JP4677169B2 - 位置測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、請求項１の上位概念にもとづく位置測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウェーファーステッパーによるチップ製造において、マスクと基板の位置決めは極めて正確に行われなければならない。この目的に対して、マスクテーブルの位置変化をレーザー干渉計で検出することが知られている。その場合、空気の揺らぎの影響が欠点となり、それは最終的に再現性において位置に関するノイズおよび問題となる。温度膨張の影響を少なくするためには、基板またはマスクテーブルの位置を光学投影系に対して直接的および相対的に測定するのが有利である。しかし、空間的な制限および熱拡散のために、レーザー干渉計をウェーファーステッパーの投影光学系に直接取り付けることは、不可能および望ましくない場合があり、その場合レーザー干渉計のすべての部分をインバーまたはゼロデュアーから成る特別な構造上に固定しなければならない。レーザーの変更とレーザー干渉計の事後調整も大きな問題となる。別の欠点としては、６〜１０は必要となる干渉計軸に対する高い費用がある。
【０００３】
費用がかかり高価な干渉計の機構の代わりに、ｘおよびｙ方向の位置変化の測定に格子測定システムの形の位置測定装置が考えられ、それは光学的な測定原理を用いて格子基準尺を走査し、高い再現性を実現するものである。そのようなシステムは、例えば刊行物「Ma arbeit - Nanometergenaue Positionsmessung in allen Freiheitsgraden, Y.-B.P. Kwan et al, F & M Jahrg. 108 (2000) 9, S. 60 - 64」に記載されており、ｘおよびｙ方向の動きを検出する一つまたは二つの交差格子部と一つまたは複数の走査ヘッドから構成されている。この場合、交差格子部は、マスク支持部上に直接取り付けられている。
【０００４】
このような応用における位置決め精度と再現性に対する特に高い要求を満たすためには、位置測定装置には非常に短い信号周期（≦５００ｎｍ）と多数の補間措置が必要である。同時に、目標物の精緻な面にマスクを調整する際に、マスク支持部の回転が三つの空間方向すべてに生じ、そのためこの位置測定装置は三つの空間方向すべてに対して約±３から±５ミリラジアンの回転許容誤差を持たなければならないということを考慮しなければならない。さらに、この位置測定装置は、約５ｍｍ〜２０ｍｍの大きな走査間隔を有し、±１ｍｍの比較的高い間隔許容誤差を持つ必要がある。
【０００５】
本出願人の欧州特許第３８７５２０号明細書により、目盛り周期または格子定数を５１２ｎｍに選択した場合に信号周期が１２８ｎｍとなる位置測定装置が周知である。これによって、サブナノメートル範囲の位置決め精度が実現されている。しかし、基準尺上において回折する光線の格子定数がこれほど小さい場合には、後でモアレ回転と称する基準方向に対する基準尺の捩れが、格子部の直線方向に沿って相対する方向成分となって現れる。それによって、干渉する信号光線の位相面が互いに反転し、それが干渉縞とそれと同時に生じる強い信号減衰を発生させる。この問題を解決するために、逆反射体として三角プリズムが使用され、それが格子部の目盛り線の方向に沿ってこの方向成分を反転させ、その結果それ自身上にその目盛りを写し出すものである。このモアレ回転により生じた方向成分の補償を、以下においてモアレ補償と称する。この走査原理の欠点は、光路が目盛り線の方向、すなわち測定方向に交差して傾斜することにある。これは、走査ユニットと基準尺間の間隔の変化を無視することができず、それが同時に起こるモアレ回転によって表示位置を変化させてしまうこととなる。さらに、走査ユニットの付加部分の傾斜によって、大きな間隔許容誤差を得ることはできない。その他の問題としては、いわゆる回転中立点が基準尺表面上にないほか、走査格子内にもないことである。定義では、回転中立点は、走査ユニットが表示位置を変化させることなく測定方向に対してその回りに傾斜すること（以下において、上下傾斜と言う）が可能である点とされる。回転中立点が基準尺表面上にない場合、基準尺の傾斜は表示位置の大きな変化を生じさせることとなり、これは費用のかかる補正手段を用いて解消されなければならない。
