JP3250369B2

JP3250369B2 - 光学式位置検出装置用の光源及び位置検出方法

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Publication number: JP3250369B2
Application number: JP08388294A
Authority: JP
Inventors: 敏之石丸
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 2002-01-28
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JPH07273014A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体露光装置におけ
るウエハステージの位置を検出するための光学式位置検
出装置に用いられる位置検出装置用の光源、及びウエハ
ステージの位置検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体露光装置にはウエハステージ（所
謂ＸＹステージ）が備えられている。Ｘ方向及びＹ方向
への直線移動の組み合わせによってウエハステージを移
動させることにより、ウエハを載置したウエハステージ
を所定の位置に高速且つ高精度に移動させることができ
る。ウエハステージ移動機構は、例えば、ＤＣサーボモ
ータ、及びウエハステージに連結されたボールネジから
成り、ＤＣサーボモータの回転をボールネジに伝達し、
ウエハステージを移動させる。図７に模式的に示すよう
に、ウエハステージ６５にはバーミラー６６が取り付け
られている。

【０００３】ウエハステージ６５の位置は、光学式位置
検出装置によって計測される。光学式位置検出装置は、
例えばレーザ干渉計、より具体的にはプレーンミラー干
渉計５０、及びレシーバ（受光装置）５１から構成され
ている。このタイプの干渉計においては、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザやＡｒレーザから成る光学式位置検出装置用のレー
ザ光源から射出された波長λのレーザ光（周波数をｆと
する）が、プレーンミラー干渉計５０からウエハステー
ジ６５に設けられたバーミラー６６に照射される。バー
ミラー６６からの反射光は、ウエハステージ６５の移動
速度に応じてドップラーシフトした周波数を有し、プレ
ーンミラー干渉計５０、ハーフミラー５２を介してレシ
ーバ（受光装置）５１に達する。尚、ウエハステージ６
５の移動速度をｖ、光速をｃとした場合、ドップラーシ
フトしたレーザ光の周波数変化量Δｆは、 Δｆ＝（ｖ／ｃ）ｆで表わすことができる。レシーバ５１からこのΔｆに基
づいた電気信号が出力され、この出力に基づき、ウエハ
ステージの相対的な位置が決定される。この決定された
ウエハステージ６５の相対的な位置と目標位置との偏差
量が０若しくは一定の値に入るように、ＤＣサーボモー
タ（図示せず）が制御される。

【０００４】半導体露光装置においては、ウエハを所定
の位置に配置するために、ウエハステージ６５をＸ方向
及びＹ方向へ直線移動させる。ウエハステージ６５の粗
動中、光学式位置検出装置によってウエハステージ６５
の相対的な位置を常に計測する。そして、ウエハステー
ジ６５の現在位置と目標位置との偏差量が所定の値とな
ったならば、ウエハステージ６５を停止させる。実際に
は、ウエハステージ６５を停止させても、停止したウエ
ハステージの位置は、慣性に起因して目標位置からずれ
る。それ故、このずれ量が０若しくは所定の値の範囲に
入るまで、ウエハステージ移動機構によってウエハステ
ージ６５を微動させる。尚、このようなウエハステージ
の位置調整方法は、通常、クローズドループ法と呼ばれ
ている。一方、ウエハステージを１回若しくは所定の回
数だけ微動させて、ウエハステージの位置調整を完了さ
せてしまう方法もある。このような方法は、オープンル
ープ法と呼ばれている。ウエハステージの微動量と、最
終的なウエハステージの位置と目標位置の偏差量の関係
が実績的に把握されている場合には、このオープンルー
プ法は有効な方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の光学式位置検出
装置においては、上述したように、Ｈｅ−Ｎｅレーザや
Ａｒレーザから成る光学式位置検出装置用のレーザ光源
が用いられている。一方、半導体露光装置には、図７に
示すように、レーザ光源から成る露光光源が備えられて
いる。このように、従来の半導体露光装置においては２
組のレーザ光源が必要とされ、装置が複雑になると同時
に、煩雑な保守が必要とされるという問題がある。ま
た、ウエハステージ６５の相対的な位置を一層正確に計
測するためには、周波数の高い（即ち、波長の短い）レ
ーザ光を射出し得るレーザ光源を用いることが望まし
い。

【０００６】従って、本発明の第１の目的は、独立した
光学式位置検出装置用の光源を不要とする光学式位置検
出装置用の光源を提供することにある。本発明の第２の
目的は、第１の目的に加えて、従来よりも一層高精度で
ウエハステージの位置を計測することができる光学式位
置検出装置用の光源を提供することにある。本発明の第
３の目的は、従来よりも一層高精度でウエハステージを
所定の位置に配置することを可能にする、半導体露光装
置におけるウエハステージの位置を検出する位置検出方
法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するための本発明の第１の態様に係る光学式位置検出装
置用の光源は、半導体露光装置におけるウエハステージ
の位置を検出するための光学式位置検出装置に用いられ
る。この光学式位置検出装置用の光源は、半導体露光装
置用の露光光源を兼ね、且つ、露光光源からのレーザ光
の一部を取り出すための光路分割手段を含む。露光光源
は、（イ）レーザダイオード、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固
体レーザ媒質及び非線形光学結晶素子から構成された、
波長λの第２高調波を射出し得るレーザ光源と、（ロ）
非線形光学結晶素子及び光共振器から成り、該レーザ光
源から射出された波長λのレーザ光が入射され、そして
この入射光の第２高調波に基づいた波長λ’のレーザ
光、及び波長λのレーザ光を射出し得る第２高調波発生
装置と、（ハ）該光共振器の共振器長を制御するための
共振器長制御装置から成る。そして、光路分割手段によ
って取り出された波長λのレーザ光を用いて光学式位置
検出装置によりウエハステージの位置を検出することを
特徴とする。

