変位測定装置、露光装置、及び精密加工機器
【課題】 高精度に物体の変位量を測定可能な変位測定装置を提供することを目的とすること。また、特にそれを具備した露光装置、及び精密加工機器を提供すること。
【解決手段】 変位測定装置２００は、格子パターン４が形成されたスケール５と、スケール５に光を照射する光源１と、光源１からの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板６と、波長板６を透過した複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子７と、干渉させた光を受光する受光素子１０とを備える。そして、波長板６に入射する複数の回折光が互いに偏光方向の等しい直線偏光になるように、光源１からの光を直線偏光に変換する直線偏光生成手段５０を備える。
【解決手段】 変位測定装置２００は、格子パターン４が形成されたスケール５と、スケール５に光を照射する光源１と、光源１からの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板６と、波長板６を透過した複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子７と、干渉させた光を受光する受光素子１０とを備える。そして、波長板６に入射する複数の回折光が互いに偏光方向の等しい直線偏光になるように、光源１からの光を直線偏光に変換する直線偏光生成手段５０を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、格子干渉型の変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、露光装置、検査機器、精密加工機器及び、精密測定器においては、物体（変位物体）の位置情報、移動量、回転量等の変位量を測定する目的で、ロータリーエンコーダおよびリニアエンコーダ等の変位測定装置（エンコーダ）が多く使用されている。その中で、高精度に変位量を測定する方式として、光の回折干渉現象を応用した格子干渉型のエンコーダが知られている。格子干渉型エンコーダは、格子パターン（例えば、回折格子）が形成されたスケールに対してコヒーレントな光を入射させ、格子パターンにより回折した回折光を干渉させて、得られた干渉光の位相変化に基づいてスケールの変位量を求める装置である。
【０００３】
特許文献１には、所望のパターンを基板に転写する露光装置に、格子干渉型の変位測定装置を適用した場合について記載されている。変位測定装置は、基板を支持するウエハステージの基準フレームに対する変位を測定する。基準フレームには回折格子が取り付けられ、ウエハステージ上の対応する部分に取り付けられたエンコーダにより、ウエハステージの基準フレームに対する変位が測定される。特許文献１においては、第１の回折格子を用いて放射ビームを例えば＋１次回折光および−１次回折光に分割した後、それぞれの光路中に配置された直線偏光子により、偏光方向が互いに直角の向きとなる直線偏光に変換させる。そして、±１次回折光を第２の回折格子に入射させ、回折した光を重ね合わせて干渉させて、＋１次回折光と−１次回折光の位相差の変化から、第１の回折格子に対する第２の回折格子の変位を測定する。特許文献１では、直線偏光子を介して得られる直線偏光の偏光方向が互いに直角になるように直線偏光子を配置させることで、＋１次回折光と−１次回折光を区別できるようにしている。
【０００４】
格子干渉型エンコーダにおいては、位相変化をいかに細かく測定出来るかが、高精度な測定を行う上で重要となる。位相変化を高精度に測定するには回折格子の格子ピッチを小さくした微細スケールを用いることが重要である。微細スケールの製造方法としては、レーザビームを用いてスケールに格子パターンを描画するレーザ描画方式（特許文献２）や、エッチングにより層を選択的に除去して凸凹の段差形状を形成するエッチング方式が一般的に知られている。
【０００５】
しかし、レーザ描画方式によるスケールの製造においては、半導体レーザの出力変化や描画装置の光学系に起因して加工面におけるビーム径が変化するため、均一な線幅及び段差を有する格子パターンを作製することが難しい。また、エッチング方式においては、格子パターン側壁部のエッチングばらつき及び金属層の膜厚むらの影響により、均一な線幅及び段差の格子パターンを作製することが困難になる。従って、微細スケールの作製においては、格子パターンの線幅ばらつきや段差変動などの製造誤差が生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２９２７３５
【特許文献２】特登録０３４３５６０１
【特許文献３】特開２００８−１８５４７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そのため、格子パターンの線幅及び段差が均一でない場合には、スケール回折時の位相変化量が測定位置に応じて変化する。このため、スケール上の測定位置に応じて異なる大きさの計測誤差が発生し、正確に物体の変位測定を行うことが困難になる。また、干渉信号波形の交流成分の変化と直流成分の変化のほかに、重ね合わせる回折光の位相差の変化により、スケール上の測定位置に応じて変化する計測誤差が発生する。このため、特許文献３のように取得した干渉信号を補正する方法では、スケールの製造誤差に伴う計測誤差を十分に補正することができず、高精度な計測を行うことが難しい。
【０００８】
このため、本発明は、高精度に物体の変位量を測定可能な変位測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の変位測定装置は、格子パターンが形成されたスケールと、前記スケールに光を照射する光源と、前記スケールからの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板と、前記波長板を透過した前記複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子と、干渉させた光を受光する受光素子とを備え、前記波長板に入射する前記複数の回折光が互いに偏光方向の等しい直線偏光になるように、前記光源からの光を直線偏光に変換する直線偏光生成手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高精度に物体の変位量を測定可能な変位測定装置を提供することが出来る。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１としての変位測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明が解決する製造誤差について説明するための図である。
【図３】本発明が解決する従来例の製造誤差に伴う構造複屈折の影響を説明するための図である。
【図４】本発明が解決する従来例の製造誤差に伴う構造複屈折の影響を説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態２としての変位測定装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３としての露光装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態４としてのレーザ加工装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１（Ａ）は、本発明の一側面としての変位測定装置２００の構成を示す概略図である。図１（Ａ）では、紙面に対して垂直な方向をＹ方向とし、Ｙ方向に垂直で紙面の左右方向をＸ方向とし、Ｘ方向とＹ方向に垂直で紙面上下方向をＺ方向とする。変位測定装置２００は、検出ヘッド１００とスケール５で構成される装置であり、検出ヘッド１００とスケール５のＸ方向への相対的な変位量を測定する。検出ヘッド１００は、レーザ光源１と、コリメータレンズ２と、ミラー３と、偏光板５０と、λ／４板６と、基準回折格子７（光学素子）と、ビームスプリッタ（ＢＳ）８と、偏光板９と、受光素子１０で構成される。なお、ミラー３、λ／４板６、偏光板９、受光素子１０については、それぞれ３ａ〜３ｃ、６ａと６ｂ、９ａと９ｂ、１０ａと１０ｂを含むものとする。また、本実施形態においては、直線偏光生成手段として偏光板５０を適用し、波長板としてλ／４板６を適用した場合について説明する。
【００１４】
図１（Ａ）において、レーザ光源１より射出されたコヒーレントな光を、コリメータレンズ２を介して平行光束として、ミラー３ａで反射させる。その後、偏光板５０を介して直線偏光とした後、スケール５に偏光板５０を透過した光を垂直に入射させる。スケール５に入射した光は格子パターン４により回折し、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−との複数の回折光に分岐する。スケール５には１次元の格子パターン４が形成されており、Ｘ方向を周期方向、Ｙ方向を格子方向とする。格子パターン４はＹ方向に沿って格子パターン４の多数の溝が形成されている。このため、図１（Ａ）の変位測定装置２００では、Ｘ方向が計測方向、Ｙ方向が非計測方向となる。
【００１５】
ここで、スケールの変位量をΔＸ、スケールの格子ピッチをＰとすると、移動前後でのｍ次回折光の１回反射における位相変化量Δφは、
Δφ＝２πｍΔＸ／Ｐ ・・・（式１）
で表される。従って、１次回折光（ｍ＝１）の場合には、格子を１ピッチ移動させると、位相が２πだけ変化する。このため、＋１次回折光と−１次回折光を重ね合わせる場合には、格子１ピッチの移動に対して相対的に４πの位相変化が生じる。この結果、格子１ピッチの移動に対して、２周期の位相変化が発生する。上記のように、格子干渉型エンコーダによる変位測定においてはスケールを格子パターンの周期方向へ移動させて、位相変化量を測定することにより変位量を求める。このため上記のように位相変化量Δφは（式１）のように表されるから、格子ピッチを小さくすることで、格子１ピッチのスケールの移動に伴う位相変化量Δφが大きくなる。ピッチを小さくすることで、位相変化を細かく測定することが可能となるため、高精度な変位測定を実現することが出来る。従って、高い精度で測定を行うためには、いかに細かい格子ピッチの微細スケールを用いるかが重要なポイントとなる。
【００１６】
ここで、格子パターン４により二つに分岐された回折光の回折角θ１は、回折次数をｍ、レーザ光源１の波長をλ、格子パターン４の格子ピッチをＰとすると、
Ｐ・ｓｉｎθ１＝ｍλ ・・・（式２）
で表される。なお、＋１次回折光Ｒ＋の光束が進む方向をＩ２、−１次回折光Ｒ−の光束が進む方向をＩ２’と定義する。また、Ｙ方向とＩ２に垂直な方向をＩ１、Ｙ方向とＩ２’に垂直な方向をＩ１’と定義する。
【００１７】
次に、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−をミラー３ｂ、３ｃでそれぞれ反射させた後、λ／４板６ａ、６ｂを介して、基準回折格子７に入射角θ２で入射させる。
【００１８】
ここで、λ／４板６ａ、６ｂの光軸は、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−の偏光方向に対してそれぞれ＋４５度および−４５度の角度となるように配置される。すなわち、λ／４板６ａ、６ｂを介した後に、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−がそれぞれ右回り円偏光と左回り円偏光となるように、λ／４板６ａ、６ｂが配置される。なお、円偏光の偏光状態は互いに反対周りの偏光であればよく、上記の場合に限定されない。また、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−を基準回折格子７の面と垂直方向に回折させるため、基準回折格子７への入射角θ２は、基準回折格子７の格子ピッチをｄとした場合、以下の式で表される。
ｄ・ｓｉｎθ２＝ｍλ ・・・（式３）
つまり、（式３）を満たす入射角θ２で＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−を基準回折格子７に入射させることにより、基準回折格子７の面に垂直な方向に回折させて、重ね合わせて干渉させる。
【００１９】
