JP3244769B2

JP3244769B2 - 測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JP3244769B2
Application number: JP14156292A
Authority: JP
Inventors: 隆宏松本; 謙治斉藤; 孝一千徳; 誠二竹内; 実吉井; 博康能瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 2002-01-07
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: DE69207657T2; JPH05272914A; US5321502A; EP0522557A1; EP0522557B1; DE69207657D1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は測定方法、測定装置に関
する。本発明はとくに、光ヘテロダイン干渉計測法の応
用で光ヘテロダイン干渉法を用いた計測装置、例えば、
微小変位測定装置、位置合わせ装置焼き付け重ね合わせ
評価装置、測長器、回折格子等の回折手段を用いて物体
の微小な変位を測定する装置などに好適に利用できるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高精度な微小変位測定には、
位相検波により、変位と線形関係にある光の位相情報を
検波することが可能なヘテロダイン干渉法が広く用いら
れてきた。

【０００３】ヘテロダイン干渉法では周波数がわずかに
異なる二光束によってできる時間的に変化する干渉縞を
光電検出し、干渉縞の位相を電気信号の位相に変換して
測定する。

【０００４】例えば図２０は従来の実施例で、光源に
は、ゼーマンレーザ３０１を用いて、周波数がわずかに
異なる互いに直交した直線偏光の光３０２，３０３を利
用し、干渉計を構成する微小変位測定装置である。光３
０２はＰ偏光で電気ベクトルが紙面内の光で周波数
ｆ₁，光３０３はＳ偏光で電気ベクトルが紙面と垂直な
光で周波数がｆ₂である。ゼーマンレーザ３０１から発
っせられた光３０２，３０３のそれぞれの複素振幅表示
Ｅ₁，Ｅ₂はφ₁，φ₂をそれぞれ初期位相とすると、次の
ように書ける。

【０００５】Ｅ₁＝Ａ₀ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁）｝（１）Ｅ₂＝Ｂ₀ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂）｝（２）ここで、Ａ₀，Ｂ₀は振幅、ｗ₁，ｗ₂は角周波数で、ｗ₁
＝２πｆ₁、ｗ₂＝２πｆ₂である。光３０２，３０３は
ビームスプリッタ３０４により、それぞれ振幅分割さ
れ、一方は（それぞれ光３０３，３０２に対応する）参
照光３０６，３０７となり、片方は干渉計に入る（それ
ぞれ光３０３，３０２に対応する）信号光３１５，３１
６となる。

【０００６】このとき参照光３０６，３０７を偏光板３
０５（それぞれの偏光方向に４５°傾いた偏光成分を取
りだす偏光子）によって偏光方向を揃え、光電検出器３
１７で検出する。この時の２つの光の複素振幅表示Ｅ_1R
（光３０７の複素振幅）、Ｅ_2R（光３０６の複素振幅）
はそれぞれＬ_s，Ｌ₀を図１３中に示す様にそれぞれ光源
３０１からビームスプリッタ３０４まで、ビームスプリ
ッタ３０４から検出器３１７までの光路長、Ａ₁Ｂ₁をそ
れぞれの振幅とすると、Ｅ_1R＝Ａ₁ｅｘｐ［ｉ｛ｗ₁ｔ＋φ−ｋ₁（Ｌ_s＋Ｌ₀）｝］（３）Ｅ_2R＝Ｂ₁ｅｘｐ［ｉ｛ｗ₂ｔ＋φ₂−ｋ₂（Ｌ_s＋Ｌ₀）｝］（４）ここで、ｋ₁，ｋ₂は波数で、Ｃを光束として、

【０００７】

【外１】である。２つの参照光は偏光板３０５によって偏光方向
を揃えられており、両者は干渉する。この干渉光を光電
検出器３１７で光電検出すると、検出信号Ｉ_Rは、Ｉ_R＝Ａ² ₁＋Ｂ² ₁＋２Ａ₁Ｂ₁ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋（φ₁−φ₂）＋（ｋ₂− ｋ₁）（Ｌ_s＋Ｌ₀）｝（５）となる。これはｗ₁−ｗ₂の角周波数すなわちｆ₁−ｆ₂の
周波数で、位相がψ_R＝（φ₁−φ₂）＋（ｋ₂−ｋ₁）
（Ｌ_s＋Ｌ₀）のビート信号である。他方ビームスプリッ
タ３０４を透過した光は、偏光ビームスプリッタ３０８
に入射する。Ｓ偏光の光３１５は反射され、ミラー３１
０で反射し、再度偏光ビームスプリッタ３０８に向か
う。この時、光路中に配置されているλ／４板３０９を
２回通ることによって偏光方向はπ／２回転し、Ｐ偏光
の光になっているため透過する。また、Ｐ偏光の光３１
６は、偏光ビームスプリッタ３０８を透過して、被測定
物３１２で反射し、再度偏光ビームスプリッタ３０８に
向かう。同様にこの光路中に配置されているλ／４，板
３１１を２回通るために、偏光方向がπ／２回転し、Ｓ
偏光の光となるため、偏光ビームスプリッタ３０８で反
射される。この後Ｓ偏光の信号光３１６，Ｐ偏光の信号
光３１５を偏光板３０５と同様の偏光板３１４により偏
光方向を揃え光電検出器３１８で検出する。Ａ₂，Ｂ₂を
それぞれの振幅、Ｌ₁をビームスプリッタ３０４からミ
ラー３１０で反射して光電検出器３１８に至る光束３１
５の光路長、Ｌ₁＋２ΔＬをビームスプリッタ３０４か
ら被測定物３１２で反射して検出器３１８に至る光束３
１６の光路長とすると、光電検出器３１８における、光
３１６，光３１５のそれぞれの複素振幅表示Ｅ_1s，Ｅ_2s
は、それぞれ次のように書ける。ただしΔＬは被測定物
３１２の変位量である。

【０００８】Ｅ_1s＝Ａ₂・ｅｘｐ［ｉ｛ｗ₁ｔ＋φ₁−ｋ₁（Ｌ_s＋Ｌ₁＋２ΔＬ）｝］（６）Ｅ_2s＝Ｂ₂・ｅｘｐ［ｉ｛ｗ₂ｔ＋φ₂−ｋ₂（Ｌ_s＋Ｌ₁）｝］（７）２つの信号光は偏光板３１４によって偏光方向を揃えら
れており、両者は干渉し、この干渉光を光電検出器３１
８で検出した時の、検出信号Ｉ_sは、Ｉ_s＝Ａ² ₂＋Ｂ² ₂＋２Ａ₂Ｂ₂ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋（φ₁−φ₂）＋（ｋ₂− ｋ₁）（Ｌ_s＋Ｌ₁）−２ｋ₁ΔＬ｝（８）である。これはｗ₁−ｗ₂の各周波数すなわちｆ₁−ｆ₂の
周波数で、位相がψ_S＝（φ₁−φ₂）＋（ｋ₂−ｋ₁）
（Ｌ_s＋Ｌ₁）−２ｋ₁ΔＬのビート信号である。
（５），（８）式に示されるビート信号の位相の差Δψ
＝ψ_R−ψ_Sは同期検査波器としてのロックインアンプ３
１９を用いて測定する。

【０００９】（５）（８）式に示されるビート信号の位
相の差Δψを求めると次式のようになる。

【００１０】 Δψ＝（ｋ₂−ｋ₁）（Ｌ₀−Ｌ₁）＋２ｋ₁ΔＬ変形すると、次式のように書ける。

【００１１】

【外２】あらかじめ、ΔＬ＝０のときのΔψ₀を測定すると、Ｌ₀−Ｌ₁＝Δψ₀／（ｋ₂−ｋ₁）であり、ｋ₁，ｋ₂は既知であるからＬ₀−Ｌ₁が求まる。

【００１２】その後、２つのビート信号（５），（６）
式の位相の差Δψを測定すれば、（９）式より被測定物
の変位ΔＬを求めることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとしている課題】ところが、このよ
うなヘテロダイン干渉計測の分解能は、２つのビート信
号間の位相差を測定する位相測定装置の分解能で決ま
り、計測の分解能を上げるには、位相測定装置の分解能
を上げる必要があり、技術的な限界が存在する。

【００１４】又、従来より、物体の移動量や回転量を光
学スケールを用いて測定する、いわゆる光学式エンコー
ダが機械制御などの分野で用いられてきた。従来用いら
れてきた光学式エンコーダの一例としては、特開昭５８
−１９１９０７号公報に示されるものがある。これは光
源からのコヒーレント光をミラー等を介して基準尺とな
る回折格子に入射し、この回折格子から出射される＋Ｎ
次及び−Ｎ次の回折光をコーナーキューブでもとの方向
へ反射して再度回折格子に入射させ、ここで±Ｎ次の２
つの回折光を同一方向に回折させて相互に干渉させ、そ
の干渉光の強度を光センサによって検知するように構成
されていた。

【００１５】この様な装置は小型構成で高分解能が達成
できる為、多様な目的で、色々な用途に使われていた。

【００１６】加工、制御等において、更なる精密化、微
細化が進んでいる今日、この様な計測を行なう装置も、
今までよりさらに高分解能であることが求められてきて
いる。

【００１７】本発明は、上述従来のヘテロダイン干渉計
測における上のような欠点を克服し、位相測定装置の分
解能が同じであっても、２倍の計測精度が得られるよう
になる計測方法あるいは装置を提供する事を第１の目的
とする。

【００１８】

【課題を解決する為の手段】前記目的を達成する為本発
明の方法は、同じ周波数のビート信号を発生する第一の
異周波数光束対と第二の異周波数光束対を形成し、前記
第一および第二の光束対のうち一方の光束対の周波数の
小さい方の光束と他方の光束対の周波数の大きい方の光
束とに同方向位相変化付与の為の所定光路を経由させた
後、前記第一の光束対、第二の光束対それぞれで光束を
重ね合わせた時に発生するビート信号同士の比較より前
記位相変化の情報を測定している。

【００１９】又、本発明の装置は、同じ周波数のビート
信号を発生する第一の異周波数光束対と第二の異周波数
光束対を形成する光束対形成手段と、前記第一および第
二の光束対のうち一方の光束対の周波数の小さい方の光
束と他方の光束対の周波数の大きい方の光束とに同方向
位相変化付与の為の所定光路を経由させた後、前記第一
の光束対、第二の光束対それぞれで光束を重ね合わせる
光学手段と、該光学手段によって重ね合わせた時に発生
するビート信号同士の比較より前記位相変化の情報を測
定する位相変化情報検出手段とを有する様にしている。

【００２０】更に本発明の測定装置は、同じ周波数のビ
ート信号を発生する様に組み合わされた第一の異周波数
光束対と第二の異周波数光束対を形成するための光束形
成手段と、前記第一及び第二の光束対のうち一方の光束
対の周波数の小さい方の光束と他方の光束対の周波数の
大きい方の光束とを回折手段によって第一の次数で回折
させ、かつ前記一方の光束対の周波数の大きい方の光束
と前記他方の光束対の周波数の小さい方の光束とを前記
回折手段によって、前記第一の次数とは符号が異なる第
二の次数で回折させる様に前記各光束を前記回折手段に
照射する照射手段と、該回折を受けた前記第一の光束対
を干渉させて得られる第一のビート信号と、該回折を受
けた前記第二の光束対を干渉させて得られる第二のビー
ト信号とを比較することにより前記回折手段の相対的な
変位情報を得る変位情報検出手段とを設けている。

