JP2928834B2 - 回折格子による位置検出方法および位置検出装置 - Google Patents
回折格子による位置検出方法および位置検出装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体ＩＣやＬＳＩを
製造するための露光装置やパタン評価装置等において適
用される位置検出方法および位置検出装置に関するもの
である。
製造するための露光装置やパタン評価装置等において適
用される位置検出方法および位置検出装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体ＩＣやＬＳＩの微細化に伴
い、サブミクロンパタンを生産性良く転写できる装置と
してＸ線露光装置の開発が進められているが、Ｘ線露光
装置では、マスクとウエハとをマスク面・ウエハ面に平
行な面内において高精度に位置合わせをするとともに上
記マスク面・ウエハ面の法線方向の位置関係、つまりマ
スクとウエハ間のギャップをも所定の値に設定する技術
の確立が不可欠となっている。特に発散Ｘ線源を用いる
場合には、高精度のギャップ設定が必要である。従来、
この種の位置合わせを行う方法としては、第３４回応用
物理学関係連合講演会講演予稿集，ｐ．３９６（１９８
７）で紹介されている回折格子を用いた高精度，高安定
な位置検出が可能な光ヘテロダイン干渉法がある。
い、サブミクロンパタンを生産性良く転写できる装置と
してＸ線露光装置の開発が進められているが、Ｘ線露光
装置では、マスクとウエハとをマスク面・ウエハ面に平
行な面内において高精度に位置合わせをするとともに上
記マスク面・ウエハ面の法線方向の位置関係、つまりマ
スクとウエハ間のギャップをも所定の値に設定する技術
の確立が不可欠となっている。特に発散Ｘ線源を用いる
場合には、高精度のギャップ設定が必要である。従来、
この種の位置合わせを行う方法としては、第３４回応用
物理学関係連合講演会講演予稿集，ｐ．３９６（１９８
７）で紹介されている回折格子を用いた高精度，高安定
な位置検出が可能な光ヘテロダイン干渉法がある。
【０００３】図２にこのような位相差信号を用いて位置
合わせする装置の一例を示す。図において、２波長直交
偏光レーザー光源１から発したレーザー光は、円筒レン
ズ２を通して楕円状のビームとなり、そのビームは、偏
光ビームスプリッター３によりそれぞれ水平成分（ｐ偏
光成分）または垂直成分（ｓ偏光成分）のみを有する直
接偏光でしかも周波数が僅かに異なる２波長の光に分離
される。このうちｐ偏光成分は、平面ミラー４ａ，４ｂ
を介し、入射光５として反射形回折格子６，７に回折格
子面に垂直な法線方向（Ｚ方向）に対して１次回折角の
方向からそれぞれ入射する。なお、ウエハ８に設けた回
折格子７に対しては、マスク９に設けた窓１０を通して
入射する。他方、ｓ偏光成分は、ビームスプリッター１
１により分光され、その一方は平面ミラー４ｃを介して
入射光１２としてＺ方向に対して入射光５と左右対称の
１次回折角の方向から、また、他方は平面ミラー４ｄ，
４ｅを介して入射光１３としてＺ方向に対して入射光５
と同じ側の３次回折角の方向からそれぞれ反射形回折格
子６，７に入射する。回折格子７に対しては、窓１０を
通して入射することは、入射光５と同様である。
合わせする装置の一例を示す。図において、２波長直交
偏光レーザー光源１から発したレーザー光は、円筒レン
ズ２を通して楕円状のビームとなり、そのビームは、偏
光ビームスプリッター３によりそれぞれ水平成分（ｐ偏
光成分）または垂直成分（ｓ偏光成分）のみを有する直
接偏光でしかも周波数が僅かに異なる２波長の光に分離
される。このうちｐ偏光成分は、平面ミラー４ａ，４ｂ
を介し、入射光５として反射形回折格子６，７に回折格
子面に垂直な法線方向（Ｚ方向）に対して１次回折角の
方向からそれぞれ入射する。なお、ウエハ８に設けた回
折格子７に対しては、マスク９に設けた窓１０を通して
入射する。他方、ｓ偏光成分は、ビームスプリッター１
１により分光され、その一方は平面ミラー４ｃを介して
入射光１２としてＺ方向に対して入射光５と左右対称の
１次回折角の方向から、また、他方は平面ミラー４ｄ，
４ｅを介して入射光１３としてＺ方向に対して入射光５
と同じ側の３次回折角の方向からそれぞれ反射形回折格
子６，７に入射する。回折格子７に対しては、窓１０を
通して入射することは、入射光５と同様である。
【０００４】２つの反射形回折格子６，７は、それぞれ
その格子ライン方向（Ｙ方向）にずれており、しかも２
波長の各入射光の同一楕円ビームスポット内に配置され
ている。また、両回折格子６，７の回折格子ピッチは互
いに等しく設定されている。
その格子ライン方向（Ｙ方向）にずれており、しかも２
波長の各入射光の同一楕円ビームスポット内に配置され
ている。また、両回折格子６，７の回折格子ピッチは互
いに等しく設定されている。
【０００５】入射光５、１２により、第１の回折格子６
からＺ方向に得られる合成回折光、つまり第１の回折格
子６による入射光５の−１次回折光と、入射光１２の−
１次回折光との合成回折光１４ａと、第２の回折格子７
から同様にＺ方向に得られ、窓１０を介して取り出され
る合成回折光、つまり第２の回折格子７による入射光５
の−１次回折光と、入射光１２の−１次回折光との合成
回折光１４ｂとは、平面ミラー４ｆにより方向を変えら
れた後、プリズム状ミラー１５ａにより分離される。そ
のうち、合成回折光１４ａの側は、偏光板１６ａ，集光
