(57)【要約】  第１部材と第２部材との相対移動量を計測するエンコーダであって、第１部材に設けられた回折格子と、第２部材に設けられ計測光を回折格子に概ね垂直に入射させるＰＢＳ部材と、第２部材に設けられ計測光によって回折格子から発生する回折光を回折格子に入射させ、回折格子から発生する回折光をＰＢＳ部材に入射させる反射部と、ＰＢＳ部材に入射する回折光と参照光との干渉光を検出する光電センサとを備える。回折格子を用いて計測する際に、格子パターン面の高さ変化に対する干渉光の信号強度の低下を抑制できる。
2013161428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と該第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、
前記第１部材に設けられ、少なくとも前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、
計測光を射出する光源部と、
前記第２部材に設けられ、前記計測光を前記回折格子の格子パターン面に概ね垂直に入射させる第１光学部材と、
前記第２部材に設けられるとともに、前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する第１回折光を前記回折格子に入射させ、前記第１回折光によって前記回折格子から発生する第２回折光を前記第１光学部材に入射させる第１反射部と、
前記第２部材に設けられるとともに、前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する前記第１回折光と異なる次数の第３回折光を前記回折格子に入射させ、前記第３回折光によって前記回折格子から発生する第４回折光を前記第１光学部材に入射させる第２反射部と、
前記第１光学部材を介した前記第２回折光及び前記第４回折光と他の光束との干渉光をそれぞれ検出する第１及び第２光電検出器と、
前記第１及び第２光電検出器の検出信号を用いて前記第１部材と前記第２部材との相対移動量を求める計測部と、
を備えることを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項２】
前記第２反射部は、前記第１光学部材に関して前記第１反射部に概ね対称に前記第２部材に設けられることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ装置。
【請求項３】
前記回折格子の格子パターン面に対する前記計測光の入射位置に対して、前記格子パターン面に対する前記第１回折光及び前記第３回折光の入射位置が前記第１方向且つ前記第１方向に直交する方向にずれていることを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ装置。
【請求項４】
前記第３回折光は、前記回折格子から前記第１方向に関して前記第１回折光とほぼ対称に発生し、
前記第１反射部は、前記第１回折光を前記回折格子に概ね垂直に入射させ、前記回折格子から前記第１回折光に概ね平行に発生する前記第２回折光を前記第１光学部材に入射させ、
前記第２反射部は、前記第３回折光を前記回折格子に概ね垂直に入射させ、前記回折格子から前記第３回折光に概ね平行に発生する前記第４回折光を前記第１光学部材に入射させ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エンコーダ装置。
【請求項５】
前記回折格子と前記第１反射部との間に配置されて、前記第１回折光の前記第１反射部に対する入射角を小さくする第１方向変更部と、
前記回折格子と前記第２反射部との間に配置されて、前記第３回折光の前記第２反射部に対する入射角を小さくする第２方向変更部と、を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項６】
前記第１反射部は、前記第１回折光及び前記第２回折光を反射する直交する２つの反射面を持つ第１光束反射部材を有し、
前記第２反射部は、前記第３回折光及び前記第４回折光を反射する直交する２つの反射面を持つ第２光束反射部材を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項７】
前記光源部は、前記計測光及び該計測光と偏光状態の異なる参照光を射出し、
前記第１光学部材は、前記計測光及び前記参照光のうち前記計測光を前記回折格子に入射させる偏光ビームスプリッター面を含み、
前記第１及び第２光電検出器は、前記第２回折光及び前記第４回折光と前記参照光から分岐された第１参照光及び第２参照光との干渉光をそれぞれ検出することを特徴とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項８】
前記第１光学部材と前記回折格子との間に配置され、前記第１から第４回折光の偏光方向を調整する第１から第４の波長板を備えることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ装置。
【請求項９】
前記計測光及び前記参照光は前記光源部から所定の角度をもって射出され、
前記第２回折光と前記第１参照光との相対角度を補正する第１角度補正部材と、
前記第４回折光と前記第２参照光との相対角度を補正する第２角度補正部材とを備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のエンコーダ装置。
【請求項１０】
前記回折格子は、前記第１方向及び該第１方向に直交する第２方向を周期方向とする２次元の反射型の回折格子であり、
前記第２部材に設けられ、前記計測光を前記回折格子の格子パターン面に概ね垂直に入射させる第２光学部材と、
前記第２部材に設けられるとともに、前記計測光によって前記回折格子から前記第２方向に関して発生する第５回折光を前記回折格子に入射させ、前記第５回折光によって前記回折格子から発生する第６回折光を前記第２光学部材に入射させる第３反射部と、
前記第２部材に設けられるとともに、前記計測光によって前記回折格子から前記第２方向に関して発生する前記第５回折光と異なる次数の第７回折光を前記回折格子に入射させ、前記第７回折光によって前記回折格子から発生する第８回折光を前記第２光学部材に入射させる第４反射部と、
前記第２光学部材を介した前記第５回折光及び前記第８回折光と他の光束との干渉光をそれぞれ検出する第３及び第４光電検出器と、を備え、
前記計測部は、前記第１、第２、第３、及び第４光電検出器の検出信号を用いて前記第１部材と前記第２部材との相対移動量を求めることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１１】
前記計測部は、前記第１部材と前記第２部材との前記第１方向、前記第２方向、及び前記回折格子の格子パターン面に垂直な第３方向の相対移動量を求めることを特徴とする請求項１０に記載のエンコーダ装置。
【請求項１２】
第１部材と該第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測するエンコーダ装置であって、
前記第１部材に設けられ、少なくとも前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、
計測光を射出する光源部と、
前記第２部材に設けられ、前記計測光を前記回折格子の格子パターン面上の第１位置に入射させる第１光学部材と、
前記第２部材に設けられるとともに、前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する第１回折光を前記回折格子上の第２位置に入射させる第１反射部と、
前記第２部材に設けられるとともに、前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する前記第１回折光と異なる次数の第３回折光を前記回折格子上の第３位置に入射させる第２反射部と、
を備え、
前記第２位置及び前記第３位置の双方は、前記第１及び第２回折光が進行する経路と前記第１位置とを含む第１平面が前記反射型の回折格子と交差する第１線分よりも、前記第１方向と直交する第２方向側に位置することを特徴とするエンコーダ装置。
【請求項１３】
前記第２位置及び前記第３位置の間に、前記第１位置を通り前記第２方向に沿った前記反射型の回折格子上の第２線分が位置することを特徴とする請求項１２に記載のエンコーダ装置。
【請求項１４】
前記第２位置及び前記第３位置を通過する第３線分は、前記第１線分と平行であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のエンコーダ装置。
【請求項１５】
前記第１反射部は、前記第１回折光を前記第２方向へ移送し、
前記第２反射部は、前記第２回折光を前記第２方向へ移送することを特徴とする請求項１２乃至１４の何れか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１６】
前記第１反射部は、前記第１回折光によって前記回折格子から発生する第２回折光を前記第１光学部材に入射させ、
前記第２反射部は、前記第３回折光によって前記回折格子から発生する第４回折光を前記第１光学部材に入射させることを特徴とする請求項１２乃至１５の何れか一項に記載のエンコーダ装置。
【請求項１７】
前記第１光学部材を介した前記第２回折光及び前記第４回折光と他の光束との干渉光をそれぞれ検出する第１及び第２光電検出器と、
前記第１及び第２光電検出器の検出信号を用いて前記第１部材と前記第２部材との相対移動量を求める計測部と、
を備えることを特徴とする請求項１６に記載のエンコーダ装置。
【請求項１８】
パターンを被露光体に露光する露光装置であって、
フレームと、
前記被露光体を支持するとともに前記フレームに対して少なくとも第１方向に相対移動可能なステージと、
少なくとも前記第１方向への前記フレームと前記ステージとの相対移動量を計測するための請求項１〜１７のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１９】
第１部材と該第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測する方法であって、
前記第１部材に設けられ、少なくとも前記第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子の前記格子パターン面に概ね垂直に、前記第２部材に設けられた第１光学部材を介して計測光を入射させることと、
前記第２部材に設けられた第１反射部により、前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する第１回折光を前記回折格子に入射させ、前記第１回折光によって前記回折格子から発生する第２回折光を前記第１光学部材に入射させることと、
前記第２部材に設けられた第２反射部により、前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する前記第１回折光と異なる次数の第３回折光を前記回折格子に入射させ、前記第３回折光によって前記回折格子から発生する第４回折光を前記第１光学部材に入射させることと、