【００２１】

【実施例】まず本発明の実施例の原理を説明する。

【００２２】わずかに周波数の異なるｆ₁，ｆ₂の光を発
する光源部からの光を被測定物体へ照射する。被測定物
体で反射、回折、散乱等された光ｆ₁と他の光路を通っ
てきた（被測定物体で反射、回折、散乱等されてもされ
なくても良い）光ｆ₂とを干渉させて第１のビート光を
形成する。同様に被測定物体で反射、回折、散乱等され
た光ｆ₂と他の光路を通ってきた（被測定物体で反射、
回折、散乱等されても、されなくても良い）光ｆ₁とを
干渉させて第２のビート光を形成する。その際、被測定
物体の測定量（例えば変位量）に対応したそれぞれのビ
ート光の位相の符号が異なるように計測装置を構成す
る。これら２つのビート光をそれぞれ別々の光電検出器
で検出する。

【００２３】このようにして得られた２つのビート信号
を同期検出器を用いて同期検出することにより、検出さ
れた位相差から被測定物体を計測するものである。

【００２４】ビート信号の時間的変化を図２に示す。

【００２５】従来例の場合は、参照光の検出信号は、常
に一定であり、位相の変化は生じない。これを図２中で
参照信号１３とする。一方、信号光の検出信号は、１４
のように、測定量に応じ、Δψ₀の位相変化が生じる。
この２つの信号の位相差を同期検出器を用いて測定すれ
ば、Δψ₀の位相差として検出される。

【００２６】本発明の後述する実施例によれば、図２
中、第１のビート光の検出信号は１４，第２のビート光
の検出信号は、１４′となり、測定量に応じそれぞれΔ
ψ₁，Δψ₂の位相変化が生じる。ここで位相変化Δ
ψ₁，Δψ₂の符号が異なるような２つのビート信号を得
るように計測装置を構成しており、今Δψ₁＝Δψ₀，Δ
ψ₂＝−Δψ₀となるように構成し、その２つの信号の位
相差を同期検出器を用いて測定すれば、Δψ＝Δψ₀−
（−Δψ₀）＝２Δψ₀となり、従来の方式の２倍の位相
差として検出することができる。

【００２７】以下具体的に図面を用いて実施例を説明す
る。

【００２８】図１は、本発明の第１の実施例で、微小変
位測定装置である。ゼーマンレーザ１より発っせられた
互いに直交する偏光状態の光２（Ｐ偏光、周波数ｆ₁）
及び光３（Ｓ偏光、周波数ｆ₂）は、ビームスプリッタ
４で振幅分割される。ビームスプリッタ４で反射した光
２′、３′（それぞれ光２、３の反射光）は、λ／４板
５を透過し、ミラー６で反射後、再びλ／４板５を透過
し、ビームスプリッタ４に再入射する。このとき、λ／
４板５を２回通ることにより、偏光方向がπ／２回転
し、光２′はＰ偏光からＳ偏光に、また、光３′はＳ偏
光からＰ偏光になる。ビームスプリッタ４に再入射し、
透過した光（図１中ではこの時ビームスプリッタ４で反
射される光は省略している）のうち、Ｐ偏光である光
３′は、偏光ビームスプリッタ９を透過し、Ｓ偏光であ
る光２′は、反射する。

【００２９】他方、ゼーマンレーザ１から発せられた
後、ビームスプリッタ４を透過した光２″，３″（それ
ぞれ光２，３の透過光）は、被測定物７で反射し、再度
ビームスプリッタ４に入射する。

【００３０】ビームスプリッタ４に再入射し、反射され
た光（図１中ではこの時ビームスプリッタ４で透過する
光は省略している）のうち、Ｐ偏光である光２″は偏光
ビームスプリッタ９を透過し、Ｓ偏光である光３″は反
射する。

【００３１】偏向ビームスプリッタ９で透過された光
２″と３′，及び反射された光２′と３″は、それぞれ
偏光方向が揃っているため干渉光となっている。この干
渉光を光電検出器１０，１１でそれぞれ光電検出して、
その時の得られる信号相互の位相差をロックインアンプ
１２を用いて検出する。

【００３２】ここで、ビームスプリッタ４からのミラー
６と被測定物７までの光路長が等しく、かつ偏光ビーム
スプリッタ９からの光電検出器１０と１１までの距離が
等しい時は、ゼーマンレーザ１から光電検出器１０およ
び１１までの光路長はすべて等しくなり、このときの光
路長をＬとし、この状態から被測定物７がＸ方向にΔＬ
変位した時の検出信号は次のようになる。偏光ビームス
プリッタ９を透過した光の光電検出器１０の受光部にお
ける複素振幅表示Ｅ_p（ｆ₁）、Ｅ_p（ｆ₂）はそれぞれ次
式で表わされる。

【００３３】Ｅ_p（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ［ｉ｛ｗ₁ｔ＋φ₁−ｋ₁（Ｌ＋２ΔＬ）｝］（１０）Ｅ_p（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ［ｉ｛ｗ₂ｔ＋φ₂−ｋ₂Ｌ｝］（１１）ここで、Ａ，Ｂは振幅、ｗ₁，ｗ₂は角周波数で、ｗ₁＝
２πｆ₁，ｗ₂＝２πｆ₂である。また、φ₁，φ₂はゼー
マンレーザ１で発せられた光の初期位相である。ｋ₁，
ｋ₂は波数で、Ｃを光束として、

【００３４】

【外３】である。Ｅ_p（ｆ₁），Ｅ_p（ｆ₂）は、偏光方向が揃えて
あるため干渉する。この干渉光を光電検出器１０で光電
検出した時の検出信号Ｉ₁は、Ｉ₁＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋（φ₁−φ₂）−２ｋ₁ΔＬ｝（１２）となる。

【００３５】他方、偏光ビームスプリッタ９で反射した
光の光電検出器１１の受光部における複素振幅表示Ｅ_s
（ｆ₁）、Ｅ_s（ｆ₂）は次式で表わされる。

【００３６】Ｅ_s（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ［ｉ｛ｗ₁ｔ＋φ₁−ｋ₁Ｌ｝］（１３）Ｅ_s（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ［ｉ｛ｗ₂ｔ＋φ₂−ｋ₂（Ｌ＋２ΔＬ）｝］（１４）Ｅ_s（ｆ₁），Ｅ_s（ｆ₂）は、偏光方向が揃えてあるた
め、干渉し、その干渉光を光電検出器１１で光電検出し
た時の検出信号Ｉ₂は、Ｉ₂＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋（φ₁−φ₂）＋２ｋ₂ΔＬ｝（１５）となる。以上光電検出した信号Ｉ₁及びＩ₂をロックイン
アンプ１２ａの２つの入力信号として、Ｉ₂の位相とＩ₁
の位相の差Δψ′を求めると次のようになる。

【００３７】Δψ′＝２（ｋ₁＋ｋ₂）ΔＬ（１６）被測定物７の変位ΔＬに対し、Δψ′は２（ｋ₁＋ｋ₂）
ΔＬ変化する。

【００３８】（１６）式を変形すれば

【００３９】

【外４】となり、ビート信号の位相差Δψ′を測定することによ
り、変位ΔＬを求めることができる。その際の、被測定
物の変位に対し、本方式は、従来例と比べ

【００４０】

【外５】倍、ｋ₁≒ｋ₂であるから約２倍の感度が得られたことに
なり、同じ精度のロックインアンプを用いた場合、従来
例と比べ約２倍の精度が得られる。ロックインアンプ１
２ａの出力は演算器１２ｂに入力され、演算器１２ｂに
て（１６）式の変形式よりΔＬを計測する。

【００４１】図３は本発明の第２の実施例を示す図で、
遠紫外光、Ｘ線等を用いるプロキシミティー露光方式半
導体製造装置の位置合わせ部を示す。マスク２２上に設
けられた回折格子からなるアライメントマーク２４とウ
エハ２３上に設けられた回折格子からなるアライメント
マーク２５を用いて、マスク２２とウエハ２３の位置合
わせを行う。ゼーマンレーザ１５から発せられた互いに
直交する偏光状態の光１６（Ｐ偏光、周波数ｆ₁）、お
よび光１７（Ｓ偏光、周波数ｆ₂）は、ビームスプリッ
タ１８で振幅分割される。ビームスプリッタ１８で反射
した光１６′，１７′（それぞれ光１６，１７の反射
光）は、λ／２板１９を透過する。このとき、偏光方向
がπ／２回転し、光１６′はＰ偏光からＳ偏光の光１
６′′′（周波数ｆ₁）に、また光１７′はＳ偏光から
Ｐ偏光の光１７′′′（周波数ｆ₂）になる。λ／２板
１９を透過した光１６′′′，１７′′′はミラー２０
により、進路変更して、共にマスク２２上に設けられた
回折格子２４およびウエハ２３上に設けられた回折格子
２５の両方に照射される。

【００４２】他方ビームスプリッタ１８を透過した光１
６″，１７″（それぞれ光１６，１７の透過光）は、ミ
ラー２１により進路変更して共に回折格子２４および回
折格子２５の両方に照射される。

【００４３】回折格子２４，および２５は反射型の等間
隔直線回折格子でピッチは等しく、その値はＰである。
図４にマスク２２およびウエハ２３の法線方向から見た
アライメントマーク２４，２５及び照射光の配置を示
す。ここで回折格子で回折される光のうち０次回折光
（正反射光）の進行方向に向かって図面上Ｘ−Ｚ面を＋
ｙ側から見て左側（−ｘ側）に回折された回折光を＋ｍ
次回折光、右側（＋ｘ側）に回折された回折光を−ｍ次
回折光とする。一般に回折格子の格子パターンと垂直な
方向（図３では＋ｘ軸方向）に回折格子が１ピッチ移動
すると回折光の位相は２ｍπ変化することが良く知られ
ており、回折格子２４がｘ_M，回折格子２５がｘ_Wだけ基
準となる位置からｘ方向に移動すると、各々の回折格子
で回折された光にはそれぞれ±２ｍπＸＭ／Ｐ±２ｍπ
ＸＷ／Ｐの位相変化が付加される。今、回折格子２４，
２５からの、測定に使用される＋１次回折光が回折格子
２４及び回折格子２５の法線方向に回折するようにそれ
ぞれの入射角を設定し、法線方向へ回折される光を考え
る。

【００４４】回折格子２４による左側入射光１
６′′′，１７′′′の＋１次回折光Ｅ_MS（ｆ₁），Ｅ
_MP（ｆ₂）および右側入射光１６′，１７′の−１次回
折光Ｅ_MP（ｆ₁），Ｅ_MS（ｆ₂）の複素振幅表示は次式の
ようになる。

【００４５】Ｅ_MS（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_M）｝（１７）Ｅ_MP（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_M）｝（１８）Ｅ_MP（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_M）｝（１９）Ｅ_MS（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_M）｝（２０）ここで、Ａ，Ｂは振幅、ｗ₁，ｗ₂は角周波数、φ₁，φ₂
はゼーマンレーザ１５から発せらた光の初期位相、φ_M
＝２πＸ_M／Ｐである。同様に、回折格子２５による左
側入射光１６′′′、１７′′′の＋１次回折光Ｅ
_WS（ｆ₁），Ｅ_WP（ｆ₂）および右側入射光１６″，１
７″の−１次回折光Ｅ_WP（ｆ₁），Ｅ_WS（ｆ₂）の複素振
幅表示は次式のようになる。