レンズ１７ａを介して光検出器１８ａで検出され、第１
の光ヘテロダイン干渉ビート信号として信号処理制御部
１９に入力される。他方、合成回折光１４ｂの側は、偏
光板１６ｂ，集光レンズ１７ｂを介して光検出器１８ｂ
で検出され、第３の光ヘテロダイン干渉ビート信号とし
て信号処理制御部１９に入力される。
からＺ方向に得られる合成回折光、つまり第１の回折格
子６による入射光５の−１次回折光と、入射光１２の−
１次回折光との合成回折光１４ａと、第２の回折格子７
から同様にＺ方向に得られ、窓１０を介して取り出され
る合成回折光、つまり第２の回折格子７による入射光５
の−１次回折光と、入射光１２の−１次回折光との合成
回折光１４ｂとは、平面ミラー４ｆにより方向を変えら
れた後、プリズム状ミラー１５ａにより分離される。そ
のうち、合成回折光１４ａの側は、偏光板１６ａ，集光
レンズ１７ａを介して光検出器１８ａで検出され、第１
の光ヘテロダイン干渉ビート信号として信号処理制御部
１９に入力される。他方、合成回折光１４ｂの側は、偏
光板１６ｂ，集光レンズ１７ｂを介して光検出器１８ｂ
で検出され、第３の光ヘテロダイン干渉ビート信号とし
て信号処理制御部１９に入力される。
【０００６】入射光５，１３により、第１の回折格子６
からＺ方向に対し２次回折角の方向に得られる合成回折
光、つまり第１の回折格子６による入射光５の＋１次回
折光と、入射光１３の−１次回折光との合成回折光２０
ａと、第２の回折格子７から同様に２次回折角の方向に
得られ、窓１０を介して取り出される合成回折光、つま
り第２の回折格子７による入射光５の＋１次回折光と、
入射光１３の−１次回折光との合成回折光２０ｂとは、
平面ミラー４ｇにより方向を変えられた後、プリズム状
ミラー１５ｂにより分離される。そのうち、合成回折光
２０ａの側は、偏光板１６ｃ，集光レンズ１７ｃを介し
て光検出器１８ｃで検出され、第２の光ヘテロダイン干
渉ビート信号として信号処理制御部１９に入力される。
他方、合成回折光２０ｂの側は、偏光板１６ｄ，集光レ
ンズ１７ｄを介して光検出器１８ｄで検出され、第４の
光ヘテロダイン干渉ビート信号として信号処理制御部１
９に入力される。
からＺ方向に対し２次回折角の方向に得られる合成回折
光、つまり第１の回折格子６による入射光５の＋１次回
折光と、入射光１３の−１次回折光との合成回折光２０
ａと、第２の回折格子７から同様に２次回折角の方向に
得られ、窓１０を介して取り出される合成回折光、つま
り第２の回折格子７による入射光５の＋１次回折光と、
入射光１３の−１次回折光との合成回折光２０ｂとは、
平面ミラー４ｇにより方向を変えられた後、プリズム状
ミラー１５ｂにより分離される。そのうち、合成回折光
２０ａの側は、偏光板１６ｃ，集光レンズ１７ｃを介し
て光検出器１８ｃで検出され、第２の光ヘテロダイン干
渉ビート信号として信号処理制御部１９に入力される。
他方、合成回折光２０ｂの側は、偏光板１６ｄ，集光レ
ンズ１７ｄを介して光検出器１８ｄで検出され、第４の
光ヘテロダイン干渉ビート信号として信号処理制御部１
９に入力される。
【０００７】信号処理制御部１９では、第１の光ヘテロ
ダイン干渉ビート信号と第３の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号との位相差を求める。この位相差Δφxは、回折
格子の格子面内で格子ライン方向（Ｙ方向）に直交する
方向（Ｘ方向）についての第１の回折格子６と第２の回
折格子７との相対的位置ずれ量Δxに対応し、 Δφx＝３６０・Δx／（Ｐ／２） ・・・・・・・・・・・・・・（１） の関係にある。ここでＰは回折格子ピッチである。した
がってこの位相差が零となるようにマスク９を載置した
マスクステージ２１またはウエハ８を載置したウエハス
テージ２２をＸ方向に移動させることにより、マスク面
上のパタンをウエハ面上の所定の位置に位置合わせする
ことができる。
ダイン干渉ビート信号と第３の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号との位相差を求める。この位相差Δφxは、回折
格子の格子面内で格子ライン方向（Ｙ方向）に直交する
方向（Ｘ方向）についての第１の回折格子６と第２の回
折格子７との相対的位置ずれ量Δxに対応し、 Δφx＝３６０・Δx／（Ｐ／２） ・・・・・・・・・・・・・・（１） の関係にある。ここでＰは回折格子ピッチである。した
がってこの位相差が零となるようにマスク９を載置した
マスクステージ２１またはウエハ８を載置したウエハス
テージ２２をＸ方向に移動させることにより、マスク面
上のパタンをウエハ面上の所定の位置に位置合わせする
ことができる。
【０００８】また、信号処理制御部１９は、第２の光ヘ
テロダイン干渉ビート信号と第４の光ヘテロダイン干渉
ビート信号との位相差Δφxzを求め、これと上述した第
１の光ヘテロダイン干渉ビート信号と第３の光ヘテロダ
イン干渉ビート信号との位相差Δφxとを加算処理す
る。この加算信号Δφzは、回折格子の格子面の法線方
向（Ｚ方向）の第１の回折格子６と第２の回折格子７と
のギャップΔzに対応し、 Δφz＝Δφx＋Δφxz ＝３６０・Δz・（COSθ3−COSθ1）／λ ・・・・・・・・（２） の関係にある。ここで、θ1は第１次回折角，θ3は第３
次回折角、λはレーザー光の波長である。したがってこ
の位相差信号Δφzが零となるようにマスクステージ２
