押し当てられた時に、基準座標系に対する微動ステージ１０１の絶対角度ωＺが０となるように設計されている。

しかし、この方式では、そもそも位置決めピン１０４が微動ステージ１０１の絶対角度ωＺが十分な精度で０になるように調整されている保証はない。また、調整されているとしても、位置決めピンへの押し当てによる初期化では、粗動ステージ１０２の押しあて方によって、ずれが生じ、微動ステージ１０１の絶対角度ωＺは十分な精度で０にならない可能性が高い。さらに、位置決めピン１０４が経年的に摩耗する可能性がある。位置決めピン１０４に粗動ステージ１０２をずれなく押し当てていても、その状態ですでに微動ステージ１０１が傾きをもってしまう可能性がある。以上より、上記のような初期化動作を行っても、Ｘ計測光１０７とＸバーミラー１１０とがなす角θＸＳ_Ｚ、及び、Ｙ計測光１０９とＹバーミラー１１１とがなす角度θＹＳ_Ｚは十分な精度で９０°になっていない可能性が高い。従来のステージ装置のレーザー干渉計１０５では、ステージ初期化状態に対する微動ステージ１０１の角度ωＺの相対変化は計測できる。しかし、レーザー干渉計１０５におけるＸ計測光１０７とＸバーミラー１１０がなす角度θＳＸ_Ｚ、Ｙ計測光１０９とＹバーミラー１１１がなす角度θＳＹ_Ｚは分からない。

このような状態で、レーザー干渉計１０５のレーザーまたはＸ計測光１０７、Ｙ計測光１０９の出射角度が変化すると、レーザー干渉計１０５に測長誤差が発生する。図１０にＸ計測光１０７とＸバーミラー１１０がＺ軸周りに直交していない場合のレーザー干渉計１０５の測長誤差を示す。レーザー光源１１４のレーザー出射口でレーザー１１５の出射角度が変化しているとする。レーザー光源１１４からＸバーミラー１１０までの距離をＬ、Ｘ計測光１０７とＸバーミラー１１０のなす角度をＸ計測光１０７から反時計回りにθＳ_Ｚとする。レーザー１１５のＺ軸周りの出射角度の変化量をレーザー１１５から反時計周りにΔθＬ１、時計周りにΔθＬ２とする。このとき、Ｘ干渉計１０６の測長誤差Ｅは、次式１で表される。
Ｅ＝Ｅ_ΔθＬ１＋Ｅ_ΔθＬ２
＝Ｌ×ｔａｎ（ΔθＬ１＋ΔθＬ２）×ｔａｎ｜θＳ_Ｚ−π／２｜・・・（１）

ΔθＬ１、ΔθＬ２、（θＳ_Ｚ−π／２）はゼロ近傍の角度である。したがって、Ｘ干渉計１０６の測長誤差Ｅは、次式１’で近似される。
Ｅ＝Ｌ×（ΔθＬ１＋ΔθＬ２）×｜θＳ_Ｚ−π／２｜・・・（１’）

特開平１０−２６１５７０号公報

式（１’）で、Ｌ＝１ｍ、θＳ_Ｚ＝（５×ｅ−４＋π／２）ｒａｄ、ΔθＬ１＋ΔθＬ２＝５ｅ−６ｒａｄとすると、測長誤差Ｅは２．５ｎｍとなりナノオーダーの分解能が求められるステージ装置の位置決めにおいては問題となる。

レーザー出射角度の変化は、レーザー干渉計１０５のレーザー光源１１４からＸ干渉計１０６に至るまでの光路（コモンパス）での局所的な温度分布の時間変化や、レーザー光源１１４やビームスプリッタなど光学部品の振動などによって発生する。特にコモンパス周辺は、レーザー光源１１４などの発熱体があるにも関わらず、微動ステージ１０１の位置を計測する空間と異なって積極的な温度管理がなされていないことが多い。そのため、コモンパス周辺では温度分布の時間変化が起きやすく、光の屈折によりレーザー１１５の出射角度の変化が起きる可能性が高い。

本発明は、ステージの回転を高精度で計測できるステージ装置を提供することを目的とする。

本発明の１側面は、ステージと、該ステージの側面に設置されたミラーの表面の位置を計測可能に配置された干渉計測器と、該干渉計測器の計測結果に基づいて前記ステージを位置決めする駆動部とを備えたステージ装置であって、前記干渉計測器は、計測光が前記ミラーに入射する入射位置を周期的に変動させる変動部と、前記入射位置の周期的な変動に伴って発生する前記干渉計測器の計測結果の周期的な変動量に基づいて、前記ミラーの回転を検出する検出部と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ステージの回転を高精度で計測できるステージ装置を提供することができる。

