(57)【要約】【課題】  物体の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。【解決手段】  本発明の一側面としての変位測定装置は、格子パターン６が形成されたスケール７と、スケール７に光を照射する光源と、スケール７の格子パターン６で回折された光を受光する受光素子と、を備える。格子パターン６の形状は、その格子パターン６の格子方向Ｙに一定の周期で変化している。受光素子は、格子パターン６上の、格子方向Ｙにその周期の自然数倍の長さを有する領域１００で回折された光を受光する。【選択図】  図２
2011127981.tif 000002
【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、
前記スケールの前記格子パターンで回折された光を受光する受光素子と、を備え、
前記格子パターンの形状は、該格子パターンの格子方向に一定の周期で変化しており、
前記受光素子は、前記格子パターン上の、前記格子方向に前記周期の自然数倍の長さを有する領域で回折された光を受光する
ことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記光源からの光を前記スケールへ導き、前記スケールの前記格子パターンで回折された光を前記受光素子へ導く光学系を備え、
前記光学系は、前記受光素子が前記格子パターン上の前記領域で回折された光を受光するように、該受光素子が受光する光束のサイズを調整する光束サイズ調整手段を有する
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】
前記光束サイズ調整手段は、前記スケールと前記受光素子との間の光路中に配置されており、
前記スケールからの光のうち前記格子パターン上の前記領域で回折された光を透過する
ことを特徴とする請求項２に記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記光束サイズ調整手段は、前記光源と前記スケールとの間の光路中に配置されており、前記光源からの光のうち前記格子パターン上の前記領域を照射する光のみを透過する
ことを特徴とする請求項２に記載の変位測定装置。
【請求項５】
前記光束サイズ調整手段は、前記受光素子の受光面と共役な位置に配置されている絞りを含む
ことを特徴とする請求項３に記載の変位測定装置。
【請求項６】
前記光束サイズ調整手段は、前記スケールの格子パターン面と共役な位置に配置されている絞りを含む
ことを特徴とする請求項４に記載の変位測定装置。
【請求項７】
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光を受光する受光素子と、を備える変位測定装置の前記スケールを製造する方法であって、
レーザ光源からのレーザビームをスケール基板に対して走査距離だけ走査して、前記スケール基板に格子パターンを描画する工程と、
前記スケール基板上の描画位置を走査方向に移動し、前記レーザビームを前記スケール基板に対して前記走査距離だけ再度走査して、前記格子パターンの格子方向への長さを延ばす工程と、を有し、
前記走査距離は、前記格子パターン上の前記格子方向に該走査距離の自然数倍の長さを有する領域で回折された光を前記受光素子が受光するように、該受光素子の受光領域の長さに基づいて決定される
ことを特徴とするスケール製造方法。
【請求項８】
基板を保持し、移動するステージと、
前記ステージの変位を測定する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の変位測定装置と、を備える
ことを特徴とするステージ装置。
【請求項９】
原版のパターンの像を基板上に投影する投影光学系と、
請求項８に記載のステージ装置と、を備える
ことを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
請求項９記載の露光装置で基板を露光し、
該露光された基板を現像する
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、変位測定装置、ステージ装置、露光装置、スケール製造方法、及びデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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が使用されている。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、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、異なる次数の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】
