JP2008520998A - 物体の並進を検出する検出システム - Google Patents

Abstract

本発明は、回折パターン（３）が加えられている物体（２）の並進（T）を検出するシステム（１）に関する。該システムは、前記回折パターンに入射光ビーム（I）を与え、前記回折パターンからの回折光ビーム（D）を得る手段（４）と；前記入射光ビームと前記回折ビームとの間の干渉によって位相差を測定する手段（４）と；前記測定された位相差に基づいて前記並進を検出する手段（４）とを有する。本発明はさらに、物体（２）の並進を検出する方法；再方向付け装置６および周波数多重システムに関する。

Description

本発明は、物体の並進を検出するシステムに関する。より特定的には、本発明は、回折パターンをもつ物体の、特に該回折パターンをもつ面の法線に平行な並進を、該回折パターンへの入射光ビームを与えることによって検出するシステムに関する。本発明はさらに、回折パターンをもつ物体の並進を検出する方法、再方向付け装置および周波数多重システムに関する。

動く物体の位置または位置変動の精密な測定はさまざまな技術的応用において必要とされる。例として、半導体産業において応用されているリソグラフィー投影ツールおよびウェーハ検査ツールは、半導体ウェーハの位置変動の正確な情報を必要とする。もう一つの使用分野はプリント回路基板（PCB）産業に関わる。ここでは、PCB上にコンポーネントをマウントする際、PCB上にパターンをプリントする際、あるいはPCBの検査の際に、PCBの位置についての情報が必要とされる。

典型的には、物体の並進は、該物体への入射光ビームを与えることによって光学的に測定される。例として、US4,710,026は、二つの光ビームの間に所定の周波数差を与え、基板上に形成される回折格子からの第一および第二の回折光ビームの間の干渉に関して光学的なうなりを生成する手段を含む装置を開示している。その装置はさらに、光学的なうなりと前記二つの光ビームの間の周波数差に対応する周波数をもつ基準信号との間の位相差を検出する手段を有しており、前記位相差に基づいて光ヘテロダイン干渉法によって基板の位置を検出する。

従来技術の位置検出装置は、回折パターンの平面内での基板の並進を測定するのに好適であるが、該検出装置は該基板の面外並進を測定することはできない。

光学系において物体の面外並進の検出を許容するシステムを提供することが本発明の一つの目的である。

この目的は、回折パターンが加えられている物体の並進を検出するシステムであって：
・前記回折パターンへの入射光ビームを与え、前記回折パターンからの回折光ビームを得る手段と；
・前記入射光ビームと前記回折ビームとの間の干渉によって位相差を測定する手段と；
・前記測定された位相差に基づいて前記並進を検出する手段、
とを有するシステムを提供することによって達成される。

回折ビームどうしの間の位相差を測定する代わりに、回折ビームの位相は個々に、該回折ビームと入射光ビームとの干渉によって測定される。従来技術の概念は、周知のレーザードップラー効果の古典的な説明の線に沿って、回折パターンにおける干渉パターンの存在を想定している。これに対し、本発明によれば、位相差測定手段における干渉が想定される。その結果、測定された位相差は格子の、よって物体の面外並進についての情報を含む。

回折光ビームが必ずしも入射光ビームの結果ではないことは理解されるであろう。さらに、十分な光強度をもつあらゆる次数の回折光ビームを本発明に基づく並進検出のために使用できることも理解されるであろう。さらに、請求項２０で定義されるように、光ビームは必ずしも回折格子に入射しなくてもよく、該光ビームが回折格子からの回折ビームと可干渉性であればよいことを注意しておく。

請求項３で定義される本発明の実施形態は、すべての並進、すなわち面内および面外の並進が検出できるという利点を提供する。ある好ましい実施形態では、第一の入射ビームと結果として生じる第一の回折ビームの間、第二の入射ビームと結果として生じる第二の回折ビームの間、第三の入射ビームと結果として生じる第三の回折ビームの間で位相差が決定される。

請求項４で定義される本発明の実施形態は、並進とは別に、物体の回転も決定できるという利点をもつ。物体が回転する場合、回転も物体の並進を測定するための回折ビームの位相に影響する。したがって、有意な回転運動成分をもつ物体については、物体の並進を計算するために回転を決定するべきである。したがって、すべての自由度について運動を決定するシステムが得られる。

請求項５で定義される本発明の実施形態は、再方向付け手段が、入射ビームと回折ビームとの間の小さいまたは無視できる、好ましくは0の角度を与えるという利点をもつ。したがって、入射ビームと回折ビームとの間の測定される干渉は、さまざまな強度をもつ単一のスポットからなる。これは、干渉を測定するための比較的単純な検出器の使用を可能にする。さらに、ビームが回折パターンにおいて何回か回折できるようにすることによって、物体の並進がより高精度で決定できる。第一の再方向付け手段の特に有利な実施形態が請求項６において定義されている。