第１実施形態のステージ装置を示した図である。 第１実施形態のステージ装置を示した図である。 第１実施形態のステージ装置を示した図である。 第１実施形態のステージ装置を示した図である。 第１実施形態のステージ装置を示した図である。 第２実施形態のステージ装置を示した図である。 第２実施形態のステージ装置を示した図である。 第３実施形態のステージ装置を示した図である。 従来のステージ装置を示した図である。 従来のステージ装置を示した図である。 第４実施形態の露光装置を示した図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１〜図５は本発明の第１実施形態のステージ装置を示す図である。図１に示すように、ステージ装置のステージ１は、微動ステージ２と粗動ステージ３とで構成される。微動ステージ２は、ウエハ（基板）などの対象物を保持した状態で位置決めされる。粗動ステージ３は主にＸＹ方向に長距離移動する。粗動ステージ３を駆動するために、リニアモーター、平面モーターなどが使用される。微動ステージ２は、電磁継手などによって粗動ステージ３に追従し、主に６軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ωＸ、ωＹ、ωＺ）の微小移動を行う。微動ステージ２を駆動するために、リニアモーターなどが使用される。

レーザー干渉計システム（干渉計測器）４は、微動ステージ２の側面に設置されたミラーの表面の位置を設置可能に配置される。レーザー干渉計システム４は、レーザー光源５、ビームスプリッタ６、Ｘ干渉計７、Ｙ干渉計８で構成される。レーザー光源５から出射されたレーザー９は、ビームスプリッタ６によって分岐され、Ｘ干渉計７、Ｙ干渉計８に到達する。Ｘ干渉計７、Ｙ干渉計８は、レーザーを参照光と計測光に分離し、参照光は干渉計内の参照ミラーに向かう（不図示）。Ｘ計測光１０及びＹ計測光１１はそれぞれ微動ステージ２に取り付けられたＸバーミラー１２、Ｙバーミラー１３に向かう。Ｘ干渉計７によって微動ステージ２のＸ方向の相対移動距離を計測し、Ｙ干渉計８によって微動ステージ２のＹ方向の相対移動距離を計測する。参照ミラーで反射した参照光と、バーミラーで反射した計測光はＸ干渉計７、Ｙ干渉計８においてそれぞれ再結合し干渉光を生成する。この干渉光の強度変化を検出することでＸ方向及びＹ方向の相対移動距離が計測される。Ｘ干渉計７、Ｙ干渉計８は、それぞれＸバーミラー１２、Ｙバーミラー１３の回転を検出する検出部１４、１５を備える。

レーザー干渉計システム４は、レーザー光源５と、レーザー９をＸ干渉計７及びＹ干渉計８へと分岐するビームスプリッタ６との間の光路に、レーザー９がＸバーミラー１２、Ｙバーミラー１３に入射する入射位置を周期的に変動する変動部１６を備える。レーザー光源５とＸ干渉計７またはＹ干渉計８までの光路は、レーザー９が参照光と計測光に分かれておらず、コモンパスと呼ばれる。変動部１６は、空間的な制約が少ない場所に配置されることが好ましい。好適には、レーザー光源５とＸ干渉計７またはＹ干渉計８との間に配置され、レーザー光源５とビームスプリッタ６との間に配置される。図２にレーザーの入射位置を変動させる変動部１６の一例を示す。図２に示される変動部１６は、３つの固定ミラー１７と１つの角度可変ミラー１８及びピエゾアクチュエータ１９によって構成される。変動部１６から出射するレーザーのＹＺ平面の座標は、角度可変ミラー１８のミラー固定時に、変動部１６に入射するレーザーのＹＺ平面の座標と同じになるようにする。このときの角度可変ミラー１８の角度を、角度可変ミラー１８の初期角度とする。変動部１６によって、レーザー９のＺ軸周りの角度とその変動周波数を制御する。ピエゾアクチュエータ１９によって角度可変ミラー１８のＺ軸周りの角度を制御し、レーザー９のＺ軸周りの角度を周期的に変動させる。角度可変ミラー１８は初期角度を基準にして変動させる。ピエゾアクチュエータ１９の制御によってレーザー９の角度を変動させる周波数も制御する。

第１実施形態のステージ装置では、装置の立ち上げ時にステージ１の位置及び姿勢の初期化を行う初期化ユニット２０、２１を備える。はじめに微動ステージ２を粗動ステージ３に対して固定し、微動ステージ２の初期化を完了させる。次に、図３に示すように、ステージ定盤上にある３つの位置決めピン２２に粗動ステージ３を押し当てる。この状態でレーザー干渉計システム４によって微動ステージ２の位置を計測し、初期化ユニット２０でＸ干渉計７の測長値を０にリセットする。

ステージ１の位置及び姿勢の初期化後、ステージ１を位置決め制御状態にして位置決めピン２２から離れた位置Ａに移動させ、ステージ１を浮上させたままの状態で静止させる。位置Ａは、その場で微動ステージ２をＺ軸周りに回転させても位置決めピン２２と干渉しない位置であり、かつ、レーザー干渉計システム４で微動ステージ２の位置を計測できる位置である。

