JPH0429012B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、互いに極めて近接した重合関係にあ
る第一、第二の物体間にあつて、該重合方向とは
直交する面内方向においての物体相互の相対変位
量を可干渉性波動の回折、干渉現象を利用して測
定するための装置に関し、特に微小寸法オーダで
の相対変位量をも高精度で測定可能にするための
改良に関する。

〔従来の技術〕

縦または横に重ねられた二物体間の相対変位量
を測定するにも、その手法自体には昔から実に
様々なものがあるが、ミクロン・オーダからサ
ブ・ミクロン・オーダにも及ぶような微小変位量
を高精度で測定することを目的としたものは意外
に少ない。

特に、二物体のいずれにも直接に光源やレンズ
を投載することができないばかりか、それら二物
体間の重合離間距離が数十μｍ程度というように
極めて近接しているため、それらの間にもレンズ
や絞りを始め、一切の光学部品を挿入することが
できないような条件下では、従来において唯一使
用可能と思える手法は、D.C.Flanders他により、
公知文献：Appl.phys.Lett.；31（1977）426に
て発表された方法くらいしかなかつた。

この方法は、第５図にその原理を示すように、
第一物体o1と第二物体o2が微小な距離ｚだけ離
れて重ねられている場合（ここでは上下の縦重ね
で示してある）、各物体o1，o2に回折格子D_a，D_b
のみを設けることで、それらによる波動の回折、
干渉現象を利用し、当該重合方向とは直交する面
内方向ｘに合う両物体o1，o2の相対変位量を測
定しようとするもので、これら両回折格子D_a，
D_bのピツチ乃至格子定数ｄは共に同じとされて
おり、その面内方向の幅寸法も同程度とされてい
る。

このような構造によつて相対変位量を測定する
ためには、第一、第二のいづれかの回折格子D_a，
D_bに対し、原則として入射角零で（すなわち法
線方向に沿つて）外部から可干渉性波動_iを入
射させる。可干渉性波動として代表的なものはコ
ヒーレント光である。第５図の場合には、図中、
下側に示されている回折格子D_aに対し、その下
方から可干渉光I_iを入射するように示されている
ので、これに従うと、入射光I_iは当該入射光から
見て初段となる当該第一の回折格子D_aにより回
折され、その次数に応じて定まるそれぞれの回折
角方向に複数の出射光群を生ずる。

図中には簡単のため、法線方向に対し、上記し
た格子定数ｄ、入射光波長λ、そして次数“１”
にしたがつて定まる回折角±θの方向に出射され
た一次の回折光_a ⁺，_a ^-と、回折されなかつた
入射光、すなわち零次の回折光_aｏのみが示さ
れているが、もちろん、実際には上記の通り、さ
らに高次の回折光も含まれる。なお、便宜的に法
線方向に対し、図面上での右回転を正方向“＋”、
左回転を負方向“−”として置く。

初段ないし第一の回折格子D_aの上記各出射光
成分は、次いで第二の回折格子D_bに入射される。

その結果、この第二の回折格子D_bについても
同様の回折現象が生じ、従つて、先と同様、第一
回折格子D_aから与えられる入射光_a ⁺，_a ^-，
_ａｏに関し、それを回折した一次及び零次の回折
光に限つて図示しても、第二の回折格子D_bの法
線方向に対し、＋θ方向には第一の回折格子によ
つてのみ回折された出射光_a ⁺、第二の回折格子
D_bによつてのみ回折された出射光_b ⁺、そして
両回折格子D_a，D_bの双方によつて順次回折され
た出射光_a,b ⁺の群が生じ、逆に、負の回折角方
向−θには、第一の回折格子D_aによつてのみ回
折された出射光_a ^-、第二の回折格子D_bによつ
てのみ回折された出射光_b ^-、そして両回折格子
D_a，D_bによつて順次回折された出射光_a,b ^-の群
が生ずる。

