JP5268529B2 - 変位計測装置及び半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の方向における物体（被計測物）の変位を計測するための変位計測装置に関するものある。

従来から機械ステージの相対変位を計測する変位計測装置として、光学式エンコーダやレーザ干渉計が使用されている。

１軸方向の変位を計測する変位計測装置として特許文献１が知られている。特許文献１に記載の変位計測装置は、干渉式のエンコーダである。回折格子を透過した０次回折光と、＋１次回折光とをそれぞれ被計測物に取り付けられたスケール上の回折格子に入射させ、前記０次回折光の＋１次反射回折光と、前記＋１次回折光の−１次反射回折光と干渉させる。変位によって干渉光の強度が異なるため、干渉光の強度を受光手段で検出することにより、被計測物の変位を計測している。

また、特許文献２には、被計測物と共に移動する回折格子が形成する面内の１方向（Ｘ軸方向）への変位とその面に直交する方向（Ｚ軸方向）への変位を計測する変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、光源、干渉計コア、偏光変換デバイス、検出器などから構成される計測システムを複数用いてＸ軸方向の変位、あるいはＺ軸方向の変位を計測する。具体的には、２つの計測システムを並列配置して、回折格子に２つの光束をリトロー角にて照明して反射回折光を取り出し、Ｘ軸とＺ軸の合成されたＺ＋Ｘ情報とＺ−Ｘ情報の２つの変位情報を得て、演算によりＸ軸変位情報とＺ軸変位情報を得るものである。

さらに、特許文献２には、被計測物と共に移動する回折格子が形成する面内の２方向（Ｘ軸及びＹ軸方向）と、その面に直交する方向（Ｚ軸方向）変位を計測する３軸方向の変位計測装置も開示されている。この場合にも計測原理はＸ軸とＺ軸の２軸の場合と同様である。つまり、３つの計測システムを用いて、Ｚ＋Ｘ情報、Ｚ−Ｘ情報、Ｚ＋Ｙの３つの変位情報を得て、演算によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸の変位情報を得るものである。

また、被計測物と共に変位する回折格子が形成する面内の２方向の変位を計測する変位計測装置として、特許文献３が知られている。特許文献３に記載の変位計測装置は、平面内で直交する２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）方向への被計測物の変位を計測する装置である。被計測物と共に変位する千鳥状の回折格子がＸ軸、Ｙ軸を含む面に設けられており、その面に直交する方向から回折格子に光を入射させ、回折格子を透過しＸ軸方向に回折する＋１次回折光と−１次回折光とが入射回折格子に入射させる。そして、入射回折格子で＋１次回折光と−１次回折光とをそれぞれＸＹ面内に設けられた帯状導波体に導入して、結合部で両者を干渉させる。そしてその干渉光を検出器で検出することにより、Ｘ軸方向の変位を計測する。Ｙ軸方向についても同様に、Ｙ軸方向に回折する＋１次回折光と−１次回折光とをそれぞれ帯状導波体に導入して、結合部で両者を干渉させることにより計測する。
特開平６−１８２９１号公報（図４参照） 特開２００７−１７１２０６号公報（図１、図１９参照） 特開平６−２８８７２２号公報（図１参照）

特許文献２に開示の変位計測装置は、回折格子が形成する面内の方向への変位及びその面に垂直な方向への変位を計測するために、光源、偏光ビームスプリッタ、偏光子、光検出器などで構成される計測システムが複数必要になる。そのため、装置がより大型化し、構成もより複雑なものになってしまう。また、複数の計測システムを配置する場合、軸方向の計測する位置が一致しないことで、高精度計測を必要とする場合誤差が生じる場合がある。さらに、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等による数値演算での分離処理が必要なため迅速な信号出力ができない。そのため、ステージの制御には使用できない場合がある。

一方、特許文献３に開示の変位計測装置は、回折格子を透過した複数の回折光を回折格子と平行な面内に設けられた帯状導波体に導入することにより、回折格子が形成する面内の２方向への変位を計測するものである。しかしながら、複数の回折光をそれぞれ導波させて干渉させることを実際の機械ステージの環境にて実現するには、導波中の光の変調による計測誤差などが問題となる。また、被計測物と共に移動する回折格子は透過型の回折格子であり、透過型の回折格子を挟んで光源と入射回折格子とを配置しているため、装置がより大型化し、構成もより複雑なものになってしまう。

そこで本発明は、複数の方向における計測に有利な変位計測装置を提供する。

本発明は、
光源からの光束を透過させ、互いに異なる方向に出射する第１、第２及び第３の回折光を含む複数の回折光を発生させる第１回折格子と、
前記第１回折格子と平行な面に設けられ、前記第１、第２及び第３の回折光を反射する第２回折格子と、
前記第２回折格子で回折した前記第１及び第２の回折光による干渉光を受光する第１受光部と、
前記第３の回折光と、前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光とをそれぞれ反射する反射部と、
前記反射部で反射して前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光と、前記反射部で反射した前記第３の回折光とによる干渉光を受光する第２受光部と、
前記第１受光部で受光した光に基づいて前記第２回折格子が設けられた面内の方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得、かつ前記第２受光部で受光した光に基づいて前記面に垂直な方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得る演算部と、を有することを特徴とする変位計測装置である。

また、本発明は、
光源からの光束を透過させ、互いに異なる方向に出射する第１、第２及び第３の回折光を含む複数の回折光を発生させる第１回折格子と、
前記第１回折格子と平行な面に設けられ、前記第１、第２及び第３の回折光を反射する第２回折格子と、
前記第２回折格子で回折した前記第１及び第２の回折光による干渉光を受光する第１受光部と、
前記第３の回折光と、前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光とをそれぞれ反射する反射部と、
前記反射部で反射して前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光と、前記反射部で反射した前記第３の回折光とによる干渉光を受光する第２受光部と、
前記第１受光部で受光した光に基づいて前記第２回折格子が設けられた面内の方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得、かつ前記第２受光部で受光した光に基づいて前記面に垂直な方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得る演算部と、を有することを特徴とする変位計測装置である。