【０００６】
したがって、このマスクテーブルの位置決めにおける高い必要条件は、回転中立点が基準尺部上にあるほか、さらにモアレ回転を補償する位置測定装置を求めるものである。そのほか、高い対称性を保証するためには、基準尺が垂直に照射されることが求められ、それは大きな間隔許容誤差を可能とし、走査ユニットの間隔が変化し、同時にモアレ回転が起こった場合における位置決めに対する他の問題を回避するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、この発明の課題は、大きな走査間隔範囲にわたって確実に動作し、さらに走査ヘッドがモアレ回転した場合でも測定誤りを回避する、高解像度で、傾斜に対して強い位置測定装置を開示することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１の特徴部における特徴を有する位置測定装置により解決される。
【０００９】
この発明にもとづく装置の有利な実施構成が、従属請求項で挙げられた措置により明らかにされている。
【００１０】
この発明にもとづく措置は、今やそれに対応して構成された位置測定装置においては上述した問題がもはや発生しないことを保証するものである。特に、上下動に対する所望の耐性ならびにモアレ回転に対する所望の耐性が確保されるものである。
【００１１】
ここでは、この発明にもとづく考察をベースとして、非常に相違する実施構成を実現している。
【００１２】
この発明にもとづく位置測定装置の他の利点および詳細は、以下の添付図をもとにした複数の実施例の説明から明らかとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明による位置測定装置の第１実施構成の光路の展開図を表す。この例では、すべての格子あるいは目盛りが同じ格子定数または目盛り周期を持つ４格子構造が重要である。
【００１４】
基準尺格子１は、図１には描かれていない光源から放射された、コリメートされ、直線偏光されたレーザー光線により、垂直に照射される。この目盛りは、ｘ方向に沿って延びる。基準尺格子１において回折して出てきた光束は、基準尺格子と間隔Ｄをおいて配置された第１走査格子２に伝搬する。この場合、＋／−１次の回折が重要である。第１走査格子２における回折により、この二つの光束は、真直ぐに第２走査格子３に向かって伝搬する。その際、この二つの光束の各々は、走査格子２，３にそれぞれ配置された１／８波長板５，５’または５”，５''' として構成された二つの偏光位相差素子を通過する。この代わりに、二つの１／８波長板に替えて一つの１／４波長板をそれぞれ利用することも可能である。これによって、右回りと左回りに偏光された光束が生じる。第２走査格子３において、＋／−１次の回折した光束が屈折し、基準尺格子４に伝搬して、そこでこれらは１点に重なり合う。基準尺格子４における回折により、干渉した光束は基準尺格子４に垂直な同じ方向に戻る。位相のずれは、基準尺のずれに依存する、この二つの円偏光された光束が重なり合うことにより、直線偏光された出力光線が生じ、この場合偏光方向が測定方向（ｘ方向）の基準尺のずれに依存する。
【００１５】
その後に位置する格子６は、この光束を三つの部分光束に分割し、その結果相異なる方向を向いた偏光子７，７’，７”の配列とそれぞれに対応する光電素子８，８’，８”により、それぞれ互いに１２０°位相のずれた三つの信号を生成することができる。この信号周期は、基準尺格子の格子周期の４分の１に相当する。
【００１６】
図２ａおよび図２ｂは、図１による光路にもとづく、４格子構造の具体的な第１実施例の正面図と側面図を表す。照射は、例えばその後にコリメーションレンズ２０を有する、レーザーダイオード１０として構成された波長７８０ｎｍの光源により行われる。走査ユニットＡの光学系は、走査格子３０，３０’、１／８波長板４０，４０’、ガラスから成る直角プリズム５０，５０’、ならびに偏光子７０，７０’，７０”と信号検出のための光電素子８０，８０’，８０”から構成される。
【００１７】
