JPH021501A - レーザ干渉測長器及びそれを用いた位置決め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はΔ１１Ｊ定精度向上を図ったレーザ干渉測長器
に係り、このレーザ干渉測長器は例えば半導体製造装置
におけるウェハの位置決め精度を向上させるのに使用で
きるものである。

［従来の技術］ 従来のレーザ干渉測長装置では、空気の屈折率変化によ
る変位の測定誤差の補正は、特開昭６０−２６３８０１
号公報に記載のように、信号用ビームの他に屈折率補正
用ビームとして参照ビームを信号ビームの近傍に設け、
参照ビーム反射鏡と信号ビーム反射鏡をほぼ同じ距離だ
け離して設定することにより両ビームがほぼ同程度の屈
折率変化を受けるので、両光の干渉をとることによって
それらの影響がほぼキャンセルされるとして近似的に補
正を行うだけのものであった。しかし、測定対象物があ
る程度長い距離を動いて両ビームの光路長差が大きくな
ったときに発生する測定誤差については配慮していなか
った。

また現在のところ広く行われている従来技術としては、
環境センサを使って信号ビームの近傍における空気の温
度、圧力、湿度等を測定し、数式によって空気の屈折率
を算出して数値補正を行っているものがあるが、環境の
測定点数が限られるため、その測定点数における屈折率
の平均値的なものでしか補正が行えず、レーザビームパ
ス全体についての補正としては完全なものとは言えなか
った・ ［発明が解決しようとする問題点コ 上記のように従来技術では、測定対象物が変位して参照
ビームと信号ビームの光路長差が大きくなったときには
１両ビームに与える空気の屈折率変化の影響の度合いが
異なるために補正が不完全になり、測定誤差が大きくな
る点が問題点となっていた。

本発明の目的は、測定対象物がどの位置にあっても、ま
た空気の屈折率がビーム上においてどのように分布して
いても補正を完全に行い、測定誤差を低減し得るレーザ
干渉測長器を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、対象物の変位ｉｉ＋１Ｊ定用ビームとは完
全に独立した屈折率補正用のビーム及びその信号処理回
路と、演算装置とを設け、この補正用ビームにより空気
の屈折率変化を間接的にモニタし、両ビームによる測定
結果より空気の屈折率変化に起因する成分を消去してそ
の影響を全く受けない出力を演算装置において演算する
ことにより達成される。

［作　　　用］ ビーム分割手段で２分割されたレーザビームのうち補正
用ビームは空気中において、もう一方のｉ１＋’ｌ定用
ビームの近傍を走り、それぞれ別の観点からΔ１り定対
象変位を測定する。このとき、該両ビームの光路はごく
接近していることから両者は同等に、かつその光路長に
応じて空気の屈折率変化の影響を受けると考えてよい。

従って上記両ビームによる測定出力を用いた演算により
空気の屈折率変化の影響を除去した測定対象変位量の測
定ができる。

［実　施　例コ 以下１本発明のレーザ干渉測長器の一実施例を第１図及
び第２図により説明する。第１−図（、）は側面図、第
１図（ｂ）は平面図、第２図は部分詳細図である。まず
全棒構Ｉ戊を説明する。１は直、線傷光を発振する波長
安定化レーザ発振器であり、５はビームスプリッタ（以
降Ｂ、Ｓ、と略記する）とミラーから成るビーム分割器
であり、レーザ発振器１からのレーザ光を平行な２つの
ビームに分割するものである。３は、１７４波長板９，
１３、偏光板２３及び偏光ビームスプリッタ（以降Ｐ、
Ｂ、Ｓ。

と略記する）１１よりなる干渉計であり、第２図に示す
ように１７４波長板９及び同１３を保持面としてホルダ
５５に対してバネ５６〜５９による与圧によって保持さ
れている。また５３は測定対象物５４（例えばＸＹステ
ージなど）上に取り付けられた反射面３６及び３９を持
つ断面がＬ字型で、かつ石英など線膨張係数の比較的小
さい母材で作られた棒ミラーである。

２０．２１は干渉計３からの干渉光を光電変換してこれ
より位相変化を測定する光路差測定装置で、これらの出
力はそれぞれ出力Ａ、高出力であり、２２はこれらの出
力を処理する演算装置でその出力は出力Ｘである。

以下に動作を説明する。波長を安定化したレーザ発振器
１から発した紙面に対して４５°方向に偏光面をもつ直
線偏光のレーザ光はビーム分割器５により互いに平行な
２つのレーザ光に分割され、これらの光は干渉計３のＰ
、Ｂ、Ｓ、　１１の■印の位置に入射する。このうち＋
１．Ｄ、５．１１の上半分側に入射したビームと下半分
側に入射したビームは、それぞれ測定対象物５４上に設
置した捧ミラー５３の変位量をｔｌｌ’ｌ定するもので
あるが、反射位置が反射面３６と同３３９で異なるため
後記の信号ビームの光路長が常にミラーの段差の分Ｑ２
だけ異なる。

まず、Ｐ、＋３．Ｓ、Ｉ　１の上半分側に入射した光は
測定用ビームであり、Ｐ、Ｂ、５．１１の分割面におい
てその偏光成分により２分割される。まずこの入射面に
対して平行な方向に偏光面を持つ直線偏光成分は分割Ｕ
ｒＪを透過して１７４波長板１３に至り、その背後に設
けた反射膜１２で反射して再びＰ、Ｂ、Ｓ。

