(57)【要約】【課題】回折格子を用いる場合に、光学系の調整を容易にして、回折格子に照射される光ビームの角度が変化したときの計測誤差の発生を抑制する。【解決手段】Ｙ軸エンコーダ３Ｙは、Ｙ方向に周期性を持つ回折格子３９Ｙ１と、供給されるレーザビームＢＩからビームＢＬ及びＢＲを分岐し、ビームＢＬを回折格子３９Ｙ１に照射する偏光ビームスプリッタ２３と、ビームＢＲをビームＢＬとは逆方向に傾けるペンタプリズム２６と、ビームＢＬ２による回折格子３９Ｙ１からの＋１次回折光ＢＬ１と、ビームＢＲによる回折格子３９Ｙ１からの−１次回折光ＢＲ１との干渉光ＢＥを受光する光電検出器２９と、を備える。【選択図】図５
2011181850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位検出装置であって、
第１方向に沿った周期を有する回折格子と、
供給される光ビームから第１ビーム及び第２ビームを分岐し、前記第１ビームを前記回折格子に照射する分岐素子と、
前記光ビームが前記第１方向に傾いて前記分岐素子に入射したときに、前記第２ビームを前記第１ビームとは逆方向に傾けて前記回折格子に照射する角度反転素子と、
前記第１ビームによる前記回折格子からの第１回折ビームと、前記第２ビームによる前記回折格子からの前記第１回折ビームとは回折次数の符号が異なる第２回折ビームとの干渉光を受光する受光素子と、を備え、
前記第１ビーム及び前記第２ビームと前記回折格子との相対変位を検出することを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
前記第１回折ビームを前記回折格子に向けて反射する第１反射素子と、
前記第２回折ビームを前記回折格子に向けて反射する第２反射素子と、を備え、
前記受光素子は、前記第１回折ビームによる前記回折格子からの回折ビームと、前記第２回折ビームによる前記回折格子からの回折ビームとの干渉光を受光することを特徴とする請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記第１ビーム及び前記第２ビームはそれぞれ前記回折格子に前記第１方向及び該第１方向に直交する第２方向にほぼ垂直に入射し、
前記第１回折ビームと前記第２回折ビームとは前記回折格子から前記回折格子の前記第１方向に関してほぼ対称に射出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記分岐素子と前記回折格子との間の前記第１ビーム及び前記第２ビームのそれぞれの光路長を互いにほぼ同じにする光路長制御素子を備え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検出装置。
【請求項５】
前記角度反転素子はペンタプリズムであ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変位検出装置。
【請求項６】
前記第１ビームと前記第２ビームとは周波数が互いに異な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変位検出装置。
【請求項７】
変位検出装置であって、
第１方向に沿った周期を有する回折格子と、
供給される光ビームから第１ビーム及び第２ビームを分岐する第１分岐素子と、
前記第１ビームから第１計測ビーム及び第１参照ビームを分岐し、前記第１計測ビームを前記回折格子に照射する第２分岐素子と、
前記第１計測ビームによる前記回折格子からの第１回折ビームと、前記第１参照ビームとの干渉光を受光する第１受光素子と、
前記光ビームが前記第１方向に傾いて前記第１分岐素子に入射したときに、前記第２ビームを前記第１ビームとは逆方向に傾ける角度反転素子と、
前記第２ビームから第２計測ビーム及び第２参照ビームを分岐し、前記第２計測ビームを前記回折格子に照射する第３分岐素子と、
前記第２計測ビームによる前記回折格子からの前記第１回折ビームとは回折次数の符号が異なる第２回折ビームと、前記第２参照ビームとの干渉光を受光する第２受光素子と、を備え、
前記第１ビーム及び前記第２ビームと前記回折格子との相対変位を検出することを特徴とする変位検出装置。
【請求項８】
前記第１回折ビームを前記回折格子に向けて反射する第１反射素子と、
前記第２回折ビームを前記回折格子に向けて反射する第１反射素子と、を備え、
前記第１受光素子は、前記第１回折ビームによる前記回折格子からの回折ビームと前記第１参照ビームとの干渉光を受光し、
前記第２受光素子は、前記第２回折ビームによる前記回折格子からの回折ビームと前記第２参照ビームとの干渉光を受光することを特徴とする請求項７に記載の変位検出装置。
【請求項９】
前記第１計測ビーム及び前記第２計測ビームはそれぞれ前記回折格子に前記第１方向及び該第１方向に直交する第２方向にほぼ垂直に入射し、
前記第１回折ビームと前記第２回折ビームとは前記回折格子から前記回折格子の前記第１方向に関してほぼ対称に射出されることを特徴とする請求項７又は８に記載の変位検出装置。
【請求項１０】
前記角度反転素子はペンタプリズムであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の変位検出装置。
【請求項１１】
前記第１計測ビームと前記第１参照ビームとは周波数が互いに異なり、
前記第２計測ビームと前記第２参照ビームとは周波数が互いに異なることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の変位検出装置。
【請求項１２】
所定面に沿って物体を移動するステージ装置において、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の変位検出装置と、
前記物体及び前記変位検出装置の前記回折格子を保持して前記所定面に沿って移動するステージと、
を備えることを特徴とするステージ装置。
【請求項１３】
所定面に沿って物体を移動するステージ装置において、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の変位検出装置と、
前記物体を保持して前記所定面に沿って移動するステージと、
前記ステージに対向するように配置されて、前記変位検出装置の前記回折格子を保持するフレームと、
を備えることを特徴とするステージ装置。
【請求項１４】
転写用パターン及び露光光学系を介して基板を露光する露光装置において、
前記転写用パターンが形成された部材及び前記基板の少なくとも一方を移動するために、請求項１２又は１３に記載のステージ装置を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の露光装置を用いて、基板にパターンを転写することと、
前記パターンが転写された前記基板を前記パターンに基づいて加工することと、
を含むデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子を用いて移動体の変位を検出する変位検出装置、この変位検出装置を用いるステージ装置及び露光装置、並びにその露光装置を用いるデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等のマイクロデバイス（電子デバイス）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、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を持ちつつある計測装置として、例えばステージに固定された回折格子にレーザビームを照射し、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電気信号から、該回折格子（ステージ）の変位情報を得る、所謂、干渉型エンコーダないし格子干渉装置も使用されつつある。
【０００４】
従来の干渉型エンコーダとしては、レーザダイオードよりなる光源から射出した光を回折格子に垂直に入射させ、発生した２つの回折光をそれぞれコーナーレフレクタ（ルーフレフレクタ）で再度回折格子に入射させ、その回折格子から垂直上方に平行に発生する２つの再回折光よりなる干渉光を受光する検出装置が知られている（例えば特許文献１の第４図参照）。このように、光束を２回回折させることで、回折格子が傾斜しても安定した干渉信号を得ることができる。
【０００５】
また、周波数及び偏光状態が異なる２つの光よりなる２周波ヘテロダイン光（２周波光）を発生する光源を用い、発生した２周波光を偏光ビームスプリッタで異なる周波数の２つの光に分岐し、分岐された２つの光を対称に傾斜させて回折格子に照射し、回折格子から垂直上方に発生する２つの回折光よりなる干渉光を受光する検出装置も知られている（例えば特許文献１の第１図参照）。
【０００６】
また、従来の別の干渉型エンコーダとして、光源から発生する２周波ヘテロダイン光（２周波光）を偏光ビームスプリッタで異なる周波数の光に分け、一方の周波数の光だけを回折格子に斜めに照射し、逆方向に戻ってきた回折光と偏光ビームスプリッタで分岐した他方の周波数の参照光との干渉光を受光する検出装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
また、従来のさらに別のステージの変位計測に応用した干渉型エンコーダとして、固定フレームからレーザビームをステージに固定された回折格子に垂直に入射させ、±１次の回折光を固定フレームに設けられた屋根型プリズムで折り返して、再度、回折格子に入射させ、再回折光同士の干渉光を受光して、ステージの変位を計測する検出装置が知られている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−２７４２１６号公報（第４図及び第１図）
【特許文献２】特開２００７−１７１２０６号公報
【特許文献３】特開２００８−１８２２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の干渉型エンコーダのうち、特許文献１に記載された、２つの光を対称に傾斜させて回折格子に照射する方式の検出装置は、２つの光を回折格子上の同じ位置に照射するための光学系の調整が困難である。
