JP2014099452A - 位置計測装置、ステージ装置、露光装置、およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 例えば位置計測の対象部材に取り付けられた回折格子に対するビームの入射角度に関する自由度が高く、且つコントラストの高い干渉光に基づいて位置計測を高精度に行う。
【解決手段】 第１部材に対する相対位置が可変である第２部材の相対位置を計測する位置計測装置。第２部材に取り付けられた平面状の基準反射面と、第１部材に取り付けられて、斜め方向から基準反射面に入射した光に応じて斜め方向と非平行な方向に発生する第１反射回折光を複数回に亘って偏向させて、斜め方向と平行な方向に沿って基準反射面へ再入射させる偏向部と、基準反射面へ再入射した光に応じて第１反射回折光と平行な方向に発生する第２反射回折光である測定光と、該測定光に対応する別の光との干渉光の検出結果に基づいて、第２部材の相対位置を求める計測部とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位置計測装置、ステージ装置、露光装置、およびデバイス製造方法に関する。

半導体デバイス等の電子デバイス（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露光装置においては、従来より、露光対象の基板を移動させる基板ステージの位置計測をレーザ干渉計によって行っていた。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、たとえば基板ステージまたは露光装置本体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）と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きている。

米国特許第８，１３４，６８８号公報

従来のエンコーダ装置では、回折格子の格子パターン面の高さ位置が変化すると、測定光としての回折光の光路が参照光の光路に対して相対的にシフトし、干渉光のコントラスト（すなわち干渉光の信号強度）が低下し、ひいては位置計測の精度が低下するという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、位置計測を高精度に行うことのできる位置計測装置を提供することを目的とする。また、本発明は、例えば基板ステージの位置計測を高精度に行う位置計測装置を用いて、投影光学系に対して基板ステージ上の感光性基板を高精度に位置合わせすることのできる露光装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、第１形態では、第１部材に対する相対位置が可変である第２部材の相対位置を計測する位置計測装置において、
前記第２部材に取り付けられた平面状の基準反射面と、
前記第１部材に取り付けられて、斜め方向から前記基準反射面に入射した光に応じて前記斜め方向と非平行な方向に発生する第１反射回折光を複数回に亘って偏向させて、前記斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させる偏向部と、
前記基準反射面へ再入射した光に応じて前記第１反射回折光と平行な方向に発生する第２反射回折光である測定光と、該測定光に対応する別の光との干渉光の検出結果に基づいて、前記第２部材の相対位置を求める計測部とを備えていることを特徴とする位置計測装置を提供する。

第２形態では、物体を保持するステージと、該ステージを移動させる駆動部とを備えたステージ装置において、
第１形態の位置計測装置を備え、
前記偏向部および前記基準反射面のうちの一方が前記ステージに取り付けられていることを特徴とするステージ装置を提供する。

第３形態では、所定のパターンを基板に露光する露光装置において、
前記基板を保持して移動する第２形態のステージ装置を備えていることを特徴とする露光装置を提供する。

第４形態では、第３形態の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。

本発明の一態様にしたがう位置計測装置では、例えば位置計測の対象部材に取り付けられた回折格子に対するビームの入射角度に関する自由度が高く、且つコントラストの高い干渉光に基づいて位置計測を高精度に行うことができる。本発明の一態様にしたがう露光装置では、例えば基板ステージの位置計測を高精度に行う位置計測装置を用いて、投影光学系に対して基板ステージ上の感光性基板を高精度に位置合わせすることができる。

第１実施形態にかかる位置計測装置の構成を概略的に示す図である。 回折格子の高さ位置が変化しても測定光が参照光に対して相対的にシフトしないことを示す図である。 第１実施形態にかかる偏向部の変形例の構成を概略的に示す図である。 第２実施形態にかかる位置計測装置の構成を概略的に示す図である。 第３実施形態にかかる位置計測装置の構成を概略的に示す図である。 第４実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 図６の露光装置に搭載された位置計測装置を構成する回折格子および計測ユニットの配置を概略的に示す図である。 マスクステージの位置計測に適用した変形例における回折格子および計測ユニットの配置を概略的に示す図である。 半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。 液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。

以下、実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態にかかる位置計測装置の構成を概略的に示す図である。図１では、紙面の水平方向にＸ軸を、紙面の鉛直方向にＺ軸を、紙面に垂直な方向にＹ軸を設定している。各実施形態では、例えば固定的に位置決めされた第１部材１０１に対して移動可能な第２部材１０２の位置を計測する位置計測装置に対して、本発明を適用している。

第１実施形態の位置計測装置１は、計測光を供給するヘテロダイン光源部１１と、ヘテロダイン光源部１１に一端が接続された４つのライトガイド１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、各ライトガイド１２ａ〜１２ｄの他端が接続された光射出部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとを備えている。Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源、半導体レーザ光源などを含むヘテロダイン光源部１１は、周知の構成にしたがって、第１の計測光をライトガイド１２ａおよび１２ｃにそれぞれ供給し、第１の計測光とは異なる周波数を有する第２の計測光をライトガイド１２ｂおよび１２ｄにそれぞれ供給する。

ここで、第１の計測光と第２の計測光とを同じ偏光状態に設定することができる。また、ヘテロダイン光源部１１に代えて、互いに同じ周波数を有する第１の計測光と第２の計測光とを供給するホモダイン光源部を用いることもできる。ホモダイン光源部を用いる場合においても、第１の計測光と第２の計測光とを同じ偏光状態に設定することができる。第１の計測光と第２の計測光とを同じ偏光状態に設定することができること、およびヘテロダイン光源部に代えてホモダイン光源部を用いることができることは、後述の第２実施形態においても同様である。

ライトガイド１２ａの内部を伝搬した計測光は、例えばコリメートレンズを含む光射出部１３ａを経て平行光になり、第２部材１０２に取り付けられた回折格子１４に、ＸＺ平面と平行な平面に沿って斜め方向から入射する。回折格子１４は平行平面板の形態を有し、回折格子１４の表面（入射側の面）にはＸ方向に沿った一次元周期構造を有する回折光学面１４ａが設けられている。なお、回折光学面１４ａは、保護用の平面ガラスにより覆われていても良い。

回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１１ａに斜め入射した光Ｌ１１に応じて、＋１次回折光（または−１次回折光）Ｌ１２が発生する。回折光学面１４ａへの斜め入射光Ｌ１１の光路と非平行な光路に沿って発生した反射回折光Ｌ１２は、三角プリズム１５ａにより偏向されて斜め入射光Ｌ１１の光路と平行な光路に沿ってコーナーキューブ１６ａに入射する。コーナーキューブ１６ａは、所定方向に沿って入射した光を互いに直交する３つの反射面で順次反射して光の入射方向と平行な方向に沿って射出するプリズム型の３回反射部材である。

コーナーキューブ１６ａの内部で３回反射されて射出された光Ｌ１２ａは、斜め入射光Ｌ１１の光路と平行な光路に沿って回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１１ｂに斜め方向から入射する。回折光学面１４ａに斜め入射した光Ｌ１２ａに応じて、＋１次回折光（または−１次回折光）Ｌ１３が発生する。反射回折光Ｌ１２と平行な光路に沿って回折光学面１４ａから発生した測定光としての反射回折光Ｌ１３は、ハーフミラー（ビームスプリッター）１７ａを透過して、光電変換器１８ａに入射する。

