JP2548068B2 - 位置ずれ及びギャップ検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体超微細加工装
置（ＳＯＲアライナ・ステッパ、液晶ステッパ等のプロ
キシミティ露光装置）や感光基板に露光されたパターン
の重ね合せ精度を測定するレジストレーション超精密測
定等において光ヘテロダイン干渉光を利用する位置ずれ
及びギャップ検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シンクロトロン放射光リソグラフィ用ア
ライナ等では、マスクとウェハの２つの物体を精密に位
置合わせして、０．１５〜０．３０μｍの微細パターン
を転写する為、これら２つを対向させ、数十μｍの微小
ギャップで精密に近接させ、互いに平行に設定する必要
がある。この時にその位置ずれ検出やギャップ検出に要
求される条件には、次の(1)〜(3)のようなものがある。

【０００３】(1) シンクロトロン放射光照射中の露光状
態において、常に継続して位置ずれ検出及びギャップ検
出ができること。 (2) 各プロセス条件として挙げられるウェハレジストの
反射率の変動、パターンの非対称性、塗布むら等の条件
変化に対応できること。 (3) マスク、ウェハ間の多重干渉による強度信号の変化
に対しても検出精度が劣化しないこと。

【０００４】又シンクロトロン放射光用マスクは、マス
クパターンの転写されているメンブレン膜（ＳｉＣ、Ｓ
ｉＮ）が１〜２μｍ程度の薄膜で作製されており、その
ためウェハと接触した場合高価なマスクを破損する虞が
あり、ギャップ検出の確実性と安定したギャップ制御が
要求されることになる。

【０００５】このような背景から位置ずれ検出やギャッ
プ検出には様々な方法が提案されている。例えば、マ
スク面及びウェハ面に対し顕微鏡を直接対向させてオー
トフォーカスをかけ、両間のギャップを測定するオート
フォーカス（ＡＦ）パターン投影法や、二重回折格子
法等に見られるマスクの回折光と反射面であるウェハと
の反射回折光の強度分布信号に基ずいて所定のギャップ
を測定する光学的な方法、実用化されているシンクロ
トロン放射光用アライナに搭載されているギャップ測定
器として、大気のゆらぎ（温度、気圧、湿度）変動に起
因する誤差を受けにくく、高精度で且つ安定した静電容
量センサ（マイクロセンス）を使用する方法、比較的
精度が良好で検出範囲長が１０００μｍ程度と長く、寸
法直線性の優れた過電流センサを使用する方法もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のオートフォー
カスパターン投影法は、安定して行なうことができる
が、フォーカスの再現性や凹凸パターン等に見られる合
焦面（ジャストピント）位置変動が問題となる。

【０００７】またの光学的な方法は、マスク・ウェハ
の多重干渉の悪影響を受け易く、且つ各プロセス条件に
よるウェハ反射率の変化や、マスク・ウェハ間の多重干
渉に起因する強度変動及びプロセスの膜厚不均一等によ
り回折強度信号のＳ／Ｎ比が低下し、十分に安定したギ
ャップ制御を行なうことは困難であった。

【０００８】更にの静電容量センサを使用する方法は
微小変位を数ミクロンという高精度な範囲で測定可能で
あるが、検出範囲長が狭く、高価である等の欠点があ
る。

【０００９】加えての過電流センサを使用する方法
は、上記静電容量センサと共に、マスクパターン面を直
接計測するものではなく、実際には回転・あおり微動機
構を備えたマスク・ウェハ縦型ステージ面の２点〜４点
を非接触で測定し、歪ゲージ付きピエゾ素子（圧電素
子）と弾性板バネでステージ面全体の平行出しを行なう
等、露光中のマスク・ウェハのギャップを継続して直接
検出しているわけではない。

【００１０】本発明は従来技術の以上の様な問題に鑑み
創案されたもので、面内位置ずれ検出と共に、露光中で
も安定継続的に直接２つの物体のギャップを直接検出す
ることが可能な位置ずれ及びギャップ検出方法を提供せ
んとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】ここで本発明の構成を説
明する前に、本願における回折格子から得られる回折光
の回折次数につき予め定義しておく。

【００１２】図１及び図２は反射回折格子の入射角・回
折角の符合の状態を示している。まず周波数ｆの単色光
が格子ピッチＰの反射回折格子32に対し、光軸から入射
角θiの傾きを持って入射した場合、正反射となる回折
次数m、n＝０の回折光を中心にそれより光軸側に回折す
るものはm、n＝−１、−２、−３……というようにマイ
ナス次数又その反対側に回折するものはm、n＝＋１、＋
２、＋３……というようにプラス次数（これらの回折次
数に対応する回折角をθm、θnとする）になる。この時
の入射角θiと回折角θm、θnとの関係は、回折格子の
基礎公式により、次式数９及び数１０の様になる。

