位置検出方法及び装置、エンコーダ装置、並びに露光装置
【課題】回折格子を用いて相対移動量を計測する際に、格子パターン面の法線方向の絶対位置を検出する。
【解決手段】原点検出装置１１Ｘは、第１部材６に設けられ、Ｘ方向を周期方向とする反射型の回折格子１２Ｘと、第１計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに第１の入射角で入射させ、回折光と第１参照光ＭＲ１との第１干渉光を検出する第１干渉ヘッド１４Ｘと、第３計測光ＭＸ３を回折格子１２Ｘにその第１の入射角と異なる第２の入射角で入射させ、回折光と第３参照光ＭＲ３との第３干渉光を検出する第２干渉ヘッド１５Ｘと、その第１、第３干渉光の検出信号からＺ方向の相対位置を求める第３演算部４１Ｃと、を備える。
【解決手段】原点検出装置１１Ｘは、第１部材６に設けられ、Ｘ方向を周期方向とする反射型の回折格子１２Ｘと、第１計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに第１の入射角で入射させ、回折光と第１参照光ＭＲ１との第１干渉光を検出する第１干渉ヘッド１４Ｘと、第３計測光ＭＸ３を回折格子１２Ｘにその第１の入射角と異なる第２の入射角で入射させ、回折光と第３参照光ＭＲ３との第３干渉光を検出する第２干渉ヘッド１５Ｘと、その第１、第３干渉光の検出信号からＺ方向の相対位置を求める第３演算部４１Ｃ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位置を検出する位置検出技術、それらの部材間の相対移動量を計測するエンコーダ装置、エンコーダ装置を備えた露光装置、及び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、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、回折格子の周期方向及び回折格子の格子パターン面の法線方向に関して、所定の距離又はこの整数分の１を単位として相対移動量を計測可能である。すなわち、その回折格子が設けられた部材の検出部が設けられた部材に対する格子パターン面の法線方向の相対位置は、その所定の距離の範囲内では絶対位置として計測可能であるが、その所定の距離を超える範囲では絶対位置として計測することはできなった。そのため、例えば電源オンにした直後に、その２つの部材の格子パターン面の法線方向の相対位置を予め定められた初期位置等からの絶対位置として設定することができないため、絶対位置として設定するためには例えばリミットスイッチのような絶対位置を検出する装置が別途必要であった。
【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、相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる範囲を超えて、回折格子の格子パターン面の法線方向の絶対位置を検出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部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出装置が提供される。この位置検出装置は、その第１部材及びその第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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、第１計測光をその回折格子の格子パターン面にその第１方向に関して第１の入射角で入射させ、その回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出する第１干渉計と、第２計測光をその回折格子の格子パターン面にその第１方向に関して第２の入射角で入射させ、その回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出する第２干渉計と、その第１干渉光の検出信号及びその第２干渉光の検出信号からその第１部材とその第２部材とのその格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求める第１検出部と、を備え、その第１計測光の波長とその第２計測光の波長、及びその第１の入射角とその第２の入射角の少なくとも一方が異なるものである。
【０００８】
また、第２の態様によれば、第１部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出方法が提供される。この位置検出方法は、その第１部材及びその第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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の格子パターン面に第１計測光をその第１方向に関して第１の入射角で入射させ、その回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出することと、第２計測光をその回折格子の格子パターン面にその第１方向に関して第２の入射角で入射させ、その回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出することと、その第１干渉光の検出信号及びその第２干渉光の検出信号からその第１部材とその第２部材とのその格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求めることと、を含み、その第１計測光の波長とその第２計測光の波長、及びその第１の入射角とその第２の入射角の少なくとも一方が異なるものである。
【０００９】
また、第３の態様によれば、第１部材に対して少なくとも相対移動する第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、第１の態様による位置検出装置と、その第１干渉光の検出信号又はその第２干渉光の検出信号からその第１部材とその第２部材とのその格子パターン面の法線方向の相対移動量を計測する第３検出部と、を備え、その第３検出部は、その第１検出部で検出されるその第１相対位置を用いてその相対移動量の計測値のプリセットを行うものである。
【００１０】
また、第４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位置又は相対移動量を計測するための第１の態様による位置検出装置又は第３の態様によるエンコーダ装置と、を備えるものである。
【００１１】
また、第５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、第４の態様による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】
【００１２】
本発明の態様によれば、第１計測光の波長と第２計測光の波長、及び第１の入射角と第２の入射角の少なくとも一方が異なるため、第１干渉光の検出信号から格子パターン面の法線方向の相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる第１長さと、第２干渉光の検出信号からその法線方向の相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる第２長さとは異なっている。そして、その第１及び第２干渉光の検出信号から求められるその法線方向の第１相対位置の周期は、その第１長さ及び第２長さよりも長くなる。従って、回折格子を用いて計測を行う際に、相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる範囲（第１長さ又は第２長さ）を超えて、第１部材と第２部材との間の回折格子の格子パターン面の法線方向の絶対位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は図１中の第１干渉計の２回目の回折光を示す斜視図、（Ｂ）は第１干渉計の回折光を示す正面図である。
【図３】（Ａ）は図１の第２干渉計の回折光を示す正面図、（Ｂ）は第２干渉計において格子パターン面の高さが相対的に変化した場合を示す図、（Ｃ）は第２干渉計から得られるコントラスト信号と、第１及び第２干渉計から得られる差分信号を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図５】図４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６】図４の露光装置の制御系を示すブロック図である。
【図７】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】
【００１４】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態につき図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施形態に係るＸ軸及びＺ軸のエンコーダ１０Ｘの要部を示す斜視図である。図１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。本実施形態において、第１部材６と第２部材７はＺ方向にも或る程度相対移動可能である。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。
【００１５】
図１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の底面に固定されて回折格子１２Ｘに計測光を照射するＸ軸の第１干渉ヘッド１４Ｘ（第１検出ヘッド）及び第２干渉ヘッド１５Ｘ（第２検出ヘッド）と、干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘに計測用のレーザ光を供給するレーザ光源１６Ａ，１６Ｂと、第１干渉ヘッド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Ｘ方向及びＺ方向の相対移動量を求める移動量検出部４２Ｘと、２つの干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘ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Ｚ方向の絶対位置の原点を検出する原点信号演算部４３Ｘと、を有する。移動量検出部４２Ｘは第１演算部４１Ａ及び第２演算部４１Ｂを有する。また、回折格子１２Ｘ、２つの干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘ、レーザ光源１６Ａ，１６Ｂ、及び原点信号演算部４３Ｘを含んで原点検出装置１１Ｘが構成されている。従って、エンコーダ１０Ｘは、原点検出装置１１Ｘを含んでいる。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（不図示）も備えられている。
【００１６】
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１μｍ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。
【００１７】
レーザ光源１６Ａ，１６Ｂ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（Ｘ方向及びＺ方向）が互いに直交するとともに互いに周波数（波長）が異なる第１及び第２の直線偏光のレーザ光よりなる２周波ヘテロダイン光ＸＲ１，ＸＲ２を射出する。レーザ光源１６Ａ，１６Ｂは、第１及び第２の直線偏光のレーザ光から分岐した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）を移動量検出部４２Ｘの第１演算部４１Ａ及び原点信号演算部４３Ｘの第４演算部４１Ｄに供給する。なお、レーザ光源１６Ｂを省略して、レーザ光源１６Ａから出力されるヘテロダイン光から分岐したレーザビームを不図示の引き回し光学系を介して第２干渉ヘッド１５Ｘに供給してもよい。さらに、ヘテロダイン干渉方式の外にホモダイン干渉方式も使用可能である。
【００１８】
レーザ光源１６Ａから射出されたヘテロダイン光ＸＲ１は、第１干渉ヘッド１４Ｘのハーフミラー１８Ａで２分割され、一方の光束はミラー１８Ｂで反射されて偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）２８に入射し、他方の光束はそのままＰＢＳ２８に入射する。その２つの光束はＸ方向に離れてＹ軸に平行にＰＢＳ２８に入射する。その一方の光束は、ＰＢＳ２８のＰＢＳ面（偏光ビームスプリッタ面）２８ａを透過するＰ偏光の第１計測光ＭＸ１とＰＢＳ面２８ａで反射されるＳ偏光の第１参照光ＭＲ１とに分割される。その他方の光束は、ＰＢＳ面２８ａを透過するＰ偏光の第２計測光ＭＸ２とＰＢＳ面２８ａで反射されるＳ偏光の第２参照光ＭＲ２とに分割される。
【００１９】
ＰＢＳ２８は第２部材７の底面に固定され、ＰＢＳ２８の＋Ｘ方向の側面にＹ方向に隣接するように第１及び第２のコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂが固定され、ＰＢＳ２８の＋Ｙ方向の側面及び−Ｘ方向の側面にそれぞれ１／４波長板３０Ａ，３０Ｂが固定されている。ＰＢＳ２８の−Ｘ方向の側面に対向するように、第２部材７下に、ＺＹ面に平行な反射面を持つミラー３５が固定されている。また、ＰＢＳ２８の＋Ｙ方向側に第２部材７によって支持されるように、第１計測光ＭＸ１用の第１の傾斜ミラー３２Ｘ、及び第２計測光ＭＸ２用の第２の傾斜ミラー３４Ｘが配置されている。ハーフミラー１８Ａ、ミラー１８Ｂ、ＰＢＳ２８、コーナキューブ２９Ａ，２９Ｂ、１／４波長板３０Ａ，３０Ｂ、ミラー３５、及び傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘを含んで第１干渉ヘッド１４Ｘが構成されている。また、第１干渉ヘッド１４Ｘは、ＰＢＳ２８の−Ｙ方向に配置された２つの偏光板３９Ａ，３９Ｂと、偏光板３９Ａ，３９Ｂを通過した干渉光を受光するフォトダイオード等の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢとを有する。
【００２０】
第１干渉ヘッド１４Ｘにおいて、ＰＢＳ２８のＰＢＳ面２８ａを透過した計測光ＭＸ１，ＭＸ２は、それぞれ１／４波長板３０Ａを介して傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘの平面の反射面に入射する。それらの反射面で反射された計測光ＭＸ１，ＭＸ２は、格子パターン面１２Ｘｂ上のＸ方向に離れた照射位置に交差するように入射する。
図２（Ｂ）は図１中の傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘの反射面等を示す図である。図２（Ｂ）において、傾斜ミラー３２Ｘ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となって入射する。
【００２１】
＋１次回折光のリトロー角φLIは、入射する計測光ＭＸ１と、この計測光ＭＸ１による回折格子１２Ｘからの＋１次回折光ＤＸ１とが平行になるときの計測光ＭＸ１の入射角である。なお、図２（Ｂ）では、分かり易いように、計測光ＭＸ１等と回折光ＤＸ１等とは僅かに角度を変えて示している。格子パターン１２ＸａのＸ方向の周期をｐ、計測光ＭＸ１の波長をλとすると、リトロー角φLIは次の関係を満たす。
