JP2512873B2

JP2512873B2 - 光束安定装置

Info

Publication number: JP2512873B2
Application number: JP62182840A
Authority: JP
Inventors: 眞人渋谷; 一正遠藤; 英夫水谷; 玄内田
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-07-22
Filing date: 1987-07-22
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JPS6425120A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、光ビームを用いた計測装置、加工装置ある
いは記録装置等における光束安定装置に関し、特に、IC
製造装置におけるレーザビームを用いたアライメント光
学系の如き超精密計測装置等に用いて好適な光束安定装
置に関する。

（従来の技術） IC製造装置における半導体ウェハのアライメントや微
細パターンのレーザ加工あるいは光ディスクの情報記録
等には、極めて微小で光強度の大きいレーザビームが使
用され、その際、平行光束のレーザビームは、集光レン
ズによってその焦点位置に集束される。例えば、アライ
メント光学装置においては、従来第12図に示すような測
定原理に基づくものが知られている。すなわち、平行光
束Ｌは集光レンズ71によって移動ステージ72上の被測定
パターン73に集光される。パターン73によって散乱また
は回折された光は、光電検出器74により検出され、この
検出器74からの光電出力のピークを検出して、そのとき
の移動ステージ72の位置が干渉計75によって測定され
る。

（発明が解決しようとする問題点）上記のような、光ビーム応用装置においては、例えば
入射平行光束が、第13図（ａ）に示すように光軸に対し
て傾いていたり、第13図（ｂ）に示すように横ずれして
いる場合には、以下に示すように測定誤差を生じる。

入射平行光束Ｌが傾いている場合、第13図（ａ）に示
すように、光束の光軸Ａに対する傾きをθ、集光レンズ
71の焦点距離をｆとすると、光束の集光位置のずれｘ
は、ほぼ、ｘ＝θ・ｆとなる。このずれ量ｘが、位置測定の誤差となる。

入射平行光束Ｌが第13図（ｂ）に示すように横ずれし
ている場合には、光軸Ａからの横ずれ量ｄに関係なく、
常にその光束は集光レンズ71の光軸Ａ上の焦点位置Ｐに
集光される。従って、パターン73がその焦点位置Ｐにあ
れば、測定誤差は生じず、問題は無いが、第13図（ｂ）
の如くその焦点位置Ｐから距離Ｚだけデフォーカスして
いると、パターン73の位置での集光光束の光量重心の位
置が光軸からΔｘだけずれることになり、このずれ量Δ
ｘが位置測定の誤差となる。

上記のような位置測定の誤差は、光源からのレーザ光
束のゆらぎは勿論、光源位置の経年変化でも発生し、常
時メインテナンスに注意しなければならないという問題
点が有った。

本発明は、上記従来装置の問題点を解決し、使用され
る光源からの光ビームの位置や進行方向の変動による測
定誤差等を光学的に除去し、高精度な光ビーム応用装置
を提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明は、入射光束を反射光と透過光との２光束に分
離する光束分離光学手段と、分離された２光束の一方を
反射し、他方を透過してその２光束を合成する光束合成
光学手段と、分離された２光束の分離から合成までの光
路長が互いに等しくなるようにその２光束をそれぞれ反
射して光束合成光学手段に導く一対の分離光束案内手段
とを設けると共に、分離された２光束を含む入射面に平
行な方向及びその入射面に垂直な方向のそれぞれに関す
る反射回数が、光束分離光学手段と光束合成光学手段の
反射回数を含めて、一方の分離光束は奇数回、他方の分
離光束は零回または偶数回反射して前記光束合成光学手
段から射出される如く構成することを問題解決の手段と
するものである。

（作用）入射光束(L₁)は、光を振幅分割するビームスプリッタ
ー（１、11）や、偏光方向が入射面に平行なＰ偏光と入
射面に垂直なＳ偏光とに偏光分割する偏光ビームスプリ
ッター（21）等の光束分離光学手段により透過光と反射
光とに分離される。その分離された２光束は、それぞれ
分離光束案内手段（３〜７、4A〜6A、13〜16）によって
転向され、それぞれ異なる方向から、ビームスプリッタ
ー（２、12）や偏光ビームスプリッター（22）等の光束
合成光学手段に入射する。その際、光束分離光学手段
（１、11、21）にて分離されて光束合成光学手段（２、
12、22）に入射する２光束は、互いに光路長が等しくな
るように分離光束案内手段（３〜７、4A〜6A、13〜16）
によって案内される。さらに、その分離された２光束
は、その２光束を含む入射面の方向ｘ及び入面面に垂直
のそれぞれにおいて、一方の光束は奇数図、他方の光束
は零回または偶数図、その分離光束案内手段によって反
射されるので、光束合成光学手段（２、12、22）から射
出される２光束の横ずれ及び傾きは互いに打ち消し合
い、合成射出光L₂の中心は常に不変となる。