【００１３】

【数９】

【００１４】

【数１０】

【００１５】以上の定義を基に本発明の位置ずれ及びギ
ャップ検出方法につき説明すると、図３に示される様
に、周波数のわずかに異なる（即ち、ｆ_１、ｆ_２の）２
つの単色光の組を２組（即ち計４光束）用い、これらの
各組の２光束については光軸の片側で該光軸に対して入
射角の異なる（即ちθ_１とθ_２であってθ_１＜θ_２）方
向からであって且つ該組間では前記光軸の両側で反転対
称となる方向（即ち、白抜き矢印のｆ_１とｆ_２の組と斜
線書きのｆ_１′とｆ_２′の組は光軸に対し図面上左右反
転対称になっている、これを左右組間反転対称という）
から又は該組間で光軸の両側で対称となる方向（即ち、
図４（ｃ）（ｄ）に示されるように、ｆ _１ とｆ _２ の組と
ｆ _１ ′とｆ _２ ′の組は光軸に対し図面上左右対称になっ
ている、これを左右組間対称という）から夫々第１の物
体Ｍ及び第２の物体Ｗの各回折格子３２ａ、３２ｂ（こ
れらの格子ピッチはＰとする）に入射させ、光軸の夫々
両側対称な位置から４ビーム以上の光ヘテロダイン干渉
させた回折光を取り出し、両回折格子のＸ方向位置ずれ
及びＺ方向ギャップによる光路差変動量に基づき生じる
光ヘテロダイン検出信号の下式数１及び数２、数３及び
数４、数５及び数６、又は数７及び数８の組に示される
位相変動量Δφ_ｘｚ及びΔφ_ｘｚ′からこれらのいずれ
かの組の２式の和と差によってＸ方向及びＺ方向の２次
元位相変動量Δφ_ｘ及びΔφ_ｚを夫々分離算出すること
で、両物体Ｍ、Ｗの変位量を求めることを基本的特徴と
している。

【００１６】 [数１]Δφ _xz ＝Δφ _x ＋Δφ _z 、Δφ _xz ＝Δφ _x ＋Δφ _z

【００１７】 [数２]Δφ _xz ′＝Δφ _x −Δφ _z 、Δφ _xz ′＝Δφ _x −Δφ _z

【００１８】 [数３]Δφ _xz ＝−Δφ _x −Δφ _z 、Δφ _xz ＝−Δφ _x −Δφ _z

【００１９】 [数４]Δφ _xz ′＝−Δφ _x ＋Δφ _z 、Δφ _xz ′＝−Δφ _x ＋Δφ _z

【００２０】 [数５]Δφ _xz ＝Δφ _x ＋Δφ _z 、Δφ _xz ＝Δφ _x ＋Δφ _z

【００２１】 [数６]Δφ _xz ′＝−Δφ _x ＋Δφ _z 、Δφ _xz ′＝−Δφ _x ＋Δφ _z

【００２２】 [数７]Δφ _xz ＝−Δφ _x −Δφ _z 、Δφ _xz ＝−Δφ _x −Δφ _z

【００２３】 [数８]Δφ _xz ′＝Δφ _x −Δφ _z 、Δφ _xz ′＝Δφ _x −Δφ _z

【００２４】上記発明法のように、光軸に対して夫々そ
の片側に右シフト及び左シフトした２光束の２組を左右
組間反転対称な又は左右組間対称な４光束にして同時に
入射させると、図４（ａ）に示されるように、周波数ｆ
_１の光束と周波数ｆ_２の光束が光軸の右側にシフトした
組から得られる２以上の光ヘテロダイン干渉された回折
光は光軸の左側に左傾きの状態となって得られ、他方同
図（ｂ）に示されるように、周波数ｆ_１の光束と周波数
ｆ_２の光束が光軸の左側にシフトした別の組から得られ
る２以上の光ヘテロダイン干渉された回折光は光軸の右
側に右傾きの状態となって得られることになる。こうし
て得られた干渉回折光から検出されるビート信号には、
両物体Ｍ、ＷにＸ方向（面内方向）のずれがある場合、
左傾きの回折光由来のビート信号及び右傾きの回折光由
来のビート信号共、参照信号に対して常に一定方向に位
相のずれ（位相変動量）Δφ_ｘを生じ、またＺ方向のギ
ャップにずれがある場合、左傾きの回折光由来のビート
信号と右傾きの回折光由来のビート信号では、参照信号
に対して反対方向に位相のずれΔφ_ｚを生じる。その結
果実際に検出される右傾きの回折光由来のビート信号の
参照信号に対する位相のずれΔφ_ｘｚは前記数１、数
３、数５、数７で示されたものが得られ、また左傾きの
回折光由来のビート信号の参照信号に対する位相のずれ
Δφ_ｘｚ′は前記数２、数４、数６、数８で示されたも
のが得られることになる。従って、いずれかの組の両式
の和と差から、Ｘ方向及びＺ方向の２次元位相変動量Δ
φ_ｘ及びΔφ_ｚを夫々分離算出することが可能となる。

【００２５】また本発明の構成では、組となる２光束が
光軸の片側から入射されることになるため、両光束間が
接近しており、その間の大気のゆらぎは検出精度にほと
んど影響がない。また後に説明するように、各組の２光
束の入射角度の差を大きくすれば、Ｚ方向の光路差変化
量が大きくなって、同方向の検出分解能が向上すること
になる。

【００２６】

【実施例】以下本発明法の具体的実施例につき詳述す
る。

【００２７】図５及び図６はマスクＭとウェハＷの位置
ずれ及びギャップ検出を行なう本発明法の実施に使用さ
れる光学系装置構成の一例を示す斜視図と、該光学系光
路詳細図である。

【００２８】図５において、まず２波長直交偏光レーザ
光源12より偏光面が直交し、且つ周波数がわずかに異な
る（ｆ₁、ｆ₂）単色レーザ光（即ち、周波数ｆ₁成分に
ついては→で表わすＰ偏光、又周波数ｆ₂成分について
は↑で表わすＳ偏光）を発生させる。10は該光源12のコ
ントローラであり、電気的な処理を施して第１ＲＥＦ11
aから｜ｆ₁−ｆ₂｜の周波数の参照ビート信号が出力さ
れるようになる。尚、該光源12については音響光学素子
（ＡＯＭ）２つからなる周波数シフタ等で２周波数のも
のを得る構成に置き換えてもよい。