【００２２】
２ｐ・sin φLI＝λ …（１）
一例として、回折格子１２Ｘの周期ｐを１０００ｎｍ、計測光ＭＸ１の波長λを６３３ｎｍとすると、リトロー角φLIはほぼ１８．５°になる。
このように計測光ＭＸ１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ＤＸ１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、０次光によるノイズ光の問題が生じる恐れがある。そこで、実際には、０次光の影響を軽減するために、計測光ＭＸ１の入射角はリトロー角φLIに対して所定角度、例えば０．５〜１．５°程度ずらしてもよい。
【００２３】
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方向の入射角も例えばその所定角度の１／２程度でずらしてもよい。計測光ＭＸ１による＋１次回折光ＤＸ１は、計測光ＭＸ１と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３２Ｘに戻される。
また、傾斜ミラー３４Ｘ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（−φLI）で入射する。なお、計測光ＭＸ２の入射角も計測光ＭＸ１と対称に角度（−φLI）から所定角度ずらしてもよい。傾斜ミラー３４Ｘから入射角（−φLI）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は、計測光ＭＸ２と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３４Ｘに戻される。
【００２４】
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３２Ｘ，３４Ｘの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図１の１／４波長板３０Ａを介してＳ偏光になってＰＢＳ２８に入射し、ＰＢＳ面２８ａで反射される。ＰＢＳ面２８ａで反射された回折光ＤＸ１，ＥＸ１は、それぞれコーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてＰＢＳ面２８ａに戻される。
【００２５】
一方、ＰＢＳ２８のＰＢＳ面２８ａで反射された参照光ＭＲ１，ＭＲ２は、図１に点線で示すようにそれぞれ１／４波長板３０Ｂを介してミラー３５の平面の反射面に入射する。そして、その反射面で反射された参照光ＭＲ１，ＭＲ２は、１／４波長板３０Ｂを介してＰ偏光になってＰＢＳ２８に入射して、ＰＢＳ面２８ａを透過し、それぞれコーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてＰＢＳ面２８ａに戻される。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、コーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてから、ＰＢＳ面２８ａに戻された回折光ＤＸ１，ＥＸ１は、それぞれＰＢＳ面２８ａで再度反射された後、１／４波長板３０Ａを介して傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘの反射面の低い位置に入射する。傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘで反射された回折光ＤＸ１，ＥＸ１は、格子パターン面１２Ｘｂ上でそれぞれ図１の照射位置からほぼＹ方向に離れた照射位置に対称に入射する。
【００２７】
図２（Ｂ）において、傾斜ミラー３２Ｘの反射面の低い位置に入射した回折光ＤＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ１と平行に入射角φLI（リトロー角）で入射する。なお、回折光ＤＸ１の入射角もその角度φLIから所定角度ずらしてもよい。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に対する実質的な＋２次回折光）は、回折光ＤＸ１と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３２Ｘに戻される。
【００２８】
また、傾斜ミラー３４Ｘの反射面の低い位置に入射した回折光ＥＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ２と平行に（回折光ＤＸ１と対称に）入射角（−φLI）で入射する。なお、回折光ＥＸ１の入射角もその角度から所定角度ずらしてもよい。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に対する実質的な−２次回折光）は、回折光ＥＸ１と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３４Ｘに戻される。
【００２９】
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３２Ｘ，３４Ｘの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図２（Ａ）の１／４波長板３０Ａを介してＰ偏光になってＰＢＳ２８に入射し、ＰＢＳ面２８ａを透過する。ＰＢＳ面２８ａを透過した回折光ＤＸ２，ＥＸ２はそれぞれ偏光板３９Ａ，３９Ｂに入射する。
一方、コーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてから、ＰＢＳ面２８ａに戻された参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、それぞれＰＢＳ面２８ａを再度透過した後、１／４波長板３０Ｂを介してミラー３５の反射面の低い位置に入射する。そして、ミラー３５の反射面で反射された参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、１／４波長板３０Ｂを介してＳ偏光となってＰＢＳ２８に入射し、ＰＢＳ面２８ａで反射される。ＰＢＳ面２８ａで反射された参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、それぞれ偏光板３９Ａ，３９Ｂに入射して、回折光ＤＸ２，ＥＸ２と同軸に合成される。そして、回折光ＤＸ２（計測光ＭＸ１）及び参照光ＲＸ１よりなる＋１次の第１干渉光（ヘテロダインビーム）が光電センサ４０ＸＡで受光され、回折光ＥＸ２（計測光ＭＸ２）及び参照光ＲＸ２よりなる−１次の第１干渉光（ヘテロダインビーム）が光電センサ４０ＸＢで受光される。なお、計測光ＭＸ１，ＭＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２との光路長をほぼ等しくするために、ミラー３５の反射面に段差を設け、ＰＢＳ２８とミラー３５との距離を調整してもよい。また、第１干渉ヘッド１４Ｘの構成は任意であり、要は計測光ＭＸ１，ＭＸ２を互いにほぼ対称な入射角で回折格子１２Ｘに照射できればよい。
【００３０】
図１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）を移動量検出部４２Ｘの第１演算部４１Ａに供給する。一例として、第１演算部４１Ａ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加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）（ａ，ｂ１は既知の係数）を求め、求めた値を第２演算部４１Ｂ及び第３演算部４１Ｃに供給する。さらに、第１演算部４１Ａ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加重値の差（−ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）を求め、求めた値を第２演算部４１Ｂに供給する。第２演算部４１Ｂは、その加重和と加重値の差とを用いて、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）及び第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。さらに、第２演算部４１Ｂは、後述のように原点信号演算部４３Ｘから供給されるリセット信号ＳＲに応じてそのＺ方向の相対移動量（Ｚ）を０にリセットし、不図示の制御部から供給されるリセット信号に応じてそのＸ方向の相対移動量（Ｘ）を０にリセットする。なお、リセットの代わりに０以外の値をプリセットしてもよい。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。
【００３１】
本実施形態の第１干渉ヘッド１４Ｘ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。
【００３２】
次に、レーザ光源１６Ｂから射出されたヘテロダイン光ＸＲ２は、第２干渉ヘッド１５ＸのＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２７に入射して、ＰＢＳ２７のＰＢＳ面（偏光ビームスプリッタ面）で反射されるＳ偏光の第３計測光ＭＸ３とＰＢＳ面を透過するＰ偏光の第３参照光ＭＲ３とに分割される。
ＰＢＳ２７は第２部材７の底面に固定され、ＰＢＳ２７の−Ｙ方向の側面にコーナキューブ２９Ｄが固定され、ＰＢＳ２７の＋Ｘ方向側に第２部材７によって支持されるように、斜め下方を向いてコーナキューブ２９Ｃが配置されている。ＰＢＳ２７、コーナキューブ２９Ｃ，２９Ｄ、ＰＢＳ２７の＋Ｙ方向に配置された偏光板３９Ｃ、及び偏光板３９Ｃを通過した干渉光を受光するフォトダイオード等の光電センサ４０ＸＣを含んで第２干渉ヘッド１５Ｘが構成されている。
【００３３】
第２干渉ヘッド１５Ｘにおいて、ＰＢＳ２７のＰＢＳ面で反射された計測光ＭＸ３は、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂにほぼ垂直に入射する。
図３（Ａ）は図１中の第２干渉ヘッド１５Ｘを示す正面図である。図３（Ａ）において、０次光の影響を軽減するためには、計測光ＭＸ３は、格子パターン面１２Ｘｂに対して微小な入射角（例えば０．５〜１°程度）をもって入射してもよい。この計測光ＭＸ３によって格子パターン１２Ｘａからθｙ方向（Ｘ方向）に回折角φ01で＋１次回折光ＦＸ１が発生する。格子パターン１２Ｘａの周期ｐ及び計測光ＭＸ３の波長λを用いて、回折角φ01は次のようになる。
【００３４】
ｐ・sin φ01＝λ …（２）
この回折角φ01は式（１）で規定されるリトロー角φLIより大きい。一例として、周期ｐを１０００ｎｍ、計測光ＭＸ３の波長λを６３３ｎｍとすると、回折角φ01はほぼ３９．３°で、リトロー角φLIのほぼ２倍になる。本実施形態では、第２干渉ヘッド１５Ｘから回折格子１２Ｘに入射する計測光ＭＸ３の入射角（ほぼ０）は、第１干渉ヘッド１４Ｘから回折格子１２Ｘに入射する計測光ＭＸ１の入射角（ほぼリトロー角φLI）より小さく、計測光ＭＸ３によって発生する回折光ＦＸ１の回折角φ01は、計測光ＭＸ１によって発生する回折光ＤＸ１の回折角（ほぼリトロー角φLI）よりも大きい。
【００３５】
計測光ＭＸ３による＋１次回折光ＦＸ１は、コーナキューブ２９Ｃで対称にかつ平行に反射されて、計測光ＭＸ３の入射位置に対して−Ｘ方向にずれた位置で回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂにほぼ入射角φ01で入射する。このため、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂからほぼ垂直上方に、＋１次回折光ＦＸ１の−１次回折光ＦＸ２が発生し、発生した回折光ＦＸ２はＰＢＳ２７に戻る。
【００３６】
一方、図１において、ＰＢＳ２７のＰＢＳ面を透過した参照光ＭＲ３は、コーナキューブ２９Ｄで反射されてＰＢＳ面を透過する。また、ＰＢＳ２７に戻された回折光ＦＸ２はそのＰＢＳ面で反射されて参照光ＭＲ３と同軸に合成される。そして、回折光ＦＸ２（計測光ＭＸ３）及び参照光ＲＸ３よりなる第２干渉光（ヘテロダインビーム）が偏光板３９Ｃを介して光電センサ４０ＸＣで受光される。なお、計測光ＭＸ３と参照光ＲＸ３との光路長をほぼ等しくするために、ＰＢＳ２７とコーナキューブ２９Ｄとの間に光路引き回し用の光学系を配置してもよい。
【００３７】
光電センサ４０ＸＣは入射する干渉光を光電変換して得られる検出信号ＳＸＣ（ヘテロダイン信号）を原点信号演算部４３Ｘの第４演算部４１Ｄ及び第５演算部４１Ｅに供給する。一例として、第４演算部４１Ｄは、検出信号ＳＸＣとレーザ光源１６Ｂ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加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）（ａ，ｂ２は既知の係数）を求め、求めた値を第３演算部４１Ｃに供給する。第３演算部４１Ｃは、第１演算部４１Ａから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）と第４演算部４１Ｄから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）との差分を１周期（ここでは２π（ｒａｄ）とする）内の値に変換した差分信号ΔＦＺ（詳細後述）を求め、この差分信号ＦＺを原点信号出力部４１Ｆに供給する。
【００３８】
第５演算部４１Ｅは、検出信号ＳＸＣのうちの交流信号の割合を示すコントラスト信号ＳＣを求め、このコントラスト信号ＳＣを原点信号出力部４１Ｆに供給する。第１演算部４１Ａ、第３演算部４１Ｃ、第４演算部４１Ｄ、及び原点信号出力部４１Ｆから原点信号演算部４３Ｘが構成されている。
本実施形態において、図３（Ｂ）に示すように、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂが第２干渉ヘッド１５Ｘに対してＺ方向にδｚだけ相対的に変位したとする。このとき、格子パターン面１２Ｘｂは２点鎖線で示す位置Ａ１に移動するため、第２干渉ヘッド１５Ｘから回折格子１２Ｘに入射する計測光による＋１次回折光ＦＸ１の光路は点線の光路Ａ２にシフトする。そして、＋１次回折光ＦＸ１によって回折格子１２Ｘからほぼ垂直上方に発生する−１次回折光ＦＸ２の光路はＸ方向にδｘだけ点線の光路Ａ３までシフトする。この結果、ＰＢＳ２７で参照光ＭＲ３と回折光ＦＸ２とを合成したときに、参照光ＭＲ３の断面Ａ４と回折光ＦＸ２の断面Ａ５とが重なった部分の面積の割合が低下する。また、断面Ａ４と断面Ａ５とが重なった部分の光束を光電変換した信号がビート信号（交流信号）であり、その重なった部分の面積が小さくなると図１の検出信号ＳＣ中の交流信号の成分が小さくなり、コントラスト信号ＳＣも小さくなる。
【００３９】