また、本発明は、
光源からの光束を透過させ、互いに異なる方向に出射する第１、第２及び第３の回折光を含む複数の回折光を発生させる第１回折格子と、
前記第１回折格子と平行な面に設けられ、前記第１、第２及び第３の回折光を反射する第２回折格子と、
前記第２回折格子で回折した前記第１及び第２の回折光による干渉光を受光する第１受光部と、
前記第３の回折光を透過及び反射する分光部と、
前記分光部を透過した前記第３の回折光と前記分光部で反射した前記第３の回折光とによる干渉光を受光する第２受光部と、
前記第１受光部で受光した光に基づいて前記第２回折格子が設けられた面内の方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得、かつ前記第２受光部で受光した光に基づいて前記面に垂直な方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得る演算部と、を有することを特徴とする変位計測装置である。

本発明により、複数の方向における計測に有利な変位計測装置を提供することができる。

本発明の変位計測装置は、第１回折格子と、第２回折格子と、第１受光部と、第２受光部と、演算部とを有している。

第１回折格子は、光源で発生した光束を透過させ、互いに異なる方向に出射する第１、第２及び第３の回折光を含む複数の回折光を発生させる。第１、第２、第３の回折光が回折、反射等をして生じる干渉光を計測することにより複数の方向の変位を計測することができる。つまり、１つの計測システムで複数の複数の方向の変位を計測することができる。

第２回折格子は、第１回折格子と平行な面に設けられていて、被計測物と共に移動可能であり、第１回折格子を透過した第１、第２及び第３の回折光を反射する。

第１受光部は、第２回折格子で回折した第１及び第２の回折光を受光し、第２受光部は、少なくとも第３の回折光を受光する。第１及び第２受光部は、それぞれ被計測物の異なる方向の変位を計測するために設けられているものであり、各受光部で受光した光は１方向の変位を表すため、複数の受光部で受光した光に基づいて１方向の変位を演算して求める必要がない。そのため、リアルタイムでの被計測物の制御が複数の方向で可能となる。

演算部は、第１受光部で受光した光に基づいて被計測物の第１方向の変位を算出し、かつ第２受光部で受光した光に基づいて被計測物の第１方向とは異なる第２方向の変位を算出する。演算部は、各受光部で受光した光は１方向の変位を表すため、第１方向の変位を算出するユニットと、第２方向の変位を算出するユニットが別々に設けられていてもよい。

以下本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施の形態に限られるものではない。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図であり、図２は第１の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図である。

図１または図２において、ＧＢＳ０は第１回折格子、ＧＴ０は第２回折格子、ＰＤｙは第１受光部、ＰＤｚは第２受光部、ＣＵは演算部、ＦＭは反射部に対応する。また、ＬＮＳはレンズ、ＬＳは光源である。Ｘ軸及びＹ軸は、第１及び第２回折格子が配置されている平面内の２軸であり、Ｚ軸はその平面に垂直な軸としている。本実施の形態では、Ｙ軸方向の変位とＺ軸方向の変位を計測するものであり、Ｙ軸方向が第１方向に対応し、Ｚ軸方向が第２方向に対応するものである。

まず、図面に基づいて本発明の変位計測装置を構成する各要素について説明する。

第１回折格子ＧＢＳ０は、Ｘ軸及びＹ軸を含む面内に設けられており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に格子状に微細な周期構造が形成されている。第１回折格子ＧＢＳ０のＺ軸方向にはレンズＬＮＳが設けられており、さらにその外には光源ＬＳが設けられている。そして、格子状の微細な周期構造は、レンズＬＮＳや、光源ＬＳが設けられている側とは反対側の面に設けられている。

第１回折格子ＧＢＳ０は、図３に示すように１つの光束から複数を形成する機能を有する部である。第１回折格子ＧＢＳ０は、図４に示すように平面基板上にミクロンオーダーのサイズの２次元的微細図形または３次元的微細構造体が２次元的に整列したように形状加工されている。これらの微細な図形／微細構造体を有する回折光学素子は、石英ガラスをフォトリソプロセスで選択エッチングする方法やレプリカ等の製法で作成することができる。

第２回折格子ＧＴ０は、第１回折格子ＧＢＳ０のレンズＬＮＳ、ＬＳ光源とは反対側に平行に設けられており、第１回折格子ＧＢＳ０と対向する面に少なくともＹ軸方向に格子状に微細な周期構造が形成されている。第２回折格子ＧＴ０は被計測物と共に移動し、第２回折格子ＧＴ０の変位を計測することによって被計測物の変位を測定することができる。

第２回折格子ＧＴ０は、第１回折格子ＧＢＳ０が透過回折させるのに対して反射回折させる点が異なるが、その他の点では第１回折格子ＧＢＳ０と同様に１つの光束を複数に分配する機能を有しており、図５に示すように複数の光束を形成する。第２回折格子ＧＴ０も、同様にミクロンオーダーのサイズの２次元的微細図形または３次元微細構造体を基板平面上に２次元的に整列したように加工されたものである。具体的には、図４に示すような構造であり、第１回折格子ＧＢＳ０と同様の製法で作成することができる。