１またはウエハステージ２２をＺ方向に移動させること
により、ギャップを所定の値に設定できる。
テロダイン干渉ビート信号と第４の光ヘテロダイン干渉
ビート信号との位相差Δφxzを求め、これと上述した第
１の光ヘテロダイン干渉ビート信号と第３の光ヘテロダ
イン干渉ビート信号との位相差Δφxとを加算処理す
る。この加算信号Δφzは、回折格子の格子面の法線方
向（Ｚ方向）の第１の回折格子６と第２の回折格子７と
のギャップΔzに対応し、 Δφz＝Δφx＋Δφxz ＝３６０・Δz・（COSθ3−COSθ1）／λ ・・・・・・・・（２） の関係にある。ここで、θ1は第１次回折角，θ3は第３
次回折角、λはレーザー光の波長である。したがってこ
の位相差信号Δφzが零となるようにマスクステージ２
１またはウエハステージ２２をＺ方向に移動させること
により、ギャップを所定の値に設定できる。
【０００９】ところが、上記位置合わせ光学系におい
て、相対位置ずれ量検出光学系とギャップ検出光学系と
は、互いに光学系の一部を共用しているため、相対位置
ずれ量検出およびギャップ検出用光ヘテロダイン干渉光
にそれぞれ不要な回折光が混入し、検出精度を劣化させ
るという問題がある。これに関して図３を用いて説明す
る。
て、相対位置ずれ量検出光学系とギャップ検出光学系と
は、互いに光学系の一部を共用しているため、相対位置
ずれ量検出およびギャップ検出用光ヘテロダイン干渉光
にそれぞれ不要な回折光が混入し、検出精度を劣化させ
るという問題がある。これに関して図３を用いて説明す
る。
【００１０】図３は、図２のマスク回折格子６の部分に
おける入射光ならびに回折光を詳細に示した図である。
図３より、入射光５および入射光１２から得られる相対
位置ずれ量検出用の−１次回折光の光ヘテロダイン干渉
光１４ａには、入射光１３の−３次回折光２５ｂが重な
り、不要の干渉を生ぜしめる。一方、入射光５および入
射光１３から得られるギャップ検出用の±１次回折光の
光ヘテロダイン干渉光２０ａには、同様に入射光１２の
−３次回折光２５ａが重なり、不要の干渉を生ぜしめ
る。一般に回折光の光強度は、１次回折光の方が３次回
折光よりも十分強いと考えられため、光ヘテロダイン干
渉光１４ａ，２０ａには、ほとんど３次回折光の影響は
寄与しない。
おける入射光ならびに回折光を詳細に示した図である。
図３より、入射光５および入射光１２から得られる相対
位置ずれ量検出用の−１次回折光の光ヘテロダイン干渉
光１４ａには、入射光１３の−３次回折光２５ｂが重な
り、不要の干渉を生ぜしめる。一方、入射光５および入
射光１３から得られるギャップ検出用の±１次回折光の
光ヘテロダイン干渉光２０ａには、同様に入射光１２の
−３次回折光２５ａが重なり、不要の干渉を生ぜしめ
る。一般に回折光の光強度は、１次回折光の方が３次回
折光よりも十分強いと考えられため、光ヘテロダイン干
渉光１４ａ，２０ａには、ほとんど３次回折光の影響は
寄与しない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前述した図
２のウエハ上の回折格子７のように回折格子上にＬＳＩ
パタン形成用のプロセス層、例えばＡｌ配線層，ＳiＯ2
絶縁層，レジスト層等が堆積し、回折格子７の開口比
（回折格子ピッチに対する格子ライン幅の比）が変わる
と、１次回折光の強度と３次回折光の強度とが余り変わ
らない条件が現れる。すなわち３次回折光は、３次回折
光と同じ波長（あるいは 周波数）の１次回折光と干渉
し、ビート信号の振幅変動となって検出信号に影響をも
たらす。さらに３次回折光と異なる波長（あるいは 周
波数）の１次回折光とは、光ヘテロダイン干渉し、所望
の光ヘテロダイン干渉光とは周期の異なる信号を発生す
る。したがって法線方向および２次回折角方向に出射す
る光ヘテロダイン干渉光は、これらの影響が重なる合っ
て回折格子の微小変位に対して非線形に変化する位相差
信号となり、高精度の位置合わせが困難となる。また、
３次回折光の強度の程度によっては、所望の光ヘテロダ
イン干渉信号が全く検出できないという問題があった。
２のウエハ上の回折格子７のように回折格子上にＬＳＩ
パタン形成用のプロセス層、例えばＡｌ配線層，ＳiＯ2
絶縁層，レジスト層等が堆積し、回折格子７の開口比
（回折格子ピッチに対する格子ライン幅の比）が変わる
と、１次回折光の強度と３次回折光の強度とが余り変わ
らない条件が現れる。すなわち３次回折光は、３次回折
光と同じ波長（あるいは 周波数）の１次回折光と干渉
し、ビート信号の振幅変動となって検出信号に影響をも
たらす。さらに３次回折光と異なる波長（あるいは 周
波数）の１次回折光とは、光ヘテロダイン干渉し、所望
の光ヘテロダイン干渉光とは周期の異なる信号を発生す
る。したがって法線方向および２次回折角方向に出射す
る光ヘテロダイン干渉光は、これらの影響が重なる合っ
て回折格子の微小変位に対して非線形に変化する位相差
信号となり、高精度の位置合わせが困難となる。また、
３次回折光の強度の程度によっては、所望の光ヘテロダ
イン干渉信号が全く検出できないという問題があった。
【００１２】したがって本発明は前述した従来の課題を
解決するためになされたものであり、その目的は、回折
格子からの光ヘテロダイン干渉ビート信号を高安定性，
高精度で検出できるようにした位置検出方法および位置
検出装置を提供することにある。
解決するためになされたものであり、その目的は、回折
格子からの光ヘテロダイン干渉ビート信号を高安定性，