図８は、特許文献１に記載された格子干渉方式の変位測定装置の概略図であり、変位測定装置を露光、検査及び測定を行う露光装置３００に適用した場合を表す。露光装置３００は、露光ユニット２７から出射された放射ビーム２６を、ギャップ２５を介して基板テーブル１１上の基板３６に導き、基板３６の露光、検査及び測定を行う。変位測定装置は、エンコーダ本体（ヘッド）とスケールを有し、基板３６を支持する基板テーブル１１の基準フレーム１３に対する変位を測定する。基準フレーム１３には４つのスケール３１、３２、３３、３４が取り付けられ、基板テーブル１１上の対応する部分１１ａ〜１１ｄに取り付けられたエンコーダ本体２１、２２、２３、２４により、基板テーブル１１の基準フレーム１３に対する変位が測定される。この場合、例えば、基準回折格子を用いて放射ビームを＋１次回折光および−１次回折光に分割した後、±１次回折光をスケールに入射させて、回折した光を重ね合わせて干渉させる。＋１次回折光と−１次回折光との間の位相差の変化から、基準回折格子に対するスケールの変位を測定することができる。尚、４つのスケール３１〜３４に形成された格子パターンの向きを、少なくとも異なる２方向になるように配置することで、エンコーダ２１〜２４により異なる２方向への変位を測定できるので、基板テーブル１１のＸＹ平面上の変位を測定することが可能となる。
【０００４】
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、スケールを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の位相ずれが生じる。この結果、格子１ピッチのスケール移動につき、２周期の位相変化が発生する。
【０００５】
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できるかが、高精度な測定を行う上で重要となる。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。この結果、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できる。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。
【０００６】
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が一般的に知られている（特許文献２）。特許文献２に記載のレーザ描画装置では、ガルバノスキャナとｆθレンズを介して加工面にレーザビームを集光し、スケールサイズに応じてガルバノスキャナを動作させることにより、レーザビームを走査して、パターンを描画する。そして、その原理上、ｆθレンズで集光された加工面におけるビーム径が最小パターンの幅、すなわち加工されるパターンの解像度に相当するため、高い加工精度を実現することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３１８１１９
【特許文献２】特登録０３４３５６０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、レーザ描画方式でのスケールの製造においては、描画装置の光学系（主にｆθレンズ特性）に起因したパターンずれが発生し、スケールの格子線に曲がりが生じる。すなわち、レーザビームが走査方向に対して非直線性成分をもつ。大判スケールの製造においては、走査長さの分だけステップして次の操作を繰り返しながら描画を行うため、格子方向に周期的な製造誤差を有する格子パターンが形成される。
【０００９】
ここで、格子方向に周期的な曲がりを有するパターンが形成された大判スケールを用いて変位測定を行う場合について考える。上述のように、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変位量を測定する。しかし、駆動ステージの特性または取り付け誤差の影響により、スケールの周期方向と駆動ステージの移動方向にずれが生じる場合がある。このとき、スケールの移動に伴って受光素子で受光される領域が格子方向にも変化するため、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差に起因して干渉信号の位相が変化し、計測誤差が発生する。また、特許文献１に記載のエンコーダのように、基板テーブルのＸＹ平面上の変位を測定する場合、１つの方向における基板テーブルの変位を測定すると同時に、もう一方の方向における変位測定を行い、基板テーブルの移動方向を制御する。このとき、格子パターンの周期的な製造誤差に起因して計測誤差が発生すると、基板テーブルの移動方向に関して誤った情報が取得され、それに基づいて駆動ステージが動作するため、正確に基板テーブルの変位測定を行うことが困難になる。
【００１０】
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】
【００１１】
その目的を達成するために、本発明の一側面としての変位測定装置は、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、前記スケールの前記格子パターンで回折された光を受光する受光素子と、を備え、前記格子パターンの形状は、該格子パターンの格子方向に一定の周期で変化しており、前記受光素子は、前記格子パターン上の、前記格子方向に前記周期の自然数倍の長さを有する領域で回折された光を受光することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一側面としての変位測定装置によれば、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。なお、本発明のその他の目的および側面については、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】
【００１３】