位置Ａにステージ１を静止させた状態で、変動部１６によってレーザー９のＺ軸周りの角度を周期的に変動させる。変動させる角度は、レーザー９から反時計周りの角度の変動量をΔθＬ１、時計周りの角度の変動量をΔθＬ２として、ΔθＬ１＝ΔθＬ２＝２．５μｒａｄ程度が望ましい。角度の変動周波数ｆは、位置決め状態のステージ１が追従せず、かつ、ステージ１の制御に影響しない、ステージ１の位置制御系の制御帯域を超える周波数ｆに設定する。ステージ１の制御帯域が２００Ｈｚであれば、周波数ｆは、その５倍以上の１ｋＨｚ程度とすることができる。

ここで、微動ステージ２の回転位置がＺ軸周りに未知の角度ωＺだけずれており、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２とのなす角度がＸ計測光から反時計回りにθＳ_Ｚであるとする。Ｘバーミラー１２の形状に反りや変形がなく、Ｘバーミラー１２の反射面と、微動ステージ２の側面とが平行である場合は、ωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２である。このとき、レーザー９のＺ軸周りの角度を変動させ、Ｘ干渉計７で微動ステージ２の位置を計測すると、測長値には測長誤差が発生する。

レーザー干渉計システム４の測長誤差Ｅは、角度変動量ΔθＬ１のときの測長誤差をＥ_ΔθＬ１、角度変動量ΔθＬ１のときの測長誤差をＥ_ΔθＬ２、変動部１６からＸバーミラー１２までの距離をＬとすると、次式２で表される。ここで、距離Ｌは変動部１６からＸバーミラー１２までの計測光の光路長を示す。
Ｅ＝Ｅ_ΔθＬ１＋Ｅ_ΔθＬ２
＝２×Ｅ_ΔθＬ１
＝２×Ｌ×ｔａｎ（ΔθＬ１）×ｔａｎ｜θＳ_Ｚ−π／２｜・・・（２）

ΔθＬ１、（θＳ_Ｚ−π／２）はともにゼロ近傍の角度であるから、変動部１６からＸバーミラー１２までの距離Ｌは、次式２’で近似できる。
Ｅ＝２×Ｌ×ΔθＬ１×｜ωＺ｜・・・（２’）

レーザー９の角度変動量ΔθＬ１を周波数ｆで変動させていることに伴って、Ｘ干渉計７の計測結果ひいては測長誤差Ｅも周波数ｆで変動する。図４にＸ干渉計７の計測結果である測長値Ｉの時間変化を示す。レーザー干渉計システム４では、計測光上での空気の屈折率変化、ステージ装置の振動なども測長誤差の原因となるが、図４ではレーザー９の角度変動に起因する測長誤差のみを図示している。図４におけるオフセットＤはステージの初期化位置からの移動距離である。測長誤差Ｅは、Ｘ干渉計７の測長値Ｉの周波数ｆでの振幅に相当する。実際には、バンドパスフィルターなどの信号処理技術を用いて、周波数ｆに同期した信号のみを抽出することができる。もしくは、Ｘ干渉計７の測長値Ｉに対してＦＦＴなどで周波数分析を行えば、周波数ｆでの振幅を算出できる。以上より、測長値Ｉにレーザーの角度変動以外に起因する測長誤差が発生していたとしても、レーザーの角度の変動周波数ｆに着目すれば、レーザーの角度変動に起因する測長誤差のみを抽出することができる。

式２’より、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺは、次式３で表される。
｜ωＺ｜＝Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）・・・（３）

検出部１４によって、Ｘ干渉計７の測長値Ｉより周波数ｆでの振幅Ｅを算出すれば、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角｜ωＺ｜が算出できる。ωＺの正負の符号に関しては、レーザーの角度と測長誤差の関係から判断できる。例えば、レーザー９のＺ軸周りの角度を、レーザー９から反時計周りに変化させたときに、測長誤差Ｅが減少すれば、微動ステージ２のＺ軸周りの傾きは正、つまり反時計周りの傾きである。

微動ステージ２をＺ軸周りに−｜Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）｜の角度だけ回転させることで、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２をＺ軸周りに直交させることができる。初期化ユニット２０によって、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＺ軸周りの角度情報を０にリセットする。

ステージ装置では、コモンパスでの局所的な温度分布の時間変化によって、レーザーの出射角度が変動することがある。この時に、ステージが計測光１０に対して傾いていると、ステージの位置に対する測長誤差が発生する。第１実施形態では、検出部１４によって微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺを検出し、微動ステージ２を回転させ、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２をＺ軸周りに直交させる。これによって、ステージ装置の使用時において、レーザー９の出射角度の変動に起因する測長誤差の発生を防ぐことができる。

