エンコーダ装置、光学装置、及び露光装置
【課題】光学系の高さを低くするとともに、回折格子からの０次光の影響を低減して計測精度を向上する。
【解決手段】Ｘ軸のエンコーダ１０Ｘは、第１部材６に設けられ、Ｘ方向を周期方向とする回折格子１２Ｘと、可干渉性のある計測光ＭＸ１及び参照光ＲＸ１を供給するレーザ光源１６と、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに向けてリトロー角から所定角度ずれた角度で反射する傾斜ミラー３２ＸＡと、回折格子１２Ｘからの回折光と参照光ＲＸ１との干渉光を検出する光電センサ４０ＸＡと、光電センサ４０ＸＡの検出信号を用いて第１部材６に対する第２部材７のＸ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を備える。
【解決手段】Ｘ軸のエンコーダ１０Ｘは、第１部材６に設けられ、Ｘ方向を周期方向とする回折格子１２Ｘと、可干渉性のある計測光ＭＸ１及び参照光ＲＸ１を供給するレーザ光源１６と、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに向けてリトロー角から所定角度ずれた角度で反射する傾斜ミラー３２ＸＡと、回折格子１２Ｘからの回折光と参照光ＲＸ１との干渉光を検出する光電センサ４０ＸＡと、光電センサ４０ＸＡの検出信号を用いて第１部材６に対する第２部材７のＸ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対移動する部材間の相対移動量を計測するエンコーダ装置、このエンコーダ装置を備えた光学装置及び露光装置、並びにこの露光装置を用いたデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を生産するためのフォトリソグラフィ工程で用いられる、いわゆるステッパー又はスキャニングステッパーなどの露光装置においては、従来より、露光対象の基板を移動するステージの位置計測はレーザ干渉計によって行われていた。ところが、レーザ干渉計では、計測用ビームの光路が長く、かつ変化するため、その光路上の雰囲気の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動が無視できなくなりつつある。
【０００３】
そこで、例えばステージに固定された回折格子にレーザ光よりなる計測光を照射し、回折格子から発生する回折光と他の回折光又は参照光との干渉光を光電変換して得られる検出信号から、その回折格子が設けられた部材（ステージ等）の相対移動量を計測する、いわゆるエンコーダ装置（干渉型エンコーダ）も使用されつつある（例えば特許文献１参照）。このエンコーダ装置は、レーザ干渉計に比べて計測値の短期的安定性に優れるとともに、レーザ干渉計に近い分解能が得られるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０２９７５７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のエンコーダ装置は、ほぼ計測光の入射面に沿って、回折光と他の回折光又は参照光とを干渉させるための複数の光学部材を配置していたため、光学系の高さが高くなり、その光学系を例えば狭い空間に組み込むことが困難であった。
さらに、従来のエンコーダ装置では、計測情報を含むある回折光と、回折格子から発生する０次光（正反射光）の方向とが平行になる恐れがあった。このように回折光と０次光とが平行である状態で、検出対象の干渉光にその０次光が混入すると、その干渉光に本来の計測情報を含む周期とは異なる周期の干渉光が含まれるため、計測精度が低下する恐れがあった。
【０００６】
本発明の態様は、このような課題に鑑み、回折格子を用いて計測を行う際に、光学系の高さを低くするとともに、回折格子からの０次光の影響を低減して計測精度を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動する第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置が提供される。このエンコーダ装置は、その第１部材及びその第２部材の一方に設けられ、その第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、互いに可干渉性のある第１計測光及び第２計測光を供給する光源部と、その第１部材及びその第２部材の他方に設けられ、その光源部から供給された第１計測光をその格子パターン面に向けて反射する第１反射部材と、その回折格子からの回折光と他の回折光又はその第２計測光との干渉光を検出する第１光電検出器と、その第１光電検出器の検出信号を用いてその第２部材の相対移動量を求める計測部と、を備え、その反射部材からその格子パターン面に向かうその第１計測光のその第１方向の入射角を、その回折格子のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定するものである。
【０００８】
また、第２の態様によれば、本発明のエンコーダ装置と、対象物用の光学系と、を備える光学装置が提供される。
また、第３の態様によれば、パターンを被露光体に露光する露光装置が提供される。この露光装置は、フレームと、その被露光体を支持するとともにそのフレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージと、その第１方向へのそのステージの相対移動量を計測するための本発明のエンコーダ装置と、を備えるものである。
【０００９】
また、第４の様態によれば、リソグラフィ工程を含み、そのリソグラフィ工程では、上記露光装置を用いて物体を露光するデバイス製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、計測光を格子パターン面に向けて反射する反射部材を設けているため、エンコーダ装置の光学系の高さ（格子パターン面の法線方向の高さ）を低くできる。
さらに、その反射部材からその格子パターン面に向かう計測光の第１方向の入射角を、回折格子のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定しているため、格子パターン面の高さの変化に対して回折光の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいとともに、回折格子からの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）は実施形態の一例に係るエンコーダを示す斜視図、（Ｂ）は図１（Ａ）中の傾斜ミラーの反射面等を示す図である。
【図２】図１のエンコーダの２回目の回折光の光路を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は傾斜ミラーからの反射光が回折格子に垂直入射する状態を示す図、（Ｂ）は傾斜ミラーからの反射光が回折格子にＸ方向に傾斜して入射する状態を示す図、（Ｃ）は傾斜ミラーからの反射光が回折格子にＸ方向及びＹ方向に傾斜して入射する状態を示す図である。
【図４】（Ａ）は傾斜ミラーからの反射光が楔形プリズムを介して回折格子に入射する状態を示す斜視図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ方向から視た図、（Ｃ）は２次元の回折格子を使用する例を示す斜視図である。
【図５】第１実施例に係る２次元のエンコーダを示す平面図である。
【図６】第２実施例に係るエンコーダを示す平面図である。
【図７】（Ａ）は図６のＡＡ線に沿う断面図、（Ｂ）は図６のＢＢ線に沿う図、（Ｃ）は図６のＢＢ線に沿って一部を省略して示す図である。
【図８】図６の参照光の光路を示す平面図である。
【図９】第３実施例に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図１０】図９のウエハステージに設けられた回折格子及び複数の検出ヘッドの配置の一例を示す平面図である。
【図１１】図９の露光装置の制御系を示すブロック図である。
【図１２】電子デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態の一例につき図１〜図４を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施形態に係るＸ軸のエンコーダ１０Ｘの要部を示す斜視図である。図１（Ａ）において、一例として、第１部材６に対して第２部材７は２次元平面内で相対移動可能に配置され、第２部材７の互いに直交する相対移動可能な２つの方向に平行にＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面（ＸＹ面）に直交する軸をＺ軸として説明する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの角度をそれぞれθｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向の角度とも呼ぶ。
【００１３】
図１（Ａ）において、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６の上面に固定された、ＸＹ面に平行な平板状のＸ軸の回折格子１２Ｘと、第２部材７の上面に固定されて回折格子１２Ｘに計測光を照射するＸ軸の検出ヘッド１４Ｘと、検出ヘッド１４Ｘに計測用のレーザ光を供給するレーザ光源１６と、検出ヘッド１４Ｘから出力される検出信号を処理して第１部材６に対する第２部材７の少なくともＸ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を有する。さらに、第１部材６に対する第２部材７のＹ方向の相対移動量を求めるＹ軸のエンコーダも備えられている。図１（Ａ）では、Ｙ軸のエンコーダのうちの検出ヘッド１４Ｙのみが図示されている。
【００１４】
回折格子１２ＸのＸＹ面に平行な格子パターン面１２Ｘｂには、Ｘ方向に所定の周期（ピッチ）を持ち、位相型でかつ反射型の格子パターン１２Ｘａが形成されている。格子パターン１２Ｘａの周期は、一例として１００ｎｍ〜４μｍ程度（例えば２μｍ周期）である。格子パターン１２Ｘａは、例えばホログラム（例えば感光性樹脂に干渉縞を焼き付けたもの）として、又はガラス板等に機械的に溝等を形成して反射膜を被着することで作製可能である。さらに、格子パターン面１２Ｘｂは、保護用の平板ガラスで覆われていてもよい。なお、回折格子１２Ｘの代わりに、Ｘ方向、Ｙ方向に周期的に形成された格子パターンを持つ２次元の回折格子を使用してもよい。
【００１５】
レーザ光源１６は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は半導体レーザ等よりなり、一例として偏光方向が互いに直交するとともに互いに周波数が異なる第１及び第２の直線偏光のレーザ光ＸＲ，ＹＲよりなる２周波ヘテロダイン光を射出する。そのレーザ光ＸＲ，ＹＲは互いに可干渉であり、それらの平均波長をλとする。レーザ光源１６は、レーザ光ＸＲ，ＹＲから分岐した２つの光束の干渉光を光電変換して得られる基準周波数の信号（基準信号）を計測演算部４２Ｘに供給する。なお、ホモダイン干渉方式も使用可能である。
【００１６】
レーザ光源１６から射出されたヘテロダイン光は、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）１８により互いに同じ光量のＰ偏光の第１のレーザ光ＸＲと、Ｓ偏光の第２のレーザ光ＹＲとに分割される。第１のレーザ光ＸＲは、偏光方向を調整するための１／２波長板２０Ａを介してＰＢＳ２２Ｘに入射し、−Ｘ方向に向かうＳ偏光のＸ軸の計測光ＭＸと、＋Ｙ方向に向かうＰ偏光のＹ軸の参照光ＲＹとに分割される。Ｙ軸の参照光ＲＹはミラー４５Ａ，４５Ｂを介してＹ軸の検出ヘッド１４Ｙに供給され、参照光ＲＹは、検出ヘッド１４Ｙ内でＹ軸の計測光によってＹ軸の回折格子（不図示）から発生する回折光と干渉する。
【００１７】
また、ＰＢＳ１８で分割された第２のレーザ光ＹＲは、１／２波長板２０Ｂを介してＰＢＳ２２Ｙに入射し、Ｐ偏光のＹ軸の計測光ＭＹとＳ偏光のＸ軸の参照光ＲＸとに分割され、Ｙ軸の計測光ＭＹはＹ軸の検出ヘッド１４Ｙに供給される。１／２波長板２０Ｂ及びＰＢＳ２２Ｙは検出ヘッド１４Ｙの一部とみなすことも可能である。１／２波長板２０Ａ，２０Ｂの回転角は、それぞれ計測光ＭＸ及びＭＹの光量がその入射するレーザ光ＸＲ，ＹＲの光量の９５％程度になるように調整される。ＰＢＳ２２Ｙで反射されたＳ偏光の参照光ＲＸは、１／２波長板２０ＣによってＰ偏光に変換された後、ミラー４５Ｃ，４５Ｄを介して光路が＋Ｚ方向にシフトした状態でハーフミラー４５Ｅに入射し、互いに同じ光量の第１及び第２の参照光ＲＸ１，ＲＸ２に分割される。参照光ＲＸ１はＰ偏光としてＰＢＳ３８ＸＡに入射し、参照光ＲＸ２は、ミラー４５Ｆを介してＰ偏光としてＰＢＳ３８ＸＢに入射する。参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、ＰＢＳ３８ＸＡ，３８ＸＢで後述のＸ軸の第１及び第２の回折光と合流して干渉光（ヘテロダインビーム）となる。これらの干渉光は、波長板（不図示）を介してフォトダイオード等からなる第１及び第２の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢに入射する。なお、実際には、参照光ＲＸ１，ＲＸ２の光路長は、対応する計測光（回折光）の光路長とほぼ等しくなるように光路が設定されている。
【００１８】
このように本実施形態では、Ｘ軸のレーザ光ＸＲから分割された参照光ＲＹがＹ軸の検出ヘッド１４Ｙに供給され、Ｙ軸のレーザ光ＹＲから分割された参照光ＲＸ（ＲＸ１，ＲＸ２）がＸ軸の検出ヘッド１４Ｘで生成される回折光と干渉する。一例として、回折格子１２Ｘでの回折効率はほぼ１０％であり、後述のように２回の回折を行わせることによって、最終的に使用される回折光の効率はほぼ１％になる。従って、このように計測光ＭＸ，ＭＹの光量をほぼ９５％にしておくことによって、最終的に干渉する回折光と参照光との光量比はほぼ１：１になり、参照光を減衰する必要がなくなるため、レーザ光ＸＲ，ＹＲの使用効率が高くなる。ミラー４５Ａ〜４５Ｆ，ハーフミラー４５Ｅ、及び１／２波長板２０Ｃから参照光の光路長を計測光の光路長に合わせるための光学系４４が構成されている。
【００１９】
また、後述のように本実施形態では、Ｘ方向（又はＹ方向）の相対移動量ＸとＺ方向の相対移動量Ｚとの差分（Ｘ−Ｚ）（又はＹ−Ｚ）とを計測するために、Ｘ方向の回折格子１２Ｘ（又はＹ方向の回折格子１２Ｙ）でも＋１次と-１次の回折光を利用する。本実施形態では、相対移動量Ｘを計測するための＋１次と−１次との回折光の波長（λ１とする）を同じにする。同様に相対移動量Ｙを計測する際に、＋１次と−１次との回折光の波長（λ２とする）を同じにする。このように、移動量Ｘと移動量Ｙとを計測する計測光（回折格子１２Ｘ，１２Ｙで回折される光）を異なる波長にしている。このことで、前述のように移動量Ｘを計測するための計測光（波長λ１）と参照光（波長λ２）との光量比が９５：５になる場合に、移動量Ｙを計測するための計測光（波長λ２）と参照光（波長λ１）との光量比も９５：５になる。この場合の波長λ１，λ２は、レーザ光源１６から射出されるヘテロダインビームの二つの波長である。
【００２０】
本実施形態の検出ヘッド１４Ｘは２階建て構造であり、ＰＢＳ１８，２２Ｘ，２２Ｙ等は第２部材７上の１階部分にあるのに対して、ＰＢＳ３８ＸＡ，３８ＸＢ等は不図示のフレームを介して２階部分に配置されている。
また、Ｘ軸の検出ヘッド１４Ｘは、上記の１／２波長板２０Ａ、ＰＢＳ２２Ｘ、及び参照光用の光学系４４とともに、１階部分にＸ方向に離れたハーフミラー面２５Ａ及び反射面２５Ｂを有し、２階部分に反射面２５Ｃを有する光路変更部材２４Ｘと、光路変更部材２４Ｘの−Ｘ方向の端部近傍に配置されてＹ軸にほぼ４５°で傾斜する反射面を持つミラー３６Ｘと、を有する。さらに、検出ヘッド１４Ｘは、光路変更部材２４Ｘの＋Ｙ方向側に対向するように、Ｘ方向に隣接して対称に配置された第１及び第２のＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂと、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの＋Ｘ方向側及び−Ｘ方向側の側面に対称に固定された第１及び第２のコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂと、ＰＢＳ２８Ａの＋Ｙ方向側に不図示のフレームによって支持された＋１次回折光用の第１及び第２の傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢと、ＰＢＳ２８Ｂの＋Ｙ方向側に不図示のフレームによって支持された−１次回折光用の第１及び第２の傾斜ミラー３４ＸＡ，３４ＸＢと、を有する。傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡは１階部分に反射面を有し、傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＢは２階部分に反射面を有する。また、ＰＢＳ２８Ａ及び２８Ｂの偏光ビームスプリッタ面は、それぞれＺＹ面に平行な面をθｚ方向に４５°及び−４５°回転した面である。また、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの−Ｙ方向の側面に１／２波長板２７が固定され、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの＋Ｙ方向の側面に１／４波長板３０が固定されている。１／２波長板２７、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂ、コーナキューブ２９Ａ，２９Ｂ、１／４波長板３０、傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢ、及び傾斜ミラー３４ＸＡ，３４ＸＢを含んで、±１次の各２回の回折を行わせるためのＸ軸の回折光発生部２６Ｘが構成されている。
【００２１】
検出ヘッド１４Ｘにおいて、ＰＢＳ２２Ｘで−Ｘ方向に分岐されたＳ偏光のＸ軸の計測光ＭＸは、光路変更部材２４Ｘに入射し、ハーフミラー面２５Ａでほぼ＋Ｙ方向に向かう第１の計測光ＭＸ１と−Ｘ方向に向かう第２の計測光ＭＸ２とに分割され、第２の計測光ＭＸ２は反射面２５Ｂでほぼ＋Ｙ方向に反射される。計測光ＭＸ１及びＭＸ２はそれぞれ１／２波長板２７を介してＰ偏光（ここでは偏光方向がＸ方向）に変換されてＰＢＳ２８Ａ及び２８Ｂに入射する。入射した計測光ＭＸ１，ＭＸ２は、それぞれＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂを透過し、１／４波長板３０を介して傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡの平面の反射面に入射する。
【００２２】
図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡの反射面等を示す図である。図１（Ｂ）において、傾斜ミラー３２ＸＡの反射面に入射した計測光ＭＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに、θｙ方向（Ｘ方向）の入射角φ１が、次のように格子パターン１２Ｘａに対する＋１次回折光のリトロー角(Littrow角)φLIよりも所定の角度βだけ大きくなる状態で入射する。
【００２３】
φ１＝φLI＋β …（１）
格子パターン面１２Ｘｂに入射する計測光ＭＸ１のθｘ方向（Ｙ方向）の入射角は０でもよいが、計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角は例えば０〜β程度（例えばβ／２程度）に傾斜していることが好ましい。角度βは、一例として０．５°から数ｄｅｇ程度であり、例えば０．５°〜１．５°（目標値で１°程度）に設定される。
【００２４】
＋１次回折光のリトロー角φLIは、点線の光ビームＬＡで示すように、入射する光ビームＬＡとこの＋１次回折光ＬＡ１とが平行になるときの光ビームＬＡの入射角である。このように光ビームＬＡがリトロー角φLIで入射すると、格子パターン面の高さが変化しても＋１次回折光ＬＡ１の横シフトが発生しないため、干渉光の強度が変化しないという利点がある一方で、後述のように０次光によるノイズ光の問題が生じる。格子パターン１２ＸａのＸ方向の周期をｐ、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の平均的な波長をλとすると、リトロー角φLIは次の関係を満たす。
【００２５】
２・sin φLI＝λ …（２）
リトロー角φLIで入射する光ビームＬＡの格子パターン１２Ｘａによる０次光（正反射光）ＬＡ０は＋１次回折光ＬＡ１と対称になる。この場合、光ビームＬＡと対称に格子パターン１２Ｘａに入射する光ビームの−１次回折光と、０次光ＬＡ０とはほぼ平行になるため、その−１次回折光と０次光ＬＡ０とが合流すると、周期の大きい干渉縞（ノイズ光）が形成され、計測誤差の要因になる恐れがある。
【００２６】