基準尺９０または基準体は、後者は例えばゼロデュアー製のマスクテーブルとして構成され、格子定数ｄ＝２μｍの反射位相目盛りを持つ。基準尺部から間隔Ｄ＝１５ｍｍをおいて、二つの直角プリズム５０，５０’があり、それぞれ９０°プリズムとして構成され、その下面上、すなわち基準尺９０の方を向いた面上には、位相目盛りを持つ透過型格子の形で同じ格子定数ｄ＝２μｍを有する走査格子３０，３０’が取り付けられている。この二つの直角プリズム５０，５０’と走査格子３０，３０’は、例えばこれらと一体化した支持盤上に固定することができる。この実施例では、この二つの直角プリズム５０，５０’は、測定方向ｘに対して互いに間隔をおいて配置されている。
【００１８】
説明した実施例に代わって、光線の結合と分離用に穴または溝を持つ走査格子３０，３０’を有する個別の直角プリズム５０，５０’も使用される。直角プリズム５０，５０’と走査格子３０，３０’の組み合わせは、以下において光路変更素子としても称される。
【００１９】
光源１０から放射され、コリメートされた光束が、基準尺９０上の直角プリズム５０，５０’の配列間の中央に垂直に当り、その結果二つの＋／−１次の回折が発生し、それらは１回目の反射の後に跳ね返って直角プリズム５０，５０’の下面上に向かう。走査格子３０，３０’における回折により、光束は直角プリズム５０，５０’への入射前とその後の進行において、同様に真直ぐに、すなわち基準尺９０に垂直の方向に向けられる。直角プリズム５０，５０’は、部分光線の向きをｚとｙ方向に変え、そのことによってｙ方向への場所移動が生じる。光束の光路変更素子の通過に際して、走査格子３０，３０’のほかに１／８波長板４，４’をそれぞれ２回通る。この発明にもとづき、すくなくとも一つの直角プリズム５０，５０’を測定方向ｘに並行に向けることにより、その直角プリズム５０，５０’がｙ方向における逆反射体として機能する。この方向ｙは、基準尺９０の平面内で測定方向ｘに垂直の方向を向いている。直角プリズム５０，５０’から出た後、走査格子３０，３０’で再び回折することによって、基準尺９０に戻って伝搬し、そこで重なり合う光束が生じる。この干渉した光束は、２回目の反射あるいは基準尺９０での回折により、ｚ方向、すなわち検出素子の方向に戻る形で向きを変え、コリメータレンズと分割格子６０から成る配列に当る。分割格子６０において、三つの部分光束が発生する。これらの三つの部分光束から、偏光子７０，７０’，７０” により周知の方法で信号を検出するが、部分光束はこれらを通過した後、光電素子８０，８０’，８０”に当り、そこでは位相のずれた信号が生じる。分割格子６０に関しては、本出願人の欧州特許第４８１３５６号明細書を参照されたい。
【００２０】
基準尺９０のモアレ回転は、まず第１に基準尺９０上での１回目の入射の際に二つの回折した光束の相対するｙ偏向を生じさせる。さて、モアレ回転は、直角プリズム５０，５０’がｙ方向における逆反射体のように機能する、すなわち二つの光束の光線方向のｙ成分を逆転させるので、走査格子３０，３０’の組み合わせとこの発明にもとづく直角プリズム５０，５０’の選択と配列により補償される。そして、基準尺９０における２回目の回折または反射の後は、これらの二つの同種の光束にはもはや光線方向のｙ成分、すなわち角度差も無い。このことによって、出射方向の違いが回避され、縞模様およびそれにより生じる信号減衰が発生しない。
【００２１】
次に、図３にもとづき上下動の傾斜による光路の変化を具体的に説明する。以下においては、傾斜していない基準尺９０に対して垂直の方向を基準方向と称する。基準尺９０は、点Ｐにおいて基準方向に対して相対的に小さな角度θで傾斜し、その結果部分光線ＰＡとＰＡ’の回折角αが、基準方向に対しておよそα−２θおよびα＋２θに変わる。これは、基準尺９０が傾斜していない場合よりも、一方の光束がより大きな角度で、他方の光束がより小さな角度で走査格子に伝搬することを意味する。その場合、走査格子は、光束に対して真直ぐに向いた状態ではない。＋２θと−２θの角度が生じ、それに応じて直角プリズムへの入射の際に屈折の度合いが変わる。そのため、光束がプリズムを通る路ＡＢＣまたはＡ’Ｂ’Ｃ’において測定方向に同じ距離ＡＣ＝Ａ’Ｃ’だけ移動する。
【００２２】