【０００８】本発明の第１の態様に係る光学式位置検出
装置用の光源においては、光路分割手段をバンドパスフ
ィルターから構成し、第２高調波発生装置から射出され
た波長λのレーザ光を光路分割手段によって取り出すこ
とができる。あるいは又、光路分割手段をハーフミラー
又はビームスプリッターから構成し、レーザ光源から射
出された波長λのレーザ光の一部を光路分割手段によっ
て取り出すことができる。

【０００９】上記の第２の目的を達成するための本発明
の第２の態様に係る光学式位置検出装置用の光源におい
ては、ハーフミラー又はビームスプリッターから成る第
２の光路分割手段が更に備えられており、光路分割手段
はバンドパスフィルターから成り、光路分割手段によっ
て、第２高調波発生装置から射出されたレーザ光の内、
波長λのレーザ光が取り出され、第２の光路分割手段に
よって、第２高調波発生装置から射出されたレーザ光の
内、波長λ’のレーザ光の一部が取り出され、これらの
波長λ及び波長λ’のレーザ光を用いて光学式位置検出
装置によりウエハステージの位置を検出することを特徴
とする。

【００１０】上記の第３の目的を達成するための本発明
の半導体露光装置におけるウエハステージの位置を検出
する位置検出方法は、波長λのレーザ光でウエハステー
ジの位置を検出しながらウエハステージを粗動させて、
所望の位置の近傍にウエハステージを移動させた後、波
長λ’（但しλ’＜λ）のレーザ光でウエハステージの
位置を検出しながらウエハステージを微動させて、所望
の位置にウエハステージを配置する工程から成ることを
特徴とする。

【００１１】本発明の位置検出方法においては、レーザ
光を、半導体露光装置用の露光光源から射出されたレー
ザ光の一部とすることができる。この場合、波長が、λ
＝２λ’の関係を満たすレーザ光を用いることが好まし
い。

【００１２】

【作用】本発明の光学式位置検出装置用の光源は、半導
体露光装置用の露光光源を兼ねているので、従来技術の
ように、２つのレーザ光源を必要とすることがない。第
２高調波発生装置からは、波長λ’のレーザ光及び波長
λのレーザ光が射出される。そして、波長λ’のレーザ
光が、ウエハに形成されたレジストを露光するために供
される。波長λにも依るが、波長λのレーザ光によって
は、ウエハに形成されたレジストが露光されない。従っ
て、レジストの露光中に、光学式位置検出装置のための
光源として波長λのレーザ光を取り出したとしても、半
導体露光装置用の露光光源としての効率が低下すること
はない。本発明の第２の態様に係る光学式位置検出装置
用の光源においては、波長λ’のレーザ光の一部を光学
式位置検出装置のための光源として用いるが、この光量
は微々たるものであり、半導体露光装置用の露光光源と
しての効率が大幅に低下することはない。

【００１３】本発明の第２の態様に係る光学式位置検出
装置用の光源、及び本発明の位置検出方法においては、
波長λ’のレーザ光の一部及び波長λのレーザ光を光学
式位置検出装置のための光源として用いる。このように
２種類の波長のレーザ光を用いることによって、Δｆ＝
（ｖ／ｃ）ｆの式からも明らかなように、高い精度でウ
エハステージの位置を計測することが可能になる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。

【００１５】（実施例１）実施例１の光学式位置検出装
置用の光源は、本発明の第１の態様の光学式位置検出装
置用の光源に関する。実施例１における光学式位置検出
装置用の光源、光学式位置検出装置、及び半導体露光装
置の原理図を図１に示す。実施例１の光学式位置検出装
置用の光源は、半導体露光装置用の露光光源を兼ね、且
つ、この露光光源からのレーザ光の一部を取り出すため
の光路分割手段４０を含んでいる。

【００１６】この露光光源は、レーザ光源１０と、第２
高調波発生装置２０と、共振器長制御装置３０から構成
されている。図２に概要図を示すように、レーザ光源１
０は、レーザダイオード１１と、Ｎｄ：ＹＡＧから成る
固体レーザ媒質１２及び非線形光学結晶素子１３から構
成されており、波長λの第２高調波を射出することがで
きる。第２高調波発生装置２０は、非線形光学結晶素子
２１及び光共振器２２から構成されており、レーザ光源
１０から射出された波長λのレーザ光が入射され、そし
てこの入射光の第２高調波に基づいた波長λ’のレーザ
光、及び波長λのレーザ光を射出する。共振器長制御装
置３０は、光共振器２２の共振器長を制御する。