また、傾斜ミラー３２ＸＡから入射角φ１で格子パターン１２Ｘａに入射した計測光ＭＸ１による回折格子１２Ｘからの＋１次回折光ＤＸ１の回折角φ２は、次のようにほぼリトロー角φLIよりも角度βだけ小さくなる。
φ２≒φLI−β …（３）
また、傾斜ミラー３４ＸＡの反射面に入射した計測光ＭＸ２は、その反射面で反射されて格子パターン面１２Ｘｂに、θｙ方向（Ｘ方向）の入射角が、計測光ＭＸ１と対称になるように角度（−φ１）で入射する。計測光ＭＸ２のＸ方向の入射角は、格子パターン１２Ｘａに対する−１次回折光のリトロー角（−φLI）よりも絶対値が角度βだけ大きくなる。計測光ＭＸ２のθｘ方向（Ｙ方向）の入射角は、例えば計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角と同じ程度である。傾斜ミラー３４ＸＡから入射角（−φ１）で格子パターン１２Ｘａに入射した計測光ＭＸ２による回折格子１２Ｘからの−１次回折光ＥＸ１の回折角は、回折光ＤＸ１の回折角φ２と符号が逆である。また、計測光ＭＸ１，ＭＸ２による格子パターン１２Ｘａからの０次光（正反射光）Ｍ１０，Ｍ２０の反射角はそれぞれ−φ１及びφ１である。
【００２７】
このため、本実施形態では、計測光ＭＸ１の０次光Ｍ１０と−１次回折光ＥＸ１とのθｙ方向の角度（交差角）はほぼ２・βとなる。従って、仮に０次光Ｍ１０と−１次回折光ＥＸ１とが合流しても、周期の小さい干渉縞が形成されるのみで、計測誤差は極めて小さくなる。
格子パターン１２Ｘａからの回折光ＤＸ１及びＥＸ１は、それぞれ傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図１（Ａ）の１／４波長板３０を介してＳ偏光になってＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂに入射し、偏光ビームスプリッタ面で反射される。
【００２８】
図２に示すように、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの偏光ビームスプリッタ面で反射された回折光ＤＸ１及びＥＸ１は、それぞれコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂで反射されてから、その偏光ビームスプリッタ面の２階部分で再度反射された後、１／４波長板３０を介して第２の傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＢの平面の反射面に入射する。
図１（Ｂ）において、２階部分の傾斜ミラー３２ＸＢの反射面に入射した回折光ＤＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ１とほぼ平行に入射する。従って、回折光ＤＸ１のＸ方向の入射角φ１も、リトロー角φLIよりもほぼ角度βだけ大きくなる。また、回折光ＤＸ１による格子パターン１２Ｘａからの＋１次回折光ＤＸ２（計測光ＭＸ１に対する＋２次回折光）の回折角φ２は、回折光ＤＸ１の回折角とほぼ同じである。
【００２９】
また、２階部分の傾斜ミラー３４ＸＢの反射面に入射した回折光ＥＸ１は、その反射面で反射されて回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ２とほぼ平行に入射する。従って、回折光ＥＸ１のＸ方向の入射角はほぼ−φ１である。傾斜ミラー３４ＸＢから入射した回折光ＥＸ１による格子パターン１２Ｘａからの−１次回折光ＥＸ２（計測光ＭＸ２に対する−２次回折光）の回折角は、ほぼ−φ２である。また、回折光ＤＸ１，ＥＸ１による格子パターン１２Ｘａからの０次光（正反射光）Ｄ１０，Ｅ１０の反射角はそれぞれほぼ−φ１及びφ１である。なお、図１（Ｂ）において、実際には、傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＢからの計測光（回折光）が入射する回折格子１２Ｘ上のＸ方向の位置はほぼ等しく、傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＡからの回折光（計測光）が入射する回折格子１２Ｘ上のＸ方向の位置はほぼ等しい。
【００３０】
このため、回折光ＤＸ１（ＥＸ１）の０次光Ｄ１０（Ｅ１０）と回折光ＥＸ２（回折光ＤＸ２）とのθｙ方向の角度（交差角）はほぼ２・βとなる。従って、仮に０次光Ｄ１０等と回折光ＥＸ２等とが合流しても、周期の小さい干渉縞が形成されるのみで、計測誤差は極めて小さくなる。ここで、計測光ＭＸ１，ＭＸ２（平均波長λ）のビーム径をｄとして、０次光Ｄ１０等と回折光ＥＸ２等とが合流して形成される干渉縞の周期がそのビーム径ｄの１／５０以下程度であれば（干渉縞が５０本以上形成される程度であれば）、得られる干渉縞を光電変換して得られる検出信号の０次光に起因する変動成分（ノイズ成分）はほぼ２％以下になり、計測誤差は極めて小さくなる。この際の条件は以下のようになる。ただし、角度βをｒａｄで表している。
【００３１】
ｄ・２・β≧５０λ …（４）
ここで、一例としてビーム径ｄを１ｍｍ、波長λを０．６３３μｍとすると、式（４）を満たす角度βは以下のようになる。
β≧０．０１５８（ｒａｄ）＝０．９１° …（５）
従って、計測光ＭＸ１，ＭＸ２のビーム径が１ｍｍ程度であれば、計測光ＭＸ１，ＭＸ２のＸ方向の入射角のリトロー角に対するずれの角度βは、０．９１°以上、例えば１°程度であることが好ましい。なお、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の入射角のリトロー角に対するずれβが大きくなると、格子パターン面１２ＸａのＺ方向の位置の変化に対して、回折光ＤＸ１，ＥＸ１の横シフト量が大きくなり、相対位置情報を含む干渉光の強度が小さくなるため、式（５）を満たす範囲内で角度βはあまり大きくしない方がよい。
【００３２】
格子パターン１２Ｘａからの回折光ＤＸ２及びＥＸ２は、それぞれ傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＢの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図２の１／４波長板３０を介してＰ偏光になってＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂに入射し、偏光ビームスプリッタ面を透過する。
図２に示すように、回折光発生部２６ＸのＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂを透過した回折光ＤＸ２及びＥＸ２は、それぞれ１／２波長板２７を介してＳ偏光に変換された後、光路変更部材２４Ｘの反射面２５Ｃ及びミラー３６Ｘでほぼ＋Ｘ方向に反射される。そして、反射された回折光ＤＸ２及びＥＸ２は、それぞれＰＢＳ３８ＸＡ，３８ＸＢに入射して参照光ＲＸ１，ＲＸ２と同軸に合成された後、偏光板（不図示）を介して干渉光（ヘテロダインビーム）として光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢに入射する。
【００３３】
図１（Ａ）において、光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢはそれぞれ入射する干渉光を光電変換して得られる検出信号ＳＸＡ，ＳＸＢ（ヘテロダイン信号）を計測演算部４２Ｘに供給する。一例として、計測演算部４２Ｘは、検出信号ＳＸＡとレーザ光源１６から供給される基準信号とから、第１部材６に対する第２部材７のＺ方向への相対移動量とＸ方向への相対移動量との和（Ｚ＋Ｘ）を求める。さらに、計測演算部４２Ｘは、検出信号ＳＸＢとその基準信号とから、第１部材６に対する第２部材７のＺ方向への相対移動量とＸ方向への相対移動量との差（Ｚ−Ｘ）を求める。そして、計測演算部４２Ｘは、その和と差との差分を平均化することで、第１部材６に対する第２部材７のＸ方向への相対移動量（Ｘ）を求めることができ、その和と差とを平均化することで、第１部材６に対する第２部材７のＺ方向への相対移動量（Ｚ）を求めることができる。Ｘ方向、Ｚ方向の相対移動量の検出分解能は例えば０．５〜０．１ｎｍ程度である。
【００３４】
本実施形態では、最終的に２回目の＋１次回折光ＤＸ２と参照光ＲＸ１との干渉光、及び２回目の＋１次回折光ＥＸ２と参照光ＲＸ２との干渉光を検出しているため、相対移動量の検出分解能（検出精度）を１／２に向上（微細化）できる。また、２回目の回折光を用い、かつ±１次回折光を用いることによって、第１部材６と第２部材７とのθｚ方向の相対回転角による計測誤差を低減できる。
【００３５】
次に、例えば傾斜ミラー３２ＸＡから回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに入射する計測光ＭＸ１の入射角をφ１（＝φLI＋β）に設定する複数の方法につき、図３（Ａ）〜（Ｃ）、及び図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。これらの方法は他の傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＡ，３４ＸＢの角度調整にも適用可能である。
まず、傾斜角の設定準備として、図３（Ａ）中の斜視図で示すように、傾斜ミラー３２ＸＡの反射面をＸＺ面に平行な状態からＸ軸に平行な軸の回りに４５°傾斜させる。このとき、Ｙ軸に平行に傾斜ミラー３２ＸＡの反射面に入射する光ビームＬＡは、その反射面で−Ｚ方向に反射されて、図３（Ａ）内のＡ方向から視た図（矢視Ａ）で示すように、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに垂直に入射する。この状態で、光ビームＬＡを計測光ＭＸ１として、図３（Ｂ）中の斜視図で示すように、計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡを、Ｙ軸に平行な軸（入射する計測光ＭＸ１）の回りに一体的にリトロー角φLIだけ回転する。このとき、図３（Ｂ）中の矢視Ｂで示すように、傾斜ミラー３２ＸＡで反射された計測光ＭＸ１は、回折格子１２Ｘにθｙ方向（Ｘ方向）に入射角φLIで入射する。さらに、第１の方法として、その計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡの一体としての回転角をφ１（＝φLI＋β）に設定することで、計測光ＭＸ１の回折格子１２Ｘに対する入射角をφ１に設定できる。この状態で傾斜ミラー３２ＸＡを不図示のフレームに固定することで、計測光ＭＸ１のＸ方向の入射角はφ１になる。
【００３６】
次に、第２の方法として、図３（Ｂ）に示すように、計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡを、Ｙ軸に平行な軸の回りに一体的にリトロー角φLIだけ回転した状態で、傾斜ミラー３２ＸＡを不図示のフレームに固定してもよい。この場合、図３（Ｃ）の斜視図で示すように、入射する計測光ＭＸ１をＹ軸に平行な状態からθｚ方向に角度αだけ傾斜させる。点線の光路ＭＸ０は、計測光ＭＸ１を角度αだけ傾斜させる前の光路である。このとき、傾斜ミラー３２ＸＡで反射される計測光ＭＸ１の回折格子１２Ｘに対するＸ方向の入射角は、図３（Ｃ）中の矢視ＣＸで示すように、角度（φLI＋β）となる。また、計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角は、図３（Ｃ）中の矢視ＣＹで示すように、角度γとなる。角度α、β、γの関係は次のようになる。
【００３７】
β＝α cos φLI …（６Ａ）、 γ＝α sin φLI …（６Ｂ）
そこで、式（６Ａ）の角度βが例えば１°程度になるように、角度αを定めることによって、回折格子１２Ｘに対する計測光ＭＸ１のＸ方向の入射角をリトロー角から所定の角度ずらすことができる。このときには、計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角は式（６Ｂ）で定まる値に設定される。その角度αは、例えば図１（Ａ）の光路変更部材２４Ｘのハーフミラー面２５Ａ及び反射面２５Ｂの角度で調整可能である。
【００３８】
次に、第３の方法では、図４（Ａ）に示すように、計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡを、Ｙ軸に平行な軸の回りに一体的に角度（φLI＋３・β）だけ回転した状態で、傾斜ミラー３２ＸＡを不図示のフレームに固定し、かつ傾斜ミラー３２ＸＡと回折格子１２Ｘとの間にθｚ方向に所定の開き角δを持つ楔形プリズム６２を配置する。このとき、図４（Ａ）中のＢ方向から視た図である図４（Ｂ）に示すように、楔形プリズム６２による入射光の振れ角が２・βになるように開き角δが設定されている。この結果、傾斜ミラー３２ＸＡで反射されて、格子パターン面１２Ｘｂの法線方向に対して角度（φLI＋３・β）で楔形プリズム６２に入射した計測光ＭＸ１は、楔形プリズム６２により方向がθｙ方向に２・β変化した後、格子パターン面１２ＸｂにＸ方向の入射角（φLI＋β）で入射する。従って、計測光ＭＸ１の回折格子１２Ｘに対する入射角はリトロー角からβだけずれた角度に設定される。
【００３９】
さらに、格子パターン面１２Ｘｂからの＋１次回折光ＤＸ１の回折角はほぼ（φLI−β）であり、回折光ＤＸ１は楔形プリズム６２を通過すると、θｙ方向の角度が２・β変化して、格子パターン面１２Ｘｂの法線方向に対して角度（φLI＋β）で傾斜ミラー３２ＸＡの反射面に入射する。従って、この回折光ＤＸ１をその反射面から図１のコーナキューブ２９Ａ等を介してその反射面（又は他の傾斜ミラー３２ＸＢ）に戻すことによって、その回折光ＤＸ１は、今度は楔形プリズム６２が無い状態で格子パターン面１２Ｘｂに対してＸ方向に入射角（φLI＋β）で入射する。従って、楔形プリズム６２を用いる方法は、特に回折格子１２Ｘで計測光ＭＸ１による１回目の回折光ＤＸ１を発生させた後、その回折格子１２Ｘから回折光ＤＸ１による２回目の回折光ＤＸ２を発生させるときに有効である。すなわち、２回目の回折光ＤＸ２を発生させるときには楔形プリズム６２を使用する必要がない。
【００４０】
本実施形態の効果等は以下の通りである。本実施形態のＸ軸のエンコーダ１０Ｘは、第１部材６と第２部材７とのＸ方向の相対移動量を計測するエンコーダである。そして、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６に設けられ、Ｘ方向（第１方向）を周期方向とする格子パターン１２Ｘａが形成された回折格子１２Ｘと、互いに可干渉性のある計測光ＭＸ１及び参照光ＲＸ１を供給するレーザ光源１６等と、を有する。また、エンコーダ１０Ｘは、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに向けてＸ方向にリトロー角から所定の角度βずれた角度φ１で反射する傾斜ミラー３２ＸＡと、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ１を回折格子１２Ｘに向けてＸ方向に角度φで反射する傾斜ミラー３２ＸＢと、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ２と参照光ＲＸ１との干渉光を検出する光電センサ４０ＸＡと、光電センサ４０ＸＡの検出信号ＳＸＡを用いて第１部材６に対する第２部材７のＸ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を備える。
【００４１】
なお、検出信号ＳＸＡからは、正確にはＸ方向及びＺ方向の相対移動量の和が求められるが、仮に第１部材６と第２部材７とがＺ方向にはほとんど静止している場合には、その検出信号ＳＸＡからＸ方向の相対移動量を求めることができる。
本実施形態によれば、計測光ＭＸ１及び回折光ＤＸ１を格子パターン面１２Ｘａに向けて反射する傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢを設けているため、エンコーダ１０Ｘの光学系のＺ方向の高さ（格子パターン面１２Ｘａの法線方向の高さ）を低くできる。従って、エンコーダ１０Ｘの検出ヘッド１４Ｘを第２部材７上にコンパクトに容易に設置できる。
【００４２】
さらに、傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢから格子パターン面１２Ｘａに向かう計測光ＭＸ１及び回折光ＤＸ１のＸ方向の入射角を、ほぼ回折格子１２Ｘの＋１次回折光のリトロー角φLIの近傍に設定しているため、格子パターン面１２ＸａのＺ方向の位置（高さ）の変化に対して、回折光ＤＸ１の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいため、常に安定に相対移動量が計測できる。また、格子パターン面１２Ｘａに向かう計測光ＭＸ１及び回折光ＤＸ１のＸ方向の入射角を、そのリトロー角φLIに対して角度βだけ変化した角度に設定しているため、回折格子１２Ｘからの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。なお、リトロー角としては、±２次以上の回折光のリトロー角を使用してもよい。
また、従来のエンコーダ装置では、回折格子の回折効率が低いときに、計測光を回折格子で二回回折させると、参照光と計測光との強度差が大きいが、本実施形態では、参照光と計測光との強度さが極めて小さい。
また、従来のエンコーダ装置では、検出ヘッドと回折格子との距離の変化によって、計測光の光路長が変化する。この場合に、レーザ光源１６の波長誤差によって計測誤差が生じるが、本実施形態では、そのような計測誤差は極めて小さい。
【００４３】
また、本実施形態では、２つの傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢを用いて計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘで実質的に２回回折させているため、検出分解能が向上できる。なお、１つの傾斜ミラー３２ＸＡのみを用いて、１回目の回折光ＤＸ１と参照光ＲＸ１との干渉光を検出するようにしてもよい。
さらに、本実施形態では、第２の計測光ＭＸ２によって傾斜ミラー３４ＸＡ，３４ＸＢを介して回折格子１２Ｘから発生する−１次回折光ＥＸ２と参照光ＲＸ２との干渉光を検出している。しかしながら、例えば傾斜ミラー３２ＸＢからの２回目の＋１次回折光ＤＸ２（又は１回目の回折光ＤＸ１）と傾斜ミラー３４ＸＢからの２回目の−１次回折光ＥＸ２（又は１回目の回折光ＥＸ１）との干渉光を検出し、この検出信号から第１部材６と第２部材７とのＸ方向の相対移動量を求めてもよい。
【００４４】
なお、図４（Ｃ）に示すように、２次元の回折格子１２ＸＹに２つの波長λ１及びλ２の第１及び第２の計測光ＭＸＹ１及びＭＸＹ２を例えばほぼ垂直に入射させ、回折格子１２ＸＹからＸ方向及びＹ方向への±１次の回折光を発生させ、これらの回折光と参照光との干渉光を検出する場合にも本実施形態の方法が適用可能である。すなわち、第１の計測光ＭＸＹ１から分離した参照光ＲＸＹ２と第２の計測光ＭＸＹ２との干渉光を検出し、第２の計測光ＭＸＹ２から分離した参照光ＲＸＹ１と第１の計測光ＭＸＹ１との干渉光を検出してもよい。
【実施例】
【００４５】
［第１実施例］
第１実施例につき図５を参照して説明する。図５において、図１（Ａ）に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。図５は、第１実施例に係る２次元のエンコーダ装置８の概略構成を示す。エンコーダ装置８は、不図示の第１部材と不図示の第２部材との間の少なくとも直交する２つの軸（Ｘ軸及びＹ軸とする）の方向の相対移動量を求めるために、Ｘ軸のエンコーダ１０ＸとＹ軸のエンコーダ１０Ｙとを有する。エンコーダ１０Ｘ及び１０Ｙは、それぞれ不図示の第１部材に固定されたＸ方向を周期方向とする回折格子１２Ｘ及びＹ方向を周期方向とする回折格子１２Ｙと、不図示の第２部材に固定されたＸ軸の検出ヘッド１４Ｘ及びＹ軸の検出ヘッド１４Ｙと、を有する。エンコーダ１０Ｘ及び１０Ｙは、共通のレーザ光源１６及び計測演算部４２を有する。
【００４６】
Ｘ軸の検出ヘッド１４Ｘにおいて、レーザ光源１６から射出されてＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１８で分岐されたＰ偏光のレーザ光は、１／２波長板２０Ａ及び方向調整用の１対の偏角プリズム５６を介してＰＢＳ２２Ｘに入射する。ＰＢＳ２２Ｘを透過したＰ偏光の参照光は、ハーフミラー５８ＡでＹ軸の参照光ＲＹ及びローカル干渉信号生成用の光ビームＭＸＬに分割される。光ビームＭＸＬは、ミラー５２Ｂ、偏角プリズム５６、及び偏光方向調整用の１／２波長板５４（ここでは省略可）を介してＰ偏光でＰＢＳ３８Ｌに入射する。
【００４７】
また、Ｙ軸の検出ヘッド１４Ｙにおいて、ＰＢＳ１８で分岐されてミラー５２Ａを介して供給されたＳ偏光のレーザ光は、１／２波長板２０Ｂ及び偏角プリズム５６を介してＰＢＳ２２Ｙに入射する。ＰＢＳ２２Ｙを透過したＰ偏光（図１（Ａ）の例とは偏光方向が逆である）の参照光は、ハーフミラー５８ＢでＸ軸の参照光ＲＸ及びローカル干渉信号生成用の光ビームＭＹＬに分割される。光ビームＭＹＬは、１／２波長板５４Ａを介してＳ偏光でＰＢＳ３８Ｌに入射する。なお、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙは２階建て構造であり、ハーフミラー５８Ｂ、ＰＢＳ３８Ｌ等は１階部分にあり、後述のＰＢＳ３８ＹＡ等は２階部分にあり、光ビームＭＹＬは、ＰＢＳ３８ＹＡの底面を通過している。