請求項７で定義される本発明の実施形態は、入射ビームの位相および回折ビームの位相の両方の測定のために基準ビームを使うことで、両ビームの間の測定される位相差の精度が向上するという利点をもつ。

請求項８および９で定義される本発明の実施形態は、特定の入射ビームからの回折光ビームが位相差の測定に有害な影響を及ぼさない、すなわち回折ビーム間の漏話が解消または削減されるという利点をもつ。この実施形態は、各入射光ビームについて別個のレーザーを適用してもよい。ここで、それらのレーザーは非干渉性であるか、あるいは適切に大きな周波数差をもつ。あるいはまた、単一のレーザーを使用して、その光ビームが諸部分に分割されるのでもよい。特に、それらの諸部分の少なくとも一つの部分はヘテロダインシステムにおいて基準ビームのために使用されうる。

請求項１０〜１３で定義されるような本発明の実施形態は、請求項８および９のシステムに比べて、複雑さが軽減される、したがってコストが削減されるという利点をもつ。基準ビームのための安定化レーザーおよび波長トリガーをもつ変調方式が半導体レーザーの内在的な不安定性および好ましくは高い変調周波数に対処する。他の型のレーザー、たとえばガスレーザーを使ってもよい。該レーザーに向かって反射された光に感度をもちさえすればいいのである。前記の高い変調周波数は、回折パターンの並進について十分な数のサンプルを得るためである。このレーザー自己混合を応用するホモダイン実施形態は、並進検出においてそれほど精度を必要としない用途に好適である。

上記の諸実施形態またはその諸側面を組み合わせてもよいことは理解されるであろう。

本発明はまた、回折パターンが加えられている物体の並進を検出する方法であって：
・前記回折パターンに入射光ビームを与える段階と；
・前記回折パターンからの回折光ビームを得る段階と；
・前記入射光ビームと前記回折ビームとを干渉させることによって位相差を測定する段階と；
・前記測定された位相差に基づいて前記並進を検出する段階、
とを有する方法にも関する。

本発明に基づくこの方法は、前記測定される位相差が、格子の、よって物体の面外並進についての情報を含むことができるようにする。請求項１５および１６で定義される本発明の実施形態では、本方法は物体のすべての並進およびすべての回転の情報を提供する。

最後に、本発明は上記のシステムの、または前記方法のために適用されるコンポーネントにも関する。

具体的には、本発明は、入射する光ビームを実質的に同じ光路に沿って返すための、コーナーキューブ、偏光ビームスプリッター、半波長板およびプリズムを有する再方向付け装置に関する。物体の並進を決定するためのシステムに適用されるとき、この装置は、再方向付け手段が入射ビームと回折ビームとの間に小さなまたは無視できる、好ましくは０の角度を与えるという利点をもつ。しかしながら、再方向付け装置は、より一般に、入射光ビームの光路に沿って再方向付けされるべき入射光ビームの場合に適用できる。

さらに、本発明は、回折パターンをもつ物体に光ビームを与えるよう構成された、前記物体の並進を検出するためのシステム内の周波数多重システムに関する。ここで、該周波数多重システムは、所定の周波数のレーザービームを与える単一のレーザー光源と、該レーザービームを複数の諸部分に分割して該諸部分の一つもしくは複数の周波数をシフトさせて前記入射光ビームについて異なる周波数を得るための手段とを有しており、当該システムは、前記諸部分の一つを、前記物体の並進を検出するためのシステムのために前記入射ビームのそれぞれと組み合わせる基準ビームとして使うよう構成されている。

本発明について付属の図面を参照してさらに説明する。図面は本発明に基づくある好ましい実施形態を概略的に示すものである。本発明はいかなる形であれこの個別的な好ましい実施形態に限定されないことは理解されるであろう。

図１は、回折パターン３（以下、格子３とも称する）が加えられている物体２の並進を検出するシステム１を概略的に描いている。物体はたとえばウェーハまたはプリント回路基板である。回折パターン３は前記物体２に直接加えられていてもよいし、あるいは一つもしくは複数の中間的もしくは補助的構成要素（図示せず）によって前記物体２に取り付けられていてもよい。図のようなX、Y、Z方向の物体２の並進を検出するために隔離距離Sのところに測定ヘッド４が設けられる。

図２Ａ〜２Ｄは、周期的な反射格子３の並進の効果の概略的な図解である。図２Ａでは、入射ビームIが格子３に向けられる。入射ビームIは静止している格子３によって回折されて、回折ビームDを形成する。回折次数D(−1)、D(0)、D(＋1)の回折光ビームDが示されている。図２Ｂは、同じ状況を１次について、入射光ビームIと回折光ビームDの波長の指示を付けて示している。