そこで、ここで挙げている従来法では、以上の
ように第二回折格子D_bの法線方向に対して±θ
で規定される二方向に出射される出力光成分群
を、正負でそれぞれまとめて正方向出力光I_p ⁺と
負方向出力光_p ^-とし、それぞれを図示しない適
当な光検出器で捕えて両者の強度差（I_p ⁺−_p ^-）
を取ることにより、その変化分に基づき、両物体
o1，o2の相対変位量を測定するようにしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかるに、上記公知文献による従来法では、
回折角θに関する正負両出力光I_p ⁺，I_p ^-の光強度
差（I_p ⁺−I_p ^-）の変化は、単にｘ方向の（面内方
向の）相対変位のみならず、両物体o1，o2間の
距離差ｚにも大きく依存してしまう欠点がある。
これは例えば、第５図において回折光_a ⁺と_b ⁺
とを見比べると分かるように、当該正負各回折角
方向への出力光I_p ⁺，I_p ^-の成分中に、それぞれ当
該物体間距離ｚに基づいて光路差を有する光成分
が混入してくるがためである。

のみならず、既述のように回折角θに関する正
負各出力光I_p ⁺，I_p ^-中には原理的に高次の回折光
成分も含まれ、さらには第５図中、仮想線で示す
ように、第二回折格子D_bで反射回折された回折
成分_rが再び第一回折格子D_aに入射し、そこで
また反射回折されて第二回折格子D_bに戻り、何
回かこれを繰返した後、正負両出力光成分中に混
入するという多重反射メカニズムも生起するの
で、そうした複雑な成分関係の影響を逃れ得ず。
そのため、上記の光路差の存在という事実とあい
まつて、出力光強度差（I_p ⁺−I_p ^-）とｘ方向相対
変位量とは、単に物体間の距離ｚをパラメータと
して含むだけでなく、極めて複雑な関数関係とな
つてしまうのである。

したがつて仮に、ある特定の距離ｚに関しては
この関数形が解析可能であつたとしても、距離ｚ
が少しでも変われば、それは何の意味もなくなつ
てしまい、例えば第一物体o1が半導体基板乃至
半導体ウエハであつて、第二物体o2が当該基板
表面上に電子回路を構築するために付けたり外し
たり、良く取替えられるリソグラフイ用マスクで
あるような場合、当該各種のマスクにそれぞれ同
一特性の回折格子D_bを個別に形成して置くこと
と自体は容易であつても、それらを使う前には必
ず、基板o1に対してその重合方向の位置決めを
厳格になす必要が出てしまう。これでは到底、実
用化は期待し得ず、現に実用化されたとの報告も
ない。

特に、上記した通り、仮想線で示された反射回
折成分_rに基づいて多重に反射、往復を繰返す
現象を生ずるということはかなり大きな問題とな
る。例えば、両物体o1，o2を極めて近接させた
状態でその重合方向の寸法変動を仮に僅かに抑え
るようにできたとしても、多重反射を繰返すとい
うことはこの変動分を増幅してしまうことになる
からである。

さらに、最終的な出力光I_p ⁺，I_p ^-はそれぞれ別
個な光強度検出器により検出しなければならない
ので、例えば既述のように、物体o2が半導体基
板ないし半導体ウエハであつて、物体o1がその
リソグラフイ・マスクであるような場合には、リ
ソグラフイ・マスクo1の上の空間領域に占める
検出系の面積が増し、望ましくないし、第一、こ
のような場合には、第５図に示されているよう
に、光源と検出器とを二物体o1，o2の上下外側
に振り分けて配置することはできない。半導体基
板ないし半導体ウエハo2は、一般にこれを物理
的に支持するホルダの上に載つているからであ
る。

本発明はこのような諸点に鑑みて成されたもの
で、互いの相対変位量を測定すべき二物体相互が
極めて近接しており、それらの間に一切、光学部
品を挿入することができない状況にあり、しか
も、これら二物体の重合方向のどちらか一方の外
側にのみしか光源や波動強度検出器を配置できな
い条件が課せられていても、上記した公知文献
に関して詳述した欠点を持つことなく、簡単な構
成でありながら原理的に二物体間の重合方向距離
依存性がなく、高精度で相対変位量測定が可能と
なる装置を提供せんとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記公知文献による従来例の欠点は、最終的
に検出の対象となる出力光I_p ⁺，I_p ^-の各々に、異
なる長さの光路を辿つてきた成分が混在している
こと、特に第一、第二回折格子間で多重に反射、
往復した複数の波動が全て最終的な出力波動に重
畳してくること、そして、零次からｍ次（ｍは整
数）に亘る複数の回折次数成分のそれぞれに関し
てこのような光路差の問題を生み易いということ
等に起因している。