高精度で検出できるようにした位置検出方法および位置
検出装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明による位置検出方法は、周波数が互いに
異なる３波長の単色光を用い、各単色光を位置ずれおよ
びギャップ検出のための合成回折光の得られる入射角度
で相対的に移動可能な２つの物体上に固定あるいは 形
成した２つの回折格子へ入射し、前記回折格子によって
２波長の単色光を回折・合成して得られる２組の光ヘテ
ロダイン干渉光から周波数の異なる位置ずれおよびギャ
ップ検出用ビート信号を周波数選別回路により分離・生
成し、いずれか一方の回折格子を用いて生成された光ヘ
テロダイン干渉ビート信号を基準ビート信号とし、もう
一方の光ヘテロダイン干渉ビート信号との位相差を算出
する方法によって２つの回折格子間の相対的位置ずれ量
を検出するようにしたものである。また、本発明による
位置検出装置は、相対的に移動可能な２つの物体と、こ
の２つの物体上に固定あるいは形成した２つの回折格子
と、周波数が互いに異なる３波長の単色光を発生する光
源と、前記回折格子に前記光源から発せられた３波長の
単色光を位置ずれおよびギャップ検出のための合成回折
光の得られる方向から入射させる入射角調整手段と、前
記回折格子によって２波長の単色光を回折・合成して得
られる２組の光ヘテロダイン干渉光から周波数の異なる
位置ずれおよびギャップ検出用ビート信号を生成する光
検出手段と、光検出手段によって生成されたこれらの光
ヘテロダイン干渉ビート信号から所望のビート信号を分
離・生成する周波数選別回路と、いずれか一方の回折格
子を用いて生成された光ヘテロダイン干渉ビート信号を
基準ビート信号としもう一方の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号との位相差を算出処理する信号処理装置とからな
り、２つの回折格子間の相対的位置ずれ量を検出するよ
うにしたものである。
るために本発明による位置検出方法は、周波数が互いに
異なる３波長の単色光を用い、各単色光を位置ずれおよ
びギャップ検出のための合成回折光の得られる入射角度
で相対的に移動可能な２つの物体上に固定あるいは 形
成した２つの回折格子へ入射し、前記回折格子によって
２波長の単色光を回折・合成して得られる２組の光ヘテ
ロダイン干渉光から周波数の異なる位置ずれおよびギャ
ップ検出用ビート信号を周波数選別回路により分離・生
成し、いずれか一方の回折格子を用いて生成された光ヘ
テロダイン干渉ビート信号を基準ビート信号とし、もう
一方の光ヘテロダイン干渉ビート信号との位相差を算出
する方法によって２つの回折格子間の相対的位置ずれ量
を検出するようにしたものである。また、本発明による
位置検出装置は、相対的に移動可能な２つの物体と、こ
の２つの物体上に固定あるいは形成した２つの回折格子
と、周波数が互いに異なる３波長の単色光を発生する光
源と、前記回折格子に前記光源から発せられた３波長の
単色光を位置ずれおよびギャップ検出のための合成回折
光の得られる方向から入射させる入射角調整手段と、前
記回折格子によって２波長の単色光を回折・合成して得
られる２組の光ヘテロダイン干渉光から周波数の異なる
位置ずれおよびギャップ検出用ビート信号を生成する光
検出手段と、光検出手段によって生成されたこれらの光
ヘテロダイン干渉ビート信号から所望のビート信号を分
離・生成する周波数選別回路と、いずれか一方の回折格
子を用いて生成された光ヘテロダイン干渉ビート信号を
基準ビート信号としもう一方の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号との位相差を算出処理する信号処理装置とからな
り、２つの回折格子間の相対的位置ずれ量を検出するよ
うにしたものである。
【００１４】
【作用】本発明においては、３波長のビームを回折格子
に入射したとき、回折格子から射出する回折光から生成
されるビート信号のうち、不要のビート信号と、所望の
ビート信号を周波数選別回路により分離することによっ
て高次の回折光等に起因する検出信号の不安定を完全に
除去することができるので、高安定性，高精度な相対的
位置ずれ量を検出できる。
に入射したとき、回折格子から射出する回折光から生成
されるビート信号のうち、不要のビート信号と、所望の
ビート信号を周波数選別回路により分離することによっ
て高次の回折光等に起因する検出信号の不安定を完全に
除去することができるので、高安定性，高精度な相対的
位置ずれ量を検出できる。
【００１５】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は、本発明に係わる位置検出装置の一実
施例を示すものである。同図において、僅かに周波数が
異なる３波長の直線偏光レーザー光を出射する光源４０
から発した３本の楕円状ビーム４１，４２，４３のう
ち、ビーム４１は、平面ミラー４ａ，４ｂを介し、入射
光５として反射形回折格子６，７に、回折格子面に垂直
な法線方向（Ｚ方向）に対して１次回折角の方向からそ
れぞれ入射する。なお、ウエハ８に設けた回折格子７に
対しては、マスク９に設けた窓１０を通して入射する。
ビーム４３は、平面ミラー４ｄ，４ｅを介して入射光１
３としてＺ方向に対して入射光５と同じ側の３次回折角
の方向から、また、ビーム４２は、平面ミラー４ｈ，４
ｃを介して入射光１２としてＺ方向に対して入射光５と