なお、図３及び図５に示す回折光束は代表的なもので、一般的にはこれらの光束の外部領域にも生成される。これらの複数光束の光量分配は、微細図形／微細構造体の形状や隙間と構造体の比率、段差、等を適宜設計することにより変化させることができるため、必要な光束を効率よく生成するための最適設計すれば好適である。図４は、微細構造のバリエーション例を示し、透過・不透過の微細形状を配列したもの、微細な２段凹凸を配列したものおよび段差を変えたり隙間の比率を変えたり配列方法を変えたもの、３段の立体構造的微細形状を配列したものを具体的に例示している。

第１受光部ＰＤｙ及び第２受光部ＰＤｚは、本実施の形態では第１回折格子ＧＢＳ０と同一の平面に設けられており、第１回折格子ＧＢＳ０を透過して形成される回折光が、第２回折格子ＧＴ０で反射した光を受光する。第１受光部ＰＤｙはＹ軸方向への被計測物の変位を計測するためのものであり、第２受光部ＰＤｚはＺ軸方向への被計測物の変位を計測するためのものである。

第１及び第２のいずれの受光部も、複数の光束による干渉光の干渉縞の変化を計測できるものであれば種々の構成にすることができるが、本実施の形態では、図６に示すように同じ形状の４枚の櫛葉状の受光素子Ａ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（＋）、Ｂ（−）で構成される受光部である。４枚の櫛歯状の受光素子は、それぞれ１／４ピッチずつずらして配置されている。各櫛歯の幅は櫛歯周期の１／４以下となっており、４枚の櫛歯に光が行き届くようになっている。第１受光部ＰＤｙは、第２回折格子ＧＴ０がＹ軸方向に相対的に移動すると、４枚の受光素子から互いに１／４周期分の位相が異なる正弦波状の周期信号が出力され、この信号によりＹ軸方向の変位の計測が可能になる。また、第２受光部ＰＤｚは、第２回折格子ＧＴ０がＺ軸方向に相対的に移動すると、４枚の受光素子から互いに１／４周期分の位相が異なる正弦波信号が出力され、この信号によりＺ軸方向の変位の計測が可能になる。

なお、本発明の受光部に用いられる櫛歯状の受光素子は、４枚でなくても良く、２枚、３枚など位相が異なる複数の信号を得られる構成であればよい。また、受光部は、櫛歯状の受光素子で構成される受光部の他に、面状の受光素子の上にスリットを配置した構成であってもよい。櫛歯状の受光素子で構成される受光部にした場合、光のロスが少なく計測精度が向上するメリットがあるため、より高精度な計測が求められる露光装置のステージ制御などに好ましく適用することができる。一方面状の受光素子とスリットを組み合わせた構成では、組み立てコストが低減できるメリットがある。

演算部ＣＵは、第１受光部ＰＤｙ及び第２受光部ＰＤｚから出力された信号に基づいて、被計測物の各軸方向の変位を算出する。演算部ＣＵは変位計測装置内のどこに設けられていてもよいが、本実施の形態では、Ｙ軸方向の変位を算出するユニットは、第１受光部ＰＤｙと一体に設けられており、Ｚ軸方向の変位を算出するユニットは、第２受光部ＰＤｚと一体に設けられている。

反射部ＦＭは、第１回折格子ＧＢＳ０と第２回折格子ＧＴ０との間、具体的には両者の中間の位置に設けられており、反射部ＦＭの反射面は、第１回折格子ＧＢＳ０及び第２回折格子ＧＴ０と平行になっている。そして、反射面は第１回折格子ＧＢＳ０側から入射する光と、第２回折格子ＧＴ０側から入射する光とをいずれも反射するように、反射部ＦＭの両面に形成されている。

光源ＬＳは、レンズＬＮＳを介して第１回折格子ＧＢＳ０に光束を入射させるように設けられている。光源ＬＳには、光学条件に応じてＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）等の光源を用いることができる。なお、本実施の形態では、光源ＬＳはＬＤで構成されている。レンズＬＮＳは、光源ＬＳと第１回折格子ＧＢＳ０との間に設けられており、光源ＬＳから放出された光束が平行光束になって第１回折格子ＧＢＳ０に入射するように光学条件が設定されている。

なお、光源ＬＳとレンズＬＮＳは、変位計測装置に内装されていてもよく、また変位計測装置には設けられておらず、変位計測装置の外部に設ける構成であってもよい。本実施の形態では、変位計測装置が光源ＬＳ及びレンズＬＮＳを含む構成である。

次に、上述した要素によって被計測物の変位計測の原理について光束が進行する順に説明する。

まず、Ｙ軸方向の変位計測について説明する。

光源ＬＳから出射した発散光束はレンズＬＮＳにより平行光束に変換され、第１回折格子ＢＳ０に入射する。

第１回折格子ＧＢＳ０に入射した光束は、第１回折格子ＧＢＳ０を透過し、互いに異なる方向に出射する第１の回折光ｌ_１、第２の回折光ｌ_２、第３の回折光ｌ_３を含む複数の回折光となる。本実施の形態では、第１の回折光ｌ_１は第１回折格子ＧＢＳ０を透過してそのまま直進する０次回折光であり、第２の回折光ｌ_２は＋Ｙ方向に回折する１次回折光、第３の回折光ｌ_３は−Ｙ方向に回折する−１次回折光とする。

第１回折格子ＧＢＳ０で発生した第１の回折光ｌ_１は直進し、被計測物と共に移動する相対移動スケールに設けられた第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_１に入射する。第２の回折光ｌ_２は回折偏向され、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_２に入射する。第３の回折光ｌ_３は回折偏向され、反射部ＦＭの第１回折格子ＧＢＳ０側の点Ｐ_３に入射する。