【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】本発明の実施形態１におけるスケールとスケール上の受光領域の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１におけるスケール上の格子パターンと受光領域の関係を示す図である。
【図４】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５】本発明の実施形態３としてのスケール製造方法のシーケンスを示す図である。
【図６】本発明の実施形態４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としての露光装置の計測と露光のシーケンスを示す図である。
【図８】従来の変位測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。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。また、以下の実施形態では、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するが、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れば本発明を適用できる。
【００１５】
〔実施形態１〕
図１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。変位測定装置２００は、格子パターンの形成されたスケール７のＸ方向の変位量を測定する装置であり、以下のように構成される。すなわち、レーザ光源１と、コリメータレンズ２と、基準回折格子３と、λ／４板４と、ミラー５と、格子パターン６が形成されたスケール７と、ビームスプリッタ（ＢＳ）８と、偏光板９と、受光素子１０による構成となる。なお、ミラー５は、図１に示した５ａ、５ｂ、５ｃを意味するものである。また、λ／４板４、偏光板９、受光素子１０についても、それぞれ４ａと４ｂ、９ａと９ｂ、１０ａと１０ｂを意味するものとする。
【００１６】
以下、各構成要素の機能ならびに好ましい実施形態について説明する。レーザ光源１は、スケール７に光を照射する。具体的には、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た後、基準回折格子３に垂直に入射させて、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−に分岐させる。０次回折光やその他の次数の回折光は、不要光なので遮断するようにしても良い。また、変位測定装置２００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、光源からの光を光ファイバーを用いて導光する構成とすることもできる。ここで、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−の回折角θ１は、回折次数をｍ、レーザ光源１の波長をλ、基準回折格子３の格子ピッチをｄとすると、以下の式で表される。
ｄ・ｓｉｎθ１＝ｍλ  ・・・（式２）
次に、λ／４板４ａ、４ｂを介した後、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−をミラー５ａ、５ｂでそれぞれ反射させて、格子パターンが形成されたスケールに入射角θ２で入射させる。スケール７には、Ｙ方向に沿って１次元の格子パターン６が形成され、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−がＸ方向に回折される。スケール７においては、それぞれ格子方向はＹ方向、周期方向はＸ方向に相当する。このため、図１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。
【００１７】
ここで、λ／４板４ａ，４ｂ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４ａ，４ｂ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４ａ，４ｂが配置される。また、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−をスケール面と垂直方向に回折させるため、スケールへの入射角θ２は、スケールの格子ピッチをＰとした場合、以下の式で表される。
Ｐ・ｓｉｎθ２＝ｍλ  ・・・（式３）
つまり、±１次回折光を（式３）を満たす入射角θ２でスケールに入射させることにより、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−をスケール面に垂直な方向に回折させて、重ね合わせて干渉させる。その後、ミラー５ｃで反射された干渉光束は、ビームスプリッタ８で２光束に分割されて、偏光板９ａ、９ｂを介して受光素子１０ａ、１０ｂでそれぞれ受光される。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が用いられ、光電変換されて信号強度の情報を得る。
【００１８】
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、２相の信号強度に基づいて、スケールの変位量を、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、スケールとセンサヘッドの相対変位量を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相信号の振幅をＡで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。さらに、ビームスプリッタと偏光板の別の構成として、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用する構成としても良い。