【００４６】Ｅ_WS（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_w）｝（２１）Ｅ_WP（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_w）｝（２２）Ｅ_WP（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_w）｝（２３）Ｅ_WS（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_w）｝（２４）ここで、φ_w＝２πＸ_W／Ｐである。

【００４７】回折格子２４、２５に回折された光のうち
偏光面が揃っているもの同士が干渉し、４つの干渉光が
得られる。回折格子２４で回折した光のうち、Ｐ偏光の
ものは（１８）、（１９）式で表され、その干渉光３６
の強度変化Ｉ_MPはＩ_MP＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２φ_M｝− （２５）となる。以下同様にＳ偏光のものは、（１７）、（２
０）式で表され、その干渉光３７の強度変化Ｉ_MS、ま
た、回折格子２５で回折された光のうち、Ｐ偏光である
（２２）、（２３）式の干渉光３８およびＳ偏光である
（２１）、（２４）式の干渉光３９のそれぞれの強度変
化Ｉ_WP、Ｉ_WSを式で表すとそれぞれ次式のようになる。

【００４８】Ｉ_MS＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２φ_M｝（２６）Ｉ_WP＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２φ_w｝（２７）Ｉ_WS＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２φ_w｝（２８）これら４つの干渉光をそれぞれ独立に光電検出器３０、
３３、３１、３２で検出する。

【００４９】それぞれの干渉光の分離は、例えば以下の
ようにして行えばよい。

【００５０】回折格子２４、２５で回折された光をミラ
ー２６で方向を変え、偏光ビームスプリッタ２７に導
く。これにより、Ｐ偏光の干渉光３６、３８は透過し、
Ｓ偏光の干渉光３７、３９は反射させることによって二
分する。

【００５１】さらに、回折格子付近からの出射光が、回
折格子のある面上で見て図４で示されるような境界線４
０で空間的に分離されるように、エッジミラー２８、２
９を配置することにより、回折格子２４による回折光の
干渉光３６と３７および回折格子２５による回折光の干
渉光２８と２９とをそれぞれ二分する。このようにして
分離されたそれぞれの干渉光は光電検出器３０、３１、
３２、３３（例えばアバランシェフォトダイオード）で
電気信号に変換されてロックインアンプ３４、３５に導
く。ロックインアンプ３５を用いて（２５）、（２６）
式で示される回折格子２４による回折光３６と３７によ
るｗ₁−ｗ₂の周波数のビート信号間の位相ずれΔＴ_Mを
検出すると、

【００５２】

【外６】となり、ロックインアンプ３５で位相を検出することに
よりマスク２２のｘ方向のずれ量Ｘ_Mが求まる。同様に
して（２７）、（２８）式で示される信号間の位相ずれ
ΔＴ_Wをロックインアンプ３４を用いて検出すると

【００５３】

【外７】となり、ウエハ２３のｘ方向のずれ量ｘ_wが求まる。マ
スク２２およびウエハ２３のｘ方向のずれ量が等しくな
るようにウエハを移動させることによりマスク２２とウ
エハ２３の位置合わせを行うことができる。

【００５４】ここで回折格子２４、２５のピッチを２μ
ｍ、ゼーマンレーザ１５から発せられる光の中心波長λ
＝０．６３２８μｍとすると、回折格子２４、２５に垂
直に入射した時の±１次回折光の回折角をθ±１とする
と θ±ｍ＝ｓｉｎ（ｍλ／Ｐ）（ｍは回折次数）（２９）の関係式より、θ±１＝ｓｉｎ^-1（０．６３２８／２）
＝１８．４°となる。したがって、回折格子２４、２５
に入射した光がマスク２２、ウエハ２３に対して垂直上
方に回折させるためには、左右の入射角もθ±１に等し
くなるようにミラー２０、２１を設定すればよい。

【００５５】上述の原理に基づき、マスク２２上の回折
格子２４とウエハ２３上の回折格子２５のずれ量を求め
ることにより、半導体露光装置の位置合わせを、精度良
く検出することができる。この様にして本実施例ではビ
ート信号を形成する２つの異周波数（ｆ₁、ｆ₂）光を位
置ずれ検出すべき方向（ｘ方向）に関してちょうど互い
に逆の配置になる様な形で入射させている。２組の光束
対それぞれが形成するビート信号同士の位相ずれから位
置検出している。したがって、この２組のうち、１組だ
けで形成されたビート信号と、位相が固定されているビ
ート信号との位相ずれから位置検出を行う場合と比較す
ると、同じ位置ずれに対する位相ずれ量は２倍になり、
したがって位置ずれ検出分解能も２倍向上する。

【００５６】ロックインアンプ３４、３５の出力は中央
制御ユニットＣ_Pに送られ中央制御ユニットＣ_Pでマスク
とウエハとのずれ量（又はずれの存在とずれ方向）が検
出され、これに基づいて周知のマスクｘ方向駆動用のマ
スクアクチュエータ２２Ａとウエハｘ方向駆動用のウエ
ハアクチュエータ２３Ａの少なくとも一方に駆動指令信
号が出されて、マスクとウエハの位置合わせが行われ
る。説明では省略したがｙ方向にこれらを一式設け、ｙ
方向の位置合わせも同様に行う。

【００５７】図５は本発明の第３の実施例を示す図で、
２回の露光によりそれぞれ焼き付けられた２つの焼き付
け重ね合わせ評価パターン間の位置ずれを高精度に検出
し、評価する焼き付け重ね合わせ評価装置である。ゼー
マンレーザ４１から発せられた互いに直交する偏光状態
の光４２（Ｐ偏光、周波数ｆ₁）および光４３（Ｓ偏
光、周波数ｆ₂）は、ビームスプリッタ４４で振幅分割
される。ビームスプリッタ４４で反射した光４２′、４
３′（それぞれ光４２、４３の反射光）は、λ／２板４
５を透過する。このとき、偏光方向がπ／２回転し、光
４２′はＰ偏光の光からＳ偏光の光４２′′′に、また
光４３′はＳ偏光の光からＰ偏光の光４３′′′にな
る。λ／２板４５を透過した光４２′′′、４３′′′
はミラー４６により、進路偏向して、ウエハ５０上に設
けられた回折格子４８、４９の全面に照射する。ウエハ
５０上の回折格子４８、４９はウエハ上に別々の焼付プ
ロセスを経て形成された、図６に示すような隣接する２
つの等間隔直線回折格子であり、ピッチは等しく、Ｐで
ある。回折格子４８および４９間には、ｘ方向に焼き付
け時の位置ずれΔｘが生じている。

【００５８】他方ビームスプリッタ４４を透過した光４
２′′、４３′′（それぞれ光４２、４３の透過光）は
ミラー４７により、進路変更して、回折格子４８、４９
に照射する。

【００５９】このとき、回折格子４８による左側入射光
４２′′′、４３′′′のそれぞれの＋１次回折光Ｅ_AS
（ｆ₁）、Ｅ_AP（ｆ₂）および右側入射光４２′′、４
３′′のそれぞれの−１次回折光Ｅ_AP（ｆ₁）、Ｅ
_AS（ｆ₂）の複素振幅表示は次式のようになる。

【００６０】Ｅ_AS（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_A）｝（３０）Ｅ_AP（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_A）｝（３１）Ｅ_AP（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_A）｝（３２）Ｅ_AS（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_A）｝（３３）ここで、Ａ、Ｂは振幅、ｗ₁、ｗ₂は角周波数、φ₁、φ₂
はゼーマンレーザ４１から発せられた光の初期位相、φ
_A＝２πｘ_A／Ｐである。また、回折格子４９による左側
入射光４２′′′、４３′′′のそれぞれの−１次回折
光Ｅ_BS（ｆ₁）、Ｅ_BP（ｆ₂）および右側入射光４
２′′、４３′′のそれぞれの＋１次回折光Ｅ
_BP（ｆ₁）、Ｅ_BS（ｆ₂）の複素振幅表示は次式のように
なる。

【００６１】Ｅ_BS（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_B）｝（３４）Ｅ_BP（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_B）｝（３５）Ｅ_BP（ｆ₁）＝Ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_B）｝（３６）Ｅ_BS（ｆ₂）＝Ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_B）｝（３７）ここで、φ_B＝２πｘ_B／Ｐである。ｘ_A、ｘ_Bは基準位置
からの回折格子４８、４９のｘ方向のずれ量を表す。

【００６２】回折格子４８、４９によって回折された光
のうち偏光面が揃っているもの同士が干渉し、４つの干
渉光が得られる。回折格子４８で回折した光のうちＰ偏
光の光は（３１）、（３２）式で表され、その干渉光６
１の強度変化Ｉ_APはＩ_AP＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２φ_A｝（３８）となる。同様に、Ｓ偏光の光は、（３０）、（３３）式
で表され、その干渉光６２の強度変化をＩ_ASとし、ま
た、回折格子４９で回折した光のうち、Ｐ偏光である
（３５）、（３６）式の干渉光６３、およびＳ偏光であ
る（３９）、（３７）式の干渉光６４の強度変化をそれ
ぞれＩ_BP、Ｉ_BSとすると、それぞれ次式のようになる。

【００６３】Ｉ_AS＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２φ_A｝（３９）Ｉ_BP＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２φ_B｝（４０）Ｉ_BS＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２φ_B｝（４１）これらの干渉光を分離して、それぞれ光電検出すること
により、ｗ₂−ｗ₁の角周波数のビート信号を検出する。
それぞれの干渉光の分離は、例えば以下のようにして行
えばよい。干渉光の分離の様子を図７に示す。回折格子
４８、４９で回折された光をミラー５１で方向を変え、
偏光ビームスプリッタ５２に導く。これにより、Ｐ偏光
の干渉光６１、６３は透過し、Ｓ偏光の干渉光６２、６
４は反射させて二分する。

【００６４】さらにエッジミラー５３により、回折格子
４８による回折光の干渉光６１と６２を、また、エッジ
ミラー５４により回折格子４９による回折光の干渉光６
３と６４をそれぞれ二分する。それぞれの干渉光は光電
検出器５５、５６、５７、５８で電気信号に変換され
て、ロックインアンプ５９、６０に導く。ロックインア
ンプ６０を用いて、（３８）、（３９）式で示される信
号間の位相ずれΔＴ_Aを検出すると、

【００６５】

【外８】となり、ロックインアンプ６０出力の位相から回折格子
４８のｘ方向のずれ量ｘ_Aが求まる。同様にして、（４
０）、（４１）式で示される信号間の位相ずれΔＴ_Bを
検出すると、

【００６６】

【外９】となり、回折格子４９のｘ方向のずれ量ｘ_Bが求まる。
さらにロックインアンプ５９、６０の出力に基づき、演
算器６５がｘ_Aとｘ_Bの差を求めることにより回折格子４
８と回折格子４９の相対的ずれ量Δｘを求めることがで
きる。この例においても所定のずれ量に対すビート信号
の位相ずれは位相の固定されたビート信号を基準として
位相差を求める場合の２倍になる。

【００６７】上述の原理に基づき、第１回目に焼付けら
れた格子パターンと第２回目に焼付けられた格子パター
ンとのずれ量を求めることにより、半導体露光装置の焼
付け重ね合わせ評価を行うことができる。例えば所定量
のステージ移動をはさんだ２回の露光でそれぞれ格子パ
ターンを焼付け、その後上述の焼付け重ね合わせ評価を
行うことにより、露光装置のステージ評価ができ、また
１回目の焼付後、アライメントをして、２回の露光焼付
を行った後、上述重ね合わせ評価を行えばアライメント
評価ができる。

