JP2007052022A - 物体を測定するためのシステム及び垂直変位を測定するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物体高度の測定のために動的測定範囲を拡大できるシステムを提供する。
【解決手段】本発明のシステムには、物体（１２０）に取り付けられ、測定ビームをＸ方向の進行からＺ方向の進行に変更する測定反射器（１２２）と、物体に取り付けられて、Ｘ方向の参照ビームを逆転させて戻す参照反射器（１２４）と、測定反射器への単一通過のため、測定ビームをＸ方向に仕向け、参照反射器への初回と２回目の通過のため、参照ビームをＸ方向に仕向ける光学系（１１０）と、物体の上方で、測定ビームを測定反射器に戻し次いで測定反射器が光学系に戻すようにする上置反射器（１３２）と、参照ビームの２回目の通過と測定ビームの単一通過の完了後、Ｚ方向における物体の相対的変位を表す、測定ビームと参照ビームの差、を測定する検出器（２５０）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は物体の移動の測定に関し、特に垂直移動も測定できる簡易な装置に関する。

平面鏡干渉計を利用して、ウェーハ処理システムにおける精密ステージの位置、配向、および、移動を測定することが可能である。こうした用途の場合、一般に、測定されるステージに平面鏡が取り付けられ、干渉計が、１つあるいは複数の測定ビームを送り出して、平面鏡から反射させる。各測定ビームは、一般に、別個の干渉計チャネルに対応するが、通例、二重通過型（デュアルパス）干渉計と呼ばれる一部の干渉計では、平面鏡から２つの反射を生じさせるように各測定ビームを仕向けた後、測定ビームと参照ビームを結合し、信号処理を行って、測定結果を出す。

多数の干渉計チャネルが同じ平面鏡を利用することで、ある平面上の離隔した点までの距離を測定し、その結果、１つのステージの多自由度を測定することが可能である。すなわち、同じ平面鏡上の３つの別個の点における並進を測定する３つの干渉計チャネルは、Ｘ軸またはビーム軸に沿ったステージの並進、Ｘ軸に対して垂直なＹ軸まわりにおけるステージのピッチ回転、および、ＸおよびＹ軸に対して垂直なＺ軸まわりにおけるステージのヨー回転を識別することが可能である。システムがアッベ・エラー、すなわち、ステージの回転に起因する変位エラーの影響を受けやすい場合、ステージの回転を測定することが重要になる。

平面鏡干渉計の各チャネルの動的測定範囲は、平面鏡の回転（例えば、ピッチ回転）によって測定ビームが偏向し、反射測定ビームが参照ビームとの再結合に必要な光路を「ふみはずす（ウォーク・オフ）」可能性があるので、一般に制限される。構成によっては、測定に関するダイナミック・レンジが、測定ビーム半径ｗを測定ビームの光路長（例えば、干渉計から複光路干渉計の平面鏡まで延びる距離Ｌの約４倍）で割った値にほぼ等しいものもある。従って、回転測定のダイナミック・レンジは、一般に、約ｗ／４Ｌラジアンに制限される。ビーム幅ｗが増すと、動的測定範囲を拡大することが可能になる。しかしながら、ビーム幅を増すには、一般に、より大きい、従って、より高価な光学素子が必要になり、ウェーハ処理装置のような複雑なシステムには、大型干渉計に十分なスペースがない可能性がある。

別個の平面鏡干渉計を利用して、Ｚ軸（すなわち、投影レンズの焦点軸）に沿ったステージの位置または移動を測定することも可能である。しかしながら、この干渉計が、ステージの投影レンズ側にある場合、投影領域外の平面鏡を含めるため、ステージをより大きくする必要がある。この結果、ウェーハのスループットが減少する可能性がある。あるいはまた、干渉計が投影レンズの反対側にある場合、一般に、ステージ下の石のような中間基準が必要になるが、これによって、投影レンズに対する中間基準の相対位置の追加測定が必要になる。