【００２９】この光源12から射出されたアライメント光
は通常３〜４％程度レーザ射出口で楕円偏光になってお
り、これをλ／４板13という位相板（回転補正光学部
品）によって２周波成分の直交状態をより正しい姿勢に
直す。そしてアライメント光のビームは偏光ビームスプ
リッタ（ＰＢＳ）14に至り、そこからＳ偏光（ｆ₂周波
数）成分がλ／２板15に至る。λ／２板15に対して結晶
軸と４５°の方向から入射させ、周波数ｆ₂のＳ偏光を
９０°回転させたｆ₁周波数と同じＰ偏光にする。該λ
／２板15より出たｆ₂周波数のＰ偏光は、ミラー16によ
り光路を変へ、ｆ₂周波数のアライメントビームは図上
Ｚ方向、Ｘ方向に移動可能であり、あおりやθ回転もで
きるミラー17により光軸方向を変えてレンズ18に至る。
このレンズ18と次のレンズ19はビームエキスパンダを構
成していて、組となる光束の間隔を所望の間隔に調整す
る。

【００３０】一方、偏光ビームスプリッタ14を透過した
Ｐ偏光の周波数ｆ₁のアライメントビームは、レンズ20
に至る。このレンズ20と次のレンズ21は、前記レンズ18
及びレンズ19と同様ビームエキスパンダを構成してい
て、他の組の光束の間隔を所望の間隔に調整する。レン
ズ18、19及びレンズ20、21で光束間の間隔調整されたレ
ーザビームは入射位置が調整され、無偏光ビームスプリ
ッタＮＰＢＳ22に夫々入射される。この無偏光ビームス
プリッタＮＰＢＳ22上で２組のビームの光軸両側におけ
る間隔は後に所望の回折次数（＋１、０）（０、−１）
（−１、０）（０、＋１）の干渉回折光が重ならずに得
られる間隔になるようミラー17により調整される。また
後述の対物レンズ31による回折格子32への入射照明角度
は、各組の周波数ｆ₁とｆ₂のビーム間隔で決定するので
精密に調整する。無偏光ビームスプリッタＮＰＢＳ22の
反射透過面はあおりや回軸により２光束の波面を調整で
き、２光束の波面が同一になるように波面収差を取り除
く。無偏光ビームスプリッタＮＰＢＳ22に入射された周
波数ｆ₁とｆ₂の両アライメントビームは、平行光束とし
て一緒に２方向に分岐される。

【００３１】分岐された一方の２光束の組はそのままも
う一つの無偏光ビームスプッリタＮＰＢＳ25に至る。更
にミラー23に至ったもう一方の周波数ｆ₁とｆ₂の２光束
は光軸方向を変え、更にミラー24に至って再度光軸方向
を変え、Ｘ方向、Ｚ方向に回転・あおりが可能な該ミラ
ー24により所定量ずらし、前記無偏光ビームスプッリタ
ＮＰＢＳ25上で４光束のビーム（ｆ₂ｆ₁ｆ₂ｆ₁）配置と
なり、２組の光束が光軸に対して左右反転対称になるよ
う精密に調整する。もし光軸に対して横ずれが発生する
と非テレセントリック状態になり、結像面となる回折格
子32で微小なずれが発生し、２組の検出範囲長が異なっ
てしまう。図上無偏光ビームスプリッタＮＰＢＳ25より
左側に射出される４光束は他軸用としたが、もしキュー
ブ状でミラー面が２カ所あるビームスプッリタが作成で
きるのであれば、置き換えることが望ましい。

【００３２】無偏光ビームスプリッタＮＰＢＳ25より射
出された４光束は、その２組が光軸に対して夫々左右反
転対称な配置となり、レンズ26に至る。レンズ26、28、
31、33は両テレセントリック光学系になっていて、視野
絞りＡＳ27の像がマスクＭ、ウェハＷの回折格子32上に
像を作る共役（結像）関係になっている。このようなテ
レセントリック配置により視野絞りＡＳ27の像が回折格
子32上に結像すると、デフォーカス（焦点位置ずれ）が
あってもその像の結像倍率が一定となる。例えば光学系
の傾きやレンズの偏心があった場合発生する視野絞りＡ
Ｓ27からのフランホーファ回折像は、アライメント誤差
要因になるが、両テレセントリック光学系で結像されて
いるので、その影響がより低減できる。レンズ26より射
出された４光束は該レンズ26の後面焦点位置に配置され
た視野絞りＡＳ27上で４光束が平行交差するように絞り
込まれて、視野絞り径のアライメントビームが成形射出
され、レンズ28の後面焦点位置にある後述の瞳面ＥＰ70
で４光束の平行光となる。この４光束平行光はレンズ28
から射出され光軸に対して平行に進み、対物レンズ31の
前面焦点位置にあり回折格子32のフーリエ変換像が得ら
れる瞳面ＥＰ70で集光されあたかも点光源のようにな
る。この瞳面ＥＰ70上の４光束の並びはレンズ26、28に
より反転されるので、４光束の並びが（ｆ₂ｆ₁ｆ₂ｆ₁）
から（ｆ₁ｆ₂ｆ₁ｆ₂）となり、逆位置になる。

【００３３】全てＰ偏光（→）である４光束は偏光ビー
ムスプリッタＰＢＳ29を透過し、λ／４板30に至る。こ
のλ／４板30を通過した４光束は左回りの円偏光とな
り、対物レンズ31に平行光としてのビーム径を拡大して
進む。ここを透過した４光束は図７に示されるように、
この対物レンズ31によって各組の光束とも光軸に対して
外側の角度θ₂、内側の角度θ₁で入射照明される。この
ような入射照明が行われる時、各組の２光束は光軸に対
し瞳面ＥＰ70上でＦｂ・Ｓｉｎθ₂とＦｂ・Ｓｉｎθ₁の
位置に配置されており（Ｆｂは対物レンズ31の後面焦点
距離である）、これらの組間では光束が光軸に対して左
右反転対称となる角度で回折格子32に入射照明されるこ
とになる。