また、従来の他の干渉型エンコーダはいずれも、光源から回折格子に照射されるレーザビームの角度が回折格子の周期方向（計測方向）に傾くと、回折格子に対するレーザビームの照明領域が横ずれして、回折光の位相が横ずれ量に比例して変化する。従って、干渉光の位相もずれるため計測誤差が発生する。
【００１０】
さらに、特許文献１又は特許文献３に記載されている干渉型エンコーダのように、コーナーレフレクタ又は屋根型プリズムで回折光を再度、回折格子に入射させても、回折格子上で最初の回折光が発生する照明領域の横ずれ量に起因する計測誤差と、再回折光が発生する照明領域の横ずれ量に起因する計測誤差とは互いに相殺しない。そのため、それらの計測誤差を合わせた誤差が全体の計測誤差として残存する。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑み、回折格子を用いる場合に、光学系の調整を容易にして、回折格子に照射される光ビームの角度（傾斜角）が変化したときの、計測誤差の発生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】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、変位検出装置が提供される。この変位検出装置は、第１方向に沿った周期を有する回折格子と、供給される光ビームから第１ビーム及び第２ビームを分岐し、その第１ビームをその回折格子に照射する分岐素子と、その光ビームがその第１方向に傾いてその分岐素子に入射したときに、その第２ビームをその第１ビームとは逆方向に傾けてその回折格子に照射する角度反転素子と、その第１ビームによるその回折格子からの第１回折ビームと、その第２ビームによるその回折格子からのその第１回折ビームとは回折次数の符号が異なる第２回折ビームとの干渉光を受光する受光素子と、を備え、その第１ビーム及びその第２ビームとその回折格子との相対変位を検出するものである。
【００１３】
また、本発明の第２の態様によれば、変位検出装置が提供される。この変位検出装置は、第１方向に沿った周期を有する回折格子と、供給される光ビームから第１ビーム及び第２ビームを分岐する第１分岐素子と、その第１ビームから第１計測ビーム及び第１参照ビームを分岐し、その第１計測ビームをその回折格子に照射する第２分岐素子と、その第１計測ビームによるその回折格子からの第１回折ビームと、その第１参照ビームとの干渉光を受光する第１受光素子と、その光ビームがその第１方向に傾いてその第１分岐素子に入射したときに、その第２ビームをその第１ビームとは逆方向に傾ける角度反転素子と、その第２ビームから第２計測ビーム及び第２参照ビームを分岐し、その第２計測ビームをその回折格子に照射する第３分岐素子と、その第２計測ビームによるその回折格子からのその第１回折ビームとは回折次数の符号が異なる第２回折ビームと、その第２参照ビームとの干渉光を受光する第２受光素子と、を備え、その第１ビーム及びその第２ビームとその回折格子との相対変位を検出するものである。
【００１４】
また、本発明の第３の態様によれば、所定面に沿って物体を移動するステージ装置が提供される。このステージ装置は、本発明の第１の態様又は第２の態様の変位検出装置と、その物体及びその変位検出装置のその回折格子を保持してその所定面に沿って移動するステージと、を備えるものである。
また、本発明の第４の態様によれば、所定面に沿って物体を移動するステージ装置が提供される。このステージ装置は、本発明の第１の態様又は第２の態様の変位検出装置と、その物体を保持してその所定面に沿って移動するステージと、そのステージに対向するように配置されて、その変位検出装置のその回折格子を保持するフレームと、を備えるものである。
【００１５】
また、本発明の第５の態様によれば、転写用パターン及び露光光学系を介して基板を露光する露光装置において、その転写用パターンが形成された部材及びその基板の少なくとも一方を移動するために、本発明の第３の態様又は第４の態様のステージ装置を備える露光装置が提供される。
また、本発明の第６の態様によれば、本発明の第５の態様による露光装置を用いて、基板にパターンを転写することと、そのパターンが転写されたその基板をそのパターンに基づいて加工することと、を含むデバイス製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回折格子に照射される第１ビーム（第１計測ビーム）及び第２ビーム（第２計測ビーム）の照射位置は異なってもよいため、光学系の調整が容易である。
さらに、光ビームが第１方向に傾いて分岐素子（第１分岐素子）に入射したときに、第２ビームを第１ビームとは逆方向に傾ける角度反転素子を備えているため、回折格子に照射されるその第１ビーム（第１計測ビーム）の角度（傾斜角）が変化したときに、その回折格子上のその第１ビーム（第１計測ビーム）の照明領域の横ずれ量と、その第２ビーム（第２計測ビーム）の照明領域の横ずれ量とは逆方向にほぼ同じ量となる。
【００１７】
また、その回折格子から発生する第１回折ビームと第２回折ビームとは回折次数の符号が異なるため、例えばその第１回折ビーム及び第２回折ビームを回折格子に戻して再回折光を発生させる場合に、その第１回折ビーム及び第２回折ビームのその回折格子に対する照明領域はほぼ対称に逆方向に移動する。従って、その第１ビーム（第１計測ビーム）の角度の変化によって発生する干渉光の位相の変化量と、その第２ビーム（第２計測ビーム）の角度の変化によって発生する干渉光の位相の変化量とがほぼ相殺されるため、全体として計測誤差の発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１中のウエハステージ及びＡＦ系等を示す平面図である。
【図３】図２中のウエハステージを示す平面図である。
【図４】図１の露光装置の制御系を示すブロック図である。
【図５】図２中のＹ軸エンコーダ３Ｙを示す拡大図である。
【図６】図５のＹ軸エンコーダ３Ｙにおいて、入射するレーザビームが傾斜したときの光路の変化を示す図である。
【図７】比較例のエンコーダにおいて、入射するレーザビームが傾斜したときの光路の変化を示す図である。
【図８】ウエハの露光時のウエハステージを示す平面図である。
【図９】第２の実施形態のＹ軸エンコーダ３ＹＡを示す拡大図である。
【図１０】図９のＹ軸エンコーダ３ＹＡにおいて、入射するレーザビームが傾斜したときの光路の変化を示す図である。
【図１１】実施形態の変形例のスケール及び検出ヘッドの配置を示す要部の図である。
【図１２】電子デバイスの製造工程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】
【００１９】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態につき図１〜図８を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るスキャニングステッパーよりなる走査露光型の露光装置ＥＸの概略構成を示す。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、以下においては、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）内でレチクルとウエハ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軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。
【００２０】
露光装置ＥＸは、照明系１０、照明系１０からの露光用の照明光（露光光）ＩＬ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、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９５、及び制御系等（不図示）を備えている。
【００２１】
照明系１０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ように、光源と、照明光学系とを含み、照明光学系は、回折光学素子等を含み通常照明、複数極照明、又は輪帯照明等のための光量分布を形成する光量分布形成光学系、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ又はロッドインテグレータ等）を含む照度均一化光学系、及びレチクルブラインド等（いずれも不図示）を有する。照明系１０は、レチクルブラインドで規定されたレチクルＲのパターン面のスリット状の照明領域ＩＡＲを照明光ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。照明光ＩＬとしては、一例としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられている。なお、照明光としては、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザ若しくは固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波、又は水銀ランプの輝線（ｉ線等）なども使用できる。
【００２２】
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４のレチクルステージ駆動系１１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となっている。
【００２３】
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１５（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４の主制御装置２０に送られる。主制御装置２０は、その計測値に基づいてレチクルステージＲＳＴの少なくともＸ方向、Ｙ方向、及びθｚ方向の位置を算出し、この算出結果に基づいてレチクルステージ駆動系１１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。
【００２４】