（実施例）次に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく
説明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す光学系構成図で、
鎖線にて示す主光軸Ｘに一致して進む入射光束L₀は、光
の透過率と反射率とが等しいハーフミラーの貼合わせ面
1aを有する第１ビームスプリッター１により２つの光束
に振幅分割され、第１ビームスプリッター１にて反射さ
れた一方の分割光束L_aは、反射鏡３にて反射され、更
に、ハーフミラーの貼合わせ面2aを有する第２ビームス
プリッター２によって反射される。また、第１ビームス
プリッター１を透過した他方の分割光束L_bは、４個の反
射鏡４、５、６、７にてそれぞれ反射された後、第２ビ
ームスプリッター２を透過し、一方の分割光束L_aと合成
されて合成射出光L₂として第２ビームスプリッター２か
ら射出される。

ここで、一方の分割光束L_aは、第１ビームスプリッタ
ー１、反射鏡３および第２ビームスプリッター２を介し
て３回反射され、他方の分割光束L_bは、反射鏡４〜７を
介して４回反射される。その両分割光束L_a、L_bの第１ビ
ームスプリッター１から第２ビームスプリッター２まで
の光路長（空気換算長）は互いに全く等しく構成されて
いる。

いま、第１図中で破線にて示すように、入射光束L₁が
主光軸と一致して進む入射光束L₀から距離δだけ平行に
ずれて入射するものとすると、第１ビームスプリッター
１にて振幅分割された一方の分割光束は、主光軸上の一
方の分割光束L_aに平行して進光し、反射鏡３および第２
ビームスプリッター２の貼合わせ面2aにて反射され、射
出光L_2aとなる。また、他方の分割光束は主光軸上の他
方の分割光束L_bに平行して進光し、反射鏡４〜７にて反
射されて射出光L_2bとなる。その両射出光L_2aとL_2bと
は、第１図に示すように主光軸を挟んで、上下にそれぞ
れδだけずれて第２ビームスプリッター２から射出され
る。従って、その両射出光L_a、L_bの合成射出光L₂の光量
重心（平均位置）は、入射光L₁が平行にずれても常に不
変で、主光軸を通ることになる。

第２図は、第１図の光学系において、主光軸Ｘに対し
てθだけ傾いて入射光束L₁が入射した場合の光束の経路
を示す説明図である。第２図から明らかなように、θだ
け傾いた入射光束L₁は、第１ビームスプリッタ１にて反
射光束と透過光束とに分割され、一方の分割光束は反射
鏡３、第２ビームスプリッター２にて反射され射出光L
_2aとなり、他方の分割光束は反射鏡４〜７にて反射され
て射出光L_2bとなる。両射出光L_2aとL_2bとは、主光軸Ｘ
に対称的にそれぞれθだけ傾斜して第２ビームスプリッ
ター２から合成射出光L₂として射出される。この場合も
その合成射出光L₂の光量重心は主光軸Ｘと一致し不変と
なる。この場合、もし、両分割光束の光路長が等しくな
いときは、第２ビームスプリッター２から射出される際
の光束L_2aの主光軸Ｘからのずれ量と、光束L_2bの主光軸
Ｘからのずれ量とが異なることになり、合成射出光L₂の
光量重心は主光軸Ｘからずれることになり、またそのず
れ量は、入射光束の傾き角θによって変動してしまう。
（ただし、第１図のように入射光束L₁が主光軸Ｘに平行
な場合には、合成射出光束の光量重心の位置は不変であ
る。）しかし、第１図および第２図の実施例では、両分
割光束の光路長が互いに等しくなるように構成されてい
るので、入射光束L₁のずれ量δおよび傾き量θを同時に
補正して合成射出光束L₂の平均位置（光量重心）を安定
させることができる。

第１図及び第２図に示す第１実施例の構成では、紙面
内での横ずれδ及び傾きθは補正できるが、紙面に垂直
な面内での横ずれδ及び傾きθに対しては補正できな
い。従って、二方向に光束の安定が要求される２次元の
測定装置等には不都合を生じる。第３図は、紙面に垂直
な面内の横ずれ及び傾きに対しても補正可能な本発明の
第２実施例を示す光学系構成図である。第１図と同じ機
能を有する部分には第１図と同一の符号を付し、その構
成についての詳しい説明は省略する。なお、第４図は第
３図の光学装置を上方向から見た平面図である。

第３図及び第４図の第２実施例において、３個の反射
鏡4A、5A、6Aは第１ビームスプリッター１にて分離され
た２光束のるす面（紙面に平行な面）に垂直な面内で、
第１ビームスプリッター１を透過した一方の光束を第４
図に示すように３回反射させて、第２ビームスプリッタ
ー２へ導く。まず第３図中で、紙面に平行（分離された
２光束のなす面に平行）な方向での反射回数は、第１ビ
ームスプリッター１にて反射される一方の分離光束につ
いては第１ビームスプリッター１の反射面1a及び第２ビ
ームスプリッター２の反射面2aを含めて３回（奇数
回）、第１ビームスプリッター１を透過する他方の分離
光束については零回である。その為、第３図に示すよう
に紙面に平行な面内でδ１だけずれた入射光束L₁に対し
ては、第１ビームスプリッター１で反射された一方の分
離光束（鎖線にて示す）と透過した他方の分離光束（破
線にて示す）とは、入射光L₁のずれ量δ_１に等しい量だ
け互いに反対側にそれぞれずれて第２ビームスプリッタ
ー２から射出される。従って、合成射出光L₂の光量重心
は、入射光がずれても不変である。

