JP4030960B2 - 入力ビームの方向の動的干渉分光制御 - Google Patents

Description

本発明は、リソグラフィ・スキャナまたはステッパ・システムにおいてマスク・ステージまたはウエハ・ステージなどの測定物体の角変位および線形変位を測定する変位測定および分散干渉計などの干渉計に関する。

本出願は、内容を本願明細書に援用する２００１年８月２３日出願のヘンリー Ａ．ヒル（Ｈｅｎｒｙ Ａ．Ｈｉｌｌ）の仮特許出願第６０／３１４，５７０号明細書「ＤＹＮＡＭＩＣ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＥＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＩＮＰＵＴ ＢＥＡＭ」に対する優先権を主張する。

変位測定干渉計は、光学干渉信号に基づいて、基準物体に対する測定物体の位置変化を監視する。干渉計は、測定物体から反射された測定ビームを、基準物体から反射された基準ビームと重ね合わせて、干渉させることによって、光学干渉信号を生成する。

多くの応用分野では、測定ビームおよび基準ビームは、直交偏光および異なる周波数を有する。この異なる周波数は、たとえば、レーザ・ゼーマン分裂によって、音響光学変調によって生成することが可能であり、または、複屈折要素などを使用するレーザに内在することがある。直交偏光により、偏光ビーム分割器は、測定ビームおよび基準ビームをそれぞれ測定物体および基準物体に向けて、反射測定ビームと反射基準ビームとを組み合わせて、重なっている外出測定ビームおよび外出基準ビームを形成することが可能になる。重なり外出ビームは、後に偏光器を通過する出力ビームを形成する。

偏光器は、外出測定ビームおよび外出基準ビームの偏光を混合して、混合ビームを形成する。混合ビームの外出測定ビーム成分と外出基準ビーム成分とは、互いに干渉し、したがって、混合ビームの強度は、外出基準ビームと外出基準ビームとの相対位相と共に変化する。検出器が、混合ビームの時間依存強度を測定して、その強度に比例する電気干渉信号を生成する。測定ビームおよび基準ビームが異なる周波数を有するので、電気干渉信号は、外出測定ビームおよび外出基準ビームの周波数の差に等しいうなり周波数を有する「ヘテロダイン」信号を含む。測定経路長および基準経路長が、測定物体を含むステージを並進させることなどによって、互いに関して変化している場合、測定うなり周波数は、２νｎｐ／λに等しいドップラー・シフトを含む。νは、測定物体と基準物体との相対速度、λは、測定ビームおよび基準ビームの波長、ｎは、光ビームが通過する空気または真空などの媒体の屈折率、ｐは、基準物体および測定物体への通路の数である。測定物体の相対位置の変化は、測定干渉信号の位相の変化に対応し、２πの位相変化は、λ／（ｎｐ）の距離変化Ｌにほぼ等しい。Ｌは、測定物体を含むステージまでの距離変化およびステージからの距離変化など、往復の距離変化である。

残念ながら、この等価性は、常に正しいとは限らない。さらに、測定干渉信号の振幅は、変化することがある。可変振幅は、後に、測定位相変化の精度を低下させる可能性がある。多くの干渉計は、「周期エラー」として知られるような非線形性を含む。周期エラーは、測定干渉信号の位相および／または強度に対する寄与として表すことが可能であり、光路長ｐｎＬの変化に対する正弦波依存を有する。具体的には、位相の第１高調波周期エラーは、（２πｐｎＬ）／λに対する正弦波依存を有し、位相の第２高調波周期エラーは、２（２πｐｎＬ）／λに対する正弦波依存を有する。より高次の高調波周期エラーが存在することもある。

基準ビーム成分の波面および測定ビーム成分の波面が、波面エラーを有するとき、干渉計の出力ビームの基準ビーム成分と測定ビーム成分との間の横方向変位の変化によって生じるような「非周期性非線形性」も存在する。ビーム成分間の横方向変位は、「相対ビーム・シヤー(beam shear)」または「差分ビーム・シヤー」とも呼ばれる。相対ビーム・シヤーは、以下の理由により、非周期性、非線形性を生じる。

干渉計光学機器の不均一部分により、基準ビームおよび測定ビームにおいて波面エラーが生じることがある。基準ビームおよび測定ビームが、そのような不均一部分を通って互いに共線的に伝播するとき、結果的な波面エラーは同一であり、干渉信号への寄与は互いに打ち消しあう。しかし、より一般的には、出力ビームの基準ビーム成分および測定ビーム成分は、互いに横方向に変位している、すなわち、相対ビーム・シヤーを有する。そのようなビーム・シヤーにより、波面エラーは、出力ビームから導出される干渉信号にエラーを与える。

さらに、多くの干渉分光システムでは、相対ビーム・シヤーは、測定物体の位置または角度配向が変化する際に変化する。たとえば、相対ビーム・シヤーの変化は、平面ミラー測定物体の角度配向の変化によって導入されることがある。さらに、測定物体の角度配向が変化することにより、干渉信号において対応するエラーが生成される。

相対ビーム・シヤーおよび波面エラーの影響は、電気干渉信号を生成する目的で、成分の偏光状態に関して出力ビームの成分を混合して、混合出力ビームを検出するために使用される手順に依存する。混合出力ビームは、たとえば、混合ビームを検出器の上に集束させない検出器によって、混合出力ビームを検出器の上に集束されたビームとして検出することによって、または混合出力ビームを単一モードまたはマルチモード光ファイバの中に放出して、光ファイバによって伝達された混合出力ビームの一部を検出することによって、検出することが可能である。相対ビーム・シヤーおよび波面エラーの影響は、混合出力ビームを検出する手順においてビーム・ストップが使用される場合、ビーム・ストップの特性にも依存する。一般に、干渉信号のエラーは、光ファイバを使用して混合出力ビームを検出器に伝達するとき、複雑になる。

測定干渉信号の振幅の変化は、いくつかの機構の正味の結果であることがある。１つの機構は、たとえば測定物体の配向変化の結果である出力ビームの基準成分と相対成分との相対ビーム・シヤーである。

「相対ビーム・シヤー」の他に、ビーム全体の平均的な横方向位置の変化を表す「平均ビーム・シヤー」または「共通モード・シヤー」にも言及することがあることに留意されたい。たとえば、いくつかの干渉分光構成では、ビーム全体として（基準成分および測定成分の両方を含む）、測定物体の配向の変化に応答して、またはフォールド・ミラーの配向の変化に応答して、横方向位置に変化する可能性がある（「共通モード・ビーム・シヤー」）。

分散測定の応用分野では、光路長の測定は、５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍなど、複数の波長において実施され、距離測定干渉計の測定経路における気体の分散を測定するために使用される。分散測定は、距離測定干渉計によって測定した光路長を物理的な長さに変換する際に使用することが可能である。そのような変換は重要なことがあるが、その理由は、測定物体までの物理的な距離が変化しない場合でも、気体の乱流によって、および／または測定アームにおける気体の平均密度の変化によって、測定光路長が変化することがあるからである。

干渉計は、測定ビームを平面測定ミラーに対してほぼ直交させて維持し、かつ検出器への出力ビームの測定ビーム成分と基準ビーム成分との横方向ビーム・シヤーを最小限に抑えるように構成することが可能である。この干渉計は、測定平面ミラーの配向の変化に応答して入力ビームを向け直すために、動的ビーム・ステアリング要素を使用する。干渉計は、単一通路干渉計として構成することが可能である。干渉計は、平面ミラーの変位および配向変化を測定するように構成する、または平面ミラーの変位および配向変化を測定するための入力ビームが供給される単一通路干渉計の組合わせで構成することがさらに可能である。

干渉計は、微分角変位干渉計および／または角変位干渉計と併用することが可能である。微分角変位干渉計は、干渉計を出る測定ビームおよび基準ビームの伝播方向の差を監視する。角変位干渉計は、外出測定ビームまたは外出基準ビームの伝播方向、あるいはこれらのビームの平均的な伝播方向を監視する。測定平面ミラーの配向が変化することにより、微分角変位干渉計および／または角変位干渉計において干渉信号の位相が変化することがある。したがって、これらの位相変化に応答して、動的要素を調整することがある。

さらに、干渉計は、位置決めシステムの一部としてマイクロリソグラフィまたはビーム書込みツールに組み込むことが可能である。
１態様では、本発明は、動作中に、入力ビームを受け取り、入力ビームを測定ビームおよび他のビームに分離し、測定ビームを測定物体と接触するように向け、測定ビームが測定物体から反射された後、測定ビームを他のビームと重ね合わせて、出力ビームを形成する干渉計を含む干渉分光システムを特徴とする。干渉分光システムには、また、入力ビームを干渉計に向け、かつ出力ビームと接触しないように位置決めされたビーム・ステアリング要素を有するビーム・ステアリング部品と、ビーム・ステアリング要素を干渉計に対して選択的に配向させる電子位置決めシステムとが含まれる。干渉分光システムは、位置決めシステムに結合された制御回路をさらに含み、制御回路は、動作中、位置決めシステムに、出力ビームから導出された情報に基づいてビーム・ステアリング要素を再配向させる。

干渉分光システムの実施態様は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことが可能である。
制御回路は、信号プロセッサを含むことが可能である。信号プロセッサは、動作中、出力ビームから導出された情報に基づいて、測定物体の角度配向の変化を計算する。動作中、制御回路は、位置決めシステムに、測定物体の角度配向の変化に応答してビーム・ステアリング要素を再配向させることが可能である。代替として、または追加として、制御回路は、位置決めシステムに、測定ビームの方向または位置の変化に基づいてビーム・ステアリング要素を再配向させることが可能である。

干渉計は、測定物体と１回または複数回接触するように、測定ビームを向けることが可能である。
いくつかの実施形態では、測定物体は、平面ミラーである。これらの実施形態では、ビーム・ステアリング部品は、平面ミラーの配向範囲について、測定ビームを平面ミラーに対して直交させることが可能である。

ビーム・ステアリング部品は、出力ビームにおける測定ブームと他のビームとの伝播方向の差を最小限に抑えるために、出力ビームの変化に応答して、入力ビームの伝播方向を変化させることが可能である。

制御回路は、微分角変位干渉計を含むことが可能である。微分角変位干渉計は、動作中に、出力ビームにおける測定ビームと他のビームとの伝播方向の差に関係する干渉信号を生成する。この干渉信号は、出力ビームの測定ビームと他のビームとの第１面における伝播方向の差に関係することがある。いくつかの場合では、干渉信号は、測定物体の配向に関係することがある。干渉分光システムは、第２微分角変位干渉計をも含むことが可能であり、第２微分角変位干渉計は、動作中に、第１面に垂直な第２面における出力ビームの測定ビームと少なくとも１つの他のビームとの伝播方向の差に関係する干渉信号を生成する。

微分角変位干渉計を含む実施形態では、干渉分光システムは、ビーム・スプリッタを含むことが可能である。ビーム・スプリッタは、動作中に、出力ビームから２次出力ビームを導出して、２次出力ビームを微分角変位干渉計に向ける。動作中、微分角変位干渉計は、２次出力ビームを第１成分および第２成分に分割して、第１成分および第２成分を第１経路および第２経路に沿って向け、第１成分と第２成分とを検出器において重ね合わせる。重ね合わされた第１成分および第２成分により、検出器は、出力ビームの伝播方向に関係する干渉信号を生成することが可能である。微分角変位干渉計は、エタロンを含むことが可能であり、エタロンを通る２次出力ビームの透過は、出力ビームの伝播方向に関係することがある。