【００６８】図８は本発明の第４の実施例を示す図であ
り、半導体露光装置の重ね合わせ計測装置である。第３
の実施例では、図５で示すようにゼーマンレーザ４１か
ら発せられた光を、ビームスプリッタ４４によって、振
幅分割してウエハ５０上の回折格子４８、４９に照射す
る方法を示したが、本実施例では、図８に示すように、
レーザなどの光源７０から発せられた光は、周波数シフ
ター７１により、偏光面が互いに直交し、周波数ｆがわ
ずかに異なる２つの光ｕ₁（Ｐ偏光、周波数ｆ₁）、ｕ₂
（Ｓ偏光、周波数ｆ₂）としている。それぞれの光ｕ₁、
ｕ₂をφ₁、φ₂を初期位相、Ｃ₁₀、Ｃ₂₀を振幅、ｗ₁、ｗ
₂を角周波数、ｗ₁＝２πｆ₁、ｗ₂＝２πｆ₂として複素
振幅表示すると次式のようになる。

【００６９】ｕ₁＝Ｃ₁₀ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁）｝（４２）ｕ₂＝Ｃ₂₀ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂）｝（４３）共通光路上にある２つの光ｕ₁、ｕ₂はビームエクスパン
ダ７２によりビーム径が絞られ、ミラー７３によりその
進行方向を変えて直線回折格子７４（紙面左右方向に格
子が配列され紙面に垂直な方向へ格子パターンが伸びて
いる）に垂直に入射させる。透過型回折格子の場合、図
８の図面上ｘ−ｚ面を＋ｙ側から見て（紙面にむかっ
て）０次回折光（正反射光）の進行方向に対して右側の
（＋ｘ側）の回折光を＋ｍ次回折光、左側（−ｘ側）の
回折光を−ｍ次回折光とし、反射型の場合はその逆とす
る。一般に回折格子の格子パターンと垂直な方向（図８
ではｘ方向）に回折格子が１ピッチ移動すると、ｍを回
折次数として回折光の位相は２ｍπ変化するので、基準
となる位置に対し、回折格子７４がｘ方向にｘ_Aだけ移
動すると、１次回折光７６、７７（それぞれｕ₁、ｕ₂の
回折光）、−１次回折光７８、７９（それぞれｕ₁、ｕ₂
の回折光）にはそれぞれ、回折格子７４のピッチをＰと
して、−２πｘ_A／Ｐ、２πｘ_A／Ｐの位相が付加され
る。回折格子からの±１次回折光、７６、７７、７８、
７９の複素振幅ｕ₁（１）、ｕ₂（１）、ｕ₁（−１）、
ｕ₂（−１）（かっこ内は回折次数を表す）は、Ｃ₁₁、
Ｃ₂₁を振幅とすると、ｕ₁（１）＝Ｃ₁₁ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_A）｝（４４）ｕ₂（１）＝Ｃ₂₁ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_A）｝（４５）ｕ₁（−１）＝Ｃ₁₁ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_A）｝（４６）ｕ₂（−１）＝Ｃ₂₁ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_A）｝（４７）となる。ここでφ_A＝２πｘ_A／Ｐである。

【００７０】０次回折光８０は、例えば空間フィルター
８１により、取り除き、ウエハ５０上の回折格子４８、
４９へ入射しないようにしておく、１次回折光７６、７
７は、１／２波長板７５によって、それぞれ偏光面が９
０°回転した光７６′、７７′となる。回折光７６′、
７７′および７８、７９をそれぞれミラー９１、９２に
より進路変更して、ウエハ５０上に設けられた回折格子
４８、４９の全面に照射する。

【００７１】ウエハ５０上の回折格子４８、４９は第３
の実施例と同様の図６に示すような、隣接する２つの等
間隔直線回折格子で、ピッチは等しく、Ｐであり、回折
格子４８、４９間には、ｘ方向にずれΔｘが生じてい
る。

【００７２】このとき、回折格子４８による７６′、７
７′の光の１次回折光ｕ_1B（１、１）、ｕ_2B（１、１）
および、７８、７９の光の−１次回折光ｕ_1B（−１、−
１）、ｕ_2B（−１、−１）は次のようになる。

【００７３】ｕ_1B（１、１）＝Ｃ_1Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_A＋φ_B）｝（４８）ｕ_2B（１、１）＝Ｃ_2Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_A＋φ_B）｝（４９）ｕ_1B（−１、−１）＝Ｃ_1Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_A−φ_B）｝（５０）ｕ_2B（−１、−１）＝Ｃ_2Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_A−φ_B）｝（５１）ここで、Ｃ_1B、Ｃ_2Bは振幅、φ_B＝２πＸ_B／Ｐである。
また、回折格子４９による７６′、７７′の光の１次回
折光ｕ_1C（１、１）、ｕ_2C（１、１）および、７８、７
９の光の−１次回折光ｕ_1C（−１、−１）、ｕ_2C（−
１、−１）は次のようになる。

【００７４】ｕ_1C（１、１）＝Ｃ_1Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_A＋φ_C）｝（５２）ｕ_2C（１、１）＝Ｃ_2Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ（２ｔ＋φ₂＋φ_A＋φ_C）｝（５３）ｕ_1C（−１、−１）＝Ｃ_1Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_A−φ_C）｝（５４）ｕ_2C（−１、−１）＝Ｃ_2Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_A−φ_C）｝（５５）ここで、Ｃ_1C、Ｃ_2Cは振幅、φ_C＝２πＸ_C／Ｐである。
なお、Ｘ_B、Ｘ_Cは、それぞれ回折格子４８、４９の同一
基準位置からのｘ方向のずれ量を表すものとする。

【００７５】回折格子４８、４９に回折された光のう
ち、偏光面が揃っているもの同士が干渉し、４つの干渉
光が得られる。回折格子４８で回折された光のうちＰ偏
光の光は、（４９）（５０）式で表され、その干渉光１
０７の強度変化Ｖ_BPはＶ_BP＝Ｃ² _1B＋Ｃ² _2B＋２Ｃ_1BＣ_2Bｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２（φ_B＋φ_A）｝（５６）となる。同じくＳ偏光の光は（４８），（５１）式で表
され、その干渉光１０８の強度変化Ｖ_BSと、また、回折
格子４９で回折された光のうち、Ｐ偏光である（５３）
（５４）式の干渉光１０９およびＳ偏光である（５
２），（５５）式の干渉光１１０のそれぞれの強度変化
Ｖ_CP、Ｖ_CSとを式で表わすとそれぞれ次のようになる。

【００７６】Ｖ_BS＝Ｃ² _1B＋Ｃ² _2B＋２Ｃ_1BＣ_2Bｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２（φ_B＋φ_A）｝（５７）Ｖ_CP＝Ｃ² _1C＋Ｃ² _2C＋２Ｃ_1CＣ_2Cｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２（φ_C＋φ_A）｝（５８）Ｖ_CS＝Ｃ² _1C＋Ｃ² _2C＋２Ｃ_1CＣ_2Cｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２（φ_C＋φ_A）（５９）それぞれの干渉光の分離は、例えば以下のようにして行
えばよい。

【００７７】回折格子４８、４９で回折された光をミラ
ー９６で方向を変え偏光ビームスプリッタ９７に導く。
これにより、Ｐ偏光の干渉光１０７、１０９は透過し、
Ｓ偏光の干渉光１０８、１１０は反射させて二分する。

【００７８】更に、エッジミラー９８、９９により、回
折格子４８による回折光の干渉光１０７、１０８と回折
格子４９による回折光の干渉光１０９、１１０とに二分
する。それぞれの干渉光は光電変換器（例えばアバラン
シェフォトダイオード）１００、１０１、１０２、１０
３で電気信号に変換されてロックインアンプ１０４、１
０５に導く。

【００７９】（５６）、（５７）、（５８）、（５９）
式において、Ｃ² _1B＋Ｃ² _2B、Ｃ² _1C＋Ｃ² _2Cは直流成分、
２Ｃ_1BＣ_2B、２Ｃ_1CＣ_2Cは、ｆ₂−ｆ₂の周波数の振幅で
ある。ｆ₂−ｆ₂のビート周波数成分をもつ信号が、初期
位相ずれφ₂−φ₁および、（５６）、（５７）式の場合
は、回折格子４８の回折格子７４に対するずれ量２（φ
_B＋φ_A）、−２（φ_B＋φＡ）だけ、また（５８）、
（５９）式の場合は、回折格子４９の回折格子７４に対
するずれ量２（φ_C＋φ_A）、−２（φ_C＋φ_A）だけ時間
的に位相変調を受けた形となっている。よって（５６）
式（５７）式で示される信号のうちどちらかを参照信
号、もう一方を被測定信号として２つの信号の時間的ず
れを検出すれば光の初期位相が消去でき、所謂ヘテロダ
イン干渉計測として高精度な位相検出が可能となる。

【００８０】ヘテロダイン干渉法は、前述したように、
２つの信号間の位相のずれを時間として検出するので、
信号間に直流成分の違いや、振幅の変化があっても影響
しない。ロックインアンプ１０５を用いて、（５６）、
（５７）式で示される信号間の位相ずれΔＴ_Bを検出す
ると、

【００８１】

【外１０】の式より、回折格子７４、４８間のｘ方向の相対ずれ量
が求まる。

【００８２】同様にして、（５８）、（５９）式で示さ
れる信号間の位相ずれ量ΔＴ_Cをロックインアンプ１０
４を用いて検出すると、

【００８３】

【外１１】の式より、回折格子７４、４９間のｘ方向の相対ずれ量
が求まる。更に、回折格子７４、４８間のずれ量と回折
格子７４、４９間のずれ量の差をとることにより、回折
格子４８、４９間の相対的ずれ量を求めることができ
る。以上は、ロックインアンプ１０４、１０５の出力を
受けて演算器１１１が行う。この例においても同じずれ
量に対応する位相ずれは、位相の固定されたビート信号
を基準にした場合の２倍である。ここで回折格子７４、
４８、４９のピッチを２μｍ、光源７０から発せられる
光の波長λ＝０．６３２８μｍとすると、回折格子７４
に垂直に入射した時の、±１次回折光の回折角を

【００８４】

【外１２】とすると、

【００８５】

【外１３】の関係式より、

【００８６】

【外１４】となる。したがって、回折格子４８、４９に入射した光
がウエハ５０に対して垂直上方に回折させるためには、
７６′、７７′および７８、７９の回折格子４８、４９
に対する入射角も、

【００８７】

【外１５】に等しくなるようにミラー９１、９２を設定すればよ
い。

【００８８】本測定においては位相差をλ／５００で検
知することができる。回折格子７４と４８あるいは、回
折格子７４と４９の位置ずれ量は０．００２１μｍに相
当する量を検出した。

【００８９】図９に周波数シフター７１の具体例を示
す。１２１、１２６は偏光ビームスプリッタ、１２２、
１２３は音響光学変調器、１２４、１２５はミラーであ
る。ここで例えば１２２を８０ＭＨｚ、１２３を８１Ｍ
Ｈｚの音響光学変調器とすれば、２つの光の間では、偏
光状態が互いに直交する１ＭＨｚの周波数差が生じる。