ステージ装置は、その使用時に、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺを微調整する。この場合、微動ステージ２は、第１実施形態によってωＺ＝０であった状態から、ある傾きをもつことになる。式２より｜ωＺ｜が小さい方が、レーザー干渉計システム４の測長誤差Ｅは小さくなる。第１実施形態によって、ステージ１の初期化直後にωＺ＝０としていれば、微動ステージ２の微調整による｜ωＺ｜の増分は小さくなる。つまり、第１実施形態によれば、ステージ使用時において微動ステージ２の微調整が行われても、レーザー干渉計システム４の測長誤差Ｅは第１実施形態を行わない場合よりも小さくなる。

第１実施形態では、ステージ１の初期化直後に、検出部１４によって微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺを算出し、ωＺ＝０となるように微動ステージ２を回転させ角度情報を０にリセットした。ステージを並進方向（Ｘ，Ｙ軸方向）に位置決め制御すると同時に、第１実施形態によってωＺを算出してωＺ軸周りの位置決め制御に用いても良い。これにより、Ｘ干渉計７とＹ干渉計８の２軸の干渉計を使って、Ｘ軸とＹ軸及びωＺ軸の３軸について微動ステージ２を位置決め制御することができる。従来技術での代表的な方法では、Ｘ軸もしくはＹ軸にさらに１軸分の干渉計を追加して、Ｘ軸又はＹ軸の干渉計出力との差分からステージのＺ軸周りの傾き各ωＺを算出して、Ｚ軸周りの位置決め制御を行っている。第１実施形態では、干渉計の追加を行う代わりに、変動部１６と検出部１４を追加することで、計測可能な軸数を増やすことを可能にしている。

第１実施形態では、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＸ方向の計測について説明したが、Ｙ干渉計８による微動ステージ２のＹ方向の計測の場合についても同様に適用できる。検出部１５によって、Ｙ干渉計８における測長値から微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺを算出し、微動ステージ２を回転させ、Ｙ計測光１１とＹバーミラー１３をＺ軸周りに直交させることができる。

第１実施形態では、変動部１６によってレーザー９のＺ軸周りの角度を、レーザー９から反時計回り、及び、時計周りの方向に変動させたが、これに限らず、例えばレーザー９から反時計周りの方向だけに変動させてもよい。この場合も、検出部１４によって微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺを算出し、微動ステージ２を回転させ、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２をＺ軸周りに直交させることができる。

また、レーザー９の角度ではなく、レーザー９の位置をＹ方向にシフト移動させてもよい。この場合の、レーザー干渉計システム４の測長誤差Ｅは、レーザー９のＹ方向のシフト量をＤ_Ｌ、変動部１６からＸバーミラー１２までの距離をＬとすると、次式４で表される。
Ｅ＝Ｄ_Ｌ×ｔａｎ｜θＳ_Ｚ−π／２｜
＝Ｄ_Ｌ×｜ωＺ｜・・・（４）

測長誤差Ｅは、Ｘ干渉計７の測長値Ｉの周波数ｆでの振幅に相当する。Ｘ干渉計７の測長値Ｉに対してバンドパスフィルターやＦＦＴなどで周波数分析を行えば、周波数ｆでの振幅が算出される。

式４より、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺは、次式５で表される。
｜ωＺ｜＝Ｅ／Ｄ_Ｌ・・・（５）

検出部１４によって、Ｘ干渉計７の測長値Ｉより周波数ｆでの振幅Ｅを算出すれば、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角｜ωＺ｜が同様に算出できる。

第１実施形態では、微動ステージ２がＺ軸周りに未知の角度で傾いている場合について述べたが、微動ステージ２がＸ軸周り、またはＹ軸周りに未知の角度で傾いている場合にも同様に適用できる。図５を参照して、微動ステージ２がＹ軸周りに未知の角度で傾いている場合について示す。変動部１６はレーザー９のＹ軸周りの角度とその変動周波数を制御する。変動させる角度は、レーザー９から反時計周りの角度変動量をΔθＬ１、時計周りの角度変動量をΔθＬ２として、ΔθＬ１＝ΔθＬ２とする。レーザー角度の変動周波数ｆは、位置決め制御状態のステージ１が追従しない、かつ、ステージ制御に影響しない周波数ｆに設定する。

微動ステージ２がＹ軸周りに未知の角度で傾き、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２のなす角度がＸ計測光１０から反時計回りにθＳ_Ｙであるとする。Ｘバーミラー１２に反りや変形がなく、Ｘバーミラー１２の反射面と、微動ステージ２の側面とが平行である場合は、ωＹ＝θＳ_Ｙ−π／２である。この時、レーザー９のＹ軸周りの角度を変動させ、Ｘ干渉計７で微動ステージ２の位置を計測すると、測長値には測長誤差が発生する。

レーザー干渉計システム４の測長誤差Ｅは、変動部１６からＹバーミラーまでの距離をＬとすると、次式６で近似される。
Ｅ＝２×Ｌ×ΔθＬ１×｜ωＹ｜・・・（６）

測長誤差Ｅは、Ｘ干渉計７の測長値Ｉの周波数ｆでの振幅に相当する。Ｘ干渉計７の測長値Ｉに対してバンドパスフィルターやＦＦＴなどで周波数分析を行えば、周波数ｆでの振幅が算出される。

