JPH0466295B2 - - Google Patents

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JPH0466295B2
JPH0466295B2 JP61015368A JP1536886A JPH0466295B2 JP H0466295 B2 JPH0466295 B2 JP H0466295B2 JP 61015368 A JP61015368 A JP 61015368A JP 1536886 A JP1536886 A JP 1536886A JP H0466295 B2 JPH0466295 B2 JP H0466295B2
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JP
Japan
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diffraction grating
diffraction
wave
diffracted
waves
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Toshihiko Kanayama
Junji Ito
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Agency of Industrial Science and Technology
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Publication of JPH0466295B2 publication Critical patent/JPH0466295B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7049—Technique, e.g. interferometric
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING 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
    • G01D5/00—Mechanical 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
    • G01D5/26—Mechanical 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
    • G01D5/32—Mechanical 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
    • G01D5/34—Mechanical 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
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

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

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
上に作製した回折格子による波動の回折・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（Applied
Physics Letters 31，426（1977））回折格子を用
いた相対変位測定方法であり、２つの物体１，２
上に等しい周期ｄを持つ回折格子Ｇ１とＧ２が形
成され、これら回折格子Ｇ１とＧ２が平行になる
ように配置されている。この構造において、波動
を回折格子面に垂直に入射させると、この波動は
回折格子Ｇ１とＧ２により、その周期ｄと波動の
波長λで定まる角度θ（dsinθ＝nλ，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、回折格子Ｇ１とＧ２の相対位置により
変化するので、その測定により回折格子Ｇ１とＧ
２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＋θ方向への回折波Ｄ＋と−θ
方向への回折波Ｄ−は、回折格子面内で回折格子
に垂直な方向（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＋）−Ｉ（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
により実用に供し難いという欠点がある。第２図
中に示すように、Ｄ＋とＤ−は共に多くの回折波
から構成されている。回折格子Ｇ１でｉ次の回折
を受け、回折格子Ｇ２でｊ次の回折を受けた後、
さらに回折格子Ｇ１でｋ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ｉ
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(1)とＤ（０，０，
１），Ｄ（０，１，０），Ｄ（１，０，０），Ｄ（０，
−１，２），Ｄ（−１，０，２）等のようにＤ（ｉ，
ｊ，ｋ）（但しｉ＋ｊ＋ｋ＝１）なる回折波の合
成波である。第２図には簡単のためにＲ(1)，Ｄ
（−１，１，１），Ｄ（０，０，１），Ｄ（１，−１，
１），Ｄ（１，０，０）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−Ｇ２間距離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、Ｉ（Ｄ＋）−Ｉ
（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つ
た。
第３図は本発明者により提案された特願昭60−
165231号の測定方法を示す。ここで、一方の回折
格子Ｇ１を２つの部分（Ｇ１とＧ１′）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Ｄの強度のＧ１−
Ｇ２間距離Ｓへの強い依存性を消滅させている。
従つて、回折波Ｄ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、この方法も次のような欠点があり、実
用に供する上で障害となつていた。回折波Ｄの強
度Ｉ(D)はｘ方向変位ｘに対してcos2（2πx／ｄ）
（但しｄはＧ１の周期）に比例する依存性を持つ。
しかし、Ｉ(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。従つて、Ｉ
(D)の値からｘを算出するためには、実際にｘを約
ｄ／４の範囲にわたつて変化させながらＩ(D)の変
化を測定しなければならない。また、この方法で
も回折波の強度を変位信号として用いるため測定
値が装置特性のゆらぎの影響を被り易いという欠
点がある。さらに、回折格子Ｇ１からＧ２に入射
する回折波の強度は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