その後、重ね合わせた干渉光をビームスプリッタ８で２光束に分割する。分割した２光束をそれぞれ偏光板９ａ、９ｂを介して受光素子１０ａ、１０ｂで受光する。受光素子１０ａ、１０ｂには、例えば、フォトダイオードまたはＣＣＤなどの光電変換素子を用いることができる。受光素子は光電変換された干渉信号から、信号の強度に関する情報を取得する。
【００２０】
ここで、偏光板９ａと９ｂは、互いに４５度ずれた偏光成分を取り出すように配置される。これにより、受光素子１０ａ、１０ｂでは互いに９０度の位相差をもつ２相の正弦波信号が検出され、信号の強度に関する情報を取得する。信号の強度に基づいて、スケール５の変位量を、方向を含めて識別することができる。２相の正弦波信号は、初期位相をφ０、スケール５と検出ヘッド１００の相対変位量をΔＸとした場合、それぞれ以下の式で表される。
Ｉ１＝Ａ・ｃｏｓ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０） ・・・（式４−１）
Ｉ２＝Ａ・ｃｏｓ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０＋π／２）
＝−Ａ・ｓｉｎ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０） ・・・（式４−２）
ここで、Ｉ１／Ｉ２より、
Ｉ１／Ｉ２＝−ｔａｎ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０） ・・・（式４−３）
であるから、
ΔＸ＝｛ａｒｃｔａｎ（−Ｉ１／Ｉ２）−φ０｝・Ｐ／４π ・・・（式４−４）
と表せる。なお、（式４−１）と（式４−２）においては、２相の正弦波信号の振幅をＡとし、等しいものとしたが、強度が異なる場合には、事前に振幅を揃えるように倍率をかける必要がある。
【００２１】
図１（Ａ）の変位測定装置２００において、±１次回折光を使用した場合、受光素子１０ａまたは１０ｂ上における干渉の明暗周期は、スケール５に形成された格子パターン４の１ピッチ分の変位が正弦波信号の２周期に相当する。従って、受光素子１０ａまたは１０ｂで受光される干渉光の明暗の数に基づいてスケール５の変位量を求めることができる。
【００２２】
本発明者が鋭意検討した結果、従来技術を用いた場合の格子パターンの製造誤差に伴う計測誤差が発生することが分かった。発生メカニズムについて図２、図３、図４を用いて説明する。図２は、格子パターン４が形成されたスケール５を示す図である。図２（Ａ）はスケール５をＺ方向から見た図、図２（Ｂ）はスケール５をＹ方向から見た図である。説明を簡略化するため、スケール５には一定の長さの格子ピッチＰで３つのパターンが形成されている。先述のように、レーザ描画及びエッチングにより、格子パターンの作製時に、その線幅及び段差に製造誤差が生じる。このため、図２に示すように、格子パターン４の線幅（Ｄ１〜Ｄ３）と段差（Ｈ１〜Ｈ３）にはそれぞればらつきが生じる。この格子パターン４の製造誤差に伴う構造複屈折の影響で、以下の２つの要因により計測誤差が発生する。
【００２３】
第１の要因として、スケール回折時の位相差のずれが挙げられる。ここでは、従来技術として一般的な図３（Ａ）の変位測定装置４０１を例に、位相差のずれについて説明する。変位測定装置４０１では、偏光ビームスプリッタ１２を用いて分離させた、異なる偏光方向の光束ＬＴ、ＬＲをスケール５に斜め入射させて、回折光を干渉させる。これにより、検出ヘッド３０１とスケール５のＸ方向への相対的な変位量を測定する。検出ヘッド３０１においては、偏光ビームスプリッタを透過する光束ＬＴはＰ偏光、反射された光束ＬＲはＳ偏光となる。ここで、スケール５の格子パターン４が図２のように製造誤差を有すると、構造複屈折の影響によりスケール回折時の位相変化量にはＳ偏光成分とＰ偏光成分で違いが生じる。変位測定装置４０１では、Ｓ偏光とＰ偏光をスケール５に入射させるため、スケール５で回折された光束ＬＴ、ＬＲの偏光特性は、それぞれＰ偏光とＳ偏光となる。図３（Ｂ）には、検出ヘッド３０１とスケール５を相対的に変位させた場合に検出される光束ＬＴ、ＬＲの信号強度変化を示す。図３（Ｂ）のように、構造複屈折の影響により、スケール回折時の位相変化量に違いが生じるため、検出される光束ＬＴ、ＬＲには位相差のずれφ１が生じる。前述のように、格子干渉型エンコーダにおいては、干渉させる２つの光の位相変化に基づいて変位量を測定するため、位相差のずれφ１に伴って計測誤差が発生する。従って、スケール５上の格子パターン４に線幅ばらつき及び段差変動が生じる場合には、計測リニアリティが低下する。なお、図３（Ａ）の構成に限らず、異なる偏光特性の２つの回折光を干渉させる構成においては、構造複屈折に伴い位相差にずれが発生する。そのため、スケール５の格子パターン４に線幅ばらつき及び段差変動が生じると測定位置に応じて変化する計測誤差が発生する。
【００２４】
続いて、第２の要因として、スケール回折時の偏光特性の変化が挙げられる。ここで、従来技術として一般的な図４（Ａ）の変位測定装置４０２を例に、偏光特性の変化について説明する。変位測定装置４０２では、スケール５に右回り円偏光と左回り円偏光を斜めに入射させて、回折光を干渉させることにより、検出ヘッド３０２とスケール５のＸ方向への相対的な変位量を測定する装置である。すなわち、レーザ光源１を射出した光を基準回折格子７で回折させ、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−をλ／４板６を介してスケール５に入射させた後、スケール５で回折されて重ね合わせた干渉光を、偏光板９ａ、９ｂを介して受光素子１０ａ、１０ｂで受光する。ここで、構造複屈折の影響により、スケール回折時の回折効率と位相変化量にＳ偏光成分とＰ偏光成分で違いが生じるため、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性は楕円偏光となる。変位測定装置４０２において、偏光板９ａ、９ｂにより取り出される偏光成分と、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−との関係を図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）においては、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性は楕円偏光となるため、受光素子１０ａ、１０ｂで受光される光の干渉信号の強度変化にはばらつきが生じる。ここで、スケール回折時の偏光特性の変化に伴う干渉信号の強度変化のばらつきについて詳細に説明するために、変位測定装置４０２において２相で検出される干渉信号波形を図４（Ｃ）に示す。図４（Ｃ）に示す２つの干渉信号波形（ａ）と（ｂ）は、検出ヘッド３０２とスケール５を相対的に変位させた場合に、受光素子１０ａ、１０ｂで受光された光の干渉信号強度を表す。図４（Ｃ）より、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の楕円偏光化に伴い、２相検出された干渉信号波形（ａ）、（ｂ）間では直流成分の違いと交流成分の違いが生じる。このため、干渉信号の強度変化にばらつきが生じて、計測誤差が発生する。この計測誤差は格子パターン４の格子ピッチに起因して周期的に発生する誤差であるため、サイクリック誤差と呼ばれる。ここで、スケール５上の格子パターン４に線幅ばらつき及び段差変動を有する場合には、サイクリック誤差が変化する。このため、スケール５上の測定位置に応じて異なる大きさの計測誤差が発生する。なお、図４（Ａ）の構成に限らず、構造複屈折の影響で、重ね合わせる回折光の偏光特性が楕円偏光となる構成においては、偏光特性の変化により計測誤差が発生する。このため、格子パターンの製造誤差を有すると、測定位置に応じて計測誤差が変化する。
【００２５】
以上説明したように、従来の変位測定装置ではスケール上の格子パターンに製造誤差を有する場合には、スケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化とが測定位置に応じて変化することにより、計測誤差が発生することが分かった。
【００２６】
次に、スケール５上の格子パターン４の製造誤差に伴う線幅ばらつきや段差変動による、計測位置に応じて変化する計測誤差を低減させる本発明の構成について説明する。スケール回折時の（１）位相差のずれによる影響を回避するためには、重ね合わせて干渉させる２つの光束の偏光特性が等しい構成にしなければならない。また、スケール回折時の（２）偏光特性の変化による影響を抑制するためには、楕円偏光化を回避する必要があり、そのためには円偏光に変換する波長板（λ／４板）に入射する光の偏光特性が直線偏光でなければならない。すなわち、（１）と（２）の影響を回避し、製造誤差に伴う計測誤差を低減させるためには、２つの回折光の光路中に配置されたλ／４板に入射するそれぞれの光が（Ｉ）等しい偏光特性であることと（ＩＩ）直線偏光であることを同時に満たす必要がある。なお、（Ｉ）等しい偏光特性とは、図１（Ｂ）に示すように、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性が、Ｉ１Ｙ平面およびＩ１’Ｙ平面において直線偏光の偏光方向がそれぞれＹ軸に対して等しい角度であることを意味する。
【００２７】
本実施形態においては、偏光板５０を用いて、偏光方向が格子パターン４の格子方向又は周期方向のいずれか一方と一致する直線偏光の光をスケール５に入射させる。これにより、製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。図１（Ａ）に示す本実施形態においては、偏光板５０を用いて、スケール５に入射する光の偏光特性をＳ偏光とＰ偏光のいずれか一方に変換する。なお、図１（Ａ）においては、偏光方向が格子パターンの格子方向（Ｙ方向）と一致する直線偏光をＳ偏光、光の直進方向とＳ偏光に直交する直線偏光をＰ偏光と呼ぶことにする。図１（Ａ）の場合、偏光板５０によりスケール５に入射する光はＳ偏光成分とＰ偏光成分のどちらか一方となるため、スケール５で回折される±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＳ偏光とＰ偏光のいずれか一方の直線偏光となる。すなわち、スケール５に入射する光の偏光特性がＳ偏光の場合には±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＳ偏光、スケール５に入射する光の偏光特性がＰ偏光の場合には±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＰ偏光となる。よって、本実施形態は、２つの回折光の光路中に配置されたλ／４板６ａ、６ｂに入射するそれぞれの光が（Ｉ）等しい偏光特性であることと（ＩＩ）直線偏光であることを満たす構成となっている。従って、Ｓ偏光とＰ偏光のいずれか一方の光を入射させる本実施形態においては、構造複屈折によるスケール回折時の（２）偏光特性の変化は生じない。また、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＳ偏光とＰ偏光のいずれか一方の直線偏光であるため、スケール回折時の位相変化量は等しく、（１）位相差のずれは生じない。以上より、偏光板５０を用いて、偏光方向が格子パターン４の格子方向又は周期方向のいずれか一方と一致する直線偏光の光をスケール５に入射させることにより、製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。本実施形態においては、偏光板５０を介した直線偏光の偏光方向が格子パターン４の格子方向と周期方向のどちらとも一致しない場合には、スケール回折時の（２）偏光特性の変化により、計測誤差が発生する。このため、本実施形態の変位測定装置２００においては、偏光板５０を介した直線偏光の偏光方向を、格子パターン４の格子方向又は周期方向にいかに精度良く一致させるかが重要なポイントとなる。
【００２８】
