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JPS62172203A - 相対変位測定方法 - Google Patents

相対変位測定方法

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Publication number
JPS62172203A
JPS62172203A JP61015368A JP1536886A JPS62172203A JP S62172203 A JPS62172203 A JP S62172203A JP 61015368 A JP61015368 A JP 61015368A JP 1536886 A JP1536886 A JP 1536886A JP S62172203 A JPS62172203 A JP S62172203A
Authority
JP
Japan
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diffraction
wave
diffraction grating
diffracted
relative displacement
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Application number
JP61015368A
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English (en)
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JPH0466295B2 (ja
Inventor
Toshihiko Kanayama
敏彦 金山
Junji Ito
順司 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP61015368A priority Critical patent/JPS62172203A/ja
Priority to DE3702203A priority patent/DE3702203C2/de
Priority to US07/007,378 priority patent/US4815850A/en
Publication of JPS62172203A publication Critical patent/JPS62172203A/ja
Publication of JPH0466295B2 publication Critical patent/JPH0466295B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7049Technique, e.g. interferometric
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36Forming the light into pulses
    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数個の物体の相対変位を当該物体J−に作
製した回折格子による波動の回折中干渉現象を用いて高
精度に測定する方法に関するものである。
〔従来の技術〕
第2図はFlandersらが提案した(Applie
dPhysics Letters 31,426(+
977))回折格子を用い置されている。この構造にお
いて、波動 を回折格子面に垂直に入)4させると、こ
の波動 は回折格子G1とG2+こより、その周期dと
波動 の波長入で定まる角度θ (ds+nθ=n入、
nは回折の次数を表わす整数)だけ回折される。この回
折波の強度は1回折格子01と02の相対位置により変
化するので、そのJlll定により回折格子G1と02
の相対変位、即ち物体1と物体2の相対変位を測定でき
る。特に十〇方向への回折波D+と一〇方向への回折波
D−は、回折格子面内で回折格子に垂直/を方向(X方
向)の相対変位に対して増減の向きが逆の強度変化を示
すため、2つの回折波の強度差I(D+)−1(D−)
の測定により、X方向の相対変位を測定することが原理
的には可能である。
しかし、この第2図の方法は、次に述べる理由回折存子
G1でに次に回折された回折波をD(i、j、k)とし
、回折格子G1の上面で1次に反射回折された回折波を
R(i)で表わすとすると、1次の回折の場合、D+は
R(1)とD (0,0,1) 、D(0,1,0) 
、D C1,0,0) 。
D (0,−1,2) 、D (−1,0,2)等のよ
うにD(i、j、k) (但しi+j+に−1)なる回
折波の合成波である。第2図には簡単のために+((1
,)、D(−1,1,1)、D(Q、0,1) 、I)
(1゜−1,1) 、D (CD、0)のみを示した。
これらの各回折波はその回折次数により、波の位相のX
方向相対変位やG1−62間比重!i[sに対する依存
性が異なる。そのため、D+とD−の強度は、X方向相
対変位とSの複雑な関数となり、 T(D+)−T(D