図１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４０と、該鏡筒４０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１０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Ｗの一つのショット領域上の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。ウエハＷは、例えばシリコン又はＳＯＩ(silicon on insulator)等からなる直径が２００ｍｍから４５０ｍｍ程度の円板状の基材の表面に、フォトレジスト（感光剤）を所定の
厚さ（例えば２００ｎｍ程度）で塗布した基板を含む。
【００２５】
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４０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置８の一部を構成するノズルユニット３２が設けられている。ノズルユニット３２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給可能な供給口と、液体Ｌｑを回収可能な多孔部材（メッシュ）が配置された回収口とを有する。ノズルユニット３２の供給口は、供給流路及び供給管３１Ａを介して、液体Ｌｑを送出可能な液体供給装置１８６（図４参照）に接続されている。
【００２６】
液浸法によるウエハＷの露光時に、図４の液体供給装置１８６から送出された液体Ｌｑは、図１の供給管３１Ａ及びノズルユニット３２の供給流路を流れた後、その供給口より照明光ＩＬの光路空間を含むウエハＷ上の液浸領域１４（図８参照）に供給される。また、液浸領域１４からノズルユニット３２の回収口を介して回収された液体Ｌｑは、回収流路及び回収管３１Ｂを介して図４の液体回収装置１８９に回収される。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８は設けなくともよい。
【００２７】
図１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を構成するエアパッドを介して、ベース盤１２のＸＹ面に平行な上面１２ａ上に数μｍ程度のクリアランスを介して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４参照）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、ウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するために後述のエンコーダシステムを含む位置計測システムを備えている。
【００２８】
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９１と、ステージ本体９１上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢと、ステージ本体９１内に設けられて、ステージ本体９１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。
【００２９】
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２８が設けられている。
なお、上述の局所液浸装置８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２８は、図３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）２８ａと、プレート部２８ａをＹ方向に挟むように配置されたＸ方向に細長い１対の第１及び第２のスケール体２８ｂ，２８ｃと、プレート部２８ａをＸ方向に挟むように配置されたＹ方向に細長い１対の第３及び第４のスケール体２８ｄ，２８ｅとを有する。スケール体２８ｂ，２８ｃは同じ構成であり、スケール体２８ｄ，２８ｅはほぼスケール体２８ｂ，２８ｃを９０°回転した構成である。
【００３０】
また、第１、第２のスケール体２８ｂ，２８ｃの表面にＸ軸の回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２が形成され、第３、第４のスケール体２８ｄ，２８ｅの表面にＹ軸の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２が形成されている。回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２及び３９Ｙ１，３９Ｙ２は、それぞれＹ方向及びＸ方向を長手方向とする格子線３７及び３８を所定の周期（ピッチ）でＸ方向及びＹ方向に沿って形成した反射型の回折格子（例えば位相型の回折格子）である。回折格子３９Ｘ１〜３９Ｙ２は、スケール体２８ｂ〜２８ｅの表面に、１００ｎｍ〜４μｍの周期（例えば２μｍ周期）で例えばホログラム（例えば感光性樹脂に干渉縞を焼き付けて作成される）により反射型の回折格子を形成することで作製できる。なお、各スケール体に形成される回折格子は、機械的に溝等を形成して作製してもよい。なお、図３等では、図示の便宜上から、回折格子の周期は、実際の周期に比べて格段に広く図示されている。スケール体２８ｂ〜２８ｄの構成は同様であるため、代表的にスケール体２８ｄの概略構成を説明する。
【００３１】
図５に拡大して示すように、スケール体２８ｄは、表面にＹ方向（計測方向）に所定の周期ＰＹを持つ回折格子３９Ｙ１が形成された平板状部材である。なお、回折格子３９Ｙ１の表面を保護するために、その表面を覆うように、薄い接着層を介して平板状のカバーガラス（不図示）を配置してもよい。スケール体２８ｄは、低熱膨張率の材料、例えばガラス、ガラスセラミックス（例えばショット社のゼロデュア（商品名））、又はセラミックス（例えばＡｌ2Ｏ3あるいはＴｉＣなど）等から形成されている。スケール体２８ｄは、ウエハテーブルＷＴＢの表面に例えば吸着保持されている。
【００３２】
図３において、本実施形態では、プレート部２８ａの一部に基準マークが形成された基準マーク板（不図示）が固定されている。この底面に、その基準マークと対応するレチクルＲのアライメントマークの像との位置関係を計測するレチクルアライメント系（不図示）が設置され、この検出結果が主制御装置２０に供給されている。さらに、ベース盤１２の上面１２ａに、ウエハステージＷＳＴと独立にＸ方向、Ｙ方向に移動可能に計測ステージ（不図示）が載置されている。計測ステージには、例えば投影光学系ＰＬの結像特性を計測する図４の空間像計測装置４５が配置されている。
【００３３】
次に、図２は図１のウエハステージＷＳＴ、この位置計測システム、及びウエハＷのアライメント系を示す平面図である。図１では図面の錯綜を避ける観点から図示が省略されているが、実際には、図２に示すように、投影ユニットＰＵの中心から−Ｙ方向に離れた位置に、Ｘ方向に概ね等間隔で並ぶ複数のアライメント系（プライマリアライメント系ＡＬ１、及びセカンダリアライメント系ＡＬ２1，ＡＬ２2，ＡＬ２3，ＡＬ２4）が、固定アーム５４、及び回転軸を中心として回動可能なアーム５６n（ｎ＝１〜４）の先端に固定されている。
【００３４】
本実施形態では、アライメント系ＡＬ１及びＡＬ２1〜ＡＬ２4のそれぞれとして、画像処理方式のアライメント系が用いられている。そのアライメント情報は主制御装置２０に供給される。なお、アライメント系の数は５つに限られるものでなく、１つのみ（例えばプライマリアライメント系ＡＬ１のみ）でもよい。
図２において、前述した投影光学系ＰＬの下端のノズルユニット３２の周囲を四方から囲む状態で、エンコーダシステムの４つのヘッドユニット６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄが配置されている。これらのヘッドユニット６２Ａ〜６２Ｄを構成する複数のＹ軸の検出ヘッド６４及びＸ軸の検出ヘッド６６は、図２では２点鎖線で示すように、メインフレーム（不図示）に連結された取り付け板６３Ａ〜６３Ｄに固定されている。検出ヘッド６４及び６６は、それぞれＹ方向及びＸ方向に所定周期で形成された回折格子にレーザビームを照射して、回折格子から発生する回折光よりなる干渉光を光電変換して、その回折格子のＹ方向及びＸ方向の位置を例えば０．５〜０．１ｎｍの分解能で、例えば数ｎｍ程度の精度で計測する。
【００３５】
ヘッドユニット６２Ａ，６２Ｃは、投影ユニットＰＵの＋Ｘ側、−Ｘ側にそれぞれＸ方向に沿って、投影光学系ＰＬの光軸を通りＸ軸と平行な直線ＬＨ上に所定間隔で配置された複数（ここでは６個）のＹ軸の検出ヘッド６４を備えている。検出ヘッド６４はそれぞれ前述のＹ軸の回折格子３９Ｙ１又は３９Ｙ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向の位置（Ｙ位置）を計測する。個々のＹ軸の検出ヘッド６４及びＹ軸の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２から干渉型のＹ軸エンコーダ３Ｙが構成されている。
【００３６】
また、ヘッドユニット６２Ｂ，６２Ｄは、投影ユニットＰＵの＋Ｙ側、−Ｙ側にそれぞれ光軸を通りＹ軸と平行な直線ＬＶ上にほぼ所定間隔で配置された複数（ここでは７個及び１１個（ただし、図２ではその１１個のうちのプライマリアライメント系ＡＬ１と重なる３個は不図示）のＸ軸の検出ヘッド６６を備えている。検出ヘッド６６は、それぞれ前述のＸ軸の回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＸ方向の位置（Ｘ位置）を計測する。個々のＸ軸の検出ヘッド６６及びＸ軸の回折格子３９Ｘ１，３９Ｘ２から干渉型のＸ軸エンコーダ３Ｘが構成されている。
【００３７】
図２のヘッドユニット６２Ａ及び６２Ｃは、それぞれＹ軸の回折格子３９Ｙ１及び３９Ｙ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＹ位置を計測する多眼のＹ軸のリニアエンコーダ７０Ａ及び７０Ｃ（図４参照）を構成する。リニアエンコーダ７０Ａ，７０Ｃはそれぞれ複数のＹ軸の検出ヘッド６４の計測値の切り替え（常に回折格子３９Ｙ１及び３９Ｙ２９に対向している検出ヘッド６４の計測値を用いること）を行う切り替え制御部を備えている。
