JP3651125B2

JP3651125B2 - Position measuring device and pattern measuring device

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Publication number: JP3651125B2
Application number: JP18683196A
Authority: JP
Inventors: 至晴大久保; 文明浦川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2016-06-27
Also published as: JPH1019513A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の光学系の光軸に対する計測対象物の相対的な位置変位量を計測する位置計測装置及び、移動可能なステージ上に載置された基板のパターンを測定するパターン測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象物の位置を光学的に計測する方法としては、現在、干渉計が多く利用されている。干渉計においては、例えば、計測用の１本の光束を２本に分割し、分割した光をそれぞれ異なる方向に導き、２つの反射鏡で反射した光を再び合成する。そして、これら２本の光の合成によって生じる干渉縞を検出することによって、２つの反射鏡が設置された部材間の相対的な位置の変位を計測できるようになっている。このような干渉計システムは、半導体デバイスの製造、及び検査工程においても頻繁に使用される。マスクに形成されたパターンを感光基板上に転写する露光工程においては、露光作業に先立ち、パターン測定装置によってマスク上に形成されたパターンの座標を計測する。このようなパターン測定装置においては、計測対象となるマスクを移動可能なステージ上に載置し、対物レンズ等の光学系から照射される光でマスク上のパターンを走査することによってパターンの位置（座標）を計測する。この時、２次元平面内で移動するマスクの位置は、干渉計によって正確に計測される。
【０００３】
上記のようなパターン測定装置においては、対物レンズの鏡筒の外周に参照鏡を設置するとともに、マスク等の基板が載置されたステージ上に移動鏡を設置している。そして、干渉計内で計測用レーザ光を２本に分割し、分割した光をそれぞれ対物レンズ鏡筒に固定された参照鏡とステージ上の移動鏡とに投射する。そして、２つの反射鏡で反射した光を干渉計内で再び合成し、これら２本の光の合成によって生じる干渉縞を検出することによって、基板の位置を計測する。正確には、対物レンズの光軸とステージ上の基板との相対的な位置の変位を計測する。
【０００４】
図７は、従来のパターン測定装置の概略構成を示す。この装置は、基板１１０上に形成されたパターン１１０ａの位置（座標）を計測するものであり、パターン測定用のレーザ光を射出する光学装置１１２と、光学装置１１２から射出されたレーザ光をスポットとして基板１１０上に投射する対物レンズ１１４と、基板１１０のパターン１１０ａのエッジ部分で発生する散乱光を受光する受光素子１１６ａ，１１６ｂとを備えている。基板１１０は、紙面に垂直な面内に移動可能なステージ１１８上に載置されている。ステージ１１８上の端部には、干渉計本体１２０から射出されるレーザ光を反射する移動鏡１２２が固定されている。また、対物レンズ１１４を包囲するレンズ鏡筒１１４ａの外周には、干渉計本体１２０から射出されるレーザ光１２３を反射する参照鏡１２４が固定されている。
【０００５】
上記のような構成のパターン測定装置においては、ステージ１１８を駆動することにより、対物レンズ１１４を介して照射されるレーザスポットを基板１１０のパターン１１０ａで走査する。そして、パターン１１０ａのエッジ部分で生じる散乱光を受光素子１１６ａ，１１６ｂによって受光する。この時、基板１１０の位置は、干渉計本体１２０によってモニターされているため、受光素子１１６ａ，１１６ｂに受光された散乱光の信号からパターン１１０ａの位置が自動的に計測される。
【０００６】
参照鏡１２４は、図８に示すように、反射面１２４ａが対物レンズの光軸Ａを含む平面に平行な状態で、コの字型の保持部材１２６に保持されている。すなわち、干渉計１２０から射出されるレーザ光１２３が参照鏡１２４の反射面１２４ａに垂直に入射するようになっている。保持部材１２６は、その両端部がレンズ鏡筒１１４ａの外周に固定されている。
【０００７】
干渉計本体１２０においては、１本のレーザ光をビームスプリッタ（図示せず）によって２本に分割し、分割した２本のレーザ光を移動鏡１２２及び参照鏡１２４にそれぞれ照射する。そして、移動鏡１２２と参照鏡１２４で反射した光を再び合成し、合成された光の干渉縞を観察することによって、基板ステージ１１８の位置を計測するようになっている。すなわち、干渉計本体１２０から参照鏡１２４までの距離と、干渉計本体１２０から移動鏡１２２までの距離との相対的な変位量に基づいて、対物レンズ１１４の光軸Ａ上にあるパターン１１０ａの位置を計測する。このように、基板１１０（パターン１１０ａ）の位置は対物レンズ１１４の光軸Ａとの相対的な変位量に基づいて計測されるため、正確な計測を行うためには、参照鏡１２４の反射面１２４ａと対物レンズ１１４の光軸Ａとの距離を一定に保つことが重要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の方法によると、何らかの影響でレンズ鏡筒１１４ａの温度が変化すると、レンズ鏡筒１１４ａ及び参照鏡１２４の熱膨張又は収縮によって、参照鏡１２４の反射面１２４ａと対物レンズ１１４の光軸Ａとの間隔が変化してしまう。
【０００９】
例えば、図８に示すように、レンズ鏡筒１１４ａの半径をＲ、保持部材１２６の端部がレンズ鏡筒１１４ａに接する位置の角度を２θ、レンズ鏡筒１１４ａの熱膨張係数をＫ１、温度変化量をＴとすると、レンズ鏡筒１１４ａの熱膨張又は熱収縮に起因する参照鏡１２４のレーザ光１２３の方向の変位量△Ｘ１は、以下のようになる。
△Ｘ１＝Ｒ・Ｋ１・Ｔ・ｃｏｓθ
【００１０】
一方、参照鏡１２４の反射面１２４ａからレンズ鏡筒１１４ａへの保持部材１２６の取り付け位置までの距離をＬ、保持部材１２６の熱膨張係数をＫ２、温度変化量をＴとすると、保持部材１２６の熱膨張又は熱収縮に起因する参照鏡１２４（反射面１２４ａ）の熱変位量△Ｘ２は以下のようになる。
△Ｘ２＝Ｌ・Ｋ２・Ｔ
【００１１】
従って、投影レンズ１１４の光軸Ａと参照鏡１２４の反射面１２４ａとのトータルの変位量△Ｘは、以下のようになる。
△Ｘ＝（Ｒ・Ｋ１・Ｔ・ｃｏｓθ）＋（Ｌ・Ｋ２・Ｔ）
【００１２】
ここで、保持部材１２６の形状は比較的単純であり、且つ高い精度を必要としないため、この保持部材１２６を難加工材料である低熱膨張率の材料を用いて成形することができる。このため、保持部材１２６の熱変位に起因する参照鏡１２４の反射面１２４ａの変位量△Ｘ２（＝Ｌ・Ｋ２・Ｔ）は、ある程度小さくすることができる。しかし、レンズ鏡筒１１４ａ（対物レンズ１１４）を難加工材料である低熱膨張率の材料で成形することは困難である。このため、レンズ鏡筒１１４ａの熱変位に起因する参照鏡１２４の変位量△Ｘ１（＝Ｒ・Ｋ１・Ｔ・ｃｏｓθ）を小さくするためには、温度変化量Ｔを最小限に抑える必要がある。例えば、レンズ鏡筒１１４ａの半径Ｒ＝２０ｍｍ、レンズ鏡筒１１４ａの熱膨張係数Ｋ１＝１５×１０^-6、θ＝１５°とした場合、参照鏡１２４（反射面１２４ａ）の変位量△Ｘ２（＝Ｒ・Ｋ１・Ｔ・ｃｏｓθ）を０．００５μｍ以下にするためには、温度変化量Ｔを約０．００１７°Ｃ以下の精度で制御する必要がある。常温下で行われる計測において、このような精度の温度制御は、実際上は不可能である。