【００４８】
ＰＢＳ３８Ｌに入射した光ビームＭＸＬ及びＭＹＬは同軸に合成された後、偏角プリズム５６及び偏光板６０を介してローカル干渉光として光電センサ４０ＸＡと同じ光電センサ４０Ｌに入射する。光電センサ４０Ｌは、そのローカル干渉光の検出信号を計測演算部４２に出力する。その検出信号は、例えばレーザ光源１６から計測演算部４２に供給される基準信号の代わりに使用することも可能である。
【００４９】
また、ハーフミラー５８Ａを通過したＹ軸の参照光ＲＹは、２面ミラー部材５２Ｃの第１の反射面で＋Ｘ方向に反射された後、コーナキューブ４６Ａで反射されて２階部分に移動する。２階部分で−Ｘ方向に進む参照光ＲＹは、Ｙ軸の計測光ＭＹの光路上にある光学部材とほぼ同じ光路長を設定するための複数枚のガラス板４７Ａを透過して、ダハプリズム４８で＋Ｘ方向に反射される。＋Ｘ方向に反射された参照光ＲＹは、ハーフミラー５８Ｃで第１及び第２のＰ偏光のＹ軸の参照光ＲＹ１，ＲＹ２に分割される。参照光ＲＹ１は偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＹＡに入射し、参照光ＲＹ２はミラー５２Ｅで反射された後、偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＹＢに入射する。
【００５０】
一方、ハーフミラー５８Ｂを通過したＸ軸の参照光ＲＸは、１階部分にあるミラー５２で−Ｘ方向に反射され、複数枚のガラス板４７Ａを透過した後、コーナキューブ４６Ｂで反射されて２階部分に移動する。２階部分で＋Ｘ方向に進む参照光ＲＸは、光路長調整用の複数枚のガラス板４７Ｂを透過して、ハーフミラー５８Ｄで第１及び第２のＰ偏光のＸ軸の参照光ＲＸ１，ＲＸ２に分割される。参照光ＲＸ１は偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＸＡに入射し、参照光ＲＸ２は２面ミラー部材５２Ｃの第２の反射面で反射された後、偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＸＢに入射する。２面ミラー部材５２Ｃ、コーナキューブ４６Ａ，４６Ｂ、ダハプリズム４８、及びガラス板４７Ａ，４７Ｂ等から、検出ヘッド１４Ｘ及び１４Ｙについて共通の参照光用の光学系４４ＸＹが構成されている。
【００５１】
Ｘ軸の検出ヘッド１４Ｘにおいて、ＰＢＳ２２Ｘで反射された計測光ＭＸは、光路変更部材２４Ｘを介して回折光発生部２６Ｘに入射し、回折光発生部２６Ｘによって回折格子１２Ｘから２回目の＋１次回折光ＤＸ２及び−１次回折光ＥＸ２が発生する。なお、図５の回折光発生部２６Ｘにおいては、１／４波長板３０の表面に、回折格子１２Ｘにおける計測光の位相変化を補正するための位相補正板３１が設けられている。回折光ＤＸ２は、光路変更部材２４Ｘを経て＋Ｘ方向にＳ偏光でＰＢＳ３８ＸＡに入射し、ＰＢＳ３８ＸＡで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＤＸ２及び参照光ＲＸ１は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＸＡで受光される。回折光ＥＸ２は、ミラー３６Ｘを経て＋Ｘ方向にＳ偏光でＰＢＳ３８ＸＢに入射し、ＰＢＳ３８ＸＢで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＥＸ２及び参照光ＲＸ２は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＸＢで受光される。この際に、複数対の偏角プリズム５６の調整によって、その回折光ＤＸ２，ＥＸ２及び参照光ＲＸ１，ＲＸ２から形成される干渉縞がそれぞれ例えば全体で１本以内になるように調整される。
【００５２】
また、Ｙ軸の検出ヘッド１４Ｙは、基本的にＸ軸の検出ヘッド１４Ｘを９０°回転した構成である。Ｙ軸の検出ヘッド１４Ｙにおいて、ＰＢＳ２２Ｙで反射されたＳ偏光の計測光ＭＹは、ミラー３７Ｙ及び光路変更部材２４Ｙを介して、Ｙ方向に離れた２本の計測光ＭＹ１，ＭＹ２としてＹ軸の回折光発生部２６Ｙに入射する。回折光発生部２６Ｙは、Ｘ軸の回折光発生部２６Ｘを９０°回転した構成である。なお、回折光発生部２６Ｙにおける回折格子１２Ｙの上方の２対の傾斜ミラーが傾斜ミラー３２ＹＡ，３２ＹＢ及び３４ＹＡ，３４ＹＢである。回折光発生部２６Ｙによって回折格子１２Ｙから２回目の＋１次回折光ＤＹ２及び−１次回折光ＥＹ２が発生する。回折光ＤＹ２，ＥＹ２は、光路変更部材２４Ｙの上方の空間（２階部分）を＋Ｘ方向に通過し、回折光ＤＹ２は、Ｓ偏光でＰＢＳ３８ＹＡに入射し、ＰＢＳ３８ＹＡで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＤＹ２及び参照光ＲＹ１は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＹＡで受光される。回折光ＥＹ２は、Ｓ偏光でＰＢＳ３８ＹＢに入射し、ＰＢＳ３８ＹＢで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＥＹ２及び参照光ＲＹ２は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＹＢで受光される。
【００５３】
この際に、複数対の偏角プリズム５６の調整によって、その回折光ＤＹ２，ＥＹ２及び参照光ＲＹ１，ＲＹ２から形成される干渉縞が例えば全体で１本以内になるように調整される。
光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢ，４０ＹＡ，４０ＹＢの検出信号は計測演算部４２に供給される。計測演算部４２では、Ｘ軸の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号及びレーザ光源１６からの基準信号（又は光電センサ４０Ｌからの検出信号）より、第１部材と第２部材とのＸ方向及びＺ方向の相対移動量を求める。さらに、計測演算部４２では、Ｙ軸の光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢの検出信号及びレーザ光源１６からの基準信号（又は光電センサ４０Ｌからの検出信号）より、第１部材と第２部材とのＹ方向及びＺ方向の相対移動量を求める。
【００５４】
この際に、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙをコンパクトに配置できる。さらに、傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＹＡ等から回折格子１２Ｘ，１２Ｙの格子パターン面に向かう計測光のＸ方向、Ｙ方向の入射角を、回折格子１２Ｘ，１２Ｙのリトロー角に対して角度βだけ変化した角度に設定しているため、格子パターン面の高さの変化に対して回折光の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいとともに、回折格子１２Ｘ，１２Ｙからの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。
【００５５】
［第２実施例］
第２実施例につき図６〜図８を参照して説明する。図６〜図８において、図１（Ａ）に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。図６及び図８は、第２実施例に係るＸ軸のエンコーダ１０ＸＡの概略構成を示す。図７（Ａ）は図６のＡＡ線に沿う断面図であり、図７（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ図６のＢＢ線に沿う断面図である。エンコーダ１０ＸＡは、不図示の第１部材に固定されたＸ方向を周期方向とする回折格子１２Ｘと、第２部材６４の上面に固定された検出ヘッド１４ＸＡと、レーザ光源１６及び計測演算部４２ＸＡとを有する。なお、検出ヘッド１４ＸＡも２階建て構造である。
【００５６】
検出ヘッド１４ＸＡにおいて、レーザ光源１６から射出されてＰＢＳ１８を透過したＰ偏光の計測光ＭＸは、１／２波長板５４を介して２階部分のＰＢＳ１８Ｃに入射し、ＰＢＳ１８Ｃを透過したＰ偏光成分（計測光ＭＸ）の一部がビームスプリッタ７０で反射され、ミラー７２Ａを介してローカル干渉光生成用のＰＢＳ１８Ｂに入射する。ビームスプリッタ７０を透過した第１の計測光ＭＸ１は、１対の偏角プリズム５６を介してＰ偏光で−Ｙ方向にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２８に入射する。ＰＢＳ１８Ｃで反射されたＳ偏光の第２の計測光ＭＸ２は、ミラー７２Ｃ、１対の偏角プリズム５６、及び１／２波長板５４Ｂを介して−Ｙ方向にＰ偏光でＰＢＳ２８に入射する。
【００５７】
また、ＰＢＳ１８で反射されたＳ偏光の参照光ＲＸは、ミラー５２Ａ等、１／２波長板５４、及び偏角プリズム５６を介して２階部分のＰＢＳ１８Ａに入射する。なお、実際には、ＰＢＳ１８から１／２波長板５４までの計測光ＭＸの光路長と、ＰＢＳ１８から１／２波長板５４までの参照光ＲＸの光路長とはほぼ等しくなるように、計測光ＭＸ及び参照光ＲＸの光路は設定されている。ＰＢＳ１８Ａで反射された参照光ＲＸの一部がＳ偏光でＰＢＳ１８Ｂに入射する。ＰＢＳ１８Ｂで−Ｙ方向に同軸に合成された計測光ＭＸの一部及び参照光ＲＸの一部は、偏光板６０を介してローカル干渉光として光電センサ４０Ｌで受光される。光電センサ４０Ｌの検出信号は計測演算部４２ＸＡに供給される。
【００５８】
図７（Ａ）に示すように、ＰＢＳ１８Ａを透過したＰ偏光の参照光ＲＸは、ＺＸ面を４５°傾斜させた２つの偏光ビームスプリッタ面（ＰＢＳ面）６８Ａａ，６８Ａｂを持つ光路変更部材６８Ａに入射する。参照光ＲＸは、ＰＢＳ面６８Ａａ，６８Ａｂに対してはＳ偏光となるため、ＰＢＳ面６８Ａａ，６８Ａｂで反射された後、１階部分に移動して１／２波長板５４を介して−Ｙ方向にミラー７２Ｂに入射する。図８に示すように、ミラー７２Ｂで−Ｘ方向に反射された参照光ＲＸは、ハーフミラー５８Ｃで参照光ＲＸ１，ＲＸ２に分割され、参照光ＲＸ１は−Ｙ方向にＳ偏光でＰＢＳ２８に入射し、参照光ＲＸ２は、ミラー７２Ｃを介して−Ｙ方向にＳ偏光でＰＢＳ２８に入射する。図７（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、計測光ＭＸ１，ＭＸ２はハーフミラー５８Ｃ及びミラー７２Ｃの上方を通過してＰＢＳ２８に入射する。
【００５９】
図６において、ＰＢＳ２８に入射したＰ偏光の計測光ＭＸ１は、ＰＢＳ面２８ａを透過して傾斜ミラー３２ＸＡの反射面で反射され、回折格子１２Ｘの格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角がリトロー角より角度βだけ大きい角度φ１で入射し、格子パターン１２Ｘａからの＋１次回折光ＤＸ１が発生する。図７（Ｂ）に示すように、回折光ＤＸ１（計測光ＭＸ１）の光路には図４（Ａ）の楔形プリズム６２と同じ楔形プリズム６２Ａ、１／４波長板３０Ｂ、及び位相補正板３１Ｂが配置されている。回折光ＤＸ１は、反射面の２階部分で反射されてＰＢＳ２８にＳ偏光で入射する。
【００６０】
図６に示すように、ＰＢＳ面２８ａで反射された回折光ＤＸ１は、コーナキューブ２９Ａで反射され、ＰＢＳ面２８ａで反射された後、図７（Ｂ）に示すように、傾斜ミラー３２ＸＡの反射面の１階部分に入射する。その反射面で反射された回折光ＤＸ１は、１／４波長板３０Ｂ及び位相補正板３１Ｂを介して格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角φ１で入射し、格子パターン１２Ｘａからの２回目の＋１次回折光ＤＸ２が発生する。回折光ＤＸ２は傾斜ミラー３２ＸＡで反射されてＰＢＳ２８にＰ偏光で入射し、図６に示すように、ＰＢＳ面２８ａを透過した回折光ＤＸ２は、ミラー７２Ｄ，７２Ｅで反射され、１対のハービング６６を介して光路合成部材６８Ｂの１階部分に入射する。
【００６１】
図７（Ｂ）に示すように、光路合成部材６８Ｂは、光路変更部材６８ＡのＰＢＳ面と平行な２つのＰＢＳ面６８Ｂａ，６８Ｂｂを有し、回折光ＤＸ２はＰＢＳ面６８Ｂａ，６８Ｂｂに対してはＳ偏光である。そのため、回折光ＤＸ２はＰＢＳ面６８Ｂａ，６８Ｂｂで反射されて２階部分で＋Ｙ方向に射出される。
同様に、図６において、ＰＢＳ２８に入射したＰ偏光の計測光ＭＸ２は、ＰＢＳ面２８ａを透過して傾斜ミラー３４ＸＡの反射面で反射され、格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角（−φ１）で入射し、格子パターン１２Ｘａからの−１次回折光ＥＸ１が発生する。図７（Ｃ）に示すように、回折光ＥＸ１（計測光ＭＸ２）の光路には図４（Ａ）の楔形プリズム６２と同じ楔形プリズム６２Ｂ、１／４波長板３０Ｂ、及び位相補正板３１Ｂが配置されている。回折光ＥＸ１は、反射面の２階部分で反射されてＰＢＳ２８にＳ偏光で入射する。ＰＢＳ面２８ａで反射された回折光ＥＸ１は、コーナキューブ２９Ｂで反射され、ＰＢＳ面２８ａで反射された後、傾斜ミラー３４ＸＡの反射面の１階部分に入射する。その反射面で反射された回折光ＥＸ１は、１／４波長板３０Ｂ及び位相補正板３１Ｂを介して格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角（−φ１）で入射し、格子パターン１２Ｘａからの２回目の−１次回折光ＥＸ２が発生する。回折光ＥＸ２は傾斜ミラー３４ＸＡで反射されてＰＢＳ２８にＰ偏光で入射し、図６に示すように、ＰＢＳ面２８ａを透過した回折光ＥＸ２は、ミラー７２Ｆ，７２Ｇで反射され、ハービング６６を介して光路合成部材６８Ｃの１階部分に入射する。図７（Ｃ）に示すように、回折光ＥＸ２は、光路合成部材６８Ｂと同じ構成の光路合成部材６８Ｃの２階部分で＋Ｙ方向に射出される。
【００６２】
一方、図８において、ＰＢＳ２８に入射したＳ偏光の第１の参照光ＲＸ１は、ＰＢＳ面２８ａで＋Ｘ方向に反射された後、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４ＡのＹＺ面に平行な反射面で反射された後、１／４波長板３０Ａを介してＰ偏光でＰＢＳ面２８ａに入射する。ＰＢＳ面２８ａを透過した参照光ＲＸ１は、コーナキューブ２９Ａで２階部分に反射された後（図７（Ｂ）参照）、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４Ａで反射され、１／４波長板３０Ａを介してＰＢＳ面２８ａで反射される。反射された参照光ＲＸ１は、ミラー７２Ｈ，７２Ｅを介してＰ偏光で光路合成部材６８ＢのＰＢＳ面に入射する。このＰＢＳ面で同軸に合成された回折光ＤＸ２及び参照光ＲＸ１は、偏光板６０を介して干渉光として光電センサ４０ＸＡで受光される。
【００６３】
また、ＰＢＳ２８に入射したＳ偏光の第２の参照光ＲＸ２は、ＰＢＳ面２８ａで＋Ｘ方向に反射された後、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４ＢのＹＺ面に平行な反射面で反射された後、１／４波長板３０Ａを介してＰ偏光でＰＢＳ面２８ａに入射する。ＰＢＳ面２８ａを透過した参照光ＲＸ２は、コーナキューブ２９Ｂで２階部分に反射された後（図７（Ｃ）参照）、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４Ｂで反射され、１／４波長板３０Ａを介してＰＢＳ面２８ａで反射される。反射された参照光ＲＸ２は、ミラー７２Ｉ，７２Ｇを介してＰ偏光で光路合成部材６８ＣのＰＢＳ面に入射する。このＰＢＳ面で同軸に合成された回折光ＥＸ２及び参照光ＲＸ２は、偏光板６０を介して干渉光として光電センサ４０ＸＢで受光される。
【００６４】
また、ＰＢＳ面２８ａからミラー７４Ａ，７４Ｂの反射面までの光路長は、ＰＢＳ面２８ａからそれぞれ傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡを介して回折格子１２Ｘに至る光路長とほぼ同じ長さに設定されている。さらに、参照光ＲＸ１，ＲＸ２と回折光ＤＸ２，ＥＸ２とは、ＰＢＳ２８及びコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂ内でほぼ同じ光路を通過している。従って、参照光ＲＸ１，ＲＸ２と回折光ＤＸ２，ＥＸ２とは、ほぼ等価な光路を通過しているため、環境の僅かな温度変化及び／又は雰囲気の温度変化等があっても、高い計測精度が得られる。
【００６５】
この際に、複数対の偏角プリズム５６及びハービング６６の調整によって、その回折光ＤＸ２，ＥＸ２及び参照光ＲＸ１，ＲＸ２から形成される干渉縞が例えば全体で１本以内になるように調整される。光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号は計測演算部４２ＸＡに供給される。計測演算部４２ＸＡでは、光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号及びレーザ光源１６からの基準信号（又は光電センサ４０Ｌからの検出信号）より、第１部材と第２部材６４とのＸ方向及びＺ方向の相対移動量を求めることができる。
【００６６】
この際に、検出ヘッド１４ＸＡをコンパクトに配置できる。さらに、傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡから回折格子１２Ｘの格子パターン面に向かう計測光のＸ方向の入射角を、回折格子１２Ｘのリトロー角に対して角度βだけ変化した角度に設定しているため、格子パターン面の高さの変化に対して回折光の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいとともに、回折格子１２Ｘからの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。
【００６７】
［第３実施例］
第３実施例につき図９〜図１１を参照して説明する。図９は、第３実施例に係るエンコーダ装置を備えた露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは、スキャニングステッパーよりなる走査露光型の投影露光装置である。露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬ（投影ユニットＰＵ）を備えており、以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面（ほぼ水平面に平行な面）内でレチクルＲとウエハＷとが相対走査される方向にＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向にＸ軸を取って説明する。
【００６８】
露光装置ＥＸは、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示される照明系１１０、及び照明系１１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬ（例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波など）により照明されるレチクルＲ（マスク）を保持するレチクルステージＲＳＴを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）に投射する投影光学系ＰＬを含む投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴを含むステージ装置１９５、及び制御系等（図１１参照）を備えている。
【００６９】
レチクルＲはレチクルステージＲＳＴの上面に真空吸着等により保持され、レチクルＲのパターン面（下面）には、回路パターンなどが形成されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含む図１１のレチクルステージ駆動系１１１によって、ＸＹ平面内で微少駆動可能であると共に、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能である。
【００７０】
レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）は、レーザ干渉計よりなるレチクル干渉計１１６によって、移動鏡１１５（又は鏡面加工されたステージ端面）を介して例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１１６の計測値は、図１１のコンピュータよりなる主制御装置１２０に送られる。主制御装置１２０は、その計測値に基づいてレチクルステージ駆動系１１１を制御することで、レチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。
【００７１】