【００９０】この様にして上述の原理に基づき、第１回
目に焼付けられた格子パターンと第２回目に焼付けられ
た格子パターンとのずれ量を求めることにより、半導体
露光装置の位置合わせ精度、第１回と第２回の焼付によ
り形成された実素子パターン間のずれ量を検出すること
ができる。

【００９１】図１０は本発明による第５の実施例を示す
図である。光源７０から発せられた光は、周波数シフタ
ー７１により、偏光面が互いに直交し、周波数ｆがわず
かに異なる２つの光ｕ₁（Ｐ偏光、周波数ｆ₁）、ｕ
₂（Ｓ偏光、周波数ｆ₂）としている。それぞれの光
ｕ₁、ｕ₂をφ₁、φ₂を初期位相、Ｃ₁₀、Ｃ₂₀を振幅、ｗ
₁、ｗ₂を角周波数ｗ₁＝２πｆ₁、ｗ₂＝２πｆ₂として、
複素振幅表示すると次式の様になる。

【００９２】ｕ₁＝Ｃ₁₀・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁）｝（６１）ｕ₂＝Ｃ₂₀・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂）｝（６２）共通光路上にある２つの光ｕ₁、ｕ₂はビームエクスパン
ダ７２によりビーム径が絞られ、ミラー７３により光の
進行方向を変えてウエハ５０上の直線回折格子４８、４
９に垂直に入射させる。

【００９３】同図において、光路Ｒ１で示される回折格
子４８からの＋１次回折光ｕ_1B（１）、ｕ_2B（１）（そ
れぞれｕ₁、ｕ₂の回折光）、回折格子４９からの＋１次
回折光ｕ_1C（１）、ｕ_2C（１）（それぞれｕ₁、ｕ₂の回
折光）は、回折格子４８、４９の基準となる位置からの
ずれ量をそれぞれｘ_B、ｘ_Cとした時、Ｐを格子のピッチ
として

【００９４】

【外１６】の位相が付加されて、その複素振幅は次のように表され
る。

【００９５】ｕ_1B（１）＝Ｃ_1Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_B）｝（６３）−１ｕ_2B（１）＝Ｃ_2Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_B）｝（６３）−２ｕ_1C（１）＝Ｃ_1Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁＋φ_C）｝（６３）−３ｕ_2C（１）＝Ｃ_2Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂＋φ_C）｝（６３）−４ここで、Ｃ_1B、Ｃ_2B、Ｃ_1C、Ｃ_2Cは振幅でφ_B＝２πＸ_B
／Ｐ、φ_C＝２πＸ_C／Ｐである。また、図１０におい
て、光路Ｒ₂で示される回折格子４８からの−１次回折
光ｕ_1B（−１）、ｕ_2B（−１）（それぞれｕ₁、ｕ₂の回
折光）および回折格子４９からの−１次回折光ｕ_1C（−
１），ｕ_2C（−１）（それぞれｕ₁、ｕ₂の回折光）の複
素振幅は次のように表される。

【００９６】ｕ_1B（−１）＝Ｃ_1Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_B）｝（６４）−１ｕ_2B（−１）＝Ｃ_2Bｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_B）｝（６４）−２ｕ_1C（−１）＝Ｃ_1Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋φ₁−φ_C）｝（６４）−３ｕ_2C（−１）＝Ｃ_2Cｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋φ₂−φ_C）｝（６４）−４

【００９７】１次回折光、−１次回折光はそれぞれミラ
ー９１、９２で偏向され偏光ビームスプリッタ１３４に
入射する。偏光ビームスプリッタ１３４でＰ偏光の光ｕ
_1B（１）、ｕ_1C（１）、ｕ_1B（−１）、ｕ_1C（−１）は
透過し、Ｓ偏光の光ｕ_2B（１）、ｕ_2C（１）、ｕ_2B（−
１）、ｕ_2C（−１）は反射する。その後、グラントムソ
ンプリズム１３５および１３６によって偏光面をそろえ
て干渉させる。グラントムソンプリズム１３５を通った
光のうち、回折格子４８で回折された光の干渉光の強度
変化Ｖ_BL回折格子４９で回折された光の干渉光の強度変
化Ｖ_CLはそれぞれ次のようになる。

【００９８】Ｖ_BL＝｜ｕ_1B（−１）＋ｕ_2B（１）｜²＝Ｃ² _1B＋Ｃ² _2B＋２Ｃ_1BＣ_2Bｃｏｓ｛ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２φ_B｝（６５）Ｖ_CL＝｜ｕ_1C（−１）＋ｕ_2C（１）｜²＝Ｃ² _1C＋Ｃ² _2C＋２Ｃ_1CＣ_2Cｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２φ_C｝（６６）

【００９９】また、グラントムソンプリズム１３６を通
った光のうち、回折格子４８で回折した光の干渉光の強
度変化Ｖ_BR：および回折格子４９で回折された光の干渉
光の強度変化Ｖ_CRはそれぞれ次のようになる。

【０１００】Ｖ_BR＝｜ｕ_1B（１）＋ｕ_2B（−１）｜²＝Ｃ² _1B＋Ｃ² _2B＋２Ｃ_1BＣ_2Bｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２φ_B｝（６７）Ｖ_CR＝｜ｕ_1C（１）＋ｕ_2C（−１）｜²＝Ｃ² _1C＋Ｃ² _2C＋２Ｃ_1CＣ_2Cｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−２φ_C｝（６８）

【０１０１】更にエッジミラー１３７、１３８により、
回折格子４８からの回折光の干渉光１４５（（６５）式
で示される）、１４７（（６７）式で示される）と、回
折格子４９からの回折光の干渉光１４６（（６６）式で
示される）、１４８（（６８）で示される）とに空間的
に分離する。そして、それぞれの干渉光の強度変化を光
電変換器１４０、１４３および１４１、１４２で検出
し、電気信号をロックインアンプ１０５と１０４に送
る。この時、ロックインアンプ１０５および１０４で検
出される位相ずれΔＴ_B、ΔＴ_Cは光の初期位相は消去で
き、

【０１０２】

【外１７】

【０１０３】この式より、前述第４実施例と同様に演算
器１１１でずれ計測する。

【０１０４】図１１は本発明の第６、第７の実施例を示
すもので、第６の実施例においては、第４実施例、第５
実施例で、回折格子７４、４８、４９からの±１次回折
光を利用して、ずれ量検出の例を示したのに対し、高次
の回折光（±ｍ次；ｍ＝２，３，４…）を利用する。

【０１０５】図１１において、回折格子７４、４８、４
９のピッチＰ＝２μｍ、光源７０の波長をλ＝０．６３
２８μｍとすると、回折格子７４に垂直に入射した時の
＋２次、−２次回折光の回折角θ₁、θ₂は、（６０）式
より、θ₁＝θ₂＝ｓｉｎ（２×０．６３２８／２）＝３
９．３°であるから、回折格子４８、４９に入射した光
がウエハ５０に対して垂直上方に回折させるためには、
７６′、７７′および７８、７９の回折格子４８、４９
に対する入射角θ₃、θ₄をθ₁（θ₂）に等しくなるよう
にミラー９１、９２を設定すればよい。同様に、±３次
回折光の場合、θ±３＝ｓｉｎ（３×０．６３２８／
２）＝７１．７°と入射角の設定を行えばよい。

【０１０６】また、±ｍ次回折光を利用した時、（５
６）〜（５９）式におけるφ_A、φ_B、φ_Cに相当する位
相項φ_Am、φ_Bm、φ_Cmは、 φ_Am＝２ｍπｘ_A／Ｐ（６９） φ_Bm＝２ｍπｘ_B／Ｐ（７０） φ_Cm＝２ｍπｘ_C／Ｐ（７１）となる。ｘ_A、ｘ_B、ｘ_Cは回折格子７４、４８、４９の
同一基準からのｘ方向へのずれ量である。

【０１０７】よって、回折格子４８、４９の回折格子７
４に対するずれ量を位相量で表すと、

【０１０８】

【外１８】となる。

【０１０９】したがって、高次の回折光を測定に利用す
れば、回折格子のｘ方向へのずれ量を表す位相量がさら
に高感度に求めることができる。例えば、±ｍ次回折光
を測定に利用すれば、±１次回折光のときに比べ、ｍ倍
感度が良くなる。

【０１１０】また、図１１において、第４実施例、第６
実施例では、光７６′、７７′を左から、７８、７９の
光を右から同じ入射角（θ₃＝θ₄）で回折格子４８、４
９に全面照射し、次数の絶対値の等しい回折光（例え
ば、＋ｍ次と−ｍ次、ｍ＝１，２，３…）同士を干渉さ
せ測定に利用していた。第７実施例では、光７６′、７
７′と光７８、７９の回折格子４８、４９に対する入射
角を、ミラー９１、９２の角度を変えて調節し、次数の
絶対値が異なる回折光（例えば＋ｍ次と−ｎ次、ｍ＝
１，２，３…、ｎ＝１，２，３…、｜ｍ｜≠｜ｎ｜）同
士を干渉させてずれ量を検出方法である。

【０１１１】図１１において、７６′、７７′の光の回
折格子４８、４９に対する＋ｍ次回折光と、また、７
８、７９の光の回折格子３１、３２に対する−ｎ次回折
光がウエハ５０に対して垂直上方に回折するようにミラ
ー９１、９２を調節し、回折格子４８、４９に対する入
射角θ₃とθ₄を決める。このとき、回折格子７４の回折
光は±ｌ次のものを利用するとすれば、（４８）〜（５
５）式におけるφ_Aに相当する位相項をここでφ_Alとし
て、 φ_Al＝２ｌπｘ_A／Ｐ（７４）また、（４８）、（４９）式のφ_Bをφ_Bm、（５０）、
（５１）式のφ_Bをφ_Bnとすれば、 φ_Bm＝２ｍπｘ_B／Ｐ（７５） φ_Bn＝２ｎπｘ_B／Ｐ（７６）さらに、（５２）、（５３）式のφ_Cをφ_Cm、（５
４）、（５５）式のφ_Cをφ_Cnとすれば、 φ_Cm＝２ｍπｘ_C／Ｐ（７７） φ_Cn＝２ｎπｘ_C／Ｐ（７８）となる。

【０１１２】このとき、図８中の干渉光１０７、１０
８、１０９、１１０の強度変化、Ｖ′_BP、Ｖ′_BS、Ｖ′
_CP、Ｖ′_CSはそれぞれ次のようになる。

【０１１３】Ｖ′_BP＝Ｃ² ₁＋Ｃ² ₂＋２Ｃ₁Ｃ₂ｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋（φ _Bm ＋φ_Bn）＋２φ_Al｝（７９）Ｖ′_BS＝Ｃ² ₁＋Ｃ² ₂＋２Ｃ₁Ｃ₂ｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−（φ _Bm ＋φ_Bn）−２φ_Al｝（８０）Ｖ′_CP＝Ｃ² ₁＋Ｃ² ₂＋２Ｃ₁Ｃ₂ｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋（φ _Cm ＋φ_Cn）＋２φ_Al｝（８１）Ｖ′_CS＝Ｃ² ₁＋Ｃ² ₂＋２Ｃ₁Ｃ₂ｃｏｓ｛（ｗ₂−ｗ₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）−（φ _Cm ＋φ_Cn）−２φ_Al｝（８２）したがって、回折格子は４８、４９の回折格子７４に対
するずれ量を位相量で表すと、次のようになる。

【０１１４】

【外１９】（８３）式と（８４）式の右辺の差をとると、

【０１１５】

【外２０】となるから、ロックインアンプ１０４、１０５により検
出した位相量の差から、式（８５）に基づいて回折格子
４８と４９のｘ方向の相対ずれ量を求めることができ
る。