前記第１光学部材を介した前記第２回折光及び前記第４回折光と他の光束との干渉光をそれぞれ検出し、該検出結果より前記第１部材と前記第２部材との相対移動量を求めることと、
を含むことを特徴とする計測方法。
【請求項２０】
前記第３回折光を、前記第１方向に関して前記第１回折光と概ね対称に前記回折格子に入射させることを特徴とする請求項１９に記載の計測方法。
【請求項２１】
前記回折格子の格子パターン面に対する前記計測光の入射位置に対して、前記第１方向及び前記第１方向に直交する方向にずれるように、前記格子パターン面に対して前記第１回折光且つ前記第３回折光を入射させることを特徴とする請求項２０に記載の計測方法。
【請求項２２】
第１方向変更部を介して前記第１回折光の前記第１反射部に対する入射角を小さくすることと、
第２方向変更部を介して前記第３回折光の前記第２反射部に対する入射角を小さくすることと、を含むことを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の計測方法。
【請求項２３】
回折格子の前記格子パターン面に前記計測光を前記第１光学部材を介して入射させるときに、前記第１光学部材に入射する光束から前記計測光と偏光状態の異なる参照光を取り出し、
前記第２及び前記第４回折光と他の光束との干渉光をそれぞれ検出するときに、前記第２及び前記第４回折光と前記参照光から分岐した光束との干渉光を検出することを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の計測方法。
【請求項２４】
第１部材と該第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測する方法であって、
前記第１部材に設けられた反射型の回折格子の少なくとも前記第１方向を周期方向とする格子パターン上の第１位置に計測光を入射させることと、
前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する第１回折光を前記回折格子上の第２位置に入射させることと、
前記計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する前記第１回折光と異なる次数の第３回折光を前記回折格子上の第３位置に入射させることと、
を含み、
前記第２位置及び前記第３位置の双方は、前記第１及び第２回折光が進行する経路と前記第１位置とを含む第１平面が前記反射型の回折格子と交差する第１線分よりも、前記第１方向と直交する第２方向側に位置することを特徴とする計測方法。
【請求項２５】
前記第２位置及び前記第３位置の間に、前記第１位置を通り前記第２方向に沿った前記反射型の回折格子上の第２線分が位置することを特徴とする請求項２４に記載の計測方法。
【請求項２６】
前記第２位置及び前記第３位置を通過する第３線分は、前記第１線分と平行であることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の計測方法。
【請求項２７】
前記第２位置に入射させることは、前記第１回折光を前記第２方向へ移送することを含み、
前記第３位置に入射させることは、前記第２回折光を前記第２方向へ移送することを含むことを特徴とする請求項２４乃至２６の何れか一項に記載の計測方法。
【請求項２８】
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に支持された被露光体にパターンを露光する露光方法であって、
少なくとも前記第１方向への前記フレームと前記ステージとの相対移動量を計測するために請求項１９〜２７のいずれか一項に記載の計測方法を用いることを特徴とする露光方法。
【請求項２９】
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１８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３０】
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２８に記載の露光方法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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対移動する部材間の相対移動量を計測する計測方法及びエンコーダ装置、この計測方法及びエンコーダ装置を用いる露光技術、並びにこの露光技術を用いたデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を生産するためのフォトリソグラフィ工程で用いられる、いわゆるステッパー又はスキャニングステッパーなどの露光装置においては、従来より、露光対象の基板を移動するステージの位置計測はレーザ干渉計によって行われていた。ところが、レーザ干渉計では、計測用ビームの光路が長く、かつ変化するため、その光路上の雰囲気の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動が無視できなくなりつつある。【０００３】
そこで、例えばステージに固定された回折格子にレーザ光よりなる計測光を照射し、回折格子から発生する回折光と他の回折光又は参照光との干渉光を光電変換して得られる検出信号から、その回折格子が設けられた部材（ステージ等）の相対移動量を計測する、いわゆるエンコーダ装置（干渉型エンコーダ）も使用されつつある（例えば特許文献１参照）。このエンコーダ装置は、レーザ干渉計に比べて計測値の短期的安定性に優れるとともに、レーザ干渉計に近い分解能が得られるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，１３４，６８８号明細書
【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、回折格子から発生する回折光を平面ミラー等で反射しているため、回折格子の格子パターン面の高さが変化すると、その回折光が他の回折光又は参照光に対して相対的にシフトして、干渉光の信号強度が低下する恐れがあった。
本発明の態様は、このような課題に鑑み、回折格子を用いて相対移動量を計測する際に、格子パターン面の高さ変化が生じたときの干渉光の信号強度の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様によれば、第１部材とこの第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測するエンコーダ装置が提供される。このエンコーダ装置は、その第１部材に設けられ、少なくともその第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、計測光を射出する光源部と、その第２部材に設けられ、その計測光をその回折格子の格子パターン面に概ね垂直に入射させる第１光学部材と、その第２部材に設けられるとともに、その計測光によってその回折格子からその第１方向に関して発生する第１回折光をその回折格子に入射させ、その第１回折光によってその回折格子から発生する第２回折光をその第１光学部材に入射させる第１反射部と、その第２部材に設けられるとともに、その計測光によってその回折格子からその第１方向に関して発生するその第１回折光と異なる次数の第３回折光をその回折格子に入射させ、その第３回折光によってその回折格子から発生する第４回折光をその第１光学部材に入射させる第２反射部と、その第１光学部材を介したその第２回折光及びその第４回折光と他の光束との干渉光をそれぞれ検出する第１及び第２光電検出器と、その第１及び第２光電検出器の検出信号を用いてその第１部材とその第２部材との相対移動量を求める計測部と、を備えるものである。【０００７】
第２の態様によれば、  第１部材と該第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測するエンコーダ装置が提供される。このエンコーダ装置は、その第１部材に設けられ、少なくともその第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子と、計測光を射出する光源部と、その第２部材に設けられ、その計測光をそお回折格子の格子パターン面上の第１位置に入射させる第１光学部材と、その第２部材に設けられるとともに、その計測光によってその回折格子からその第１方向に関して発生する第１回折光をその回折格子上の第２位置に入射させる第１反射部と、その第２部材に設けられるとともに、その計測光によってその回折格子からその第１方向に関して発生するその第１回折光と異なる次数の第３回折光をその回折格子上の第３位置に入射させる第２反射部とを備える。そして、その第２位置及びその第３位置の双方は、その第１及び第２回折光が進行する経路とその第１位置とを含む第１平面がその反射型の回折格子と交差する第１線分よりも、その第１方向と直交する第２方向側に位置するものである。【０００８】
また、第３の態様によれば、パターンを被露光体に露光する露光装置であって、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、少なくともその第１方向へのそのフレームとそのステージとの相対移動量を計測するための第１又は第２の態様のエンコーダ装置と、を備える露光装置が提供される。【０００９】
また、第４の態様によれば、第１部材と該第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測する計測方法が提供される。この計測方法は、その第１部材に設けられ、少なくともその第１方向を周期方向とする格子パターンを有する反射型の回折格子のその格子パターン面に概ね垂直に、その第２部材に設けられた第１光学部材を介して計測光を入射させることと、その第２部材に設けられた第１反射部により、その計測光によってその回折格子からその第１方向に関して発生する第１回折光をその回折格子に入射させ、その第１回折光によってその回折格子から発生する第２回折光をその第１光学部材に入射させることと、その第２部材に設けられた第２反射部により、その計測光によってその回折格子からその第１方向に関して発生するその第１回折光と異なる次数の第３回折光をその回折格子に入射させ、その第３回折光によってその回折格子から発生する第４回折光をその第１光学部材に入射させることと、その第１光学部材を介したその第２回折光及びその第４回折光と他の光束との干渉光をそれぞれ検出し、該検出結果よりその第１部材とその第２部材との相対移動量を求めることと、を含むものである。【００１０】
また、第５の態様によれば、第１部材と該第１部材に対して少なくとも第１方向に相対移動可能に支持された第２部材との相対移動量を計測する計測方法が提供される。この計測方法は、その第１部材に設けられた反射型の回折格子の少なくともその第１方向を周期方向とする格子パターン上の第１位置に計測光を入射させることと、その計測光によってその回折格子からその第１方向に関して発生する第１回折光をその回折格子上の第２位置に入射させることと、その計測光によって前記回折格子から前記第１方向に関して発生する前記第１回折光と異なる次数の第３回折光を前記回折格子上の第３位置に入射させることと、を含む。そして、その第２位置及びその第３位置の双方は、その第１及び第２回折光が進行する経路とその第１位置とを含む第１平面がその反射型の回折格子と交差する第１線分よりも、その第１方向と直交する第２方向側に位置するものである。【００１１】