１１に戻るが、１７４波長板１３を１往復してきたこの
光は偏光面が９０’回転しているので今度はＰ、Ｂ、３
．１１の分割面で反射されて偏光板２３に至る。これを
測定用ビームの参照ビーム（Ｉ２で示す）と称する。一
方はじめに入射面に対して垂直な方向に偏光面をもつ直
線偏光成分は、分割面で反射されて１７４波長板９を経
て測定対象物上に設計面したミラー５３の反射面３って
反射されて再び１／′４波長板９を経てＰ、Ｂ、Ｓ、　
ｌ　］−に戻るが、やはり１７４波長板９を１往復して
きたこの光も偏光面が９０’回転しているので今度はＰ
、Ｂ、５．１１の分割面を透過し、偏光板２３に至る。

これを測定用ビームの信号ビーｔｚ　（ｒ　ｚで示す）
と称する。偏光板２３はその透過軸を紙面に対して４５
°に設置しであるので、ここで両光Ｉ工Ｔ　　Ｉｚの共
通な偏光成分同志が干渉を起こす。測定対数物５４が変
位し干渉計３と捧ミラー５３との距離が変化すると干渉
光の明るさが変化するので、光路差測定装置２０におい
てその変化から光路長差の変化分を出力Ａとして得る。

次にＰ、［３，Ｓ、　１１の下半分に入射した光は補正
用ビームであり、やはり先と同様に信号ビーム（補正用
ビームの信号ビーム。これを工、で示す）と参照ビーム
（補正用ビームの参照ビーム。これを１４で示す）に分
割され、これらの干渉によって捧ミラー５３の変位を測
定するが、信号ビーｌ、の反射位置が反射面３６に変わ
り、信号ビームの長さが先の場合に比べて常にミラーの
段差の分Ｑ２だけ異なる以外は、各ビームの挙動は先の
測定用ビームの場合と全く同様なのでここでは詳しい説
明は省略する。このビームによる干渉光は、光路差ルＩ
す定装置２０において光路長差の変化分に換算して出力
Ｂとして得る。

続いて出力Ａ、Ｂについて説明する。ここでは測定の原
点（リセッ１へ時）、つまり測定対象物５４の変位Ｘが
零の時の反射面３６と１７４波長板９との距離をα□、
反射面３６と同３９の段差をＱ２で表わし、さらにＱｌ
及びＱ２の領域では空気の屈折率は一様でｎであると考
える。この状態から測定対象物５４がＸだけ変位したと
し、この間に空気の屈折率が全光路上において一様にΔ
ｎだけ変化して（ｎ＋Δｎ）になったとすると、光路差
測定装置２０．２１の出力Ａ、Ｂはそれぞれ次のように
なる・ Ａ　＝（Ｑ　ｘ　＋　ｘ　）　（ｎ十Δｎ）−Ｑ、ｎ＝
ｘｎ＋（Ｑよ＋Ｘ）Δｎ　　　　　　・・・■Ｂ　＝（
Ｑ□＋Ｑ２＋ｘ）（ｎ＋Δ　ｎ）−（ＩＩＩ□ｌ、）　
　ｎ＝　ｘ　ｎ　＋（Ｑ、＋Ｑ２＋ｚ）Δｎ　　　　・
・・■ここで、■−■をとると Ｂ−Ａ＝Ｑ、２Δｎより Δｎ　”　（Ｂ　　Ａ　）　／　Ｑ　ｚこれを０式に代
入してＸについて整理すると次のようになる・ 取り込んで０式の演算を実行し、その解Ｘを随時出力Ｘ
として出力すれば、この出力Ｘは空気の屈折率変化Δｎ
つまり空気のゆらぎの影響を受けない安定な変位Ｘの測
定結果となる。

ここで初期値として用いるリセット時のＱｌ。

Ｊ、ｎに要求される精度について検討する。

まず、Ｑｌが誤差δＱ□を持っとき、これによるａ１１
定誤差は次のようになる。

ここで、Ｑｚ　ｎ　＞（Ｂ　　Ａ）＝　Ｑ２Δｎ、さら
に往復１ｍの光路上で気温が仮りに１℃変化するとΔｎ
はｌｏ−６程度変化するので、Δｎ月１０−’と考える
と、 従って、リセット時のａ□、Ｑｚ、ｎを初期値として演
算装置２２に入力しておき、光路差測定装置２０．２１
の出力Ａ、Ｂを随時演算装置２２に２１０−’δＱ１ 従って測定値Ｘを誤差１ｎｍで測定するためには１Ｏ−
６δＱ□＜１０−’ 、°、　　　δ　Ｑ工＜ＩＰ’　　（ｍ）よってＱ□は
１１圃の精度で測定すればよい。

次にＱ２が誤差δＱ２をもつとき、これによる測定誤差
は次のようになる。

ここでＱ　１　／　Ｑ　ｚ　＜　１０　、Δｎ＜１０−
’とすると、測定誤差δＸをｌｎｍ以下にするためには
−１０Ｘｌ０−６δＱ２＜　１０−’ 、°、　　δＱ２　＜　１０−’　　（ｍ）従って捧ミ
ラーの段差Ｑ２は０．１ｍの加工精度で作成すればよい
。