上述のように、本実施形態において偏光板５０にＺ軸に対する回転ずれが生じ、偏光板５０を介した直線偏光の偏光方向が格子パターン４の格子方向と周期方向のどちらとも一致しない場合には、スケール回折時に偏光特性が変化する。このときスケール回折時の偏光特性は、格子パターン４の製造誤差に応じて変化する。このため、検出される２相の干渉信号波形の間では、スケール５上の測定位置に応じて、直流成分の違いと交流成分の違いがそれぞれ生じる。従って、偏光板５０のＺ軸に対する回転ずれの有無は、検出ヘッド１００とスケール５を格子パターン４の周期方向（Ｘ方向）に相対的に変位させた時の、検出された２相の干渉信号の強度変化のばらつきの大きさで判断することが出来る。以上より、検出ヘッド１００とスケール５をＸ方向に相対的に変位させた際に、検出される２相の干渉信号の強度変化のばらつきが最小となるように、偏光板５０のＺ軸に対する回転方向に位置調整を行う。これにより、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と格子パターン４のＺ軸に対する回転方向の位置を精度良く調整することができる。また、偏光板５０の位置調整に際しては、不図示のピエゾ素子やモータ等による駆動部を設けて、Ｚ軸に対する回転方向に位置調整を行っても良い。なお、偏光板５０のＺ軸に対する回転ずれの調整においては、回転ずれによって発生する計測誤差を許容値の範囲内に抑えるように位置調整を行うことが好ましい。本実施形態においては、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と、格子パターン４の格子方向がＸＹ平面上で４５度ずれた場合に、楕円偏光化の影響により計測誤差が最大となる。
【００２９】
ここで、（２）偏光特性の変化に起因した計測誤差をΔＸ１とすると、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と格子パターン４の格子方向との角度ずれをΔθとすると、ΔＸ１はｓｉｎΔθに依存して変化する。すなわち、例えばΔθを１５度以下に調整することにより、Δθが４５度の場合に比べてΔＸ１を１／５以下に低減できる効果がある。また、例えばΔθを１０度以下に調整すれば、Δθが４５度の場合に比べてΔＸ１を１／１０以下に低減できるので、より高精度な計測精度を有する変位測定装置には有効である。更に、例えばΔθを４度以下に調整すれば、Δθが４５度の場合に比べてΔＸ１を１／１００以下に低減させることができるので、超高精度な計測精度を有する変位測定装置には特に有効である。このように、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と格子パターン４の格子方向の角度ずれΔθが小さくなるように調整を行うことで、計測誤差ΔＸ１を低減させることができる。また、スケール５に対してＰ偏光の直線偏光を回折させる場合には直線偏光の偏光方向と格子パターン４の周期方向との角度ずれをΔθとして調整を行う。
【００３０】
次に、検出ヘッド１００における基準回折格子７について述べる。図１（Ａ）に示した検出ヘッド１００における基準回折格子７にも、スケール５上の格子パターン４と同様に、製造誤差が生じる。基準回折格子７の格子パターンの線幅及び段差が設計値と異なる場合には、回折時に（１）位相差のずれが生じる。また、（２）偏光特性の変化の影響で、楕円偏光化する恐れがある。
【００３１】
以下では、基準回折格子７の製造誤差の影響を低減させる二つの方法について述べる。第１の方法としては、干渉信号の補正処理がある。この方法では、従来技術の補正処理方法と同様に、検出された２相の干渉信号波形の間での交流成分の違いと直流成分の違いをそれぞれ求め、信号処理を行って干渉信号波形の間での違いを補正する。これにより、基準回折格子７の製造誤差に伴う（２）偏光特性の変化よる影響を低減させることができる。
【００３２】
基準回折格子７の製造誤差の影響を低減させる第２の方法としては、λ／４板の位置調整による補正がある。この方法では、光線に対するλ／４板６の傾き及びλ／４板６の光軸の向きを調整することで、検出された２相の干渉信号波形間での交流成分の違いと直流成分の違いが低減されるように補正する。これにより、基準回折格子７の製造誤差に伴う（２）偏光特性の変化による影響を低減させることができる。なお、（１）位相差のずれに関しては、本実施形態の変位測定装置においては基準回折格子７が検出ヘッド１００に固定されるため、オフセット値（一定値）として取り扱うことができる。このため、検出ヘッド１００とスケール５の相対変位を求める変位測定装置においては、位相差のずれによる影響を無視することができる。これに対して、従来の変位測定装置においては、（１）位相差のずれがスケール上の測定位置に応じて変化して、スケール上の測定位置に依存した計測誤差が発生するため、高精度な計測を行うことが難しい。
【００３３】
本実施形態によれば、ミラー３ａとスケール５の間に偏光板５０を配置して、偏光方向が格子パターン４の格子方向又は周期方向のいずれか一方と一致する直線偏光の光をスケール５に入射させる。これにより、格子パターン４の製造誤差に伴う計測誤差をスケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化による影響を低減して、製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。これにより、検出ヘッド１００とスケール５の相対的な変位量を高い精度で測定することが可能な変位測定装置を提供することができる。
【００３４】
また本実施形態においては、直線偏光生成手段を配置せずに、直線偏光の光を射出する直線偏光レーザを光源に用いても良い。この場合、レーザ光源１からスケール５に照射される直線偏光の偏光方向を、格子パターン４の格子方向又は周期方向と一致させることで、偏光板５０を用いる場合と同様に製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。
【００３５】
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態として、実施形態１と異なる構成の変位測定装置について説明を行う。
【００３６】
図５（Ａ）は、本発明の第２の実施形態の構成を示す変位測定装置２０１の概略図である。変位測定装置２０１は、検出ヘッド１０１とスケール５で構成されている。実施形態１と異なる点は、偏光板５０の配置である。本実施形態での変位測定装置には図１の偏光板５０の替わりに偏光板５０ａと５０ｂを備える。
【００３７】
本実施形態においては、２つの偏光板５０ａ、５０ｂを用いて、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換する。このとき、直線偏光の偏光方向は、実施形態１とは異なり、格子パターン４の格子方向や周期方向と一致させなくても良い。実施形態１で説明したように、格子パターンに製造誤差が生じる場合には、スケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化の影響より、計測位置に応じて変化する計測誤差が発生する。そして、（１）と（２）の影響を低減するためには、スケール５を反射した２つの回折光の光路中にそれぞれ配置されたλ／４板に入射するそれぞれの光が（Ｉ）等しい偏光特性であることと（ＩＩ）直線偏光であることを満たさなければならない。
【００３８】
本実施形態では、スケール５を回折した回折光を偏光板５０ａ、５０ｂを用いて、λ／４板６ａ、６ｂに導く±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換することで、上記の（Ｉ）と（ＩＩ）を満たす構成としている。図５（Ｂ）には、偏光板を介して得られる直線偏光の、Ｉ１Ｙ平面およびＩ１’Ｙ平面における±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性を表す。等しい偏光方向とするために図５（Ｂ）に示すように、直線偏光の偏光方向がそれぞれＹ軸に対して等しい角度ψとなるように、偏光板５０ａ、５０ｂを配置させる。ここで偏光板５０ａ、５０ｂを介した直線偏光の偏光方向が一致しない場合には、スケール回折時の±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の位相変化量に違いが生じるため、（１）位相差のずれが生じて計測誤差が発生する。また、偏光板５０を配置せず、直線偏光への変換を行わない場合には、スケール回折時の（２）偏光特性の変化の影響により、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性が楕円偏光となり、計測誤差が発生する。本実施形態においては、偏光板５０を介した後の±１次回折光の偏光特性は等しいため、（１）位相差のずれが生じない。また、偏光板５０を介した光は直線偏光であり、λ／４板６ａ、６ｂを介して円偏光に変換されるため、（２）偏光特性の変化による影響も受けない。従って、偏光板５０ａ、５０ｂを配置して、λ／４板６ａ、６ｂに導かれる±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換することにより、スケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化による影響を低減することが出来る。
【００３９】
なお、＋１次回折光Ｒ＋の光束が進む方向Ｉ２に対する偏光板５０ａの回転ずれ、及び−１次回折光Ｒ−の光束が進む方向をＩ２’に対する偏光板５０ｂの回転ずれの調整については、計測誤差を許容値の範囲内に抑えるように調整を行うことが好ましい。本実施形態においては、偏光板５０ａ、５０ｂを介して得られる直線偏光の偏光方向が互いに９０度異なる場合に、（１）位相差のずれに起因して計測誤差が最大となる。なお、特許文献１に記載の変位測定装置の構成においては、直線偏光子を用いて回折光を互いに直角の方向の直線偏光に変換するため、（１）位相差のずれに起因した計測誤差が発生する。ここで、（１）位相差のずれに起因した計測誤差をΔＸ２、偏光板５０ａ、５０ｂを介して得られるそれぞれの直線偏光の偏光方向における角度ずれをΔψとすると、ΔＸ２はｓｉｎΔψに比例して変化する。すなわち、例えばΔψを１０度以下に調整すれば、従来の特許文献１に記載の変位測定装置で発生する誤差を１／５以下に低減できる効果がある。また、例えばΔψを５度以下に調整すれば、誤差を１／１０以下に低減できるので、より高精度な計測精度を有する変位測定装置には有効である。更に、例えばΔψを０．５度以下に調整すれば、誤差を１／１００以下に低減できるので、超高精度な計測精度を有する変位測定装置には特に有効である。このように、計測誤差がｓｉｎΔψに比例することを考慮し、偏光板５０の角度ずれΔψがより小さくなるように調整を行うことで、計測誤差ΔＸ２を低減させることができる。
【００４０】
また、本実施形態においては、偏光板５０ａをミラー３ｂとλ／４板６ａ、偏光板５０ｂをミラー３ｃとλ／４板６ｂの間に配置する構成でも良い。
【００４１】
以上より、偏光板５０ａ、５０ｂを配置して、λ／４板６ａ、６ｂに導かれる±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換することで、スケール５上の格子パターン４の製造誤差に伴う、計測誤差を低減させることができる。このため、本実施形態によれば、検出ヘッド１００とスケール５の相対的な変位量を高精度に測定可能な変位測定装置を提供することができる。
【００４２】
第１及び第２実施形態において、回折された２つの光の次数が±１次の場合についてのみ説明したが、回折光の次数は必ずしも±１次に限定されるものではなく、異なる次数の回折光の場合であっても本発明を適用できる。
【００４３】
また、検出ヘッド１００のレーザ光源１としては、コヒーレントな光を射出するＨｅ−Ｎｅレーザや固体レーザ、半導体レーザを用いることが望ましい。さらに、光ファイバを用いて光源からの光を導光する構成とすることも出来る。
【００４４】
なお、いずれの実施形態においても変位測定装置２０１を実際に構成する際には、スケール５からの０次回折光がレーザ光源１に直接戻らないように、格子方向と周期方向の角度を９０度からわずかにずらすことが好ましい。また、不要光である０次回折光やその他の次数の回折光を遮断するようにしても良い。さらに、ビームスプリッタ８と偏光板９の別の構成として、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用する構成としても良い。
【００４５】
なお、いずれの実施形態においても直線偏光生成手段として偏光板５０を用いてレーザ光源１から射出された光から直線偏光の光を取り出す構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、グラントムソンプリズム等の偏光素子を使用しても良い。
【００４６】
（第３実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態として、本発明の変位測定装置を露光装置のステージ位置計測装置として適用した場合について説明する。