【００１３】
参照鏡１２４の反射面１２４ａと対物レンズ１１４の光軸Ａとの間隔が変化すると、干渉計１２０によって計測されるパターン１１０ａの位置に誤差が生じることになる。
【００１４】
本発明は上記のような状況に鑑みて成されたものであり、熱による計測誤差を軽減した位置計測装置及びパターン測定装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、所定の光学系（１４）の光軸（Ａ）に対する計測対象物（１０）の相対的な位置変位量を計測する位置計測装置において、光学系（１４）の光軸（Ａ）を含む第１の平面（Ｐａ）内に反射面（２４ａ）を有する参照用反射部材（２４）と；光学系（１４，１４ａ））の外周上の第１の平面（Ｐａ）と交差する位置に支持され、参照用反射部材（２４）を光学系（１４）に対して保持する保持部材（４４）と；計測対象物（２０，１０）に固定された計測用反射部材（２８）と；参照用反射部材（２４）及び計測用反射部材（２８）に対して計測用の光を投射し、当該参照用反射部材（２４）と計測用反射部材（２８）の反射面で反射した光を用いて、光学系（１４）の光軸と計測対象物（２０，１０）との相対的な位置変位量を計測する計測手段（３２）とを備えている。上記のような位置計測装置において、保持部材（４４）の光学系の（１４，１４ａ）外周に接する部分を、第１の平面（Ｐａ）に対して対称な形状に形成することが望ましい。
【００１６】
また、参照用反射部材（２４）は、第１の平面（Ｐａ）内の光学系（１４）を挟んだ対称な位置に配置された第１参照鏡（２４）及び第２参照鏡（５８）とを含むように構成することができる。この時、計測手段（５３，５５）は、計測用の光を第１及び第２の参照鏡（２４，５８）に対して投射し、当該第１及び第２の参照鏡（２４，５８）からの反射光を利用した二光線束干渉計（６６，６８，７０，７２，７４，７６，７８，８０）とすることが望ましい。また、計測手段は、第１及び第２の参照鏡（２４，５８）に対して投射される計測用の光の光軸からの距離を互いに等しく設定する。
【００１７】
更に、本発明の他の態様は、対物レンズ（１４）を介して照射される第１の光を用い、移動可能なステージ（２０）上に載置された基板（１０）上のパターンの位置を測定するパターン測定装置において、対物レンズ（１４）の光軸（Ａ）を含む第１の平面（Ｐａ）内に反射面（２４ａ）を有する参照用反射部材（２４）と；対物レンズ（１４，１４ａ）の外周上の第１の平面（Ｐａ）と交差する位置に支持され、参照用反射部材（２４）を対物レンズ（１４，１４ａ）に対して保持する保持部材（４４）と；基板（１０）に固定された計測用反射部材（２８）と；参照用反射部材（２４）及び計測用反射部材（２８）に対して計測用の光（Ｂｘ，Ｂｘｍ）を投射し、当該参照用反射部材（２４）と計測用反射部材（２８）の反射面（２４ａ，２８ａ）で反射した光を用いて、対物レンズ（１４）の光軸（Ａ）と基板（１０）との相対的な位置変位量を計測する計測手段（３２）とを備えている。
【００１８】
【作用】
上記のような本発明においては、参照用反射部材（２４）を、その反射面（２４ａ）が光学系（１４）の光軸（Ａ）を含む第１の平面（Ｐａ）に一致するように配置され、光学系（１４ａ）の外周上の第１の平面（Ｐａ）と交差する位置で支持されているため、光学系（１４，１４ａ）が熱膨張又は熱収縮した場合にも、反射面（２４ａ）の計測方向のずれを最小限に抑えられる。すなわち、光学系（１４，１４ａ）が熱膨張した場合、その膨張は光軸（Ａ）を中心に放射方向の略均一に伝播するため、光学系（１４，１４ａ）の外周部分においては、光軸（Ａ）を含む平面（Ｐａ）に沿って変位することになる。従って、本発明においては、光学系（１４，１４ａ）の熱変位は、参照用反射部材（２４）の反射面（２４ａ）に平行な方向にのみ伝播される。別言すると、参照用反射部材（２４）の反射面（２４ａ）の計測方向（ＸＬ，ＹＬ）への変位は殆どなく、その結果、光学系の（１４，１４ａ）の熱変形による計測手段（３２）による計測精度の低下を抑制することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を以下に示す実施例に基づいて説明する。本実施例は、レチクル等の基板に形成されたパターンの座標を計測するパターン位置測定装置に本発明を適用したものである。
【００２０】
【実施例】
図１は、本実施例にかかるパターン位置測定装置の全体の構成を示す。本実施例のパターン位置測定装置は、基板１０上にクロム等で形成されたパターンの位置（座標）を測定するものであり、測定用の光を照射する照明系（１２，１４）と、基板１０からの散乱光を受光する受光系（１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ）と、基板１０が載置されたステージ２０を駆動するステージ駆動装置２２と、ステージ２０（基板１０）の位置を計測する干渉計システム（２４，２６，２８，３０，３２，３４）と、パターン測定装置全体の制御を行う主制御装置４０と、当該装置による測定結果を表示する表示装置４２とを備えている。
【００２１】
照明系（１２，１４）は、測定用のレーザ光を出力する光学装置１２と、光学装置１２から射出されたレーザ光をスポットとして基板１０上に導く対物レンズ１４とから構成されている。対物レンズ１４は、レンズ鏡筒１４ａ内に配置されている。
【００２２】
測定対象となる基板１０としては、例えば、半導体の露光工程に使用されるレチクル等のマスクや、そのマスクのパターンが露光されたウエハ等の感光基板を対象とすることができる。基板１０が載置されたステージ２０は、主制御装置４０に制御されるステージ駆動装置２２によって、ＸＹ２次元平面内で移動可能に構成されている。そして、ステージ２０の移動により、対物レンズ１４から射出されるレーザスポットを基板１０の表面で走査するようになっている。
【００２３】
基板１０からの散乱光を受光する受光系（１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ）は、基板１０を斜め上方から覗くように配置されており、レーザ光と基板１０との相対的な走査によって、基板１０上のパターンエッジで発生する散乱光又は回折光を受光する。そして、受光した光の強度に応じた電気信号を主制御装置４０に対して供給するようなっている。
【００２４】
本実施例の干渉計システム（２４，２６，２８，３０，３２，３４）は、２軸干渉計システムであり、基板１０のＸ軸方向の位置計測を行うシステム（２４，２８，３２）と、Ｙ軸方向の位置計測を行うシステム（２６，３０，３４）との２系統のシステムから構成されている。Ｘ軸方向の位置計測を行う干渉計システム（２４，２８，３２）は、取り付け部材４４（図２参照）によってレンズ鏡筒１４ａの外周上に固定された参照鏡２４と、ステージ２０上の端部に固定された長尺状の移動鏡２８と、干渉計本体３２とから構成されている。干渉計本体３２内には、図示しないレーザ光源が設けられており、このレーザ光源から射出されたレーザ光をビームスプリッタ等の分光器（図示せず）によって２つの光（Ｂｘ，Ｂｘｍ）に分割し、分割した光を参照鏡２４と移動鏡２８に対して投射する。そして、参照鏡２４と移動鏡２８で反射したレーザ光を再び干渉計本体３２内で合成し、合成さし光の干渉縞に基づいて、参照鏡２４と移動鏡２８の相対的な位置変化、すなわち、ステージ２０のＸ方向の移動量を計測するようになっている。更に正確には、参照鏡２４と移動鏡２８の相対的な位置の変位量に基づいて、対物レンズ１４の光軸Ａ（図２参照）上に存在する基板１０上のパターンのＸ座標を計測する。