【００１９】
図１の変位測定装置において、±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、スケールに形成された格子パターンの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の変位量を求めることができる。
【００２０】
本実施形態においては、スケール上の格子パターンが格子方向に周期的な製造誤差をもつ場合に、格子パターン上の格子方向に製造誤差の周期の自然数倍の長さを有する領域で回折した光を受光素子で受光する。以下では、スケール上の格子パターンの製造誤差と受光領域との関係について説明する。
【００２１】
図２は、レーザ描画方式で製造した格子パターン６が形成されたスケール７と、受光素子１０で受光される受光領域１００の関係を示す図である。スケール７には、描画装置の光学系に起因した、格子方向に１周期の長さがＬ１の周期的な製造誤差を有するパターンが、格子間隔Ｐで形成されている。また、受光素子１０により、スケール７上で格子方向にＬ２の長さを有する領域で回折した光が受光される。本実施形態においては、受光領域１００の格子方向の長さＬ２と、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１が、以下の関係を満たすように変位測定装置２００が構成される。
Ｌ２＝Ｌ１×Ｎ  （Ｎ：自然数）  ・・・（式５）
続いて、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差が計測結果に与える影響について説明する。図３は、図２における格子方向に周期的な曲がりをもつ格子パターン６と受光領域１００との関係を簡略化した図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は受光領域１００の位置が格子方向へとシフトする様子を表す。ここで、受光領域１００の格子方向の長さＬ２と、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１が（式５）に示す関係を満たす場合を考える。このとき、受光領域１００の位置が格子方向に変化しても、受光領域１００内には格子方向に製造誤差の自然数倍の長さの格子パターン６が存在する。すなわち、受光領域１００では、格子パターン６の周期方向へのパターン変化の平均値は一定である。従って、受光素子１０で受光される干渉信号の位相が受光領域１００の位置によって変化しないため、格子パターン６の格子方向への周期的な製造誤差による影響を受けない。一方で、受光領域１００の格子方向の長さＬ２と、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１が（式５）に示す関係を満足しない場合には、受光領域１００におけるパターン変化の平均値は、受光領域１００の格子方向の位置に応じて変化する。このため、受光素子１０で受光される干渉信号の位相が変化して、計測誤差が発生する。
【００２２】
以上より、受光領域１００の格子方向の長さＬ２と、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１が（式５）に示す関係を満たすように変位測定装置２００を構成することで、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差に起因した計測誤差を低減することができる。
【００２３】
次に、受光領域１００の格子方向の長さＬ２と、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１が（式５）に示す関係を満たすように変位測定装置２００を構成する具体的な方法について説明する。本実施形態においては、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１を予め求める必要がある。製造誤差の周期の求める方法として、以下に示す３つ方法が挙げられる。第１の方法として、スケールに形成された格子パターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で計測する方法が考えられる。スケールの表面形状を計測することで、格子パターンの製造誤差の周期Ｌ１を求めることができる。第２の方法としては、受光領域が狭いテスト用のエンコーダヘッドを用いてスケール上の格子パターンの製造誤差の周期を計測する方法がある。さらに、第３の方法として、周期的な製造誤差の発生要因である描画装置のレーザビームの走査長さをＬ１とする方法が考えられる。
【００２４】
続いて、受光領域１００の格子方向の長さＬ２が、予め求めた格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１の自然数倍となるように、受光領域の大きさを設定する。受光領域の大きさの設定に際しては、受光面の大きさが（式５）に示す関係を満たすような受光素子を使用することが望ましい。また、受光面の不要部分を遮光膜で覆う構成としても良い。さらに、受光面上の選択した領域で受光した光を検出可能な受光素子（例えば、複数のラインセンサまたはエリアセンサ）を配置して、受光領域の大きさを設定しても良い。
