JP6224019B2 - ダブルパス干渉方式エンコーダシステムを用いた物体の位置判定方法。 - Google Patents

Description

ある場合において、干渉方式の測定システムは、光干渉信号に基づいて被測定物の相対位置の変化をモニタする。例えば、干渉計は、被測定物から反射された測定ビームを、「参照ビーム」と呼ばれることもある第二のビームと重ね合わせて、干渉させることによって光干渉信号を発生させ、この測定ビームと参照ビームとは共通の光源から所得される。被測定物の相対位置の変化は、測定された光干渉信号の位相の変化に対応する。

このような干渉方式測定システムの一例が干渉方式エンコーダシステムであり、エンコーダスケールと呼ばれる測定目盛りを追跡することによって、物体の移動を評価する。一般に、干渉方式エンコーダシステムはエンコーダスケールとエンコーダヘッドを含む。エンコーダヘッドは、干渉計を含むアセンブリである。干渉計は測定ビームをエンコーダスケールへと向かわせ、エンコーダスケールによって光が回折する。干渉計は回折した測定ビームを参照ビームと合成して、物体の位置に関係する位相を含む出力ビームを形成する。エンコーダシステムは、リソグラフィの用途で、リソグラフィツール内の移動可能ステージの移動をモニタするために広く用いられている。エンコーダシステムは、それが大気ゆらぎの影響を比較的受けにくいことから、このような用途において有益となりうる。

本願は、ダブルパス干渉方式エンコーダシステムと方法および、このダブルパス干渉方式エンコーダシステムと方法の応用に関する。
本発明の各種の態様を以下にまとめる。

一般に、第一の態様において、本願の主題はエンコーダシステムに具体化することができ、エンコーダシステムは回折エンコーダスケールと共に使用するためのエンコーダヘッドを含み、このエンコーダヘッドは、ｉ）第一の入射ビームを、エンコーダスケールの法線に対して第一の入射角で回折エンコーダスケールへと向かわせ、ｉｉ）回折エンコーダスケールから第一の回帰ビームを、エンコーダスケールの法線に対して第一の回帰角で受け取り、第一の回帰角が第一の入射角とは異なり、ｉｉｉ）第一の回帰ビームを第二の入射ビームとして、エンコーダスケールの法線に対して第二の入射角で回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させ、ｉｖ）回折エンコーダスケールから戻る第二の回帰ビームを、エンコーダスケールの法線に対して第二の回帰角で受け取り、第二の回帰角が第二の入射角とは異なるように配置された１つまたは複数の光学部品を含み、第一の入射角と第二の入射角の差が、第一の入射角と第一の回帰角の差より小さく、第二の入射角と第二の回帰角の差より小さい。

システムの実装形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴の１つまたは複数を含むことができる。例えば、１つまたは複数の光学部品は、第二の回帰ビームを参照ビームと合成して出力ビームを形成するように配置でき、エンコーダシステムは、出力ビームを検出するように位置付けられた検出器を含む。

エンコーダシステムは電子プロセッサをさらに含むことができ、電子プロセッサは、検出器から干渉信号を受け取り、干渉信号は参照ビームと第二の回帰ビームの間の光路差に関係する位相を含み、位相に基づいてエンコーダスケールの自由度に関する情報を判定するように構成される。位相は、ヘテロダイン位相を含むことができる。エンコーダシステムは、回折エンコーダスケールをさらに含むことができる。エンコーダスケールは、一次元または二次元格子を含むことができる。

いくつかの実装形態において、第一の回帰ビームと第二の回帰ビームの各々は１つの回折ビームを含む。各回折ビームは、１次回折ビームを含むことができる。
いくつかの実装形態において、第一の入射ビームと第一の回帰ビームは非共線状であり、非平行であり、第二の入射ビームと第二の回帰ビームは非共線状であり、非平行である。

いくつかの実装形態において、１つまたは複数の光学部品は、光源からソースビームを受け取り、このソースビームから第一の入射ビームを所得するように配置されたビーム分離部品を含む。あるいは、またはこれに加えて、ビーム分離部品は、ソースビームから参照ビームを所得するように配置される。

いくつかの実装形態において、システムは検出器をさらに含むことができる。
いくつかの実装形態において、１つまたは複数の光学部品は第一の反射部品を含み、第一の反射部品は、第二の回帰ビームを受け取り、第二の回帰ビームをビーム分離部品へと方向転換させるように配置される。１つまたは複数の光学部品はまた、第二の反射部品を含むことができ、第一の反射部品は、第一の回帰ビームを第二の反射部品へと方向転換させるように配置され、第二の反射部品は、第一の反射部品から第一の回帰ビームを受け取り、この第一の回帰ビームを第二の入射ビームとして、第二の入射角でエンコーダスケールへと方向転換させるように配置される。第一の反射部品は格子を含むことができ、この格子は、第一の回帰ビームと第二の回帰ビームの両方を回折するように構成される。

いくつかの実装形態において、１つまたは複数の光学部品は第一の再帰性反射体と第一の反射部品を含み、第一の反射部品は、エンコーダスケールから第一の回帰ビームと第二の回帰ビームの両方を受け取り、第一の回帰ビームと第二の回帰ビームを第一の再帰性反射体へと方向転換させるように配置され、第一の再帰性反射体は、第二の回帰ビームをビーム分離部品へと方向転換させるように配置される。１つまたは複数の光学部品はまた、第二の反射部品を含むことができ、再帰性反射体は第一の反射部品からの第一の回帰ビームを第二の反射部品へと方向転換させるように配置される。第二の反射部品は、第一の反射部品からの第一の回帰ビームを受け取り、第一の回帰ビームを第二の入射ビームとして、第二の角度で被測定物へと方向転換させるように配置することができる。

いくつかの実装形態において、１つまたは複数の光学部品は第一の再帰性反射体を含み、ビーム分離部品と第一の再帰性反射体は、協働して、第一の回帰ビームを受け取り、第一の回帰ビームを第二の入射ビームとして被測定物へと方向転換させるように配置される。第一の再帰性反射体は、ビーム分離部品から参照ビームを受け取り、この参照ビームをビーム分離部品へと方向転換させるように配置することができる。いくつかの実装形態において、１つまたは複数の光学部品は、ビーム分離部品と第一の再帰性反射体の間に複数のプリズム部品を含み、複数のプリズム部品は、第一の回帰ビームと参照ビームの間の偏差を増大させるように構成される。複数のプリズム部品は、参照ビームのビーム経路と第一の回帰ビームのビーム経路に配置することができる。複数のプリズム部品は、ウェッジプリズムまたは複屈折プリズムを含むことができる。

いくつかの実装形態において、システムは参照反射体をさらに含み、参照反射体は、ビーム分離部品から、第一の位置と第二の位置において参照ビームを受け取るように配置される。参照反射体はミラーを含むことができる。参照反射体は、エンコーダ格子の表面を含むことができる。システムは第一の四分の一波長板をさらに含むことができ、この第一の四分の一波長板は参照反射体とビーム分離部品との間に配置される。

いくつかの実装形態において、エンコーダシステムは、第二の四分の一波長板をさらに含み、この第二の四分の一波長板はエンコーダ格子とビーム分離部品との間に配置される。

特定の実装形態において、１つまたは複数の光学部品はビームコンバイナを含み、ビームコンバイナは、エンコーダスケールから第二の回帰ビームを受け取り、ビーム分離部品から参照ビームを受け取り、第二の回帰ビームを参照ビームと合成して、出力ビームを形成するように配置される。１つまたは複数の光学部品は、プリズムペアと再帰性反射体とを含むことができる。プリズムペアと再帰性反射体とは、協働して第一の回帰ビームを第二の入射ビームとして被測定物へと方向転換させるように配置することができる。

いくつかの実装形態において、１つまたは複数の光学部品は単独の光学部品を含む。
いくつかの実装形態において、エンコーダシステムは照明システムに連結することができ、この照明システムは、放射源であって、リソグラフィシステムの動作中に放射をエンコーダシステムに向けるような放射源と、リソグラフィシステムの動作中にエンコーダシステムからの出力ビームを検出する検出器と、検出器から干渉信号を受け取るように構成され、この干渉信号が光路差に関係する位相を含み、また、この位相に基づいてエンコーダスケールの変位に関する情報を判定するように構成された電子プロセッサと、電子プロセッサに連結され、エンコーダスケールの変位に関する情報に基づいてステージの位置を調節するように構成された位置決めシステムとを含む。

特定の態様において、本願の主題は、移動可能ステージとエンコーダシステムを含むシステムに実施することができる。回折エンコーダスケールまたは被測定物の何れかを移動可能ステージに取り付けることができる。エンコーダシステムは、回折エンコーダスケールと共に使用するためのエンコーダヘッドを含むことができ、このエンコーダヘッドは１つまたは複数の光学部品を含み、１つまたは複数の光学部品は、第一の入射ビームを、エンコーダスケールの法線に対して第一の入射角で回折エンコーダスケールへと向け、第一の回帰ビームを回折エンコーダスケールから、エンコーダスケールの法線に対して第一の回帰角で受け取り、第一の回帰角は第一の入射角とは異なり、第一の回帰ビームを第二の入射ビームとして、エンコーダスケールの法線に対して第二の入射角で回折エンコーダスケールへと方向転換させ、回折エンコーダスケールから戻る第二の回帰ビームを、エンコーダスケールの法線に対して第二の回帰角で受け取り、第二の回帰角が第二の入射角とは異なるように配置され、第一の入射角と第二の入射角との差は、第一の入射角と第一の回帰角との差または第二の入射角と第二の回帰角との差の何れよりも小さい。