図９において、レチクルステージＲＳＴの下方に配置された投影ユニットＰＵは、鏡筒１４０と、鏡筒１４０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。照明系１１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲの照明領域ＩＡＲが照明されると、レチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介して照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの像が、ウエハ（半導体ウエハ）Ｗの一つのショット領域の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。
【００７２】
また、露光装置ＥＸは、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子である先端レンズ１９１を保持する鏡筒１４０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置１０８の一部を構成するノズルユニット１３２が設けられている。ノズルユニット１３２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給するための供給管１３１Ａ及び回収管１３１Ｂを介して、液体供給装置１８６及び液体回収装置１８９（図１１参照）に接続されている。なお、液浸タイプの露光装置としない場合には、上記の局所液浸装置１０８は設けなくともよい。
【００７３】
図９において、ウエハステージＷＳＴは、不図示の複数の例えば真空予圧型空気静圧軸受（エアパッド）を介して、ベース盤１１２のＸＹ面に平行な上面１１２ａに非接触で支持されている。また、ウエハステージＷＳＴは、例えば平面モータ、又は直交する２組のリニアモータを含むステージ駆動系１２４（図１１参照）によってＸ方向及びＹ方向に駆動可能である。露光装置ＥＸは、レチクルＲのアライメントを行う空間像計測系（不図示）、ウエハＷのアライメントを行うアライメント系ＡＬ（図１１参照）、照射系９０ａ及び受光系９０ｂよりなりウエハＷの表面の複数箇所のＺ位置を計測する斜入射方式の多点のオートファオーカスセンサ９０（図１１参照）、及びウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するためのエンコーダ装置８Ｂを備えている。
【００７４】
ウエハステージＷＳＴは、Ｘ方向、Ｙ方向に駆動されるステージ本体１９１と、ステージ本体１９１上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢと、ステージ本体１９１内に設けられて、ステージ本体１９１に対するウエハテーブルＷＴＢ（ウエハＷ）のＺ方向の位置、及びθｘ方向、θｙ方向のチルト角を相対的に微小駆動するＺ・レベリング機構とを備えている。ウエハテーブルＷＴＢの中央の上部には、ウエハＷを真空吸着等によってほぼＸＹ平面に平行な吸着面上に保持するウエハホルダ（不図示）が設けられている。
【００７５】
また、ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハホルダ上に載置されるウエハの表面とほぼ同一面となる、液体Ｌｑに対して撥液化処理された表面（又は保護部材）を有し、かつ外形（輪郭）が矩形でその中央部にウエハホルダ（ウエハの載置領域）よりも一回り大きな円形の開口が形成された高平面度の平板状のプレート体１２８が設けられている。
なお、上述の局所液浸装置１０８を設けたいわゆる液浸型の露光装置の構成にあっては、さらにプレート体１２８は、図１０のウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）の平面図に示されるように、その円形の開口を囲む、外形（輪郭）が矩形の表面に撥液化処理が施されたプレート部（撥液板）１２８ａと、プレート部１２８ａを囲む周辺部１２８ｅとを有する。周辺部１２８ｅの上面に、プレート部１２８ａをＹ方向に挟むようにＸ方向に細長い１対のＹ軸の第１及び第２の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２が配置され、プレート部１２８ａをＸ方向に挟むようにＹ方向に細長い１対のＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２が配置されている。Ｘ方向を周期方向とする反射型の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２は図１の回折格子１２Ｘと同じ構成であり、Ｙ方向を周期方向とする回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２は回折格子１２Ｘを９０°回転した構成である。
【００７６】
また、図９において、投影ユニットＰＵを支持するフレーム（不図示）に連結部材（不図示）を介してＸＹ面にほぼ平行な平板状の計測フレーム１５０が支持されている。計測フレーム１５０の底面に、投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように、図５のＸ軸の検出ヘッド１４Ｘと同じ構成の複数の検出ヘッド１４Ｘが固定され、投影光学系ＰＬをＹ方向に挟むように、図５のＹ軸の検出ヘッド１４Ｙと同じ構成の複数の検出ヘッド１４Ｙが固定されている（図１０参照）。また、複数の検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙにレーザ光（計測光及び参照光）を供給するための複数のレーザ光源（不図示）も備えられている。なお、検出ヘッド１４Ｘの代わりに図６の検出ヘッド１４ＸＡを使用してもよく、検出ヘッド１４Ｙの代わりに検出ヘッド１４ＸＡを９０°回転した構成の検出ヘッドを使用してもよい。
【００７７】
図１０において、投影光学系ＰＬからの照明光でウエハＷを露光している期間では、常に複数の検出ヘッド１４Ｘのいずれか２つがＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向し、複数の検出ヘッド１４Ｙのいずれか２つがＹ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２に対向するように構成されている。各検出ヘッド１４Ｘは、回折格子１２Ｘ１又は１２Ｘ２に計測光を照射し、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２から発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２Ｘ（図１１）に供給する。計測演算部４２Ｘでは、図１の計測演算部４２と同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＸ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めて計測値切り替え部８０Ｘに供給する。計測値切り替え部８０Ｘでは、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向している検出ヘッド１４Ｘに対応する計測演算部４２Ｘから供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。
【００７８】
また、各検出ヘッド１４Ｙは、回折格子１２Ｙ１又は１２Ｙ２に計測光を照射し、回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２から発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２Ｙ（図１１）に供給する。計測演算部４２Ｙでは、計測演算部４２Ｘと同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＹ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めて計測値切り替え部８０Ｙに供給する。計測値切り替え部８０Ｙでは、回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２に対向している検出ヘッド１４Ｙに対応する計測演算部４２Ｙから供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。
【００７９】
複数の検出ヘッド１４Ｘ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｘ、及びＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２からＸ軸のエンコーダ１０ＸＢが構成され、複数の検出ヘッド１４Ｙ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｙ、及びＹ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２からＹ軸のエンコーダ１０ＹＢが構成されている。そして、Ｘ軸のエンコーダ１０ＸＢ、Ｙ軸のエンコーダ１０ＹＢ、及び計測値切り替え部８０Ｘ，８０Ｙからエンコーダ装置８Ｂが構成されている。主制御装置１２０は、エンコーダ装置８Ｂから供給される相対位置の情報に基づいて、計測フレーム１５０（投影光学系ＰＬ）に対するウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置、及びθｚ方向の回転角等の情報を求め、この情報に基づいてステージ駆動系１２４を介してウエハステージＷＳＴを駆動する。
【００８０】
そして、露光装置ＥＸの露光時には、先ずレチクルＲ及びウエハＷのアライメントが行われる。その後、レチクルＲへの照明光ＩＬの照射を開始して、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパターンの一部の像をウエハＷの表面の一つのショット領域に投影しつつ、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとを投影光学系ＰＬの投影倍率βを速度比としてＹ方向に同期して移動（同期走査）する走査露光動作によって、そのショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。その後、ウエハステージＷＳＴを介してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作と、上記の走査露光動作とを繰り返すことによって、液浸法でかつステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの全部のショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。
【００８１】
この際に、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙにおいては、計測光及び回折光の光路長はレーザ干渉計に比べて短いため、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙを用いた計測値に対する空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、本実施例のエンコーダ装置８Ｂは、レーザ干渉計と比較して、空気が揺らぐ程度の短い期間における計測安定性（短期安定性）が格段に優れているため、レチクルＲのパターン像をウエハＷに高精度に転写できる。さらに、検出ヘッド１４Ｘ，１４ＹはＺ方向の高さを低くコンパクトに構成できるため、計測フレーム１５０の底面等に複数の検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙを容易に設置できる。
【００８２】
なお、本実施例では、計測フレーム１５０側に検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ等を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に回折格子１２Ｘ１，１２Ｙ１等を配置している。この他の構成として、計測フレーム１５０側に回折格子１２Ｘ１，１２Ｙ１等を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ等を配置してもよい。
また、上記の実施例の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（又はマイクロデバイス）を製造する場合、電子デバイスは、図１２に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたレチクル（マスク）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造してレジストを塗布するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置（露光方法）によりレチクルのパターンを基板（感光基板）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
【００８３】
言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施例の露光装置ＥＸ（露光方法）を用いてレチクルのパターンの像を基板（ウエハ）に転写し、その基板を現像するリソグラフィ工程と、そのパターンの像が転写されたその基板をそのパターンの像に基づいて加工する工程（ステップ２２４のエッチング等）とを含んでいる。この際に、上記の実施例によれば、露光装置のウエハステージＷＳＴの位置を高精度に制御できるため、電子デバイスを高精度に製造できる。
【００８４】
なお、本発明は、上述の走査露光型の投影露光装置（スキャナ）の他に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（ステッパ等）にも適用できる。さらに、本発明は、液浸型露光装置以外のドライ露光型の露光装置にも同様に適用することができる。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光装置にも適用することができる。
【００８５】
また、上記の実施形態又は実施例のエンコーダ１０Ｘ、エンコーダ装置８，８Ｂは、露光装置以外の検査装置又は計測装置等の検査又は加工対象の物体用の光学系を備えた光学装置において、その物体の相対移動量を計測するために適用することができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００８６】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＭＸ１，ＭＸ２…計測光、ＲＸ１，ＲＸ２…参照光、１０Ｘ…Ｘ軸のエンコーダ、１２Ｘ…Ｘ軸の回折格子、１４Ｘ…Ｘ軸の検出ヘッド、１６…レーザ光源、２７…１／２波長板、２８Ａ，２８Ｂ…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、２９Ａ，２９Ｂ…コーナキューブ、３０…１／４波長板、３２ＸＡ，３２ＸＢ…＋１次回折光用の傾斜ミラー、３４ＸＡ，３４ＸＢ…−１次回折光用の傾斜ミラー、４０ＸＡ，４０ＸＢ…光電センサ、４２Ｘ…計測演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対移動する部材間の相対移動量を計測するエンコーダ装置、このエンコーダ装置を備えた光学装置及び露光装置、並びにこの露光装置を用いたデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を生産するためのフォトリソグラフィ工程で用いられる、いわゆるステッパー又はスキャニングステッパーなどの露光装置においては、従来より、露光対象の基板を移動するステージの位置計測はレーザ干渉計によって行われていた。ところが、レーザ干渉計では、計測用ビームの光路が長く、かつ変化するため、その光路上の雰囲気の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動が無視できなくなりつつある。
【０００３】
そこで、例えばステージに固定された回折格子にレーザ光よりなる計測光を照射し、回折格子から発生する回折光と他の回折光又は参照光との干渉光を光電変換して得られる検出信号から、その回折格子が設けられた部材（ステージ等）の相対移動量を計測する、いわゆるエンコーダ装置（干渉型エンコーダ）も使用されつつある（例えば特許文献１参照）。このエンコーダ装置は、レーザ干渉計に比べて計測値の短期的安定性に優れるとともに、レーザ干渉計に近い分解能が得られるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００８／０２９７５７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のエンコーダ装置は、ほぼ計測光の入射面に沿って、回折光と他の回折光又は参照光とを干渉させるための複数の光学部材を配置していたため、光学系の高さが高くなり、その光学系を例えば狭い空間に組み込むことが困難であった。
さらに、従来のエンコーダ装置では、計測情報を含むある回折光と、回折格子から発生する０次光（正反射光）の方向とが平行になる恐れがあった。このように回折光と０次光とが平行である状態で、検出対象の干渉光にその０次光が混入すると、その干渉光に本来の計測情報を含む周期とは異なる周期の干渉光が含まれるため、計測精度が低下する恐れがあった。
【０００６】
本発明の態様は、このような課題に鑑み、回折格子を用いて計測を行う際に、光学系の高さを低くするとともに、回折格子からの０次光の影響を低減して計測精度を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動する第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置が提供される。このエンコーダ装置は、その第１部材及びその第２部材の一方に設けられ、その第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、互いに可干渉性のある第１計測光及び第２計測光を供給する光源部と、その第１部材及びその第２部材の他方に設けられ、その光源部から供給された第１計測光をその格子パターン面に向けて反射する第１反射部材と、その回折格子からの回折光と他の回折光又はその第２計測光との干渉光を検出する第１光電検出器と、その第１光電検出器の検出信号を用いてその第２部材の相対移動量を求める計測部と、を備え、その反射部材からその格子パターン面に向かうその第１計測光のその第１方向の入射角を、その回折格子のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定するものである。
【０００８】
また、第２の態様によれば、本発明のエンコーダ装置と、対象物用の光学系と、を備える光学装置が提供される。
また、第３の態様によれば、パターンを被露光体に露光する露光装置が提供される。この露光装置は、フレームと、その被露光体を支持するとともにそのフレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージと、その第１方向へのそのステージの相対移動量を計測するための本発明のエンコーダ装置と、を備えるものである。
【０００９】
また、第４の様態によれば、リソグラフィ工程を含み、そのリソグラフィ工程では、上記露光装置を用いて物体を露光するデバイス製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、計測光を格子パターン面に向けて反射する反射部材を設けているため、エンコーダ装置の光学系の高さ（格子パターン面の法線方向の高さ）を低くできる。
さらに、その反射部材からその格子パターン面に向かう計測光の第１方向の入射角を、回折格子のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定しているため、格子パターン面の高さの変化に対して回折光の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいとともに、回折格子からの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）は実施形態の一例に係るエンコーダを示す斜視図、（Ｂ）は図１（Ａ）中の傾斜ミラーの反射面等を示す図である。
【図２】図１のエンコーダの２回目の回折光の光路を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は傾斜ミラーからの反射光が回折格子に垂直入射する状態を示す図、（Ｂ）は傾斜ミラーからの反射光が回折格子にＸ方向に傾斜して入射する状態を示す図、（Ｃ）は傾斜ミラーからの反射光が回折格子にＸ方向及びＹ方向に傾斜して入射する状態を示す図である。
【図４】（Ａ）は傾斜ミラーからの反射光が楔形プリズムを介して回折格子に入射する状態を示す斜視図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ方向から視た図、（Ｃ）は２次元の回折格子を使用する例を示す斜視図である。
【図５】第１実施例に係る２次元のエンコーダを示す平面図である。