【００２５】
本実施形態によれば、スケールが格子方向に周期的な製造誤差をもつ場合に、受光素子がスケールの格子方向に製造誤差周期の自然数倍の長さを有する領域で回折した光を受光する。これにより、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差に起因した干渉信号の位相の変化による計測誤差を低減することができる。また、これに伴ってスケールの相対的な変位量を高い精度で測定することができる。このため、本実施例は、スケール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。
【００２６】
なお、周期的な製造誤差に起因した干渉信号の位相の変化による計測誤差を低減する方法として、検出器における受光領域を大きくすることによる平均化効果を用いる方法も考えられる。検出器における受光領域を大きくしてデータ点数を増やすことで、平均化により計測誤差を低減させることが可能となる。しかし、受光領域を拡大するためには、大きなサイズの受光素子を使用する必要があるため、装置の大型化または高価格化を引き起こすという問題点がある。又、一般的に大きなサイズの受光素子ほど応答速度が遅く、スループットを上げることが難しいという問題が生じる。しかし、本実施形態の変位測定装置を用いれば、それらの問題を解決することもできる。
【００２７】
なお、本実施形態では、非計測方向への周期的な製造誤差について述べたが、計測方向に周期的な計測誤差が存在する場合には、計測方向に対しても誤差周期の自然数倍の長さの領域で回折した光を受光することで計測誤差を低減することができる。
【００２８】
〔実施形態２〕
続いて、本発明の第２の実施形態として、別の構成例である変位測定装置に適用した実施形態について説明を行う。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。
【００２９】
図４は、本実施形態の変位測定装置２００の構成を示す概略図である。変位測定装置２００は、格子パターンの形成されたスケール７のＸ方向の変位量を測定する装置であり、以下のように構成される。すなわち、レーザ光源１と、コリメータレンズ２と、基準回折格子３と、λ／４板４と、ミラー５と、格子パターン６が形成されたスケール７と、レンズ１２と、光束サイズ調整手段５０と、ＢＳ８と、偏光板９ａ、９ｂと、受光素子１０ａ、１０ｂによる構成となる。なお、ミラー５は５ａ、５ｂ、５ｃを、レンズ１２はレンズ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを意味するものである。また、λ／４板４、偏光板９、受光素子１０についても、それぞれ４ａと４ｂ、９ａと９ｂ、１０ａと１０ｂを意味するものとする。以下の本実施形態では、光束サイズ調整手段５０として、例えば、視野絞りを用いる場合について述べる。
【００３０】
以下、各構成要素の機能ならびに好ましい実施形態について説明を行う。図４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た後、基準回折格子３に垂直に入射させて、回折角θ１の＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−に分岐させる。そして、λ／４板４ａ、４ｂを介した後、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−をミラー５ａ、５ｂでそれぞれ反射させて、格子パターンが形成されたスケール７に入射角θ２で入射させる。スケール７には、Ｙ方向に沿って１次元の格子パターン６が形成され、＋１次回折光Ｒ＋と−１次回折光Ｒ−がＸ方向に回折される。スケール７においては、格子方向はＹ方向、周期方向（ピッチ方向）はＸ方向に相当し、描画装置の光学系に起因した格子方向に長さＬ１の周期的な曲がりを有するパターンが、格子間隔Ｐで形成されている（図２）。ここで、変位測定装置２００のレーザ光源１、回折角θ１、λ／４板５の配置、入射角θ２については、実施形態１に記載の内容がそのまま適用できるので、ここでは説明を省略する。
【００３１】
ミラー５ｃで反射された干渉光束は、レンズ１２ａで集光され、透過スリット板５０とレンズ１２ｂと１２ｃから構成される結像光学系１３を介した後、ビームスプリッタ８で２光束に分割されて、偏光板９ａ、９ｂを介して受光素子１０ａ、１０ｂで受光される。
【００３２】
本実施形態においては、スケール７と受光素子１０との間の光路中であって、スケール７の格子パターン面と光学的に共役な位置に視野絞り５０を配置して、受光素子１０ａ、１０ｂで受光される干渉光の測定範囲を規定する。このとき、スケール７上の格子パターン６は、視野絞り５０上に結像する。すなわち、視野絞り５０が受光素子１０で受光される領域の大きさを規定することができる。以下では、受光領域を規定する視野絞り５０について説明する。なお、受光素子１０ａ，１０ｂは、視野絞り５０を介した光を全て受光できる面積を持つものとする。
【００３３】
本実施形態においては、始めに、例えば走査電子顕微鏡を用いて、スケール７上の格子パターン６の格子方向への製造誤差の周期Ｌ１を求める。その後、受光領域の格子方向の長さＬ２が、予め求めた製造誤差の周期Ｌ１の自然数倍となるように視野絞り５０の大きさを設定する。ここで、スケール７上の照明領域が、受光素子１０の受光面上で半分の大きさで受光される場合、すなわち、レンズ１２による結像倍率が１／２倍の縮小光学系の場合について考える。視野絞り５０において、スケール７の格子方向に相当するＹ方向の長さをＬ３とすると、Ｌ３は以下の（式６）を満たすように設定される。