この結果、図３（Ｃ）に示すように、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂの第２干渉ヘッド１５Ｘに対するＺ方向の相対位置が所定のＺｃであるときに、図１の第５演算部４１Ｅから出力されるコントラスト信号ＳＣは最大になり、Ｚ方向の相対位置がＺｃからはずれるとコントラスト信号ＳＣは小さくなる。そこで、一例として、図１の原点信号出力部４１Ｆでは、そのコントラスト信号ＳＣが最大値なるときの格子パターン面１２ＸｂのＺ方向の相対位置（Ｚｃ）をおおまかな原点Ｚｃとする。この大まかな原点Ｚｃは、仮にエンコーダ１０Ｘの電源をオフにした後でも、ほぼ同じ位置をある程度の再現性で特定できるという意味で、絶対位置とみなすことができる。
【００４０】
次に、第３演算部４１Ｃで求める差分信号ΔＦＺにつき説明する。まず、第３演算部４１Ｃでは、第１演算部４１Ａから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）と第４演算部４１Ｄから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）との差分を位相に変換した原差分信号ΔＦＺＲを次のように求める。
ΔＦＺＲ＝２π｛（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）−（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）｝
＝２π（ｂ２−ｂ１）Ｚ …（３）
ここで、係数ｂ１は、第１干渉ヘッド１４Ｘを用いて検出される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）のＺ方向の周期（以下、フリンジ長という）Ｆｚ１を用いて次のようになる。同様に、係数ｂ２は、第２干渉ヘッド１５Ｘを用いて検出される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）のＺ方向の周期（以下、フリンジ長という）Ｆｚ２を用いて次のようになる。
【００４１】
ｂ１＝１／Ｆｚ１ …（４Ａ）、 ｂ２＝１／Ｆｚ２ …（４Ｂ）
フリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２とは、対応する加重和（検出信号）を位相で表したときに、その加重和の値が１周期である２π（ｒａｄ）変化するときのＺ方向の相対位置の変化量である。一例として、回折格子１２Ｘの周期ｐを１０００ｎｍ、計測光ＭＸ１〜ＭＸ３の波長λを６３３ｎｍとすると、フリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２（ここではＦｚ１＞Ｆｚ２）はほぼ次のような値になる。
【００４２】
Ｆｚ１＝１８９（ｎｍ） …（５Ａ）、 Ｆｚ２＝１７８（ｎｍ） …（５Ｂ）
式（４Ａ），（４Ｂ）を式（３）に代入すると次式が得られる。
ΔＦＺＲ＝２π（１／Ｆｚ２−１／Ｆｚ１）Ｚ
＝２π｛（Ｆｚ１−Ｆｚ２）／（Ｆｚ１・Ｆｚ２）｝Ｚ
＝２π（１／Ｆｓ）Ｚ …（６）
なお、式（６）中の合成フリンジ長Ｆｓは次式で表される。合成フリンジ長Ｆｓは原差分信号ΔＦＺＲが１周期である２π変化するときのＺ位置の変化量（周期）である。
【００４３】
Ｆｓ＝Ｆｚ１・Ｆｚ２／（Ｆｚ１−Ｆｚ２） …（７）
Ｆｚ１，Ｆｚ２として式（５Ａ），（５Ｂ）の値を式（７）に代入すると、合成フリンジ長Ｆｓは次のようにほぼ個々のフリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２の１６倍程度（ほぼ３μｍ）になる。
Ｆｓ≒３０００（ｎｍ）＝３（μｍ） …（８）
さらに、第３演算部４１Ｃでは、原差分信号ΔＦＺＲの値が０以上で２πより小さい範囲になるように、原差分信号ΔＦＺＲに±ｉ・２π（ｉは整数）を加算することで、次の差分信号ΔＦＺ（０≦ΔＦＺ＜２π）を得る。差分信号ΔＦＺは原点信号出力部４１Ｆに供給される。
【００４４】
ΔＦＺ＝２π（１／Ｆｓ）Ｚ±ｉ・２π …（９）
図３（Ｃ）に示すように、差分信号ΔＦＺは、Ｚ位置（回折格子１２Ｘと第２干渉ヘッド１５ＸとのＺ方向の相対位置）に関して周期Ｆｓ（合成フリンジ長）の周期関数となる。そこで、例えば不図示の駆動機構を介して、第２部材７と第１部材６とのＺ方向の相対位置を変化させながら、原点信号出力部４１Ｆでは、コントラスト信号ＳＣが最大値になるときのＺ位置（大まかな原点Ｚｃ）に最も近く、差分信号ΔＦＺが０になるとき（Ｚ位置がＺｓになるとき）にリセット信号ＳＲを第２演算部４１Ｂに出力する。第２演算部４１Ｂでは、そのリセット信号ＳＲに同期して、第１干渉ヘッド１４Ｘの検出信号から求められたＺ位置を０に設定する。これは、差分信号ΔＦＺが０になるときのＺ位置の値ＺｓをＺ位置の原点（絶対位置の原点）とすることを意味する。これ以降に計測されるＺ方向の相対位置（相対移動量）は、それまでのＺ位置Ｚｓを原点としたＺ方向の絶対位置とみなすことができる。
【００４５】
本実施形態では、差分信号ΔＦＺの周期（合成フリンジ長Ｆｓ）は第１干渉ヘッド１４Ｘの検出信号のＺ方向の周期（フリンジ長Ｆｚ１）の１０倍以上であり、その合成フリンジ長Ｆｓの範囲内では、差分信号ΔＦＺからＺ位置の絶対位置を求めることができる。また、コントラスト信号ＳＣを用いることによって、特定の周期の差分信号ΔＦＺを検出することができるため、その合成フリンジ長Ｆｓを超える範囲内で絶対位置の原点（Ｚｓ）を求めることができる。なお、一例として、第２部材７と第１部材６とのＺ方向の相対位置を設定する駆動機構が、合成フリンジ長Ｆｓよりも微細な精度でＺ方向の相対位置を設定できる場合には、コントラスト信号ＳＣを使用する必要はない。
【００４６】
また、本実施形態のＹ軸のエンコーダは、図１のＸ軸のエンコーダ１０Ｘとほぼ同じ構成であり、Ｙ軸のエンコーダの回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２（図５参照）は、回折格子１２Ｘを９０°回転した構成であり、Ｙ軸の検出ヘッドは第１干渉ヘッド１４Ｘ及び第２干渉ヘッド１５Ｘを９０°回転した構成である。
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方向及びＺ方向の相対移動量を計測するエンコーダ装置であり、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６に対して相対移動する第２部材７の相対位置を検出する原点検出装置１１Ｘ（位置検出装置）を備えている。そして、原点検出装置１１Ｘは、第１部材６に設けられ、少なくともＸ方向を周期方向とする格子パターン１２Ｘａを有する反射型の回折格子１２Ｘと、計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ＸｂにＸ方向に関して第１の入射角（ほぼリトロー角φLI）で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ２と参照光ＭＲ１との＋１次の第１干渉光を検出する第１干渉ヘッド１４Ｘ（第１干渉計）と、計測光ＭＸ３を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ＸｂにＸ方向に関してその第１の入射角と異なる第２の入射角（ほぼ０°）で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＦＸ２と参照光ＭＲ３との第２干渉光を検出する第２干渉ヘッド１５Ｘ（第２干渉計）と、第１干渉ヘッド１４Ｘの検出信号（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）及び第２干渉ヘッド１５Ｘの検出信号（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）から第１部材６と第２部材７との格子パターン面１２Ｘｂの法線方向（Ｚ方向）の相対位置を表す差分信号ΔＦＺを求める原点信号演算部４３Ｘ（第１検出部）と、を備えている。計測光ＭＸ１，ＭＸ３の波長は互いに実質的に等しい。
【００４７】
また、本実施形態の原点検出装置１１Ｘを用いた位置検出方法は、第１部材６に設けられた回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに第１干渉ヘッド１４Ｘから計測光ＭＸ１をＸ方向（回折格子１２Ｘの周期方向）に関して第１の入射角で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ２と参照光ＭＲ１との＋１次の第１干渉光を検出するステップと、第２干渉ヘッド１５Ｘから計測光ＭＸ３を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ＸｂにＸ方向に関して第１の入射角と異なる第２の入射角で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＦＸ２と参照光ＭＲ３との第２干渉光を検出するステップと、原点信号演算部４３Ｘがその＋１次の第１干渉光の検出信号及びその第２干渉光の検出信号から第１部材６と第２部材７との格子パターン面１２Ｘｂの法線方向（Ｚ方向）の相対位置（第１相対位置）を表す差分信号ΔＦＺを求めるステップとを含んでいる。
【００４８】
本実施形態によれば、第１の入射角と第２の入射角とが異なるため、＋１次の第１干渉光の検出信号からＺ方向の相対移動量（第２相対位置）を計測する際に絶対位置を計測できる範囲であるフリンジ長Ｆｚ１（第１長さ）と、第２干渉光の検出信号からＺ方向の相対移動量（第３相対位置）を計測する際に絶対位置を計測できる範囲であるフリンジ長Ｆｚ２（第２長さ）とは異なっている。そして、その第１及び第２干渉光の検出信号から求められる差分信号ΔＦＺが表すＺ方向の相対位置（第１相対位置）の周期である合成フリンジ長Ｆｓは、そのフリンジ長Ｆｓ１及びＦｓ２よりも長くなる。従って、回折格子１２Ｘを用いて計測を行う際に、相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる範囲（フリンジ長Ｆｓ１，Ｆｓ２）を超えて、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂの法線方向の絶対位置を検出できる。
【００４９】
また、原点検出装置１１Ｘは、第２干渉ヘッド１５Ｘで得られる回折光ＦＸ２の横ずれ量（シフト量）から第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対位置（第４相対位置）に対応するコントラスト信号ＳＣを出力する第５演算部４１Ｅ（第２検出部）を備え、原点信号演算部４３Ｘ（第１検出部）は、その第５演算部４１Ｅから出力されるコントラスト信号ＳＣ（第４相対位置）が例えば最大値になるときの周期内で、その差分信号ΔＦＺが所定の値（例えば０）になるときのＺ位置（第１相対位置）Ｚｓを求めている。例えばこのＺ位置Ｚｓを基準にして相対移動量を計測することによって、差分信号ΔＦＺの１周期（合成フリンジ長Ｆｓ）を超える範囲でＺ方向の絶対位置を求めることができる。
【００５０】
なお、Ｚ方向の相対位置を合成フリンジ長Ｆｓを超える範囲で検出するために、回折光ＦＸ２の横ずれ量を検出する以外の方法を用いる他のＺ位置センサ（例えば静電容量センサ又は近接スイッチ等）を用いてもよい。
また、エンコーダ１０Ｘは、その＋１次の第１干渉光の検出信号と、第１干渉ヘッド１４Ｘから回折格子１２Ｘに照射される計測光ＭＸ２によって発生する−１次回折光ＥＸ２と参照光ＭＲ２との−１次の第１干渉光の検出信号とから第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対移動量を計測する第２演算部４１Ｂ（第３検出部）を備え、第２演算部４１Ｂは、原点信号演算部４３Ｘで検出されるＺ位置Ｚｓ（第１相対位置）を用いてそのＺ方向の相対移動量の計測値のプリセット（０へのリセットを含む）を行う。これによって、２つの部材６，７間の相対移動量をそのＺ位置Ｚｓを基準とした絶対位置として計測できる。
【００５１】
また、エンコーダ１０Ｘは、＋１次の第１干渉光及び−１次の第１干渉光の検出信号から２つの部材６，７間の回折格子１２Ｘの周期方向（Ｘ方向）の相対移動量も求めている。従って、第１干渉ヘッド１４Ｘの構成をさらに複雑化することなく、Ｘ方向及びＺ方向の相対移動量を求めることができる。
なお、本実施形態では、第１干渉ヘッド１４Ｘ及び第２干渉ヘッド１５Ｘはそれぞれ回折格子１２Ｘから２回目の回折で発生する回折光と参照光との干渉光を検出しているが、干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘは回折格子１２Ｘから１回目の回折で発生する回折光と参照光との干渉光を検出してもよい。また、第１干渉ヘッド１４Ｘと第２干渉ヘッド１５Ｘとは回折格子１２Ｘの周期方向（Ｘ方向）にずらして配置してもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、第１干渉ヘッド１４Ｘはほぼリトロー角で計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに入射させ、第２干渉ヘッド１５Ｘは計測光ＭＸ３をほぼ垂直に回折格子１２Ｘに入射させ、同じ次数（±１次）の回折光を検出している。この他の構成として、第１干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘとして、回折格子１２Ｘに対する計測光ＭＸ１，ＭＸ３の入射角がＸ方向に関するリトロー角よりも小さい角度で異なっているような干渉計を使用してもよい。要は、Ｚ方向の相対位置の周期であるフリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２が互いに異なっていれば合成フリンジ長Ｆｓが長くなるため、上記の実施形態のように広い範囲で絶対位置を計測できる。
【００５３】
また、第２干渉ヘッド１５Ｘとして、第１干渉ヘッド１４Ｘと同じ構成の干渉計を使用し、計測光ＭＸ３として計測光ＭＸ１と波長が例えば±１０％程度異なるレーザ光（ヘテロダイン光）を使用して、その計測光ＭＸ３をほぼリトロー角で回折格子１２Ｘに入射させてもよい。第１干渉ヘッド１４Ｘとして、第２干渉ヘッド１５Ｘと同じ構成の干渉計を使用し、計測光ＭＸ１として計測光ＭＸ３と波長が例えば±１０％程度異なるレーザ光（ヘテロダイン光）を使用して、その計測光ＭＸ１をほぼ垂直に回折格子１２Ｘに入射させてもよい。これらの場合にも、Ｚ方向の相対位置の周期であるフリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２が互いに異なるため、上記の実施形態のように広い範囲で絶対位置を計測できる。
【００５４】
［第２の実施形態］
第２の実施形態につき図４〜図６を参照して説明する。図４は、本実施形態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、一例として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。
【００５５】
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６参照）を備えている。
【００５６】
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６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。
【００５７】
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６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。