一方、ライトガイド１２ｂの内部を伝搬した計測光は、例えばコリメートレンズを含む光射出部１３ｂを経て平行光になり、ハーフミラー１７ａに斜め入射する。光射出部１３ｂからハーフミラー１７ａへ斜め入射して反射された参照光Ｌ１４は、測定光Ｌ１３と同じ光路に沿って光電変換器１８ａに入射する。換言すれば、ハーフミラー１７ａで反射された参照光Ｌ１４がハーフミラー１７ａを透過した測定光Ｌ１３と同じ光路に沿って光電変換器１８ａに入射するように、光射出部１３ｂからの射出光の方向およびハーフミラー１７ａの姿勢が設定されている。光電変換器１８ａは、互いに同じ光路に沿って入射した測定光Ｌ１３と参照光Ｌ１４との干渉光を光電検出して得られた第１検出信号を処理部１９へ供給する。

ライトガイド１２ｃの内部を伝搬した計測光は、例えばコリメートレンズを含む光射出部１３ｃを経て平行光になり、回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１２ａに、ＸＺ平面と平行な平面に沿って斜め方向から入射する。回折光学面１４ａ上の領域１１２ａに斜め入射する光Ｌ２１の光路は、領域１１１ａと１１２ａとの中間点１１３を通りＹＺ平面に平行な平面（中間点１１３を通りＸ方向と直交する平面：図１中破線で示す）１１３ａに関して回折光学面１４ａ上の領域１１１ａに斜め入射する光Ｌ１１の光路と対称である。

換言すれば、回折光学面１４ａ上の領域１１２ａに斜め入射する光Ｌ２１の光路が平面１１３ａに関して領域１１１ａに斜め入射する光Ｌ１１の光路と対称になるように、光射出部１３ｃが設定されている。一例として、光射出部１３ｃは、光射出部１３ａと平面１１３ａに関して対称に構成され且つ位置決めされている。回折光学面１４ａ上の領域１１２ａに斜め入射した光Ｌ２１に応じて、＋１次回折光（または−１次回折光）Ｌ２２が発生する。

領域１１２ａからの反射回折光Ｌ２２は、領域１１１ａからの反射回折光Ｌ１２と平面１１３ａに関して対称になる。回折光学面１４ａへの斜め入射光Ｌ２１の光路と非平行な光路に沿って発生した反射回折光Ｌ２２は、三角プリズム１５ｂにより偏向されて斜め入射光Ｌ２１の光路と平行な光路に沿ってコーナーキューブ１６ｂに入射する。三角プリズム１５ｂおよびコーナーキューブ１６ｂは、平面１１３ａに関して三角プリズム１５ａおよびコーナーキューブ１６ａとそれぞれ対称に構成され且つ位置決めされている。

コーナーキューブ１６ｂの内部で３回反射されて射出された光Ｌ２２ａは、斜め入射光Ｌ２１の光路と平行な光路に沿って回折光学面１４ａ上の領域１１２ｂに斜め方向から入射する。回折光学面１４ａに斜め入射した光Ｌ２２ａに応じて、＋１次回折光（または１１次回折光）Ｌ２３が発生する。反射回折光Ｌ２２と平行な光路に沿って回折光学面１４ａから発生した測定光としての反射回折光Ｌ２３は、ハーフミラー１７ｂを透過して、光電変換器１８ｂに入射する。

一方、ライトガイド１２ｄの内部を伝搬した計測光は、例えばコリメートレンズを含む光射出部１３ｄを経て平行光になり、ハーフミラー１７ｂに斜め入射する。光射出部１３ｄからハーフミラー１７ｂへ斜め入射して反射された参照光Ｌ２４は、測定光Ｌ２３と同じ光路に沿って、光電変換器１８ｂに入射する。換言すれば、ハーフミラー１７ｂで反射された参照光Ｌ２４がハーフミラー１７ｂを透過した測定光Ｌ２３と同じ光路に沿って光電変換器１８ｂに入射するように、光射出部１３ｄからの射出光の方向およびハーフミラー１７ｂの姿勢が設定されている。

一例として、光射出部１３ｄおよびハーフミラー１７ｂは、光射出部１３ｂおよびハーフミラー１７ａと平面１１３ａに関して対称に構成され且つ位置決めされている。光電変換器１８ｂは、互いに同じ光路に沿って入射した測定光Ｌ２３と参照光Ｌ２４との干渉光を光電検出して得られた第２検出信号を処理部１９へ供給する。第１実施形態の位置計測装置１において、４つの光射出部１３ａ〜１３ｄ、一対の三角プリズム１５ａ，１５ｂ、一対のコーナーキューブ１６ａ，１６ｂ、一対のハーフミラー１７ａ，１７ｂ、および一対の光電変換器１８ａ，１８ｂは、第１部材１０１に取り付けられた計測ユニット１０を構成している。

処理部１９は、測定光Ｌ１３と参照光Ｌ１４との干渉光を光電検出して得られる第１検出信号と、測定光Ｌ２３と参照光Ｌ２４との干渉光を光電検出して得られる第２検出信号との差に基づいて、回折光学面１４ａ上の計測点１１３のＸ方向位置、ひいては第２部材１０２のＸ方向位置を求める。また、処理部１９は、測定光Ｌ１３と参照光Ｌ１４との干渉光を光電検出して得られる第１検出信号と、測定光Ｌ２３と参照光Ｌ２４との干渉光を光電検出して得られる第２検出信号との和（または平均値）に基づいて、回折光学面１４ａ上の計測点１１３のＺ方向位置、ひいては第２部材１０２のＺ方向位置を求める。

第１実施形態の位置計測装置１では、図２に示すように、回折格子１４が取り付けられた第２部材１０２がＺ方向に移動し、ひいては回折光学面１４ａが図２中実線で示す位置から図２中破線で示す位置へ移動しても、測定光としての反射回折光Ｌ１３の光路は変動しない。図示を省略したが、測定光としての反射回折光Ｌ２３の光路も変動しない。すなわち、回折格子１４の高さ位置（Ｚ方向の位置）が変化しても、測定光としての反射回折光Ｌ１３，Ｌ２３の光路が参照光Ｌ１４，Ｌ２４の光路に対して相対的にシフトしないので、コントラストの高い干渉光に基づいて位置計測を高精度に行うことができる。

また、図示を省略したが、回折格子１４が取り付けられた第２部材１０２がＹ軸廻りに傾いても、測定光としての反射回折光Ｌ１３，Ｌ２３の光路は参照光Ｌ１４，Ｌ２４の光路に対して相対的にシフトしない。しかしながら、測定光Ｌ１３，Ｌ２３と参照光Ｌ１４，Ｌ２４との干渉により得られる干渉縞の位相は、回折光学面１４ａの傾きの影響を受けることになる。このとき、回折光学面１４ａがＹ軸廻りに傾いても干渉縞の位相が影響を受け難くなるように、回折光学面１４ａに斜め入射する光Ｌ１１，Ｌ２１の入射角度を選択することができる。

また、位置計測装置１では、回折光学面１４ａに斜め入射する光Ｌ１１，Ｌ２１の入射角度が、直角やリトロー角などの特定の角度に制限されることなく、回折格子１４へのビームの入射角度を広い角度範囲から自由に選択することができる。すなわち、位置計測の対象部材である第２部材１０２に取り付けられた回折格子１４に対するビームの入射角度に関する自由度が高く、ひいては位置計測装置１における光学系の設計に関する自由度が高い。

また、位置計測装置１では、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板が用いられていない。したがって、例えば反射などに起因して光の偏光状態が変化しても、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板における光量損失が発生しないという利点がある。また、製造誤差などに起因して、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板においてノイズ光が発生しないという利点がある。

