JPH0499914A - 回折格子を用いた変位測定方法と変位測定装置 - 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、変位測定技術に関し、特に高精度に変位を測
定する変位測定技術に関する。

近年、半導体装置製造技術等において数ｎｍオーダとい
うような高精度の変位測定が要求されている。本発明は
、このような高精度の変位測定も可能とするものである
。

［従来の技術］ 従来、ＸＹステージ等の変位測定技術としてレーザ干渉
によるものが知られている。１本のレーザ光を２つのビ
ームに分割し、一方は被測定物に設けた鏡面で反射させ
、−走光路長を進行さぜな他方のビームと結合させ、干
渉させる。２つのレーザビームを ＡＳｉｎ　　（ｗｔ）とＡＳｉｎ　　（ｗｔ＋２δ）と
表わすと合成ビームは、 ＡＳｉｎ　　（ｗｔ　）　＋ＡＳｉｎ　　（ｗｔ＋２δ
）２　ＡＳｉｎ　（（２ｗ　ｔ　＋　２δ）／２）　　
−Ｃｏｓ　　（２δ／２） ２ＡＳｉｎ　（ｗｔ十δ）Ｃｏｓ（δ）となる。すなわ
ち、反射鏡が△Ｘ変位するとそこを往復する光路長は２
△Ｘ変化し、波長λの光は２δ−２π（２△ｘ）／λ位
相を変化させる。この位相変化に伴なってＣｏｓδの項
が振動し、光の電界強度の振幅、従って、光のエネルギ
を振動させていわゆる干渉縞を描く。この干渉縞を検出
することによって反射鏡の変位量を知ることができる６
２つの光ビームの振幅が等しければ干渉した合成波の光
強度は最大値と０との間で振動する。

この場合は、位相の判定も比較的容易である。

しかし、２つの光ビームの振幅か異なると、合成波の光
強度は最少でもＯにならない、さらに外乱等により振幅
が変化すると干渉縞の光強度の最大、最少の位置の判定
が困難になり、位相の判定か困難となる。

半導体装置の製造プロセスにおいては、マスクとウェハ
との相対位置を高精度に測定する必要がある。ここで、
ウェハ表面は酸化膜、配線層、レジスト層などが積層さ
れ、その反射率は大きく変化する。このためウェハのア
ラインメントにレーザ光干渉法を用いることは限界があ
る。

この問題を解決する方法として光ヘテロダイン干渉か提
案されている。光ヘテロダイン干渉は波長（λ１、λ２
）ないし周波数（ｆｌ、ｆ２）がわずかに異なる（λ１
＃λ２、ｆｌ：ｆ２）２つのレーザ光を被測定物上の回
折格子に入射し、ヘテロタイン検波同様、ビートを打つ
差成分を検出するものである。以下従来技術による光ヘ
テロタイン干渉技術の代表例を説明する。なお、これら
の技術はたとえは以下の文献に開示されている。

１）１９８９年度精密光学会秋季大会　Ｂ６６「光ヘテ
ロダイン干渉式高精度位置合せ法Ｊ宇根ら ２）’１９８９年応用物理第５８巻第１０号Ｐ　１５１
１　ｆＰ８５）〜Ｐ　１５１２　（Ｐ２Ｏ）ｒＸ線リン
グラフィにおける位置合せ」銘木ら ３）１９８６年度応用物理学会秋季大会２８ａ−ＺＦ−
１０（Ｐ３１７） 「回折格子を用いた光ヘテロダイン干渉式位置検出法の
検討」 銘木ら ４）特開昭６３−１７２９０４号 「回折格子による位置検出方法および位置検出装置」 銘木ら ５）特開昭６２−２７４２１６号 「微小変位測定方法および微小変位測定装置」 銘木ら ６）特開昭６２−２６１００３号 「位置合わせ方法および位置合わせ装置」銘木ら ７）特開昭６２−５８６２８号 「位置合わせ方法および位置合わせ装置」銘木ら ８　　）　　Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ、丁ｅｃｈｎｏ１．　
　　Ｂ　　６　　（１）、Ｊａｎ／Ｆｅｂ　　１９８８
ｒ　Ａｎ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ
　５ｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｘ−ｒ
ａｙ　Ｌｉｔｈｏａｒａｐｈｙ　Ｊ伊藤ら ９）１９８７年応用物理第５６巻第１１号Ｐ　Ｌ　４９
０　（Ｒ８０）〜Ｐ　１４９４　（Ｒ８４）「三つの回
折格子を用いた光ヘテロダイン測定による高精度位置合
せ技術」 伊藤ら １０）　５ＰＩＥ　Ｖｏｌ、７７３　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
−Ｂｅａｍ、Ｘ−ｒａｙ　ａｎｃｌＪａｎ−ＢｅａｍＬ
ｉｔｈｏａｒａｐｈｉｅｓ　　ν１（１９８７）「八　
ｎｅＷ　ｍａＳｋ−ｔｏ−Ｗａｆｅｒ　ａｌｒＱｎｒｌ
ｌｅｎｔ　　ｔｅｃｈｎｉ（Ｉｔｌｅｆｏｒ　５ｙｎｃ
ｈｒｏｔｒｏｎ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｘ−ｒａｙ↑ｈ
ｏａｒａｐｈｙ　　Ｊ 伊藤ら １１）　１９８６　年電子Ｊ　信学会Ｓ　Ｓ　Ｄ　８６
　１１３「Ｘ線すンクラフィ用高精度位置合せ法」伊藤
ら １２）　　Ｊａｐａｎｅｓｅ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏ
ｆ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　ｐｈｙｓｉｃｓＶｏｌ、２５
．−Ｎｏ、８．八１ＪＱＵｓｔ、１９８６．　ｐｐ、１
６８４−Ｌ６８６ｒ　０ｐｔｉｃａｌ−Ｈｅｔｅｒｏｄ
ｙｎｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｓｋ−ｔｏ　
　Ｗａｆｅｒ　　Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　　ｏｆ　
　Ｆｉｎｅ　　Ａ１１ｑｎｅｎｔ　Ｊ 伊藤ら １３）　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓＶｏｌ、２５．Ｎｏ、６
．Ｊｕｎｅ、１９８６，１）ｔ）、Ｌ４８７−１４８９
「＾Ｎｅｗ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　Ｄｉｓ
ｐｌａｃｅｍｅｎｔ−Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ−Ｈｅｔｈｏ
ｄ　ｆｏｒ　Ｍａｓｋ−ｔｏ−ＷａｆｅｒＡｌｉｑｎｍ
ｅｎｔ　　Ｕｓｉｎｑ　　Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ
−八ｒｒａｎｇｅｄ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｒａｔｉｎｇｓ　
、１伊藤ら １４）特開昭６２−１７２２０３号 Ｆ相対変位測定方法Ｊ 金山ら １５）１９８８年度精密光学会秋季大会　Ｒ２６「ホロ
グラフィアライメントへのへテロダイン干渉の応用」 山水ら １６）特開昭６４−８９３２３号 「位置合せ装置」 山下ら １７）特開昭６４−８２６２５号 「位置合せ装置」 佐藤ら １８）特開昭６４−８２６２４号 「位置合せ装置」 山口ら １９）特開昭６４−８２６２３号 「位置合せ装置」 青水ら ２０）特開昭６４−８２６２２号 「位置合せ装置ｊ 佐藤ら ２７＞１９８８年度応用物理学会春季大会２８　ａ　−
’Ｈ−５ 「縮小投影露光装置における回折光へテロタイン干渉ア
ライメント検出方式」 片間ら ２２）１９８７年度応用物理学会秋期大会１８　ａ−Ｆ
−８（Ｒ４２７） 「ホトグラフィ法によるステッパ用ナノメータ位置検出
法（ＩＶ）Ｊ 封材ら 宣ぶ ます、第１１図（Ａ＞、（Ｂ）を参照して回折格子の基
本的性質を説明する６回折格子は一定の間隔（ピッチＰ
）でなとえはＹ方向に平行な溝をＸ方向に並べたもので
あり、入射光を波長に応じた角度に分散させる機能を有
する。

垂直入射の場合を与えると、第１１図（Ａ）において入
射光線Ｒ１−Ｒ２，９３が隣接する講において反射角θ
で反射する時、反射光Ｕ　１１、Ｑ１２゜Ｑ　１３の光
路長はＰＳｉｎθづつ異なるにの光路差ＰＳｉｎθか波
長の整数倍である時、反射光は強め合い、波長の（整数
＋１７２）倍である時反射光は弱め合う。このようにし
て回折格子は光の波長分散を行なう。隣り合う清で反射
する光線間の光路差が波長の何倍かを回折の次数という
６第１１図（Ｂ）に示すように、所定波長（周波数）の
光を回折格子に垂直に入射すると、左右対称に各次数の
回折光か生じる。これを±１次、±２次、・±３次・・
・の回折光と呼ぶ。なお、わずかに異なる周波数ｆ１、
ｆ２を有するる２つの可干渉光を入射した時は、はぼ同
一の方向に各回折光が発生する。

ところで、回折格子はＸ方向に周期的構造を持ち、その
周期はＰである。回折格子自身かＸ方向に△Ｘ変位する
時、回折光も変位に応して変化する。回折格子の周期が
ＰであるのでＰの変位によって全回折光に対して同等の
状態か生じるが、ｍ次回折光であればＰ　／　ｍの変位
を単位（２π）とする周期的変位を示す。すなわち３、
回折格子が△Ｘの変位を行なうと、ｍ次回折光には２π
・△Ｘ／（Ｐ／ｍ）の位相変化が生じる。この位相変化
を検出てきれば、変位を測定できる。しかし、光の周波
数ｆは非常に高く、その位相をそのまま検出することは
容易でない。

ところで、周波数のわずかに異なる２つの電磁波を重ね
合わせるとその差成分をビート波として取り出すことが
できる。すなわち周波数ｆ１とｆ２−ｆ１＋△ｆ（ｆｌ
＞＞△ｆ）の２つの電磁波から周波数△ｆの信号を得る
ことができる。たとえば、同一振幅を有する２つの正弦
波の場合、ＡＳｉｎ　　（Ｗｌｔ）＋ＡＳｉｎ　　（Ｗ
２ｔ＋２δ）＝２ＡＳｉｎ　（（ｗ１ｔ＋ｗ２ｔ＋２δ
）／２）Ｃｏｓ　（（ｗｌ　ｔ−ｗ２　ｔ−２δ）／２
）となり（ｗｌ−ｗ２）の低い角振動数を持つ信号を取
り出せる。光の場合も非常に波長（周波数ンか近い２つ
の可干渉光を用いることによってこのような低い周波数
成分を持つ信号を作り出すことかできる。このようなわ
ずかに異なる波長（周波数ンを有する可干渉光を発生で
きる光源としてなとえば横ゼーマンレーザが知られてい
る。横ゼーマンレーザは、周波数ｆ１、ｆ２（ｆｌ−：
ｆ２）の２つの可干渉光を偏光面を直交させて発生する
。