最後にｎが誤差δｎをもつとき、これによる測定誤差は
次のようになる。

従って、測定誤差δＸを１ｎ＋ｎ以下にするには、初期
値ｎには１０−８〜１０−９のきびしい精度が要求され
る。これは０式が近似的に ｘ＝Ａ／ｎ と表されることからもわかるように、測定値Ｘが屈折率
ｎにほぼ反比例することがら、ｎの誤差が直接的に測定
値に影響をおよぼすからである。つまり初期値ｎに誤差
がある場合には測長器のスケールが誤差をもつことにな
り絶対精度は保証されない。しかし後に説明する最も一
般的な実施例であるＸＹステージ位置決め用などで用い
られる繰り返しの位置決め動作では、その繰り返し精度
は保証される。

また先に述べたＱ工ｔ　Ｑ２の誤差が１０−３〜１０−
４より大きい場合にも絶対精度はその誤差の大きさに比
例して悪くなるが、ｎの誤差の場合と同様に繰り返し精
度は保証される。

但しここで、第２図に示すように信号ビームの出射端面
を少なくともひとつの保持面として干渉計をホルダ５５
に保持しなければ、温度変化によって干渉計を構成して
いる光学素子が熱膨張又は収縮して、信号ビームエ、の
光学的長さ（物理的な長さに媒質の屈折率を乗じたもの
）が変化し、出力の温度ドリフトが起こるので注意が必
要である。

なお、前記のようにミラー３６と３９の位置の差（捧ミ
ラー５３の段差）で測定用ビームの信号ビームと補正用
ビームの信号ビームとの一定光路長差Ｑ２を与える代り
に、これら両ミラー３６゜３９の位置は一致させておき
、測定用ビームの干渉計と補正用ビームの干渉計との位
置を一定にずらせておいてもよい。更には、これらの方
策を併用してもよい。要は測定用ビームの信号ビームと
補正用ビームの信号ビームとの間に一定光路長差があれ
ばよい。

次に本発明のレーザ干渉測長器の別の実施例を第３図に
より説明する。まず全体構成から説明するが、第３図に
おいて第１図と同一部分には同一符号を用いている。１
は直線偏光を発振するレーザ発振器であり、Ｉｌ、Ｓ、
５はレーザ光を測定用ビームと補正用ビームに２分割す
る手段であり、測定用ビームは測定用ビーム干渉計に導
かれ、補正用ビームはミラー６５，６６により補正用ビ
ーム干渉計に導かれる。補正用ビーム干渉計ば、先の実
施例と同様、Ｐ、Ｉｌ、Ｓ、　１１．１／４波長板９，
１３、偏光板２３より構成されている。補正用ビーム干
渉計も全く同様ニＰ、Ｂ、ｓ、　６０．１７４波長板６
１゜６２及び偏光板６４より構成されている。変位Ｘは
棒ミラー５３の変位を表わしている。本実施例において
は、ａｌす走用ビームは前者の干渉計を基１′＜口とし
て、測定対象物に取り付けた捧ミラー５３の反射面６８
の変位を８１１１定し、補正用ビームは後者の干渉計を
基準として、捧ミラー５３ｉ面の反射面６９の変位を先
とは反対側から測定する。各干渉計におけるレーザ光の
挙動及び干渉の概要は先の実施例と全く同様であるので
ここではその詳細は省略するが、測定用ビーム干渉計か
らの干渉光は光路差測定装置２０で処理されて変位Ｘに
換算された出力Ａを得、補正用ビーム干渉計からの干渉
光は光路差測定装置２１で処理されて変位Ｘに換算され
た出力Ｂを得る。空気の屈折率変化の影響を含んだこの
出力Ａ、Ｂはさらに演算装］ａ２２に入力としてＱ工＋
　Ｑｚ＋　ｎとともに取り込まれ、屈折率の変化分を消
去する演算によって、屈折率変化の影響を受けない変位
Ｘを表わすｆｆｌ’Ｊ定出力Ｘを得る。

では具体的にそれぞれの出力について述べる。

測定の原点（リセット時）、つまり俸ミラー５３の変位
Ｘが零のときの反射面６８と１７４波長板９との距離を
Ｑ、ｉ、反射面６９と１／４波長板６１との距離をＱｚ
で表わし、さらにＱｌ及びＱｚの領域では空気の屈折率
は一様でｎであると考える。この状態から捧ミラー５３
がＸだけ変位したとし、この間に空気の屈折率が一様に
Δｎだけ変化して（ｎ＋Δｎ）になったとすると、光路
差１ｌｌＪ！ｌ定′技置２０．２１の出力Δ、Ｂはそ５
れぞれ次のようになる。

Ａ　＝（Ｑ　ｔ　十ｘ　）　（ｎ＋Δｎ）−Ｑ、ｎ＝ｘ
（ｎ＋Δｎ）＋ＱユΔｎ　　　　　・・・■Ｂ　＝（ｆ
１２−　ｘ）（ｎ＋Δｎ）−Ｑ２ｎ＝−ｘ（ｎ＋Δｎ）
＋Ｑ、Δｎ　　　　　・−■■、■より Ａ＋Ｂ＝（Ｑ、＋Ｑ２）Δｎ よって 一方向じ（■、■より Ａ−Ｂ＝２ｘ（ｎ＋Δｎ）−（Ｑｘ、−Ｑｚ）Δｎとな
り。これより ユニで■に■を代入して整理すると次のようになる。