特定の態様において、本発明の主題は、移動可能ステージとエンコーダシステムとを含むリソグラフィシステムで具体化でき、回折エンコーダスケールまたは被測定物の何れかを移動可能ステージに取り付けることができる。リソグラフィシステムは、エンコーダシステムに連結された照明システムをさらに含むことができ、この照明システムは放射源を有し、リソグラフィシスシステムの動作中、放射源は放射をエンコーダシステムへと向ける。リソグラフィシステムは、リソグラフィシステムの動作中にエンコーダシステムからの出力ビームを検出する検出器と、検出器から干渉信号を受け取り、干渉信号が光路差に関する位相を含み、位相に基づいてエンコーダスケールの変位に関する情報を判定するように構成された電子プロセッサとを含むことができる。リソグラフィシステムは、電子プロセッサに連結され、エンコーダスケールの変位に関する情報に基づいてステージの位置を調節するように構成された位置決めシステムをさらに含むことができる。

特定の実装形態は、特定の利点を有していてもよい。
１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面と以下の説明に示される。その他の特徴と利点は、説明と図面から、また特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

一例としての干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 エンコーダヘッドの、一例としての光学部品の概略図である。 図１１Ａに示される部品の三次元概略図である。 図１１Ａに示される光学部品の概略図である。 図１１Ａに示される部品の三次元概略図である。 エンコーダヘッドの、一例としての光学部品の三次元概略図である。 エンコーダヘッドの測定用光学部品の三次元概略図である。 図１３Ａの光学部品とともに使用される参照光学部品の三次元概略図である。 図１３Ｂに示される光学部品に光学的に連結された、図１３Ａに示される光学部品の三次元概略図である。 図１３Ａの光学部品の断面を示す二次元概略図である。 図１３Ａの光学部品の断面を示す二次元概略図である。 ダブルパス干渉方式エンコーダシステムを含むリソグラフィツールのある実施形態の概略図である。 集積回路の製造ステップを説明するフローチャートである。 集積回路の製造ステップを説明するフローチャートである。

様々な図面中、同様の参照記号は同様の要素を示す。
図１を参照すると、干渉方式エンコーダシステム１００は、光源モジュール１２０（例えば、レーザを含む）と、光学アセンブリ１１０と、被測定物１０１と、検出器モジュール１３０（例えば、偏光子と検出器）と、電子プロセッサ１５０とを含む。一般に、光源モジュール１２０は光源を含み、また、ビーム成形光学系（例えば、光コリメート光学系）、導光部品（例えば、光ファイバ導波路）、および／または偏光制御光学系（例えば、偏光子および／または波長板）等の他の部品も含むことができる。光学アセンブリ１１０の各種の実施形態を以下に説明する。いくつかの実装形態において、光学アセンブリはまた、「エンコーダヘッド」と呼ばれることがある。デカルト座標系が参照のために示されており、Ｙ軸（図示せず）はページの中に向かって延びる。

被測定物１０１は、Ｚ軸に沿って光学アセンブリ１１０からある名目上の距離（nominal distance）に位置付けられる。多くの用途において、例えばエンコーダシステムがリソグラフィツール内のウェハステージまたはレチクルステージの位置をモニタするために使用される場合、被測定物１０１は、光学アセンブリ１１０に対してｘおよび／またはｙ方向に移動され、その一方で、ｚ軸については名目上（nominally）、光学アセンブリから一定の距離が保たれる。この一定の距離は比較的小さくすることができる（例えば、数センチメートルまたはそれより小さい）。しかしながら、このような用途では、被測定物の位置は一般に、名目上一定の距離から少量だけ変化し、デカルト座標系内の被測定物の相対的向きも少量だけ変化する可能性がある。動作中、エンコーダシステム１００は、光学アセンブリ１１０に関する被測定物１０１のこれらの自由度のうちの１つまたは複数を、ｘ軸に関する被測定物１０１の位置を含め、さらにはｙ軸および／またはｚ軸に関する、および／またはピッチとヨーの角方位に関する被測定物１０１の位置を含めて、モニタする。

被測定物１０１の位置をモニタするために、光源モジュール１２０は入力ビーム１２２を光学アセンブリ１１０へと方向付ける。光学アセンブリ１１０は、入力ビーム１２２から測定ビーム１１２を所得し、測定ビーム１１２を被測定物１０１へと方向付ける。光学アセンブリ１１０はまた、入力ビーム１２２から参照ビーム（図示せず）も得て、参照ビームを測定ビームとは異なる経路に沿って方向付ける。例えば、光学アセンブリ１１０は、入力ビーム１２２を測定ビーム１１２と参照ビームとに分離するビームスプリッタを含むことができる。測定および参照ビームは、直交偏光（例えば、直交直線偏光）を有することができる。

被測定物１０１はエンコーダスケール（encoder scale）１０５を含み、エンコーダスケール１０５は、測定ビームをエンコーダヘッドから１つまたは複数の回折次数に回折させる測定目盛りである。一般に、エンコーダスケールは多種多様な回折構造を含むことができ、例えば格子またはホログラフ回折構造がある。格子の例には、正弦格子、矩形格子、または鋸歯状格子が含まれる。格子は、ピッチが一定の周期的構造によってだけでなく、より複雑な周期的構造（例えば、チャープ格子）によって特徴付けることができる。一般に、エンコーダスケールは、測定ビームを複数の平面へと回折させることができる。例えば、エンコーダスケールは、測定ビームをｘ−ｚおよびｙ−ｚ平面内での回折次数に回折させる二次元格子とすることができる。エンコーダスケールは、ｘ−ｙ平面内で、被測定物１０１の移動範囲に対応する距離にわたって延びる。

この実施形態において、エンコーダスケール１０５は、その格子線がページの平面に対して垂直に延び、図１のデカルト座標系のｙ軸に平行に延びるような格子である。格子線はｘ軸に沿って周期的である。エンコーダスケール１０５の格子面はｘ−ｙ平面に対応し、エンコーダスケールは測定ビーム１１２をｙ−ｚ平面内の１つまたは複数の回折次数に回折させる。

測定ビームの回折次数のうちの少なくとも１つ（ビーム１１４として示される）は光学アセンブリ１１０に戻り、光学アセンブリ１１０によって参照ビームと合成されて出力ビーム１３２を形成する。例えば、１回回折測定ビーム（once-diffracted measurement beam）１１４は１次回折ビームとすることができる。

出力ビーム１３２は、測定ビームと参照ビームとの間の光路長の差に関する位相情報を含む。光学アセンブリ１１０は、出力ビーム１３２を検出器モジュール１３０へと方向付け、検出器モジュール１３０が出力ビームを検出して、検出された出力ビームに応答して信号を電子プロセッサ１５０に送信する。電子プロセッサ１５０は、信号を受信して分析し、光学アセンブリ１１０に関する被測定物１０１の１つまたは複数の自由度に関する情報を判定する。

特定の実施形態において、測定および参照ビームに小さい周波数の差（例えば、ｋＨｚ〜ＭＨｚ範囲の差）があり、この周波数の差に概して対応する周波数の関心対象（interest）の干渉信号が生成される。この周波数は以下、「ヘテロダイン」周波数と互換的に言及される。被測定物の相対位置の変化に関する情報は、このヘテロダイン周波数での干渉信号の位相に概して対応する。信号処理技術を使って、この位相を抽出できる。一般に、移動可能な被測定物によって、この位相項は時間変化する。この点で、被測定物の運動の一次時間微分により、干渉信号の周波数がヘテロダイン周波数からある量だけシフトし、
このことを本明細書では「ドップラー」シフト（Doppler shift）と呼ぶ。

測定および参照ビームの異なる周波数は、例えばレーザのゼーマン分離によって、音響光学変調によって、２種類の異なるレーザモードを使用するか、または複屈折素子を使用してレーザ内部によって、およびその他の技術によって生成できる。直交偏光により、偏光ビームスプリッタが測定および参照ビームを異なる経路に沿って方向付け、これらを合成して出力ビームを形成でき、出力ビームはその後、偏光子を通過して直交偏光成分と混ざり合うため、これらが干渉できる。標的の移動がなければ、干渉信号はヘテロダイン周波数で振動し、このことはちょうど２つの成分の光周波数の差である。標的の移動があれば、このヘテロダイン周波数は、よく知られたドップラーの関係を通じた標的速度に関する変化を生じさせる。したがって、ヘテロダイン周波数の変化をモニタすることによって、光学アセンブリに関する標的の移動をモニタできる。

後述の実施形態において、「入力ビーム」とは概して、光源モジュールから発せられるビームを指す。ヘテロダイン検出の場合、入力ビームは上述のように、若干異なる周波数を有する成分を含む。

