JP6667197B2 - 測定目盛及びその測定目盛を備えた光電式位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、第一の方向とそれに対して直角に延びる第二の方向における位置を測定する光電式位置測定装置のための測定目盛であって、格子エレメントが第一の方向と第二の方向に周期的に配置された位相格子から構成される測定目盛に関する。

そのような測定目盛は、二次元測定用光電式位置測定装置において基準尺として用いられている。位置測定のためには、光ビームが測定目盛に向けられており、測定目盛での回折により、別の部分光ビームと干渉する第一の部分光ビームを発生させる。

更に、本発明は、そのような測定目盛を備えた光電式位置測定装置に関する。

そのような光電式位置測定装置は、互いに相対的に動く二つの物体の位置の変化を測定するために用いられている。

この場合、測定目盛は、光ビームにより走査されて、測定目盛において位置に応じて変調された光ビームが、走査ユニットに供給され、そのユニットは、そのビームから、測定目盛に対する走査ユニットの瞬間的な位置に関する測度を生成する。

この種の測定目盛及び位置測定装置は、特許文献１により周知である。その測定目盛は、第一の方向及び第二の方向における正方形の周期的な配列から成る格子エレメントから構成され、それらの正方形は、９０°の角を互いに接触させたチェス盤を形成している。

この種の別の測定目盛及び位置測定装置は、特許文献２に記載されている。その測定目盛は、第一の方向及び第二の方向における正方形の周期的な配列から構成され、それらの正方形は、互いに間隔を開けて配置されて、接触していない。

欧州特許公開第１１０６９７２号明細書 ドイツ特許第４１３２９４１号明細書 欧州特許公開第１７６２８２８号明細書

本発明の課題は、容易に製造することができるとともに、二つの測定方向における精密な位置測定を可能とする、第一の方向とそれに対して直角に延びる第二の方向における位置を測定する光電式位置測定装置のための測定目盛を提示することである。

更に、本発明の課題は、精密な位置測定を可能とする光電式位置測定装置を提示することである。

本課題は、請求項１の特徴を有する測定目盛によって解決される。

本発明による測定目盛は、格子エレメントが第一の方向と第二の方向に周期的に配置された位相格子から構成される。これらの周期的に配置された格子エレメントは、それぞれ互いに対向する二つの真っ直ぐな第一の辺と、これらの辺に対して直角に延びる互いに対向する二つの真っ直ぐな第二の辺と、それぞれこれらの第一と第二の辺の間のそれぞれ鈍角を成す接続線とから成る直線の連なりから構成される外側輪郭を有する。

前記の直線の連なりは、第一と第二の方向を包含する平面内において一つの繋がった幾何学的な図形を示す。

鈍角αの定義は、次の式で表される。

９０°＜α＜１８０°
それぞれ第一と第二の辺の間の接続線は鈍角を形成し、これらの接続線は、それぞれ一つの直線部分から成り、各辺は、この直線部分と共に、それぞれ鈍角を成す。

これらの格子エレメントの中の一つは、それぞれ盛り上がった反射表面とそれに対して掘り下げられた反射表面領域とから構成され、この掘り下げられた表面領域は、盛り上がった表面領域を取り囲んでいる。これら二つの反射表面の高さの差は、ステップ高と呼ばれ、波長、屈折率などの別のパラメータを用いて、周知の手法で入射する光ビームの結果として生じる位相偏移を規定する。

本発明では、各格子エレメントの盛り上がった反射表面とそれに対して掘り下げられた反射表面のいずれかが、本発明による外側輪郭を有する。

この場合、位相格子は、透明なスペーサ層の両側に配置された、第一と第二の方向に対して直角な方向に関して互いに間隔を開けて配置された二つの反射層から構成することができる。この場合、これら二つの層の中の一方は、盛り上がった表面を構成し、これら二つの層の中の他方は、掘り下げられた表面を構成する。この掘り下げられた表面が連続的な反射層である場合、この位相格子は、特に効果的に作用する。

この位相格子は、有利には、０次の回折次数を抑制するように構成される。そのために、この格子エレメントの盛り上がった表面の面部分と掘り下げられた表面の面部分が、同じ光強度で反射するように選定するのが有利である。