なお、上述の第１実施形態では、Ｘ方向に沿った一次元周期構造を有する回折格子１４が取り付けられた第２部材１０２のＸ方向位置およびＺ方向位置、さらに一般的には第１部材１０１に対する相対位置が可変である第２部材１０２のＸ方向の相対位置およびＺ方向の相対位置を計測している。しかしながら、Ｘ方向およびＹ方向に沿った二次元周期構造を有する回折格子を第２部材１０２に取り付けるとともに、計測点１１３を通ってＺ方向に延びる軸線廻りにＸＺ用の計測ユニット１０を９０度回転させて得られる構成を有するＹＺ用の計測ユニットを付設することにより、第１部材１０１に対する相対位置が可変である第２部材１０２のＸ方向の相対位置、Ｙ方向の相対位置およびＺ方向の相対位置を計測することが可能になる。

また、上述の第１実施形態では、第１部材１０１に取り付けられた三角プリズム１５ａ（１５ｂ）およびコーナーキューブ１６ａ（１６ｂ）が、回折格子１４の回折光学面１４ａに斜め方向から入射した光Ｌ１１（Ｌ２１）に応じて発生する反射回折光Ｌ１２（Ｌ２２）を複数回（具体的には４回）に亘って偏向させて、入射光Ｌ１１（Ｌ２１）と平行な方向に沿って回折光学面１４ａへ再入射させる偏向部を構成している。換言すれば、偏向部は、入射した光を偏向する偏向部材としての三角プリズム１５ａ（１５ｂ）と、所定方向に沿って入射した光を互いに直交する３つの反射面で順次反射して入射方向と平行な方向に沿って射出するプリズム型の３回反射部材としてのコーナーキューブ１６ａ（１６ｂ）とにより構成されている。

しかしながら、これに限定されることなく、第１実施形態における偏向部の具体的な構成については様々な変形例が可能である。例えば、コーナーキューブ１６ａ（１６ｂ）に代えて、所定方向に沿って入射した光を互いに直交する３つの反射面で順次反射して入射方向と平行な方向に沿って射出するミラー型の３回反射部材を用いることができる。また、三角プリズム１５ａ（１５ｂ）に代えて、三角プリズム以外のプリズム部材、回折格子、偶数毎の反射面などを用いることができる。

さらに、例えば図３に示すように、三角プリズム１５ａ（１５ｂ）とコーナーキューブ１６ａ（１６ｂ）とにより構成された図１の偏向部に代えて、反射部材としての平面鏡２２ａ（２２ｂ）と２回反射部材としてのルーフプリズム２３ａ（２３ｂ）とを含む偏向部を用いることもできる。図３の変形例では、回折光学面１４ａに斜め入射した光Ｌ１１，Ｌ２１に応じて発生した反射回折光Ｌ１２，Ｌ２２が、透過型の回折格子２１ａ，２１ｂにより偏向され、平面鏡２２ａ，２２ｂにより反射された後に、ルーフプリズム２３ａ，２３ｂに入射する。ルーフプリズム２３ａ，２３ｂは、所定方向に沿って入射した光を互いに直交する２つの反射面で順次反射して射出するプリズム型の２回反射部材である。

ルーフプリズム２３ａ，２３ｂの内部で２回反射されて射出された光Ｌ１２ａ，Ｌ２２ａは、斜め入射光Ｌ１１，Ｌ２１の光路と平行な光路に沿って回折光学面１４ａに斜め方向から再入射する。回折光学面１４ａに斜め入射した光Ｌ１２ａ，Ｌ２２ａに応じて、測定光としての反射回折光Ｌ１３，Ｌ２３が発生する。図３において、回折格子２１ａから右斜め上方向へ向かう回折光を平面鏡２２ａへ導くこと、および回折格子２１ｂから左斜め上方向へ向かう回折光を平面鏡２２ｂへ導くことにより、回折光学面１４ａがＹ軸廻りに傾いても干渉縞の位相が影響を受け難いように設定することが可能になる。

図３の変形例では、ルーフプリズム２３ａ，２３ｂに代えて、入射した光を互いに直交する２つの反射面で順次反射して射出するミラー型の２回反射部材、すなわちルーフミラーを用いることができる。一般に、偏向部は、第２部材に取り付けられた平面状の基準反射面（第１実施形態における回折光学面１４ａに対応）に斜め入射した光（第１実施形態におけるＬ１１、Ｌ２１に対応）に応じて発生する反射回折光（第１実施形態におけるＬ１２、Ｌ２２に対応）に対して３回以上の奇数回の反射を作用させて基準反射面へ再入射させるように構成されていることが重要である。

図４は、第２実施形態にかかる位置計測装置の構成を概略的に示す図である。図４においても、紙面の水平方向にＸ軸を、紙面の鉛直方向にＺ軸を、紙面に垂直な方向にＹ軸を設定している。また、図４では、図１に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図１と同じ参照符号を付している。第２実施形態の位置計測装置１Ａでは、ヘテロダイン光源部１１が、第１の計測光をライトガイド１２ｅに供給し、第１の計測光とは異なる周波数を有する第２の計測光をライトガイド１２ｆに供給する。

ライトガイド１２ｅの内部を伝搬した計測光は、例えばコリメートレンズを含む光射出部１３ｅを経て平行光になり、第２部材１０２に取り付けられた回折格子１４に、ＸＺ平面と平行な平面に沿って斜め方向から入射する。回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１４ａに斜め入射した光Ｌ１１に応じて、＋１次回折光（または−１次回折光）Ｌ１２がＺ方向に沿って発生する。回折光学面１４ａからＺ方向に発生した反射回折光Ｌ１２は、コーナーキューブ１６ｃに入射する。

コーナーキューブ１６ｃの内部で３回反射されてＺ方向に射出された光Ｌ１２ａは、三角プリズム１５ｃにより偏向された後に、斜め入射光Ｌ１１の光路と平行な光路に沿って回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１５に斜め方向から入射する。回折光学面１４ａに斜め入射した光Ｌ１２ａに応じて、＋１次回折光（または−１次回折光）Ｌ１３がＺ方向に沿って発生する。回折光学面１４ａからＺ方向に発生した第１測定光としての反射回折光Ｌ１３は、光電変換器１８に入射する。

一方、ライトガイド１２ｆの内部を伝搬した計測光は、例えばコリメートレンズを含む光射出部１３ｆを経て平行光になり、回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１４ｂに、ＸＺ平面と平行な平面に沿って斜め方向から入射する。回折光学面１４ａ上の領域１１４ｂに斜め入射する光Ｌ２１の光路は、領域１１４ａと１１４ｂとの中間点に位置する領域１１５を通りＹＺ平面に平行な平面（領域１１５を通りＸ方向と直交する平面：図４中破線で示す）１１５ａに関して回折光学面１４ａ上の領域１１４ａに斜め入射する光Ｌ１１の光路と対称である。

換言すれば、回折光学面１４ａ上の領域１１４ｂに斜め入射する光Ｌ２１の光路が平面１１５ａに関して領域１１４ａに斜め入射する光Ｌ１１の光路と対称になるように、光射出部１３ｆが設定されている。一例として、光射出部１３ｆは、光射出部１３ｅと平面１１５ａに関して対称に構成され且つ位置決めされている。回折光学面１４ａ上の領域１１４ｂに斜め入射した光Ｌ２１に応じて、＋１次回折光（または−１次回折光）Ｌ２２がＺ方向に沿って発生する。