【００３４】更に本実施例では次のような受光光学系で
干渉回折光を受光する。２組の２光束を照明して得られ
る回折光は前記図７に示されるような状態となる。即ち
入射角度θ₁、θ₂と反対方向の正反射光（０次光）を中
心として高次の回折光が前記ピッチＰ間隔に並び、且つ
前記ミラー24の調整によって２光束の干渉光２組が混入
することなく回折される。この図面では干渉ビート信号
が得られる回折次数（＋１、０）（０、−１）（−１、
０）（０、＋１）のみを明記してある。ここでビート信
号を検出している干渉回折光は上記の４光束としたが、
これはレンズ31の有効径によって決めたもので、高ＮＡ
（開口比）のレンズであれば更に高次の干渉回折光を集
光することが可能である。

【００３５】次に以上の入射照明光と干渉回折光のアイ
ソレーション（分離）方法について説明する。得られる
回折光は光軸に対称な角度で回折され、入射時の円偏光
と逆に回る右回りの円偏光となり、対物レンズ31で集光
される。干渉４光束は平行光となり、λ／４板30を通過
すると、偏光方向がＳ偏光（↑）（図６では紙面に垂直
な偏光・で図示）となり、入射時とその偏光方向を変
え、偏光ビームスプリッタＰＢＳ29の分離面で反射され
る。ここで偏光ビームスプリッタＰＢＳ29とλ／４板30
によって入射光と回折光が完全に分離される。進行方向
を変えた反射回折光はその前面焦点距離が瞳面ＥＰ70上
にあるレンズ33に至り、更にその後面焦点距離の位置に
あるピンホールの開いた視野絞り35で結像する。この位
置は前記視野絞りＡＳ27と共役（結像）関係にある。レ
ンズ33、34はアホーカル系拡大レンズであり、前面の結
像面を拡大してリレーするものである。この拡大像はレ
ンズ34の後面でフーリエ像となる。

【００３６】レンズ34を通過した４光束は穴開きミラー
36により中央の（０、−１）（−１、０）次回折光のみ
が通過し、他の光束は反射される。通過した２光束はそ
のまま四分割ディテクタ37に至る。四分割ディテクタ37
面上では前記回折格子32の像が拡大投影された面であ
り、ここでウェハＷとマスクＭの夫々のビート信号が分
離され、夫々の検出面で受光される。一方穴開きミラー
36で反射された（＋１、０）（０、＋１）次の回折光は
別の４分割ディテクタ38、39により夫々受光される。

【００３７】本実施例に示すように、光軸片側に左シフ
トした光束の組と光軸他側に右シフトした光束の組を左
右反転対称な４光束にして、図８に示すようにマスクＭ
及びウェハＷの各回折格子32に入射照明すると、光軸に
対して対称な位置に（＋１、０）（０、−１）（−１、
０）（０、＋１）次回折光をマスクＭ・ウェハＷ共に得
る。前記図４（ｂ）に示されたように、光軸に対して左
シフトした入射光の組については、反射の法則により光
軸に対して入射方向と逆向きの右傾きの回折光が得られ
る。同様に光軸に対して右シフトした入射光について
は、同図（ａ）に示すように、左傾きした回折光が得ら
れる。このように４光束照明したのは２次元方向（Ｘ方
向、Ｚ方向）の位相変化を同時に測定するためであり、
２光束の組を２組にして光軸に対し対称に入射照明した
のは得られるΔｘ、Δｚの移動量に対応する位相変動量
を同量にするためである。

【００３８】次に本実施例において、光軸に対して対称
位置に（＋１、０）（０、−１）（−１、０）（０、＋
１）次の回折光が得られることを説明する。前記図７
は、ウェハＷに形成された回折格子に対する入射光と
（−３次〜＋３次）までの回折光をもって、２波長の干
渉モデルを示す原理説明図である。本実施例では同図
（ｆ）に示すように、その回折格子32のデューティ比と
して、１次回折効率が一番良い（Ｐ−ａ）／Ｐ＝１／２
の１：１のものを用いた。同図（ｃ）（ｄ）に示すもの
は、前記回折格子32からの（−３次〜＋３次）までの対
物レンズ31で集光できる次数の周波数ｆ₁、ｆ₂のｍ次、
ｎ次回折光の強度分布である。

【００３９】まず光軸から左側にシフトした２光束（周
波数ｆ₁、ｆ₂）の組から説明する。同図（ｅ）に示した
対物レンズ31の前面焦点距離にある瞳面ＥＰ70は、回折
格子32のフーリエ変換像が得られる面であり、照明系の
光学配置ではこの面で点光源となるよう４光束を絞り込
む。外側入射角度θ₂で入射する周波数ｆ₁の照明光（白
抜き矢印）は回折格子32に入射照明され、その正反射光
（０次光）が瞳面ＥＰ70上で光軸に対して入射位置と反
対位置に戻る。この位置を中心にして、同図（ｄ）の
（Ｒ１）に示されるように、−３次〜＋３次の回折光が
得られる。同様に内側入射角度θ₁で入射する周波数ｆ₂
の照明光（白抜き矢印）も回折格子32に入射照明され、
その正反射光は瞳面ＥＰ70上で光軸に対して入射位置と
反対位置に正反射光（０次光）が戻り、同図（ｄ）の
（Ｒ２）に示されるように、これを中心として＋３次〜
−３次の回折光が得られる。この時、瞳面ＥＰ70上での
周波数ｆ₁の入射照明光（白抜き矢印）と同周波数ｆ₂の
入射照明光（白抜き矢印）の間隔は、この回折光のうち
（ｍ＝−１、ｎ＝０）次及び（ｍ＝０、ｎ＝＋１）次の
回折光が干渉する（重なり合う）ように設定する。この
ような状況にして得られる（−１、０）次及び（０、＋
１）次の干渉回折光は光軸に対して右傾き回折光位置
（黒実線矢印）に得られ、光軸より右側にずれる。