このような光源を用いて光へテロタイン検波を行なえば
低周波数の信号を得ることができる。

この光へテロタイン検波と回折格子の変位による回折光
の変位を組み合わせて、低周波信号に回折格子の変位を
表わす位相変化を含ませることができれば、回折光の検
出から回折格子の変位を容易に知ることができる。

測定したい物体に回折格子（格子ピッチＰ）を設け、周
波数ｆ１、ｆ２が異なる２つの可干渉光を回折格子に入
射すると、２つの光ｆ１、ｆ２について各々±ｎ次（ｎ
＝１．２．３・・・Ｎ）回折光か得られる。

ここで周波数ｆ１の光についてのｍ次回折光と周波数ｆ
２の光についてのｎ次回折光を干渉させる。得られたビ
ート信号の位相φと物体の変位量ΔＸの間には次の関係
が成立する。

φ−２π△ｘ／（Ｐ／（ｍ　−ｎ　））　　　　　　　
・・・　（１）なお、周波数ｆ１の光のｍ次回折光と周
波数ｆ２の光のｎ次回折光を干渉させる場合を説明しな
か、周波数ｆ１の光のｎ次回折光と周波数ｆ２の光のｍ
次回折光を干渉させても同様の位相項が得られる。たと
えば、１次回折光と一１次回折光とを干渉させるとｍ−
ｎ＝１＋１＝２となり、φ−２π・△ｘ／（Ｐ／２） ＝４π・△ｘ　／　Ｐ　　　　　　　　　　　・・・（
２）となる。

（２）式において、光へテロタイン計測により位相差φ
か分かると物体の変位量△Ｘは、次のように得られる。

△ｘ＝Ｐ・φ／４π　　　　　　　　　　・・・（３）
２つの物体の相対位置を測定する場合は、各物体に回折
格子を設け、各回折格子（すなわち各物体）について（
１）式または（２）式に示す位相項を取り出し、位相φ
または変位△Ｘを比較することによって相対位置を求め
る。

以上の原理を応用した測定方法は次に示す４つのタイプ
に分類される。

従来例１ １．１原理 第１２図に検出光学系を示す。ゼーマンレーザ５１から
ゼーマンレーザ周波数（ｆｌ、ｆ２）が異なる２つの光
をハーフミラ−５９、レンズ５２を介してウェハ上の回
折格子５３（ピッチＰ）に入射し、反射回折してきた周
波数がｆｌの＋１次回折光と周波数かｆ２の一１次回折
光をレンズ５２、ミラー５４、空間フィルタ５５、。偏
光器５６等を介して干渉させてスリット５７を介してホ
トマル（光電子増倍管）５８に受光させる。

なお、図中６０と６１はレンズを示す。光源であるゼー
マンレーザ５１から偏光器５６までの間は周波数ｆ１の
光と周波数ｆ２の光とは互いに直交した独立の関係にあ
り、偏光器５６はこれらの２つの光ビームの電気ベクト
ルに対し、４５°の角度に挿入され、２つの光ビームを
重ね合わせ干渉させる。

生じなビート信号（ウェハビー１〜信号）の位相差φＷ
と別に周波数ｆ１と周波数ｆ２の干渉光を直接干渉させ
て得た基準ビート信号の位相差φ０を光ヘテロダイン測
定し、両位相の差を比較することにより、ウェハ回折光
子の変位量△Ｘを計測する。

ここで、±１次回折光の干渉により生じたウェハからの
ビート強度Ｉｗは（４）式により、また基準ビート信号
の強度変化Ｔｏは（５）式により表わせる。

Ｉｗ＝Ａｅｘｐ［ｉ（２π（ｆ　１ｆ　２　）　ｔ＋４
ｇ　・ｘ／Ｐ）］　　　　　　　　　　　　　・・・（
４）Ｉ　ｏ＝Ｂｅｘｐｉ［（２π（ｆ　１−ｆ　２　）
　ｔ）］−（５）ただし、Ａ、Ｂは振幅を表わす定数、
Ｘは回折格子の位置である。（４）、（５）式において
、位相φＷ、φ０は次式（６）、（７）によって表わさ
れる。

φｗ＝４π・ｘ　／　Ｐ　　　　　　　　　　　・・・
（６）φ０−０　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（７）（６）、（７）式は、基準ビー）〜信号に対し
て、】　６ ・ウェハビート信号の位相φＷが４π・ｘ　／　Ｐだけ
変化していることを示している。（６）、（７）式より
、ウェハの位置Ｘ、従って変位量△Ｘは（８）式で求め
られる。

φＷ−φｏ＝４π・ｘ　／　Ｐ 、°、Ｘ−φｗ−Ｐ／４π　　　　　　　　・・・（８
）なお、マスクないしレチクル上に回折格子を設け、こ
こにも周波数ｆ１、ｆ２の可干渉光を入射して、周波数
ｆ１の１次回折光と周波数で２の１次回折光を得て、こ
れらを干渉させて得たビート信号を基準信号としてもよ
い。この場合基準信号の位相項をφｍとすると、 φＷ−φｍ＝４π△ｘ／Ｐ △ｘ−（φＷ−φｍ）・Ｐ４π となる。ただし△Ｘはウェハの相対位置を示す。

１．２問題点 （１）５第１２図において±１次光に光路差（△ｐ）が
生じると、（６）式で表わされるビート信号の位相か４
π・△Ｒ／　ｐなげ変化し、検出誤差となる。

すなわち、第１３図に示す様に、光路差△ｐにより周波
数１１の＋１次回折光の位相に対して周波数ｆ２の一１
次回折光の位相かずれた状態で干渉するため、生じるビ
ート光の位相か４π△ρ／ｐすれてしまう。

これを（４）式および（６）式の上て表わすと（９）式
、（１０）式となる。

Ｉ’　ｗ＝Ａｅｘｌ）［ｉ（２π（ｆｌ−ｆ　２）ｔ＋
４π・）ｃ　／　Ｐ　＋　４π△Ｄ　／　ｐ　）］Ａｅ
ｘｐ［１（２ｒ　（ｆ　１−ｆ　２　＞　ｔ＋（４π／
Ｐ）（Ｘ十△ｐ））］　　　　・・・（９）φ゛Ｗ−４
π／Ｐ（ｘ十△Ｑ　）　　　　　　・（１０）（２）、
光路分岐により、外乱の影響を受ける。±１次回折光の
光路か分岐しているため、その間の空気中の屈折率のゆ
らき゛等による外乱の影響を受ける。なお、この従来例
の詳細については、たとえは文献２１）を参照されない
。

】　８ 従来例２ ２．１原理 第１４図に検出系の構成を示す。マスク６６、ウェハ６
７に同一ピッチＰの回折格子６８．６つを設けておき、
両回折格子の±１次回折の方向から周波数（ｆｌ、ｆ２
）が異なる２つの光を同一のビームスポット位置７１に
同時に入射し、同一径路上に反射回折して来る周波数か
異なる±１次回折光を干渉させ、ビート信号を形成する
。ビームスポット７１内にはメンブレン窓７２を設けて
おき、その下のウェハ回折格子６９を露出する。

このウェハ回折格子６９で反射回折してくる周波数が異
なる±１次回折光も干渉させ、他のビート信号を形成す
る。マスクおよびウェハそれぞれからのビート信号の位
相を別々に計測し、両方の位相を比較することによりマ
スク、ウェハ間の相対変位量を求める。

従来例２においては、従来例１で示した問題点を解決し
ている。すなわち、光路差△ρによる位相誤差は生じて
ない。そのことを次に説明する。

±Ｎ次の対称な角度から入射する時の周波数ｆ１の光と
周波数ｆ２の光の位相差をφＥとおく。

マスク回折格子６８により合成されたビート光の強度Ｉ
Ｍは（１２）式により表わされる。

ＩＭ＝Ａｅｘｐ［ｉ（２ｙｒ　（ｆ　１−ｆ　２）十φ
Ｍ十φ　Ｅ　）コ　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　・・・　（１２）たたし、Ａ
は振幅、φＭは（１３）式により表わされるマスク回折
格子の変位ｘＭによる位相変化を表わす。

φＭ＝４　ｙｒ　−ｘｍ／Ｐ　　　　　　　　　−＝　
（１３）同様にウェハ回折格子６９により合成されたビ
ート光の強度ＩＷは（１４）式により表わされる。

Ｉｗ＝ＡｅｘＤＥｉ　　（２ｙｒ　　（ｆ　　１−　ｆ
　　２　　ン　十　φＷ＋φＢ）］　　　　　　　　　
　　　　　・・・（１４）φｗ＝４ｙｒ　−ｘｗ／Ｐ　
　　　　　　　　−（１５）ただし、ＸＷはウェハ回折
格子の変化を表わす。

（１３）式、（１４）式より、マスク回折格子とウェハ
回折格子から得られる両ビート信号の位相差△φは（１
６）式で表わされる。

△φ＝φＭ−φＷ ４　ｙｒ　　−ｘＭ／　Ｐ　−４ｙｒ　　・ｘＷ／　Ｐ
（４π／Ｐ）　　・　（ｘＭ−ｘＷ）　　　　−（１６
）（１６）式から明らかなように、位相差△φを測定す
ることはマスクとウェハの相対変化を求めていることに
等しい。さらに、位相差△φの中には、入射時ｆ１とｆ
２の間で生じた位相差φＥが含まれていない。これは、
回折格子に対して対称な方向から入射することで（１２
）式、（１４）式で表わされるマスクおよびウェハから
のビート信号に、同じ位相差φＥが生じるため、両者の
位相差△φをとると（１６）式でわかるように消去され
るためである。また、（１２）式、（１４）式で表わさ
れるマスクとウェハのビート信号はギャップとは全く関
係していないために、両者のギャップについてはｆｌ、
ｆ２の光が重なり会う領域において自由に設定すること
か可能となる。

２．２問題点 （１）、装置構成が複雑である。

第１５図に本方式によってマスクとウェハとの間の１方
向の相対変位を検出するための基本構成を示す。

ＳＯＲアライナ−のマスク６６の下のウェハ６７が配置
され、それぞれに回折格子６８．６９が形成されている
。また、マスク６６にはメンブレン窓７２が設けられ、
ウェハ６７上の回折格子６９を露出している。変位測定
装置は、ゼーマンレーザ５１と、ゼーマンレーザ５１か
ら発射される周波数ｆ１および周波数ｆ２の直交する２
つの光ビームを偏光によって分離する偏光ビームスプリ
ッタ７５を含む。