先行技術文献（例えば、特許文献１および２参照）には、ステージの高度を測定することが可能な干渉計システムの記載がある。こうしたシステムの場合、ステージに取り付けられた反射器が、（Ｘ軸に沿った）水平入射光路から（Ｚ軸に沿った）垂直反射光路に測定ビームを反射する。垂直方向に向けられた測定ビームが、ステージ上方に取り付けられた反射器によって反射されて、ステージ上の反射システムに戻り、そこで、干渉計光学素子に戻る水平方向の復光路に方向転換される。こうして、測定ビームの全位相変化またはドップラ・シフトが、水平成分および垂直成分を有する光路に沿った距離または移動を示す。別個の干渉計チャネルによって、光路の水平成分を測定することができるので、垂直成分または高度の測定値を抽出することが可能になる。これらの高度測定は、少なくとも、水平成分を測定して取り去る必要があるので、一般に、上述のダイナミック・レンジの制限を受けやすい。
米国特許第６，０２０，９６４号明細書 米国特許第６，６５０，４１９号明細書

既存の干渉計の制限に鑑みて、本発明の目的は、大型の光学素子を必要とすることなく、高度または垂直並進を測定するため、動的測定範囲を拡大することが可能なシステムおよび方法を提供することにある。

本教示による実施形態の１つによれば、干渉計によって、干渉計とある物体との離隔方向に対して垂直なその物体の変位を測定するための広いダイナミック・レンジが得られる。この干渉計は、参照反射器と、測定される物体上の測定反射器を利用する。測定反射器は、物体の上に取り付けられたポロ・プリズムに測定ビームを反射し、参照反射器は、参照ビームを直接干渉計に戻す。干渉計の第２のポロ・プリズムは、参照ビームを再帰させて、２回目の通過と参照反射器からの反射とを生じさせることが可能である。ポロ・プリズムは、ステージの回転時に生じるビームのウォーク・オフを減少させることが可能である。ポロ・プリズムによって改善されないステージの回転に関する他の効果は、測定ビームおよび参照ビームにとって同様のため、ウォーク・オフはわずかである。従って、大きいビーム直径を必要とすることなく、広いダイナミック・レンジを実現することが可能である。

干渉計システムの典型的な実施形態の１つは、測定反射器および参照反射器が取り付けられたウェーハ・ステージのような物体を測定するためのものである。この干渉計システムには、測定ビームおよび参照ビームを、それぞれ、測定反射器および参照反射器に向けてＸ方向に仕向ける光学素子が含まれている。測定反射器は、測定ビームをＺ方向に方向転換し、参照反射器は、参照ビームを干渉計光学素子に送り返す。ポロ・プリズムのような反射器が上置反射器として物体の上にあって、測定ビームを測定反射器に送り返すように配置されており、さらに、測定反射器によって方向転換された（送り返された）測定ビームは、干渉計光学素子に戻される。次に、干渉計によって、参照ビームが方向転換されて、参照反射器への２回目の通過が実施され、参照反射器によって、干渉計に戻される。干渉計光学素子によって、測定ビームと参照ビームが結合され、検出器によって、結合ビームが電気信号に変換され、その電気信号から、Ｚ方向における物体の相対変位の測定値が求められる。

本教示によるもう１つの典型的な実施形態は、偏光ビーム分割器、測定反射器、第１のポロ・プリズム、参照反射器、および、検出器を含む干渉計システムである。偏光ビーム分割器によって、入射ビームが測定ビームと参照ビームに分割される。測定反射器は、偏光ビーム分割器から測定ビームを受光し、第１の光路から第２の光路に反射する。第１のポロ・プリズムは、測定ビームを受光し、第２の光路からオフセットした第３の光路に沿って、測定反射器に戻す。第２および第３の光路は、第１の光路に対してほぼ垂直である。参照反射器は、測定反射器に対して固定されており、偏光ビーム分割器から参照ビームを受光すると、それを反射して、偏光ビーム分割器に戻すように配置されている。偏光ビーム分割器によって、測定ビームと参照ビームが再結合され、検出器によって、結果得られる再結合ビームが電気信号に変換されて、この電気信号から変位の測定値が求められる。

初回の通過中に、参照ビームが参照反射器から反射された後、偏向ビーム分割器から参照ビームを受光するように、第２のポロ・プリズムのような再帰反射器を配置することが可能である。参照ビームは、再帰反射器によって偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）に送られて、参照反射器から２回目の反射が生じ、その後、偏光ビーム分割器によって、測定ビームと参照ビームが再結合される。