特定の実施形態において、干渉計システムはリトロウでは動作しないように設計される。例えば、一般に、測定ビームはある入射角で被測定物１０１に入射し、一回回折測定ビームがリトロウ条件（Littrow condition）を満たさない。リトロウ条件とは、格子等の回折構造の、その回折構造が回折ビームを光源に向けて戻すような、入射ビームに関する方位を指す。換言すれば、エンコーダシステム１００において、１回回折測定ビームは、１回回折測定ビームがエンコーダスケールに入射する測定ビームと共線状ではないため、リトロウ条件を満たさない。

エンコーダスケール１０５は図１において、１方向に周期的な構造として描かれているが、より一般的には、被測定物は測定ビームを適当に回折する異なる様々な回折構造を含むことができる。いくつかの実施形態において、被測定物は２方向（例えば、ｘおよびｙ軸に沿って）に周期的である回折構造（例えば、エンコーダスケール）を含むことができ、測定ビームを２つの直交平面内のビームに回折させる。一般に、エンコーダスケールの回折構造と光源モジュールは、エンコーダシステムがそのシステムの形状面の制約（geometrical constraints）内で、対応する参照ビームと合成されたときに１つまたは複数の検出可能な干渉信号を確立するのに十分な強度の１つまたは複数の回折測定ビームを提供するように選択される。いくつかの実施形態において、光源モジュールは、４００ｎｍ〜１，５００ｎｍの範囲の波長を有する入力ビームを供給する。例えば、入力ビームは約６３３ｎｍまたは約９８０ｎｍの波長を有することができる。留意すべき点として、一般に、ヘテロダイン光源の周波数分割の結果、入力ビームの２つの成分の波長間の差が非常にわずかのみとなり、そのため、入力ビームが厳密に単色でなくても、依然として入力ビームを１つの波長で特徴付けることが現実的である。いくつかの実施形態において、光源モジュールはガスレーザ（例えば、ＨｅＮｅレーザ）、レーザダイオードまたはその他のソリッドステートレーザ源、発光ダイオード、またはスペクトル帯域幅変調用フィルタの有無を問わないハロゲンランプ等の熱源を含むことができる。

一般に、回折構造（例えば格子ピッチ）は、入力ビームの波長と光学アセンブリの配置および測定に使用される回折次数に応じて変えることができる。いくつかの実施形態において、回折構造は、約１λ〜約２０λの範囲のピッチを有する格子であり、λは光源の波長である。格子のピッチは約１μｍ〜約１０μｍとすることができる。

ある場合において、光学的エラーが、一般にビームの混ざり合いと呼ばれるプロセスを通じて干渉エンコーダシステム内で発生する可能性があり、「ゴースト」ビームが測定および／または参照ビームと干渉する。これらのゴーストビームは、それと合成されるビームと異なる振幅、異なる位相オフセット、および／または異なる周波数を有している可能性があり、その結果、干渉信号の検出された位相がシフトする。したがって、エンコーダスケールの相対位置の測定結果がエンコーダスケールの実際の位置からずれることもあり、それゆえ、干渉計によって測定される変位の変化の精度が限定される。

このようなゴーストビームの原因は、干渉方式エンコーダシステム内の様々な欠点である可能性がある。例えば、測定および参照ビームの周波数が異なると、これらのビームの異なる周波数成分の偏光の楕円率によって、干渉エンコーダシステムの１つまたは複数の光学部品を通じて参照および／または測定ビームの望ましくない漏出が起こりうる。参照および／または測定ビームの望ましくない漏出はまた、光学部品自体の欠陥によっても引き起こされる可能性がある。例えば、干渉エンコーダシステムは偏光ビームスプリッタを含んでいてもよく、このビームスプリッタは低い消光比を有するため、不要なビーム成分がビームスプリッタによって反射されずに透過され、またはその逆となる。ゴーストビームはまた、干渉エンコーダシステムの他の部品からの不要な反射によって生じることもある。例えば、いくつかの実装形態において、エンコーダスケールに入射するビームの一部が、入力ビームと非共線状の経路に沿って回折されるのではなく、入射方向に沿って戻るように回折される。

他の光学的エラーがまた、ビーム・シヤリング（beam shearing）の発生によって干渉エンコーダシステムの中で発生することもある。ビーム・シヤリングは、エンコーダヘッドに関するエンコーダ格子の相対位置が増減すると（例えば、エンコーダスケールおよび／またはエンコーダヘッドが図１のｚ方向に沿って移動することによって起こる）発生する。ある場合において、この移動は測定ビームと参照ビームのビーム経路を発散させる可能性があり、これがエンコーダスケール位置の測定エラーがさらに発生することにつながる。同様のエラーは、エンコーダヘッドに関するエンコーダスケールの方位の小さな変化、例えば、エンコーダスケールのチップ、チルト、ヨーの変化によって発生しうる。

上記のエラーに対する許容度を改善するために、干渉方式エンコーダシステムは、測定ビームがエンコーダスケールを２回通過し、測定ビームがエンコーダスケールから２回回折されるように構成することができる。入射ビームと対応する回折ビームの間の角度の差が大きくなるようにシステムを構成することによって、ゴーストビームおよびその他の妨害ビームからの干渉を低減化できる。いくつかの実装形態において、干渉方式エンコーダシステムのためのダブルパス構成はまた、エンコーダスケールとエンコーダヘッドの間の相対距離が変化すると発生しうるビーム・シヤリングも補償できる。これに加えて、ダブルパス構成は、いくつかの実装形態において、チップ、チルト、ヨー等の物体の方位の小さな一次変化を補償するという利点を有する。

図２は、被測定物１０５の位置をモニタするためのダブルパス干渉方式エンコーダシステム２００の、一例としてのエンコーダヘッド２１０の概略図であり、このエンコーダヘッド２１０は、測定ビームが被測定物１０５を２回通過するように構成され、被測定物１０５から戻る１つの回折ビームを参照ビームと共に使用して、被測定物１０５の位置を判定する。この例では、被測定物１０５はエンコーダスケール、例えば一次元格子等である。エンコーダスケール１０５は、例えば移動可能ステージを含む他の物体に取り付けることができる。

エンコーダシステム２００は、ｚ座標およびｘ座標に沿った変位を検出するように構成され、ｚは格子表面に対して垂直であり、ｘは格子表面の平面内にあり、図の格子溝に対して垂直である。エンコーダヘッド２１０は、第一のビームスプリッタ２０２と、第二のビームスプリッタ（ビームコンバイナ）２０４と、再帰性反射体２０６と、プリズムペア２０８とを含む。エンコーダシステム２００の動作中、エンコーダヘッド２１０は光源１２０からソースビーム１０１を受け取る。第一のビームスプリッタ２０２は、ソースビームを測定ビームと参照ビーム３０に分け、測定ビームと参照ビーム３０とがその後、異なる経路に沿って方向付けられる。図２に示されるように、測定ビームは４つの異なる部分、すなわち、第一の入射ビーム１１、第一の回帰ビーム１２、第二の入射ビーム２１、第二の回帰ビーム２２を含む。被測定物１０５はエンコーダスケールであるため、第一の回帰ビーム１２は第一の入射ビーム１１の回折次数（例えば、１次または２次）に対応する。

第一の回帰ビーム１２は、再帰性反射体２０６とプリズムペア２０８の組み合わせによって方向転換されて、エンコーダスケール１０５に第二の入射ビーム２１として戻され、エンコーダスケール１０５によって測定ビームが再び回折されて、第二の回帰ビーム２２を生成する。第二の回帰ビーム２２は、第二の入射ビーム１２の回折次数（例えば、１次または２次）に対応する。ビームスプリッタ２０４は次に、参照ビーム３０と第二の回帰ビーム２２を再び合成して、出力ビーム２０７を形成し、出力ビーム２０７が検出器へと向けられる。検出器１３０で形成される干渉信号は次に、電子プロセッサへと通過され、これが干渉信号に基づいて、エンコーダスケール１０５に関する位置情報を判定する。

ソースビームは、ヘテロダインレーザ等のヘテロダイン光源から生成でき、このソースビームは、直交偏光によってエンコードされる若干異なる周波数で伝播する２つの別々のビームを含む。ビームスプリッタ２０２は、それらの異なる偏光に基づいて２つの周波数を分離する偏光ビームスプリッタとすることができる。ビームコンバイナ２０４で参照ビーム２０３と第二の回帰ビーム２２が再合成されると、出力ビーム２０７は検出器モジュール１３０へと伝播する。検出された出力ビーム２０７のビート周波数から正弦信号が取得され、その正弦信号の位相はφ_ｍ−φ_ｒであり、φ_ｒは安定していると仮定されるか、または既知の参照位相、φ_ｍは測定位相である。