また、第６の態様によれば、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に支持された被露光体にパターンを露光する露光方法であって、少なくともその第１方向へのそのフレームとそのステージとの相対移動量を計測するために第４又は第５の態様の計測方法を用いる露光方法が提供される。
また、第７の態様によれば、リソグラフィ工程を含み、そのリソグラフィ工程で第３の態様の露光装置又は第６の態様の露光方法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反射部により第１回折光を回折格子に入射させ、第２反射部により第３回折光を回折格子に入射させているため、その第１反射部材に対するその回折格子の格子パターン面の相対的な高さが変化しても、第１回折光及び第３回折光によって回折格子から発生する第２回折光及び第４回折光と他の光束との相対的なシフト量が低減される。従って、回折格子の格子パターン面の高さの変化に対して干渉光の信号強度の低下を抑制でき、計測精度を高く維持できる。
【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平面図である。
【図２】（Ａ）は図１中のＸ軸の干渉計部の要部を示す斜視図、（Ｂ）は図２（Ａ）中の計測光及び回折光の照射位置を示す平面図、（Ｃ）は計測光及び参照光の開き角の説明図である。
【図３】（Ａ）は図２（Ａ）のＸ軸の干渉計部におけるＸ方向の±１次回折光の光路を示す図、（Ｂ）はＹ軸の干渉計部における±１次回折光の光路を示す図である。
【図４】（Ａ）は図２（Ａ）のＸ軸の干渉計部において格子パターン面の相対的な高さが変化したときの回折光の光路の変化を示す図、（Ｂ）は格子パターン面が相対的に傾斜したときの回折光の光路の変化を示す図である。
【図５】（Ａ）は第１変形例に係るＸ軸の干渉計部の要部を示す図、（Ｂ）は図５（Ａ）中のルーフミラーを示す斜視図である。
【図６】第２変形例に係るＸ軸の干渉計部の要部を示す図である。
【図７】第１変形例に係る検出ヘッドの一部を示す平面図である。
【図８】第２変形例に係る検出ヘッドの要部を示す平面図である。
【図９】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１０】図９のウエハステージに設けられた回折格子及び複数の検出ヘッドの配置の一例を示す平面図である。
【図１１】図９の露光装置の制御系を示すブロック図である。
【図１２】計測方法の一例を示すフローチャートである。
【図１３】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４（Ｂ）を参照して説明する。図１は本実施形態に係るエンコーダ１０を示す平面図である。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３次元的に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）に直交する相対移動方向に沿ってＺ軸を取って説明する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの角度をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向の角度とも呼ぶこととする。
【００１５】
図１において、エンコーダ１０は、第１部材６の上面に固定された、ＸＹ面にほぼ平行な平板状の２次元の回折格子１２と、第２部材７に固定された検出ヘッド１４と、検出ヘッド１４に計測用のレーザ光を供給するレーザ光源１６及び光ファイバ１７と、検出ヘッド１４で生成される複数の干渉光を伝送する光ファイバ３９ＸＡ，３９ＸＢ，３９ＹＡ，３９ＹＢ，３９Ｃと、これら光ファイバ３９ＸＡ〜３９Ｃを介して供給される複数の干渉光を受光して検出信号を出力するフォトダイオード等の光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢ，４０ＹＡ，４０ＹＢ，４０Ｃと、それらの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、Ｙ方向、及びＺ方向の３次元の相対移動量を求める計測演算部４２（４２Ｘ，４２Ｙ，４２Ｔ）と、を有する。検出ヘッド１４は、回折格子１２に計測光を照射し、回折格子１２からＸ方向に発生する複数の回折光と参照光との複数の干渉光を生成するＸ軸の干渉計部１５Ｘと、回折格子１２に計測光を照射し、回折格子１２からＹ方向に発生する複数の回折光と参照光との複数の干渉光を生成するＹ軸の干渉計部１５Ｙと、その他の光学部材と、複数の光学部材を支持するために第２部材７に固定されるとともに、内部に光束を通過させる複数の開口が形成された支持部材３５Ｘ及び３５Ｙと、を有する。
【００１６】
回折格子１２のＸＹ面にほぼ平行な格子パターン面１２ｂには、Ｘ方向及びＹ方向に所定の周期（ピッチ）ｐを持ち、位相型でかつ反射型の２次元の格子パターン１２ａが形成されている。格子パターン１２ａのＸ方向、Ｙ方向の周期ｐは、一例として１００ｎｍ〜４μｍ程度（例えば１μｍ周期）である。なお、格子パターン１２ａのＸ方向、Ｙ方向の周期が互いに異なっていてもよい。格子パターン１２ａ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１２ｂは、保護用の平板ガラスで覆われていてもよい。
【００１７】
レーザ光源１６は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は半導体レーザ等よりなり、一例として偏光方向が互いに直交するとともに互いに周波数が所定量だけ異なる第１及び第２の直線偏光のレーザ光ＭＬ，ＲＬよりなる２周波ヘテロダイン光を射出する。それらのレーザ光は互いに可干渉を有し（偏光方向を平行にした場合）、それらの平均波長をλとする。レーザ光源１６は、それら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）を計測演算部４２に供給する。なお、ホモダイン干渉方式も使用可能である。
【００１８】
光ファイバ１７は、レーザ光源１６から射出されたレーザ光ＭＬ，ＲＬをそれぞれ偏光方向を維持しながら伝送するダブルコア型で偏波面保持型の光ファイバである。本実施形態では、光ファイバ１７から射出されるときに、第１のレーザ光ＭＬはＸＹ平面に平行なＸ方向に偏光した直線偏光であり、第２のレーザ光ＲＬはＺ方向に偏光した直線偏光である。他の光ファイバ３９ＸＡ〜３９ＹＢ，３９Ｃはシングルコア型であるが、偏波面保持型又は通常のいずれのタイプでもよい。また、光ファイバ３９ＸＡ〜３９ＹＢ，３９Ｃの入射口に集光レンズを設けてもよい。なお、光ファイバ１７，３９ＸＡ〜３９ＹＢ等は、図１では中間部が図示省略されている。また、光ファイバ１７の代わりに複数のミラーを組み合わせたビーム送光光学系を使用してもよく、光ファイバ３９ＸＡ〜３９ＹＢ，３９Ｃを使用することなく、干渉光を直接光電センサ４０ＸＡ〜４０ＹＢ，４０Ｃで受光してもよい。
【００１９】
検出ヘッド１４は、光ファイバ１７から射出されるレーザ光ＭＬ，ＲＬを平行光束にするレンズ１８ｂ（図２（Ｃ）参照）を含む連結部１８と、連結部１８から射出されるレーザ光ＭＬ，ＲＬをＸ軸用の計測光ＭＸ及び参照光ＲＸと、Ｙ軸用の計測光ＭＹ及び参照光ＲＹとに分割するハーフプリズム２０Ａと、計測光ＭＸ及び参照光ＲＸをほぼ−Ｙ方向に向けてＸ軸の干渉計部１５Ｘに入射させる２つのミラー２２Ａ，２２Ｂと、計測光ＭＹ及び参照光ＲＹの大部分をほぼ＋Ｘ方向に向けてＹ軸の干渉計部１５Ｙに入射させる光学部材３６Ａ及び３６Ｂと、を有する。本実施形態において、ハーフプリズム２０Ａから射出されるＸ軸の計測光ＭＸ及び参照光ＲＸはそれぞれＸ方向及びＺ方向に直線偏光したヘテロダインビームであり、ハーフプリズム２０Ａから射出されるＹ軸の計測光ＭＹ及び参照光ＲＹはそれぞれＹ方向及びＺ方向に直線偏光したヘテロダインビームである。計測光ＭＸ，ＭＹ及び参照光ＲＸ，ＲＹは例えば直径が０．５〜数ｍｍ程度の円形（楕円又は矩形等でもよい）の断面を有する。
【００２０】
図２（Ｃ）に示すように、レーザ光ＭＬ，ＲＬは光ファイバ１７の隣接するコア部から射出されてレンズ１８ｂによって平行光束に変換されるため、平行光束に変換された後のレーザ光ＭＬ，ＲＬは所定の小さい角度βで交差している。このため、ハーフプリズム２０Ａから射出される計測光ＭＸ及び参照光ＲＸ、並びに計測光ＭＹ及び参照光ＲＹはそれぞれ角度βで相対的に傾斜している。このように計測光ＭＸ及び参照光ＲＸ（計測光ＭＹ及び参照光ＲＹ）を相対的に傾斜させることによって、最終的に検出される干渉光に混入するノイズ光を低減させることができる。
【００２１】
図１において、＋Ｙ方向側の支持部材３５Ｘの−Ｘ方向の端面に、ＹＺ面をＺ軸に平行な軸を中心として時計回りに４５°回転した面に平行な反射面Ａ３及び偏光ビームスプリッター面（以下、ＰＢＳ面という）Ａ４を有する合成光学部材３３Ｘを介して、ＹＺ面をＺ軸に平行な軸を中心として反時計回りに４５°回転した面に平行なＰＢＳ面Ａ２及びハーフミラー面Ａ１を有する合成光学部材３２Ｘが固定されている。合成光学部材３２Ｘの入射面に楔形プリズム３４Ｘが固定されている。また、支持部材３５Ｘの＋Ｘ方向の端面のＰＢＳ面Ａ２及びＡ４に対向する位置に偏光板４１ＸＡ，４１ＸＢが固定され、偏光板４１ＸＡ，４１ＸＢに光ファイバ３９ＸＡ，３９ＸＢの入射端が固定されている。
【００２２】
また、図１において、−Ｙ方向側の支持部材３５Ｙの−Ｘ方向の端面の＋Ｙ方向の端部に、透過率が大きく反射率が小さいビームスプリッター面（以下、ＢＳ面という）Ｂ１及びＰＢＳ面Ｂ２を有する光学部材３６Ａが固定されている。さらに、支持部材３５Ｙのその端面の−Ｙ方向側の領域に、合成光学部材３３Ｘ，３２Ｘと同じ構成の合成光学部材３３Ｙ，３２Ｙが固定され、合成光学部材３２Ｙの入射面に楔形プリズム３４Ｘと同じ形状の楔形プリズム３４Ｙが固定されている。支持部材３５Ｙの＋Ｘ方向の端面において、合成光学部材３２Ｙ，３３ＹのＰＢＳ面及び光学部材３６ＡのＰＢＳ面Ｂ２に対向する位置に偏光板４１ＹＢ，４１ＹＡ，４１Ｃが固定され、偏光板４１ＹＢ，４１ＹＡ，４１Ｃに光ファイバ３９ＹＢ，３９ＹＡ，３９Ｃの入射端が固定されている。偏光板４１ＸＡ〜４１ＹＢ，４１Ｃの結晶軸の方向は、後述のＹ方向に直線偏光した計測対象の回折光又は計測光とＺ方向に直線偏光した参照光とを合成して干渉光を生成するように斜め方向に設定されている。さらに、楔形プリズム３４Ｘ，３４Ｙは、入射する参照光ＲＸ，ＲＹの進行方向を、計測光ＭＸ，ＭＹと参照光ＲＸ，ＲＹとの間の角度β（図２（Ｃ）参照）を相殺するように変化させて、参照光と計測対象の回折光とを平行にするものである。
【００２３】