これに対し、もし仮に、第一の回折格子D_aか
ら出射される全ての次数の回折光成分の中、何等
かの適当なる光学系により、特定の次数の波動を
のみ、予め抽出、選択してから、これを第二の回
折格子D_bに与えることができれば、上記の欠点
は緩和する。実際、相対変位量測定の対象となる
二物体が重合方向において相当に離れている場合
には、例えば特公昭50−23617号公報の第２図に
示されているように、当該第一、第二物体間に特
定次数の選択、抽出のための光学系を介挿するこ
とで第二の回折格子に入射させる前に他の次数成
分の影響を排除するという手法を採用することが
できる。

しかし、公知文献や本発明が対象としている
ように、第一、第二の物体間が極めて近接してい
るような場合には、上記した通り、これらの間に
こうした特定次数の選択、抽出手段を配置し得な
いだけではなく、仮に極く微細な光学系部品を入
手することができて、これを第一、第二物体間に
物理的には配置できたとしても、それによつて第
一回折格子から出力された回折光に関し特定次数
の選択、抽出を行うことはやはり困難である。

何故ならば、先に挙げた半導体基板ないし半導
体ウエハとそのリソグラフイ・マスクとの関係の
ように、それらの間の重合方向離間距離がたかだ
か数十μｍ程度であるような場合には、第一の回
折格子を出た出力波動は球面波から平面波になり
切らない中に第二の回折格子に到達してしまうこ
とがあり、そうであると、このこと自体は公知の
理論から明らかなように、実現可能な範囲で如何
ような光学系を用いるにしろ、特定次数の回折波
を幾何学的に規定することは不能に近いからであ
る。

そこで本発明は、上記目的達成のため、第一、
第二の物体がそれらの間に光学部品を配置し得な
いか、配置しても特定次数抽出には無駄となる程
に近接している場合、つまりは第一回折格子から
出力される回折光が平面波になり切らない中に第
二の物体に設けられている第二の回折格子に入射
してしまうような場合にあつても、結果として波
動強度検出器においては重合方向距離変化に伴う
悪影響は受けることなく、特に第一、第二回折格
子間での多重反射の影響から逃れることができ
て、面内方向の相対変位量に関しての高精度な測
定が可能となる構成として、 第一の物体に設けられている第一の回折格子
を、それぞれに可干渉性波動が所定の幅に亙つ
て照射されるが、互いには面内方向に沿つて離
間した第一、第二の有効回折部分から構成した
上で、 第二の物体に設けられる第二の回折格子は第
一の回折格子より幅狭であつて平面投影的に見
て第一の回折格子の第一、第二有効回折部分の
間の離間領域と重なる第二の物体上の領域部分
の全部または少なくともその面内方向中央を含
む一部を占めるように形成し、 一方、波動強度の検出器は、第二の回折格子
により回折、反射された後、第一の回折格子の
第一、第二有効回折部分の間の離間領域を抜け
て出力されてくる波動を受信する位置に設ける
ことを提案する。

〔作 用〕

上記構成の本発明装置によれば、上記構成要件
により位置決めされた第二の回折格子に対し、
上記構成要件による第一回折格子の第二有効回
折部分を透過し、それらによつて回折されて入射
してくる波動は、その次数によらず、すなわち、
特に特定次数にのみ選択されることがなくても
（実際には既述の通り選択したくても不能に近い
が）、いずれもその位相においては対称的に第二
回折格子に入射することができる。そしてこの対
称性は、第一、第二物体間が重合方向に変化して
も保たれるため、結局はそうした重合方向の変化
分は、面内方向の変化分に対して波動強度検出器
が検出する強度には影響しない。

特に、本発明の上記構成要件〜を少なくと
も満たす限り、設計的な寸法条件を種々勘案する
ことで、第一、第二回折格子間で多重に反射回折
を繰返す波動成分は波動強度検出器に入力させな
いようにできる。公知文献による場合には、如
何ように寸法条件等を設計しても、この多重反
射、回折成分の混入は原理的に防ぎ得なかつたの
と大いに異なる点である。

また、上記構成要件に認められるように、波
動強度検出器は単一のもので良く、しかも、その
配置位置は、第一回折格子を入射波動が照射する
側と同じ側とすることができる。そのため、例え
ば第二回折格子の設けられている第二の物体は半
導体基板ないしは半導体ウエハであつて、これが
適当なるホルダにより支持されているがため、当
該基板ないしウエハの裏面側には一切、何等の光
学系をも配置できないような場合にも、本発明は
有効に使用することができる。波動強度検出器の
数も原理的には一つでも良く、その分簡単で、検
出系の占有面積も小さな測定装置が得られる。