【００４７】
図６は、本発明の変位測定装置を具備した露光装置の構成を示す図である。図６（Ａ）に示すように、露光装置は光源部８００と、レチクル１４を保持するレチクルステージＲＳと、投影光学系１５と、スケール５と、ウエハ３６を保持するウエハステージＷＳと、ウエハステージＷＳ上に搭載された検出ヘッド１０２が配置される。変位測定装置は、第１、または第２の実施形態で説明した変位測定装置を適用することができる。なお、ウエハステージＷＳは、微動ステージと粗動ステージで構成され、検出ヘッド１０２は、微動ステージ上に搭載される。ウエハ３６上には、フォトレジストが塗布されている。
【００４８】
ステージ制御部１０００は、ウエハステージＷＳ、演算処理部８１、検出ヘッド１０２と電気的に接続され、変位測定装置の測定結果に基づいてウエハステージＷＳの位置制御を行う。また、中央制御部１１００は、ステージ制御部１０００、光源部８００、レチクルステージＲＳと電気的に接続され、露光装置の動作を制御する。
【００４９】
続いて、ウエハ３６を保持するウエハステージＷＳの位置測定について説明する。ウエハステージＷＳは、レチクルステージＲＳと同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ３６を移動させる。本実施形態においては、ウエハステージＷＳ上に変位測定装置の検出ヘッド１０２が搭載される。変位測定装置は、測定基準となるスケール５に対するウエハステージＷＳの相対位置関係を検出ヘッド１０２で測定することにより、ウエハステージＷＳの位置測定を行う。
【００５０】
図６（Ｂ）に、測定基準であるスケール５とウエハステージＷＳをＺ軸方向から見た位置関係を示す。スケール５には一次元の格子パターンが形成されており、４つのスケール５ａ〜５ｄが投影光学系１５を取り囲むように配置される。図６（Ｂ）のように、４つのスケール５ａ〜５ｄの格子方向がＸ軸方向またはＹ軸方向に対して４５度傾いた方向となるように配置され、ＷＳに搭載された４つの検出ヘッド１０２ａ〜ｄで各方向における変位を測定する。例えば、スケール５ａに対して検出ヘッド１０２ａを用いて測定することで、Ｘ軸に対して＋４５度傾いた方向における変位測定が可能である。また、スケール５ｂに対して検出ヘッド１０２ｂを用いて測定することで、Ｙ軸に対して＋４５度傾いた方向における変位測定が可能となる。同様にして、スケール５ｃに対して検出ヘッド１０２ｃを、スケール５ｄに対して検出ヘッド１０２ｄを用いることで、Ｙ軸に対して＋４５度傾いた方向及び、Ｘ軸に対して＋４５度傾いた方向の変位をそれぞれ測定することができる。従って、適当な３つのスケールにおける変位測定を行うことで、Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸まわりの回転Ｒｚ軸の変位を求めることができる。また、ウエハステージＷＳは基準マーク６０（６０ａ〜６０ｄ）の少なくとも１つを備えており、ウエハ３６とレチクル１４との位置合わせを行う。位置合わせに際しては、アライメントスコープ（不図示）で基準マーク６０及びウエハ３６上のアライメントマークの位置を検出する。この検出結果と変位測定装置の計測値とに基づいてウエハステージＷＳを制御しながら駆動させて、ウエハ３６を所望の位置に移動させる。
【００５１】
ここまでは本発明の変位測定装置をウエハステージに搭載する場合について説明したが、ウエハステージに限定されず、レチクルステージＲＳに搭載しても良い。レチクルステージＲＳに搭載した場合は、高精度にステージの変位を測定し、所望の位置に正確にレチクルステージＲＳを移動させることができる。
【００５２】
半導体デバイスの微細化に伴い、半導体露光装置のレチクルとウエハの位置合わせにおいては、ナノメートルオーダーの精度が求められている。本発明の変位測定装置を露光装置に用いることにより、ステージの変位を高精度に測定できるようになり、ウエハとレチクルの位置合わせ精度が向上することになる。そのため半導体素子の性能向上や、製造歩留まりの向上にも繋がるという効果がある。
【００５３】
ここでは、レチクルを用いる露光装置について説明したが、レチクルを用いない露光装置（例えば、ＥＢ露光装置）に本発明を適用することもできる。
【００５４】
（第４実施形態）
続いて、本発明の第４の実施形態として、本発明の変位測定装置を精密加工機器の中でレーザを用いて加工を行うレーザ加工装置のステージ位置計測装置として適用した場合について説明する。
【００５５】
図７は、本発明の変位測定装置を具備したレーザ加工装置５００の概略図を示す図である。図７に示すように、レーザ加工装置５００は、加工ヘッド７１と、基板７２と、基板７２を保持するステージ７３と、ベース部材７４と、スケール７５と、ステージ７３上に搭載された検出ヘッド１００で構成される。なお、検出ヘッド１００を用いてスケール７５の変位量を測定する変位測定装置には、第１、及び第２の実施形態をそのまま適用することが出来る。
【００５６】
加工ヘッド７１は、不図示のレーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザビームＬＢを基板７２に導く照明光学系（不図示）により構成される。ここで、レーザ発振器は、射出されたレーザビームＬＢが基板７２を最適に加工できる様に波長、パルス幅等が選択できるものが好ましい。レーザ発振器には、例えば、エキシマレーザやＹＡＧレーザを用いることができる。
【００５７】
加工ヘッド７１より射出されたレーザビームＬＢは、ステージ７３上に載置された基板７２上に所望のビーム形状で集光される。ステージ７３は、不図示の移動機構に接続されている。移動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にステージ７３を駆動することで基板７２を移動させることができる。本実施形態のレーザ加工装置５００においては、ステージ７３をＺ軸方向に駆動させて、基板７２の表面を加工ヘッド７１の最適像面位置に合わせた後、ステージ７３をＸＹ平面において動作させて、基板７２とレーザビームＬＢの相対位置を変化させる。これにより、レーザビームＬＢにより基板７２を加工して、例えば、基板７２上に所望のパターンを形成することができる。
【００５８】
スケール７５には一次元の格子パターンが形成されており、スケール７５は加工ヘッド７１を取り囲むように配置される。本実施形態においては、ステージ７３上に変位測定装置の検出ヘッド１００が搭載される。変位測定装置においては、スケール７５に対する検出ヘッド１００の相対的な変位量を測定することで、ステージ７３の位置計測を行う。このため、基板７２とレーザビームＬＢの相対位置を変化させる際には、スケール７５に対する検出ヘッド１００の変位測定を行うことが可能となる。例えば、変位測定装置の計測値に基づいて、ステージ７３を制御しながら駆動させることで、基板７２上のレーザビームＬＢの位置を所望の位置に移動させることができる。
【００５９】
なお、ここまで本実施形態においては、変位検出装置の検出ヘッドをステージ上に配置する構成について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、スケールをステージ表面上に配置し、加工ヘッドの周辺に検出ヘッドを固定する構成でも良い。この構成においても同様に、検出ヘッドに対するスケールの変位測定を行うことにより、ステージの位置計測を行うことが出来る。
【００６０】
ここでは、レーザ加工装置について説明したが、加工ヘッドとしてモールドヘッドを使用するナノインプリント装置に本発明を適用することもできる。
【００６１】
以上より、本発明の変位測定装置をレーザ加工装置のステージ位置計測装置として適用した場合には、加工ヘッドとスケールの相対的な変位量を高精度に測定し、所定の位置に正確にステージを移動させることが出来る。なお、本実施形態においては、変位測定装置を精密加工機器であるレーザ加工装置のステージ位置計測装置として適用した場合について説明したが、本発明の変位測定装置の適用範囲はこれに限定されない。例えば、レチクルやウエハの位置座標を測定する座標測定装置や顕微鏡などの精密測定器や検査機器に広く適用することが出来る。この場合も同様に、測定ヘッド又は検査ヘッドとステージの相対的な変位量を高精度に測定し、所定の位置に正確にステージを移動させることが出来る。
【００６２】
また、いずれの実施形態においても、格子パターンが形成されたスケールに光を照射し、反射した回折光を用いた変位測定装置について説明した。しかし、本発明はスケールに光を照射してその透過した回折光を用いても良い。
【００６３】
（第５実施形態）
続いて、本発明の第５の実施形態として、デバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。ここでは、半導体デバイスの製造方法を例に説明する。
【００６４】
半導体デバイスは、ウエハに集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程を経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたウエハを露光する工程と、ウエハを現像する工程を含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）を含む。なお、液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。
【００６５】
本実施形態のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ レーザ光源
４ 格子パターン
５ スケール
６（６ａ、６ｂ） λ／４板（波長板）
７ 基準回折格子（光学素子）
５０（５０ａ、５０ｂ） 偏光板（直線偏光生成手段）
１００ 検出ヘッド
２００ 変位測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、格子干渉型の変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、露光装置、検査機器、精密加工機器及び、精密測定器においては、物体（変位物体）の位置情報、移動量、回転量等の変位量を測定する目的で、ロータリーエンコーダおよびリニアエンコーダ等の変位測定装置（エンコーダ）が多く使用されている。その中で、高精度に変位量を測定する方式として、光の回折干渉現象を応用した格子干渉型のエンコーダが知られている。格子干渉型エンコーダは、格子パターン（例えば、回折格子）が形成されたスケールに対してコヒーレントな光を入射させ、格子パターンにより回折した回折光を干渉させて、得られた干渉光の位相変化に基づいてスケールの変位量を求める装置である。
【０００３】
特許文献１には、所望のパターンを基板に転写する露光装置に、格子干渉型の変位測定装置を適用した場合について記載されている。変位測定装置は、基板を支持するウエハステージの基準フレームに対する変位を測定する。基準フレームには回折格子が取り付けられ、ウエハステージ上の対応する部分に取り付けられたエンコーダにより、ウエハステージの基準フレームに対する変位が測定される。特許文献１においては、第１の回折格子を用いて放射ビームを例えば＋１次回折光および−１次回折光に分割した後、それぞれの光路中に配置された直線偏光子により、偏光方向が互いに直角の向きとなる直線偏光に変換させる。そして、±１次回折光を第２の回折格子に入射させ、回折した光を重ね合わせて干渉させて、＋１次回折光と−１次回折光の位相差の変化から、第１の回折格子に対する第２の回折格子の変位を測定する。特許文献１では、直線偏光子を介して得られる直線偏光の偏光方向が互いに直角になるように直線偏光子を配置させることで、＋１次回折光と−１次回折光を区別できるようにしている。
【０００４】
格子干渉型エンコーダにおいては、位相変化をいかに細かく測定出来るかが、高精度な測定を行う上で重要となる。位相変化を高精度に測定するには回折格子の格子ピッチを小さくした微細スケールを用いることが重要である。微細スケールの製造方法としては、レーザビームを用いてスケールに格子パターンを描画するレーザ描画方式（特許文献２）や、エッチングにより層を選択的に除去して凸凹の段差形状を形成するエッチング方式が一般的に知られている。
【０００５】