【００３８】
また、ヘッドユニット６２Ｂ及び６２Ｄは、基本的にそれぞれＸ軸の回折格子３９Ｘ１及び３９Ｘ２を用いて、ウエハステージＷＳＴ（ウエハテーブルＷＴＢ）のＸ位置を計測する、多眼のＸ軸のリニアエンコーダ７０Ｂ及び７０Ｄ（図４参照）を構成する。Ｘ軸のリニアエンコーダ７０Ｂ，７０Ｄはそれぞれ複数のＸ軸の検出ヘッド６６の計測値の切り替え（常に回折格子３９Ｘ１及び３９Ｘ３に対向している検出ヘッド６６の計測値を用いること）を行う切り替え制御部を備えている。
【００３９】
さらに、図２のセカンダリアライメント系ＡＬ２1，ＡＬ２4の−Ｘ側及び＋Ｘ側に、ほぼ対称に検出点が配置されるＹ軸の検出ヘッド６４ｙ1，６４ｙ2がそれぞれ設けられている。検出ヘッド６４ｙ1，６４ｙ2は、ウエハステージＷＳＴ上のウエハＷの中心が上記直線ＬＶ上にある図２に示される状態では、Ｙ軸の回折格子３９Ｙ２，３９Ｙ１にそれぞれ対向している。アライメント動作の際などでは、検出ヘッド６４ｙ1，６４ｙ2を含むＹ軸のリニアエンコーダ７０Ｃ，７０ＡによってウエハステージＷＳＴのＹ位置及びθｚ方向の角度が計測される。
【００４０】
Ｙ軸の検出ヘッド６４，６４ｙ1，６４ｙ2は互いに同一構成であり、Ｘ軸の検出ヘッド６６はＹ軸の検出ヘッド６４を９０°回転した構成である。以下、Ｙ軸の検出ヘッド６４及びＹ軸の回折格子３９Ｙ１を含む一つのＹ軸エンコーダ３Ｙ（変位検出装置）の構成及び検出原理につき図５を参照して説明する。
図５は、図２中の一つのＹ軸の検出ヘッド６４によってウエハテーブルＷＴＢ（ウエハステージＷＳＴ）に保持されたスケール体２８ｄの表面に形成されたＹ軸の回折格子３９Ｙ１を検出している状態を示す。図５において、検出ヘッド６４にレーザビームＢＩを供給するための例えばＨｅ−Ｎｅレーザ又は半導体レーザ等のレーザ光源２１が備えられている。レーザビームＢＩは、偏光方向が互いに直交するとともに互いに周波数が異なる２つの直線偏光のレーザビームよりなる２周波ヘテロダイン光である。レーザ光源２１は、その２つのレーザビームから分岐した光束の干渉光を光電変換して得られる所定周波数の参照信号ＤＳＲも発生する。参照信号ＤＳＲは、後述の計数装置３０に供給される。レーザ光源２１は、例えば図２の取り付け板６３Ａに固定されるとともに、レーザ光源２１から射出されるレーザビームＢＩは複数のビームスプリッタ（不図示）を介して複数のＹ軸エンコーダ及び複数のＸ軸エンコーダの各検出ヘッド６４，６６に供給される。
【００４１】
図５において、レーザ光源２１から射出された２周波ヘテロダイン光よりなるレーザビームＢＩは、ミラー２２で−Ｚ方向に反射されて偏光ビームスプリッタ２３に入射し、偏光ビームスプリッタ２３を透過するＰ偏光の第１ビームＢＬと、偏光ビームスプリッタ２３で＋Ｙ方向に反射されるＳ偏光の第２ビームＢＲとに分割される。偏光ビームスプリッタ２３の−Ｚ方向の端面に、ＸＹ平面に平行な２つの面と、ＸＹ平面をＸ軸の回りに４５°回転した平面に平行な２つの斜面とで囲まれた平行プリズム２４の上面が固定されている。また、偏光ビームスプリッタ２３の＋Ｙ方向の端面に、ＸＺ平面に平行な面とＸＹ平面に平行な面とを有するペンタプリズム（ペンタゴナルプリズム）２６の一面が固定されている。
【００４２】
そして、第１ビームＢＬは、平行プリズム２４の２つの斜面で反射されて、−Ｙ方向に光路がシフトしてから、回折格子３９Ｙ１の表面に垂直に（−Ｚ方向に）照射される。一方、偏光ビームスプリッタ２３で反射された第２ビームＢＲは、ペンタプリズム２６の４５°で交差する２つの反射面２６ａ，２６ｂで反射された後、回折格子３９Ｙ１の表面に垂直に照射される。回折格子３９Ｙ１上の第１ビームＢＬの照明領域に対して第２ビームＢＲの照明領域は＋Ｙ方向（周期方向）にずれている。この場合、例えば図６に点線の光路で示すように、偏光ビームスプリッタ２３に入射するレーザビームＢＩの角度、ひいては偏光ビームスプリッタ２３を透過する第１ビームＢＬの角度が−Ｚ方向に対してＹ方向（回折格子３９Ｙ１の周期方向）に時計回りに角度αだけ傾斜すると、ペンタプリズム２６の作用によって、ペンタプリズム２６から射出される第２ビームＢＲの角度は、−Ｚ方向に対してＹ方向に沿った逆方向に角度α（時計回りに−α）だけ傾斜する。従って、ペンタプリズム２６は、第２ビームＢＲの角度を第１ビームＢＬの角度に対して反転させる素子となる。
【００４３】
図５において、平行プリズム２４の形状は、偏光ビームスプリッタ２３においてビーム分割を行う点Ａ０から回折格子３９Ｙ１上で第１ビームＢＬが照射される点Ａ１までの距離と、点Ａ０から回折格子３９Ｙ１上で第２ビームＢＲが照射される点Ａ２までの距離とがほぼ等しくなるように設定されている。従って、平行プリズム２４は、点Ａ０，Ａ１間の第１ビームＢＬの光路の距離（光路長）と、点Ａ０，Ａ２間の第２ビームＢＲの光路の距離との差を低減させるための制御素子である。
【００４４】
また、本実施形態では、回折格子３９Ｙ１に垂直に入射する第１ビームＢＬによって発生する複数の回折光のうちで、−Ｙ方向に傾斜して回折角φで発生する＋１次回折光ＢＬ１を使用する。さらに、回折格子３９Ｙ１に垂直に入射する第２ビームＢＲによって発生する複数の回折光のうちで、＋Ｙ方向に傾斜して回折角（−φ）で発生する−１次回折光ＢＲ１を使用する。回折格子３９Ｙ１のＹ方向の周期ＰＹ及びレーザビームＢＩの平均波長λを用いて、回折角φは次のようになる。
【００４５】
ｓｉｎφ＝λ／Ｐ  …（１）
この場合、＋１次回折光ＢＬ１と−１次回折光ＢＲ１とは回折次数の符号が異なっている。なお、一般に第１ビームＢＬによって発生する＋ｍ次回折光（ｍは１以上の整数）及び第２ビームＢＲによって発生する−ｍ次回折光を使用してもよい。この場合の回折角φｍは次のようになる。
【００４６】
ｓｉｎφｍ＝λ・ｍ／Ｐ  …（２）
また、＋１次回折光ＢＬ１を平行に折り返すように反射して回折格子３９Ｙ１側に戻すためのコーナーレフレクタ２５Ａと、−１次回折光ＢＲ１を平行に折り返すように反射して回折格子３９Ｙ１側に戻すためのコーナーレフレクタ２５Ｂとが設けられている。点Ａ１からコーナーレフレクタ２５Ａの入射面までの距離と、点Ａ２からコーナーレフレクタ２５Ｂの入射面までの距離とはほぼ等しく設定されている。なお、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂの代わりに、互いに直交する２つの平面で内面反射を行うルーフレフレクタ若しくは屋根型プリズム、又は互いに直交する３つの反射面を持つコーナーキューブ等を使用することができる。
【００４７】
コーナーレフレクタ２５Ａで平行に折り返された＋１次回折光ＢＬ１は、回折格子３９Ｙ１の表面の点Ａ１から＋Ｙ方向にずれた位置に入射し、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に−１次の再回折光（以下、単に回折光という）ＢＬ２が発生する。同様に、コーナーレフレクタ２５Ｂで平行に折り返された−１次回折光ＢＲ１は、回折格子３９Ｙ１の表面の点Ａ２から−Ｙ方向にずれた位置に入射し、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に＋１次の再回折光（以下、単に回折光ともいう）ＢＲ２が発生する。
【００４８】
回折格子３９Ｙ１から発生した回折光ＢＬ２は、平行プリズム２４を通過した後、Ｐ偏光として偏光ビームスプリッタ２３を透過する。また、回折格子３９Ｙ１から発生した回折光ＢＲ２は、ペンタプリズム２６を通過した後、Ｓ偏光として偏光ビームスプリッタ２３で反射される。そして、偏光ビームスプリッタ２３で合波された回折光ＢＬ２及びＢＲ２よりなる干渉光ＢＥは、検光子２７を介して偏光方向が平行になってフォトダイオード等の光電検出器２９で受光される。光電検出器２９は、回折格子３９Ｙ１のＹ方向の移動速度に応じて周波数が変化するビート信号よりなる検出信号ＤＳ１を計数装置３０に供給する。計数装置３０は、レーザ光源２１から供給される参照信号ＤＳＲと検出信号ＤＳ１とを処理して回折格子３９Ｙ１（ウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向の移動速度及び位置を求め、求めた情報をＹ軸のリニアエンコーダ７０Ａ，７０Ｃ（図４参照）の切り替え制御部に供給する。
【００４９】
図５において、ミラー２２、偏光ビームスプリッタ２３、ペンタプリズム２６、平行プリズム２４、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂ、検光子２７、光電検出器２９、及び計数装置３０を含んでＹ軸の検出ヘッド６４が構成されている。なお、本実施形態では、レーザ光源２１は検出ヘッド６４には含まれていないが、レーザ光源２１を検出ヘッド６４に含めることもできる。検出ヘッド６４の各部材はそれぞれ支持部材（不図示）を介して図２の取り付け板６３Ａに固定されている。従って、計数装置３０によって検出される回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置及び速度は、第１ビームＢＬ及び第２ビームＢＲに対する回折格子３９Ｙ１のＹ方向の相対的な変位、言い換えると、検出ヘッド６４に対する回折格子３９Ｙ１のＹ方向の相対的な変位である。
【００５０】
検出ヘッド６４において、ビームＢＬ，ＢＲ等の光路長は短いため、空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、Ｙ軸エンコーダ３Ｙ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）に格段に優れている。
ところで、回折格子３９Ｙ１が計測方向（Ｙ方向）以外の方向に変位したときの計測誤差は小さいことが望ましい。本実施形態のＹ軸エンコーダ３Ｙでは、回折格子３９Ｙ１がＺ方向に変位しても、回折光ＢＬ２，ＢＲ２の位相の変化が等しいため、回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置の計測値は変化しない。従って、検出ヘッド６４と回折格子３９Ｙ１とのＺ方向の相対位置の僅かな変動は許容されるため、検出ヘッド６４の取り付け機構が簡素化できる。