なお、本発明装置においては、第一回折格子と
第二回折格子との間に次数選択手段を用いていな
いのにもかかわらず、第一回折格子の第一、第二
有効回折部分と第二回折格子との配置関係や寸法
関係、さらには各格子定数等を設計的に適選する
ことにより、結果としては各回折格子が回折する
複数次数の回折波動成分の中、望ましくない次数
の波動成分を最終的に波動強度検出器に与えられ
る波動中から排斥することができるが、場合によ
つては、入射波動が各回折格子を零次で回折して
きたような成分とか、あるいは物体をそのまま透
過してきたような成分、すなわち実質的に入射波
動そのものとも言えるような透過成分が最終的な
信号波動に重畳してくることを特に妨げない。

このような場合にあつても、物体間距離がそれ
程離れていない時等には、何等差支えがないこと
もあり、また入射波動強度を別途に検出して位相
整合しながら引き算する等、公知既存の技術によ
り、その重畳成分を電気的に弁別できるような別
途の検出系を設ければ、本発明装置はそのまま有
効に使用することができる。

しかし、特殊な場合には、この透過成分の強度
が大き過ぎて信号波動を完全にマスキングしてし
まつたり、あるいはまた信号波動に位相変調を掛
けてしまつた結果、問題が生ずることも考えられ
る。そのような場合には、もちろん、当該重畳成
分の発生を抑止するか、発生したものは除去する
ことが望ましいが、これは後の実施例中に認めら
れるように、第一、第二の有効回折部分にのみ、
局部的に入射波動を与えるか、それらの間の部分
を適当なマスクで覆いながら第一回折格子を全面
照射するという手法を採用すれば、当然、第一、
第二有効回折部分の間の部分を介して次段へ零次
回折で伝わる波動成分は初めから発生することが
ないようにできる。

いずれにしても、第５図に即して説明した公知
文献に開示の装置に認められるように、所定面
積内に一連に溝が切られた通常の非分割型回折格
子だけでは、如何ような設計をなしても高次回折
波動や反射回折波動の入射を避けられないが、本
発明におけるように、第一回折格子を第一、第二
有効回折部分から成る分割型の回折格子とする
と、この分割型回折格子とそれに対向する非分割
型第二回折格子の配設関係や幅寸法、各格子定数
を適当に設計するだけで、そうした高次回折波動
成分や反射回折によるノイズ成分は有効に除くか
低減することができる。

また、回折格子を第一、第二有効回折部分に分
割する手法自体は、本発明がこれを直接に規定す
るものではなく、公知既存の技術によつて良い。
簡単には先に述べたように、通常の回折格子の特
定部分にのみ、局部的に入射波動を与えるように
したり、逆に全面照射によることを予定して特定
部分以外をマスクで覆つたりして良く、あるいは
また、面内方向に離間した二領域に個別的に回折
格子溝を切ることにより、構造的にも完全に分離
された第一、第二有効回折部分としても良い。構
造的に分離する場合には、その間を最終的に抜け
て行く波動が波動検出器により受信されるので、
反射の問題は一層良く低減されるし、当該波動の
強度低下をも抑えることができ、信号対雑音比
（Ｓ／Ｎ）を向上する上でも有利となる。

また、上記要旨構成では、可干渉性の波動であ
ればその呼称乃至周波数を問うていない。そのた
め、光領域の波長を持つ波動であることが最も一
般的ではあるが、マイクロ・ウエーブや音波等で
あつても、適当な発振源や位相調整手段の援用に
よりコヒーレンシイを得ることができれば、本発
明で利用する回折現象が生じ得るので、これらで
あつても良い。ただし、本願要旨構成中に言うよ
うに、前提条件として、第一、第二物体間の重合
方向離間距離は、第一回折格子を出た回折光が平
面板となり切らない中に第二回折格子に到達する
程、短くなつている必要はある。これは、先にも
述べたように、用いる波動が光であるような場合
には、Ｘ線リソグラフイにおける半導体基板とリ
ソグラフイ・マスクとの関係のように、両物体の
離間距離は数十μｍオーダとなるが、もつて長い
波長領域では、当然のことながらもつと大なる離
間距離まで許される。