【００１７】光路分割手段４０によって取り出された波
長λのレーザ光を光学式位置検出装置のための光源とし
て用いる。実施例１の光学式位置検出装置用の光源にお
いては、光路分割手段４０をバンドパスフィルターから
構成し、第２高調波発生装置２０から射出されたレーザ
光（波長はλ’及びλ）の内、波長λのレーザ光を光路
分割手段４０によって取り出し、この波長λのレーザ光
を用いて光学式位置検出装置によりウエハステージ６５
の位置を検出する。

【００１８】第２高調波発生装置２０から射出された波
長λ’のレーザ光は、反射鏡６０を介してレチクル６１
を照射し、レチクル６１に形成されたパターンを縮小投
影レンズ６２を介してウエハ６３上に形成されたレジス
ト６４に転写する。レチクル６１に形成されたパターン
は、レジスト６４上に形成すべきパターンが例えば５倍
に拡大されたものである。縮小投影レンズ６２は、入射
したレーザ光を透過し、例えば１／５に縮小した光学像
をウエハ６３に形成されたレジスト６４に投影する。こ
れによって、レジスト６４には微細パターンが形成され
る。

【００１９】ウエハ６３はウエハチャック（図示せず）
に載置される。このウエハチャックはウエハステージ６
５に取り付けられている。ウエハステージ６５にはバー
ミラー６６が取り付けられている。尚、図１においては
一方向（例えばＸ方向）のバーミラーのみを図示した
が、バーミラーは他の方向（例えばＹ方向）にも取り付
けられている。ウエハステージ６５は図示しない従来の
ウエハステージ移動機構によってＸ方向及びＹ方向に移
動される。ウエハステージ移動機構は、ＤＣサーボモー
タ、及びウエハステージに連結されたボールネジから成
り、ＤＣサーボモータの回転をボールネジに伝達し、ウ
エハステージを移動させる。

【００２０】光学式位置検出装置は、例えば、プレーン
ミラー干渉計５０、レシーバ（受光装置）５１及びハー
フミラー５２から構成されている。プレーンミラー干渉
計５０は、偏光ビームスプリッターと、２つのコーナー
キューブ反射器と、１／４波長板が組み合わされた公知
の干渉計である。レシーバ５１は、例えばフォトダイオ
ードから構成することができる。尚、光学式位置検出装
置はウエハステージのＸ方向の移動及びＹ方向の移動を
検出するために、２組配設されている。

【００２１】ウエハステージ６５の位置の計測のため
に、第２高調波発生装置２０から射出され、バンドパス
フィルターから成る光路分割手段４０によって取り出さ
れ、ハーフミラー５２、プレーンミラー干渉計５０を経
由した波長λ（周波数ｆ）のレーザ光でバーミラー６６
を照射する。バーミラー６６はウエハステージ６５と共
に移動しているので、バーミラー６６で反射されたレー
ザ光にはドップラーシフトが発生する。尚、通常、バー
ミラー６６で反射されプレーンミラー干渉計５０に入射
したレーザ光は、プレーンミラー干渉計５０から再びバ
ーミラー６６に向けて射出され、再びバーミラー６６で
反射される。このように、バーミラー６６において２回
反射されることによって、レーザ光のドップラーシフト
量を２倍（２Δｆ）とすることができ、精度が向上す
る。また、レーザ光は１／４波長板を合計４回通過する
ので、位相がπずれる。

【００２２】そして、最終的にプレーンミラー干渉計５
０を経由したこのレーザ光（周波数はｆ±２Δｆ）をハ
ーフミラー５２を介してレシーバ５１で受光する。一
方、プレーンミラー干渉計５０から反射された波長λ
（周波数ｆ）のレーザ光（但し、バーミラー６６によっ
て反射されたレーザ光とは位相がπずれている）も、レ
シーバ５１に入射する。その結果、レシーバ５１から
は、周波数差２Δｆの信号が出力される。この出力に基
づき、ウエハステージ６５の相対的な位置が決定され
る。この決定されたウエハステージ６５の相対的な位置
と目標位置との偏差量が０若しくは一定の値に入るよう
に、クローズドループ法若しくはオープンループ法に
て、ＤＣサーボモータ（図示せず）を制御する。尚、実
施例１にて説明した光学式位置検出装置を用いたウエハ
ステージの位置を検出する位置検出方法は、公知の方法
である。

【００２３】実施例１にて用いられる半導体露光装置用
の露光光源のより詳しい構成図を図２に示す。図２に示
すように、実施例１の半導体露光装置用の露光光源は、
第２高調波を射出し得るレーザ光源１０から構成されて
いる。レーザ光源１０は、複数のレーザダイオード１１
（射出光の波長：８０８ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧから成る
固体レーザ媒質１２（射出光の波長：１０６４ｎｍ）、
及びＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）から成る非線形光学結晶
素子１３から構成されたＬＤ励起固体レーザである。固
体レーザ媒質１２は端面励起方式である。このような構
成により、レーザ光源１０からは、Ｎｄ：ＹＡＧから成
る固体レーザ媒質の第２高調波である５３２ｎｍ（＝
λ）の波長を有するレーザ光が射出される。レーザ光源
１０には、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１２の
前方に１／４波長板１４が配置されている。これによっ
て、レーザ光源１０において、所謂ホールバーニング効
果による多モード発振を抑制することができる。