微分角変位干渉計に対する代替として、または微分角変位干渉計の他に、制御回路は、角変位干渉計を含むことが可能である。角変位干渉計は、動作中、出力ビームの伝播方向に関係する干渉信号を生成する。

干渉分光システムは、追加の要素を含むことが可能である。たとえば、該システムは、光源が、動作中、入力ビームをビーム・ステアリング部品に向けるように、ビーム・ステアリング部品に対して位置決めされた光源を含むことが可能である。他の例として、干渉分光システムは、干渉計の出力ビームを受け取るように位置決めされた検出器を含むことが可能である。

上記の特徴のいずれかを含む干渉分光システムは、他のシステムに組み込むことが可能である。たとえば、干渉分光システムは、集積回路をウエハの上に製造する際に使用するリソグラフィ・システムに含むことが可能である。そのような干渉分光システムには、干渉分光システムに加えて、ウエハを支持するステージと、空間的にパターン化された放射をウエハの上に撮像するための照明システムと、撮像放射に対するステージの位置を調節する位置決めシステムとを含むことが可能である。干渉分光システムは、撮像放射に対するウエハの位置を監視するために使用される。

集積回路をウエハの上に製造する際に使用するリソグラフィ・システムの他の例には、ウエハを搭載するステージと、放射ソース、マスク、位置決めシステム、レンズ部品、および干渉分光システムを含む照明システムとが含まれる。動作中、ソースは、空間的にパターン化された放射を生成するように、マスクを通して放射を向け、位置決めシステムは、ソースからの放射に対するマスクの位置を調節し、レンズ部品は、空間的にパターン化された放射をウエハの上に撮像し、干渉分光システムは、ソースからの放射に対するマスクの位置を監視する。

集積回路を製造するリソグラフィ・システムの他の例には、第１構成要素および第２構成要素が含まれ、第１構成要素および第２構成要素は、互いに関して、および干渉分光システムに対して可動である。干渉分光システムは、第２構成要素に固定され、測定物体は、第１構成要素に剛性に固定される。動作中、干渉分光システムは、第２構成要素に対する第１構成要素の位置を測定する。

干渉分光システムは、リソグラフィ・マスクの製造に使用するビーム書込みシステムに包含することも可能である。そのようなンシステムには、基板をパターン化するために書込みビームを提供するソースと、基板を支持するステージと、書込みビームを基板に送達するためのビーム方向付け部品と、ステージとビーム方向付け部品とを互いに関して位置決めする位置決めシステムと、ビーム方向付け部品に対するステージの位置を監視する干渉分光システムとを含むことが可能である。

一般に、他の態様では、本発明は、干渉計に入る前にビーム・ステアリング要素と接触するように入力ビームを向け、向けられた入力ビームを測定ビームおよび少なくとも１つの他のビームに分割し、測定物体から少なくとも１回反射されるように、測定ビームを向け、反射測定ビームと少なくとも１つの他のビームとを重ね合わせて、ビーム・ステアリング要素に接触しない出力ビームを形成し、出力ビームから導出された情報に基づいて、ビーム・ステアリング要素を電子的に再配向させることを含む干渉分光法を特徴とする。

上記で記述した特徴のいずれかを含む上述した干渉分光システムは、干渉分光法を実施するように適合させることが可能である。同様に、干渉分光法は、干渉分光システムの特徴のいずれかをさらに含むことが可能である。該方法は、リソグラフィおよび／またはビーム書込みシステムの動作の一部として実施することが可能である。たとえば、リソグラフィ法は、ウエハを空間的にパターン化された放射に露光させるために、リソグラフィ・システムの第２構成要素に対してリソグラフィ・システムの第１構成要素を位置決めし、干渉分光法を使用して、第２構成要素に対する第１構成要素の位置を測定することを含むことが可能である。この場合、第１構成要素は、測定物体を含む。他の例として、リソグラフィ・マスクの製造に使用するビーム書込み法は、基板をパターン化するために、書込みビームを基板に向け、基板を書込みビームに対して位置決めし、干渉分光法を使用して書込みビームに対する基板の位置を測定することを含むことが可能である。

上記で記述した干渉分光システムおよび干渉分光法の実施形態は、多くの利点を含む。
たとえば、該システムは、測定物体の配向の範囲にわたって、外出基準ビームおよび外出測定ビームを互いにほぼ平行に維持することが可能であり、測定物体への測定ビームの単一の通路のみでそれを実施することが可能である。単一通路システムにより、２重通路干渉計と比較して、ドップラー・シフトを有する電気干渉信号を処理するために必要な電子光学機器の帯域幅が低減される。さらに、単一通路システムにより、２重通路干渉計と比較して、干渉計内における偏光解消、散乱、および透過光学機器からの望ましくない偽反射の可能性が低減される。そのような影響は、電気干渉信号の測定位相において、周期エラーなどのエラーを導入することがある。

さらに、該システムは、測定物体の角度配向または位置の変化によって生じる干渉計内における外出基準ビームと外出測定ビームとの横方向変位、または基準ビーム成分と測定ビーム成分との横方向変位を最小限に抑えることが可能である。その結果、混合された外出基準ビームおよび外出測定ビームから生成された電気干渉信号の平均振幅は、測定物体の角度配向および位置の変化にほぼ無関係とすることが可能である。さらに、該システムは、測定物体の角度配向または位置の変化によって生じる、偏光ビーム・スプリッタおよび方形波プレートなどの干渉計の透過光学機器を通る測定ビームおよび基準ビームの経路の変化を低減する。そのような透過光学機器は、表面の形態が不完全で、屈折率が局所的に変化することがある。したがって、測定物体と干渉計との距離が変化しない場合でも、そのような光学機器を通るビームの経路が変化することにより、干渉計によって測定された光路長が変化することがある。そのような負の効果は、透過光学機器がウエッジによって生成されるような分散特性を有する場合、複雑になることがある。

他の定義がされていない限り、本明細書において使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書において記述する方法およびシステムと同様または等価な方法およびシステムを、本発明を実施または試験する際に使用することが可能であるが、適切な方法およびシステムについて以下で記述する。本明細書において記載するすべての刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献を、本願明細書に援用する。相容れない場合は、定義を含めて、本明細書が統制する。さらに、該システム、方法、および例は、単なる例示であり、限定を意図していない。

本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な記述および請求項から明らかになるであろう。
添付の図面を参照して、単に例として、本発明について以下でさらに記述する。

様々な図面の同じ参照記号は、同じ要素を指す。

図１Ａは、平面ミラー測定物体の変位の変化を測定および監視する、本発明の第１実施形態による装置および方法の概略的な形態を示す。この場合、干渉分光システムの測定ビームの伝播方向は、平面ミラーにほぼ直交し、干渉計システムにおいては、ビーム・シヤーはほぼ存在しない。測定物体の配向は、変化する可能性がある。第１実施形態の干渉計システムは、３１０で図１Ａにおいて全体的に示す動的ビーム・ステアリング要素を有する偏光ヘテロダイン単一通路干渉計と、微分角変位干渉計３５０とからなる。第１実施形態は、ヘテロダイン・システムからなるが、本発明は、基準ビームおよび測定ビームが、あらゆるドップラー・シフトが導入される前には同じ周波数を有するホモダイン・システムにおいて使用するように容易に適合される。

本発明の第１実施形態は、測定物体ミラー３９４の変位を測定し、測定ビーム３２８の伝播方向は、図１Ａの面におけるミラー３９４の配向の変化に関係なく、ミラー３９４の反射表面に直交する。さらに、単一通路干渉計３１０および微分角変位干渉計３５０においては、基準ビームと測定ビームとのシヤーはほぼ存在しない。さらに、ミラー３９４における測定ビーム３２８のシヤーは、測定物体の配向の変化および干渉計と測定物体との距離について等価な条件に対し、平面ミラー測定物体では、２重通路平面ミラー干渉計の第２通路測定ビーム・シヤーの４分の１である。

図１Ａを参照すると、レーザなどのソース３２０は、様々な周波数変調装置および／またはレーザのいずれかとすることが可能である。たとえば、レーザは、当業者には既知の様々な従来の技術のいずれかにおいて安定したＨｅ−Ｎｅレーザなどのガス・レーザとすることが可能である（たとえば、Ｔ．ベア（Ｂａｅｒ）ら、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ０．６３３μｍ Ｈｅ−Ｎｅ−ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ Ｚｅｅｍａｎ Ｌａｓｅｒ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１９、３１７３〜３１７７ページ（１９８０）、１９７５年６月１０日発行のバーグワルド（Ｂｕｒｇｗａｌｄ）他の米国特許第３，８８９，２０７号明細書、１９７２年５月９日発行のスタンドストローム（Ｓｔａｎｄｓｔｒｏｍ）他の米国特許第３，６６２，２７９号明細書参照）。

代替として、レーザは、当業者には既知の様々な従来の技術において安定なダイオード・レーザ周波数とすることが可能である（たとえば、Ｔ．オオコシ（Ｏｋｏｓｈｉ）およびＫ．キクチ（Ｋｉｋｕｃｈｉ）、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ ｆｏｒ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ−ｔｙｐｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１６、１７９〜１８１ページ（１９８０）、Ｓ．ヤマグチ（Ｙａｍａｑｇｕｃｈｉ）およびＭ．スズキ（Ｓｕｚｕｋｉ）、「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｓａｔｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ ｏｆ ａｎ ＡｌＧａＡｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ ｂｙ Ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｏｇａｌｖａｎｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｋｒｙｐｔｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ＱＥ−１９、１５１４〜１５１９ページ（１９８３）参照）。