本教示によるもう１つの実施形態は、干渉計と測定される物体との離隔方向に対して垂直な変位を測定するための方法である。この方法は、測定ビームを送って、物体に取り付けられている第１の反射器から反射させることから開始されるが、この場合、測定ビームは、第１の反射器によって、干渉計と測定される物体との離隔方向に対して垂直な第１の方向に仕向けられる。測定ビームは、第１の方向に沿って第１の反射器から離隔されたポロ・プリズムのような第２の反射器によって反射され、第１の反射器に戻される。この方法には、さらに、参照ビームを送って、物体上に取り付けられた第３の反射器から２回反射させ、測定ビームと参照ビームを結合して、結合ビームを形成するステップが含まれている。結合ビームのビート周波数を測定することによって、他のビームの整合ドップラ・シフトで相殺されない、測定または参照ビームの残留ドップラ・シフトが指示される。残留ドップラ・シフトは、干渉計と物体との離隔方向に対して垂直な移動に依存する。

異なる図における同じ参照記号の利用は、同様または同じものであることを表わしている。

本教示の態様によれば、干渉計から水平方向に間隔をあけた物体の垂直方向変位を測定することが可能な干渉計は、測定される物体上の測定反射器および参照反射器、測定される物体の上方の上置反射器となりえるポロ・プリズム、および、干渉計光学素子内の再帰反射器となりえる第２のポロ・プリズムを用いることが可能である。干渉計の偏光ビーム分割器によって、入射ビームが、測定ビームと参照ビームに分割され、両方とも、物体に仕向けられる。

測定ビームは、水平方向に測定反射器まで進み、垂直方向に第１のポロ・プリズムまで進んで、垂直方向に測定反射器まで戻り、さらに、水平方向に干渉計光学素子まで戻って、そこで参照ビームと再結合されて測定される。従って、測定ビームは、干渉計光学素子からの単一通過中に、測定反射器から２回反射されて、戻される。

参照ビームは、初回の通過中に、干渉計から参照反射器まで進み、直接干渉計光学素子に戻される。参照ビームは、次に、２回目の通過行中に、第２のポロ・プリズムから反射されて、干渉計から参照反射器まで進み、直接干渉計光学素子に戻される。参照ビームは、干渉計光学素子から物体までの２回目の通過を完了すると、干渉計光学素子から物体まで進んで戻される通過を１回だけしか行わない測定ビームと再結合させることが可能である。

干渉計システムは、再結合時における測定ビームと参照ビームとの間のウォーク・オフをごく少なくする。測定ビームと参照ビームが、両方とも、物体上の反射器から２回反射され、その結果、物体のピッチ回転によって、測定ビームの角偏向と参照ビームの角偏向との整合がとれるので、ウォーク・オフが少なくなる。さらに、ポロ・プリズムによって、適合する平面内で再帰反射が生じ、物体のヨー回転とロール回転の効果の少なくとも一部が相殺されることになる。

図１には、物体の垂直並進を測定することが可能な干渉計１１０を含むシステム１００が例示されている。図解の実施形態の場合、システム１００は、半導体ウェーハの処理に適したフォトリソグラフィ装置の一部であり、測定される物体は、フォトリソグラフィ・プロセス中、投影レンズ１３０に対して半導体ウェーハ１２５を位置決めするためのステージ１２０である。こうしたプロセスの場合、ステージ１２０および／または投影レンズ１３０用の位置決めシステム（不図示）は、投影レンズ１３０がウェーハ１２５の正しい領域に所望のパターンを投影できるように、投影レンズ１３０の光学軸に対してウェーハ１２５を正確に位置決めすることが可能でなければならない。さらに、ステージ１２０または投影レンズ１３０の集束システムは、焦点のぴったりと合ったパターンを形成するため、ウェーハ１２５と投影レンズ１３０との離隔距離を制御するか、または、それに適応することができなければならない。干渉計１１０によって、ステージ１２０の相対的高度またはＺ変位が測定されるが、Ｚ方向は、干渉計１１０とステージ１２０の離隔方向に対してほぼ垂直である。オペレータまたは制御システム（不図示）は、ステージ１２０および／または投影レンズ１３０用集束システムの制御時に、高度測定を利用することが可能である。当該技術者には明らかなように、ウェーハ処理装置１００における投影レンズ１３０に対するステージ１２０の高度測定は、単なる干渉計１１０の説明に役立つ応用例の１つでしかなく、より一般的には、干渉計１１０は、さまざまなシステムにおいて、さまざまな物体の測定を行うことが可能である。