なお、結果として波動強度検出器が検出の対象
とする波動は、光強度の高い一次の回折波動であ
ることが有効である。これもまた、測定のための
信号対雑音比(S/N)を上げる作用を営む。

〔実 施 例〕

以下、本発明の実施例につき詳記するが、まず
第１図及び第２図に示されている実施例は、本発
明の実施例の中でも最も基本的な実施例の一つと
考えられるものである。

先の従来例の説明は場合と異なり、都合によつ
て第一物体o1の方が上に示されているが、これ
ら第一、第二の実施例では、この第一物体o1に
設けられる回折格子D_aにあつて、面内方向に距
離Ｓだけ離間した二つの幅領域Ｗ１，Ｗ２が、そ
れぞれ第一、第二の有効回折部分D_a-1，D_a-2と
して規定される領域となつている。

この規定の仕方には、先に作用の項にて述べた
ように幾つかあるが、第１図中にはまず二つの手
段が、そして第２図中にはもう一つの手段が、そ
れぞれ示されている。

一つは、第一、第二の実施例に共通に言えるこ
とだが、当該幅領域Ｗ１，Ｗ２にのみ、可干渉性
波動I_i，I_iを局部照射することであり、他の一つ
は、同様に第１、第２図に共通して仮想線で示す
ように、離間領域Ｓの上方にマスク手段MXを設
け、全面照射された入射波動I_iもこのマスク手段
MXのある所では照射が妨げられ、もつて実質的
に当該マスク手段MXの平面投影した両側の部分
にそれぞれ幅Ｗ１，Ｗ２の第一、第二有効回折部
分D_a-1，D_a-2ができるようにすることである。

これに加えて、あるいはこれらに代えて、第２
図中に示されているように、第一、第二の有効回
折部分D_a-1，D_a-2を構造的にも完全に分離した
領域、すなわち別個独立に回折溝を切つた領域と
して形成しても良い。

いずれによるにしても、このように分離型とさ
れた第一回折格子D_aに対し、第一、第二の実施
例において図中、下側に示されている第二物体
o2に形成される回折格子D_bは、通常の回折格子
であつて、本発明で用いる分割型との対比で言え
ば、非分割型回折格子と観念できるものである。
ただし、この第二の回折格子D_bは、第一の回折
格子D_aよりも幅狭であつて、平面投影的に見て
（すなわち、上から透かし見た場合）、第一の回折
格子の第一、第二有効回折部分D_a-1，D_a-2の間
の離間領域Ｓと重なる第二の物体上の領域部分の
全部を占めるか、または少なくともその面内方向
中央を含む一部を占めるように形成されているこ
とが必要である。

しかるに、両回折格子D_a（D_a-1，D_a-2），D_bの
格子周期ｄをここではひとまず、同一とし、入射
波動I_iとしては波長λのコヒーレント光を利用す
るものとして、こうした幾何的配設関係下にある
回折格子群の第一回折格子D_aに当該コヒーレン
ト光I_iを局部照射するか、またはマスク手段MX
を援用して全面照射すると、まず初段の回折格子
D_aにて回折現象が生じ、その第一有効回折部分
D_a-1が回折角＋θ方向に回折した回折光、望ま
しくは一次回折光_a-1 ⁺と、第二有効回折部分
D_a-2が回折角−θ方向に回折した、同様に望ま
しくは一次の回折光_a-2 ^-が、実効入射成分とし
て次段かつ終段としての非分割型回折格子D_bに
入射するようにできる。ただ、これは結果として
波動検出器DT，DT′（後述）に有効に入射する波
動成分についてそのようにすることができる旨、
述べているのであつて、本発明装置においては明
らかなように、第一、第二有効回折部分D_a-1，
D_a-2と第二回折格子D_bとの間に他の光学部品に
よる特定次数の波動の選択、抽出手段を設けるも
のではない。逆に、第一、第二の物体o1，o2は
先に述べたように、数十μｍオーダで近接してい
ることを予定しており、したがつて、第二回折格
子D_bに入射するまでに第一、第二有効回折部分
D_a-1，D_a-2からの検出波動は平面波にはなり切
れないので、仮にこれら両物体間に何等かの極く
微細な光学系を挿入し得たとしても、それによつ
て特定次数を規定することは極めて困難である。