以下の技術の１つを使用することによって、２つの光周波数を生成することが可能である：（１）ゼーマン分裂レーザの使用（たとえば、１９６９年６月２９日発行のバグリー（Ｂａｇｌｅｙ）他の米国特許第３，４５８，２５９号明細書、Ｇ．バウハウス（Ｂｏｕｗｈｕｉｓ）、「Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｅ Ｍｉｔ Ｇａｓｌａｓｅｒｓ」、Ｎｅｄ．Ｔ．Ｎａｔｕｕｒｋ、３４、２２５〜２３２ページ（１９６８年８月）、１９７２年４月１８日発行のバグリー（Ｂａｇｌｅｙ）他の米国特許第３，６５６，８５３号明細書、Ｈ．マツモト（Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ）、「Ｒｅｃｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｌａｓｅｒｓ」、Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、６（２）、８７〜９４ページ（１９８４）参照）；（２）１対の音響光学ブラッグ・セルの使用（たとえば、Ｙ．オオツカ（Ｏｈｔｓｕｋａ）およびＫ．イトウ（Ｉｔｏｈ）、「Ｔｗｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｓｍａｌｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ａ Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒａｎｇｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１８（２）２１９〜２２４ページ（１９７９）、一般に所有されているＮ．マッシー（Ｍａｓｓｉｅ）他、「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄｓ Ｗｉｔｈ ａ ６４−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２２（１４）、２１４１〜２１５１（１９８３）、一般に所有されているＹ．オオツカ（Ｏｈｔｕｓｋａ）およびＭ．ツボカワ（Ｔｓｕｂｏｋａｗａ）、「Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｗｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ Ｓｍａｌｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１６、２５〜２９ページ（１９８４）、マツモト（Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ）、同書、１９９６年１月１６日発行のＰ．ダークセン（Ｄｉｒｋｓｅｎ）他の米国特許第５，４８５，２７２号明細書、Ｎ．Ａ．リザ（Ｒｉｚａ）およびＭ．Ｍ．Ｋ．ハウラダー（Ｈｏｗｌａｄｅｒ）、「Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｌｏｗ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．３５（４）、９２０〜９２５ページ（１９９６）、一般に所有、参照）；（３）単一音響光学ブラッグ・セルの使用（たとえば、１９８７年８月４日発行のＧ．Ｅ．ソマーグレン（Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎ）の米国特許第４，６８４，８２８号明細書、１９８７年８月１８日発行のＧ．Ｅ．ソマーグレン（Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎ）の米国特許第４，６８７，９５８号明細書、Ｐ．ダークセン他、同書参照）；（４）乱雑偏光ＨｅＮｅレーザの２つの縦方向モードの使用（たとえば、Ｊ．Ｂ．ファーガソン（Ｆｅｒｇｕｓｏｎ）およびＲ．Ｈ．モリス（Ｍｏｒｒｉｓ）、「Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｃｏｌｌａｐｓｅ ｉｎ ６３２８Å ＨｅＮｅ Ｌａｓｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１７（１８）、２９２４〜２９２９ページ（１９７８）、一般に所有参照）；（５）レーザに内在する複屈折要素などの使用（たとえば、Ｖ．エトホフ（Ｅｖｔｕｈｏｖ）およびＡ．Ｅ．シーグマン（Ｓｉｅｇｍａｎ）、「Ａ 「Ｔｗｉｓｔｅｄ−Ｍｏｄｅ」 Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｏｂｔａｉｎｉｎｇ Ａｘｉａｌｌｙ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ａ Ｌａｓｅｒ Ｃａｖｉｔｙ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、４（１）、１４２〜１４３ページ（１９６５）参照）；または本願明細書に援用する一般に所有されている（Ｈｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）およびＰｅｔｅｒ ｄｅ グルート（Ｇｒｏｏｔ）の米国特許第６，２３６，５０７Ｂ１号明細書「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｔｏ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｔｗｏ Ｎｏｎ−Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎｔｏ Ｔｗｏ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」およびＨｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）の米国特許第６，１５７，６６０号明細書「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｌｉｎｅａｒｌｙ−Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｂｅａｍｓ」に記載されているシステムの使用。

ビーム３２２のソース３２０に使用される専用装置は、ビーム３２２の直径および発散を決定する。ダイオード・レーザなどのいくつかのソースでは、それに続く要素に対して、適切な直径および発散を有するビーム３２２を提供するために、従来の顕微鏡対物レンズなど、従来のビーム成形光学機器を使用することが必要である可能性が高い。たとえば、ソースがＨｅＮｅレーザであるときは、ビーム成形光学機器は必要でない可能性がある。

図１Ａに示すように、ビーム３２２は、ミラー３４４によってビーム３２４として反射される。入力ビーム３２４は、動的ビーム・ステアリング要素３７２を備える干渉計３１０に入射して、動的ビーム・ステアリング要素３７２によってビーム３２６として反射される。ビーム３２６の測定ビーム成分は、測定ビーム３２８の成分として、偏光境界面２３６、偏光ビーム・スプリッタ３７４Ａ、および方形波位相遅延プレート３７６Ａによって順次透過される。測定ビーム３２８の戻り成分は、４分の１波位相遅延プレート３７６Ａと、半波位相遅延プレート３７６Ｂと、偏光境界面２３６とからなる要素によって透過された後、ならびに偏光ビーム・スプリッタ３７４Ａおよびミラー３７４Ｂによって反射された後、出力ビーム３３０の測定ビーム成分として、干渉計３１０を出る。４分の１波遅延プレート３７６Ａは、位相遅延プレート３７６Ａを通る２重通路を通過する際に測定ビームの偏光面を９０度回転させるように配向される。半波位相遅延プレート３７６Ｂは、位相遅延プレート３７６Ｂを通る単一通路を通過する際に測定ビームの偏光面を９０度回転させるように配向される。

ビーム３２６の基準ビーム成分は、出力ビーム３３０の基準ビーム成分として、偏光境界面３３６によって２回反射され、逆反射器２４０によって１回反射される。
出力ビーム３３０の第１部分は、第１出力ビーム３３４としてビーム・スプリッタ３７８Ａによって反射される。出力ビーム３３０の第２部分は、第２出力ビーム３３６としてビーム・スプリッタ３７８Ａによって透過される。第１出力ビーム３３４は、微分角変位干渉計３５０に入射し、第２出力ビーム３３６は、検出器３４６に入射する。

分析装置３７８Ａは、反射ビーム３３４および透過ビーム３３６において、ビーム３３０の基準ビーム成分と測定ビーム成分とを合成するように配向された偏光ビーム・スプリッタからなる。ビーム３３４の伝播方向は、実際には、図１Ａの面に対して４５度の角度にある。しかし、本発明の重要な特徴の記述を損なわずに、図１Ａの第１実施形態の概略的な表示を簡単にするために、分析装置３７８Ａの配向は、図１Ａでは、図１Ａの面でビーム３３４が反射するものとして示されている。

干渉計３１０は、ビーム３３０の測定ビーム成分と基準ビーム成分との間に位相シフトφ₁を導入し、したがって、ビーム３３０は、位相シフト・ビームである。同じ位相シフトφ₁が、ビーム３３４および３３６の測定ビーム成分と基準ビーム成分との間に導入される。位相シフトφ₁の大きさは、下式によれば、測定経路および基準経路の物理的な往復距離２Ｌ₁の差に関係する。

φ₁＝２ｋ₁Ｌ₁ｎ₁ （１）
上式で、ｎ₁は、測定経路における気体の屈折率の平均である。
出力ビーム３３４は、微分角変位干渉計３５０に入射する。微分角変位干渉計の例について、以下で詳細に記述する。微分角変位干渉計３５０は、出力ビーム３３４の測定ビーム成分と基準ビーム成分との相対的な位相シフトφ₂を導入するために使用される微分角変位干渉計である。相対位相シフトφ₂は、微分角変位干渉計３５０の配向によって画定される面における第２出力ビーム３３４の測定ビーム成分と基準ビーム成分との伝播方向の差α₁に関係する。相対位相シフトφ₂は、後に測定されて、サーボ制御システムにおいてエラー信号として使用され、サーボ制御信号は、角度α₁がゼロにほぼ等しい値に維持されるように、動的ビーム・ステアリング要素３７２の配向を制御する。サーボ制御システムは、微分角変位干渉計によって測定された相対位相シフトから、測定物体の角度配向の変化を計算する信号プロセッサを有する制御回路を含む。記述した実施形態のエラー信号は、微分角変位干渉計から導出されるが、他の装置を使用して、エラー信号を生成することも可能である。たとえば、直角位相検出器またはＣＣＤカメラを使用して、出力ビームからエラー信号を生成することが可能である。

出力ビーム３３６は、混合ビームであり、電気干渉信号またはヘテロダイン信号３４８を生成するために、検出器３４６によって検出される。検出器３４６は、量子光子検出器であることが好ましく、ヘテロダイン信号３４８は、ヘテロダイン位相φ₁を含む。ヘテロダイン信号３４８は、分析装置３５４に伝送される。分析装置３５４は、位相計を備え、位相計およびソース３２０からの基準位相を使用してヘテロダイン位相φ₁を獲得する。分析装置３５４は、式（１）を使用してミラー３９４の変位の変化を計算するプロセッサを更に備える。

分析装置３５４は、ソース３２０からの基準位相を使用して位相計によって、ヘテロダイン信号３５３から位相（φ₁＋φ₂）を抽出するプロセッサを備える。分析装置３５４は、測定位相（φ₁＋φ₂）とφ₁との差からφ₂を計算する。分析装置３５４は、次に、計算したφ₂から角度差α₁を計算する。測定角度差α₁は、サーボ制御信号３８２を生成するために、信号３６２としてサーボ制御装置３８０に伝達される。サーボ制御信号３８２は、図１Ａの面において動的ビーム・ステアリング要素３７２の配向を制御する変換器３７０Ａおよび３７０Ｂに伝送される。動的ビーム・ステアリング要素３７２のサーボ制御の効果は、物体ミラー３９４の配向が変化し、それに応じて測定ビーム３２８の方向が変化する際に、
α₁＝０ （２）
を維持するように、要素３７２の配向をサーボ制御することである。条件α₁＝０が満たされているとき、ビーム３２８の伝播方向は、物体ミラー３９４の反射表面に垂直である。

本発明の第２実施形態は、第１実施形態の図１Ａによって概略的に示されるが、角度検出器３５０が、２つの直交方向においてビームの伝播方向の変化を検出する角度検出器によって置き換えられる点が異なる。第２実施形態は、平面ミラー３９４の線形変位を測定し、この場合、測定ビーム３２８の伝播方向は、図１Ａの面および図１の面に直交する面におけるミラー３９４の配向の変化とは無関係に、ミラー３９４の表面に直交する。単一通路干渉計３１０では、基準ビームと測定ビームとのシヤーはほぼ存在せず、微分角変位干渉計システムが、微分角変位干渉計３５０に置き換えられている。さらに、ミラー３９４における測定ビーム３２８のシヤーは、測定物体の配向の変化および干渉計と測定物体との距離に関して等価な条件に対し、平面ミラー測定物体においては、２重通路平面ミラー干渉計の第２通路測定ビーム・シヤーの４分の１である。

出力ビーム３３４は、ビーム・スプリッタ部品１１２０に入射して、ビーム１３３４および２３３４として透過される（図１Ｂ参照）。ビーム・スプリッタ部品１１２０は、非偏光ビーム・スプリッタ１０１６と、プリズム１１１８と、ロムボイド１０１８とからなる。ロムボイド１０１８は、図１Ｂでは２つの直角プリズムとして分離して示されており、非偏光ビーム・スプリッタ１０１６によって透過されたビーム３３４の成分をビーム１３３４として変換する。ロムボイド１０１８は、入力ビームの偏光面を回転させず、したがって、ビーム１３３４の偏光は、非偏光ビーム・スプリッタ１０１６によって透過されたビームの偏光と同じである。さらに、ビーム３３４の対応する成分の伝播方向の変化から得られるビーム１３３４の伝播方向の変化も同じである。

プリズム１１１８は、入射ビームの伝播方向を９０度変化させるように構成された２つの直角プリズムからなる（図１Ｂ参照）。これにより、非偏光ビーム・スプリッタ１０１６とプリズム１１１８との組合わせは、入力ビームの伝播方向の変化を９０度変化させて、入力ビームの偏光面を９０度回転させる。その結果、ビーム３３４および１００９によって画定される面に直交する入力ビームの偏光は、９０度回転され、出力ビーム２３３４の偏光は、面に平行になる。さらに、面に直交する入力ビーム３３４の成分の角変位は、面に平行なビーム２３３４の角変位をもたらす。

ビーム１３３４および２３３４は、図１Ｃに示すように、微分角変位干渉計１３５０および２３５０に入射して、それぞれ出力ビーム１３３６および２３３６として、微分角変位干渉計１３５０および２３５０を出る。出力ビーム１３３６および２３３６は、検出器１３４６および２３４６によってそれぞれ検出されて、信号１３５３および２３５３をそれぞれ生成する。