【００４０】一方もう一組の周波数ｆ₁′、ｆ₂′の２光
束（斜線塗りの矢印）の組も、その入射照明時に光軸か
ら右にシフトしており、従って光軸を中心に前記の場合
と反転した位置にその干渉回折光が得られる。即ち同図
（ｃ）の（Ｌ１、Ｌ２）に示すように、その（＋１、
０）次及び（０、−１）次の干渉回折光は光軸に対して
左傾き回折光位置（斜線塗りした矢印）に得られ、瞳面
ＥＰ70上光軸より左側にずれる。

【００４１】以上のようにして得られた左傾き、右傾き
の干渉回折光は、同図（ｂ）に示すように夫々の干渉回
折光が重なり合うことなく光軸に対して対称位置に得ら
れ、該干渉回折光を検出するディテクタ37乃至39の手前
では、同図（ａ）に示すように分離されて夫々別々に検
出することが可能となる。

【００４２】次にΔｘ方向の位相変動量とΔｚ方向の位
相変動量を所定の式の和と差により分離する原理につい
て説明する。図９乃至図１１は、入射角をθとした左右
対称入射照明の場合（Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ、図９）と、
入射角をθ₁、θ₂として入射照明光が右にシフトした左
非対称の場合（Ｌｅｆｔ、図１０）と、同様な条件で入
射照明光が左にシフトした右非対称の場合（Ｒｉｇｈ
ｔ、図１１）とにおける−１次の干渉回折光の状態を示
している。同時に微小変動量ΔｘとΔｚがあった場合に
おける前記参照信号に対するビート信号の位相移動方向
を、黒塗りの矢印と白抜きの矢印とでこれらの図面に併
せて示した。

【００４３】これらの図面から明らかなように、Δｘ方
向の移動に対しての位相移動方向が３つの場合とも同一
方向である。これは移動に伴う光路長変化が、後述の図
１２及び図１３に示すように、周波数ｆ₁のものの光路
長が周波数ｆ₂のものの光路長より常に長くなることか
ら判断できる。即ち周波数ｆ₂の照明光を基準にした時
の周波数ｆ₁の照明光に対する光路差［Ｌ（１）−Ｌ
（２）］は、Ｌ（１）の光路長＞Ｌ（２）の光路長とな
るため、常に正になり、従って位相移動方向が常に同一
方向になる。

【００４４】これに対してΔｚの移動に対して左右対称
入射（本発明のように左右組間対称な入射ではない）の
場合、周波数ｆ_１及びｆ_２の入射照明光の光路長変動量
は常に等しく、光路差［Ｌ（１）−Ｌ（２）］は０とな
り、振幅強度については変化するが、位相は変化せず、
位相ずれは起きない。これが、左右対称光学配置にする
とΔｚギャップ方向に対する変動に対し、影響を受けな
い利点であった。

【００４５】左非対称や右非対称の場合、取り出された
回折光の各組のビート信号の位相の変化は（参照信号に
対して）同方向であるが、入射照明光の入射角（光軸か
らの傾き方）の違いによって夫々のΔｚ移動に伴う位相
変動量が異なる（白抜き矢印の大きさが異なる）ことに
なると共に、両組間では夫々のビート信号の位相の向き
が逆になる（白抜き矢印→→と←←）。

【００４６】以上のような場合の光路長変化の様子を、
図１２及び図１３により具体的に示す。これらの図面は
周波数ｆ₁のビームと周波数ｆ₂のビームがΔｘ及びΔｚ
分のマスクＭの移動に伴い、位置ＰからＰ′に移動した
時の光路長Ｌ（１）とＬ（２）を示したものである。こ
れらの図面ではその時発生する入射光の光路変化長を丸
Ａ₁、丸Ａ₂、丸Ａ₁′、丸Ａ₂′で、また回折光の光路変
化量を丸Ｂ₁、丸Ｂ₂、丸Ｂ₁′、丸Ｂ₂′及び丸Ｃ₁、丸
Ｃ₂、丸Ｃ₁′、丸Ｃ₂′で各示し、光路長は太い実線で
表した。このうち回折光の光路長は丸Ｂ₁と丸Ｂ₂及び丸
Ｃ₁と丸Ｃ₂（図１２）、更に丸Ｂ₁′と丸Ｂ₂′及び丸Ｃ
₁′と丸Ｃ₂′（図１３）で、同一方向に同長だけ発生す
る光路長で、光路差［Ｌ（１）−Ｌ（２）］に寄与して
おらず、光路差の算出から除くことができる。即ち光路
差は周波数ｆ₁、ｆ₂の入射光に対して発生する光路長丸
Ａ₁と丸Ａ₂、及び丸Ａ₁′と丸Ａ₂′の差を考えれば良
い。

【００４７】そこでまず振幅が略等しく周波数がわずか
に異なっており（数１０ＫＨｚ〜数１００ＫＨｚ）、且
つ同一方向に進行する２つの波ｕ₁とｕ₂の重ね合わせを
考える。