次に、第４図に示すように、入射面に垂直な面内での
入射光L₁のずれδ_２に対しては、第１ビームスプリッタ
ー１によって分離された２光束のうちで、鎖線で示す一
方の反射光束は、分離された２光束のなす面に垂直な方
向での反射は零回で、入射光L₁同じずれ量δ_２で第２ビ
ームスプリッター２にて反射されて射出される。また、
破線で示す他方の透過光束は、反射鏡4A、5A、6Aによっ
て３回（奇数回）反射されて、第２ビームスプリッター
２から射出されるが、その射出光は入射光L₁と反対側に
δ_２だけずれる。そのため入射面に垂直な面内でのずれ
δ_２に対しても、分離された２光束は互いに反対側にそ
れぞれδ_２だけずれることになり、分離された２光束の
合成射出光L₂の光量重心の位置も、入射面に平行な面内
でのずれ（第３図）と同様に不変となる。

また、この第２実施例の構成によれば、入射面内及び
その入射面に垂直な面内における入射光L₁のずれδ_１、
δ_２ばかりでなく、その中間の、紙面に対して任意に傾
斜した面内での入射光のずれに対しても、第２ビームス
プリッター２から射出される合成射出光L₂の光量重心の
位置は不変となる。さらに、第１ビームスプリッター１
及び反射鏡３にて反射された、第３図中で鎖線にて示す
一方の分離光束の光路長と、第１ビームスプリッター１
を透過し、３個の反射鏡4A、5A、6Aにて反射された、第
４図中で破線にて示す他方の分離光束の光路長とは、互
いに等しく構成されている。従って、第２図に示すよう
に紙面に平行な面内での入射光L₁の傾きθばかりで無
く、任意の面内での入射光の傾きに対しても、合成射出
光の中心光束の射出方向及びその位置は不変となる。

第５図は、反射面が互いに垂直な一対の梯形プリズム
を用いて入射光束のゆらぎに対して、安定した射出光を
得ることができる本発明の第３実施例を示す光学系構成
図である。

第５図の第３実施例において、主光軸Ｘに平行にδだ
けずれて入射する入射光束L₁は、ハーフミラーの貼合わ
せ面11aを有する第１ビームスプリッター11にて２つの
光束に分割され、貼合わせ面11aにて反射された一方の
分割光束L_aは、反射鏡13にて反射された後、第１梯形プ
リズム（イメージローター）15に入射する。その第１梯
形プリズム15は入射光束を斜面15aにて屈折、底面15bに
て反射した後、斜面15cにて再び屈折して、主光軸Ｘに
対してその位置を180°反転させて射出する。この光束
位置の反転された一方の分割光束L_aは、ハーフミラーの
貼合わせ面12aを有する第２ビームスプリッターにて再
び２光束に分割され、第２ビームスプリッター12から射
出される。

第１ビームスプリッター11によって分割され、貼合わ
せ面11aを透過した他方の分割光束Lbは、第２梯形プリ
ズム16に入射する。この第２梯形プリズム16は、第１梯
形プリズム15と同形、同大に形成されており、第１梯形
プリズム15に対して、主光軸Ｘのまわりに90°回転して
設置されている。この第２梯形プリズム16に入射した他
方の分割光束L_bは、斜面16aにおいて紙面に垂直な方向
で屈折、底面16bで反射、斜面16cで再び屈折されて射出
される。この第２梯形プリズム16は、紙面に垂直な方向
に横ずれした入射光束に対しては、180°反転させる
が、紙面に平行に横ずれした入射光束に対しては第５図
に示すように反射させることなく、射出する。第２梯形
プリズム16から射出された他方の分割光束L_bは、反射鏡
14にて反射された後、第２ビームスプリッター12に入射
し、第２ビームスプリッター12によってさらに２光束に
分割され、それぞれ第２ビームスプリッター12から射出
される。

上記の第２ビームスプリッター12にて、２つの光束に
再分割されて射出される光束のうち、第１梯形プリズム
15を経由して貼合わせ面12aを透過した射出光L_2aの紙面
内での反射回数は奇数回（３回）であり、紙面に垂直な
面内での反射回数は零（ゼロ）である。また、他方の第
２梯形プリズム16、反射鏡14を経由して貼合わせ面12a
で反射した射出光L_2bの紙面内での反射回数は偶数回
（２回）であり、紙面と垂直な面内での反射回数は奇数
回（１回）である。さらに、第５図においても、第１ビ
ームスプリッター11から第２ビームスプリッター12まで
の両分割光束L_a、L_bの光路長は、互いに等しくなるよう
に構成されている。従って、入射光L₁が、主光軸Ｘに垂
直な面内でどの方向に横ずれ及び傾きをもって第１ビー
ムスプリッター11に入射しても、第２ビームスプリッタ
ー12から射出される両射出光L_2a、L_2bの合成射出光L₂の
光量重心の位置は、常に主光軸Ｘと一致させることがで
きる。