このような事情の下でも、本発明によると、図
で着目している二つの回折光_a-1 ⁺，_a-2 ^-は当
該次段の回折格子D_b上に周期d/2の干渉縞を作
り、この回折格子D_bにてさらに回折されること
により、出力光ｓを形成することができる。換
言すれば、本発明の場合、回折光_a-1 ⁺，_a-2 ^-
が平面波であるか否かにはかかわらず、上記の干
渉縞を形成することができる。

このようにして得られる出力光ｓは適当なる
光検出器DTで電気信号に変換して取り出すこと
ができるが、その強度は、上記干渉縞と回折格子
D_bとの相対変位ｘに対し、cos²（２πx/d）に比例
するものとなり、変位ｘがd/2、変化する度に極
大または極小値を示すものとなる。

したがつて、当該極大値または極小値発生の数
を数えれば、少なくとも分解能d/2での物体o1，
o2間の相対変位量を粗測定することができるし、
上記のように関数形が極めて単純なので、それを
適当な閾値で分解していくことにより、相当に細
かな分解能での測定を可能とすることができる。
単純な関数形が得られるというのは、第１図や第
２図に示されるような本発明に従う構成では、物
体o1，o2間の距離ｚが測定しても、第二回折格
子D_b上に形成される干渉縞の位置は変化しない
からである。

また特に、仮に第二の回折格子D_bにて一次あ
るいはそれ以上の次数の反射回折が生じ、それが
第一回折格子に戻されたとしても、第二回折格子
D_bの幅寸法Wo等を第一回折格子D_aより幅狭な範
囲で適当に取ることにより、さらに反射回折され
てくる光成分はその入射を受けないようにするこ
とも容易にできる。もつとも、あまりに第二回折
格子の幅が狭いと、出力回折光の強度が大きく低
下したり、物体間の重合方向離間距離の許容変化
幅が狭くなつたりするので、それら要因のトレー
ド・オフも実際の設計にあたつては考慮の要があ
るかも知れない。また、この反射回折光の出力光
への混入確率ということからすれば、第１図のも
のに比し、第２図の実施例の方が有利である。第
一、第二有効回折部分D_a-1，D_a-2の間の離間領
域Ｓにはその反射回折を生ずる余地が全くないか
らである。

さらに、出力光は、上記では説明のため、第１
図及び第２図中に併示されているように、終段の
回折格子D_bの透過回折光I_sについて述べたが、本
発明では、第二回折格子D_bの反射回折による出
力光I_s′に限定するものである。

すなわち、これを仮想線の検出器DT′で示すよ
うに、第一回折格子D_aの第一、第二有効回折部
分の間の離間領域Ｓに設けられている回折格子部
分を零次透過回折した部位（第１図）か、または
第一物体o1の当該離間領域Ｓを透過した部位
（第２図）で出力されてくる波動（この場合、光）
を捕えることに限定する。つまり、図示実線で示
されている検出器DTは、実際にはそこに配し得
ない用途が多く考えられるからである。第二物体
o2が半導体基板ないし半導体ウエハであるよう
な場合には、その底面はホルダ等により支持され
ていることが多く、そうであれば、検出器DTを
設ける余地はない。これに対し、第二回折格子に
よる反射検出光を捕えるようにすれば、第一回折
格子への入射光I_iの光源と当該検出器DT′とを同
じ側に配置でき、装置構成は極めてめて簡単にな
る。しかも、本発明の場合には、原理的に検出器
DT′の数は一つでも良いので、小型にまとめるこ
とができる。

もつとも、第１図に示される実施例の場合に
は、反射回折による出力光I_s′は、第一の回折格
子の非有効回折部分とすべき離間部分Ｓを通過す
るに際し、そこで回折された結果、検出器DT′に
入射する恐れもあり、そのような場合には検出器
DT′と同じ側で当該検出器DT′と第一物体との間
に図示しないレンズ系を挿入する等して出力光と
の分離を図らねばならないことも考えられるが、
第２図に示される実施例の場合には、少なくとも
その間の部分Ｓには全く回折格子がないので、そ
こでの回折という問題は生ぜず、その分、有利で
あるし、出力光の強度低下を招かない点でも具合
が良く、信号対雑音比(S/N)の向上にも継があ
る。

ここで実際の本出願人による作成例について述
べると、主として第２図に示される構成により、
ｄ＝0.8μｍ、Ｓ＝75μｍ、入射光波長λ＝0.6328μ
ｍとした場合、第一、第二物体o1，o2の間の距
離ｚが少し多めの範囲30〜70μｍ内で変化して
も、当該第一、第二物体間相対変位量を0.01μｍ
の精度で安定に測定することに成功した。