【００５１】
一方、回折格子３９Ｙ１（ウエハテーブルＷＴＢ）がθｚ方向に回転したときには、左右の回折光ＢＬ１，ＢＲ１等の光路長が変化するので、計測誤差が発生する。しかしながら、本実施形態では、図２において、例えば２箇所で回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２のＹ方向の位置を計測し、この計測結果からウエハテーブルＷＴＢのθｚ方向の回転角を求めることができる。そこで、その回転角を所定の許容範囲内に追い込むか、又はその回転角に応じて計数装置３０で求められる位置を補正することで、回折格子３９Ｙ１のθｚ方向の回転による計測誤差を低減できる。
【００５２】
ここで、露光装置に対する外乱等によってレーザ光源２１から検出ヘッド６４に供給されるレーザビームＢＩのＹ方向（回折格子３９Ｙ１の周期方向）の角度（傾斜角）が変化した場合の影響につき、図６を参照して説明する。図６の点線の光路は、図５のレーザビームＢＩの角度が例えばミラー２２の反射位置を中心として時計回りに（ここでは−Ｙ方向に）角度αだけ変化した場合の、他のビームＢＬ，ＢＲ等の光路の変化を表している。
【００５３】
図６において、偏光ビームスプリッタ２３のレーザビームＢＩが分割される点Ａ０と回折格子３９Ｙ１上で第１ビームＢＬ（又は第２ビームＢＲ）が照射される点Ａ１（又はＡ２）までの距離（光路長）をＬ、所定のオフセットの距離をＬofとする。そして、レーザビームＢＩ（ひいては第１ビームＢＬ）の角度が微小な角度α（ｒａｄ）だけ変化した場合、ペンタプリズム２６によって、第２ビームＢＲの角度が−αだけ変化するため、回折格子３９Ｙ１上の第１ビームＢＬの照射位置のＹ方向へのずれ量δＬ１、及び第２ビームＢＲの照射位置のＹ方向へのずれ量δＲ１は次のようにほぼ逆方向で同じ量になる。
【００５４】
δＬ１≒−（Ｌ・α＋Ｌof）≒−δＲ１  …（３）
また、回折格子３９Ｙ１から発生する＋１次回折光ＢＬ１がコーナーレフレクタ２５Ａで折り返される位置のＹ方向のずれ量をδＬ２、回折格子３９Ｙ１から発生する−１次回折光ＢＲ１がコーナーレフレクタ２５Ｂで折り返される位置のＹ方向のずれ量をδＲ２とすると、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂの配置の対称性から、次の関係が成立する。
【００５５】
δＬ２≒−δＲ２  …（４）
従って、レーザビームＢＩの角度変化による回折格子３９Ｙ１から垂直上方に発生する回折光ＢＬ２の回折格子３９Ｙ１に対するＹ方向の位置ずれ量（δＬ２−δＬ１）と、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に発生する回折光ＢＲ２の回折格子３９Ｙ１に対するＹ方向の位置ずれ量（δＲ２−δＲ１）とは、大きさが同じで符号が逆である。しかしながら、回折光ＢＬ２は、第１ビームＢＬの＋１次回折光の−１次再回折光であり、回折光ＢＲ２は、第２ビームＢＲの−１次回折光の＋１次再回折光であるため、回折格子３９Ｙ１のＹ方向への移動に対する回折光ＢＬ２の位相の変化と、回折光ＢＲ２の位相の変化とは符号が逆である。従って、レーザビームＢＩの角度がαだけ変化した場合に、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に発生する回折光ＢＬ２の位相の変化量と、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に発生する回折光ＢＲ２の位相の変化量とは同じであり、それらの位相の変化量が相殺するため、干渉光ＢＥの位相は変化しない。このため、計数装置３０で求められる回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置は変化することがなく、計測誤差は発生しない。
【００５６】
ここで、比較例として、図７に示す検出ヘッド４３を想定する。検出ヘッド４３において、基準とする点Ｓから回折格子３９Ｙ１上の点ＡにレーザビームＢＰが垂直に入射し、レーザビームＢＰによる回折格子３９Ｙ１からの±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１がコーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂで折り返され、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に発生する−１次及び＋１次の再回折光ＢＰ２，ＢＭ２よりなる干渉光が検出される。回折光ＢＰ１，ＢＭ１の回折角φは、上述の式（１）で与えられる。
【００５７】
また、＋１次回折光ＢＰ１はコーナーレフレクタ２５Ａの点Ｂ１に入射し、コーナーレフレクタ２５Ａの頂点を通り回折光ＢＰ１に平行な対称軸に関して点Ｂ１に対称な点Ｂ２から射出され、再び回折格子３９Ｙ１上の点Ｄに入射する。点Ｄで再度回折された−１次回折光ＢＰ２は点Ｅに向かう。同様に、−１次回折光ＢＭ１は、点Ａ、点Ｃ１、点Ｃ２、点Ｄ、点Ｅという経路で伝搬する。
【００５８】
検出ヘッド４３において、回折格子３９Ｙ１に入射するレーザビームＢＰが、点線の光路で示すように、時計回りに（−Ｙ方向に）角度α（ｒａｄ）だけ傾く場合を考える。点Ｓと点Ａとの間隔をＬ、点Ａと点Ｄとの中点と左右のコーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂのビーム入射面までの距離をＬ１とすると、まず、レーザビームＢＰが回折格子３９Ｙ１に入射する点は、点Ａに対してほぼ距離Ｌ・αだけ−Ｙ方向の点Ａ’になる。
【００５９】
次に、＋１次回折光ＢＰ１のコーナーレフレクタ２５Ａへの入射点は、点Ｂ１からほぼ距離（Ｌ・α・ｃｏｓφ＋Ｌ１・α）だけ左側の点Ｂ１’になる。コーナーレフレクタ２５Ａからの射出点は入射点に関して対称であるから、＋１次回折光ＢＰ１が射出される点Ｂ２’は、元の点Ｂ２から右側に、ほぼ距離（Ｌ・α・ｃｏｓφ＋Ｌ１・α）だけずれている。また、回折格子３９Ｙ１から再回折光ＢＰ２が射出される点Ｄ’は、元の点Ｄから＋Ｙ方向にほぼ距離（Ｌ・α＋２Ｌ１・α／ｃｏｓφ）だけずれる。同様に、−１次回折光ＢＭ１の光路のずれを追跡すると、再回折光ＢＭ２が回折格子３９Ｙ１から射出される点Ｄ’は、点Ｄから＋Ｙ方向に距離（Ｌ・α＋２Ｌ１・α／ｃｏｓφ）だけずれる。従って、±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１に対する回折格子３９Ｙ１のＹ方向への実質的な相対変位ΔＹは次のようになる。
【００６０】
ΔＹ＝距離ＤＤ’−距離ＡＡ’＝２Ｌ１・α／ｃｏｓφ  …（５）
また、回折格子３９Ｙ１に対する照明領域の相対変位Ｙ０によって、±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１の１回の回折あたりの位相変化の差δは、δ＝２π・２・Ｙ０／ＰＹとなる。なお、ＰＹは、回折格子３９Ｙ１の周期である。また、入射するレーザビームＢＰが角度αだけ傾いたときの、±１次回折光ＢＰ１，ＢＭ１の２回の回折時の回折格子３９Ｙ１の相対変位ΔＹは式（５）であり、再回折光ＢＰ２，ＢＭ２の位相差δαは、δα＝２π・４・ΔＹ／ＰＹとなる。従って、発生する計測誤差ＹＥは次のようになる。
【００６１】
ＹＥ＝（δα／２π）・（ＰＹ／４）＝２Ｌ１・α／ｃｏｓφ  …（６）
例えば、距離Ｌ１＝１０ｍｍ、回折角φ＝１８°として、角度のずれα＝１μｒａｄとすると、式（６）の計測誤差ＹＥは２１ｎｍとなる。従って、本実施形態のように、計測精度が数ｎｍの場合には、無視できない計測誤差となることが分かる。
次に、本実施形態の露光装置ＥＸは、図２に示すように、照射系９０ａ及び受光系９０ｂから成る、例えば米国特許第５，４４８，３３２号明細書に開示されるものと同様の構成の斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（以下、多点ＡＦ系と呼ぶ。）９０を備えている。一例として、投影光学系ＰＬと、ウエハステージＷＳＴ上のウエハのローディング位置ＬＰ及びアンローディング位置ＵＰとのＹ方向の間の領域に、多点ＡＦ系９０の照射系９０ａ及び受光系９０ｂが不図示のメインフレームに支持されて配置されている。
【００６２】
本実施形態では、多点ＡＦ系９０の検出領域ＡＦのＸ方向の長さは、ウエハＷの直径とほぼ等しい程度に設定されている。そして、多点ＡＦ系９０の複数の計測点は、検出領域ＡＦ内に１行又は複数行（例えば２行）に配置される。この場合、検出領域ＡＦに対してウエハＷをＹ方向に１回走査するだけで、多点ＡＦ系９０によってウエハＷのほぼ全面でＺ位置の分布（面位置情報）を計測できる。また、検出領域ＡＦは、Ｙ方向に関して、前述の液浸領域１４（露光領域ＩＡ）とアライメント系ＡＬ１，ＡＬ２1〜ＡＬ２4の検出領域との間に配置されているので、多点ＡＦ系９０とアライメント系とでその検出動作を並行して行うことが可能となっている。
【００６３】
本実施形態の露光装置ＥＸは、多点ＡＦ系９０の複数の計測点のうち両端に位置する計測点の近傍、すなわち検出領域ＡＦの両端部近傍に、Ｘ方向に関して対称な配置で、各一対の被検面のＺ位置計測用の面位置センサ（以下、Ｚセンサと呼ぶ）７２ａ，７２ｂ及び７２ｃ，７２ｄを備えている。Ｚセンサ７２ａ〜７２ｄは、被検面に対し上方から光束を照射し、その反射光を受光してその光の照射点における被検面の法線方向（ここではＺ方向）の位置情報を計測する、例えば光ディスク装置の検出器のようなセンサである。
【００６４】
図２において、ヘッドユニット６２Ｃ及び６２Ａは、それぞれ複数のＹヘッド６４の検出中心を結ぶＸ軸に平行な直線ＬＨを挟むように対称に、かつ直線ＬＨに平行な２本の直線に沿って所定間隔で配置された複数（ここでは各６個、合計で１２個）のＺセンサ７４i,j（ｉ＝１，２、ｊ＝１〜６）及びＺセンサ７６p,q（ｐ＝１，２、ｑ＝１〜６）を備えている。各Ｚセンサ７４i,j及び７６p,qとしては、前述のＺセンサ７２ａ〜７２ｄと同様のセンサが用いられている。また、一対のＺセンサ７４1,4，７４2,4は、Ｚセンサ７２ａ，７２ｂと同一のＹ軸に平行な直線上に位置しており、一対のＺセンサ７６1,3，７６2,3は、Ｚセンサ７２ｃ，７２ｄと同一のＹ軸に平行な直線上に位置している。Ｚセンサ７４i,j及び７６p,qは例えば取り付け板６３Ｃ，６３Ａに固定されている。