高度測定のため、干渉計１１０によって、ステージ１２０上の平面反射器１２２および１２４のそれぞれに測定ビーム１１２および参照ビーム１１４がそれぞれ送られる。さらに、Ｘ方向に沿った物体変位の通常の測定のため、平面反射器１２４に第２の測定ビーム１１６を仕向けることが可能である。

典型的な実施形態の１つにおける平面反射器１２２は、水平方向に対して４５°に配向されて水平光路から垂直光路に測定ビーム１１２を反射する平面鏡である。測定ビーム１１２は、垂直光路によって、投影レンズ１３０に固定することが可能な取り付け構造１３４上の反射器１３２まで仕向けられる。典型的な実施形態の１つにおける反射器１３２は、Ｘ方向に沿ってある長さを有しており、その移動範囲においてステージ１２０がいかなる位置にあろうとも、測定ビーム１１２を反射して反射器１２２に戻すような配向および位置決めが施されている押出（成型）ポロ・プリズムである。次に、測定ビーム１１２は、反射器１２２によって干渉計１１０に戻される。参照ビーム１１４は、平面反射器１２４によって反射されて干渉計１１０に直接戻されるので、ステージ１２０へのおよびステージ１２０からの参照ビーム１１４の光路は、名目上水平になる。

典型的な実施形態の場合、干渉計１１０は、測定ビーム１１２と参照ビーム１１４のそれぞれが、それぞれの反射器１２２および１２４から２回反射された後に再結合されて分析されるマイケルソン干渉計である。測定ビームは、干渉計１１０からポロ・プリズム１３２まで進んで、戻される単一通過中に、ステージ１２０から２回反射される。参照ビームは、干渉計１１０からステージ１２０への２回の個別通過中に、ステージ１２０から２回反射される。

図２Ａ、図２Ｂ、および、図２Ｃに示す干渉計１１０の実施形態の１つには、ビーム源２１０、偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）２２０、四分の一波長板（ＱＷＰ）２３０、ポロ・プリズム２４０、検出システム２５０、および、反射鏡２６０が含まれている。ビーム源２１０は、ＰＢＳ２２０が測定ビーム１１２および参照ビーム１１４を抽出する入射ビームＩＮの発生源である。干渉計１１０の実施形態の１つでは、ビームＩＮは、第１の周波数Ｆ１を有し、第１の直線偏光状態にある第１の成分と、第２の周波数Ｆ２を有し、第１の直線偏光に対して垂直な第２の直線偏光状態にある第２の成分を備えるヘテロダイン・ビームである。多くのビーム源は、所望の特性を備えたヘテロダイン・ビームを発生することが可能である。ビーム源２１０は、例えば、ゼーマン***および／または音響光学変調器（ＡＯＭ）を通じて、周波数Ｆ１と周波数Ｆ２に所望の差を生じさせるレーザとすることが可能である。既知のまたは開発される可能性のある他のヘテロダイン・ビーム源も、適合する可能性がある。あるいはまた、ビーム源２１０は、必要なコヒーレンス長が測定ビーム１１２と参照ビーム１１４の光路長の差によって決まる、コヒーレンス長の長い単一周波数レーザとすることが可能である。単一周波数ビームを利用する干渉計は、一般に、ビーム・パワー変動の影響をなくすのに多相測定を必要とするので、ヘテロダイン・ビームの利用が望ましい可能性がある。