しかし、レーザ描画方式によるスケールの製造においては、半導体レーザの出力変化や描画装置の光学系に起因して加工面におけるビーム径が変化するため、均一な線幅及び段差を有する格子パターンを作製することが難しい。また、エッチング方式においては、格子パターン側壁部のエッチングばらつき及び金属層の膜厚むらの影響により、均一な線幅及び段差の格子パターンを作製することが困難になる。従って、微細スケールの作製においては、格子パターンの線幅ばらつきや段差変動などの製造誤差が生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２９２７３５
【特許文献２】特登録０３４３５６０１
【特許文献３】特開２００８−１８５４７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そのため、格子パターンの線幅及び段差が均一でない場合には、スケール回折時の位相変化量が測定位置に応じて変化する。このため、スケール上の測定位置に応じて異なる大きさの計測誤差が発生し、正確に物体の変位測定を行うことが困難になる。また、干渉信号波形の交流成分の変化と直流成分の変化のほかに、重ね合わせる回折光の位相差の変化により、スケール上の測定位置に応じて変化する計測誤差が発生する。このため、特許文献３のように取得した干渉信号を補正する方法では、スケールの製造誤差に伴う計測誤差を十分に補正することができず、高精度な計測を行うことが難しい。
【０００８】
このため、本発明は、高精度に物体の変位量を測定可能な変位測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の変位測定装置は、格子パターンが形成されたスケールと、前記スケールに光を照射する光源と、前記スケールからの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板と、前記波長板を透過した前記複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子と、干渉させた光を受光する受光素子とを備え、前記波長板に入射する前記複数の回折光が互いに偏光方向の等しい直線偏光になるように、前記光源からの光を直線偏光に変換する直線偏光生成手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高精度に物体の変位量を測定可能な変位測定装置を提供することが出来る。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１としての変位測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明が解決する製造誤差について説明するための図である。
【図３】本発明が解決する従来例の製造誤差に伴う構造複屈折の影響を説明するための図である。
【図４】本発明が解決する従来例の製造誤差に伴う構造複屈折の影響を説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態２としての変位測定装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３としての露光装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態４としてのレーザ加工装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１（Ａ）は、本発明の一側面としての変位測定装置２００の構成を示す概略図である。図１（Ａ）では、紙面に対して垂直な方向をＹ方向とし、Ｙ方向に垂直で紙面の左右方向をＸ方向とし、Ｘ方向とＹ方向に垂直で紙面上下方向をＺ方向とする。変位測定装置２００は、検出ヘッド１００とスケール５で構成される装置であり、検出ヘッド１００とスケール５のＸ方向への相対的な変位量を測定する。検出ヘッド１００は、レーザ光源１と、コリメータレンズ２と、ミラー３と、偏光板５０と、λ／４板６と、基準回折格子７（光学素子）と、ビームスプリッタ（ＢＳ）８と、偏光板９と、受光素子１０で構成される。なお、ミラー３、λ／４板６、偏光板９、受光素子１０については、それぞれ３ａ〜３ｃ、６ａと６ｂ、９ａと９ｂ、１０ａと１０ｂを含むものとする。また、本実施形態においては、直線偏光生成手段として偏光板５０を適用し、波長板としてλ／４板６を適用した場合について説明する。
【００１４】
図１（Ａ）において、レーザ光源１より射出されたコヒーレントな光を、コリメータレンズ２を介して平行光束として、ミラー３ａで反射させる。その後、偏光板５０を介して直線偏光とした後、スケール５に偏光板５０を透過した光を垂直に入射させる。スケール５に入射した光は格子パターン４により回折し、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−との複数の回折光に分岐する。スケール５には１次元の格子パターン４が形成されており、Ｘ方向を周期方向、Ｙ方向を格子方向とする。格子パターン４はＹ方向に沿って格子パターン４の多数の溝が形成されている。このため、図１（Ａ）の変位測定装置２００では、Ｘ方向が計測方向、Ｙ方向が非計測方向となる。
【００１５】
ここで、スケールの変位量をΔＸ、スケールの格子ピッチをＰとすると、移動前後でのｍ次回折光の１回反射における位相変化量Δφは、
Δφ＝２πｍΔＸ／Ｐ ・・・（式１）
で表される。従って、１次回折光（ｍ＝１）の場合には、格子を１ピッチ移動させると、位相が２πだけ変化する。このため、＋１次回折光と−１次回折光を重ね合わせる場合には、格子１ピッチの移動に対して相対的に４πの位相変化が生じる。この結果、格子１ピッチの移動に対して、２周期の位相変化が発生する。上記のように、格子干渉型エンコーダによる変位測定においてはスケールを格子パターンの周期方向へ移動させて、位相変化量を測定することにより変位量を求める。このため上記のように位相変化量Δφは（式１）のように表されるから、格子ピッチを小さくすることで、格子１ピッチのスケールの移動に伴う位相変化量Δφが大きくなる。ピッチを小さくすることで、位相変化を細かく測定することが可能となるため、高精度な変位測定を実現することが出来る。従って、高い精度で測定を行うためには、いかに細かい格子ピッチの微細スケールを用いるかが重要なポイントとなる。
【００１６】
ここで、格子パターン４により二つに分岐された回折光の回折角θ１は、回折次数をｍ、レーザ光源１の波長をλ、格子パターン４の格子ピッチをＰとすると、
Ｐ・ｓｉｎθ１＝ｍλ ・・・（式２）
で表される。なお、＋１次回折光Ｒ＋の光束が進む方向をＩ２、−１次回折光Ｒ−の光束が進む方向をＩ２’と定義する。また、Ｙ方向とＩ２に垂直な方向をＩ１、Ｙ方向とＩ２’に垂直な方向をＩ１’と定義する。
【００１７】
次に、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−をミラー３ｂ、３ｃでそれぞれ反射させた後、λ／４板６ａ、６ｂを介して、基準回折格子７に入射角θ２で入射させる。
【００１８】
ここで、λ／４板６ａ、６ｂの光軸は、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−の偏光方向に対してそれぞれ＋４５度および−４５度の角度となるように配置される。すなわち、λ／４板６ａ、６ｂを介した後に、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−がそれぞれ右回り円偏光と左回り円偏光となるように、λ／４板６ａ、６ｂが配置される。なお、円偏光の偏光状態は互いに反対周りの偏光であればよく、上記の場合に限定されない。また、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−を基準回折格子７の面と垂直方向に回折させるため、基準回折格子７への入射角θ２は、基準回折格子７の格子ピッチをｄとした場合、以下の式で表される。
ｄ・ｓｉｎθ２＝ｍλ ・・・（式３）
つまり、（式３）を満たす入射角θ２で＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−を基準回折格子７に入射させることにより、基準回折格子７の面に垂直な方向に回折させて、重ね合わせて干渉させる。
【００１９】
その後、重ね合わせた干渉光をビームスプリッタ８で２光束に分割する。分割した２光束をそれぞれ偏光板９ａ、９ｂを介して受光素子１０ａ、１０ｂで受光する。受光素子１０ａ、１０ｂには、例えば、フォトダイオードまたはＣＣＤなどの光電変換素子を用いることができる。受光素子は光電変換された干渉信号から、信号の強度に関する情報を取得する。
【００２０】
ここで、偏光板９ａと９ｂは、互いに４５度ずれた偏光成分を取り出すように配置される。これにより、受光素子１０ａ、１０ｂでは互いに９０度の位相差をもつ２相の正弦波信号が検出され、信号の強度に関する情報を取得する。信号の強度に基づいて、スケール５の変位量を、方向を含めて識別することができる。２相の正弦波信号は、初期位相をφ０、スケール５と検出ヘッド１００の相対変位量をΔＸとした場合、それぞれ以下の式で表される。
Ｉ１＝Ａ・ｃｏｓ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０） ・・・（式４−１）
Ｉ２＝Ａ・ｃｏｓ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０＋π／２）
＝−Ａ・ｓｉｎ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０） ・・・（式４−２）
ここで、Ｉ１／Ｉ２より、
Ｉ１／Ｉ２＝−ｔａｎ（４π・ΔＸ／Ｐ＋φ０） ・・・（式４−３）
であるから、
ΔＸ＝｛ａｒｃｔａｎ（−Ｉ１／Ｉ２）−φ０｝・Ｐ／４π ・・・（式４−４）
と表せる。なお、（式４−１）と（式４−２）においては、２相の正弦波信号の振幅をＡとし、等しいものとしたが、強度が異なる場合には、事前に振幅を揃えるように倍率をかける必要がある。
【００２１】
図１（Ａ）の変位測定装置２００において、±１次回折光を使用した場合、受光素子１０ａまたは１０ｂ上における干渉の明暗周期は、スケール５に形成された格子パターン４の１ピッチ分の変位が正弦波信号の２周期に相当する。従って、受光素子１０ａまたは１０ｂで受光される干渉光の明暗の数に基づいてスケール５の変位量を求めることができる。
【００２２】
本発明者が鋭意検討した結果、従来技術を用いた場合の格子パターンの製造誤差に伴う計測誤差が発生することが分かった。発生メカニズムについて図２、図３、図４を用いて説明する。図２は、格子パターン４が形成されたスケール５を示す図である。図２（Ａ）はスケール５をＺ方向から見た図、図２（Ｂ）はスケール５をＹ方向から見た図である。説明を簡略化するため、スケール５には一定の長さの格子ピッチＰで３つのパターンが形成されている。先述のように、レーザ描画及びエッチングにより、格子パターンの作製時に、その線幅及び段差に製造誤差が生じる。このため、図２に示すように、格子パターン４の線幅（Ｄ１〜Ｄ３）と段差（Ｈ１〜Ｈ３）にはそれぞればらつきが生じる。この格子パターン４の製造誤差に伴う構造複屈折の影響で、以下の２つの要因により計測誤差が発生する。
【００２３】
第１の要因として、スケール回折時の位相差のずれが挙げられる。ここでは、従来技術として一般的な図３（Ａ）の変位測定装置４０１を例に、位相差のずれについて説明する。変位測定装置４０１では、偏光ビームスプリッタ１２を用いて分離させた、異なる偏光方向の光束ＬＴ、ＬＲをスケール５に斜め入射させて、回折光を干渉させる。これにより、検出ヘッド３０１とスケール５のＸ方向への相対的な変位量を測定する。検出ヘッド３０１においては、偏光ビームスプリッタを透過する光束ＬＴはＰ偏光、反射された光束ＬＲはＳ偏光となる。ここで、スケール５の格子パターン４が図２のように製造誤差を有すると、構造複屈折の影響によりスケール回折時の位相変化量にはＳ偏光成分とＰ偏光成分で違いが生じる。変位測定装置４０１では、Ｓ偏光とＰ偏光をスケール５に入射させるため、スケール５で回折された光束ＬＴ、ＬＲの偏光特性は、それぞれＰ偏光とＳ偏光となる。図３（Ｂ）には、検出ヘッド３０１とスケール５を相対的に変位させた場合に検出される光束ＬＴ、ＬＲの信号強度変化を示す。図３（Ｂ）のように、構造複屈折の影響により、スケール回折時の位相変化量に違いが生じるため、検出される光束ＬＴ、ＬＲには位相差のずれφ１が生じる。前述のように、格子干渉型エンコーダにおいては、干渉させる２つの光の位相変化に基づいて変位量を測定するため、位相差のずれφ１に伴って計測誤差が発生する。従って、スケール５上の格子パターン４に線幅ばらつき及び段差変動が生じる場合には、計測リニアリティが低下する。なお、図３（Ａ）の構成に限らず、異なる偏光特性の２つの回折光を干渉させる構成においては、構造複屈折に伴い位相差にずれが発生する。そのため、スケール５の格子パターン４に線幅ばらつき及び段差変動が生じると測定位置に応じて変化する計測誤差が発生する。