干渉計１３５０は、ビーム１３３６の測定ビーム成分と基準ビーム成分との間に移動φ₂を導入する。同様に、干渉計２３５０は、ビーム２３３６の測定ビーム成分と基準ビーム成分との間に位相φ₂₀を導入する。相対位相シフトφ₂₀は、α₁によって表した面に直交する面における第２出力ビーム３３４の測定ビーム成分と基準ビーム成分との伝播方向の差α₁₀に関係する。

したがって、ヘテロダイン信号１３５３および２３５３は、図１Ｃの面に平行なビーム３３４の角変位と、図１Ｃの面に直交するビーム３３４の角変位とに関する情報を含む。図１Ｃの面は、図１Ａの面と共役である。

ヘテロダイン信号１３５３の位相（φ₁＋φ₂）および２３５３の位相（φ₁＋φ₂₀）は、ソース３２０からの基準位相を使用して、分析装置３５４の位相計によって測定される。分析装置３５４は、φ₂およびφ₂₀をそれぞれ差［（φ₁＋φ₂）−φ₁］および［（φ₁＋φ₂₀）−φ₁］として計算する。分析装置は、次に、計算したφ₂およびφ₂₀から角度差α₁およびα₁₀をそれぞれ計算する。測定角度差α₁およびα₁₀は、サーボ制御信号３８２を生成するために、信号３６２としてサーボ制御装置３８０に伝送される。サーボ制御信号３８２は、変換器３７０Ａ、３７０Ｂおよび図１Ａには示されていない第３変換器に伝送され、これらの変換器は、図１Ａの面と図１Ａの面に直交する面とにおいて、動的ビーム・ステアリング要素３７２の配向を制御する。動的ビーム・ステアリング要素３７２のサーボ制御の作用は、物体ミラー３９４の配向が変化し、それに応じて測定ビーム３２８の伝播方向が変化する際に、
α₁＝０， （３）
α₁₀＝０
を維持するように、要素３７２の配向をサーボ制御することである。条件α₁＝０およびα₁₀＝０が満たされているとき、ビーム３２８の伝播方向は、２つの直交する面における物体ミラー３９４の反射表面に垂直である。

第２実施形態の残りの記述は、第１実施形態について与えた記述の対応する部分と同じである。
図２は、平面ミラー測定物体の面における変位および配向の変化を測定および監視する、本発明の第３実施形態による装置および方法の概略的な形態を示す。この場合、測定ビームの伝播方向は、平面ミラーにほぼ直交する。第３実施形態の干渉計システムは、３１０で図２において全体的に示す動的ビーム分割要素を有する偏光ヘテロダイン単一通路干渉計と、微分角変位干渉計３５０と、角変位干渉計３５８とからなる。

本発明の第３実施形態は、第１実施形態の同じ符合の要素と同様の機能を実施する第１実施形態の多くの要素からなる。第３実施形態は、ある面におけるミラー３９４の線形変位およびミラー３９４の配向の変化を測定し、その面における測定ビーム３２８の伝播方向は、その面におけるミラー３９４の配向の変化とは関係なく、ミラー３９４の表面に直交する。さらに、単一通路干渉計３１０および角変位干渉計３５０および３５８には、基準ビームと測定ビームとのシヤーはほぼ存在しない。さらに、ミラー３９４における測定ビーム３２８のシヤーは、測定物体の配向の変化および干渉計と測定物体との距離に関して等価な条件に対し、平面ミラー測定物体では、２重通路平面ミラー干渉計の第２通路測定ビーム・シヤーの４分の１である。

出力ビーム３３０の第１部分は、図２に示すように、非偏光ビーム・スプリッタ３７８Ｂによって第１出力ビーム３３２として反射される。出力ビーム３３０の第２部分は、非偏光ビーム・スプリッタ３７８Ｂによって透過され、出力ビーム３３０の第１部分は、分析装置３７８Ａによって第２出力ビーム３３３４として反射される。非偏光ビーム・スプリッタ３７８Ｂによって透過された出力ビーム３３０の第２部分は、非偏光ビーム・スプリッタ３７８Ａによって第３出力ビーム３３３６として透過される。第１出力ビーム３３２は、角変位干渉計３５８に入射し、第２出力ビーム３３３４は、微分角変位干渉計３５０に入射し、第３出力ビーム３３３６は、検出器３４６に入射する。

第３出力ビーム３３３６の検出およびヘテロダイン異信号３３４８の生成の記述は、第１実施形態のビーム３３６の検出およびヘテロダイン信号３４８の生成についての記述の対応する部分と同じである。位相φ₁に対するヘテロダイン信号３３４８の処理の記述は、第１実施形態のφ₁に対するヘテロダイン信号３４８の処理についての記述の対応する部分と同じである。

出力ビーム３３３４の検出およびヘテロダイン信号３３５３の生成の記述は、第１実施形態のビーム３３４の検出およびヘテロダイン信号３５３の生成についての記述の対応する部分と同じである。位相（φ₁＋φ₂）に対する第２出力ビーム３３３４の処理の記述は、第１実施形態の位相（φ₁＋φ₂）に対してヘテロダイン信号３５３の処理についての記述の対応する部分と同じである。

第１出力ビーム３３２は、角変位干渉計３５８に入射する。角変位干渉計３５８は、出力ビーム３３２の測定ビーム成分および基準ビーム成分の相対位相シフトφ₃を導入するために使用される非微分型角変位干渉計である。相対位相シフトφ₃は、図２の面における第１出力ビーム３３２の測定ビーム成分および基準ビーム成分の伝播方向の変化α₂に関係する。角変位干渉計の例について、以下で詳細に記述する。

微分角変位干渉計３５０および角変位干渉計３５８は、２つの角変位干渉計が、共通面におけるミラー３９４の配向の変化に感度を有するように、互いに関して配向される。
分析装置３３５４は、第１実施形態の分析装置３５４の分析装置およびプロセッサを備える。分析装置３３５４は、ソース２２０からの基準位相を使用して位相計によってヘテロダイン信号３６０から位相（φ₁＋φ₃）を決定するプロセッサを備える。分析装置３３５４は、位相φ₃を差［（φ₁＋φ₃）−φ₁］として計算し、次いで、位相φ₃の計算値から第１出力ビーム３３２の伝播方向における対応する変化β₁を計算する。

角度の変化α₁およびβ₁に対応するミラー３９４の配向角度の変化γ₁は、下式によって、角度α₁およびβ₁に関係付けられる。

分析装置３３５４は、式（４）により角度γ₁を計算するプロセッサを備える。

第３実施形態の残りの記述は、第１実施形態についての対応する記述と同じである。
平面ミラー測定物体の２つの直交する面における変位および配向の変化を測定および監視する本発明の第４実施形態について記述する。この場合、測定ビームの伝播方向は、平面ミラーにほぼ直交する。第４実施形態の干渉計システムは、第２微分角変位干渉計および第２角変位干渉計で増補された第３実施形態の干渉計システムを備える。第２微分角変位干渉計の記述は、第２実施形態の微分角変位干渉計についての記述の対応する部分と同じである。

第４実施形態の残りの記述は、本発明の第２実施形態および第３実施形態についての記述の対応する部分と同じである。
測定平面ミラーの１つの面における変位および配向の変化を測定および監視する本発明の第５実施形態について記述する。第５実施形態は、第１実施形態の干渉計システムおよび単一通路干渉計を備える。第１実施形態の出力ビーム３３０の一部は、分割されて、まず逆反射器を透過し、次いで半波遅延プレートを透過して、単一通路干渉計の入力ビームを形成する。出力ビーム３３０の特性と、単一通路干渉計の入力ビームを形成する際に逆反射器を使用することとのために、単一通路干渉計の測定ビームの伝播方向は、ミラー３９４の表面にほぼ垂直であり、ビーム３２８の伝播方向と同じである。

単一通路干渉計は、単一通路干渉計の測定ビームと基準ビームとの間に位相φ₆を導入する。半波位相遅延プレートの結果、３３０の基準ビーム成分は、単一通路干渉計の出力ビームの測定ビーム成分が導出される元となるビームであり、３３０の測定ビーム成分は、単一通路干渉計の出力ビームの基準ビーム成分が導出される元となるビームである。したがって、単一通路干渉計の出力ビームの測定ビーム成分と基準測定ビームとの正味の位相差は、（φ₆−φ₁）に等しい。位相差（φ₆−φ₁）は、測定ビーム３２８と単一通路干渉計の測定ビームとの相対経路によって画定される面におけるミラー３９４の配向の変化にのみ感度がある。ミラー３９４の角度配向の変化は、位相差（φ₆−φ₁）と、測定ビーム３２８と単一通路干渉計の測定ビームとの空間分離の測定値とを使用して計算される。

第５実施形態の残りの記述は、本発明の第２実施形態についての記述の対応する部分と同じである。
平面ミラー測定物体の２つの直交する面における変位および配向の変化を測定および監視する本発明の第６実施形態について記述する。第６実施形態は、第２実施形態の干渉計システムおよび２つの単一通路干渉計を備える。２つの単一通路干渉計のうちの第１の単一通路干渉計の説明は、第５実施形態についての記述の対応する部分と同じである。第１単一通路干渉計への入力ビームの部分は、分割されて、２つの単一通路干渉計の第２の単一通路干渉計について入力ビームを形成する。出力ビーム３３０の特性と、２つの単一通路干渉計の第１の単一通路干渉計について入力ビームを形成する際に逆反射器を使用することとのために、第２の単一通路干渉計の測定ビームの伝播方向は、ミラー３９４の表面にほぼ垂直である。

第２の単一通路干渉計は、単一通路干渉計の測定ビームと基準ビームとの間に位相φ₇を導入する。半波位相遅延プレートの結果、３３０の基準ビーム成分は、単一通路干渉計の出力ビームの測定ビーム成分が導出される元となるビームであり、３３０の測定ビーム成分は、単一通路干渉計の出力ビームの基準ビーム成分が導出される元となるビームである。したがって、第２の単一通路干渉計の出力ビームの測定ビーム成分と基準ビーム成分との正味の位相差は、（φ₇−φ₁）に等しい。位相差（φ₇−φ₁）は、ミラー３９４の測定ビーム３２８の相対経路によって画定される第２面におけるミラー３９４の配向の変化にのみ感度がある。第２面は、測定ビーム３２８と第１の単一通路干渉計の測定ビームとの相対経路によって画定される第１面に直交することが好ましい。第２面におけるミラー３９４の角度配向の変化は、位相差（φ₇−φ₁）と、測定ビーム３２８と第２の単一通路干渉計の測定ビームとの空間分離の測定値とを使用して計算される。

第６実施形態の残りの記述は、第５実施形態についての記述の対応する部分と同じである。
本発明の実施形態は、ビーム・シヤーを最小限に抑える干渉計システムに少なくとも部分的に関する以下の一般に所有されている米国特許出願または特許のいずれかの特徴のいずれかをさらに含むことが可能である（２００１年８月７日出願のＨｅｎｒｙ Ａ．ヒル（ｈｉｌｌ）の米国特許第６，２７１，９２３号明細書、Ｈｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）によるＰＣＴ／ＵＳ００／１２０９７号に対応するＰＣＴ出願公開ＷＯ００／６６９６９号パンフレット、Ｈｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）他による米国特許第６，３１３，９１８号Ｂ１明細書、Ｈｅｎｒｙ Ａ．ヒルによる２００２年２月１２日出願の仮出願第６０／３５６，３９３号明細書「ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＥＲ ＷＩＴＨ ＤＹＮＡＭＩＣ ＢＥＡＭ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＥＬＥＭＥＮＴ ＲＥＤＩＲＥＣＴＩＮＧ ＩＮＰＵＴ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＢＥＡＭ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＡＮＤ ＯＵＴＰＵＴ ＲＥＦＥＲＥＮＣＥ ＢＥＡＭ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ」、Ｈｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）による２００２年７月２９日出願の米国特許出願第＿号明細書「ＰＡＳＳＩＶＥ ＺＥＲＯ ＳＨＥＡＲ ＩＮＴＥＦＥＲＯＭＥＴＥＲＳ」参照）。