また、光学部材３６Ｂは、透過率が小さく反射率が大きいＢＳ面Ｂ３、ほぼ直交する２つの反射面Ｂ４，Ｂ５、及びＢＳ面Ｂ３に対して−Ｙ方向に離れた位置に配置された反射面Ｂ６を有する。ハーフプリズム２０Ａで分岐されたＹ軸の計測光ＭＹ及び参照光ＲＹは、光学部材３６ＡのＢＳ面Ｂ１を大部分が透過し、ＢＳ面Ｂ１で反射された計測光ＭＹの一部及び参照光の一部（参照光ＲＹ３）がＰＢＳ面Ｂ２に入射し、ＰＢＳ面Ｂ２でＳ偏光の参照光ＲＹ３が反射される。また、ＢＳ面Ｂ１を透過した計測光ＭＹ及び参照光ＲＹは光学部材３６ＢのＢＳ面Ｂ３で大部分が反射され、反射された計測光ＭＹ及び参照光ＲＹは反射面Ｂ６を介してほぼ−Ｘ方向側からＹ軸の干渉計部１５Ｙに入射する。
【００２４】
ＢＳ面Ｂ３を透過した計測光の一部（計測光ＭＹ３）及び参照光ＲＹの一部は、反射面Ｂ４，Ｂ５で反射されて光学部材３６ＡのＰＢＳ面Ｂ２に入射し、Ｐ偏光の計測光ＭＹ３がＰＢＳ面Ｂ２を透過してＰＢＳ面Ｂ２で反射された参照光ＲＹ３と合成されて参照用の干渉光を形成する。参照用の干渉光は偏光板４１Ｃを介して光ファイバ３９Ｃに入射し、光ファイバ３９Ｃで伝送された干渉光は光電センサ４０Ｃで受光される。一例として、光学部材３６Ｂの反射面Ｂ５の位置及び角度は、ＰＢＳ面Ｂ２で合成された計測光ＭＹ３及び参照光ＲＹ３が同軸で平行になるように、計測光ＭＹ３の位置及び角度を調整するように設定されている。
【００２５】
また、Ｘ軸の干渉計部１５Ｘは、ミラー２２Ｂでほぼ−Ｙ方向に反射された計測光ＭＸ及び参照光ＲＸが入射する偏光ビームスプリッター面（以下、ＰＢＳ面という）Ａ１１（図２（Ａ）参照）を有する偏光ビームスプリッター部材（以下、ＰＢＳ部材という）２４Ｘと、ＰＢＳ部材２４ＸをＸ方向に挟むように対称に固定された１対のルーフプリズム２６ＸＡ，２６ＸＢと、ＰＢＳ部材２４Ｘの上面の＋Ｙ方向側にＸ方向に対称に外側を向いて固定された１対の大型の直角プリズム型の反射部材２８ＸＡ，２８ＸＢと、ＰＢＳ部材２４Ｘの上面の−Ｙ方向側にＸ方向に対称に外側を向いて固定された１対の小型の直角プリズム型の反射部材３０ＸＡ，３０ＸＢと、を有する。さらに、反射部材２２Ｃ、楔形プリズム３４Ｘ、合成光学部材３２Ｘ，３３Ｘも干渉計部１５Ｘに含まれる。
【００２６】
＋Ｘ方向側のルーフプリズム２６ＸＡ及び反射部材２８ＸＡ，３０ＸＡより第１の反射部２５ＸＡが構成され、−Ｘ方向側のルーフプリズム２６ＸＢ及び反射部材２８ＸＢ，３０ＸＢより第２の反射部２５ＸＢが構成されている。第２部材７には、計測光ＭＸ及び回折格子１２から射出される回折光を通す開口（不図示）が形成されており、ＰＢＳ部材２４Ｘはその開口を覆うように第２部材７に固定されている。
【００２７】
図２（Ａ）は、図１中の干渉計部１５ＸのＰＢＳ部材２４Ｘ及び反射部２５ＸＡ，２５ＸＢを示す。図２（Ａ）において、ＰＢＳ部材２４Ｘは、＋Ｙ方向側の大型の反射部材２８ＸＡ，２８ＸＢが固定された部分の内部は透過部で、−Ｙ方向側の小型の反射部材３０ＸＡ，３０ＸＢが固定された部分の内部に斜めに（ＸＹ面に対してＸ軸の回りに４５°で傾斜して）ＰＢＳ面Ａ１１が形成された２層構造の部材である。ＰＢＳ部材２４Ｘは、ＸＹ面に平行な２面と、ＹＺ面に平行な２面と、ＺＸ面に平行な２面との６面で囲まれた直方体状であるが、別の形状にしてもよい。反射部２５ＸＡのルーフプリズム２６ＸＡは、ＰＢＳ部材２４Ｘの底面に対して反時計回りに角度α１（図３（Ａ）参照）で傾斜した入射面Ａ１２と、ＸＺ面に平行な稜線Ａ１６に関して対称に、かつ直交するように形成された１対の反射面Ａ１３，Ａ１４と、ＰＢＳ部材２４Ｘ及び反射部材２８ＸＡ，３０ＸＢに密着した射出面Ａ１５とを有する。ルーフプリズム２６ＸＡの稜線Ａ１６は、ＺＹ面に対して反時計回りに角度α２で傾斜している（図３（Ａ）参照）。他方のルーフプリズム２６ＸＢはルーフプリズム２６ＸＡと対称な形状であり、ルーフプリズム２６ＸＢも直交する２つの反射面Ａ２３，Ａ２４を有する。
【００２８】
図１のミラー２２Ｂで反射された計測光ＭＸはＳ偏光として、参照光ＲＸはＰ偏光としてほぼ−Ｙ方向側から図２（Ａ）のＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１に入射する。そして、参照光ＲＸは、ＰＢＳ面Ａ１１を透過してＰＢＳ部材２４Ｘからほぼ−Ｙ方向に射出される。一方、Ｓ偏光の計測光ＭＸはＰＢＳ面Ａ１１で反射されて、回折格子１２Ｘの格子パターン面１２ｂ（格子パターン１２ａ）に垂直に（概ねＺ軸に平行に）入射する。ここで、垂直に入射するとは、計測光ＭＸを格子パターン面１２ｂに垂直に入射させる場合の外に、０次光（正反射光）の影響を軽減するために、計測光ＭＸをＺ軸に平行な軸に対してＸ方向（θｙ方向）及び／又はＹ方向（θｘ方向）に例えば０．５〜１．５°程度傾斜させて格子パターン面１２ｂに概ね垂直に入射させる場合も含まれることを意味している。
【００２９】
本実施形態において、概ね垂直に回折格子１２の格子パターン面１２ｂに入射する計測光ＭＸによって、Ｘ方向に対称に±１次回折光ＤＸ１，ＤＸ２が発生する。発生した回折光ＤＸ１はルーフプリズム２６ＸＡの入射面に入射し、回折光ＤＸ２はルーフプリズム２６ＸＢの入射面に入射する。この際に、Ｙ方向に対称に±１次回折光も発生するが、Ｙ方向の回折光はＸ軸の干渉計部１５Ｘでは使用されない。＋１次回折光ＤＸ１は、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２及び反射面Ａ１３，Ａ１４を介して＋Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に−Ｘ方向に向けて射出面Ａ１５を介して反射部材２８ＸＡに入射する。そして、反射部材２８ＸＡで反射された回折光ＤＸ１は、ＰＢＳ部材２４Ｘを透過して回折格子１２の格子パターン面１２ｂに概ね垂直に入射する。これと対称に、−１次回折光ＤＸ２は、ルーフプリズム２６ＸＢの反射面Ａ２３，Ａ２４等を介して＋Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に＋Ｘ方向に向けて反射部材２８ＸＢに入射し、反射部材２８ＸＢで反射された回折光ＤＸ２は、回折格子１２の格子パターン１２ａに概ね垂直に入射する。
【００３０】
図２（Ｂ）に示すように、格子パターン１２ａにおいて計測光ＭＸが入射する位置に対して、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が入射する位置は、Ｙ方向に間隔ａ１だけシフトしているとともに、Ｘ方向に対称に距離ａ２だけシフトしている。距離ａ１は、ＰＢＳ部材２４ＸのＹ方向の幅のほぼ１／２であり、距離ａ２は、ＰＢＳ部材２４ＸのＸ方向の幅のほぼ１／３である。このような配置で計測光ＭＸ及び回折光ＤＸ１，ＤＸ２を回折格子１２に入射させることで、干渉計部１５Ｘの構成を小型化できる。ただし、距離ａ１及びａ２は任意である。また、計測光ＭＸ及び回折光ＤＸ１，ＤＸ２の入射位置の配置は任意である。
【００３１】
反射部材２８ＸＡ，２８ＸＢで反射された回折光ＤＸ１，ＤＸ２によって回折格子１２からＸ方向に対称に＋１次回折光ＥＸ１及び−１次回折光ＥＸ２（再回折光）が発生する。回折光ＥＸ１は、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２及び反射面Ａ１４，Ａ１３の順に反射することで−Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に−Ｘ方向に向けて反射部材３０ＸＡに入射する。そして、反射部材３０ＸＡで反射されたＳ偏光の回折光ＥＸ１は、ＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１で反射されてほぼ−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４Ｘから射出される。これと対称に、回折光ＥＸ２は、ルーフプリズム２６ＸＢの入射面及び反射面Ａ２４，Ａ２３の順に反射することで−Ｙ方向にシフトして、かつＸ軸に平行に＋Ｘ方向に向けて反射部材３０ＸＢに入射する。そして、反射部材３０ＸＢで反射されたＳ偏光の回折光ＥＸ２は、ＰＢＳ面Ａ１１で反射されてほぼ−Ｙ方向にＰＢＳ部材２４Ｘから射出される。
【００３２】
図１において、ＰＢＳ部材２４Ｘから射出された回折光ＥＸ１，ＥＸ２は、反射部材２２Ｃで反射されてそれぞれ合成光学部材３２Ｘ，３３ＸのＰＢＳ面Ａ２，Ａ４を透過する。回折光ＥＸ１，ＥＸ２は、ＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１に対してはＳ偏光であるが、ＰＢＳ面Ａ２，Ａ４に対してはＰ偏光であることによる。また、ＰＢＳ部材２４Ｘを透過した参照光ＲＸは、反射部材２２Ｃで反射され、楔形プリズム３４Ｘを介して合成光学部材３２Ｘのハーフミラー面Ａ１に入射する。ハーフミラー面Ａ１で反射された参照光ＲＸ１は、ＰＢＳ面Ａ２で反射されて回折光ＥＸ１と同軸に合成されて干渉光となる。この干渉光は、偏光板４１ＸＡ及び光ファイバ３９ＸＡを介して光電センサ４０ＸＡに受光される。ハーフミラー面Ａ１を透過した参照光ＲＸ２は、合成光学部材３３Ｘの反射面Ａ３で反射された後、ＰＢＳ面Ａ４で反射されて回折光ＥＸ２と同軸に合成されて干渉光となる。この干渉光は、偏光板４１ＸＢ及び光ファイバ３９ＸＢを介して光電センサ４０ＸＢに受光される。参照光ＲＸ１，ＲＸ２はＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１に対してはＰ偏光であるが、ＰＢＳ面Ａ２，Ａ４に対してはＳ偏光であることによる。
【００３３】
また、Ｙ軸の干渉計部１５Ｙは、Ｘ軸の干渉計部１５ＸのＰＢＳ部材２４Ｘ及び反射部２５ＸＡ，２５ＸＢを一体的に９０°回転した構成のＰＢＳ部材２４Ｙ及び反射部２５ＹＡ，２５ＹＢを有する。すなわち、反射部２５ＹＡ，２５ＹＢもそれぞれルーフプリズム２６ＹＡ，２６ＹＢ、大型の反射部材２８ＹＡ，２８ＹＢ、及び小型の反射部材３０ＹＡ，３０ＹＢを有し、ＰＢＳ部材２４Ｙは開口（不図示）を覆うように第２部材７に固定されている。さらに、干渉計部１５Ｙは、楔形プリズム３４Ｙ及び合成光学部材３２Ｙ，３３Ｙを有する。
【００３４】
反射面Ｂ６で反射された計測光ＭＹ及び参照光ＲＹは、干渉計部１５ＹのＰＢＳ部材２４Ｙに入射し、Ｐ偏光の参照光ＲＹはＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面を透過して＋Ｘ方向に射出される。そして、Ｓ偏光の計測光ＭＹはＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面で反射されて回折格子１２の格子パターン１２ａに概ね垂直に入射し、格子パターン１２ａからＹ方向に対称に±１次回折光ＤＹ１，ＤＹ２（図３（Ｂ）参照）が発生する。Ｘ方向に発生する±１次回折光は干渉計部１５Ｙでは使用されない。これらの回折光ＤＹ１（ＤＹ２）は反射部２５ＹＡ（反射部２５ＹＢ）を介して回折格子１２の格子パターン１２ａに概ね垂直に入射する。そして、回折光ＤＹ１によるＹ方向の＋１次回折光ＥＹ１及び回折光ＤＹ２によるＹ方向の−１次回折光ＥＹ２が、回折格子１２から発生する。回折光ＥＹ１は、反射部２５ＹＡを介してＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面で反射されて＋Ｘ方向に射出される。回折光ＥＹ２は、反射部２５ＹＢを介してＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面で反射されて＋Ｘ方向に射出される。