【図６】第２実施例に係るエンコーダを示す平面図である。
【図７】（Ａ）は図６のＡＡ線に沿う断面図、（Ｂ）は図６のＢＢ線に沿う図、（Ｃ）は図６のＢＢ線に沿って一部を省略して示す図である。
【図８】図６の参照光の光路を示す平面図である。
【図９】第３実施例に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図１０】図９のウエハステージに設けられた回折格子及び複数の検出ヘッドの配置の一例を示す平面図である。
【図１１】図９の露光装置の制御系を示すブロック図である。
【図１２】電子デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態の一例につき図１〜図４を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施形態に係るＸ軸のエンコーダ１０Ｘの要部を示す斜視図である。図１（Ａ）において、一例として、第１部材６に対して第２部材７は２次元平面内で相対移動可能に配置され、第２部材７の互いに直交する相対移動可能な２つの方向に平行にＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面（ＸＹ面）に直交する軸をＺ軸として説明する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの角度をそれぞれθｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向の角度とも呼ぶ。
【００１３】
図１（Ａ）において、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６の上面に固定された、ＸＹ面に平行な平板状のＸ軸の回折格子１２Ｘと、第２部材７の上面に固定されて回折格子１２Ｘに計測光を照射するＸ軸の検出ヘッド１４Ｘと、検出ヘッド１４Ｘに計測用のレーザ光を供給するレーザ光源１６と、検出ヘッド１４Ｘから出力される検出信号を処理して第１部材６に対する第２部材７の少なくともＸ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を有する。さらに、第１部材６に対する第２部材７のＹ方向の相対移動量を求めるＹ軸のエンコーダも備えられている。図１（Ａ）では、Ｙ軸のエンコーダのうちの検出ヘッド１４Ｙのみが図示されている。
【００１４】
回折格子１２ＸのＸＹ面に平行な格子パターン面１２Ｘｂには、Ｘ方向に所定の周期（ピッチ）を持ち、位相型でかつ反射型の格子パターン１２Ｘａが形成されている。格子パターン１２Ｘａの周期は、一例として１００ｎｍ〜４μｍ程度（例えば２μｍ周期）である。格子パターン１２Ｘａは、例えばホログラム（例えば感光性樹脂に干渉縞を焼き付けたもの）として、又はガラス板等に機械的に溝等を形成して反射膜を被着することで作製可能である。さらに、格子パターン面１２Ｘｂは、保護用の平板ガラスで覆われていてもよい。なお、回折格子１２Ｘの代わりに、Ｘ方向、Ｙ方向に周期的に形成された格子パターンを持つ２次元の回折格子を使用してもよい。
【００１５】
レーザ光源１６は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は半導体レーザ等よりなり、一例として偏光方向が互いに直交するとともに互いに周波数が異なる第１及び第２の直線偏光のレーザ光ＸＲ，ＹＲよりなる２周波ヘテロダイン光を射出する。そのレーザ光ＸＲ，ＹＲは互いに可干渉であり、それらの平均波長をλとする。レーザ光源１６は、レーザ光ＸＲ，ＹＲから分岐した２つの光束の干渉光を光電変換して得られる基準周波数の信号（基準信号）を計測演算部４２Ｘに供給する。なお、ホモダイン干渉方式も使用可能である。
【００１６】
レーザ光源１６から射出されたヘテロダイン光は、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）１８により互いに同じ光量のＰ偏光の第１のレーザ光ＸＲと、Ｓ偏光の第２のレーザ光ＹＲとに分割される。第１のレーザ光ＸＲは、偏光方向を調整するための１／２波長板２０Ａを介してＰＢＳ２２Ｘに入射し、−Ｘ方向に向かうＳ偏光のＸ軸の計測光ＭＸと、＋Ｙ方向に向かうＰ偏光のＹ軸の参照光ＲＹとに分割される。Ｙ軸の参照光ＲＹはミラー４５Ａ，４５Ｂを介してＹ軸の検出ヘッド１４Ｙに供給され、参照光ＲＹは、検出ヘッド１４Ｙ内でＹ軸の計測光によってＹ軸の回折格子（不図示）から発生する回折光と干渉する。
【００１７】
また、ＰＢＳ１８で分割された第２のレーザ光ＹＲは、１／２波長板２０Ｂを介してＰＢＳ２２Ｙに入射し、Ｐ偏光のＹ軸の計測光ＭＹとＳ偏光のＸ軸の参照光ＲＸとに分割され、Ｙ軸の計測光ＭＹはＹ軸の検出ヘッド１４Ｙに供給される。１／２波長板２０Ｂ及びＰＢＳ２２Ｙは検出ヘッド１４Ｙの一部とみなすことも可能である。１／２波長板２０Ａ，２０Ｂの回転角は、それぞれ計測光ＭＸ及びＭＹの光量がその入射するレーザ光ＸＲ，ＹＲの光量の９５％程度になるように調整される。ＰＢＳ２２Ｙで反射されたＳ偏光の参照光ＲＸは、１／２波長板２０ＣによってＰ偏光に変換された後、ミラー４５Ｃ，４５Ｄを介して光路が＋Ｚ方向にシフトした状態でハーフミラー４５Ｅに入射し、互いに同じ光量の第１及び第２の参照光ＲＸ１，ＲＸ２に分割される。参照光ＲＸ１はＰ偏光としてＰＢＳ３８ＸＡに入射し、参照光ＲＸ２は、ミラー４５Ｆを介してＰ偏光としてＰＢＳ３８ＸＢに入射する。参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、ＰＢＳ３８ＸＡ，３８ＸＢで後述のＸ軸の第１及び第２の回折光と合流して干渉光（ヘテロダインビーム）となる。これらの干渉光は、波長板（不図示）を介してフォトダイオード等からなる第１及び第２の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢに入射する。なお、実際には、参照光ＲＸ１，ＲＸ２の光路長は、対応する計測光（回折光）の光路長とほぼ等しくなるように光路が設定されている。
【００１８】
このように本実施形態では、Ｘ軸のレーザ光ＸＲから分割された参照光ＲＹがＹ軸の検出ヘッド１４Ｙに供給され、Ｙ軸のレーザ光ＹＲから分割された参照光ＲＸ（ＲＸ１，ＲＸ２）がＸ軸の検出ヘッド１４Ｘで生成される回折光と干渉する。一例として、回折格子１２Ｘでの回折効率はほぼ１０％であり、後述のように２回の回折を行わせることによって、最終的に使用される回折光の効率はほぼ１％になる。従って、このように計測光ＭＸ，ＭＹの光量をほぼ９５％にしておくことによって、最終的に干渉する回折光と参照光との光量比はほぼ１：１になり、参照光を減衰する必要がなくなるため、レーザ光ＸＲ，ＹＲの使用効率が高くなる。ミラー４５Ａ〜４５Ｆ，ハーフミラー４５Ｅ、及び１／２波長板２０Ｃから参照光の光路長を計測光の光路長に合わせるための光学系４４が構成されている。
【００１９】
また、後述のように本実施形態では、Ｘ方向（又はＹ方向）の相対移動量ＸとＺ方向の相対移動量Ｚとの差分（Ｘ−Ｚ）（又はＹ−Ｚ）とを計測するために、Ｘ方向の回折格子１２Ｘ（又はＹ方向の回折格子１２Ｙ）でも＋１次と-１次の回折光を利用する。本実施形態では、相対移動量Ｘを計測するための＋１次と−１次との回折光の波長（λ１とする）を同じにする。同様に相対移動量Ｙを計測する際に、＋１次と−１次との回折光の波長（λ２とする）を同じにする。このように、移動量Ｘと移動量Ｙとを計測する計測光（回折格子１２Ｘ，１２Ｙで回折される光）を異なる波長にしている。このことで、前述のように移動量Ｘを計測するための計測光（波長λ１）と参照光（波長λ２）との光量比が９５：５になる場合に、移動量Ｙを計測するための計測光（波長λ２）と参照光（波長λ１）との光量比も９５：５になる。この場合の波長λ１，λ２は、レーザ光源１６から射出されるヘテロダインビームの二つの波長である。
【００２０】
本実施形態の検出ヘッド１４Ｘは２階建て構造であり、ＰＢＳ１８，２２Ｘ，２２Ｙ等は第２部材７上の１階部分にあるのに対して、ＰＢＳ３８ＸＡ，３８ＸＢ等は不図示のフレームを介して２階部分に配置されている。
また、Ｘ軸の検出ヘッド１４Ｘは、上記の１／２波長板２０Ａ、ＰＢＳ２２Ｘ、及び参照光用の光学系４４とともに、１階部分にＸ方向に離れたハーフミラー面２５Ａ及び反射面２５Ｂを有し、２階部分に反射面２５Ｃを有する光路変更部材２４Ｘと、光路変更部材２４Ｘの−Ｘ方向の端部近傍に配置されてＹ軸にほぼ４５°で傾斜する反射面を持つミラー３６Ｘと、を有する。さらに、検出ヘッド１４Ｘは、光路変更部材２４Ｘの＋Ｙ方向側に対向するように、Ｘ方向に隣接して対称に配置された第１及び第２のＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂと、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの＋Ｘ方向側及び−Ｘ方向側の側面に対称に固定された第１及び第２のコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂと、ＰＢＳ２８Ａの＋Ｙ方向側に不図示のフレームによって支持された＋１次回折光用の第１及び第２の傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢと、ＰＢＳ２８Ｂの＋Ｙ方向側に不図示のフレームによって支持された−１次回折光用の第１及び第２の傾斜ミラー３４ＸＡ，３４ＸＢと、を有する。傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡは１階部分に反射面を有し、傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＢは２階部分に反射面を有する。また、ＰＢＳ２８Ａ及び２８Ｂの偏光ビームスプリッタ面は、それぞれＺＹ面に平行な面をθｚ方向に４５°及び−４５°回転した面である。また、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの−Ｙ方向の側面に１／２波長板２７が固定され、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの＋Ｙ方向の側面に１／４波長板３０が固定されている。１／２波長板２７、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂ、コーナキューブ２９Ａ，２９Ｂ、１／４波長板３０、傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢ、及び傾斜ミラー３４ＸＡ，３４ＸＢを含んで、±１次の各２回の回折を行わせるためのＸ軸の回折光発生部２６Ｘが構成されている。
【００２１】
検出ヘッド１４Ｘにおいて、ＰＢＳ２２Ｘで−Ｘ方向に分岐されたＳ偏光のＸ軸の計測光ＭＸは、光路変更部材２４Ｘに入射し、ハーフミラー面２５Ａでほぼ＋Ｙ方向に向かう第１の計測光ＭＸ１と−Ｘ方向に向かう第２の計測光ＭＸ２とに分割され、第２の計測光ＭＸ２は反射面２５Ｂでほぼ＋Ｙ方向に反射される。計測光ＭＸ１及びＭＸ２はそれぞれ１／２波長板２７を介してＰ偏光（ここでは偏光方向がＸ方向）に変換されてＰＢＳ２８Ａ及び２８Ｂに入射する。入射した計測光ＭＸ１，ＭＸ２は、それぞれＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂを透過し、１／４波長板３０を介して傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡの平面の反射面に入射する。
【００２２】
図１（Ｂ）は図１（Ａ）中の傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡの反射面等を示す図である。図１（Ｂ）において、傾斜ミラー３２ＸＡの反射面に入射した計測光ＭＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに、θｙ方向（Ｘ方向）の入射角φ１が、次のように格子パターン１２Ｘａに対する＋１次回折光のリトロー角(Littrow角)φLIよりも所定の角度βだけ大きくなる状態で入射する。
【００２３】
φ１＝φLI＋β …（１）
格子パターン面１２Ｘｂに入射する計測光ＭＸ１のθｘ方向（Ｙ方向）の入射角は０でもよいが、計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角は例えば０〜β程度（例えばβ／２程度）に傾斜していることが好ましい。角度βは、一例として０．５°から数ｄｅｇ程度であり、例えば０．５°〜１．５°（目標値で１°程度）に設定される。
【００２４】
＋１次回折光のリトロー角φLIは、点線の光ビームＬＡで示すように、入射する光ビームＬＡとこの＋１次回折光ＬＡ１とが平行になるときの光ビームＬＡの入射角である。このように光ビームＬＡがリトロー角φLIで入射すると、格子パターン面の高さが変化しても＋１次回折光ＬＡ１の横シフトが発生しないため、干渉光の強度が変化しないという利点がある一方で、後述のように０次光によるノイズ光の問題が生じる。格子パターン１２ＸａのＸ方向の周期をｐ、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の平均的な波長をλとすると、リトロー角φLIは次の関係を満たす。
【００２５】
２・sin φLI＝λ …（２）
リトロー角φLIで入射する光ビームＬＡの格子パターン１２Ｘａによる０次光（正反射光）ＬＡ０は＋１次回折光ＬＡ１と対称になる。この場合、光ビームＬＡと対称に格子パターン１２Ｘａに入射する光ビームの−１次回折光と、０次光ＬＡ０とはほぼ平行になるため、その−１次回折光と０次光ＬＡ０とが合流すると、周期の大きい干渉縞（ノイズ光）が形成され、計測誤差の要因になる恐れがある。
【００２６】
また、傾斜ミラー３２ＸＡから入射角φ１で格子パターン１２Ｘａに入射した計測光ＭＸ１による回折格子１２Ｘからの＋１次回折光ＤＸ１の回折角φ２は、次のようにほぼリトロー角φLIよりも角度βだけ小さくなる。
φ２≒φLI−β …（３）
また、傾斜ミラー３４ＸＡの反射面に入射した計測光ＭＸ２は、その反射面で反射されて格子パターン面１２Ｘｂに、θｙ方向（Ｘ方向）の入射角が、計測光ＭＸ１と対称になるように角度（−φ１）で入射する。計測光ＭＸ２のＸ方向の入射角は、格子パターン１２Ｘａに対する−１次回折光のリトロー角（−φLI）よりも絶対値が角度βだけ大きくなる。計測光ＭＸ２のθｘ方向（Ｙ方向）の入射角は、例えば計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角と同じ程度である。傾斜ミラー３４ＸＡから入射角（−φ１）で格子パターン１２Ｘａに入射した計測光ＭＸ２による回折格子１２Ｘからの−１次回折光ＥＸ１の回折角は、回折光ＤＸ１の回折角φ２と符号が逆である。また、計測光ＭＸ１，ＭＸ２による格子パターン１２Ｘａからの０次光（正反射光）Ｍ１０，Ｍ２０の反射角はそれぞれ−φ１及びφ１である。
【００２７】
このため、本実施形態では、計測光ＭＸ１の０次光Ｍ１０と−１次回折光ＥＸ１とのθｙ方向の角度（交差角）はほぼ２・βとなる。従って、仮に０次光Ｍ１０と−１次回折光ＥＸ１とが合流しても、周期の小さい干渉縞が形成されるのみで、計測誤差は極めて小さくなる。
格子パターン１２Ｘａからの回折光ＤＸ１及びＥＸ１は、それぞれ傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図１（Ａ）の１／４波長板３０を介してＳ偏光になってＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂに入射し、偏光ビームスプリッタ面で反射される。
【００２８】
図２に示すように、ＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂの偏光ビームスプリッタ面で反射された回折光ＤＸ１及びＥＸ１は、それぞれコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂで反射されてから、その偏光ビームスプリッタ面の２階部分で再度反射された後、１／４波長板３０を介して第２の傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＢの平面の反射面に入射する。
図１（Ｂ）において、２階部分の傾斜ミラー３２ＸＢの反射面に入射した回折光ＤＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ１とほぼ平行に入射する。従って、回折光ＤＸ１のＸ方向の入射角φ１も、リトロー角φLIよりもほぼ角度βだけ大きくなる。また、回折光ＤＸ１による格子パターン１２Ｘａからの＋１次回折光ＤＸ２（計測光ＭＸ１に対する＋２次回折光）の回折角φ２は、回折光ＤＸ１の回折角とほぼ同じである。
【００２９】
また、２階部分の傾斜ミラー３４ＸＢの反射面に入射した回折光ＥＸ１は、その反射面で反射されて回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ２とほぼ平行に入射する。従って、回折光ＥＸ１のＸ方向の入射角はほぼ−φ１である。傾斜ミラー３４ＸＢから入射した回折光ＥＸ１による格子パターン１２Ｘａからの−１次回折光ＥＸ２（計測光ＭＸ２に対する−２次回折光）の回折角は、ほぼ−φ２である。また、回折光ＤＸ１，ＥＸ１による格子パターン１２Ｘａからの０次光（正反射光）Ｄ１０，Ｅ１０の反射角はそれぞれほぼ−φ１及びφ１である。なお、図１（Ｂ）において、実際には、傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＢからの計測光（回折光）が入射する回折格子１２Ｘ上のＸ方向の位置はほぼ等しく、傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＡからの回折光（計測光）が入射する回折格子１２Ｘ上のＸ方向の位置はほぼ等しい。
【００３０】
このため、回折光ＤＸ１（ＥＸ１）の０次光Ｄ１０（Ｅ１０）と回折光ＥＸ２（回折光ＤＸ２）とのθｙ方向の角度（交差角）はほぼ２・βとなる。従って、仮に０次光Ｄ１０等と回折光ＥＸ２等とが合流しても、周期の小さい干渉縞が形成されるのみで、計測誤差は極めて小さくなる。ここで、計測光ＭＸ１，ＭＸ２（平均波長λ）のビーム径をｄとして、０次光Ｄ１０等と回折光ＥＸ２等とが合流して形成される干渉縞の周期がそのビーム径ｄの１／５０以下程度であれば（干渉縞が５０本以上形成される程度であれば）、得られる干渉縞を光電変換して得られる検出信号の０次光に起因する変動成分（ノイズ成分）はほぼ２％以下になり、計測誤差は極めて小さくなる。この際の条件は以下のようになる。ただし、角度βをｒａｄで表している。
【００３１】
ｄ・２・β≧５０λ …（４）
ここで、一例としてビーム径ｄを１ｍｍ、波長λを０．６３３μｍとすると、式（４）を満たす角度βは以下のようになる。
β≧０．０１５８（ｒａｄ）＝０．９１° …（５）
従って、計測光ＭＸ１，ＭＸ２のビーム径が１ｍｍ程度であれば、計測光ＭＸ１，ＭＸ２のＸ方向の入射角のリトロー角に対するずれの角度βは、０．９１°以上、例えば１°程度であることが好ましい。なお、計測光ＭＸ１，ＭＸ２の入射角のリトロー角に対するずれβが大きくなると、格子パターン面１２ＸａのＺ方向の位置の変化に対して、回折光ＤＸ１，ＥＸ１の横シフト量が大きくなり、相対位置情報を含む干渉光の強度が小さくなるため、式（５）を満たす範囲内で角度βはあまり大きくしない方がよい。
【００３２】
格子パターン１２Ｘａからの回折光ＤＸ２及びＥＸ２は、それぞれ傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＢの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図２の１／４波長板３０を介してＰ偏光になってＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂに入射し、偏光ビームスプリッタ面を透過する。
図２に示すように、回折光発生部２６ＸのＰＢＳ２８Ａ，２８Ｂを透過した回折光ＤＸ２及びＥＸ２は、それぞれ１／２波長板２７を介してＳ偏光に変換された後、光路変更部材２４Ｘの反射面２５Ｃ及びミラー３６Ｘでほぼ＋Ｘ方向に反射される。そして、反射された回折光ＤＸ２及びＥＸ２は、それぞれＰＢＳ３８ＸＡ，３８ＸＢに入射して参照光ＲＸ１，ＲＸ２と同軸に合成された後、偏光板（不図示）を介して干渉光（ヘテロダインビーム）として光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢに入射する。
【００３３】
図１（Ａ）において、光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢはそれぞれ入射する干渉光を光電変換して得られる検出信号ＳＸＡ，ＳＸＢ（ヘテロダイン信号）を計測演算部４２Ｘに供給する。一例として、計測演算部４２Ｘは、検出信号ＳＸＡとレーザ光源１６から供給される基準信号とから、第１部材６に対する第２部材７のＺ方向への相対移動量とＸ方向への相対移動量との和（Ｚ＋Ｘ）を求める。さらに、計測演算部４２Ｘは、検出信号ＳＸＢとその基準信号とから、第１部材６に対する第２部材７のＺ方向への相対移動量とＸ方向への相対移動量との差（Ｚ−Ｘ）を求める。そして、計測演算部４２Ｘは、その和と差との差分を平均化することで、第１部材６に対する第２部材７のＸ方向への相対移動量（Ｘ）を求めることができ、その和と差とを平均化することで、第１部材６に対する第２部材７のＺ方向への相対移動量（Ｚ）を求めることができる。Ｘ方向、Ｚ方向の相対移動量の検出分解能は例えば０．５〜０．１ｎｍ程度である。