−)の測定によりX方向相対変位を測定できるのは、極
めて限られたSの値に対してのみに限定されてしまう。
また、この方法ではD÷とD−の強度測定装置の特性に
ずれがあると相対変位の測定値に誤差が生じる。そこで
、測定精度を向上させるためには、D+とD−の強度測
定装置の特性を厳密に一致させる必要があり、高精度の
測定は困難であった。
第3図は木発明者により提案された特願昭60−165
231号の測定方法を示す。ここで、一方の回折格子G
1を2つの部分(Gl と61′)に離間して設けるこ
とにより、第2の回折格子G2に入射する回折波を特定
の回折次数のもののみに制限し、回折格子G2からの回
折波りの強度のGI  G2間距ff1ft Sへの強
い依存性を消滅させている。従って、回折波りの強度を
検出器3で測定することによりSの値に制限されずにX
方向相対変位を測定できる。
しかし このブ丁l−井#)ンケの、ヒうttノじ占か
、τ)0−r用に供する上で障害となっていた。回折i
& D (7)強度1([1)はX方向変位Xに対して
cos2(2yc x/d)(但しdはG1の周期)に
比例する依存性を持つ。
しかし、T(D)の絶対値は多くの因子の影響を受ける
ため、事実上、予測不可能である。従って、1 (D)
の値からXを算出するためには、実際にXを約d/4の
範囲にわたって変化させながらI (D)の変回折波の
強度はSと共に変動するので、Xを高精度で測定するた
めには、測定中のSの変動を許容できないという欠点も
ある。
〔発明が解決しようとする問題点) そこで、本発明の目的は、上述の欠点を除去し′〔、相
対変位を高精度で測定する方法を提案することにある。
(問題点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、複数個の
物体の内の少くとも1つの物体に回折格子を設け、波動
を回折格子により回折させて得た回折波の位相を測定す
ることにより複数個の物体の相対変位を測定することを
特徴とする。
(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1
の物体で反射された後に第2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。
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2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てあり
、上記のような強度変動要因のgf2 ’IBを被り難
い。従って、位相の測定により木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、測定条件か緩和され、測
定可能な範囲を拡大できる。さらに、周波数が数十〇t
(z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。
測定に用いる波動の周波数が数十Gl+z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
いる波動と周波数がわずかに異なり互いに可干渉な波動
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。
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bTi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つの波動か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1411およ
び回折格子と検出器の距頚[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ll’q ’にl!的に向−1−シ、信頼性
が増す。
〔実施例〕
以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。
(実施例1) 第1図(a) 、 (b)は本発明の方法を第3図の従
来方法の構成に適用した例である。第1図<8)では物
体2上に回折格子G2を設ける。これに入射するGドを
配置する。回折格子G2で回折され、さらに回折格子G
1で回折されてIと逆方向に進行する波りと、同様に回
折格子G2に続いて回折格子Gl’で回折された波D′
の位相差φを検出器4および5により測定する。φは物
体1−2間の距m(L Sに全く依存せず、回折格子G
l、 Gl’  、G2の面に平行で、回折格子の方向
に直交する方向(×方向)の物体1−2間の相対変位X
に比例し、φ=4π・nx/+I(ラジアン)である。
ここで、nは回折次数である。これは、DやD′の強度
がSや×に依存することに比17て極めて41純な結果
である。
従って、位相差φの測定により、Sに拘わらずにXを測
定できる。しかも、比例係数n/dの値は容易に高精度
で特定できるので、第3図の従来方法のように、実際に
X方向変位を生じさせることなく、静止した測定でXを
測定できる。また、波動の位相差を、その波の周波数が