式６より、微動ステージ２のＹ軸周りの傾き角ωＹは、次式７で表される。
｜ωＹ｜＝Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）・・・（７）

検出部１４によって、Ｘ干渉計７の測長値Ｉより周波数ｆでの振幅Ｅを算出すれば、微動ステージ２のＹ軸周りの傾き角｜ωＹ｜が算出できる。ωＹの正負の符号に関しては、レーザー角度と測長誤差の関係から判断できる。例えば、レーザー９のＹ軸周りの角度を、レーザー９から反時計周りに変化させたときに、測長誤差Ｅが減少すれば、微動ステージ２のＹ軸周りの傾きは正、つまり反時計周りの傾きである。

微動ステージ２をＹ軸周りに−｜Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）｜の角度だけ回転させることで、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２をＹ軸周りに直交させることができる。初期化ユニット２０によって、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＹ軸周りの角度情報を０にリセットする。これによって、ステージ装置の使用時において、レーザー９の出射角度が予期せずＹ軸周りに変動することによる測長誤差の発生を防ぐことができる。

第１実施形態では、微動ステージ２の角度に関して、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸周りで個別に調整する場合を示したが、複数軸周りのステージ角度を同時に算出し調整することもできる。Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２のなす角度について、Ｙ軸周りとＺ軸周りを同時に調整する場合について、以下に示す。変動部１６においてレーザー９のＹ軸周りの角度を周波数ｆＹで、Ｚ軸周りの角度を周波数ｆＺで変動させる。変動部１６は、角度可変ミラー１８を複数軸に異なる周波数で制御できる構成とする。または、Ｙ軸周り用、及びＺ軸周り用の２つの変動部１６を備えていてもよい。変動させるレーザー９の角度は、Ｙ軸周り、Ｚ軸周りともにレーザーから反時計周りの角度変動量をΔθＬ１、時計周りの角度変動量をΔθＬ２として、ΔθＬ１＝ΔθＬ２とする。

ここで、微動ステージ２がＹ軸周り、Ｚ軸周りにそれぞれ未知の角度ωＹ、ωＺで傾き、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２のなすＹ軸周りの角度、Ｚ軸周りの角度がＸ計測光から反時計回りにそれぞれθＳ_Ｙ、θＳ_Ｚであるとする。Ｘバーミラー１２に反りや変形がなく、Ｘバーミラー１２の反射面と、微動ステージ２の側面とが平行である場合は、ωＹ＝θＳ_Ｙ−π／２、ωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２である。この時、レーザー９のＹ軸周り、及びＺ軸周りの角度を変動させ、Ｘ干渉計７で微動ステージ２の位置を計測すると、測長値には測長誤差が発生する。レーザー９のＹ軸周りの測長誤差をＥ_ｆＹ、Ｚ軸周りの測長誤差をＥ_ｆＺ、変動部１６からＸバーミラー１２までの距離をＬとする。このとき、微動ステージ２のＹ軸周りの傾き角ωＹ、Ｚ軸周りの傾き角ωＺはそれぞれ式８、式９で表される。
｜ωＹ｜＝Ｅ_ｆＹ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）・・・（８）
｜ωＺ｜＝Ｅ_ｆＺ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）・・・（９）

測長誤差Ｅ_ｆＹ、Ｅ_ｆＺは、それぞれ、Ｘ干渉計７の測長値Ｉの周波数ｆＹでの振幅、周波数ｆＺでの振幅に相当する。Ｘ干渉計７の測長値Ｉに対してバンドパスフィルターやＦＦＴなどで周波数分析を行えば、周波数ｆＹでの振幅、周波数ｆＺでの振幅が算出される。以上より、検出部１４によって、微動ステージ２のＹ軸周りの傾き角｜ωＹ｜、及び、Ｚ軸周りの傾き角｜ωＺ｜が同時に検出できる。ωＺ及びωＹの正負の符号に関しては、レーザー角度と測長誤差の関係から判断できる。微動ステージ２をＹ軸周りに−｜Ｅ_ｆＹ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）｜の角度だけ回転させることで、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２をＹ軸周りに直交させることができる。また、微動ステージ２をＺ軸周りに−｜Ｅ_ｆＺ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）｜の角度だけ回転させることで、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２をＺ軸周りに直交させることができる。初期化ユニット２０によって、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＹ、Ｚ軸周りの角度情報を０にリセットする。これによって、ステージ装置の使用時において、レーザー９の出射角度が予期せずＹ、Ｚ軸周りに変動することによる測長誤差の発生を防ぐことができる。