【０１１６】図１２は本発明による第８の実施例を示す
ものである。第３実施例では、干渉光６１、６２、６
３、６４の分離の方法は、図７に示されるように、まず
偏光ビームスプリック５２に入射させ、Ｐ偏光の光６
１、６３とＳ偏光の光６２、６４に二分した後、エッジ
ミラー５３（５４）により、回折格子４８からの回折光
による干渉光６１（６２）回折格子４９からの回折光に
よる干渉光６３（６４）に分離する仕方であったが、本
実施例は図１２に示すように、まずエッジミラー１５０
で、回折格子４８からの回折光による干渉光６１、６２
と回折格子４９からの回折光による干渉光６３、６４に
二分した後、偏光ビームスプリッタ１５１（１５２）に
より、Ｐ偏光の光６１（６３）とＳ偏光の光６２（６
４）に分離する方法である。

【０１１７】図１３、図１４は、本発明による第９、第
１０の実施例を示す図である。第３実施例〜第８実施例
での測定に使用する回折格子４８、４９の相互間には、
位置ずれ検出方向のパターン中心位置のずれ（オフセッ
ト）はない。本実施例では予め、回折格子４８、４９の
既知のオフセットｘを与えて配置し、そのオフセット量
を差し引いてパターンのずれ量Δｘを測定する方法であ
る。ここで図１３は、位置ずれ検出方向及び位置ずれ検
出方向と直交方向にオフセットを設定したものを示す。
図１４は、オフセットを位置ずれ検出方向のみに設置し
たものである。

【０１１８】以上述べたように、上述実施例によれば位
相の固定されたビート信号を基準とするヘテロダイン干
渉法を用いた計測方法に比べ、約２倍の感度を得ること
ができる。

【０１１９】ここから以下の実施例を説明する前に、以
下の実施例の前提となる技術について、図１５を用いて
説明する。図１５は前提技術を用いた測長装置の概略図
である。

【０１２０】図１５において、まず半導体レーザーＬＤ
から発振された単色光を、偏光ビームスプリッターＢＳ
１でＬ１、Ｌ２の２光線に分け、それぞれを音響光学変
調器ＡＯ１、ＡＯ２に入射し、出射される２つの偏光面
が互いに９０°傾いた光線の周波数ｆ₁、ｆ₂がそのビー
ト信号が電気的に観測可能な程度に異なるようにそれぞ
れの周波数をシフトする。これをハーフミラーＨＭで合
波させる。

【０１２１】この合波した光の一部をビームスプリッタ
ーＢＳ２で取り出し、受光素子ＰＤ１で光ヘテロダイン
信号を参照信号として得る。この際に２つの光の偏光面
を揃えて干渉させるため、偏光方位が４５°傾いた偏光
板ＰＰ１をＰＤ１の前に挿入してある。

【０１２２】ＢＳ２で分けられた残りの光は回折格子Ｇ
Ｓに垂直に入射し、回折をするが、この際に回折格子Ｇ
Ｓの位相δが回折波面に加算され、入射光の初期位相を
０とすると回折波の位相光はｅｘｐ｛ｉ（ｗｔ＋ｍ
δ）｝となる。ここでｍは回折次数であり、例えば＋１
次光と−１次光はそれぞれｅｘｐ｛ｉ（ｗｔ＋δ）｝と
ｅｘｐ｛ｉ（ｗｔ−δ）｝となる。＋１次光Ｌ３として
は周波数ｆ₁の光のみを、−１次光Ｌ４としては周波数
ｆ₂の光のみを取り出す為に、偏光フィルターＰＦ１、
ＰＦ２を各光Ｌ３、Ｌ４の光路中に設置してある。光Ｌ
３、Ｌ４はコーナーキューブプリズムＣＣ１、ＣＣ２に
入射し、それぞれ入射方向と平行方向逆向きに反射さ
れ、回折格子ＧＳ上の１点Ｐ２に戻され、それぞれ１回
目の回折と同じ次数で２度目の回折をして１本の光線と
なり、互いに干渉し合って受光素子ＰＤ２に入射する。

【０１２３】回折格子ＧＳのｘ方向への１ピッチ相当の
変位に対して＋１次光Ｌ３の位相には１波長の位相の進
みがあり、−１次光Ｌ４の位相には１波長の位相の遅れ
がある。これらの光はコーナーキューブプリズムＣＣ
１、ＣＣ２によって反射され、もう一度それぞれが前と
同じ次数で回折するので、再び合波したときには２光線
の位相には４波長分の位相差が付加される。

【０１２４】今、周波数ｆ₁の光をｕ₁＝ａｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ）｝周波数ｆ₂の光をｕ₂＝ｂｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ）｝（ここでａ、ｂは定数、ｔは時間、ｉは虚数単位）で表
すと、参照信号としてＰＤ１で得られる光ヘテロダイン
信号はＩ_REF＝ａ²＋ｂ²＋２ａｂｃｏｓ（ｗ₁−ｗ₂）ｔである。ここでｗ₁＝２πｆ₁，ｗ₂＝２πｆ₂であるの
で、この信号はｆ₁とｆ₂の差を周波数とする信号とな
る。＋１次光Ｌ３は１回の回折につき、回折格子ＧＳの
位相δが加算され、最終的に２回＋１次回折されるの
で、以下の様に表わされる。ｕ′₁＝ａ′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋２δ）｝（ここでａ′は定数）−１次光Ｌ４は１回の回折につ
き、回折格子ＧＳの位相δが引かれ、最終的に２回−１
次回折されるので、ｕ′₂＝ｂ′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋２δ）｝（ここでｂ′は定数）が受光素子ＰＤ２に入射する光で
ある。従って、ＰＤ２で得られる光ヘテロダイン信号はＩ_SIG＝ａ′²＋ｂ′²＋２ａ′ｂ′ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋４δ｝となる。この信号の周波数は参照信号と同じで、位相は
参照信号に比べ回折格子ＧＳの移動量に比例する量４δ
だけずれている。

【０１２５】ＰＤ１とＰＤ２で得られる２つの光ヘテロ
ダイン信号を位相差検出器ＰＤＣに入力し、その位相差
を検出することによって、回折格子ＧＳの移動量を測定
する。今、回折格子ＧＳの格子定数を１．６μｍとし
て、ＧＳの移動量をｘとすると

【０１２６】

【外２１】であるので、１周期、即ち２π［ｒａｄ］の位相ずれが
検出された場合、ＧＳが１．６÷４＝０．４μｍ移動し
たことがわかる。最小検出位相差を１周期分より充分小
さくすることで、高分解能な移動量検出が可能になる。
例えば０．２°まで分解可能な位相差検出器を用いると
理論的には０．２２［ｎｍ］の変位まで測定が可能とな
る。

【０１２７】以上の様な前提技術を基礎として、以下実
施例を図面を用いて説明する。

【０１２８】図１６は本発明の第１実施例の測長装置の
概略図である。図１５に示したのと同様の部材には同じ
符号を冠してある。

【０１２９】図１６において、まず半導体レーザーＬＤ
から発振された単色光を、偏光ビームスプリッターＢＳ
１でＬ１、Ｌ２の２光線に分け、それぞれを音響光学変
調器ＡＯ１、ＡＯ２に入射し、出射される２つの偏光面
が互いに９０°傾いた光線の周波数ｆ₁、ｆ₂がそのビー
ト信号が電気的に観測可能な程度に異なるようにそれぞ
れの周波数をシフトする。これをハーフミラーＨＭで合
波させる。

【０１３０】合波した光はビームスプリッターＢＳ３で
２つに分けられ、透過光はミラーＭＲ３で反射されて、
回折格子ＧＳにそれぞれＰ５、Ｐ３の２点で垂直に入射
し回折する。Ｐ５で回折した＋１次光Ｌ７としては周波
数ｆ₁の光のみを、−１次光Ｌ８としては周波数ｆ₂の光
のみを取り出すために、偏光フィルターＰＦ５、ＰＦ６
を光Ｌ７、Ｌ８の光路中にそれぞれ設置してある。一
方、Ｐ３で回折した＋１次光Ｌ５としては周波数ｆ₂の
光のみを、−１次光Ｌ６としては周波数ｆ₁の光のみを
取り出すために、偏光フィルターＰＦ３、ＰＦ４を光Ｌ
５、Ｌ６の光路中にそれぞれ設置してある。Ｌ７、Ｌ
８、Ｌ５、Ｌ６の光はそれぞれコーナーキューブプリズ
ムＣＣ５、ＣＣ６、ＣＣ３、ＣＣ４に入射し、それぞれ
入射方向と平行方向逆向きに反射され、回折格子ＧＳ上
の点Ｐ６、Ｐ４にそれぞれ戻される。Ｐ６、Ｐ４でそれ
ぞれ１回目の回折と同じ次数で２度目の回折をして、こ
の２点でそれぞれ２本の光線が合波して１本の光線とな
って、それぞれ出射し、Ｐ６からの合波光は受光素子Ｐ
Ｄ３へ、Ｐ４からの合波光はＰＤ４へ入射する。ＰＤ３
とＰＤ４の前には、偏光面を揃えて干渉させるため、偏
光方位が４５°傾いた偏光板ＰＰ３、ＰＰ４をそれぞれ
設置する。

【０１３１】回折格子ＧＳのｘ方向への１ピッチ相当の
変位に対して＋１次光Ｌ７、及びＬ５の位相には１波長
の位相の進みがあり、−１次光Ｌ８、Ｌ６の位相には１
波長の位相の遅れがある。これらの光はコーナーキュー
ブプリズムによって反射され、もう一度それぞれが前と
同次数で回折するので、再びＰ６で合波したときには合
波したＬ７とＬ８には４波長分の位相差が付加される。
また、Ｐ４で合波したＬ５、Ｌ６にも４波長分の位相差
が付加される。

【０１３２】今、ｗ₁＝２πｆ₁、ｗ₂＝２πｆ₂とすると
前述の如く光線Ｌ１はｕ₁＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ）｝光線Ｌ２はｕ₂＝ｂ・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ）｝で表される。回折格子ＧＳの格子定数をｐとして、ＧＳ
の移動量ｘに対応する位相δは、

【０１３３】

【外２２】と表される。＋１次光Ｌ７は１回の回折につき、回折格
子ＧＳの位相δが加算され、合計２回＋１次回折される
ので、受光素子ＰＤ３入射時では以下の式で表わされ
る。ｕ′′₁＝ａ′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋２δ）｝（ここでａ′′は定数）−１次光Ｌ８は１回の回折につ
き、回折格子ＧＳの位相δが引かれ、最終的に２回−１
次回折されるので、ｕ′′₂＝ｂ′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ−２δ）｝（ここでｂ′′は定数）が受光素子ＰＤ３に入射する光
である。従って、ＰＤ３で得られる光ヘテロダイン信号
は、Ｉ_PD3＝ａ′′²＋ｂ′′²＋２１ａ′′ｂ′′ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋４δ｝となる。この信号の周波数はｆ₁とｆ₂の差に等しく、位
相は回折によって回折格子ＧＳの移動量に比例する量４
δだけ加算されている。＋１次光Ｌ５は１回の回折につ
き、回折格子ＧＳの位相δが加算され、合計２回＋１次
回折されるので、受光素子ＰＤ４入射時では以下の式で
表わされる。ｕ′′′₂＝ｂ′′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋２δ）｝（ここでｂ′′′は定数）−１次光Ｌ６は１回の回折に
つき、回折格子ＧＳの位相δが引かれ、最終的に２回−
１次回折されるので、ｕ′′′₁＝ａ′′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ−２δ）｝（ここでａ′′′は定数）が受光素子ＰＤ４に入射する
光である。従って、ＰＤ４で得られる光ヘテロダイン信
号はＩ_PD4＝ａ′′′²＋ｂ′′′²＋２ａ′′′ｂ′′′ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ− ４δ｝となる。この信号の周波数はＰＤ３で得られる信号と同
じで、位相は回折によって回折格子ＧＳの移動量に比例
する量４δだけ引かれている。

