JPH0676882B2

JPH0676882B2 - 相対変位測定方法

Info

Publication number: JPH0676882B2
Application number: JP11973592A
Authority: JP
Inventors: 敏彦金山; 順司伊藤
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1992-04-13
Filing date: 1992-04-13
Publication date: 1994-09-28
Anticipated expiration: 2009-09-28
Also published as: JPH05133720A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相対変位測定方法に関
し、特に複数個の物体の相対変位を当該物体上に作製し
た回折格子による波動の回折・干渉の現象を用いて高精
度に測定する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１および図２に示す従来の相対変位測
定方法は、Ｘ線リソグラフィのマスクとウェーハの距離
測定などに用いられている方法である。図１の方法で
は、平行に配置された２つの物体１，２に電磁波Ｉを入
射させ、反射波の強度を検出器４で測定する。図２の方
法では２つの物体１，２の内の１つに回折格子Ｇを設け
て回折波の強度を検出器４で測定することにより、半透
鏡を不要にしている。

【０００３】これらの従来方法では、反射波または回折
波の強度が、２物体間の距離ｓと共に周期的に変化する
ことを利用してｓを測定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反射波
または回折波の検出強度は多くの因子の影響を受けるた
めに、事実上、予測不可能である。このため、上記のよ
うな従来方法で距離ｓを測定するには、実際に物体を変
位させて強度変化を観測し、強度が極大あるいは極小に
なるｓの値を予め決定しておく必要があった。また、強
度測定は、光源や途中の光学系，検出器などの特性のわ
ずかな変化の影響を被り易いために、達成できる精度が
限られていることも欠点であった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、上述の欠点を除
去して、相対変位を高精度で測定する方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、互いに平行配置した２個の物体の
片方にのみ回折格子を設け、一方の側から前記回折格子
に向かって互いに可干渉で周波数と偏光状態が異なる複
数個の波動からなる電磁波を入射させ、前記回折格子で
回折させて得た回折波と、前記回折格子で回折させた後
に前記物体の内で回折格子を有さない物体の面で反射さ
せた回折波と、前記物体の内で回折格子を有さない物体
の面で反射させた後に前記回折格子で回折させた回折波
と、前記回折格子で回折させた後に前記物体の内で回折
格子を有さない物体の面で反射させ、さらに前記回折格
子で回折させた回折波との内、少なくとも２つの回折波
を含む合成波を取り出し、該合成波の強度のうなりの位
相から前記２個の物体間の距離を測定することを特徴と
する。

【０００７】また、本発明はその一形態として、前記偏
光状態が異なる複数個の波動が、異なる方向に直線偏光
した電磁波であることを特徴とする。

【０００８】本発明の構成を採ることにより、極めて簡
単な構成で回折格子以外に光学部品を必要とすることな
く、高精度なヘテロダイン測定を実現できる。

【０００９】ここで、回折波とは、単に１つの回折格子
で回折された波動のみではなく、(1) 第１の物体上に設
けた回折格子で回折され、さらに第２の物体で反射され
た波動、(2) 第１の物体上に設けた回折格子で回折さ
れ、さらに第２の物体上に設けた回折格子で回折された
波動、(3) 第２の物体で反射され、さらに第１の物体上
に設けた回折格子で回折された波動、などをも含め、少
なくとも１つの回折格子を設けた複数個の物体に波動を
入射させたときに、回折格子による回折を少なくとも１
回経て特定の方向に出射される波動を総称する用語とし
ても用いている。

【００１０】

【作用】本発明は、次に述べる原理に基づく。第１の物
体上の回折格子で回折され、第２の物体で反射されるか
またはその物体上に設けた回折格子で回折された波動お
よび第２の物体で反射された後に第１の物体上の回折格
子で回折された波動は、２つの物体の相対位置に応じて
位相が変化している。そのため、回折波の位相を測定す
ることにより、２物体間の相対変位を測定できる。

【００１１】従来の方法は、回折波の強度が２物体の相
対変位により変化することに基づいていた。しかし、回
折波の強度は、測定すべき相対変位以外に種々の要因に
より影響を被り易い。例えば、２つの回折格子の重合状
態，２つの回折格子どうしの見込み角，検出器からの回
折格子の見込み角，入射波の強度等の要因である。これ
に対して、回折波の位相は基本的に波動の通過距離で定
まる量であり、上記のような強度変動要因の影響を被り
難い。従って、位相の測定により本質的に高精度で外部
擾乱に対して安定な相対変位測定が行える。また、これ
と同じ理由により、測定条件が緩和され、測定可能な範
囲を拡大できる。さらに、周波数が数十GHz 以下なら
ば、波動の位相を１゜以上の精度で測定することは容易
であり、この理由によっても強度測定よりも高精度化が
図れる。

【００１２】測定に用いる波動の周波数が数十GHz を越
えると、位相の高精度測定が困難になる。この場合には
測定に用いる波動としてある波動と、その波動とは周波
数がわずかに異なり互いに可干渉な波動とを用意し、両
者を干渉させてうなりを生じさせ、そのうなりの位相を
測定すればよい。このような２周波数の波動のうなりを
用いるヘテロダイン測定は回折格子を用いた相対変位測
定に対して特に有効である。回折格子への２つの波動の
入射方法を工夫することにより、他に構成部品を必要と
することなく、うなり信号を得ることができるからであ
る。このような構成をとると、うなり信号の位相は回折
格子と検出器の距離にほとんど依存しなくなる。その結
果、測定系の調整が著しく容易になり、また、外部擾乱
に対する安定性も向上する。