この値は極めて満足すべきものであり、先に少
し述べたようなＸ線リソグラフイ技術への応用も
十分に可能なものである。

ところで、上記においては、第一、第二の回折
格子D_a，D_bのピツチｄは共に同じとしてきたが、
第二回折格子D_bの格子定数ｄを第一回折格子乃
至第一、第二有効回折部分D_a-1，D_a-2の格子定
数ｄに対し、意図的に異ならせれば、出力光の出
射方向を入射光の方向とは異ならせることもでき
る。第３図はそのような実施例を示している。基
本構成は第１，２図示実施例におけると全く同様
であるが、簡単のため、第一、第二の物体の１，
o2、マスク手段MXや検出器DT，DT′等は省略
してある。

この実施例において、例えば第一の回折格子
D_aの第一、第二有効回折部分D_a-1，D_a-2の格子
定数ｄは共に同じとしながらも、第二の回折格子
D_bの格子定数ｄをそれらとは異ならせると、第
一、第二の有効回折部分D_a-1，D_a-2に入射した
入射光I_iが当該各回折部分で例えば一次回折さ
れ、_a ^-，_a ⁺となつて第二の回折格子D_bに入射
し、そこで干渉し合つた後、さらに回折されて出
力される出力光I_s，I_s′は、図中に示される通り、
法線方向に対して特定の角度関係±αを置いたも
のにすることができる。

このようにすると、入射光I_iが出力光I_s，I_s′に
重畳してくる成分を当該出力光中から分離するこ
とができ、従つて、入射光I_iを全面照射する場合
には、先の実施例においては必要となることも考
えられたマスク手段MXを不要とすることができ
る。

例えば本出願人の作成例について述べると、有
効回折部分D_a-1，D_a-2の格子周期ｄを0.8μｍ、格
子D_bの格子周期ｄを1.2μｍ、波長λを0.6328μｍ、
有効回折部分間距離Ｓを75μｍとした結果、入射
光I_iを全面照射した場合でも、法線方向に対して
±α＝15.3°の方向に、良好に分離された出力光
I_s，I_s′を得ることができた。ただし、本発明で
は、先に述べた理由により、検出の対象とする出
力光は第二回折格子により反射され、第一回折格
子の第一、第二有効回折部分の間の離間領域Ｓを
抜けてくる出力光I_s′のみである。

なお、物体間距離が変動するにしても、小さい
範囲内でしか変動しないとか、あるいは外部測定
系においてこの入射光成分を除去可能であれば、
特に格子定数上の配慮は施さずとも、先に述べた
マスク手段は省略可能な場合もある。

ところで、上記してきた実施例は、いずれも面
内方向ｘにのみ沿う、一次元測定であつた。

しかし、本発明の方法は、容易に面内二次元方
向の測定に拡張することができる。第４図はそう
した場合の概念図を示している。

この場合、図中、上方に示されている第一物体
o1には、ｘ方向の相対変位測定のための一対の
有効回折部分D_ax-1，D_ax-2からなるｘ方向用回折
格子D_axと、これらに面内で直交する関係に、同
様に一対の有効回折部分D_ay-1，D_ay-2から成るｙ
方向相対変位測定用の回折格子D_ayが設けられ、
第二物体o2にはｘ方向とｙ方向とに対して周期
性を有するように、結果としてグリツド上に形成
された回折格子D_aが設けられている。各回折格
子の両有効回折部分D_ax-1，D_ax-2；D_ay-1，D_ay-2
の間の離間距離は、先に述べてきた距離Ｓに対応
する。

このような構成にすると、一方の有効回折部分
D_ax-1，D_ax-2と回折グリツドD_dのｘ方向周期部分
との間、及び方向の有効回折部分D_ay-1，D_ay-2と
回折グリツドD_dのｙ方向周期部分との間で、そ
れぞれ独立にこれまで述べたきた回折波動のやり
とり関係が生じ、従つて出力光I_s′の強度を測定
することにより、ｘ，ｙ両方向の相対変位量を測
定することができる。もちろん、ｘ，ｙ各方向に
関しての回折格子の構成の如何とかその他の実際
的な配慮は、先の実施例中に述べてきたことをこ
の実施例においてもそのまま援用することができ
る。