【００２４】非線形光学結晶素子１３は、平面鏡１５及
び凹面鏡１６から成る光共振器の光路内に配置されてお
り、所謂外部ＳＨＧ方式（レーザ発振器の外部に構成し
た光共振器中に配置する方式）を構成する。平面鏡１５
は光の殆どを反射する。また、凹面鏡１６はＮｄ：ＹＡ
Ｇから成る固体レーザ媒質の第２高調波の殆どを透過
し、その他の波長を有する光を殆ど反射する。凹面鏡１
６は、例えばダイクロイックミラーで構成することがで
きる。

【００２５】図２に示すように、第２高調波発生装置２
０は、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）から成る非線形
光学結晶素子２１、及び光共振器２２から構成されてい
る。実施例１においては、第２高調波発生装置２０を構
成する非線形光学結晶素子２１は、光共振器２２の光路
内に配置されている。即ち、第２高調波発生装置２０
は、所謂外部ＳＨＧ方式である。この光共振器２２にお
いては、所謂フィネス値（共振のＱ値に相当する）を例
えば１００〜１０００程度と大きくして、光共振器２２
内部の光密度を、光共振器２２に入射される光の光密度
の数百倍とすることによって、光共振器２２内に配置さ
れた非線形光学結晶素子２１の非線形効果を有効に利用
することができる。

【００２６】光共振器２２は、一対の凹面鏡２３，２４
及び一対の平面鏡２５，２６から構成されている。第２
高調波発生装置２０に入射した光（例えば、λ＝５３２
ｎｍの波長を有する光）は、第１の凹面鏡２３を透過
し、非線形光学結晶素子２１を透過して少なくとも一部
が第２高調波（例えば、波長λ’＝２６６ｎｍの光）に
された後、第２の凹面鏡２４によって反射され、次に、
平面鏡２５，２６によって反射され、更には、第１の凹
面鏡２３によって反射される。このような状態におい
て、第２の凹面鏡２４に入射した光（例えば、波長λ’
＝２６６ｎｍの光）の少なくとも一部が第２の凹面鏡２
４を透過し、第２高調波発生装置２０から光路分割手段
４０に向かって射出される。尚、第２高調波発生装置２
０から光路分割手段４０に向かって射出されるレーザ光
中には、λ’＝２６６ｎｍのレーザ光だけでなく、λ＝
５３２ｎｍのレーザ光も含まれる。

【００２７】また、平面鏡２６から第１の凹面鏡２３へ
と入射した光の一部分（例えば、波長５３２ｎｍの光）
は、第１の凹面鏡２３を透過し、後述する共振器長制御
装置３０へと入射する。尚、第１及び第２の凹面鏡２
３，２４、平面鏡２５，２６は、以上の説明のように光
を反射・透過させるように設計する。第２の凹面鏡２４
は、例えばダイクロイックミラーで構成することができ
る。

【００２８】第２高調波発生装置２０から射出された光
の波長λ’は、第２高調波発生装置２０に入射するレー
ザ光（波長＝λ）を基準とすれば、かかる入射光の第２
高調波である。即ち、実施例１においては、レーザ光源
１０から第２高調波発生装置２０に入射する入射光の波
長λは５３２ｎｍであり、第２高調波発生装置２０から
射出されるレーザ光の波長λ’は２６６ｎｍであり、同
時に波長λ（＝５３２ｎｍ）のレーザ光も射出される。
尚、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質１２から射出
されるレーザ光の波長（１０６４ｎｍ）を基準とすれ
ば、第２高調波発生装置２０から射出される波長λ’の
レーザ光は第４高調波に相当する。第２高調波発生装置
２０からは、波長２６６ｎｍ及び５３２ｎｍの狭帯域を
有するレーザ光が連続的に射出され、かかる光のモード
均一性は高い。

【００２９】光共振器２２の共振器長（Ｌ）は、共振器
長制御装置３０によって精密に制御され一定長に保持さ
れる。この光共振器２２の共振器長（Ｌ）を一定長に精
密に保持することにより、第２高調波発生装置２０から
射出される波長λ’のレーザ光の強度を一定に保持する
ことができる。尚、共振器長（Ｌ）は、第１の凹面鏡２
３、第２の凹面鏡２４、平面鏡２５、平面鏡２６、及び
第１の凹面鏡２３のそれぞれの反射面を結んだ光路長に
相当する。

【００３０】第２高調波発生装置２０から射出される射
出光の波長をλ’としたとき、光共振器２２の共振器長
Ｌ₀が、λ’＝Ｌ₀／Ｍ（但し、Ｍは正数）を満足すると
き（ロック状態とも呼ぶ）、光共振器２２は共振し、第
２高調波発生装置２０は高強度の光を安定に射出する。
言い換えれば、光共振器２２における光路位相差Δが２
πの整数倍のとき、第２高調波発生装置２０を構成する
光共振器２２は共振状態となる。即ち、ロック状態とな
る。ここで、非線形光学結晶素子２１の屈折率をｎ、厚
さをｌとしたとき、光路位相差Δは（４πｎｌ／λ’）
で表わすことができる。

