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

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。