第一と第二の入射ビームのための入射面がｘ座標を含むと仮定し、ｚ座標に関する角度を図のように定義すると、ビーム１１、１２、２１、２２がエンコーダスケール１０５の法線に関する伝播角度はそれぞれ、θ_１１、θ_１２、θ_２１、θ_２２となる。第二の回帰ビーム２２の角度θ_２２は、図２の中で例として示されている。被測定物１０５は入射ビームを回折させるため、以下のようなよく知られた格子関係が当てはまる。
Ｓｉｎ（θ_１１）＋ｓｉｎ（θ_１２）＝ｍλ／Ｄ （１）
Ｓｉｎ（θ_２１）＋ｓｉｎ（θ_２２）＝ｍλ／Ｄ （２）
式中、ｍは回折次数としての既知の整数、Ｄは格子ピッチ、すなわちエンコーダスケール１０５の線または反復的特徴物間の間隔である。図から明らかなように、以下のようなまた別の不等号が当てはまる。第一の回帰ビーム１２は、第一の入射ビーム１１と共線状でも平行でもない。
θ_１２≠θ_１１ （３）
第二の回帰ビーム２２は、第二の入射ビーム２１と共線状でも平行でもない。
θ_２２≠θ_２１ （４）
図２に示される構成の別の基本的特徴は、第一の入射ビーム１１の伝播角度と第二の入射ビーム２１の伝播角度の差が、第一の入射ビーム１１と第一の回帰ビーム１２の伝播角度の差より小さく、
｜θ_１１−θ_２１｜＜｜θ_１１−θ_１２｜ （５）
第一の入射ビーム１１の伝播角度と第二の入射ビーム２１の伝播角度の差が、第二の入射ビーム２１の伝播角度と第二の回帰ビーム２２の伝播角度の差より小さいことである。
｜θ_１１−θ_２１｜＜｜θ_２１−θ_２２｜ （６）
同様に、第一の回帰ビーム１２の伝播角度と第二の回帰ビーム２２の伝播角度の差は、第一の入射ビーム１１と第一の回帰ビーム１２の伝播角度の差よりも小さい。
｜θ_１２−θ_２２｜＜｜θ_１１−θ_１２｜ （７）
第一の回帰ビーム１２の伝播角度と第二の回帰ビーム２２の伝播角度の差は、第二の入射ビーム２１と第二の回帰ビーム２２の伝播角度の差より小さい。
｜θ_１２−θ_２２｜＜｜θ_２１−θ_２２｜ （８）
式（３）〜（８）における差は十分に大きく、ビームが光学部品により妨害されない。例えば、図２に示されるビーム１１は、再帰性反射プリズム２０６によってブロックされない。この例では、２つの入射ビーム１１と２１は略平行であり、それに対して、２つの反射ビーム１２と２２は略平行である。
θ_１１≒θ_２１ （９）
θ_１２≒θ_２２ （１０）
反対に、この例では、式（３）と（４）により示されるように、何れの入射ビームも対応する反射ビームと平行ではない。

いくつかの実装形態において、入射および回帰ビーム間の角度の差は十分に大きいため、最終的な干渉信号がゴースト反射およびその他の妨害ビームからの汚染による測定エラーが低減化される。例えば、いくつかの実装形態において、エンコーダヘッド２１０の光成分は、式（５）〜（８）における差が１ｍｍビーム径について約１ｍｒａｄよりも大きくなるように配置される。ある場合において、より小さいビーム径の場合は、比例的に大きな角度を使用できる。

ダブルパス干渉方式エンコーダシステムは、２つの直交方向に沿ったエンコーダスケール１０５の変位を感知できる。例えば、エンコーダスケール１０５のｘ座標に沿った面内変位によって、エンコーダから２回反射した後の測定ビーム（例えば、第二の回帰ビーム２２）の位相φ_ｍは、以下のように表現できる割合で変化し、

式中、Δｘはｘ方向に沿ったエンコーダスケール１０５の変位である。同様に、ｚ座標に沿ったエンコーダスケール１０５の面外への変位は、以下のように表され、

式中、Δｚはｚ方向に沿ったエンコーダスケール１０５の変位である。式（１１）と（１２）はまた、エンコーダスケール１０５に関するエンコーダヘッド２１０の移動にも当てはまる。したがって、電子プロセッサが検出された干渉信号から位相信号を評価すると、式（１１）と（１２）を使って、エンコーダヘッド２１０またはエンコーダスケール１０５のｘまたはｚ方向への移動を判定することができる。例えば、当業者であればわかるように、電子プロセッサは測定位相φ_ｍを、既知の参照位相φ_ｒを検出信号の位相情報から差し引くことによって計算し、その後、式（１１）と（１２）を使ってｘまたはｚ方向への変位を計算できる。

エンコーダスケールおよび／またはエンコーダヘッドの何れかが２つの直交方向に沿って（例えば、ｘおよびｚ方向に沿って）移動するような用途では、エンコーダヘッド２１０を、異なる直交方向の各々に沿った移動の位置情報を別々に抽出するように変更できる。例えば、いくつかの実装形態において、エンコーダヘッド２１０は、図２に示される光学部品（例えば、ビームスプリッタ２０２、ビームスプリッタ２０４、再帰性反射体２０６、プリズムペア２０８）の２つ目のセットを含むように拡張される。２つ目のセットの光学部品は、ソースビームから第二の測定ビームを得て、第二の測定ビームがエンコーダスケールの表面にあと２回通過するように構成される。しかしながら、第一の測定ビームと反対に、第二の測定ビームが当初エンコーダスケール１０５に入射する角度はビーム１１の入射角と異なり、例えば、第二の測定ビームは当初、エンコーダスケール表面の法線に対してθ_１１に対応する角度で入射できる。ｘ方向とｙ方向から区別するために、２つの異なる角度での少なくとも２つの測定結果が使用される。異なる角度は、大きさは等しく、方向が反対の角度を含むことができるが、これに限定されない。それゆえ、式（１１）における位相のΔｘへの依存性は第二の測定ビームについては逆となるが、式（１２）における位相のｚへの依存性は同じままである。したがって、第一と第二の測定ビームについて式（１１）により得られる２つの結果の差を使って、ｚとは関係なく、ｘの変位を抽出できる。またはこれに加えて、第一と第二の測定ビームについて式（１２）により得られる２つの結果の和を使って、ｘとは関係なく、ｚ変位を抽出できる。

図２のシステムに関する上述の式で述べた差は、後述の別の実施形態にも当てはまる。特に、干渉エンコーダシステムは、両方の回帰ビーム角度１２と２２が正確なリトロウ条件とならないように構成される。それゆえ、少なくともある程度の角度分離がビーム間に導入され、このことがゴースト反射からの干渉に起因する位置測定エラーを低減させるのに役立つ。いくつかの実施形態において、エンコーダヘッドは、光学部品内の参照ビームの経路と測定ビームの経路の間の分離を大きくするように構成できる。ビーム経路間の分離を大きくすることにより、妨害ビームが干渉信号に大きく寄与する可能性を低減できる。

例えば、図３は、被測定物１０５の位置をモニタするためのエンコーダヘッド３１０を含むダブルパス干渉方式エンコーダシステム３００の概略図であり、エンコーダヘッド３１０は、参照ビームの経路と測定ビームの経路の間の分離を大きくするように構成されている。エンコーダヘッド３１０は、偏光ビームスプリッタ３０２と、再帰性反射体３０４と、ウェッジプリズムペア３０６と、参照反射体３０８とを含む。エンコーダヘッド３１０はまた、参照反射体３０８とビームスプリッタ３０２の間の第一の四分の一波長板３１２と、被測定物１０５（例えば、エンコーダスケール）とビームスプリッタ３０２の間の第二の四分の一波長板３１４とを含むことができる。ウェッジプリズム３０６はシステム３００の中に、式（３）〜（８）による差を導入する。特定の実装形態において、エンコーダヘッド３１０の構成は、熱安定性が高く、大きなビームの管理のために使いやすいという利点を有する。

図３の例に示されるように、エンコーダヘッド３１０は、光源１２０からソースビーム３０１を受け取る。ビームスプリッタ３０２は、ソースビーム３０１から参照ビーム３０３と測定ビームを（例えば、ソースビームの異なる周波数成分の偏光の差に基づいて）取得する。測定ビームは４つの異なる部分、すなわち、第一の入射ビーム１１、第一の回帰ビーム１２、第二の入射ビーム２１、第二の回帰ビーム２２を含む。ビームスプリッタ３０２は第一の入射ビーム１１を、第二の四分の一波長板３１４を通じてエンコーダスケール１０５へと向け、エンコーダスケール１０５によって第一の入射ビーム１１は回折されて、第一の回帰ビーム１２を生成する。第一の回帰ビーム１２は、ビームスプリッタ３０２と再帰性反射体３０４の組み合わせによって、第二の入射ビーム２１としてエンコーダスケール１０５に戻るように方向転換され、この第二の入射ビーム２１は次に、回折されて、第二の回帰ビーム２２を生成する。

