JP5890531B2 - 干渉方式エンコーダシステムのための小型エンコーダヘッド - Google Patents

Description

ある場合において、干渉方式の測定システムは、光干渉信号に基づいて被測定物の相対位置の変化をモニタする。例えば、干渉計は、被測定物から反射された測定ビームを、「参照ビーム」と呼ばれることもある第二のビームと重ね合わせて、干渉させることによって光干渉信号を発生させ、この測定ビームと参照ビームは共通の光源から得られる。被測定物の相対位置の変化は、測定された光干渉信号の位相の変化に対応する。

このような干渉方式測定システムの一例が干渉方式エンコーダシステムであり、エンコーダスケールと呼ばれる測定目盛りを追跡することによって、物体の移動を評価する。一般に、干渉方式エンコーダシステムはエンコーダスケールとエンコーダヘッドを含む。エンコーダヘッドは、干渉計を含むアセンブリである。干渉計は測定ビームをエンコーダスケールへと向かわせ、エンコーダスケールで光が回折する。干渉計は回折した測定ビームを参照ビームと合成して、物体の位置に関係する位相を含む出力ビームを形成する。エンコーダシステムは、リソグラフィの用途で、リソグラフィツール内の移動可能ステージの移動をモニタするために広く用いられている。エンコーダシステムは、それが大気ゆらぎの影響を比較的受けにくいことから、このような用途において有益となりうる。

本願は、小型エンコーダヘッドに関する。本発明の様々な態様は以下のとおりまとめられる。
一般に、第一の態様において、本願の主題は、エンコーダスケールとともに使用するためのエンコーダヘッドに具体化することができ、エンコーダヘッドは、複数の２回回折測定ビームの各々を対応する参照ビームと合成して複数の出力ビームを形成するように構成され、エンコーダヘッドは、複数のファセットを有するモノリシック光学部品を含み、複数のファセットは、ｉ）複数の１回回折測定ビームをエンコーダスケールの表面から受け取り、ｉｉ）複数の１回回折測定ビームをエンコーダスケールの表面に戻すべく方向転換させるように構成され、エンコーダスケールは、１回回折測定ビームの経路内に位置付けられて、２回回折測定ビームを生成する。

他の態様において、本願の主題はエンコーダシステムに具体化することができ、エンコーダシステムはエンコーダスケールと、エンコーダヘッドとを含み、エンコーダヘッドは、複数の２回回折測定ビームの各々を対応する参照ビームと合成して複数の出力ビームを形成するように構成され、エンコーダヘッドは、複数のファセットを有するモノリシック光学部品を含み、複数のファセットは、複数の１回回折測定ビームをエンコーダスケールの表面から受け取り、複数の１回回折測定ビームをエンコーダスケールの表面に戻すべく方向転換させるように配置され、エンコーダスケールは、１回回折測定ビームの経路内に位置付けられて、２回回折測定ビームを生成する。エンコーダシステムは、出力ビームを検出するように位置付けられた複数の検出素子と、電子プロセッサとをさらに含むことができ、電子プロセッサは、検出素子の各々からの干渉信号であって、２回回折測定ビームのうちの１つとそれに対応する参照ビームの間の光路差に関する位相を含むような干渉信号を受け取り、各干渉信号に関する位相に基づいて、エンコーダスケールの自由度に関する情報を判定するように構成される。

システムの実装形態は、以下の特徴および／または他の態様の特徴の１つまたは複数を含むことができる。例えば、モノリシック光学部品は立方体の形状をとることができる。いくつかの実装形態において、モノリシック光学部品は直方体の形状をとる。

いくつかの実装形態において、モノリシック光学部品は、非回折測定ビームを受け取り、２回回折測定ビームを発するように構成された第一のファセットを含む。第一のファセットは、第一のファセットに垂直な方向に伝播する放射は実質的に透過させ、第一のファセットに対して傾斜角度で入射する放射は実質的に反射することができる。モノリシック光学部品は、１回回折または２回回折測定ビームをエンコーダスケールから受け取るように構成された第二のファセットを含むことができる。第二のファセットは、第二のファセットに垂直な方向に伝播する放射は実質的に透過させることができる。第二のファセットは、第一のファセットの向かいに、第一のファセットと対向するように配置することができる。

あるいは、第二のファセットは、第一のファセットに対して垂直に配置することができる。第二のファセットは、第二のファセットに対して第一の傾斜角度範囲で第二のファセットに入射する放射を反射し、第二のファセットに対して第二の異なる傾斜角度範囲で第二のファセットに入射する放射を透過させるように構成できる。

いくつかの実装形態において、モノリシック光学部品の側面ファセットは、その側面ファセットに対して傾斜角度で入射する放射を実質的に反射する。
いくつかの実装形態において、エンコーダスケールは１Ｄまたは２Ｄ格子を含む。格子は、第一の方向に沿って延びる溝で構成することができる。ある場合において、モノリシック光学部品の側面ファセットを含む平面は、第一の方向に対して傾斜角度に向けることができる。

いくつかの実装形態において、モノリシック光学部品は正六角柱プリズムまたは正五角形柱プリズムを含むことができる。
特定の実装形態において、エンコーダヘッドは、非回折測定ビームを第一のビーム経路に沿ってエンコーダスケールへと方向付けるように構成することができ、非回折測定ビームの第一のビーム経路はモノリシック光学部品の外側にある。エンコーダスケールは、モノリシック光学部品に対して、入射ビームを第二のビーム経路に沿って回折させるように位置付けることができ、回折入射ビームの第二のビーム経路はモノリシック光学部品の外側にある。

いくつかの実装形態において、１回回折測定ビームは、エンコーダスケールからの正の回折次数から得られる第一の１回回折測定ビームと、エンコーダスケールからの負の回折次数から得られる第二の１回回折測定ビームを含む。第一と第二の１回回折測定ビームは、第一の平面内で正と負の回折次数を含むことができる。１回回折測定ビームは、第一の平面に垂直な第二の平面内でのエンコーダスケールからのそれぞれ正の回折次数と負の回折次数を含む、第三と第四の１回回折測定ビームをさらに含むことができる。

いくつかの実装形態において、システムは、入力ビームを受け取り、この入力ビームから、（１）各２回回折測定ビームのための対応する参照ビームと、（２）入射測定ビームとを取得するように構成された複数の光学素子をさらに含む。複数の光学素子は、複数のビームスプリッタと再帰性反射体を含むことができる。

いくつかの実装形態において、モノリシック光学部品は、入力ビームを受け取り、この入力ビームから、（１）各２回回折測定ビームのための対応する参照ビームと、（２）入射測定ビームと、を得るように構成される。モノリシック光学部品はビーム分離ファセットを含むことができ、ビーム分離ファセットは入力ビームを、入力ビームの偏光と、ビーム分離ファセットに関する指定の入射角に基づいて分離し、指定の入射角以外の入射角でビーム分離ファセットに入射した光を反射するように構成される。システムは、モノリシック光学部品から参照ビームを受け取り、回折参照ビームをモノリシック光学部品へと方向転換するように位置付けられた参照格子をさらに含むことができる。

他の態様において、本願の主題はシステムに具体化することができ、システムは、移動可能ステージと、エンコーダシステムとを含み、エンコーダシステムまたは被測定物の何れかが移動可能ステージに取り付けられる。エンコーダシステムは、エンコーダスケールとエンコーダヘッドを含むことができ、エンコーダヘッドは、複数の２回回折測定ビームの各々の２回回折測定ビームを対応する参照ビームと合成して複数の出力ビームを形成するように構成される。いくつかの実装形態において、エンコーダヘッドは、複数のファセットを有するモノリシック光学部品を含み、複数のファセットは、エンコーダスケールの表面から複数の１回回折測定ビームを受け取り、複数の１回回折測定ビームをエンコーダスケールの表面へと戻すべく方向転換させるように配置される。いくつかの実装形態において、エンコーダスケールは、１回回折測定ビームの経路内に位置付けられて、２回回折測定ビームを生成する。エンコーダシステムは、出力ビームを検出するように位置付けられた複数の検出素子と、検出素子の各々から干渉信号を受け取るように構成された電子プロセッサとをさらに含むことができ、各干渉信号は、２回回折測定ビームの１つと対応する参照ビームの間の光路差に関する位相を含む。電子プロセッサは、各干渉信号に関する位相に基づいて、エンコーダスケールの自由度に関する情報を判定するようにさらに構成できる。

他の態様において、本願の主題はリソグラフィシステムに具体化することができ、これは、エンコーダシステムと、移動可能ステージであって、エンコーダシステムまたは被測定物の何れかが取り付けられる移動可能ステージと、エンコーダシステムに連結された照明システムと、リソグラフィシステムの動作中にエンコーダシステムからの出力ビームを検出する検出器と、電子プロセッサに連結され、エンコーダスケールの変位に関する情報に基づいて、ステージの位置を調節するように構成された位置決めシステムとを含む。照明システムは放射源を含むことができ、リソグラフィシステムの動作中、この放射源は放射をエンコーダシステムへと向ける。エンコーダシステムは、エンコーダスケールと、複数の２回回折測定ビームの各々を対応する参照ビームと合成して複数の出力ビームを生成するように構成されたエンコーダヘッドとを含むことができる。エンコーダヘッドは、複数のファセットを有するモノリシック光学部品を含むことができ、複数のファセットは、エンコーダスケールの表面から複数の１回回折測定ビームを受け取り、複数の１回回折測定ビームをエンコーダスケールの表面に戻すべく方向転換させるように配置される。エンコーダスケールは、１回回折測定ビームの経路内に位置付けられて、２回回折測定ビームを生成することができる。エンコーダシステムは、出力ビームを検出するように位置付けられた複数の検出素子と、電子プロセッサとをさらに含むことができ、電子プロセッサは、検出素子の各々からの干渉信号であって、２回回折測定ビームの１つと対応する参照ビームの間の光路差に関する位相を含むような干渉信号を受け取り、各干渉信号の位相に基づいて、エンコーダスケールの自由度に関する情報を判定するように構成される。

本明細書で開示される主題の様々な態様の利点としては、例えば、干渉方式エンコーダシステムに、位置測定に必要な光学素子および／または別々のエンコーダヘッドの数が少なくて済むという点を挙げることができる。他の利点には、例えば、干渉方式エンコーダシステムおよび／またはエンコーダヘッドのための低コストおよび／または単純な設計が含まれる。

１つまたは複数の実施形態の詳細が添付の図面と以下の説明に示される。その他の特徴と利点は説明、図面および特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

一例としての干渉方式エンコーダシステムの概略図である。 一例としての光学部品の断面の概略図である。 図２Ａに示される光学部品の三次元（３Ｄ）概略図である。 一例としての光学部品の３Ｄ概略図である。 一例としてのモノリシック光学部品の３Ｄ概略図である。 一例としてのモノリシック光学部品の３Ｄ概略図である。 一例としての光学部品の断面の概略図である。 図４Ａに示される光学部品の３Ｄ概略図である。 例としての光学部品の３Ｄ概略図である。 例としての光学部品の３Ｄ概略図である。 例としての光学部品の３Ｄ概略図である。 一例としての干渉方式エンコーダヘッドの概略図である。 一例としての干渉方式エンコーダヘッドの概略図である。 一例としての干渉方式エンコーダヘッドの３Ｄ概略図である。 一例としての干渉方式エンコーダヘッドの概略図である。 一例としての干渉方式エンコーダヘッドの概略図である。 干渉方式エンコーダヘッドの望ましくない出力ビームから望ましい出力ビームを分離するための光学素子の使用例を示す概略図である。 一例としてのリソグラフィツールの概略図である。 半導体装置の製造シーケンスのフローチャートである。 ウェハプロセスの詳細を示すフローチャートである。 透過型および反射型格子のパッチを使用するエンコーダヘッドの一例を示す概略図である。 透過型および反射型格子のパッチを使用するエンコーダヘッドの一例を示す概略図である。 図１６Ｂに示されるエンコーダヘッドの３Ｄ概略図である。