ここで、微分角変位干渉計および角変位干渉計の例について記述する。
微分角変位干渉計１０を図３Ａに概略的に示す。入力ビーム１２は、周波数の差ｆ₁を有する２つの直交偏光成分からなる。入力ビーム１２は、図１Ａに示す本発明の第１実施形態の出力ビーム３３４などに対応する。２つの直交偏光成分の偏光面は、図３Ａの面に対して４５°にある。入力ビーム１２の２つの成分の伝播方向は、同じであるか、または互いに異なることが可能である。入力ビーム１２は、ギャップｄを有する要素記号３０によって一般的に示したエタロンに入射される。エタロンの内表面における入力ビーム１２の第１成分および第２成分の入射角度は、それぞれθ_0,1およびθ_0,2である。角度θ_0,1およびθ_0,2は、エタロン３０による入力ビーム１２の第１成分および第２成分の透過が、θ_o,j＝０、ｊ＝１，２において可能な透過の最大を除いて、それぞれほぼ最大であるように選択される。第１実施形態では、角度差（θ_0,2−θ_0,1）＜＜対応する透過ピークの角度幅である。

入力１２の第１成分および第２成分は、出力ビーム２２の第１直交偏光ビーム成分および第２直交偏光ビーム成分として透過される。出力ビーム２２は、偏光器３６によって透過されて、混合ビーム２６を形成する。混合ビーム２６は、レンズ４６によって、検出器５８の上の像スポットに集束される。像スポットを形成するビームは、好ましくは光電気検出によって、電気干渉信号２８（たとえば図１Ａのヘテロダイン信号３５３に対応する）として検出器５８によって検出される。

信号２８は、入力ビーム１２の第１成分の周波数と第２成分の周波数の差であるｆ₁に等しいヘテロダイン周波数と、ヘテロダイン位相φ_1,2とを有するヘテロダイン信号である。ヘテロダイン位相φ_1,2は、たとえば、第１実施形態の位相φ₂および第２実施形態の位相φ₂₀に対応する。信号２８は、たとえば分析装置３５４（図１Ａ参照）または他の適切な電子プロセッサによって処理される。

レンズ４６における非アポダイズ正方形開口の非限定的な例では、ヘテロダイン信号２８の原因であるビーム２６の成分について図３Ａの面の像スポットにおける強度プロファイルＩ_h,1は、良好に近似して下式のように示される。

上式では、

である。

δ’_1,2＝（δ’₂＋δ’₁）／２、ｐ_1,2＝（ｐ₂＋ｐ₁）／２であり、ｂは、図３Ａの面のレンズ４６における正方形開口の幅である。Ｃ_h,1は、比例定数、Ｒ₁は、エタロン３０の内表面の強度反射率、ω₁＝２πｆ₁、ｋ、およびｎは、それぞれ、エタロン３０のギャップにおける媒体の入力ビーム成分の波数および屈折率である。角度θ_0,1およびθ_0,2は、図３Ｂにより画定される。

ヘテロダイン信号２８は、像スポットにわたってＩ_h,1の強度に比例する。透過ピークでは、すなわちｑ_jを通常＞＞１である整数としてδ’_j≒２ｑ_jπであり、かつｑ_j’を整数としてφ_j≒２ｑ’_jπであるとき、θ_0,1およびθ_0,2の変化に対するヘテロダイン位相φ_1,2の感度は、以下のように表すことが可能である。

本発明の範囲または精神から逸脱せずに、本発明の一般的な特性の表示の複雑さを低減するために、式（９）のより高次の項は、省略されている。

ヘテロダイン位相φ_1,2＝φ₂−φ₁は、ヒルベルト変換などの時間ベース位相分析手順を使用することにより獲得することが可能である。
ｄ＝４ｍｍ、Ｒ₁＝０．９９、λ＝６３３ｎｍ、ｎ＝１．０００、および［（θ_0,2＋θ_0,1）／２］＝０．０１２９ｒａｄのエタロン間隔では、θ_0,1およびθ_0,2の変化に対する位相φ_1,2の感度は、以下のようになる。

または、位相φ_1,2の測定変化から（ｄθ_0,2−ｄθ_0,1）の推測値の感度について、以下のように表される。

（ｄθ_0,2−ｄθ_0,1）＝−０．９９×１０^-5ｄφ_1,2 （１１）
第１実施形態では、角度差（ｄθ_0,2−ｄθ_0,1）の測定は、光学差分法に基づくことが明らかである。この場合、第１ビーム成分と第２ビーム成分との測定位相差は、第１ビーム成分および第２ビーム成分の両方に共通な周波数シフトの作用について、１次まで感度がない。

入力ビーム成分の伝播方向の相対変化を測定する精度の改善は、第１ビーム成分と第２ビーム成分との間で低周波数分割において動作させることによって獲得することが可能である。ある最終用途応用例において低周波数分割を使用する選択肢は、入力ビーム１２の成分の相対伝播方向の変化を測定および監視するために使用するヘテロダイン信号２８の位相において、１次入力ビーム周波数シフト効果が欠如している直接的な結果である。

入力ビームの伝播方向の変化を測定および監視するために使用される電気干渉信号の位相は、記述したヘテロダイン技法を使用して、または周波数ｆ₁≒０であるときはホモダイン技法を使用して決定することが可能である。

微分角変位干渉計１０は、式（１１）のｄφ_1,2の係数の精確な知識がない場合、ゼロ検出器として使用することが可能である。式（１１）のｄφ_1,2の係数を較正した場合、対応する透過ピークの幅より小さい入力ビーム１２の第１成分および第２成分の伝播方向の相対変化を監視するために第１実施形態を使用することが可能である。

微分角変位干渉計１０は、図４に概略的に示す角変位干渉計１１を提供するように修正することが可能である。第２実施形態の装置は、第１実施形態の装置と同じ構成要素と、２つの複屈折プリズム４０および４２とを備える。複屈折プリズム４０は、θ_0,1およびθ_0,2が、エタロン３０の２つの異なる透過ピークに対応するように、入力ビーム１２の第１成分と第２成分との間に角度を導入する。複屈折プリズム４２は、入力ビーム１２の第１成分および第２成分に関連付けられる出力ビーム１２６の第１成分および第２成分が、それぞれほぼ平行な伝播方向を有するように、エタロン３０からのビームを再び組み合わせる。たとえば、第２実施形態でθ_0,2＝０の場合、θ_0,1の変化に対する位相φ_1,2の感度は、ｄθ_0,2＝０として式（９）および（１０）によって表される。同様に、位相φ_1,2の測定値からｄθ_0,1について推測した値の感度は、ｄθ_0,2＝０として式（１１）によって表される。

したがって、式（７）の係数を較正した場合、第１実施形態を使用して、第２実施形態の装置の配向に関して、入力ビーム１２の第１成分の伝播方向の変化を測定することが可能である。当業者には、第２実施形態が、入力ビーム１２の第２成分の伝播方向の変化を測定するように、同様にうまく構成されていることが明らかになるであろう。

角変位干渉計１１の残りの記述は、微分角度測定干渉計１０の対応する部分と同じである。
代替の角変位干渉計５００を図５Ａに概略的に示す。これは、２つの成分からなる光ビームの平均的な伝播方向の１面における角度測定を実施する。角変位干渉計５００は、要素符合５３０で全体的に示すビーム・シヤリング部品と、分析装置５４０と、レンズ５４６と、検出器５６０と、電子プロセッサ５７０とからなる。入力ビーム５１２は、たとえば第１出力ビーム３２２（図２参照）に対応し、周波数の差ｆ₁を有する２つの直交偏光光ビーム成分からなる。２つの直交偏光成分の偏光面は、それぞれ、図５Ａの面に平行および直交する。

ビーム・シヤリング部品５３０は、２つの直交偏光ビーム５５０、５５２間に、それぞれ横方向シヤーＳ₅₁を導入する（図５Ａ参照）。空間的にずれている出力ビーム５５０および５５２のそれぞれの部分は、それぞれ成分５５４および５５６として分析装置によって透過される。分析装置５４０は、ビーム成分５５４および５５６が、両方とも、図５Ａの面に対して４５度に配向した共通面において偏光されるように配向される。

次に、ビーム成分５５４および５５６は、レンズ５４６に入射する。レンズ５４６は、ビーム成分５５４および５５６を、好ましくは量子格子検出器によって検出される検出器５６０の上のスポットに集束させて、電気干渉信号５６２またはヘテロダイン信号Ｓ₅₁を生成する。スポットは、ほぼ重なり合う。ヘテロダイン信号Ｓ₅₁は、信号Ｓ₅₁のヘテロダイン位相および図５Ａの面におけるビーム５１２の対応する平均的な伝播方向を決定するために、電子プロセッサ５７０（図２の分析装置３３５４など）に伝送される。

ビーム・シヤリング部品５３０は、偏光ビーム・スプリッタ５３２および５３８と、直角プリズム５３３および５３７と、切頭ポロ・プリズム５３５および５３６とからなる。図５Ａの面において偏光されたビーム５１２の成分は偏光ビーム・スプリッタ５３２によって透過され、直角プリズム５３３によって反射され、切頭ポロ・プリズム５３６によって向け直されて、偏光ビーム・スプリッタ５３８によってビーム５５０として反射される。図５Ａの面に直交して偏光されたビーム５１２の成分は、偏光ビーム・スプリッタ５３２によって反射され、切頭ポロ・プリズム５３５によって向け直され、直角プリズム５３７によって反射されて、偏光ビーム・スプリッタ５３８によってビーム５５２として透過される。

ビーム・シヤリング部品５３０および分析装置５４０を通るビーム５５４および５５６のそれぞれのガラスの光路は、同じであることが好ましいことに留意されたい。角変位干渉計５００の装置設計のこの特徴により、干渉計システムは、温度変化に対して高度に安定となる。

ヘテロダイン信号Ｓ₅₁は、以下のように示すことが可能である。
Ｓ₅₁＝Ａ₅₁ｃｏｓ（ω₅₁ｔ＋φ₅₁＋ζ₅₁） （１２）
上式で、
φ₅₁＝２ｋ₅₁ｎ［ｄ₅₁ｃｏｓθ’₅₁＋ｄ₅₂ｃｏｓθ’₅₂−ｄ₅₃ｃｏｓθ’₅₃−ｄ₅₄ｃｏｓθ’₅₄］ （１３）
であり、ω₅₁＝２πｆ₅₁、ζ₁は、位相φ₅₁とは関連性のない位相のずれ、ｋ₅₁＝２π／λ₅₁、λ₅₁は、入力ビーム５１２の波長、θ’₅₁およびθ’₅₂は、それぞれ、直角プリズム５３３および偏光ビーム・スプリッタ５３８におけるビーム５５０の入射角（図５Ｂ参照）、θ₅₃’およびθ’₅₄は、それぞれ、偏光ビーム・スプリッタ５３２および直角プリズム５３７におけるビーム５５２の入射角、ｄ₅₁、ｄ₅₂、ｄ₅₃、およびｄ₅₄は、図５Ｂｂにおいて画定される。φ₅₁は、たとえば第３実施形態のφ₃に対応することに留意されたい。本発明の範囲および精神から逸脱せずに簡単な方式で本発明の特徴を実証するために、式（１３）では、ビーム・シヤリング部品５３０の光路のすべては、同じ屈折率を有することが想定されている。ｄ₅₁＝ｄ₅₃、ｄ₅₂＝ｄ₅₄、θ’₅₁＋θ’₅₂＝π／２、およびθ’₅₃＋θ’₅₄＝π／２の非限定的な例では、式（１３）は、φ₅₁についてより簡単な式になる。