光線ＣＱおよびＣ’Ｑに関して、走査格子における再度の回折により、基準方向に対しておよそα＋２θおよびα−２θの角度が生じる。その場合、ＰＡとＣ’ＱまたはＣＱとＰＡ’の角度は、それぞれ一致する。二つの光束の結合は、点Ｑで起こる。全体として、各光束は、より平坦およびより急峻な部分を元に戻すことになる。より詳細に考察すると、二つの光束の伝搬において位相差は全く生じないことに気付くことができる。特に、二つの光束の出射方向も基準方向に対して同じであり、信号減衰に結び付く干渉縞を生じさせない。そのため、上下動の傾斜による、干渉する光束の位相のずれが生じないので、上下動の傾斜に際しても本来の測定位置が維持される。それとともに、回転中立点は、望むとおり基準尺表面上にある。
【００２３】
次に、図４は、３格子構造の走査原理にもとづく、この発明による位置測定装置の第２実施構成の光路原理を表している。
【００２４】
まず基準尺１０００に当った光線は、またもや回折し、続いて位相差板５０００，５０００’を通過する。前述の４格子構造とは反対に、光線は、基準尺格子周期に対してまさに半分の格子周期を持つ走査格子２０００を通って真直ぐの方向を向かず、リトロー型回折によりｘ方向に向きを変える。その次に、位相差板５０００”，５０００''' を通過して、最終的に基準尺３０００上で一つにまとまり、そこでこられの二つの干渉した光束は、回折により基準尺３０００に垂直の方向に向きを合わせられる。それに続く干渉した光束の処理は、上述した例と同じである。
【００２５】
また、図５ａと図５ｂは、図４による光路にもとづく、３格子構造の具体的な第２実施例の正面図と側面図を表す。
【００２６】
第１の構成との基本的な違いは、走査格子１０００，１０００’がもはや直角プリズム５００，５００’の下面上にはないということにある。正確に言うと、それらは下面に垂直に取り付けられねばならず、その結果プリズム先端とプリズム下面の間に立てられている。このことは、例えば二つの部分プリズム５００ａ，５００ｂを走査格子１０００，１０００’上で接合することにより実現することができる。それに代わって、直角プリズムの代わりに直角反射鏡を使用することもできる。
【００２７】
この装置の利点は、リトロー型回折（走査格子の格子定数＝基準尺の格子定数の１／２）が維持される限りにおいて、測定方向への方向変換を走査格子１０００，１０００’だけで実現することができることにある。このことによって、利用されない回折次数の回折により、前述した二つの走査格子を持つ走査装置の場合よりも光の損失がより少ない。
【００２８】
その他の点では、ここに描かれた素子の機能は、前述の例のものと同じである。そしてまた、走査格子１０００，１０００’には、それぞれ偏光レンズの位相差素子４００，４００’が配置されている。また、基本的には、共通の支持盤１５０上に測定方向ｘに対して間隔をおいて配置された二つの直角プリズム５００，５００’の配列の代わりに、それに対応した長さを持つ一つの単独の直角プリズムを使用することもできる。
【００２９】
また、走査光路に関して、光源１００から放射された光束が、まず基準尺９００に当り、そこからの１回目の反射と少なくとも一つの直角プリズム５００，５００’の方向への回折が起こる。直角プリズム５００，５００’によって、基準尺９００の方向に戻る反射が生じた後、基準尺９００から検出素子８００．８００’，８００”の方向への２回目の反射が起こる。一つまたは二つの直角プリズム５００，５００’の相異なる形態において、基準尺９００上での１回目の反射の後、光束は直角プリズム５００，５００’内で走査格子１０００，１０００’をそれぞれ１回だけ通過する。
【００３０】
説明した二つの実施例は、以下に述べる点において簡単に修正することができる。
【００３１】
そこでは、例えば相異なる光源を用いることができる。光路差が発生せず、二つの干渉する光束が同じ位置で一つにまとまるので、時間的および／または空間的において部分的なまたは非干渉性の光源も使用することができる。単一モードまたは多モードのストライプ型半導体レーザーのほかにＶＣＳＥＬもこれに属し、その際横方向多モード形式も用いることができる。そして、ＬＥＤすら使用される。
【００３２】
拡散損失に関する問題を防止するため、光源を走査ユニットから分離し、これと光ファイバーで接続することができる。信号の検出を偏光状態の評価により行う場合には、偏光面保存ファイバーを使用する。
【００３３】