【００５８】
図４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。
【００５９】
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６参照）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。
【００６０】
図４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６参照）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６参照）、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６参照）、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。
【００６１】
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。
【００６２】
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５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Ｘ軸の第１及び第２の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２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Ｙ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２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。
【００６３】
また、図４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Ｙ方向に挟むように、図１のＸ軸の第１干渉ヘッド１４Ｘと同じ構成の複数の第１干渉ヘッド１４Ｘが固定され、投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように、第１干渉ヘッド１４Ｘを９０°回転した構成の複数のＹ軸の第１干渉ヘッド１４Ｙが固定されている（図５参照）。また、図５に示すように、投影光学系ＰＬを挟む１対の第１干渉ヘッド１４ＸにＹ方向に近接して図１の第２干渉ヘッド１５Ｘと同じ構成の第２干渉ヘッド１５Ｘが固定され、投影光学系ＰＬを挟む１対のＹ軸の第１干渉ヘッド１４ＹにＸ方向に近接して第２干渉ヘッド１５Ｘを９０°回転した構成の第２干渉ヘッド１５Ｙが固定されている。また、複数の第１干渉ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ及び第２干渉ヘッド１５Ｘ，１５Ｙ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。
【００６４】
図５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、常に複数の第１干渉ヘッド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。各第１干渉ヘッド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移動量検出部４２Ｘ（図６）に供給する。移動量検出部４２Ｘでは、図１の移動量検出部４２Ｘ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。
【００６５】
また、図６において、第１干渉ヘッド１４Ｘ及び第２干渉ヘッド１５Ｘの検出信号からＺ方向の絶対位置を求める原点信号演算部４３Ｘ（図１の原点信号演算部４３Ｘと同じ演算部）が設けられ、必要に応じて原点信号演算部４３Ｘからのリセット信号で移動量検出部４２ＸのＺ方向の相対移動量がリセットされる。計測値切り替え部８０Ｘでは、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向している第１干渉ヘッド１４Ｘに対応する移動量検出部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。
【００６６】
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６）に供給する。計測演算部４２Ｙでは、移動量検出部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。また、図６において、第１干渉ヘッド１４Ｙ及び第２干渉ヘッド１５Ｙの検出信号からＺ方向の絶対位置を求める原点信号演算部４３Ｙ（図１の原点信号演算部４３Ｘと同じ構成の演算部）が設けられ、必要に応じて原点信号演算部４３Ｙからのリセット信号で移動量検出部４２ＹのＺ方向の相対移動量がリセットされる。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。
【００６７】
複数の第１干渉ヘッド１４Ｘ、第２干渉ヘッド１５Ｘ、レーザ光源（不図示）、移動量検出部４２Ｘ、原点信号演算部４３Ｘ、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、第２干渉ヘッド１５Ｙ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｙ、原点信号演算部４３Ｙ、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。
【００６８】
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。
【００６９】
この際に、第１干渉ヘッド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、第１干渉ヘッド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、第２干渉ヘッド１５Ｘ，１５Ｙ及び原点信号演算部４３Ｘ，４３Ｙ（原点検出装置）を備えているため、例えば露光装置ＥＸの稼働開始時（例えば電源オン時）に、エンコーダ装置８Ｂで計測されるＺ方向の相対移動量を再現性のある状態でリセットできる。従って、例えば機械的なリミットスイッチ等を用いることなく、エンコーダ装置８Ｂの運用を容易に行うことができる。
【００７０】
なお、本実施形態では、計測フレーム１５０側に干渉ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ，１５Ｘ，１５Ｙ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側に干渉ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ，１５Ｘ，１５Ｙ等を配置してもよい。
【００７１】
また、上記の実施形態の露光装置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７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。
【００７２】
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、上記の実施形態によれば、エンコーダ装置８Ｂを用いて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。
【００７３】
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。
【００７４】
また、上記の実施形態のエンコーダ１０Ｘ等は、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】
【００７５】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＭＸ１〜ＭＸ３…計測光、ＲＸ１〜ＲＸ３…参照光、１０Ｘ…Ｘ軸及びＺ軸のエンコーダ、１１Ｘ…原点検出装置、１２Ｘ…Ｘ軸の回折格子、１４Ｘ…第１干渉ヘッド、１５Ｘ…第２干渉ヘッド、１６Ａ，１６Ｂ…レーザ光源、４０ＸＡ〜４０ＸＣ…光電センサ、４１Ｃ…第３演算部、４２Ｘ…移動量検出部、４３Ｘ…原点信号演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対移動する部材間の相対位置を検出する位置検出技術、それらの部材間の相対移動量を計測するエンコーダ装置、エンコーダ装置を備えた露光装置、及び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、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、回折格子の周期方向及び回折格子の格子パターン面の法線方向に関して、所定の距離又はこの整数分の１を単位として相対移動量を計測可能である。すなわち、その回折格子が設けられた部材の検出部が設けられた部材に対する格子パターン面の法線方向の相対位置は、その所定の距離の範囲内では絶対位置として計測可能であるが、その所定の距離を超える範囲では絶対位置として計測することはできなった。そのため、例えば電源オンにした直後に、その２つの部材の格子パターン面の法線方向の相対位置を予め定められた初期位置等からの絶対位置として設定することができないため、絶対位置として設定するためには例えばリミットスイッチのような絶対位置を検出する装置が別途必要であった。
【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、相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる範囲を超えて、回折格子の格子パターン面の法線方向の絶対位置を検出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部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出装置が提供される。この位置検出装置は、その第１部材及びその第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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、第１計測光をその回折格子の格子パターン面にその第１方向に関して第１の入射角で入射させ、その回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出する第１干渉計と、第２計測光をその回折格子の格子パターン面にその第１方向に関して第２の入射角で入射させ、その回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出する第２干渉計と、その第１干渉光の検出信号及びその第２干渉光の検出信号からその第１部材とその第２部材とのその格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求める第１検出部と、を備え、その第１計測光の波長とその第２計測光の波長、及びその第１の入射角とその第２の入射角の少なくとも一方が異なるものである。
【０００８】
また、第２の態様によれば、第１部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出方法が提供される。この位置検出方法は、その第１部材及びその第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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の格子パターン面に第１計測光をその第１方向に関して第１の入射角で入射させ、その回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出することと、第２計測光をその回折格子の格子パターン面にその第１方向に関して第２の入射角で入射させ、その回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出することと、その第１干渉光の検出信号及びその第２干渉光の検出信号からその第１部材とその第２部材とのその格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求めることと、を含み、その第１計測光の波長とその第２計測光の波長、及びその第１の入射角とその第２の入射角の少なくとも一方が異なるものである。
【０００９】
また、第３の態様によれば、第１部材に対して少なくとも相対移動する第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、第１の態様による位置検出装置と、その第１干渉光の検出信号又はその第２干渉光の検出信号からその第１部材とその第２部材とのその格子パターン面の法線方向の相対移動量を計測する第３検出部と、を備え、その第３検出部は、その第１検出部で検出されるその第１相対位置を用いてその相対移動量の計測値のプリセットを行うものである。
【００１０】
また、第４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位置又は相対移動量を計測するための第１の態様による位置検出装置又は第３の態様によるエンコーダ装置と、を備えるものである。
【００１１】
また、第５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、第４の態様による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】
【００１２】
本発明の態様によれば、第１計測光の波長と第２計測光の波長、及び第１の入射角と第２の入射角の少なくとも一方が異なるため、第１干渉光の検出信号から格子パターン面の法線方向の相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる第１長さと、第２干渉光の検出信号からその法線方向の相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる第２長さとは異なっている。そして、その第１及び第２干渉光の検出信号から求められるその法線方向の第１相対位置の周期は、その第１長さ及び第２長さよりも長くなる。従って、回折格子を用いて計測を行う際に、相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる範囲（第１長さ又は第２長さ）を超えて、第１部材と第２部材との間の回折格子の格子パターン面の法線方向の絶対位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係るエンコーダを示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は図１中の第１干渉計の２回目の回折光を示す斜視図、（Ｂ）は第１干渉計の回折光を示す正面図である。