数十Gl(z以下ならば、1゛以下の分解能で測定する
ことは容易である。従って、この方法により、Xをd/
720程度の分解能で測定でき、回折波の強度を測定す
る従来方法に比して著しく精度を向上させることができ
る。因みに、第3図(b)のように、物体i上に回折格
子G2を設け、物体2上に回折格子G1. Gl’を設
置しても全く同様にXを測定できる。
(実施例2) 用いる波動の周波数が数+Gtlzを越えると、第1図
(a) 、 (b)のような位相の直接測定は困難にな
る。その場合には、第4図に示すように、回折格子への
入射波It  (周波数f1)および11と可干渉で異
なった周波数f2を持つ波I2を波源6および7より、
そatぞれ発生させ、 I2をり。
D′と同時に検出器4.5へ入射させてDおよびD′と
 12とのうなりの位相差を測定すればよい。この場合
にも、うなりの位相差は第1図の場合と全く同じφ−4
πn−x/dで与えられ、I2を適切に選ぶことにより
うなりの周波数ある。
I2の発生には、種々公知の方法を利用できる。数百G
11zまでの周波数の波動には、電気的なミキサーを用
いることができる。また、光に対しては、電気光学素子
や音響光学素子、振動鏡、回転1/4・波長板を用いて
 rlと可干渉で周波数の異なった光を発生できる。ゼ
ーマン・レーザはレーザ媒体に磁場を加え、偏光状態と
周波数の異11っだ2つの可干渉光を同時に発生ずるレ
ーザであるが、第4図の例に極めて有用である。
(実施例3) 第5図は、互いに可干渉で周波数が異なり、偏光方向が
直交した直線偏光光を同一光束より得る場合(横ゼーマ
ン・レーザにより容易に得られる)に、第4図の構成を
簡略化した例である。第5図において、8は偏光ビーム
スプリッタであり、周波数f1の光11を通過させて1
74波長板9を経て回折格子G2に導くと共に、周波数
f2の光■2を反射させ1/4波長板10を経て平面鏡
11に導く。回折格子G2からの回折光り、D′は偏光
ビームスプリッタ8で反射ざ才1、平面鏡11で反射さ
れた完工、と共に検出器4,5に入射する。第5区の構
成は第4図よりも光学系の調整が容易である。
(実施例4) 第6図の例では回折格子Gl、 Gl’  、G2の配
atは第3図と同扛である。回折格子G2に周波数f1
の波動11を入射させ、回折格子G1. Gl’ に周
波数12の波動12を入射させる。回折格子G1゜Gl
’  、G2の周III dt 、dt ’  、d2
は必ずしも一致している必要はなく、回折格子G2によ
る光■1の回折波の中に回折格子G1およびGl’  
による光I2の回折波と方向とが一致するものがあれば
よい。
このためには、 dl /d2 =m/n、 d’ /
d2 =u/n(It 、m、nは整数)であればよい
。しかし、低次の回折の方が回折効率が高いので、 d
1=  d2 =di′  とするのが実用的である。
ここで2回折光り、D’ が回折格子62による完工1
の回折波と回折格子Gl、 (il’  による光■2
の回折波とが重畳した回折波であるときには、回折光り
、D′の強度は周波数1  fl−I21のうなりを生
じている。回折光りおよびD′のうなりの位相差φは、
X方向の相対変位Xどφ−4πnx/d2なる関係にあ
るため、φの測定により回折格子G1およびGl’  
と62との距m sに依らずにXを高精度で測定できる
第6図の方法には、l  fi−I21をflまたはI
2より十分小さく設定すると、φが回折格ぞG1. G
l’ から検出:!tY4.5までの即問1の変動に依
存しなくなるという特長かある。回折格子G1と倹土器
4の距離と、回折格子Gl’  と検出器5の距離の差
を△Lとすると、△Lに起因する位相差は2π△Ll 
 ts−I21  /c  (但しCは波動の速度)と
なり、1flf2+を適当に選ぶことにより無視できる
値にすることは容易である。したがって、この方法は、
実施例1〜3に比して測定系の調整が著しく簡単になり
、しかも外部からの擾乱も受は難い。
第6図において、光■2を回折格子G2を含めて構成は
容易になるので、物体1と物体2の位置合わせの様に、
x=Oの検出に用いる場合に有用である。この様な照射
系を構成するためには、例えば光■1 と I2が偏光
方向の異った直線偏光の光の場合、集束光学系の中に光
学異方性材料を挿入して光11 と I2の光路長に差
を生じさせ、完工1のみが回折格子G2に集束されるよ
うにすればよい。
また、上記の様に、光I、 、I2が偏光状態の異なる
電磁波である場合には、光■2を全体に一様に入射させ
ても、回折格子Gl、 Gl’ のみに照射した場合に
等しい効果を生じさせることができる。
そのためには、検出器4.5の前方に174波長板と回
折成分のみを消光することが可能である。
(実施例5) 第7図のように、物体1上に等しい周期d1を持つ回折
格子Gl、 Gl’ を配置し、回折折子Glに周波数
f1の波動11を入射させ、回折折子Gl’ に周波数
f2の波動I2を入射させる。光11およびI2の回折
格子Gl、 Gl’  による同−次の回折波が物体2
に照射される位置に回折格子G2を設ける。この回折格