【００４８】ｕ₁、ｕ₂は下式数１１及び数１２の様な波
動方程式に書ける。

【００４９】

【数１１】

【００５０】

【数１２】

【００５１】又ビート周波数（うなり）は振幅の変動の
繰り返し周波数で下式数１３で表わせる。

【００５２】

【数１３】

【００５３】ｕ₁とｕ₂の２つの波の振幅の和を２乗して
波の重ね合せ強度を求めると次式数１４が得られる。

【００５４】

【数１４】

【００５５】上記数１４の［Ｌ（１）／λ₁−Ｌ（２）
／λ₂］項から光路差［Ｌ（１）−Ｌ（２）］の変化に
よって位相項の遅れや進みが出ることがわかる。

【００５６】光ヘテロダインアライメント方式ではこの
位相差の測定を行なうことになるが、この位相差は±18
0゜以内と角度検出範囲が固定されてしまうため、数１
４の［ Ｌ（１）／λ₁−Ｌ（２）／λ₂］の項で示され
る光路差［Ｌ（１）−Ｌ（２）］が検出範囲と位相の進
み・遅れの方向を左右する項目となる。使用される２つ
の周波数ｆ₁、ｆ₂のレーザ光はわずかに波長が異なり、
ビート信号の周波数（ｆ₁−ｆ₂）は約２．４×１０⁵Ｈ
ｚで、光周波数約５×１０¹⁴Ｈｚに比べ十分小さいの
で、光速をＣとするとビート周波数Δｆは｜Ｃ／λ₁−
Ｃ／λ₂｜であり、Δｆ《Ｃであるため、レーザ波長
は、λ₁＝λ₂≒λとおける。従って、2π［Ｌ（１）／
λ₁−Ｌ（２）／λ₂］の項は2π［Ｌ（１）−Ｌ
（２）］／λと置き換えることができる。

【００５７】次に図１２及び図１３を基に図７の場合の
ｆ₁周波数成分の−１次回折光とｆ₂周波数成分の０次回
折光及びｆ₁周波数成分の ０次回折光とｆ₂周波数成分
の＋１次回折光（図１２の場合）、更にｆ₁周波数成分
の ０次回折光とｆ₂周波数成分の−１次回折光及びｆ₁
周波数成分の＋１次回折光とｆ₂周波数成分の０次回折
光（図１３の場合）で得られる光路差［Ｌ（１）−Ｌ
（２）］を求めてみる。

【００５８】図１２や図１３のように、左シフト入射さ
せ或いは右シフト入射させることで、光軸に対して右傾
き或いは左傾きした状態で回折光が取り出された場合
（右非対称或いは左非対称）、左右がアンバランスにな
り、入射角が実際にはθ₁、θ₂であることから、Δｚの
変位に対しても光路差が発生する。

【００５９】この図１２は左シフト入射光による右傾き
回折光の光路長変化（Ｒ）とその光路差を、また図１３
は右シフト入射光による左傾き回折光の光路長変化
（Ｌ）とその光路差が各示されている。前述のように、
θ₁、θ₂は光軸に対しての入射光に対する夫々の入射角
度であり、内側入射角度θ₁＜外側入射角度θ₂となる。
その角度差が大きくなれば、入射光の光路差が増大し、
それだけ分解能が向上することになる。

【００６０】両図における光路長丸Ａ₁丸Ａ₁′は周波数
ｆ₁の入射光の光路長を、丸Ａ₂丸Ａ₂′は周波数ｆ₂の入
射光の光路長を、また丸Ｂ₁丸Ｃ₁及び丸Ｂ₁′丸Ｃ₁′更
に丸Ｂ₂丸Ｃ₂及び丸Ｂ₂′丸Ｃ₂′は周波数ｆ₁とｆ₂の回
折光の光路長を各示している。前述のように光路差は
［Ｌ（１）−Ｌ（２）］であり、上記回折方向の光路長
は回折方向丸Ｂ₁と丸Ｂ₂及び丸Ｃ₁と丸Ｃ₂（図１２）、
更に丸Ｂ₁′と丸Ｂ₂′及び丸Ｃ₁′と丸Ｃ₂′（図１３）
が同方向且つ同長なので光路差の計算から除くことがで
きる。また両図とも回折光と光軸との回折角度は明記し
ていない。このことは、周波数ｆ₁、ｆ₂の入射光の入射
角度で光路差が明記できることを示している。

【００６１】そこでマスクＭがＰの位置からＰ′の位置
に移動した時、図１２における周波数ｆ₁とｆ₂の入射光
についての光路長Ｌ（１）とＬ（２）、即ち丸Ａ₁と丸
Ａ₂は共に長くなり、これらを夫々求めると、次式数１
５及び数１６の様になる。

【００６２】

【数１５】

【００６３】

【数１６】

【００６４】以上の２式から周波数ｆ₂の入射光を基準
にしてみた光路差は次式数１７の様になる。

【００６５】

【数１７】

【００６６】上記式の右辺第１項はΔｘに関する項で、
ｓｉｎθの差で示され、また第２項はΔｚに関する項
で、ｃｏｓθの差で示され、θ₁＜θ₂なので、（ｓｉｎ
θ₁−ｓｉｎθ₂）の項は負、また（ｃｏｓθ₁−ｃｏｓ
θ₂）の項は正であり、それ故、−を入れると、前者は
正、また後者は負を示すことになる。前記数１４の２π
／λ［Ｌ（１）−Ｌ（２）］の項が光路差変動による位
相項（−１８０゜〜＋１８０゜）になるので、Δｘ、Δ
ｚの位相変動量は、前記数１７式と同様に、下式数１８
の様に表すことができる。

【００６７】

【数１８】

【００６８】同様に図１３において、ＰからＰ′に移動
した時の光路長を求めると、Ｌ（１）及びＬ（２）の光
路長、即ち丸Ａ₁′と丸Ａ₂′は共に短くなり、次式数１
９及び数２０の様になる。

【００６９】

【数１９】

【００７０】

【数２０】

【００７１】よって光路Ｌ（２）を基準にしてみた光路
差［Ｌ（１）−Ｌ（２）］は、次式数２１の様になる。

【００７２】

【数２１】

【００７３】これを前記数１８式と同様に位相変動量で
表すと、次式数２２式に示すようになる。

【００７４】

【数２２】

【００７５】本実施例では、同時に左シフト及び右シフ
トした照明光の入射を行なっているため、前記数１８式
と数２２式との和より位相変動量Δφ_xが、またその差
より位相変動量Δφ_zが分離して測定することができ
る。