て、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、本発明の第
１の形態は、互いに平行配置した複数の物体のそ
れぞれに少なくとも１つの回折格子を設け、一方
の側から前記回折格子の少なくとも１つに向つて
可干渉性波動を入射させ、複数の前記回折格子に
より回折させて得た複数の回折波を取り出し、該
複数の回折波の位相変化から前記複数の物体間の
回折格子面内で回折格子に垂直な方向の相対変位
量を測定することを特徴とする。
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。
〔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。
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。従つて、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
つ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。
測定に用いる周波数の異つた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つて
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。
〔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ａでは物体
２上に回折格子Ｇ２を設ける。これに入射する波
動（光）Ｉを垂直に入射させる。物体１上には、
回折格子Ｇ２による回折波が照射される位置に、
回折格子Ｇ２と同じ周期ｄを持つ回折格子Ｇ１，
Ｇ１′を配置する。回折格子Ｇ２で回折され、さ
らに回折格子Ｇ１で回折されてＩと逆方向に進行
する波Ｄと、同様に回折格子Ｇ２に続いて回折格
子Ｇ１′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
離Ｓに全く依存せず、回折格子Ｇ１，Ｇ１′，Ｇ
２の面に平行で、回折格子の方向に直交する方向
（ｘ方向）の物体１−２間の相対変位ｘに比例し、
φ＝4π・nx／ｄ（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ｘに依存することに比して極めて単純な結果で
ある。
従つて、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ＧHz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。従つて、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１上に
回折格子Ｇ２を設け、物体２上に回折格子Ｇ１，
Ｇ１′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十ＧHz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I1（周波数1）およびI1と可干渉で異
なつた周波数2を持つI2を波源６および７より、
それぞれ発生させ、I2をＤ，D′と同時に検出器
４，５へ入射させてＤおよびD′とI2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＝4πn・
ｘ／ｄで与えられ、2を適切に選ぶことによりう
なりの周波数｜1−2｜を適当な値に下げること
ができるので、この方法によりｘを高精度に測定
できる。特に、この方法は可視領域の波長の光を
用いてナノメートル精度で微小変位を測定する際
に有効である。
I2の発生には、種々の公知の方法を利用でき
る。数百ＧHz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I1可干渉で周波数の異なつ
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なつた２
つの可干渉光を同時に発生するレーザであるが、
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ツタであ
り、周波数1の光I1を通過させて1/4波長板９を
経て回折格子Ｇ２に導くと共に、周波数2の光I2
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Ｄ，D′は偏光ビ
ームスプリツタ８で反射され、平面鏡１１で反射
された光I2と共に検出器４，５に入射する。第５
図の構成は第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Ｇ１，Ｇ１′，Ｇ２の
配置は第３図と同様である。回折格子Ｇ２に周波
数1の波動I1を入射させ、回折格子Ｇ１，Ｇ１′
に周波数2の波動I2を入射させる。回折格子Ｇ
１，Ｇ１′，Ｇ２の周期d1，d1′，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I1
の回折波の中に回折格子Ｇ１およびＧ１′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、d1／d2＝ｍ／ｎ，d′1／d2＝
ｌ／ｎ（ｌ，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、d1＝
d2＝d1′とするのが実用的である。
ここで、回折光Ｄ，D′が回折格子Ｇ２による
光I1の回折波と回折格子Ｇ１，Ｇ１′による光I2
の回折波とが重畳した回折波であるときには、回
折光Ｄ，D′の強度は周波数｜1−2｜のうなりを
生じている。回折光ＤおよびD′のうなりの位相
差φは、ｘ方向の相対変位ｘとφ＝4π nx／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Ｇ１′とＧ２との距離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、｜1−2｜を1または2よ
り十分小さく設定すると、φが回折格子Ｇ１，Ｇ
１′から検出器４，５までの距離の変動に依存し
なくなるという特長がある。回折格子Ｇ１と検出
器４の距離と、回折格子Ｇ１′と検出器５の距離
の差をΔLとすると、ΔLに起因する位相差は
2πΔL｜1−2｜／ｃ（但しｃは波動の速度）とな
り、｜1−2｜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。したがつて、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け難
い。
第６図において、光I2は回折格子Ｇ２を含めて
全体に一様に入射させても、上記と同様の方法で
ｘ方向の相対変位を測定できる。但し、この場
合、φがｘに比例するのはｘがd2より十分小さい
範囲に限られることとなる。しかし、照射系の構
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＝０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めには、例えば光