横方向シヤーＳ₅₁は、下式により、ビーム・シヤリング部品５３０の特性に関係付けられる。

上式で、φ₅₁およびφ’₅₁は、偏光ビーム・スプリッタ５３２の入射面におけるビーム５５０の入射角度および屈折角度であり、φ₅₃およびφ’₅₃は、偏光ビーム・スプリッタ５３２の入射面におけるビーム５５２の入射角度および屈折角度である（図５Ｂ参照）。非限定的な例では、以下のようになる。

式（１５）および（１６）によってＳ₅₁について与えられる式は、ビーム・シヤーの生成に使用される１次機構を表す。しかし、入射角度依存位相シフトに関連するようなビーム・シヤーを導入する他の機構が存在する（グース・ハンチェン（Ｇｏｏｓ−Ｈａｎｃｈｅｎ）効果）。

振幅Ａ₅₁は、｜ｈ（ｐ₅₁）｜²のフーリエ変換のフーリエ成分に対する良好な近似に比例する。すなわち、

であり、ｈ（ｐ₅₁）は、レンズ５４６の瞳関数を乗算したレンズ５４６におけるビーム５５４または５５６の一方の振幅のフーリエ変換であり、
ｐ_j＝ｓｉｎθ_0,j＋ｓｉｎθ_i,j ｊ＝５１，５２，・・・ （１８）
θ_0,jおよびθ_i,jの定義は、図５Ｃに示されている。角度θ_0,jおよびθ_i,jは、物体およびレンズ５４６の像空間におけるビームｊの基準光線の共役角である。ｐ_jの定義は、図５Ｄに示されている。

式（１３）および（１４）から、光ビームの方向変化の観点では、位相φ₅₁の分解能は、長さ２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）が長くなる際に増大することが明らかである。しかし、２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）について使用不能な範囲が、式（１７）によって示すように、｜ｈ（ｐ₅₁）｜²のフーリエ変換の空間周波数帯域幅によって画定される。

２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）の最適値は、一般に、それぞれの瞳によって透過されたビームの特徴的な空間寸法の約半分に等しい。たとえば、レンズ５４６におけるビーム５５４およびビーム５５６の両方について、矩形瞳の寸法が、図５Ａの面においてｂであり、ビーム５５４および５５６の振幅がそれぞれの瞳にわたって一様で場合について考慮する。この場合、｜ｈ（ｐ₅₁）｜²は、シンク関数の２乗すなわち（ｓｉｎｘ／ｘ）²であり、｜ｈ（ｐ₅₁）｜²のフーリエ変換は、３角関数Λである。３角関数Λは、２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）＝０について最大数１を有し、２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）≧ｂについて０の値を有する。したがって、２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）≧ｂについて振幅Ａ₅₁＝０であり、光ビームの方向変化の観点における位相φ₅₁の分解能は、２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）＝０について０である。したがって、２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）の最適値は、この場合では、近似的にｂ／２である。２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）の実際の最適値は、たとえば、信号対雑音比に関して最適動作条件を確定するために使用される基準に依存する。ビーム５１２の成分がガウス型強度プロファイルを有する場合では、２^3/2（ｄ₅₁−ｄ₅₂）の最適値は、ｗを、ビーム５１２の強度がその中心のビーム５１２における強度の１／ｅに等しい値を有する半径として、ほぼｗである。

２ｗ＝５．０ｍｍ、θ₅₁＝４５度、およびλ＝６３３ｍｍであるガウス型強度プロファイルを有するビームの例では、微分形式で表されたｄφ₅₁およびｄφ₅₃の変化に対する位相φ₅₁の感度は、下式によって与えられる。

式（１９）から、角度変化ｄφ₅₁およびｄφ₅₃に関する位相変化φ₅₁の感度は、屈折率ｎに依存しないことが明らかであることに留意されたい。これは、第１実施形態の重要な特性である。具体的には、角度変化ｄ₅₁およびｄφ₅₃に関する位相φ₅₁の変化の感度は、ビーム・シヤリング部品５３０の光学要素の屈折率の熱誘導変化に対し１次まで依存せず、かつビーム・シヤリング部品５３０の光学要素の熱膨張率にのみ依存する温度変化に対する感度を有する。ビーム・シヤリング部品５３０の要素の熱係数は、≦０．５ｐｐｍ／℃より小さくなるように選択することが可能である。同じ理由で、φ₅₁のゼロ値も、ビーム・シヤリング部品５３０の温度変化に対して、対応する低い感度を呈する。

第１実施形態によって対応することが可能である平均値［ｄφ₅₁＋ｄφ₅₃］／２の範囲を限定する２つの主な量は、差［ｄφ₅₁−ｄφ₅₃］／２の大きさ、および検出器５６０の感度領域のサイズである。ヘテロダイン信号の振幅は、

であるとき、ほぼ２分の１に低減される。式（１９）では省略されているｄ₅₁およびｄφ₅₃のより高次の項は、特定の最終用途応用例に必要な場合、式（１３）から容易に決定することが可能である。

ビーム・シヤリング部品５３０の第２実施形態を図５Ｅに概略的に示す。これは、２つのプリズム５３３０および５３３２と、偏光ビーム・スプリッタ境界面５３４０とを備える。入力ビーム５１２の第１成分は、偏光ビーム・スプリッタ境界面５３４０によって２回透過され、プリズム５３３０および５３３２の面によって反射されて、出力ビーム５３５０を形成する。入力ビーム５１２の第２成分は、偏光ビーム・スプリッタ境界面５３４０によって２回反射され、プリズム５３３０および５３３２の面によって反射されて、出力ビーム５３５２を形成する。

２つのプリズム５３３０および５３３２ならびに偏光ビーム・スプリッタ境界面５３４０は、ビーム５１２の伝播方向と、ビーム５３３２および５３５２の伝播方向との関係に関して、ペンタ・プリズムと同じ特性を呈示する。プリズム５３３０および５３３２は、ビーム５３５０と５３５２との間にビーム・シヤーＳ₅₃を導入するように選択された相対サイズと同形であることが好ましい。屈折媒体の光路は、ビーム５３５０および５３５２についてほぼ同じである。ビーム５３５０および５３５２の残りの記述は、シヤーＳ₅₁をシヤーＳ₅₃に置き換えた第１実施形態のビーム５５０および５５２についての記述の対応する部分と同じである。図５Ｅの入力ビーム５１２の記述は、図５Ａに示した角変位干渉計の入力ビーム５１２の記述と同じである。

参照符合６００と名称付けした微分角変位干渉計の他の例を図６に概略的に示す。これは、２成分光ビームの成分の伝播方向の差を１面において測定する。微分角変位干渉計６００は、要素符合６３０によって全体的に示したビーム・シヤリング部品と、分析装置５４０と、レンズ５４６と、検出器５６０と、電子プロセッサ５７０とを備える。入力ビーム６１２の記述は、図５Ａに示した入力ビーム５１２についての記述の対応する部分と同じである。

ビーム・シヤリング部品６３０は、同じ機能を実施する角変位干渉計５００のビーム・シヤリング部品５３０の要素と同じ要素符合を有する多くの要素からなる。ビーム・シヤリング部品６３０は、ペンタ・プリズム６３５および補償プレート６３６をさらに備える。ペンタ・プリズム６３５は、ビーム６５２の光路において追加の反射を導入し、この追加の反射は、図６の面に対する法線に関するビーム６５２の像倒立をもたらす。像倒立には、伝播方向変換が関連付けられ、この場合、偏光ビーム・スプリッタ５３２によって反射された入力ビーム６１２の成分の伝播方向の変化が、図６の面におけるビーム６５２の伝播方向の反対の変化に変換される。補償プレート６３６の厚さは、ビーム・シヤリング部品６３０におけるビーム６５０および６５２のガラスの光路が同じであるように選択される。ビーム６５０および６５２の残りの記述は、角変位干渉計５００に関してビーム５５０および５５２についての記述の対応する部分と同じである。

微分角変位干渉計６００によって測定される角度は、ペンタ・プリズム６３５の追加によって導入されたビーム６５２の像倒立の結果である、入力ビーム６１２の２つの成分の伝播方向の変化の差［ｄφ₅₁−ｄφ₅₃］／２である。

微分角変位干渉計６００の残りの記述は、角変位干渉計５００について与えた記述の対応する部分と同じである。
代替として、またはさらに、角度干渉計の他の形態（一般に所有されている２００１年４月２６日出願のＨｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）の米国特許出願第０９／８４２，５５６号明細書「ＤＹＮＡＭＩＣ ＡＮＧＬＥ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＥＲ」、２００１年５月１０日出願のＨｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）の米国特許出願第０９／８５２，３６９号明細書「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ ＯＦ ＡＮＧＵＬＡＲ ＯＲＩＥＮＴＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＤＩＳＴＡＮＣＥ ＴＯ Ａ ＰＬＡＮＥ ＭＩＲＲＯＲ ＯＢＪＥＣＴ」、２００２年１月２４日出願のＨｅｎｒｙ Ａ．ヒル（Ｈｉｌｌ）の仮特許出願第６０／３５１，４９６号明細書「ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＥＲＳ ＦＯＲ ＭＥＡＳＵＲＩＮＧ ＣＨＡＮＧＥＳ ＩＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＢＥＡＭ ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ」に記載）を、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、上記で記述した実施形態に組み込むことが可能である。引用した３つの特許出願の内容は、本願明細書に援用されている。

上記で記述した干渉計システムは、非常に精密な測定を提供する。そのようなシステムは、コンピュータ・チップなど、大規模集積回路を製造する際に使用されるリソグラフィ応用分野において特に有用であることがある。リソグラフィは、半導体製造産業では枢要な技術推進力である。オーバーレイの改良は、１００ｎｍの線幅（設計基準寸法）まで、およびそれより下に下げる５つの最も困難な課題の１つである（たとえば、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｒｏａｄｍａｐ、８２ページ（１９９７）参照）。

オーバーレイは、ウエハおよびレチクル（またはマスク）のステージを位置決めするために使用される距離測定干渉計の性能、すなわち正確さおよび精度に直接依存する。リソグラフィ・ツールは、＄５０〜１００Ｍ／年の製品を生産することが可能であるので、改良型性能距離測定干渉計の経済価値は膨大である。リソグラフィ・ツールの歩留まりが１％増大するたびに、集積回路製造業者にとって約＄１Ｍ／年の経済利益が得られ、リソグラフィ・ツールの販売業者にとっては、競争にかなり有利である。

リソグラフィ・ツールの機能は、空間的にパターン化された放射をフォトレジスト被覆ウエハの上に向けることである。この過程には、ウエハのどの位置が、放射を受け取るかを決定すること（位置合わせ）と、放射をその位置においてフォトレジストに加えること（露光）とが含まれる。