ＰＢＳ２２０によって入射ビームＩＮの偏光成分が分離され、測定ビーム１１２と参照ビーム１１４は、直交した直線偏光になる。入射ビームＩＮがヘテロダイン・ビームの場合、入射ビームＩＮおよびＰＢＳ２２０の偏光軸の配向は、偏光分離によって入射ビームＩＮの周波数成分が分離されるように施される。測定ビーム１１２および参照ビーム１１４は、従って、直交偏光した単一周波数ビームである。図２Ａに例示の実施形態の場合、ＰＢＳ２２０は、測定ビーム１１２の直線偏光がＰＢＳ２２０の薄膜によって反射され、参照ビーム１１４の直線偏光が最初はＰＢＳ２２０によって透過されるようになっている。当該技術者には明らかなように、干渉計１１０の代替実施形態では、測定ビームとして、ＰＢＳ２２０において初回に透過されるビームを利用し、参照ビームとして、ＰＢＳ２２０において初回に反射されるビームを利用することが可能である。さらに、図２Ａには、ＰＢＳ２２０が直角プリズム間に挟まれた薄い偏光薄膜を利用して実施される実施形態が例示されているが、ＰＢＳ２２０は、ＰＢＳ２２０が必要とするビーム分割および結合機能を果たす複屈折光学素子のような、異なる構造を利用して実施することが可能である。

ＱＷＰ２３０は、ＰＢＳ２２０からステージ１２０に至る参照ビーム１１４の光路にある。ＰＢＳ２２０に接着するか、あるいは、ビーム１１４の光路内の固定位置に別様に取り付けることが可能なＱＷＰ２３０によって、横断ビームの偏光が変化する。例えば、ＱＷＰ２３０を横切る水平偏光ビームは、円偏光になり、垂直偏光した横断ビームは、円偏光されて直交円偏光になる。

参照ビーム１１４が、ＰＢＳ２２０からＱＷＰ２３０を通る初回の往光路Ｒ１Ａをたどり、ステージ１２０上の平面反射器１２４から反射して、ＱＷＰ２３０を通り、復光路Ｒ１Ｂに沿ってＰＢＳ２２０に戻る。光路Ｒ１ＡおよびＲ１Ｂは、反射器１２４が図２Ａに示すようにＸ軸に対して垂直であれば、共線上にあるが、ステージ１２０が非ゼロのピッチ角またはヨー角をなす場合には、共線上にない。第１の通過中（すなわち、光路Ｒ１ＡおよびＲ１Ｂにおいて）ＱＷＰ２３０を２回横切ると、参照ビーム１１４の偏光が、ＰＢＳ２２０によって反射される直線偏光に変化する。ＰＢＳ２２０は、従って、戻される参照ビーム１１４をポロ・プリズム２４０に向ける。

ポロ・プリズム２４０は、ビームをＹＺ平面において再帰反射し、参照ビーム１１４を光路Ｒ１Ｂから反射して、入射光路Ｒ１ＡからＹ方向にオフセットした光路Ｒ２Ａに仕向けるように配向が施されている。光路Ｒ１ＢとＲ２ＡとのＹ方向におけるオフセットによって、参照ビーム１１４が、オフセットしたポイントにおいて、ＰＢＳ２２０から図２Ａの紙面内に、または、図２Ｂの紙面上部に向かって反射される。図２Ｃには、初回の通過中における参照ビーム１１４の往光路Ｒ１Ａに対する、２回目の通過中における参照ビーム１１４の往光路Ｒ２ＡのＹ方向オフセットが示されている。

光路Ｒ２Ａの参照ビーム１１４は、ＱＷＰ２３０を通過して、反射器１２４から２回目の反射をする。次に、参照ビーム１１４は、復光路Ｒ２Ｂに沿って、ＱＷＰ２３０を通り、ＰＢＳ２２０まで戻る。ＱＷＰ２３０を通る２回目の対をなす２つの通過によって、参照ビーム１１４の偏光が変化して、ＰＢＳ２２０によって透過される直線偏光に戻るので、第２の通過後、参照ビーム１１４は、ＰＢＳ２２０を通過して、検出システム２５０による解析を受ける再結合ビームＯＵＴの一部になる。