図１を参照すると、干渉方式エンコーダシステム１００は、光源モジュール１２０（例えば、レーザを含む）と、光学アセンブリ１１０と、被測定物１０１と、検出器モジュール１３０（例えば、偏光子と光検出器）と、電子プロセッサ１５０とを含む。一般に、光源モジュール１２０は光源を含み、また、ビーム成形光学系（例えば、光コリメート光学系）、導光部品（例えば、光ファイバ導波路）、および／または偏光制御光学系（例えば、偏光子および／または波長板）等の他の部品も含むことができる。光学アセンブリ１１０の各種の実施形態を以下に説明する。いくつかの実装形態において、光学アセンブリはまた、「エンコーダヘッド」と呼ばれることがある。デカルト座標系が参照のために示されており、Ｙ方向（図示せず）はページの中に向かって延びる。

被測定物１０１は、Ｚ軸に沿って光学アセンブリ１１０からある名目上の距離（nominal distance）に位置付けられる。多くの用途において、例えばエンコーダシステムがリソグラフィツール内のウェハステージまたはレチクルステージの位置をモニタするために使用される場合、被測定物１０１は、光学アセンブリ１１０に対してｘおよび／またはｙ方向に移動され、その一方で、ｚ軸については名目上（nominally）、光学アセンブリから一定の距離が保たれる。この一定の距離は比較的小さくすることができる（例えば、数センチメートルまたはそれより小さい）。しかしながら、このような用途では、被測定物の位置は一般に、名目上一定の距離から少量だけ変化し、デカルト座標系内の被測定物の相対的向きも少量だけ変化する可能性がある。動作中、エンコーダシステム１００は、光学アセンブリ１１０に関する被測定物１０１のこれらの自由度のうちの１つまたは複数を、ｘ軸に関する被測定物１０１の位置を含め、さらにはｙ軸および／またはｚ軸に関する、および／またはピッチとヨーの角方位に関する被測定物１０１の位置を含めて、モニタする。

被測定物１０１の位置をモニタするために、光源モジュール１２０は入力ビーム１２２を光学アセンブリ１１０へと方向付ける。光学アセンブリ１１０は、入力ビーム１２２から測定ビーム１１２を得て、測定ビーム１１２を被測定物１０１へと方向付ける。光学アセンブリ１１０はまた、入力ビーム１２２から参照ビーム（図示せず）も得て、参照ビームを測定ビームとは異なる経路に沿って方向付ける。例えば、光学アセンブリ１１０は、入力ビーム１２２を測定ビーム１１２と参照ビームに分離するビームスプリッタを含むことができる。測定および参照ビームは、直交偏光（例えば、直交直線偏光）を有することができる。

被測定物１０１はエンコーダスケール（encoder scale）１０５を含み、エンコーダスケール１０５は、例えば測定ビームをエンコーダヘッドから１つまたは複数の回折次数に回折させる測定目盛りである。一般に、エンコーダスケールは多種多様な回折構造を含むことができ、例えば格子またはホログラフ回折構造がある。格子の例には、正弦格子、矩形格子、または鋸歯状格子が含まれる。格子は、ピッチが一定の周期的構造によってだけでなく、より複雑な周期的構造（例えば、チャープ格子）によって特徴付けることができる。一般に、エンコーダスケールは、測定ビームを複数の平面へと回折させることができる。例えば、エンコーダスケールは、測定ビームをｘ−ｚおよびｙ−ｚ平面内での回折次数に回折させる二次元格子とすることができる。エンコーダスケールは、ｘ−ｙ平面内で、被測定物１０１の移動範囲に対応する距離にわたって延びる。

この実施形態において、エンコーダスケール１０５は、その格子線がページの平面に対して垂直に延び、図１に示すようなデカルト座標系のｙ軸に平行に延びるような格子である。格子線はｘ軸に沿って周期的である。エンコーダスケール１０５の格子面はｘ−ｙ平面に対応し、エンコーダスケールは測定ビーム１１２をｙ−ｚ平面内の１つまたは複数の回折次数に回折させる。

測定ビームのこれらの回折次数（例えば、＋１または−１次回折）のうちの少なくとも１つ（ビーム１１４として示される）は光学アセンブリ１１０に戻り、ここで光学素子を使って回折測定ビームが参照ビームと合成されて、出力ビーム１３２が形成される。あるいは、アセンブリ１１０の中の光学素子を使って、回折測定ビームがエンコーダスケールに戻るように方向転換されて、２回目の回折が行われてから、参照ビームと合成される。

出力ビーム１３２は、測定ビームと参照ビームの間の光路長の差に関する位相情報を含む。光学アセンブリ１１０は、出力ビーム１３２を検出器モジュール１３０へと方向付け、検出器モジュール１３０が出力ビームを検出して、検出された出力ビームに応答して信号を電子プロセッサ１５０に送信する。電子プロセッサ１５０は、信号を受信して分析し、光学アセンブリ１１０に関する被測定物１０１の１つまたは複数の自由度に関する情報を判定する。検出された出力ビームに基づいて１つまたは複数の自由度に関する情報を判定する例示的な技術の一例を、米国特許第８，３００，２３３号明細書に見つけることができ、その全体を参照によって本願に援用する。

特定の実施形態において、測定および参照ビームに小さい周波数の差（例えば、ｋＨｚ〜ＭＨｚ範囲の差）があり、この周波数の差に概して対応する周波数の関心対象（interest）の干渉信号が生成される。この周波数は以下、「ヘテロダイン」周波数と互換的に言及される。被測定物の相対位置の変化に関する情報は、このヘテロダイン周波数での干渉信号の位相に概して対応する。信号処理技術を使って、この位相を抽出できる。一般に、移動可能な被測定物によって、この位相項は時間変化する。この点で、被測定物の運動の一次時間微分により、干渉信号の周波数がヘテロダイン周波数からある量だけシフトし、このことを本明細書では「ドップラー」シフト（Doppler shift）と呼ぶ。

測定および参照ビームの異なる周波数は、例えばレーザのゼーマン分離によって、音響光学変調によって、２種類の異なるレーザモードを使用するか、または複屈折素子を使用してレーザ内部で、およびその他の技術によって生成できる。直交偏光により、偏光ビームスプリッタが測定および参照ビームを異なる経路に沿って方向付け、これらを合成して出力ビームを形成でき、出力ビームはその後、偏光子を通過して直交偏光成分と混ざり合うため、これらが干渉できる。標的の移動がなければ、干渉信号はヘテロダイン周波数で振動し、これはちょうど２つの成分の光周波数の差である。標的の移動があれば、このヘテロダイン周波数は、よく知られたドップラーの関係を通じた標的速度に関する変化を生じさせる。したがって、ヘテロダイン周波数の変化をモニタすることによって、光学アセンブリに関する標的の移動をモニタできる。

後述の実施形態において、「入力ビーム」とは概して、光源モジュールから発せられるビームを指す。ヘテロダイン検出の場合、入力ビームは上述のように、若干異なる周波数を有する成分を含む。

特定の実施形態において、干渉計システムはリトロウでは動作しないように設計される。例えば、一般に、測定ビームはある入射角で被測定物１０１に入射し、１回回折測定ビーム（once-diffracted measurement beam）がリトロウ条件（Littrow condition）を満たさない。リトロウ条件とは、格子等の回折構造の、その回折構造が回折ビームを光源に向けて戻すような、入射ビームに関する方位を指す。換言すれば、エンコーダシステム１００において、１回回折測定ビームは、１回回折測定ビームがエンコーダスケールで回折する前に測定ビームと共線状ではないため、リトロウ条件を満たさない。

エンコーダスケール１０５は図１において、１方向に周期的な構造として描かれているが、より一般的には、被測定物は測定ビームを適当に回折する異なる様々な回折構造を含むことができる。いくつかの実施形態において、被測定物は２方向（例えば、ｘおよびｙ軸に沿って）に周期的である回折構造（例えば、エンコーダスケール）を含むことができ、測定ビームを２つの直交平面内のビームに回折させる。一般に、エンコーダスケールの回折構造と光源モジュールは、エンコーダシステムがそのシステムの形状面の制約（geometrical constraints）内で、対応する参照ビームと合成されたときに１つまたは複数の検出可能な干渉信号を確立するのに十分な強度の１つまたは複数の回折測定ビームを提供するように選択される。いくつかの実施形態において、光源モジュールは、４００ｎｍ〜１，６００ｎｍの範囲の波長を有する入力ビームを供給する。例えば、入力ビームは約６３３ｎｍまたは約９８０ｎｍの波長を有することができる。留意すべき点として、一般に、ヘテロダイン光源の周波数分割の結果、入力ビームの２つの成分の波長間の差が非常にわずかのみとなり、そのため、入力ビームが厳密に単色でなくても、依然として入力ビームを１つの波長で特徴付けることが現実的である。いくつかの実施形態において、光源モジュールはガスレーザ（例えば、ＨｅＮｅレーザ）、レーザダイオードまたはその他のソリッドステートレーザ源、発光ダイオード、またはスペクトル帯域幅変調用フィルタの有無を問わないハロゲンランプ等の熱源を含むことができる。

一般に、回折構造（例えば格子ピッチ）は、入力ビームの波長と光学アセンブリの配置および測定に使用される回折次数に応じて変えることができる。いくつかの実施形態において、回折構造は、約１λ〜約２０λの範囲のピッチを有する格子であり、λは光源の波長である。格子のピッチは約０．５μｍ〜約１０μｍとすることができる。干渉方式光学エンコーダシステムと動作の別の実施形態が米国特許第８，３００，２３３号明細書に記載されており、その全体を参照によって本願に援用する。

上述のように、被測定物は入射測定ビームを、１つまたは複数の平面（例えば、２つの直交する平面）内のビームへと回折させる。これらの回折ビームは、例えば、正の回折次数からのビームと、負の回折次数からのビームを含む可能性がある。いくつかの実装形態において、回折ビームが対応する参照ビームと合成されて複数の出力ビームを生成し、ビームをエンコーダスケールに供給し、１回回折ビーム（once-diffracted beam）をエンコーダスケールから受け取り、１回回折ビームをエンコーダスケールに向けて方向転換させ、２回目の回折が行われるようにし、２回回折ビーム（twice-diffracted beam）を受けるために複数の部品が使用される。このようなシステムは、回折ビームの各々を受け取り、方向転換するのに必要な部品の数によって、配置が複雑となり、構成および製造コストが高くなる可能性がある。

システムを低コスト化し、システム設計を簡略化し、光エネルギーの使用を効率化するために、回折測定ビームを受け取り、且つ方向転換させるように使用される複数の部品を、実質的に再帰反射させるような光学表面の２つ以上の組み合わせを有するモノリシック光学部品に置き換えることができる。いくつかの実装形態において、１回回折ビームがモノリシック光学部品に入り、モノリシック光学部品の表面および／またはファセットによって回折格子に戻るように方向転換され、回折格子において２つ以上の２回回折ビームが生成される。いくつかの実装形態において、モノリシック光学部品の表面および／またはファセット（facet）は、入力ビームから測定ビームを取得して、測定ビームをエンコーダスケールに向かって方向転換させて、１回回折測定ビームを取得するように構成される。２回回折ビームは、相互に、または対応する参照ビームによって干渉され、出力ビームを生成することができ、出力ビームが検出器によって記録される。その後、検出器から得られた干渉信号を使って、干渉信号からの位相情報に基づいて格子位置に関する位置情報を判定できる。Ｎ次元でのエンコーダスケールの位置の変化を測定するためには、少なくともＮ個の測定ビームが必要である。複数の別々の入力ビームを必要とし、複数の別々の入力ビームから各入力ビームのための１つの回折次数が検出される構成と比較して、本明細書で開示されるシステムは、１つの入力ビームを使って、異なる回折次数を得ることができ、それゆえ光源を効率的に利用できる。それゆえ、いくつかの実装形態において、測定を行うのに必要な電力を節減できる。あるいは、いくつかの実装形態において、位置測定をより低ノイズで行うことができる。