ウエハを適切に位置決めするために、ウエハは、専用センサによって測定することが可能である位置合わせマークをウエハの上に含む。位置合わせマークの測定位置は、ツール内におけるウエハの位置を確定する。この情報は、ウエハ表面の望ましいパターン化の仕様と共に、空間的にパターン化された放射に対するウエハの位置合わせを誘導する。そのような情報に基づいて、フォトレジスト被覆ウエハを支持する並進可能ステージが、放射がウエハの正確な位置を露光させるように、ウエハを移動させる。

露光中、放射ソースが、パターン化されたレチクルを照明し、レチクルは、空間的にパターン化された放射を生成するように、放射を散乱させる。レチクルはマスクとも呼ばれ、これらの用語は、以下では区別なく使用される。リダクション・リソグラフィの場合では、リダクション・レンズが、散乱放射を収集して、レチクル・パターンのリダクション画像を形成する。代替として、プロキシミティ露光の場合では、散乱放射は、短い距離（通常ミクロンの大きさ）を伝播した後、ウエハに接触して、レチクル・パターンの１：１画像を作成する。放射は、レジストにおいて光化学過程を開始し、放射パターンをレジスト内の潜像に変換する。

干渉分光システムは、ウエハおよびレチクルの位置を制御し、かつレチクル像をウエハの上に登録する位置決め機構の重要な構成要素である。そのような干渉分光システムが上記で記述した特徴を含む場合、システムによって測定される距離の正確さは、距離測定に対するエラー寄与が最小限に抑えられるので、増大する。

一般に、露光システムとも呼ばれるリソグラフィ・システムには、通常、照明システムおよびウエハ位置決めシステムが含まれる。照明システムには、紫外線、可視光線、ｘ線、電子、またはイオンの放射などの放射を提供する放射ソースと、パターンを放射に付与して、それにより空間的にパターン化された放射を生成するためのレチクルまたはマスクとが含まれる。さらに、リダクション・リソグラフィの場合では、照明システムは、空間的にパターン化された放射をウエハの上に撮像するためのレンズ部品を含むことが可能である。撮像放射は、ウエハの上に被覆されたレジストを露光させる。照明システムには、また、マスクを支持するマスク・ステージと、マスクを通して向けられた放射に対してマスク・ステージの位置を調節するための位置決めシステムとが含まれる。ウエハ位置決めシステムには、ウエハを支持するためのウエハ・ステージと、撮像放射に対してウエハ・ステージの位置を調節するための位置決めシステムとが含まれる。集積回路の製造は、複数の露光工程を含むことが可能である。リソグラフィに関する一般的な参考文献については、たとえば、本願明細書に援用するＪ．Ｒ．シーツ（Ｓｈｅａｔｓ）およびＢ．Ｗ．スミス、Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（マーセル・デッカー・インコーポレイテッド社（Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ）［米国ニューヨーク所在］１９８８）を参照されたい。

上記で記述した干渉分光システムを使用して、レンズ部品、放射ソース、または支持構造など、露光システムの他の構成要素に対するウエハ・ステージおよびマスク・ステージのそれぞれの位置を精確に測定することが可能である。そのような場合、干渉分光システムは、静止構造に取り付けることが可能であり、測定物体は、マスク・ステージおよびウエハ・ステージの一方など、可動要素に取り付けることが可能である。代替として、状況を逆にして、干渉分光システムを可動物体に取り付け、測定物体を静止物体に取り付けることが可能である。

より一般的には、そのような干渉分光システムを使用して、露光システムのあらゆる他の構成要素に対する露光システムのいずれか１つの構成要素の位置を測定することが可能である。露光システムにおいては、干渉分光システムは、構成要素の１つに取り付けられる、または構成要素の１つによって支持される、あるいは構成要素の他によって支持される。

干渉計システム１１２６を使用するリソグラフィ・スキャナ１１００の例を図７ａに示す。干渉分光システムを使用して、露光システム内におけるウエハ（図示せず）の位置を精確に測定する。ここでは、ステージ１１２２を使用して、露光ステーションに対してウエハを位置決めし、支持する。スキャナ１１００は、フレーム１１０２を含み、フレーム１１０２は、他の支持体構造およびそれらの構造の上において搭載された様々な構成要素を搭載する。露光ベース１１０４には、その上にレンズ・ハウジング１１０６が取り付けられ、レンズ・ハウジングの上には、レチクルまたはマスクを支持するために使用されるレチクルステージまたはマスク・ステージ１１１６が取り付けられる。マスクを露光ステーションに対して位置決めする位置決めシステムを、要素１１１７によって概略的に示す。位置決めシステム１１１７は、たとえば、圧電変換器要素および対応する制御電子機器を含むことが可能である。ここで記述する実施形態には含まれていないが、上記で記述した干渉分光システムの１つまたは複数を使用して、マスク・ステージならびにリソグラフィック構造を製造する過程において位置を精確に監視しなければならない他の可動要素の位置を精密に測定することが可能である（たとえば、シーツおよびスミス、Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ参照）。

露光ベース１１０４の下には、ウエハ・ステージ１１２２を搭載する支持ベース１１１３が吊り下げられている。ステージ１１２２は、干渉分光システム１１２６によってステージ１１２２に向けられた測定ビーム１１５４を反射する平面ミラー１１２８を含む。干渉分光システム１１２６に対してステージ１１２２を位置決めする位置決めシステムを、要素１１１９によって概略的に示す。位置決めシステム１１１９は、たとえば、圧電変換器要素および対応する制御電子機器を含むことが可能である。測定ビームは、露光ベース１１０４の上に取り付けられている干渉分光システム１１２６に向けて後方反射される。干渉分光システム１１２６は、以前に記述した干渉分光システムの例のいずれかを含むことが可能である。

動作中、ＵＶレーザ（図示せず）からの紫外線（ＵＶ）ビームなどの放射ビーム１１１０は、ビーム成形光学機器部品１１１２を通過して、ミラー１１１４から反射された後、下方に進行する。その後、放射ビームは、マスク・ステージ１１１６に搭載されたマスク（図示せず）を通過する。マスク（図示せず）は、レンズ・ハウジング１１０６において搭載されたレンズ部品１１０８を介してウエハ・ステージ１１２２の上のウエハ（図示せず）の上に撮像される。ベース１１０４およびそれによって支持されている様々な構成要素は、ばね１１２０によって示したダンピング・システムによって、環境の変化から隔離される。

リソグラフィ・スキャナの他の例では、以前に記述した干渉分光システムの１つまたは複数を使用して、例としてであるが非限定的に、ウエハ・ステージおよびレチクル（またはマスク）ステージに関連する複数軸に沿った距離および角度を測定することが可能である。また、ＵＶレーザ・ビームではなく、ｘ線ビーム、電子ビーム、イオン・ビーム、および可視光ビームなどを含めて、他のビームを使用して、ウエハを露光させることが可能である。

いくつかの実施形態では、リソグラフィ・スキャナは、当技術分野において列基準として知られるものを含むことが可能である。そのような実施形態では、干渉分光システム１１２６は、基準ビーム（図示せず）を外部基準経路に沿って向け、外部基準経路は、放射ビームを向けるレンズ・ハウジング１１０６などのある構造の上に取り付けられた基準ミラー（図示せず）と接触する。基準ミラーは、基準ビームを干渉分光システムに後方反射する。ステージ１１２２から反射された測定ビーム１１５４と、レンズ・ハウジング１１０６の上に取り付けられた基準ミラーから反射された基準ビームとを組み合わせるとき、干渉分光システム１１２６によって生成される干渉信号は、放射ビームに対するステージの位置変化を表す。さらに、他の実施形態では、干渉分光システム１１２６は、スキャナ・システムのレチクル（またはマスク）・ステージ１１１６または他の可動構成要素の位置変化を測定するように位置決めすることが可能である。最後に、干渉分光システムは、スキャナの他に、またはスキャナの代わりに、ステッパを含むリソグラフィ・システムと共に同様の方式で使用することが可能である。

当技術分野では周知であるように、リソグラフィは、半導体装置を作成する製造方法の重要な一部である。そのような製造方法の工程が概述されている（たとえば、米国特許第５，４８３，３４３号明細書参照）。これらの工程について、図７ｂおよび７ｃに関して以下で記述する。図７ｂは、半導体チップ（ＩＣまたはＬＳＩなど）、液晶パネル、またはＣＣＤなど、半導体装置を製造する順序のフロー・チャートである。工程１１５１は、半導体装置の回路を設計する設計過程である。工程１１５２は、回路パターン設計に基づくマスクの製造過程である。工程１１５３は、シリコンなどの材料を使用することによってウエハを製造する過程である。

工程１１５４は、予備過程と呼ばれるウエハ過程であり、そのように準備されたマスクおよびウエハを使用することによって、リソグラフィにより、回路をウエハの上に形成する。十分な空間分解能でマスク上の回路パターンに対応する回路をウエハの上に形成するために、ウエハに対するリソグラフィ・ツールの干渉分光による位置決めが必要である。本明細書で記述する干渉分光法およびシステムは、ウエハ過程において使用されるリソグラフィの有効性を向上させるのに特に有用であり得る。

工程１１５５は、工程１１５４によって処理されたウエハが半導体チップに形成される事後過程と呼ばれる組立て工程である。この工程には、組立て（方形切断および結合）および実装（チップ封止）が含まれる。工程１１５６は、検査工程であり、工程１１５５によって作成された半導体装置の動作性の検査、耐久性の検査などが実施される。これらの過程により、半導体装置は完成し、出荷される（工程１１５７）。

図７ｃは、ウエハ過程の詳細を示すフロー・チャートである。工程１１６１は、ウエハの表面を酸化させる酸化過程である。工程１１６２は、絶縁膜をウエハ表面の上に形成するＣＶＤ過程である。工程１１６３は、蒸着によってウエハの上に電極を形成する電極形成過程である。工程１１６４は、イオンをウエハに注入する注入過程である。工程１１６５は、レジスト（感光材料）をウエハに加えるレジスト過程である。工程１１６６は、露光（すなわちリソグラフィ）によって、上記で記述した露光装置により、マスクの回路パターンをウエハの上に印刷する露光過程である。再び、上記で記述したように、本明細書で記述する干渉分光システムおよび方法を使用することにより、そのようなリソグラフィ工程の精度および分解能は向上する。

工程１１６７は、露光ウエハを成長させる成長過程である。工程１１６８は、成長レジスト像以外の部分を除去するエッチング過程である。工程１１６９は、エッチング過程を施された後にウエハ上に残留しているレジスト材料を分離するレジスト分離過程である。これらの過程を反復することによって、回路パターンがウエハの上に形成され、重ね合わされる。

上記で記述した干渉分光システムは、物体の相対位置を精確に測定する必要がある他の応用分野において使用することも可能である。たとえば、基板またはビームが移動する際に、レーザ、ｘ線、イオン、または電子ビームなどの書込みビームが、基板の上にパターンをマーキングする応用分野では、干渉分光システムを使用して、基板と書込みビームとの相対運動を測定することが可能である。