偏光ビームスプリッタ７５によって、周波数ｆ１の光は
直進し、周波数ｆ２の光は反射される。反射された周波
数ｆ２の光は、ミラー７６．７７によって反射され、マ
スク回折格子６８およびウェハ回−折格子６つ上に入射
する６また、直進した周波数ｆ１の光はミラー７８によ
って反射され、同様にマスク回折格子６８およびウェハ
回折格子６９上に入射する。これらの周波数ｆ１の光と
周波数ｆ２の光はそれぞれ±１次回折光の方向から入射
し、○次回近方向に反射・回折する。この反射・回折し
た光はミラー７９によって反射され、偏光板９３によっ
てビー１〜（Ｍ号を形成し、）第１〜タイオード８０．
８１によって検出される。フォトタイオード８０．８１
からの信号は位相器８２に供給され、位相器８２からア
ライメン）へコントローラ９４に制御信号が送られる。

アライメントコント、ローラ９４はマスク６６とウェハ
６７との相対位置を制御する。なお、周波数ｆ１の光と
周波数ｆ２の光が±１次方向から左右対称に入射してい
るので、マスク６６とウェハ６７との間のギャップによ
って検出信号は変化しない。

なお、ミラー７６で反射された周波数ｆ２の信号をビー
ムスプリッタ８６で分割し、ミラー８７．８８によって
反射して、２次回折光の方向から入射させ、周波数ｆ１
のレーザ光の＋１次回折光と干渉させてミラー８９によ
って反射させ、フォトタイオード９０．９１で検出すれ
ば、周波数ｆ１の光と周波数１２の光が左右非対称な形
で入射するので、検出信号はマスク６６とウェハ６７と
の間のギャップによって変化する。この信号を利用する
ことによりマスク６６とウェハ６７との間のキャップを
検出することかできる。

アライメントシステムは、最低三系統の光学系を構成す
れば、相対位置すれおよびギャップの６軸アライメント
サーボ制御が可能となる。

しかしながら、第１５図に示すような構成を三系統準備
すると装置の構成はかなり複雑なものとなってしまう。

（２）、測定方向以外の方向における物体の角度の変化
か測定方向の検出精度に影響を与える。

第１６図に、入射系に対して、回折格子が傾いた様子を
示す。本方式は対称とする面の法線に対して左右対称な
方向から光を入射させている。面が角度θ傾いた場合に
は、垂直入射光に対して±１次光の方向であった方向が
、すれた方向となってしまっているのて、回折格子て反
射回折した光は、同一方向には進行せず空間内で分離し
てしまう。このため、場合によっては干渉ビート光が生
じない状態が起きてしまう。

（３）１回折格子の非対称性が検出誤差を発生させる。

第１７図に非対称形状の回折格子の断面形状を例示する
６回折格子に非対称な形状があると、＋ｎｎ次回先光−
ｎｎ次回先光間で位相遅れか生じることが、明らかにさ
れている（例えば文献２２）参照）。したがって、回折
格子に非対称な形状があると、＋１次回折光と一１次回
折光の干渉ビート光の位相差をヘテロダイン測定する上
述の従来例２の技術において、同様な位相遅れが含まれ
るため、測定誤差が生じる。

従来例３ ３．１原理 第１８図に原理的構成図を示す。基本的には従来例２と
同様に垂直入射光に対する±１次回折光の方向から光を
入射させ、０次光の方向から回折、干渉した出力光を得
る方式である。

図において、ゼーマンレーザ５１から直交する周波数ｆ
１の光と周波数ｆ２の光を発射させ、基準回折格子１０
１に入射し、回折して出射する±１次光の２つの光を利
用する。これら２つの光のうち、一方はλ／２板１０２
を通して位相を変換し、フーリエレンズ１０３、空間フ
ィルター１０４、フーリエレンズ１０５を介して、２つ
の光ビームとして位置すれ検出用回折格子１０６に入射
する。位置すれ検出用回折格子１０６から反射回折した
出力光を中間角度に配置した偏光板１０７を通して互い
に干渉させ、ホ）〜ディテクタ１０８で検出する。なお
、図中下部に光の進行方向に垂直な２方向の光成分をベ
クトル的に表示しである。

本方式においては、フーリエレンズを用いて±１次光を
同時に扱うため、ミラー等の光学部材が省略でき、構成
か簡単になっている。

また、従来例２では２つの物体間の位相差により相対変
位を計測したか、従来例３ではみかけ上、入射光路中に
設けた回折格子（基準回折格子１０１）の位置に対して
位置ずれ検出用回折格子を設けた物体の相対変位が求ま
る形になっている。複数の物体を配置してそれらの相対
変位を求めることもできる。原理的には従来例２と同様
であり、光路差による位相誤差は生じない。また、従来
例２と比較したとき、入射光学系における光路分岐が少
なく、装置の安定性に優れる。

３．２問題点 （１）、第１９図に１軸方向の相対変位を測定するため
の基本構成を示す。ゼーマンレーザ５１の出射光の光軸
上にビームエキスパンダ１１０か配置されている。ビー
ムエキスパンダ１１０でビーム径を拡げられた光は、ミ
ラー１１１．１１２を介して基準回折格子１０１に入射
される２基準回折格子１０１によって回折された２つの
回折光は、その一方はλ／２板１０２を介し、他方はそ
のままフーリエレンズ１０３に入射し、空間フィルター
１０４、他のフーリエレンズ１０５を介して集束しつつ
マスク１１４、ウェハ１１５に入射する。マスク１１４
、ウェハ１１５上には、それぞれ回折格子か設けられて
いる。

これらの回折格子によって反射回折された出力光は、結
像レンズ１１６、偏光板１０７を介して光検出系に導か
れる。２つの光を分前するためにナイフェツジ１１８が
光路上に配置されている。ナイフェツジによって反射さ
れた一方の光はミラー１１９を介して、ホトマル１０８
ｂに入射し、他方の光は直接ホトマル１０８ａに入射す
る。これらのホ１〜マル１０８ａ、１０８ｂの出力信号
はバンドパスフィルター１２１ａ１２１ｂを介して位相
計１２２に供給され、位相信号はパソコン等の制御装置
１２４によって処理され、ウェハ１１５の駆動装置であ
るピエゾ素子１２５を駆動してウェハ１１５の位置を制
御する６ 従来例３と比較すれば構成が簡単になっているが、それ
でも全光学系中には複数のミラーやレンズを含む構成と
なっており、より簡単な構成によって変位を測定するこ
とか望まれる。

（２）、測定方向以外の方向における物体の傾きが測定
方向の検出精度に影響を与える。従来例２と同様に、マ
スクないしウェハか傾くと計測精度に影響を与える。

（３）８回折格子の非対称性が検出誤差となる。

従来例２と同様に、回折格子の対照的な方向から入射光
を供給し、中央から出力光を得ているなめ、回折格子の
非対称性形状により、＋１次回折光と一１次回折光の間
で位相差か生じる。

これが測定誤差の原因となる。なお、この従来例３の詳
細は、例えは上述の文献１５）、１８）を参照されたい
。

従来例４ ４．１原理 第２０図に原理的構成を示す。マスク１３１の上に同一
ピッチの２つの回折格子１３３ａ、１３３ｂを離して配
置する６マスク１３１の下に配置するウェハ１３２には
、回折格子１３４を設け、マスク１３１の２つの回折格
子１３３ａ、１３３ｂの中間の位置に配置する。マスク
１３１上の回折格−ｆ　］、　３３　ａ、１３３ｂは、
入射光を回折させ、ウェハ１３２上の回折格子１３４に
入射させるためのものである。図中Ｕは入射光を表わし
、Ｕ（−１）は入射光が回折格子１３３で回折された１
次回折光であることを示す。同様にｕ（１）は入射光か
回折格子１３３で＋１次方向に回折された入射光である
ことを示す。また、ｕ（−１，２）は入射光が回折格子
１３３て一１次方向に回折され、次に回折格子１３４で
＋２次方向に回折された光であることを示す。同様にｕ
（１、−１）は入射光かマスク１３１上の回折格子１３
３で１次方向に回折され、次にウェハ１３２上の回折格
子１３４で一１次方向に回折された光であることを示す
。回折格子１３４のピッチを回折格子１３３のピッチの
１．５倍にすると、図示のように図中右側から回折格子
１３４に入射し、回折したＵ（−１，２）と左側から回
折格子１３４に入射し、回折しなｕ　（１、−１＞とか
同一方向に進む。これと対照的にｕ（−１，１）とｕ　
（１、−２）とが同一方向に進む。これらの同一方向に
進む回折光を偏光板１３６．１３７を介して干渉させ、
光２　つ 検出器１３８で検出することによりビート信号を得るこ
とができる。

また、偏光板１４１．１４２および光検出器１４３．１
４４は、回折格子１３３．１３４て高次方向に回折され
た光を受けて、マスク１３１とウェハ１３２の間の距離
しなかって、マスク１３１とウェハ１３２の傾きを検出
するなめの系である光検出器１３８．１３９で受光した
光強度Ｉｓ１とＩｓ２によって、マスク１３１とウェハ
１３２との相対的変位を検出する原理を以下により詳細
に説明する。

２つのビート信号Ｉｓ１、Ｉｓ２は次のプロセスにより
生じる。Ｉｓｌは２つの回折光Ｌｌ（１，１）とり（−
１，２）の合成波において異なる２つの周波数ｆ１とｆ
２の合成波の干渉により生じる。ここで、ｕ（１、−１
）は、マスク回折格子による＋１次回折光がウェハ回折
格子で一１次回折した光を示す。

周波数ｆ１．ｆ２による合成波ｖ１、ｖ２は（１７）、
（１８）式により表わされる。

Ｖ１＝［ｕ（１、−１）＋ｕ（−１，２）］Ｃ１ｅｘｐ
（ｉ（ｗｌｔ−△１））　　　　　−（１７）同様に Ｖ２＝Ｃ２ｅＸＤ（ｉ　（Ｗ２　を−△２　））　　　
・（１８）たたし、Ｗｌ　＝２ｚｆ　１　、ｗ２＝２π
ｆ　２△　１　　＝ｔａｎ　　−１（Ｓｉｎ　　２　　
δ／（ａ＋Ｃｏ５２　　δ　ン　）△２　＝ｔａｎ　−
１（Ｓｉｎ　２δ／（β十Ｃｏｓ　２δ））Ｃ１−（１
＋α２＋２αＣｏｓ　２δ）１／２Ｃ２−（ｌ十β２＋
２βＣｏｓ　２δ）１／２α、βはｆｌ、ｆ２に対する
回折効率を表わす。