従って、リセット時のＱ□、Ｑｚ、ｎを初期値として演
算装置に入力しておき、光路差測定装置２０．２１の出
力Ａ、Ｂを随時演算装置２２に取り込んで■式の演算を
実行し、その解Ｘを随時出力又として出力すれば、やは
り、この出力Ｘは空気の屈折率変化Δｎ、つまり空気の
ゆらぎの影響を受けない安定な変位Ｘの測定結果を与え
る。

次に、本発明のレーザ干渉副長器の更に別の実施例を第
４図により説明する。まず全体構成を説明する。これま
での図と同一部分には同一符号を用いる。１は直線偏光
を発振する波長安定化レーザ発振器であり、２はレーザ
光の偏光状態を保ったまま干渉計３に導く偏波面保存フ
ァイバである。

不図示のベース上で該ベースに対して相対的に図の左右
方向に変位する干渉計３は、偏光板４を接着し１つのコ
ーナーを分割面５１と平行な光学研磨面５２としたＢ、
Ｓ、　５、及び−１反射膜８を付けた１／４波長板７と
偏光板２３とを接着したＰ、Ｂ、Ｓ、　６　。

及び、反射膜１０を着けたｌ／４波長板９と、反射膜１
２を付けた１７４波長板１３と、１７４波長板１４とを
接着したＰ、Ｂ、Ｓ、　１１から構成されている。

１５．１６はミラーであり、例えばスーパーアンバーな
どの小さな線膨張係数を持つ材質の保持具１７で連結さ
れており、該保持具１７は前記のベース（不図示）に固
定されている。１８及び１９はマルチモードファイバで
あり、マルチモードファイバ１８は後述の信号ビームエ
□と参照ビームエ２の干渉光を光路差測定装置２０へ、
またマルチモードファイバ１９は後述の信号ビームエ、
と参照ビームＩ４の干渉光を光路差測定装′Ｅ１２１へ
導く。光路差測定装置２０及び２１の出力は夫々出力Ａ
、Ｂであり、２２はこれらの出力を処理する演算装置で
あり、その出力は出力Ｘである。

以下に動作を説明する。レーザ発振器１からの直線偏光
は偏波面保存ファイバ２によりその偏光状態を保たれた
まま干渉計３に導かれる。ファイバ４の出口では偏光方
向が紙面に対して４５°になるように該ファイバの角度
が設定されているので、同じく紙面に対して４５°方向
に透過軸をもつ偏光板４において４５°以外の偏光成分
はカットされる。偏光板４を透過した紙面に対して４５
゜方向に偏光面を持つ直線偏光はＢ、３．５の分割面５
１において２分割されるが、そのうち、はじめにＢ、３
．５を透過した光はそのまま、また反射した光は光学研
磨面５２で再び反射されて、それぞれが平行にＰ、［１
，５，６に入射する。Ｐ、Ｂ、５．６に入射した光のう
ち前者の光はＰ、Ｂ、５．６において紙面に垂直な偏光
面をもつ直線偏光■１と、紙面に平行な偏光面をもつ直
線偏光Ｉ２とに分割され、これが測定用ビームとなり（
工□が測定用ビームの信号ビーム、Ｉ２が測定用ビーム
の参照ビームである）、同じく後者の光もまた紙面に垂
直な偏光面をもつ直線偏光重、と、紙面に平行な偏光面
をもつ直線偏光■４とに分割され、これが補正用ビーム
となる（Ｉ、が補正用ビームの信号ビーム、■、が補正
用ビームの参照ビームである）。

本実施例はこれまでの実施例の干渉計よりもやや複雑な
ので、まず上記のビームＴ工ｌ　Ｉ２について説明する
。Ｐ、Ｂ、５．６で反射された光重、は、さらにＰ、Ｂ
、Ｓ、　１１で反射され、１７４波長板１４を透過して
ミラー１５で反射され、再び１７４波長板１４を透過し
てＰ、Ｂ、３．１１に戻るが、１７４波長板を１往復し
たこの光は偏光面が９０°回転しているので今度は透過
して１７４波長板９に至り、その裏側の反射膜１ｏで反
射されて三たびＰ、Ｂ、Ｓ、　１１に至る。また、さら
に偏光面が９０°回転したこの光はＰ、Ｂ、５．１１で
反射され、１７４波長板１３を１往復してｒ’、ＩＩ、
Ｓ、　１１　、　Ｐ、Ｂ、Ｓ、　６を経て偏光板２３に
至る。一方、はじめにＰ、Ｂ、５．６を透過した前記の
光■２は１７４波長板７を透過してその裏面の反射膜８
で反射され、再び１７４波長板７を経てＰ、Ｂ。

５．６に戻るが、１７４波長板を１往復して偏光面が９
０’回転したこの光は今度はＰ、Ｂ、３．６で反射され
て偏光板２３に至る。偏光板２３入射時には重なり合っ
ているこれらのビーム１１と工２は偏光面が互いに直交
しているので干渉しないが、紙面に対して４５°方向に
透過軸をもつ偏光板２３においてそれぞれの共通成分同
志が干渉し、両光の光路長差に応じて干渉光強度が正弦
波的に変化する。