【００２５】
一方、Ｙ軸方向の位置計測を行う干渉計システム（２６，３０，３４）もＸ軸方向のシステムと同様に、取り付け部材４６（図２参照）によってレンズ鏡筒１４ａの外周上に固定された参照鏡２６と、ステージ２０上の端部に固定された長尺状の移動鏡３０と、干渉計本体３４とから構成されている。干渉計本体３４は、干渉計３２と同様に、内部に図示しないレーザ光源が設けられており、このレーザ光源から射出されたレーザ光をビームスプリッタ等の分光器（図示せず）によって２つの光（Ｂｙ，Ｂｙｍ）に分割し、分割した光を参照鏡２６と移動鏡３０に対して投射する。そして、参照鏡２６と移動鏡３０で反射したレーザ光を干渉計本体３４内で再び合成し、合成した光の干渉縞に基づいて、参照鏡２６と移動鏡３０の相対的な位置の変位、すなわち、ステージ２０のＹ方向の移動量を計測するようになっている。更に正確には、参照鏡２６と移動鏡３０の相対的な位置の変位量に基づいて、対物レンズ１４の光軸Ａ上に存在する基板１０上のパターンのＹ座標を計測する。
【００２６】
上記のような２方向の干渉計システム（３２，３４）によって、対物レンズ１４から投射されるレーザスポット上におけるパターンのＸＹ平面上での座標値が求まる。
【００２７】
図２は、本発明の第１実施例にかかるレンズ鏡筒１４ａと、参照鏡２４，２６と、その取り付け部材（４４，４６）との位置関係を示す。Ｘ軸方向の位置計測に用いられる参照鏡２４は、その反射面２４ａが対物レンズ１４の光軸Ａを通る平面Ｐａに一致するように、取り付け部材４４によってレンズ鏡筒１４ａの外周に固定されている。取り付け部材４４とレンズ鏡筒１４ａとの接触位置（取付位置）は、平面Ｐａ上に設定されており、平面Ｐａ（反射面２４ａ）から各取付位置までのＸ方向の距離Ｄｘ１，Ｄｘ２が等しくなるように配置されている。このように配置することにより、レンズ鏡筒１４ａが熱膨張又は熱収縮したときに、その変位がＸ軸に垂直なＹ軸方向にのみ伝播する。別言すると、レンズ鏡筒１４ａの熱変位によって取り付け部材４４が回転し、参照鏡２４の反射面２４ａがＸ軸方向に変位するようなことがないように配慮されている。また、同様の理由により、各取り付け部材４４とレンズ鏡筒１４ａとの接触面積は、できるだけ小さくすることが望ましい。
【００２８】
他方、Ｙ軸方向の位置計測用の参照鏡２６は、その反射面２６ａが対物レンズ１４の光軸Ａを通る平面Ｐｂ（平面Ｐａと直交する平面）に一致するように、取り付け部材４６によってレンズ鏡筒１４ａの外周に固定されている。そして、取り付け部材４６とレンズ鏡筒１４ａとの接触位置（取付位置）は、平面Ｐｂ上に設定されており、平面Ｐｂ（反射面２６ａ）から各取付位置までのＹ方向の距離Ｄｙ１，Ｄｙ２が等しくなるように配置されている。
【００２９】
次に、上記のような構成のパターン位置測定装置の全体的な動作について説明する。パターン測定を開始する前に、まず、対物レンズ１４の光軸Ａを基板１０上のある基準点に合わせ、その時点での干渉計本体３２，３４による計測値をゼロにする、所謂キャリブレーションを行う。その後、ステージ２０を駆動装置２２によってＸＹ方向に駆動することによって、対物レンズ１４を介して光学装置１２から出力されるレーザスポットを、基板１０の表面で走査する。レーザスポットが基板上のパターンで走査されると、パターンのエッジ部分で散乱光（又は回折光）が発生し、その散乱光を受光素子１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂで受光する。干渉計本体３２，３４では、基板１０（移動鏡２８，３０）と対物レンズ１４（参照鏡２４，２６）のＸＹ方向の相対的な変位量を計測し、計測値を主制御装置４０に供給する。主制御装置４０では、干渉計本体３２，３４から供給される位置情報と、受光素子１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂからの検出信号に基づいて、基板１０のパターン間の距離を求め、表示装置４２に表示する。
【００３０】
上記のような本実施例においては、参照鏡２４を、その反射面２４ａが対物レンズ１４の光軸Ａを含む平面Ｐａに一致するように配置し、これをレンズ鏡筒１４ａの外周上の平面Ｐａと交差する位置で支持しているため、レンズ鏡筒１４ａが熱膨張又は熱収縮した場合にも、反射面２４ａの計測方向のずれを最小限に抑えることができる。すなわち、レンズ鏡筒１４ａが熱膨張した場合、その膨張は光軸Ａを中心に放射方向の略均一に伝播するため、レンズ鏡筒１４ａの外周部分においては、光軸Ａを含む平面Ｐａに沿って変位することになる。従って、レンズ鏡筒１４ａの熱変位は、参照鏡２４の反射面２４ａに平行な方向にのみ伝播される。別言すると、参照鏡２４の反射面２４ａの計測方向（Ｘ軸方向）への変位は殆どない。これにより、レンズ鏡筒１４ａの熱変形による干渉計３２の計測精度の低下が抑制される。
【００３１】
図３は、図２に示す実施例の変形例（第２実施例）であり、Ｙ軸方向の位置計測用の参照鏡４８とＸ軸方向の位置計測用の参照鏡５０のレンズ鏡筒１４ａ上の取り付け部材５２，５４の位置を変更してある。すなわち、この例では、参照鏡４８，５０各反射面４８ａ，５０ａに対して入射するレーザビームＢｘとＢｙとがクロスするようになっている。なお、他の構成、配置等に関しては図２に示す実施例と同様である。
【００３２】
図４は、本発明の第３実施例にかかるレンズ鏡筒１４ａと、参照鏡（２４，２６，５６，５８）と、その取り付け部材（４４，４６，６０，６２）との位置関係を示す。この実施例は、図２に示した第１実施例の参照鏡２４，２６に加え、参照鏡５６及び５８を更に設けたものである。また、本実施例の干渉計システム（５３，５５）は、二光線束干渉計であり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれにおいて、計測用のレーザ光束を２本（Ｂｘ１，Ｂｘ２）、（Ｂｙ１，Ｂｙ２）を使用する。参照鏡５６は、取り付け部材６０によって、その反射面５６ａが平面Ｐｂに一致するように配置されている。参照鏡５６と参照鏡２６とは対物レンズ１４の光軸Ａを基準に対称な位置に配置されている。すなわち、対物レンズ１４の光軸Ａから参照鏡２６の反射面２６ａ上のレーザ光束Ｂｙ１の入射位置までの距離Ｌｘ１と、参照鏡５６の反射面５６ａ上のレーザ光束Ｂｙ２の入射位置までの距離Ｌｘ２が等しくなるように設定されている。
【００３３】
一方、参照鏡５８は、取り付け部材６２によって、その反射面５８ａが平面Ｐａに一致するように配置されている。参照鏡５８についても参照鏡５６と同様に、対物レンズ１４の光軸Ａを基準に参照鏡２４と対称な位置に配置されている。すなわち、対物レンズ１４の光軸Ａから参照鏡２４の反射面２４ａ上にレーザ光束Ｂｘ１が入射する位置までの距離Ｌｙ１と、参照鏡５８の反射面５８ａ上にレーザ光束Ｂｘ２が入射する位置までの距離Ｌｙ２が等しくなるように設定されている。なお、距離Ｌｙ１とＬｙ２、及び距離Ｌｘ１とＬｘ２とを等しくできない場合には、できるだけそれに近づけるように配置することが望ましい。
【００３４】