（１７）、（１８）よりビート信号Ｉｓ１は（１９）式
で表わされる。

ｌ５１＝（Ｖ１十Ｖ２）” ＝ＡＣｏｓ　（（ｗｌ−Ｗ２）ｔ　−（△１−△２））
・・（１９） 同様にしてビート信号Ｉｓ２は（２０）式て表わせる。

Ｉ　ｓ　２＝Ａｃｏｓ　（（ｗｌ−ｗ２）ｔ＋（△１△
２））　　　　　　　　　　　　　　・・・（２０）（
１９）、（２０）よりＩｓｌとＩＳ２の位相差△φは（
２フン式で表わされる。

△φ＝−（△１−△２）−（△１−△２）２（△１−△
２） ２　ｊａｎ　−１［（α−β）Ｓｉｎ２δ／（１十αβ
＋（α十β）Ｃｏｓ２δ）］　　　　　　　・・・（２
１）（２１）式で表わされる位相差△φは相対変位δ−
〇の時Ｏとなる。

４．２問題点 （１）、入射光軸と位相情報を持つ回折光を生じる第１
の物体（第２０図においてマスク１３１）の直交度の変
化か検出誤差となる。

第２０図の構成において、マスク１３１に垂直に入射す
る光が回折格子１３３ａ、１３３ｂで回折され、±１次
光か回折格子１３４に入射する構成としているため、マ
スク１３１か入射光に対して傾くと±１次光の方向も傾
いてしまう。第２１図にこのマスク１３１か入射光の方
向に対して傾いた状態を図示する。

入射光軸がマスク面に対してθ傾くと、同位相で進み、
マスク回折格子にＡ点、Ｂ点の位置で透過回折されて±
１次光を生じていた状態がＡ点と０点で透過回折する状
態に変化する。

つまり、入射点かＢ点から０点に移動することにより、
Ｂ点て入射回折された光の位相に対して０点で入射回折
された光の光路長は約Ｓθだけすれることになる。

この光路長Ｓθによる変位検出誤差εは（２２）式で表
わされる。

ε＝θ・Ｓ　−ｄ　１／　２λ　　　　　　　・・・（
２２）（２）、測定方向以外の方向における物体の姿勢
の変化が測定方向における検出精度に影響を与える６す
なわち、第２０図の構成においては、マスク１３１とウ
ェハ１３２の平打度の変化が検出精度に影響を与えるこ
とになる。次にマスク１３１に対してウェハ１３２が相
対的に傾いた場合を考える。マスク１３１上の回折格子
１３３によって回折された光か傾いたウェハ１３２上の
回折格子１３４に入射すると、本来反射・回折すべき方
向からすれた方向に回折光ｕ　（１−１）、ｕ（−１，
２）か進んでしまう。このなめ回折光ｕ（１、−１）と
ｕ（−１，２）は異なる方向に進行し、干渉ビート光Ｉ
ｓ１が生じなくなることもある。

（３）、物体間において、計測する方向以外の相対位置
と、物体間に用いる回折格子のピッチの間に相互関係が
あり、その制約条件が厳しい。第２０図において、この
制約条件はマスク１３１とウェハ１３２間のギャップと
回折格子のピッチの間に成立する。すなわち、ビート干
渉光Ｉｓマ、Ｉｓ２によって検出可能な強度を得るため
には、マスク１３１て回折された±１次回折光の光束が
ウェハ１３２上の回折格子１３４である一定面積以上に
わたって重畳する必要がある。

そのためにはギャップか狭くなるほどマスクから回折し
てくる±１次回折光の角度を大きくしなければならず、
そのなめ回折格子のピッチは小さくしなければならない
。

さらに、マスク１３１とウェハ１３２の回折格子のピッ
チは多重反射回折光の影響を避けるために非整数倍に設
定しなくてはならない。

またウェハ１３２で回折された光が同一経路で干渉し、
ビート信号を形成するようにピッチを設定しなければな
らない。

Ｘ線リングラフィに適用する場合ギャップおよび回折格
子のピッチに対してさらにＸ線源およびプロセスからの
条件が加わる。

（４）１回折格子の非対称性が検出誤差となる。上述の
従来例同様、回折格子の左右方向から光を入射し、中間
の所定方向に回折光を出射する形式をとっているなめ、
回折格子自身の溝の型の非対称性が位相誤差を生じ、検
出誤差を生じさせる。

なお、この従来例４の詳細については、上述の文献８）
〜１４）を参照されたい。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の様に、従来技術における光ヘテロダイン検出は、
変位を測定したい対象物の上に一定のピッチを有する回
折格子を設げ、回折格子に波長のわずかに異なる２つの
光を入射し、回折光の干渉信号からビートを検出するこ
とによって変位を測定していた。

従来技術のいずれの方式によってもそれぞれ構成上およ
び精度上の課題が存在した。

本発明の目的は、光ヘテロタイン方式を採用した新たな
原理に基づく変位検出方法を提供することである。

本発明の他の目的は、この新たな変位測定方法を実施す
るための変位測定装置を提供することである。

「課題を解決するための手段］ 本発明の変位測定方法は、被測定物体上に異なるピッチ
をもつ複数の回折格子を近接配置し、波長がわずかに異
なる複数の光を、前記異なるピッチを持つ複数の回折格
子に入射し、その回折光を取り出し、前記、複数の回折
光を干渉させてビート光を形成し、その位相変化を測定
することによって前記被測定物の変位を測定する。

［作用］ ピッチの具なる２つの回折格子を同一の物体上に平行に
配置することにより、より多くの情報を有する光を得ら
れ、種々の処理が可能となる。このなめ、より安定で高
精度の変位測定が可能になる。

周波数ｆ１、ｆ２のわずかに異なる２つの光ビームを用
いることによって、ビート光を生じさせ、ビート光の周
波数で位相項を検出することは、船釣な光ヘテロタイン
検出技術と同様である。

［実施例］ まず、第１図を参照して、格子ピッチが異なる２つの回
折格子を用いた本発明の基本概念を説明する。

第１の回折格子１はその格子のピッチかＰｌであり、第
２の回折格子２はその格子のピッチかＰ２であり、互い
に平行に配置されている。これらの回折格子の格子溝に
垂直な方向すなわち、回折格子の方向をＸ方向とする。

簡単のために第１の回折格子の格子ピッチＰ１は、第２
の回折格子の格子ピッチＰ２の半分であるとする。これ
らの平行な回折格子１．２にわずかに異なる周波数ｆ１
、ｆ２を有する入射光りか垂直に入射する場合を考える
。回折格子１は、回折格子２の半分のピッチを有するの
でその２格子分か回折格子２の１格子に相当する。した
かって、第１の回折格子１の２次光は第２の回折格子の
１次光と同一方向に進む。

すなわち、第１の回折格子による２次回折光ｕ１（２）
と第２の回折格子による１次回折光ｕ２（１）の２つの
回折光は同一方向に進行する。２つの回折格子のピッチ
か１＝２の比からずれた時、２つの回折格子からの回折
光を同一方向に進行させるには、第１図に示すように入
射光を２光束取り、一方の入射角度は任意に、他方の入
射角度は一方の入射角度に合わせて選択すれはよい。こ
れらの回折光の各々は周波数ｆ１の成分とｆ２の成分と
を有する。ｕｌ（２）とＬ１２（１）とを互いに干渉さ
せれば、異なる次数の回折光の干渉光が形成され、位相
項には回折格子１．２の変位の情報が含まれる。また、
この位相項を測定容焉とするためには、周波数ｆ１、ｆ
２のビート光をつくればよい。

より一般的に式を用いて、説明すれば、ピッチの異なる
回折格子から生ずる回折光間の性質は以下のように説明
できる。

ピッチＰ１からの１次回折光における周波数ｆ１の光波
とピッチＰ２からの１次回折光における周波数ｆ２の光
波において、移動量△Ｘに対する位相の変化ｆ１、ｆ２
は以下の（２３）式、（２４）式により表わされる。

δ１−２π△Ｘ／Ｐ１　　　　　　　　　・・・（２３
）δ２＝２π△ｘ　／　Ｐ　２　　　　　　　　　・・
・（２４）なお、回折光の位相δｎは、回折格子の位置
Ｘに依存してδｎ＝２πｎｘ／ｄ（ｎ−回折次数）たけ
変化すると考えてもよい。（２３）、（２４）より移動
量△Ｘに対する異なるピッチから生じた＋１次回折光の
間の位相差φは（２５）式て表わされる。

φ＝δ１−δ２ ２π△ｘ／Ｐ１−２ｙｒ△ｘ　／　Ｐ　２−２π　（１
／　Ｐ　１−１　／　Ｐ　２　）　　△Ｘ　　・・・　
（２５）（２５）より異なるピッチより生じな回折光の
間の位相差φを測定することにより、回折格子の移動量
△Ｘを求めることかできることが判る。ｎ次回折光の場
合は、ピッチＰをＰ　／　ｎとすれば同様の式が成立す
る６ 公知の技術は同一ピッチＰから生じた異なる次数の２つ
の回折光の間の位相差を利用した測定であるのに比べ、
本測定方式は異なるピッチから生じな回折光の間の位相
差を利用した測定である６本発明では、この性質を応用
した測定方法となっており、公知の手段とはこの点で全
く異なる。

なお、異なるピッチの回折格子から同一回折次数の回折
光を取り出すと入射光と回折光とのなす回折角は異なる
ものになる。

この場合は、次に示すような特徴が得られる。

（１）、複数個の物体において、ある一定方向の変位た
とえばｎｍオーダの変位を高精度に測定することが可能
である。

（２）、測定方向以外の物体の姿勢の変位は、測定方向
の精度に全く影響を与えない。

（３）、計測器あるいは計測光路と物体の間の位置に関
係の変化は測定精度に全く影響しない。

（４）、計測系が極めて簡単である。

（５）、計測系の安定性に依存しない。

（６）、計測光路の分岐か本質的に必要なく外乱の影響
を受けにくい。

２、本発明の実施例による測定方法 ２．１概説 前述の原理に基づく変位測定方法について第２図を参照
して説明する。

異なるピッチ（格子定数）Ｐｌ、Ｐ２を有する２つの回
折格子１．２に対して、３本の入射光線■、■、■が入
射する。垂直入射の中央の光線工に対して左右の光線■
および■は角度θ°傾いて回折格子１．２に入射してい
る６ ２つの回折格子１．２のピッチＰ１、Ｐ２をＰｌ〈Ｐ２
として、回折光か同一方向に出射する条件を考える。光
線■と光線■を考える力板光線■も光線■と同様に考え
られる。