【図３】（Ａ）は図１の第２干渉計の回折光を示す正面図、（Ｂ）は第２干渉計において格子パターン面の高さが相対的に変化した場合を示す図、（Ｃ）は第２干渉計から得られるコントラスト信号と、第１及び第２干渉計から得られる差分信号を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図５】図４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６】図４の露光装置の制御系を示すブロック図である。
【図７】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】
【００１４】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態につき図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施形態に係るＸ軸及びＺ軸のエンコーダ１０Ｘの要部を示す斜視図である。図１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。本実施形態において、第１部材６と第２部材７はＺ方向にも或る程度相対移動可能である。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。
【００１５】
図１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の底面に固定されて回折格子１２Ｘに計測光を照射するＸ軸の第１干渉ヘッド１４Ｘ（第１検出ヘッド）及び第２干渉ヘッド１５Ｘ（第２検出ヘッド）と、干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘに計測用のレーザ光を供給するレーザ光源１６Ａ，１６Ｂと、第１干渉ヘッド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Ｘ方向及びＺ方向の相対移動量を求める移動量検出部４２Ｘと、２つの干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘ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Ｚ方向の絶対位置の原点を検出する原点信号演算部４３Ｘと、を有する。移動量検出部４２Ｘは第１演算部４１Ａ及び第２演算部４１Ｂを有する。また、回折格子１２Ｘ、２つの干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘ、レーザ光源１６Ａ，１６Ｂ、及び原点信号演算部４３Ｘを含んで原点検出装置１１Ｘが構成されている。従って、エンコーダ１０Ｘは、原点検出装置１１Ｘを含んでいる。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（不図示）も備えられている。
【００１６】
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１μｍ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。
【００１７】
レーザ光源１６Ａ，１６Ｂ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（Ｘ方向及びＺ方向）が互いに直交するとともに互いに周波数（波長）が異なる第１及び第２の直線偏光のレーザ光よりなる２周波ヘテロダイン光ＸＲ１，ＸＲ２を射出する。レーザ光源１６Ａ，１６Ｂは、第１及び第２の直線偏光のレーザ光から分岐した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）を移動量検出部４２Ｘの第１演算部４１Ａ及び原点信号演算部４３Ｘの第４演算部４１Ｄに供給する。なお、レーザ光源１６Ｂを省略して、レーザ光源１６Ａから出力されるヘテロダイン光から分岐したレーザビームを不図示の引き回し光学系を介して第２干渉ヘッド１５Ｘに供給してもよい。さらに、ヘテロダイン干渉方式の外にホモダイン干渉方式も使用可能である。
【００１８】
レーザ光源１６Ａから射出されたヘテロダイン光ＸＲ１は、第１干渉ヘッド１４Ｘのハーフミラー１８Ａで２分割され、一方の光束はミラー１８Ｂで反射されて偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）２８に入射し、他方の光束はそのままＰＢＳ２８に入射する。その２つの光束はＸ方向に離れてＹ軸に平行にＰＢＳ２８に入射する。その一方の光束は、ＰＢＳ２８のＰＢＳ面（偏光ビームスプリッタ面）２８ａを透過するＰ偏光の第１計測光ＭＸ１とＰＢＳ面２８ａで反射されるＳ偏光の第１参照光ＭＲ１とに分割される。その他方の光束は、ＰＢＳ面２８ａを透過するＰ偏光の第２計測光ＭＸ２とＰＢＳ面２８ａで反射されるＳ偏光の第２参照光ＭＲ２とに分割される。
【００１９】
ＰＢＳ２８は第２部材７の底面に固定され、ＰＢＳ２８の＋Ｘ方向の側面にＹ方向に隣接するように第１及び第２のコーナキューブ２９Ａ，２９Ｂが固定され、ＰＢＳ２８の＋Ｙ方向の側面及び−Ｘ方向の側面にそれぞれ１／４波長板３０Ａ，３０Ｂが固定されている。ＰＢＳ２８の−Ｘ方向の側面に対向するように、第２部材７下に、ＺＹ面に平行な反射面を持つミラー３５が固定されている。また、ＰＢＳ２８の＋Ｙ方向側に第２部材７によって支持されるように、第１計測光ＭＸ１用の第１の傾斜ミラー３２Ｘ、及び第２計測光ＭＸ２用の第２の傾斜ミラー３４Ｘが配置されている。ハーフミラー１８Ａ、ミラー１８Ｂ、ＰＢＳ２８、コーナキューブ２９Ａ，２９Ｂ、１／４波長板３０Ａ，３０Ｂ、ミラー３５、及び傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘを含んで第１干渉ヘッド１４Ｘが構成されている。また、第１干渉ヘッド１４Ｘは、ＰＢＳ２８の−Ｙ方向に配置された２つの偏光板３９Ａ，３９Ｂと、偏光板３９Ａ，３９Ｂを通過した干渉光を受光するフォトダイオード等の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢとを有する。
【００２０】
第１干渉ヘッド１４Ｘにおいて、ＰＢＳ２８のＰＢＳ面２８ａを透過した計測光ＭＸ１，ＭＸ２は、それぞれ１／４波長板３０Ａを介して傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘの平面の反射面に入射する。それらの反射面で反射された計測光ＭＸ１，ＭＸ２は、格子パターン面１２Ｘｂ上のＸ方向に離れた照射位置に交差するように入射する。
図２（Ｂ）は図１中の傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘの反射面等を示す図である。図２（Ｂ）において、傾斜ミラー３２Ｘ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となって入射する。
【００２１】
＋１次回折光のリトロー角φLIは、入射する計測光ＭＸ１と、この計測光ＭＸ１による回折格子１２Ｘからの＋１次回折光ＤＸ１とが平行になるときの計測光ＭＸ１の入射角である。なお、図２（Ｂ）では、分かり易いように、計測光ＭＸ１等と回折光ＤＸ１等とは僅かに角度を変えて示している。格子パターン１２ＸａのＸ方向の周期をｐ、計測光ＭＸ１の波長をλとすると、リトロー角φLIは次の関係を満たす。
【００２２】
２ｐ・sin φLI＝λ …（１）
一例として、回折格子１２Ｘの周期ｐを１０００ｎｍ、計測光ＭＸ１の波長λを６３３ｎｍとすると、リトロー角φLIはほぼ１８．５°になる。
このように計測光ＭＸ１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ＤＸ１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、０次光によるノイズ光の問題が生じる恐れがある。そこで、実際には、０次光の影響を軽減するために、計測光ＭＸ１の入射角はリトロー角φLIに対して所定角度、例えば０．５〜１．５°程度ずらしてもよい。
【００２３】
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方向の入射角も例えばその所定角度の１／２程度でずらしてもよい。計測光ＭＸ１による＋１次回折光ＤＸ１は、計測光ＭＸ１と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３２Ｘに戻される。
また、傾斜ミラー３４Ｘ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（−φLI）で入射する。なお、計測光ＭＸ２の入射角も計測光ＭＸ１と対称に角度（−φLI）から所定角度ずらしてもよい。傾斜ミラー３４Ｘから入射角（−φLI）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は、計測光ＭＸ２と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３４Ｘに戻される。
【００２４】
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３２Ｘ，３４Ｘの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図１の１／４波長板３０Ａを介してＳ偏光になってＰＢＳ２８に入射し、ＰＢＳ面２８ａで反射される。ＰＢＳ面２８ａで反射された回折光ＤＸ１，ＥＸ１は、それぞれコーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてＰＢＳ面２８ａに戻される。
【００２５】
一方、ＰＢＳ２８のＰＢＳ面２８ａで反射された参照光ＭＲ１，ＭＲ２は、図１に点線で示すようにそれぞれ１／４波長板３０Ｂを介してミラー３５の平面の反射面に入射する。そして、その反射面で反射された参照光ＭＲ１，ＭＲ２は、１／４波長板３０Ｂを介してＰ偏光になってＰＢＳ２８に入射して、ＰＢＳ面２８ａを透過し、それぞれコーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてＰＢＳ面２８ａに戻される。
【００２６】
図２（Ａ）に示すように、コーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてから、ＰＢＳ面２８ａに戻された回折光ＤＸ１，ＥＸ１は、それぞれＰＢＳ面２８ａで再度反射された後、１／４波長板３０Ａを介して傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘの反射面の低い位置に入射する。傾斜ミラー３２Ｘ，３４Ｘで反射された回折光ＤＸ１，ＥＸ１は、格子パターン面１２Ｘｂ上でそれぞれ図１の照射位置からほぼＹ方向に離れた照射位置に対称に入射する。
【００２７】
図２（Ｂ）において、傾斜ミラー３２Ｘの反射面の低い位置に入射した回折光ＤＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ１と平行に入射角φLI（リトロー角）で入射する。なお、回折光ＤＸ１の入射角もその角度φLIから所定角度ずらしてもよい。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に対する実質的な＋２次回折光）は、回折光ＤＸ１と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３２Ｘに戻される。
【００２８】
また、傾斜ミラー３４Ｘの反射面の低い位置に入射した回折光ＥＸ１は、その反射面で反射されて、回折格子１２Ｘに、計測光ＭＸ２と平行に（回折光ＤＸ１と対称に）入射角（−φLI）で入射する。なお、回折光ＥＸ１の入射角もその角度から所定角度ずらしてもよい。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に対する実質的な−２次回折光）は、回折光ＥＸ１と平行に（又はほぼ平行に）傾斜ミラー３４Ｘに戻される。
【００２９】
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３２Ｘ，３４Ｘの反射面でほぼ−Ｙ方向に反射されて、図２（Ａ）の１／４波長板３０Ａを介してＰ偏光になってＰＢＳ２８に入射し、ＰＢＳ面２８ａを透過する。ＰＢＳ面２８ａを透過した回折光ＤＸ２，ＥＸ２はそれぞれ偏光板３９Ａ，３９Ｂに入射する。
一方、コーナキューブ２９Ｂ，２９Ａで反射されてから、ＰＢＳ面２８ａに戻された参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、それぞれＰＢＳ面２８ａを再度透過した後、１／４波長板３０Ｂを介してミラー３５の反射面の低い位置に入射する。そして、ミラー３５の反射面で反射された参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、１／４波長板３０Ｂを介してＳ偏光となってＰＢＳ２８に入射し、ＰＢＳ面２８ａで反射される。ＰＢＳ面２８ａで反射された参照光ＲＸ１，ＲＸ２は、それぞれ偏光板３９Ａ，３９Ｂに入射して、回折光ＤＸ２，ＥＸ２と同軸に合成される。そして、回折光ＤＸ２（計測光ＭＸ１）及び参照光ＲＸ１よりなる＋１次の第１干渉光（ヘテロダインビーム）が光電センサ４０ＸＡで受光され、回折光ＥＸ２（計測光ＭＸ２）及び参照光ＲＸ２よりなる−１次の第１干渉光（ヘテロダインビーム）が光電センサ４０ＸＢで受光される。なお、計測光ＭＸ１，ＭＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２との光路長をほぼ等しくするために、ミラー３５の反射面に段差を設け、ＰＢＳ２８とミラー３５との距離を調整してもよい。また、第１干渉ヘッド１４Ｘの構成は任意であり、要は計測光ＭＸ１，ＭＸ２を互いにほぼ対称な入射角で回折格子１２Ｘに照射できればよい。
【００３０】
図１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）を移動量検出部４２Ｘの第１演算部４１Ａに供給する。一例として、第１演算部４１Ａ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加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）（ａ，ｂ１は既知の係数）を求め、求めた値を第２演算部４１Ｂ及び第３演算部４１Ｃに供給する。さらに、第１演算部４１Ａ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加重値の差（−ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）を求め、求めた値を第２演算部４１Ｂに供給する。第２演算部４１Ｂは、その加重和と加重値の差とを用いて、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）及び第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。さらに、第２演算部４１Ｂは、後述のように原点信号演算部４３Ｘから供給されるリセット信号ＳＲに応じてそのＺ方向の相対移動量（Ｚ）を０にリセットし、不図示の制御部から供給されるリセット信号に応じてそのＸ方向の相対移動量（Ｘ）を０にリセットする。なお、リセットの代わりに０以外の値をプリセットしてもよい。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。