左右対称の１次回折角の方向から、それぞれ反射形回折
格子６，７に入射する。回折格子７に対しては、窓１０
を通して入射することは、入射光５と同様である。
説明する。図１は、本発明に係わる位置検出装置の一実
施例を示すものである。同図において、僅かに周波数が
異なる３波長の直線偏光レーザー光を出射する光源４０
から発した３本の楕円状ビーム４１，４２，４３のう
ち、ビーム４１は、平面ミラー４ａ，４ｂを介し、入射
光５として反射形回折格子６，７に、回折格子面に垂直
な法線方向（Ｚ方向）に対して１次回折角の方向からそ
れぞれ入射する。なお、ウエハ８に設けた回折格子７に
対しては、マスク９に設けた窓１０を通して入射する。
ビーム４３は、平面ミラー４ｄ，４ｅを介して入射光１
３としてＺ方向に対して入射光５と同じ側の３次回折角
の方向から、また、ビーム４２は、平面ミラー４ｈ，４
ｃを介して入射光１２としてＺ方向に対して入射光５と
左右対称の１次回折角の方向から、それぞれ反射形回折
格子６，７に入射する。回折格子７に対しては、窓１０
を通して入射することは、入射光５と同様である。
【００１６】２つの反射形回折格子６，７は、互いに格
子ライン方向（Ｙ方向）にずれており、しかも２波長の
各入射光の同一楕円ビームスポット内に配置されてい
る。また、両回折格子６，７の回折格子ピッチは互いに
等しく設定されている。
子ライン方向（Ｙ方向）にずれており、しかも２波長の
各入射光の同一楕円ビームスポット内に配置されてい
る。また、両回折格子６，７の回折格子ピッチは互いに
等しく設定されている。
【００１７】入射光５，１２により、第１の回折格子６
からＺ方向に得られる合成回折光、つまり第１の回折格
子６による入射光５の−１次回折光と、入射光１２の−
１次回折光との合成回折光１４ａと、第２の回折格子７
から同様にＺ方向に得られ、窓１０を介して取り出され
る合成回折光、つまり第２の回折格子７による入射光５
の−１次回折光と、入射光１２の−１次回折光との合成
回折光１４ｂとは、平面ミラー４ｆにより方向を変えら
れた後、プリズム状ミラー１５ａにより分離される。そ
のうち、合成回折光１４ａの側は、集光レンズ１７ａを
介して光検出器１８ａで検出され、第１の周波数選別回
路４４に送られ、不要のビート信号が分離されて第１の
光ヘテロダイン干渉ビート信号として所望のビート信号
のみが信号処理制御回路１９に入力される。他方、合成
回折光１４ｂの側は、集光レンズ１７ｂを介して光検出
器１８ｂで検出され、第１の周波数選別回路４４に送ら
れ、不要のビート信号が分離されて第３の光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号として所望のビート信号のみが信号処
理制御部１９に入力される。
からＺ方向に得られる合成回折光、つまり第１の回折格
子６による入射光５の−１次回折光と、入射光１２の−
１次回折光との合成回折光１４ａと、第２の回折格子７
から同様にＺ方向に得られ、窓１０を介して取り出され
る合成回折光、つまり第２の回折格子７による入射光５
の−１次回折光と、入射光１２の−１次回折光との合成
回折光１４ｂとは、平面ミラー４ｆにより方向を変えら
れた後、プリズム状ミラー１５ａにより分離される。そ
のうち、合成回折光１４ａの側は、集光レンズ１７ａを
介して光検出器１８ａで検出され、第１の周波数選別回
路４４に送られ、不要のビート信号が分離されて第１の
光ヘテロダイン干渉ビート信号として所望のビート信号
のみが信号処理制御回路１９に入力される。他方、合成
回折光１４ｂの側は、集光レンズ１７ｂを介して光検出
器１８ｂで検出され、第１の周波数選別回路４４に送ら
れ、不要のビート信号が分離されて第３の光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号として所望のビート信号のみが信号処
理制御部１９に入力される。
【００１８】一方、入射光５，１３により、第１の回折
格子６からＺ方向に対して２次回折角の方向に得られる
合成回折光、つまり第１の回折格子６による入射光５の
＋１次回折光と、入射光１３の−１次回折光との合成回
折光２０ａと、第２の回折格子７から同様に２次回折角
の方向に得られ、窓１０を介して取り出される合成回折
光、つまり第２の回折格子７による入射光５の＋１次回
折光と、入射光１３の−１次回折光との合成回折光２０
ｂとは、平面ミラー４ｇにより方向を変えられた後、プ
リズム状ミラー１５ｂにより分離される。そのうち、合
成回折光２０ａの側は、集光レンズ１７ｃを介して光検
出器１８ｃで検出され、第２の周波数選別回路４５に送
られ、不要のビート信号が分離されて第２の光ヘテロダ
イン干渉ビート信号として所望のビート信号のみが信号
処理制御部１９に入力される。他方、合成回折光２０ｂ
の側は、集光レンズ１７ｄを介して光検出器１８ｄで検
出され、第２の周波数選別回路４５に送られ、不要のビ
ート信号が分離されて第４の光ヘテロダイン干渉ビート
信号として所望のビート信号のみが信号処理制御部１９
に入力される。
格子６からＺ方向に対して２次回折角の方向に得られる
合成回折光、つまり第１の回折格子６による入射光５の
＋１次回折光と、入射光１３の−１次回折光との合成回
折光２０ａと、第２の回折格子７から同様に２次回折角
の方向に得られ、窓１０を介して取り出される合成回折
光、つまり第２の回折格子７による入射光５の＋１次回
折光と、入射光１３の−１次回折光との合成回折光２０