点Ｐ_１に入射した第１の回折光ｌ_１は、第２回折格子ＧＴ０で反射して＋Ｙ方向に回折する＋１次回折光と−Ｙ方向に回折する−１次回折光を発生させるが、＋１次回折光は、第１受光部ＰＤｙに斜めに入射する。また、点Ｐ_２に入射した第２の回折光ｌ_２は、−１次回折され、第１受光部ＰＤｙに垂直に入射する。

これら２つの光束は互いに干渉して干渉光となるため、第１受光部ＰＤｙ上に干渉縞を発生させる。第２回折格子ＧＴ０がＹ軸方向に移動すると干渉縞が移動するため、干渉縞の移動に伴って第１受光部ＰＤｙから正弦波状の信号が出力される。この信号の位相を演算部ＣＵで算出することでＹ軸方向の変位情報を得ることができる。

図６に示すように、生成された干渉縞の周期は、第１受光部ＰＤｙの櫛歯周期と一致するように第１回折格子ＧＢＳ０及び第２回折格子ＧＴ０に設けられた周期構造の周期や高さなどが設定されている。例えば、第１回折格子ＧＢＳ０のＹ軸方向の周期長Ｐｙと、第２回折格子ＧＴ０のＹ軸方向の周期長が等しければ、生成される干渉縞の周期長も同じになる。そのため、本実施の形態では、第１回折格子ＧＢＳ０上の周期構造のＹ軸方向の周期、第２回折格子ＧＴ０上の周期構造のＹ軸方向の周期、及び第１受光部ＰＤｙの櫛歯周期がすべて同じ長さに設定されている。

第２回折格子ＧＴ０が、Ｙ軸方向にΔｙ移動する場合、干渉縞がΔｄ移動するとすると、式１の関係になる。
Δｄ＝２ Δｙ （式１）

またその場合、第１受光部ＰＤｙより１周期の正弦波信号が生成されるＹ軸方向の変位量Δｙ_０は、式２の関係になる。ここでＰ_ｙは第２回折格子ＧＴ０上の周期構造のＹ軸方向の周期である。
Δｙ_０＝Ｐｙ／２ （式２）

次に、Ｚ軸方向の変位計測について説明する。

反射部ＦＭの第１回折格子ＧＢＳ１側の点Ｐ_３に入射した第３の回折光ｌ_３は、反射部ＦＭで反射され、第２受光部ＰＤｚに斜めに入射する。一方、点Ｐ_１に入射した第１の回折光ｌ_１は、第２回折格子ＧＴ０で反射して＋Ｙ方向に回折する＋１次回折光と−Ｙ方向に回折する−１次回折光を発生させるが、―１次回折光は、反射部ＦＭの第２回折格子ＧＴ０側の点Ｐ_４に入射し反射される。点Ｐ_４で反射した第１の回折光ｌ_１は、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_５に入射し、ここで生成された＋１次回折光は、−Ｚ方向に出射し、第２受光部ＰＤｚに垂直に入射する。

これら２つの光束は互いに干渉して干渉光となるため、第２受光部ＰＤｚ上に干渉縞を発生させる。第２回折格子ＧＴ０がＺ軸方向に移動すると干渉縞が移動するため、干渉縞の移動に伴って第２受光部ＰＤｚから正弦波状の信号が出力される。この信号の位相を演算部ＣＵで算出することでＺ軸方向の変位情報を得ることができる。

生成された干渉縞の周期は、第２受光部ＰＤｚの櫛歯周期と一致するように第１回折格子ＧＢＳ０及び第２回折格子ＧＴ０に設けられた周期構造の周期や高さなどが設定されている。本実施の形態では、Ｚ軸方向の変位の計測にＹ軸方向の回折光を使用しているため、第１及び第２回折格子上の周期構造のＹ軸方向の周期、と第２受光部ＰＤｚの櫛歯周期がすべて同じ長さに設定されている。

第２回折格子ＧＴ０が、Ｚ軸方向にΔｚ移動する場合、干渉縞がΔｄ移動するとすると、式３の関係になる。ここでλは光源の波長、Ｐｙは第２回折格子ＧＴ０の周期構造のＹ軸方向の周期である。

またその場合、１周期の正弦波信号が生成されるＺ軸方向の変位量Δｚ_０は、式４の関係になる。

以上のように第２回折格子ＧＴ０のＹ軸方向への変位とＺ軸方向への変位に関する周期信号が同時に出力されることになる。

なお、本実施の形態では、Ｚ軸方向の変位計測に、第１回折格子ＧＢＳ０からのＹ軸方向の回折光を使用したが、他の方向の回折光を使用できる。例えば、図１４に示すようにＸ軸方向の回折光を使用してもよいし、Ｘ＋Ｙ方向の回折光、Ｘ−Ｙ方向の回折光を使用しても良い。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図である。

本実施の形態は、第１の実施の形態の変形例であり、Ｙ軸方向の変位とＺ軸方向の変位を計測するものであり、Ｙ軸方向が上記第１方向に対応し、Ｚ軸方向が上記第２方向に対応するものである。そして、本実施の形態は、反射部ＦＭを第１回折格子ＧＢＳ０や第１受光部ＰＤｙ、第２受光部ＰＤｚと同じ平面内に配置した構成である。反射部ＦＭの反射面は、第２回折格子ＧＴ０側から入射する光を反射するように、反射部の第２回折格子ＧＴ０側に形成されている。そして、Ｚ軸方向の測定光学系が１の実施の形態と異なっている。その他、第１回折格子ＧＢＳ０、第２回折格子ＧＴ０、第１受光素子ＰＤｙ、第２受光素子ＰＤｚの配置は第１の実施の形態と同様であり、また、Ｙ軸方向の測定光学系は第１の実施の形態と同様である。