同様に、いくつかの実装形態において、モノリシック光学部品の表面および／またはファセットは、参照格子からの１回回折および／または２回回折参照ビームを受け取り、方向転換するように構成される。ある場合において、モノリシック光学部品の表面および／またはファセットは、入力ビームからの回折の前に、参照ビームを取得するように構成される。

本開示の目的上、モノリシック光学部品とは、単独の連続部品を構成する１つまたは複数の光学素子を含む光学装置を意味すると理解する。いくつかの実装形態において、単独部品は接合部または継ぎ目なく形成することができる。いくつかの実装形態において、単独部品は、その部品の少なくとも一部を通って延びるファセットを含むことができ、このファセットは、２つの別々の光学素子を一体に融合または接着させて単独の連続部品にすることによって（例えば、光学接着剤を使用する）形成される。例えば、単独部品は偏光ビームスプリッタを含むことができ、そのビームスプリッタ本体から延びるファセットが、直交偏光からなる入射ビームを、入力ビームの異なる偏光に基づいて異なる方向に伝播する２つの別々のビームへと分離する。

単独のモノリシック光学部品を使って、回折測定および／または参照ビームを受け取り、方向転換させることができるが、モノリシック光学部品が１つまたは複数のビームステアリング、ビーム分離および／またはビーム合成部品と一緒に配置されて、Ｎ次元でのエンコーダスケールの相対位置変化を測定するためのコンパクトな光学装置を提供する実装形態もまた可能である。

光学エンコーダヘッドのための最小主義の光学構成（minimalistic optical design）で利用できるのは、複数の再帰性反射素子であり、複数の再帰性反射素子は任意の単独の立方形、直方体（長方形の表面を有する六面体）、直角プリズム（例えば、４５°、４５°、９０°の内包角または３０°、６０°、９０°の内包角を有するプリズム）または、光学的表面の複数の再帰反射させるような組み合わせを有する他の任意のモノリシック部品を備える。本明細書で開示する実施形態は、それぞれ１Ｄまたは２Ｄ格子の２つまたは４つの回折次数を捕捉し、評価するために使用でき、それゆえ、捕捉するのが２つまたは４つの回折次数より少ない構成と比較して、効率を改善することができる。これに加えて、本明細書に記載の実施形態の各々は、ホモダインおよびヘテロダイン光源の何れにも使用できる。

一例としての実施形態において、４つの回折測定ビームを、単独のモノリシックガラスキューブとエンコーダスケール（例えば、２Ｄ回折格子）を使って制御できる。入力測定ビームをガラスキューブ（glass cube）に供給すると、入力測定ビームがキューブを通過して、非リトロウ角（non-littrow angle）でエンコーダスケールに衝突し、少なくとも４つの１次回折次数（例えば、第一の平面内の＋１次と−１次および直交する第二の平面内での＋１次と−１次）に分割される。４つの回折ビームはキューブにもう一度入り、キューブの角のうちの４つの角の付近で再帰反射され、エンコーダスケールに戻り、エンコーダスケールにおいてビームは再び非リトロウ角で回折され、回折されたビームのうちの４つのビームが空間的に分離され、初期入力ビームと反対方向に伝播する。２回回折ビームはキューブを通過して、１つまたは複数の参照ビームと干渉できる状態となる。上記の配置によって４つの位相測定結果が提供され、したがって、エンコーダヘッドまたはエンコーダスケールの位置が３つの次元すべてにおいて幾分かの冗長性を伴って計算できる。

図２Ａは、上述の例示的な実施形態と同様の、干渉方式エンコーダシステムのエンコーダヘッドに使用するための一例としてのモノリシック光学部品２００の断面の概略図である。光学部品２００は、エンコーダスケール１０５から複数の１回回折ビームを受け取り、これらの１回回折ビームをエンコーダスケールに戻すべく方向転換させるように構成される。見やすくするために、干渉方式エンコーダシステムの他の部品は図から省かれている。光学部品２００は、上面ファセット２０２と、下面ファセット２０４と、４つの側面ファセット２０６を有するモノリシックキューブを含む。エンコーダスケール１０５は、２Ｄ格子を含む。

干渉方式エンコーダシステムの動作中、光源から取得される測定ビーム２０１は、光学部品２００の上面ファセット２０２に入射し、この時、測定ビーム２０１はファセット２０２の表面に対して垂直である。測定ビーム２０１は、上面ファセット２０２と下面ファセット２０４を通過して、エンコーダスケール１０５に非リトロウ角で至る。エンコーダスケール１０５の回折特性によって、測定ビーム２０１は複数の回折次数に回折される。回折ビームは例えば、エンコーダスケールの正の回折次数から取得される１つまたは複数の第一のビームと、エンコーダスケール１０５からの負の回折次数から取得される１つまたは複数の第二のビームに対応する。例えば、エンコーダスケール１０５は測定ビーム２０１を、Ｘ−Ｙ平面内で伝播する２つのビーム（例えば、＋１次回折と−１次回折）とＹ−Ｚ平面内で伝播する２つのビーム（例えば、＋１次回折と−１次回折）に回折される。

１回回折ビーム２０３は光学部品２００に戻り、ビームは下面ファセット２０４から再び光学部品２００に入る。１回回折ビーム２０３は次に、光学部品２００の側面ファセット２０６と上面ファセット２０２によって反射され、下面ファセット２０４に戻される。１回回折ビーム２０３は下面ファセット２０４を通過してエンコーダスケール１０５に向かい、エンコーダスケール１０５によって測定ビームは非リトロウ条件で２回目の回折を行う。２回回折ビーム２０５は次に、光学部品２００に向かって、入射ビーム２０１の方向と実質的に反対の方向に戻る。光学部品２００を通過した後、２回回折ビーム２０５の各々は対応する参照ビーム（明確にするために省かれている）と合成されて、対応する出力ビームを形成し、出力ビームが検出モジュール（例えば、偏光子と光検出器）によって受け取られる。検出器に連結された電子プロセッサが各検出器からの干渉信号を分析して、エンコーダスケールおよび／またはエンコーダヘッドの相対位置に関する位相情報を抽出する。

図２Ａに示される例において、上面ファセット２０２は、ファセット２０２の表面に対して垂直に入射する放射を透過させ、その一方で、ファセットの表面に対して傾斜角度でファセット２０２の表面に入射する放射は反射するように構成される。上面ファセット２０２のこの特性は、ファセット上の多層コーティング（例えば、異なる薄膜材料の複数の交互の層）を使って確立することができる。多層スタック内の各層の厚さと組成を操作することによって、反射特性を特定の入射角に合わせることができる。すなわち、コーティングは、垂直入射放射である放射に対しては反射防止特性を有し、ファセット２０２の表面に対して１つまたは複数の傾斜角度で入射する放射に対しては高い反射率を有するように最適化することができる。例えば、上面ファセット２０２に衝突するすべての傾斜ビームがファセット表面に対して同じ入射角を有する場合、ある入射角と波長での多層コーティングの層厚を、その傾斜ビームについては反射性の四分の一波長スタックと同様の挙動を示し、また垂直入射光については、透過性の半波長スタックと同様の挙動を示すように構成できる。表面反射の角度依存性は、様々な層間界面からの反射間の光路長の差が変化することによる。

垂直入射ビームの透過を最大化するように構成されたコーティング（coating）の場合、このコーティングの入射ビーム角度許容範囲は垂直から最大約＋／−１０°とすることができる。傾斜ビーム（すなわち、入射面に対して非垂直かつ非平行のビーム）の反射率を最大化するように構成されたコーティングの場合、このコーティングの入射ビーム角度許容範囲は、所望の角度から約＋／−２°〜約＋／−５°とすることができる。特定の角度での入射ビームを実質的に透過させるコーティングの場合、コーティングは、入射ビームの少なくとも７５％（例えば、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％）を透過させることができる。ある特定の角度の入射ビームを実質的に反射させるコーティングの場合、このコーティングは指定の角度での入射ビームの少なくとも７５％（例えば、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％、または少なくとも９９％）を反射することができる。このようなコーティングのための材料としては、たとえば硫化亜鉛、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、および／または二酸化シリコンを含めることができる。垂直ビームは約１．２％のみ、および２７．８２°での傾斜ビームは９５．２％をＢＫ７ガラス内で反射させる多層コーティングの一例はＡＢＣＢＣＢＣＢＡのスタックであり、Ａは５７ｎｍのフッ化マグネシウム層、Ｂは９４２ｎｍの硫化亜鉛層、Ｃは１１４９ｎｍのフッ化マグネシウム層である。このような多層フィルムの設計方法に関するその他の指針は、例えば、Ｅ．ヘクト（E.Hecht）著、「光学（Optics）」第４版、アディソン・ウェズリイ（Addison Wesley）、２００３年に記載され、その内容の全体を参照によって本願に援用する。多層コーティングはまた、他の実施形態の中でも使用でき、これには以下の例が含まれる。

上面ファセット２０２と異なり、下面ファセット２０４は、下面ファセットの表面に対して垂直または斜めの入射放射を透過させるように構成される。いくつかの実装形態において、下面ファセット２０４から透過を促進するために、ファセット２０４は広い入射角用の多層コーティングを含むように構成される。あるいは、下面ファセット２０４は、特定の入射角度（例えば、垂直入射およびある１つの傾斜角度での入射）と特定の波長または波長範囲について最適化された多層コーティングを含むように構成することができる。側面ファセット２０６は、全内部反射によって元来反射性（naturally reflective）を有する（すなわち、部品２００の外側の領域は部品２００の内側の領域より屈折率が低い）。しかしながら、側面ファセット２０６もまた、高反射性のコーティングを含むように構成できる。

図２Ｂと図２Ｃは、図２Ａに示される光学部品２００の三次元（３Ｄ）概略図である。図２Ｂと図２Ｃに示されるように、光学部品２００は、側面ファセット２０６の下縁辺（bottom edge）がエンコーダスケール１０５の縁辺（edge）と整合しないような向きとされる。この例において、エンコーダスケール１０５は、図に示されているエンコーダスケール１０５の部分の少なくとも２つの縁辺と平行な方向に沿って延びる溝の集合で構成された格子を含む。光学部品２００を回転させて、側面ファセット２０６の下縁辺がエンコーダスケールの縁辺に対して傾斜角度となり、それゆえ溝が延びる方向に対して斜めになるようにすると、１回回折ビームを確実に、おおまかに光学部品２００の角に向かって伝播させることができ、光学部品２００の角によって再帰反射が起こる。図２Ｂは、エンコーダの格子線に対して光学部品２００を回転できる角度の、より一般的なケースを示しているが、図２Ｃでは角度がちょうど４５°である。すなわち、１回回折ビーム２０３は、下面ファセット２０４を通過した後、側面ファセット２０６同士の交差部により形成される縁辺に向かって伝播する。その結果、各種のビーム間で偏光特性とビーム経路のある程度の対称性を保つことができる。