ビームスプリッタ３０２はまた、参照ビーム３０３を参照反射体３０８に向かって方向転換させる。参照反射体３０８は、例えばミラー等、何れの適当な反射面を含むこともできる。いくつかの実装形態において、反射体３０８の位置は調節可能である。例えば、ある場合において、反射体３０８は移動可能ステージに取り付けることができる。参照反射体３０８は、参照ビーム３０３をビームスプリッタ３０２に戻るように反射し、ここでビーム３０３はビームスプリッタ３０２と再帰性反射体３０４の組み合わせによって再び参照反射体３０８へと戻るように方向転換される。参照反射体３０８は、参照ビーム３０３の２回目の反射を行い、ビームスプリッタ３０２に向ける。すると、２回反射された参照ビーム３０３は、ビームスプリッタ３０２を透過する代わりに、第二の回帰ビーム２２と合成されて、出力ビーム３０７を形成する。出力ビーム３０７は、検出器（例えば、光検出器）と混合偏光子を含む検出器モジュール１３０によって記録される。ビーム分離は、入射ビームの異なる偏光に基づいて行われる。例えば、ビーム３０１は、参照ミラー３０８に向かって反射するｓ偏光成分と、測定ビームとして格子１０５に向かって透過するｐ偏光成分を有する。四分の一波長板３１４を２回通過した後、偏光は逆転し、参照ビームが透過し、測定ビームが反射される。

図４は、エンコーダヘッド４１０を含む、別の例によるダブルパス干渉方式エンコーダシステム４００の概略図である。エンコーダヘッド４１０の構成は図３に示されるエンコーダヘッド３１０と同様であるが、例外として、エンコーダヘッド４１０はウェッジプリズムの代わりに第一の複屈折プリズムペア４１６と第二の複屈折プリズムペア４１８を含む。複屈折プリズムペアを追加することによって、エンコーダ４１０を通る測定および参照ビームの経路間の偏差／分離がさらに大きくなる。

いくつかの実施形態において、エンコーダヘッドは、第一の移動方向を直交する第二の移動方向とは関係なく測定するように設計できる。例えば、図５はダブルパス干渉方式エンコーダシステム５００の概略図を示し、ダブルパス干渉方式エンコーダシステム５００は、ｚ方向とは関係なく、ｘ方向へのエンコーダスケール１０５の変位を測定するように構成されたエンコーダヘッド５１０を含む。エンコーダヘッド５１０の構成は図３に示される例と同様である。しかしながら、図３の例とは異なり、エンコーダヘッド５１０は、参照ビーム５０３が参照反射体ではなく、エンコーダスケール表面の一部に入射する。すなわち、ビームスプリッタ５０２がエンコーダスケールに対して、ビームスプリッタ５０２を出た入射参照ビーム５０３ａが、エンコーダスケール１０５に向かうビーム経路に沿って進むように位置付けられる。入射参照ビーム５０３はその後、エンコーダスケールによって回折され、ビームスプリッタ５０２へと伝播する回折次数（例えば、１次または２次）を有する回折参照ビームを生成する。ビームスプリッタ５０２と再帰性反射体５０４の組み合わせは、１回回折ビーム（once-diffracted beam）をエンコーダスケール１０５に戻すように方向転換させ、エンコーダスケール１０５によって１回回折ビームは再び回折される。この２回回折参照ビーム５０３ｂは次に、ビームスプリッタ５０２に戻り、２回回折測定ビーム（twice-diffracted measurement beam）と合成されて、出力ビームを生成する。

参照ビーム５０３がエンコーダスケール１０５に、エンコーダの表面の法線に対して、−θ_１１（入射測定ビーム１１がエンコーダスケールに衝突する角度の負数）に対応する角度で入射すると、図５の例で示される構成を使って、ｚ方向とは関係なく、ｘ方向に沿ったエンコーダスケール１０５の変位を測定できる。例えば、式（１１）を使って、２回回折参照ビームと２回回折測定ビームの両方について、位相のΔｘへの依存性を計算できる。すると、参照および測定ビームについて式（１１）により提供された２つの結果の差を使用して、ｙ軸の周囲でのチルト（tilt）がないかぎり、ｚに関係なくｘ変位を抽出できる。

一般に、図２〜５に示される実施形態における入射ビームとそれに対応する回折ビームの間の角度の違いは、例えば、約１〜約１０度の範囲の角度を含むことができるが、これに限定されない。いくつかの実施形態において、角度の差はこれより小さくすることができる。例えば、図３に対して、角度の差は、約１ｍｒａｄ〜約１０ｍｒａｄの間とすることができる。いくつかの実施形態において、エンコーダヘッドは、入射ビームと回折ビームの間の角度の差を大きくするように構成できる。例えば、図６は、一例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステム６００の概略図であり、ダブルパス干渉方式エンコーダシステム６００は、入射測定ビームとそれに対応する回折ビームの間の角度を、約１０度〜約８０度の幅とすることができる。

エンコーダヘッド６１０はビームスプリッタ６０２を含み、ビームスプリッタ６０２はソースビーム６０１から参照ビームと第一の入射測定ビーム１１を取得する。第一の入射ビーム１１はエンコーダスケール１０５に向かって伝播し、回折されて第一の回折回帰ビーム１２を生成する。回帰ビーム１２は第一の反射部品６０４によって第二の反射部品６０６へと反射される。第二の反射部品６０６は次に、第一の回帰ビーム１２を、第二の入射ビーム２１としてエンコーダスケール１０５に向かって方向転換させる。第二の入射ビーム２１は、エンコーダスケール１０５によって回折されて、第二の回帰ビーム２２を生成し、この第二の回帰ビーム２２は２回回折測定ビームに対応する。すると、第二の回帰ビーム２２は、第一の反射部品６０４によってビームスプリッタ／コンバイナ６０２に向かって方向転換されて、参照ビームと合成され、出力ビーム６０５を生成し、出力ビーム６０５が検出器モジュール１３０（例えば、偏光子と検出器を含む）へと通過する。第一の反射部品６０４と第二の反射部品６０６は、何れの適当な高反射性部品を含むこともでき、例えばミラー等がある。

例示を目的として、図６において、入射ビームの回折は図の平面内でのみ示されている。しかしながら、システム６００は、３Ｄ再帰性反射全体のために図の平面の中に入るか、または図の平面から出る方向に沿って回折するビームを方向転換させ、それゆえ物体のチルトに関するシステムの感度をさらに低下させるように構成することができる。図２〜５に開示される実施形態と同様に、システム６００を使用して、検出器における横方向のビーム・シヤリングを補償でき、この場合、ビーム・シヤリングは、ｚ方向に平行な方向に沿ったエンコーダヘッド６１０またはエンコーダスケール１０５の位置の相対的変化によって起こる。

図７は、図６に示される構成の変形形態である、一例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステム７００の概略図である。特に、システム７００のエンコーダヘッド７１０は、第一の反射部品７０４と、第二の反射部品７０６と、ビームスプリッタ／ビームコンバイナ７０２に加えて、再帰性反射体７０８を含む。再帰性反射体７０８は、第一の回帰ビーム１２を第一の反射部品７０４から受け取って、ビーム１２を第二の反射部品７０６へと方向転換させるように動作でき、第二の反射部品７０６が今度は、ビーム１２をエンコーダスケール１０５へと向けるように動作できる。再帰性反射体７０８はまた、第二の回帰ビーム２２をビースプリッタ７０２に向かって方向転換させるように動作可能であり、第二の回帰ビーム２２は、ビームスプリッタ／ビームコンバイナ７０２において、参照ビームと合成されて、出力ビーム７０５を生成する。

図８は、図６に示される構成の別の変形形態である、一例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステム８００の概略図である。特に、第一の反射部品８０４は回折部品、例えば回折格子を含む。したがって、ビームスプリッタ／ビームコンバイナ８０２において参照ビームと合成された測定ビームは、エンコーダスケール１０５による２回と回折部品８０４よる２回を含めて、４回回折されたビームに対応する。特定の実施形態において、図８に示されるエンコーダヘッドの構成は、図６に示されるシステム６００のエンコーダヘッド構成と比較して、格子のチルトの補償を改善することができる。特に、エンコーダヘッド８１０は、エンコーダスケール１０５の非線形の回折角度挙動（nonlinear diffraction angle behavior）を補償する。当業者にとっては当然のことながら、入射ビーム１１に小さな角度の変化がある場合、式（１）から計算される反射ビーム１２の角度の変化は、入射ビーム１１の角度の変化と同じではなくなる。しかしながら、図のように回折部品８０４を設置することによって、この角度変化の差が補償され、ビーム２１は、式（９）のように、ビーム１１と平行なままとなる。

図９は、図６に示される配置の別の変形形態である、一例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステム９００の概略図である。エンコーダシステム９００は、第一の回帰ビーム１２と第二の回帰ビーム２２をエンコーダスケール１０５から透過させる透過格子９０４を利用する。システム９００は、第一の回帰ビーム１２を第二の入射ビーム２１としてエンコーダスケール１０５へと方向転換させるための再帰性反射体９０６を含み、透過格子９０４を通過した第二の回帰ビーム２２をビームスプリッタ９０２へと方向転換させる反射部品９０８を含む。いくつかの実装形態において、図９に示される構成は、異なるチルト角度（tilt angle）でのエンコーダスケール１０５の非線形の回折挙動を補償することによって、エンコーダスケール１０５のチルト許容範囲（tolerance for tilting）を改善する。