図５及び図６は、二光線束干渉計５３の光学系の構成を概略的に示す。なお、干渉計５５についても同様な構成であるため、重複した説明は省略する。この二光線束干渉計５３は、所謂マイケルソンタイプの干渉計であり、単一の光線束を用いた干渉計に比べて検出精度が向上する。二線光束干渉計５３は、レーザビームＢｏを出力するレーザ発振器６６と、参照鏡２４，５８の反射面２４ａ，５８ａと、移動鏡２８の反射面２８ａから戻った光を受光、検出するディテクタ６８と、偏光ビームスプリッタ７０と、偏光ビームスプリッタ７０から射出又はそこへ入射する光が透過する４枚のλ／４板７２，７４，７６，７８とを備えている。λ／４板７２，７４は、参照ビームＢｘ２，Ｂｘ１がそれぞれ通過するように、Ｙ方向に並べて配置されている。また、λ／４板７６，７８は、参照ビーム用のλ／４板７２，７４の下方において、測長ビームＢｘｍ２，Ｂｘｍ１がそれぞれ通過するように、Ｙ方向に並べて配置されている。
【００３５】
図において、レーザ発振器６６から射出されたレーザビームＢｏは、図５の紙面に平行な偏光成分（Ｐ偏光成分）と、紙面に垂直な偏光成分（Ｓ偏光成分）とを有する。レーザ発振器６６から出力されたレーザビームＢｏは、ビームスプリッタ７０の偏光分離面８２（図６参照）で２つのビームに偏光分離され、一方のＳ偏光成分はその偏光分離面８２で反射され、参照ビームＢｘ２となる。
【００３６】
この参照ビームＢｘ２は、ビームスプリッタ７０の反射面８４で反射され、λ／４板７２を透過し、参照鏡５８の反射面５８ａに入射する。参照鏡５８の反射面５８ａで反射したビームは、再びλ／４板７２を透過してＰ偏光光波となって、ビームスプリッタ７０に入射する。ビームスプリッタ７０に入射したＰ偏光光波は、偏光分離面８２を透過してコーナキューブ８０に入射し、このコーナキューブ８０中で２度反射し、図の（−）Ｙ方向に距離Ｌだけシフトした後、ビームスプリッタ７０に戻る。ビームスプリッタ７０に入射したこの光は、偏光分離面８２を透過し、反射面８４で反射し、λ／４板７４を透過した後、参照ビームＢｘ１として参照鏡２４の反射面２４ａに入射する。参照鏡２４の反射面２４ａで反射した参照ビームＢｘ１は、再びλ／４板７４を透過してＳ偏光光波となり、ビームスプリッタ７０の反射面８４及び偏光分離面８２で反射して、フォトディテクタ６８に入射する。
【００３７】
一方、レーザビームＢｏのＰ偏光成分は、ビームスプリッタ７０の偏光分離面８２を透過して測長ビームＢｘｍ２となる。この測長ビームＢｘｍ２は、λ／４板７６を透過し、移動鏡２８の反射面２８ａで反射し、再びλ／４板７６を透過した後、Ｓ偏光光波としてビームスプリッタ７０に入射する。ビームスプリッタ７０に入射したＳ偏光光波は、偏光分離面８２で反射して、コーナキューブ８０に入射する。コーナキューブ８０に入射した光は、その中で２度反射して、図の（−）Ｙ方向に距離Ｌだけシフトした後、ビームスプリッタ７０に戻る。ビームスプリッタ７０に入射したこの光は、偏光分離面８２で反射し、λ／４板７８を透過した後、測長ビームＢｘｍ１として移動鏡２８の反射面２８ａに入射する。移動鏡２８の反射面２８ａで反射した測長ビームＢｘｍ１は、再びλ／４板７８を透過して、Ｐ偏光光波となり、ビームスプリッタ７０の偏光分離面８２を透過して、フォトディテクタ６８に入射する。
【００３８】
フォトディテクタ６８上では、参照ビームＢｘ１と測長ビームＢｘｍ１が干渉し、その干渉縞を検出することによって、対物レンズ１４の光軸Ａ上の基板１０のＸ軸方向の位置を計測することができる。なお、Ｙ軸方向に関しても同様の構成、動作によって位置計測を行う。
【００３９】
上述した二光線束干渉計システムにおいては、図４に示すように、対物レンズ１４の光軸Ａから参照鏡２４の反射面２４ａ上にレーザ光束Ｂｘ１が入射する位置までの距離Ｌｙ１と、参照鏡５８の反射面５８ａ上にレーザ光束Ｂｘ２が入射する位置までの距離Ｌｙ２が等しくなるように設定されている。このため、所謂アッベの原理を満たすことができ、計測精度が向上する。例えば、熱や機械的な誤差により対物レンズ１４（レンズ鏡筒１４ａ）が光軸Ａを中心に微少角度変位した場合、λ／４板７２から参照鏡５８の反射面５８ａまでの距離と、λ／４板７４から参照鏡２４の反射面２４ａまでの距離の一方が減少すると他方が増加する。このため、レーザ発振器６６から射出され、２つの参照鏡５８，２４の反射面５８ａ，２４ａで反射して、フォトディテクタ６８に入射するまでのビームの光路長は変化しない。すなわち、フォトディテクタ６８から対物レンズ１４の光軸Ａまでの距離を基準に基板１０の位置計測を行うことができる。このため、図２に示した実施例に比べて測定信頼性が向上する。
【００４０】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された本発明の技術的思想としての要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学系（１４，１４ａ）が熱膨張又は熱収縮した場合にも、反射面（２４ａ）の計測方向のずれを最小限に抑えられる。その結果、光学系の（１４，１４ａ）の熱変形による計測手段（３２）による計測精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例にかかるパターン位置測定装置の構成を示す概念図（斜視図）である。
【図２】図２は、図１に示すパターン位置測定装置の要部（参照鏡取り付け部材）の構成を示す拡大平面図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施例にかかるパターン位置測定装置の要部（参照鏡取り付け部材）の構成を示す拡大平面図である。
【図４】図４は、本発明の第３実施例にかかるパターン位置測定装置の要部（参照鏡取り付け部材）の構成を示す拡大平面図である。
【図５】図５は、図４に示す実施例の動作、原理を示す平面図である。
【図６】図６は、図４に示す実施例の動作、原理を示す側面図であり、図５の平面図に対応する。
【図７】図７は、従来のパターン位置測定装置の構成を示す概略図（側面図）である。
【図８】図８は、従来のパターン位置測定装置の要部（参照鏡取り付け部材）の構成を示す拡大平面図である。
【符号の説明】
１０・・・基板
１２・・・光学装置
１４・・・対物レンズ
１４ａ・・・レンズ鏡筒
１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ・・・受光素子
２０・・・ステージ
２４，２６，４８，５０，５６，５８・・・参照鏡
２４ａ，２６ａ，４８ａ，５０ａ，５６ａ，５８ａ・・・反射面
２８，３０・・・移動鏡
３２，３４・・・干渉計本体
４４，４６，５２，５４，６０，６２・・・（参照鏡）取り付け部材
４０・・・主制御装置
５３，５５・・・二光線束干渉計
Ａ・・・対物レンズ光軸
Ｐａ，Ｐｂ・・・光軸Ａを含む平面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position measurement device that measures a relative displacement of a measurement object with respect to an optical axis of a predetermined optical system, and a pattern measurement device that measures a pattern of a substrate placed on a movable stage. .