【００３５】
そして、ＰＢＳ部材２４Ｙから射出された回折光ＥＹ１，ＥＹ２は、それぞれ合成光学部材３３Ｙ，３２ＹのＰＢＳ面をＰ偏光状態で透過する。また、ＰＢＳ部材２４Ｙを透過した参照光ＲＹは、楔形プリズム３４Ｙを介して合成光学部材３２Ｙのハーフミラー面に入射する。そのハーフミラー面で反射された参照光ＲＹ２は、ＰＢＳ面で反射されて回折光ＥＹ２と同軸に合成されて干渉光となる。この干渉光は、偏光板４１ＹＢ及び光ファイバ３９ＹＢを介して光電センサ４０ＹＢに受光される。そのハーフミラー面を透過した参照光ＲＹ１は、合成光学部材３３Ｙの反射面で反射された後、ＰＢＳ面で反射されて回折光ＥＹ１と同軸に合成されて干渉光となる。この干渉光は、偏光板４１ＹＡ及び光ファイバ３９ＹＡを介して光電センサ４０ＹＡに受光される。
【００３６】
図１において、計測演算部４２は、第１演算部４２Ｘ、第２演算部４２Ｙ、及び第３演算部４２Ｔを有する。そして、Ｘ軸の光電センサ４０ＸＡは、回折光ＥＸ１及び参照光ＲＸ１よりなる干渉光の検出信号（光電変換信号）を第１演算部４２Ｘに供給し、Ｘ軸の光電センサ４０ＸＢは、回折光ＥＸ２及び参照光ＲＸ２よりなる干渉光の検出信号を第１演算部４２Ｘに供給する。また、Ｙ軸の光電センサ４０ＹＡは、回折光ＥＹ１及び参照光ＲＹ１よりなる干渉光の検出信号を第２演算部４２Ｙに供給し、Ｙ軸の光電センサ４０ＹＢは、回折光ＥＹ２及び参照光ＲＹ２よりなる干渉光の検出信号を第２演算部４２Ｙに供給する。第１演算部４２Ｘ及び第２演算部４２Ｙには、レーザ光源１６からの基準周波数の信号（基準信号）、及び光電センサ４０Ｃで検出された参照用の干渉光のほぼその基準周波数の信号（参照信号）も供給されている。
【００３７】
ここで、第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の相対移動量（相対変位）をＸ，Ｙ，Ｚとして、第１演算部４２Ｘ及び第２演算部４２Ｙで求められるＺ方向の相対移動量をそれぞれＺＸ，ＺＹとする。このとき、一例として、第１演算部４２Ｘは、光電センサ４０ＸＡの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、既知の係数ａ，ｂを用いてＸ方向及びＺ方向の第１の相対移動量（ａ・Ｘ＋ｂ・ＺＸ）を求め、光電センサ４０ＸＢの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、Ｘ方向及びＺ方向の第２の相対移動量（−ａ・Ｘ＋ｂ・ＺＸ）を求め、その第１及び第２の相対移動量からＸ方向の相対移動量（Ｘ）及びＺ方向の相対移動量（ＺＸ）を求め、求めた結果を第３演算部４２Ｔに供給する。第２演算部４２Ｙは、光電センサ４０ＹＡの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、Ｙ方向及びＺ方向の第１の相対移動量（ａ・Ｙ＋ｂ・ＺＹ）を求め、光電センサ４０ＹＢの検出信号及び基準信号（又は参照信号）から、Ｙ方向及びＺ方向の第２の相対移動量（−ａ・Ｙ＋ｂ・ＺＹ）を求め、その第１及び第２の相対移動量からＹ方向の相対移動量（Ｙ）及びＺ方向の相対移動量（ＺＹ）を求め、求めた結果を第３演算部４２Ｔに供給する。
【００３８】
第３演算部４２Ｔは、演算部４２Ｘ，４２Ｙから供給される相対移動量（Ｘ）及び（Ｙ）を所定のオフセットで補正した値を第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向の相対移動量として出力する。また、第３演算部４２Ｔは、一例として、演算部４２Ｘ，４２Ｙから供給されるＺ方向の相対移動量（ＺＸ）及び（ＺＹ）の平均値（＝（ＺＸ＋ＺＹ）／２）を所定のオフセットで補正した値を第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対移動量として出力する。Ｘ方向、Ｙ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。エンコーダ１０では、計測光ＭＸ，ＭＹ等の光路が短いため、その光路上の気体の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動を低減できる。さらに、最終的に２回目の＋１次回折光ＥＸ１，ＥＹ１及び−１次回折光ＥＸ２，ＥＹ２と対応する参照光ＲＸ１〜ＲＹ２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、±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。
【００３９】
次に、本実施形態の検出ヘッド１４の回折光の光路につき詳細に説明する。
図３（Ａ）はＸ軸の干渉計部１５Ｘの要部及び回折格子１２を示す。図３（Ａ）において、計測光ＭＸが回折格子１２の格子パターン１２ａに垂直に（Ｚ軸に平行に）入射するとき、計測光ＭＸによるＸ方向の＋１次回折光ＤＸ１の回折角φｘは、格子パターン１２ａの周期ｐ及び計測光ＭＸの波長λを用いて次の関係を満たす。このとき、計測光ＭＸによるＸ方向の−１次回折光ＤＸ２の回折角は−φｘとなる。
【００４０】
ｐ・sin(φｘ)＝λ    …（１）
一例として、周期ｐを１０００ｎｍ（１μｍ）、計測光ＭＸの波長λを６３３ｎｍとすると、回折角φｘはほぼ３９°となる。
また、回折光ＤＸ１は、ルーフプリズム２６ＸＡ（入射面Ａ１２及び反射面Ａ１３，Ａ１４）及び反射部材２８ＸＡによって、計測光ＭＸ（ここではＺ軸に平行）に平行になるように折り曲げられて回折格子１２に再入射する。従って、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２の角度α１、稜線Ａ１６の角度α２、屈折率ｎｇ、及び回折光ＤＸ１の入射面Ａ１２に対する入射角ｉ（角度α１と回折角φｘとの関数）は、反射部材２８ＸＡで反射された回折光ＤＸ１がＺ軸に概ね平行になるように定められることが好ましい。
【００４１】
さらに、本実施形態では、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２に入射する回折光ＤＸ１の振れ角δの入射角ｉに関する変化率（ｄδ／ｄｉ）は、次のようにcos(φｘ）に設定されることが好ましい。
ｄδ／ｄｉ＝cos(φｘ）＝cos｛arcsin（λ／ｐ）｝  …（３）
この式（３）の条件は、入射面Ａ１２における振れ角δの変化率（ｄδ／ｄｉ）は、回折格子１２に対する計測光ＭＸの入射角が０から変化したときの回折光ＤＸ１の回折角の変化率を、入射面Ａ１２で相殺することを意味している（詳細後述）。
【００４２】
計測光ＭＸが格子パターン１２ａに垂直に（Ｚ軸に平行に）入射する場合、反射部２５ＸＡで反射される回折光ＤＸ１は、計測光ＭＸが入射した位置から＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する（図２（Ｂ）参照）。そして、回折光ＤＸ１によって回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＸ１の回折角は式（１）のφｘと同じであり、回折光ＥＸ１は反射部２５ＸＡによって光路をＺ軸に平行に折り曲げられてＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１に向かう。このとき、計測光ＭＸによる回折格子１２からの−１次回折光ＤＸ２は、回折光ＤＸ１と対称に反射部２５ＸＢを介して計測光ＭＸが入射した位置から−Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する（図２（Ｂ）参照）。そして、回折光ＤＸ２によって回折格子１２から発生する−１次回折光ＥＸ２は、反射部２５ＸＢによって光路をＺ軸に平行に折り曲げられてＰＢＳ面Ａ１１に向かう。
【００４３】
また、図３（Ｂ）はＹ軸の干渉計部１５Ｙの要部及び回折格子１２を示す。図３（Ｂ）において、計測光ＭＹが回折格子１２の格子パターン１２ａに垂直に入射するとき、計測光ＭＹによるＹ方向の＋１次回折光ＤＹ１の回折角φｙは、式（１）のＸ方向の回折角φｘと同じである。反射部２５ＹＡで反射される回折光ＤＹ１は、計測光ＭＹが入射した位置から−Ｘ方向及び＋Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する。一方、反射部２５ＹＢで反射される回折光ＤＹ２は、計測光ＭＹが入射した位置から−Ｘ方向及び−Ｙ方向にずれた位置で格子パターン１２ａに垂直に入射する。そして、回折光ＤＹ１によって反射部２５ＹＡを介して回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＹ１、及び計測光ＭＹによるＹ方向の−１次回折光ＤＹ２によって回折格子１２から発生する−１次回折光ＥＹ２は、それぞれ反射部２５ＹＡ，２５ＹＢによって光路をＺ軸に平行に折り曲げられてＰＢＳ部材２４ＹのＰＢＳ面に向かう。
【００４４】
そして、図３（Ａ）の配置において、図４（Ａ）に示すように、干渉計部１５Ｘに対して回折格子１２の格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が位置Ｂ１１までδＺだけ変化した場合を想定する。このとき、計測光ＭＸによる＋１次回折光ＤＸ１は、光路が位置Ｂ１２に平行にシフトして反射部２５ＸＡに入射する。反射部２５ＸＡは、入射光に対して、射出光の光路を中心（稜線Ａ１６）に関して対称にシフトする。このため、反射部２５ＸＡで反射された回折光ＤＸ１は、格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が変化していないときの＋１次回折光ＥＸ１の光路と交差する位置で回折格子１２に入射する。従って、格子パターン面１２ｂが位置Ｂ１１まで変化していても、回折光ＤＸ１によって回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＸ１の光路Ｂ１３は、格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が変化していないときの光路と同じである。このため、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とをＰＢＳ面Ａ２（図１参照）で同軸に合成して干渉光を生成したとき、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１との相対的な横ずれ量がないため、その干渉光を光電変換したときに得られる検出信号のうちの交流信号（ビート信号又は信号成分）の割合が低下することがない。
【００４５】
これは、Ｘ軸の−１次回折光ＤＸ２及びＹ軸の±１次回折光ＤＹ１，ＤＹ２でも同様であり、格子パターン面１２ｂのＺ方向の相対位置が変化しても、図１の光電センサ４０ＸＡ〜４０ＹＢの検出信号のうちのビート信号の割合は低下しない。従って、それらの検出信号を用いて高いＳＮ比で高精度に第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測できる。
【００４６】