図１０は、図６に示される構成の別の変形形態である、一例としてのダブルパス干渉方式エンコーダシステム１０００の概略図である。エンコーダシステム１０００は、プリズム部品１００４（例えば、ガラスプリズム）と、反射部品１００６（例えば、ミラー）と、再帰性反射体１００８とを利用する。いくつかの実装形態において、図１０に示される構成は、異なるチルト角度でのエンコーダスケール１０５の非線形の回折挙動を補償することによって、エンコーダスケール１０５のチルト許容範囲を改善する。

いくつかの実施形態において、単独のモノリシック光学部品を使って、測定ビームにエンコーダスケールを２回通過させることができる。単独のモノリシック光学部品を使用することにより、よりコンパクトなエンコーダシステムの設計が可能となるだけでなく、アラインメントの要求も緩和される。図１１Ａは、部品１１１０の本体の中の内部反射を利用して測定ビーム１１０１をエンコーダスケール１０５へと方向転換させる単独のモノリシック光学部品１１１０の概略図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示される部品１１１０の三次元概略図である。図１１Ｃは、図１１Ａに示される光学部品１１１０の別の図である。図１１Ｄは、部品１１１０の別の三次元図面である。説明のために、参照ビームとエンコーダシステムのその他の光学部品は示されていない。部品１１１０は、適当な光学的透明材料、例えばガラスから形成できる。図１１Ａ〜１１Ｄに示される部品１１１０は非明示的なガラスウェッジを含み、エンコーダスケール１０５からの回折ビームは部品１１１０に、エンコーダスケール１０５の法線に関して、および部品１１１０に垂直な表面に関して測定された異なる角度で出入りする。光学部品１１１０の表面角度は、非明示的ウェッジの回折角度の非線形挙動がエンコーダスケールの格子のチルトに関する回折角度の非線形挙動を補償するように最適化される。エンコーダスケール１０５の１回目と２回目の相互作用の間に、測定ビームは、再帰性反射体のビーム経路と同様に、光学部品１１１０の中で３回内部反射される。

いくつかの実装形態において、図８と図１１に示されるエンコーダヘッドの構成には、ビーム・シヤリングとフォアショートニング（foreshortening）を一部のみ補償する図２と図３に示される実施形態のエンコーダヘッド構成と比べて、１）ｚ移動時の検出器でのビームシヤリングが補償され、２）ビーム・フォアショートニング（beam foreshortening）をほとんど、または全く示さないという追加の利点がある。

いくつかの実施形態において、図１１に示されるエンコーダヘッドは、より効率化させるように変更できる。例えば、図１２は、モノリシック光学部品１２１０の三次元概略図であり、モノリシック光学部品１２１０は、測定ビームの初期回折後に、１つの回折次数を捕捉するのに対して、２つの回折次数を受けるように構成されている。例えば、光学部品１２１０は、エンコーダスケールからの＋１および−１次回折ビームの両方を受け取って、＋１および−１次回折ビームの各々をエンコーダスケール１０５へと戻るように方向転換させる。それゆえ、２つの２回回折測定ビームが部品１２１０から出力される。２つの測定ビームの各々は、参照ビームと合成されて、２つの出力ビームを生成でき、次に２つの出力ビームを使って２次元でのエンコーダスケール１０５の位置を計算することができる。説明のために、参照ビームとエンコーダシステムのその他の光学部品は示されていない。ここでも、部品１２１０は適当な光学的透明材料、例えばガラスから形成できる。

いくつかの実施形態において、エンコーダスケール１０５に面する、モノリシック光学部品の表面を、１つの連続する平坦な表面に結合することができる。例えば図１３Ａはモノリシック光学部品１３１０の三次元概略図であり、測定ビームは光学部品１３１０に、部品１３１０の１つの平坦な表面１３０２から出入りする。図１３Ｂは、光学部品１３１０と使用するためのモノリシック光学部品１３１２の三次元概略図であり、光学部品１３１２は参照ビームを受け取るように構成される。光学部品１３１０と部品１３１２は、部品１３１０を通る測定ビーム１３０５の光路長が参照ビームの光路長と等しくなるように構成される。図１３Ｃは、光学部品１３１２に光学的に連結されて、２回回折測定ビームと参照ビームの合成である出力ビームを生成する光学部品１３１０の三次元概略図である。いくつかの実装形態において、光学部品１３１０と部品１３１２を合成して単独のモノリシック光学部品にすることができる。いくつかの実装形態において、図１３Ｃに示される構成には、比較的コンパクトであるという利点がある。これに加えて、図１３Ｃに示されるエンコーダヘッド構成によって、チルトとビーム・シヤリングに起因する入力ビームのアラインメントエラーがあっても、確実に同様の出力ビーム挙動を得ることができる。

図１４Ａは、図１３Ａの光学部品１３１０の二次元概略断面図であり、第一の回帰ビーム１２が入射測定ビーム１１の１次回折ビームに対応し、第二の回帰ビーム２２が第二の入射測定ビーム２１の１次回折ビームに対応する。これに対して、図１４Ｂは、図１４Ａと同じ断面の二次元概略図であり、０次回折ビーム等の妨害ビームがたどるビーム経路が、光学部品によって所望の測定ビームと共線状となるように方向転換されることができないことを示している。したがって、妨害ビームと測定ビームとの干渉によって発生する測定エラーを減らすことができる。

一般に、上述の分析方法の何れも、検出された干渉信号から位相情報とエンコーダスケールの自由度情報の判定を含め、コンピュータハードウェアまたはソフトウェア、またはこれら両方の組み合わせで実装できる。例えば、いくつかの実施形態において、電子プロセッサ１５０をコンピュータの中に設置して、１つまたは複数のエンコーダシステムに接続し、エンコーダシステムからの信号の分析を実行するように構成できる。分析は、本明細書に記載される方法に従って、標準的なプログラミング技術を使ってコンピュータプログラムに実装できる。プログラムコードを入力データ（例えば、干渉位相情報）に適用し、本明細書に記載された機能を実行して出力情報（例えば、自由度情報）を生成する。出力情報は、表示モニタ等の１つまたは複数の出力装置に適用する。各プログラムは、高級手続型またはオブジェクト指向プログラミング言語で実装して、コンピュータシステムと通信してもよい。しかしながら、プログラムは、希望に応じて、アセンブリまたはマシン言語でも実装できる。何れの場合も、言語はコンパイル型またはインタプリタ型言語とすることができる。さらに、プログラムは、その目的のために予めプログラムされた専用の集積回路上で実行できる。

このようなコンピュータプログラムの各々は好ましくは、汎用または特殊用途用のプログラム可能コンピュータによって読出可能な記憶媒体または装置（例えば、ＲＯＭまたは磁気ディスケット）に保存して、そのコンピュータを、記憶媒体または装置をそのコンピュータが読み出すと、本明細書に記載された手順を実行するように構成または動作させる。コンピュータプログラムはまた、プログラム実行中にキャッシュまたはメインメモリの中に格納できる。分析方法もまた、コンピュータプログラムを備えて構成されたコンピュータ読出可能記憶媒体として実装でき、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータに特定の、予め決められた方法で本明細書に記載された機能を実行させる。
リソグラフィツールへの応用
リソグラフィツールは、コンピュータチップおよびその他をはじめとする大規模集積回路の製造に使用されるリソグラフィ用途で特に有益である。リソグラフィは、半導体製造業にとって鍵となるテクノロジーの牽引役である。オーバレイの改善は、２２ｎｍ未満のライン幅（デザインルール）の実現に向けた５大難題の１つであり、例えば、国際半導体技術ロードマップ（International Technology Roadmap for Semiconductors）ｐ．５８−５９（２００９年）を参照のこと。

オーバレイは、ウェハおよびレチクル（またはマスク）ステージの位置決めに使用される計測システムの性能、すなわち精度と精密さに直接依存する。リソグラフィツールの年間生産額は５０〜１００百万ドルに上ることがあり、計測システムの改良の経済的価値は大きい。リソグラフィツールによる生産量が１％増大するごとに、集積回路メーカにとっては年間約１百万ドルの経済的利益がもたらされ、リソグラフィツールのサプライヤの競争優位が高まる。

リソグラフィツールの機能は、空間的にパターニングされた放射を、フォトレジスタコーティングを有するウェハに向けることである。このプロセスには、ウェハのどの位置が放射を受けるかを判定すること（アラインメント）と、その位置のフォトレジストに放射を当てること（露光）が関わる。

露光中、放射源はパターニングされたレチクルを照射し、これが放射を散乱させて、空間的にパターニングされた放射を生成する。レチクルはまた、マスクとも呼ばれ、これらの用語は以下、互換的に使用される。縮小投影リソグラフィの場合、縮小投影用レンズは散乱放射を集光して、レチクルパターンの縮小像を形成する。あるいは、近接プリンティングの場合、散乱放射が短い距離だけ（一般に、マイクロメートルのオーダ）伝播し、それからウェハと接触してレチクルパターンの１：１の像を生成する。放射によってレジスト内の光化学プロセスが始まり、光化学プロセスによって放射パターンをレジスト内の潜像へと変換する。