【００３１】また、光共振器２２の共振器長Ｌ₀±ΔＬ₀
が、λ’≠（Ｌ₀±ΔＬ₀）／Ｍ’（但し、Ｍ’は正数）
のとき（アンロック状態とも呼ぶ）、第２高調波発生装
置２０は低強度の光を射出する。言い換えれば、光共振
器２２における光路位相差Δが２πの整数倍からずれた
とき、第２高調波発生装置２０を構成する光共振器２２
は非共振状態となる。即ち、アンロック状態となる。

【００３２】従って、第２高調波発生装置２０から波長
λ’の光を安定に射出するためには、光共振器２２の共
振器長（Ｌ）の経時的な変動（具体的には、例えば、凹
面鏡２３，２４、平面鏡２５，２６の位置の変動）を出
来る限り小さくする必要がある。そこで、共振器長制御
装置３０の制御によって、第１の凹面鏡２３と第２の凹
面鏡２４とを結ぶ光軸上で、第１の凹面鏡２３を移動さ
せたり、かかる光軸に対する第１の凹面鏡２３の配置角
度を変化させ、光共振器２２の共振器長（Ｌ）の経時的
な変動を抑制し、光共振器２２の共振器長（Ｌ）を一定
に保持する。

【００３３】実施例１における共振器長制御装置３０
は、本出願人が平成４年３月２日付で特許出願した「レ
ーザ光発生装置」（特開平５−２４３６６１号）に詳述
されている。

【００３４】この形式の共振器長制御装置３０は、図２
に示すように、フォトダイオード等の光検出器３１、ボ
イスコイルモータ（ＶＣＭ）３２、ボイスコイルモータ
制御回路（ＶＣＭ制御回路）３３、位相変調器３４から
構成される。位相変調器３４は、レーザ光源１０と第２
高調波発生装置２０との間の光路内に配置されており、
レーザ光源１０から射出された光を位相変調する所謂Ｅ
Ｏ（電気光学）素子やＡＯ（音響光学）素子から成る。
位相変調器３４と第２高調波発生装置２０との間には、
集光レンズ３５が配置されている。ボイスコイルモータ
３２には、光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３が
取り付けられている。

【００３５】図３に模式図を示すように、ボイスコイル
モータ３２は、磁性材料から成る基体３２０、１つ以上
の電磁石（所謂ボイスコイル）３２２、磁性体から成る
ヨーク３２３、及び少なくとも１つのコイルバネ（ある
いは渦巻き状の板バネ）３２１から構成された電磁アク
チュエータである。コイルバネ３２１は、その一端が基
体３２０に取り付けられ、そして他端がヨーク３２３に
取り付けられている。また、ヨーク３２３には、第１の
凹面鏡２３及び電磁石３２２が取り付けられている。電
磁石３２２に電流を流すと、磁界が形成され、ヨーク３
２３と基体３２０との間の距離が変化する。その結果、
第１の凹面鏡２３の位置を移動させることができる。即
ち、電磁石３２２に流す電流を制御することによって、
光共振器２２の共振器長（Ｌ）を変化させることができ
る。ボイスコイルモータ３２に対して、サーボ制御が行
われる。

【００３６】ボイスコイルモータ３２の駆動電流は数十
〜数百ｍＡ程度である。従って、駆動回路構成を安価に
作製することができる。しかも、サーボループの複共振
の周波数を数十ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ以上とすることが
でき、位相回りの少ない周波数特性を有するため、サー
ボ帯域を数十ＭＨｚと広帯域化することができ、安定し
た制御を得ることができる。

【００３７】光共振器２２がロック状態にあるとき、例
えば第１の凹面鏡２３から射出され光検出器３１に到達
する光の強度が極小となり、また、かかる光の位相が大
きく変化する。このような変化を利用して光共振器の制
御を行うことが、例えば、R.W.P.Drever, et al. "Lase
r Phase and Frequency Stabilization Using an Optic
al Resonator", Applied Physics B31. 97-105(1983)に
開示されている。光共振器２２のロック状態の制御は、
基本的にはこの技術を応用している。

【００３８】即ち、例えば第１の凹面鏡２３を透過し、
光検出器３１に到達する光の強度が常に極小値（例えば
０）となるように、ＶＣＭ制御回路３３によってボイス
コイルモータ３２を駆動して第１の凹面鏡２３の位置を
変化させれば、光共振器２２のロック状態を安定して保
持することができる。言い換えれば、レーザ光源１０か
ら射出された光を位相変調信号に基づき位相変調を施し
て、第２高調波発生装置２０に入射させ、第２高調波発
生装置２０からの戻り光を光検出器３１によって検出す
ることで検出信号を得る。そして、かかる検出信号を、
位相変調信号にて同期検波し、誤差信号を取り出す。こ
の誤差信号が０となるようにＶＣＭ制御回路３３によっ
て、ボイスコイルモータ３２を駆動して第１の凹面鏡２
３の位置を変化させる。

【００３９】ＶＣＭ制御回路３３は、図４に構成図を示
すように、例えば、発振器３３０、位相変調器駆動回路
３３１、同期検波回路３３２、ローパスフィルタ３３
３、及びボイスコイルモータ駆動回路（ＶＣＭ駆動回
路）３３４から構成されている。