垂直入射の光線■に対して、回折格子１（ピッチＰ１）
はθ１の方向に光を回折させるとすると、ｎλ−Ｐ　Ｉ
　Ｓｉｎθ１−（２６） となる。回折格子２（ピッチＰ２）が、同じθ１の方向
に光線■の回折光を生じさせる時、法線に関して回折角
と逆側に入射角θ０をとると、ｎλ＝Ｐ２（Ｓ＋ｎθ１
−３ｉｎθｏ）　　　・（２７）となる。すなわち θ１−８＋ｎ　−１（ｎλ／Ｐ１） θｏ　＝Ｓｉｎ　−１（（ｎλ／Ｐ１）　−（ｎλ／Ｐ
２）：１・・（２８） １次回折光（ｎ＝１＞を考えると、 θ１　＝Ｓｉｎ　−１（λ／Ｐ１） θｏ　＝Ｓｉｎ　−’　（（λ／Ｐ１）−（λ／Ｐ２）
）・・・（２９） となる。

入射光線■は、１／２波長板等の手段により入射光線■
、■に対して、偏光方向が９０°回転している。

以上の条件設定により第３図（Ａ）、（Ｂ）に示すよう
な２つの干渉ビート光■＋と■−が得られる。１十はピ
ッチＰ１の回折格子１による入射光線■の＋１次回折光
（ｆｌ（Ｐｌ、１）、ｆ２（Ｐｌ、１））とピッチＰ２
の回折格子２による入射光線■の＋１次回折光１ｆ１（
Ｐ２．１）、ｆ２（Ｐ２．１））が干渉して生じたビー
ト光である６ また、■−はピッチＰ１の回折格子１による入射光線■
の一１次回折光（ｆｌ（Ｐｌ−−１，）、ｆ２　（Ｐｌ
、−１））とピッチＰ２の回折格子２による入射光線■
の一１次回折光（ｆｌ（Ｐ２．１）、ｆ２（Ｐ２、−１
））が干渉して生じたビート光である。

ここで、この２つのビート光Ｉ十とニーの位相差φ φ−［Ｉ＋の位相］−［■−の位相］　・・・（３０）
を測定することにより物体の精密な相対位置計測か可能
となる。また複数個の物体の各々に２つの回折格子を設
けると物体間の相対位置測定か可能となる。

次に以上の様な条件設定により得られる干渉ビート光■
十と■−による測定原理について説明する。

２．２測定＠埋 入射光線を３分岐させることにより各入射光線の間に位
相差が生じる。

そこで、入射光線工と入射光線Ｈの位相差をφ１、入射
光線■と入射光線■の位相差をφ２とする。

ビート光■＋は光波（Ｐｌ、１）と（Ｐ２．１）により
形成される。光波（Ｐｌ、１）は次の２式％式％ 光波（Ｐ２．１）は次の２式で表わされる。

ｆｌ（Ｐ２．１　）　＝Ｂ　１　ｅｘｐ（ｉ（ｗ　１を
十δ２十φ１））　　　　　　　　　　　　　　　　　
　１．、（３３）ｆ２（Ｐ２．１　）　−Ｂ　２ｅｘｐ
（ｉｆｗ２ｔ＋δ２十φ１））　　　　　　　　　　　
　　　　　　・・・（３４）ただし、Ａｌ−Ａ２、Ｂ１
、Ｂ２は振幅（Ａ１≠Ａ２、Ｂ１≠Ｂ２、Ａ１≠Ｂ１）
である。またＷｌ−２πｆ１　　　　　　　　　　　　
　　　・・・　（３５Ｗ２−２πｆ２　　　　　　　　
　　　　　　　・・・　（３６δ１＝２πｘ／Ｐ　１　
　　　　　　　　　　　　　、　（３７δ２−２πＸ／
Ｐ２　　　　　　　　　　　　　・・・（３８（３１）
〜（３４）式により、偏光方向が９０°異なる２つのビ
゛−ト光Ｉ　＋　（０）とＩ十（π／２）が第３図（Ａ
）に示すように得られる。

Ｉ＋（０）　−（ｆ　１　（Ｐｌ、１）＋ｆ２　（Ｐ２
．［Ａ　１ｅｘｐ（ｉ（ｗ　１を十δ１））十Ｂ　２　
ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　ｔ＋δ２＋φ１））］２ ＡＩ２＋Ｂ２２＋２ＡＩ８２ＣＯ３（（ｗｌ−ｗ２）ｔ
＋δ１−（δ２＋φ１）） ・・（３９） ■＋（π／２）　−（ｆ　２　（Ｐｌ、１）　＋ｆ　１
（Ｐ２、１））２ ｒＡ　２　ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　を十δ１））十Ｂ　１
ｅｘｐ（ｉ（ｗＩｔ十δ２＋φ１）月２ Ａ２　２＋８１　２＋２Ａ２ＢＩＣＯ３（（ｗ２ｗ１）
ｔ＋δ１−（δ２＋φ１　）） ・・　（４０） 一方、ビート光■−は光波（Ｐｌ、−１）と（Ｐ２、−
１＞により形成される６ 光波（Ｐｌ、−１）は次の２式で表わされる。

ｆ　１　（Ｐｌ、−１）＝Ａ１ｅｘｐ（ｉ（ｗ１ｔδ１
））　　　　　　　　　　　　　・・・（４１）ｆ　２
　　（Ｐ　１−−１　）　＝Ａ　２ｅｘｐ（ｉ（ｗ２を
一δ１））　　　　　　　　　　　　　・・・（４２）
光波（Ｐ２、−１）は次の２式で表わされる。

ｆ　１　　（Ｐ２−−１）　−Ｂ　１ｅｘｐ（ｉ（ｗｌ
を一δ２十φ２））　　　　　　　　　　　・・・（４
３）ｆ２　（Ｐ２、−１＞　−Ｂ２ｅｘｐ（ｉｆｗ２ｔ
−δ２十φ２））　　　　　　　　　　　・・・（４４
）（４１）〜（４４）式により偏光方向が９０°異なる
２つのビー１〜光■−（０）と■−（π／２）か第３図
（Ｂ）に示すように得られる。

Ｉ−（０）＝　（ｆ　１　（Ｐｌ、−１）　十ｆ２　　
（Ｐ２．−［Ａ　１　ｅＸｐ（ｉ（ｗ　１　を−δ１）
）＋　Ｂ　２　ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　ｔ−δ２＋φ２）
ｌ）］２ ＡＩ　２十Ｂ２２＋２ＡＩ　Ｂ２Ｃｏ５　（（ｗ１ｗ２
）を−δ１−　（−δ２＋φ２））ＡＩ　２十Ｂ２２＋
２Ａ１Ｂ２ＣＯ３（（ｗ１ｗ２）を−δ１＋δ２−φ２
） ・・　（４５） ■−（π／２）　−（ｆ　１（Ｐｌ、−１）　±ｆ　２
（Ｐ２、−１　））２ ［Ａ　２　ｅｘｐ（ｉｆｗ　２　を−δ１））十Ｂ　１
ｅｘｐ（ｉ（ｗｌを一δ２＋φ２））］２ ＝Ａ２２＋８１　２＋２Ａ２Ｂ　１Ｃｏｓ　　（（ｗ２
ｗ１）を−δ１−（−δ２＋φ２）） Ａ２２十Ｂ１２＋２Ａ２ＢＩＣｏｓ　（（ｗ２ｗ１）を
−δ１＋δ２−φ２） ・・　（４６） 偏光子５．６によりビート光■十および１−において偏
光方向が同じであるＩ　＋（０）とＩ　−（０）を取り
出し、ビー１〜間の位相差φを（３９）、（４５）式よ
り求める。

φ−δ１−　（δ２＋φ１）＝　（−δ１＋δ２−φ２
） δ１−δ２−φ１＋δ１−δ２＋φ２ ２　（δ１−δ２）−φ１＋φ２　　・・・（４７）（
４７）式に（３７）、（３８）式を代入すると、φ−２
（δ１−δ２）−φ１＋φ２ ４　π（（１／Ｐ　１）　−（１／Ｐ　２　））Ｘ−φ
１＋φ２　　　　　　　　　　　　　・・・（４８）と
なる。（４８）式から位相差φを測定することにより変
位量Ｘを検出できることがわかる。

なお、（−φ１＋φ２）は入射時に決まる初期値であり
、定数である。

以上か測定原理である。

（Ｐｌ、１）と（Ｐ２．１）の干渉により生じた干渉ビ
ーム光■十、■−はＹ方向の移動に対して位相情報をも
たないことを以下に説明する。

Ｙ方向の移動に伴なう位相変化をδｙとする。

δ、ｙ＝２πｎｙ／２ａ　　　　　　　　　・・・（４
９）たたしｎは回折次数、ｙは移動量、２ａは回折格子
間の距離である。ビート光■＋において、この位相変化
δｙは、光束（Ｐｌ、＋１）と（Ｐ２、＋１）共に同じ
たけ含まれることから、ビート光Ｉ　＋（０）は次式で
表わされる６ Ｉ＋（０）　−（ｆ　１　（Ｐｌ、１）＋ｆ２　　（Ｐ
２．［Ａ　１ｅｘｐ（ｉ（ｗ　１を十δ１＋δｙ　））
十Ｂ　２ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　ｔ＋δ２十φ１＋δｙ）
月２＝Ａ１２＋８２２＋２ＡＩ　８２ＣＯ３（、（Ｗ１
ｗ２）を十δ１−（δ２＋φ１）） ・・（５０） （５０）式から位相変化δｙは消去されており、（３０
）式と同じ結果となっている。ずなわち、Ｙ方向の移動
によって測定結果は影響を受けない４残りのビート光Ｉ
＋（π／２）　、ｌ１Ｏ）　、Ｉ（π／２）についても
同様に位相変化δｙは消去されるため、Ｉ　＋（０）と
Ｉ　＝（０）の位相差およびＴ十（π／２）とＩ−（π
／２）の位相差にはＹ方向の位相変化δｙは含まれない
。従って、Ｙ方向に物体が移動した場合でも、ビート光
■十と１−の位相差φは（４７）式で表わされるため、
Ｙ方向の移動の変化を全く受けない。

４、干渉ビー１〜光の回折像 干渉ビート光■十およびニーのＹ方向の回折像を求める
。干渉ビート光Ｉ＋は２つの光束（Ｐｌ、１）と（Ｐ２
．１）かＹ方向に干渉した回折像として生じる。ここで
は、その回折像を求める。

ｘ−Ｚ平面において、同一方向（θ１−θ２）に進み、
Ｙ方向に２ａなけ離れた光束（Ｐｌ、１）と（Ｐ２．１
）を、幅２ξで間隔が２ａたけ離れたタプルスリットか
らの透過光と考えると、その透過光の回折像は干渉ビー
ト光■十の回折像でありＹ軸に沿ったフラウンホーファ
回折像は（５１）式により表わされる。