【０１３４】ＰＤ３とＰＤ４で得られる２つの光ヘテロ
ダイン信号を位相差検出器ＰＤＣに入力し、その位相差
を検出することによって、回折格子ＧＳの移動量を測定
する。今、回折格子ＧＳの格子定数を１．６μｍとし
て、ＧＳの移動量をｘとすると

【０１３５】

【外２３】であるので、１周期、即ち８δ＝２π［ｒａｄ］の位相
ずれが検出された場合、ＧＳが１．６μｍ÷８＝０．２
μｍ移動したことがわかる。これは前述の図１５の装置
と比較して、１周期の位相差で検出できる変位量が１／
２になったことを意味する。従って同じ分解能の位相差
検出器を用いても、本実施例の装置の方が図１５のもの
に対し、最小検出変位量が１／２となり、より高分解能
になっている。前述の０．２°まで分解可能な位相差検
出器を用いると、理論的には０．１１［ｎｍ］の変位ま
で測定が可能になる。

【０１３６】図１７に本発明の第２実施例を示す。本実
施例では、回折格子回りの光学系は前述第１実施例と同
じく取るが、参照信号を取り出し、位相差検出の方法を
変形している。以下、前述と同様の部材には同じ符号を
冠する。

【０１３７】図１７において、まず半導体レーザーＬＤ
から発振された単色光を偏光ビームスプリッターＢＳ１
でＬ１、Ｌ２の２光線に分け、それぞれを音響光学変調
器ＡＯ１、ＡＯ２に入射し、出射される２つの偏光面が
互いに９０°傾いた光線の周波数ｆ₁、ｆ₂がそのビート
信号が電気的に観測可能な程度に異なるように周波数を
シフトする。これをハーフミラーＨＭで合波させる。

【０１３８】この合波した光の一部をビームスプリッタ
ーＢＳ２で取り出し、受光素子ＰＤ１で光ヘテロダイン
信号を参照信号として得る。この際に２つの光の偏光面
を揃えて干渉させるため、偏光方位が４５°傾いた偏光
板ＰＰ１をＰＤ１の前に挿入してある。

【０１３９】ＢＳ２で分けられた残りの光は更にビーム
スプリッターＢＳ３で２つに分けられ、透過光はミラー
ＭＲ３で反射されて、回折格子ＧＳにＰ５、Ｐ３の２点
でそれぞれ垂直に入射し回折する。Ｐ５で回折した＋１
次光Ｌ７としては周波数ｆ₁の光のみを、−１次光Ｌ８
としては周波数ｆ₂のみを取り出すために、偏光フィル
ターＰＦ５、ＰＦ６を光Ｌ７、Ｌ８の光路中に設置して
ある。一方、Ｐ３で回折した＋１次光のＬ５としては周
波数ｆ₂の光のみを、−１次光Ｌ６としては周波数ｆ₁の
光のみを取り出すために、偏光フィルターＰＦ３、ＰＦ
４を光Ｌ５、Ｌ６の光路中に設置してある。Ｌ７、Ｌ
８、Ｌ５、Ｌ６の光はコーナーキューブプリズムＣＣ
５、ＣＣ６、ＣＣ３、ＣＣ４に入射し、それぞれ入射方
向と平行方向逆向きに反射され、回折格子ＧＳ上の点Ｐ
６、Ｐ４に戻される。Ｐ６、Ｐ４でそれぞれ１回目の回
折と同じ次数で２度目の回折をして、この２点でそれぞ
れ２本の光線が合波して１本の光線となってそれぞれ出
射し、Ｐ２からの合波光は受光素子ＰＤ３へ、Ｐ４から
の合波光はＰＤ４へ入射する。ＰＤ３とＰＤ４の前に
は、合波した２つの光の偏光面を揃えて干渉させるた
め、偏光方位が４５°傾いた偏光板ＰＰ３、ＰＰ４を設
置する。

【０１４０】回折格子ＧＳのｘ方向への１ピッチ相当の
変位に対して＋１次光Ｌ７、及びＬ５の位相には１波長
の位相の進みがあり、−１次光Ｌ８、Ｌ６の位相には１
波長の位相の遅れがある。これらの光はコーナーキュー
ブプリズムによって反射され、もう一度それぞれが前と
同次数で回折するので、再びＰ６で合波したときには合
波したＬ７とＬ８には４波長分の位相差が付加される。
また、Ｐ４で合波したＬ５、Ｌ６にも４波長分の位相差
が付加される。

【０１４１】今、前述の如く周波数ｆ₁の光をｕ₁＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ）｝周波数ｆ₂の光をｕ₂＝ｂ・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ）｝で表すと、参照信号としてＰＤ１で得られる光ヘテロダ
イン信号はＩ_REF＝ａ²＋ｂ²＋２ａｂｃｏｓ（ｗ₁−ｗ₂）ｔである。ここでｗ₁＝２πｆ₁、ｗ₂＝２πｆ₂であるの
で、この信号はｆ₁とｆ₂の差を周波数とする信号とな
る。回折格子ＧＳの格子定数をｐとして、ＧＳの移動量
ｘに対応する位相δは前述の如く、

【０１４２】

【外２４】と表される。＋１次光Ｌ７は１回の回折につき、回折格
子ＧＳの位相δが加算され、最終的に２回＋１次回折さ
れるので、受光素子ＰＤ３入射時では以下の様に表わせ
る。ｕ′′₁＝ａ′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁＋２δ）｝ −１次光Ｌ８は１回の回折につき、回折格子ＧＳの位相
δが引かれ、最終的に２回−１次回折されるので、ｕ′′₂＝ｂ′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ−２δ）｝が受光素子ＰＤ３に入射する光である。従って、ＰＤ３
で得られる光ヘテロダイン信号は、Ｉ_PD3＝ａ′′²＋ｂ′′²＋２ａ′′ｂ′′ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋４δ｝となる。この信号の周波数は参照信号と同じで、位相は
参照信号に比べ回折格子ＧＳの移動量に比例する量４δ
だけ進んであり。＋１次光Ｌ５は１回の回折につき、回
折格子ＧＳの位相δが加算され、最終的に２回＋１次回
折されるので、受光素子ＰＤ４に入射時には以下の様に
表わせる。ｕ′′′₂＝ｂ′′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋２δ）｝ −１次光Ｌ６は１回の回折につき、回折格子ＧＳの位相
δが引かれ、最終的に２回−１次回折されるのでｕ′′′₁＝ａ′′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ−２δ）｝が受光素子ＰＤ４に入射する光である。従って、ＰＤ４
で得られる光ヘテロダイン信号はＩ_PD4＝ａ′′′²＋ｂ′′′²＋２ａ′′′ｂ′′′ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ− ４δ｝となる。この信号の周波数は参照信号と同じで、位相は
参照信号に比べ回折格子ＧＳの移動量に比例する量４δ
だけ遅れている。ＰＤ３とＰＤ４で得られる２つの光ヘ
テロダイン信号を位相差検出器ＰＤＣＡに入力し、その
位相差を検出することによって、回折格子ＧＳの移動量
を測定する。今、回折格子ＧＳの格子定数を１．６μｍ
として、ＧＳの移動量をｘとすると

【０１４３】

【外２５】であるので、１周期、即ち８δ＝２π［ｒａｄ］の位相
ずれが検出された場合、ＧＳが１．６μｍ÷８＝０．２
μｍ移動したことがわかる。これは第１実施例と同様で
ある。前述の０．２°まで分解可能な位相差検出器を用
いると、理論的には０．１１［ｎｍ］の変位まで測定可
能となる。本実施例では検出器ＰＤＣＡの出力を中央処
理ユニット（ＣＰＵ）Ｃに入力し、ここで信号処理して
変位量を算出する。

【０１４４】ＰＤ１とＰＤ３も同様に位相差検出器ＰＤ
ＣＢで位相差を検出し、ＰＤ１とＰＤ４から位相差検出
器ＰＤＣＣで得られる位相差と比べる。この際に、２つ
の位相差の絶対値は両方４δで等しいはずであるが、例
えば空気の擾乱などにより、２つの光路間に温度差があ
った場合、この２つの位相差が等しくならない。従っ
て、この位相差に差が発生したことをＣＰＵで検知して
測定値が誤りであることが感知される。２つの位相差の
差がある許容値より大きくなった場合、また許容値に戻
るまでＣＰＵが、（１）指令信号を不図示のアクチュエ
ーターに送り、回折格子の微動を止め、即ち測定を一時
中止する。または、（２）その時点での、位相差検出器
Ａからの信号を消去することによって、誤った測定値の
入力を防ぐことができる。

【０１４５】図１８に示す装置は、これまでの実施例で
２つの同様な光路があったのに対し、これらを１つにす
ることによって、構成の簡略化を図った第１３実施例で
ある。

【０１４６】図１８において、まず半導体レーザーＬＤ
から発振された単色光を偏光ビームスプリッターＢＳ１
でＬ１、Ｌ２の２光線に分け、それぞれを音響光学変調
器ＡＯ１、ＡＯ２に入射し、出射される２つの偏光面が
互いに９０°傾いた光線の周波数ｆ₁、ｆ₂がそのビート
信号が電気的に観測可能な程度に異なるようにそれぞれ
周波数をシフトし、偏光を分離する。これをハーフミラ
ーＨＭ１で合波させる。

【０１４７】この合波した光をハーフミラーＨＭ２で２
光線に分け、この１光線を回折格子ＧＳに点Ｐ１で入射
する。＋１次回折光は図１９に示すような互いに偏光方
向が直交する偏光板１Ｐ、２Ｐの２枚とλ／２板３Ｐで
構成された光学系を通過し、Ｓ偏光になっている周波数
ｆ₁の回折光だけがＰ偏光に変換されてコーナーキュー
ブプリズムＣＣ１に入射し、反射されてＧＳ上の点Ｐ２
に入射する。一方、−１次回折光は図１９の光学系を軸
周りに９０°傾けた光学系（即ち偏光板１Ｐ′、２Ｐ′
とλ／２板３Ｐ′より成る光学系）に入射し、Ｐ偏光に
なっている周波数ｆ₂の回折光のみがＳ偏光に変換され
てコーナーキューブプリズムＣＣ２に入射し、反射され
てＧＳ上の点Ｐ２に入射する。点Ｐ２に入射した２光線
はそれぞれ１回目と同じ次数で２回目の回折をして互い
に合波して１本の光線としてハーフミラーＨＭ３を透過
して光電変換素子ＰＤ２に入射する。偏光面を揃え干渉
するように偏光方位が４５°傾いた偏光板ＰＰ２をＰＤ
２の前に挿入してある。回折格子ＧＳのｘ方向への１ピ
ッチ相当の変位に対して＋１次光の位相には１波長の位
相の進みがあり、−１次光の位相には１波長の位相の遅
れがある。これらの光はコーナーキューブプリズムによ
って反射され、もう一度それぞれ同じ次数で回折するの
で、Ｐ２で合波したときには合波した周波数ｆ₁の光と
周波数ｆ₂の光には４波長分の位相差が付加される。