ウェハを適正に位置決めするために、ウェハはウェハ表面にアラインメントマークを含み、アラインメントマークを専用のセンサによって測定できる。測定されたアラインメントマークの位置がツール内のウェハの位置を定義する。この情報は、ウェハ表面の所望のパターニングの仕様と共に、空間的にパターニングされた放射に関するウェハのアラインメントを案内する。このような情報に基づいて、フォトレジストコーティングされたウェハを支持する並進運動可能なステージがウェハを移動させて、放射がそのウェハの正しい位置を露光させるようにする。特定のリソグラフィツール、例えばリソグラフィスキャナにおいては、マスクもまた、露光中にウェハと一緒に移動される並進運動可能なステージ上に設置される。

前述のものなどのエンコーダシステムは、ウェハとレチクルの位置を制御し、レチクル像をウェハ上で位置合わせする位置決め機構の重要な部品である。このようなエンコーダシステムが上述の特徴を含んでいれば、そのシステムによって測定される距離の精度が向上し、および／または、オフラインメンテナンスをせずに保持される期間が長くなり得、その結果、生産量の増大とツールのダウンタイム削減によってスループットが向上する。

一般に、リソグラフィツールは、露光システムとも呼ばれ、通常、照明システムとウェハ位置決めシステムを含む。照明システムは、紫外線、可視線、Ｘ線、電子またはイオン放射等の放射を供給する放射源と、放射にパターンを与えるようなレチクルまたはマスクを含み、それによって空間的にパターニングされた放射が生成される。これに加えて、縮小投影リソグラフィの場合、照明システムは空間的にパターニングされた放射をウェハに結像させるためのレンズアセンブリを含むことができる。結像した放射は、ウェハに被覆されたレジストを露光させる。照明システムはまた、マスクを支持するマスクステージと、マスクステージの、マスクを通じて方向付けられる放射に関する位置を調節するための位置決めシステムとを含む。ウェハ位置決めシステムは、ウェハを支持するウェハステージと、結像した放射に関するウェハステージの位置を調節するための位置決めシステムとを含む。集積回路の製造には複数の露光ステップが含まれ得る。リソグラフィに関する一般的な参考資料としては、例えば、Ｊ．Ｒ．シーツ（J.R.Sheats）とＢ．Ｗ．スミス（B.W.Smith）著、マイクロリソグラフィ：サイエンス・アンド・テクノロジー（Microlithography:Science and Technology（マーセル・デッカ・インコーポレーテッド（Marcel Dekker,Inc.）ニューヨーク１９９８年）を参照されたい。その内容は参照によって本願に援用される。

上述のエンコーダシステムは、露光システムの他の部品、例えばレンズアセンブリ、放射源または支持構造に関するウェハステージとマスクステージの各々の位置を正確に測定するために使用できる。このような場合、エンコーダシステムの光学アセンブリを静止構造に取り付けることができ、エンコーダスケールをマスクおよびウェハステージのうちの１つ等の移動可能な要素に取り付けることができる。あるいは、この状況は逆転でき、光学アセンブリを移動可能な物体に取り付け、エンコーダスケールを静止物体に取り付けることができる。

より一般的には、このようなエンコーダシステムは、露光システムの中の他の何れかの構成部品に関連して露光システムの中の何れか１つの構成部品の位置の測定にも使用でき、この場合、光学アセンブリはそれらの部品のうちの一方に取り付けられるか、それによって支持され、エンコーダスケールがそれらの部品のもう一方に取り付けられるか、それによって支持される。

干渉方式システム１５２６を用いたリソグラフィツール１５００の一例が図１５に示されている。エンコーダシステムは、露光システム内のウェハ（図示せず）の位置を正確に測定するために使用される。ここで、ステージ１５２２は、ウェハを露光ステーションに対して位置決めし、支持するように使用される。スキャナ１５００はフレーム１５０２を含み、フレーム１５０２はその他の支持構造と、これらの支持構造の上に担持される各種の部品を担持する。露光ベース１５０４はその上面でレンズ筐体１５０６に取り付けられ、レンズ筐体１５０６上に、レクチルまたはマスクを支持するように使用されるレチクルまたはマスクステージ１５１６が取り付けられる。露光ステーションに対してマスクを位置決めするための位置決めシステムは、要素１５１７によって概略的に示されている。位置決めシステム１５１７は、例えば、圧電トランスデューサ素子とこれに対応する制御用電子機器を含むことができる。あるいは、ここに説明されている実施形態には示されていないが、上記のエンコーダシステムの１つまたは複数を使って、その位置をリソグラフ構造の製造プロセス中に正確にモニタする必要のあるマスクステージおよびその他の移動可能な要素の位置を正確に測定することもできる（上述のシーツ（Sheats）とスミス（Smith）著、マイクロリソグラフィ：サイエンス・アンド・テクノロジー（Microlithography:Science and Technology）参照）。

露光ベース１５０４の下には支持ベース１５１３が懸下され、支持ベース１５１３がウェハステージ１５２２を担持する。ステージ１５２２は、測定ビーム１５５４が光学アセンブリ１５２６によってステージへと回折されるようにする被測定物１５２８を含む。ステージ１５２２を光学アセンブリ１５２６に対して位置決めするための位置決めシステムが要素１５１９によって概略的に示されている。位置決めシステム１５１９は、例えば、圧電トランスデューサ素子とそれに対応する制御電子部品を含むことができる。被測定物は測定ビームの反射を回折させて、露光ベース１５０４に取り付けられた光学アセンブリへと戻す。エンコーダシステムは、前述の実施形態の何れとすることもできる。

動作中、放射ビーム１５１０、例えば、紫外線（ＵＶ）レーザ（図示せず）からのＵＶビームはビーム成形光学系アセンブリ１５１２を通過して、ミラー１５１４で反射された後に下方に進む。その後、放射ビームは、マスクステージ１５１６によって担持されるマスク（図示せず）を通過する。マスク（図示せず）は、レンズ筐体１５０６によって担持されるレンズアセンブリ１５０８を通じて、ウェハステージ１５２２上のウェハ（図示せず）上に結像される。ベース１５０４とそれによって支持される各種の部品は、ばね１５２０として描かれている減衰システムによって環境振動から隔離される。

いくつかの実施形態において、前述のエンコーダシステムの１つまたは複数を使って、例えば、これらに限定されないが、ウェハおよびレチクル（マスク）ステージに関連する複数の軸と角度に沿った変位を測定できる。また、ＵＶレーザビームではなく、その他のビームを使ってウェハを露光させることもでき、例えば、Ｘ線ビーム、電子ビーム、イオンビーム、可視光線等がある。

特定の実施形態において、光学アセンブリ１５２６は、レチクル（またはマスク）ステージ１５１６または、スキャナシステム等のその他の移動可能部品の位置の変化を測定するように位置付けることができる。最後に、エンコーダシステムは、スキャナに加えて、またはスキャナの代わりにステッパを含むリソグラフィシステムにも同様の方法で使用できる。

当業界でよく知られているように、リソグラフィは、半導体装置を製作するための製造方法の重要な部分である。例えば、米国特許第５，４８３，３４３号明細書にはこのような製造方法のステップの概略が記載されている。これらのステップを、図１６Ａと１６Ｂを参照しながら以下に説明する。図１６Ａは、半導体チップ（例えば、ＩＣまたはＬＳＩ）、液晶パネルまたはＣＣＤ等の半導体装置の製造シーケンスのフローチャートである。ステップ１６５１は、半導体装置の回路を設計する設計プロセスである。ステップ１６５２は、回路パターン設計に基づいてマスクを製造するプロセスである。ステップ１６５３は、シリコン等の材料を使用することによってウェハを製造するプロセスである。

ステップ１６５４は、前工程と呼ばれるウェハプロセスであり、ここではそのように準備されたマスクとウェハを使って、回路がリソグラフィを通じてウェハ上に形成される。ウェハ上に、十分な空間分解能でマスク上のこれらのパターンに対応する回路を形成するために、リソグラフィツールのウェハに関する、干渉方式による位置決めが必要である。本明細書に記載される干渉方式の方法とシステムは特に、ウェハプロセスで使用されるリソグラフィの有効性の改善にとって有益となりうる。

ステップ１６５５はアセンブリステップであり、これは後工程と呼ばれ、ステップ１６５４で加工されたウェハが半導体チップへと形成される。このステップは、アセンブリ（ダイシングとボンディング）とパッケージング（チップ封入）を含む。ステップ１６５６は検査ステップであり、検査ステップで、ステップ１６５５により生産された半導体装置の動作性のチェック、耐久性のチェック等が実行される。これらの工程により、半導体装置が完成し、出荷される（ステップ１６５７）。

図１６Ｂは、ウェハプロセスの詳細を示すフローチャートである。ステップ１６６１は、ウェハ表面を酸化するための酸化プロセスである。ステップ１６６２は、ウェハ表面上に絶縁膜を形成するためのＣＶＤプロセスである。ステップ１６６３は、蒸着によってウェハ上に電極を形成する電極形成プロセスである。ステップ１６６４は、ウェハにイオンを打ち込むためのイオン打ち込みプロセスである。ステップ１６６５は、レジスト（感光材料）をウェハに塗布するためのレジストプロセスである。ステップ１６６６は、上述の露光装置を使って、露光（すなわち、リソグラフィ）を通じてマスクの回路パターンをウェハに印刷するための露光プロセスである。露光プロセスでも、上述のように、本明細書に記載される干渉方式システムと方法の使用によって、このようなリソグラフィステップの精度と分解能が改善される。