図２Ｃおよび２Ｄはそれぞれ、格子３の、該格子３の面に平行な並進および該格子３を含む平面の法線nに平行な成分をもつ並進の効果を示しており、点線が並進前の状況を、実線が並進後の状況を表す。図のように、格子３の並進は回折ビームDの位相に影響する。具体的には、格子３について、格子３の周期をpとして距離p/4の面内並進Tはλ/2の位相シフトを生じる。距離λ/4の面外並進はλ/2.14の位相シフトを生じる。以下の記述では、図２Ｄの状況は、法線nに平行な距離λ/4の並進が回折ビームDのλ/2の位相シフトを生じると近似することにする。

図３Ａおよび３Ｂは、位相差ΔΦを測定する従来式の方法を示している。二つの入射ビームIが異なる方向から格子３に与えられ、結果として生じる回折光ビームDどうしの間の位相差が測定される。図３Ａに描かれる面内並進Tについては、p/4の並進Tから生じる回折光ビームDどうしの間の位相差はλ/2である。しかし、格子３の面外並進は、回折ビームDの位相シフトどうしが打ち消し合うので測定されない。

図４Ａおよび４Ｂは、位相差ΔΦを測定する、本発明のある実施形態に基づくシステムおよび方法を示している。図３に描かれている従来式の方法とは対照的に、各回折ビームDの位相は個々に、入射ビームIと回折ビームDとの間の干渉を測定することによって測定される。したがって、面内並進については入射ビームと回折ビームの各対について位相シフトλ/4が測定され、面外並進については各対についてλ/2の位相シフトが測定される。よって、本発明に基づくシステムおよび方法は、面内並進および面外並進の検出を許容する。面内および面外並進の両方を決定するため、システムは、面内並進と面外並進の位相シフト寄与を区別できるよう構成されるべきである。面内並進は光学的にまたはその他の仕方で決定できる。

例として、図５、６Ａ、６Ｂは、二次元格子３が加えられている物体２（図示せず）の並進Tおよび回転Rを検出するシステム１を概略的に示す図である。システム１は、二次元格子３に異なる方向から第一、第二、第三の入射光ビームを与える光学ヘッド４を有している。これらの第一、第二、第三の入射光ビームI1、I2、I3について第一、第二、第三の回折光ビームD1、D2、D3が生じる。回折ビームD1、D2、D3のうち、回折次数−1、0、＋1が示されている。入射ビームIと回折ビームDの３つの対が黒、暗灰色、明灰色で示されている。さまざまなビーム経路を見分けられるよう、図５のビームは同じ測定スポットに集まらず、互いにわずかにずれた３つの異なるスポットに集まっているが、実際には三つのビームは同じ測定スポットに集まる。測定ヘッド４はさらに、前記第一の入射ビームI1と前記第一の回折ビームD1、前記第二の入射ビームI2と前記第二の回折ビームD2、前記第三の入射ビームI3と前記第三の回折ビームD3からなる三つの対の少なくとも一つの間の位相差ΔΦを測定する手段を有している。回折次数の光強度が十分である限り、回折ビームD1、D2、D3のあらゆる回折次数を位相差ΔΦの測定に使うことができる。ビームI1、I2、I3の波長および入射角ならびに格子３の周期pは、回折次数＋1の回折ビームD1、D2、D3が測定ヘッド４で格子３の並進Tを検出するために使われるように決定されている。

システム１はさらに、前記物体２の回転Rを検出するために前記回折光ビームD1、D2、D3のさらなる次数、図１では次数0および−1を受けるよう構成された位置敏感検出器５を有している。格子３の回転R_x、R_y、R_zは位置敏感検出器５上でのこれらの次数の変位を生じ、したがって物体２の回転が検出できる。物体２が回転すると、一つまたは複数の光ビームの光路長が変わることがあるので、物体２の並進を測定するための回折ビームD1、D2、D3の位相も影響されうる。したがって、有意な回転運動成分R_x、R_y、R_zをもつ物体２については、物体の並進を計算するためにこの回転を決定するべきである。

より精密には、二次元の回折格子３については、回折次数は２つの座標によって示される。一次は(0,0)によって、x方向の一次は(1,0)によって、y方向の一次は(0,1)によって示される、などである。ここに記載する実施形態では、さらなる次数(0,0)および(−1,0)が物体２の回転を測定するために使用される。次数(0,0)は、以後再び次数0によって示すが、これは回転R_xおよびR_yにのみ敏感である。一方、より高い次数、ここでは(−1,0)はR_x、R_y、R_zに敏感である。しかし、(−1,−1)のようなさらに他の次数も使ってもよい。明確のため、以下では二つの座標による次数の指示は省略する。