測定ビーム１１２は、ＰＢＳ２２０による初回の反射後、往光路Ｍ１Ａを横切ってポロ・プリズム１３２に達する。往光路Ｍ１Ａには、反射鏡２６０から、ステージ１２０上の平面反射器１２２に至る名目上の水平光路Ｍ１Ａ_Xへの反射が含まれる。反射器１２２からの反射によって、測定ビーム１１２は、ポロ・プリズム１３２に至る名目上の垂直光路Ｍ１Ａ_Zに向けられる。

ポロ・プリズム１３２は、ＹＺ平面内にあるビームを再帰反射するように配向が施されており、垂直光路Ｍ１Ａ_Zに対して平行（または逆平行）で、そこからＹ方向にオフセットした名目上の垂直復光路Ｍ１Ｂ_Zに測定ビーム１１２を向ける。（垂直光路Ｍ１Ｂ_Zを含む測定ビーム１１２の光路のいくつかは、Ｙ軸に沿って変位し、図２Ａの側面図に示すビーム光路の後方にある。図２Ｂおよび図２Ｃには、それぞれ、図２Ａには示されていないいくつかの光路が見える、平面図と正面図が示されている。）測定ビーム１１２の完全な復光路Ｍ１Ｂには、垂直復光路Ｍ１Ｂ_Z、ステージ１２０上の反射器からの反射、反射鏡２６０への水平復光路Ｍ１Ｂ_X、および、測定ビーム１１２がＰＢＳ２２０に再入射する前の、反射鏡２６０からの反射が含まれる。

ポロ・プリズム１３２および２４０の位置決めは、参照ビーム１１４がポロ・プリズム２４０によってオフセットさせられるのと同じ距離だけ、測定ビーム１１２がポロ・プリズム１３２によってＹ方向にオフセットさせられるように施される。従って、ＰＢＳ２２０は、参照ビーム１１４の２回目の通過後に、戻り測定ビーム１１２と参照ビーム１１４を結合して、出射ビームＯＵＴを形成することが可能になる。

検出器２５０によって、ポロ・プリズム１３２に対するステージ１２０の垂直変位を求める分析のために、出射ビームＯＵＴの測定が行われる。典型的な実施形態の１つでは、検出器２５０によって、残留ドップラ・シフトを求めるために出射ビームＯＵＴの測定が行われ、これにより、残留ドップラ・シフトを利用して、ステージ１２０の垂直速度または変位を求めることが可能になる。測定ビーム１１２および参照ビーム１１４の当初の周波数がＦ１およびＦ２であるヘテロダイン干渉計の場合、戻される測定ビーム１１２および参照ビーム１１４の周波数Ｆ１’およびＦ２’は、ステージ１２０および／またはポロ・プリズム１３２の移動中に、ステージ１２０またはポロ・プリズム１３２からの反射の結果として生じた可能性のあるドップラ・シフトによって決まる。検出システム２５０のフォトダイオードが、出射ビームＯＵＴを受光し、うなり周波数Ｆ１’−Ｆ２’を有する電子信号を発生する。同様に、入射ビームＩＮの一部を直接測定することによって、うなり周波数Ｆ１−Ｆ２を有する参照電子信号を生じさせることが可能である。

検出システム２５０の典型的な実施形態の１つには、周波数がＦ１−Ｆ２の参照うなり信号に対する、周波数がＦ１’−Ｆ２’のうなり信号の位相を測定する位相検出回路が含まれている。相対的位相の変化は、うなり周波数Ｆ１’−Ｆ２’およびＦ１−Ｆ２が異なることを表わしており、測定ビーム１１２における残留ドップラ・シフトの測定を可能にする。干渉計１１０の場合、ステージ１２０がＸ方向に移動すると、測定ビーム１１２におけるドップラ・シフトの２倍のドップラ・シフトが参照ビーム１１４に生じることになる。ステージ１２０またはポロ・プリズム１３２がＺ方向に移動すると、参照ビーム１１４の周波数にドップラ・シフトを生じさせることなく、測定ビーム１１２の周波数にドップラ・シフトを生じさせることになる。従って、うなり周波数Ｆ１’−Ｆ２’における残留ドップラ・シフトは、Ｚ軸に沿った移動によって生じるドップラ・シフトとＸ軸に沿った移動によって生じるドップラ・シフトとの差である。周波数がＦ１’−Ｆ２’およびＦ１−Ｆ２の電子うなり信号間における位相差の測定値は、ＸおよびＺ方向に対して４５°の方向に沿った速度を表わし、求められた速度成分の積分は、同じ方向に沿った変位を表わしている。Ｚ方向に沿った変位は、ＸおよびＺ方向に対して４５°の方向に沿った変位に関するこの測定と、Ｘ方向に沿った変位に関する従来式の別個の測定から求めることが可能である。