I1とI2が偏光方向の異つ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I1
とI2の光路長に差を生じさせ、光I1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I1，I2が偏光状態の異な
る電磁波である場合には、光I2を全体に一様に入
射させても、回折格子Ｇ１，Ｇ１′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1/4波長板
と偏光子を配置し、回折格子Ｇ２で回折された光
I2を消光して検出器４，５に届かせない様にすれ
ばよい。回折波の偏光状態は、入射波の偏光状態
と回折の経路により変化するため、上記の様に特
定の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Ｇ１，Ｇ１′を配置し、回折折子Ｇ１
に周波数1の波動I1を入射させ、回折折子Ｇ１′
に周波数2の波動I2を入射させる。光I1およびI2
の回折格子Ｇ１，Ｇ１′による同一回折角の回折
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＝1.5d1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Ｇ
１′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Ｇ１で１次の回折を受けた後、回折格子Ｇ
２で−１次回折された波と、回折格子Ｇ１′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、d2がd1の
整数倍の時には回折格子Ｇ１からの回折波が回折
格子Ｇ２で回折されて再び回折格子Ｇ１へ戻り、
測定結果の相対変位依存性を複雑にするので、d2
はd1の非整数倍にするのが望ましい。
上記の構成を採つた場合、第７図中に示した様
に、少くとも３つの回折波D1，D2，D3が周波数
｜1−2｜のうなりを呈する。このうなりの位相
の差は φ（D2）−φ（D1）＝ 1/2｛φ（D3）−φ（D1）｝＋4πnx／d1 但し、φ（Di）はDiのうなりの位相、ｎはＧ
１，Ｇ１′での回折次数、ｘはｘ方向相対変位と
なる。従つて、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I1，I2が異
なつ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I1，I2（各周波数を1，
2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つて
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Ｇ１，Ｇ１′，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Ｇ１，Ｇ１′の周期d1の整数倍で
はない値、例えばd2＝1.5d1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I1，I2の
合成波Ｉを一括して入射させると、回折格子Ｇ１
で−１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Ｇ１′で１次回折され、
さらに回折格子Ｇ２で−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Ｇ
１′との間には、Da，Dbおよび回折格子Ｇ２か
らのＩの回折波の主要部分が回折格子Ｇ１，Ｇ
１′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Ｇ１，Ｇ１′を設け、物体２上に回折格子Ｇ２
を配置して回折格子Ｇ２側から光Ｉを入射せても
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I1のＧ１′→Da
の複素振幅回折効率をγ1，Ｇ１→Daの回折効率
をγ1α、光I2に対して、それぞれ、γ2，γ2βとする
とDaの振幅Ａ（Da）は Ａ（Da）＝γ1（e-i〓＋αei〓）A1 ＋γ2（e-i〓＋βei〓）A2 となる。但し、A1とA2はそれぞれＧ１，Ｇ１′上
でのI1とI2の振幅であり、δ＝2πx／d1である。
回折効率は一般に偏光状態により異なるのでI1と
I2が共に円偏光の様な対称性の高い場合を除いて
α≠βである。また、Dbの振幅はＡ（Da）でδ
→−δとしたものに等しい。従つて、δの値によ
りDaとDbのうなりの位相が変化し、その位相差
は φ（Db）−φ（Da） ＝2arctan（α−β）sin2δ／１＋αβ＋（α＋β
）cos2δ 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、I1の偏光方向
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）が検出器の前
の偏光子２１，２１の設定方向に依らなくなるか
らである。また、I1，I2の偏光方向を回転させ
て、測定精度が最大になる方向を選ぶことも容易
である。
第８図の方法によつても、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け難く、安定
性が高い。また、この構成には、回折格子Ｇ１，
Ｇ１′からの回折波Ｄ，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。回折波Ｄ，D′には、回折格子Ｇ１，
Ｇ１′で反射回折された回折波ばかりでなく、例
えば回折格子Ｇ１′またはＧ１を透過回折された
後、回折格子Ｇ２で反射された回折波などいろい
ろな回折波を含む。そのため、回折波Ｄ，D′の
うなりの位相はｘに依存せず、回折格子Ｇ１，Ｇ
１′とＧ２の平行性およびＩの回折格子面への垂
直性により変化する。従つて、ＤとD′のうなり
の位相差が消失する様に回折格子やＩの傾きを調
整すれば、ｘの測定に必要な調整を完了させるこ
とができる。この調整は測定確度の向上に極めて
有効である。
上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認することができ
た。SiO2より成る物体１上にAu薄膜を格子状に
配列して回折格子Ｇ１，Ｇ１′を構成し、Siより
成る物体２に幅0.4μｍの溝加工を行つて回折格子
Ｇ２を作製した。回折格子Ｇ１，Ｇ１′の周期は
0.8μｍとし、回折格子Ｇ１とＧ１′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He−Ne横ゼーマンレーザからの波
長632.8nm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0.6となり、DaとDbのうなり成分の位相差を
1゜以上の精度で測定でき、ｘの値を0.01μｍの精
度で決定できた。この特性は、物体１と２との間
の距離を20μｍから70μｍにわたつて変化させて
も、それに関係なく得ることができた。
（実施例 ７） 第９図は、本発明の方法を第２図の従来方法に