以下、Ｚ軸方向の変位測定について説明する。

第１回折格子ＧＢＳ０にて−Ｙ方向に回折された第３の回折光ｌ_３は、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_３において正反射（０次反射回折）され、第２受光部ＰＤｚに斜めに入射する。一方、点Ｐ_１に入射した第１の回折光ｌ_１は、第２回折格子ＧＴ０で反射して＋Ｙ方向に回折する＋１次回折光と−Ｙ方向に回折する−１次回折光を発生させるが、―１次回折光は、反射部ＦＭの第２回折格子ＧＴ０側の点Ｐ_４に入射し反射される。点Ｐ_４で反射した第１の回折光ｌ_１は、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_５に入射し、ここで生成された＋１次回折光は、−Ｚ方向に出射し、第２受光部ＰＤｚに垂直に入射する。

これら２つの光束は互いに干渉して干渉光となるため、第２受光部ＰＤｚ上に干渉縞を発生させる。第２回折格子ＧＴ０がＺ軸方向に移動すると干渉縞が移動するため、干渉縞の移動に伴って第２受光部ＰＤｚから正弦波状の信号が出力される。この信号の位相を演算部ＣＵで算出することでＺ軸方向の変位情報を得ることができる。

本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に第１及び第２回折格子上の周期構造のＹ軸方向の周期、と第２受光部ＰＤｚの櫛歯周期がすべて同じ長さに設定されている。第２回折格子ＧＴ０がＺ軸方向にΔｚ移動する場合、２光束の差分はＺ軸方向に上下に進む光路分なので、干渉縞がΔｄ移動するとすると、式５の関係になる。ここでλは光源の波長、Ｐｙは第２回折格子ＧＴ０上の周期構造のＹ軸方向の周期である。

またその場合、１周期の正弦波信号が生成されるＺ軸方向の変位量Δｚ_０は、式６の関係になる。

本実施の形態では、反射部ＨＭ及び反射部ＨＭを支持する支持部材などを第１回折格子ＧＢＳ０と第２回折格子ＧＴ０との間の空間に挿入する必要がないため、構成部品点数が少なく、より簡単な構成であり、しかも組み立て容易である。

なお、本実施の形態では、Ｚ軸方向の変位計測に、第１回折格子ＧＢＳ０からのＹ軸方向の回折光を使用したが、他の方向の回折光を使用できる。例えば、図１４に示すようにＸ軸方向の回折光を使用してもよいし、Ｘ＋Ｙ方向の回折光、Ｘ−Ｙ方向の回折光を使用しても良い。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図である。

本実施の形態では、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に加えてＸ軸方向の変位測定も行う構成である。Ｙ軸方向が第１方向、Ｚ軸方向が第２方向、Ｘ軸方向が第３方向にそれぞれ対応するものである。

第１回折格子ＧＢＳ０を透過して生成された複数の回折光には、第１乃至第３の回折光とは異なり＋Ｘ方向に１次回折する第４の回折光ｌ_４も含まれている。第１回折格子ＧＢＳ０を透過してそのまま直進する第１の回折光ｌ_１と第４の回折光ｌ_４による干渉光を第３受光部ＰＤｘで受光することによりＸ方向の変位を計測することができる。

第４の回折光ｌ_４は、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_６に入射し、＋Ｘ方向に−１次回折した光束は、第３受光部ＰＤｘに垂直に入射する。一方、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_０に入射し、＋Ｘ方向に＋１次回折した光束は、第３受光部ＰＤｘに斜めに入射する。これら２つの光束は互いに干渉するため、第３受光部ＰＤｘ上に干渉縞を発生させる。

第３受光部ＰＤｘは生成された干渉縞と同じ周期を有するように設定されるため、第３受光部ＰＤｘの４つの櫛歯状受光素子からは、互いに位相が９０度ずつずれた正弦波状の周期信号が出力される。よって演算部ＣＵにおいてこの周期信号の波数を計数したり正弦波位相を求めることで、Ｘ軸方向の変位情報を得ることができる。

なお、本実施の形態における第２回折格子ＧＴ０は、第１回折格子ＧＢＳ０と対向する面にＹ軸方向だけでなくＸ軸方向にも格子状に微細な周期構造が形成されている必要がある。Ｘ軸方向の変位計測のためには、第２回折格子ＧＴ０においてＸ軸方向に反射回折させる必要があるためである。

また、本実施の形態では、Ｚ軸方向の変位計測に、第１回折格子ＧＢＳ０からのＹ軸方向の回折光を使用したが、他の方向の回折光を使用できる。例えば、図１４に示すようにＸ軸方向の回折光を使用してもよいし、Ｘ＋Ｙ方向の回折光、Ｘ−Ｙ方向の回折光を使用しても良い。また、更に計測する軸数を容易に増やすことも可能で、１つの光学系で４軸以上の同時検出も可能である。例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の他にＸ＋Ｙ方向、Ｘ−Ｙ方向なども計測することが可能である。

（第４の実施の形態）
図９は本発明の第４の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図であり、図１０は第４の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図である。

図９、図１０において、ＨＭは分光部、ＧＢＳ１は第１偏向部、Ｇ２は第２偏向部、Ｇ３は第３偏向部、ＳＴＰは遮光部を示し、その他の符号は第１乃至第３の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に加えてＸ軸方向の変位測定も行う構成である。Ｙ軸方向が第１方向、Ｚ軸方向が第２方向、Ｘ軸方向が第３方向にそれぞれ対応するものである。