Ｉ−１ｏ　　［（Ｓｉｎ　（２πξｙ／λｆ））／（２
πξｙ／λｆ）］Ｃｏｓ　２　　（２ｇａｙ／λ１ｆ）
たたし、Ｉｏは定数項を表わす。

（５１）式の回折像は第４図に示す形をしており、ｙｎ
＝ｎλ（ｆｌ　ｆ２）／２ａ　　　＝（５１ａ＞の位置
で極大値をとる。ここでｎは整数で回折次数を表わす。

この回折像は、回折次数ｎによらすＸ方向の移動に対し
ては同じ位相差をもつことは前項のＹ方向に対する位相
変化において説明した通りである。なお、正確には（５
１）、（５１ａ＞式における波長および振動数は（λ１
、λ２）および（ｆｌ、ｆ２）の２周波であるが、差周
波数は通常数１００ＫＨ２から数Ｍ　ＨＺであり、はと
んど同一と見なして、λ１井λ２＃λ、ｆ１勺ｆ２井ｆ
として求めた。

勢の変化が測定精度におよぼす影響について説明する。

５、ＬＸ−Ｚ平面における姿勢の変化 Ｘ−２面内において、物体か△θ傾いた場合、ビー）・
光■十および■−を形成する２つの光束（Ｐｌ、±１〉
、（Ｐ２、±１）は共に約△θたけ傾くため、引き続き
良好なビート光■＋、■か得られる。その様子を第５図
に示す６△θ傾くことによる位相変化△δも原理的に生
じない。

５．２Ｙ−Ｚ平面における姿勢の変化 Ｙ−２平面で物体が△θ傾いた時のビート光■十、■−
の様子を第５図（Ｂ）に示す。

第５図（Ｂ）から、Ｙ−Ｚ平面において物体が△θ傾く
ことによりビート光■十、■−を形成する光束（Ｐｌ、
±１）と（Ｐ２、±１）の間で入射光路差△９が生じて
いる。

この入射光路差△ｐにより位相が△δたけ遅れた光がピ
ッチＰ１の回折格子１に入射するため、光束（Ｐｌ、±
１）は光束（Ｐ２、±１）に比べて位相が△δだけ遅れ
る６ △δ＝２π△ρ／λ　　　　　　　　　・・・（５２）
これから入射光束（Ｐｌ、±１）は各々次式で表わされ
る。

光束（Ｐｌ、１）について、 ｆｌ（Ｐｌ、１　）　＝Ａ　１ｅｘＤ（ｉ（ｗ　１を十
δ１十△δ））　　　　　　　　　　　　　・・・（５
３）ｆ２（Ｐｌ、ｔ　）　＝Ａ　２　ｅｘｐ（ｉ（ｗ　
２　を十δ１十△δ））　　　　　　　　　　　　　・
・・（５４）光束（Ｐｌ、−１）について、 ｆｌ　（Ｐｌ、　　１）−”ＡｌｅＸｐ（ｉ（ｗｌｔ−
δ１十△δ））　　　　　　　　　　　　　・・・（５
５）ｆ　２　（Ｐｌ、−１）−Ａｌｅｘｐ（ｉ（ｗ２ｔ
−δ１＋△δ））　　　　　　　　　　　　・・・（５
６）これからビート光■十（０）は（３４）、（５３）
式より次式で表わされる。

Ｉ＋（０）　−（ｆ　１　（Ｐｌ、１）＋ｆ２（Ｐ２．
＝Ａ　１ｅｘｐ（ｉ（ｗ　１を十δ１＋△δ））＋　Ｂ
　２ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　ｔ＋δ２＋φ１））２ＡＩ　
２十Ｂ２２＋２ＡＩ　８２ＣＯ８（（Ｗ１ｗ２）ｔ＋δ
１＋△δ−（δ２＋φ１））・・　（５７） また、ビート光Ｉ−［０）は、（４４）、（５５）式よ
り次式で表わされる。

Ｉ−（０）　−（ｆ　１　（Ｐｌ、−１）＋ｆ　２　　
（Ｐ２、［Ａ　１　ｅｘｐｉ　ｆｗ　１を一δ１＋△δ
）十Ｂ２ｅＸｐｉ　（ｗ　２　を−δ２＋φ２））２−
Ａ１２十Ｂ２２＋２ＡＩ　８２ＣＯ３（（ｗ１ｗ２）を
−δ１＋△δ−（−δ２＋φ２））・・（５８） （５７）、（５８）式よりビート光Ｉ　十（０）と■ｆ
Ｏ）の位相差φは次式で表わされる。

φ−Ｉ　十（０）　−Ｉ−（０） δ１＋△δ−（δ２＋φ１）−（−δ１十△δ−（−δ
２＋φ２）） δ１＋△δ−δ２−φ１＋δ１−△δ δ２＋φ２ ２　（δ１−δ２）−φ１＋φ２　　・・・（５９）（
５９）式から傾き△θによる位相差△δの項は、位相差
φに含まれておらす、（４７）式と同しであることかわ
かる。つまり、Ｙ−Ｚ平面における傾き△θの影響を位
相差φは全く受けない。

偏光方向の９０°異なるビート光Ｉ＋（π／２）および
Ｉ−（π／２）についても同様に（３３）、（５４）お
よび（４３）、（５６）式により位相差φにおいて傾き
△θによる位相差△δの項は含まれないことか判る。

５．３２方向における姿勢の変化 第２図において、物体がＺ方向に△Ｚたけ移動すると回
折格子に垂直に入射する光束■に対して、対称な角度θ
０から入射する２つの光束■、■の位相が共に△δだけ
変化する。

△δ＝２π△Ｚ／λ　　　　　　　　　・・・（６０）
第５図（Ｃ）において、△Ｚの変化に伴なう位相変化△
δは、入射光束（Ｉ＞、（１）、（Ｉ［［）のビーム径
φＤ内における変化をさす。つまり、△Ｚの変化量は３
光束のビーム径φＤにおいて良好なビート干渉波が得ら
れる範囲に限られる。従って、△Ｚはビーム径φＤおよ
び入射角度δ０等から決定される量である。

△δの入射時の位相変化により、Ｐｌによる回折光（Ｐ
ｌ、±１）に対してＰ２による回折光（Ｐ２、±１）の
位相か△δだけ変化するために（Ｐ、　２、±１）の光
束は次式で表わされる。

光波（Ｐ２、＋１　＝ ｆｌ（Ｐ２．１　　＝Ｂ１ｅｘｐ（ｉ［ｗ１ｔ＋δ２＋
φ１＋△δ　）　　　　　　　　　　　・・・（６１）
ｆ２（Ｐ２．１　　＝８２ｅＸＩ）（ｉ（ｗ２ｔ＋δ２
＋φ１＋△δ　）　　　　　　　　　　　・・・（６２
）光波（Ｐ２、−１　： ｆｌ（Ｐ２、−１　）　＝Ｂ　１　ｅＸｐ（ｉ（ｗ　１
　ｔ−δ２十φ２＋△δ））　　　　　　　　　・・・
（６３）ｆ２（Ｐ２、−１　）　＝Ｂ　２ｅＸＤ（ｉｆ
ｗ２　ｔ−δ２十φ２＋△δ））　　　　　　　　・・
・（６４）ビート光Ｉ　十ｆＯ）は（３１）、（６２）
式より次式で表わされる６ Ｉ＋（０）　−（ｆ　１　（Ｐｌ、１）＋ｆ２（Ｐ２．
＝　　［Ａ　１ｅｘｐ（ｉ（ｗ　Ｉ　ｔ＋δ１））十Ｂ
　２　ｅｘｐ（ｉ（Ｗ　２　ｔ＋δ２＋−１＋△δ））
］２−Ａ１２＋８２２＋２ＡＩ　　８２ＣＯ３（（Ｗ１
ｗ２）ｔ＋δ１−　（δ２＋φ１＋△δ））・・　（６
５） 一方ビート光■−（Ｏ）は（４１）、（６４）式より次
式で表わされる。

Ｉ−（０）　−（ｆ　１ｆＰ１、−１）　＋ｆ　２　　
（Ｐ２．［Ａ　１ｅｘｐ（ｉ（ｗ　１　ｔ−δ１））十
Ｂ　２　ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　を−δ２＋φ２＋△δ）
）］２ＡＩ　２十Ｂ２２＋２Ａ１Ｂ２Ｃｏｓ　（（ｗ１
ｗ２）ｔ−δ１−（−δ２十φ２＋△δ））・・（６６
） （６５）、（６６）式よりビート光Ｉ　十Ｔｏ）とビー
ト光Ｉ−（０）の位相差φは次式で表わされる。

φ＝δ１−　（δ２＋φ１＋△δ）−（−δ１（−δ２
＋φ２＋△δ）） δ１−δ２−φ１−△δ十δ１−δ２＋φ２＋△δ ＝２　（δ１−δ２）−φ１＋φ２　　・・・（６７）
（６７）式は、位相差△δの項を含まず、（４７）式と
同じであり、Ｘ方向の移動に伴う変化を受けていないこ
とが明らかである。偏光方向の９０゜異なるビート光Ｉ
＋（π／２）と■−（π／２）についても同様に（３２
）、（６１）および（４２）、（６３）式より位相差φ
が求まり、位相差△δの項を含ます、Ｘ方向の移動によ
る位相変化は生じないことが判る。

６、ＬＸ−Ｚ平面における入射光軸の変化Ｘ−Ｚ平面に
おいて入射光軸か変化することはＸ−Ｚ平面において物
体の姿勢か変化することに等しく前項５．１で述べた通
りＸ方向の検出精度には影響を与えない。

６．２Ｙ−Ｚ平面における入射光軸の変化Ｙ−Ｚ平面に
おいて、入射光軸が変化することは、Ｙ−２平面におい
て物体の姿勢か変化することに等しく、前に述べた通り
Ｘ方向の検出精度に影響しない。

６、入射光軸の変化 第２図において入射光軸が物体に対して変化した時に測
定精度におよぼす影響について説明する。

たたし、入射光■、■、■の間の角度は不変であり、物
体との間の角度が変化した場合を考える（入射光■、■
、■の間で角度変化か生じな場合は後で説明する）。

６．３Ｚ方向における入射光軸の変化 Ｘ方向に入射光軸が変化することは、物体がＸ方向に変
化することに等しく前に述べた通りＸ方向の検出精度に
は影響を与えない。

ただし、Ｘ方向の移動量△Ｚは前に述べた通り、３つの
入射光束が重なり合っている領域に限られる。

７、入射光軸の対称性の崩れ 入射光軸において対称性が崩れた場合を第６図に示す。

第６図において、入射光■と入射光Ｈ，■の角度は、 θ１≠０２　　　　　　　　　　　　　・・・（６８）
△θ−θ１−θ２　　　　　　　　　　・・・（６９）
とする（δ１〉δ２）。この対称性の崩れは前に述べた
Ｘ方向に物体の姿勢が変化した時に検出誤差の原因とな
る。物体がＸ方向に△Ｚだけ移動したとすると、入射光
■はＵｌ、入射光■はＲ２（ｊ）１＜Ｒ２）たけ光路が
長くなり、この光路差△９が入射光］と■への間に新た
に位相差Δδを生じさせる。