回折された＋1次のビームD1、D2、D3は、第一再方向付け手段６に向けられる。この逆行反射器を経たのち、ビームD1、D2、D3は二度目に格子３に向けられる。回折ビームの一部は光ヘッド４に入射し、格子３の並進を検出するためにそれらのさらに回折されたビームの位相が測定される。

回折された次数0および−1はそれぞれ二次元位置敏感検出器５および一次元位置敏感デバイスに当たる。回折次数0のスポットの位置が二次元位置敏感検出器を用いて二つの方向で測定され、一方、次数−1のビームの位置は一方向で測定される。

三つの位相測定および三つの点位置測定を使って、回折格子３の三つの並進および三つの回転が決定される。

図６Ａでは、明確さの理由のため、単一の入射ビームI1だけがその対応する回折ビームD1とともに描かれている。回折ビームD1については次数＋1、0、−1が示されている。明らかに、格子周期p、波長λおよび入射角は、入射面内の回折された次数＋1のビームが格子３の法線nに沿う方向に向けられるように選ばれる。図６Ａにおける球面は、回折次数の配向をより明瞭に示すために描かれているだけである。格子３の十字線は二次元回折格子の配向を示す。

三つの光学ヘッド４が、三つの入射光ビームI1、I2、I3が図６Ｂに示される仮想角錐Pの三つの辺に沿う方向になるような位置および配向にされる。図５で見て取れるように、三つの入射ビームの入射面内の回折された次数＋1のビームD1(＋1)、D2(＋1)、D3(＋1)は互いに平行であり、第一の再方向付け手段６に向けられる。これは、入射ビームが仮想角錐Pの辺に沿った方向にされるビームレイアウトについて典型的である。

第一の再方向付け手段６（以下、零オフセット逆行反射器とも称する）の機能は、はいってくるビームを、反射ビームがはいってくるビームと平行になり、かつはいってくるビームと一致するように再方向付けすることである。零オフセット逆行反射器６はコーナーキューブ７、偏光ビームスプリッターキューブ８、半波長板９および折り畳み鏡としてはたらくプリズム１０を含む。通常、逆行反射器としてはコーナーキューブが使われる。入射ビームと反射ビームは互いに平行だが空間的に離間している。零オフセット逆行反射器６は入射ビームを再方向付けして、同じ光路に沿って格子３に戻らせる。入射ビームの方向または位置が名目的でなければ、入射ビームと反射ビームの間のオフセットは０にはならない。

光学ヘッド４の構成は、回折ビームD1、D2、D3の位相が測定される方法に依存する。二光線干渉に基づく測定系については、光学ヘッド４は図７および図８のように構成されることができる。図７および図８では、回折された次数＋1のビームD1だけが示されており、次数0および−1のビームは示されていないことを注意しておくべきであろう。ビームのわきの記号は偏光状態を表す。ビーム経路を明確にするために、ビームや「曲がった」反射の間にずれが設けられている。現実には、すべての平行ビームは一致する。構成は、入射光ビームの偏光状態を修正するための波長板、光分割器およびファラデー・コンポーネントといったいくつかの光学コンポーネントを有しているが、これらは当技術分野において既知であり、ここでこれ以上の説明は必要ない。

図７は、入射ビームI1が回折格子３によって二回回折される二重パスレイアウトを示している。

入射ビームIの位相を干渉的に、すなわち二光線干渉によって測定するために基準ビーム（reference beam）RBが与えられる。入射ビームI1が回折格子３に向けられる前に、その小さな部分が光学コンポーネント２０によって分割され、基準ビームRBの一部と組み合わされ、検出器２１において干渉させられる。ヘテロダインシステムについて典型的なように、この検出器２１からの電気信号が基準信号として使われる。この電気的基準信号の位相は、ある定数を別にすれば、二つの干渉するビームI1およびRBの間の位相差に等しい。格子３から光学ヘッド４へのさらに回折された回折ビームDxの部分は、第二の検出器２２において、基準ビームRBの残りと干渉するようにされる。この検出器２２からの電気信号の位相は、ある定数を別にすれば、二つの干渉するビームDxおよびRBの間の位相差に等しい。検出器２２は光ビームの干渉に起因する強度変動を電気信号に変換する。こうして、二つの検出器信号の間の位相差ΔΦは、格子３の並進Tによって導入された回折ビームDxの位相シフトに等しい。

図７の二重パスビームレイアウトは、基準ビームRBと干渉するさらに回折された回折ビームDxが格子３の回転に依存しないことを保証する。格子３の回転は、そのビーム区間の変位につながるのみである。これは「ビーム・ウォーク・オフ」とも称される。結果として、格子３の回転範囲は、零オフセット逆行反射器６のないビームレイアウトに比べて非常に大きい。4mmのビーム直径および光学ヘッド４の100mmの隔離距離では、回転範囲はおよそ±5mradになる。