〔第２実施形態〕
つぎに、図６、７に基づいて第２実施形態のステージ装置について説明する。第１実施形態との違いは、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺを直接算出せずに、測長誤差Ｅまたは測長値Ｉの変化から、ωＺ＝０となる微動ステージの姿勢を決定する点である。第２実施形態のステージ装置は、図３に示すように、ステージ１の位置の初期化後、ステージ１を位置決め制御状態にして位置決めピン２２から離れた位置Ａに移動させ、ステージ１を浮上させたままの状態で静止させる。位置Ａは、その場で微動ステージ２をＺ軸周りに回転させても位置決めピン２２と干渉しない位置であり、かつ、レーザー干渉計システム４で微動ステージ２の位置を計測できる位置である。

位置Ａにステージ１を静止させた状態で、変動部１６によってレーザー９のＺ軸周りの角度を変動させる。変動させる角度は、レーザー９から反時計周りの角度変動量をΔθＬ１、時計周りの角度変動量をΔθＬ２として、例えば、ΔθＬ１＝ΔθＬ２＝２．５μｒａｄ程度とする。レーザー角度の変動周波数ｆは、位置決め制御状態のステージ１が追従しない、かつ、ステージ制御に影響しない周波数ｆに設定する。ステージ制御帯域が２００Ｈｚであれば、例えば、その５倍以上の１ｋＨｚ程度とすることができる。

ここで、図３に示すように微動ステージ２がＺ軸周りに未知の角度で傾き、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２のなす角度がＸ計測光１０から反時計回りにθＳ_Ｚであるとする。Ｘバーミラー１２に反りや変形がなく、Ｘバーミラー１２の反射面と、微動ステージ２の側面とが平行である場合は、ωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２である。この時、レーザー９のＺ軸周りの角度を変動させ、Ｘ干渉計７で微動ステージ２の位置を計測すると、測長値には測長誤差が発生する。

レーザー干渉計システム４の測長誤差Ｅは、変動部１６からＸバーミラー１２までの距離をＬとすると、次式１０で近似できる。
Ｅ＝２×Ｌ×ΔθＬ１×｜ωＺ｜・・・（１０）

ここで、レーザー９の角度に加え、微動ステージ２のＺ軸周りの角度ωＺを徐々に変化させると、測長誤差Ｅが変化する。図６に測長誤差Ｅと、微動ステージ２のＺ軸周りの角度ωＺの関係を示す。Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２が直交する時には、ωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２＝０、つまり測長誤差Ｅ＝０となり、測長誤差Ｅは角度ωＺの変化に対して極小値をもつ。

測長誤差Ｅは、Ｘ干渉計７の測長値Ｉの周波数ｆでの振幅に相当する。Ｘ干渉計７の測長値Ｉに対してバンドパスフィルターやＦＦＴなどで周波数分析を行えば、周波数ｆでの振幅が算出される。微動ステージ２の角度ωＺを徐々に変化させ、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２のなす角度θＳ_Ｚを変化させる。検出部１４によって、測長誤差Ｅを算出し、測長誤差Ｅが最小となるところで微動ステージ２の回転を止めると、角度ωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２＝０となる。このとき、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２を直交させることができる。初期化ユニット２０によって、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＺ軸周りの角度情報を０にリセットする。これによって、ステージ装置の使用時において、レーザー９の出射角度が予期せずＺ軸周りに変動することによる測長誤差の発生を防ぐことができる。上述の例では、測長誤差Ｅが最小となるところで微動ステージ２の回転を止めたが、測長誤差Ｅが閾値内となるところで微動ステージ２の回転を止めてもよい。

また、測長誤差Ｅではなく、測長値Ｉの標準偏差３σを算出し、測長誤差Ｉの標準偏差３σが最小となるように、微動ステージ２の角度ωＺを変化させてもよい。測長値Δの標準偏差３σは、レーザー角度変動による測長誤差Ｅの標準偏差３σと、レーザー角度変動以外を起因とする測長誤差Ｅｘの標準偏差３σの二乗和平方根で表される。レーザー角度変動以外の測長誤差Ｅｘとしては、計測光上での空気の屈折率変化、ステージ装置の振動などが挙げられる。図７に測長値Ｉの標準偏差３σと、微動ステージ２のＺ軸周りの角度ωＺの関係を示す。レーザー角度変動以外を起因とする測長誤差Ｅｘが発生していても、検出部１４によって測長値Ｉの標準偏差３σを算出し、測長値Ｉの標準偏差３σが最小となるところで微動ステージ２の回転を止めると、測長誤差Ｅが最小となる。この時、角度ωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２＝０となり、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２を直交させることができる。初期化ユニット２０によって、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＺ軸周りの角度情報を０にリセットする。これによって、ステージ装置の使用時において、レーザー９の出射角度が予期せずＺ軸周りに変動することによる測長誤差の発生を防ぐことができる。

測長値Ｉの標準偏差３σを算出する場合には、レーザー角度の変動角度や変動周波数が制御できていない場合でも有効である。例えば、コモンパス付近に熱源があって未知の角度、周波数でレーザー９の角度が変動しているような場合がある。この場合も、検出部１４によって、測長値Ｉの標準偏差３σを算出しながら、ステージの角度ωＺを変化させ、測長値Ｉの標準偏差３σが最小となるところで微動ステージ２の回転を止める。この時に、ωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２＝０となり、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２を直交させることができる。初期化ユニット２０によって、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＺ軸周りの角度情報を０にリセットする。これによって、ステージ装置の使用時において、レーザー９の出射角度が予期せずＺ軸周りに変動することによる測長誤差の発生を防ぐことができる。