子G2の周期dは、例えばd2=d1あるいはd2=1
.5d□の様に、回折格子G1に続いて回折格子G2で
回折された波と回折格子Gl’に続いて回折格子G2で
回折された波が同一方向に進行する様に選ぶ。d2=1
゜5d1の場合、回折格子Glで1次の回折を受けた後
、回折格子G2で一1次回折された波と、回折格子Gl
’ で−1次、さらに回折格子G2で2次の回折を受け
た波が同一方向への回折波となる。但し、 dlがdl
の整数倍の時には回折格子Glからの回折波が回折格子
G2で回折されて再び回折格子Glへ戻り、測定結果の
相対変位依存性を複雑にするので、 dlはdlの非整
数倍にするのが望ましい。
上記の構成を採った場合、第7図中に示した様に、少く
とも3つの回折波り、 、D2.D3が周波数1f1f
21のうなりを呈する。このうなりの位相の差は φ(D2)−φ(Di  ) = 1/2 (φ(D3
)−φ([1,))4πnx 但し、φ(Di)はDIのうなりの位相、nはGl。
Gl’ での回折次数、XはX方向相対変位となる。
従って、φ(Di)の測定によりXを測定できる。
この方法は、実施例4よりも照射系の構成が容易である
という特長を持つ。特に、光11.I2が異なった方向
に直線偏光した光の場合、適当な複屈折板を通過させる
のみで第7図に必要な2重光束が得られる。
(実施例6) 測定に用いる2つの波動11.I2(各周波数をfl、
I2とする)が偏光状態の異なる電磁波である場合、回
折格子による回折効率が偏光状態によって異なることを
利用して、相対変位測定に必要な照射測定系を著しく簡
単にできる。第8図はその一例であり、回折格子Gl、
 Gl’  、G2の構造と配置は第7図と同じである
。回折格子G2の周期d2は、回折格子Gl、 Gl’
 の周期d1の整数倍ではない値、例えばd2=1.5
d1とする。この構成全体に、偏光状態と周波数の異な
る電磁波I、 42の合成波Iを入射させると、回折格
子G1で−】次回折された後に回折格子G2で2次の回
折を受けた波と、回折格子Gl’ で1次回折され、さ
らに回折格子G2て一1次回折された波との合成波Da
と、Daと逆符号の回折を経た波Dbが得られる。
Da、Dbは適当な方向の偏光子21.22を経て検出
器4.5に入射させる。このDaとDb中のうなりの位
相差を測定し、物体1と2との間のX方向の相対変位を
測定する。回折格子G1とGl’  との間には、Da
、Dbおよび回折格子G2からの1の回折波の主要部分
が回折格子Gl、 Gl’  に入射しない様に回折格
子のない領域を設ける。また、第8図の例とは逆に物体
2上に回折格子Gl、 61’ を設け、物体2上に回
折格子G2を配置して回折格子62側から光Iを入射さ
せてもよい。
この方法で、Xを測定できる理由は次の通りである。第
8図に示した偏光子21.22で規定される偏光方向で
測定した場合に光■1のGl’ −+Daの複素振幅回
折効率をγ、 、G1→Daの回折効率をγ1α、光■
2に対して、それぞれ、γ2 。
γ2βとするとDaの振幅A(Da) は八(Da) 
 = 71(e−’ + a e” ) A1 +7.
 (e−’+βeLJ )へユとなる。但し、 A1 
と 八2はそれぞtl、cx、 Gl’ 士での 11
 と I2の振幅てあり、δ= 2πx / d 1〔
ある。回折効率は〜般に偏光状態により異なるので11
と 12か共に円偏光の揉な対称性:の高い場合を除い
てαNβである。また、Dl)の振幅は八(Da)でδ
−−δどしたものに等しい。従って、δの値によりDa
とl)bのうなりの位相が変化し、その位相差は φ(D 1))−φ(Da) となり、その測定によりXを決定できる。
実際の測定では、 I1 と I2が互いに偏光方向が
直交した直線偏光光である場合が実用性が高い。この場
合には、1つの成分、例えば 11の(辱光方向を回折
格子の方向に一致させ、他方の偏光方向を直交させると
、φ(Db)−φ(Da)が検出器の111の偏光子2
1.21の設定方向に依らなく f、’11−るからで
ある。また、 11.I2の偏光方向を回転さ−υて、
jijlJ定精度が最大になる方向を選ぶことも容易で
ある。
第8図の方法によっても、物体1−2間の距離Sに関係
なくXを高精度に測定できる。この方法は照射系の構成
が単純なため、調整が容易である。そのため、外部擾乱
の影響を受は難く、安定性が高い。また、この構成には
、回折格子Gl。
Gl’ からの回折波り、D′のうなりの位相測定によ
り測定に必要な調整を行うことができるという特長があ
る。D、D′のうなりの位相はXに依存せず、回折格子
G1. Gl’  と62の平行性および■の回折格子
面への垂直性により変化する。従って、DとD′のうf
<りの位相差が消失する様に回折格子やIの傾きを調整
すれは、Xの測定に必要な調整を完了させることかでき
る。この調整は測定(I化度の向上に極めてイ1効であ
る。
」二記の方法により実際に高精度の測定が可能であるこ
とを次の例について確5−αすることかてきた。SiO
□より成る物体1+にへu薄膜を格子状に配列して回折
格子G1. Gl’  を構成し、Slより成る物体2
に幅0.4μmの溝加工を行って回11F格子G2を作