例として、ビーム書込みシステム１２００の概略図を図８に示す。ソース１２１０が、書込みビーム１２１２を生成し、ビーム集束部品１２１４が、放射ビームを、可動ステージ１２１８によって支持された基板１２１６に向ける。ステージの相対位置を決定するために、干渉分光システム１２２０が、基準ビーム１２２２を、ビーム集束部品１２１４の上に取り付けられたミラー１２２４に向け、測定ビーム１２２６を、ステージ１２１８の上に取り付けられたミラー１２２８に向ける。基準ビームが、ビーム集束部品の上に取り付けられたミラーに接触するので、ビーム書込みシステムは、列基準を使用するシステムの例である。干渉分光システム１２２０は、以前に記述した干渉分光システムのいずれかとすることが可能である。干渉分光システムによって測定された位置の変化は、基板１２１６上における書込みビーム１２１２の相対位置の変化に対応する。干渉分光システム１２２０は、基板１２１６上に置ける書込みビーム１２１２の相対位置を表す測定信号１２３２を制御装置１２３０に送信する。制御装置１２３０は、出力信号１２３４を、ステージ１２１８を支持および位置決めするベース１２３６に送信する。さらに、書込みビームが、基板の選択位置においてのみ光物理的変化または光化学的変化を生じるのに十分な強度で基板１２１６に接触するように、書込みビーム１２１２の強度を変化させるために、または書込みビーム１２１２を遮断するために、制御装置１２３０は、信号１２３８をソース１２１０に送信する。

さらに、いくつかの例では、制御装置１２３０は、ビーム集束部品１２１４に、たとえば信号１２４４を使用して、基板の領域にわたって書込みビームを走査させることが可能である。その結果、制御装置１２３０は、基板をパターン化するように、システムの他の要素を誘導する。パターン化は、通常、制御装置に記憶されている電子設計パターンに基づく。いくつかの応用例では、書込みビームは、基板の上に被覆されたレジストをパターン化し、他の応用例では、書込みビームは、基板をエッチングするなど、直接パターン化する。

そのようなシステムの重要な応用例は、以前に記述したリソグラフィ方法において使用されるマスクおよびレチクルの製造である。たとえば、リソグラフィ・マスクを製造するために、電子ビームを使用して、クロミウム被覆ガラス基板をパターン化することが可能である。書込みビームが電子ビームであるような場合では、ビーム書込みシステムは、電子ビーム経路を真空に封入する。また、書込みビームが電子ビームまたはイオン・ビームなどである場合では、ビーム集束部品は、真空下において帯電粒子を基板上に集束させ、向けるための四重極レンズなどの電場生成装置を含む。書込みビームがｘ線、ＵＶ、または可視光線の放射などの放射ビームである他の場合では、ビーム集束部品は、放射を基板に集束させ、向けるための対応する光学機器を含む。

本明細書において記述したような単一通路干渉計および１つまたは２つの角度干渉計で構成された本発明の実施形態を使用して、ウエハ・ステージの上に配置された物体ミラーの本来の特性を作成することが可能である。これらの実施形態の記述は、本発明に援用する（一般に所有されている２００１年５月１０日出願のＨｅｎｒｙ Ａｌｌｅｎ ヒル（Ｈｉｌｌ）の米国特許出願第０９／８５３，１１４号明細書「ＩＮ−ＳＩＴＵ ＭＩＲＲＯＲ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ」参照）を有する一般的に所有されている米国特許出願のステージ上物体ミラーの本来の特性において動的干渉計の使用について与えた記述の対応する部分と同じである。

他の実施形態では、受動ゼロ・シヤー干渉計をウエハ・ステージの上に配置し、物体ミラーをウエハ・ステージから離して配置することが可能である。
本発明のいくつかの実施形態について記述してきた。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、様々な修正を実施することが可能であることが理解されるであろう。したがって、他の実施形態は、以下の請求項の範囲内にある。

本発明の第１実施形態および第２実施形態の概略図。 本発明の第１実施形態および第２実施形態の概略図。 本発明の第１実施形態および第２実施形態の概略図。 本発明の第３実施形態の概略図。 微分角変位干渉計の概略図。 微分角変位干渉計の概略図。 角変位干渉計の概略図。 他の角変位干渉計の概略図。 他の角変位干渉計の概略図。 他の角変位干渉計の概略図。 他の角変位干渉計の概略図。 他の角変位干渉計の概略図。 他の微分角変位干渉計の概略図。 本明細書において記述し、かつ集積回路を作成するために使用される干渉分光システムを含むリソグラフィ・システムの概略図。 集積回路を作成する工程を記述するフロー・チャート。 集積回路を作成する工程を記述するフロー・チャート。 本明細書において記述する干渉分光システムを含むビーム書込みシステムの概略図。

Claims (27)

1. 干渉分光システムであって、
   動作中、入力ビームを受け取り、該入力ビームを測定ビームおよび他のビームに分離し、該測定ビームを測定物体に向け、該測定物体から反射された後、該測定ビームを該他のビームと重ね合わせて、出力ビームを形成する干渉計と、
   該入力ビームを該干渉計に向け、かつ該出力ビームと接触しないように配置されたビーム・ステアリング要素と、該ビーム・ステアリング要素を該干渉計に対して選択的に配向させる電子位置決めシステムとを有するビーム・ステアリング部品と、
   前記位置決めシステムに結合され、動作中、該位置決めシステムに、該出力ビームから導出された情報に基づいて該ビーム・ステアリング要素を再配向させる制御回路とを備える干渉分光システム。
2. 前記制御回路が、動作中に前記出力ビームから導出された前記情報に基づいて前記測定物体の角度配向の変化を計算する信号プロセッサを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 動作中、前記制御回路が、前記位置決めシステムに、前記測定物体の前記角度配向の変化に応答して前記ビーム・ステアリング要素を再配向させる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記制御回路が、前記位置決めシステムに、前記測定ビームの方向または位置の変化に基づいて前記ビーム・ステアリング要素を再配向させる、請求項１に記載のシステム。
5. 前記干渉計が、前記測定ビームを前記測定物体に複数回接触するように向ける、請求項１に記載のシステム。
6. 前記測定物体が、平面ミラーを備える、請求項１に記載の干渉分光システム。
7. 動作中、前記ビーム・ステアリング部品が、前記測定ビームを前記平面ミラーの配向の範囲において前記平面ミラーに直交させる、請求項６に記載の干渉分光システム。
8. 前記ビーム・ステアリング部品が、前記出力ビームにおける前記測定ビームと前記他のビームとの伝播方向の差を最小限に抑えるために、前記出力ビームの変化に応答して前記入力ビームの伝播方向を変化させる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記制御装置が、動作中に前記出力ビームにおける前記測定ビームと前記他のビームとの伝播方向の差に関係する干渉信号を生成する微分角変位干渉計を備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記干渉信号が、前記出力ビームの前記測定ビームと前記他のビームとの第１面における伝搬方向の差に関係する、請求項９に記載のシステム。
11. 動作中、前記第１面に垂直な第２面における前記出力ビームの前記測定ビームと前記少なくとも１つの他のビームとの伝播方向の差に関係する干渉信号を生成する第２微分角変位干渉計を更に備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 動作中、前記出力ビームから２次出力ビームを導出して、該２次出力ビームを前記微分角変位干渉計に向けるビーム・スプリッタを更に備える、請求項９に記載のシステム。
13. 動作中、前記微分角変位干渉計が、前記２次出力ビームを第１成分および第２成分に分割して、該第１成分および該第２成分を第１経路および第２経路に沿って向け、該第１成分と該第２成分とを検出器において重ね合わせる、請求項１２に記載の干渉分光システム。
14. 動作中、前記重ね合わされた第１成分および第２成分により、前記検出器が、前記出力ビームの伝播方向に関係する干渉信号を生成する、請求項１３に記載の干渉分光システム。
15. 前記干渉信号が、前記測定物体の前記配向に関係する、請求項９に記載の干渉分光システム。
16. 前記微分角変位干渉計が、エタロンを備え、該エタロンを通る前記２次出力ビームの透過が、前記出力ビームの伝播方向に関係する、請求項９に記載の干渉分光システム。
17. 前記制御装置が、動作中に前記出力ビームの伝播方向に関係する干渉信号を生成する微分角度干渉計を更に備える、請求項１に記載のシステム。
18. 前記干渉計が、単一経路干渉計である、請求項１に記載の干渉分光システム。
19. 動作中に、光源が、前記入力ビームを前記ビーム・ステアリング部品に向けるように、前記ビーム・ステアリング部品に対して位置決めされた光源を更に備える、請求項１に記載の干渉分光システム。
20. 前記干渉計から前記出力ビームを受け取るように位置決めされた検出器を更に備える、請求項１に記載の干渉分光システム。
21. 集積回路をウエハの上に製造する際に使用されるリソグラフィ・システムであって
    ウエハを支持するステージと、
    空間的にパターン化された放射を該ウエハの上に撮像するための照明システムと、
    該撮像放射に対する該ステージの位置を調節するための位置決めシステムと、
    該撮像放射に対する該ウエハの位置を監視するための請求項１に記載の前記干渉分光システムとを備えるリソグラフィ・システム。
22. 集積回路をウエハの上に製造する際に使用されるリソグラフィ・システムであって、
    ウエハを支持するステージと、
    放射ソースと、マスクと、位置決めシステムと、レンズ部品と、請求項１に記載の前記干渉分光システムとを含む照明システムであって、動作中、該ソースが、空間的にパターン化された放射を生成するために、該マスクを通して放射を向け、該位置決めシステムが、該ソースからの該放射に対する該マスクの位置を調節し、該レンズ部品が、該空間的にパターン化された放射を該ウエハの上に撮像し、前記干渉分光システムが、該ソースの該放射に対する該マスクの位置を監視する前記照明システムとを備えるリソグラフィ・システム。
23. 集積回路を製造するためのリソグラフィ・システムであって、
    互いに関して可動である第１構成要素および第２構成要素と、該第２構成要素に固定された請求項１に記載の前記干渉分光システムとを備え、前記測定物体が、該第１構成要素に剛性的に固定され、動作中、前記干渉計が、該第２構成要素に対する該第１構成要素の位置を測定する、リソグラフィ・システム。
24. リソグラフィ・マスクを製造する際に使用されるビーム書込みシステムであって、
    基板をパターン化するために、書込みビームを提供するソースと、
    該基板を支持するステージと、
    該書込みビームを該基板に送達するためのビーム方向付け部品と、
    該ステージと該ビーム方向付け部品とを互いに関して位置決めする位置決めシステムと、
    該ビーム方向付け部品に対する該ステージの位置を監視するための請求項１に記載の前記干渉分光システムとを備えるビーム書込みシステム。
25. 干渉計に入る前に、ビーム・ステアリング要素と接触するように入力ビームを向け、
    該向けられた入力ビームを測定ビームと少なくとも１つの他のビームとに分割し、
    該測定ビームを前記測定物体から少なくとも１回反射されるように向け、
    該反射測定ビームと該少なくとも１つの他のビームとを重ね合わせて、該ビーム・ステアリング要素に接触しない出力ビームを形成し、
    該出力ビームから導出された情報に基づいて、該ビーム・ステアリング要素を電子的に再配向させることを備える方法。
26. リソグラフィ方法であって、
    ウエハを空間的にパターン化された放射に露光させるように、リソグラフィ・システムの第１構成要素をリソグラフィ・システムの第２構成要素に対して位置決めし、
    請求項２５に記載の方法を使用して、該第２構成要素に対する、前記測定物体を含む該第１構成要素の位置を測定することを備えるリソグラフィ方法。
27. リソグラフィ・マスクを製造する際に使用されるビーム書込み方法であって、
    基板をパターン化するために、書込みビームを基板に向け、
    該基板を該書込みビームに対して位置決めし、
    請求項２５に記載の前記方法を使用して、該書込みビームに対する該基板の位置を測定することを備えるビーム書込み方法。

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