この干渉光はマルチモードファイバ１８によって光路差
測定装置２０に導かれ、両ビームエ□ｌ　Ｉ２の光路長
差の変化分が出力Ａとして得られる。

次に、前述のビームＩ３．Ｉ４について説明する。

Ｐ、Ｂ、５．６で反射されたビーム■３はさらにｐ、ｏ
、ｓ。

１１で反射され、ミラー１５．１６間を１往復した後１
７４波長板１３の裏面に付けた反射膜１２で反射し、Ｐ
、Ｂ、Ｓ、　Ｌ　１　、　Ｐ、Ｂ、Ｓ、　６を経て偏光
板２３に至る。他方、ビームエ、はＰ、Ｂ、Ｓ、　６を
透過した後１７４波長板７の裏面の反射膜８で反射され
、再びＰ、ｎ、５．６を経て偏光板２３に至る。先と同
様に、ビーム■、と１．は偏光板２３において干渉し、
この干渉光をマルチモードファイバ１９により光路差測
定装置２１に導き、両ビームＩ３と工、の光路長差の変
化分を出力Ｂとして得る。

続いて、これらのビームエ、〜■４の光路長について説
明する。ここではｉｉｌ！Ｉ定の原点（リセツ１−時）
、つまり干渉計３の変位Ｘが零のとき、ミラー１５と１
７４波長板１４との距離をＲｔ、１／４波長板９とミラ
ー１６との距離をＱ２で表わし、さらにＱ工及びＱ２の
領域では空気の屈折率は一様でｎであると考える。干渉
計３の各光学素子内部の光路においては空気のゆらぎの
影響は受けず、その光路長は安定なので、以下の説明で
は空気のゆらぎの影響を受ける光路長のみを考える。

まずビーム■□ｌ　　Ｉ２の光路長は、リセッ１−時に
は次のとおりである。

よって、リセット時の両光の光路長差は２Ｑ１ｒｌであ
る。次に、この状態から干渉計３が右方向にＸだけ変位
したとし、この間に空気の屈折率が一様にΔｎだけ変化
して（ｎ＋Δｎ）になったとすると、 となり、両光の光路長差は２（Ｑ□＋ｘ）（ｎ＋△ｎ）
となるので、光路差ａｌ！Ｉ定装置２０の出力Ａは次の
ようになる。

Ａ＝２（Ｑ１＋ｘ）（ｎ＋Δｎ）−２Ｑ１ｎ＝２ｘ（ｎ
＋Δｎ）＋ｌｌ□Δｎ　　　　　　”’■一方、ビーム
Ｉ、、　Ｉ、の光路長は、リセッ１−時には次のとおり
である。

よってリセット時の両光の光路差は２（α□＋ｆ１２）
ｎである。次に干渉計３がＸだけ変位した後には、とな
り、これらの光路長差は２（Ｑ工＋ｘ）（ｎ＋Δｎ）＋
２（Ｑ２−ｘ）（ｎ＋Δｎ）となるので、光路差測定装
置２１の出力Ｂは次のようになる。

Ｌ３＝＝２（Ｑ１＋ｘ）（ｎ＋Δｎ）＋２（Ｑ２−ｘ）
（ｎ＋Δｎ）−２（Ｑ　１”　Ｑ　２）ｎ＝２（Ｑ工＋
ｐｚ）Δｎ　　　　　　　　　　・・働ココテ、［株］
式より得られるΔｎ　＝Ｂ　／　２　（Ｑｌ”　Ｑ、２
　）を０式に代入して整理すると となり、これをＸについて解くと次のようになる。

従って、リセッ１−時のΩ□ｒ　ＱＺＴ　ｎを初期値と
して演算装置２２に入力しておき、光路差測定装置ｉ￥
１２０．２１の出力Ａ、Ｂを随時演算装置２２に取り込
んで０式の演算を実行し、その解Ｘを随時出力Ｘとして
出力すれば、この出力Ｘは空気の屈折率変化Δｎつより
空気のゆらぎの影響を受けない、安定な変位Ｘの測定結
果となる。

ここで、初期値として用いるリセット時のＱ□。

Ｑ、２．　ｎに要求されるギ１１度について検討する。

ますＱユ誤差ΔＱ□をもつとき、これによる測定誤差は
次のようになる。

ここでｎ　’＝　１．１１＜２ｎ（Ｑ□＋Ｑ２）、ｎ＝
２Δｎ（Ｑｚ”ｐｚ）であるから ここで２（Ａ＋２Ｑ２）と（Ｑｌ、”Ｑｚ）は同オーダ
であるので、 １ｍの光路上で気温が仮に１℃変化すると、Δロ弁１０
−″と考えると、 ΔＸｚ１０Ｘ１０−’ΔＱ１ 測定値Ｘを誤差１ｎｍで測定するためには１ＱＸ１０−
’ΔＱ１　＜　１０−９ 八ΔＱ□＜Ｉｏ−４（ｍ） 次にＱ２が誤差ΔＱ２をもつとき、これによる測定誤差
は次のようになる。