〔第３実施形態〕
つぎに、図８に基づいて第３実施形態のステージ装置について説明する。第１、２実施形態との違いは、Ｘバーミラー１２の形状に反りや変形があり、Ｘバーミラー１２の反射面２１と、微動ステージの側面２２とが平行でない場合に対応している点である。第３実施形態のステージ装置は、図３に示すように、ステージ１の位置の初期化を行う。次にステージ１を位置決め制御状態にして、位置決めピン２２から離れた位置Ａに移動させ、ステージ１を浮上させたままの状態で静止させる。位置Ａは、その場で微動ステージ２をＺ軸周りに回転させても位置決めピン２２と干渉しない位置であり、かつ、レーザー干渉計システム４で微動ステージ２の位置を計測できる位置である。

位置Ａにステージ１を静止させた状態で、変動部１６によってレーザー９のＺ軸周りの角度を変動させる。変動させる角度は、レーザー９から反時計周りの角度変動量をΔθＬ１、時計周りの角度変動量をΔθＬ２として、例えば、ΔθＬ１＝ΔθＬ２＝２．５μｒａｄ程度である。レーザー角度の変動周波数ｆは、位置決め制御状態のステージ１が追従しない、かつ、ステージ制御に影響しない周波数ｆに設定する。ステージ制御帯域が２００Ｈｚであれば、例えば、その５倍以上の１ｋＨｚ程度とすることができる。

ここで、図８に示すように、Ｘバーミラー１２の形状に反りや変形があり、Ｘバーミラー１２の反射面２１と、微動ステージの側面２２とのＺ軸周りの角度が、微動ステージの側面２２から反時計周りにθＢ_Ｚであるとする。Ｘバーミラー１２の反射面２１と、微動ステージの側面２２との角度θＢ_Ｚは、オートコリメータなどで予め計測しておく。微動ステージ２がＺ軸周りに未知の角度ωＺで傾き、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２のなす角度がＸ計測光１０から反時計回りにθＳ_Ｚであるとする。この時、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角はωＺ＝θＳ_Ｚ−π／２−θＢ_Ｚである。この状態で、レーザー９のＺ軸周りの角度を変動させ、Ｘ干渉計７でステージ位置を計測すると、測長値には測長誤差が発生する。

レーザー干渉計システム４の測長誤差Ｅは、変動部１６からＸバーミラー１２までの距離をＬとすると、次式１１で近似できる。
Ｅ＝２×Ｌ×ΔθＬ１×｜θＳ_Ｚ−π／２｜
｜θＳ_Ｚ−π／２｜＝Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）・・・（１１）
測長誤差Ｅは、Ｘ干渉計７の測長値Ｉの周波数ｆでの振幅に相当する。Ｘ干渉計７の測長値Ｉに対してバンドパスフィルターやＦＦＴなどで周波数分析を行えば、周波数ｆでの振幅が算出される。（θＳ_Ｚ−π／２）の正負の符号に関しては、レーザー角度と測長誤差の関係から判断できる。例えば、レーザー９のＺ軸周りの角度を、レーザー９から反時計周りに変化させたときに、測長誤差Ｅが減少すれば、（θＳ_Ｚ−π／２）はＺ軸周りに正、つまり反時計周りの角度である。

式１１より、微動ステージ２のＺ軸周りの傾き角ωＺは、次式１２で表される。
ωＺ＝θＳ_Ｚ−（π／２）−θＢ_Ｚ
＝｜Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）｜−θＢ_Ｚ・・・（１２）

以上より、検出部１４によって、微動ステージ２のＺ軸周りの傾きがωＺ＝｜Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）｜−θＢ_Ｚと算出できる。微動ステージ２の回転位置をＺ軸周りに｛−｜Ｅ／（２×Ｌ×ΔθＬ１）｜＋θＢ_Ｚ｝の角度だけ変化させることで、Ｘ計測光１０と微動ステージ２をＺ軸周りに直交させることができる。初期化ユニット２０によって、Ｘ干渉計７による微動ステージ２のＺ軸周りの角度情報を０にリセットする。

このとき、ωＺ＝０なので、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２とのなす角度はθＳ_Ｚ＝θＢ_Ｚ＋π／２である。Ｘ計測光１０と微動ステージ２とはＺ軸周りに直交しているが、Ｘ計測光１０とＸバーミラー１２とは直交していないので、ステージ装置の使用時にレーザー９が未知の角度±θＬ_Ｕで傾いていると、測長値Ｉには測長誤差Ｅが発生する。測長誤差Ｅは、次式１３で近似できる。
Ｅ＝２×Ｌ×θＬ_Ｕ×｜θＢ_Ｚ｜・・・（１３）