ｂとは、平面ミラー４ｇにより方向を変えられた後、プ
リズム状ミラー１５ｂにより分離される。そのうち、合
成回折光２０ａの側は、集光レンズ１７ｃを介して光検
出器１８ｃで検出され、第２の周波数選別回路４５に送
られ、不要のビート信号が分離されて第２の光ヘテロダ
イン干渉ビート信号として所望のビート信号のみが信号
処理制御部１９に入力される。他方、合成回折光２０ｂ
の側は、集光レンズ１７ｄを介して光検出器１８ｄで検
出され、第２の周波数選別回路４５に送られ、不要のビ
ート信号が分離されて第４の光ヘテロダイン干渉ビート
信号として所望のビート信号のみが信号処理制御部１９
に入力される。
【００１９】信号処理制御部１９では、第１の光ヘテロ
ダイン干渉ビート信号と第３の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号との位相差Δφxならびに第２の光ヘテロダイン
干渉ビート信号と第４の光ヘテロダイン干渉ビート信号
との位相差Δφxzとを検出する。このΔφxとΔxとの関
係あるいは ΔφxzとΔzとの関係については、前述した
式（１），（２）と同じ関係が成立する。
ダイン干渉ビート信号と第３の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号との位相差Δφxならびに第２の光ヘテロダイン
干渉ビート信号と第４の光ヘテロダイン干渉ビート信号
との位相差Δφxzとを検出する。このΔφxとΔxとの関
係あるいは ΔφxzとΔzとの関係については、前述した
式（１），（２）と同じ関係が成立する。
【００２０】上記実施例において、３波長の単色光光源
４０としては、周波数安定化Ｈe−Ｎeレーザー光源とブ
ラッグセル等の音響光学素子３個を組み合わせて僅かに
周波数の異なる３本のビームを生成し、円筒レンズによ
りビームを楕円ビームにしたものを用いた。ブラッグセ
ルによりビーム４１の周波数をｆ0＋ｆ1に、ビーム４２
の周波数をｆ0＋ｆ2に、ビーム４３の周波数をｆ0＋ｆ3
にそれぞれ変換すると、ビーム４１とビーム４２による
合成回折光のビート周波数はΔｆa＝ｆ1−ｆ2，ビーム
４１とビーム４３による合成回折光のビート周波数はΔ
ｆb＝ｆ1−ｆ3と異なる２つのビート周波数を得ること
ができる。前者のビート周波数Δｆaの信号が位置ずれ
検出に、後者のビート周波数ｆbの信号がギャップ検出
にそれぞれ用いられる。
４０としては、周波数安定化Ｈe−Ｎeレーザー光源とブ
ラッグセル等の音響光学素子３個を組み合わせて僅かに
周波数の異なる３本のビームを生成し、円筒レンズによ
りビームを楕円ビームにしたものを用いた。ブラッグセ
ルによりビーム４１の周波数をｆ0＋ｆ1に、ビーム４２
の周波数をｆ0＋ｆ2に、ビーム４３の周波数をｆ0＋ｆ3
にそれぞれ変換すると、ビーム４１とビーム４２による
合成回折光のビート周波数はΔｆa＝ｆ1−ｆ2，ビーム
４１とビーム４３による合成回折光のビート周波数はΔ
ｆb＝ｆ1−ｆ3と異なる２つのビート周波数を得ること
ができる。前者のビート周波数Δｆaの信号が位置ずれ
検出に、後者のビート周波数ｆbの信号がギャップ検出
にそれぞれ用いられる。
【００２１】前者の位置ずれ検出信号には、前述したよ
うにビーム４３が回折格子によって回折した−３次回折
光がビーム４１とビーム４２による−１次回折光と干渉
して生じる不要なビート信号が含まれる。これらの不要
なビート信号の周波数は、それぞれΔｆb＝ｆ1−ｆ3，
Δｆd＝ｆ2−ｆ3となり、位置ずれ信号のビート周波数
Δｆaと異なる。したがって周波数選別回路４４により
容易に位置ずれ検出信号のみを抽出することが可能とな
り、真の信号である第１のビート信号および第３のビー
ト信号のみを信号処理制御部１９に送ることができる。
同様に後者のギャップ検出信号にも、ビーム４２が回折
格子によって回折した−３次回折光がビーム４１とビー
ム４３による−１次回折光と干渉して生じる不要なビー
ト信号が含まれる。これらの不要なビート信号の周波数
は、それぞれΔｆa＝ｆ1−ｆ2，Δｆd＝ｆ2−ｆ3とな
り、ギャップ信号のビート周波数Δｆbとは異なる。し
たがって周波数選別回路４５により容易にギャップ検出
信号のみを抽出することが可能となり、真の信号である
第２のビート信号および第４のビート信号のみを信号処
理制御部１９に送ることができる。
うにビーム４３が回折格子によって回折した−３次回折
光がビーム４１とビーム４２による−１次回折光と干渉
して生じる不要なビート信号が含まれる。これらの不要
なビート信号の周波数は、それぞれΔｆb＝ｆ1−ｆ3，
Δｆd＝ｆ2−ｆ3となり、位置ずれ信号のビート周波数
Δｆaと異なる。したがって周波数選別回路４４により
容易に位置ずれ検出信号のみを抽出することが可能とな
り、真の信号である第１のビート信号および第３のビー
ト信号のみを信号処理制御部１９に送ることができる。
同様に後者のギャップ検出信号にも、ビーム４２が回折
格子によって回折した−３次回折光がビーム４１とビー
ム４３による−１次回折光と干渉して生じる不要なビー
ト信号が含まれる。これらの不要なビート信号の周波数
は、それぞれΔｆa＝ｆ1−ｆ2，Δｆd＝ｆ2−ｆ3とな
り、ギャップ信号のビート周波数Δｆbとは異なる。し
たがって周波数選別回路４５により容易にギャップ検出
信号のみを抽出することが可能となり、真の信号である
第２のビート信号および第４のビート信号のみを信号処