上記の実施例においては、梯形プリズム15、16をイメ
ージローターとして用いたが、その梯形プリズム15、16
の代りに、第６図に示すように３枚のミラーM₁、M₂、M₃
を組み合わせたものを用いてもよい。なお、上記の第３
実施例において、第１ビームスプリッター11をもって光
分割手段が構成され、第２ビームスプリッター12をもっ
て光合成手段が構成される。

上記の第５図に示す第３実施例においては、光分割手
段としての第１ビームスプリッター11および光合成手段
としての第２ビームスプリッター12の貼合わせ面11a、1
2aが、共にハーフミラーで形成されている。その為、第
１ビームスプリッター11で分割された、各分割光束L_a、
L_bはさらに第２ビームスプリッター12にて２つの光束に
分割され、それぞれの合成射出光束L₂、L₃が、第５図に
示すようにそれぞれ異なる方向に射出される。この場合
両合成射出光束L₂とL₃の光強度は、共に入射光束L₁の1/
2となり、それぞれ、別の目的に使用することができ
る。

また、上記第１図乃至第５図の実施例においては、ハ
ーフミラーの貼合わせ面1a、11aを有する第１ビームス
プリッター１、11によって入射光束L₁は２つの光束L_a、
L_bに分割され、ハーフミラーの貼合わせ面2a、12aを有
する第２ビームスプリッター２、12によってその分離光
束L_a、L_bは合成される。しかも、合成される両分割光束
L_a、L_bの光路長が互いに等しいため、入射光束L₁がコヒ
ーレント光（可干渉光）であると、合成射出光束L₂は干
渉し、干渉縞やスペックルのような明暗の斑点を生じ、
光強度分布の乱れが発生する恐れが有る、従って入射光
L₁には自然光のようなインコヒーレント光（非干渉光）
を用いるか、あるいは第１ビームスプリッター11の前
に、高速に回転するλ/2板またはファラデー光学素子等
を設けて、入射光をインコーレントなランダム変光に変
調させて使用することが望ましい。

第７図は合成射出光が干渉を生じること無く、しかも
入射光に等しい強度の合成射出光を光の損失無く得るこ
とができる本発明の第４実施例を示す光学系構成図であ
る。第５図と同じ機能を有する部分には第５図と同一の
符号を付し、その構成についての詳しい説明は省略す
る。

第７図において、第１偏光スプリッター21は、偏光分
離層が形成された貼合わせ面21aを有し、直線偏光また
は自然光のようなランダム偏光の入射光L₁は、その貼合
わせ面21aにて、入射面に垂直なＳ偏光成分と、入射面
に平行なＰ偏光成分との２つの光束に分離される。貼合
わせ面21aを透過したＰ偏光は、直角プリズム23にて反
射され、第１梯形プリズム15にて紙面に平行な平面内で
屈折、反射され、第２偏光ビームスプリッター22に入射
し、第２偏光ビームスプリッター22の偏光分離層が形成
された貼合わせ面22aを透過して、第２偏光スプリッタ
ー22から射出される。

一方、第１偏光ビームスプリッター21の貼合わせ面21
aを透過したＳ偏光の光束は、第２梯形プリズム16にて
紙面に垂直な面内で屈折・反射され、さらに、直角プリ
ズム24にて反射された後、第２偏光ビームスプリッター
22に入射する。この第２偏光ビームスプリッター22に入
射したＳ偏光の光束は、貼合わせ面22aにて反射され、
第１梯形プリズム15を経由して貼合わせ面22aを透過し
た他方のＰ偏光の光束を合成され、第２偏光ビームスプ
リッター22から合成射出光束L₂としとて射出される。

この第７図に示す実施例においても、光束分離手段と
しての第１偏光ビームスプリッター21から第２偏光ビー
ムスプリッター22までのＳ偏光とＰ偏光の光路長は互い
に等しくなるように構成されている。従って、第５図の
第３実施例と同様に、入射光束L₂が主光軸に対して横ず
れや傾きをもって第１偏光ビームスプリッター21に入射
しても第２偏光ビームスプリッター22から射出される合
成射出光L₂の光量重心を常に、主光軸と一致させること
ができる。ただし、第１偏光ビームスプリッター21にて
偏光分離されたＰ偏光とＳ偏光との強度は、互いに等し
くなければならない。その為、入射光束L₁が直線偏光の
場合には、その偏光面が入射面に対して45°の傾きをも
つように、光源を回転するか、あるいは第１偏光ビーム
スプリッター21の前にλ/2板を設けて、そのλ/2板を適
当に回転調整するようにすればよい。また、入射光束L₁
が円偏光の場合には、λ/4板を用いて直線偏光とし、こ
れを適当に回転調節することにより、Ｐ偏光とＳ偏光と
の強度を互いに等しくすることができる。またもし、入
射光束L₁が楕円偏光である場合には、λ/2板を第１偏光
ビームスプリッター21の前に設け、そのλ/2板を適当に
回転調整して、入射面に対して楕円軸を適当に傾けるこ
とにより、分離されるＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度を
等しくすることができる。