[0002]
[Prior art]
Currently, an interferometer is widely used as a method for optically measuring the position of a measurement object. In the interferometer, for example, one light beam for measurement is divided into two, the divided lights are guided in different directions, and the lights reflected by the two reflecting mirrors are synthesized again. Then, by detecting the interference fringes generated by the synthesis of these two lights, the displacement of the relative position between the members on which the two reflecting mirrors are installed can be measured. Such interferometer systems are also frequently used in semiconductor device manufacturing and inspection processes. In the exposure step of transferring the pattern formed on the mask onto the photosensitive substrate, the coordinates of the pattern formed on the mask are measured by the pattern measuring device prior to the exposure operation. In such a pattern measuring apparatus, a mask to be measured is placed on a movable stage, and the pattern position (by scanning the pattern on the mask with light irradiated from an optical system such as an objective lens ( Coordinate). At this time, the position of the mask that moves in the two-dimensional plane is accurately measured by the interferometer.
[0003]
In the pattern measuring apparatus as described above, a reference mirror is installed on the outer periphery of the lens barrel of the objective lens, and a movable mirror is installed on a stage on which a substrate such as a mask is placed. Then, the laser beam for measurement is divided into two in the interferometer, and the divided lights are respectively projected onto the reference mirror fixed to the objective lens barrel and the movable mirror on the stage. Then, the light reflected by the two reflecting mirrors is synthesized again in the interferometer, and the position of the substrate is measured by detecting interference fringes generated by the synthesis of these two lights. To be precise, the relative displacement between the optical axis of the objective lens and the substrate on the stage is measured.
[0004]
FIG. 7 shows a schematic configuration of a conventional pattern measuring apparatus. This apparatus measures the position (coordinates) of the pattern 110a formed on the substrate 110. The optical apparatus 112 emits laser light for pattern measurement, and the laser light emitted from the optical apparatus 112 is spotted. Objective lens 114 projected onto the substrate 110, and light receiving elements 116a and 116b that receive scattered light generated at the edge of the pattern 110a of the substrate 110. The substrate 110 is placed on a stage 118 that can move in a plane perpendicular to the paper surface. A movable mirror 122 that reflects the laser light emitted from the interferometer body 120 is fixed to an end on the stage 118. A reference mirror 124 that reflects the laser beam 123 emitted from the interferometer body 120 is fixed to the outer periphery of the lens barrel 114 a that surrounds the objective lens 114.
[0005]
In the pattern measuring apparatus configured as described above, the stage 118 is driven to scan the laser spot irradiated through the objective lens 114 with the pattern 110 a of the substrate 110. The scattered light generated at the edge portion of the pattern 110a is received by the light receiving elements 116a and 116b. At this time, since the position of the substrate 110 is monitored by the interferometer main body 120, the position of the pattern 110a is automatically measured from the scattered light signals received by the light receiving elements 116a and 116b.
[0006]
As shown in FIG. 8, the reference mirror 124 is held by a U-shaped holding member 126 in a state where the reflecting surface 124a is parallel to a plane including the optical axis A of the objective lens. That is, the laser beam 123 emitted from the interferometer 120 enters the reflecting surface 124a of the reference mirror 124 perpendicularly. Both ends of the holding member 126 are fixed to the outer periphery of the lens barrel 114a.
[0007]
In the interferometer body 120, one laser beam is divided into two by a beam splitter (not shown), and the divided two laser beams are irradiated to the movable mirror 122 and the reference mirror 124, respectively. Then, the light reflected by the movable mirror 122 and the reference mirror 124 is synthesized again, and the position of the substrate stage 118 is measured by observing the interference fringes of the synthesized light. That is, based on the relative displacement amount between the distance from the interferometer body 120 to the reference mirror 124 and the distance from the interferometer body 120 to the movable mirror 122, the pattern 110a on the optical axis A of the objective lens 114 is changed. Measure the position. As described above, the position of the substrate 110 (pattern 110a) is measured based on the amount of relative displacement of the objective lens 114 with respect to the optical axis A. Therefore, in order to perform accurate measurement, the reflecting surface of the reference mirror 124 is used. It is important to keep the distance between 124a and the optical axis A of the objective lens 114 constant.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional method as described above, when the temperature of the lens barrel 114a changes due to some influence, the reflecting surface 124a of the reference mirror 124 and the objective lens are caused by thermal expansion or contraction of the lens barrel 114a and the reference mirror 124. The distance between the optical axis 114 and 114 is changed.
[0009]
For example, as shown in FIG. 8, the radius of the lens barrel 114a is R, the angle at which the end of the holding member 126 is in contact with the lens barrel 114a is 2θ, the thermal expansion coefficient of the lens barrel 114a is K1, and the temperature change When the amount is T, the amount of displacement ΔX1 in the direction of the laser beam 123 of the reference mirror 124 due to thermal expansion or contraction of the lens barrel 114a is as follows.
△ X1 = R ・ K1 ・ T ・ cosθ
[0010]
On the other hand, when the distance from the reflecting surface 124a of the reference mirror 124 to the attachment position of the holding member 126 to the lens barrel 114a is L, the thermal expansion coefficient of the holding member 126 is K2, and the temperature change amount is T, the holding member 126 The amount of thermal displacement ΔX2 of the reference mirror 124 (reflecting surface 124a) due to thermal expansion or contraction is as follows.
△ X2 = L ・ K2 ・ T
[0011]
Therefore, the total displacement ΔX between the optical axis A of the projection lens 114 and the reflecting surface 124a of the reference mirror 124 is as follows.
ΔX = (R · K1 · T · cos θ) + (L · K2 · T)
[0012]
Here, since the shape of the holding member 126 is relatively simple and does not require high accuracy, the holding member 126 can be formed using a material having a low coefficient of thermal expansion which is a difficult-to-process material. Therefore, the amount of displacement ΔX2 (= L · K2 · T) of the reflecting surface 124a of the reference mirror 124 due to the thermal displacement of the holding member 126 can be reduced to some extent. However, it is difficult to mold the lens barrel 114a (objective lens 114) with a material having a low coefficient of thermal expansion, which is a difficult-to-process material. Therefore, in order to reduce the displacement amount ΔX1 (= R · K1 · T · cos θ) of the reference mirror 124 caused by the thermal displacement of the lens barrel 114a, it is necessary to minimize the temperature change amount T. . For example, when the radius R of the lens barrel 114a is 20 mm, the thermal expansion coefficient K1 of the lens barrel 114a is 15 × 10 ⁻⁶ , and θ = 15 °, the displacement ΔX2 of the reference mirror 124 (reflection surface 124a) ( = R · K1 · T · cos θ) to be 0.005 μm or less, the temperature change amount T needs to be controlled with an accuracy of about 0.0017 ° C. or less. In the measurement performed at room temperature, such accurate temperature control is practically impossible.
[0013]
When the distance between the reflecting surface 124a of the reference mirror 124 and the optical axis A of the objective lens 114 changes, an error occurs in the position of the pattern 110a measured by the interferometer 120.