【００３４】
本実施形態では、最終的に２回目の＋１次回折光ＤＸ２と参照光ＲＸ１との干渉光、及び２回目の＋１次回折光ＥＸ２と参照光ＲＸ２との干渉光を検出しているため、相対移動量の検出分解能（検出精度）を１／２に向上（微細化）できる。また、２回目の回折光を用い、かつ±１次回折光を用いることによって、第１部材６と第２部材７とのθｚ方向の相対回転角による計測誤差を低減できる。
【００３５】
次に、例えば傾斜ミラー３２ＸＡから回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに入射する計測光ＭＸ１の入射角をφ１（＝φLI＋β）に設定する複数の方法につき、図３（Ａ）〜（Ｃ）、及び図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。これらの方法は他の傾斜ミラー３２ＸＢ，３４ＸＡ，３４ＸＢの角度調整にも適用可能である。
まず、傾斜角の設定準備として、図３（Ａ）中の斜視図で示すように、傾斜ミラー３２ＸＡの反射面をＸＺ面に平行な状態からＸ軸に平行な軸の回りに４５°傾斜させる。このとき、Ｙ軸に平行に傾斜ミラー３２ＸＡの反射面に入射する光ビームＬＡは、その反射面で−Ｚ方向に反射されて、図３（Ａ）内のＡ方向から視た図（矢視Ａ）で示すように、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに垂直に入射する。この状態で、光ビームＬＡを計測光ＭＸ１として、図３（Ｂ）中の斜視図で示すように、計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡを、Ｙ軸に平行な軸（入射する計測光ＭＸ１）の回りに一体的にリトロー角φLIだけ回転する。このとき、図３（Ｂ）中の矢視Ｂで示すように、傾斜ミラー３２ＸＡで反射された計測光ＭＸ１は、回折格子１２Ｘにθｙ方向（Ｘ方向）に入射角φLIで入射する。さらに、第１の方法として、その計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡの一体としての回転角をφ１（＝φLI＋β）に設定することで、計測光ＭＸ１の回折格子１２Ｘに対する入射角をφ１に設定できる。この状態で傾斜ミラー３２ＸＡを不図示のフレームに固定することで、計測光ＭＸ１のＸ方向の入射角はφ１になる。
【００３６】
次に、第２の方法として、図３（Ｂ）に示すように、計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡを、Ｙ軸に平行な軸の回りに一体的にリトロー角φLIだけ回転した状態で、傾斜ミラー３２ＸＡを不図示のフレームに固定してもよい。この場合、図３（Ｃ）の斜視図で示すように、入射する計測光ＭＸ１をＹ軸に平行な状態からθｚ方向に角度αだけ傾斜させる。点線の光路ＭＸ０は、計測光ＭＸ１を角度αだけ傾斜させる前の光路である。このとき、傾斜ミラー３２ＸＡで反射される計測光ＭＸ１の回折格子１２Ｘに対するＸ方向の入射角は、図３（Ｃ）中の矢視ＣＸで示すように、角度（φLI＋β）となる。また、計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角は、図３（Ｃ）中の矢視ＣＹで示すように、角度γとなる。角度α、β、γの関係は次のようになる。
【００３７】
β＝α cos φLI …（６Ａ）、 γ＝α sin φLI …（６Ｂ）
そこで、式（６Ａ）の角度βが例えば１°程度になるように、角度αを定めることによって、回折格子１２Ｘに対する計測光ＭＸ１のＸ方向の入射角をリトロー角から所定の角度ずらすことができる。このときには、計測光ＭＸ１のＹ方向の入射角は式（６Ｂ）で定まる値に設定される。その角度αは、例えば図１（Ａ）の光路変更部材２４Ｘのハーフミラー面２５Ａ及び反射面２５Ｂの角度で調整可能である。
【００３８】
次に、第３の方法では、図４（Ａ）に示すように、計測光ＭＸ１及び傾斜ミラー３２ＸＡを、Ｙ軸に平行な軸の回りに一体的に角度（φLI＋３・β）だけ回転した状態で、傾斜ミラー３２ＸＡを不図示のフレームに固定し、かつ傾斜ミラー３２ＸＡと回折格子１２Ｘとの間にθｚ方向に所定の開き角δを持つ楔形プリズム６２を配置する。このとき、図４（Ａ）中のＢ方向から視た図である図４（Ｂ）に示すように、楔形プリズム６２による入射光の振れ角が２・βになるように開き角δが設定されている。この結果、傾斜ミラー３２ＸＡで反射されて、格子パターン面１２Ｘｂの法線方向に対して角度（φLI＋３・β）で楔形プリズム６２に入射した計測光ＭＸ１は、楔形プリズム６２により方向がθｙ方向に２・β変化した後、格子パターン面１２ＸｂにＸ方向の入射角（φLI＋β）で入射する。従って、計測光ＭＸ１の回折格子１２Ｘに対する入射角はリトロー角からβだけずれた角度に設定される。
【００３９】
さらに、格子パターン面１２Ｘｂからの＋１次回折光ＤＸ１の回折角はほぼ（φLI−β）であり、回折光ＤＸ１は楔形プリズム６２を通過すると、θｙ方向の角度が２・β変化して、格子パターン面１２Ｘｂの法線方向に対して角度（φLI＋β）で傾斜ミラー３２ＸＡの反射面に入射する。従って、この回折光ＤＸ１をその反射面から図１のコーナキューブ２９Ａ等を介してその反射面（又は他の傾斜ミラー３２ＸＢ）に戻すことによって、その回折光ＤＸ１は、今度は楔形プリズム６２が無い状態で格子パターン面１２Ｘｂに対してＸ方向に入射角（φLI＋β）で入射する。従って、楔形プリズム６２を用いる方法は、特に回折格子１２Ｘで計測光ＭＸ１による１回目の回折光ＤＸ１を発生させた後、その回折格子１２Ｘから回折光ＤＸ１による２回目の回折光ＤＸ２を発生させるときに有効である。すなわち、２回目の回折光ＤＸ２を発生させるときには楔形プリズム６２を使用する必要がない。
【００４０】
本実施形態の効果等は以下の通りである。本実施形態のＸ軸のエンコーダ１０Ｘは、第１部材６と第２部材７とのＸ方向の相対移動量を計測するエンコーダである。そして、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６に設けられ、Ｘ方向（第１方向）を周期方向とする格子パターン１２Ｘａが形成された回折格子１２Ｘと、互いに可干渉性のある計測光ＭＸ１及び参照光ＲＸ１を供給するレーザ光源１６等と、を有する。また、エンコーダ１０Ｘは、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに向けてＸ方向にリトロー角から所定の角度βずれた角度φ１で反射する傾斜ミラー３２ＸＡと、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ１を回折格子１２Ｘに向けてＸ方向に角度φで反射する傾斜ミラー３２ＸＢと、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ２と参照光ＲＸ１との干渉光を検出する光電センサ４０ＸＡと、光電センサ４０ＸＡの検出信号ＳＸＡを用いて第１部材６に対する第２部材７のＸ方向の相対移動量を求める計測演算部４２Ｘと、を備える。
【００４１】
なお、検出信号ＳＸＡからは、正確にはＸ方向及びＺ方向の相対移動量の和が求められるが、仮に第１部材６と第２部材７とがＺ方向にはほとんど静止している場合には、その検出信号ＳＸＡからＸ方向の相対移動量を求めることができる。
本実施形態によれば、計測光ＭＸ１及び回折光ＤＸ１を格子パターン面１２Ｘａに向けて反射する傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢを設けているため、エンコーダ１０Ｘの光学系のＺ方向の高さ（格子パターン面１２Ｘａの法線方向の高さ）を低くできる。従って、エンコーダ１０Ｘの検出ヘッド１４Ｘを第２部材７上にコンパクトに容易に設置できる。
【００４２】
さらに、傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢから格子パターン面１２Ｘａに向かう計測光ＭＸ１及び回折光ＤＸ１のＸ方向の入射角を、ほぼ回折格子１２Ｘの＋１次回折光のリトロー角φLIの近傍に設定しているため、格子パターン面１２ＸａのＺ方向の位置（高さ）の変化に対して、回折光ＤＸ１の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいため、常に安定に相対移動量が計測できる。また、格子パターン面１２Ｘａに向かう計測光ＭＸ１及び回折光ＤＸ１のＸ方向の入射角を、そのリトロー角φLIに対して角度βだけ変化した角度に設定しているため、回折格子１２Ｘからの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。なお、リトロー角としては、±２次以上の回折光のリトロー角を使用してもよい。
また、従来のエンコーダ装置では、回折格子の回折効率が低いときに、計測光を回折格子で二回回折させると、参照光と計測光との強度差が大きいが、本実施形態では、参照光と計測光との強度さが極めて小さい。
また、従来のエンコーダ装置では、検出ヘッドと回折格子との距離の変化によって、計測光の光路長が変化する。この場合に、レーザ光源１６の波長誤差によって計測誤差が生じるが、本実施形態では、そのような計測誤差は極めて小さい。
【００４３】
また、本実施形態では、２つの傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＸＢを用いて計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘで実質的に２回回折させているため、検出分解能が向上できる。なお、１つの傾斜ミラー３２ＸＡのみを用いて、１回目の回折光ＤＸ１と参照光ＲＸ１との干渉光を検出するようにしてもよい。
さらに、本実施形態では、第２の計測光ＭＸ２によって傾斜ミラー３４ＸＡ，３４ＸＢを介して回折格子１２Ｘから発生する−１次回折光ＥＸ２と参照光ＲＸ２との干渉光を検出している。しかしながら、例えば傾斜ミラー３２ＸＢからの２回目の＋１次回折光ＤＸ２（又は１回目の回折光ＤＸ１）と傾斜ミラー３４ＸＢからの２回目の−１次回折光ＥＸ２（又は１回目の回折光ＥＸ１）との干渉光を検出し、この検出信号から第１部材６と第２部材７とのＸ方向の相対移動量を求めてもよい。
【００４４】
なお、図４（Ｃ）に示すように、２次元の回折格子１２ＸＹに２つの波長λ１及びλ２の第１及び第２の計測光ＭＸＹ１及びＭＸＹ２を例えばほぼ垂直に入射させ、回折格子１２ＸＹからＸ方向及びＹ方向への±１次の回折光を発生させ、これらの回折光と参照光との干渉光を検出する場合にも本実施形態の方法が適用可能である。すなわち、第１の計測光ＭＸＹ１から分離した参照光ＲＸＹ２と第２の計測光ＭＸＹ２との干渉光を検出し、第２の計測光ＭＸＹ２から分離した参照光ＲＸＹ１と第１の計測光ＭＸＹ１との干渉光を検出してもよい。
【実施例】
【００４５】
［第１実施例］
第１実施例につき図５を参照して説明する。図５において、図１（Ａ）に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。図５は、第１実施例に係る２次元のエンコーダ装置８の概略構成を示す。エンコーダ装置８は、不図示の第１部材と不図示の第２部材との間の少なくとも直交する２つの軸（Ｘ軸及びＹ軸とする）の方向の相対移動量を求めるために、Ｘ軸のエンコーダ１０ＸとＹ軸のエンコーダ１０Ｙとを有する。エンコーダ１０Ｘ及び１０Ｙは、それぞれ不図示の第１部材に固定されたＸ方向を周期方向とする回折格子１２Ｘ及びＹ方向を周期方向とする回折格子１２Ｙと、不図示の第２部材に固定されたＸ軸の検出ヘッド１４Ｘ及びＹ軸の検出ヘッド１４Ｙと、を有する。エンコーダ１０Ｘ及び１０Ｙは、共通のレーザ光源１６及び計測演算部４２を有する。
【００４６】
Ｘ軸の検出ヘッド１４Ｘにおいて、レーザ光源１６から射出されてＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１８で分岐されたＰ偏光のレーザ光は、１／２波長板２０Ａ及び方向調整用の１対の偏角プリズム５６を介してＰＢＳ２２Ｘに入射する。ＰＢＳ２２Ｘを透過したＰ偏光の参照光は、ハーフミラー５８ＡでＹ軸の参照光ＲＹ及びローカル干渉信号生成用の光ビームＭＸＬに分割される。光ビームＭＸＬは、ミラー５２Ｂ、偏角プリズム５６、及び偏光方向調整用の１／２波長板５４（ここでは省略可）を介してＰ偏光でＰＢＳ３８Ｌに入射する。
【００４７】
また、Ｙ軸の検出ヘッド１４Ｙにおいて、ＰＢＳ１８で分岐されてミラー５２Ａを介して供給されたＳ偏光のレーザ光は、１／２波長板２０Ｂ及び偏角プリズム５６を介してＰＢＳ２２Ｙに入射する。ＰＢＳ２２Ｙを透過したＰ偏光（図１（Ａ）の例とは偏光方向が逆である）の参照光は、ハーフミラー５８ＢでＸ軸の参照光ＲＸ及びローカル干渉信号生成用の光ビームＭＹＬに分割される。光ビームＭＹＬは、１／２波長板５４Ａを介してＳ偏光でＰＢＳ３８Ｌに入射する。なお、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙは２階建て構造であり、ハーフミラー５８Ｂ、ＰＢＳ３８Ｌ等は１階部分にあり、後述のＰＢＳ３８ＹＡ等は２階部分にあり、光ビームＭＹＬは、ＰＢＳ３８ＹＡの底面を通過している。
【００４８】
ＰＢＳ３８Ｌに入射した光ビームＭＸＬ及びＭＹＬは同軸に合成された後、偏角プリズム５６及び偏光板６０を介してローカル干渉光として光電センサ４０ＸＡと同じ光電センサ４０Ｌに入射する。光電センサ４０Ｌは、そのローカル干渉光の検出信号を計測演算部４２に出力する。その検出信号は、例えばレーザ光源１６から計測演算部４２に供給される基準信号の代わりに使用することも可能である。
【００４９】
また、ハーフミラー５８Ａを通過したＹ軸の参照光ＲＹは、２面ミラー部材５２Ｃの第１の反射面で＋Ｘ方向に反射された後、コーナキューブ４６Ａで反射されて２階部分に移動する。２階部分で−Ｘ方向に進む参照光ＲＹは、Ｙ軸の計測光ＭＹの光路上にある光学部材とほぼ同じ光路長を設定するための複数枚のガラス板４７Ａを透過して、ダハプリズム４８で＋Ｘ方向に反射される。＋Ｘ方向に反射された参照光ＲＹは、ハーフミラー５８Ｃで第１及び第２のＰ偏光のＹ軸の参照光ＲＹ１，ＲＹ２に分割される。参照光ＲＹ１は偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＹＡに入射し、参照光ＲＹ２はミラー５２Ｅで反射された後、偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＹＢに入射する。
【００５０】
一方、ハーフミラー５８Ｂを通過したＸ軸の参照光ＲＸは、１階部分にあるミラー５２で−Ｘ方向に反射され、複数枚のガラス板４７Ａを透過した後、コーナキューブ４６Ｂで反射されて２階部分に移動する。２階部分で＋Ｘ方向に進む参照光ＲＸは、光路長調整用の複数枚のガラス板４７Ｂを透過して、ハーフミラー５８Ｄで第１及び第２のＰ偏光のＸ軸の参照光ＲＸ１，ＲＸ２に分割される。参照光ＲＸ１は偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＸＡに入射し、参照光ＲＸ２は２面ミラー部材５２Ｃの第２の反射面で反射された後、偏角プリズム５６を介して−Ｙ方向にＰＢＳ３８ＸＢに入射する。２面ミラー部材５２Ｃ、コーナキューブ４６Ａ，４６Ｂ、ダハプリズム４８、及びガラス板４７Ａ，４７Ｂ等から、検出ヘッド１４Ｘ及び１４Ｙについて共通の参照光用の光学系４４ＸＹが構成されている。
【００５１】
Ｘ軸の検出ヘッド１４Ｘにおいて、ＰＢＳ２２Ｘで反射された計測光ＭＸは、光路変更部材２４Ｘを介して回折光発生部２６Ｘに入射し、回折光発生部２６Ｘによって回折格子１２Ｘから２回目の＋１次回折光ＤＸ２及び−１次回折光ＥＸ２が発生する。なお、図５の回折光発生部２６Ｘにおいては、１／４波長板３０の表面に、回折格子１２Ｘにおける計測光の位相変化を補正するための位相補正板３１が設けられている。回折光ＤＸ２は、光路変更部材２４Ｘを経て＋Ｘ方向にＳ偏光でＰＢＳ３８ＸＡに入射し、ＰＢＳ３８ＸＡで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＤＸ２及び参照光ＲＸ１は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＸＡで受光される。回折光ＥＸ２は、ミラー３６Ｘを経て＋Ｘ方向にＳ偏光でＰＢＳ３８ＸＢに入射し、ＰＢＳ３８ＸＢで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＥＸ２及び参照光ＲＸ２は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＸＢで受光される。この際に、複数対の偏角プリズム５６の調整によって、その回折光ＤＸ２，ＥＸ２及び参照光ＲＸ１，ＲＸ２から形成される干渉縞がそれぞれ例えば全体で１本以内になるように調整される。
【００５２】
また、Ｙ軸の検出ヘッド１４Ｙは、基本的にＸ軸の検出ヘッド１４Ｘを９０°回転した構成である。Ｙ軸の検出ヘッド１４Ｙにおいて、ＰＢＳ２２Ｙで反射されたＳ偏光の計測光ＭＹは、ミラー３７Ｙ及び光路変更部材２４Ｙを介して、Ｙ方向に離れた２本の計測光ＭＹ１，ＭＹ２としてＹ軸の回折光発生部２６Ｙに入射する。回折光発生部２６Ｙは、Ｘ軸の回折光発生部２６Ｘを９０°回転した構成である。なお、回折光発生部２６Ｙにおける回折格子１２Ｙの上方の２対の傾斜ミラーが傾斜ミラー３２ＹＡ，３２ＹＢ及び３４ＹＡ，３４ＹＢである。回折光発生部２６Ｙによって回折格子１２Ｙから２回目の＋１次回折光ＤＹ２及び−１次回折光ＥＹ２が発生する。回折光ＤＹ２，ＥＹ２は、光路変更部材２４Ｙの上方の空間（２階部分）を＋Ｘ方向に通過し、回折光ＤＹ２は、Ｓ偏光でＰＢＳ３８ＹＡに入射し、ＰＢＳ３８ＹＡで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＤＹ２及び参照光ＲＹ１は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＹＡで受光される。回折光ＥＹ２は、Ｓ偏光でＰＢＳ３８ＹＢに入射し、ＰＢＳ３８ＹＢで−Ｙ方向に同軸に合成された回折光ＥＹ２及び参照光ＲＹ２は、偏光板６０及び偏角プリズム５６を介して干渉光として光電センサ４０ＹＢで受光される。
【００５３】
この際に、複数対の偏角プリズム５６の調整によって、その回折光ＤＹ２，ＥＹ２及び参照光ＲＹ１，ＲＹ２から形成される干渉縞が例えば全体で１本以内になるように調整される。
光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢ，４０ＹＡ，４０ＹＢの検出信号は計測演算部４２に供給される。計測演算部４２では、Ｘ軸の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号及びレーザ光源１６からの基準信号（又は光電センサ４０Ｌからの検出信号）より、第１部材と第２部材とのＸ方向及びＺ方向の相対移動量を求める。さらに、計測演算部４２では、Ｙ軸の光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢの検出信号及びレーザ光源１６からの基準信号（又は光電センサ４０Ｌからの検出信号）より、第１部材と第２部材とのＹ方向及びＺ方向の相対移動量を求める。
【００５４】
この際に、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙをコンパクトに配置できる。さらに、傾斜ミラー３２ＸＡ，３２ＹＡ等から回折格子１２Ｘ，１２Ｙの格子パターン面に向かう計測光のＸ方向、Ｙ方向の入射角を、回折格子１２Ｘ，１２Ｙのリトロー角に対して角度βだけ変化した角度に設定しているため、格子パターン面の高さの変化に対して回折光の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいとともに、回折格子１２Ｘ，１２Ｙからの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。
【００５５】
［第２実施例］
第２実施例につき図６〜図８を参照して説明する。図６〜図８において、図１（Ａ）に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。図６及び図８は、第２実施例に係るＸ軸のエンコーダ１０ＸＡの概略構成を示す。図７（Ａ）は図６のＡＡ線に沿う断面図であり、図７（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ図６のＢＢ線に沿う断面図である。エンコーダ１０ＸＡは、不図示の第１部材に固定されたＸ方向を周期方向とする回折格子１２Ｘと、第２部材６４の上面に固定された検出ヘッド１４ＸＡと、レーザ光源１６及び計測演算部４２ＸＡとを有する。なお、検出ヘッド１４ＸＡも２階建て構造である。
【００５６】