【００６５】
ウエハステージＷＳＴ（回折格子３９Ｙ１，３９Ｘ１等を含む）、リニアエンコーダ７０Ａ〜７０Ｄ、Ｚセンサ７２ａ〜７２ｄ、Ｚセンサ７４i,j、Ｚセンサ７６p,q、及びステージ駆動系１２４を含んでステージ装置９５が構成されている。
また、図４には、露光装置ＥＸの制御系の主要な構成が示されている。この制御系は、装置全体を統括的に制御するコンピュータから成る主制御装置２０を中心として構成されている。
【００６６】
以下、本実施形態の露光装置ＥＸにおいて、主制御装置２０の制御のもとで所定ロットのウエハに順次レチクルＲのパターンの像を露光する際の動作の一例につき説明する。この場合、予め図２のＺセンサ７２ａ〜７２ｄ、Ｚセンサ７４i,j及び７６p,q、並びに多点ＡＦ系９０のＺ位置の計測値は、例えばその被検面が投影光学系ＰＬの像面と同じＺ位置にあるときに０になるように調整が行われている。
【００６７】
先ず、図２のウエハステージＷＳＴの中心をローディング位置ＬＰに移動して、不図示のウエハローダ系からウエハステージＷＳＴ上にウエハＷをロードする。
次に、ウエハステージＷＳＴの中心を、投影光学系ＰＬの光軸を通りＹ軸に平行な直線ＬＶ上に移動した後、さらにウエハステージＷＳＴの中心が投影光学系ＰＬの露光領域（露光位置）の方向に移動するように、ウエハステージＷＳＴの＋Ｙ方向への移動を開始する。その移動中、プライマリアライメント系ＡＬ１で基準マーク（不図示）の位置計測を行う。
【００６８】
さらにウエハステージＷＳＴを＋Ｙ方向に移動して、Ｚセンサ７２ａ〜７２ｄによってウエハＷの両側のＹ軸の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２の表面のＺ位置を計測しつつ、多点ＡＦ系９０の検出領域ＡＦでウエハＷの全面を走査して、回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２のＺ位置を基準として、ウエハＷ表面のＺ位置分布を計測する。この計測結果は、主制御装置２０内の記憶部に記憶される。
【００６９】
また、上述のように、ウエハステージＷＳＴをＹ方向に移動して多点ＡＦ系９０でウエハＷの表面のＺ位置分布を計測する途中で、計測対象のアライメントショットのウエハマークがアライメント系ＡＬ１，ＡＬ２1〜ＡＬ２4の検出領域内に入ったときにウエハステージＷＳＴを停止させて、順次、アライメント系ＡＬ１，ＡＬ２1〜ＡＬ２4によってそのウエハマークの位置を検出する。その後、主制御装置２０は、計測された複数のウエハマークの座標を用いて、例えばＥＧＡ方式でウエハの全部のショット領域の配列座標（ショット配列）を算出する。
【００７０】
次に算出された配列座標に基づいて図４のリニアエンコーダ７０Ａ〜７０Ｄの計測値を用いてウエハステージＷＳＴを駆動することで、図８に示すように、液浸方式で、かつステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全部のショット領域に投影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパターン像を露光する。この際に、投影光学系ＰＬを挟むように配置されている図２のＺセンサ７４i,j 及び７６p,q を用いて、ウエハＷの両側の回折格子３９Ｙ１，３９Ｙ２の表面のＺ位置を計測し、この計測値と上記のように求められているウエハＷ表面のＺ位置分布とからウエハＷ表面のＺ位置を間接的に求め、このように求めたウエハＷ表面のＺ位置に基づいてウエハステージＷＳＴのＺ・レベリング機構を駆動して、ウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させる。
【００７１】
次に、ウエハステージＷＳＴの中心を図８のアンローディング位置ＵＰに移動して、露光済みのウエハＷのアンロードを行って、そのウエハＷを不図示のウエハローダ系に受け渡す。次に未露光のウエハがあるかどうかを判定し、未露光のウエハがある場合にはウエハのローディングを行った後、上記の露光動作を繰り返す。
本実施形態によれば、リニアエンコーダ７０Ａ〜７０ＤによってウエハステージＷＳＴの位置を高精度に計測できるため、ウエハＷの各ショット領域に微細な回路パターンを高精度に形成できる。
【００７２】
本実施形態の作用等は以下の通りである。
（１）本実施形態のＹ軸エンコーダ３Ｙは、第１ビームＢＬ及び第２ビームＢＲ（又は検出ヘッド６４）に対する回折格子３９Ｙ１（又はウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向の相対変位を検出する変位検出装置である。そして、Ｙ軸エンコーダ３Ｙは、Ｙ方向（第１方向）に沿った周期を有する回折格子３９Ｙ１と、レーザ光源２１から供給されるレーザビームＢＩから第１ビームＢＬ及び第２ビームＢＲを分岐し、第１ビームＢＬを平行プリズム２４を介して回折格子３９Ｙ１に照射する偏光ビームスプリッタ２３（分岐素子）と、レーザビームＢＩ（光ビーム）がＹ方向に傾いて偏光ビームスプリッタ２３に入射したときに、第２ビームＢＲを第１ビームＢＬとは逆方向に傾けて回折格子３９Ｙ１に照射するペンタプリズム２６（角度変換素子）とを備えている。さらに、Ｙ軸エンコーダ３Ｙは、第１ビームＢＬによる回折格子３９Ｙ１からの＋１次回折光ＢＬ１（第１回折ビーム）を回折格子３９Ｙ１側に平行に折り返すコーナーレフレクタ２５Ａ（第１反射素子）と、第２ビームＢＲによる回折格子３９Ｙ１からの−１次回折光ＢＲ１（第２回折ビーム）を回折格子３９Ｙ１側に平行に折り返すコーナーレフレクタ２５Ｂ（第２反射素子）と、±１次回折光ＢＬ１，ＢＲ１による回折格子３９Ｙ１からの再回折光ＢＬ２，ＢＲ２よりなる干渉光ＢＥを受光する光電検出器２９（受光素子）と、を備えている。
【００７３】
本実施形態によれば、回折格子３９Ｙ１に照射される第１ビームＢＬ及び第２ビームＢＲの照射位置は異なってもよいため、検出ヘッド６４の光学系の調整が容易である。
また、レーザビームＢＩがＹ方向に傾いたときに、第２ビームＢＲを第１ビームＢＬとは逆方向に傾けるペンタプリズム２６を備えているため、回折格子３９Ｙ１に照射される第１ビームＢＬの角度（傾斜角）が変化したときに、回折格子３９Ｙ１上の第１ビームＢＬの照明領域のＹ方向のずれ量δＬ１と、第２ビームＢＲの照明領域のＹ方向のずれ量δＲ１とはほぼ逆方向で同じ量になる。さらに、＋１次回折光ＢＬ１と−１次回折光ＢＲ１とは回折次数の符号が異なり、回折角が対称であるため、±１次回折光ＢＬ１，ＢＲ１をコーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂによって回折格子３９Ｙ１に戻すときに、回折光ＢＬ１，ＢＲ１の回折格子３９Ｙ１に対する照明領域のＹ方向のずれ量δＬ２，δＲ２はほぼ逆方向で同じ量になる。干渉光ＢＥを形成する再回折光ＢＬ２，ＢＲ２の位相の変化量がほぼ相殺されるため、干渉光ＢＥの位相の変化はほぼなくなり、計測誤差の発生が抑制される。従って、回折格子３９Ｙ１の変位をｎｍのオーダで安定にかつ高精度に計測できる。
【００７４】
（２）また、第１ビームＢＬ及び第２ビームＢＲは回折格子３９Ｙ１に垂直に入射し、＋１次回折光ＢＬ１及び−１次回折光ＢＲ１は対称に回折格子３９Ｙ１に戻されているため、再回折光ＢＬ２，ＢＲ２の位相の変化量が良好に相殺されて、計測誤差がさらに抑制される。なお、ビームＢＬ及びＢＲは回折格子３９Ｙ１にほぼ垂直に入射してもよい。
（３）なお、図５の検出ヘッド６４において、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂを省略して、例えば±１次回折光ＢＬ１，ＢＲ１を複数のミラーを介して合波して干渉光を生成し、この干渉光を光電検出器２９で受光してもよい。この場合にも、レーザビームＢＩが傾斜したときに、第１ビームＢＬ及び第２ビームＢＲの回折格子３９Ｙ１に対する照射位置のＹ方向のずれ量δＬ１，δＲ１が逆方向にほぼ同じ量となるため、計測誤差が抑制される。
【００７５】
また、第１ビームＢＬ及び第２ビームＢＲを回折格子３９Ｙ１に対してＹ方向に対称に傾斜させて照射してもよい。
（４）また、第１ビームＢＬと第２ビームＢＲとの光路長を合わせるための平行プリズム２４（光路長制御素子）が設けられているため、計測誤差がさらに抑制される。
なお、平行プリズム２４の代わりに、複数枚のミラーを用いてもよい。また、必ずしも平行プリズム２４を設ける必要はない。平行プリズム２４がない場合でも、レーザビームＢＩの角度が変化した場合の回折光ＢＬ２，ＢＲ２の位相の変化は少なくとも一部が相殺するため、計測誤差は低減される。
【００７６】
（５）また、回折格子３９Ｙ１に対する第１ビームＢＬの照射位置と第２ビームＢＲの照射位置とはＹ方向にずれているため、検出ヘッド６４がθｚ方向に傾斜した場合の計測誤差が少ない。
なお、回折格子３９Ｙ１に対する第１ビームＢＬの照射位置と第２ビームＢＲの照射位置とは回折格子３９Ｙ１の周期方向に直交するＸ方向（第２方向）にずれていてもよい。
【００７７】
（６）また、本実施形態のステージ装置９５は、ベース盤１２の上面１２ａ（所定面）に沿ってウエハＷ（物体）を移動するステージ装置であり、回折格子３９Ｙ１及び検出ヘッド６４を含むＹ軸エンコーダ３Ｙと、ウエハＷ及び回折格子３９Ｙ１を保持して上面１２ａに沿って移動するウエハステージＷＳＴと、を備えている。従って、外乱等で検出ヘッド６４に供給されるレーザビームＢＩの角度が変化した場合にも、ウエハステージＷＳＴの位置を高精度に計測できる。
【００７８】
（７）また、本実施形態の露光装置ＥＸは、レチクルＲのパターン（転写用パターン）及び投影ユニットＰＵ（露光光学系）を介してウエハＷ（基板）を露光する露光装置において、ウエハＷを移動するために、そのウエハステージＷＳＴを含むステージ装置９５を備えている。この場合、ウエハステージＷＳＴの位置を高精度に制御できるため、ウエハＷに対して高精度に露光を行うことができる。
【００７９】