これらの接続線を直線として構成することは、測定目盛の製造を容易にする。この場合、更に、全ての形成される鈍角が同じである、特に、１３５°であるのが有利である。

更に、第一の辺の相互間隔が第二の辺の相互間隔と等しいことが有利である。この場合、直線の連なりとして、頂点を切断された正方形が得られる。

格子エレメントの四軸対称の実施形態が特に有利である。この場合、外側輪郭の推移は、第一の辺に対して直角に延びる第一の対称軸に対して鏡面対称であり、第二の辺に対して直角に延びる第二の対称軸に対して鏡面対称であり、第一の対称軸に対して４５°の角度で延びる第三の対称軸に対して鏡面対称であり、第三の対称軸に対して直角に延びる第四の対称軸に対して鏡面対称である。

従来技術による実施形態と比べた回折特性の明らかな改善は、第二の辺の長さがそれぞれ第一の辺の相互間隔の１０％〜９０％であり、同様に第一の辺の長さがそれぞれ第二の辺の相互間隔の１０％〜９０％である場合に漸く得られる。

更なる改善は、第二の辺の長さがそれぞれ第一の辺の相互間隔の３０％〜７０％であり、第一の辺の長さがそれぞれ第二の辺の相互間隔の３０％〜７０％である場合に得られる。相互間隔は、各辺の互いの間隔として定義される。

この測定目盛を位置測定装置に用いることに関して、第一の辺が二つの測定方向の中の一方の方向に対して平行な方向を向き、第二の辺が二つの測定方向の中の他方の方向に対して平行な方向を向くか、或いは第一の辺が第一の測定方向に対して４０°傾斜した方向を向き、第二の辺が第二の測定方向に対して４０°傾斜した方向を向くのが有利である。

本課題は、請求項１３の特徴を有する位置測定装置によって解決される。

本発明は、一方では測定目盛の回折効率の最大化を可能とし、他方では比較的大きい面に渡って回折特性を均一にすることも可能にしている。そのことは、測定目盛の所要の面的な広がりが益々大きくなっているので、益々重要となっている。一方では、達成可能な測定ステップが益々小さくなるとともに、ウェーハが益々大きくなることに起因する、必要な測定行程が益々大きくなっているので、その要件は、特に、測定目盛又はそれを備えた位置測定装置をリソグラフィシステムで使用する場合に課される。本発明により達成可能な比較的大きな面に渡る回折特性の均一性とそれにより達成可能な電気走査信号の小さな信号変動は、本発明による格子エレメントの実施形態において、０次の回折次数の最小値が１次の回折次数の最大値の所で生じることから得られる。

本発明により、測定目盛を比較的簡単に製造できることも実現可能である。この格子エレメントが有する外側輪郭は、鋭角及び９０°の角度を含まず、二つの方向に並んで配置された外側輪郭は、互いに接触しない。本発明による外側輪郭は、長方形、正方形及び三角形の中の一つ以上の形をした幾つかの形状を組み合わせることによって露光することができるので、そのような構造用のフォトマスクは、可変成形ビーム絞り（可変成形ビーム技術：ＶＳＢ）を備えた電子ビームリソグラフィ機器を用いて、比較的高速に露光することができる。

本発明による測定目盛の平面図 図１の測定目盛の断面線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図 本発明による測定目盛の格子エレメントの形状に依存する、１次の回折次数と０次の回折次数の強度変化グラフ 従来技術による測定目盛と本発明による測定目盛の格子エレメントの面積比率に依存する、１次の回折次数と０次の回折次数の強度変化グラフ

図１は、本発明の構成による第一の方向Ｘとそれに対して直角に延びる第二の方向Ｙにおける位置を測定する光電式位置測定装置用の測定目盛１の平面図を図示している。この測定目盛は、格子エレメント２が第一の方向Ｘと第二の方向Ｙに周期的に配置された位相格子から構成される。本発明では、これらの格子エレメント２は、それぞれ互いに対向する二つの真っ直ぐな第一の辺Ｋ１と、それに対して直角に延びる互いに対向する二つの真っ直ぐな第二の辺Ｋ２と、それぞれ第一の辺Ｋ１と第二の辺Ｋ２の間のそれぞれ鈍角αを成す接続線Ｋ３とから成る線の連なりから構成される外側輪郭を有する。

これらの接続線Ｋ３は、有利には、直線で構成される。特に、第一の辺Ｋ１と直線の接続線Ｋ３の間及び第二の辺Ｋ２と直線の接続線Ｋ３の間の鈍角αは、それぞれ１３５°である。