【００２４】
続いて、第２の要因として、スケール回折時の偏光特性の変化が挙げられる。ここで、従来技術として一般的な図４（Ａ）の変位測定装置４０２を例に、偏光特性の変化について説明する。変位測定装置４０２では、スケール５に右回り円偏光と左回り円偏光を斜めに入射させて、回折光を干渉させることにより、検出ヘッド３０２とスケール５のＸ方向への相対的な変位量を測定する装置である。すなわち、レーザ光源１を射出した光を基準回折格子７で回折させ、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−をλ／４板６を介してスケール５に入射させた後、スケール５で回折されて重ね合わせた干渉光を、偏光板９ａ、９ｂを介して受光素子１０ａ、１０ｂで受光する。ここで、構造複屈折の影響により、スケール回折時の回折効率と位相変化量にＳ偏光成分とＰ偏光成分で違いが生じるため、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性は楕円偏光となる。変位測定装置４０２において、偏光板９ａ、９ｂにより取り出される偏光成分と、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−との関係を図４（Ｂ）に示す。図４（Ｂ）においては、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性は楕円偏光となるため、受光素子１０ａ、１０ｂで受光される光の干渉信号の強度変化にはばらつきが生じる。ここで、スケール回折時の偏光特性の変化に伴う干渉信号の強度変化のばらつきについて詳細に説明するために、変位測定装置４０２において２相で検出される干渉信号波形を図４（Ｃ）に示す。図４（Ｃ）に示す２つの干渉信号波形（ａ）と（ｂ）は、検出ヘッド３０２とスケール５を相対的に変位させた場合に、受光素子１０ａ、１０ｂで受光された光の干渉信号強度を表す。図４（Ｃ）より、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の楕円偏光化に伴い、２相検出された干渉信号波形（ａ）、（ｂ）間では直流成分の違いと交流成分の違いが生じる。このため、干渉信号の強度変化にばらつきが生じて、計測誤差が発生する。この計測誤差は格子パターン４の格子ピッチに起因して周期的に発生する誤差であるため、サイクリック誤差と呼ばれる。ここで、スケール５上の格子パターン４に線幅ばらつき及び段差変動を有する場合には、サイクリック誤差が変化する。このため、スケール５上の測定位置に応じて異なる大きさの計測誤差が発生する。なお、図４（Ａ）の構成に限らず、構造複屈折の影響で、重ね合わせる回折光の偏光特性が楕円偏光となる構成においては、偏光特性の変化により計測誤差が発生する。このため、格子パターンの製造誤差を有すると、測定位置に応じて計測誤差が変化する。
【００２５】
以上説明したように、従来の変位測定装置ではスケール上の格子パターンに製造誤差を有する場合には、スケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化とが測定位置に応じて変化することにより、計測誤差が発生することが分かった。
【００２６】
次に、スケール５上の格子パターン４の製造誤差に伴う線幅ばらつきや段差変動による、計測位置に応じて変化する計測誤差を低減させる本発明の構成について説明する。スケール回折時の（１）位相差のずれによる影響を回避するためには、重ね合わせて干渉させる２つの光束の偏光特性が等しい構成にしなければならない。また、スケール回折時の（２）偏光特性の変化による影響を抑制するためには、楕円偏光化を回避する必要があり、そのためには円偏光に変換する波長板（λ／４板）に入射する光の偏光特性が直線偏光でなければならない。すなわち、（１）と（２）の影響を回避し、製造誤差に伴う計測誤差を低減させるためには、２つの回折光の光路中に配置されたλ／４板に入射するそれぞれの光が（Ｉ）等しい偏光特性であることと（ＩＩ）直線偏光であることを同時に満たす必要がある。なお、（Ｉ）等しい偏光特性とは、図１（Ｂ）に示すように、スケール５で回折された±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性が、Ｉ１Ｙ平面およびＩ１’Ｙ平面において直線偏光の偏光方向がそれぞれＹ軸に対して等しい角度であることを意味する。
【００２７】
本実施形態においては、偏光板５０を用いて、偏光方向が格子パターン４の格子方向又は周期方向のいずれか一方と一致する直線偏光の光をスケール５に入射させる。これにより、製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。図１（Ａ）に示す本実施形態においては、偏光板５０を用いて、スケール５に入射する光の偏光特性をＳ偏光とＰ偏光のいずれか一方に変換する。なお、図１（Ａ）においては、偏光方向が格子パターンの格子方向（Ｙ方向）と一致する直線偏光をＳ偏光、光の直進方向とＳ偏光に直交する直線偏光をＰ偏光と呼ぶことにする。図１（Ａ）の場合、偏光板５０によりスケール５に入射する光はＳ偏光成分とＰ偏光成分のどちらか一方となるため、スケール５で回折される±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＳ偏光とＰ偏光のいずれか一方の直線偏光となる。すなわち、スケール５に入射する光の偏光特性がＳ偏光の場合には±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＳ偏光、スケール５に入射する光の偏光特性がＰ偏光の場合には±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＰ偏光となる。よって、本実施形態は、２つの回折光の光路中に配置されたλ／４板６ａ、６ｂに入射するそれぞれの光が（Ｉ）等しい偏光特性であることと（ＩＩ）直線偏光であることを満たす構成となっている。従って、Ｓ偏光とＰ偏光のいずれか一方の光を入射させる本実施形態においては、構造複屈折によるスケール回折時の（２）偏光特性の変化は生じない。また、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−はＳ偏光とＰ偏光のいずれか一方の直線偏光であるため、スケール回折時の位相変化量は等しく、（１）位相差のずれは生じない。以上より、偏光板５０を用いて、偏光方向が格子パターン４の格子方向又は周期方向のいずれか一方と一致する直線偏光の光をスケール５に入射させることにより、製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。本実施形態においては、偏光板５０を介した直線偏光の偏光方向が格子パターン４の格子方向と周期方向のどちらとも一致しない場合には、スケール回折時の（２）偏光特性の変化により、計測誤差が発生する。このため、本実施形態の変位測定装置２００においては、偏光板５０を介した直線偏光の偏光方向を、格子パターン４の格子方向又は周期方向にいかに精度良く一致させるかが重要なポイントとなる。
【００２８】
上述のように、本実施形態において偏光板５０にＺ軸に対する回転ずれが生じ、偏光板５０を介した直線偏光の偏光方向が格子パターン４の格子方向と周期方向のどちらとも一致しない場合には、スケール回折時に偏光特性が変化する。このときスケール回折時の偏光特性は、格子パターン４の製造誤差に応じて変化する。このため、検出される２相の干渉信号波形の間では、スケール５上の測定位置に応じて、直流成分の違いと交流成分の違いがそれぞれ生じる。従って、偏光板５０のＺ軸に対する回転ずれの有無は、検出ヘッド１００とスケール５を格子パターン４の周期方向（Ｘ方向）に相対的に変位させた時の、検出された２相の干渉信号の強度変化のばらつきの大きさで判断することが出来る。以上より、検出ヘッド１００とスケール５をＸ方向に相対的に変位させた際に、検出される２相の干渉信号の強度変化のばらつきが最小となるように、偏光板５０のＺ軸に対する回転方向に位置調整を行う。これにより、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と格子パターン４のＺ軸に対する回転方向の位置を精度良く調整することができる。また、偏光板５０の位置調整に際しては、不図示のピエゾ素子やモータ等による駆動部を設けて、Ｚ軸に対する回転方向に位置調整を行っても良い。なお、偏光板５０のＺ軸に対する回転ずれの調整においては、回転ずれによって発生する計測誤差を許容値の範囲内に抑えるように位置調整を行うことが好ましい。本実施形態においては、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と、格子パターン４の格子方向がＸＹ平面上で４５度ずれた場合に、楕円偏光化の影響により計測誤差が最大となる。
【００２９】
ここで、（２）偏光特性の変化に起因した計測誤差をΔＸ１とすると、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と格子パターン４の格子方向との角度ずれをΔθとすると、ΔＸ１はｓｉｎΔθに依存して変化する。すなわち、例えばΔθを１５度以下に調整することにより、Δθが４５度の場合に比べてΔＸ１を１／５以下に低減できる効果がある。また、例えばΔθを１０度以下に調整すれば、Δθが４５度の場合に比べてΔＸ１を１／１０以下に低減できるので、より高精度な計測精度を有する変位測定装置には有効である。更に、例えばΔθを４度以下に調整すれば、Δθが４５度の場合に比べてΔＸ１を１／１００以下に低減させることができるので、超高精度な計測精度を有する変位測定装置には特に有効である。このように、偏光板５０を介して得られる直線偏光の偏光方向と格子パターン４の格子方向の角度ずれΔθが小さくなるように調整を行うことで、計測誤差ΔＸ１を低減させることができる。また、スケール５に対してＰ偏光の直線偏光を回折させる場合には直線偏光の偏光方向と格子パターン４の周期方向との角度ずれをΔθとして調整を行う。
【００３０】
次に、検出ヘッド１００における基準回折格子７について述べる。図１（Ａ）に示した検出ヘッド１００における基準回折格子７にも、スケール５上の格子パターン４と同様に、製造誤差が生じる。基準回折格子７の格子パターンの線幅及び段差が設計値と異なる場合には、回折時に（１）位相差のずれが生じる。また、（２）偏光特性の変化の影響で、楕円偏光化する恐れがある。
【００３１】
以下では、基準回折格子７の製造誤差の影響を低減させる二つの方法について述べる。第１の方法としては、干渉信号の補正処理がある。この方法では、従来技術の補正処理方法と同様に、検出された２相の干渉信号波形の間での交流成分の違いと直流成分の違いをそれぞれ求め、信号処理を行って干渉信号波形の間での違いを補正する。これにより、基準回折格子７の製造誤差に伴う（２）偏光特性の変化よる影響を低減させることができる。
【００３２】
基準回折格子７の製造誤差の影響を低減させる第２の方法としては、λ／４板の位置調整による補正がある。この方法では、光線に対するλ／４板６の傾き及びλ／４板６の光軸の向きを調整することで、検出された２相の干渉信号波形間での交流成分の違いと直流成分の違いが低減されるように補正する。これにより、基準回折格子７の製造誤差に伴う（２）偏光特性の変化による影響を低減させることができる。なお、（１）位相差のずれに関しては、本実施形態の変位測定装置においては基準回折格子７が検出ヘッド１００に固定されるため、オフセット値（一定値）として取り扱うことができる。このため、検出ヘッド１００とスケール５の相対変位を求める変位測定装置においては、位相差のずれによる影響を無視することができる。これに対して、従来の変位測定装置においては、（１）位相差のずれがスケール上の測定位置に応じて変化して、スケール上の測定位置に依存した計測誤差が発生するため、高精度な計測を行うことが難しい。
【００３３】