なお、回折格子３９Ｙ１及び検出ヘッド６４よりなるＹ軸エンコーダ３Ｙと同様の検出装置で、レチクルＲを移動するレチクルステージＲＳＴのＸ方向及び／又はＹ方向の位置を計測してもよい。この場合、回折格子をレチクルステージＲＳＴに配置し、検出ヘッドを回折格子と対向するように配置すればよい。回折格子はレチクルステージＲＳＴの上面または下面のいずれか一方、あるいは両面に設けてもよい。回折格子をレチクルステージＲＳＴの下面に配置する場合には、検出ヘッドは、投影ユニットＰＵに対して所定の位置関係となるように、たとえば投影ユニットＰＵに固定して配置してもよい。また、このときに、ウエハステージＷＳＴの位置はリニアエンコーダ７０Ａ〜７０Ｄ等を用いて計測してもよいが、ウエハステージＷＳＴの位置をレーザ干渉計によって計測してもよい。
【００８０】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態につき図９及び図１０を参照して説明する。本実施形態は、図１の露光装置ＥＸのステージ装置９５のＹ軸エンコーダ３Ｙ（図５参照）の代わりに使用できるＹ軸エンコーダ（変位検出装置）に本発明を適用したものである。以下、図９及び図１０において、図５及び図６に対応する部分には同一又は類似の符号を付してその詳細な説明を省略又は簡略化する。
【００８１】
図９は、本実施形態のＹ軸エンコーダ３ＹＡの構成を示す拡大図である。図９において、検出ヘッド６４Ａ及び回折格子３９Ｙ１が形成されたスケール体２８ｄを含んでＹ軸エンコーダ３ＹＡが構成されている。レーザ光源２１から検出ヘッド６４Ａに２周波ヘテロダイン光よりなるレーザビームＢＩが供給されている。さらに、レーザ光源２１から計数装置３０Ａの後述の第１計数部３０Ａ１及び第２計数部３０Ａ２に所定周波数の参照信号ＤＳＲが供給されている。レーザ光源２１から供給されたレーザビームＢＩは、ミラー２２で−Ｚ方向に反射され、ハーフプリズム３３で−Ｚ方向に向かう２周波ヘテロダイン光よりなる第１レーザビームＢＩ１と、＋Ｙ方向に向かう２周波ヘテロダイン光よりなる第２レーザビームＢＩ２とに分割される。
【００８２】
第１レーザビームＢＩ１は、第１の偏光ビームスプリッタ２３Ａに入射する。また、ハーフプリズム３３の＋Ｙ方向に、小型のペンタプリズム２６Ａが配置されている。ハーフプリズム３３から射出された第２レーザビームＢＩ２は、ペンタプリズム２６Ａの４５°で交差する２つの反射面で反射されて、第１レーザビームＢＩ１とはＹ方向の角度が反転された状態で第２の偏光ビームスプリッタ２３Ｂに入射する。
【００８３】
第１レーザビームＢＩ１は、偏光ビームスプリッタ２３Ａを透過して周期ＰＹの回折格子３９Ｙ１に垂直に（−Ｚ方向に）入射するＰ偏光の第１計測ビームＢＬＭと、偏光ビームスプリッタ２３Ａで−Ｙ方向に反射されるＳ偏光の第１参照ビームＢＬＲとに分割される。第１参照ビームＢＬＲは、偏光ビームスプリッタ２３Ａに固定されたコーナーレフレクタ３４Ａで反射されて、偏光ビームスプリッタ２３Ａに戻されて反射される。
【００８４】
本実施形態でも、回折格子３９Ｙ１に垂直に入射する第１計測ビームＢＬＭによって発生する複数の回折光のうちで、−Ｙ方向に傾斜した回折角φで発生する＋１次回折光ＢＬ１を使用する。発生した＋１次回折光ＢＬ１は、コーナーレフレクタ２５Ａによって平行に折り返すように反射されて、回折格子３９Ｙ１上の射出点から＋Ｙ方向にずれた位置に入射し、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に−１次の再回折光（回折光）ＢＬ２が発生する。回折格子３９Ｙ１から発生した回折光ＢＬ２は、偏光ビームスプリッタ２３Ａを透過する。そして、偏光ビームスプリッタ２３Ａで合波された回折光ＢＬ２及び第１参照ビームＢＬＲよりなる干渉光ＢＥＡは、検光子２７Ａを介して偏光方向が平行になって光電検出器２９Ａで受光される。光電検出器２９Ａは、回折格子３９Ｙ１のＹ方向の移動速度に応じて周波数が変化する検出信号ＤＳ１を第１計数部３０Ａ１に供給する。第１計数部３０Ａ１は、参照信号ＤＳＲと検出信号ＤＳ１とを処理して回折格子３９Ｙ１（スケール体２８ｄ及びウエハテーブルＷＴＢ）のＹ方向の移動速度及び位置ＹＭ１を求め、求めた情報を演算部３０Ａ３に供給する。偏光ビームスプリッタ２３Ａ、コーナーレフレクタ３４Ａ，２５Ａ、検光子２７Ａ、及び光電検出器２９Ａから第１の検出系６４Ａ１が構成されている。
【００８５】
一方、第２レーザビームＢＩ２は、第２の偏光ビームスプリッタ２３Ｂを透過して回折格子３９Ｙ１に垂直に入射するＰ偏光の第２計測ビームＢＲＭと、偏光ビームスプリッタ２３Ｂで＋Ｙ方向に反射されるＳ偏光の第２参照ビームＢＲＲとに分割される。第２参照ビームＢＲＲは、偏光ビームスプリッタ２３Ｂに固定されたコーナーレフレクタ３４Ｂで反射され、偏光ビームスプリッタ２３Ｂに戻されて反射される。
【００８６】
また、回折格子３９Ｙ１に垂直に入射する第２計測ビームＢＲＭによって発生する複数の回折光のうちで、＋Ｙ方向に傾斜した回折角φで発生する−１次回折光ＢＲ１が使用される。従って、＋１次回折光ＢＬ１と−１次回折光ＢＲ１とは回折次数の符号が異なっている。発生した−１次回折光ＢＲ１は、コーナーレフレクタ２５Ｂによって平行に折り返すように反射されて、回折格子３９Ｙ１上の射出点から−Ｙ方向にずれた位置に入射し、回折格子３９Ｙ１から垂直上方に＋１次の再回折光（回折光）ＢＲ２が発生する。回折格子３９Ｙ１から発生した回折光ＢＲ２は、偏光ビームスプリッタ２３Ｂを透過する。そして、偏光ビームスプリッタ２３Ｂで合波された回折光ＢＲ２及び第２参照ビームＢＲＲよりなる干渉光ＢＥＢは、検光子２７Ｂを介して偏光方向が平行になって光電検出器２９Ｂで受光される。光電検出器２９Ｂは、回折格子３９Ｙ１のＹ方向の移動速度に応じて周波数が変化する検出信号ＤＳ２を第２計数部３０Ａ２に供給する。第２計数部３０Ａ２は、参照信号ＤＳＲと検出信号ＤＳ２とを処理して回折格子３９Ｙ１のＹ方向の移動速度及び位置ＹＭ２を求め、求めた情報を演算部３０Ａ３に供給する。偏光ビームスプリッタ２３Ｂ、コーナーレフレクタ３４Ｂ，２５Ｂ、検光子２７Ｂ、及び光電検出器２９Ｂから第２の検出系６４Ａ２が構成されている。また、ミラー２２、ハーフプリズム３３、第１の検出系６４Ａ１、第２の検出系６４Ａ２、及び演算部３０Ａ３から検出ヘッド６４Ａが構成されている。なお、検出系６４Ａはレーザ光源２１を含むことができる。
【００８７】
本実施形態において、第１の検出系６４Ａ１で計測される回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置ＹＭ１は、例えば検出ヘッド６４Ａ（又は計測ビームＢＬＭ，ＢＲＭ）に対して回折格子３９Ｙ１が＋Ｙ方向に変位したときに増加するものとする。このとき、第１の検出系６４Ａ１では＋１次回折光ＢＬ１を使用し、第２の検出系６４Ａ２は−１次回折光ＢＲ１を使用しているため、第２の検出系６４Ａ２で計測される回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置ＹＭ２は、回折格子３９Ｙ１が＋Ｙ方向に変位したときに減少する。そこで、２つの検出系６４Ａ１，６４Ａ２に対する回折格子３９Ｙ１のＹ方向への相対的な位置ＹＭは、次のように２つの位置ＹＭ１，ＹＭ２の差分の平均値となる。
【００８８】
ＹＭ＝（ＹＭ１−ＹＭ２）／２  …（７）
演算部３０Ａ３は式（７）から求めた回折格子３９Ｙ１の位置ＹＭの情報、及び同様にして求めた回折格子３９Ｙ１のＹ方向の速度情報をＹ軸のリニアエンコーダ７０Ａ，７０Ｃ（図４参照）の切り替え制御部に供給する。検出ヘッド６４Ａにおいても、計測ビームＢＬＭ，ＢＲＭ等の光路長は短いため、空気揺らぎの影響が非常に小さい。従って、Ｙ軸エンコーダ３ＹＡ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）に格段に優れている。
なお、式（７）に示すように、第１の検出系６４Ａ１と第２の検出系６４Ａ２との計測値の差を取り、２で除算することにより回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置が算出される。一方、２つの検出系の計測値の和を取って２で除算した値は、回折格子３９Ｙ１のＹ方向位置によっては変化せず、Ｚ方向の位置に対応した値となる。すなわち、２つの検出系の計測値の和を取って２で除算し、所定の係数を乗ずることによりＺ方向の位置も算出することができ、Ｙ軸エンコーダ３ＹＡは２軸エンコーダとして機能する。
【００８９】
また、露光装置に対する外乱等によってレーザ光源２１から検出ヘッド６４Ａに供給されるレーザビームＢＩ（第１レーザビームＢＩ１）のＹ方向（回折格子３９Ｙ１の周期方向）の角度が変化した場合の影響につき、図１０を参照して説明する。図１０の点線の光路は、図９のレーザビームＢＩの角度が例えばミラー２２の反射位置を中心として時計回りに角度αだけ変化した場合の、他の計測ビームＢＬＭ，ＢＲＭ等の光路の変化を表している。
【００９０】
図１０において、レーザビームＢＩ（ひいては第１計測ビームＢＬＭ）の角度が微小な角度αだけ変化した場合、ペンタプリズム２６Ａによって、第２計測ビームＢＲＭの角度が−αだけ変化するため、回折格子３９Ｙ１上の第１計測ビームＢＬの照射位置のＹ方向へのずれ量δＬ１と、第２計測ビームＢＲの照射位置のＹ方向へのずれ量δＲ１とは逆方向で、かつほぼ同じ量になる。
【００９１】
また、回折格子３９Ｙ１から発生する＋１次回折光ＢＬ１がコーナーレフレクタ２５Ａで折り返される回折格子３９Ｙ１上の位置のＹ方向のずれ量δＬ２と、回折格子３９Ｙ１から発生する−１次回折光ＢＲ１がコーナーレフレクタ２５Ｂで折り返される回折格子３９Ｙ１上の位置のＹ方向のずれ量δＲ２とは、逆方向で、かつほぼ同じ量になる。特に、レーザビームＢＩの角度変化による、第１の検出系６４Ａ１における回折格子３９Ｙ１から垂直上方に発生する再回折光ＢＬＭの回折格子３９Ｙ１に対するＹ方向の全体としての位置ずれ量（δＬ２−δＬ１）と、第２の検出系６４Ａ２における回折格子３９Ｙ１から垂直上方に発生する再回折光ＢＲ２の回折格子３９Ｙ１に対するＹ方向の全体としての位置ずれ量（δＲ２−δＲ１）とは、ほぼ大きさが同じで符号が逆である。
【００９２】