回転範囲をさらに増やすため、図８に示すような四重パスレイアウトを使うことができる。このビームレイアウトでは、入射ビームI1は、基準ビームRBと干渉する前に格子３によって４回回折される。光学ヘッド４に戻る回折ビームは、第二の再方向付け手段２３によってもう一度回折格子３に返される。第二の再方向付け手段２３は鏡および偏光ビームスプリッターキューブを含む。偏光状態は、光ビームがビームスプリッターキューブによって全反射されるようなものである。この四重パスビームレイアウトは、格子３の回転に起因するビーム偏向を補償するのみならず、上述したビーム・ウォーク・オフをも補償する。この場合、回転範囲は零オフセット逆行反射器６の大きさによって制限される。25mmの開口および光学ヘッド４の100mmの隔離距離Sでは、回転範囲は±60mradである。

上述した回転範囲は、物体２が、スポットが当たる領域にわたって平坦であるという前提に基づいている。この領域は、スポットサイズに、許容されるビーム・ウォーク・オフを加えたものに等しい。二重パスレイアウトについては、この領域は6mmの直径をもつ。四重パスレイアウトについては、この領域は25mmの直径をもつ。この領域上で格子３の曲率があると回転範囲が縮小することがある。物体２の並進の精密な検出が可能にされる回転範囲は、従来技術のシステムについてよりも著しく大きいことがありうる。

図９は、光学ヘッド４のための光源系をより詳細に示している。このシステムは単一の安定化レーザー３０に基づいている。たとえば632.8nmの波長をもつレーザーからの光は、空気を介して直接、あるいは図９に示すようにグラスファイバー３１を介して光学ヘッド４に向けることができる。ファイバーの選択肢は、レーザー３０を真空容器の外部に配置しなければならない場合に有用であることがある。レーザー光は分割器３２および鏡３３によって四つの部分に分割され、各部分は音響光学変調器３４によって周波数がシフトされる。これら４つのビームの一つが基準ビームRBとして使われる。他のビームは格子３のための入射ビームI1、I2、I3である。

音響光学変調器３４が駆動される四つの周波数は、検出器２１および２２のための電気信号の周波数（さらに回折された回折ビームDxと基準ビームRBとの間の周波数差に等しく、いわゆるうなり周波数）が互いに異なるよう選ばれる。結果として、検出器信号周波数は別個の帯域である。したがって、格子３の動きのため、さらに回折された回折ビームDxの周波数が変化し、その結果うなり周波数がシフトすることを注意しておく。

これらのうなり周波数を別個の周波数帯に選ぶ理由は次のようなことである。図５に示すように、D1の次数0のビームは零オフセット逆行反射器６によって反射されるD3の１次ビームと平行であり、両方がD3のための光学ヘッド４に当たる。同様に、D3の次数0のビームは逆行反射されたD1の１次ビームと平行であり、両方がD1のための光学ヘッド４に当たる。光学ヘッド４における望まれない次数0ビームは、１次ビームD1、D2、D3のほかに基準ビームRBとも干渉する。異なるうなり周波数を選ぶことによって、あらゆる干渉の寄与は周波数多重される。結果として、所望の寄与と所望でない寄与がフィルタ処理によって分離できる。

例として、音響光学変調器の周波数は15MHz、30MHz、45MHz、60MHzに選ばれる。よって、検出器信号の周波数は（格子が動いていなければ）第一、第二、第三の入射ビームI1、I2、I3についてそれぞれ45MHz、30MHz、15MHzである。これらの信号のそれぞれが格子３の動きのために±7.5MHzの帯域幅の範囲内で変動するなら、変動は別個の帯域内にあるままである。I1、I2、I3について20°の入射角および632.8nmの波長λについては、格子周期pは1.85μmでなければならない。これらの値を用い、図８の四重パスビームレイアウトを用いると、格子の3.5m/sでの面内並進Tは7.5MHzの周波数シフトにつながる。図７の二重ビームレイアウトでは、7m/sのスピードが7.5MHzの周波数シフトにつながる。

回折ビームD1のために意図された光学ヘッド４における干渉の所望でない寄与は、次数0のビームD3と基準ビームRBとの間のうなり周波数15MHzでの干渉および次数0のビームD3と回折ビームD1とのうなり周波数30MHzでの干渉に起因する。所望の寄与は、回折ビームD1と基準ビームRBとの間のうなり周波数45MHzでの干渉に起因する。まとめると、選択的フィルタ処理により、所望の寄与と所望でない寄与が分離できるのである。

図１０〜図１４は、レーザー自己混合に基づく位相測定のための代替的なシステムを示している。図７〜図９で示した以前の実施形態と同様、二重パスビームレイアウトと四重パスレイアウトが図１０および図１１に示されている。図７および図８の符号と同一の参照符号は同一または同様の構成要素を示す。入射光ビームの偏光状態を修正するための波長板および光分割器のようなさらなる構成要素もある。