更に、第一の辺Ｋ１の相互間隔Ａ１は、第二の辺Ｋ２の相互間隔Ａ２と等しい。

特に有利な実施形態は、四軸対称の外側輪郭である。この場合、この外側輪郭は、第一の辺Ｋ１に対して直角に延びる第一の対称軸Ｓ１に対して鏡面対称であり、第二の辺Ｋ２に対して直角に延びる第二の対称軸Ｓ２に対して鏡面対称であり、第一の対称軸Ｓ１に対して４５°の角度で延びる第三の対称軸Ｓ３に対して鏡面対称であり、第三の対称軸Ｓ３に対して直角に延びる第四の対称軸に対して鏡面対称である。

この実施形態は、二つの方向ＸとＹにおける格子エレメント２の回折特性が同じであり、そのため、二つの方向用の走査機器を同じ構成とすることができるとの利点を有する。一方では、二つの方向ＸとＹに関して、同じ空間的状況が得られる、即ち、ＸＹ平面に対する評価すべき回折次数の角度が同じとなり、その評価すべき回折次数が同じ強度をも有し、そのため、二つの方向ＸとＹのために、同じ評価ユニットを使用することができる。

これらの有利な条件は、特に、第一の辺Ｋ１が二つの方向Ｘ，Ｙの中の一方の方向Ｙに対して平行な方向を向き、第二の辺Ｋ２が二つの方向Ｘ，Ｙの中の他方の方向Ｘに対して平行な方向を向くか、或いは第一の辺Ｋ１が第一の方向Ｘに対して４５°傾斜した方向を向き、第二の辺Ｋ２が第二の方向Ｙに対して４５°傾斜した方向を向く場合に得られる。

図示された例では、測定目盛は、位置測定のために所謂反射光を使用する反射位相格子である。反射光とは、位相格子が片側から照明され、位相格子に入射した光ビームを反射して回折させることを意味する。精密な位置測定のためには、０次の回折次数を出来る限り完全に抑制するように構成された位相格子が必要である。そのためのパラメータは格子エレメント２の選定された面積比率Ｆであることが分かった。この格子エレメント２は、第一の方向Ｘに周期Ｐ１で配置され、第二の方向Ｙに周期Ｐ２で配置される。各格子エレメント２は、それぞれ第一の面Ｆ１と第二の面Ｆ２から構成される。第一の面Ｆ１は、前記の外側輪郭を有する盛り上がった反射表面から構成され、第二の面Ｆ２は、その外側輪郭を取り囲む格子エレメント２の反射面から構成される。この面積比率Ｆは、Ｆ１／Ｆ２であり、当たった光ビーム（回折を考慮しない直接反射光）がそれぞれ同じ光強度で反射されるように選定される。そのことは、反射面Ｆ１とそれに対して掘り下げられた反射面Ｆ２の間のステップ高Ｈが使用する光の波長に依存して選定された場合、０次の回折次数を消滅させることとなる。

精密で高分解能の位置測定のためには、有利には、周期Ｐ１とＰ２は１０μｍ以内である。

更に、特に、Ｐ１はＰ２と等しい。

図２は、図１に図示された位相格子の断面線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図を図示している。この例では、格子エレメント２のステップ高Ｈは、透明なスペーサ層５の両側に配置された、第一と第二の方向Ｘ，Ｙに対して直角の方向に関して互いに間隔を開けて配置された二つの反射層３と４によって構成される。構造化された層３とこの例では連続する層４の間のステップ高Ｈは、屈折率、面Ｆ１で反射された光ビームと面Ｆ２で反射される光ビームの間の光路長差などの別のパラメータを用いて決定される。

走査時に使用される光ビームの約９８０ｎｍの波長に関して、０次の回折次数を消滅させるために必要なステップ高Ｈは約１８０ｎｍとなる。

これらの反射層３，４は、例えば、クロム、金、アルミニウム、シリコンの材料を含むことができる。反射層４の支持体６として、有利には、膨張率がほぼゼロのガラス、特に、ＺＥＲＯＤＵＲ又はＵＬＥが用いられる。反射層４は、連続している、即ち、面Ｆ１の下にも配置されるか、或いは面Ｆ１の近傍に部分的にのみ配置される。