いくつかの実施形態において、光学部品は、１回回折ビームが側面ファセット同士の交差部によって形成される縁辺上に衝突するのを防止し、その一方で、少なくともいくつかの１回回折ビームがそのような縁辺に入射するのを防止するように構成できる。図３Ａは、回折ビームが側面ファセット３０６の交差部によって形成される縁辺に衝突するのを防止する、一例としてのモノリシック光学部品３００の３Ｄ概略図である。この効果を実現するために、光学部品３００は、エンコーダスケール１０５の格子方向（すなわち、格子の長尺状の部分が延びる方向）に対して４５°に向けられた直方体となるように構成されている。図３Ｂは、格子方向に対して３０°回転させて、１回回折ビームがファセット縁辺に当たるのを防止した立方体の３Ｄ概略図である。

明瞭にするために、干渉方式システムのその他の部品と参照ビームは図３では省かれている。図２の光学部品２００と同様に、光学部品３００はガラスで形成でき、異なるファセット上に多層コーティングを含めて、指定角度での入射放射の透過を増大させ、および／または別の指定角度での入射放射の反射を増大させるようにすることができる。いくつかの実装形態において、部品３００または部品２００はあるいは、ファセット表面に入射するビーム間の空間分離を広げるように構成することができる。次いで、分離された各ビームを、光学部品３００または２００の異なる領域に向かって（例えば、光学部品３００または２００のファセットまたは側面に向かって）方向付けることができる。物理的な分離によって、分離された各ビームが入射するファセットまたは面に、そのビームのための対応する局所的な反射性または透過性コーティングを含めることが可能となる。ビーム間の空間分離を広げることによって、光学部品上に形成される局所的な反射防止／透過性コーティングの間隔もさらに大きくすることができ、それゆえ、異なるコーティングを相互に近接させて製造する複雑さが軽減する。局所的コーティングの形成を可能にするようなビーム間の間隔を取得するためには、各種のパラメータを調節でき、例えばこれには光学部品のアスペクト比、エンコーダスケール１０５と光学部品３００または２００の間の距離、エンコーダスケール１０５の格子の溝間のピッチ、および／またはエンコーダスケール１０５の、光学部品に関する格子方向の回転が含まれる。

いくつかの実施形態において、測定ビームを、エンコーダスケール１０５を含む平面に平行な方向に沿って供給し、検出することが有利である。図４Ａは、エンコーダスケール１０５を含む平面に平行な方向に沿って伝播する測定ビーム４０１を受け取り、測定ビーム４０１をエンコーダスケールに向かって方向転換させ、エンコーダスケール１０５を含む平面に平行な方向に沿って複数の２回回折測定ビーム４０５を出力するための一例による光学部品４００の断面の概略図である。光学部品４００の形状は、モノリシック三角プリズムに対応する。明瞭にするために、図４Ａでは干渉方式システムのその他の光学素子が省かれており、１つの２回回折ビームだけが示されている。しかしながら、光学部品４００は複数の２回回折ビームを方向転換させることができ、この２回回折ビームは、エンコーダスケール１０５からの正の回折次数から得られる１つまたは複数の第一のビームと、エンコーダスケール１０５からの負の回折次数から取得される１つまたは複数の第二のビームを含む。図４に示されるように、エンコーダスケール１０５に入射する測定ビームは、リトロウ条件を満たさない。

光学部品４００は、測定ビームの波長に対して実質的に透明な何れの適当な材料（例えば、可視波長範囲の光の場合はガラス）で形成することもでき、入射測定ビーム４０１を受け取り、２回回折測定ビーム４０５を透過させるための第一のファセット４０２を含む。第一のファセット４０２はまた、ファセット表面に対して傾斜角度で入射した放射を反射するように構成された薄膜多層コーティング（図示せず）を含むことができる。第二のファセット４０４は、入射角に応じて入射放射の透過または反射を可能にするように構成された薄膜多層コーティングを含むことができる。例えば、図４Ａに示されるように、第二のファセット４０４は、第二のファセット４０４の表面に垂直、および第一の傾斜角度で入射する放射の透過を最大限にする薄膜多層コーティング（図示せず）を含んでいてもよい。しかしながら、第二のファセット４０４は、第一とは異なる第二の傾斜角度でファセット表面に入射する放射を反射し、このことは多層コーティングまたは全内部反射現象の何れかによって可能となる。第三のファセット４０６は、その表面への何れかの角度での放射を実質的に反射するように構成された薄膜コーティング（図示せず）を含む。例えば、第三のファセット４０６の薄膜コーティングは、銀または金の薄膜層を含むことができる。

図４Ｂは光学部品４００の３Ｄ概略図である。いくつかの実装形態において、部品４００はエンコーダスケール１０５の格子方向に対して回転される。例えば、側面ファセット４０６とファセット４０４の交差部によって形成される部品４００の下縁辺は、格子の溝方向に非平行に（例えば、溝の長尺状の部分が延長する方向と非平行に）なるように回転させることができる。光学部品４００を溝に対して非平行に回転させることによって、いくつかの実装形態において、確実に１回回折ビームをおおまかに光学部品４００の角に向かって伝播させることができる。

いくつかの実施形態において、モノリシック光学部品は、一次元（１Ｄ）パターン、例えば１Ｄ格子を有するエンコーダスケールと共に機能するように構成できる。図５は、干渉方式エンコーダシステムのエンコーダヘッドに使用される光学部品５００の３Ｄ概略図であり、光学部品５００は、１Ｄ格子を有するエンコーダスケール１０５から複数の１回回折ビームを受け取り、この１回回折ビームをエンコーダスケール１０５に戻すべく方向転換させるように配置される。図５に示される実装形態において、部品５００が受け取る１回回折ビーム５０３は、同一平面に沿った正と負両方の回折次数から取得されるビームを含む。光学部品５００はモノリシック正六角柱プリズムであり、測定ビームの波長に対して実質的に透過性の材料（例えば、可視波長範囲の測定ビームの場合はガラス）で形成できる。基本的に、図５に示されるプリズムの形状は、測定ビーム（入射測定ビームと１回および２回回折測定ビームを含む）により通過される、および／または測定ビームを反射する直方体プリズムの平面によって画定され、測定ビームによって通過されない、または測定ビームを反射しない直方体の部分は取り除かれている。

図２〜５に示される例において、入射測定ビームと２回回折ビームは、モノリシック光学部品の中を通って進む。しかしながら、いくつかの実施形態において、これらのビームは、光学部品の中を伝播せずにエンコーダスケール１０５へ伝播し、エンコーダスケール１０５から伝播してもよい。図６は、入射測定ビーム６０１と２回回折測定ビームのどちらも部品６００の中を伝播しない光学部品６００の３Ｄ概略図である。明瞭にするために、干渉方式エンコーダシステムの他の部品と参照ビームは省かれている。

図６に示されるように、入射測定ビーム６０１は、部品６００の外のエンコーダスケール１０５に向かって伝播する。エンコーダスケール１０５での各測定ビームの回折から取得される１回回折ビームは次に、部品６００の中に伝播し、部品６００において１回回折ビームは、部品６００のファセットでの反射によってエンコーダスケール１０５に戻るように方向転換され、リトロウ条件を満たさずに、２回目の回折が行われる。２回回折ビーム６０５は次に、光学部品６００を通過せずに、入射測定ビーム６０１に実質的に平行で反対の方向に伝播する。図６に示される部品６００のように、入射および２回回折ビームがモノリシック光学部品を通過しない構成の利点は、光学部品のうち、反射のためだけに使用される１つまたは複数の表面を、高い反射率を有するように構成できる点である。これらの表面にビームを通過させる必要がないため、これらの表面は、高い反射率のコーティングを有するように形成でき、それゆえ、光を反射する効率が向上する。反射光の量を増大させると、最終的に光検出器モジュールで検出される信号が改善される可能性がある。

いくつかの実施形態において、透過性／反射性ファセットを有するモノリシック光学部品は、直方体または直角プリズムの形状から外れる。後述の光学部品７００はそのような部品の一例である。ある場合において、このような他の形状はまた、位相差情報の抽出にも使用できる。すなわち、光学部品は、複数の測定ビームを相互に干渉させるように構成でき、それゆえ、光源から別の参照ビームを取得する必要がなくなる。次いで、エンコーダ位置情報は干渉ビームの位相に基づき、この位相は測定ビーム間の光路差（OPD:optical path difference）に関係する。

図７は、一例としてのモノリシック光学部品７００の３Ｄ概略図であり、モノリシック光学部品７００は、複数の測定ビームを合成させ、干渉させて出力ビームを生成し、出力ビームから位相情報、およびそれゆえエンコーダスケールに関する位置情報を抽出できるように構成されている。明瞭にするために、図７では干渉方式システムの他の部品は省かれている。この例では、光学部品７００は正五角柱プリズムに対応する形状を有し、ガラスで形成できる。

動作中、上面ファセット７０２の表面に垂直な方向に沿って伝播する入射測定ビーム７０１は、部品７００の上面ファセット７０２と下面ファセット７０４を通って進む。入射ビーム７０１は、リトロウ条件を満足せずに第一の位置７２０でエンコーダスケール（回折格子線を含む）によって回折され、入射測定ビーム７０１の異なる回折次数に対応する複数の回折ビームを生成する。例えば、エンコーダスケールは、測定ビーム７０１を回折させて、第一の平面内で伝播する２つのビームと、第二の直交平面内を伝播する２つのビームとする。明瞭にするために、第一の位置７２０で生成された回折ビームのうちの２つだけが示されており、１回回折ビームの各々は異なる平面内で伝播する。１回回折ビームは光学部品７００のファセットによって方向転換され、方向変換された１回回折ビームは両方とも、エンコーダスケールの第二の位置７３０に入射し、この第二の位置７３０は第一の位置とは異なる。第二の位置７３０において、１回回折測定ビームは、リトロウ条件を満たさず、再び回折されて、２回回折ビーム７０５が、入射測定ビーム７０１の方向に平行で反対の方向に沿って伝播する。２回回折ビーム７０５はまた、２回回折ビーム７０５が干渉方式システムの検出器モジュール（図示せず）に到達すると干渉するよう同一直線上にある。干渉する２回回折ビーム７０５を受け取ると、検出器モジュールは電子干渉信号を生成できる。検出器モジュールに接続された電子プロセッサは、干渉信号を分析して位相情報を抽出し、位相情報からエンコーダヘッド（すなわち、モノリシック光学部品）に関するエンコーダスケールの位置を判定できる。

モノリシック光学部品を利用する干渉方式エンコーダシステムの各種の実施形態が可能である。例えば、いくつかの実施形態において、干渉方式エンコーダシステムは、ビーム分離部品（例えば、偏光および無偏光ビームスプリッタ）と、ビームステアリング部品（beam steering component）（例えば、ミラー、レンズ、プリズム、再帰性反射体）、および／または偏光制御部品をモノリシック光学部品の他に含むことができる。追加のビーム分離素子および／またはビームステアリング素子は、指定された位置で一定数の参照ビームを提供し、一定数の参照ビームはモノリシック光学部品を使って得られた回折測定ビームと合成される。例えば、いくつかの実施形態において、ビーム合成部品を使って、１つまたは複数の２回回折測定ビームをそれぞれ１つまたは複数の参照ビームと合成することができ、これらの合成ビームは検出器モジュールで干渉する。いくつかの実施形態において、ビーム分離部品および／またはビームステアリング部品は、測定および参照ビームが、初期のソース入力ビームの角度アラインメントの不良があったとしても、相互に平行なままであるように配置できる。いくつかの実施形態において、エンコーダスケールの他の１つまたは複数の回折格子を使って、参照ビームをモノリシック光学部品に戻るように回折させることができる。追加の格子の使用によって、いくつかの実装形態において、コンパクトな干渉方式エンコーダシステムの構成を提供でき、このことは、格子が一般に、１つのビームから複数のビームを生成するための非常に空間効率の高い手段であるからである（例えば、図９参照）。