本実施の形態では、第１乃至第３の実施の形態で用いていた反射部を用いずに、第３の回折光ｌ_３を透過及び反射して２つの光束に分離する分光部ＨＭ、及び第１の回折光ｌ_１が第１回折格子ＧＴＳ０で−Ｙ方向に−１次回折する光を遮光する遮光部ＳＴＰを用いている。分光部ＨＭとして本実施の形態では、ハーフミラーを用いている。そして、分光部ＨＭを透過した第３の回折光ｌ_３と、分光部ＨＭで反射した第３の回折光ｌ_３による干渉光を第２受光部ＰＤｚで受光することによりＺ軸方向の変位を計測する。Ｙ軸方向の変位計測については、第１乃至第３の実施の形態と同様であり、Ｘ軸方向の変位計測については、第３の実施の形態と同様である。

また、本実施の形態では、分光部ＨＭを透過してから第２受光部ＰＤｙに入射するまでの第３の回折光ｌ_３の光路長と、分光部ＨＭで反射してから第２受光部ＰＤｙに入射するまでの第３の回折光ｌ_３の光路長とが等しくなるように構成されている。つまり、分光部ＨＭ、第１偏向部ＧＢＳ１、第３偏向部Ｇ３は同一の面に設けられており、かつその面は、第１回折格子ＧＴＳ０と、第２回折格子ＧＴ０の中間の位置に配置されている。第１偏向部ＧＢＳ１がＺ方向に移動する場合には、分光部ＨＭ、第１偏向部ＧＢＳ１、第３偏向部Ｇ３も中間の位置を保つように移動する。このように、計測面（第２回折格子ＧＴ０）を経由する計測光の光路と、参照面（Ｇ２）を経由する参照光との光路差が等しくなるマイケルソン干渉計の計測原理を応用したものである。

以下、Ｚ軸方向の変位測定について説明する。

第１回折格子ＧＢＳ０にて−Ｙ方向に回折された第３の回折光ｌ_３は、分光部ＨＭ上の点Ｐ_３に入射し、分光部ＨＭを透過した透過光は、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_４において正反射（０次反射回折）される。そして点Ｐ_４において正反射された光束は、第１偏向部ＧＢＳ１に入射し、＋Ｙ方向に回折偏向光束を取り出して、第２受光部ＰＤｚに垂直に入射する。一方、分光部ＨＭ上で反射した反射光は、第２偏向部Ｇ２上の点Ｐ_６、第３偏向部Ｇ３上の点Ｐ_７を経由して、第２受光部ＰＤｚに斜めに入射する。また、第１乃至第３の実施の形態で第２受光部に入射していた第１の回折光ｌ_１は、第２回折格子ＧＴ０において−Ｙ方向に反射回折すると、遮光部ＳＴＰにおいて遮光されるため、第２受光部ＰＤｚに入射しない。

第２受光部ＰＤｚに入射する２つの光束は互いに干渉して干渉光となるため、第２受光部ＰＤｚ上に干渉縞を発生させる。第２回折格子ＧＴ０がＺ軸方向に移動すると干渉縞が移動するため、干渉縞の移動に伴って第２受光部ＰＤｚから正弦波状の信号が出力される。この信号の位相を演算部ＣＵで算出することでＺ軸方向の変位情報を得ることができる。

また、第２受光部ＰＤｚに入射するこれら２つの光束が通る光路長は、図１０に示すように幾何学的に同じ長さである。２つの光束が通る光路長が異なる場合、各光学要素の配置を光源ＬＳの波長に応じて厳密に設定する必要があるが、光路長が同じ場合には、各光学要素の配置を光源ＬＳの波長に応じて設定する必要がない。そのため、光源ＬＳにコヒーレンスの低いスーパールミネセントダイオードＳＬＤ等を使用できる。その場合、格子干渉光学計、マイケルソン干渉計の不要光による多重干渉による影響を除去できるため、より一層の高精度な測定が可能になり、更に好適である。

本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に第１及び第２回折格子上の周期構造のＹ軸方向の周期、と第２受光部ＰＤｚの櫛歯周期がすべて同じ長さに設定されている。第２回折格子ＧＴ０が、Ｚ軸方向にΔｚ移動する場合、干渉縞がΔｄ移動するとすると、式７の関係になる。ここでλは光源の中心波長、Ｐｙは第２回折格子ＧＴ０の微細構造体のＹ軸方向の配列の周期長である。

またその場合、１周期の正弦波信号が生成されるＺ軸方向の変位量Δｚ_０は、式８の関係になる。

なお、本実施の形態では、Ｚ軸方向の変位計測に、第１回折格子ＧＢＳ０からのＹ軸方向の回折光を使用したが、他の方向の回折光を使用できる。例えば、図１４に示すようにＸ軸方向の回折光を使用してもよいし、Ｘ＋Ｙ方向の回折光、Ｘ−Ｙ方向の回折光を使用しても良い。

また、Ｚ軸方向の変位を計測するために第３の回折光ｌ_３を分割する分光部ＨＭには、回折格子によって分割しても良い。

（第５の実施の形態）
図１１は、本発明の第５の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図である。

本実施の形態は、第４の実施の形態の変形例であり、Ｙ軸方向の変位とＺ軸方向の変位を計測するものであり、Ｙ軸方向が上記第１方向に対応し、Ｚ軸方向が上記第２方向に対応するものである。そして、第４の実施の形態と同様に、入射した第３の回折光ｌ_３を分光した２つの光束の干渉光を用いてＺ軸方向の変位を計測し、かつ２つの光束の光路長が等しいマイケルソン干渉計の原理を応用した例である。

以下、Ｚ軸方向の変位測定について説明する。

第１回折格子ＧＢＳ０において−Ｙ方向に回折された第３の回折光ｌ_３は、分光部ＨＭ上の点Ｐ_３に入射し、分光部ＨＭを透過した透過光は、第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_４において第２回折格子ＧＴ０の点Ｐ_４において正反射（０次反射回折）する。そして点Ｐ_４において正反射した光束は、第２受光部ＰＤｚに斜めに入射する。