ＬＳＤ（レーザー・センシティブ・ディテクタ）などの計測器でレーザーの傾き角θＬ_Ｕを計測すれば、検出部１４によって測長誤差Ｅが分かり、測長値Ｉの測長誤差を補正することができる。

［第４実施形態］
図１１を用いて、本発明のステージ装置が適用される例示的な露光装置を説明する。露光装置は、照明系２０１、レチクルを保持するレチクルステージ２０２、投影光学系２０３、ウエハ（基板）を保持するウエハステージ（基板ステージ）２０４と、ウエハステージを駆動する駆動部２０５と、を有する。本発明のステージ装置は、レチクルステージ２０２、ウエハステージ２０４の一方又は双方に適用可能である。露光装置は、レチクルに形成された回路パターンをウエハに投影露光するものであり、ステップアンドリピート投影露光方式またはステップアンドスキャン投影露光方式であってもよい。

〔第５実施形態〕
つぎに、本発明の一実施形態のデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。半導体デバイスは、ウエハに集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程を経ることにより製造される。前工程は、前述のステージ装置を使用して感光剤が塗布されたウエハを露光する工程と、ウエハを現像する工程を含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）を含む。液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述のステージ装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。本実施形態のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (15)

1. ステージと、該ステージの側面に設置されたミラーの表面の位置を計測可能に配置された干渉計測器と、該干渉計測器の計測結果に基づいて前記ステージを位置決めする駆動部とを備えたステージ装置であって、
   前記干渉計測器は、
   計測光が前記ミラーに入射する入射位置を周期的に変動させる変動部と、
   前記入射位置の周期的な変動に伴って発生する前記干渉計測器の計測結果の変動量に基づいて、前記ミラーの回転を検出する検出部と、
   を含むことを特徴とするステージ装置。
2. 前記駆動部は、検出された前記ミラーの回転に基づいて前記ステージを位置決めすることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
3. 前記検出部は、前記変動部から前記ミラーまでの前記計測光の光路長に基づいて前記ミラーの回転を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のステージ装置。
4. 前記干渉計測器は、レーザー光源と、前記レーザー光源から出射された光を参照光と計測光に分離し、前記ミラーで反射された計測光と参照ミラーで反射された参照光とを干渉させる干渉計と、を含み、
   前記変動部は、前記レーザー光源と前記干渉計との間に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステージ装置。
5. 前記変動部は、前記計測光の角度を周期的に変動させることによって前記入射位置を周期的に変動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステージ装置。
6. 前記変動部は、前記計測光を前記ミラーが延びる方向に沿って周期的にシフト移動させることによって前記入射位置を周期的に変動させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステージ装置。
7. 前記変動部は、前記ステージの位置制御系の制御帯域を超える周波数で前記入射位置を周期的に変動させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のステージ装置。
8. 前記検出部は、前記ステージの回転位置を変化させて得られた前記計測結果の変動量の変化が閾値内となる回転位置を決定し、
   前記駆動部は、決定された前記回転位置に基づいて前記ステージを位置決めすることを特徴とする請求項１、３乃至７のいずれか１項に記載のステージ装置。
9. 前記検出部は、前記ステージの回転位置を変化させて得られた前記計測結果の変動量の変化が最小となる回転位置を決定することを特徴とする請求項８に記載のステージ装置。
10. 前記干渉計測器は、検出された前記ミラーの回転に基づいて前記ステージの位置及び姿勢の情報を初期化する初期化ユニットを備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のステージ装置。
11. 前記初期化ユニットは、検出された前記ミラーの回転に基づいて前記計測光と前記ミラーとが直交するように前記ステージの位置及び姿勢の情報を初期化することを特徴とする請求項１０に記載のステージ装置。
12. 前記初期化ユニットは、検出された前記ミラーの回転のほか前記ミラーの形状にさらに基づいて、前記ステージの位置及び姿勢の情報を初期化することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のステージ装置。
13. レチクルに形成されたパターンを基板に投影して基板を露光する露光装置であって、
    前記レチクル及び前記基板の少なくともいずれかを保持する請求項１乃至１２のいずれか１項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。
14. 請求項１３に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
    露光された前記基板を現像する工程と、
    を含むデバイス製造方法。
15. ステージと、該ステージの側面に設置されたミラーの表面の位置を計測可能に配置された干渉計測器と、該干渉計測器の計測結果に基づいて前記ステージを位置決めする駆動部とを備えたステージ装置の調整方法であって、
    計測光が前記ミラーに入射する入射位置を周期的に変動させる工程と、
    前記入射位置の周期的な変動に伴って発生する前記干渉計測器の計測結果の変動量に基づいて、前記ミラーの回転を検出する工程と、
    検出された前記ミラーの回転に基づいて前記駆動部により前記ステージを位置決めする工程と、
    を含むことを特徴とする調整方法。

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