検出ヘッド１４ＸＡにおいて、レーザ光源１６から射出されてＰＢＳ１８を透過したＰ偏光の計測光ＭＸは、１／２波長板５４を介して２階部分のＰＢＳ１８Ｃに入射し、ＰＢＳ１８Ｃを透過したＰ偏光成分（計測光ＭＸ）の一部がビームスプリッタ７０で反射され、ミラー７２Ａを介してローカル干渉光生成用のＰＢＳ１８Ｂに入射する。ビームスプリッタ７０を透過した第１の計測光ＭＸ１は、１対の偏角プリズム５６を介してＰ偏光で−Ｙ方向にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２８に入射する。ＰＢＳ１８Ｃで反射されたＳ偏光の第２の計測光ＭＸ２は、ミラー７２Ｃ、１対の偏角プリズム５６、及び１／２波長板５４Ｂを介して−Ｙ方向にＰ偏光でＰＢＳ２８に入射する。
【００５７】
また、ＰＢＳ１８で反射されたＳ偏光の参照光ＲＸは、ミラー５２Ａ等、１／２波長板５４、及び偏角プリズム５６を介して２階部分のＰＢＳ１８Ａに入射する。なお、実際には、ＰＢＳ１８から１／２波長板５４までの計測光ＭＸの光路長と、ＰＢＳ１８から１／２波長板５４までの参照光ＲＸの光路長とはほぼ等しくなるように、計測光ＭＸ及び参照光ＲＸの光路は設定されている。ＰＢＳ１８Ａで反射された参照光ＲＸの一部がＳ偏光でＰＢＳ１８Ｂに入射する。ＰＢＳ１８Ｂで−Ｙ方向に同軸に合成された計測光ＭＸの一部及び参照光ＲＸの一部は、偏光板６０を介してローカル干渉光として光電センサ４０Ｌで受光される。光電センサ４０Ｌの検出信号は計測演算部４２ＸＡに供給される。
【００５８】
図７（Ａ）に示すように、ＰＢＳ１８Ａを透過したＰ偏光の参照光ＲＸは、ＺＸ面を４５°傾斜させた２つの偏光ビームスプリッタ面（ＰＢＳ面）６８Ａａ，６８Ａｂを持つ光路変更部材６８Ａに入射する。参照光ＲＸは、ＰＢＳ面６８Ａａ，６８Ａｂに対してはＳ偏光となるため、ＰＢＳ面６８Ａａ，６８Ａｂで反射された後、１階部分に移動して１／２波長板５４を介して−Ｙ方向にミラー７２Ｂに入射する。図８に示すように、ミラー７２Ｂで−Ｘ方向に反射された参照光ＲＸは、ハーフミラー５８Ｃで参照光ＲＸ１，ＲＸ２に分割され、参照光ＲＸ１は−Ｙ方向にＳ偏光でＰＢＳ２８に入射し、参照光ＲＸ２は、ミラー７２Ｃを介して−Ｙ方向にＳ偏光でＰＢＳ２８に入射する。図７（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、計測光ＭＸ１，ＭＸ２はハーフミラー５８Ｃ及びミラー７２Ｃの上方を通過してＰＢＳ２８に入射する。
【００５９】
図６において、ＰＢＳ２８に入射したＰ偏光の計測光ＭＸ１は、ＰＢＳ面２８ａを透過して傾斜ミラー３２ＸＡの反射面で反射され、回折格子１２Ｘの格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角がリトロー角より角度βだけ大きい角度φ１で入射し、格子パターン１２Ｘａからの＋１次回折光ＤＸ１が発生する。図７（Ｂ）に示すように、回折光ＤＸ１（計測光ＭＸ１）の光路には図４（Ａ）の楔形プリズム６２と同じ楔形プリズム６２Ａ、１／４波長板３０Ｂ、及び位相補正板３１Ｂが配置されている。回折光ＤＸ１は、反射面の２階部分で反射されてＰＢＳ２８にＳ偏光で入射する。
【００６０】
図６に示すように、ＰＢＳ面２８ａで反射された回折光ＤＸ１は、コーナキューブ２９Ａで反射され、ＰＢＳ面２８ａで反射された後、図７（Ｂ）に示すように、傾斜ミラー３２ＸＡの反射面の１階部分に入射する。その反射面で反射された回折光ＤＸ１は、１／４波長板３０Ｂ及び位相補正板３１Ｂを介して格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角φ１で入射し、格子パターン１２Ｘａからの２回目の＋１次回折光ＤＸ２が発生する。回折光ＤＸ２は傾斜ミラー３２ＸＡで反射されてＰＢＳ２８にＰ偏光で入射し、図６に示すように、ＰＢＳ面２８ａを透過した回折光ＤＸ２は、ミラー７２Ｄ，７２Ｅで反射され、１対のハービング６６を介して光路合成部材６８Ｂの１階部分に入射する。
【００６１】
図７（Ｂ）に示すように、光路合成部材６８Ｂは、光路変更部材６８ＡのＰＢＳ面と平行な２つのＰＢＳ面６８Ｂａ，６８Ｂｂを有し、回折光ＤＸ２はＰＢＳ面６８Ｂａ，６８Ｂｂに対してはＳ偏光である。そのため、回折光ＤＸ２はＰＢＳ面６８Ｂａ，６８Ｂｂで反射されて２階部分で＋Ｙ方向に射出される。
同様に、図６において、ＰＢＳ２８に入射したＰ偏光の計測光ＭＸ２は、ＰＢＳ面２８ａを透過して傾斜ミラー３４ＸＡの反射面で反射され、格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角（−φ１）で入射し、格子パターン１２Ｘａからの−１次回折光ＥＸ１が発生する。図７（Ｃ）に示すように、回折光ＥＸ１（計測光ＭＸ２）の光路には図４（Ａ）の楔形プリズム６２と同じ楔形プリズム６２Ｂ、１／４波長板３０Ｂ、及び位相補正板３１Ｂが配置されている。回折光ＥＸ１は、反射面の２階部分で反射されてＰＢＳ２８にＳ偏光で入射する。ＰＢＳ面２８ａで反射された回折光ＥＸ１は、コーナキューブ２９Ｂで反射され、ＰＢＳ面２８ａで反射された後、傾斜ミラー３４ＸＡの反射面の１階部分に入射する。その反射面で反射された回折光ＥＸ１は、１／４波長板３０Ｂ及び位相補正板３１Ｂを介して格子パターン１２ＸａにＸ方向の入射角（−φ１）で入射し、格子パターン１２Ｘａからの２回目の−１次回折光ＥＸ２が発生する。回折光ＥＸ２は傾斜ミラー３４ＸＡで反射されてＰＢＳ２８にＰ偏光で入射し、図６に示すように、ＰＢＳ面２８ａを透過した回折光ＥＸ２は、ミラー７２Ｆ，７２Ｇで反射され、ハービング６６を介して光路合成部材６８Ｃの１階部分に入射する。図７（Ｃ）に示すように、回折光ＥＸ２は、光路合成部材６８Ｂと同じ構成の光路合成部材６８Ｃの２階部分で＋Ｙ方向に射出される。
【００６２】
一方、図８において、ＰＢＳ２８に入射したＳ偏光の第１の参照光ＲＸ１は、ＰＢＳ面２８ａで＋Ｘ方向に反射された後、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４ＡのＹＺ面に平行な反射面で反射された後、１／４波長板３０Ａを介してＰ偏光でＰＢＳ面２８ａに入射する。ＰＢＳ面２８ａを透過した参照光ＲＸ１は、コーナキューブ２９Ａで２階部分に反射された後（図７（Ｂ）参照）、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４Ａで反射され、１／４波長板３０Ａを介してＰＢＳ面２８ａで反射される。反射された参照光ＲＸ１は、ミラー７２Ｈ，７２Ｅを介してＰ偏光で光路合成部材６８ＢのＰＢＳ面に入射する。このＰＢＳ面で同軸に合成された回折光ＤＸ２及び参照光ＲＸ１は、偏光板６０を介して干渉光として光電センサ４０ＸＡで受光される。
【００６３】
また、ＰＢＳ２８に入射したＳ偏光の第２の参照光ＲＸ２は、ＰＢＳ面２８ａで＋Ｘ方向に反射された後、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４ＢのＹＺ面に平行な反射面で反射された後、１／４波長板３０Ａを介してＰ偏光でＰＢＳ面２８ａに入射する。ＰＢＳ面２８ａを透過した参照光ＲＸ２は、コーナキューブ２９Ｂで２階部分に反射された後（図７（Ｃ）参照）、１／４波長板３０Ａを介してミラー７４Ｂで反射され、１／４波長板３０Ａを介してＰＢＳ面２８ａで反射される。反射された参照光ＲＸ２は、ミラー７２Ｉ，７２Ｇを介してＰ偏光で光路合成部材６８ＣのＰＢＳ面に入射する。このＰＢＳ面で同軸に合成された回折光ＥＸ２及び参照光ＲＸ２は、偏光板６０を介して干渉光として光電センサ４０ＸＢで受光される。
【００６４】
また、ＰＢＳ面２８ａからミラー７４Ａ，７４Ｂの反射面までの光路長は、ＰＢＳ面２８ａからそれぞれ傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡを介して回折格子１２Ｘに至る光路長とほぼ同じ長さに設定されている。さらに、参照光ＲＸ１，ＲＸ２と回折光ＤＸ２，ＥＸ２とは、ＰＢＳ２８及びコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂ内でほぼ同じ光路を通過している。従って、参照光ＲＸ１，ＲＸ２と回折光ＤＸ２，ＥＸ２とは、ほぼ等価な光路を通過しているため、環境の僅かな温度変化及び／又は雰囲気の温度変化等があっても、高い計測精度が得られる。
【００６５】
この際に、複数対の偏角プリズム５６及びハービング６６の調整によって、その回折光ＤＸ２，ＥＸ２及び参照光ＲＸ１，ＲＸ２から形成される干渉縞が例えば全体で１本以内になるように調整される。光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号は計測演算部４２ＸＡに供給される。計測演算部４２ＸＡでは、光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号及びレーザ光源１６からの基準信号（又は光電センサ４０Ｌからの検出信号）より、第１部材と第２部材６４とのＸ方向及びＺ方向の相対移動量を求めることができる。
【００６６】
この際に、検出ヘッド１４ＸＡをコンパクトに配置できる。さらに、傾斜ミラー３２ＸＡ，３４ＸＡから回折格子１２Ｘの格子パターン面に向かう計測光のＸ方向の入射角を、回折格子１２Ｘのリトロー角に対して角度βだけ変化した角度に設定しているため、格子パターン面の高さの変化に対して回折光の横シフト量が小さく、干渉光の強度変化が小さいとともに、回折格子１２Ｘからの０次光の影響を低減して計測精度を向上できる。
【００６７】
［第３実施例］
第３実施例につき図９〜図１１を参照して説明する。図９は、第３実施例に係るエンコーダ装置を備えた露光装置ＥＸの概略構成を示す。露光装置ＥＸは、スキャニングステッパーよりなる走査露光型の投影露光装置である。露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬ（投影ユニットＰＵ）を備えており、以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面（ほぼ水平面に平行な面）内でレチクルＲとウエハＷとが相対走査される方向にＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向にＸ軸を取って説明する。
【００６８】
露光装置ＥＸは、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示される照明系１１０、及び照明系１１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬ（例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波など）により照明されるレチクルＲ（マスク）を保持するレチクルステージＲＳＴを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）に投射する投影光学系ＰＬを含む投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴを含むステージ装置１９５、及び制御系等（図１１参照）を備えている。
【００６９】
レチクルＲはレチクルステージＲＳＴの上面に真空吸着等により保持され、レチクルＲのパターン面（下面）には、回路パターンなどが形成されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含む図１１のレチクルステージ駆動系１１１によって、ＸＹ平面内で微少駆動可能であると共に、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能である。
【００７０】
レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）は、レーザ干渉計よりなるレチクル干渉計１１６によって、移動鏡１１５（又は鏡面加工されたステージ端面）を介して例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１１６の計測値は、図１１のコンピュータよりなる主制御装置１２０に送られる。主制御装置１２０は、その計測値に基づいてレチクルステージ駆動系１１１を制御することで、レチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。
【００７１】
図９において、レチクルステージＲＳＴの下方に配置された投影ユニットＰＵは、鏡筒１４０と、鏡筒１４０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。照明系１１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲの照明領域ＩＡＲが照明されると、レチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介して照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの像が、ウエハ（半導体ウエハ）Ｗの一つのショット領域の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。
【００７２】
また、露光装置ＥＸは、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子である先端レンズ１９１を保持する鏡筒１４０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置１０８の一部を構成するノズルユニット１３２が設けられている。ノズルユニット１３２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給するための供給管１３１Ａ及び回収管１３１Ｂを介して、液体供給装置１８６及び液体回収装置１８９（図１１参照）に接続されている。なお、液浸タイプの露光装置としない場合には、上記の局所液浸装置１０８は設けなくともよい。
【００７３】
図９において、ウエハステージＷＳＴは、不図示の複数の例えば真空予圧型空気静圧軸受（エアパッド）を介して、ベース盤１１２のＸＹ面に平行な上面１１２ａに非接触で支持されている。また、ウエハステージＷＳＴは、例えば平面モータ、又は直交する２組のリニアモータを含むステージ駆動系１２４（図１１参照）によってＸ方向及びＹ方向に駆動可能である。露光装置ＥＸは、レチクルＲのアライメントを行う空間像計測系（不図示）、ウエハＷのアライメントを行うアライメント系ＡＬ（図１１参照）、照射系９０ａ及び受光系９０ｂよりなりウエハＷの表面の複数箇所のＺ位置を計測する斜入射方式の多点のオートファオーカスセンサ９０（図１１参照）、及びウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するためのエンコーダ装置８Ｂを備えている。
【００７４】
ウエハステージＷＳＴは、Ｘ方向、Ｙ方向に駆動されるステージ本体１９１と、ステージ本体１９１上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢと、ステージ本体１９１内に設けられて、ステージ本体１９１に対するウエハテーブルＷＴＢ（ウエハＷ）のＺ方向の位置、及びθｘ方向、θｙ方向のチルト角を相対的に微小駆動するＺ・レベリング機構とを備えている。ウエハテーブルＷＴＢの中央の上部には、ウエハＷを真空吸着等によってほぼＸＹ平面に平行な吸着面上に保持するウエハホルダ（不図示）が設けられている。
【００７５】
また、ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハホルダ上に載置されるウエハの表面とほぼ同一面となる、液体Ｌｑに対して撥液化処理された表面（又は保護部材）を有し、かつ外形（輪郭）が矩形でその中央部にウエハホルダ（ウエハの載置領域）よりも一回り大きな円形の開口が形成された高平面度の平板状のプレート体１２８が設けられている。
なお、上述の局所液浸装置１０８を設けたいわゆる液浸型の露光装置の構成にあっては、さらにプレート体１２８は、図１０のウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）の平面図に示されるように、その円形の開口を囲む、外形（輪郭）が矩形の表面に撥液化処理が施されたプレート部（撥液板）１２８ａと、プレート部１２８ａを囲む周辺部１２８ｅとを有する。周辺部１２８ｅの上面に、プレート部１２８ａをＹ方向に挟むようにＸ方向に細長い１対のＹ軸の第１及び第２の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２が配置され、プレート部１２８ａをＸ方向に挟むようにＹ方向に細長い１対のＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２が配置されている。Ｘ方向を周期方向とする反射型の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２は図１の回折格子１２Ｘと同じ構成であり、Ｙ方向を周期方向とする回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２は回折格子１２Ｘを９０°回転した構成である。
【００７６】
また、図９において、投影ユニットＰＵを支持するフレーム（不図示）に連結部材（不図示）を介してＸＹ面にほぼ平行な平板状の計測フレーム１５０が支持されている。計測フレーム１５０の底面に、投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように、図５のＸ軸の検出ヘッド１４Ｘと同じ構成の複数の検出ヘッド１４Ｘが固定され、投影光学系ＰＬをＹ方向に挟むように、図５のＹ軸の検出ヘッド１４Ｙと同じ構成の複数の検出ヘッド１４Ｙが固定されている（図１０参照）。また、複数の検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙにレーザ光（計測光及び参照光）を供給するための複数のレーザ光源（不図示）も備えられている。なお、検出ヘッド１４Ｘの代わりに図６の検出ヘッド１４ＸＡを使用してもよく、検出ヘッド１４Ｙの代わりに検出ヘッド１４ＸＡを９０°回転した構成の検出ヘッドを使用してもよい。
【００７７】
図１０において、投影光学系ＰＬからの照明光でウエハＷを露光している期間では、常に複数の検出ヘッド１４Ｘのいずれか２つがＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向し、複数の検出ヘッド１４Ｙのいずれか２つがＹ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２に対向するように構成されている。各検出ヘッド１４Ｘは、回折格子１２Ｘ１又は１２Ｘ２に計測光を照射し、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２から発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２Ｘ（図１１）に供給する。計測演算部４２Ｘでは、図１の計測演算部４２と同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＸ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めて計測値切り替え部８０Ｘに供給する。計測値切り替え部８０Ｘでは、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向している検出ヘッド１４Ｘに対応する計測演算部４２Ｘから供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。
【００７８】
また、各検出ヘッド１４Ｙは、回折格子１２Ｙ１又は１２Ｙ２に計測光を照射し、回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２から発生する回折光と参照光との干渉光の検出信号を対応する計測演算部４２Ｙ（図１１）に供給する。計測演算部４２Ｙでは、計測演算部４２Ｘと同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＹ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めて計測値切り替え部８０Ｙに供給する。計測値切り替え部８０Ｙでは、回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２に対向している検出ヘッド１４Ｙに対応する計測演算部４２Ｙから供給される相対位置の情報を主制御装置１２０に供給する。
【００７９】