ステップ１６６７は、露光されたウェハを現像するための現像プロセスである。ステップ１６６８は、現像されたレジスト像以外の部分を取り除くためのエッチングプロセスである。ステップ１６６９は、エッチングプロセス実行後にウェハ上に残っているレジスト材料を分離するためのレジスト分離プロセスである。これらのプロセスを繰り返すことによって、ウェハ上に回路パターンが形成され、重ね合される。

上述のエンコーダシステムはまた、物体の相対位置を正確に測定する必要のあるその他の用途にも使用できる。例えば、レーザ、Ｘ線、イオン、または電子ビーム等の書込みビームがパターンを基板上に、基板またはビームの何れかを移動させながらマーキングするような用途において、エンコーダシステムを使って基板と書込みビームの相対移動を測定できる。

多数の実施形態が説明された。それでもなお、当然のことながら、様々な変更を加えることができる。その他の実施形態も特許請求の範囲に含まれる。

Claims (20)

1. 方法であって、
   エンコーダヘッドから、第１の入射ビームを、回折エンコーダスケールの法線に対して第１の入射角で前記回折エンコーダスケールへと向かわせること、
   前記エンコーダヘッドで、前記回折エンコーダスケールから第１の回帰ビームを、前記回折エンコーダスケールの前記法線に対して第１の回帰角で受け取ることであって、前記第１の回帰角は、前記第１の入射角とは異なる、前記第１の回帰角で受け取ること、
   前記エンコーダヘッドから、前記第１の回帰ビームを、第２の入射ビームとして、前記回折エンコーダスケールの前記法線に対して第２の入射角で前記回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させること、
   前記エンコーダヘッドで、前記回折エンコーダスケールから戻る第２の回帰ビームを、前記回折エンコーダスケールの前記法線に対して第２の回帰角で受け取ることであって、前記第２の回帰角は、前記第２の入射角とは異なる、前記第２の回帰角で受け取ることを備え、
   前記第１の入射角と第２の入射角との差が、前記第１の入射角と前記第１の回帰角との差よりも小さく、前記第２の入射角と前記第２の回帰角との差よりも小さく、
   前記方法は、
   前記エンコーダヘッドで、前記第２の回帰ビームを参照ビームと合成して出力ビームを生成すること、
   検出器で前記出力ビームを検出すること、
   前記検出器に結合された電子プロセッサで、前記出力ビームを検出することに応答して前記検出器において生成された干渉信号を取得することであって、前記干渉信号は、前記参照ビームと前記第２の回帰ビームとの間の光路差に応じた位相を含む、前記干渉信号を取得すること、
   前記干渉信号の位相に基づいて、前記回折エンコーダスケールの位置の変化に関する情報を判定すること、をさらに備える、方法。
2. 前記位相が、ヘテロダイン位相である、請求項１に記載の方法。
3. 前記エンコーダヘッドのビーム分離部品で、光源からソースビームを受け取ること、
   前記ビーム分離部品で、前記ソースビームを前記第１の入射ビームと前記参照ビームとに分離することを備える請求項１に記載の方法。
4. 前記エンコーダヘッドの第１の光学部品で、前記第２の回帰ビームを受け取ること、
   前記第１の光学部品からの前記第２の回帰ビームを前記ビーム分離部品に向かうように方向転換させることを備える請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の光学部品で、前記回折エンコーダスケールからの前記第１の回帰ビームを受け取ること、
   前記第１の光学部品からの前記第１の回帰ビームを前記エンコーダヘッドの第２の光学部品に向かうように方向転換させること、
   前記第２の光学部品からの前記第１の回帰ビームを、第２の入射ビームとして、前記第２の入射角で前記回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させることをさらに備える請求項４に記載の方法。
6. 前記エンコーダヘッドの第１の光学部品で、前記回折エンコーダスケールから前記第１の回帰ビームと前記第２の回帰ビームとを受け取ること、
   前記第１の光学部品からの前記第１の回帰ビームと前記第２の回帰ビームとを、前記エンコーダヘッドの再帰性反射体に向かうように方向転換させること、
   前記再帰性反射体からの前記第２の回帰ビームをビーム分離部品に向かうように方向転換させること、
   前記再帰性反射体からの前記第１の回帰ビームを前記エンコーダヘッドの第２の光学部品に向かうように方向転換させること、
   前記第２の光学部品からの前記第１の回帰ビームを、第２の入射ビームとして、第２の入射角で前記回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させることをさらに備える請求項１に記載の方法。
7. 回折格子で、前記回折エンコーダスケールから前記第１の回帰ビームと前記第２の回帰ビームを受け取り、第１の回折ビームおよび第２の回折ビームをそれぞれ供給すること、
   前記回折格子からの前記第１の回折ビームを、第１の光学部品に向かうように方向転換させることをさらに備える請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の光学部品は、ミラー又は再帰性反射体であり、
   前記第１の光学部品からの前記第１の回帰ビームを、前記第２の入射ビームとして、前記第２の入射角で前記回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させることをさらに備える請求項７に記載の方法。
9. 前記回折格子からの前記第２の回折ビームをビーム分離部品に向かうように方向転換させること、
   前記ビーム分離部品で、前記第２の回折ビームを参照ビームと合成して出力ビームを生成することをさらに備える請求項７に記載の方法。
10. 前記エンコーダヘッドのプリズム部品で、前記第１の回帰ビームと前記第２の回帰ビームとを受け取ること、
    前記プリズム部品からの前記第１の回帰ビームと前記第２の回帰ビームとを、前記第２の入射ビームとして、前記第２の入射角で前記回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させることをさらに備える請求項１に記載の方法。
11. 前記プリズム部品からの前記第２の回帰ビームをビーム分離部品に向かうように方向転換させること、
    前記ビーム分離部品で、前記第２の回帰ビームを参照ビームと合成して出力ビームを生成することをさらに備える請求項１０に記載の方法。
12. 前記エンコーダヘッドから、前記第１の回帰ビームを、第２の入射ビームとして、前記回折エンコーダスケールの前記法線に対して第２の入射角で前記回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させることは、
    第１のプリズム部品で、前記第１の回帰ビームを受け取ること、
    前記第１の回帰ビームが第２のプリズム部品に反射されるように、前記第１のプリズム部品からの前記第１の回帰ビームを反射部品に向かうように方向転換させること、
    前記第２のプリズム部品からの前記第１の回帰ビームを、前記第２の入射ビームとして、前記回折エンコーダスケールに向かうように方向転換させることを含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記方法は、
    前記エンコーダヘッドのビーム分離部品で、ソースビームを受け取ること、
    前記ビーム分離部品で前記ソースビームを、前記第１の入射ビームと前記参照ビームとに分離することをさらに備え、
    前記エンコーダヘッドで、前記回折エンコーダスケールから第１の回帰ビームを、前記回折エンコーダスケールの前記法線に対して第１の回帰角で受け取ることは、
    前記ビーム分離部品で、前記第１の回帰ビームを受け取ることを含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記ビーム分離部品からの前記第１の回帰ビームを前記エンコーダヘッドの第１のプリズム部品を用いて方向転換して前記第１の回帰ビームの伝播角度を変更すること、
    前記第１のプリズム部品を通過した後に、前記第１の回帰ビームを、第２のプリズム部品を介して前記ビーム分離部品に戻して方向転換させて前記第１の回帰ビームの伝播角度を再度変更することをさらに備える請求項１３に記載の方法。
15. 前記ビーム分離部品からの参照ビームを、第１の参照角度で参照面に向かうように方向転換させること、
    前記ビーム分離部品で、前記参照面からの参照ビームを受け取ること、
    前記エンコーダヘッドの前記第１のプリズム部品を用いて、受け取った参照ビームを方向転換させて、前記参照ビームの伝播角度を変更すること、
    前記第１のプリズム部品を通過した後に、前記参照ビームを、第２のプリズム部品を介して前記ビーム分離部品に戻して方向転換させて前記参照ビームの伝播角度を再度変更すること、
    前記ビーム分離部品からの前記第２のプリズム部品を通過した前記参照ビームを、第２の参照角度で前記参照面に向かわせることをさらに備える請求項１４に記載の方法。
16. 前記参照面は、前記回折エンコーダスケールを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の回帰ビームのビーム経路と前記参照ビームのビーム経路との間の偏差を増大させることをさらに備える請求項１に記載の方法。
18. 前記第１の回帰ビームと前記第２の回帰ビームの各々が回折ビームである、請求項１に記載の方法。
19. 各回折ビームが１次回折ビームである、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の入射ビームと前記第１の回帰ビームが非共線状で、非平行であり、
    前記第２の入射ビームと前記第２の回帰ビームが非共線状で、非平行である、請求項１に記載の方法。