本実施形態によれば、ミラー３ａとスケール５の間に偏光板５０を配置して、偏光方向が格子パターン４の格子方向又は周期方向のいずれか一方と一致する直線偏光の光をスケール５に入射させる。これにより、格子パターン４の製造誤差に伴う計測誤差をスケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化による影響を低減して、製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。これにより、検出ヘッド１００とスケール５の相対的な変位量を高い精度で測定することが可能な変位測定装置を提供することができる。
【００３４】
また本実施形態においては、直線偏光生成手段を配置せずに、直線偏光の光を射出する直線偏光レーザを光源に用いても良い。この場合、レーザ光源１からスケール５に照射される直線偏光の偏光方向を、格子パターン４の格子方向又は周期方向と一致させることで、偏光板５０を用いる場合と同様に製造誤差に伴う計測誤差を低減させることができる。
【００３５】
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態として、実施形態１と異なる構成の変位測定装置について説明を行う。
【００３６】
図５（Ａ）は、本発明の第２の実施形態の構成を示す変位測定装置２０１の概略図である。変位測定装置２０１は、検出ヘッド１０１とスケール５で構成されている。実施形態１と異なる点は、偏光板５０の配置である。本実施形態での変位測定装置には図１の偏光板５０の替わりに偏光板５０ａと５０ｂを備える。
【００３７】
本実施形態においては、２つの偏光板５０ａ、５０ｂを用いて、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換する。このとき、直線偏光の偏光方向は、実施形態１とは異なり、格子パターン４の格子方向や周期方向と一致させなくても良い。実施形態１で説明したように、格子パターンに製造誤差が生じる場合には、スケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化の影響より、計測位置に応じて変化する計測誤差が発生する。そして、（１）と（２）の影響を低減するためには、スケール５を反射した２つの回折光の光路中にそれぞれ配置されたλ／４板に入射するそれぞれの光が（Ｉ）等しい偏光特性であることと（ＩＩ）直線偏光であることを満たさなければならない。
【００３８】
本実施形態では、スケール５を回折した回折光を偏光板５０ａ、５０ｂを用いて、λ／４板６ａ、６ｂに導く±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換することで、上記の（Ｉ）と（ＩＩ）を満たす構成としている。図５（Ｂ）には、偏光板を介して得られる直線偏光の、Ｉ１Ｙ平面およびＩ１’Ｙ平面における±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性を表す。等しい偏光方向とするために図５（Ｂ）に示すように、直線偏光の偏光方向がそれぞれＹ軸に対して等しい角度ψとなるように、偏光板５０ａ、５０ｂを配置させる。ここで偏光板５０ａ、５０ｂを介した直線偏光の偏光方向が一致しない場合には、スケール回折時の±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の位相変化量に違いが生じるため、（１）位相差のずれが生じて計測誤差が発生する。また、偏光板５０を配置せず、直線偏光への変換を行わない場合には、スケール回折時の（２）偏光特性の変化の影響により、±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−の偏光特性が楕円偏光となり、計測誤差が発生する。本実施形態においては、偏光板５０を介した後の±１次回折光の偏光特性は等しいため、（１）位相差のずれが生じない。また、偏光板５０を介した光は直線偏光であり、λ／４板６ａ、６ｂを介して円偏光に変換されるため、（２）偏光特性の変化による影響も受けない。従って、偏光板５０ａ、５０ｂを配置して、λ／４板６ａ、６ｂに導かれる±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換することにより、スケール回折時の（１）位相差のずれと（２）偏光特性の変化による影響を低減することが出来る。
【００３９】
なお、＋１次回折光Ｒ＋の光束が進む方向Ｉ２に対する偏光板５０ａの回転ずれ、及び−１次回折光Ｒ−の光束が進む方向をＩ２’に対する偏光板５０ｂの回転ずれの調整については、計測誤差を許容値の範囲内に抑えるように調整を行うことが好ましい。本実施形態においては、偏光板５０ａ、５０ｂを介して得られる直線偏光の偏光方向が互いに９０度異なる場合に、（１）位相差のずれに起因して計測誤差が最大となる。なお、特許文献１に記載の変位測定装置の構成においては、直線偏光子を用いて回折光を互いに直角の方向の直線偏光に変換するため、（１）位相差のずれに起因した計測誤差が発生する。ここで、（１）位相差のずれに起因した計測誤差をΔＸ２、偏光板５０ａ、５０ｂを介して得られるそれぞれの直線偏光の偏光方向における角度ずれをΔψとすると、ΔＸ２はｓｉｎΔψに比例して変化する。すなわち、例えばΔψを１０度以下に調整すれば、従来の特許文献１に記載の変位測定装置で発生する誤差を１／５以下に低減できる効果がある。また、例えばΔψを５度以下に調整すれば、誤差を１／１０以下に低減できるので、より高精度な計測精度を有する変位測定装置には有効である。更に、例えばΔψを０．５度以下に調整すれば、誤差を１／１００以下に低減できるので、超高精度な計測精度を有する変位測定装置には特に有効である。このように、計測誤差がｓｉｎΔψに比例することを考慮し、偏光板５０の角度ずれΔψがより小さくなるように調整を行うことで、計測誤差ΔＸ２を低減させることができる。
【００４０】
また、本実施形態においては、偏光板５０ａをミラー３ｂとλ／４板６ａ、偏光板５０ｂをミラー３ｃとλ／４板６ｂの間に配置する構成でも良い。
【００４１】
以上より、偏光板５０ａ、５０ｂを配置して、λ／４板６ａ、６ｂに導かれる±１次回折光Ｒ＋、Ｒ−を等しい偏光方向の直線偏光に変換することで、スケール５上の格子パターン４の製造誤差に伴う、計測誤差を低減させることができる。このため、本実施形態によれば、検出ヘッド１００とスケール５の相対的な変位量を高精度に測定可能な変位測定装置を提供することができる。
【００４２】
第１及び第２実施形態において、回折された２つの光の次数が±１次の場合についてのみ説明したが、回折光の次数は必ずしも±１次に限定されるものではなく、異なる次数の回折光の場合であっても本発明を適用できる。
【００４３】
また、検出ヘッド１００のレーザ光源１としては、コヒーレントな光を射出するＨｅ−Ｎｅレーザや固体レーザ、半導体レーザを用いることが望ましい。さらに、光ファイバを用いて光源からの光を導光する構成とすることも出来る。
【００４４】
なお、いずれの実施形態においても変位測定装置２０１を実際に構成する際には、スケール５からの０次回折光がレーザ光源１に直接戻らないように、格子方向と周期方向の角度を９０度からわずかにずらすことが好ましい。また、不要光である０次回折光やその他の次数の回折光を遮断するようにしても良い。さらに、ビームスプリッタ８と偏光板９の別の構成として、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用する構成としても良い。
【００４５】
なお、いずれの実施形態においても直線偏光生成手段として偏光板５０を用いてレーザ光源１から射出された光から直線偏光の光を取り出す構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、グラントムソンプリズム等の偏光素子を使用しても良い。
【００４６】
（第３実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態として、本発明の変位測定装置を露光装置のステージ位置計測装置として適用した場合について説明する。
【００４７】
図６は、本発明の変位測定装置を具備した露光装置の構成を示す図である。図６（Ａ）に示すように、露光装置は光源部８００と、レチクル１４を保持するレチクルステージＲＳと、投影光学系１５と、スケール５と、ウエハ３６を保持するウエハステージＷＳと、ウエハステージＷＳ上に搭載された検出ヘッド１０２が配置される。変位測定装置は、第１、または第２の実施形態で説明した変位測定装置を適用することができる。なお、ウエハステージＷＳは、微動ステージと粗動ステージで構成され、検出ヘッド１０２は、微動ステージ上に搭載される。ウエハ３６上には、フォトレジストが塗布されている。
【００４８】
ステージ制御部１０００は、ウエハステージＷＳ、演算処理部８１、検出ヘッド１０２と電気的に接続され、変位測定装置の測定結果に基づいてウエハステージＷＳの位置制御を行う。また、中央制御部１１００は、ステージ制御部１０００、光源部８００、レチクルステージＲＳと電気的に接続され、露光装置の動作を制御する。
【００４９】
続いて、ウエハ３６を保持するウエハステージＷＳの位置測定について説明する。ウエハステージＷＳは、レチクルステージＲＳと同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ３６を移動させる。本実施形態においては、ウエハステージＷＳ上に変位測定装置の検出ヘッド１０２が搭載される。変位測定装置は、測定基準となるスケール５に対するウエハステージＷＳの相対位置関係を検出ヘッド１０２で測定することにより、ウエハステージＷＳの位置測定を行う。
【００５０】
図６（Ｂ）に、測定基準であるスケール５とウエハステージＷＳをＺ軸方向から見た位置関係を示す。スケール５には一次元の格子パターンが形成されており、４つのスケール５ａ〜５ｄが投影光学系１５を取り囲むように配置される。図６（Ｂ）のように、４つのスケール５ａ〜５ｄの格子方向がＸ軸方向またはＹ軸方向に対して４５度傾いた方向となるように配置され、ＷＳに搭載された４つの検出ヘッド１０２ａ〜ｄで各方向における変位を測定する。例えば、スケール５ａに対して検出ヘッド１０２ａを用いて測定することで、Ｘ軸に対して＋４５度傾いた方向における変位測定が可能である。また、スケール５ｂに対して検出ヘッド１０２ｂを用いて測定することで、Ｙ軸に対して＋４５度傾いた方向における変位測定が可能となる。同様にして、スケール５ｃに対して検出ヘッド１０２ｃを、スケール５ｄに対して検出ヘッド１０２ｄを用いることで、Ｙ軸に対して＋４５度傾いた方向及び、Ｘ軸に対して＋４５度傾いた方向の変位をそれぞれ測定することができる。従って、適当な３つのスケールにおける変位測定を行うことで、Ｘ軸とＹ軸およびＺ軸まわりの回転Ｒｚ軸の変位を求めることができる。また、ウエハステージＷＳは基準マーク６０（６０ａ〜６０ｄ）の少なくとも１つを備えており、ウエハ３６とレチクル１４との位置合わせを行う。位置合わせに際しては、アライメントスコープ（不図示）で基準マーク６０及びウエハ３６上のアライメントマークの位置を検出する。この検出結果と変位測定装置の計測値とに基づいてウエハステージＷＳを制御しながら駆動させて、ウエハ３６を所望の位置に移動させる。
【００５１】
ここまでは本発明の変位測定装置をウエハステージに搭載する場合について説明したが、ウエハステージに限定されず、レチクルステージＲＳに搭載しても良い。レチクルステージＲＳに搭載した場合は、高精度にステージの変位を測定し、所望の位置に正確にレチクルステージＲＳを移動させることができる。
【００５２】
半導体デバイスの微細化に伴い、半導体露光装置のレチクルとウエハの位置合わせにおいては、ナノメートルオーダーの精度が求められている。本発明の変位測定装置を露光装置に用いることにより、ステージの変位を高精度に測定できるようになり、ウエハとレチクルの位置合わせ精度が向上することになる。そのため半導体素子の性能向上や、製造歩留まりの向上にも繋がるという効果がある。
【００５３】
ここでは、レチクルを用いる露光装置について説明したが、レチクルを用いない露光装置（例えば、ＥＢ露光装置）に本発明を適用することもできる。
【００５４】
（第４実施形態）
続いて、本発明の第４の実施形態として、本発明の変位測定装置を精密加工機器の中でレーザを用いて加工を行うレーザ加工装置のステージ位置計測装置として適用した場合について説明する。
【００５５】