さらに、光路変更素子は、円柱レンズと鏡の組み合わせにより置き換えることができる。その際、円柱レンズを、フレネル型円柱レンズまたはフレネル型円柱輪帯回折板としても構成することができる。
【００３４】
また、直角プリズムは、直角反射鏡、すなわち９０°の角度をもって互いに配置された二つの鏡面の配列と置き換えることができる。この代わりに、簡単なプラスチックプリズムの使用も可能である。
【００３５】
信号生成のために、光電素子の前にある偏光子の代わりに、偏光された部分光線から成る、干渉法において一般的な配列を利用することができ、それによりそれぞれ９０°位相のずれた４つの信号が生成される。
【００３６】
同様に、レーザー光の偏光された状態から測定信号を生成するのではなく、基準尺格子と走査格子の格子定数を僅かに異なるように選択することができる。この方法では、基準尺上における二つの光束の干渉により、ここではバーニャ縞模様と呼ばれる、強度の縞模様が発生する。これは、走査ユニットの構造化された光電センサーの形の検出素子上に転写または描写される。このため、構造化された光電センサーは、指の構造（横に並行して配置された複数の同じ大きさの長方形の光電素子）を持つ。バーニャ縞模様が光電素子の上に描写される場合、各光電素子は、１２０°位相のずれた三つの、または９０°位相のずれた四つの信号電流が発生するように接続される。バーニャ縞模様の代わりに、走査格子が基準尺の基準方向（ｚ方向）の回りを僅かに回転した場合に発生するモアレ縞模様を生成させることもできる。
【００３７】
さらに、この発明の範囲内には、説明した例以外にも一連の他の実施可能な構成が存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による位置測定装置の第１実施構成の光路の展開図
【図２ａ】 図１による光路にもとづく、この発明による位置測定装置の第１実施例の正面図
【図２ｂ】 図１による光路にもとづく、この発明による位置測定装置の第１実施例の側面図
【図３】 場合によっては発生する上下動の傾斜の場合における光路の変化の説明図
【図４】 この発明による位置測定装置の第２実施構成の光路の展開図
【図５ａ】 図４による光路にもとづく、この発明による位置測定装置の第２実施例の正面図
【図５ｂ】 図４による光路にもとづく、この発明による位置測定装置の第２実施例の側面図
【符号の説明】
１ 基準尺格子
２ 第１走査格子
３ 第２走査格子
４ 基準尺格子
５，５’ １／８波長板
６ 後置の格子
７，７’，７” 偏光子
８，８’，８” 光電素子
Ａ 走査ユニット
１０ 光源（レーザーダイオード）
１５ 支持盤
２０ コリメーションレンズ
３０，３０’ 走査格子
４０，４０’ １／８波長板
５０，５０’ 直角プリズム
７０，７０’，７０” 偏光子
８０，８０’，８０” 光電素子
９０ 基準尺
１０００ 基準尺
２０００ 走査格子
３０００ 基準尺
５０００，５０００’，５０００”，５０００''' 位相差板
６０００ 後置の格子
７０００，７０００’，７０００” 偏光子
８０００，８０００’，８０００” 光電素子
１００ 光源
１５０ 支持盤
４００，４００’ 位相差素子
５００，５００ 直角プリズム
５００ａ，５００ｂ 部分プリズム
８００．８００’，８００” 検出素子
９００ 基準尺

Claims (11)

1. 走査ユニットが、少なくとも一つの走査格子、少なくとも一つの光路変更素子、ならびに複数の光電型検出素子を持ち、この走査ユニットとこれに対して少なくとも一つの方向に位置がずれることができる基準尺との相対位置を検出するための位置測定装置において、
   走査ユニット（Ａ）には、少なくとも一つの直角プリズム（５０，５０’）が光路変更素子として配置され、その直角プリズムの稜線（５１，５１’）が測定方向（ｘ）に対して平行な方向を向き、その直角プリズムが、基準尺の面内（９０）にあり測定方向（ｘ）に対して垂直な方向を向いた方向（ｙ）において、逆反射体として機能することと、
   光源（１０）から放射された光束が、先ず基準尺（９０）上に当り、そこから少なくとも一つの直角プリズム（５０，５０’）の方向に１回目の反射が起こり、そして直角プリズム（５０，５０’）によって基準尺（９０）の方向に戻る反射が起こり、その次に光束の基準尺（９０）から検出素子（８０，８０’，８０”）の方向への２回目の反射が起こることと、