これは先のΔＱ１と同じ形であり、ΔＱ２の許容差もや
はりΔＱ　ｚ　＜　１０１０−４（となる。

最後にｎが誤差δｎをもつとき、これによる測定誤差は
次のようになる。

ｚ−２Ａ・δｎ 従ってΔＸが１　ｎｍ（１０−’　ｍ　）の精度をもつ
には。

ｎは１０−Ｂ〜１０″″ｊのきびしい精度が要求される
。

このように、この場合も、第１の実施例と同様にこのｎ
の誤差がそのまま変位Ｘの測定誤差に反映され絶対精度
に影響を及ぼすことになるが、繰り返し精度はやはり保
証されるので、次の実施例などにおいては好適な効果を
発揮する。

次に本発明のさらに具体的な実施例を第５図により説明
する。本実施例はＸＹステージの位置決め用のセンサと
して第４図のレーザ干渉測長器を利用した例であり、こ
れまでの図と同一部分には同一符号（但し添字Ａ、Ｂを
付す）を用いる。もちろん第１図及び３図のレーザ干渉
測長器を用いてもこのようなステージシステムを構成す
ることはでき、概要は同じである。

まず全体構成を説明する。１はレーザ発振器であり、２
３はレーザ光をＸＹステージの上テーブル２４の位置決
め用の光と下テーブル２５の位置決め用の光に２分割す
るＢ、Ｓ、であり、２Ａ、２Ｂはそれぞれの光を干渉計
３Ａ、３Ｂに導く偏波面保存ファイバである。３Ａは上
テーブル２４位置決め用干渉計であり、上テーブル２４
上に設置されている。１５Ａ、１６Ａは干渉計３Ａ用の
基準ミラーであり、保持具１７Ａを介して下テーブル２
５に固定されている。一方、３Ｂは下テーブル２５位置
決め用干渉計であり、下テーブル２５上に設置されてい
る。１５Ｂ、１６Ｂは干渉計３Ｂ用の基僧ミラーであり
、保持具１７Ｂを介してステージが設置されているベー
スに固定されている。

１８Ａ、１９Ａ、１８Ｂ、１９Ｂはそれぞれ干渉光を導
くマルチモードファイバであり、２０Ａ。

２１Ａ、２Ｃ）Ｂ、２１Ｂはそれぞれの光路差測定装置
である。２２Ａは上テーブル２４の変位を算出する演算
回路であり、２６Ａは上テーブル２４の目標値設定器、
２７Ａは比較器、２８Ａは増幅器、２９Ａは上テーブル
２４を即動するリニアモータである。２６Ｂ〜２９Ｂは
同じく下テーブル２５用のものである。

続いて動作を説明する。レーザ発振器１からの直線偏光
はＢ、５．２３において上テーブル２４位置決め用の光
と、下テーブル２５位置決め用の光に２分割される。上
テーブル２４位置決め用の光は偏波面保存ファイバ２Ａ
を介して干渉計３Ａに導かれる。干渉計３Ａは先の第３
の実施例と同様な構成となっており、下テーブル２５に
保持具１７Ａを介して固定された２つのミラー１５Ａと
１６Ａとの間を上テーブル２４と共に移動し、干渉光１
８Ａ、１９Ａより光路差測定装置２０Ａ。

２１Ａで光路差に変換して演算装置２２Ａにおいて変位
量Ｘを求めることは先の実施例と同じである。ここで求
め変位量と、上テーブル２４の目標値設定器２６Ａの出
力とを比較器２７Ａで比較し。

その偏差が零になるように増幅器２８Ａ及びりニアモー
タ２９Ａで上テーブル２４をサーボコントロールする。

下テーブル２５についてももこれを全く同様の機橘によ
って位置決めが行われる。

ここで、先にも述べたように変位Ｘが絶対精度１．０−
９ｍを持つためには、リセット時の屈折率ｎの初期値を
１０−６オーダで測定しなければならない。

その方法の一つに空気の温度、気圧、湿度等を測定して
数式によりｎを求める方法があるが、１０−８オーダで
測定するには、温度：　０．０１℃、気圧：０．０２５
ｍｍＨｇ（０，０３ｍｂ）、湿度：　０．２ｍｍ１ｇで
測定しなければならず現実的ではない。

そこで次のような方法でｎを決定し測長器を校正する。

その−例を第６図を用いて簡単に説明する。第６図は本
発明のレーザ干渉測長器によって制御されるＸＹステー
ジシステムにより実際に例えばウェハを位置決めする様
子を示した説明図である。第６図に示すＸＹステージは
第５図に示すシステムに準じ、同一部分には同一符号を
用いる。

またレーザ干渉測長器及びステージの邪動機構等は第５
図に詳しいので、第６図では図示を省略している。第６
図において３０は既知の基準ステンプ間隔のアライメン
１〜マーク３１Ａ、３１Ｂ等を設けた基準ウェハである
。３２は縮小投影光学系、３４はアライメントマーク３
５を設けたマスクである。縮小投影光学系３２とマスク
３４及び露光光線３３を発する露光光源（不図示）はス
テージが設置しであるベース上にコラムと呼ばれる構造
体によって保持固定されており、ウェハを搭載したＸＹ
ステージが移動することによってウェハを縮小投影光学
系３２に対してアライメントする構成になっている。

例えば、上テーブル２４測定用のレーザ干渉測長器を校
正するには、まずアライメントマーク３５に対してアラ
イラン１〜マーク３１Ａをアライメン１〜するように上
テーブル２４を位置決めする。