本明細書に開示されるビーム分離合成部品（beam-splitting combining component）はまた、例えば、偏光または無偏光ビーム分離プリズム等のビーム分離素子を含むことができる。その他のビーム分離素子もまた使用でき、例えば、ハーフミラーまたはダイクロイックミラープリズム等がある。本明細書に開示されるビームステアリング部品には、再帰性反射体、例えばコーナキューブリフレクタ、および／またはプリズム、例えば直角三角柱プリズム等が含まれる。本明細書に開示される偏光状態変更素子の例には、線形偏光子、四分の一波長板、二分の一波長板が含まれるが、これらに限定されない。

図８は、２回回折測定ビームを取得するために、モノリシック光学部品のほかにビームステアリング部品およびビーム合成部品を含む干渉方式エンコーダシステムのある実施形態を示す。特に、図８は、干渉方式エンコーダヘッド８１０の断面図の概略図であり、干渉方式エンコーダヘッド８１０は、エンコーダスケールから複数の回折ビームを受け取るためのモノリシック光学部品８００と、第一のビームスプリッタ／コンバイナ部品８１２と、第二のビーム分離部品８１４と、第三のビーム分離部品８１６と、再帰性反射体８１８とを含む。いくつかの実装形態において、エンコーダヘッドはまた、偏光制御部品８２０（例えば、四分の一波長板（QWP:quarter wave-plate）、二分の一波長板、または偏光回転子）も含む。

特定の実施形態において、ビームの偏光状態は一般に、ビームが格子によって２回回折され、空気ガラス界面を複数回通過させられ、モノリシック光学部品または干渉計システム内のその他の光学素子のコーティングされていない表面、およびコーティングされた表面からの複数回内部反射された後に、概して楕円形であってもよい。ある場合において、このように偏光状態を変化させることによって、最終的に、検出器モジュールに到達する光が少なくなることを考え、干渉計システム全体の効率が低下すること、および／または位置検出の精度が低下することがありうる。偏光制御部品８２０等の偏光素子をエンコーダヘッド装置に追加し、偏光状態の変化を補償するように位置付けることができる。補償素子は、モノリシック光学部品（例えば、直方体または直角プリズム）とエンコーダスケール（および／または参照格子）の間、および／または再帰性反射体の一部である表面上に設置できる。例えば、図８に示されるように、エンコーダヘッド８１０は、ビーム分離部品８１２の第一の表面上の第一のＱＷＰ ８２０ａと、ビームスプリッタ８１２の第二の表面上の第二のＱＷＰ ８２０ｂを含む。第一のＱＷＰ ８２０ａは、ビーム分離部品８１２と再帰性反射体８１８の間に配置され、これに対して、第二のＱＷＰ ８２０ｂはビーム分離部品８１２とモノリシック光学部品８００の間に配置される。

エンコーダヘッド８１０を利用する干渉方式エンコーダシステムの動作中、入力ビーム８２５は光源から第三のビーム分離部品８１６に供給される。第三のビームスプリッタ８１６は入射ビーム８２５を測定ビーム（実線）と参照ビーム（破線）に分離する。例えば、ビームスプリッタ８１６は偏光ビームスプリッタを含むことができ、偏光ビームスプリッタは、直交偏光ビーム成分（例えば、ｓおよびｐ偏光ビーム成分）で構成される入力ビームを、参照ビームと測定ビームの偏光の違いに基づいて、参照および測定ビームに分離する。参照ビームと測定ビームはどちらも、第二のビーム分離部品８１４を通過する。

測定ビームは、第一のビーム分離部品８１２を変更せずに、第二のビーム分離部品８１４を通過し、測定ビームはその後、ビーム分離界面においてモノリシック光学部品８００とエンコーダスケール１０５に向かって方向転換される。光学部品８００を使用すると、測定ビームは非リトロウ角で複数回回折されて、２つ以上の２回回折測定ビームを生成する。

これに対して、参照ビームは第二のビーム分離部品８１４のビーム分離界面と相互作用して、２つの別々の参照ビームに分けられる。部品８１４により生成された参照ビームはどちらも第一のビーム分離部品８１２を通過し、再帰性反射体８１８に向かってはほとんど、またはまったく反射されない。再帰性反射体８１８は各参照ビームを第一のビーム分離部品８１２に向かって戻すように方向転換させ、第一のビーム分離部品８１２によって各参照ビームは対応する２回回折測定ビームと合成されて、別々の出力ビーム８０７、８０９を生成する。図８に示されるように、２つの出力ビーム８０７、８０９は第一のビーム分離部品８１２から出る。エンコーダスケール１０５が２Ｄ格子を含む場合、図８に示されるエンコーダヘッド装置を使って追加の出力ビームを生成してもよく、追加の出力ビームは図の平面から出る方向に伝播する。この場合、追加の参照ビームを作るために追加のビーム分離素子も使用しなければならないであろう。図８に示される構成の利点は、初期の入力ビームに角度アラインメントの不良があったとしても、各出力ビームの中で測定および参照ビームが相互に平行のままである点である。このことは、測定ビーム、そして参照ビームが、部品８００と部品８１８の各々によって再帰反射されるからであり、その結果、すべての出力ビーム角度が入力ビーム角度と同じ量だけ変化することになる。

図９は、モノリシック光学部品９００と参照格子９５０を含む、一例としての干渉方式エンコーダヘッド９１０の概略図である。光学部品９００は、例えば、光源から供給された入力ビーム９２５から測定ビーム９０１と参照ビーム９１１を取得するように構成された偏光ビーム分離部品を含むことができ、入力ビーム９２５は直交偏光ビーム成分からなる。測定ビーム９０１は、ビーム分離界面９０２から反射されると、エンコーダスケール１０５へと伝播し、ビーム９０１はエンコーダスケール１０５の第一の位置９０３において、非リトロウ角度で、複数の回折次数（例えば、＋１次、−１次回折）に回折される。明瞭にするために、図９の第一の位置９０３には、１つの回折ビームだけが示されている。

複数の１回回折測定ビーム（例えば、９０１’）は次に、モノリシック光学部品９００へと戻るように伝播する。光学部品９００では、１回回折測定ビームが部品９００の中央ファセット９０２および１つまたは複数の側面ファセットで反射されて、その後、１回回折測定ビームは、第二の位置９０４において非リトロウ条件で、およびエンコーダスケール１０５に対して傾斜角度でエンコーダスケール１０５に戻るように方向転換されるようになる。測定ビームに対して、エンコーダスケールに到達すると、複数の回折次数に２回目の回折が行われる。ここでも、明瞭にするために、図９では第二の位置９０４に１つの回折ビームだけが示されている。２回回折測定ビーム（例えば、９０１’’）は光学部品９００に戻るように伝播し、その後、中央ファセット９０２により反射されて、入力ビーム９２５の方向と平行で反対の方向に沿って伝播する。

中央ファセット９０２はまた、参照ビーム９１１を取得するように使用される。参照ビーム９１１（図９の破線）は部品９００を通って参照格子９５０へと伝播し、参照ビームは、参照格子９５０の第一の位置９０６において、非リトロウ角で複数の回折次数（例えば、＋１次、−１次回折）に回折される。明瞭にするために、図９の参照格子９５０の位置９０６には、１つの回折ビーム９１１’だけが示されている。１回回折参照ビームの１つまたは複数は部品９００に戻る。光学部品９００では、１回回折参照ビームが部品９００の中央ファセット９０２および１つまたは複数の側面ファセットで反射され、その後、１回回折測定ビームは、第二の位置９０７において非リトロウ角で参照格子９５０に戻るように方向転換される。

測定ビームには、反射格子９５０の第二の位置９０７で１つまたは複数の回折次数（例えば、＋１次、−１次回折）に２回目の回折が行われる。ここでも、明瞭にするために、図９では１つの２回回折参照ビーム９１１’’だけが示されている。各２回回折参照ビームは次いで、ビーム分離部品９００を通って伝播し、対応する２回回折測定ビームと合成されて対応する出力ビームが形成される。出力ビームは次に、検出器モジュール（図示せず）によって受け取られ、図９では例示的な出力ビームがビーム９６０として示されている。部品のファセットで参照ビームおよび測定ビームが確実に適正に反射または透過されるようにするために、ファセットは、指定の入射角での入射放射を反射および／または透過させるための多層コーティングを含むように構成できる。図９に示される例において、中央ファセット９０２は、ファセット９０２の表面に対して４５°で入射する放射についてはビームスプリッタとして機能し、他の角度の入射放射は反射するように構成される。２つのブロックのＢＫ７ガラス間のビーム分離面において、（界面の法線に対して）４５°のビームは３．２％のみ、２０°のビームは９６．８％を反射する多層コーティングの一例は、ＡＢＣＢＣＢＣＢＡのスタックであり、Ａは７８ｎｍのフッ化マグネシウム層、Ｂは７５６ｎｍの硫化亜鉛層、Ｃは３６５ｎｍのフッ化マグネシウム層である。

図１０は、参照格子を使用できるエンコーダヘッドの他の実施形態を示す。特に、図１０は干渉方式エンコーダヘッド１０１０の一例を示す３Ｄ概略図であり、干渉方式エンコーダヘッド１０１０はビームスプリッタ１００２と、参照格子１０５０と、測定ブロック１０６０と、参照ブロック１０７０とを含む。測定ブロック１０６０と参照ブロック１０７０は、直角三角柱プリズム等の光学素子を含み、ビームスプリッタ１００２に、例えば光学接着剤を使って固定される。ビームスプリッタ１００２は、例えば無偏光ビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタを含むことができる。測定ブロック１０６０は、測定ビームをエンコーダスケール１０５に向けて方向付け、エンコーダスケール１０５から１回回折および２回回折測定ビームを受け取るように位置付けられる。参照ブロック１０７０は、参照ビームを参照格子１０５０に向かって送り、参照格子１０５０から１回回折および２回回折参照ビームを受け取るように同様に位置付けられる。ビームスプリッタ１００２は、光源（図示せず）からの直交偏光ビーム成分を有する入力ビーム１００１を受け取り、入力ビーム１００１を参照ビームと測定ビームの両方に分離する。参照ビームと測定ビームは次に、ビームスプリッタ１００２によって、それぞれ参照ブロック１０７０と測定ブロック１０６０に向けて方向転換される。ビームスプリッタ１００２はまた、２回回折参照ビームと２回参照測定ビームを合成して４つの別々の出力ビーム１００７にするように構成され、４つの別々の出力ビーム１００７は検出器モジュールに送信されて、４つの別々の出力ビーム１００７から干渉信号が取得され、エンコーダスケールおよび／またはエンコーダヘッドの相対位置が（例えば、干渉信号からの位相情報に基づいて）判定される。

図１１は、参照格子を含むエンコーダヘッドの他の実施形態の一例である。特に、図１１は、干渉方式エンコーダヘッド１１１０の断面図を示す概略図であり、干渉方式エンコーダヘッド１１１０は、測定ブロック１１６０（例えば、直方体）と、参照ブロック１１７０（例えば、直方体）と、偏光ビームスプリッタ１１０２と、参照格子１１５０と、２つの四分の一波長板（ＱＷＰ）１１８０とを含む。