図７は、本発明の変位測定装置を具備したレーザ加工装置５００の概略図を示す図である。図７に示すように、レーザ加工装置５００は、加工ヘッド７１と、基板７２と、基板７２を保持するステージ７３と、ベース部材７４と、スケール７５と、ステージ７３上に搭載された検出ヘッド１００で構成される。なお、検出ヘッド１００を用いてスケール７５の変位量を測定する変位測定装置には、第１、及び第２の実施形態をそのまま適用することが出来る。
【００５６】
加工ヘッド７１は、不図示のレーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザビームＬＢを基板７２に導く照明光学系（不図示）により構成される。ここで、レーザ発振器は、射出されたレーザビームＬＢが基板７２を最適に加工できる様に波長、パルス幅等が選択できるものが好ましい。レーザ発振器には、例えば、エキシマレーザやＹＡＧレーザを用いることができる。
【００５７】
加工ヘッド７１より射出されたレーザビームＬＢは、ステージ７３上に載置された基板７２上に所望のビーム形状で集光される。ステージ７３は、不図示の移動機構に接続されている。移動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にステージ７３を駆動することで基板７２を移動させることができる。本実施形態のレーザ加工装置５００においては、ステージ７３をＺ軸方向に駆動させて、基板７２の表面を加工ヘッド７１の最適像面位置に合わせた後、ステージ７３をＸＹ平面において動作させて、基板７２とレーザビームＬＢの相対位置を変化させる。これにより、レーザビームＬＢにより基板７２を加工して、例えば、基板７２上に所望のパターンを形成することができる。
【００５８】
スケール７５には一次元の格子パターンが形成されており、スケール７５は加工ヘッド７１を取り囲むように配置される。本実施形態においては、ステージ７３上に変位測定装置の検出ヘッド１００が搭載される。変位測定装置においては、スケール７５に対する検出ヘッド１００の相対的な変位量を測定することで、ステージ７３の位置計測を行う。このため、基板７２とレーザビームＬＢの相対位置を変化させる際には、スケール７５に対する検出ヘッド１００の変位測定を行うことが可能となる。例えば、変位測定装置の計測値に基づいて、ステージ７３を制御しながら駆動させることで、基板７２上のレーザビームＬＢの位置を所望の位置に移動させることができる。
【００５９】
なお、ここまで本実施形態においては、変位検出装置の検出ヘッドをステージ上に配置する構成について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、スケールをステージ表面上に配置し、加工ヘッドの周辺に検出ヘッドを固定する構成でも良い。この構成においても同様に、検出ヘッドに対するスケールの変位測定を行うことにより、ステージの位置計測を行うことが出来る。
【００６０】
ここでは、レーザ加工装置について説明したが、加工ヘッドとしてモールドヘッドを使用するナノインプリント装置に本発明を適用することもできる。
【００６１】
以上より、本発明の変位測定装置をレーザ加工装置のステージ位置計測装置として適用した場合には、加工ヘッドとスケールの相対的な変位量を高精度に測定し、所定の位置に正確にステージを移動させることが出来る。なお、本実施形態においては、変位測定装置を精密加工機器であるレーザ加工装置のステージ位置計測装置として適用した場合について説明したが、本発明の変位測定装置の適用範囲はこれに限定されない。例えば、レチクルやウエハの位置座標を測定する座標測定装置や顕微鏡などの精密測定器や検査機器に広く適用することが出来る。この場合も同様に、測定ヘッド又は検査ヘッドとステージの相対的な変位量を高精度に測定し、所定の位置に正確にステージを移動させることが出来る。
【００６２】
また、いずれの実施形態においても、格子パターンが形成されたスケールに光を照射し、反射した回折光を用いた変位測定装置について説明した。しかし、本発明はスケールに光を照射してその透過した回折光を用いても良い。
【００６３】
（第５実施形態）
続いて、本発明の第５の実施形態として、デバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。ここでは、半導体デバイスの製造方法を例に説明する。
【００６４】
半導体デバイスは、ウエハに集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程を経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたウエハを露光する工程と、ウエハを現像する工程を含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）を含む。なお、液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。
【００６５】
本実施形態のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ レーザ光源
４ 格子パターン
５ スケール
６（６ａ、６ｂ） λ／４板（波長板）
７ 基準回折格子（光学素子）
５０（５０ａ、５０ｂ） 偏光板（直線偏光生成手段）
１００ 検出ヘッド
２００ 変位測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子パターンが形成されたスケールと、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板と、
前記波長板を透過した前記複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子と、
干渉させた光を受光する受光素子と、を備える変位測定装置において、
前記波長板に入射する前記複数の回折光が互いに偏光方向の等しい直線偏光になるように、前記光源からの光を直線偏光に変換する直線偏光生成手段を備える
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記直線偏光生成手段は、前記光源と前記スケールとの間の光路中に配置され、前記光源からの光を偏光方向が前記スケールの前記格子パターンの格子方向または周期方向と一致する直線偏光に変換することを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記直線偏光生成手段は、前記スケールと前記波長板との間の光路中に配置され、前記複数の回折光のそれぞれを直線偏光に変換することを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記直線偏光生成手段は偏光板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の変位測定装置。
【請求項５】
格子パターンが形成されたスケールと、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板と、
前記波長板を透過した前記複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子と、
干渉させた光を受光する受光素子と、を備える変位測定装置において、
前記光源は、直線偏光を射出し、該直線偏光の偏光方向が前記スケールの前記格子パターンに対して格子方向または周期方向と一致するように前記スケールを照明する
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項６】
基板を保持するステージと、
前記ステージの変位を測定する変位測定装置と、を備える露光装置において
前記ステージは前記変位測定装置の計測値に基づいて制御され、
前記変位測定装置は請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位測定装置であることを特徴とする露光装置。
【請求項７】
請求項６に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと
該露光した基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項８】
基板を保持し移動するステージと、
前記基板を加工する加工ヘッドと、
前記ステージの変位を測定する変位測定装置と、を備える精密加工機器において
前記ステージは前記変位測定装置の計測値に基づいて制御され、
前記変位測定装置は請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位測定装置であることを特徴とする精密加工機器。
【請求項１】
格子パターンが形成されたスケールと、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板と、
前記波長板を透過した前記複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子と、
干渉させた光を受光する受光素子と、を備える変位測定装置において、
前記波長板に入射する前記複数の回折光が互いに偏光方向の等しい直線偏光になるように、前記光源からの光を直線偏光に変換する直線偏光生成手段を備える
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記直線偏光生成手段は、前記光源と前記スケールとの間の光路中に配置され、前記光源からの光を偏光方向が前記スケールの前記格子パターンの格子方向または周期方向と一致する直線偏光に変換することを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記直線偏光生成手段は、前記スケールと前記波長板との間の光路中に配置され、前記複数の回折光のそれぞれを直線偏光に変換することを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記直線偏光生成手段は偏光板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の変位測定装置。
【請求項５】
格子パターンが形成されたスケールと、
前記スケールに光を照射する光源と、
前記スケールからの複数の回折光のそれぞれを円偏光に変換する波長板と、
前記波長板を透過した前記複数の回折光を重ね合わせて干渉させる光学素子と、
干渉させた光を受光する受光素子と、を備える変位測定装置において、
前記光源は、直線偏光を射出し、該直線偏光の偏光方向が前記スケールの前記格子パターンに対して格子方向または周期方向と一致するように前記スケールを照明する
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項６】
基板を保持するステージと、
前記ステージの変位を測定する変位測定装置と、を備える露光装置において
前記ステージは前記変位測定装置の計測値に基づいて制御され、
前記変位測定装置は請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位測定装置であることを特徴とする露光装置。
【請求項７】
請求項６に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと
該露光した基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項８】
基板を保持し移動するステージと、
前記基板を加工する加工ヘッドと、
前記ステージの変位を測定する変位測定装置と、を備える精密加工機器において
前記ステージは前記変位測定装置の計測値に基づいて制御され、
前記変位測定装置は請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位測定装置であることを特徴とする精密加工機器。
【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２０１１−１２２９４６（Ｐ２０１１−１２２９４６Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８０９９９（Ｐ２００９−２８０９９９）
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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