このアライメントにはパターン検出技術が一般に利用さ
れ、アライメントマーク３１Ａおよび３５の重なりの様
子をテレビカメラで観測し、画像処理によりアライメン
ト位置が検出される。この瞬間にレーザ干渉測長器をリ
セットするが、この際ｎの初期値は近似値として例えば
１．０を代入しておく。次に上テーブル２４を動かして
既知の距離ｘ０（ｍステップ）だけ雌れたアライメント
マーク３１Ｂに対して同様にアライメントを行う。この
とき、レーザ干渉測長器の光路差測定装置２０Ｂの出力
ＡはＸ。にきわめて近い値を示すはずであるが、先にｎ
の初期値を近似値１．０としているために誤差が発生す
る。ここで次の演算式により求まるｎを正しい初期値と
して再度入力すれば、レーザ干渉測長器の目盛は基準ウ
ェハ３０のアライメントマーク３１Ａ、３１Ｂにより校
正されたことになり、以降は電源を切断するか、再度リ
セットをかけるまでは、空気の屈折率ｎの変化を時々刻
々補正して正確で安定したａｌｌｌ定植を出力し得る。

下テーブル２５測定用のレーザ干渉測長器についても同
様の手段で校正することができる。

以上の方法によれば、空気の屈折率ｎの変化に無関係に
ウェハを正確なピッチで位置決めることができ、しかも
停止位置においてｎの変化に起因する微小振動が発生す
ることもない。さらにウェハ上に多層にパターンを構成
する際にもａｌ定の再現性が高いために、高い重ね合わ
せ精度が得られ、良好なウェハの位置決めが行える。

またステージの位置決め精度が高いので、ＩＣの露光ス
テップごとにパターン検出等の方法でチップアライメン
トを行うという従来必要であった操作が必要でなくなり
、ウェハを交換するたびに１回だけマスクとウェハを平
均的にアライメン１〜するグローバルアライメントで充
分となるためスループットも飛躍的に向上するという効
果が得られる。

また本実施例においては、特に基準ウェハなどというも
のを用意せず、次のような方法によっても差し支えない
。

ウェハに多層のパターンを構成する際に、まず第１層目
のパターンを焼き付けるときはレーザ干渉測長器に定数
として人力するｎの初期値を例えばｎ−１，０としてウ
ェハを位置決めし、第１層目のパターンを焼き付ける。

このとき、実際には空気の屈折率の初期値ｎは仮定した
１、０に対して幾分誤差を持っているが、その程度はせ
いぜい３Ｘ１０−４はどであり、一般のチップ間隔１５
ｍｍに対して１０−”ｍｍの誤差にしかならないので実
用上は全く問題にならない。また、前にも述べたように
、この誤差はすべてのチップについて同じに現れ。

チップ間隔は正確に保たれる。このようにして１層目を
焼き付けたウェハには各チップごとにアライメントマー
クがあるので、２層目以降の焼き付は時にはこの１層目
のアライメントマークに対してレーザ干渉副長器を校正
すれば高い重ね合わせ精度が得られる。

本発明のさらにまた別の実施例を第７図を用いて以下に
説明する。本実施例は従来例（特開昭６Ｏ−２６３８０
１）に最も近い構成を有するものである。これまでの図
と同一または対応する部分には同一符号を用い、また第
６図と同様ににＸＹステージ駆動機構及びコラムの図示
は省略している。

レーザ発振器１からのレーザ光は複数のビームスプリッ
タで構成されるビームスプリッタ２３において、上テー
ブル２４位置決め用の補正用ビーム３７Ａおよび測定用
、ビーム３８Ａと、下テーブル２５位置決め用の補正用
ビーム３７Ｂおよび測定用ビーム３８Ｂとに４分割され
る。このうち前者の補正用ビーム３７Ａと測定用ビーム
３８Ａは干渉計３Ａに入射し、後者の補正用ビーム３７
Ｂと測定用ビーム３８Ｂは干渉計３Ｂに入射する。干渉
計３Ａおよび３Ｂは、上テーブル２４および下テーブル
２５よりなるＸＹステージの設置されているベースに固
定されている。

干渉計３Ａに入射した測定用ビーム３８Ａは。

先述と同様に二つのビー１％　Ｉ□と工２に分かれ、ビ
ーム■□は、上テーブル２４に設置された捧ミラー３６
Ａに投射され、該ミラー３６Ａで反射されて干渉計３Ａ
に戻り、先述と同様に上記ビーム■２と干渉し、その干
渉光を取り込んだ光路差測定袋ｍ２０Ａは上テーブル２
４の変位を示す出力（但し空気の屈折率変化の影響を含
む）を生ずる。

また、干渉計３８Ａに入射した補正用ビーム３７Ａは、
同様に二つのビーム上、と工。に分がれ、ビーム上、は
、コラムに固定されている縮小投影光学系３２に固定さ
れた補正ビーム基準ミラー３９Δ投射され該ミラー３９
Ａで反射されて干渉計３Ａに戻り、上記のビーム上、と
干渉し、その干渉光を取り込んだ光路差測定装置２１Ａ
の出力はベースに対する上記基準ミラー３９Ａの変位を
示す出力（但し空気の屈折率変化の影響を含む）を生ず
る。而して本来この基準ミラー３９’Ａは実際にはベー
スに対して不動であるので、上記光路差測定装置２１Δ
の出力は空気の屈折率変化の影ビのみを示すことになる
。（従って、基準ミラー３９Ａの設定位置は前記箇所に
限らす、ベースに対して固定されている箇所であればよ
い。）そこで、光Ｎ差測定装置２０Ａおよび２１Ａの出
力を用いて先の実施例と同様に演算装置において空気の
屈折率変化Δｎを補正する演算をすれば、空気の屈折率
変化の影響を排除した安定な上テーブル２４の変位測定
結果が得られる。