エンコーダヘッド１１１０の動作は、図１０に示されるエンコーダヘッド１０１０の動作と同様である。すなわち、ビームスプリッタ１１０２は、直交偏光成分を有する入力ビーム１１２５を受け取り、入力ビーム１１２５を参照ビーム（破線）と測定ビーム（実線）に分離し、その後、参照ビームと測定ビームはそれぞれ参照ブロック１１７０と測定ブロック１１６０に向かって伝播する。

始めに、測定ビームは測定ブロック１１６０とＱＷＰ １１８０を通過し、ほとんど、またはまったく反射されず、エンコーダスケール１０５によって非リトロウ角で１つまたは複数の回折次数（例えば、＋１次、−１次回折）に回折される。１回回折測定ビームは測定ブロック１１６０に戻り、１回回折測定ビームは測定ブロック１１６０の側面ファセットで反射されてエンコーダスケール１０５に戻る。上述の他の実施形態のように、測定ブロック１１６０は、入射角に基づいて１回回折測定ビームを反射するように構成された局所的な薄膜コーティングを含むことができる。１回回折測定ビームは、エンコーダスケール１０５に戻り、エンコーダスケール１０５でビームについて、非リトロウ角で１つまたは複数の回折次数への２回目の回折が行われる。２回回折測定ビームの少なくともいくつかは、入射測定ビームに平行な方向に沿って測定ブロック１１６０に戻るように伝播する。

同様に、入射参照ビームは参照ブロック１１７０とＱＷＰ １１８０を通過し、ほとんど、またはまったく反射されず、参照格子１１５０によって１つまたは複数の回折次数（例えば、＋１次、−１次回折）に回折される。１回回折参照ビームは参照ブロック１１７０に戻り、ブロック１１７０の側面ファセットで反射されて、参照格子１１５０に戻る。上述の他の実施形態において、参照ブロック１１７０は、入射角に基づいて１回回折参照ビームを反射するように構成された局所的薄膜多層コーティングを含むことができる。１回回折参照ビームは参照格子１１５０に戻り、参照格子１１５０でそのビームについて、１つまたは複数の回折次数への２回目の回折が行われる。２回回折参照ビームの少なくともいくつかは、入射参照ビームに平行な方向に沿って、参照ブロック１１７０に戻るように伝播する。２回回折参照ビームと２回回折測定ビームは次に、ビームスプリッタ１１０２の中で合成されて、出力ビーム１１０７を形成し、出力ビーム１１０７は測定ビームと参照ビームとの間の光路長の差に関する位相情報を含む。検出器モジュールと電子プロセッサ（図示せず）を使って、エンコーダスケール１０５および／またはエンコーダヘッド１１１０の１つまたは複数の相対的自由度に関する情報を計算できる。

測定ブロック１１６０と参照ブロック１１７０は、確実に２回回折参照ビームと２回回折測定ビームがビームスプリッタ１１０２の中で合成された時に重複するように、同一に配置される（すなわち、ビームスプリッタ１１０２から同じ距離であり、各格子から同じ距離である）必要はない。例えば、いくつかの実装形態において、参照ブロック１１７０と参照格子１１５０の間の距離は、測定ブロック１１６０とエンコーダスケール１０５との間の距離と異なるようにすることができる。いくつかの実装形態において、エンコーダスケール１０５上の格子ピッチは、参照格子１１５０上のピッチと異なるようにすることができる。いくつかの実装形態において、測定ブロック１１６０の寸法を参照ブロック１１７０の寸法と異なるようにすることができる。例えば、参照格子１１５０を参照ブロック１１７０と接触させるか、または少なくとも非常に近接させることによって、ゆらぎの影響を極小化することが好ましいこともある。入力ビームと出力ビームとの間のオフセットを測定経路内と同じにするために、参照ブロック１１７０の寸法および／または格子ピッチは、測定経路内で使用されるものとは異なるようにするべきである。これに加えて、図１１に示される構成では、出力ビーム１１０７を入力ビーム１１２５とは異なる方向に沿って誘導することによって、ビーム供給とビームピックアップを空間的に分離している。

上述の実施形態の中で述べたように、モノリシック光学部品のある表面はビームを透過させるように構成するべきであり、その一方で、モノリシック光学部品の他の表面はビームを反射するように構成するべきである。光学部品の１つの表面は、この表面に薄膜多層コーティングを設けることによって、１つまたは複数の角度の入射ビームを反射することも透過させることもできる。

いくつかの実施形態において、モノリシック光学部品（例えば、立方体、直方体および直角プリズム）は、完璧な幾何学的形状から角度がわずかにずれた状態で形成できる。角度のずれの結果として対称性が失われることが、スプリアス反射（spurious reflection）に関連するエンコーダスケール位置の検出におけるエラーの低減に役立ちうる。すわなち、スプリアス反射は測定ビームから異なる経路をたどる傾向があり、それゆえ、検出された干渉信号を誤変調させない。例えば、本来は対称のモノリシック光学部品の両側の縁辺は、製造公差を条件として、相互に、および／またはエンコーダスケールの平面に対して平行である状態から、例えば０°より大きいが約１０°より小さい（例えば、約０．５°、約１°、約５°、または約７°）わずかな量だけずらすことができる。このようなケースの１つが、図１２に概略的に示されており、図中、エンコーダスケールに面するガラス製モノリシック光学部品１２１０の表面１２１１が、エンコーダスケール１０５に対してある量、例えば１°だけ意図的に傾斜されている。実線は、測定ビームと２つの回折事象の意図された経路を示す。これに対して、破線は意図されないスプリアスビームを示し、スプリアスビームはまずゼロ次回折で回折され、傾斜した表面１２１１で反射され、一次回折で回折され、再帰反射を含め、ガラス製モノリシック光学部品１２１０内の意図された測定経路をおおまかにたどってから、最終的に格子で３回目の回折が行われる。スプリアスビームの方向と位置は所望のビームの方向と位置とは異なるため、本来は検出器におけるスプリアスビームの存在によって発生しうる測定エラーを実質的に減らすことができる。これに対して、ガラス製モノリシック光学部品の下面がエンコーダスケールに対して平行であると、スプリアスビームは所望の測定ビームと同じ角度および同じ位置となり、これによって位置測定にさらにエラーが生じるであろう。

いくつかの実施形態において、エンコーダヘッドは、エンコーダヘッド光学系内で測定および参照ビームを相互に小さい分離角を持たせて伝播させるように構成される。例えば、１つまたは複数の偏光光学部品を測定および参照ビームのビーム経路内に含めることによって、測定および参照ビーム間に小さい分離角（例えば、約０．０５ｍｒａｄ〜２０ｍｒａｄの間）を与えることができる。測定および参照ビーム間に小さい分離角を持たせることによって、これらのビームを、その偏光のほかにその伝播角度によっても区別でき、その結果、エンコーダヘッド内の偏光の混合に関する周期的なエラーの大きさが縮小される。このことは図１３に示され、ボックス１３１０はモノリシック光学部品および／またはビーム分離光学素子および再帰性反射光学素子を含むエンコーダヘッドを示す。それぞれ参照および測定ビームとなるように意図される２つの入力ビーム１３０１、１３０２は相互に直交偏光であり、小さな角度だけ分離される。エンコーダヘッドからの出力ビーム１３０３、１３０４は依然として同じ分離角を有し、相互に直交偏光であるが、エンコーダヘッド内の偏光子の漏出の可能性によって、方向または偏光の何れかにおいて、所望の出力ビーム１３０３、１３０４とは異なる、また別の意図されない出力ビーム１３０５、１３０６（すなわち、ゴーストビーム）がありうる。複屈折ビームコンバイナ（birefringent beam combiner）１３２０は、意図された出力ビーム１３０３、１３０４を方向転換できるため、ビーム１３０３、１３０４は平行であり、これに対して、意図されないビーム１３０５、１３０６はビームコンバイナ１３２０によって実質的に異なる方向に沿って偏向される。それゆえ、所望の出力ビーム１３０３、１３０４は検出器モジュール１３０（例えば、光検出器と偏光子を含む）に同じ角度で到達でき、その一方で、望まれないビームは、より強力な所望のビームに関する角度によって、検出器モジュール１３０に到達しないか、または干渉縞のコントラストが実質的に低下することにつながる。したがって、検出器に望まれないビームが存在することによる測定エラーを排除できる。

一般に、上述の分析方法の何れも、検出された干渉信号から位相情報とエンコーダスケールの自由度情報の判定を含め、コンピュータハードウェアまたはソフトウェア、またはこれら両方の組み合わせで実装できる。例えば、いくつかの実施形態において、電子プロセッサ１５０をコンピュータに設置して、１つまたは複数のエンコーダシステムに接続し、エンコーダシステムからの信号の分析を実行するように構成できる。分析は、本明細書に記載される方法に従って、標準的なプログラミング技術を使ってコンピュータプログラムの中に実装できる。プログラムコードを入力データ（例えば、干渉位相情報）に適用し、本明細書に記載された機能を実行して出力情報（例えば、自由度情報）を生成する。出力情報は、表示モニタ等の１つまたは複数の出力装置に適用する。各プログラムは、高級手続型またはオブジェクト指向プログラミング言語で実装して、コンピュータシステムと通信してもよい。しかしながら、プログラムは、希望に応じて、アセンブリまたはマシン言語でも実装できる。何れの場合も、言語はコンパイル型またはインタプリタ型言語とすることができる。さらに、プログラムは、その目的のために予めプログラムされた専用の集積回路上で実行できる。

このようなコンピュータプログラムの各々は好ましくは、汎用または特殊用途用のプログラム可能コンピュータによって読出可能な記憶媒体または装置（例えば、ＲＯＭまたは磁気ディスケット）に保存して、そのコンピュータを、記憶媒体または装置をそのコンピュータが読み出すと、本明細書に記載された手順を実行するように構成または動作させる。コンピュータプログラムはまた、プログラム実行中にキャッシュまたはメインメモリの中に格納できる。分析方法もまた、コンピュータプログラムを備えて構成されたコンピュータ読出可能記憶媒体として実装でき、そのように構成された記憶可能媒体は、コンピュータに特定の、予め決められた方法で本明細書に記載された機能を実行させる。
リソグラフィツールへの応用
リソグラフィツールは、コンピュータチップなどの大規模集積回路の製造に使用されるリソグラフィ用途で特に有益である。リソグラフィは、半導体製造業にとって鍵となるテクノロジーの牽引役である。オーバレイの改善は、２２ｎｍまたはそれ以下のライン幅（デザインルール）の実現に向けた５大難題の１つであり、例えば、国際半導体技術ロードマップ（International Technology Roadmap for Semiconductors）ｐ．５８〜５９（２００９年）を参照のこと。

オーバレイは、ウェハおよびレチクル（またはマスク）ステージの位置決めに使用される計測システムの性能、すなわち精度と精密さに直接依存する。リソグラフィツールの年間生産額は５０〜５００百万ドルに上ることがあり、計測システムの改良の経済的価値は大きい。リソグラフィツールによる生産量が１％増大するごとに、集積回路メーカにとっては年間約１百万ドルの経済的利益がもたらされ、リソグラフィツールのサプライヤの競争優位が大幅に高まる。

リソグラフィツールの機能は、空間的にパターニングされた放射を、フォトレジスタコーティングを有するウェハに向けることである。このプロセスには、ウェハのどの位置が放射を受けるかを判定すること（アラインメント）と、その位置のフォトレジストに放射を当てること（露光）が関わる。