次に、図３（Ａ）の配置において、図４（Ｂ）に示すように、干渉計部１５Ｘに対して回折格子１２の格子パターン面１２ｂがＹ軸に平行な軸の回りに角度εだけ反時計回りに変化した場合を想定する。このとき、計測光ＭＸの格子パターン面１２ｂに対する入射角はεであり、＋１次回折光ＤＸ１の回折角を（φｘ＋δφｘ）とすると、以下の関係が成立する。
【００４７】
sin(φｘ＋δφｘ)−sinε＝λ／ｐ  …（４）
ここで、ε及びδφｘが微少量であるとすると、sin(φｘ)の微分はcos(φｘ)であるため、式（４）は次のようになる。
sin(φｘ)＋cos(φｘ)・δφｘ−ε＝λ／ｐ  …（５）
式（５）において、式（１）よりsin(φｘ)がλ／ｐであることを考慮すると、次式が得られる。
【００４８】
δφｘ＝ε／cos(φｘ) …（６）
また、格子パターン面１２ｂが角度εだけ傾斜したときの回折格子１２からの＋１次回折光ＤＸ１の光路Ｂ２２の角度の変化量δφは、次のようになる。
δφ＝｛１＋１／cos(φｘ)｝ε  …（７）
また、ルーフプリズム２６ＸＡの入射面Ａ１２における振れ角δの入射角ｉに関する変化率（ｄδ／ｄｉ）は、式（３）で示したようにcos(φｘ）であるため、ルーフプリズム２６ＸＡを通過した回折光ＤＸ１の光路Ｂ２３の角度の変化量δε１は、次のようになる。
【００４９】
δε１＝δφ・cos(φｘ）＝｛cos(φｘ)＋１｝ε  …（８）
そして、格子パターン面１２ｂは角度εだけ傾斜しているため、反射部２５ＸＡから格子パターン面１２ｂに入射する回折光ＤＸ１の入射角δεは次のようになる。
δε＝ε・cos(φｘ）  …（９）
回折光ＤＸ１が再び回折格子１２に入射角δεで入射すると、回折光ＤＸ１による回折格子１２からの＋１次回折光ＥＸ１（再回折光）の回折角の変化量δφ１は、式（６）から次のようになる。
【００５０】
δφ１＝ε  …（１０）
これは、回折光ＥＸ１の回折角の変化量δφ１は格子パターン面１２ｂの傾斜角εに等しいこと、すなわち回折光ＥＸ１の光路Ｂ２４は、格子パターン面１２ｂが傾斜する前の光路に平行であることを意味する。また、回折光ＥＸ１の光路Ｂ２４の横シフトも生じていない。このため、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１とをＰＢＳ面Ａ２で同軸に合成して干渉光を生成したとき、回折光ＥＸ１と参照光ＲＸ１との相対的な傾きのずれ及び相対的な横ずれ量がないため、その干渉光を光電変換したときに得られる検出信号のうちの交流信号（ビート信号又は信号成分）の割合が低下することがない。これは、Ｘ軸の−１次回折光ＥＸ２でも同様である。
【００５１】
また、回折格子１２の格子パターン１２ｂがＸ軸に平行な軸の回りに傾斜した場合にも、同様にＹ軸の±１次回折光ＥＹ１，ＥＹ２の光路の傾斜角のずれ及び横シフトは生じないため、図１の光電センサ４０ＸＡ〜４０ＹＢの検出信号のうちのビート信号の割合は低下しない。従って、それらの検出信号を用いて高いＳＮ比で高精度に第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測できる。なお、回折格子１２の格子パターン１２ｂがＸ軸（又はＹ軸）に平行な軸の回りに傾斜した場合に、Ｘ軸の検出信号（又はＹ軸の検出信号）に対する影響は実質的にない。
【００５２】
なお、以上の説明では回折格子１２側が検出ヘッド１４（干渉計部１５Ｘ，１５Ｙ）に対して傾斜するものとしたが、計測光ＭＸ，ＭＹの回折格子１２に対する入射角が０からＸ方向及び／又はＹ方向に微少量変化した場合にも、同様に回折光ＥＸ１〜ＥＹ２の光路の傾斜及び横シフトが生じないため、高いＳＮ比で高精度に第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測できる。
【００５３】
本実施形態の効果等は以下の通りである。
本実施形態のエンコーダ１０は、第１部材６に対してＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に３次元的に相対移動可能な第２部材７の相対移動量を計測する３軸のエンコーダ装置である。そして、エンコーダ１０は、第１部材６に設けられ、Ｘ方向及びＹ方向を周期方向とする２次元の格子パターン１２ａを有する反射型の回折格子１２と、計測光ＭＸ及び参照光ＲＸを含むレーザ光を発生するレーザ光源１６と、第２部材７に設けられ、計測光ＭＸを透過させて回折格子１２の格子パターン面１２ｂに概ね垂直に入射させるＰＢＳ部材２４Ｘ（第１光学部材）と、第２部材７に設けられるとともに、計測光ＭＸによって回折格子１２から発生するＸ方向の＋１次回折光ＤＸ１（第１回折光）を回折格子１２に入射させ、＋１次回折光ＤＸ１によって回折格子１２から発生するＸ方向の＋１次回折光ＥＸ１（第２回折光）をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させる反射部２５ＸＡと、第２部材７に設けられるとともに、計測光ＭＸによって回折格子１２からＸ方向に回折光ＤＸ１に対称に発生する−
１次回折光ＤＸ２（第３回折光）を回折格子１２に入射させ、−１次回折光ＤＸ２によって回折格子１２から発生するＸ方向の−１次回折光ＥＸ２（第４回折光）をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させる反射部２５ＸＢと、ＰＢＳ部材２４Ｘで反射された回折光ＥＸ１及びＥＸ２と参照光ＲＸから分岐された参照光との干渉光をそれぞれ検出する光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢと、光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号を用いて第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求める計測演算部４２（計測部）と、を備えている。
【００５４】
また、エンコーダ１０を用いる計測方法は、図１２のフローチャートに示すように、第１部材６と第２部材７との相対移動量を計測する方法であって、第１部材６に設けられ、Ｘ方向及びＹ方向を周期方向とする格子パターン１２ａを有する反射型の回折格子１２の格子パターン面１２ｂに概ね垂直に、第２部材７に設けられたＰＢＳ部材２４Ｘを介して計測光ＭＸを入射させるステップ３０２と、第２部材７に設けられた反射部２５ＸＡにより、計測光ＭＸによって回折格子１２からＸ方向に関して発生する＋１次回折光ＤＸ１を回折格子１２に入射させ、回折光ＤＸ１によって回折格子１２から発生する＋１次回折光ＥＸ１をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させるステップ３０４と、第２部材７に設けられた反射部２５ＸＢにより、計測光ＭＸによって回折格子１２からＸ方向に関して発生する−１次回折光ＤＸ２を回折格子１２に入射させ、回折光ＤＸ２によって回折格子１２から発生する−１次回折光ＥＸ２をＰＢＳ部材２４Ｘに入射させるステップ３０６と、ＰＢＳ部材２４Ｘを介した回折光ＤＸ２及び回折光ＥＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２との干渉光をそれぞれ検出し、この検出結果より第１部材６と第２部材７との相対移動量を求めるステップ３０８と、を含んでいる。
【００５５】
本実施形態によれば、反射部２５ＸＡ，２５ＸＢによって、回折光ＤＸ１，ＤＸ２が回折格子１２に入射するときの入射角はほぼ０になるため、第１部材６と第２部材７との相対位置が変化して、ＰＢＳ部材２４Ｘ（検出ヘッド１４）に対する回折格子１２の格子パターン面１２ｂの相対的な高さ（Ｚ方向の位置）が変化しても、回折光ＤＸ１，ＤＸ２による回折格子１２からの回折光ＥＸ１，ＥＸ２（再回折光）の光路の変動がほとんどなくなり、回折光ＥＸ１，ＥＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２との横方向の相対的なシフト量がほぼ０になる。従って、回折格子１２の格子パターン面１２ｂの高さの変化に対して干渉光のビート信号（位置情報を含む信号）の強度の低下がなくなり、第１部材６と第２部材７との相対移動量の計測精度を高く維持できる。また、仮に第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向の相対位置が固定されている場合には、光電センサ４０ＸＡの検出信号から第１部材６と第２部材７とのＺ方向の相対移動量を計測できる。
【００５６】
さらに、エンコーダ１０は、ＰＢＳ部材２４Ｙにより回折格子１２に概ね垂直に計測光ＭＹを入射させ、回折格子１２から計測光ＭＹによってＹ方向に発生する±１次回折光ＤＹ１，ＤＹ２を入射角がほぼ０で回折格子１２に入射させる反射部２５ＹＡ，２５ＹＢと、回折格子１２から回折光ＤＹ１，ＤＹ２によって発生する±１次回折光ＥＹ１，ＥＸ２と参照光ＲＹ１，ＲＹ２との干渉光を検出する光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢと、を備えている。このため、回折格子１２の格子パターン面１２ｂの相対的な高さが変化しても、光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢの検出信号から、第１部材６と第２部材７とのＹ方向の相対移動量を高精度に計測できる。
【００５７】
なお、上記の実施形態では以下のような変形が可能である。
上記の実施形態では２次元の回折格子１２が使用されているが、回折格子１２の代わりに例えばＸ方向にのみ周期性を持つ１次元の回折格子を使用してもよい。この場合、検出ヘッド１４からは、Ｙ軸の干渉計部１５Ｙ及び光電センサ４０ＹＡ，４０ＹＢ等を省略し、光電センサ４０ＸＡ，４０ＸＢの検出信号を用いて第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できる。
【００５８】
また、上記の実施形態では、回折光ＥＸ１〜ＥＹ２と参照光ＲＸ１〜ＲＹ２との干渉光を検出しているが、例えばＸ軸の第１の周波数の計測光の＋１次回折光ＥＸ１と第２の周波数の計測光（上記の実施形態では参照光として使用されていた光）の−１次回折光ＥＸ２との干渉光、及びＹ軸の第１の周波数の計測光の＋１次回折光ＥＹ１と第２の周波数の計測光の−１次回折光ＥＹ２との干渉光を検出してもよい。この場合には、第１部材６と第２部材７とのＸ方向、Ｙ方向の相対移動量を計測できるとともに、回折格子１２の格子パターン面１２ｂの相対的な高さが変動しても、２つの回折光の横ずれがないため、常に高いＳＮ比で高精度に計測を行うことができる。
【００５９】
次に、上記の実施形態では、回折格子１２から発生する回折光ＤＸ１，ＥＸ１はそれぞれルーフプリズム２６ＸＡを介して反射部材２８ＸＡ，３０ＸＡに入射している。しかしながら、図５（Ａ）の第１変形例のＸ軸の干渉計部１５ＸＡの要部で示すように、ルーフプリズム２６ＸＡの代わりに、直交する反射面Ａ３３，Ａ３４を有するルーフミラー４４ＸＡ（図５（Ｂ）参照）及び頂角α３の楔形プリズム４６ＸＡを使用してもよい。この場合には、ルーフプリズム２６ＸＢの代わりに、ルーフミラー４４ＸＢ及び楔形プリズム４６ＸＢを使用してもよい。ルーフミラー４４ＸＡ，４４ＸＢを使用することによって、干渉計部１５ＸＡが軽量化できる場合がある。なお、楔形プリズム４６ＸＡ，４６ＸＢは省略してもよい。同様に、反射部材２８ＸＡ，３０ＸＡ等として、平面ミラーを使用してもよい。