複数の検出ヘッド１４Ｘ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｘ、及びＸ軸の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２からＸ軸のエンコーダ１０ＸＢが構成され、複数の検出ヘッド１４Ｙ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｙ、及びＹ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２からＹ軸のエンコーダ１０ＹＢが構成されている。そして、Ｘ軸のエンコーダ１０ＸＢ、Ｙ軸のエンコーダ１０ＹＢ、及び計測値切り替え部８０Ｘ，８０Ｙからエンコーダ装置８Ｂが構成されている。主制御装置１２０は、エンコーダ装置８Ｂから供給される相対位置の情報に基づいて、計測フレーム１５０（投影光学系ＰＬ）に対するウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置、及びθｚ方向の回転角等の情報を求め、この情報に基づいてステージ駆動系１２４を介してウエハステージＷＳＴを駆動する。
【００８０】
そして、露光装置ＥＸの露光時には、先ずレチクルＲ及びウエハＷのアライメントが行われる。その後、レチクルＲへの照明光ＩＬの照射を開始して、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパターンの一部の像をウエハＷの表面の一つのショット領域に投影しつつ、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとを投影光学系ＰＬの投影倍率βを速度比としてＹ方向に同期して移動（同期走査）する走査露光動作によって、そのショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。その後、ウエハステージＷＳＴを介してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作と、上記の走査露光動作とを繰り返すことによって、液浸法でかつステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの全部のショット領域にレチクルＲのパターン像が転写される。
【００８１】
この際に、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙにおいては、計測光及び回折光の光路長はレーザ干渉計に比べて短いため、検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙを用いた計測値に対する空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、本実施例のエンコーダ装置８Ｂは、レーザ干渉計と比較して、空気が揺らぐ程度の短い期間における計測安定性（短期安定性）が格段に優れているため、レチクルＲのパターン像をウエハＷに高精度に転写できる。さらに、検出ヘッド１４Ｘ，１４ＹはＺ方向の高さを低くコンパクトに構成できるため、計測フレーム１５０の底面等に複数の検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙを容易に設置できる。
【００８２】
なお、本実施例では、計測フレーム１５０側に検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ等を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に回折格子１２Ｘ１，１２Ｙ１等を配置している。この他の構成として、計測フレーム１５０側に回折格子１２Ｘ１，１２Ｙ１等を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に検出ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ等を配置してもよい。
また、上記の実施例の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（又はマイクロデバイス）を製造する場合、電子デバイスは、図１２に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたレチクル（マスク）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造してレジストを塗布するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置（露光方法）によりレチクルのパターンを基板（感光基板）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
【００８３】
言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施例の露光装置ＥＸ（露光方法）を用いてレチクルのパターンの像を基板（ウエハ）に転写し、その基板を現像するリソグラフィ工程と、そのパターンの像が転写されたその基板をそのパターンの像に基づいて加工する工程（ステップ２２４のエッチング等）とを含んでいる。この際に、上記の実施例によれば、露光装置のウエハステージＷＳＴの位置を高精度に制御できるため、電子デバイスを高精度に製造できる。
【００８４】
なお、本発明は、上述の走査露光型の投影露光装置（スキャナ）の他に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（ステッパ等）にも適用できる。さらに、本発明は、液浸型露光装置以外のドライ露光型の露光装置にも同様に適用することができる。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光装置にも適用することができる。
【００８５】
また、上記の実施形態又は実施例のエンコーダ１０Ｘ、エンコーダ装置８，８Ｂは、露光装置以外の検査装置又は計測装置等の検査又は加工対象の物体用の光学系を備えた光学装置において、その物体の相対移動量を計測するために適用することができる。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００８６】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＭＸ１，ＭＸ２…計測光、ＲＸ１，ＲＸ２…参照光、１０Ｘ…Ｘ軸のエンコーダ、１２Ｘ…Ｘ軸の回折格子、１４Ｘ…Ｘ軸の検出ヘッド、１６…レーザ光源、２７…１／２波長板、２８Ａ，２８Ｂ…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、２９Ａ，２９Ｂ…コーナキューブ、３０…１／４波長板、３２ＸＡ，３２ＸＢ…＋１次回折光用の傾斜ミラー、３４ＸＡ，３４ＸＢ…−１次回折光用の傾斜ミラー、４０ＸＡ，４０ＸＢ…光電センサ、４２Ｘ…計測演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動する第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、
互いに可干渉性のある第１計測光及び第２計測光を供給する光源部と、
前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられ、前記光源部から供給された前記第１計測光を前記格子パターン面に向けて反射する第１反射部材と、
前記回折格子からの回折光と他の回折光又は前記第２計測光との干渉光を検出する第１光電検出器と、
前記第１光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の相対移動量を求める計測部と、
を備え、
前記第１反射部材から前記格子パターン面に向かう前記第１計測光の前記第１方向の入射角を、前記回折格子のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定することを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項２】
前記第１反射部材から前記格子パターン面に向かう前記第１計測光の前記第１方向の入射角を、前記リトロー角に対して前記所定角度変化した角度に設定する角度調整部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
【請求項３】
前記光源部から出力される前記第１計測光を前記回折格子の前記格子パターン面にほぼ平行にする光路折り曲げ部材を備え、
前記反射部材は、前記光路折り曲げ部材を介した前記第１計測光を前記格子パターン面に前記リトロー角で入射させる回転角に配置され、
前記光路折り曲げ部材は、前記第１計測光を、前記格子パターン面に平行な面内で前記第１方向に直交する第２方向に対して前記所定角度に対応した角度だけ傾斜させて反射することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
【請求項４】
前記角度調整部材は、前記第１反射部材と前記格子パターン面との間に設けられて、前記第１計測光の前記格子パターン面に対する入射面内の振れ角を前記所定角度に応じた角度に設定する楔型プリズムであることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ装置。
【請求項５】
前記回折格子からの回折光を、前記格子パターン面に前記第１方向の入射角が前記リトロー角に対して変化した角度になるように反射する再反射部材を備え、
前記楔型プリズムの振れ角は前記所定角度の２倍であることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ装置。
【請求項６】
前記第１計測光から第１部分計測光を分岐する第１分岐部材と、
前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられ、前記第１分岐部材で分岐された前記第１部分計測光を前記格子パターン面に向けて反射する第２反射部材と、
前記回折格子からの前記第１部分計測光による回折光と他の回折光又は前記第２計測光との干渉光を検出する第２光電検出器と、を備え、
前記第２反射部材から前記格子パターン面に向かう前記第１部分計測光の前記第１方向の入射角を、前記リトロー角と符号が逆のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定し、
前記計測部は、前記第１光電検出器及び前記第２光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の相対移動量を求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項７】
前記第２計測光の光路長を前記第１計測光の光路長に合わせる光学系を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項８】
前記第１計測光と前記第２計測光とを分離する分離面を有する分離光学部材と、
前記分離面に関して前記格子パターン面までの光路長がほぼ等しい反射面を有し、該反射面で前記第２計測光を反射する参照用反射部材と、を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項９】
前記計測部は、前記第１及び第２光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の前記第１方向の相対移動量及び前記格子パターン面の法線方向の相対移動量を求めることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ装置。
【請求項１０】
前記第１計測光及び前記第２計測光は互いに周波数の異なるヘテロダイン光であり、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、前記第１方向に直交する第２方向を周期方向とする他の格子パターンを有する反射型の他の回折格子と、
前記第２計測光から第１参照光を分岐する第２分岐部材と、
前記第１計測光から第２参照光を分岐する第３分岐部材と、
前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられ、前記第２計測光を前記他の格子パターン面に向けて反射する第３反射部材と、
前記他の回折格子からの前記第２計測光による回折光と前記第２参照光との干渉光を検出する第３光電検出器と、を備え、
前記第１光電検出器は、前記回折格子からの回折光と前記第１参照光との干渉光を検出し、
前記計測部は、前記第３光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の前記第２方向の相対移動量を求めることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１１】
前記第２分岐部材で分岐される前記第２計測光の前記第１参照光に対する光量比、及び前記第３分岐部材で分岐される前記第１計測光の前記第２参照光に対する光量比を調整する第１及び第２調整部材を備えることを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、
対象物用の光学系と、を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
パターンを被露光体に露光する露光装置であって、
フレームと、
前記被露光体を支持するとともに前記フレームに対して少なくとも前記第１方向に相対移動可能なステージと、
前記第１方向への前記ステージの相対移動量を計測するための請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１４】
リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
前記リソグラフィ工程で、請求項１３に記載の露光装置を用いて物体を露光することを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項１】
第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動する第２部材の相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、
互いに可干渉性のある第１計測光及び第２計測光を供給する光源部と、
前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられ、前記光源部から供給された前記第１計測光を前記格子パターン面に向けて反射する第１反射部材と、
前記回折格子からの回折光と他の回折光又は前記第２計測光との干渉光を検出する第１光電検出器と、
前記第１光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の相対移動量を求める計測部と、
を備え、
前記第１反射部材から前記格子パターン面に向かう前記第１計測光の前記第１方向の入射角を、前記回折格子のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定することを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項２】
前記第１反射部材から前記格子パターン面に向かう前記第１計測光の前記第１方向の入射角を、前記リトロー角に対して前記所定角度変化した角度に設定する角度調整部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
【請求項３】
前記光源部から出力される前記第１計測光を前記回折格子の前記格子パターン面にほぼ平行にする光路折り曲げ部材を備え、
前記反射部材は、前記光路折り曲げ部材を介した前記第１計測光を前記格子パターン面に前記リトロー角で入射させる回転角に配置され、
前記光路折り曲げ部材は、前記第１計測光を、前記格子パターン面に平行な面内で前記第１方向に直交する第２方向に対して前記所定角度に対応した角度だけ傾斜させて反射することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
【請求項４】
前記角度調整部材は、前記第１反射部材と前記格子パターン面との間に設けられて、前記第１計測光の前記格子パターン面に対する入射面内の振れ角を前記所定角度に応じた角度に設定する楔型プリズムであることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ装置。
【請求項５】
前記回折格子からの回折光を、前記格子パターン面に前記第１方向の入射角が前記リトロー角に対して変化した角度になるように反射する再反射部材を備え、
前記楔型プリズムの振れ角は前記所定角度の２倍であることを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ装置。
【請求項６】
前記第１計測光から第１部分計測光を分岐する第１分岐部材と、
前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられ、前記第１分岐部材で分岐された前記第１部分計測光を前記格子パターン面に向けて反射する第２反射部材と、
前記回折格子からの前記第１部分計測光による回折光と他の回折光又は前記第２計測光との干渉光を検出する第２光電検出器と、を備え、
前記第２反射部材から前記格子パターン面に向かう前記第１部分計測光の前記第１方向の入射角を、前記リトロー角と符号が逆のリトロー角に対して所定角度変化した角度に設定し、
前記計測部は、前記第１光電検出器及び前記第２光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の相対移動量を求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項７】
前記第２計測光の光路長を前記第１計測光の光路長に合わせる光学系を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項８】
前記第１計測光と前記第２計測光とを分離する分離面を有する分離光学部材と、
前記分離面に関して前記格子パターン面までの光路長がほぼ等しい反射面を有し、該反射面で前記第２計測光を反射する参照用反射部材と、を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項９】
前記計測部は、前記第１及び第２光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の前記第１方向の相対移動量及び前記格子パターン面の法線方向の相対移動量を求めることを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ装置。
【請求項１０】
前記第１計測光及び前記第２計測光は互いに周波数の異なるヘテロダイン光であり、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、前記第１方向に直交する第２方向を周期方向とする他の格子パターンを有する反射型の他の回折格子と、
前記第２計測光から第１参照光を分岐する第２分岐部材と、
前記第１計測光から第２参照光を分岐する第３分岐部材と、
前記第１部材及び前記第２部材の他方に設けられ、前記第２計測光を前記他の格子パターン面に向けて反射する第３反射部材と、
前記他の回折格子からの前記第２計測光による回折光と前記第２参照光との干渉光を検出する第３光電検出器と、を備え、
前記第１光電検出器は、前記回折格子からの回折光と前記第１参照光との干渉光を検出し、
前記計測部は、前記第３光電検出器の検出信号を用いて前記第２部材の前記第２方向の相対移動量を求めることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１１】
前記第２分岐部材で分岐される前記第２計測光の前記第１参照光に対する光量比、及び前記第３分岐部材で分岐される前記第１計測光の前記第２参照光に対する光量比を調整する第１及び第２調整部材を備えることを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、
対象物用の光学系と、を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
パターンを被露光体に露光する露光装置であって、
フレームと、
前記被露光体を支持するとともに前記フレームに対して少なくとも前記第１方向に相対移動可能なステージと、
前記第１方向への前記ステージの相対移動量を計測するための請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１４】
リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
前記リソグラフィ工程で、請求項１３に記載の露光装置を用いて物体を露光することを特徴とするデバイス製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２６２７２（Ｐ２０１３−２６２７２Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５６７４０（Ｐ２０１１−１５６７４０）
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１５日（２０１１．７．１５）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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