【００３１】
本実施形態の第１干渉ヘッド１４Ｘ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。
【００３２】
次に、レーザ光源１６Ｂから射出されたヘテロダイン光ＸＲ２は、第２干渉ヘッド１５ＸのＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２７に入射して、ＰＢＳ２７のＰＢＳ面（偏光ビームスプリッタ面）で反射されるＳ偏光の第３計測光ＭＸ３とＰＢＳ面を透過するＰ偏光の第３参照光ＭＲ３とに分割される。
ＰＢＳ２７は第２部材７の底面に固定され、ＰＢＳ２７の−Ｙ方向の側面にコーナキューブ２９Ｄが固定され、ＰＢＳ２７の＋Ｘ方向側に第２部材７によって支持されるように、斜め下方を向いてコーナキューブ２９Ｃが配置されている。ＰＢＳ２７、コーナキューブ２９Ｃ，２９Ｄ、ＰＢＳ２７の＋Ｙ方向に配置された偏光板３９Ｃ、及び偏光板３９Ｃを通過した干渉光を受光するフォトダイオード等の光電センサ４０ＸＣを含んで第２干渉ヘッド１５Ｘが構成されている。
【００３３】
第２干渉ヘッド１５Ｘにおいて、ＰＢＳ２７のＰＢＳ面で反射された計測光ＭＸ３は、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂにほぼ垂直に入射する。
図３（Ａ）は図１中の第２干渉ヘッド１５Ｘを示す正面図である。図３（Ａ）において、０次光の影響を軽減するためには、計測光ＭＸ３は、格子パターン面１２Ｘｂに対して微小な入射角（例えば０．５〜１°程度）をもって入射してもよい。この計測光ＭＸ３によって格子パターン１２Ｘａからθｙ方向（Ｘ方向）に回折角φ01で＋１次回折光ＦＸ１が発生する。格子パターン１２Ｘａの周期ｐ及び計測光ＭＸ３の波長λを用いて、回折角φ01は次のようになる。
【００３４】
ｐ・sin φ01＝λ …（２）
この回折角φ01は式（１）で規定されるリトロー角φLIより大きい。一例として、周期ｐを１０００ｎｍ、計測光ＭＸ３の波長λを６３３ｎｍとすると、回折角φ01はほぼ３９．３°で、リトロー角φLIのほぼ２倍になる。本実施形態では、第２干渉ヘッド１５Ｘから回折格子１２Ｘに入射する計測光ＭＸ３の入射角（ほぼ０）は、第１干渉ヘッド１４Ｘから回折格子１２Ｘに入射する計測光ＭＸ１の入射角（ほぼリトロー角φLI）より小さく、計測光ＭＸ３によって発生する回折光ＦＸ１の回折角φ01は、計測光ＭＸ１によって発生する回折光ＤＸ１の回折角（ほぼリトロー角φLI）よりも大きい。
【００３５】
計測光ＭＸ３による＋１次回折光ＦＸ１は、コーナキューブ２９Ｃで対称にかつ平行に反射されて、計測光ＭＸ３の入射位置に対して−Ｘ方向にずれた位置で回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂにほぼ入射角φ01で入射する。このため、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂからほぼ垂直上方に、＋１次回折光ＦＸ１の−１次回折光ＦＸ２が発生し、発生した回折光ＦＸ２はＰＢＳ２７に戻る。
【００３６】
一方、図１において、ＰＢＳ２７のＰＢＳ面を透過した参照光ＭＲ３は、コーナキューブ２９Ｄで反射されてＰＢＳ面を透過する。また、ＰＢＳ２７に戻された回折光ＦＸ２はそのＰＢＳ面で反射されて参照光ＭＲ３と同軸に合成される。そして、回折光ＦＸ２（計測光ＭＸ３）及び参照光ＲＸ３よりなる第２干渉光（ヘテロダインビーム）が偏光板３９Ｃを介して光電センサ４０ＸＣで受光される。なお、計測光ＭＸ３と参照光ＲＸ３との光路長をほぼ等しくするために、ＰＢＳ２７とコーナキューブ２９Ｄとの間に光路引き回し用の光学系を配置してもよい。
【００３７】
光電センサ４０ＸＣは入射する干渉光を光電変換して得られる検出信号ＳＸＣ（ヘテロダイン信号）を原点信号演算部４３Ｘの第４演算部４１Ｄ及び第５演算部４１Ｅに供給する。一例として、第４演算部４１Ｄは、検出信号ＳＸＣとレーザ光源１６Ｂ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加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）（ａ，ｂ２は既知の係数）を求め、求めた値を第３演算部４１Ｃに供給する。第３演算部４１Ｃは、第１演算部４１Ａから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）と第４演算部４１Ｄから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）との差分を１周期（ここでは２π（ｒａｄ）とする）内の値に変換した差分信号ΔＦＺ（詳細後述）を求め、この差分信号ＦＺを原点信号出力部４１Ｆに供給する。
【００３８】
第５演算部４１Ｅは、検出信号ＳＸＣのうちの交流信号の割合を示すコントラスト信号ＳＣを求め、このコントラスト信号ＳＣを原点信号出力部４１Ｆに供給する。第１演算部４１Ａ、第３演算部４１Ｃ、第４演算部４１Ｄ、及び原点信号出力部４１Ｆから原点信号演算部４３Ｘが構成されている。
本実施形態において、図３（Ｂ）に示すように、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂが第２干渉ヘッド１５Ｘに対してＺ方向にδｚだけ相対的に変位したとする。このとき、格子パターン面１２Ｘｂは２点鎖線で示す位置Ａ１に移動するため、第２干渉ヘッド１５Ｘから回折格子１２Ｘに入射する計測光による＋１次回折光ＦＸ１の光路は点線の光路Ａ２にシフトする。そして、＋１次回折光ＦＸ１によって回折格子１２Ｘからほぼ垂直上方に発生する−１次回折光ＦＸ２の光路はＸ方向にδｘだけ点線の光路Ａ３までシフトする。この結果、ＰＢＳ２７で参照光ＭＲ３と回折光ＦＸ２とを合成したときに、参照光ＭＲ３の断面Ａ４と回折光ＦＸ２の断面Ａ５とが重なった部分の面積の割合が低下する。また、断面Ａ４と断面Ａ５とが重なった部分の光束を光電変換した信号がビート信号（交流信号）であり、その重なった部分の面積が小さくなると図１の検出信号ＳＣ中の交流信号の成分が小さくなり、コントラスト信号ＳＣも小さくなる。
【００３９】
この結果、図３（Ｃ）に示すように、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂの第２干渉ヘッド１５Ｘに対するＺ方向の相対位置が所定のＺｃであるときに、図１の第５演算部４１Ｅから出力されるコントラスト信号ＳＣは最大になり、Ｚ方向の相対位置がＺｃからはずれるとコントラスト信号ＳＣは小さくなる。そこで、一例として、図１の原点信号出力部４１Ｆでは、そのコントラスト信号ＳＣが最大値なるときの格子パターン面１２ＸｂのＺ方向の相対位置（Ｚｃ）をおおまかな原点Ｚｃとする。この大まかな原点Ｚｃは、仮にエンコーダ１０Ｘの電源をオフにした後でも、ほぼ同じ位置をある程度の再現性で特定できるという意味で、絶対位置とみなすことができる。
【００４０】
次に、第３演算部４１Ｃで求める差分信号ΔＦＺにつき説明する。まず、第３演算部４１Ｃでは、第１演算部４１Ａから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）と第４演算部４１Ｄから供給される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）との差分を位相に変換した原差分信号ΔＦＺＲを次のように求める。
ΔＦＺＲ＝２π｛（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）−（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）｝
＝２π（ｂ２−ｂ１）Ｚ …（３）
ここで、係数ｂ１は、第１干渉ヘッド１４Ｘを用いて検出される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）のＺ方向の周期（以下、フリンジ長という）Ｆｚ１を用いて次のようになる。同様に、係数ｂ２は、第２干渉ヘッド１５Ｘを用いて検出される加重和（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）のＺ方向の周期（以下、フリンジ長という）Ｆｚ２を用いて次のようになる。
【００４１】
ｂ１＝１／Ｆｚ１ …（４Ａ）、 ｂ２＝１／Ｆｚ２ …（４Ｂ）
フリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２とは、対応する加重和（検出信号）を位相で表したときに、その加重和の値が１周期である２π（ｒａｄ）変化するときのＺ方向の相対位置の変化量である。一例として、回折格子１２Ｘの周期ｐを１０００ｎｍ、計測光ＭＸ１〜ＭＸ３の波長λを６３３ｎｍとすると、フリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２（ここではＦｚ１＞Ｆｚ２）はほぼ次のような値になる。
【００４２】
Ｆｚ１＝１８９（ｎｍ） …（５Ａ）、 Ｆｚ２＝１７８（ｎｍ） …（５Ｂ）
式（４Ａ），（４Ｂ）を式（３）に代入すると次式が得られる。
ΔＦＺＲ＝２π（１／Ｆｚ２−１／Ｆｚ１）Ｚ
＝２π｛（Ｆｚ１−Ｆｚ２）／（Ｆｚ１・Ｆｚ２）｝Ｚ
＝２π（１／Ｆｓ）Ｚ …（６）
なお、式（６）中の合成フリンジ長Ｆｓは次式で表される。合成フリンジ長Ｆｓは原差分信号ΔＦＺＲが１周期である２π変化するときのＺ位置の変化量（周期）である。
【００４３】
Ｆｓ＝Ｆｚ１・Ｆｚ２／（Ｆｚ１−Ｆｚ２） …（７）
Ｆｚ１，Ｆｚ２として式（５Ａ），（５Ｂ）の値を式（７）に代入すると、合成フリンジ長Ｆｓは次のようにほぼ個々のフリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２の１６倍程度（ほぼ３μｍ）になる。
Ｆｓ≒３０００（ｎｍ）＝３（μｍ） …（８）
さらに、第３演算部４１Ｃでは、原差分信号ΔＦＺＲの値が０以上で２πより小さい範囲になるように、原差分信号ΔＦＺＲに±ｉ・２π（ｉは整数）を加算することで、次の差分信号ΔＦＺ（０≦ΔＦＺ＜２π）を得る。差分信号ΔＦＺは原点信号出力部４１Ｆに供給される。
【００４４】
ΔＦＺ＝２π（１／Ｆｓ）Ｚ±ｉ・２π …（９）
図３（Ｃ）に示すように、差分信号ΔＦＺは、Ｚ位置（回折格子１２Ｘと第２干渉ヘッド１５ＸとのＺ方向の相対位置）に関して周期Ｆｓ（合成フリンジ長）の周期関数となる。そこで、例えば不図示の駆動機構を介して、第２部材７と第１部材６とのＺ方向の相対位置を変化させながら、原点信号出力部４１Ｆでは、コントラスト信号ＳＣが最大値になるときのＺ位置（大まかな原点Ｚｃ）に最も近く、差分信号ΔＦＺが０になるとき（Ｚ位置がＺｓになるとき）にリセット信号ＳＲを第２演算部４１Ｂに出力する。第２演算部４１Ｂでは、そのリセット信号ＳＲに同期して、第１干渉ヘッド１４Ｘの検出信号から求められたＺ位置を０に設定する。これは、差分信号ΔＦＺが０になるときのＺ位置の値ＺｓをＺ位置の原点（絶対位置の原点）とすることを意味する。これ以降に計測されるＺ方向の相対位置（相対移動量）は、それまでのＺ位置Ｚｓを原点としたＺ方向の絶対位置とみなすことができる。
【００４５】
本実施形態では、差分信号ΔＦＺの周期（合成フリンジ長Ｆｓ）は第１干渉ヘッド１４Ｘの検出信号のＺ方向の周期（フリンジ長Ｆｚ１）の１０倍以上であり、その合成フリンジ長Ｆｓの範囲内では、差分信号ΔＦＺからＺ位置の絶対位置を求めることができる。また、コントラスト信号ＳＣを用いることによって、特定の周期の差分信号ΔＦＺを検出することができるため、その合成フリンジ長Ｆｓを超える範囲内で絶対位置の原点（Ｚｓ）を求めることができる。なお、一例として、第２部材７と第１部材６とのＺ方向の相対位置を設定する駆動機構が、合成フリンジ長Ｆｓよりも微細な精度でＺ方向の相対位置を設定できる場合には、コントラスト信号ＳＣを使用する必要はない。
【００４６】
また、本実施形態のＹ軸のエンコーダは、図１のＸ軸のエンコーダ１０Ｘとほぼ同じ構成であり、Ｙ軸のエンコーダの回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２（図５参照）は、回折格子１２Ｘを９０°回転した構成であり、Ｙ軸の検出ヘッドは第１干渉ヘッド１４Ｘ及び第２干渉ヘッド１５Ｘを９０°回転した構成である。
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方向及びＺ方向の相対移動量を計測するエンコーダ装置であり、エンコーダ１０Ｘは、第１部材６に対して相対移動する第２部材７の相対位置を検出する原点検出装置１１Ｘ（位置検出装置）を備えている。そして、原点検出装置１１Ｘは、第１部材６に設けられ、少なくともＸ方向を周期方向とする格子パターン１２Ｘａを有する反射型の回折格子１２Ｘと、計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ＸｂにＸ方向に関して第１の入射角（ほぼリトロー角φLI）で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ２と参照光ＭＲ１との＋１次の第１干渉光を検出する第１干渉ヘッド１４Ｘ（第１干渉計）と、計測光ＭＸ３を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ＸｂにＸ方向に関してその第１の入射角と異なる第２の入射角（ほぼ０°）で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＦＸ２と参照光ＭＲ３との第２干渉光を検出する第２干渉ヘッド１５Ｘ（第２干渉計）と、第１干渉ヘッド１４Ｘの検出信号（ａ・Ｘ＋ｂ１・Ｚ）及び第２干渉ヘッド１５Ｘの検出信号（ａ・Ｘ＋ｂ２・Ｚ）から第１部材６と第２部材７との格子パターン面１２Ｘｂの法線方向（Ｚ方向）の相対位置を表す差分信号ΔＦＺを求める原点信号演算部４３Ｘ（第１検出部）と、を備えている。計測光ＭＸ１，ＭＸ３の波長は互いに実質的に等しい。
【００４７】
また、本実施形態の原点検出装置１１Ｘを用いた位置検出方法は、第１部材６に設けられた回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂに第１干渉ヘッド１４Ｘから計測光ＭＸ１をＸ方向（回折格子１２Ｘの周期方向）に関して第１の入射角で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＤＸ２と参照光ＭＲ１との＋１次の第１干渉光を検出するステップと、第２干渉ヘッド１５Ｘから計測光ＭＸ３を回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ＸｂにＸ方向に関して第１の入射角と異なる第２の入射角で入射させ、回折格子１２Ｘからの回折光ＦＸ２と参照光ＭＲ３との第２干渉光を検出するステップと、原点信号演算部４３Ｘがその＋１次の第１干渉光の検出信号及びその第２干渉光の検出信号から第１部材６と第２部材７との格子パターン面１２Ｘｂの法線方向（Ｚ方向）の相対位置（第１相対位置）を表す差分信号ΔＦＺを求めるステップとを含んでいる。
【００４８】