露光中、放射源はパターニングされたレチクルを照射し、これが放射を散乱させて、空間的にパターニングされた放射を生成する。レチクルはまた、マスクとも呼ばれ、これらの用語は以下、互換的に使用される。縮小投影リソグラフィの場合、縮小投影用レンズは散乱放射を集光して、レチクルパターンの縮小像を形成する。あるいは、近接プリンティングの場合、散乱放射が短い距離だけ（通常、マイクロメートルのオーダ）伝播し、それからウェハと接触してレチクルパターンの１：１の像を生成する。放射によってレジスト内の光化学プロセスが始まり、光化学プロセスによって放射パターンをレジスト内の潜像へと変換する。

ウェハを適正に位置決めするために、ウェハはウェハ表面にアラインメントマークを含み、アラインメントマークを専用のセンサによって測定できる。測定されたアラインメントマークの位置がツール内のウェハの位置を定義する。この情報は、ウェハ表面の所望のパターニングの仕様と共に、空間的にパターニングされた放射に関するウェハのアラインメントを案内する。このような情報に基づいて、フォトレジストコーティングされたウェハを支持する並進運動可能なステージがウェハを移動させて、放射がそのウェハの正しい位置を露光させるようにする。特定のリソグラフィツール、例えばリソグラフィスキャナにおいては、マスクもまた、露光中にウェハと一緒に移動される並進運動可能なステージ上に設置される。

前述のものなどのエンコーダシステムは、ウェハとレチクルの位置を制御し、レチクル像をウェハ上で位置合わせする位置決め機構の重要な部品である。このようなエンコーダシステムが上述の特徴を含んでいれば、そのシステムによって測定される距離の精度が向上し、および／または、オフラインメンテナンスをせずに保持される期間が長くなり得、その結果、生産量の増大とツールのダウンタイム削減によってスループットが向上する。

一般に、リソグラフィツールは、露光システムとも呼ばれ、通常、照明システムとウェハ位置決めシステムを含む。照明システムは、紫外線、可視線、Ｘ線、電子またはイオン放射等の放射を供給する放射源と、放射にパターンを与えるようなレチクルまたはマスクを含み、それによって空間的にパターニングされた放射が生成される。これに加えて、縮小投影リソグラフィの場合、照明システムは空間的にパターニングされた放射をウェハに結像させるためのレンズアセンブリを含むことができる。結像した放射は、ウェハに被覆されたレジストを露光させる。照明システムはまた、マスクを支持するマスクステージと、マスクステージの、マスクを通じて方向付けられる放射に関する位置を調節するための位置決めシステムと、含む。ウェハ位置決めシステムは、ウェハを支持するウェハステージと、結像した放射に関するウェハステージの位置を調節するための位置決めシステムとを含む。集積回路の製造には複数の露光ステップが含まれ得る。リソグラフィに関する一般的な参考資料としては、例えば、Ｊ．Ｒ．シーツ（J.R.Sheats）とＢ．Ｗ．スミス（B.W.Smith）著、マイクロリソグラフィ：サイエンス・アンド・テクノロジー（Microlithography:Science and Technology）（マーセル・デッカ・インコーポレーテッド（Marcel Dekker,Inc.）ニューヨーク、１９９８年）を参照されたい。その内容は参照によって本願に援用される。

上述のエンコーダシステムは、露光システムの他の部品、例えばレンズアセンブリ、放射源または支持構造に関するウェハステージとマスクステージの各々の位置を正確に測定するために使用できる。このような場合、エンコーダシステムの光学アセンブリを静止構造に取り付けることができ、エンコーダスケールをマスクおよびウェハステージのうちの１つ等の移動可能な要素に取り付けることができる。あるいは、この状況は逆転でき、光学アセンブリを移動可能な物体に取り付け、エンコーダスケールを静止物体に取り付けることができる。

より一般的には、このようなエンコーダシステムは、露光システムの中の何れか１つの構成部品の、露光システムの中の他の何れかの構成部品に関する位置の測定にも使用でき、その際、光学アセンブリはそれらの部品のうちの一方に取り付けられるか、それによって支持され、エンコーダスケールがそれらの部品のもう一方に取り付けられるか、それによって支持される。

干渉方式システム１４２６を用いたリソグラフィツール１４００の一例が図１４に示されている。エンコーダシステムは、露光システム内のウェハ（図示せず）の位置を正確に測定するために使用される。ここで、ステージ１４２２は、ウェハを露光ステーションに対して位置決めし、支持するように使用される。スキャナ１４００はフレーム１４０２を含み、フレーム１４０２はその他の支持構造と、これらの支持構造の上に担持される各種の部品を担持する。露光ベース１４０４はその上面でレンズ筐体１４０６に取り付けられ、レンズ筐体１４０６上に、レクチルまたはマスクを支持するように使用されるレチクルまたはマスクステージ１４１６が取り付けられる。露光ステーションに対してマスクを位置決めするための位置決めシステムは、要素１４１７によって概略的に示されている。位置決めシステム１４１７は、例えば、圧電トランスデューサ素子とこれに対応する制御用電子機器を含むことができる。あるいは、ここに説明されている実施形態には示されていないが、上記のエンコーダシステムの１つまたは複数を使って、その位置をリソグラフ構造の製造プロセス中に正確にモニタする必要のあるマスクステージおよびその他の移動可能な要素の位置を正確に測定することもできる（上述のシーツ（Sheats）とスミス（Smith）著、マイクロリソグラフィ：サイエンス・アンド・テクノロジー（Microlithography:Science and Technology）参照）。

露光ベース１４０４の下には支持ベース１４１３が懸下され、支持ベース１４１３がウェハステージ１４２２を担持する。ステージ１４２２は、測定ビーム１４５４が光学アセンブリ１４２６によってステージへと回折されるようにする被測定物１４２８を含む。ステージ１４２２を光学アセンブリ１４２６に対して位置決めするための位置決めシステムが要素１４１９によって概略的に示されている。位置決めシステム１４１９は、例えば、圧電トランスデューサ素子とそれに対応する制御電子部品を含むことができる。被測定物は測定ビームの反射を回折させて、露光ベース１４０４に取り付けられた光学アセンブリへと戻す。エンコーダシステムは、前述の実施形態の何れとすることもできる。

動作中、放射ビーム１４１０、例えば、紫外線（ＵＶ）レーザ（図示せず）からのＵＶビームはビーム成形光学系アセンブリ１４１２を通過して、ミラー１４１４で反射された後に下方に進む。その後、放射ビームは、マスクステージ１４１６によって担持されるマスク（図示せず）を通過する。マスク（図示せず）は、レンズ筐体１４０６によって担持されるレンズアセンブリ１４０８を通じて、ウェハステージ１４２２上のウェハ（図示せず）上に結像される。ベース１４０４とそれによって支持される各種の部品は、ばね１４２０として描かれている減衰システムによって環境振動から隔離される。

いくつかの実施形態において、前述のエンコーダシステムの１つまたは複数を使って、例えば、これらに限定されないが、ウェハおよびレチクル（マスク）ステージに関連する複数の軸と角度に沿った変位を測定できる。また、ＵＶレーザビームではなく、その他のビームを使ってウェハを露光させることもでき、例えば、Ｘ線ビーム、電子ビーム、イオンビーム、可視光線等がある。

特定の実施形態において、光学アセンブリ１４２６は、レチクル（またはマスク）ステージ１４１６または、スキャナシステム等のその他の移動可能部品の位置の変化を測定するように位置付けることができる。最後に、エンコーダシステムは、スキャナに加えて、またはスキャナの代わりにステッパを含むリソグラフィシステムにも同様の方法で使用できる。

当業界でよく知られているように、リソグラフィは、半導体装置を製作するための製造方法の重要な部分である。例えば、米国特許第５，４８３，３４３号明細書にはこのような製造方法のステップの概略が記載されている。これらのステップを、図１５Ａと１５Ｂを参照しながら以下に説明する。図１５Ａは、半導体チップ（例えば、ＩＣまたはＬＳＩ）、液晶パネルまたはＣＣＤ等の半導体装置の製造シーケンスのフローチャートである。ステップ１９５１は、半導体装置の回路を設計する設計プロセスである。ステップ１９５２は、回路パターン設計に基づいてマスクを製造するプロセスである。ステップ１９５３は、シリコン等の材料を使用することによってウェハを製造するプロセスである。

ステップ１９５４は、前工程と呼ばれるウェハプロセスであり、ここではそのように準備されたマスクとウェハを使って、回路がリソグラフィを通じてウェハ上に形成される。ウェハ上に、十分な空間分解能でマスク上のこれらのパターンに対応する回路を形成するために、リソグラフィツールのウェハに関する、干渉方式による位置決めが必要である。本明細書に記載される干渉方式の方法とシステムは特に、ウェハプロセスで使用されるリソグラフィの有効性の改善にとって有益となりうる。

ステップ１９５５はアセンブリステップであり、これは後工程と呼ばれ、ステップ１９５４で加工されたウェハが半導体チップへと形成される。このステップは、アセンブリ（ダイシングとボンディング）とパッケージング（チップ封入）を含む。ステップ１９５６は検査ステップであり、検査ステップで、ステップ１９５５により生産された半導体装置の動作性のチェック、耐久性のチェック等が実行される。これらの工程により、半導体装置が完成し、出荷される（ステップ１９５７）。

図１５Ｂは、ウェハプロセスの詳細を示すフローチャートである。ステップ１９６１は、ウェハ表面を酸化するための酸化プロセスである。ステップ１９６２は、ウェハ表面上に絶縁膜を形成するためのＣＶＤプロセスである。ステップ１９６３は、蒸着によってウェハ上に電極を形成する電極形成プロセスである。ステップ１９６４は、ウェハにイオンを打ち込むためのイオン打ち込みプロセスである。ステップ１９６５は、レジスト（感光材料）をウェハに塗布するためのレジストプロセスである。ステップ１９６６は、上述の露光装置を使って、露光（すなわち、リソグラフィ）を通じてマスクの回路パターンをウェハに印刷するための露光プロセスである。露光プロセスでも、上述のように、本明細書に記載される干渉方式システムと方法の使用によって、このようなリソグラフィステップの精度と分解能が改善される。

ステップ１９６７は、露光されたウェハを現像するための現像プロセスである。ステップ１９６８は、現像されたレジスト像以外の部分を取り除くためのエッチングプロセスである。ステップ１９６９は、エッチングプロセス実行後にウェハ上に残っているレジスト材料を分離するためのレジスト分離プロセスである。これらのプロセスを繰り返すことによって、ウェハ上に回路パターンが形成され、重ね合される。

上述のエンコーダシステムはまた、物体の相対位置を正確に測定する必要のあるその他の用途にも使用できる。例えば、レーザ、Ｘ線、イオン、または電子ビーム等の書込みビームがパターンを基板上に、基板またはビームの何れかを移動させながらマーキングするような用途において、エンコーダシステムを使って基板と書込みビームの相対移動を測定できる。

多数の実施形態が説明された。それでもなお、当然のことながら、様々な変更を加えることができる。例えば、いくつかの実施形態において、モノリシック光学部品は、この部品と一体に形成された別のビームステアリング素子（例えば、格子および／または屈折ウェッジ）を含み、このビームステアリング素子によって、ビームをより望ましい位置へと方向付けるための柔軟性がさらに高まる。あるいは、またはこれに加えて、モノリシック光学部品と一体に形成された他のビームステアリング素子により、干渉方式エンコーダシステムがエンコーダスケールの位置の変動の影響を本来的により受けにくくなるようなビーム形状が可能となりうる。

図１６は、モノリシック光学部品と一体に形成された透過および反射格子のパッチを使用して、エンコーダスケール位置の変動の影響をより受けにくくなるビーム形状を提供するエンコーダヘッドの例を示す。