回折光学面１４ａからＺ方向に発生した反射回折光Ｌ２２は、コーナーキューブ１６ｄに入射する。コーナーキューブ１６ｄの内部で３回反射されてＺ方向に射出された光Ｌ２２ａは、三角プリズム１５ｄにより偏向された後に、斜め入射光Ｌ２１の光路と平行な光路に沿って回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１５に斜め方向から入射する。このように、コーナーキューブ１６ｄおよび三角プリズム１５ｄは、平面１１５ａに関してコーナーキューブ１６ｃおよび三角プリズム１５ｃとそれぞれ対称に構成され且つ位置決めされている。

回折光学面１４ａに斜め入射した光Ｌ２２ａに応じて、＋１次回折光（または−１次回折光）Ｌ２３がＺ方向に沿って発生する。回折光学面１４ａからＺ方向に発生した第２測定光としての反射回折光Ｌ２３は、第１測定光としての反射回折光Ｌ１３と同じ光路に沿って、光電変換器１８に入射する。光電変換器１８は、互いに同じ光路に沿って入射した第１測定光Ｌ１３と第２測定光Ｌ２３との干渉光を光電検出して得られた検出信号を処理部１９へ供給する。

第２実施形態の位置計測装置１Ａにおいて、一対の光射出部１３ｅ，１３ｆ、一対の三角プリズム１５ｃ，１５ｄ、一対のコーナーキューブ１６ｃ，１６ｄ、および光電変換器１８は、第１部材１０１に取り付けられた計測ユニット１０Ａを構成している。処理部１９は、第１測定光Ｌ１３と第２測定光Ｌ２３との干渉光を光電検出して得られる検出信号に基づいて、回折光学面１４ａ上の計測点１１５のＸ方向位置、ひいては第２部材１０２のＸ方向の相対位置を求める。

第２実施形態の位置計測装置１Ａでは、回折光学面１４ａからＺ方向に発生した第１測定光としての反射回折光Ｌ１３と回折光学面１４ａからＺ方向に発生した第２測定光としての反射回折光Ｌ２３とを同一光路に合流させるための光学部材が不要であり、光量利用の効率化の向上、光学系の簡素化などを図ることができる。すなわち、光量利用の効率化の向上により、比較的強い検出信号に基づいて位置計測を高精度に行うことができる。

また、位置計測装置１Ａでは、回折光学面１４ａに斜め入射する光Ｌ１１，Ｌ２１の入射角度が直角やリトロー角などの特定の角度に制限されることなく、回折格子１４の回折パターンのＸ方向ピッチに応じて回折格子１４へのビームの入射角度を比較的広い角度範囲から自由に選択することができる。すなわち、位置計測の対象部材である第２部材１０２に取り付けられた回折格子１４に対するビームの入射角度に関する自由度が比較的高く、ひいては位置計測装置１Ａにおける光学系の設計に関する自由度が高い。

また、位置計測装置１Ａでは、第１実施形態にかかる位置計測装置１の場合と同様に、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板が用いられていない。したがって、例えば反射などに起因して光の偏光状態が変化しても、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板における光量損失が発生しないという利点がある。また、製造誤差などに起因して、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板においてノイズ光が発生しないという利点がある。

なお、上述の第２実施形態では、Ｘ方向に沿った一次元周期構造を有する回折格子１４が取り付けられた第２部材１０２のＸ方向位置、さらに一般的には第１部材１０１に対する相対位置が可変である第２部材１０２のＸ方向の相対位置を計測している。しかしながら、Ｘ方向およびＹ方向に沿った二次元周期構造を有する回折格子を第２部材１０２に取り付けるとともに、計測点１１５を通ってＺ方向に延びる軸線廻りにＸ軸用の計測ユニット１０Ａを９０度回転させて得られる構成を有するＹ軸用の計測ユニットを付設することにより、第１部材１０１に対する相対位置が可変である第２部材１０２のＸ方向の相対位置およびＹ方向の相対位置を計測することが可能になる。

また、上述の第２実施形態では、第１部材１０１に取り付けられた三角プリズム１５ｃ（１５ｄ）およびコーナーキューブ１６ｃ（１６ｄ）が、回折格子１４の回折光学面１４ａに斜め方向から入射した光Ｌ１１（Ｌ２１）に応じてＺ方向に発生する反射回折光Ｌ１２（Ｌ２２）を複数回（具体的には４回）に亘って偏向させて、入射光Ｌ１１（Ｌ２１）と平行な方向に沿って回折光学面１４ａへ再入射させる偏向部を構成している。しかしながら、これに限定されることなく、第２実施形態における偏向部の具体的な構成については様々な変形例が可能である。例えば、コーナーキューブ１６ｃ（１６ｄ）に代えてミラー型の３回反射部材を用いたり、三角プリズム１５ｃ（１５ｄ）に代えて、三角プリズム以外のプリズム部材、回折格子、偶数毎の反射面などを用いたりすることができる。

また、上述の第１実施形態および第２実施形態では、反射回折光Ｌ１２，Ｌ２２および測定光Ｌ１３，Ｌ２３として、回折光学面１４ａからの１次回折光を用いている。しかしながら、これに限定されることなく、斜め方向から基準反射面に入射した光に応じて発生する反射回折光および基準反射面へ再入射した光に応じて反射回折光と平行な方向に発生する測定光として、±１次以上の次数の回折光を用いることができる。

図５は、第３実施形態にかかる位置計測装置の構成を概略的に示す図である。図５においても、紙面の水平方向にＸ軸を、紙面の鉛直方向にＺ軸を、紙面に垂直な方向にＹ軸を設定している。また、図５では、図１および図３に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図１および図３と同じ参照符号を付している。第３実施形態の位置計測装置１Ｂでは、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源、半導体レーザ光源などを含む光源部１１ａが、ライトガイド１２ｇに計測光を供給する。

ライトガイド１２ｇの内部を伝搬した計測光は、例えばコリメートレンズを含む光射出部１３ｇを経て平行光Ｌ３１になり、ハーフミラー（ビームスプリッター）１７ｃに入射する。ハーフミラー１７ｃを透過した光Ｌ３１は、第２部材１０２に取り付けられた回折格子１４に、ＸＺ平面と平行な平面に沿って斜め方向から入射する。回折格子１４の回折光学面１４ａ上の領域１１６ａに斜め入射した光Ｌ３１の正反射光（０次回折光）Ｌ３２は、平面鏡２２ｃによりＸ方向に反射された後に、ルーフプリズム２３ｃに入射する。

ルーフプリズム２３ｃの内部で２回反射されて射出された光Ｌ３２ａは、斜め入射光Ｌ３１の光路と平行な光路に沿って回折光学面１４ａに再入射する。回折光学面１４ａ上の領域１１６ｂに斜め入射した光Ｌ３２ａの正反射光Ｌ３３は、測定光として、正反射光Ｌ３２の光路と平行な光路に沿ってハーフミラー１７ｃに入射する。ハーフミラー１７ｃを透過した測定光Ｌ３３は、光電変換器１８に入射する。一方、光射出部１３ｇからハーフミラー１７ｃに入射して反射された光は、参照光Ｌ３０として、測定光Ｌ３３と同じ光路に沿って光電変換器１８に入射する。

光電変換器１８は、互いに同じ光路に沿って入射した測定光Ｌ３３と参照光Ｌ３０との干渉光を光電検出して得られた検出信号を処理部１９へ供給する。第３実施形態の位置計測装置１Ｂにおいて、光射出部１３ｇ、ハーフミラー１７ｃ、平面鏡２２ｃ、ルーフプリズム２３ｃ、および光電変換器１８は、第１部材１０１に取り付けられた計測ユニット１０Ｂを構成している。処理部１９は、測定光Ｌ３３と参照光Ｌ３０との干渉光を光電検出して得られる検出信号に基づいて、回折光学面１４ａ上の計測点１１７（領域１１６ａと１１６ｂとの中間点）のＺ方向位置、ひいては第２部材１０２のＺ方向の相対位置を求める。