[0014]
The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide a position measurement device and a pattern measurement device that reduce measurement errors due to heat.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a position measuring device that measures a relative displacement of a measurement object (10) with respect to an optical axis (A) of a predetermined optical system (14). 14) a reference reflecting member (24) having a reflecting surface (24a) in a first plane (Pa) including the optical axis (A), and a first on the outer periphery of the optical system (14, 14a)) A holding member (44) supported at a position intersecting the plane (Pa) and holding the reference reflecting member (24) with respect to the optical system (14); and a measurement fixed to the measurement object (20, 10) Reflecting member for measurement (28); projecting light to the reflecting member for reference (24) and the reflecting member for measurement (28), the reflecting member for reference (24) and the reflecting member for measurement (28) The optical axis of the optical system (14) and the measurement object (20, 10) using the light reflected by the reflecting surface And a measurement means for measuring (32) the relative position displacement amount. In the position measuring apparatus as described above, it is desirable to form the portion of the holding member (44) in contact with the outer periphery of the optical system (14, 14a) in a symmetrical shape with respect to the first plane (Pa).
[0016]
Further, the reference reflecting member (24) is arranged at symmetrical positions with the optical system (14) in the first plane (Pa) sandwiched therebetween, and the second reference mirror (58). And can be configured to include. At this time, the measuring means (53, 55) projects measurement light onto the first and second reference mirrors (24, 58), and the first and second reference mirrors (24, 58). It is desirable to use a two-beam bundle interferometer (66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) using reflected light from The measuring means sets the distances from the optical axis of the measurement light projected onto the first and second reference mirrors (24, 58) to be equal to each other.
[0017]
Furthermore, in another aspect of the present invention, the position of the pattern on the substrate (10) placed on the movable stage (20) using the first light irradiated through the objective lens (14). A reference reflecting member (24) having a reflecting surface (24a) in a first plane (Pa) including the optical axis (A) of the objective lens (14); and an objective lens (14) 14a), a holding member (44) supported at a position intersecting with the first plane (Pa) on the outer periphery of the reference lens and holding the reference reflecting member (24) against the objective lens (14, 14a); Measuring light (Bx, Bxm) is projected to the reflecting member for measurement (28) fixed to (10); the reflecting member for reference (24) and the reflecting member for measurement (28), and used for the reference Reflective surfaces (24a) of the reflective member (24) and the reflective member for measurement (28) Using the light reflected by 28a), and an optical axis of the objective lens (14) (A) and measuring means for measuring a relative positional displacement between the substrate (10) (32).
[0018]
[Action]
In the present invention as described above, the reference reflecting member (24) is arranged such that its reflecting surface (24a) coincides with the first plane (Pa) including the optical axis (A) of the optical system (14). Even if the optical system (14, 14a) thermally expands or contracts, the reflecting surface is arranged and supported at a position intersecting the first plane (Pa) on the outer periphery of the optical system (14a). The deviation of the measurement direction (24a) can be minimized. That is, when the optical system (14, 14a) is thermally expanded, the expansion propagates substantially uniformly in the radial direction around the optical axis (A). It will be displaced along the plane (Pa) including the axis (A). Therefore, in the present invention, the thermal displacement of the optical system (14, 14a) is propagated only in the direction parallel to the reflecting surface (24a) of the reference reflecting member (24). In other words, there is almost no displacement of the reflecting surface (24a) of the reference reflecting member (24) in the measuring direction (XL, YL), and as a result, measuring means ((14, 14a) due to thermal deformation of the optical system ( The decrease in measurement accuracy due to 32) can be suppressed.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the following examples. In this embodiment, the present invention is applied to a pattern position measuring apparatus that measures the coordinates of a pattern formed on a substrate such as a reticle.
[0020]
【Example】
FIG. 1 shows the overall configuration of the pattern position measuring apparatus according to the present embodiment. The pattern position measuring apparatus of the present embodiment measures the position (coordinates) of a pattern formed of chromium or the like on the substrate 10, and includes an illumination system (12, 14) for irradiating measurement light, and the substrate. The light receiving system (16a, 16b, 18a, 18b) that receives the scattered light from 10, the stage driving device 22 that drives the stage 20 on which the substrate 10 is placed, and the position of the stage 20 (substrate 10) are measured. It includes an interferometer system (24, 26, 28, 30, 32, 34), a main controller 40 that controls the entire pattern measuring device, and a display device 42 that displays the measurement results of the device.
[0021]
The illumination system (12, 14) includes an optical device 12 that outputs measurement laser light, and an objective lens 14 that guides the laser light emitted from the optical device 12 onto the substrate 10 as a spot. The objective lens 14 is disposed in the lens barrel 14a.
[0022]
As the substrate 10 to be measured, for example, a mask such as a reticle used in a semiconductor exposure process or a photosensitive substrate such as a wafer on which a pattern of the mask is exposed can be used. The stage 20 on which the substrate 10 is placed is configured to be movable in an XY two-dimensional plane by a stage driving device 22 controlled by the main controller 40. The laser spot emitted from the objective lens 14 is scanned on the surface of the substrate 10 by the movement of the stage 20.
[0023]
The light receiving system (16a, 16b, 18a, 18b) that receives the scattered light from the substrate 10 is disposed so as to look into the substrate 10 from obliquely above, and the substrate is scanned by relative scanning between the laser beam and the substrate 10. The scattered light or the diffracted light generated at the pattern edge on 10 is received. An electric signal corresponding to the intensity of the received light is supplied to the main controller 40.
[0024]
The interferometer system (24, 26, 28, 30, 32, 34) of the present embodiment is a biaxial interferometer system, and a system (24, 28, 32) for measuring the position of the substrate 10 in the X-axis direction. , And a system (26, 30, 34) for measuring the position in the Y-axis direction. The interferometer system (24, 28, 32) for measuring the position in the X-axis direction includes a reference mirror 24 fixed on the outer periphery of the lens barrel 14a by an attachment member 44 (see FIG. 2), and an end on the stage 20. It is composed of a long movable mirror 28 fixed to the part and an interferometer body 32. A laser light source (not shown) is provided in the interferometer body 32, and the laser light emitted from the laser light source is divided into two lights (Bx, Bxm) by a spectroscope (not shown) such as a beam splitter. Then, the divided light is projected onto the reference mirror 24 and the movable mirror 28. Then, the laser light reflected by the reference mirror 24 and the movable mirror 28 is again synthesized in the interferometer body 32, and the relative positional change between the reference mirror 24 and the movable mirror 28 is based on the interference fringes of the synthesized light. That is, the amount of movement of the stage 20 in the X direction is measured. More precisely, the X coordinate of the pattern on the substrate 10 existing on the optical axis A (see FIG. 2) of the objective lens 14 is measured based on the displacement amount of the relative position of the reference mirror 24 and the movable mirror 28. To do.
[0025]
On the other hand, the interferometer system (26, 30, 34) for measuring the position in the Y-axis direction is also fixed on the outer periphery of the lens barrel 14a by the mounting member 46 (see FIG. 2), similarly to the system in the X-axis direction. The reference mirror 26, a long movable mirror 30 fixed to an end on the stage 20, and an interferometer body 34 are configured. As with the interferometer 32, the interferometer body 34 is provided with a laser light source (not shown) inside. The laser light emitted from the laser light source is separated into two light beams by a spectroscope (not shown) such as a beam splitter. The light is divided into (By, Bym), and the divided light is projected onto the reference mirror 26 and the movable mirror 30. Then, the laser light reflected by the reference mirror 26 and the movable mirror 30 is synthesized again in the interferometer body 34, and based on the interference fringes of the synthesized light, the displacement of the relative position of the reference mirror 26 and the movable mirror 30; That is, the amount of movement of the stage 20 in the Y direction is measured. More precisely, the Y coordinate of the pattern on the substrate 10 existing on the optical axis A of the objective lens 14 is measured based on the displacement amount of the relative position of the reference mirror 26 and the movable mirror 30.
[0026]
The coordinate values on the XY plane of the pattern on the laser spot projected from the objective lens 14 are obtained by the bi-directional interferometer system (32, 34) as described above.