【００６０】
また、図６の第２変形例のＸ軸の干渉計部１５ＸＢで示すように、回折格子１２から反射部２５ＸＡに向かう＋１次回折光ＤＸ１及びＥＸ１の光路に、これらの回折光の偏光方向を調整するための１／２波長板３８ＸＡ，３８ＸＢを設置し、回折格子１２から反射部２５ＸＢに向かう−１次回折光ＤＸ２及びＥＸ２の光路に、これらの回折光の偏光方向を調整するための１／２波長板３８ＸＣ，３８ＸＤを設置してもよい。１／２波長板３８ＸＡ〜３８ＸＤの回転角は調整可能である。そして、一例として、１／２波長板３８ＸＡ，３８ＸＣの回転角は反射部２５ＸＡ，２５ＸＢ及びＰＢＳ部材２４Ｘを通過して回折格子１２に入射する回折光ＤＸ１，ＤＸ２の光量が最大になるように調整され、１／２波長板３８ＸＢ，３８ＸＤの回転角は反射部２５ＸＡ，２５ＸＢを介してＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１で反射される回折光ＥＸ１，ＥＸ２の光量が最大になるように調整される。
【００６１】
これによって、回折格子１２での回折によって回折光ＤＸ１，ＥＸ１等の偏光方向が変化していても、ＰＢＳ部材２４Ｘに入射するときの回折光ＤＸ１，ＥＸ１等の偏光方向を最適化して、光量損失を最小にすることができる。なお、回折光ＤＸ１，ＤＸ２はＰＢＳ部材２４Ｘを透過して回折格子１２に入射するため、回折光ＤＸ１，ＤＸ２の偏光方向が変化していても光量損失は少ない。このため、回折光ＤＸ１，ＤＸ２の光路上の１／２波長板３８ＸＡ，３８ＸＣは省略してもよい。
【００６２】
また、図７の第１変形例の検出ヘッド１４Ａの要部に示すように、図１の楔形プリズム３４Ｘ，３４Ｙを用いる代わりに、Ｘ軸の回折光ＥＸ１，ＥＸ２（計測光）の光路上にそれぞれ１対の偏角プリズム４６ＸＡ，４６ＸＢを設置し、Ｙ軸の回折光ＥＹ１，ＥＹ２（計測光）の光路上にそれぞれ１対の偏角プリズム４６ＹＡ，４６ＹＢを設置し、参照用の計測光の光路上に１対の偏角プリズム４６Ｃを設置してもよい。上記の実施形態では、検出ヘッド１４Ａに供給される計測光ＭＸ，ＭＹと参照光ＲＸ，ＲＹとは角度βで交差している。このため、偏角プリズム４６ＸＡ，４６ＸＢ，４６ＹＡ，４６ＹＢ，４６Ｃによって、回折光ＥＸ１から参照用の計測光の角度及び傾斜方向を調整して、回折光ＥＸ１から参照用の計測光を対応する参照光に平行にすることによって、干渉縞の検出信号のＳＮ比を高めることができる。
【００６３】
なお、検出ヘッド１４に供給される計測光ＭＸ，ＭＹと参照光ＲＸ，ＲＹとをほぼ平行にしておいてもよい。この場合には、楔形プリズム３４Ｘ，３４Ｙ又は偏角プリズム４６ＸＡ〜４６Ｃは設ける必要がない。
また、図８の第２変形例の検出ヘッド１４Ｂの要部に示すように、Ｘ軸の干渉計部１５Ｘにおいて、ＰＢＳ部材２４Ｘの射出面に合成光学部材３２Ｘ，３３Ｘを設置し、合成光学部材３２Ｘ，３３ＸのＰＢＳ面で合成された回折光ＥＸ１，ＥＸ２と参照光ＲＸ１，ＲＸ２との干渉光を偏光板４１ＸＡ，４１ＸＢを介して光ファイバ３９ＸＡ，３９ＸＢに入射させてもよい。この変形例では、ＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１を透過した参照光ＲＸが不図示の楔形プリズムを介して合成光学部材３２Ｘに入射して、そのＢＳ面で参照光ＲＸ１，ＲＸ２に分割され、ＰＢＳ部材２４ＸのＰＢＳ面Ａ１１で反射された回折光ＥＸ１，ＥＸ２が合成光学部材３２Ｘ，３３Ｘに入射している。
【００６４】
同様に、Ｙ軸の干渉計部１５Ｙにおいて、ＰＢＳ部材２４Ｙの射出面に合成光学部材３２Ｙ，３３Ｙを設置し、合成光学部材３２Ｙ，３３ＹのＰＢＳ面で合成された回折光ＥＹ１，ＥＹ２と参照光ＲＹ１，ＲＹ２との干渉光を偏光板４１ＹＡ，４１ＹＢを介して光ファイバ３９ＹＡ，３９ＹＢに入射させてもよい。この場合にも、参照光ＲＹはＰＢＳ部材２４Ｙを透過した後、不図示の楔形プリズムを介して合成光学部材３２Ｙに入射して、そのＢＳ面で参照光ＲＹ１，ＲＹ２に分割される。この構成によって、検出ヘッド１４Ｂをより小型化できる。
【００６５】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態につき図９〜図１１を参照して説明する。図９は、この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、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。
【００６６】
露光装置ＥＸは、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示される照明系１１０、及び照明系１１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬ（例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波など）により照明されるレチクルＲ（マスク）を保持するレチクルステージＲＳＴを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）に投射する投影光学系ＰＬを含む投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴを含むステージ装置１９５、及び制御系等（図１１参照）を備えている。
【００６７】
レチクルＲはレチクルステージＲＳＴの上面に真空吸着等により保持され、レチクルＲのパターン面（下面）には、回路パターンなどが形成されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含む図１１のレチクルステージ駆動系１１１によって、ＸＹ平面内で微少駆動可能であると共に、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能である。
【００６８】
レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む）は、レーザ干渉計よりなるレチクル干渉計１１６によって、移動鏡１１５（又は鏡面加工されたステージ端面）を介して例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１１６の計測値は、図１１のコンピュータよりなる主制御装置１２０に送られる。主制御装置１２０は、その計測値に基づいてレチクルステージ駆動系１１１を制御することで、レチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。
【００６９】
図９において、レチクルステージＲＳＴの下方に配置された投影ユニットＰＵは、鏡筒１４０と、鏡筒１４０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。照明系１１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲの照明領域ＩＡＲが照明されると、レチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介して照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの像が、ウエハ（半導体ウエハ）Ｗの一つのショット領域の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。
【００７０】
また、露光装置ＥＸは、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子である先端レンズ１９１を保持する鏡筒１４０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置１０８の一部を構成するノズルユニット１３２が設けられている。ノズルユニット１３２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給するための供給管１３１Ａ及び回収管１３１Ｂを介して、液体供給装置１８６及び液体回収装置１８９（図１１参照）に接続されている。なお、液浸タイプの露光装置としない場合には、上記の局所液浸装置１０８は設けなくともよい。
【００７１】
また、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。ウエハステージＷＳＴは、例えば平面モータ、又は直交する２組のリニアモータを含むステージ駆動系１２４（図１１参照）によってＸ方向及びＹ方向に駆動可能である。露光装置ＥＸは、レチクルＲのアライメントを行う空間像計測系（不図示）、ウエハＷのアライメントを行うアライメント系ＡＬ（図１１参照）、照射系９０ａ及び受光系９０ｂよりなりウエハＷの表面の複数箇所のＺ位置を計測する斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ９０（図８参照）、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。
【００７２】
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。
【００７３】
また、ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハホルダ上に載置されるウエハの表面とほぼ同一面となる、液体Ｌｑに対して撥液化処理された表面（又は保護部材）を有し、かつ外形（輪郭）が矩形でその中央部にウエハホルダ（ウエハの載置領域）よりも一回り大きな円形の開口が形成された高平面度の平板状のプレート体１２８が設けられている。
なお、上述の局所液浸装置１０８を設けたいわゆる液浸型の露光装置の構成にあっては、さらにプレート体１２８は、図１０のウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）の平面図に示されるように、その円形の開口を囲む、外形（輪郭）が矩形の表面に撥液化処理が施されたプレート部（撥液板）１２８ａと、プレート部１２８ａを囲む周辺部１２８ｅとを有する。周辺部１２８ｅの上面に、プレート部１２８ａをＹ方向に挟むようにＸ方向に細長い１対の２次元の回折格子１２Ａ，１２Ｂ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２次元の回折格子１２Ｃ，１２Ｄが配置されている。回折格子１２Ａ〜１２Ｄは、図１の回折格子１２と同様にＸ方向、Ｙ方向を周期方向とする２次元の格子パターンが形成された反射型の回折格子である。
【００７４】
また、図９において、投影ユニットＰＵを支持するフレーム（不図示）に連結部材（不図示）を介してＸＹ面にほぼ平行な平板状の計測フレーム１５０が支持されている。計測フレーム１５０の底面に、投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように、図１の３軸の検出ヘッド１４と同じ構成の複数の検出ヘッド１４が固定され、投影光学系ＰＬをＹ方向に挟むように、図１の検出ヘッド１４と同じ構成の複数の検出ヘッド１４が固定されている（図１０参照）。また、複数の検出ヘッド１４にレーザ光（計測光及び参照光）を供給するための図１のレーザ光源１６と同様の一つ又は複数のレーザ光源（不図示）も備えられている。