第３実施形態の位置計測装置１Ｂでは、回折格子１４の高さ位置（Ｚ方向の位置）が変化しても、測定光Ｌ３３の光路が参照光Ｌ３０の光路に対して相対的にシフトしないので、コントラストの高い干渉光に基づいて位置計測を高精度に行うことができる。また、回折格子１４が取り付けられた第２部材１０２がＹ軸廻りに傾いても、測定光Ｌ３３の光路は参照光Ｌ３０の光路に対して相対的にシフトしない。しかしながら、測定光Ｌ３３と参照光Ｌ３０との干渉により得られる干渉縞の位相は、回折光学面１４ａの傾きの影響を受ける。このとき、回折光学面１４ａがＹ軸廻りに傾いても干渉縞の位相が影響を受け難くなるように、回折光学面１４ａに斜め入射する光Ｌ３１の入射角度を選択することができる。

また、位置計測装置１Ｂでは、回折光学面１４ａに斜め入射する光Ｌ３１の入射角度が直角やリトロー角などの特定の角度に制限されることなく、回折格子１４へのビームの入射角度を広い角度範囲から自由に選択することができる。すなわち、位置計測の対象部材である第２部材１０２に取り付けられた回折格子１４に対するビームの入射角度に関する自由度が高く、ひいては位置計測装置１Ｂにおける光学系の設計に関する自由度が高い。

また、位置計測装置１Ｂでは、第１実施形態および第２実施形態の場合と同様に、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板が用いられていない。したがって、例えば反射などに起因して光の偏光状態が変化しても、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板における光量損失が発生しないという利点がある。また、製造誤差などに起因して、偏光ビームスプリッターおよび１／４波長板においてノイズ光が発生しないという利点がある。

また、上述の第３実施形態では、第１部材１０１に取り付けられた平面鏡２２ｃおよびルーフプリズム２３ｃが、回折格子１４の回折光学面１４ａに斜め方向から入射した光Ｌ３３の正反射光Ｌ３２を複数回（具体的には３回）に亘って偏向して、入射光Ｌ３１と平行な方向に沿って回折光学面１４ａへ再入射させる偏向部を構成している。しかしながら、これに限定されることなく、第３実施形態における偏向部の具体的な構成については様々な変形例が可能である。例えば、ルーフプリズム２３ｃに代えて、ルーフミラーを用いることができる。

また、上述の第３実施形態では、第２部材１０２に取り付けられた平面状の基準反射面として、回折格子１４の回折光学面１４ａを用いている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば第２部材に取り付けられた平面鏡の反射面を、基準反射面として用いることができる。

上述したように、第２実施形態にかかる位置計測装置１Ａでは、Ｘ軸用の計測ユニット１０Ａを用いて、第２部材１０２のＸ方向の相対位置を計測することができる。また、第２実施形態においてＸ軸用の計測ユニット１０Ａに対応するＹ軸用の計測ユニットを付設することにより、第２部材１０２のＸ方向の相対位置およびＹ方向の相対位置を計測することができる。一方、第３実施形態にかかる位置計測装置１Ｂでは、Ｚ軸用の計測ユニット１０Ｂを用いて、第２部材１０２のＺ方向の相対位置を計測することができる。したがって、第２実施形態におけるＸ軸用の計測ユニット１０Ａと、これに対応するＹ軸用の計測ユニットと、第３実施形態におけるＺ軸用の計測ユニット１０Ｂとを組み合わせて得られる計測ユニットを用いて、第２部材１０２のＸ方向の相対位置、Ｙ方向の相対位置およびＺ方向の相対位置を計測することが可能になる。

また、第１実施形態において、測定光Ｌ１３，Ｌ２３は、第２部材１０２のＸ方向の相対位置およびＺ方向の相対位置に関する情報をそれぞれ含んでいる。したがって、第１実施形態におけるＸＺ用の計測ユニット１０を平面１１３ａにより２等分割して得られる一方の計測ユニットと、第３実施形態におけるＺ軸用の計測ユニット１０Ｂとを組み合わせて得られる計測ユニットを用いて、第２部材１０２のＸ方向の相対位置およびＺ方向の相対位置を計測することが可能になる。

同様に、第１実施形態におけるＸＺ用の計測ユニット１０を平面１１３ａにより２等分割して得られる一方の計測ユニットと、ＸＺ用の計測ユニット１０に対応するＹＺ用の計測ユニットを２等分割して得られる一方の計測ユニットと、第３実施形態におけるＺ軸用の計測ユニット１０Ｂとを組み合わせて得られる計測ユニットを用いて、第２部材１０２のＸ方向の相対位置、Ｙ方向の相対位置およびＺ方向の相対位置を計測することが可能になる。

図６は、第４実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。第４実施形態では、露光装置において感光性基板を保持して移動する基板ステージの位置計測に対して、ＸＹＺ用の計測ユニット１０Ｃを備えた位置計測装置１Ｃを適用している。ＸＹＺ用の計測ユニット１０Ｃは、例えば第１実施形態におけるＸＺ用の計測ユニット１０と、計測ユニット１０に対応するＹＺ用の計測ユニットとをそれぞれ複数組み合わせて得られる。

あるいは、ＸＹＺ用の計測ユニット１０Ｃは、第２実施形態におけるＸ軸用の計測ユニット１０Ａと、計測ユニット１０Ａに対応するＹ軸用の計測ユニットと、第３実施形態におけるＺ軸用の計測ユニット１０Ｂとをそれぞれ複数組み合わせて得られる。あるいは、ＸＹＺ用の計測ユニット１０Ｃは、第１実施形態におけるＸＺ用の計測ユニット１０を２等分割して得られる一方の計測ユニットと、ＸＺ用の計測ユニット１０に対応するＹＺ用の計測ユニットを２等分割して得られる一方の計測ユニットと、第３実施形態におけるＺ軸用の計測ユニット１０Ｂとをそれぞれ複数組み合わせて得られる。

図６では、投影光学系ＰＬの像面の法線方向（すなわち投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向：図６の紙面における鉛直方向）にＺ軸を、投影光学系ＰＬの像面内において図６の紙面に平行にＸ軸を、投影光学系ＰＬの像面内において図６の紙面に垂直にＹ軸を設定している。図６を参照すると、第４実施形態の露光装置には、光源ＬＳから露光光（照明光）が供給される。露光用光源ＬＳとして、たとえば１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源や、２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。

第４実施形態の露光装置は、光源ＬＳから射出された照明光（露光光）により、転写すべきパターンが形成されたマスク（レチクル）Ｍを照明する照明光学系ＩＬを備えている。照明光学系ＩＬは、オプティカル・インテグレータ（ホモジナイザー）、視野絞り、コンデンサレンズ等から構成されている。照明光学系ＩＬは、例えばマスクＭの矩形状のパターン領域全体、あるいはパターン領域全体のうちＸ方向に沿って細長いスリット状の領域（例えば矩形状の領域）を照明する。

マスクＭのパターンからの光は、投影光学系ＰＬを介して、フォトレジストが塗布されたウェハ（感光性基板）Ｗの単位露光領域にマスクＭのパターン像を形成する。すなわち、マスクＭ上での照明領域に光学的に対応するように、ウェハＷの単位露光領域において、マスクＭのパターン領域全体と相似な矩形状の領域、あるいはＸ方向に細長い矩形状の領域（静止露光領域）にマスクパターン像が形成される。