△ρ＝ρ２−ｐ１　　　　　　　　　　　・・・（７０
）△δ−２π△ｐ／λ　　　　　　　　　　・・・（７
１）ここて、 ｐｌ−△Ｚ　Ｃｏｓθ１　　　　　　　　　・・・（７
２）Ｒ２−△Ｚ　Ｃｏｓθ２　　　　　　　　　・・・
（７３）（７２）、（７３）式を（７１）式に代入して
、△δ＝２π△Ｚ／λ　（Ｃｏｓ　　δ２−Ｃｏｓ　　
δ１　）・・　（７４） この位相差△δは、入射角度変化の影響を受けるピッチ
Ｐ２の±１次回折光の間に生じる（ピッチＰ１の＋１次
光を基準とした場合）。その様子を第７図に示す。

第７図においては入射光■がピッチＰ１の回折格子に入
射し回折した＋１次光を第７１Ｊ（Ａ）に、入射光■が
ピッチＰ２の回折格子に入射して回折した＋１次光と入
射光■かピッチＰ２の回折格子に入射して回折した一１
次光を第７図（Ｂ）に示している。ただし、第７図（Ｂ
）において、θ４−θ３＋△θ　　　　　　　　　　　
・・・（７５）第７図（Ｂ）において、ピッチＰ２から
の＋１次回折光（Ｒ２，１）は次式で表わされる。

ｆｌ（Ｒ２，１＝Ｂ１ｅｘｐ（ｉ（ｗ１ｔ＋δ２＋φ　
１　＋△　δ　　ン　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　・・・　（７６）ｆ２（Ｒ２，１）　＝　Ｂ
　２　ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　ｔ＋δ２十φ１＋△δ））
　　　　　　　　　　・・・（７７）ビーＩ・光Ｉ　十
（０）は（３１）、（７７）式より次式６２二 て表わされる。

Ｉ＋（０）　−（ｆ　１（Ｐｌ、１　）　＋ｆ　２　（
Ｐ２．［Ａ　１ｅｘＤ（ｉｆｗ　１ｔ＋δ１））＋　Ｂ
　２　ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　を十δ２＋φ１＋△δ））
］２−Ａｌ２＋Ｂ２２＋２ＡＩ　８２ＣＯ３（（ｗ１ｗ
２）ｔ＋δ１−（δ２＋φ１＋△δ））・・（７８） 一方ビート光Ｉ　−（０）は（４５）式で表わされるこ
とからＩ　十［０）とＩ−（０）の位相差φは（４５）
、（７８）式より次式で表わされる。

φ＝δ１−（δ２＋φ１＋△δ）−（−δ１＋δ２−φ
２） δ１−δ２−φ１−△δ＋δ１−δ２十φ２ ２（δ１−δ２）−φ１＋φ２−△δ ・・（７９） （７９）式と（４７）式を比較すると対称性の崩れによ
る位相差△δがＺ方向の移動により計測誤差となること
か明らかになった。

７．１対称性の崩れに対する許容値 次に（７４）式で表わされる対称性の崩れによる位相変
化における許容値の１例を以下に示す。

位相差計の精度は、標準タイプで±２°、精密タイプで
±１６であることから、（７４）式で表わされる位相変
化△δを１°とする。

△δ＝１°　（２π／３６０ラジアン）　・・・（８０
）これから対称性の崩れに対する条件式は次式で表わさ
れる。

２π／３６０＞　（２π△Ｚ／λ）（Ｃｏｓθ２Ｃｏｓ
θ１）、、、（８１） （６９）式より θ２−θ１−△θ　　　　　　　　　　・・・（８２）
（８２）を（８１）に代入する。

１／３６０＞　　（Ｚ／λ）（Ｃｏｓ（θ１−△θ）Ｃ
ｏｓθ１）　　　　　　　　　　　　・・・（８３）（
８３）において、△Ｚ＝５μｍ、λ＝０．６３３μｍ、
Ｐ１−３μｍとすると（２６）式よりθ１＝Ｓｉｎ　−
１（０，６３３／３）１２．１８°　　　　　　　　　
　　・・・（８４）（８４）を（８３）に代入して、△
θについて求める。

△θ井０．１°　　　　　　　　　　　　・・・（８５
）（８５）よりこの場合の対称性の崩れは０．１°まで
許容される。

８、回折格子の非対称性の　響 第２図において、ビート光■＋は（Ｐｌ、１）と（Ｐ２
．１）から形成され、もう一方のビート光■−は（Ｐｌ
、−１）と（Ｐ２、−１）から形成される。

つまり、同符号の回折光同士により、ビート光か形成さ
れる。この性質は、前に説明した従来技術と全く異なる
点であり、以下に述べる通り回折格子の非対称性の影響
を受けない。

回折格子の非対称性により従来の方法が影響を受けるこ
とは、前に述べた通りであるが、配置についても、回折
格子の非対称により＋１次回折光（Ｐｌ、１）、（Ｐ２
．１）と−１次回折光（Ｐｌ、−１）、（Ｐ２、−１）
の間で位相か△δたけ変化したとする。

（Ｐｌ、　１　）〜　（Ｐ　１、−１）　　：　△δ（
Ｐ２　、１　）〜　（Ｐ２、−１　）　：　△δ（Ｐｌ
、−１）および（Ｐ２、−１）は次式で表わされる。

光波（Ｐｌ、−１）： ｆ　１　（Ｐｌ、−１＞＝Ａ１ｅｘｐ（ｉ（ｗｌｔ−δ
１十△δ））　　　　　　　　　　　　　・・・（８６
）ｆ　２　（Ｐｌ、−１）−Ａ２ｅｘｐ（ｉ（ｗ２ｔ−
δ１＋Ａ８））　　　　　　　　　　　　　　・・・（
８７）光波（Ｐ２、−１）： ｆ　１　（Ｐ２−−１）＝Ｂ１ｅｘｐ（ｉ（ｗｌを一δ
２十φ２＋△δ））　　　　　　　　　・・・（８８）
ｆ　２　（Ｐ　２、−１　＞　＝Ｂ　２ｅｘｐ（ｉ（ｗ
２　を−δ２＋φ２＋△δ））　　　　　　　　　・・
・（８９）従って、ビート光Ｉ−（０）は（８６）、（
８９）式より次式で表わされる。

■−（０）−（ｆｌ（Ｐｌ、−１）十ｆ２（Ｐ２．［Ａ
　１ｅｘｐ（ｉ（ｗ　１を一δ１＋△δ））＋　Ｂ　２
ｅｘｐ（ｉ（ｗ　２　ｔ−δ２＋φ２＋△δ））］２Ａ
１２＋Ｂ２２＋２ＡＩ　８２ＣＯ３（（ｗ１ｗ２）を−
δ１−（−δ２＋φ２）） ・・　（９０） 一方、ビート光Ｉ　＋　ｆｏ）は、（３９）式で表わさ
れるからＩ　十（０）とＩ　−（０）の位相差φは次式
で表わされる。

φ−δ１−（δ２十φ１）−（−δ１−　（−δ２＋φ
２）） ２（δ１−δ２）−φ１＋φ２　　・・・（９１）（９
１）式より位相差φは非対称性による位相変化△δを含
まず非対称性の影響を受けないことが明らかである。

９、具体的実施例 ９．１入射系 第２図において、入射光（Ｉ＞、（ＩＩ）、（ＩＩ［＞
を得る方法として角度変化がなく安定な入射系を第８図
に示す。

第８図において、ビームエキスパンダ１１に入射された
レーザビーム１５はスポット径がφｄからφＤに拡大さ
れたビーム１５ａとなり、空間フィルタ１２により３光
束に分割される。分割された中央の光束■はλ／２板１
３により偏光方向が９０°回転され、他の２光束■、■
と共にレンズ１４に入射される。レンズ１４に入射され
た３光束はレンズの開口数（Ｎ、Ａ、）がら決まる角度
で回折格子１．２　（Ｐｌ、Ｐ２）に入射される。

第８図において、レンズ１４の開口数（Ｎ、　Ａ）から
決まる入射角度θ０は第２の入射角度θ０に等しく設定
される。

９．２検出系 第９図に検出系を示す。

検出系としてはビート光■十およびＩ−を検出するなめ
に、各々偏光子５．６を備えな光電検出器３．４か２台
あればよい。光電検出器の種類としては光電子増倍管が
適当であるが、アバランシェフォトダイオード等を用い
ることもできる。また、光電検出器の姿勢はビート光■
十、■−の位相検出精度には影響しない。

９．３Ｘ線露光装置への応用 上に述べた入射系および検出系をＸ線露光装置における
Ｘ線マスクとウェハの相対位置検出装置（以下アライメ
ント装置）に応用した例を第１０図に示す。

第１０図のＸ線露光装置において、Ｘ線マスク３１とウ
ェハ３３上に同じ２種類の平行回折格子（ピッチＰ１お
よびＰ２）３２．３４を設け、入射系および検出系とし
て第８図および第９図に示す方式を採用し、入射光（■
、ｎ、ｍンかへ偏光子２６．２７．２８．２９を備えた
光電検出器２１．２２．２３．２４によって検出光（Ｍ
（Ｉ＋、Ｉ＝）：マスク回折格子からのビート光、Ｗ（
Ｉ＋、Ｉ−）：ウエハ回折格子からのと−ト光）を得て
いる。

第１０図（Ａ）は、検出光を示しており、マスク格子３
２およびウェハ格子３４から形成される４つのビート光
Ｍ　（Ｉ十）、Ｍ　（Ｉ−）およびＷ（Ｉ＋〉、Ｗ　（
Ｉ−）を各々４つの光電検出器２１．２２．２３．２４
で検出している。検出角度θ４は格子のピッチＰ１から
決まる値である。Ｐ１＝３μｍとして、１次回折光を干
渉光として使用し、干渉光の波長λ＝０．６３３μｍ　
（ＨｃＮｅレーザ）とすれば（２６）式より δ６　＝Ｓｉｎ　−１（０，６３３／３　）］、２．１
８°　　　　　　　　　　・・・（９２）である。