上記の第７図の実施例においては、光束分離手段と光
束合成手段の双方に偏光ビームスプリッター21、22を用
いたので、光量の損失が無く、分割された２光束を高効
率で再び合成できる。また、偏光ビームスプリッター21
にて偏光方向の異なる２つの光束に分離し、これを偏光
方向が直交する状態で合成するので、その合成射出光L₂
の強度Ｉは、電場Ｅの直交する２つの成分をE_x、E_yとし
て、Ｉ∝｜E_x｜^２＋｜E_y｜^２にて表わされ、実質的な干渉効果を生じない。従って、
光強度分布にスペックルのような乱れが発生する恐れが
無い。

なお、第７図の第４実施例において、直線偏光や円偏
光を発するレーザを光源に用いる場合には、合成射出光
束L₂中のＰ成分とＳ成分自身はそれぞれ干渉性をもつた
め、後に接続する光学系によっては、偏光方向が回転し
て一致し、干渉効果が現われてスペックル等が生じてし
まう恐れが有る。このような、後続の光学系による干渉
の問題を解消するためには、第１偏光ビームスプリッタ
ー21の前に回転するλ/2板またはファラデー光学素子を
挿入するか、分離されたＰ偏光とＳ偏光のいずれか一方
の光路中にKDP（リン酸二水素カリウム）等のような電
気光学的位相変調素子を挿入し、位相をランダムに変え
るようにすればよい。

第８図は、第５図に示す第３実施例における第２ビー
ムスプリッター12を偏光ビームスプリッター22に置き換
え、第１ビームスプリッター11にて分割された２光束中
に、それぞれ偏光板20A、20Bを設けた本発明の第５実施
例を示す光学系構成図である。第５図と同じ機能を有す
る部分には第５図と同一の符号を付し、その構成につい
ての詳しい説明は省略する。

第８図の第５実施例において、自然光のようなランダ
ム偏光の入射光束L₁は、ビームスプリッター11により２
つの光束に振幅分割され、それぞれ、偏光板20A、20Bに
入射する。この偏光板20A、20Bはそれぞれの軸が互いに
直交するように設けられ、光束合成光学手段としての偏
光ビームスプリッター22の入射面に対して、一方の偏光
板20Aの軸が平行、他方の偏光板20Bの軸が垂直となるよ
うに構成されている。一方の偏光板20Aを透過した直線
偏光は、反射鏡13、第１梯形プリズム15を介して偏光ビ
ームスプリッター22に入射する。この入射光束は、偏光
方向が入射面に平行であるから、偏光分離層を有する貼
合わせ面22aを透過して、偏光ビームスプリッター22か
ら射出される。また、他方の偏光板20Bを透過した直線
偏光は、第２梯形プリズム16、反射鏡14を介して偏光ビ
ームスプリッター22に入射する。この入射光束は、偏光
方向が入射面に垂直であるから、貼合わせ面22aで反射
し、その貼合わせ面22aを透過した第１梯形プリズム15
からの光束と合成されて、偏光ビームスプリッター22か
ら合成射出光L₂として射出される。

この第８図に示す第５実施例においては、偏光ビーム
スプリッター22においては光エネルギーの損消が無い
が、偏光板20A、20Bにおいて、偏光方向が軸に直角な成
分が吸収されるため、光強度が半減する。その為、合成
射出光L₂の強度は、第５図の第３実施例と等しい。しか
し、第８図においては、一方向の合成射出光L₂のみに限
定される。そこで、第５図のような他方の合成射出光束
L₃が不用な場合には、他方の合成射出光L₃の処理が面倒
であるが、第８図の実施例では、減少する分の光エネル
ギーは、２個の偏光板20A、20Bに分担して吸収されるの
で、フレヤが生じる恐れが無い。

この第８図の実施例においても、光源に可干渉性のレ
ーザを用いた場合には、合成射出光束L₂中の互いに直交
する偏光方向の成分が干渉する恐れが有る。その場合、
ビームスプリッター11にて分割され、偏光板20A、20Bを
透過した２つの直線偏光のうち、少なくとも一方の光路
上に、電気光学的位相変調素子を挿入して、ランダムな
位相に変えればよい。

上記の各実施例においては、説明を簡単にするため
に、分離された２光束を含む面に平行な方向とこれに垂
直な方向について、入射光束の経路を求めて、入射光束
のずれに対する射出光束の補正状況を説明した。しか
し、一般的には、次に述べるように光束の進光方向をｚ
軸とし、分離された２光束を含む面に対して平行な方向
をｙ軸、これに垂直な方向をｘ軸とする直交座標ｘ、
ｙ、ｚを用い、各構成部分において反射する光束の座標
系の変化から、合成光束の直交座標を求めることによ
り、合成射出光の補正状況を表わすことができる。この
場合、合成射出光は、分離された２光束について、ｚ軸
が一致し且つｘ軸とｙ軸の方向が互いに逆向きになるよ
うに光学系を構成すれば、合成射出光の重心位置を不変
とすることができる。