マスクＭは、マスクステージＭＳ上においてＸＹ平面とほぼ平行に保持されている。マスクステージＭＳには、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ軸廻りの回転方向などにマスクＭを移動させる機構が組み込まれている。マスクステージＭＳには図示を省略した移動鏡が設けられ、この移動鏡を用いるマスクレーザ干渉計（不図示）が、マスクステージＭＳ（ひいてはマスクＭ）のＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、回転方向の位置などをリアルタイムに計測する。

ウェハＷは、ウェハホルダ（不図示）を介して、ウェハステージ（基板ステージ）ＷＳ上においてＸＹ平面とほぼ平行に保持されている。すなわち、ウェハＷを保持して移動するウェハステージＷＳ上において、ウェハＷは所定の位置に所定の姿勢で保持されている。ウェハステージＷＳには、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸廻りの回転方向、Ｙ軸廻りの回転方向およびＺ軸廻りの回転方向に、ウェハステージＷＳ（ひいてはウェハＷ）を移動させる機構が組み込まれている。

第４実施形態の露光装置は、ウェハステージＷＳ（ひいてはウェハＷ）のＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、Ｚ方向の位置、Ｘ軸廻りの回転方向の位置、Ｙ軸廻りの回転方向の位置、およびＺ軸廻りの回転方向の位置をリアルタイムに計測する位置計測装置１Ｃを備えている。位置計測装置１Ｃは、図６および図７に示すように、ウェハＷを挟んでＸ方向に間隔を隔てて設置された一対の反射型の回折格子１４Ａと、投影光学系ＰＬを挟んでＸ方向に並んで設置された４つの計測ユニット１０Ｃとを有する。図７では、ウェハＷの中心Ｗａと投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとがＸＹ平面において同じ位置にある基準的な状態を示している。

回折格子１４Ａは、例えばＹ方向に沿って細長い矩形状の外形を有し、ウェハステージＷＳに固定的に（あるいは着脱自在に）取り付けられている。回折格子１４Ａには、Ｘ方向およびＹ方向に沿った二次元周期構造を有する回折パターンが設けられている。４つの計測ユニット１０Ｃは、ウェハステージＷＳと隔絶された露光装置本体に固定的に取り付けられている。４つの計測ユニット１０Ｃのうち、第１の対の計測ユニット１０Ｃは投影光学系ＰＬの＋Ｘ方向側においてＸ方向に並んで配置され、第２の対の計測ユニット１０Ｃは投影光学系ＰＬの−Ｘ方向側においてＸ方向に並んで配置されている。

以下、説明を簡単にするために、一対の回折格子１４Ａは、ウェハＷの中心Ｗａを通ってＹ方向に延びる軸線に関して対称に配置され、且つ互いに同じ構成を有するものとする。また、４つの計測ユニット１０Ｃは、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを通ってＸ方向に延びる軸線に沿うように光軸ＡＸを通ってＹ方向に延びる軸線に関して対称に配置され、且つ互いに同じ構成を有するものとする。さらに、静止している露光装置本体に対して、ウェハステージＷＳが移動するものとする。

マスクレーザ干渉計の出力および位置計測装置１Ｃの出力は、制御系ＣＲに供給される。制御系ＣＲは、マスクレーザ干渉計の計測結果に基づいて、マスクＭのＸ方向、Ｙ方向および回転方向の位置の制御を行う。即ち、制御系ＣＲは、マスクステージＭＳに組み込まれている機構に制御信号を送信し、この機構が制御信号に基づいてマスクステージＭＳを移動させることにより、マスクＭのＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、回転方向の位置などの調整を行う。

制御系ＣＲは、位置計測装置１Ｃの計測結果に基づいて、ウェハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面と一致させるために、ウェハＷのフォーカス位置（Ｚ方向位置）および傾斜角（Ｘ軸廻りの回転角、Ｙ軸廻りの回転角）の制御を行う。即ち、制御系ＣＲは、ウェハステージ駆動系ＤＲｗに制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系ＤＲｗが制御信号に基づいてウェハステージＷＳを駆動することにより、ウェハＷのフォーカス位置および傾斜角の調整を行う。

また、制御系ＣＲは、位置計測装置１Ｃの計測結果に基づいて、ウェハＷのＸ方向の位置、Ｙ方向の位置およびＺ軸廻りの回転方向の位置の制御を行う。即ち、制御系ＣＲは、ウェハステージ駆動系ＤＲｗに制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系ＤＲｗが制御信号に基づいてウェハステージＷＳを駆動することにより、ウェハＷのＸ方向の位置、Ｙ方向の位置およびＺ軸廻りの回転方向の位置の調整を行う。

ステップ・アンド・リピート方式では、ウェハＷ上に縦横に設定された複数の単位露光領域のうちの１つの単位露光領域に、マスクＭのパターン像を一括的に露光する。その後、制御系ＣＲは、ウェハステージ駆動系ＤＲｗに制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系ＤＲｗによりウェハステージＷＳをＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に一括露光する動作を繰り返す。

ステップ・アンド・スキャン方式では、制御系ＣＲは、マスクステージＭＳに組み込まれた機構に制御信号を送信すると共に、ウェハステージ駆動系ＤＲｗに制御信号を送信し、投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比でマスクステージＭＳおよびウェハステージＷＳをＹ方向に移動させつつ、マスクＭのパターン像をウェハＷの１つの単位露光領域に走査露光する。その後、制御系ＣＲは、ウェハステージ駆動系ＤＲｗに制御信号を送信し、ウェハステージ駆動系ＤＲｗによりウェハステージＷＳをＸＹ平面に沿ってステップ移動させることにより、ウェハＷの別の単位露光領域を投影光学系ＰＬに対して位置決めする。こうして、マスクＭのパターン像をウェハＷの単位露光領域に走査露光する動作を繰り返す。

すなわち、ステップ・アンド・スキャン方式では、位置計測装置１Ｃ、ウェハステージ駆動系ＤＲｗなどを用いてマスクＭおよびウェハＷの位置制御を行いながら、矩形状（一般にはスリット状）の静止露光領域の短辺方向であるＹ方向に沿って、マスクステージＭＳとウェハステージＷＳとを、ひいてはマスクＭとウェハＷとを同期的に移動（走査）させることにより、ウェハＷ上には静止露光領域の長辺に等しい幅を有し且つウェハＷの走査量（移動量）に応じた長さを有する領域に対してマスクパターンが走査露光される。

ウェハＷを保持したウェハステージＷＳは、露光に際して、ＸＹ平面に沿った所定の範囲に亘ってステップ移動する。第４実施形態では、４つの計測ユニット１０Ｃおよび一対の反射型の回折格子１４Ａが、少なくとも１つの計測ユニット１０Ｃとこれに対向する回折格子１４Ａとの協働作用によりウェハステージＷＳの位置計測を常に行うことができるように配置されている。一般に、計測ユニットの数および配置、回折格子の数および配置などについては、様々な形態が可能である。

位置計測装置１Ｃは、露光装置本体（第１部材）に対する相対位置が可変であるウェハステージ（第２部材）ＷＳの相対位置を計測する。具体的に、位置計測装置１Ｃは、ウェハステージＷＳの複数の計測点におけるＸ方向位置、Ｙ方向位置およびＺ方向位置を、いわゆるヘテロダイン干渉方式（またはホモダイン干渉方式）により同時に計測する。その結果、ウェハステージＷＳの複数点におけるＸ方向位置、Ｙ方向位置およびＺ方向位置に加えて、ウェハステージＷＳのＸ軸廻りの回転の位置、Ｙ軸廻りの回転の位置、およびＺ軸廻りの回転の位置も同時に計測される。