第１０図（Ｂ）は、入射光（■、■、■）および検出光
（Ｍ（Ｉ＋、■＝）、Ｗ（■十、Ｉ−）をマスク／ウェ
ハ面の法線に対して、角度θ３で設定した時の側面図を
表わしている。この入射／検出角度θ３は、Ｘ線領域外
に入射系および検出系を設けるために傾けた任意の角度
である６なお、Ｘ線マスクとウェハはギャップＧμｍで
離れている。ここでは、 θ３−３０°　　　　　　　　　　　　・・・（９３）
Ｇ＝４０μｍ　　　　　　　　　　　　　−（９４）と
する。

第１０図（Ｃ）は入射光（■、■、■）を示している。

入射光束の径はφＤで３つの光束が重な６つ り合っている領域にマスクおよびウェハ回折格子は設け
られている。入射光束■と■は、角度θ１およびδ２で
入射している。

第２図と比較すると、 θ０舛θ１、δ２　　　　　　　　　　・・・（９５）
入射角度誤差： △θ−θ１−θ２　　　　　　　　　　・・・（９６）
となるにこで、回折格子Ｐ１−３μｍ、Ｐ２５μｍとす
ると（２９）式より θｏ＝Ｓｉｎ−１（ｆｏ、６３３／３）　−（０゜６３
４．８４°　　　　　　　　　　　　・・・（９７）以
上の条件から入射角度誤差△θを（８３）式より求める
。

第１０図において、マスクおよびウェハ間のギャップＧ
を静電容量センサー等を用いて±３μｍ以内に制御すれ
ば（８３）式は次式て表わされる。

（Ｚ−６とおく） １／３６０＞６１０．６３３（Ｃｏｓ　（１２，８゜△
θ）　−Ｃｏｓ　１２．８°）　　　　・・・（９８）
、“、△θ＝０．０７６６　　　　　　　　　　　　・
・・　（９９）第８図に示す入射系において、入射角度
θ０は（９９）式より ４８３４°≦θＱ≦４．９８６６　・・・（１００）で
あればよい。

この角度設定は比較的容易に設定することができるなめ
、実用的な検出が可能である。

なお、マスクとウェハ間のギャップＧによる位相変化を
φＧとすると（７９）は次式て表わされる。

φ−２（δ１−δ２）−φ１＋φ２−△δ＋φＧ　　　
　　　　　　　　　　・・・（１０１）このφＧは本質
的には△δに等しく既に説明されている。しかしながら
、φＧは静電容量センサ等により管理されている点でΔ
δと異なる。つまり、φＧはφ１およびφ２と共に定数
と見なすことが可能である。マスクからのビーム光Ｍ　
（Ｉ＋、Ｉ−）の位相差をφＭ、ウェハからのビート光
Ｗ（Ｉ＋、Ｉ−）の位相差φＷとおくと、各々次式％式
％ （１０２）、（１０３）よりマスクとウェハ間の相対位
置Ｐ　（ｘ）は、（４８）式より Ｐ　（ｘ）−φＭ−φＷ ２（δ１−δ２＞−２（δ１−δ２） φＧ ４π（１／Ｐ　１−１／Ｐ２　）ＸＭ−４π（１／Ｐ１
−１／Ｐ２）ＸＷ−φＧ ４　ｙｒ、　（１／Ｐ　１−１／Ｐ　２　＞　　（ＸＭ
−ＸＷ）φＧ　　　　　　　　　　　　・・・（１０４
）たたし、ｘＭ−マスクの位置変化量、ｘ　Ｗ　＝ウェ
ハの位置変化量。

（１０４）からマスクとウェハの位相φＭ、φＷを測定
することにより、マスクとウェハの相対位置を測定でき
ることかわかる。また、（１０４）においてφＧはアラ
イメント装置の場合、露光により正確に知ることかでき
るなめ、補正は容易に行なわれる。

また、上記において（１００）を考慮すれは、（１０２
＞、（１０３）は次式で表わされる。

φＭ−２（δ１−δ２）−φ１＋φ２ ・・　（１０５） φＷ−２（δ１−δ２）−φ１＋φ２＋φＧ・・　（１
０６） 、°、△δ＝０ 以下の展間は、上記と同様であり、当業者には自明であ
ろう。

さらに、第１０図（Ｃ）において入射光軸とマスク／ウ
ェハのＺ方向における相対位置か変化した場合を考える
。入射光軸か完全にθ１−θ２の場合、前項で説明した
通り問題とはならない。

方、入射光軸かθ１−θ２の場合、前項で説明した様に
（７９）で示される通り、位相誤差△δか生じる。ここ
では、入射光軸とマスク／ウェハの相対位置か変化した
場合なのでマスクの位相差φＭとウェハの位相差φＷに
対して位相誤差△δか同量追加される。

φＭ−２（δ１−δ２）−φ１＋φ２−△δ・・　（１
０７） φＷ−２（δ１−δ２　）−φ１　＋φ２−△δ・・　
（１０８） （１０７）、（１０８）よりマスクとウェハの相対位置
Ｐ（ｘ）を考えた場合△δは消去されてしまうなめ、検
出誤差とはならない。

Ｐ（ｘ）＝φＭ−φＷ −４π　（１／Ｐ　１−１／Ｐ２）（ＸＭ−ＸＷ）・・
（１０９） となる。

なお、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこ
れらに制限されるものではない。たとえば、±１次回折
光を用いる場合を例にとって説明したか、高次回折光を
用いてもよい。また、入射光を３光束としそのうちの１
光束を垂直入射、他の２光束を対称な角度から入射させ
る場合を説明したが、他の配置とすることもできる。ま
た、３物体以上の相対変位を測定することもできる。そ
の他種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当
業者に自明であろう。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、新たな構成の回
折格子を用いた変位測定方法により安定で高精度の変位
測定か可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本実施例を示すダイアグラム、 第２図は本発明の実施例による変位測定方法を説明する
ための光学系を概略的に示す配置図、第３図（Ａ）、（
Ｂ）は第２図の配置て得られる干渉光を偏光成分に分け
て示す成分図、第４図は２つの並列回折格子からの回折
光強度の分布を示すグラフ、 第５図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は回折格子の姿勢の変化
による回折光の変化を説明するためのタイアゲラム、 第６図は入射光軸の対称性の崩れを説明するためのタイ
アクラム、 第７図（Ａ）、（Ｂ）は入射角度変化の影響を３光束に
ついて説明するためのタイアゲラム、第８図は、具体的
実施例における入射系を説明するためのタイアゲラム、 第９図は、具体的実施例における検出系を説明するため
のダイアグラム、 第１０図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の他の実施例
によるアライメント装置の光学系を説明するためのタイ
アゲラム、 第１１図（Ａ）、（Ｂ）は回折格子の作用を説明するた
めのタイアゲラム、 第１２図は従来の技術の第１例を説明するためのタイア
ゲラム、 第１３図はビート光を説明するためのダイアグラム、 第１４図は従来の技術の第２例を説明するためのタイア
ゲラム、 第１５図は、従来の技術の第３例を説明するためのダイ
アグラム、 第１６図は、第１５図の光学系における課題を説明する
ためのタイアゲラム、 第１７図は非対称な回折格子による影響を説明するため
のタイアゲラム、 第１８図〜第２０図は、従来の技術の他の例を説明する
ためのタイアゲラム、 第２１図は第２０図の光学系の課題を説明するためのダ
イアグラムである。 図において、 １．２．３２．３４　　回折格子 ３．４、２１、２２、２３、２４ 光電検出器 ５．６．２６．２７．２８．２９ 偏光子 １１　　　　　　　　　　ビームエキスパンダ１２　　
　　　　　　　　　空間フィルタ１３　　　　　　　　
　λ／２板 １４　　　　　　　　　　レンズ １５　　　　　　　　　　　レーザビーム３１　　　　
　　　　　　マスク ３３　　　　　　　　　　　ウェハ Ｐ　１　、　Ｐ　２ ■　＋、 ■ 回折格子のピッチ 干渉光 特許出願人　　住友重機械工業株式会社復代理人　弁理
士　高橋　敬四部 α代 陣−シ 入即でＬ（ＬＩ［、Ｉ［） ｌ 入射光 （Ａ）回折格子による波長分散の発生 ５８：ホトマル ５９：ハーフミラ− ６０，６１：レンズ ６８：マスク回折格子 ６９：ウェハ回折格子 ７１：ビームスポット ７２：メンブレン窓 ΔＧ：ギャップ ｆｌ、ｆ２：周波数 従来の技術 ゼーマンレーザ ウェハ マスク回折格子 ウェハ回折格子 ビームスポット メンブレン窓 ＢＳ 二回折光 二フォトダイオードＰＤＩ ：フォトダイオードＰ’Ｄ２ ＝位相器 二フォトダイオードＰＤ３ ：フォトダイオードＰＤ４ 従来の技術 第１５図 手 続 補 正 書 （方式） ％式％ ２、発明の名称 回折格子を用いた変位測定方法と 変位測定装置 ３、補正をする者 事件との関係 住所 名称

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）、被測定物体上に異なるピッチをもつ複数の回折
   格子を近接配置し、 波長がわずかに異なる複数の光を、前記異なるピッチを
   持つ複数の回折格子に入射し、その回折光を取り出し、 前記、複数の回折光を干渉させてビート光を形成し、そ
   の位相変化を測定することによって前記被測定物の変位
   を測定する 変位測定方法。
2. （２）、被測定物体上に近接配置した異なるピッチを持
   つ回折格子と、 回折光がほぼ同一方向に進行するように波長がわずかに
   異なる複数の光を前記異なるピッチの回折格子に入射す
   る入射光学系と、 前記波長がわずかに異なる複数の光が前記異なるピッチ
   を持つ回折格子から回折した光を受光し、ビート光の位
   相を測定する受光系と を有する変位測定装置。
3. （３）、相対的変位を測定しようとする複数の被測定物
   体の各々に、異なるピッチを持つ複数の回折格子を近接
   配置し、 波長がわずかに異なる複数の光を前記各被測定物体上の
   異なるピッチを持つ複数の回折格子に入射し、その回折
   光を取り出し、 前記各被測定物体からの複数の光を干渉させてビート光
   を形成し、 各ビート光の位相を測定することによって前記複数の被
   測定物体の相対的変位を測定する変位測定方法。
4. （４）、相対的変位を測定しようとする複数の被測定物
   体の各々の上に近接配置した異なるピッチを持つ回折格
   子と、 前記各被測定物体上の異なるピッチの回折格子に対して
   、回折光がほぼ同一方向に進行するように波長がわずか
   に異なる複数の光を入射する入射光学系と、 前記各被測定物体上の異なるピッチの回折格子から回折
   した波長がわずかに異なる複数の光を受光し、各ビート
   光の位相を測定する受光系と、 各ビート光の位相から前記複数の被測定物体の相対的位
   置を得る演算系と を有する変位測定装置。