第９図は、第５図に示す第３実施例の斜視図で、入射
光束が各構成部分を通過する毎に直交座標、ｘ、ｙ、ｚ
が変化する状況を示したものである。第９図において、
入射光束の座標（ｘ、ｙ、ｚ）は、第１ビームスプリッ
ター11によって反射光と透過光との２光束に分割され
る。その分割光束のうち、貼合わせ面11aにて反射され
た一方の光束L_aに沿った座標系をx₁、y₁、z₁、貼合わせ
面11aを透過した他方の光束L_bに沿った標系をx₂、y₂、z
₂にて示す。

第１ビームスプリッター11に入射する入射光の座標
（ｘ、ｙ、ｚ）を右手座標系とすると、１回反射すると
右手座標系は左手座標系となり、更に反射を繰り返す
と、左手系と右手系とを第９図に示す如く繰り返す。そ
こで、一方の分割光束L_aは、第１ビームスプリッター1
1、反射鏡14、第１梯形プリズム15にて各１回（計３
回）反射し、第２ビームスプリッター12を透過して射出
される。また、他方の分割光束L_bは、第２梯形プリズム
16、反射鏡14、第２ビームスプリッター12にて各１回
（計３回）反射され、第２ビームスプリッター12から射
出される。双方の分割光束L_a、L_bは共に奇数回（３回）
反射して合成射出光となるので、その合成された射出光
の座標計(x₁、y₁、z₁)と(x₂、y₂、z₂)とは共に左手系と
なる。しかし、x₁軸は第１梯形プリズム15により、また
y₂軸は第２梯形プリズムにより、それぞれ180°回転し
て逆向きとなり、x₁軸とx₂軸、y₁軸とy₂軸が第９図に示
すようにそれぞれ向きが反対となるので、入射光のずれ
及び傾きがどの方向に変動しても合成射出光の光量重心
の位置は不変である。

また、この場合、第１ビームスプリッター11によって
分割された２光束を含む面（ｘ軸とｚ軸とを含む面）内
での反射回数は、一方の光束L_aが、第１ビームスプリッ
ター11、反射鏡13、第１梯形プリズム15による合計３回
（奇数回）、他方の光束L_bが反射鏡14、第２ビームスプ
リッター12による合計２回（偶数回）となる。その為、
x₁軸とx₂軸とは互いに逆向きとなる。さらに、その２光
束を含む面（ｘ−ｚ面）に垂直な面（ｙ−２面、ｘ−ｙ
面）内の反射回数は、一方の光束L_aが零回、他方の光束
L_bが第２梯形プリズム16による１回（奇数回）である。
そのためy₁軸とy₂軸とは互いに逆向きとなる。この第９
図の実施例では、x₁軸とx₂軸、y₁軸とx₂軸がそれぞれ逆
向きとなっているので、入射光束のｘ軸方向及びｙ軸方
向のみならず、すべての方向の入射光束のずれに対して
補正可能となる。また、x₁軸、x₂軸の方向のずれのみ補
正すればよい場合には、第２梯形プリズム16、y₁軸、y₂
軸の方向のずれのみ補正すればよい場合には、第１梯形
プリズム15を削除しても差支え無い。

第10図は、第１ビームスプリッターで分離された２光
束を含む面と、その２光束を合成するための第２ビーム
スプリッターに入射する２光束を含む面とが互いに直交
するように構成された本発明の第６実施例を示す斜視図
である。第９図と同様に入射光束の座標を右手座標系
（ｘ、ｙ、ｚ）とし、第１ビームスプリッター31にて反
射された一方の分割光束の座標を(x₁、y₁、z₁)とし、第
１ビームスプリッター31を透過した他方の分割光束の座
標を(x₂、y₂、z₂)にて示す。

第10図において、第１ビームスプリッター31の貼合わ
せ面31aにて反射された一方の分割光束L_aは、反射鏡3
3、梯形プリズム34、反射鏡35にて反射されて第２ビー
ムスプリッター32に導かれ、さらに、第２ビームスプリ
ッターの貼合わせ面3aにて反射されて射出される。ま
た、第１ビームスプリッター31を透過した他方の光束L_b
は、反射鏡、36、37、38にて反射されて第２ビームスプ
リッター32に導かれ、第２ビームスプリッター32の貼合
わせ2aを透過して、前記一方の光束と合成される。この
場合、第２ビームスプリッター32に入射する一方の光束
L_aは、第１ビームスプリッター31にて分割された２光束
を含む入射面（第10図中でｙ軸とｚ軸とを含むｙ−ｚ
面）に平行に、他方の光束L_bはその入射面（ｙ−２面）
に垂直に入射するように構成されている。また、梯形プ
リズム34は光束を反射する底面34aが一方の光束L_aの進
行方向のｚ軸に平行で且つ前記の入射面（ｙ−ｚ面）に
対して45°傾斜して設けられている。なお、また第１ビ
ームスプリッター31の貼合わせ面31aから第２ビームス
プリッター32aまでの、双方の分割光束L_a、L_bの光路長
は、互いに等しくなるように構成されている。