Ｌ３＝Ｌ１／２×Ｎ  （Ｎ：自然数）  ・・・（式６）
（式６）の関係が成り立つ場合には、スケール７上の格子方向に製造誤差の周期の自然数倍の長さを有する領域で回折した光が、受光素子１０で受光される。このため、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差に起因した干渉信号の位相変化による計測誤差を低減することができる。なお、視野絞り５０におけるＹ方向の長さＬ３と製造誤差の周期Ｌ１の関係は、光学倍率によって変化する。このため、視野絞り５０のＹ方向の長さＬ３は、変位測定装置２００の光学倍率をｎとすると、以下の式を満たすように設定される。
Ｌ３＝Ｌ１×ｎ×Ｎ  （Ｎ：自然数）  ・・・（式７）
本実施形態においては、受光領域の格子方向の長さＬ２が、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１の自然数倍となるように、視野絞り５０を配置する。これにより、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差に起因した干渉信号の位相変化による計測誤差を低減することができる。また、これに伴ってスケールの相対的な変位量を高い精度で測定することができる。このため、本実施例は、スケール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。
【００３４】
尚、ここまで、光束サイズ調整手段５０として視野絞りを使用した場合について説明したが、光束サイズ調整手段５０の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、透過スリット板または可変絞りを用いても良い。また、図４では光束サイズ調整手段５０を受光側に配置した場合について示したが、光束サイズ調整手段５０の位置はこれに限定されるものではなく、例えば、コリメータレンズ２と基準回折格子３の間に配置しても良い。
【００３５】
〔実施形態３〕
続いて、本発明の第３の実施形態としてスケール製造方法について説明する。これまで第１及び第２の実施形態では変位測定装置について述べたが、本実施形態ではスケール基板に格子パターンを作製する方法について述べる。なお、本実施形態において、スケール基板とは、描画装置を用いて格子パターンを描画する前のスケールを意味するものとする。
【００３６】
前述のように、微細スケールの製造に際しては、レーザビームを、ガルバノスキャナとｆθレンズを介して加工面に集光し、スケールサイズに応じてガルバノスキャナでレーザビームを走査して、パターンを描画する。大判スケールの場合には、格子方向に段階的にスケール基板上の描画位置を移動させるため、描画装置の光学系（主にｆθレンズ特性）に起因した格子パターンのずれが、格子方向に周期的な製造誤差として発生する。ここで、描画装置の格子方向への段階的な移動距離をＬ０（不図示）とすると、Ｌ０は格子方向の製造誤差の１周期の長さＬ１に等しい。描画装置の格子方向への移動距離Ｌ０は、描画装置の設定条件により可変であるから、格子パターンの格子方向への製造誤差の周期Ｌ１も描画装置の設定条件に応じて変化する。
【００３７】
図２に、レーザ描画方式で製造した格子パターン６が形成されたスケール７と、変位測定装置２００の受光素子１０で受光される受光領域１００の関係を示す。スケール７には、描画装置の光学系に起因した、格子方向に１周期の長さがＬ１の周期的な製造誤差を有するパターンが、格子間隔Ｐで形成されている。また、受光素子１０により、スケール７上で格子方向にＬ２の長さの受光領域１００で回折した光が受光される。本実施形態においては、受光領域１００の格子方向の長さＬ２と、格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１が、（式５）の関係を満たす。
Ｌ２＝Ｌ１×Ｎ  （Ｎ：自然数）  ・・・（式５）
ここで、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差が計測結果に与える影響については、実施形態１に記載した通りである。従って、スケール７の格子方向に製造誤差の周期の自然数倍の長さを有する領域で回折した光を受光素子で受光することにより、周期的な製造誤差に起因した計測誤差を低減することができる。
【００３８】
以下では、本実施形態におけるスケールの製造方法について説明する。図５は、本実施形態のスケール製造方法におけるシーケンスを示すフローチャートである。
【００３９】
まずステップＳ０１で、スケール７上で回折した光が受光素子で受光される領域の大きさを求める。この受光領域の大きさを求める方法としては、設計値に基づいて求める方法と実測値に基づいて求める方法の２つがある。まず始めに、設計値に基づいて受光領域を求める第１の方法について説明する。ここで、実施形態１に記載の変位測定装置２００の場合には、受光素子１０の受光面の大きさとレンズ１２の光学倍率から、受光素子１０で受光される領域の大きさを計算することができる。また、実施形態２に記載の変位測定装置２００の場合には、光束サイズ調整手段５０の透過領域の大きさとレンズ１２の光学倍率から、受光素子１０で受光される領域の大きさを計算することができる。
【００４０】