なお、下テーブル２５位置決め用の補正用ビーム３７Ｂ
および測定用ビーム３８Ｂの作用についても、上テーブ
ル２４位置決め用と全く同様である。

［発明の効果］ 本発明によれば、レーザ干渉を利用した測長器において
、測定対象物がどのような位置にあるときにでも、また
空気の屈折率がビーム上でどのように分布しさらにそれ
が不均一に変化する時にでも、空気の屈折率変化による
変位の測定誤差を補正し、高精度で再現性の高い安定な
出方が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は夫々本発明のレーザ干渉測長器
の一実施例の全体構成を示す側面図及び平面図、第２図
はその中の干渉計部分の拡大図、第３図は本発明の他の
実施例の構成を示す図、第４図は本発明の更に他の実施
例を示す構成図、第５図は第４図のレーザ干渉測長器を
利用したＸＹステージ位置決め装置の実施例を示す構成
図、第６図は該位置決め装置においてレーザ干渉測長器
を校正する方ｔムの説明図、第７図は従来例に最も近い
構成を持つ本発明のさらに別の実施例を示す概要斜視図
である。 １・・・レーザ発振器　　　３・・・干渉計５・・・ビ
ームスプリッタ ６．１１・・・偏光ビームスプリッタ ２０．２１・・・光路差未測定装置 ２２・・・演算装置　　　　３０・・・基準ウェハ３１
Ａ、３１Ｂ、３５・・・アライメントマーク第２図 第１図（α） 第３図 ■刀入 ビームスブリ７夕 偏光ヒ゛−ムスフ゛リッタ ２２−・屓■装置 第６図 アうイメンドとり 第５図 １Ｒ父：尺）−−−ミラー ２２Ａ、Ｂ−−一ン１虻ｉ算１１ら）買電７図 ３６Ａ、Ｂ−４！−ミラー ３９△、Ｂ゛°補正ビーム早埋ミう

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光の干渉を利用したレーザ干渉測長器におい
   て、レーザビームを二分割する手段と、その一方のビー
   ムを空気中を経由する測定用ビームとしこれを用いて測
   定対象変位量を示す測定出力を生ずる干渉計手段および
   、他方のビームを上記測定用ビームの近傍の空気中を経
   由する補正用ビームとしこれを用いて前者と異なる影響
   で空気の屈折率変化の影響を受けた測定出力を生ずる干
   渉計手段と、リセット時の上記両ビームの光路長の情報
   および空気の屈折率値を定数入力として且つ上記両干渉
   計手段の測定出力を随時入力として取り込み、リセット
   時以降の空気の屈折率変化の影響を補正した測定対象変
   位量を示す測定結果を出力する演算手段とからなること
   を特徴とするレーザ干渉測長器。 ２、測定用ビームと補正用ビームとで干渉計手段の位置
   又は測定対象の反射面の位置、あるいはその両者をずら
   せて両ビームの光路長が異なるようにしたことを特徴と
   する請求項１記載のレーザ干渉測長器。 ３、補正用ビームの干渉計手段を、測定用ビームの干渉
   計手段に対して測定対象物をはさんで反対側に配置し、
   測定用ビームと反対側から測定する補正用ビームを用い
   る構成としたことを特徴とする請求項１記載のレーザ干
   渉測長器。 ４、補正用ビームは、相対的に不変の二基準面間の距離
   または、干渉計手段と同一ベース上に固定された基準面
   までの距離を測定することにより、その測定値の変化分
   が本質的に空気の屈折率変化を示す構成としたことを特
   徴とする請求項１記載のレーザ干渉測長器。 ５、干渉計手段は測定対象物に照射する信号ビームを出
   射し且つその反射光を入射する干渉計端面を干渉計ホル
   ダに対する少くとも１つの保持面として保持する構成を
   有することを特徴とする請求項１記載のレーザ干渉測長
   器。 ６、請求項１記載のレーザ干渉測長器で得られた測定結
   果を位置決め対象物の変位量を示す信号として用い、こ
   の信号と該位置決め対象物の位置決め目標位置信号との
   偏差が零となるように位置決め対象物駆動機構を制御す
   ることを特徴とする位置決め方法。 ７、既知の距離だけ離れた複数のアライメントマークを
   持つ基準平面を位置決め対象物に設け、そのひとつのア
   ライメントマークに対して位置決めした瞬間の前記測定
   結果と、その後に他のアライメントマークに対して位置
   決めした瞬間の前記測定結果との差、つまり該両アライ
   メントマーク間の距離の測定値、が上記既知の距離に等
   しくなるように前記演算手段への定数入力としての空気
   の屈折率値を補正することにより、上記基準平面に対し
   て前記レーザ干渉測長器を校正して使用することを特徴
   とする請求項６記載の位置決め方法。