第10図に示す第６実施例は上記の如く構成されている
ので、第１ビームスプリッター31にて分割された一方の
光束L_aは、第１ビームスプリッターの貼合わせ面31a、
反射鏡33、梯形プリズム34、反射鏡35、第２ビームスプ
リッター32の貼合わせ面32aにて各１回（計５回）反射
されて、第２ビームスプリッター32から射出される。ま
た、第１ビームスプリッター31を透過した他方の光束L_b
は、反射面36、37、38にて計３回反射されて第２ビーム
スプリッター32を透過して前記の一方の光束L_aと合成さ
れる。この場合、双方の分割光束L_a、L_bは入射から射出
までの間に、共に奇数回反射されることになるので、合
成射出光束中の二光束は、共に左手の座標系(x₁、y₁、z
₁)と(x₂、y₂、z₂)となる。

また、分割２光束を含む入射面（ｙ−ｚ面）に沿って
の反射回数は、一方の分割光束L_aでは第１ビームスプリ
ッター31、反射面33及び35の３回（奇数回）、他方の分
割光束L_bでは零回となる。さらに、前記の入射面に垂直
な面（ｙ−２回、ｘ−ｙ面）に沿う反射回数は、一方の
分割光束L_aでは、梯形プリズム34と第２ビームスプリッ
ター32による２回（偶数回）、他方の分割光束L_bでは、
反射鏡36、37及び38による３回（奇数回）である。な
お、梯形プリズム34の底面34aが入射面（ｙ−ｚ面）に
対して45°傾斜しているため、第10回に示すようにx₁軸
は180°向きを変え、さらにy₁軸と共に90°回転した向
きとなる。これにより、合成射出光のx₁軸とx₂軸、y₁軸
とy₂軸は第10図に示すように、それぞれ逆向きとなる。
従って、入射光束のずれ及び傾きがいかなる方向に変動
しても、三次元的に補正され、常に合成射出光の重心位
置は一定に保たれる。

第11図は、第７図の第４実施例を半導体露光装置にお
けるパターン検出装置に用いた実施例を示す構成図であ
る。第11図において、レーザ光源１から射出される直線
偏光のレーザ光束はビームエキスパンダー２を介して拡
大され、第１偏光スプリッター21に入射する。第１偏光
スプリッター21によって強度の等しいＰ偏光とＳ偏光と
に分離された一方のＰ偏光は、直角プリズム23、第１梯
形プリズム15を介して第２偏光スプリッター22を透過す
る。また、他方のＳ偏光は第２梯形プリズム16、直角プ
リズム24を介して第２偏光スプリッター22に入射し、Ｐ
偏光と合成されて第２偏光ビームスプリッターから射出
される。この場合、Ｐ偏光とＳ偏光との入射面内での反
射回数は、Ｐ偏光が２回、Ｓ偏光が３回で、しかも光路
長が互いに等しく構成されているから、第１偏光スプリ
ッター21への入射光にゆらぎが有っても、第２偏光スプ
リッター22から射出される合成射出光は光量重心の位置
とその射出方向も変化することがなく、安定したレーザ
光となる。

第２偏光スプリッター22から射出されたレーザ光束
は、集光レンズ９に入射し、ハーフミラー54、投影レン
ズ55を介して、ウェハ56の表面にスポット状に集光され
る。ウェハ56は、移動ステージ57上に載置され、移動ス
テージ57と共にウェハ56が第11図中で左右方向へ移動し
て、ウェハ56上のウェハマーク58にスポット状に集光さ
れたレーザ光束が投射されたとき、ウェハマーク21から
は反射光と回折光または散乱光が発生する。その反射光
（回折光または散乱光を含む。）は、投影レンズ55を通
り、ハーフミラー54にて反射された後、レンズ60によっ
て作られるフーリエ面の位置（投影レンズ11の瞳と共役
な位置）に設けられた空間フィルター61を介して光電変
換器62にて受光される。

光電変換器62で検出された光量変化は、波形処理装置
63によって処理され、その結果は制御装置64に送られ、
移動ステージ57を駆動するための駆動装置65が制御され
る。またその移動ステージ57の位置は干渉計66にて読み
取られる。

上記のように第11図に示すパターン検出装置において
は、レーザ光にゆらぎが生じても、そのゆらぎは光束安
定装置（15、16、21〜24）により補正され、その光量重
心位置は不変であるから、ウェハ56上に投射されるスポ
ット光の重心位置が変動することはない。従って、その
反射光を検出してウェハ56上のパターンの位置や線幅等
を検出する検出装置の検出精度が光源からの射出光束の
ゆらぎによって狂わされることが無く、極めて信頼度の
高い測定が可能となる。なお、レーザ光のような可干渉
性の光を用いる場合、集光レンズ53以降の光学系によっ
ては干渉により精度を狂わす場合が有る。このような場
合には、第１偏光ビームスプリッター21の前に、回転す
るλ/2板（またはファラデー光学素子）67を挿入して、
レーザ光を非干渉性のランダム偏光にするか、あるいは
分離されたＳ、Ｐいずれかの偏光光路中に、KDP（リン
酸二水素カリウム）のような電気光学的光変調素子を挿
入して位相をランダムに変るようにすればよい。