入射光ビームI1はダイオードレーザー４０によって生成される。レーザー出力にはレーザー４０に返される回折光ビームDxが影響する。レーザー出力は検出器４１によってモニタリングされている。そのために前記入射光の小さな部分が、検出器信号i₀(t)の位相シフトが返された回折ビームDxの位相シフトΔΦに等しくなるように、この検出器に漏らされる。こうして、検出器信号i₀(t)の位相シフトを測定することによって、格子３の並進Tおよび／または回転Rから帰結する回折ビームDxの位相シフトΔΦを決定できる。さらに、安定化レーザー４２が基準ビームRBを与える。

図１０〜図１４のシステムは本来的にホモダインであり、図７〜図９を参照して先述したようにうなり周波数を導入することによってヘテロダインシステムに変換することはできない。したがって、問題は、検出器４１における光強度の変動からいかにして回折ビームDxの位相シフトを測定するかである。

図１２および図１３Ａ〜１３Ｊは、この問題を解決するための本発明のある実施形態を示している。レーザーダイオード４０は入力電流i_i(t)を使って変調される。検出器すなわちモニターダイオード４１の出力電流はi_o(t)で表される。入射光ビームの位相はφ(t)である。回折光ビームの位相は、レーザービームがレーザー４０に戻るのにかかる時間をτとして、φ(t−τ)で示される。レーザービームの角周波数はω(t)である。基準ビームRBの角周波数はω₀と表される。

ダイオードレーザーの変調は図１３Ａに示されている。入力電流i_i(t)は2MHzの周波数で変調され、これだと図１１の四重パスのビームレイアウトの場合、周期pが1.85μmの格子３のスピード1m/sに対し、１周期当たり４サンプルが生じる。どのサンプルがどの周期に対応するかを決定するためには、１周期当たりある最低数のサンプルが必要とされる。４つ以上のサンプルというのが実際的な数字であることが確立されている。図１３Ｂは入射レーザービームI1の周波数ω(t)の、結果として得られる変調を示している。図１３Ｃは入射レーザービームI1の位相φ(t)の、結果として得られる変調を示している。図１３Ｄは、位相φ(t)と返されたビームDxの遅延された位相φ(t−τ)とを示している。Δφ(t,τ)で表される位相差が図１３Ｅに示されている。この位相差は、出力電流i_o(t)の位相に等しい。その出力電流は図１３Ｆに示されている。

格子３の並進Tによって導入された位相シフトを測定するために、i_o(t)の位相。しかし、周波数（または波長）の変調のため、位相シフトと並進との間の関係は未知である。したがって、波長λを決定して考慮に入れるべきである。ダイオードレーザー４０の波長は、ドリフトのためあまり安定ではない。結果として、ダイオードレーザー４０の波長を、電流i_r(t)を生成する検出器４３によって測定することが有利である。精度は主として隔離距離Sおよび並進Tの検出に要求される精度によって決定される。隔離距離Sが100mm、図１１の四重パスのビーム設定および要求される並進精度1nmでは、波長の精度は約10^-9となるべきである。

そのような精度は、ダイオードレーザー４０と安定化されている基準レーザー４２との間の周波数差を直接測定することによって到達できる。入力電流i_i(t)の高い変調周波数のため、周波数差は連続的に測定はされない。その代わり、システムは、ダイオードレーザー４０の波長ω(t)がある値をまたいだらトリガーを生成するように構成される。その値は、基準レーザー４２の波長ω₀と検出器４３に接続されている狭帯域通過フィルタ４４の中心周波数とによって決定されるものである。通過した信号を検出するためには電力検出器４５が使われる。図１３Ｇ〜１３Ｊは、トリガーユニット４６からのトリガー信号およびそのi₀(t)の位相測定との関係を示している。入射レーザービームI1と回折レーザービームDxとの間の位相差は時刻t1、t2、t3、t4において、すなわちω(t)〜ω₀のときに測定される。

1nmの精度を得るためには、トリガーがトリガーユニット４６から生成される精度は0.5MHzである。入力電流の変調深さは、位相シフトが2πの数倍となるようなものでなければならない。よって、レーザーの中心波長が約0.6μm、隔離距離Sが100mm、図１１の四重パスビームレイアウトでは、相対的な波長変化は約1.5×10^-6である。これは絶対的な波長変化では約1pmに対応する。よって、周波数ω(t)の変調深さは約2π×750MHz（ダイオードレーザー４０についての平均値は約2π×500THz）。