干渉計１１０を用いて測定すると、ポロ・プリズム１３２および２４０による再帰反射によって、ステージ１２０の回転時における、参照ビーム１１４に対する測定ビーム１１２のウォーク・オフが最小限に抑えられるので、ダイナミック・レンジを広くすることが可能である。Ｘ軸に関するステージ１２０のロール回転の場合、ポロ・プリズム１３２によって再帰反射されると、測定ビームが入射光路に対して平行な反射光路に沿って戻されることによって、結果生じるＺ方向からの垂直光路（例えば、光路Ｍ１Ａ_Z）の変位が相殺される。同様に、ポロ・プリズム２４０において再帰反射されると、測定ビーム１１２に対する参照ビーム１１４の移動が抑えられる。ステージ１２０のピッチ回転の場合、測定ビーム１１２および参照ビーム１１４は、両方とも、ステージ１２０からの２度の反射の結果として、ＺＸ平面内で角偏向させられ、従って、測定ビーム１１２および参照ビーム１１４の光路長の差によって決まる偏向を被ることになる。こうして、ビーム１１２と１１４との間のウォーク・オフは、ウォーク・オフが全光路長によって決まるシステムに比べると、改善されることになる。ステージ１２０のヨー回転の場合、測定ビーム１１２と参照ビーム１１４の偏向は、やはり、同様であるので、ウォーク・オフはわずかである。

図３には、垂直変位を測定するための代替実施形態によるシステム３００が示されている。システム３００は、２つの反射表面３２６および３２８を備えた測定反射器３２２を含むステージ３２０を用いることで、図２Ａのシステム２００とは異なっている。反射表面３２６は、Ｘ軸と１１２．５°の角度をなし、反射表面３２８は、Ｘ軸と１５７．５°の角度をなす。結果として、測定反射器３２２は、中空ペンタ・プリズムの働きをし、ステージ３２０のピッチ角が、測定ビーム１１２の角偏向をもたらすことはない。システム３００は、また、干渉計３１０が、ＰＢＳ２２０における反射によって参照ビームをステージ３２０に戻す、コーナ・キューブまたはキャッツ・アイのような再帰反射器３４０を利用することができるという点において、図２Ａのシステム２００とは異なっている。結果として、Ｙ軸またはＺ軸まわりにおけるステージの回転によって、ステージから２度反射した後の参照ビーム１１４に角偏向が生じることはない。従って、再結合ビームＯＵＴは、やはり、ほぼ共線上の２つの成分ビームから構成されることになる。そのほかの点では、システム３００には、ほぼ、図２Ａ、図２Ｂ、および、図２Ｃに関して上述の通りに機能する素子が含まれている。

本発明の解説は、特定の実施形態に関連して行われているが、本発明の応用例の１つでしかなく、制限とみなすべきではない。開示された実施形態の特徴のさまざまな改変および組み合わせは、付属の請求項によって定義される本発明の範囲内に含まれる。

投影レンズに対する精密ステージの高度を測定することが可能な干渉計を含む、ウェーハ処理システムを示す図である。 図１のシステムに適した干渉計におけるビーム光路の側面図である。 図１のシステムに適した干渉計におけるビーム光路の平面図である。 図１のシステムに適した干渉計におけるビーム光路の正面図である。 測定反射器として中空ペンタ・プリズムを用いる実施形態の１つによる干渉計システムを例示した図である。