[0027]
FIG. 2 shows the positional relationship between the lens barrel 14a according to the first embodiment of the present invention, the reference mirrors 24 and 26, and their attachment members (44, 46). The reference mirror 24 used for position measurement in the X-axis direction is fixed to the outer periphery of the lens barrel 14a by the mounting member 44 so that the reflection surface 24a thereof coincides with the plane Pa passing through the optical axis A of the objective lens 14. Yes. The contact position (attachment position) between the attachment member 44 and the lens barrel 14a is set on the plane Pa, and the distances Dx1 and Dx2 in the X direction from the plane Pa (reflection surface 24a) to each attachment position are equal. Are arranged as follows. With this arrangement, when the lens barrel 14a is thermally expanded or contracted, the displacement propagates only in the Y-axis direction perpendicular to the X-axis. In other words, it is considered that the mounting member 44 is not rotated by the thermal displacement of the lens barrel 14a and the reflecting surface 24a of the reference mirror 24 is not displaced in the X-axis direction. For the same reason, it is desirable that the contact area between each mounting member 44 and the lens barrel 14a be as small as possible.
[0028]
On the other hand, the reference mirror 26 for position measurement in the Y-axis direction is lens-attached by the mounting member 46 so that the reflecting surface 26a coincides with a plane Pb (plane orthogonal to the plane Pa) passing through the optical axis A of the objective lens 14. It is fixed to the outer periphery of the lens barrel 14a. The contact position (attachment position) between the attachment member 46 and the lens barrel 14a is set on the plane Pb, and the distances Dy1 and Dy2 in the Y direction from the plane Pb (reflection surface 26a) to each attachment position are set. They are arranged to be equal.
[0029]
Next, the overall operation of the pattern position measuring apparatus configured as described above will be described. Before the pattern measurement is started, first, so-called calibration is performed in which the optical axis A of the objective lens 14 is aligned with a certain reference point on the substrate 10 and the measurement values by the interferometer bodies 32 and 34 at that time are zero. Do. Thereafter, the stage 20 is driven in the X and Y directions by the driving device 22 to scan the laser spot output from the optical device 12 via the objective lens 14 on the surface of the substrate 10. When the laser spot is scanned with the pattern on the substrate, scattered light (or diffracted light) is generated at the edge portion of the pattern, and the scattered light is received by the light receiving elements 16a, 16b, 18a, and 18b. In the interferometer bodies 32 and 34, relative displacement amounts in the XY directions of the substrate 10 (moving mirrors 28 and 30) and the objective lens 14 (reference mirrors 24 and 26) are measured, and the measured values are supplied to the main controller 40. To do. The main controller 40 obtains the distance between the patterns on the substrate 10 based on the position information supplied from the interferometer bodies 32 and 34 and the detection signals from the light receiving elements 16a, 16b, 18a and 18b, and displays the display device 42. To display.
[0030]
In the present embodiment as described above, the reference mirror 24 is arranged so that the reflecting surface 24a thereof coincides with the plane Pa including the optical axis A of the objective lens 14, and this is a plane on the outer periphery of the lens barrel 14a. Since the lens barrel 14a is supported at a position intersecting with Pa, even when the lens barrel 14a is thermally expanded or contracted, it is possible to minimize the deviation in the measurement direction of the reflecting surface 24a. That is, when the lens barrel 14a is thermally expanded, the expansion propagates substantially uniformly in the radial direction around the optical axis A. Therefore, the outer periphery of the lens barrel 14a is along the plane Pa including the optical axis A. Will be displaced. Accordingly, the thermal displacement of the lens barrel 14a is propagated only in the direction parallel to the reflecting surface 24a of the reference mirror 24. In other words, there is almost no displacement of the reflecting surface 24a of the reference mirror 24 in the measurement direction (X-axis direction). Thereby, the fall of the measurement precision of the interferometer 32 by the thermal deformation of the lens barrel 14a is suppressed.
[0031]
FIG. 3 is a modification (second embodiment) of the embodiment shown in FIG. 2, and a lens barrel 14a of a reference mirror 48 for position measurement in the Y-axis direction and a reference mirror 50 for position measurement in the X-axis direction. The positions of the upper mounting members 52 and 54 have been changed. That is, in this example, the laser beams Bx and By incident on the reflecting surfaces 48a and 50a of the reference mirrors 48 and 50 cross each other. Other configurations, arrangements, and the like are the same as those in the embodiment shown in FIG.
[0032]
FIG. 4 shows the positional relationship between the lens barrel 14a according to the third embodiment of the present invention, the reference mirrors (24, 26, 56, 58), and their attachment members (44, 46, 60, 62). . In this embodiment, reference mirrors 56 and 58 are further provided in addition to the reference mirrors 24 and 26 of the first embodiment shown in FIG. Further, the interferometer system (53, 55) of the present embodiment is a two-beam bundle interferometer, and two laser beams for measurement (Bx1, Bx2), (Bx1, Bx2) in each of the X-axis direction and the Y-axis direction ( By1, By2) is used. The reference mirror 56 is arranged by the attachment member 60 so that the reflection surface 56a thereof coincides with the plane Pb. The reference mirror 56 and the reference mirror 26 are arranged at symmetrical positions with respect to the optical axis A of the objective lens 14. That is, the distance Lx1 from the optical axis A of the objective lens 14 to the incident position of the laser beam By1 on the reflecting surface 26a of the reference mirror 26 and the distance Lx2 to the incident position of the laser beam By2 on the reflecting surface 56a of the reference mirror 56 Are set to be equal.
[0033]
On the other hand, the reference mirror 58 is arranged by the mounting member 62 so that the reflection surface 58a thereof coincides with the plane Pa. Similarly to the reference mirror 56, the reference mirror 58 is also arranged at a position symmetrical to the reference mirror 24 with respect to the optical axis A of the objective lens 14. That is, the distance Ly1 from the optical axis A of the objective lens 14 to the position where the laser beam Bx1 is incident on the reflecting surface 24a of the reference mirror 24 and the position where the laser beam Bx2 is incident on the reflecting surface 58a of the reference mirror 58. The distances Ly2 are set to be equal. In addition, when the distances Ly1 and Ly2 and the distances Lx1 and Lx2 cannot be made equal, it is desirable to arrange them as close as possible.
[0034]
5 and 6 schematically show the configuration of the optical system of the two-beam bundle interferometer 53. FIG. Since the interferometer 55 has the same configuration, a duplicate description is omitted. The two-beam bundle interferometer 53 is a so-called Michelson type interferometer, and the detection accuracy is improved as compared with an interferometer using a single beam bundle. The two-line beam interferometer 53 receives and detects the laser oscillator 66 that outputs the laser beam Bo, the reflection surfaces 24a and 58a of the reference mirrors 24 and 58, and the light returned from the reflection surface 28a of the movable mirror 28. A polarizing beam splitter 70 and four λ / 4 plates 72, 74, 76, 78 through which light emitted from or incident on the polarizing beam splitter 70 is transmitted. The λ / 4 plates 72 and 74 are arranged side by side in the Y direction so that the reference beams Bx2 and Bx1 pass through. The λ / 4 plates 76 and 78 are arranged side by side in the Y direction so that the measurement beams Bxm2 and Bxm1 pass below the reference beam λ / 4 plates 72 and 74, respectively.
[0035]
In the figure, the laser beam Bo emitted from the laser oscillator 66 has a polarization component (P polarization component) parallel to the paper surface of FIG. 5 and a polarization component (S polarization component) perpendicular to the paper surface. The laser beam Bo output from the laser oscillator 66 is polarized and separated into two beams by the polarization separation surface 82 (see FIG. 6) of the beam splitter 70, and one S-polarized component is reflected by the polarization separation surface 82, and is referred to. This is a beam Bx2.