図１４は、図５のシステムへのダイオードレーザー４０の組み込みを示している。波長トリガーについては、すべての光学ヘッド４に共通の安定化レーザー４２が適用される。三つの測定方向について三つの光学ヘッドのダイオードレーザー４０は相関していないので、図７〜図９のヘテロダインシステムについて遭遇された漏話の問題が回避される。

本発明に基づくシステムのとりわけ興味深い応用はウェーハ位置付け（positioning）である。従来式には、ウェーハ位置付けは、鏡が取り付けられているチャック上にウェーハを置くことによって実行される。本発明のシステムでは、そのようなチャックは省略でき、ウェーハの位置付けは、ウェーハ上に回折格子３を加え、該ウェーハへの入射ビームと該ウェーハからの回折ビームとの間の位相差を測定することによって制御できる。

上記の諸実施形態は本発明を限定するのではなく解説するものであり、当業者は付属の請求項の範囲から外れることなく数多くの代替的な実施形態を設計できるであろうことは注意しておくべきである。本発明の概要は、格子３によって回折されたビームDと回折されていない光ビームLとの間の位相差を測定することによって、格子３の面内のみならず面外の並進をも検出できるようになるという洞察に関する。光学素子Oが光ビームLの一部分Iを格子３に向けて回折ビームDを得る。一方、光ビームLの別の一部分は透過して測定ヘッド４に向かう。測定ヘッド４は回折ビームDと回折されていない光ビームDとの間の位相差を測定する。

請求項において、括弧内に参照符号があったとしてもその請求項を限定するものと解釈してはならない。動詞「有する」は請求項において挙げられているもの以外の要素またはステップの存在を排除しない。要素の単数形の表現はそのような要素の複数の存在を排除しない。ある種の施策が互いに異なる従属請求項において言及されているというだけの事実がそれらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。

本発明のある実施形態に基づく、回折パターンをもつ物体および測定ヘッドを示す図である。 回折パターンの並進の回折ビームに対する影響を概略的に図解する図である。 回折パターンの並進の回折ビームに対する影響を概略的に図解する図である。 回折パターンの並進の回折ビームに対する影響を概略的に図解する図である。 回折パターンの並進の回折ビームに対する影響を概略的に図解する図である。 従来技術に基づく位相差測定法を示す図である。 従来技術に基づく位相差測定法を示す図である。 本発明のある実施形態に基づく位相差測定法を示す図である。 本発明のある実施形態に基づく位相差測定法を示す図である。 本発明のある実施形態に基づく、物体の並進および回転を検出するシステムを概略的に示す図である。 図５に示したシステムの特定の諸側面を示す図である。 図５に示したシステムの特定の諸側面を示す図である。 本発明に基づく物体の並進を検出するためのシステムの実施形態を示す図である。 本発明に基づく物体の並進を検出するためのシステムの実施形態を示す図である。 本発明のある実施形態に基づく図７および図８のシステムについての周波数多重化器システムを示す図である。 本発明に基づく物体の並進を検出するためのシステムについてのさらなる実施形態を示す図である。 本発明に基づく物体の並進を検出するためのシステムについてのさらなる実施形態を示す図である。 入射ビームと反射ビームの間の位相差を測定するための図１０および図１１の実施形態の一部を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０〜図１２の実施形態において適用される方法を説明する特性を示す図である。 図１０または図１１の実施形態の図５のシステムへの組み込みを示す図である。 本発明の概要の概略的な図解である。

Claims (20)