本実施形態によれば、第１の入射角と第２の入射角とが異なるため、＋１次の第１干渉光の検出信号からＺ方向の相対移動量（第２相対位置）を計測する際に絶対位置を計測できる範囲であるフリンジ長Ｆｚ１（第１長さ）と、第２干渉光の検出信号からＺ方向の相対移動量（第３相対位置）を計測する際に絶対位置を計測できる範囲であるフリンジ長Ｆｚ２（第２長さ）とは異なっている。そして、その第１及び第２干渉光の検出信号から求められる差分信号ΔＦＺが表すＺ方向の相対位置（第１相対位置）の周期である合成フリンジ長Ｆｓは、そのフリンジ長Ｆｓ１及びＦｓ２よりも長くなる。従って、回折格子１２Ｘを用いて計測を行う際に、相対移動量を計測する際に絶対位置を計測できる範囲（フリンジ長Ｆｓ１，Ｆｓ２）を超えて、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２Ｘｂの法線方向の絶対位置を検出できる。
【００４９】
また、原点検出装置１１Ｘは、第２干渉ヘッド１５Ｘで得られる回折光ＦＸ２の横ずれ量（シフト量）から第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対位置（第４相対位置）に対応するコントラスト信号ＳＣを出力する第５演算部４１Ｅ（第２検出部）を備え、原点信号演算部４３Ｘ（第１検出部）は、その第５演算部４１Ｅから出力されるコントラスト信号ＳＣ（第４相対位置）が例えば最大値になるときの周期内で、その差分信号ΔＦＺが所定の値（例えば０）になるときのＺ位置（第１相対位置）Ｚｓを求めている。例えばこのＺ位置Ｚｓを基準にして相対移動量を計測することによって、差分信号ΔＦＺの１周期（合成フリンジ長Ｆｓ）を超える範囲でＺ方向の絶対位置を求めることができる。
【００５０】
なお、Ｚ方向の相対位置を合成フリンジ長Ｆｓを超える範囲で検出するために、回折光ＦＸ２の横ずれ量を検出する以外の方法を用いる他のＺ位置センサ（例えば静電容量センサ又は近接スイッチ等）を用いてもよい。
また、エンコーダ１０Ｘは、その＋１次の第１干渉光の検出信号と、第１干渉ヘッド１４Ｘから回折格子１２Ｘに照射される計測光ＭＸ２によって発生する−１次回折光ＥＸ２と参照光ＭＲ２との−１次の第１干渉光の検出信号とから第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対移動量を計測する第２演算部４１Ｂ（第３検出部）を備え、第２演算部４１Ｂは、原点信号演算部４３Ｘで検出されるＺ位置Ｚｓ（第１相対位置）を用いてそのＺ方向の相対移動量の計測値のプリセット（０へのリセットを含む）を行う。これによって、２つの部材６，７間の相対移動量をそのＺ位置Ｚｓを基準とした絶対位置として計測できる。
【００５１】
また、エンコーダ１０Ｘは、＋１次の第１干渉光及び−１次の第１干渉光の検出信号から２つの部材６，７間の回折格子１２Ｘの周期方向（Ｘ方向）の相対移動量も求めている。従って、第１干渉ヘッド１４Ｘの構成をさらに複雑化することなく、Ｘ方向及びＺ方向の相対移動量を求めることができる。
なお、本実施形態では、第１干渉ヘッド１４Ｘ及び第２干渉ヘッド１５Ｘはそれぞれ回折格子１２Ｘから２回目の回折で発生する回折光と参照光との干渉光を検出しているが、干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘは回折格子１２Ｘから１回目の回折で発生する回折光と参照光との干渉光を検出してもよい。また、第１干渉ヘッド１４Ｘと第２干渉ヘッド１５Ｘとは回折格子１２Ｘの周期方向（Ｘ方向）にずらして配置してもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、第１干渉ヘッド１４Ｘはほぼリトロー角で計測光ＭＸ１を回折格子１２Ｘに入射させ、第２干渉ヘッド１５Ｘは計測光ＭＸ３をほぼ垂直に回折格子１２Ｘに入射させ、同じ次数（±１次）の回折光を検出している。この他の構成として、第１干渉ヘッド１４Ｘ，１５Ｘとして、回折格子１２Ｘに対する計測光ＭＸ１，ＭＸ３の入射角がＸ方向に関するリトロー角よりも小さい角度で異なっているような干渉計を使用してもよい。要は、Ｚ方向の相対位置の周期であるフリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２が互いに異なっていれば合成フリンジ長Ｆｓが長くなるため、上記の実施形態のように広い範囲で絶対位置を計測できる。
【００５３】
また、第２干渉ヘッド１５Ｘとして、第１干渉ヘッド１４Ｘと同じ構成の干渉計を使用し、計測光ＭＸ３として計測光ＭＸ１と波長が例えば±１０％程度異なるレーザ光（ヘテロダイン光）を使用して、その計測光ＭＸ３をほぼリトロー角で回折格子１２Ｘに入射させてもよい。第１干渉ヘッド１４Ｘとして、第２干渉ヘッド１５Ｘと同じ構成の干渉計を使用し、計測光ＭＸ１として計測光ＭＸ３と波長が例えば±１０％程度異なるレーザ光（ヘテロダイン光）を使用して、その計測光ＭＸ１をほぼ垂直に回折格子１２Ｘに入射させてもよい。これらの場合にも、Ｚ方向の相対位置の周期であるフリンジ長Ｆｚ１，Ｆｚ２が互いに異なるため、上記の実施形態のように広い範囲で絶対位置を計測できる。
【００５４】
［第２の実施形態］
第２の実施形態につき図４〜図６を参照して説明する。図４は、本実施形態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、一例として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。
【００５５】
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６参照）を備えている。
【００５６】
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６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。
【００５７】
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６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。
【００５８】
図４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。
【００５９】
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６参照）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。
【００６０】
図４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６参照）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６参照）、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６参照）、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。
【００６１】
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。
【００６２】
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５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Ｘ軸の第１及び第２の回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２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Ｙ軸の回折格子１２Ｙ１，１２Ｙ２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。
【００６３】
また、図４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Ｙ方向に挟むように、図１のＸ軸の第１干渉ヘッド１４Ｘと同じ構成の複数の第１干渉ヘッド１４Ｘが固定され、投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように、第１干渉ヘッド１４Ｘを９０°回転した構成の複数のＹ軸の第１干渉ヘッド１４Ｙが固定されている（図５参照）。また、図５に示すように、投影光学系ＰＬを挟む１対の第１干渉ヘッド１４ＸにＹ方向に近接して図１の第２干渉ヘッド１５Ｘと同じ構成の第２干渉ヘッド１５Ｘが固定され、投影光学系ＰＬを挟む１対のＹ軸の第１干渉ヘッド１４ＹにＸ方向に近接して第２干渉ヘッド１５Ｘを９０°回転した構成の第２干渉ヘッド１５Ｙが固定されている。また、複数の第１干渉ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ及び第２干渉ヘッド１５Ｘ，１５Ｙ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。
【００６４】
図５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、常に複数の第１干渉ヘッド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。各第１干渉ヘッド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移動量検出部４２Ｘ（図６）に供給する。移動量検出部４２Ｘでは、図１の移動量検出部４２Ｘ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。
【００６５】
また、図６において、第１干渉ヘッド１４Ｘ及び第２干渉ヘッド１５Ｘの検出信号からＺ方向の絶対位置を求める原点信号演算部４３Ｘ（図１の原点信号演算部４３Ｘと同じ演算部）が設けられ、必要に応じて原点信号演算部４３Ｘからのリセット信号で移動量検出部４２ＸのＺ方向の相対移動量がリセットされる。計測値切り替え部８０Ｘでは、回折格子１２Ｘ１，１２Ｘ２に対向している第１干渉ヘッド１４Ｘに対応する移動量検出部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。
【００６６】
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６）に供給する。計測演算部４２Ｙでは、移動量検出部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。また、図６において、第１干渉ヘッド１４Ｙ及び第２干渉ヘッド１５Ｙの検出信号からＺ方向の絶対位置を求める原点信号演算部４３Ｙ（図１の原点信号演算部４３Ｘと同じ構成の演算部）が設けられ、必要に応じて原点信号演算部４３Ｙからのリセット信号で移動量検出部４２ＹのＺ方向の相対移動量がリセットされる。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。
【００６７】
複数の第１干渉ヘッド１４Ｘ、第２干渉ヘッド１５Ｘ、レーザ光源（不図示）、移動量検出部４２Ｘ、原点信号演算部４３Ｘ、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、第２干渉ヘッド１５Ｙ、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２Ｙ、原点信号演算部４３Ｙ、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。
【００６８】
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。
【００６９】
この際に、第１干渉ヘッド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、第１干渉ヘッド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、第２干渉ヘッド１５Ｘ，１５Ｙ及び原点信号演算部４３Ｘ，４３Ｙ（原点検出装置）を備えているため、例えば露光装置ＥＸの稼働開始時（例えば電源オン時）に、エンコーダ装置８Ｂで計測されるＺ方向の相対移動量を再現性のある状態でリセットできる。従って、例えば機械的なリミットスイッチ等を用いることなく、エンコーダ装置８Ｂの運用を容易に行うことができる。
【００７０】
なお、本実施形態では、計測フレーム１５０側に干渉ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ，１５Ｘ，１５Ｙ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側に干渉ヘッド１４Ｘ，１４Ｙ，１５Ｘ，１５Ｙ等を配置してもよい。
【００７１】
また、上記の実施形態の露光装置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７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。
【００７２】
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、上記の実施形態によれば、エンコーダ装置８Ｂを用いて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。
【００７３】
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。
【００７４】
また、上記の実施形態のエンコーダ１０Ｘ等は、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】
【００７５】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＭＸ１〜ＭＸ３…計測光、ＲＸ１〜ＲＸ３…参照光、１０Ｘ…Ｘ軸及びＺ軸のエンコーダ、１１Ｘ…原点検出装置、１２Ｘ…Ｘ軸の回折格子、１４Ｘ…第１干渉ヘッド、１５Ｘ…第２干渉ヘッド、１６Ａ，１６Ｂ…レーザ光源、４０ＸＡ〜４０ＸＣ…光電センサ、４１Ｃ…第３演算部、４２Ｘ…移動量検出部、４３Ｘ…原点信号演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出装置であって、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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、
第１計測光を前記回折格子の格子パターン面に前記第１方向に関して第１の入射角で入射させ、前記回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出する第１干渉計と、
第２計測光を前記回折格子の格子パターン面に前記第１方向に関して第２の入射角で入射させ、前記回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出する第２干渉計と、
前記第１干渉光の検出信号及び前記第２干渉光の検出信号から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求める第１検出部と、を備え、