製した。回折格子Gl、 Gl’ の周期は0.871
mとし、回折格子G1とGl’  との間に75μmの
間隙を設けた。回折格子G2の周期は1.2μmとした
。これにtie−Ne横ゼーマンレーザからの波長63
2.8nmの光を垂直に入射させた。うなり周波数は約
300KHzであり、2つの直線偏光成分の内、一方の
偏光方向を回折格子の方向に一致させ、検出器の前に回
折格子の方向から45°の方向の偏光子を挿入した。こ
の時、αとβの値はほぼ0.5および06となり、Da
とDbのうなり成分の位相差を1゜以」二の精度で測定
でき、Xの値を0.01t1mの精度で決定できた。こ
の特性は、物体1と2どの間の距升を2071mから7
0μmにわたー〕で変化させてb、そ1れに関係なく得
ることかできた。
(実施例7) 第9図は、本発明の方法を第2図の従来方法に適用しノ
た例である。第2図において、DlとD−の振幅へ+、
A−は回折格子G2で1次の回折のみを受けると17だ
場a、人I)]波の振幅をAoとしてA+= 7 (1
+ a e−’+βe”)A。
A−= Y (1+ CE e”+βe”)A。
となる。ここで、γ、α、βは第2図の2重回折格子の
複素振幅回折効率であり、その位相はG1−62間比重
Sの複雑な関数となっている。また、2π X δ=□、dは回折格子の周期である。このとき2つの回
折波の強度差は、 I(D+) −I(tl−) =4 1 y l 2重
m((α−β)sinδ+αβ5in2δ)lAO12 となる(Imは虚数部分を表わす)。従ってI (D+
)−I(D−)のδすなわちXへの依存性は、α、βの
虚数部分の値により定まる。α、βの虚数部分は物体1
−2比重atSにより敏感に変化するので、第2図の従
来方法はSの変動の影響を大きく被ることとなる。
しかし、これに本発明の方法を適用すると、次の理由に
より特性が改善される。入射波■が周波数と偏光状態が
異なる2つの電磁波11と 12の和である時、トとD
−の強度はうなりを呈する。
この時検出器4.5の前に適当な方向の偏光子21.2
2を配した方か大きなうなりが得られる。
11およびI2の偏光状態に対する複素振幅回折効率を
それぞれI1 、G1 、β1およびI2 。
G2 、β2とすると、D+とD−中のうなりの位相差
はδが1より十分小さい場合にα□−α′2+β1−β
82にほぼ比例する。この量は、α 、βの虚数部分に
比してSへの依存性が大幅に小さい。従って、D+とD
−のうなり成分の位相差の測定により広いSの範囲にわ
たってXの測定が行える。また、位相測定は強度測定よ
り外部要因による変動を受は難いので、この理由によっ
ても高精度化が達成できる。
実際に、本発明の方法により次の様な顕著な特性改善が
達成できた。回折格子Glとして、5j02より成る物
体1上にAu薄膜を格子状に配列したものを用い、回折
格子G2としてはSiより成る物体2に幅0.4μmの
溝加工を行って作製したものを用いた。回折格子Glと
62の周期は共に1μmとした。入射波■として、実施
例6と同根に、1ie−Ne横ゼーマンレーザからの光
を用い、成分光の偏光方向を回折格子の方向とそれに直
交する方向とに採った。この実施例において本発明の方
法を用いない第2図の場合には、X方向の相対変位を測
定するに際し、回折格子Glと62との間の距@Sを入
射波Iの波長と回折格子Gl、G2の周期で定まるいく
つかの最適値(例えば22.23 μm)に誤差10n
m以内で設定しなければならず、従って、実際の測定に
用いることは事実上不可能であった。しかし、本発明の
方法を用いることにより、このSへの制限をほぼ消滅さ
せることができ、ある特定の値、すなわちS (sec
θ−1)が半波長の整数倍となるS(θ;39°は回折
角)の付近±O21μmを除いて10〜iooμmに及
ぶ広いSの範囲でX方向の相対変位を0.05μm以上
の精度で測定することができた。
(実施例8) 第10図は、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例である。第10図の様に、
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■を入射させる。
この時、回折波りは回折格子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。
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は易いこととも相俟って、
測定精度はλ/20(えはIの波長)に限られていた。
この第10図の例に、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11と 12を持つ電磁波を用い
、回折波りのうなり成分の位相を測定すれはよい。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
方か強いうなりが得られる。
この様な測定でSを測定できるのは次の理由による。1
)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 11および