1. 回折パターンをもつ物体の並進を検出するシステムであって：
   ・前記回折パターンに入射光ビームを与え、前記回折パターンからの回折光ビームを得る手段と；
   ・前記入射光ビームと前記回折ビームとの間の干渉によって位相差を測定する手段と；
   ・前記測定された位相差に基づいて前記並進を検出する手段、
   とを有するシステム。
2. 前記並進を検出する手段が、前記物体の、回折格子をもつ面の法線に平行な並進を検出するよう構成されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記回折パターンが二次元回折格子であり、当該システムが：
   ・前記回折パターンに第一、第二および第三の方向から第一、第二および第三の入射光ビームを与え、第一、第二および第三の回折ビームを得る手段と：
   ・前記第一の入射ビームと前記第一の回折ビーム、前記第二の入射ビームと前記第二の回折ビームおよび前記第三の入射ビームと前記第三の回折ビームからなる諸対の少なくとも一つの間の位相差を測定する手段とを有する、請求項１記載のシステム。
4. 当該システムが、前記物体の回転を検出するために前記回折光ビームのさらなる次数を受けるよう構成された位置敏感検出器を有する、請求項３記載のシステム。
5. 当該システムが、さらに回折された回折光ビームが得られるよう、前記第一、第二および第三の回折ビームを一回以上、前記物体の前記回折パターンに向けて再方向付けする一つまたは複数の再方向付け手段をさらに有する、請求項３記載のシステム。
6. 前記再方向付け手段の一つが、前記第一、第二および第三の回折ビームを実質的に同じ光路に沿って前記回折パターンに向けて再方向付けするよう構成されたコーナーキューブ、偏光ビームスプリッター、半波長板およびプリズムを含む、請求項５記載のシステム。
7. 前記位相差を測定する手段が、基準ビームのための入力と、入力光ビームと前記基準ビームとの間の位相差を測定する第一検出器と、前記基準ビームとさらに回折された回折光ビームとの間の位相差を測定する第二検出器とを有する、請求項５記載のシステム。
8. 当該システムが、前記第一、第二および第三の入射光ビームについて異なる周波数をもつよう構成される、請求項３記載のシステム。
9. 当該システムが、所定の周波数のレーザービームを与える単一のレーザー光源と、該レーザービームを四つの部分に分割し、三つの部分の周波数をシフトさせて前記三つの入射光ビームについて異なる周波数を得る手段とを有しており、当該システムは、四つ目の部分を、前記位相差を検出する手段のために前記三つの部分のそれぞれと組み合わせる基準ビームとして使うよう構成されている、請求項８記載のシステム。
10. 当該システムが半導体レーザーを有しており、該半導体レーザーは、前記第一、第二または第三の入射光ビームのうちの少なくとも一つを与え、前記第一、第二または第三の回折光ビームまたは前記さらに回折された回折ビームを受け、前記入射光ビームおよび前記回折光ビームの一部分を前記位相差を測定する手段に出力するよう構成された、請求項３記載のシステム。
11. 前記半導体レーザーがさらに、前記入射光ビームの周波数を変えるための変調信号を受け取るよう構成されている、請求項１０記載のシステム。
12. 当該システムがさらに、安定化された周波数をもつ基準ビームを与える安定化レーザーと、前記入射ビームおよび前記基準ビームの周波数を検出するさらなる検出器とを有する、請求項１０記載のシステム。
13. 当該システムが、前記安定化された周波数が前記入射ビームの前記周波数に実質的に一致するときに前記位相差を測定する手段をトリガーするよう構成されている、請求項１２記載のシステム。
14. 回折パターンが加えられている物体の並進を検出する方法であって：
    ・前記回折パターンに入射光ビームを与える段階と；
    ・前記回折パターンからの回折光ビームを得る段階と；
    ・前記入射光ビームと前記回折ビームとを干渉させることによって位相差を測定する段階と；
    ・前記測定された位相差に基づいて前記並進を検出する段階、
    とを有する方法。
15. ・前記回折パターンに第一、第二および第三の方向から第一、第二および第三の入射光ビームを与え、第一、第二および第三の回折ビームを得る段階と：
    ・前記第一の入射ビームと前記第一の回折ビーム、前記第二の入射ビームと前記第二の回折ビームおよび前記第三の入射ビームと前記第三の回折ビームからなる諸対の少なくとも一つの間の位相差を測定する段階とを有する、請求項１４記載の方法。
16. 当該方法が、前記回折ビームのさらなる次数を位置敏感検出器にて受けることにより前記物体の回転を検出する段階をさらに有する、請求項１５記載の方法。
17. 入射する光ビームを実質的に同じ光路に沿って返すための再方向付け装置であって、コーナーキューブ、偏光ビームスプリッター、半波長板およびプリズムを含む装置。
18. 前記偏光ビームスプリッターが前記入射光ビームを受ける面を有しており、当該装置が、該光ビームをそれぞれ、前記コーナーキューブ、前記プリズム、前記半波長板そして再び前記偏光ビームスプリッターを通過させるよう構築されており、前記光ビームが前記面を前記入射光ビームと実質的に同じ位置から出ていくようになっている、請求項１７記載の装置。
19. 回折パターンをもつ物体に諸光ビームを与えるよう構成された、前記物体の並進を検出するためのシステム内の周波数多重システムであって、当該周波数多重システムは、所定の周波数のレーザービームを与える単一のレーザー光源と、該レーザービームを複数の諸部分に分割して該諸部分のうち一つもしくは複数の周波数をシフトさせて前記諸入射光ビームについて異なる周波数を得るための手段とを有しており、当該システムは、前記諸部分の一つを、前記物体の並進を検出するためのシステムのために前記入射ビームのそれぞれと組み合わせる基準ビームとして使うよう構成されている、周波数多重システム。
20. 回折パターンをもつ物体の並進を検出するシステムであって：
    ・光ビームを与える手段と；
    ・前記回折パターンから前記光ビームと可干渉性の回折光ビームを得る手段と；
    ・前記光ビームと前記回折ビームとの間の干渉によって位相差を測定する手段と；
    ・前記測定された位相差に基づいて前記並進を検出する手段、
    とを有するシステム。

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