符号の説明

１１０ 光学系（干渉計）
１２０ 物体（ステージ）
１２２ 測定反射器
１２４ 参照反射器
１３０ 投影レンズ
１３２ 上置反射器
２１０ ビーム源
２２０ 偏光ビーム分割器（ＰＢＳ）
２３０ 四分の一波長板（ＱＷＰ）
２４０ 再帰反射器
２５０ 検出器
２６０ 反射鏡
３１０ 光学系（干渉計）
３２２ ペンタ・プリズム

Claims (10)

1. 物体に取り付けられて、Ｘ方向で進行する測定ビームを方向転換させてＺ方向での進行に変更するように配向された測定反射器と、
   前記物体に取り付けられて、前記Ｘ方向で進行する参照ビームの向きを転換して、逆向きに戻す参照反射器と、
   前記測定反射器への単一通過のため前記測定ビームを前記Ｘ方向で仕向け、前記参照反射器への初回の通過とその後の前記参照反射器への２回目の通過のため、前記参照ビームを前記Ｘ方向で仕向ける光学系と、
   前記物体の上方にあって、前記測定ビームを前記測定反射器に戻すように配置されており、その結果、前記測定反射器は該戻された前記測定ビームの向きを転換して前記光学系に戻すようになる、上置反射器と、
   前記参照ビームの前記２回目の通過が完了し、前記測定ビームの前記単一通過が完了した後、前記Ｚ方向における前記物体の相対的変位を表す、前記測定ビームと前記参照ビームの差、を測定する検出器とを備えることを特徴とする、
   物体を測定するためのシステム。
2. 前記光学系に、
   入射ビームを分割して、前記測定ビームと前記参照ビームを形成するように配置された偏光ビーム分割器と、
   前記測定ビームと前記参照ビームの一方を前記Ｘ方向に方向転換する反射鏡と、
   前記参照ビームの光路内にある四分の一波長板と、
   前記参照反射器からの反射され、前記偏光ビーム分割器を経由した前記参照ビームを受光するように配置された再帰反射器とが含まれており、
   前記参照ビームが、前記再帰反射器によって、前記参照反射器への前記２回目の通過のため、前記偏光ビーム分割器を経由して戻る光路に仕向けられることを特徴とする、
   請求項１に記載の物体を測定するためのシステム。
3. 前記再帰反射器が、第２のポロ・プリズム、コーナ・キューブ、および、キャッツ・アイからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項２に記載の物体を測定するためのシステム。
4. 前記上置反射器に第１のポロ・プリズムが含まれることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の物体を測定するためのシステム。
5. 前記上置反射器が、ＹＺ平面内でビームを再帰反射する配向が施されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の物体を測定するためのシステム。
6. 前記測定反射器が、平面鏡およびペンタ・プリズムからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の物体を測定するためのシステム。
7. 干渉計と測定される物体との離隔方向に対して垂直な変位を測定するための垂直変位を測定するための方法であって、
   （ａ）測定ビームを仕向けて、前記物体上に取り付けられた第１の反射器から反射させ、前記第１の反射器によって、前記測定ビームが、前記干渉計と前記物体との離隔方向に対して垂直な成分を有する第１の方向に向けられるようにするステップと、
   （ｂ）前記第１の方向に沿って前記第１の反射器から離隔された第２の反射器を利用して、前記測定ビームを反射し、前記第１の反射器に戻すステップと、
   （ｃ）参照ビームを仕向けて、前記物体上に取り付けられた第３の反射器から反射させるステップと、
   （ｄ）前記変位を表す、前記参照ビームと前記測定ビームとの差を測定するステップとを有することを特徴とする、
   変位測定方法。
8. 前記差の測定ステップに、
   前記測定ビームと前記基準ビームを結合して、結合ビームを形成するステップと、
   前記結合ビームのうなり周波数を測定して、前記測定ビームの残留ドップラ・シフトを識別するステップが含まれることと、前記ドップラ・シフトが、前記干渉計と、前記物体との離隔方向に対して垂直な成分を備える前記変位を表わすことを特徴とする、
   請求項７に記載の垂直変位を測定するための方法。
9. 前記第２の反射器にポロ・プリズムが含まれることを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の垂直変位を測定するための方法。
10. さらに、ステップ（ｄ）の実行前に、ステップ（ｃ）を反復するステップが含まれることを特徴とする、請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の垂直変位を測定するための方法。

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