【００７６】以上のように、左右対称入射の時はその入
射角がθ₁＝θ₂＝θとなり、Δｚに関する項が０とな
る。またΔｘに関する項は２Δｘ・ｓｉｎθとなる。即
ちΔｘ、Δｚの移動に伴い、Ｘ方向の光路長は、周波数
ｆ₁の入射光については長くなり、周波数ｆ₂の入射光に
ついては短くなるのに対し、Ｚ方向の光路長について
は、周波数ｆ₁及びｆ₂とも長くなるが変化量は同じであ
る。

【００７７】一方、光軸片側に左シフト及び右シフトし
た各光束の入射により右非対称及び左非対称の回折光を
得ている場合、非対称になることによって前記数１７及
び数２１の第２項のΔｚに関する項が（ｃｏｓθ₁−ｃ
ｏｓθ₂）のθ₁とθ₂の傾き差に比例した量だけ発生
し、入射角θ₁とθ₂の非対称の組を、光軸に対し２組対
称（本実施例では左右反転対称だが、本発明では左右対
称とすることもできる）に入射照明することにより、逆
方向［（ｃｏｓθ₁−ｃｏｓθ₂）の前に付く±が相違す
る］に同量［（ｃｏｓθ₁−ｃｏｓθ₂）］だけ発生させ
ることができる。また数１７及び数２１の第１項はΔｘ
に関して−（ｓｉｎθ₁−ｓｉｎθ₂）となり、傾き角に
関係なくΔｘの進行方向と同じ方向になる。

【００７８】この時のΔｘの検出範囲は（ｓｉｎθ₁−
ｓｉｎθ₂）というｓｉｎ差になり、またΔｚについて
言えばその検出範囲は（ｃｏｓθ₁−ｃｏｓθ₂）という
ｃｏｓ差になるため、Δｘの検出範囲は左右対称入射の
場合と比べて狭くなるものの、反面その検出分解能は向
上し、またΔｚに関しては検出が可能となるばかりでは
なく、更にθ₁とθ₂の角度差を大きくすれば、検出分解
能がより向上することになる。

【００７９】以上の実施例構成を参考に４光束の入射配
置パターンを考えてみると、図１４に示すようになる。
即ち同図（ａ）の配置は前記図６の場合を、また同図
（ｂ）の配置は前記（ａ）の周波数ｆ₁とｆ₂を入れ換え
た配置の場合を、同図（ｃ）の配置は中心２光束が同一
周波数ｆ₂（図６の配置の右シフト入射を反転させた）
の場合を、更に同図（ｄ）の配置は中心２光束が同じく
同一周波数ｆ₁（図６の配置の左シフト入射を反転させ
た）の場合（前記図５及び図６の場合に倍率１倍のビー
ムエキスパンダであるレンズ40、41をミラー23、24の間
に入れ左シフト入射を反転させている）を示している。
この時の位相変動量を併せて同図に示す（前記数１〜数
８と同じ）。

【００８０】ここで参照信号の位相をφ₀とすると、例
えば図１４（ａ）の配置の場合の該参照信号との位相変
動量は下式数２３及び数２４となり、その差を取れば数
２５となって、参照信号の項が消去できる。これは１方
向に限り参照信号との相対位相差を取らなくても両信号
の位相差が算出できることを意味する。従って１方向の
み（Ｘ方向のみ又はＺ方向のみ）の測定であれば、参照
信号光学系を設置しなくても良いことになり、回折格子
からのビート信号差から直接相対位相差が算出できるこ
とになる。また単純に差で２Δφとなるので、分解能は
２倍となる。

【００８１】

【数２３】

【００８２】

【数２４】

【００８３】

【数２５】

【００８４】以上の実施例は（＋１、０）（０、−１）
（−１、０）（０、＋１）次の回折光による光ヘテロダ
イン干渉を利用するものであったが、図１５（ａ）も同
じ次数の回折光による光ヘテロダイン干渉を利用するも
のを示している。しかしこの場合は２組の干渉回折光が
ディテクタ手前の同一位置に混入結合して重なり合って
いる。この例では２組の干渉縞が重なり、ビート信号が
複雑となって好ましくない。但し光軸から上下にずらし
たり、光学系にシャッタ等を入れ、交互に使用すれば使
用可能となる。また同図（ｂ）は有効レンズ径からはみ
出した場合を示しており、４光束の入射は非常に困難で
あることが分かる。このようにして見ると上記本実施例
の構成は、レンズ有効径を考えた場合、周波数ｆ₁とｆ₂
の間隔を接近させ易く、また２組の光束がより光軸に対
して対称に接近するので、大気のゆらぎ（温度、気圧、
湿度）による屈折率の変動に起因するアライメント誤差
をより低減できる配置であることが分かる。

【００８５】尚、実際のデバイス製作工程ではレジスト
の塗布むらや非対称堆積形状の問題が発生するが、本構
成によればそのような場合でも位置ずれ及びギャップ検
出が有効に行える。

【００８６】ウェハＷ上の回折格子32は各層プロセスを
経てレジストが塗布される。通常レジストは回転塗布さ
れるので、段差形状を成す回折格子上のレジスト堆積形
状は非対称となることが避けられず、同様にレジストの
塗布むらも発生する。図１６は非対称パターンの横ずれ
Δεと膜厚むらΔｄの状態を示している。ビート信号は
２光束（周波数ｆ₁とｆ₂）の波面の揃った時の高速の干
渉縞発生（目には見えない）により得られる。しかしレ
ジストに非対称性や歪が生じると、ビート信号のＳ／Ｎ
比は低下する。またレジストの塗布むらにより歪が発生
し、干渉縞の本数が多くなり過ぎると、ビート信号は検
出不能となる。このように非対称パターンや塗布むらは
アライメント誤差要因となり、アライメント誤差を招
く。前記図１６の中心より左右にΔε横ずれした回折格
子32のレジスト50堆積とレジスト50の塗布むらΔｄより
発生する位相誤差をΔψεとすると、下式数２６に示す
ような位相誤差が発生する。