【００１３】測定に用いる周波数の異った２つの波動が
偏光状態を異にする電磁波である場合、回折格子による
回折効率や物体での反射率が偏光状態によって異なるこ
とを利用して、波動の入射方法を著しく簡単化できる。
この場合には、２つの電磁波を全く分離することなく同
一光束として入射させるのみで、測定に必要なうなり信
号を得ることができる。但し、この時、適当な偏光子を
用いて検出器への入射波の偏光状態を制限した方がより
大きなうなり信号が得られる。この方法では、ヘテロダ
イン測定を形成する２つの波動が全く同一の経路を進行
するため、うなり信号の位相は波源と回折格子の距離お
よび回折格子と検出器の距離にほとんど依存しない。そ
のため、測定系の調整は格段に容易となり、外部擾乱へ
の安定性も飛躍的に向上し、信頼性が増す。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１５】図３は、本発明の方法を回折格子面に垂直
な方向の相対変位の測定に適用した実施例を示す。図３
に示す様に、互いに平行に配置した２物体の内、１つの
物体上に回折格子Ｇを形成し、これに垂直に電磁波Ｉを
入射させる。この時、回折波Ｄは回折格子Ｇの上面で反
射回折された波と回折格子Ｇで回折された後に物体２で
反射された波および物体２で反射後に回折格子Ｇで回折
された波の合成波となる。

【００１６】従来の方法ではＤの強度を測定して物体 1
−2 間距離Ｓを測定していた。そのため、Ｓの値を特定
するためにはＳを変化させてＤの強度を変化させてみる
必要があり、また、入射波強度の変動を受け易いことと
も相俟って、測定精度はλ/20(λはＩの波長) に限られ
ていた。

【００１７】この図３の例に、本発明の方法を適用して
精度を向上させることは容易である。入射波Ｉとして周
波数と偏光状態の異った２成分 I₁と I₂ を持つ電磁波
を用い、回折波Ｄのうなり成分の位相を測定すればよ
い。このような電磁波は、例えばゼーマンレーザを用い
ると簡単に得られる。ここで、検出器４の前に適当な方
向の偏光子21を挿入した方が強いうなりが得られる。こ
こで、入射波として用いる偏光状態が異なる複数個の波
動が、異なる方向に直線偏光した電磁波である方が、２
物体間の距離ｓの変化によるうなりの位相の変化がより
顕著になる。その理由は、本発明は回折格子の回折効率
や物体表面での反射率が偏光状態で異なることを利用す
るが、一般にこのような変化は直線偏光の偏光方向を変
えたときに最も大きくなるからである。このような異な
る方向に直線偏光した互いに可干渉で周波数の異なる電
磁波は、例えば横ゼーマンレーザにより容易に得られ
る。

【００１８】この様な測定でＳを測定できるのは次の理
由による。Ｄは経路の異なる回折波の合成波である。こ
の各回折成分ごとに、振幅回折効率の偏光状態依存性が
異なる。物体 1−2 間を往復した電磁波は、Ｓに応じた
位相遅れを生じている。この位相遅れ量も、各回折成分
ごとに異なる。そのため、Ｄを構成する I₁ および I ₂
起源の成分の位相遅れのＳ依存性が異なることとなり、
うなりの位相がＳに応じて変化する。

【００１９】本発明の方法により、うなりの位相を１゜
程度の精度で測定すると、Ｓの測定精度を容易にλ/100
以上にすることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明は回折格子に
よる波動の回折効果を用いた種々の相対変位測定法に適
用して、その特性を著しく改善できる。また、以上の実
施例では、２物体間の相対変位測定の例についてのみ述
べたが、本発明の方法を組み合わせて、３個以上の物体
の相対変位測定に拡張するのは容易である。従って、本
発明は高精度な相対変位測定を必要とする産業分野で広
範な応用が可能であり、特に電子デバイス製造産業で多
用されているリソグラフィ工程での露光用マスクと半導
体ウェーハの相対変位測定へ適用してきわめて有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例の構成を示す配置構成図である。

【図２】従来例の他の構成を示す配置構成図である。

【図３】本発明の一実施例の構成を示す配置構成図であ
る。

【符号の説明】

１，２物体４検出器 21 偏光子Ｇ回折格子Ｄ回折波Ｉ，Ｉ₁ ，Ｉ₂ 入射波Ｒ(i) 回折格子でｉ次に反射回折された波動Ｄ(i),Ｄ(i,j) 回折格子でｉ次の回折を受け、物体２
で反射された後に再び回折格子でｊ次に回折された波動 θ 回折角ｓ距離

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに平行配置した２個の物体の片方に
のみ回折格子を設け、一方の側から前記回折格子に向かって互いに可干渉で周
波数と偏光状態が異なる複数個の波動からなる電磁波を
入射させ、前記回折格子で回折させて得た回折波と、前記回折格子で回折させた後に前記物体の内で回折格子
を有さない物体の面で反射させた回折波と、前記物体の内で回折格子を有さない物体の面で反射させ
た後に前記回折格子で回折させた回折波と、前記回折格子で回折させた後に前記物体の内で回折格子
を有さない物体の面で反射させ、さらに前記回折格子で
回折させた回折波との内、少なくとも２つの回折波を含
む合成波を取り出し、該合成波の強度のうなりの位相から前記２個の物体間の
距離を測定することを特徴とする相対変位測定方法。
【請求項２】前記偏光状態が異なる複数個の波動が、
異なる方向に直線偏光した電磁波であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の相対変位測定方法。