[0036]
The reference beam Bx2 is reflected by the reflection surface 84 of the beam splitter 70, passes through the λ / 4 plate 72, and enters the reflection surface 58a of the reference mirror 58. The beam reflected by the reflecting surface 58 a of the reference mirror 58 is transmitted again through the λ / 4 plate 72 and becomes a P-polarized light wave and enters the beam splitter 70. The P-polarized light wave incident on the beam splitter 70 passes through the polarization separation surface 82 and enters the corner cube 80, is reflected twice in the corner cube 80, and is shifted by a distance L in the (−) Y direction in the figure. Thereafter, the process returns to the beam splitter 70. The light that has entered the beam splitter 70 passes through the polarization separation surface 82, is reflected by the reflection surface 84, passes through the λ / 4 plate 74, and then enters the reflection surface 24a of the reference mirror 24 as the reference beam Bx1. The reference beam Bx1 reflected by the reflecting surface 24a of the reference mirror 24 is again transmitted through the λ / 4 plate 74 to become an S-polarized light wave, reflected by the reflecting surface 84 and the polarization separating surface 82 of the beam splitter 70, and then transmitted to the photodetector 68. Incident.
[0037]
On the other hand, the P-polarized component of the laser beam Bo passes through the polarization separation surface 82 of the beam splitter 70 and becomes a length measurement beam Bxm2. The measurement beam Bxm2 passes through the λ / 4 plate 76, is reflected by the reflecting surface 28a of the movable mirror 28, passes through the λ / 4 plate 76 again, and then enters the beam splitter 70 as an S-polarized light wave. The S-polarized light wave incident on the beam splitter 70 is reflected by the polarization separation surface 82 and enters the corner cube 80. The light incident on the corner cube 80 is reflected twice in the corner cube 80, shifted by a distance L in the (−) Y direction in the figure, and then returned to the beam splitter 70. The light that has entered the beam splitter 70 is reflected by the polarization separation surface 82, passes through the λ / 4 plate 78, and then enters the reflection surface 28 a of the movable mirror 28 as a measurement beam Bxm 1. The length measurement beam Bxm1 reflected by the reflecting surface 28a of the movable mirror 28 is again transmitted through the λ / 4 plate 78, becomes a P-polarized light wave, passes through the polarization separation surface 82 of the beam splitter 70, and enters the photodetector 68. .
[0038]
On the photodetector 68, the reference beam Bx1 and the measurement beam Bxm1 interfere with each other, and the interference fringes are detected, whereby the position of the substrate 10 on the optical axis A of the objective lens 14 in the X-axis direction can be measured. Note that position measurement is also performed in the Y-axis direction with the same configuration and operation.
[0039]
In the two-beam bundle interferometer system described above, as shown in FIG. 4, the distance Ly1 from the optical axis A of the objective lens 14 to the position where the laser beam Bx1 is incident on the reflecting surface 24a of the reference mirror 24, and the reference mirror The distance Ly2 to the position where the laser beam Bx2 is incident on the reflection surface 58a of 58 is set to be equal. For this reason, the so-called Abbe principle can be satisfied, and the measurement accuracy is improved. For example, when the objective lens 14 (lens barrel 14a) is displaced by a slight angle about the optical axis A due to heat or mechanical error, the distance from the λ / 4 plate 72 to the reflecting surface 58a of the reference mirror 58, and λ / 4 When one of the distances from the plate 74 to the reflecting surface 24a of the reference mirror 24 decreases, the other increases. Therefore, the optical path length of the beam emitted from the laser oscillator 66 and reflected by the reflecting surfaces 58a and 24a of the two reference mirrors 58 and 24 and entering the photodetector 68 does not change. That is, the position of the substrate 10 can be measured based on the distance from the photodetector 68 to the optical axis A of the objective lens 14. For this reason, measurement reliability improves compared with the embodiment shown in FIG.
[0040]
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the technical idea of the present invention shown in the claims. Can be changed.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when the optical system (14, 14a) is thermally expanded or contracted, the deviation in the measurement direction of the reflecting surface (24a) can be minimized. As a result, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy by the measuring means (32) due to thermal deformation of the optical system (14, 14a).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram (perspective view) showing a configuration of a pattern position measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged plan view showing a configuration of a main part (reference mirror mounting member) of the pattern position measuring apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 3 is an enlarged plan view showing a configuration of a main part (reference mirror mounting member) of a pattern position measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged plan view showing a configuration of a main part (reference mirror mounting member) of a pattern position measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing the operation and principle of the embodiment shown in FIG. 4;
6 is a side view showing the operation and principle of the embodiment shown in FIG. 4, and corresponds to the plan view of FIG.
FIG. 7 is a schematic view (side view) showing a configuration of a conventional pattern position measuring apparatus.
FIG. 8 is an enlarged plan view showing a configuration of a main part (reference mirror mounting member) of a conventional pattern position measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Board | substrate 12 ... Optical apparatus 14 ... Objective lens 14a ... Lens-barrel 16a, 16b, 18a, 18b ... Light receiving element 20 ... Stage 24, 26, 48, 50, 56 58 ... Reference mirrors 24a, 26a, 48a, 50a, 56a, 58a ... Reflecting surfaces 28, 30 ... Moving mirrors 32, 34 ... Interferometer bodies 44, 46, 52, 54, 60, 62 ... (reference mirror) mounting member 40 ... main controller 53, 55 ... two-beam interferometer A ... plane containing objective lens optical axes Pa, Pb ... optical axis A

Claims

In a position measurement device that measures the relative displacement of a measurement object with respect to the optical axis of a predetermined optical system,
A reference reflecting member having a reflecting surface in a first plane including the optical axis of the optical system;
A holding member that is supported at a position intersecting the first plane on the outer periphery of the optical system and holds the reference reflecting member with respect to the optical system;
A measuring reflecting member fixed to the measuring object;
Projecting measurement light onto the reference reflecting member and the measuring reflecting member, and using the light reflected by the reflecting surfaces of the reference reflecting member and the measuring reflecting member, the optical axis of the optical system and the light A position measuring apparatus comprising: a measuring unit that measures a positional displacement amount relative to a measurement object.

The position measuring device according to claim 1, wherein a portion of the holding member that is in contact with the outer periphery of the optical system is formed in a symmetrical shape with respect to the first plane.

The reference reflecting member includes a first reference mirror and a second reference mirror disposed at symmetrical positions with the optical system in the first plane interposed therebetween. The position measuring device described.

The measurement means is a two-beam bundle interferometer that projects the measurement light onto the first and second reference mirrors and uses the reflected light from the first and second reference mirrors. The position measuring device according to claim 3.

5. The position measurement according to claim 4, wherein the measurement unit sets the distances of the measurement light projected onto the first and second reference mirrors to be equal to each other from the optical axis. apparatus.

In a pattern measurement apparatus that measures the position of a pattern on a substrate placed on a movable stage using first light irradiated through an objective lens,
A reference reflecting member having a reflecting surface in a first plane including the optical axis of the objective lens;
A holding member that is supported at a position intersecting the first plane on the outer periphery of the objective lens and holds the reference reflecting member with respect to the objective lens;
A measurement reflecting member fixed to the substrate;
By projecting measurement light onto the reference reflecting member and the measuring reflecting member, and using the light reflected by the reflecting surfaces of the reference reflecting member and the measuring reflecting member, the optical axis of the objective lens and the A pattern measuring apparatus comprising: a measuring unit that measures a positional displacement amount relative to a substrate.