位置計測装置１Ｃでは、計測ユニット１０Ｃと回折格子１４Ａとの間の測定光の光路長を小さくすることができるので、雰囲気揺らぎに起因する計測誤差を小さく抑えて、ウェハステージＷＳの位置計測を安定的に且つ高精度に行うことができる。したがって、第４実施形態の露光装置では、雰囲気揺らぎに起因する計測誤差を小さく抑えてウェハステージＷＳの位置計測を安定的に且つ高精度に行う位置計測装置１Ｃを用いて、投影光学系ＰＬに対してウェハステージＷＳ上のウェハＷを高精度に位置合わせすることができ、ひいては良好な投影露光を行うことができる。

なお、上述の実施形態では、露光装置においてウェハＷを保持して移動するウェハステージＷＳの位置計測に対して、本発明の位置計測装置を適用している。しかしながら、ウェハステージ（基板ステージ）に限定されることなく、一般に、物体を保持して移動するステージの位置計測に対しても同様に本発明の位置計測装置を適用することができる。一例として、例えば図８に示すように、転写すべきパターンが設けられたマスクＭを保持して移動するマスクステージＭＳの位置計測に対して、本発明の位置計測装置を適用することもできる。

ステップ・アンド・スキャン方式では、マスクＭを保持したマスクステージＭＳが走査方向であるＹ方向に沿って移動する。図８の変形例にかかる位置計測装置１Ｃは、マスクＭを挟んでＸ方向に間隔を隔てて設置された一対の反射型の回折格子１４Ａと、マスクＭを挟んで（ひいては投影光学系ＰＬを挟んで）Ｘ方向に間隔を隔てて設置された一対の計測ユニット１０Ｃとを有する。図８では、マスクＭのパターン領域ＰＡの中心ＰＡａと投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとがＸＹ平面において同じ位置にある基準的な状態を示している。

回折格子１４Ａは、例えばＹ方向に沿って細長い矩形状の外形を有し、マスクステージＭＳに固定的に（あるいは着脱自在に）取り付けられている。一対の計測ユニット１０Ｃは、マスクステージＭＳと隔絶された露光装置本体に固定的に取り付けられている。一例として、一対の回折格子１４ＡはマスクＭのパターン領域ＰＡの中心ＰＡａを通ってＹ方向に延びる軸線に関して対称に配置され、且つ互いに同じ構成を有する。また、一対の計測ユニット１０Ｃは、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを通ってＸ方向に延びる軸線に沿うように光軸ＡＸを通ってＹ方向に延びる軸線に関して対称に配置され、且つ互いに同じ構成を有する。

また、上述の実施形態では、露光装置本体に対する相対位置が可変であるウェハステージＷＳの相対位置を計測している。しかしながら、これに限定されることなく、計測ユニット１０ＣをウェハステージＷＳに取り付け、回折格子１４Ａを露光装置本体に取り付けて、露光装置本体に対する相対位置が可変であるウェハステージＷＳの相対位置を計測することもできる。また、物体を保持して移動するステージの位置計測に対して本発明の位置計測装置を適用する場合、計測ユニットおよび回折格子のうちの一方がステージに取り付けられる。

上述の実施形態では、マスクの代わりに、所定の電子データに基づいて所定パターンを形成する可変パターン形成装置を用いることができる。なお、可変パターン形成装置としては、たとえば所定の電子データに基づいて駆動される複数の反射素子を含む空間光変調素子を用いることができる。空間光変調素子を用いた露光装置は、たとえば米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報に開示されている。また、上述のような非発光型の反射型空間光変調器以外に、透過型空間光変調器を用いても良く、自発光型の画像表示素子を用いても良い。ここでは、米国特許公開第２００７／０２９６９３６号公報の教示を参照として援用する。

上述の実施形態の露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行っても良い。

次に、上述の実施形態にかかる露光装置を用いたデバイス製造方法について説明する。図９は、半導体デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図９に示すように、半導体デバイスの製造工程では、半導体デバイスの基板となるウェハＷに金属膜を蒸着し（ステップＳ４０）、この蒸着した金属膜上に感光性材料であるフォトレジストを塗布する（ステップＳ４２）。つづいて、上述の実施形態の投影露光装置を用い、マスク（レチクル）Ｍに形成されたパターンをウェハＷ上の各ショット領域に転写し（ステップＳ４４：露光工程）、この転写が終了したウェハＷの現像、つまりパターンが転写されたフォトレジストの現像を行う（ステップＳ４６：現像工程）。

その後、ステップＳ４６によってウェハＷの表面に生成されたレジストパターンをマスクとし、ウェハＷの表面に対してエッチング等の加工を行う（ステップＳ４８：加工工程）。ここで、レジストパターンとは、上述の実施形態の投影露光装置によって転写されたパターンに対応する形状の凹凸が生成されたフォトレジスト層であって、その凹部がフォトレジスト層を貫通しているものである。ステップＳ４８では、このレジストパターンを介してウェハＷの表面の加工を行う。ステップＳ４８で行われる加工には、例えばウェハＷの表面のエッチングまたは金属膜等の成膜の少なくとも一方が含まれる。なお、ステップＳ４４では、上述の実施形態の投影露光装置は、フォトレジストが塗布されたウェハＷを感光性基板としてパターンの転写を行う。

図１０は、液晶表示素子等の液晶デバイスの製造工程を示すフローチャートである。図１０に示すように、液晶デバイスの製造工程では、パターン形成工程（ステップＳ５０）、カラーフィルタ形成工程（ステップＳ５２）、セル組立工程（ステップＳ５４）およびモジュール組立工程（ステップＳ５６）を順次行う。ステップＳ５０のパターン形成工程では、プレートＰとしてフォトレジストが塗布されたガラス基板上に、上述の実施形態の投影露光装置を用いて回路パターンおよび電極パターン等の所定のパターンを形成する。このパターン形成工程には、上述の実施形態の投影露光装置を用いてフォトレジスト層にパターンを転写する露光工程と、パターンが転写されたプレートＰの現像、つまりガラス基板上のフォトレジスト層の現像を行い、パターンに対応する形状のフォトレジスト層を生成する現像工程と、この現像されたフォトレジスト層を介してガラス基板の表面を加工する加工工程とが含まれている。

ステップＳ５２のカラーフィルタ形成工程では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応する３つのドットの組をマトリックス状に多数配列するか、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を水平走査方向に複数配列したカラーフィルタを形成する。ステップＳ５４のセル組立工程では、ステップＳ５０によって所定パターンが形成されたガラス基板と、ステップＳ５２によって形成されたカラーフィルタとを用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。具体的には、例えばガラス基板とカラーフィルタとの間に液晶を注入することで液晶パネルを形成する。ステップＳ５６のモジュール組立工程では、ステップＳ５４によって組み立てられた液晶パネルに対し、この液晶パネルの表示動作を行わせる電気回路およびバックライト等の各種部品を取り付ける。

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）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