透明なスペーサ層としては、例えば、特に、ＳｉＯ_２などのシリコンを含む材料が適しているが、Ｔａ_２Ｏ_５も適している。

図３には、それぞれ格子エレメント２が有する外側輪郭の形状に応じた１次の回折次数（１．ＢＯ）と０次の回折次数（０．ＢＯ）の強度変化が図示されている。第一の辺Ｋ１の相互間隔Ａ１に対する第二の辺Ｋ２の長さＢの比率に応じた強度変化が表示されている。この比率Ｂ／Ａ１をより良く理解するために、数値の下には、それに対応する外側輪郭を有する格子エレメント２が模式的に図示されている。図３は、各外側輪郭（それぞれ対応する外側輪郭に関して最適な面積比率Ｆ）に対して、それにより達成可能な１次の回折次数（１．ＢＯ）の最大強度Ｉを図示している。

従来技術において、特許文献２では、その比率Ｂ／Ａ１＝０であり、特許文献１では、その比率Ｂ／Ａ１＝１である。図３からは、１次の回折次数（１．ＢＯ）が、それら二つの極値の間の領域内にその最大値を有することが分かる。同様に、０次の回折次数（０．ＢＯ）は、それら二つの極値の間にその最小値を有する。本発明では、この新しい知見を活用している。

第二の辺Ｋ２の長さＢがそれぞれ第一の辺Ｋ１の相互間隔Ａ１の１０％〜９０％である、即ち、その比率Ｂ／Ａ１を０．１と０．９の間で選定するのが有利である。この比率は、第一の辺に関しても成り立ち、そのため、第一の辺Ｋ１の長さＣは、それぞれ第二の辺Ｋ２の相互間隔Ａ２の１０％〜９０％である、即ち、その比率Ｃ／Ａ２は同じく０．１と０．９の間に有る。

第二の辺Ｋ２の長さＢが、それぞれ第一の辺Ｋ１の相互間隔Ａ１の３０％〜７０％である、即ち、その比率Ｂ／Ａ１を０．３と０．７の間で選定するとともに、第一の辺Ｋ１の長さＣが、それぞれ第二の辺Ｋ２の相互間隔Ａ２の３０％〜７０％である、即ち、その比率Ｃ／Ａ２を０．３と０．７の間で選定した場合、より一層良好な最適化が実現される。

図４は、従来技術（特許文献２）による測定目盛と本発明による測定目盛の格子エレメント２の面積比率Ｆに応じた１次の回折次数（１．ＢＯ）と０次の回折次数（０．ＢＯ）の強度変化を図示している。この０次の回折次数の変化は、図示されている二つの格子エレメントに関して同じである。そのことから、本発明による実施形態では、製造技術的な利点も得られることが分かる。従来技術では、達成可能な最大回折効率の１０％の回折効率の低減が許容されるのに対して、０次の回折次数の強度の１８％までの増加となっている。本発明による実施形態では、一方で１次の回折次数のより大きな最大値が得られるとともに、更に、１０％の許容範囲を活用した場合、０次の回折次数の強度の増加が僅か６％以内となっている。そのため、本発明による構成の測定目盛は、特に、（それぞれ１次の回折次数を用いた）複数回の回折により位置に依存して変調された光ビームが測定目盛に案内される高分解能の位置測定装置での使用に適している。

図３と図４の曲線の変化は、面Ｆ１の反射率が面Ｆ２の反射率よりも少し大きい図２の層構造に由来する。そのため、０次の回折次数の最小値は、Ｆ＜０．５の範囲内に有る。図２に図示された構造では、その状況は、反射層４が透明な層５で覆われており、そのため、この層４で反射された光が、この層５によって減衰されることにより起こる。

本発明による構成の測定目盛は、Ｘ−Ｙ平面に対して垂直な位置の測定に使用することもでき、それに関しては、特許文献３を参照されたい。

１ 測定目盛
２ 格子エレメント
３ 反射層
４ 反射層
５ スペーサ層
６ 測定目盛
Ａ１ 第一の辺Ｋ１の相互間隔
Ａ２ 第二の辺Ｋ２の相互間隔
Ｂ 第二の辺Ｋ２の長さ
Ｃ 第一の辺Ｋ１の長さ
Ｆ１ 第一の面部分
Ｆ２ 第二の面部分
Ｈ ステップ高
Ｋ１ 第一の辺
Ｋ２ 第二の辺
Ｋ３ 接続線
Ｐ１ 格子エレメント２の第一の方向Ｘの周期
Ｐ２ 格子エレメント２の第二の方向Ｙの周期
Ｓ１ 第一の対称軸
Ｓ２ 第二の対称軸
Ｓ３ 第三の対称軸
Ｓ４ 第四の対称軸
Ｘ 第一の方向
Ｙ 第二の方向
α 鈍角
ＩＩ−ＩＩ 断面線
０．ＢＯ ０次の回折次数
１．ＢＯ １次の回折次数