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長、及び前記第１の入射角と前記第２の入射角の少なくとも一方が異なることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記第１干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第２相対位置の周期をＦｚ１、前記第２干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第３相対位置の周期をＦｚ２（Ｆｚ２＜Ｆｚ１）として、
前記第１検出部は前記第１相対位置を次の１周期の範囲内で求めることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
１周期＝Ｆｚ１・Ｆｚ２／（Ｆｚ１−Ｆｚ２）
【請求項３】
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長とは実質的に同じであり、
前記第１の入射角と前記第２の入射角とが異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記第１計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼリトロー角で入射し、
前記第２計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼ垂直に入射し、
前記第１回折光及び前記第２回折光の次数が同じであることを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記第１の入射角と前記第２の入射角とは前記回折格子の前記第１方向に関するリトロー角よりも小さい角度で異なっていることを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記第１回折光及び前記第２回折光の少なくとも一方の横ずれ量から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第４相対位置を検出する第２検出部を備え、
前記第１検出部は、前記第２検出部で検出される前記第４相対位置に応じた周期内で、前記第１相対位置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位置検出装置。
【請求項７】
前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第４相対位置を求めるセンサを備え、
前記第１検出部は、前記センサで求められる前記第４相対位置に応じた周期内で、前記第１相対位置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位置検出装置。
【請求項８】
第１部材に対して少なくとも相対移動する第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、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置検出装置と、
前記第１干渉光の検出信号又は前記第２干渉光の検出信号から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の相対移動量を計測する第３検出部と、を備え、
前記第３検出部は、前記第１検出部で検出される前記第１相対位置を用いて前記相対移動量の計測値のプリセットを行うことを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項９】
第１部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出方法であって、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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の格子パターン面に第１計測光を前記第１方向に関して第１の入射角で入射させ、前記回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出することと、
第２計測光を前記回折格子の格子パターン面に前記第１方向に関して第２の入射角で入射させ、前記回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出することと、
前記第１干渉光の検出信号及び前記第２干渉光の検出信号から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求めることと、を含み、
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長、及び前記第１の入射角と前記第２の入射角の少なくとも一方が異なることを特徴とする位置検出方法。
【請求項１０】
前記第１干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第１相対位置の周期をＦｚ１、前記第２干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第２相対位置の周期をＦｚ２（Ｆｚ２＜Ｆｚ１）として、
前記第１相対位置を次の１周期の範囲内で求めることを特徴とする請求項９に記載の位置検出方法。
１周期＝Ｆｚ１・Ｆｚ２／（Ｆｚ１−Ｆｚ２）
【請求項１１】
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長とは実質的に同じであり、
前記第１計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼリトロー角で入射し、
前記第２計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼ垂直に入射し、
前記第１回折光及び前記第２回折光の次数が同じであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の位置検出方法。
【請求項１２】
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相対移動可能なステージと、
前記フレームに対する前記ステージの相対位置を検出するための請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置検出装置と、を備えることを特徴とする露光装置。
【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相対移動可能なステージと、
前記フレームに対する前記ステージの相対移動量を計測するための請求項８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１２又は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部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出装置であって、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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、
第１計測光を前記回折格子の格子パターン面に前記第１方向に関して第１の入射角で入射させ、前記回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出する第１干渉計と、
第２計測光を前記回折格子の格子パターン面に前記第１方向に関して第２の入射角で入射させ、前記回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出する第２干渉計と、
前記第１干渉光の検出信号及び前記第２干渉光の検出信号から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求める第１検出部と、を備え、
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長、及び前記第１の入射角と前記第２の入射角の少なくとも一方が異なることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記第１干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第２相対位置の周期をＦｚ１、前記第２干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第３相対位置の周期をＦｚ２（Ｆｚ２＜Ｆｚ１）として、
前記第１検出部は前記第１相対位置を次の１周期の範囲内で求めることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
１周期＝Ｆｚ１・Ｆｚ２／（Ｆｚ１−Ｆｚ２）
【請求項３】
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長とは実質的に同じであり、
前記第１の入射角と前記第２の入射角とが異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記第１計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼリトロー角で入射し、
前記第２計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼ垂直に入射し、
前記第１回折光及び前記第２回折光の次数が同じであることを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記第１の入射角と前記第２の入射角とは前記回折格子の前記第１方向に関するリトロー角よりも小さい角度で異なっていることを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記第１回折光及び前記第２回折光の少なくとも一方の横ずれ量から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第４相対位置を検出する第２検出部を備え、
前記第１検出部は、前記第２検出部で検出される前記第４相対位置に応じた周期内で、前記第１相対位置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位置検出装置。
【請求項７】
前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第４相対位置を求めるセンサを備え、
前記第１検出部は、前記センサで求められる前記第４相対位置に応じた周期内で、前記第１相対位置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位置検出装置。
【請求項８】
第１部材に対して少なくとも相対移動する第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、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置検出装置と、
前記第１干渉光の検出信号又は前記第２干渉光の検出信号から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の相対移動量を計測する第３検出部と、を備え、
前記第３検出部は、前記第１検出部で検出される前記第１相対位置を用いて前記相対移動量の計測値のプリセットを行うことを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項９】
第１部材に対して相対移動する第２部材の相対位置を検出する位置検出方法であって、
前記第１部材及び前記第２部材の一方に設けられ、少なくとも第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の格子パターン面に第１計測光を前記第１方向に関して第１の入射角で入射させ、前記回折格子からの第１回折光と第１参照光との第１干渉光を検出することと、
第２計測光を前記回折格子の格子パターン面に前記第１方向に関して第２の入射角で入射させ、前記回折格子からの第２回折光と第２参照光との第２干渉光を検出することと、
前記第１干渉光の検出信号及び前記第２干渉光の検出信号から前記第１部材と前記第２部材との前記格子パターン面の法線方向の第１相対位置を求めることと、を含み、
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長、及び前記第１の入射角と前記第２の入射角の少なくとも一方が異なることを特徴とする位置検出方法。
【請求項１０】
前記第１干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第１相対位置の周期をＦｚ１、前記第２干渉光の検出信号から求められる前記法線方向の第２相対位置の周期をＦｚ２（Ｆｚ２＜Ｆｚ１）として、
前記第１相対位置を次の１周期の範囲内で求めることを特徴とする請求項９に記載の位置検出方法。
１周期＝Ｆｚ１・Ｆｚ２／（Ｆｚ１−Ｆｚ２）
【請求項１１】
前記第１計測光の波長と前記第２計測光の波長とは実質的に同じであり、
前記第１計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼリトロー角で入射し、
前記第２計測光は前記格子パターン面に前記第１方向に関してほぼ垂直に入射し、
前記第１回折光及び前記第２回折光の次数が同じであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の位置検出方法。
【請求項１２】
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相対移動可能なステージと、
前記フレームに対する前記ステージの相対位置を検出するための請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置検出装置と、を備えることを特徴とする露光装置。
【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相対移動可能なステージと、
前記フレームに対する前記ステージの相対移動量を計測するための請求項８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１２又は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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０１０８４（Ｐ２０１３−１０１０８４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５９８３（Ｐ２０１１−２４５９８３）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【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５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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