続いて、実測値に基づいて受光領域を求める第２の方法としては、スケール７上の表面近傍に可変絞りを配置して、スケール７上で回折した光の光束サイズを調整する方法が挙げられる。ここで、可変絞りの透過領域が受光素子１０で受光される領域よりも小さい場合には、可変絞りの透過領域を大きくするに従って受光素子で受光される干渉光の光強度が大きくなる。そして、可変絞りの透過領域が受光素子１０で受光される領域よりも大きい場合には、受光素子１０で受光される領域は変わらないため、干渉光の光強度が一定になるという特徴がある。従って、可変絞りの透過領域を大きくした際に受光される干渉光の強度変化から、スケール７上で回折した光が受光素子１０で受光される領域の大きさを求めることができる。
【００４１】
次に、ステップＳ０２で、求めた受光領域１００の格子方向の長さＬ２から、（式５）の関係を満たすような格子パターン６の製造誤差の周期Ｌ１を計算する。そして、ステップＳ０３において、描画装置のレーザビームの走査方向が格子方向になるように、かつ、走査距離がＬ１になるように、描画装置の条件を決定する。その条件になるように描画装置を設定することで、描画装置は、レーザビームをスケール基板に対して走査距離Ｌ１だけ走査して、スケール基板に格子パターンを描画する。さらに、描画装置は、スケール基板上の描画開始位置を走査方向に走査距離Ｌ１だけ移動し、レーザビームをスケール基板に対して走査距離Ｌ１だけ再度走査して、格子パターンの格子方向への長さを延ばす工程を繰り返す。ここで、レーザビームの格子方向への走査距離は、スケール７の格子方向の製造誤差の周期に等しいため、スケール７には製造誤差の周期が長さＬ１の格子パターン６が形成される。
【００４２】
本実施形態においては、変位測定装置２００のスケール７上で回折した光が受光素子で受光される領域の大きさを予め求めた後、受光領域１００のスケール７上での格子方向の長さＬ２に基づいて、描画装置によりスケール７に格子パターン６を形成する。これにより、格子パターンの格子方向への周期的な製造誤差に起因した干渉信号の位相変化による計測誤差を低減することができる。また、これに伴ってスケールの相対的な変位量を高い精度で測定することができる。このため、本実施例は、スケール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。
【００４３】
〔実施形態４〕
図６（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の変位測定装置２００を具備した半導体露光装置のブロック図を示す図である。図６（Ａ）に示すように、照明装置８００と、レチクル１４を載置するレチクルステージＲＳと、結像光学系１５と、ウエハ３を載置するウエハステージＷＳと、ウエハステージＷＳ上に搭載された変位測定装置２００が配置される。変位測定装置２００は、第１、第２、及び第３の実施形態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、変位測定装置２００は、微動ステージ上に搭載される。
【００４４】
ステージ制御部１０００は、基板ステージとしてのウエハステージＷＳ、演算処理部８１、変位測定装置２００と電気的に接続され、変位測定装置２００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、照明装置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。なお、ステージ制御部１０００と中央制御部１１００はともに、ＣＰＵおよびメモリを有し、得られた測定結果について補正演算を行うことができる。
【００４５】
照明装置８００は、回路パターンが形成されたレチクル１４を照明し、光源部８００と、照明光学系８０１とを有する。原版としてのレチクル１４は、回路パターンが形成され、レチクルステージＲＳに支持及び駆動されている。レチクルステージＲＳは、図示しないレチクルチャックを介してレチクル１４を保持し、図示しない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レチクルステージＲＳを駆動することでレチクル１４を移動させることができる。基板としてのウエハ３上には、フォトレジストが塗布されている。
【００４６】
続いて、ウエハ３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３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２００が搭載される。変位測定装置２００は、測定基準となるスケール７に対するウエハステージＷＳの相対位置関係を測定することで、ウエハステージＷＳの位置測定を行う。
【００４７】
図６（Ｂ）に、測定基準であるスケール７とウエハステージＷＳとの位置関係を示す。スケール７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つのスケールの格子方向がＸ軸またはＹ軸に対して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つの変位測定装置２００で各方向における変位を測定する。例えば、スケール７ａに対して変位測定装置２００ａ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７ｂに対して変位測定装置２００ｂ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７ｃに対して変位測定装置２００ｃを、スケール７ｄに対して変位測定装置２００ｄ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は少なくとも１つの基準マーク６０を備えており、ウエハ３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の位置を検出し、検出結果に基づいてウエハステージＷＳを変位測定装置２００の計測値を元に制御しながら駆動させて、ウエハ３を所望の位置に移動させる。