なお、上記第１図乃至第10図に示す実施例装置は、第
９図に示すパターン検出装置ばかりで無く、光束の横ず
れや傾きのような変動が測定精度に影響を及ぼす種々の
測定機や検出器等に用いて効果が得られることは言うま
でも無い。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、２分された光束の光路長
が互いに等しく且つ分離した２光束を含む面またはこれ
に平行な面内での反射回数を光束を分離合成するビーム
スプリッターによる反射回数を含めて、一方は奇数回、
他方は零回または奇数回としたので、入射ビームに横ず
れや傾きが生じても、光量重心（平均位置）は常に一定
不変となり、安定した射出光が得られる。

また、第７図に示す実施例のように光束分離光学手段
と光束合成光学手段の双方に偏光ビームスプリッターを
使用すれば、光量損失を無くすことができる利点が有
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す光学系構成図、第２
図は第１図の実施例において入射光が傾いている場合の
合成射出光の状態を示す説明図、第３図は本発明の第２
実施例を示す光学系構成図、第４図は第３図の実施例を
上方から見た平面、第５図は本発明の第３実施例を示す
光学系構成図、第６図は第５図中の梯形プリズムの代り
に使用可能な３面反射光学系の構成図、第７図は本発明
の第４実施例を示す光学系構成図、第８図は本発明の第
５実施例を示す光学系構成図、第９図は第７図に示す第
４実施例を光束の進光方向をｚ軸とする座標（ｘ、ｙ、
ｚ）にて説明するための斜視図、第10図は本発明の第６
実施例を示す斜視図、第11図は第７図の実施例装置が組
み込まれたパターン検出装置の構成図、第12図は従来の
位置測定装置の投光部の模式的構成図、第13図は第12図
における投射光束の集光状態を示す説明図で、（ａ）は
光軸に対して平行に横ずれした光束、（ｂ）は光軸に対
して傾いて投射された光束の集光状態を示す断面説明図
である。（主要部分の符号の説明）１、11、31……第１ビームスプリッター（光束分離光学
手段） 21……第１偏光ビームスプリッタ（光束分離光学手段）２、12、32……第２ビームスプリッター（光束合成光学
手段） 22……第２偏光ビームスプリッター（光束合成光学手
段）３〜７、4A〜6A、13、14、33、35〜38……（反射鏡）
（分離光束案内手段） 15、16、34……梯形プリズム（分離光束案内手段） 23、24……直角プリズム（分離光束案内手段） L₀、L₁……入射光束 L₂……合成射出光束

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光束を反射光と透過光との２光束に分
離する光束分離光学手段と、分離された前記２光束の一
方を反射し他方を透過して前記２光束を合成する光束合
成光学手段と、分離された前記２光束の分離から合成ま
での光路長が互いに等しくなるように前記２光束をそれ
ぞれ反射して前記光束合成光学手段に導く一対の分離光
束案内手段とを設けると共に、前記分離された２光束を
含む入射面に沿う方向での反射回数が、前記光束分離光
学手段と前記光束合成光学手段による反射を含めて、一
方の分離光束は奇数回、他方の分離光束は零回または偶
数回となる如く前記分離光束案内手段を構成したことを
特徴とする光束安定装置。
【請求項２】前記分離光束案内手段は、分離された前記
２光束を含む入射面に対して垂直な面に沿う方向でも、
反射回数が前記光束分離光学手段と前記光束合成光学手
段との反射回数を含めて、一方の分離光束は奇数回、他
方の分離光束は零回または偶数回となるように構成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
学安定装置。
【請求項３】前記一対の分離光束案内手段の一方は、前
記光束分離光学手段（１）によって斜めに反射された反
射光を１回反射して前記光束合成光学手段（２）に導く
反射部材（３）を含み、他方は、前記光束分離光学手段
（１）を透過した透過光を偶数回反射して前記光束合成
光学手段（２）に導く複数の反射部材（４、５、６、
７）にて構成されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の光束安定装置。
【請求項４】前記一対の分離光束案内手段は、前記光束
分離光学手段（１）にて分離された前記２光束の一方を
前記入射面に平行な方向に関して奇数回反射させる反射
光学系（３）と他方を前記入射面に垂直な方向奇数回反
射させる反射光学系（4A、5A、6A）とを含むことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の光束安定装置。
【請求項５】前記一対の分離光束案内手段は、前記光束
分離光学手段によって分離された光束を反射する底面
（15b、16b）が互いに垂直な一対の梯形プリズム（15、
16）または一対の光束反転ミラー(M₁、M₂、M₃)と、分離
された前記光束を前記光束合成光学手段（12、22）の方
へそれぞれ転向する一対の反射部材（13、14、23、24）
とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
光学安定装置。
【請求項６】前記光束分離光学手段と前記光束合成光学
手段との少なくとも一方偏光ビームスプリッター（21、
22）で構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の光学安定装置。
【請求項７】前記光束分離光学手段と前記光束合成光学
手段とは、それぞれの入射面が平行または垂直となるよ
うに構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の光学安定装置。