【００７５】
図１０において、投影光学系ＰＬからの照明光でウエハＷを露光している期間では、常にＹ方向の一列Ａ１内の複数の検出ヘッド１４のいずれか２つが回折格子１２Ａ，１２Ｂに対向し、Ｘ方向の一行Ａ２の複数の検出ヘッド１４のいずれか２つが回折格子１２Ｃ，１２Ｄに対向するように構成されている。一列Ａ１内の各検出ヘッド１４は、回折格子１２Ａ又は１２Ｂに計測光を照射し、回折格子１２Ａ，１２Ｂ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４２（図１１参照）に供給する。これらの計測演算部４２では、図１の計測演算部４２と同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の相対位置（相対移動量）を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で求めてそれぞれ計測値を切り替え部８０Ａに供給する。計測値切り替え部８０Ａでは、回折格子１２Ａ，１２Ｂに対向している検出ヘッド１４に対応する計測演算部４２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。
【００７６】
また、一行Ａ２に対応する各検出ヘッド１４は、回折格子１２Ｃ又は１２Ｄに計測光を照射し、回折格子１２Ｃ，１２Ｄ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４２（図８参照）に供給する。これらの計測演算部４２では、図１の計測演算部４２と同様に、ウエハステージＷＳＴと計測フレーム１５０とのＸ方向、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８０Ｂに供給する。計測値切り替え部８０Ｂでは、回折格子１２Ｃ，１２Ｄに対向している検出ヘッド１４に対応する計測演算部４２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。
【００７７】
一列Ａ１内の複数の検出ヘッド１４、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２、及び回折格子１２Ａ，１２Ｂから３軸のエンコーダ１０Ａが構成され、一行Ａ２内の複数の検出ヘッド１４、レーザ光源（不図示）、計測演算部４２、及び回折格子１２Ｃ，１２Ｄから３軸のエンコーダ１０Ｂが構成されている。そして、３軸のエンコーダ１０Ａ，１０Ｂ、及び計測値切り替え部８０Ａ，８０Ｂ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。
【００７８】
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。
【００７９】
この際に、エンコーダ装置８Ｂの検出ヘッド１４においては、計測光及び回折光の光路長はレーザ干渉計に比べて短いため、検出ヘッド１４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、本実施形態のエンコーダ装置８Ｂは、レーザ干渉計と比較して、空気が揺らぐ程度の短い期間における計測安定性（短期安定性）が格段に優れているため、レチクルＲのパターン像をウエハＷに高精度に転写できる。さらに、検出ヘッド１４は回折格子１２Ａ〜１２ＤのＺ位置が変化しても常に高いＳＮ比で相対移動量の上方を含む信号を検出できるため、常に高精度にウエハステージＷＳＴを駆動できる。
【００８０】
なお、本実施形態では、計測フレーム１５０側に検出ヘッド１４を配置し、ウエハステージＷＳＴ側に回折格子１２Ａ〜１２Ｄ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１２Ａ〜１２Ｄを配置し、ウエハステージＷＳＴ側に検出ヘッド１４を配置してもよい。また、ウエハステージＷＳＴの裏面に回折格子１２Ａ〜１２Ｄを配置し、ウエハステージＷＳＴよりも定盤側に検出ヘッド１４を配置してもよい。
【００８１】
また、レチクルステージＲＳＴの位置情報を求める際に、レチクル干渉計１１６の代わりに、又はこれと併用して本実施形態で説明したエンコーダを用いるようにしてもよい。
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１３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。
【００８２】
言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施例の露光装置ＥＸ（露光方法）を用いてレチクルのパターンの像を基板（ウエハ）に転写し、その基板を現像するリソグラフィ工程と、そのパターンの像が転写されたその基板をそのパターンの像に基づいて加工する工程（ステップ２２４のエッチング等）とを含んでいる。この際に、上記の実施例によれば、露光装置のウエハステージＷＳＴの位置を高精度に制御できるため、電子デバイスを高精度に製造できる。
【００８３】
また、上記の実施形態のエンコーダ１０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（レーザ光を集光する光学系等）と、その物体を移動する移動装置（ステージ等）とを備えた光学装置において、その移動装置（物体）の例えばその光学系に対する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、上記の実施形態においては、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置を例に挙げて説明しているが、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置のエンコーダにも本発明を適用することができる。
【００８４】
また、照明光ＩＬは、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）に限らず、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）などの紫外光や、Ｆ2レーザ光（波長１５７ｎｍ）などの真空紫外光であっても良い。例えば米国特許第７,０２３,６１０号明細書に開示されているように、真空紫外光としてＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（又はエルビウムとイッテルビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。
【００８５】
また電子線又はイオンビームなどの荷電粒子線を用いる露光装置にも、上記実施形態は適用できる。
また、上述の実施形態においては、光透過性の基板上に所定の遮光パターン（又は位相パターン・減光パターン）を形成した光透過型マスク（レチクル）を用いたが、このレチクルに代えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号明細書に開示されているように、露光すべきパターンの電子データに基づいて、透過パターン又は反射パターン、あるいは発光パターンを形成する電子マスク（可変成形マスク、アクティブマスク、あるいはイメージジェネレータとも呼ばれ、例えば非発光型画像表示素子（空間光変調器）の一種であるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などを含む）を用いても良い。かかる可変成形マスクを用いる場合には、ウエハ又はガラスプレート等のワークピースが搭載されるステージが、可変成形マスクに対して走査されるので、このステージの位置をエンコーダシステムを用いて計測することで、上記実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００８６】
また、例えば国際公開第２００１／０３５１６８号に開示されているように、干渉縞をウエハＷ上に形成することによって、ウエハＷ上にライン・アンド・スペースパターンを形成する露光装置（リソグラフィシステム）にも上記実施形態を適用することができる。
さらに、例えば米国特許第６，６１１，３１６号明細書に開示されているように、２つのレチクルパターンを、投影光学系を介してウエハ上で合成し、１回のスキャン露光によってウエハ上の１つのショット領域をほぼ同時に二重露光する露光装置にも上記実施形態を適用することができる。
【００８７】
なお、上記実施形態でパターンを形成すべき物体（エネルギビームが照射される露光対象の物体）はウエハに限られるものでなく、ガラスプレート、セラミック基板、フィルム部材、あるいはマスクブランクスなど他の物体でも良い。
露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを転写する液晶用の露光装置や、有機ＥＬ、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシン及びＤＮＡチップなどを製造するための露光装置にも広く適用できる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも上記実施形態を適用できる。
【００８８】
また、上述の実施形態にかかる計測装置および露光装置は、本願請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【００８９】
なお、これまでの説明で引用した露光装置などに関する全ての公報、国際公開、米国特許出願公開明細書及び米国特許明細書の開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む２０１２年４月２６日付け提出の米国特許出願ＵＳ６１／６３８，７１９の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。
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】
【００９０】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＭＸ，ＭＹ…計測光、ＤＸ１，ＤＹ１，ＥＸ１，ＥＹ１…＋１次回折光、ＤＸ２，ＤＹ２，ＥＸ２，ＥＹ２…−１次回折光、６…第１部材、７…第２部材、１０…エンコーダ、１２…２次元の回折格子、１４…検出ヘッド、１６…レーザ光源、２４Ｘ，２４Ｙ…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）部材、２５ＸＡ，２５ＸＢ，２５ＹＡ，２５ＹＢ…反射部、２６ＸＡ，２６ＸＢ，２６ＹＡ，２６ＹＢ…ルーフプリズム、４０ＸＡ，４０ＸＢ，４０ＹＡ，４０ＹＢ，４０Ｃ…光電センサ、４２…計測演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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