I2起源の成1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。
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。
(実施例9) 前述の実施例6の方法は、2つの物体間にレンズ等の光
学系が介在する場合にも適用することができる。第11
図で物体1上の回折格子Gl(周期dx )の像が、レ
ンズ系し1,1.2により物体2」二の回折格子G2(
周1Jld2 )上に投影されている6Glの物体2−
トの投影像の周期d、 r は、例えばd2/ d、 
’  =1.5なるように選ぶ。G1面に垂直に、偏光
状態と周波数の異なる光t、 、12の合成技工を人射
さVる。ざらに、mlの焦平面ニ必当な空間フィルタを
配置1八■のGlによる適当な次数(例えば±1次)の
回折のみか通過して、物体2上に結像されるようにする
この構成で、実施例6と全く同じ原理により、G2から
の回折波DaとDbの中のうなりの位相差を測定するこ
とにより、物体1と2の回折格子面内方向(図中X方向
)の相対変位を測定できる。
この相対変位測定は、G1の像が厳密にG2JIに結像
されずに、焦点はずれの像になっていても、はぼ精度を
減じることなく行うことかできる。また、レンズ以外に
凹面鏡等の投影光学系を用いても、本実施例と同様に相
対変位測定が行える。
本実施例の構成は、現在、超LSIの製産に多用さ打て
いる縮小投影露光機でのレチクルと半導体ウェーハの高
精度位置合せに極めて有用である。
さらに、適当な光学系を用いることにより、2つの回折
格子G1と62が平行でない場合に本実施例の方法を適
用するのは容易であり、投影光学系の中に偏波面保存光
ファイバを用いることにより、[,1とG2の距離を任
意に離すことも可能である。以上のように、本実施例の
方法は、様々な物体の配置に適用して、高精度な相対変
位を実現できる。
(発明の効果) 以上詳述した様に、木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か、木発明
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、木発明は高精度な
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才]ている
りソゲラフイエ程での露光用マスクと半導体ウェーハの
相対変位測定・\適用してきわめて有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図(ii) 、 (11)は木発明の2実施例を示
す線図、 第2図J、5J:び第3図は従来例の説明図、第4図〜
第11図は本発明の他の実施例を示す線図である。 1.2・・・物体、 3.4.5・・・検出器、 6.7・・・波源、 8・・・偏光ビームスプリッタ、 9.10・・・1/4波長板、 11・・・平面鏡、 21.22・・・偏光子、 ]、1.L2・・・レンズ系、 G、Gl、 Gl’  、G2・・・回折格子、D、D
’  、D+、D−、D、 、D2 、D3.Da、D
b−・・回折波i、+1.丁、・・・人射波、 R(i)・・・回折格子で1次に反射回折された波動、 D(i) 、D(ij) 、D(ij、k)・・・第1
の回折格子で1次の回折を受は第2の回折格子て5次に
回折さ;I]k後に、第1の回折格子てに次回折さ れた。・皮硯L θ・・・回折角。 本発Ef!雲絶Ilワ11の線図 第1図 、−−2’aイン本、 イ迫来例の説明図 第2図 Lプ→ζ;づる−コと7〕琢υZ) 第3図 本発明実施伊1の線図 第4図 本発日月寅左巨011の見く図 第5図 本発明雲施例(の線図 第6図 /−一2 本発曲実施イタ110練図 第7図 木発朗雲距伊Iの線図 第8図 未発B月鴬施了911の線図 第10図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)複数個の物体の内の少くとも1つの物体に回折格子
    を設け、波動を前記回折格子により回折させて得た回折
    波の位相を測定することにより前記複数個の物体の相対
    変位を測定することを特徴とする相対変位測定方法。 2)上記回折波の位相測定を、互いに可干渉で周波数の
    異なる複数個の波動の干渉により生じるうなりの位相を
    測定することにより行うことを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の相対変位測定方法。 3)上記複数個の波動が互いに偏光状態の異なる電磁波
    であることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の相
    対変位測定方法。 4)上記偏光状態の異なる電磁波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
    3項記載の相対変位測定方法。
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