【０１４８】一方、ハーフミラーＨＭ２を透過した残り
の光はハーフミラーＨＭ３によって反射され、点Ｐ２で
ＧＳに入射する。＋１次回折光はコーナーキューブプリ
ズムＣＣ１に入射後、図１９に示す光学系を軸周りに９
０°傾けた光学系を先程の場合とは逆向きに通過し、Ｐ
偏光になっている周波数ｆ₂の回折光だけがＳ偏光に変
換されて点Ｐ１でＧＳに入射する。一方、−１次回折光
は図１９の光学系に先程の場合とは逆向きに入射し、Ｓ
偏光になっている周波数ｆ₁の回折光のみがＰ偏光に変
換されてＧＳに点Ｐ１で入射する。点Ｐ１に入射した２
光線は再び回折をして互いに合波して１本の光線として
ハーフミラーＨＭ２を透過して光電変換素子ＰＤ１に入
射する。偏光面を揃えて干渉するように偏光方位が４５
°傾いた偏光板ＰＰ１をＰＤ１の前に挿入してある。

【０１４９】回折格子ＧＳのｘ方向への１ピッチ相当の
変位に対して＋１次光の位相には１波長の位相の進みが
あり、−１次光の位相には１波長の位相の遅れがある。
これらの光はコーナーキューブプリズムによって反射さ
れ、もう一度それぞれ同じ次数で回折するので、Ｐ１で
合波したときには合波した周波数ｆ₁の光と周波数ｆ₂の
光には４波長分の位相差が付加される。

【０１５０】今、前述の如く周波数ｆ₁の光をｕ₁＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ）｝周波数ｆ₂の光をｕ₂＝ｂ・ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ）｝で表す。ここでｗ₁＝２πｆ₁、ｗ₂＝２πｆ₂であるの
で、合波した光はｆ₁とｆ₂の差を周波数とするビートを
なす。回折格子ＧＳの格子定数をｐとして、ＧＳの移動
量ｘに対応する位相δは、

【０１５１】

【外２６】と表される。ＧＳの点Ｐ１で回折される周波数ｆ₁の＋
１次回折光の位相には、１回の回折につきＧＳの位相δ
が加算され、最終的に２回＋１次回折されるので受光素
子ＰＤ２入射時には以下の様に表わせる。ｕ′′₁＝ａ′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ＋２δ）｝点Ｐ１で回折される周波数ｆ₂の−１次回折光の位相か
らは、１回の回折につきＧＳの位相δが引かれ、最終的
に２回−１次回折されるのでｕ′′₂＝ｂ′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ−２δ）｝が受光素子ＰＤ２に入射する光である。従って、ＰＤ２
で得られる光ヘテロダイン信号はＩ_PD2＝ａ′′²＋ｂ′′²＋２ａ′′ｂ′′ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ＋４δ｝となる。この信号の周波数はｆ₁とｆ₂の差で、位相はＧ
Ｓ入射前に比べ、ＧＳの移動量に比例する量４δだけ進
んでいる。点Ｐ２で回折される周波数ｆ₂の＋１次回折
光の位相にも、１回の回折につき回折格子ＧＳの位相δ
が加算され、最終的に２回＋１次回折されるので受光素
子ＰＤ１入射時には以下の様に表わせる。ｕ′′′₂＝ｂ′′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₂ｔ＋２δ）｝点Ｐ２で回折される周波数ｆ₁の−１次回折光の位相か
らは、１回の回折につき回折格子ＧＳの位相δが引か
れ、最終的に２回−１次回折されるのでｕ′′′₁＝ａ′′′ｅｘｐ｛ｉ（ｗ₁ｔ−２δ）｝が受光素子ＰＤ１に入射する光である。従って、ＰＤ１
で得られる光ヘテロダイン信号はＩ_PD1＝ａ′′′²＋ｂ′′′²＋２ａ′′′ｂ′′′ｃｏｓ｛（ｗ₁−ｗ₂）ｔ− ４δ｝となる。この信号の周波数もｆ₁とｆ₂の差に等しく、位
相はＧＳ入射前に比べ、ＧＳの移動量に比例する量４δ
だけ遅れている。ＰＤ１とＰＤ２で得られる２つの光ヘ
テロダイン信号を位相差検出器ＰＤＣに入力し、その位
相差を検出することによって、回折格子ＧＳの移動量を
測定する。

【０１５２】今、回折格子ＧＳの格子定数を１．６μｍ
として、ＧＳの移動量をｘとすると

【０１５３】

【外２７】であるので、１周期、即ち８δ＝２π［ｒａｄ］の位相
ずれが検出された場合、ＧＳが１．６μｍ÷８＝０．２
μｍ移動したことがわかる。位相ずれを、１周期より充
分小さい値を最小検出値として検出できる位相差検出器
を用いることにより、高分解能な変位量検出ができる。
０．２°の位相差を検出可能な位相差検出器を用いる
と、理論的には０．１１［ｎｍ］の変位まで測定が可能
である。

【０１５４】上述各実施例は単位時間あたりの変位量と
しての速度測定装置としても用いることができる。

【０１５５】

【発明の効果】以上の本発明各実施例により、ヘテロダ
イン干渉計測、光学式の変位情報検出において従来より
高分解能な測定装置が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明する図である。

【図２】本発明の原理を説明する図である。

【図３】第２実施例を説明する図である。

【図４】第２実施例における回折格子の上面図である。

【図５】第３実施例を説明する図である。

【図６】第３実施例における検出パターン（回折格子）
の配置図である。

【図７】第３実施例における干渉系拡大図である。

【図８】第４実施例を説明する図である。

【図９】第４実施例の周波数シフタの構成図である。

【図１０】第５実施例を説明する図である。

【図１１】第６、第７実施例を説明する図である。

【図１２】第８実施例を説明する図である。

【図１３】第９実施例を説明する図である。

【図１４】第１０実施例を説明する図である。

【図１５】本発明の以後の実施例の前提となる技術を用
いた装置の概略図である。

【図１６】本発明の第１１実施例の測長装置の概略図で
ある。

【図１７】本発明の第１２実施例の測長装置の概略図で
ある。

【図１８】本発明の第１３実施例の測長装置の概略図で
ある。

【図１９】第１３実施例の一部の光学系の説明図であ
る。

【図２０】従来例を説明する微小変位測定装置である。

【符号の説明】

１，１５，４１，３０１ゼーマンレーザ４，１８，４４ビームスプリッタ５，３０９，３１１１／４波長板６ミラー１７被測定物９，２７，５２，９７，１２１，１２６，１３４，１５
１，１５２，３０８偏光ビームスプリッタ１０，１１，３０，３１，３２，３３，５５，５６，５
７，５８，３１７，３１８光電検出器１２ａ，３４，３５，５９，６０，１０４，１０５，３
１９ロックインアンプ１９，４５，７５１／２波長板２０，２１，２６，４６，４７，５１，７３，９１，９
６ミラー２２マスク２３，５０ウエハ２４，２５，４８，４９，７４回折格子２８，２９，５３，５４，９８，９９，１２４，１２
５，１３７，１３８，１５０エッジミラー７０光源７１周波数シフタ７２ビームエクスパンダ９０空間フィルタ１００，１０１，１０２，１０３，１４０，１４１，１
４２，１４３光電変換器１２２，１２３音響光学変調器１３５，１３６グラントムソンプリズムＬＤ半導体レーザーＢＳ偏光ビームスプリッターＭＲ１〜ＭＲ３反射鏡ＡＯ１、ＡＯ２音響光学変調器ＨＭハーフミラーＧＳ回折格子ＰＦ偏光フィルターＣＣコーナーキューブＰＰ偏光板ＰＤ受光素子Ｌ１〜Ｌ８光線Ｐ１〜Ｐ６回折格子上の点ＰＤＣ、ＰＤＣＡ、ＰＤＣＢ、ＰＤＣＣ位相差検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内誠二東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者吉井実東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者能瀬博康東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開平２−190701（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−250302（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30 102

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】同じ周波数のビート信号を発生する第一
の異周波数光束対と第二の異周波数光束対を形成し、前
記第一および第二の光束対のうち一方の光束対の周波数
の小さい方の光束と他方の光束対の周波数の大きい方の
光束とに同方向位相変化付与の為の所定光路を経由させ
た後、前記第一の光束対、第二の光束対それぞれで光束
を重ね合わせた時に発生するビート信号同士の比較より
前記位相変化の情報を測定することを特徴とする測定方
法。
【請求項２】前記一方の光束対の周波数の小さい方の
光束と前記他方の光束対の周波数の大きい方の光束とを
前記所定光路としての干渉計の光路長情報検出側の光路
を経由させ、前記一方の光束対の周波数の大きい方の光
束と前記他方の光束対の周波数の小さい方の光束とを前
記干渉計の参照光路を経由させることを特徴とする請求
項１の測定方法。
【請求項３】前記一方の光束対の周波数の小さい方の
光束と前記他方の光束対の周波数の大きい方の光束とを
前記所定光路内の第一の回折格子で回折させ、前記一方
の光束対の周波数の大きい方の光束と前記他方の光束対
の周波数の小さい方の光束とを第二の回折格子で回折さ
せ、該回折されたそれぞれの光束を前記それぞれの組で
重ね合わせ、位相変化情報として前記第一及び第二の回
折格子間の位相差を検出することを特徴とする請求項１
の測定方法。
【請求項４】前記第一および第二の光束対は、一組の
異周波数光束対を分離して形成されることを特徴とする
請求項１の測定方法。
【請求項５】同じ周波数のビート信号を発生する第一
の異周波数光束対と第二の異周波数光束対を形成する光
束対形成手段と、前記第一および第二の光束対のうち一
方の光束対の周波数の小さい方の光束と他方の光束対の
周波数の大きい方の光束とに同方向位相変化付与の為の
所定光路を経由させた後、前記第一の光束対、第二の光
束対それぞれで光束を重ね合わせる光学手段と、該光学
手段によって重ね合わせた時に発生するビート信号同士
の比較より前記位相変化の情報を測定する位相変化情報
検出手段とを有することを特徴とする測定装置。
【請求項６】同じ周波数のビート信号を発生する様に
組み合わされた第一の異周波数光束対と第二の異周波数
光束対を形成するための光束形成手段と、前記第一及び
第二の光束対のうち一方の光束対の周波数の小さい方の
光束と他方の光束対の周波数の大きい方の光束とを回折
手段によって第一の次数で回折させ、かつ前記一方の光
束対周波数の大きい方の光束と前記他方の光束対の周波
数の小さい方の光束とを前記回折手段によって、前記第
一の次数とは符号が異なる第二の次数で回折させる様に
前記各光束を前記回折手段に照射する照射手段と、該回
折を受けた前記第一の光束対を干渉させて得られる第一
のビート信号と、該回折を受けた前記第二の光束対を干
渉させて得られる第二のビート信号とを比較することに
より前記回折手段の相対的な変位情報を得る変位情報検
出手段とを有することを特徴とする測定装置。
【請求項７】前記第一の次数は＋１次であり、前記第
二の次数は−１次であることを特徴とする請求項１に記
載の測定装置。