Claims (11)

1. 第一の方向（Ｘ）とそれに対して直角に延びる第二の方向（Ｙ）における位置を測定する光電式位置測定装置のための測定目盛であって、第一の方向（Ｘ）と第二の方向（Ｙ）における格子エレメント（２）の周期的な配列から構成される位相格子を備えた測定目盛において、
   これらの格子エレメント（２）が、それぞれ互いに対向する二つの真っ直ぐな第一の辺（Ｋ１）と、それに対して直角に延びる互いに対向する二つの真っ直ぐな第二の辺（Ｋ２）と、それぞれ第一の辺（Ｋ１）と第二の辺（Ｋ２）の間のそれぞれ鈍角（α）を成す接続線（Ｋ３）とから成る直線の連なりから構成される外側輪郭を有し、
   この格子エレメント（２）が、それぞれ第一の面部分（Ｆ１）と第二の面部分（Ｆ２）から構成され、この第一の面部分（Ｆ１）が、盛り上がった反射表面であり、この第二の面部分（Ｆ２）が、第一の面部分（Ｆ１）を取り囲む、第一の面部分に対して掘り下げられた反射面であり、この盛り上がった反射表面が前記の外側輪郭を成し、
   格子エレメント（２）の第一の面部分（Ｆ１）と第二の面部分（Ｆ２）は、同じ光強度で反射するように選定されている、
   ことを特徴とする測定目盛。
2. 当該の接続線（Ｋ３）が直線であることと、
   当該の鈍角（α）が１３５°であることと、
   を特徴とする請求項１に記載の測定目盛。
3. 第一の辺（Ｋ１）の相互間隔（Ａ１）が第二の辺（Ｋ２）の相互間隔（Ａ２）と等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定目盛。
4. 当該の外側輪郭が、第一の辺（Ｋ１）に対して直角に延びる第一の対称軸（Ｓ１）に対して鏡面対称であり、第二の辺（Ｋ２）に対して直角に延びる第二の対称軸（Ｓ２）に対して鏡面対称であり、第一の対称軸（Ｓ１）に対して４５°の角度で傾斜して延びる第三の対称軸（Ｓ３）に対して鏡面対称であり、第三の対称軸（Ｓ３）に対して直角に延びる第四の対称軸（Ｓ４）に対して鏡面対称であることを特徴とする請求項３に記載の測定目盛。
5. 第二の辺（Ｋ２）の長さ（Ｂ）が、それぞれ第一の辺（Ｋ１）の相互間隔（Ａ１）の１０％〜９０％であることと、
   第一の辺（Ｋ１）の長さ（Ｃ）が、それぞれ第二の辺（Ｋ２）の相互間隔（Ａ２）の１０％〜９０％であることと、
   を特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の測定目盛。
6. 第二の辺（Ｋ２）の長さ（Ｂ）が、それぞれ第一の辺（Ｋ１）の相互間隔（Ａ１）の３０％〜７０％であることと、
   第一の辺（Ｋ１）の長さ（Ｃ）が、それぞれ第二の辺（Ｋ２）の相互間隔（Ａ２）の３０％〜７０％であることと、
   を特徴とする請求項５に記載の測定目盛。
7. 第一の辺（Ｋ１）が、二つの方向（Ｘ，Ｙ）の中の一方の方向（Ｘ）に対して平行な方向を向き、第二の辺（Ｋ２）が、二つの方向（Ｘ，Ｙ）の中の他方の方向（Ｙ）に対して平行な方向を向いていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の測定目盛。
8. 第一の辺（Ｋ１）が第一の方向（Ｘ）に対して４５°傾斜した方向を向き、第二の辺（Ｋ２）が第二の方向（Ｙ）に対して４５°傾斜した方向を向いていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の測定目盛。
9. 当該の位相格子が、０次の回折次数を抑制するように構成されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の測定目盛。
10. 当該の位相格子が、透明なスペーサ層（５）の両側に配置された、第一の方向（Ｘ）と第二の方向（Ｙ）に対して直角な方向に関して互いに間隔を開けて配置された二つの反射層（３，４）から構成されることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の測定目盛。
11. 請求項１から１０までのいずれか一つに記載の測定目盛を備えた光電式位置測定装置。

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