【００８７】

【数２６】

【００８８】本発明では誤差位相が加算され、位相変動
量Δφ_xz、Δφ_xz′は下式数２７及び数２８に示すよう
になり、更にその差（Δφ _xz −Δφ _xz ′）を取ると、次
式数２９に示すようになる。

【００８９】

【数２７】

【００９０】

【数２８】

【００９１】

【数２９】

【００９２】従って差を取る方向の誤差成分は除去でき
る。しかし和を取る方は逆に誤差が加算されてしまうの
で、差の方を利用すれば方向別誤差を除去できる。同様
にウェハＷの反りにより発生する誤差要因に対しても有
効である。

【００９３】一方、ウェハＷとマスクＭは数十μｍに平
行近接して配置されるため、２光束入射照明によって両
間のギャップに多重反射が発生する。図１７に本願構成
で位置ずれ及びギャップ検出を行った時のマスクＭとウ
ェハＷ間の多重干渉モデルを示す。この場合も多重干渉
の一方の項は差を取ることにより、その誤差を取り除く
ことができる。

【００９４】

【発明の効果】以上詳述した本発明の位置ずれ及びギャ
ップ検出方法によれば、面内位置ずれ検出と共に、露光
中でも安定継続的に直接２つの物体のギャップを直接検
出することができるようになる。尚、本位置ずれ及びギ
ャップ検出方法を用いれば、装置の走査・振動状態の測
定や試料等の検出物体の振動の測定を行なう振動検出方
法乃至装置にも適用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光軸左側入射時の回折光回折次数の説明図であ
る。

【図２】同じく光軸右側入射時の回折光回折次数の説明
図である。

【図３】光軸片側にθ₁、θ₂の入射角で周波数ｆ₁、ｆ₂
の照明光の組を２組該光軸に対し両側反転対称の位置か
ら入射せしめた時の干渉回折光の状態を示す本発明構成
の一例を示す説明図である。

【図４】右シフト入射照明及び左シフト入射照明した場
合の回折光ヘテロダイン位置と位相移動方向を示す説明
図である。

【図５】本発明法の実施に使用される光学系装置構成の
一例を示す斜視図である。

【図６】該光学系光路詳細図である。

【図７】上記本実施例で照明光を入射し、フーリエ変換
レンズにより回折格子に該光の照射を行なった時の光ヘ
テロダイン干渉モデルを示す説明図である。

【図８】光軸片側に左シフト及び右シフトした２光束の
組２組を左右反転対称な４光束にしてマスク及びウェハ
の各回折格子に入射照明した時の斜視図である。

【図９】入射角をθとした左右対称入射照明の場合にお
ける０次と−１次の干渉回折光の状態を示す説明図であ
る。

【図１０】入射角をθ₁、θ₂として入射照明光が光軸右
側にシフトした左非対称の場合における干渉回折光の状
態を示す説明図である。

【図１１】入射角をθ₁、θ₂として入射照明光が光軸左
側にシフトした右非対称の場合における干渉回折光の状
態を示す説明図である。

【図１２】本実施例において左シフト入射照明した場合
の光路Ｌ(1)と光路Ｌ(2)間の光路差を示す説明図であ
る。

【図１３】本実施例において右シフト入射照明した場合
の光路Ｌ(1)と光路Ｌ(2)間の光路差を示す説明図であ
る。

【図１４】本発明構成で実施可能な４光束の入射配置パ
ターンを示す説明図である。

【図１５】干渉回折光がディテクタ手前で混入結合する
例及びレンズ有効径からはみ出る例を示す説明図であ
る。

【図１６】非対称レジストパターンの横ずれ及び膜厚む
らの状態を示す断面図である。

【図１７】本願構成で位置ずれ及びギャップ検出を行っ
た時のマスクＭとウェハＷ間の多重干渉モデルを示す説
明図である。

【符号の説明】

31 フーリエ変換レンズ 32 回折格子 37、39 ４分割ディテクタ 70 瞳面ＥＰ Ｍ マスク Ｗ ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５３１Ｊ (56)参考文献 特開 平４−366704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−38102（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−229105（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−8704（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−93307（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−123804（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−90006（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−202602（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−1511（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−297005（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−2116（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−65604（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−106427（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−31703（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数のわずかに異なる２つの単色光の
   組を２組用い、これらの各組の２光束については光軸の
   片側で該光軸に対して入射角の異なる方向からであって
   且つ該組間では前記光軸の両側で反転対称又は対称とな
   る方向から、夫々第１の物体及び第２の物体の各回折格
   子にこれら２組の光束を入射させ、光軸の夫々両側対称
   な位置から４ビーム以上の光ヘテロダイン干渉させた回
   折光を取り出し、両回折格子のＸ方向位置ずれ及びＺ方
   向ギャップによる光路差変動量に基づき生じる光ヘテロ
   ダイン検出信号の下式数１及び数２、数３及び数４、数
   ５及び数６、又は数７及び数８の各組に示される位相変
   動量Δφ_ｘｚ及びΔφ_ｘｚ′からこれらのいずれかの組
   の２式の和と差によってＸ方向及びＺ方向の２次元位相
   変動量Δφ_ｘ及びΔφ_ｚを夫々分離算出することを特徴
   とする位置ずれ及びギャップ検出方法。 【数１】 【数２】 【数３】 【数４】 【数５】 【数６】 【数７】 【数８】