【００４０】発振器３３０から出力された周波数ｆ
_m（例えば１０ＭＨｚ）の変調信号は、位相変調器駆動
回路３３１を介して位相変調器３４に送られる。位相変
調器３４においては、レーザ光源１０から射出された光
（周波数ｆ_O。１０¹⁴Ｈｚオーダー）に位相変調が施さ
れ、周波数ｆ_O±ｆ_mのサイドバンドが生成される。

【００４１】光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３
を通過して光共振器２２の系外に射出された光（周波
数：ｆ_O及びｆ_O±ｆ_m）は、光検出器３１によって検出
される。このような周波数（ｆ_O及びｆ_O±ｆ_m）を有す
る光の間のビートを検出するＦＭサイドバンド法によっ
て、極性を有する誤差信号を得ることができ、かかる誤
差信号に基づき光共振器２２の共振器長（Ｌ）を制御す
る。

【００４２】即ち、この光検出器３１から出力された信
号は、同期検波回路３３２に送られる。この信号は、周
波数ｆ_Oの光の強度信号と、周波数ｆ_mの変調信号に対応
する信号とが重畳された信号である。同期検波回路３３
２には、発振器３３０から出力された変調信号も（必要
に応じて波形整形や位相遅延等が施されて）供給され
る。光検出器３１から出力された信号と変調信号とは同
期検波回路３３２において乗算され、同期検波が行われ
る。同期検波回路３３２から出力された検波出力信号は
ローパスフィルタ３３３に入力され、ローパスフィルタ
３３３においてこの検波出力信号から変調信号成分を除
去することで、光共振器２２の共振器長の誤差信号が生
成される。ここで、誤差信号とは、光共振器２２の設定
共振器長（Ｌ₀）に対する測定共振器長（Ｌ₀±ΔＬ₀）
の差（±ΔＬ₀）を表わす信号である。

【００４３】この誤差信号はＶＣＭ駆動回路３３４に送
られ、かかる誤差信号に基づきボイスコイルモータ３２
が駆動され（具体的には、電磁石３２２に流れる電流を
制御し）、第１の凹面鏡２３を透過しそして光検出器３
１に到達する光が極小値となるように（言い換えれば、
光共振器２２の共振器長がＬ₀となり、誤差信号が０と
なるように）、光共振器２２の共振器長（Ｌ）が調整さ
れる。

【００４４】光共振器２２の共振器長（Ｌ）がＬ₀に設
定されている場合（即ち、ロック状態においては）、共
振器長制御装置３０の制御によって、光共振器２２の共
振器長（Ｌ）の経時的な変動（具体的には、例えば、凹
面鏡２３，２４、平面鏡２５，２６の位置の変動）を、
第２高調波発生装置２０に入射する光の波長の１／１０
００〜１／１００００に抑えることができる。

【００４５】（実施例２）実施例２は、実施例１の変形
である。実施例１においては、第２高調波発生装置２０
から射出された波長λ’のレーザ光及び波長λのレーザ
光の内、波長λのレーザ光を光路分割手段４０によって
取り出した。これに対して、実施例２においては、光路
分割手段４１をハーフミラー又はビームスプリッターか
ら構成し、レーザ光源１０から射出された波長λのレー
ザ光の一部を光路分割手段４１によって取り出し、光学
式位置検出装置の光源として用いる。

【００４６】実施例２における光学式位置検出装置用の
光源を含む位置検出装置、及び半導体露光装置の原理図
を図５に示す。このような光路分割手段４１の構造及び
配置が異なることを除き、他の構成要素は実施例１と同
様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

【００４７】（実施例３）実施例３の光学式位置検出装
置用の光源は、本発明の第２の態様の光学式位置検出装
置用の光源、及び半導体露光装置におけるウエハステー
ジの位置を検出する本発明の位置検出方法に関する。実
施例３における光学式位置検出装置用の光源を含む位置
検出装置、及び半導体露光装置の原理図を図６に示す。
実施例３の光学式位置検出装置用の光源は、半導体露光
装置用の露光光源を兼ね、且つ、この露光光源からのレ
ーザ光の一部を取り出すための光路分割手段４２及び第
２の光路分割手段４３を含んでいる。実施例３において
は、光路分割手段４２はバンドパスフィルターから成
り、第２の光路分割手段４３は、ハーフミラー又はビー
ムスプリッターから成る。そして、光路分割手段４２に
よって、第２高調波発生装置２０から射出されたレーザ
光の内、波長λのレーザ光が取り出され、第２の光路分
割手段４３によって、第２高調波発生装置２０から射出
されたレーザ光の内、波長λ’のレーザ光の一部が取り
出され、これらの波長λ及び波長λ’のレーザ光を用い
て光学式位置検出装置によりウエハステージ６５の位置
を検出する。

【００４８】露光光源は、図２に示した実施例１におけ
る露光光源と同様に、レーザ光源１０と、第２高調波発
生装置２０と、共振器長制御装置３０から構成されてい
る。光学式位置検出装置の構成も、実施例１と同様とす
ることができる。