【００４８】
次に、本実施形態の露光装置を用いた露光方法について詳細に説明する。図７は本実施形態の露光装置を使用する場合の露光方法の全体のシーケンスを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１でウエハ３を装置に搬入し、ステップＳ１０１で、このウエハに対してウエハアライメントを行う。ウエハアライメントは、アライメントスコープ（不図示）により、ウエハ上のマークの位置を検出して、露光装置に対して、ウエハのＸＹ平面の位置合わせを行うものである。位置合わせに際して、ウエハステージＷＳを変位測定装置２００の計測結果を元に制御しながら駆動させて、ウエハ３を所望の位置に移動させる。
【００４９】
その後ステップＳ１０２で、面位置計測装置（不図示）により、ウエハ３上の所定箇所の表面位置を計測し、Ｚ方向および傾き（チルト）方向へのステージ駆動により、ほぼ露光スリット単位でウエハ表面の高さ方向の位置に合わせこむ動作を行う。ステップＳ１０３では、露光およびウエハステージＷＳのＹ方向への走査が行われる。
こうして、第１露光ショットが露光終了するとステップＳ１０５で未露光ショットの有無を判断し、未露光ショットが有り場合には、ステップＳ１０２に戻る。そして第１露光ショットの場合と同様に次の露光ショットの面位置計測結果に基づいて、Ｚ方向および傾き（チルト）方向へのステージ駆動によりほぼ露光スリット単位でウエハ３表面の高さ方向の形状に合わせこむ動作を行いながら露光が行われる。ステップＳ１０４で、露光すべきショット（即ち、未露光ショット）がないかどうかを判断し、未露光ショットがなくなるまで、上述の動作を繰り返す。全ての露光ショットの露光が終了したら、ステップＳ１０５でウエハ３を回収し、終了する。
【００５０】
ウエハステージＷＳは、シングルステージに限らず、露光時に使用する露光ステーションとウエハアライメントおよび面位置計測のための計測ステーションの２つを持つ、所謂、ツインステージの構成としても良い。ツインステージでは、２つのステージが露光ステーション、計測ステーションの間を交互に入れ替わる。この場合、変位測定装置２００は２つのウエハステージＷＳにそれぞれ配置される。また、その測定基準となるスケール７は、露光ステーションと計測ステーションの両方に配置され、変位測定装置２００によりウエハステージＷＳの位置を制御することになる。なお、ここまでは変位測定装置２００をウエハステージに搭載する場合について説明したが、変位測定装置２００の適用はウエハステージに限定されず、レチクルステージに搭載しても良い。レチクルステージに搭載した場合についても、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を移動させることができる。
【００５１】
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。このため、正確にステージの変位を測定できる格子干渉型エンコーダを用いた変位測定は重要な技術と言える。その中で、微細スケールを用いた高精度な格子干渉型エンコーダを実現するためには、スケールの製造誤差の影響を低減させる本実施形態の効果は大きいと言える。ステージの変位を高精度に測定できるようになれば、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り、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。
【００５２】
なお、本実施形態においては、変位測定装置を半導体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したが、本発明の変位測定装置の適用範囲は露光装置（液晶露光装置、ＥＵＶ露光装置、ＥＢ露光装置など）に限定されない。例えば、ナノインプリント装置または顕微鏡などの精密機械におけるステージ装置に広く適用することができる。
【００５３】
〔実施形態５〕
つぎに、本発明の一実施形態のデバイス（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。
【００５４】
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。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。
【００５５】
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】
【００５６】
６  格子パターン
７（７ａ〜７ｄ）  スケール
１  光源
１０（１０ａ、１０ｂ）  受光素子
２００（２００ａ〜２００ｄ）、３００  変位測定装置
【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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