なお、物体に対して各回折格子を設ける位置は
特定されることがなく、第４図のような場合に
も、図中では説明の便宜のために中央に大きく設
けて示したが、大体において物体のヘリの部分に
でも設けて置けば良い。また、対象物体が、測定
に用いる波動乃至光に対して透明なものでない場
合には、当該回折格子の下の部分は透明乃至空間
にする等して、“通過窓”を形成すれば良い。

しかし、一般には、本発明方法はＸ線リソグラ
フイにおける基板とマスクの位置合せ等、半導体
技術分野での微小変位量測定に高精度な測定方法
として好んで用いられることが予想され、従つて
そうした場合には、通常、相対変位を測定すべき
対象物体は透明なことが多いので、意図的に波動
の透過窓を形成する必要はないものと思われる。
また、既に述べたが、本発明で用いる可干渉性波
動は、図示実施例におけるコヒーレントな光に限
らず、音波やマイクロ・ウエーブ等の電磁波によ
つても得ることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、極めて近接して重合した二つ
の物体間の重合方向の距離変化に依存する成分に
大きく影響されることなく、極めて微小な変位量
領域において物体間の面内相対変位量を高精度で
測定することができる。

しかも、本発明方法を実施するに要する装置系
の構成は極めて簡単であり、設計自由度も原則と
して高く取ることができるし、光源や検出系は重
合構造の一方の外側にのみ設けられるので、十分
に実用的である。

こうしたことから、本発明の実現には殆ど何の
障害もない。

特に、上記した実施例中にも見られるように、
0.01μｍオーダでの分解能をも呈し得るから、半
導体電子回路技術やジヨゼフソン集積回路技術
等、将来的にサブ・ミクロン・オーダの作成精度
を要求される用途にも十分な余裕をもつて応える
ことができ、その実用価値は極めて高いものとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ、本発明の相対
変位量測定装置の基本的実施例の説明図、第３図
は第一回折格子と第二回折格子とで格子定数を変
えた場合の本発明実施例の説明図、第４図は面内
二次元方向の相対変位量測定が可能な本発明実施
例の説明図、第５図は波動の回折、干渉現象を利
用し、近接した二物体間における相対変位量を測
定する従来法の説明図、である。 図中、o1，o2は物体、D_a，D_bは回折格子、D_d
はｘ，ｙ両方向に関して周期性のある溝を有する
グリツド状回折格子、D_a-1，D_a-2はそれぞれ有
効回折部分、Ｓは有効回折部分間の離間距離、I_i
は入射光、I_s，I_s′は出力光、θ，αは個々の回折
格子から出力された注目すべき特定かつ単一の回
折角、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第一の回折格子に対し、その一面側から可干
   渉性波動を照射した際、該第一の回折格子によつ
   て回折されながら該第一の回折格子を他面側に抜
   けた波動を、該波動が平面波となり切らない中に
   到達する程、該他面に近接して重合した第二の回
   折格子に対し、光学系を介することなく直接に入
   射させ、該第二の回折格子により回折された波動
   の強度を検出器により検出し、該検出される波動
   の強度変化に基づき、上記第一の回折格子の設け
   られている第一の物体と上記第二の回折格子の設
   けられている第二の物体間の上記重合方向に直交
   する面内方向相対変位量を測定する装置であつ
   て； 上記第一の回折格子は、それぞれに上記可干渉
   性波動が所定の幅に亙つて照射されるが、互いに
   は上記面内方向に沿つて離間した第一、第二の有
   効回折部分から構成されると共に； 上記第二の回折格子は上記第一の回折格子より
   幅狭であつて、平面投影的に見て上記第一の回折
   格子の上記第一、第二有効回折部分の間の離間領
   域と重なる第二の物体上の領域部分の全部または
   少なくともその面内方向中央を含む一部を占める
   ように形成され； 上記波動強度の検出器は、上記第二の回折格子
   により回折、反射された後、上記第一の回折格子
   の上記第一、第二有効回折部分の間の上記離間領
   域を抜けて出力されてくる波動を受信する位置に
   設けられていること； を特徴とする相対変位量測定装置。 ２ 第一の回折格子の上記第一、第二有効回折部
   分は、上記第一の物体上においてそれぞれ構造的
   にも分離した独立の領域部分であること； を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の相対
   変位量測定装置。