また、本実施形態では、第１の検出系６４Ａ１で計測される位置ＹＭ１の変動量は、例えば位置ずれ量（δＬ２−δＬ１）が正の値のときに正の値になり、第２の検出系６４Ａ２で計測される位置ＹＭ２の変動量は、例えば位置ずれ量（δＲ２−δＲ１）が正の値のときに負の値になる。従って、本実施形態のように、位置ずれ量（δＬ２−δＬ１）と位置ずれ量（δＲ２−δＲ１）とがほぼ大きさが同じで符号が逆であるときには、第１の検出系６４Ａ１における位置ＹＭ１の変動量と、第２の検出系６４Ａ２における位置ＹＭ２の変動量とはほぼ同じになる。従って、式（７）から回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置ＹＭを求めると、位置ずれ量（δＬ２−δＬ１）及び位置ずれ量（δＲ２−δＲ１）に起因する誤差が相殺されて、レーザビームＢＩの角度に影響されることなく、回折格子３９Ｙ１のＹ方向の位置を高精度に計測できる。
【００９３】
本実施形態の作用等は以下の通りである。
（１）本実施形態のＹ軸エンコーダ３ＹＡ（変位検出装置）は、Ｙ方向（第１方向）に沿った周期を有する回折格子３９Ｙ１と、供給されるレーザビームＢＩから第１レーザビームＢＩ１及び第２レーザビームＢＩ２を分岐するハーフプリズム３３（第１分岐素子）と、第１レーザビームＢＩ１から第１計測ビームＢＬＭ及び第１参照ビームＢＬＲを分岐し、第１計測ビームＢＬＭを回折格子３９Ｙ１に照射する偏光ビームスプリッタ２３Ａ（第２分岐素子）と、第１計測ビームＢＬＭによる回折格子３９Ｙ１からの＋１次回折光ＢＬ１と、第１参照ビームＢＬＲとの干渉光ＢＦＡを受光する光電検出器２９Ａと、を備えている。さらに、Ｙ軸エンコーダ３ＹＡは、レーザビームＢＩがＹ方向に傾いてハーフプリズム３３に入射したときに、第２レーザビームＢＩ２を第１レーザビームＢＩ１とは逆方向に傾けるペンタプリズム２６Ａ（角度反転素子）と、第２レーザビームＢＩ２から第２計測ビームＢＲ２及び第２参照ビームＢＲＲを分岐し、第２計測ビームＢＲＭを回折格子３９Ｙ１に照射する偏光ビームスプリッタ２３Ｂ（第３分岐素子）と、第２計測ビームＢＲＭによる回折格子３９Ｙ１からの＋１次回折光ＢＬ１とは回折次数の符号が異なる−１次回折光ＢＲ１と、第２参照ビームＢＲＲとの干渉光ＢＥＢを受光する光電検出器２９Ｂと、を備え、第１レーザビームＢＩ１（第１計測ビームＢＬＭ）及び第２レーザビームＢＩ２（第２計測ビームＢＲＭ）と回折格子３９Ｙ１との相対変位を検出している。
【００９４】
本実施形態によれば、回折格子３９Ｙ１に照射される第１計測ビームＢＬＭ及び第２計測ビームＢＲＭの照射位置は異なってもよいため、検出ヘッド６４Ａの光学系の調整が容易である。
また、回折格子３９Ｙ１に照射される第１計測ビームＢＬＭの角度（傾斜角）が変化したときに、回折格子３９Ｙ１上の第１計測ビームＢＬＭの照明領域のＹ方向のずれ量δＬ１と、第２計測ビームＢＲＭの照明領域のずれ量δＲ１とは逆方向でほぼ同じ量になる。さらに、回折格子３９Ｙ１から発生する＋１次回折光ＢＬ１と−１次回折光ＢＲ１とは回折次数の符号が異なるため、±１次回折光ＢＬ１，ＢＲ１を回折格子３９Ｙ１に戻して再回折光ＢＬ２，ＢＲ２を発生させる場合に、±１次回折光ＢＬ１，ＢＲ１の回折格子３９Ｙ１に対する照明領域のＹ方向のずれ量δＬ２，δＲ２は逆方向にほぼ同じ量になる。そのため、光電検出器２９Ａを含む第１の検出系６４Ａ１による計測値の変動量と、光電検出器２９Ｂを含む第２の検出系６４Ａ２による計測値の変動量とがほぼ相殺するため、全体として計測誤差の発生が抑制される。
【００９５】
（２）なお、本実施形態においても、コーナーレフレクタ２５Ａ，２５Ｂを省略し、＋１次回折光ＢＬ１と第１参照ビームＢＬＲとを直接干渉させ、−１次回折光ＢＲ１と第２参照ビームＢＲＲとを直接干渉させてもよい。
（３）また、第１の検出系６４Ａ１（第１計測ビームＢＬＭ）と第２の検出系６４Ａ２（第２計測ビームＢＲＭ）とは回折格子３９Ｙ１の周期方向（Ｙ方向）にずれているが、検出系６４Ａ１及び６４Ａ２を回折格子３９Ｙ１に対して周期方向に直交するＸ方向（第２方向）にずらしてもよい。
なお、第１の実施形態と同様に、回折格子３９Ｙ１及び検出ヘッド６４ＡよりなるＹ軸エンコーダ３ＹＡと同様の検出装置で、レチクルＲを移動するレチクルステージＲＳＴのＸ方向及び／又はＹ方向の位置を計測してもよい。この場合、回折格子の配置についても第１の実施形態で説明した例と同様の変形例が適用可能である。
【００９６】
なお、上記の各実施形態では、以下のような変形が可能である。
（１）上記の検出ヘッド６４，６４Ａは、２周波ヘテロダイン光を用いるヘテロダイン干渉方式であるが、その代わりにホモダイン干渉方式でもよい。この場合、干渉する２つのレーザビームの一方を位相変調しておいてもよい。
（２）また、ペンタプリズム２６，２６Ａの代わりに複数のミラーを組み合わせた光学系（角度反転素子）を使用してもよい。ペンタプリズム２６，２６Ａとして使用する光学系は、要は、入射するレーザビームＢＩの角度変動に対して左右のビーム（ＢＬ２，ＢＲ２等）の角度が反対方向になるように一方のビームを導けばよい。
【００９７】
（３）また、上記の実施形態では、ウエハステージＷＳＴのウエハテーブルＷＴＢに、回折格子３９Ｙ１等が形成されたスケール体２８ｄ等を設け、投影ユニットＰＵ側の取り付け板６３Ｃ等にＹ軸エンコーダ３Ｙ，３ＹＡ等の検出ヘッド６４，６４Ａ等を設けている。しかしながら、図１１に示すように、例えば投影ユニットＰＵ（投影光学系ＰＬ）の鏡筒４０のフランジ部４０Ｆを支持するフレーム３５Ａの底面に、連結機構３５Ｂを介して投影ユニットＰＵを通す開口が形成された平板状の計測フレーム３５Ｃを支持し、計測フレーム３５Ｃの底面にＸ軸の回折格子３９Ｘ及びＹ軸の回折格子３９Ｙが所定配置で形成されたスケール体３６を取り付けてもよい。回折格子３９Ｘ，３９Ｙは、図３の回折格子３９Ｘ１，３９Ｙ１等と同じ特性を持つ反射型の回折格子である。
【００９８】
また、図１１において、ウエハステージＷＳＴの上部のウエハＷを保持するウエハテーブルＷＴＢの周縁部に、ウエハＷをＸ方向に挟むように１対（又は複数対）のＸ軸の検出ヘッド６６が固定され、ウエハＷをＹ方向に挟むように１対（又は複数対）のＹ軸の検出ヘッド６４が固定されている。検出ヘッド６４，６６で使用されるレーザビームは、例えば外部のレーザ光源から可撓性を持つ光ガイド（不図示）を介して供給される。ウエハステージＷＳＴ、回折格子３９Ｘ，３９Ｙが設けられた計測フレーム３５Ｃ、及び検出ヘッド６６，６４等を含んで、露光装置のステージ装置９５Ａが構成されている。ステージ装置９５Ａによれば、ウエハステージＷＳＴ側の検出ヘッド６４，６６によって、ウエハステージＷＳＴに対向するように配置されたフレーム３５Ａで支持された回折格子３９Ｙ，３９Ｘ（スケール体３６）のＹ方向、Ｘ方向の相対位置を検出することによって、投影ユニットＰＵに対するウエハステージＷＳＴの位置を高精度に計測できる。また、検出ヘッド６４の代わりに第２の実施形態の検出ヘッド６４Ａを使用してもよい。
【００９９】
同様に、Ｙ軸エンコーダ３Ｙ，３ＹＡで図１のレチクルステージＲＳＴの位置を計測する場合にも、レチクルステージＲＳＴ側に検出ヘッド６４，６６等を配置し、レチクルステージＲＳＴに対向するように配置されたフレームに回折格子３９Ｙ，３９Ｘを配置してもよい。
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１２に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたレチクル（マスク）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造してレジストを塗布するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置（露光方法）によりレチクルのパターンを基板（感光基板）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
【０１００】
言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置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）に転写することと、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こと（ステップ２２４の現像、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、露光装置のウエハステージＷＳＴのウエハテーブルＷＴＢ（基板）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。
【０１０１】
なお、本発明は、上述のステップ・アンド・スキャン方式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に限らず、液晶表示素子やプラズマディスプレイなどを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックスウエハ上に転写する露光装置、並びに撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、及びＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。このように、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。
【符号の説明】
【０１０２】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＷＴＢ…ウエハテーブル、ＷＳＴ…ウエハステージ、３Ｙ…Ｙ軸エンコーダ、２０…主制御装置、２８ｂ〜２８ｅ…プレート、３９Ｙ１，３９Ｙ２…Ｙ軸の回折格子、６２Ａ〜６２Ｄ…ヘッドユニット、６４…Ｙ軸の検出ヘッド
【図１】
2011181850.tif 000003
【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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