一方、分光部ＨＭ上の点Ｐ_３で反射した第３の回折光ｌ_３は、第４偏向部Ｇ４上の点Ｐ_６、第５偏向部Ｇ５上の点Ｐ_７を経由して、第２受光部ＰＤｚに垂直に入射する。第２受光部ＰＤｚに入射する２つの光束は、第４偏向部Ｇ４、第５偏向部Ｇ５のピッチ、位置を最適に設計することで幾何学的に等光路長にすることが可能である。

第２受光部ＰＤｚに入射する２つの光束は互いに干渉して干渉光となるため、第２受光部ＰＤｚ上に干渉縞を発生させる。第２回折格子ＧＴ０がＺ軸方向に移動すると干渉縞が移動するため、干渉縞の移動に伴って第２受光部ＰＤｚから正弦波状の信号が出力される。この信号の位相を演算部ＣＵで算出することでＺ軸方向の変位情報を得ることができる。

また、第２受光部ＰＤｚに入射するこれら２つの光束は、図１０に示すように幾何学的に等光路長である。よって、光源にコヒーレンスの低いスーパールミネセントダイオードＳＬＤ等を使用できる。その場合、格子干渉光学計、マイケルソン干渉計の不要光による多重干渉による影響を除去できるため、より一層の高精度な測定が可能になり、更に好適である。

（第６の実施の形態）
図１２は、本発明の第６の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図である。

第１乃至第５の実施の形態では、少なくともＹ軸方向とＺ軸方向の変位計測を行う例について説明したが、本実施の形態は、Ｘ軸方向とＹ軸方向、即ち、第２回折格子ＧＴ０が形成する面内の２方向の変位について計測する例である。そして、Ｙ軸方向が第１方向、Ｘ軸方向が第２方向に対応するものとする。なお、Ｙ軸方向及びＸ軸方向の変位計測は第３の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、第１の回折光ｌ_１、及び第２の回折光ｌ_２は、第３の実施の形態と同様の回折光であるが、第３の回折光ｌ_３は第３の実施の形態と異なり、＋Ｘ方向に回折偏向され、反射部ＦＭの第１回折格子ＧＢＳ０側の点Ｐ_３に入射する回折光とする。そして、第２受光部は、第３の実施の形態と異なりＸ軸方向の変位を計測するＰＤｘとする。

第１受光部ＰＤｙは、第２回折格子ＳＴ０で反射回折した第１の回折光ｌ_１と第２の回折光ｌ_２による干渉光を受光し、演算部ＣＵに正弦波状の信号を出力する。そして演算部ＣＵで信号の位相を算出することでＹ軸方向の変位情報を得る。第２受光部ＰＤｘでも同様に、第２回折格子ＳＴ０で反射回折した第１の回折光ｌ_１と第３の回折光ｌ_３による干渉光を受光し、演算部ＣＵに正弦波状の信号を出力する。そして演算部ＣＵで信号の位相を算出することでＸ軸方向の変位情報を得る。

（第７の実施の形態）
図１３は、本発明の第７の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図である。

本実施の形態に係る計測装置は、光源を光学系から離れた位置に配置し、光源からの光束を光ファイバーＯＦを介して光学系に導くようにした形態である。つまり、光源ＬＳの位置に光ファイバーＯＦの出射端部を配置し、光源からの光束は光ファイバーＯＦにより外部から供給されるように構成する。本実施の形態の変位計測装置は光源ＬＳを含んでおらず、光源ＬＳは、変位計測装置の外部に設けられている構成である。

本実施の形態では、光源ＬＳを、第１回折格子ＧＢＳ０や第２回折格子ＧＴ０等の光学要素から構成される光学系、から離れた位置に設けることが可能なため、光源自体の発熱の影響が少なく、発熱による計測精度への影響を低減できるので更に好適である。図１３では、第３の実施の形態における光源とレンズＬＮＳとに間に光ファイバーＯＦを設けているが、レンズＬＮＳと第１回折格子ＧＢＳ０との間に設けてもよい。

以上本発明の変位計測装置についての実施の形態を説明した。さらに、本発明による変位計測装置は、ナノメートル、サブナノメートルの変位を検出する必要がある産業用機械ステージ、高精度形状計測装置、顕微鏡ステージ、高精度機械加工装置、半導体露光装置、半導体製造装置等に利用することができる。図１５は、本発明の変位計測装置を露光装置に搭載した場合の例を示す模式図である。図１５において、ＬＳは光源、ＩＬはレチクルを照明する照明光学系、ＰＬは照明光学系ＩＬによって照明された光をウエハ上に投影する投影光学系である。また、Ｒはレチクル、ＲＳはレチクルＲを固定し駆動するレチクルステージ、Ｗはウエハ、ＷＳはウエハＷを固定し駆動するウエハステージである。そして、ＳＣＬはエンコーダスケール（第２回折格子）、ＨＤはエンコーダ検出光学系ヘッド（光源、第１回折格子、及び各受光部を含む構成）、ＢＡＳＥ１は基準定盤、ＢＡＳＥ２は、エンコーダスケールＳＣＬを固定する定盤である。なお、図１５に示す露光装置の例ではウエハステージの側面にエンコーダ検出光学系ヘッドが固定され、ウエハステージＷＳの２次元的移動に伴い、スケールＳＣＬ上をレーザを照明し、回折光を受光することで水平方向とギャップ方向の位置情報を得るものである。