なお、上述の実施形態において、投影光学系と感光性基板との間の光路中を１．１よりも大きな屈折率を有する媒体（典型的には液体）で満たす手法、所謂液浸法を適用しても良い。この場合、投影光学系と感光性基板との間の光路中に液体を満たす手法としては、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンプレットに開示されているような局所的に液体を満たす手法や、特開平６−１２４８７３号公報に開示されているような露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる手法や、特開平１０−３０３１１４号公報に開示されているようなステージ上に所定深さの液体槽を形成し、その中に基板を保持する手法などを採用することができる。ここでは、国際公開第ＷＯ９９／４９５０４号パンフレット、特開平６−１２４８７３号公報および特開平１０−３０３１１４号公報の教示を参照として援用する。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 位置計測装置
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 計測ユニット
１１ 計測用光源部
１２ ライトガイド
１３ 光射出部
１４ 反射型の回折格子
１５ 三角プリズム
１６ コーナーキューブ
１７ ハーフミラー
１８ 光電変換器
１９ 処理部
２１ 透過型の回折格子
２２ 平面鏡
２３ ルーフプリズム
ＬＳ 露光用光源
ＩＬ 照明光学系
Ｍ マスク
ＭＳ マスクステージ
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ
ＤＲｗ ウェハステージ駆動系
ＣＲ 制御系

Claims (19)

1. 第１部材に対する相対位置が可変である第２部材の相対位置を計測する位置計測装置において、
   前記第２部材に取り付けられた平面状の基準反射面と、
   前記第１部材に取り付けられて、斜め方向から前記基準反射面に入射した光に応じて前記斜め方向と非平行な方向に発生する第１反射回折光を複数回に亘って偏向させて、前記斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させる偏向部と、
   前記基準反射面へ再入射した光に応じて前記第１反射回折光と平行な方向に発生する第２反射回折光である測定光と、該測定光に対応する別の光との干渉光の検出結果に基づいて、前記第２部材の相対位置を求める計測部とを備えていることを特徴とする位置計測装置。
2. 前記偏向部は、前記第１反射回折光に対して３回以上の奇数回の反射を作用させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
3. 前記基準反射面は、第１方向に沿った周期構造を有する回折光学面であり、前記第１反射回折光は、前記斜め方向と非平行な方向に発生する±１次以上の次数の回折光であることを特徴とする請求項１または２に記載の位置計測装置。
4. 第１斜め方向から前記基準反射面に入射した光に応じて前記第１斜め方向と非平行な方向に発生する第１の一次回折光を複数回に亘って偏向させて、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させる第１の偏向部と、
   前記第１方向と直交する平面に関して前記第１斜め方向と対称な第２斜め方向から前記基準反射面に入射した光に応じて前記第１方向と直交する平面に関して前記第１の一次回折光と対称な方向に発生する第２の一次回折光を複数回に亘って偏向させて、前記第２斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させる第２の偏向部とを備え、
   前記計測部は、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に応じて前記第１の一次回折光と平行な方向に発生する第３の一次回折光である第１測定光と該第１測定光に対応する第１参照光との第１干渉光の検出結果と、前記第２斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に応じて前記第２の一次回折光と平行な方向に発生する第４の一次回折光である第２測定光と該第２測定光に対応する第２参照光との第２干渉光の検出結果とに基づいて、前記第１方向に沿った前記第２部材の相対位置および前記基準反射面の法線方向に対応する第２方向に沿った前記第２部材の相対位置を求めることを特徴とする請求項３に記載の位置計測装置。
5. 第１斜め方向から前記基準反射面に入射した光に応じて前記基準反射面の法線方向に対応する第２方向に発生する第１の一次回折光を複数回に亘って偏向させて、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面上の所定位置へ再入射させる第１の偏向部と、
   前記第１方向と直交する平面に関して前記第１斜め方向と対称な第２斜め方向から前記基準反射面に入射した光に応じて前記第２方向に発生する第２の一次回折光を複数回に亘って偏向させて、前記第２斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面上の前記所定位置へ再入射させる第２の偏向部とを備え、
   前記計測部は、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に応じて前記第２方向に発生する第３の一次回折光である第１測定光と、前記第２斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に応じて前記第３の一次回折光と同じ光路に沿って発生する第４の一次回折光である第２測定光との干渉光の検出結果に基づいて、前記第１方向に沿った前記第２部材の相対位置を求めることを特徴とする請求項３に記載の位置計測装置。
6. 第３斜め方向から前記基準反射面に入射した光に対する第１の正反射光を複数回に亘って偏向させて、前記第３斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させる第３の偏向部をさらに備え、
   前記計測部は、前記第３斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に対する第２の正反射光である第３測定光と、該第３測定光に対応する参照光との干渉光の検出結果とに基づいて、前記第２方向に沿った前記第２部材の相対位置を求めることを特徴とする請求項５に記載の位置計測装置。
7. 第１斜め方向から前記基準反射面に入射した光に応じて前記第１斜め方向と非平行な方向に発生する第１の一次回折光を複数回に亘って偏向させて、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させる第１の偏向部と、
   第２斜め方向から前記基準反射面に入射した光に対する第１の正反射光を複数回に亘って偏向させて、前記第２斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させる第２の偏向部とを備え、
   前記計測部は、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に応じて前記第１の一次回折光と平行な方向に発生する第２の一次回折光である第１測定光と該第１測定光に対応する第１参照光との第１干渉光の検出結果と、前記第２斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に対する第２の正反射光である第２測定光と、該第２測定光に対応する第２参照光との第２干渉光の検出結果とに基づいて、前記第１方向に沿った前記第２部材の相対位置および前記基準反射面の法線方向に対応する第２方向に沿った前記第２部材の相対位置を求めることを特徴とする請求項３に記載の位置計測装置。
8. 前記偏向部は、第１斜め方向から前記基準反射面に入射した光に対する第１の正反射光を複数回に亘って偏向させて、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射させ、
   前記計測部は、前記第１斜め方向と平行な方向に沿って前記基準反射面へ再入射した光に対する第２の正反射光である測定光と、該測定光に対応する参照光との干渉光の検出結果に基づいて、前記基準反射面の法線方向に対応する第２方向に沿った前記第２部材の相対位置を求めることを特徴とする請求項２に記載の位置計測装置。
9. 前記偏向部は、入射した光を偏向する偏向部材と、所定方向に沿って入射した光を互いに直交する３つの反射面で順次反射して前記所定方向と平行な方向に沿って射出する３回反射部材とを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置計測装置。
10. 前記偏向部材は、プリズム部材を有することを特徴とする請求項９に記載の位置計測装置。
11. 前記偏向部材は、回折格子を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の位置計測装置。
12. 前記偏向部材は、偶数毎の反射面を有することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の位置計測装置。
13. 前記偏向部は、入射した光を反射する反射部材と、入射した光を互いに直交する２つの反射面で順次反射して射出する２回反射部材とを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置計測装置。
14. 前記基準反射面から生じる前記第１反射回折光は、０次回折光であることを特徴とする請求項１または２に記載の位置計測装置。
15. 物体を保持するステージと、該ステージを移動させる駆動部とを備えたステージ装置において、
    請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の位置計測装置を備え、
    前記偏向部および前記基準反射面のうちの一方が前記ステージに取り付けられていることを特徴とするステージ装置。
16. 並列的に配置された複数の前記位置計測装置を備えていることを特徴とする請求項１５に記載のステージ装置。
17. 所定のパターンを基板に露光する露光装置において、
    前記基板を保持して移動する請求項１５または１６に記載のステージ装置を備えていることを特徴とする露光装置。
18. 前記偏向部および前記基準反射面のうちの一方が前記ステージに取り付けられ、前記偏向部および前記基準反射面のうちの他方が露光装置本体に取り付けられていることを特徴とする請求項１７に記載の露光装置。
19. 請求項１７または１８に記載の露光装置を用いて、前記所定のパターンを前記基板に露光することと、
    前記所定のパターンが転写された前記基板を現像し、前記所定のパターンに対応する形状のマスク層を前記基板の表面に形成することと、
    前記マスク層を介して前記基板の表面を加工することと、を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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