   光束が、基準尺（９０）上での１回目の反射の後に直角プリズム（５０，５０’）への入射の前に１回目の走査格子（３０，３０’）の通過を行い、そのことによって光束が基準尺（９０）に対して垂直な方向を向くように方向を変え、その光束が直角プリズム（５０，５０’）からの出射後に２回目の走査格子（３０，３０’）の通過を行うことと、
   を特徴とする位置測定装置。
2. 走査ユニットが、少なくとも一つの走査格子、少なくとも一つの光路変更素子、ならびに複数の光電型検出素子を持ち、この走査ユニットとこれに対して少なくとも一つの方向に位置がずれることができる基準尺との相対位置を検出するための位置測定装置において、
   走査ユニット（Ａ’）には、少なくとも一つの直角プリズム（５００，５００’）が光路変更素子として配置され、その直角プリズムの稜線（５１０，５１０’）が測定方向（ｘ）に対して平行な方向を向き、その直角プリズムが、基準尺の面内（９００）にあり測定方向（ｘ）に対して垂直な方向を向いた方向（ｙ）において、逆反射体として機能することと、
   走査格子（１０００，１０００’）が、直角プリズム（５００，５００’）の先端と下面との間に立てられた形で配置されていることと、
   光源（１００）から放射された光束が、先ず基準尺（９００）上に当り、そこから少なくとも一つの直角プリズム（５００，５００’）の方向に１回目の反射が起こり、そして直角プリズム（５００，５００’）によって基準尺（９００）の方向に戻る反射が起こり、その次に基準尺（９００）から検出素子（８００，８００’，８００”）の方向への光束の２回目の反射が起こることと、
   光束が、基準尺（９００）上での１回目の反射の後に直角プリズム（５００，５００’）内において走査格子（１０００，１０００’）を１回通過することと、
   を特徴とする位置測定装置。
3. 走査格子（３０，３０’）が、直角プリズム（５０，５０’）の基準尺（９０）の方を向いた面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
4. 偏光位相差素子（４０，４０’；４００，４００’）が、走査格子（３０，３０’；１０００，１０００’）に組み込まれていることを特徴とする請求項１から３までの一つに記載の位置測定装置。
5. 走査ユニット（Ａ）が、測定方向（ｘ）に対して互いに間隔をおいて配置された二つの直角プリズム（５０，５０’；５００，５００’）を有することを特徴とする請求項１から４までの一つに記載の位置測定装置。
6. 二つの直角プリズム（５０，５０’；５００，５００’）が、共通の支持盤（１５；１５０）上に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の位置測定装置。
7. 直角プリズム（５００，５００’）が、走査格子（１０００，１０００’）上で双方の面が接合された二つの部分プリズム（５００ａ，５００ｂ）から成ることを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
8. 直角プリズムが、９０°の頂角をもって互いに配置された二つの鏡面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置測定装置。
9. 検出素子の前に、当たった光束を複数の部分光束に分ける分割格子が配置され、そしてこれらの部分光束が相異なる方向を向いた偏向子を通過し、その結果検出素子が位相のずれた信号を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置測定装置。
10. 光源が、走査ユニットから切り離されて配置されるとともに、これと光ファイバーによって接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置測定装置。
11. 基準尺と走査格子の格子定数が、僅かに異なるように選択されるとともに、走査ユニットにおいて構造化された光電センサーが検出素子として配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置測定装置。

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