第１の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図。 第１の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図。 第１回折格子ＧＢＳ０の回折・光束分離の機能説明図。 第１回折格子ＧＢＳ０、第２回折格子ＧＴ０の構造を説明する斜視模式図。 第２回折格子ＧＴ０の回折・光束分離の機能説明図。 受光部に入射する２光束の入射と素子面上に発生する干渉縞の説明図。 第２の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図。 第３の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図。 第４の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図。 第４の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図。 第５の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す断面模式図。 第６の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図。 第７の実施の形態に係る変位計測装置の光学要素を示す斜視模式図。 ８方向への回折光を用いて変位計測する例を説明する計測装置の光学系配置図。 本発明の変位計測装置を露光装置に搭載した場合の例を示す模式図。

符号の説明

ＬＳ 光源
ＬＮＳ レンズ
ＧＴ０ 第２回折格子
ＧＢＳ０ 第１回折格子
ＧＢＳ１ 第１偏向部
Ｇ２ 第２偏向部
Ｇ３ 第３偏向部
Ｇ４ 第４偏向部
Ｇ５ 第５偏向部
ＦＭ 反射部
ＨＭ 分光部
ＳＴＰ 遮光部
ＰＤｙ 第１受光部
ＰＤｚ 第２受光部
ＰＤｘ 第３受光部
ＣＵ 演算部

Claims (8)

1. 光源からの光束を透過させ、互いに異なる方向に出射する第１、第２及び第３の回折光を含む複数の回折光を発生させる第１回折格子と、
   前記第１回折格子と平行な面に設けられ、前記第１、第２及び第３の回折光を反射する第２回折格子と、
   前記第２回折格子で回折した前記第１及び第２の回折光による干渉光を受光する第１受光部と、
   前記第３の回折光と、前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光とをそれぞれ反射する反射部と、
   前記反射部で反射して前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光と、前記反射部で反射した前記第３の回折光とによる干渉光を受光する第２受光部と、
   前記第１受光部で受光した光に基づいて前記第２回折格子が設けられた面内の方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得、かつ前記第２受光部で受光した光に基づいて前記面に垂直な方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得る演算部と、を有することを特徴とする変位計測装置。
2. 光源からの光束を透過させ、互いに異なる方向に出射する第１、第２及び第３の回折光を含む複数の回折光を発生させる第１回折格子と、
   前記第１回折格子と平行な面に設けられ、前記第１、第２及び第３の回折光を反射する第２回折格子と、
   前記第２回折格子で回折した前記第１及び第２の回折光による干渉光を受光する第１受光部と、
   前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光を反射する反射部と、
   前記反射部で反射して前記第２回折格子で回折した前記第１の回折光と、前記第２回折格子で正反射した前記第３の回折光とによる干渉光を受光する第２受光部と、
   前記第１受光部で受光した光に基づいて前記第２回折格子が設けられた面内の方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得、かつ前記第２受光部で受光した光に基づいて前記面に垂直な方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得る演算部と、を有することを特徴とする変位計測装置。
3. 光源からの光束を透過させ、互いに異なる方向に出射する第１、第２及び第３の回折光を含む複数の回折光を発生させる第１回折格子と、
   前記第１回折格子と平行な面に設けられ、前記第１、第２及び第３の回折光を反射する第２回折格子と、
   前記第２回折格子で回折した前記第１及び第２の回折光による干渉光を受光する第１受光部と、
   前記第３の回折光を透過及び反射する分光部と、
   前記分光部を透過した前記第３の回折光と前記分光部で反射した前記第３の回折光とによる干渉光を受光する第２受光部と、
   前記第１受光部で受光した光に基づいて前記第２回折格子が設けられた面内の方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得、かつ前記第２受光部で受光した光に基づいて前記面に垂直な方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得る演算部と、を有することを特徴とする変位計測装置。
4. 前記分光部を透過してから前記第２受光部に入射するまでの前記第３の回折光の光路長と、前記分光部で反射してから前記第２受光部に入射するまでの前記第３の回折光の光路長とが等しくなるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の変位計測装置。
5. 前記分光部を透過し、前記第２回折格子で正反射した前記第３の回折光を偏向する第１偏向部と、
   前記分光部で反射した前記第３の回折光を偏向する第２偏向部と、
   前記第２偏向部で偏向した前記第３の回折光を偏向する第３偏向部と、を有し、
   前記分光部を透過した前記第３の回折光と前記分光部で反射した前記第３の回折光とによる干渉光は、前記第１偏向部で偏向した前記第３の回折光と、前記第３偏向部で偏向した前記第３の回折光とによる干渉光であることを特徴とする請求項４に記載の変位計測装置。
6. 前記分光部で反射した前記第３の回折光を偏向する第４偏向部と、
   前記第４偏向部で偏向した前記第３の回折光を偏向する第５偏向部と、を有し、
   前記分光部を透過した前記第３の回折光と前記分光部で反射した前記第３の回折光とによる干渉光は、前記分光部を透過して前記第２回折格子で正反射した前記第３の回折光と、前記第５偏向部で偏向した前記第３の回折光とによる干渉光であることを特徴とする請求項４に記載の変位計測装置。
7. 前記複数の回折光は前記第１乃至第３の回折光とは方向が異なる第４の回折光を含み、
   前記第２回折格子で回折した前記第１及び第４の回折光による干渉光を受光する第３受光部を有し、
   前記演算部は、前記第３受光部で受光した光に基づいて、前記第２回折格子が設けられた面内の方向であって前記第１受光部で受光した光に基づいて前記変位を得られる方向とは異なる方向における前記第１回折格子または前記第２回折格子の変位を得ることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の変位計測装置。
8. ステージと、
   前記ステージの変位を計測するための請求項１乃７のいずれか１項に記載の変位計測装置と、を有することを特徴とする半導体製造装置。

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