図１６Ａは、モノリシック光学部品１６１０ａ（例えば、直方体）によって二次元（２Ｄ）エンコーダスケール（例えば、２Ｄ格子）１０５に向けて案内される、最大４つの測定ビームのうちの１つの測定ビーム１６０１だけのビーム経路を示す断面の概略図である。ビーム１６０１は、エンコーダスケール１０５での回折後に、部品１６１０に再び入り、部品１６１０ａの２つの側面ファセットと上面ファットで再帰反射されてから、部品１６１０ａの中に一体に形成された透過格子１６０５のパッチ（patch）に到達する。格子１６０５は、１回回折ビームを略直角でエンコーダスケール１０５へと方向転換させる。測定ビームについて、エンコーダスケール１０５からの２回目の回折が行われる。２回回折測定ビームは、例えば１回回折ビームと同じ回折次数（例えば、＋１次回折）とすることができ、透過格子パッチ１６０５によって初期の入射ビームと反対の方向に沿って（ビーム１６１１）方向転換される。

図１６Ｂは、図１６Ａと同様のエンコーダヘッドの構成であり、モノリシック光学部品１６１０ｂ（例えば、直方体）の上面ファセット上の反射格子１６０６が、１回回折測定ビームの再帰反射を提供し、それによって１回回折測定ビームはエンコーダスケール１０５へと方向付けられる。図１６Ｂに示されるように、反射格子１６０６は透過格子１６０５から横方向にずらされ、ビーム経路を変更せずに、１回回折測定ビームは部品１６１０ｂの下面ファセットを通過できる。２回回折ビームはその後、透過格子１６０５によって入射測定ビーム１６０１に平行で、入射測定ビーム１６０１と反対方向の経路に沿って（例えば、ビーム１６１１）方向転換される。

図１６Ｃは、図１６Ｂに示されるエンコーダの３Ｄ図であり、ここでも１つの測定ビーム経路のみが示されている。図１６Ｃに示されるように、部品１６１０ｂの縁辺は、エンコーダ格子の溝と平行に向けられていない。この構成によって、回折ビームは部品１６１０ｂの２つの側面ファセットおよび上面ファセットの交差部に入射することができる。

その他の実施形態も特許請求の範囲の範囲内である。

Claims (34)

1. エンコーダシステムであって、
   エンコーダスケールと、
   光を前記エンコーダスケールへと方向付けて複数の２回回折測定ビームを生成し、前記複数の２回回折測定ビームの各々を、対応する参照ビームと合成して複数の出力ビームを形成するように構成されたエンコーダヘッドであって、
   前記エンコーダヘッドは複数のファセットを有するモノリシック光学部品を含み、
   前記複数のファセットが、
   複数の１回回折測定ビームを前記エンコーダスケールの表面から受け取り、
   前記複数の１回回折測定ビームを前記エンコーダスケールの前記表面に戻すべく方向転換させるように構成され、
   前記エンコーダスケールが、前記１回回折測定ビームの経路内に位置付けられて、前記２回回折測定ビームを生成し、
   前記２回回折測定ビームは、前記エンコーダスケールに対するリトロウ条件を満たさない、前記エンコーダヘッドと、
   複数の検出素子であって、各検出器が対応する出力ビームを検出するように位置付けられた、前記複数の検出素子と、
   電子プロセッサであって、
   前記検出素子の各々からの干渉信号を受け取ることであって、各干渉信号が、前記２回回折測定ビームのうちの１つと前記対応する参照ビームとの間の光路差に関する位相を含む、前記干渉信号を受け取ること、
   各干渉信号に関する前記位相に基づいて、前記エンコーダスケールの自由度に関する情報を判定することを実行するように構成された前記電子プロセッサとを備える、エンコーダシステム。
2. 前記モノリシック光学部品が立方体の形状を有する、請求項１に記載のエンコーダシステム。
3. 前記モノリシック光学部品が直方体の形状を有する、請求項１に記載のエンコーダシステム。
4. 前記モノリシック光学部品が、非回折測定ビームを受け取り、前記２回回折測定ビームを発するように配置された第一のファセットを含み、
   前記第一のファセットが、前記第一のファセットに垂直な方向に伝播する放射を透過させ、前記第一のファセットに対して傾斜角度で入射する放射を反射する、請求項１に記載のエンコーダシステム。
5. 前記モノリシック光学部品が、１回回折測定ビームまたは２回回折測定ビームを前記エンコーダスケールから受け取るように配置された第二のファセットを含み、
   前記第二のファセットが、前記第二のファセットに垂直な方向に伝播する放射を透過させる、請求項４に記載のエンコーダシステム。
6. 前記第二のファセットが、前記第一のファセットの正面に、前記第一のファセットと対向するように配置される、請求項５に記載のエンコーダシステム。
7. 前記第二のファセットが、前記第一のファセットに対して垂直に配置される、請求項５に記載のエンコーダシステム。
8. 前記第二のファセットが、
   前記第二のファセットに対して第一の傾斜角度範囲で前記第二のファセットに入射する放射を反射し、
   前記第二のファセットに対して第二の異なる傾斜角度範囲で前記第二のファセットに入射する放射を透過させるように構成される、請求項７に記載のエンコーダシステム。
9. 前記モノリシック光学部品の側面ファセットが、前記側面ファセットに対して傾斜角度で入射する放射を反射する、請求項４に記載のエンコーダシステム。
10. 前記エンコーダスケールが１Ｄ格子または２Ｄ格子を含み、
    前記１Ｄ格子または２Ｄ格子が、第一の方向に沿って延びる溝で構成される、請求項１に記載のエンコーダシステム。
11. 前記モノリシック光学部品の側面ファセットを含む平面が、前記第一の方向に対して傾斜角度に向けられる、請求項１０に記載のエンコーダシステム。
12. 前記モノリシック光学部品が正六角柱プリズムである、請求項１に記載のエンコーダシステム。
13. 前記エンコーダヘッドが、非回折測定ビームを第一のビーム経路に沿って前記エンコーダスケールへと方向付けるように構成され、
    前記非回折測定ビームの前記第一のビーム経路が、前記モノリシック光学部品の外側にある、請求項１に記載のエンコーダシステム。
14. 前記エンコーダスケールが、前記モノリシック光学部品に対して、入射ビームを第二のビーム経路に沿って回折させるように位置付けられ、
    回折された入射ビームの前記第二のビーム経路が、前記モノリシック光学部品の外側にある、請求項１３に記載のエンコーダシステム。
15. 前記入射ビームが、前記１回回折測定ビームのうちの１つを含む、請求項１４に記載のエンコーダシステム。
16. 前記モノリシック光学部品が正五角柱プリズムを含む、請求項１に記載のエンコーダシステム。
17. 前記１回回折測定ビームが、
    前記エンコーダスケールからの正の回折次数から得られる第一の１回回折測定ビームと、
    前記エンコーダスケールからの負の回折次数から得られる第二の１回回折測定ビームとを含む、請求項１に記載のエンコーダシステム。
18. 前記第一の１回回折測定ビームと第二の１回回折測定ビームが、第一の平面に沿った正と負の回折次数から取得され、
    前記１回回折測定ビームが、第二の直交する方向に沿って、それぞれ前記エンコーダスケールからの正の次数と負の次数の回折から取得される第三の１回回折測定ビームと第四の１回回折測定ビームをさらに含む、請求項１７に記載のエンコーダシステム。
19. 入力ビームを受け取り、前記入力ビームから、（１）各２回回折測定ビームのための前記対応する参照ビームと、（２）入射測定ビームとを取得するように構成された複数の光学素子をさらに備える、請求項１に記載のエンコーダシステム。
20. 前記複数の光学素子が、
    複数のビームスプリッタと、
    再帰性反射体とを含む、請求項１９に記載のエンコーダシステム。
21. 前記モノリシック光学部品が、
    入力ビームを受け取り、
    前記入力ビームから、（１）各２回回折測定ビームのための前記対応する参照ビームと、（２）入射測定ビームとを取得するように構成される、請求項１に記載のエンコーダシステム。
22. 前記モノリシック光学部品がビーム分離ファセットを含み、
    前記ビーム分離ファセットが、
    前記入力ビームを、前記入力ビームの偏光と、前記ビーム分離ファセットに関する指定の入射角に基づいて分離し、
    前記指定の入射角以外の入射角で前記ビーム分離ファセットに入射したビームを反射するように構成される、請求項２１に記載のエンコーダシステム。
23. 前記モノリシック光学部品から前記参照ビームを受け取り、回折参照ビームを前記モノリシック光学部品へと方向転換させるように位置付けられた参照格子をさらに備える、請求項２２に記載のエンコーダシステム。
24. システムであって、
    移動可能ステージと、請求項１に記載の前記エンコーダシステムとを備え、
    前記エンコーダシステムまたは被測定物の何れかが、前記移動可能ステージに取り付けられる、システム。
25. リソグラフィシステムであって、
    請求項１に記載のエンコーダシステムと、
    移動可能ステージであって、前記エンコーダシステムまたは被測定物の何れかが取り付けられる移動可能ステージと、
    前記エンコーダシステムに連結された照明システムであって、前記照明システムは、放射源を含み、前記放射源が、前記リソグラフィシステムの動作中に前記エンコーダシステムに放射を方向付ける、前記照明システムと、
    前記リソグラフィシステムの動作中に、前記エンコーダシステムから出力ビームを検出する検出器と、
    前記電子プロセッサに連結され、前記エンコーダシステムの変位に関する情報に基づいてステージの位置を調節するように構成された位置決めシステムとを備える、リソグラフィシステム。
26. エンコーダスケールと共に使用するためのエンコーダヘッドであって、
    前記エンコーダヘッドが、複数の２回回折測定ビームの各々を、対応する参照ビームと合成して複数の出力ビームを形成するように構成され、
    前記エンコーダヘッドが、複数のファセットを有するモノリシック光学部品を含み、
    前記複数のファセットが、
    ｉ）前記エンコーダスケールの表面から複数の１回回折測定ビームを受け取り、
    ｉｉ）前記複数の１回回折測定ビームを、前記エンコーダスケールの前記表面に向かって戻すべく方向転換させるように構成され、
    前記エンコーダスケールが、１回回折ビームの経路内に位置付けられて、前記２回回折測定ビームを生成し、
    前記２回回折測定ビームは、前記エンコーダスケールに対するリトロウ条件を満たさない、エンコーダヘッド。
27. 前記モノリシック光学部品の第一の縁辺と前記モノリシック光学部品の反対側の第二の縁辺が、平行から約１０°より小さい角度だけそれている、請求項１に記載のエンコーダシステム。
28. 前記複数の１回回折測定ビームは、単一の非回折測定ビームから取得される、請求項１に記載のエンコーダシステム。
29. 前記複数の１回回折測定ビームは、単一の非回折測定ビームから取得される、請求項２６に記載のエンコーダヘッド。
30. 前記複数の１回回折測定ビームは、前記エンコーダスケールに対するリトロウ条件を満たさない、請求項１に記載のエンコーダシステム。
31. 前記複数の１回回折測定ビームは、前記エンコーダスケールに対するリトロウ条件を満たさない、請求項２６に記載のエンコーダヘッド。
32. 前記第一のファセットは、前記第一のファセットに対して垂直な方向に伝搬する放射の少なくとも７５％を透過させ、前記第一のファセットに対して傾斜角度で入射する放射の少なくとも７５％を反射する、請求項４に記載のエンコーダシステム。
33. 前記第二のファセットは、前記第二のファセットに対して垂直な方向に伝搬する放射の少なくとも７５％を透過させる、請求項５に記載のエンコーダシステム。
34. 前記モノリシック光学部品の側面ファセットは、前記側面ファセットに対して傾斜角度で入射する放射の少なくとも７５％を反射する、請求項９に記載のエンコーダシステム。