【００４９】実施例３におけるウエハステージの位置を
検出する位置検出方法では、先ず、第２高調波発生装置
２０から射出されたレーザ光の内、バンドパスフィルタ
ーから成る光路分割手段４２によって取り出された波長
λ（実施例３においては、λ＝５３２ｎｍ）のレーザ光
でウエハステージ６５の位置を検出しながらウエハステ
ージ６５を粗動させて、所望の位置の近傍にウエハステ
ージを移動させる。即ち、ウエハステージ６５をＸ方向
及びＹ方向へ高速で直線移動させる。ウエハステージ６
５の粗動中、光学式位置検出装置によってウエハステー
ジ６５の相対的な位置を常に計測する。そして、目標位
置との偏差量が所定の値となったならば、ウエハステー
ジ６５を停止させる。

【００５０】ウエハステージ６５を停止させても、停止
したウエハステージ６５の位置は、慣性に起因して目標
位置からずれる。それ故、このずれ量が０若しくは所定
の値の範囲に入るまで、波長λ’（実施例３において
は、λ’＝２６６ｎｍ）のレーザ光でウエハステージの
位置を検出しながらウエハステージを微動させる。この
波長λ’のレーザ光は、第２の光路分割手段４３によっ
て取り出された、第２高調波発生装置２０から射出され
たレーザ光の内の波長λ’のレーザ光の一部である。そ
して、ウエハステージ６５を微動させて、所望の位置に
ウエハステージ６５を配置する。尚、ウエハステージの
位置調整方法としては、クローズドループ法若しくはオ
ープンループ法のどちらを採用してもよい。波長λのレ
ーザ光及び波長λ’のレーザ光の光学式位置検出装置へ
の入射は、図示しないシャッター機構によって制御する
ことができる。

【００５１】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。レーザ光源１０、第２高調波発生装置２０及び
共振器長制御装置３０、光学式位置検出装置の構造は例
示であり、適宜設計変更することができる。

【００５２】固体レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧ以外に
も、Ｎｄ：ＹＶＯ₄、Ｎｄ：ＢＥＬ、ＬＮＰ等から構成
することができる。レーザダイオードによる固体レーザ
媒質の励起方式も、端面励起方式だけでなく、側面励起
方式や表面励起方式とすることができ、更にはスラブ固
体レーザを用いることもできる。また、非線形光学結晶
素子として、ＫＴＰやＢＢＯの他にも、ＬＮ、ＱＰＭ
ＬＮ、ＬＢＯ、ＫＮ等、入射光や射出光に要求される光
の波長に依存して適宜選定することができる。

【００５３】一対の反射鏡から成る光共振器の光路内に
固体レーザ媒質と非線形光学結晶素子が配置された、所
謂内部ＳＨＧ方式のレーザ光源を用いることもできる。
また、固体レーザ媒質１２からの射出光を非線形光学結
晶素子１３に通すような構造（即ち、平面鏡１５及び凹
面鏡１６から成る光共振器を省略する構造）とすること
もできる。更には、レーザ光源として、ＬＤ励起固体レ
ーザの代わりに、例えば青色半導体レーザを使用し、か
かる半導体レーザの射出光を第２高調波発生装置に直接
入射させることもできるし、かかる半導体レーザと非線
形光学結晶素子とを組み合わせた所謂内部ＳＨＧ方式か
ら成るレーザ光源と第２高調波発生装置との組み合わせ
構造とすることもできる。また、平面鏡１５及び凹面鏡
１６から成る光共振器の共振器長の制御のために、共振
器長制御装置３０を別途設けることもできる。

【００５４】第２高調波発生装置２０における光共振器
２２の構造を、例えば、凹面鏡と平面鏡から構成された
ファブリ−ペロー型共振器とすることもできる。この場
合、第２高調波発生装置２０に入射する入射光を透過
し、そして第２高調波発生装置２０からの戻り光を反射
する反射鏡を、第２高調波発生装置２０の手前に配置
し、かかる反射鏡で反射された光を光検出器３１で検出
すればよい。光共振器２２の共振器長を変えるために
は、第１の凹面鏡２３を移動させるだけでなく、他の鏡
を移動させてもよい。

【００５５】共振器長制御装置３０の別の態様として、
ＰＺＴ等から成る共振器長制御装置を挙げることができ
る。即ち、光共振器２２を構成する第１の凹面鏡２３を
移動させるために、ＰＺＴ等から成る積層圧電素子及び
共振器長（Ｌ）の長さ変化に比例した信号をこの積層圧
電素子に供給する制御装置から成る共振器長制御装置を
用い、かかる信号をフィードバックしてサーボループを
構成する。これによって、光共振器２２の共振器長の制
御を行い、第２高調波発生装置２０から射出される射出
光の強度制御を行うこともできる。

【００５６】第２高調波発生装置から射出されるレーザ
光の一部は、レーザ光源からの入射光の第２高調波に基
づいた波長（λ’）を有するレーザ光であるが、この第
２高調波発生装置から射出される光の波長（λ’）は、
実施例にて説明したように、固体レーザ媒質の射出する
光を基準とした第４高調波だけでなく、第５高調波とす
ることもできる。この場合には、例えばＮｄ：ＹＡＧか
ら成る固体レーザ媒質から射出される光（波長：１０６
４ｎｍ）と、第２高調波発生装置２０から射出される光
（波長：２６６ｎｍ）とを合成して、再び別の第２高調
波発生装置２０（例えば、非線形光学結晶素子として有
機結晶の urea ＣＯ（ＮＨ₂）₂ を用いる）を通すこと
によって、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レーザ媒質の第５
高調波（波長：２１３ｎｍ）を生成することができる。