理制御部１９に送ることができる。
【００２２】上記実施例の場合、周波数安定化光源４０
としてＨe−Ｎeレーザーを用いた場合について説明した
が、実願平２−１１５９５１号公報に示されるマルチチ
ャンネル音響光学素子と、１９９０年度精密工学会春季
大会学術講演会論文集，ｐ．４２９に示される周波数を
安定化した半導体レーザーとを組み合わせることによ
り、３波長単色光光源のコンパクト化が可能である。
としてＨe−Ｎeレーザーを用いた場合について説明した
が、実願平２−１１５９５１号公報に示されるマルチチ
ャンネル音響光学素子と、１９９０年度精密工学会春季
大会学術講演会論文集，ｐ．４２９に示される周波数を
安定化した半導体レーザーとを組み合わせることによ
り、３波長単色光光源のコンパクト化が可能である。
【００２３】また、回折格子への入射光の方向および回
折格子からの回折光の方向が回折格子面に垂直なＸＹ平
面に含まれる例について説明したが、回折格子への入射
光の方向および回折格子からの回折光の方向として回折
格子面に垂直なＸＹ平面に含まれない斜め入射および斜
め出射の２波長の回折光を光学的に合成して光ヘテロダ
イン干渉ビート信号を検出するようにしても同様の効果
を得ることができる。
折格子からの回折光の方向が回折格子面に垂直なＸＹ平
面に含まれる例について説明したが、回折格子への入射
光の方向および回折格子からの回折光の方向として回折
格子面に垂直なＸＹ平面に含まれない斜め入射および斜
め出射の２波長の回折光を光学的に合成して光ヘテロダ
イン干渉ビート信号を検出するようにしても同様の効果
を得ることができる。
【００２４】さらに本発明における回折格子としては、
吸収型回折格子，位相型回折格子のいずれを用いても良
く、また、バイナリー回折格子に限らず正弦波状回折格
子，フレーズ回折格子等種々の回折格子を用いることが
可能であり、透過型の他に反射型回折格子を用いること
も可能である。
吸収型回折格子，位相型回折格子のいずれを用いても良
く、また、バイナリー回折格子に限らず正弦波状回折格
子，フレーズ回折格子等種々の回折格子を用いることが
可能であり、透過型の他に反射型回折格子を用いること
も可能である。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回
折格子に周波数が異なる３波長の単色光を入射し、回折
格子から生じる合成回折光を用いて生成した光ヘテロダ
イン干渉ビート信号から回折光同志の不要の干渉によっ
て生じるノイズとなるビート信号を周波数選別回路によ
って完全に取り除くことが可能であり、回折格子からの
光ヘテロダイン干渉ビート信号を高安定性，高精度に検
出できるという極めて優れた効果が得られる。
折格子に周波数が異なる３波長の単色光を入射し、回折
格子から生じる合成回折光を用いて生成した光ヘテロダ
イン干渉ビート信号から回折光同志の不要の干渉によっ
て生じるノイズとなるビート信号を周波数選別回路によ
って完全に取り除くことが可能であり、回折格子からの
光ヘテロダイン干渉ビート信号を高安定性，高精度に検
出できるという極めて優れた効果が得られる。
【図１】本発明による位置検出装置の一実施例による構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図２】従来の位置検出装置の構成を示す図である。
【図３】回折格子部への入射光，回折光の詳細を示す図
である。
である。
１ ２波長直交偏光レーザー光源 ２ 円筒レンズ ３ 偏光ビームスプリッター ４ａ 平面ミラー ４ｂ 平面ミラー ４ｃ 平面ミラー ４ｄ 平面ミラー ４ｅ 平面ミラー ４ｆ 平面ミラー ４ｇ 平面ミラー ４ｈ 平面ミラー ５ 入射光 ６ 反射形回折格子 ７ 反射形回折格子 ８ ウエハ ９ マスク １０ 窓 １１ ビームスプリッター １２ 入射光 １３ 入射光 １４ａ 合成回折光 １４ｂ 合成回折光 １５ａ プリズム状ミラー １５ｂ プリズム状ミラー １６ａ 偏光板 １６ｂ 偏光板 １６ｃ 偏光板 １６ｄ 偏光板 １７ａ 集光レンズ １７ｂ 集光レンズ １７ｃ 集光レンズ １７ｄ 集光レンズ １８ａ 光検出器 １８ｂ 光検出器 １８ｃ 光検出器 １８ｄ 光検出器 １９ 信号処理制御部 ２０ａ 合成回折光 ２０ｂ 合成回折光 ２１ マスクステージ ２２ ウエハステージ ２３ マスク ２４ 不透明薄膜 ２５ａ ３次回折光 ２５ｂ ３次回折光 ４０ ３波長直線偏光レーザー光源 ４１ レーザービーム ４２ レーザービーム ４３ レーザービーム ４４ 周波数選別回路 ４５ 周波数選別回路
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01B 9/00 - 9/10
Claims (2)
- 【請求項１】 第１の物体に設けた第１の回折格子およ
び第２の物体に設けた第１の回折格子と格子ラインの平
行な第２の回折格子のそれぞれに対して所定の周波数を
有する第１の単色光と、第１の単色光と周波数の異なる
第２の単色光を、回折格子に対して相互に対称な方向か
ら入射させるとともに第１の単色光および第２の単色光
と周波数の異なる第３の単色光を、第２の単色光と同方
向で回折格子に対して第１の単色光と非対称な方向から
入射させ、第１の回折格子および第２の回折格子によっ
て第１の単色光および第２の単色光が回折・合成して生
じる２組の合成回折光を受光し、位置ずれ検出に必要な
第１の光ヘテロダイン干渉ビート信号および第３の光ヘ