適用した例である。第２図において、Ｄ＋とＤ−
の振幅Ａ＋，Ａ−は回折格子Ｇ２で１次の回折の
みを受けるとした場合、入射波の振幅をAoとし
て Ａ＋＝γ（１＋αe-i〓＋βei〓）Ao Ａ−＝γ（１＋αei〓＋βei〓）Ao 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
−Ｇ２間距離Ｓの複雑な関数となつている。ま
た、 δ＝2πx／ｄ、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（Ｄ−）＝ ４｜γ｜2Im｛（α−β）sinδ ＋αβ*sin2δ｝｜Ao｜2 となる（Imは虚数部分を表わす）。従つて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間距離Ｓ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
きく破ることとなる。
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Ｉが周波
数と偏光状態が異なる２つの電磁波I1とI2の和で
ある時、Ｄ＋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２
１，２２を配した方が大きなうなりが得られる。
I1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γ1，α1，β1およびγ2，α2，β2とする
と、Ｄ＋とＤ−のうなりの位相差はδが１より十
分小さい場合にα1−α* 2＋β1−β* 2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。従つて、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
たつて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け難いので、こ
の理由によつ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Ｇ１として、
SiO2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の溝加工を行つて作製したも
のを用いた。回折格子Ｇ１とＧ２の周期は共に
1μｍとした。入射波Ｉとして、実施例６と同様
に、He−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
する方向とに採つた。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Ｇ１とＧ２と
の間の距離Ｓを入射波Ｉの波長と回折格子Ｇ１，
Ｇ２の周期で定まるいくつかの最適値（例えば
22.23μｍ）に誤差10nm以内で設定しなければな
らず、従つて、実際の測定に用いることは事実上
不可能であつた。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（cosθ−１）
が半波長の整数倍となるＳ（θ＝39゜は回折角）の
付近±0.1μｍを除いて10〜100μｍ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） 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１０図で物体１上の回折格子Ｇ１（周
期d1）の像が、レンズ系Ｌ１，Ｌ２により物体２
上の回折格子Ｇ２（周期d2）上に投影されてい
る。Ｇ１の物体２上の投影像の周期d1′は、例え
ばd2／d1′＝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I1，I2の合成波Ｉを
入射させる。さらに、Ｌ１の焦平面に適当な空間
フイルタを配置し、ＩのＧ１による適当な次数
（例えば±１次）の回折のみが通過して、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Ｇ２上に結像
されずに、焦点はずれの像になつていても、ほぼ
精度を減じることなく行うことができる。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
されている縮小投影露光機でのレチクルと半導体
ウエ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Ｇ２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アイバを用いることによ
り、Ｇ１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、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。従つて、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
いるリソグラフイ工程での露光用マスクと半導体
ウエ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】
第１図ａ，ｂは本発明の２実施例を示す線図、
第２図および第３図は従来例の説明図、第４図〜
第１０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…偏光ビームスプリツタ、９，１０…1/
４波長板、１１…平面鏡、２１，２２…偏光子、
Ｌ１，Ｌ２…レンズ系、Ｇ，Ｇ１，Ｇ１′，Ｇ２
…回折格子、Ｄ，D′，Ｄ＋，Ｄ−，D1，D2，D3，
Da，Db…回折波、Ｉ，I1，I2…入射波、Ri…回
折格子でｉ次に反射回折された波動、Ｄ・ｉ，
Ｄ・ｉ，ｊ，Ｄ・ｉ，ｊ，ｋ…第１の回折格子で
ｉ次の回折を受け第２の回折格子でｊ次に回折さ
れた後に、第１の回折格子でｋ次回折された波
動、θ…回折角。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに平行配置した複数の物体のそれぞれに
    少なくとも１つの回折格子を設け、 一方の側から前記回折格子の少なくとも１つに
    向つて可干渉性波動を入射させ、 複数の前記回折格子により回折させて得た複数
    の回折波を取り出し、 該複数の回折波の位相変化から前記複数の物体
    間の回折格子面内で回折格子に垂直な方向の相対
    変位量を測定することを特徴とする相対変位測定
    方法。 ２ 前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 前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 前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。 ５ 前記複数個の波動を合成して一括した波動と
    して入射させ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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