【００５７】

【発明の効果】本発明の光学式位置検出装置用の光源
は、半導体露光装置用の露光光源を兼ねているので、従
来技術のように、２つのレーザ光源を必要とすることが
ない。従って、半導体露光装置全体の構成が簡素化さ
れ、保守も容易になる。しかも、露光光源としての効率
が左程低下することはない。本発明の第２の態様に係る
光学式位置検出装置用の光源及び本発明の位置検出方法
においては、波長λ’のレーザ光の一部及び波長λのレ
ーザ光を光学式位置検出装置のための光源として用いる
ので、ウエハステージの位置検出分解能が高くなり、高
精度でウエハステージの位置を計測することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における光学式位置検出装置用の光
源、光学式位置検出装置、及び半導体露光装置の原理図
である。

【図２】露光光源の概要を示す図である。

【図３】ボイスコイルモータの模式図である。

【図４】共振器長制御装置を構成するＶＣＭ制御回路の
構成図である。

【図５】実施例２における光学式位置検出装置用の光
源、光学式位置検出装置、及び半導体露光装置の原理図
である。

【図６】実施例３における光学式位置検出装置用の光
源、光学式位置検出装置、及び半導体露光装置の原理図
である。

【図７】従来の光学式位置検出装置用の光源、光学式位
置検出装置、及び半導体露光装置の原理図である。

【符号の説明】

１０レーザ光源１１レーザダイオード１２固体レーザ媒質１３非線形光学結晶素子１４１／４波長板１５平面鏡１６凹面鏡２０第２高調波発生装置２１非線形光学結晶素子２２光共振器２３第１の凹面鏡２４第２の凹面鏡２５，２６平面鏡３０共振器長制御装置３１光検出器３２ボイスコイルモータ３２０基体３２１コイルバネ３２２電磁石３２３ヨーク４０，４１，４２光路分割手段４３第２の光路分割手段５０プレーンミラー干渉計５１レシーバ５２ハーフミラー６０反射鏡６１レチクル６２縮小投影レンズ６３ウエハ６４レジスト６５ウエハステージ６６バーミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体露光装置におけるウエハステージの
位置を検出するための光学式位置検出装置に用いられる
光学式位置検出装置用の光源であって、該光源は、半導体露光装置用の露光光源を兼ね、且つ、
該露光光源からのレーザ光の一部を取り出すための光路
分割手段を含み、該露光光源は、（イ）レーザダイオード、Ｎｄ：ＹＡＧから成る固体レ
ーザ媒質及び非線形光学結晶素子から構成された、波長
λの第２高調波を射出し得るレーザ光源と、（ロ）非線形光学結晶素子及び光共振器から成り、該レ
ーザ光源から射出された波長λのレーザ光が入射され、
そして該入射光の第２高調波に基づいた波長λ’のレー
ザ光、及び波長λのレーザ光を射出し得る第２高調波発
生装置と、（ハ）該光共振器の共振器長を制御するための共振器長
制御装置、から成り、光路分割手段によって取り出された波長λのレーザ光を
用いて光学式位置検出装置によりウエハステージの位置
を検出することを特徴とする光学式位置検出装置用の光
源。
【請求項２】光路分割手段はバンドパスフィルターから
成り、第２高調波発生装置から射出された波長λのレー
ザ光が光路分割手段によって取り出されることを特徴と
する請求項１に記載の光学式位置検出装置用の光源。
【請求項３】光路分割手段はハーフミラー又はビームス
プリッターから成り、レーザ光源から射出された波長λ
のレーザ光の一部が光路分割手段によって取り出される
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式位置検出装置
用の光源。
【請求項４】ハーフミラー又はビームスプリッターから
成る第２の光路分割手段が更に備えられており、光路分
割手段はバンドパスフィルターから成り、光路分割手段
によって、第２高調波発生装置から射出されたレーザ光
の内、波長λのレーザ光が取り出され、第２の光路分割
手段によって、第２高調波発生装置から射出されたレー
ザ光の内、波長λ’のレーザ光の一部が取り出され、こ
れらの波長λ及び波長λ’のレーザ光を用いて光学式位
置検出装置によりウエハステージの位置を検出すること
を特徴とする請求項１に記載の光学式位置検出装置用の
光源。
【請求項５】半導体露光装置におけるウエハステージの
位置を検出する位置検出方法であって、波長λのレーザ光でウエハステージの位置を検出しなが
らウエハステージを粗動させて、所望の位置の近傍にウ
エハステージを移動させた後、波長λ’（但しλ’＜
λ）のレーザ光でウエハステージの位置を検出しながら
ウエハステージを微動させて、所望の位置にウエハステ
ージを配置する工程から成ることを特徴とするウエハス
テージの位置検出方法。
【請求項６】レーザ光は、半導体露光装置用の露光光源
から射出されたレーザ光の一部であることを特徴とする
請求項５に記載のウエハステージの位置検出方法。
【請求項７】レーザ光の波長は、λ＝２λ’の関係を満
たすことを特徴とする請求項６に記載のウエハステージ
の位置検出方法。