テロダイン干渉ビート信号のみを周波数選別回路により
抽出し、且つ第１の回折格子および第２の回折格子によ
って第２の単色光および第３の単色光が回折・合成して
生じる２組の合成回折光を受光し、ギャップ検出に必要
な第１の光ヘテロダイン干渉ビート信号および第３の光
ヘテロダイン干渉ビート信号と周波数の異なる第２の光
ヘテロダイン干渉ビート信号および第４の光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号のみを周波数選別回路により抽出し、
第１の光ヘテロダイン干渉ビート信号および第３の光ヘ
テロダイン干渉ビート信号間の位相差から第１の回折格
子および第２の回折格子の格子面に平行で格子ラインに
直交する方向の位置ずれ量を検出するとともに上記位相
差と、第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号および第４
の光ヘテロダイン干渉ビート信号間の位相差とから第１
の回折格子および第２の回折格子の格子面法線方向のギ
ャップを検出することを特徴とする回折格子による位置
検出方法。 - 【請求項２】 周波数が互いに異なる第１の単色光，第
２の単色光および第３の単色光を出力する光源装置と、
第１の物体に設けられた第１の回折格子および第２の物
体に設けられた第２の回折格子に上記３つの単色光をそ
れぞれ所定の角度で入射させる入射角調整手段と、第１
の回折格子および第２の回折格子によって第１の単色光
および第２の単色光が回折・合成して生じる合成回折光
を光検出器まで導き第１の光ヘテロダイン干渉ビート信
号および第３の光ヘテロダイン干渉ビート信号を作る第
１の光検出手段および第３の光検出手段と、第１の回折
格子および第２の回折格子によって第２の単色光および
第３の単色光が回折・合成して生じる合成回折光を光検
出器まで導き第１の光ヘテロダイン干渉ビート信号およ
び第３の光ヘテロダイン干渉ビート信号と周波数の異な
る第２の光ヘテロダイン干渉ビート信号および第４の光
ヘテロダイン干渉ビート信号を作る第２の光検出手段お
よび第４の光検出手段と、第１の光検出手段および第３
の光検出手段により生成されたビート信号から所望のビ
ート信号のみを抽出する第１の周波数選別回路と、第２
の光検出手段および第４の光検出手段により生成された
ビート信号から所望のビート信号のみを抽出する第２の
周波数選別回路と、第１の光ヘテロダイン干渉ビート信
号および第３の光ヘテロダイン干渉ビート信号間の位相
差信号から第１の回折格子および第２の回折格子の格子
面に平行で格子ラインに直交する方向の位置ずれ量を算
出し、且つ前記位相差信号ならびに第２の光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号および第４の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号間の位相差信号とから第１の回折格子および第２
の回折格子の格子面法線方向のギャップを算出する信号
処理手段とを少なくとも備えたことを特徴とする回折格
子による位置検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16915891A JP2928834B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | 回折格子による位置検出方法および位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16915891A JP2928834B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | 回折格子による位置検出方法および位置検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04366704A JPH04366704A (ja) | 1992-12-18 |
| JP2928834B2 true JP2928834B2 (ja) | 1999-08-03 |
Family
ID=15881359
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16915891A Expired - Fee Related JP2928834B2 (ja) | 1991-06-14 | 1991-06-14 | 回折格子による位置検出方法および位置検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2928834B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69530757T2 (de) * | 1994-01-24 | 2004-03-18 | Asml Holding, N.V. | Gitter-gitter interferometrisches ausrichtsystem |
-
1991
- 1991-06-14 JP JP16915891A patent/JP2928834B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04366704A (ja) | 1992-12-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |