JPH0587528A - 光ヘテロダイン干渉計測方法及び計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヘテロダイン干渉測定をおこなう際、得られ
る測定信号のＳ／Ｎ比を向上させる。 【構成】 ２つの回折格子（８、９）に、周波数が僅か
に異なり偏光面が互いに直交した４光束（２８、２９、
３０、３１）を左右から照射し、各々の回折格子から得
られる干渉光を基に光ヘテロダイン干渉測定をおこな
い、２つの回折格子の相対位置ずれ量を測定する。その
際、２つの回折格子の位相差を検出する位相差検出系を
複数配置し、それぞれの検出系より得られる信号を演算
器（２２）により処理し、複数の位相差検出系より得ら
れた信号を平均化し測定値を得る。こうすることによ
り、ビート信号に含まれるランダムノイズの影響を低減
することができ、高精度の測定ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子製造
用の露光装置によって、マスクやレチクル等の物体上に
形成されている微細な電子回路パターンをウエハ等の第
２物体面上に露光転写する際のマスクやレチクル等の物
体とウエハ等の第２物体とのオートアライメント方法或
いは装置に関するものと、マスク、レチクル上のパター
ンをウエハ上に焼き付けた後のウエハ上の焼き付けパタ
ーンの重ね合わせ精度を計測する方法或いは装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、特開昭６２−５８６２８号等に
記載されている、回折格子を位置合わせマークに用いた
光ヘテロダイン干渉法による従来の位置合わせ装置の原
理説明図である。

【０００３】２波長直交偏光レーザ１３３（以下、光源
１３３）からは、周波数が僅かに異なり、偏光面が互い
に直交する２光束が出射される。ここで、２つの光を式
で表すと以下のようになる。

【０００４】 u₁ = Ａ・exp{i(ω₁t+φ₀₁)} (1) u₂ = Ｂ・exp{i(ω₂t+φ₀₂)} (2) ここで、Ａ、Ｂは振幅、ω₁、ω₂は角周波数、φ₀₁、φ
₀₂は初期位相である。

【０００５】これらの光はビームスプリッタ１２１によ
り２方向に分割される。ビームスプリット面を反射した
２光束は集光レンズ１２２により光センサ１２５に集光
され、光電変換されると、 I₁ = A₁ ²+B₁ ²+2A₁・B₁・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₀₂-φ₀₁)} (3) で表されるビート信号I₁となり位相差検出器１２６に入
力される。

【０００６】一方、ビームスプリット面を透過した２つ
の光はミラー１２３により方向を変えられ、偏光ビーム
スプリッタ１２４（以下、ＰＢＳ１２４）により偏光面
の違いにより２方向に分割される。ＰＢＳ１２４のＰＢ
Ｓ面を透過した光Ｌ１はミラー２２３により方向を変え
られ、マスク１２８上の回折格子１２９と、ウエハ１３
１上の回折格子１３０に照射される。同様に、ＰＢＳ１
２４のＰＢＳ面を反射した光Ｌ２はミラー３２３により
方向を変えられ、マスク１２８上の回折格子１２９と、
ウエハ１３１上の回折格子１３０に照射される。そして
マスク、及びウエハから回折された回折光をミラー４２
３により方向を変え、集光レンズ２２２により光センサ
２２５に集光され、光電変換されると、 I₂ = A₂ ²+B₂ ²+2A₂・B₂・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₀₂-φ₀₁)+2(φ_M-φ_W)} (4) で表されるビート信号となる。ここで、φ_M はマスクの
ある基準位置からのずれ量に相当する位相量であり、φ
_W はウエハのある基準位置からのずれ量に相当する位相
量である。この式（４）で表されるビート信号Ｉ₂を位
相差検出器１２６に入力すればI₁とI₂の位相差、 Δφ = 2(φ_M-φ_W) (5) を得る。このΔφは、マスクとウエハ相対位相差、即ち
マスクとウエハの相対位置ずれ量を表す値であり、Δφ
が０となるようにマスクステージ１２７とウエハステー
ジ１３２を相対移動させて、マスクとウエハの位置合わ
せを行う。

【０００７】また、露光装置として組み上げられた装置
の位置合わせ性能を実際に計測、評価するにはマスク上
に形成された微細なパターンをウエハ上に重ね合わせ焼
き付けして、ウエハ上のパターンでずれ量の測定を行う
ことによってなされていた。

【０００８】例えば、図７に示すようにいわゆるバーニ
アパターンをウエハ上に露光形成してそのずれ量を顕微
鏡で拡大観察することにより、バーニア計測をする方法
が従来よりよく知られている。すなわち、図７の
（ａ），（ｂ），（ｃ）において、いずれのパターンも
ウエハ上に露光された例えばレジストパターンであり、
斜線を施した部分にレジストが存在している。図７の
（ａ），（ｂ），（ｃ）はＸ方向のずれ量のみを計測す
る手段を示している。この時パターン１３４とパターン
１３５は互いにバーニアを構成しており、バーニア１目
盛りは０．０５μｍに相当する。まずマスク（レチク
ル）でウエハ上に露光し、パターン１３４を形成した後
（現像し）、レジスト塗布し、更にパターン１３５が設
けられている第２のマスク（レチクル）で再びアライメ
ントをしたのち露光しパターン１３５を形成する。そし
て、アライメントした結果どの程度の誤差で第１のマス
ク（レチクル）と第２のマスク（レチクル）の重ね合わ
せがなされているかを１３４と１３５のパターンが共に
焼き付けられた図７（ｃ）で示すようなウエハ上のパタ
ーンを顕微鏡で拡大観察して読みとり計測する。従来の
半導体露光装置の焼き付け重ね合わせ精度の測定は以上
のようになされていた。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら前記
従来例では、ビート信号に諸々の要因（特に電気系ノイ
ズ）によるランダムノイズが混入し、測定精度に影響を
与える等の問題点があり、本発明は以上のような従来の
欠点を克服し、光学系のセッティングを容易にし、計測
精度を向上した光ヘテロダイン計測方法及び計測装置を
提供する

【００１０】

【課題を解決するための手段】図５に於いて、隣接して
設けられた２つの回折格子８、９へ、角周波数がω₁で
Ｓ波の光u₃、角周波数ω₂ でＰ波の光u₄を左から、角周
波数ω₁ でＰ波の光u₅、角周波数ω₂ でＳ波の光u₆を右
から照射する。

【００１１】 u₃ = exp{i(ω₁t+φ₀₁)} (6) u₄ = exp{i(ω₂t+φ₀₂)} (7) u₅ = exp{i(ω₁t+φ₀₁)} (8) u₆ = exp{i(ω₂t+φ₀₂)} (9) となる。ここで、φ₀₁、φ₀₂は初期位相である。（図５
中でu₃、u₄、u₅、u₆は、光２８、２９、３０、３１に対
応する）照射光u₃、u₄、u₅、u₆に対する２つの回折格子
からの回折光は、以下に示すように８種類の回折光が得
られる。

【００１２】 u₇ = A₁・exp{i(ω₁t+φ₀₁-φ_a)} (10) u₈ = B₁・exp{i(ω₂t+φ₀₂-φ_a)} (11) u₉ = A₂・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_a)} (12) u₁₀ = B₂・exp{i(ω₂t+φ₀₂+φ_a)} (13) u₁₁ = A₃・exp{i(ω₁t+φ₀₁-φ_b)} (14) u₁₂ = B₃・exp{i(ω₂t+φ₀₂-φ_b)} (15) u₁₃ = A₄・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_b)} (16) u₁₄ = B₄・exp{i(ω₂t+φ₀₂+φ_b)} (17) ここで、A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄は振幅、φ
_a 、φ_b は回折格子８、９のある基準位置からのずれ量
に相当する位相量である。（u₇、u₁₀ 、u₁₁ 、u₁₄はＳ
偏光の光、u₈、u₉、u₁₂ 、u₁₃ はＰ偏光の光であり、図
５中で、u₇、u₈、u₉、u₁₀ 、u₁₁ 、u₁₂ 、u₁₃、u₁₄
は、光３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３
９に対応する）これらの回折光をミラー12で方向を変
え、ＰＢＳ１３により偏光面の違いにより２方向に分割
する。ＰＢＳ１３のＰＢＳ面を透過した、u₇、u₁₀ 、u
₁₁ 、u₁₄ の回折光のうち、さらにエッジミラー１５で
同一の回折格子から回折された光どうし、u₇とu₁₀ 、u
₁₁ とu₁₄ に分割し、光センサ１８、１９で以下に示す
ようなビート信号を得て、 I₃ = A1²+B2²+2A₁・B₂cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₀₂-φ₀₁)+2φ_a} (18) I₄ = A3²+B4²+2A₃・B₄cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₀₂-φ₀₁)+2φ_b} (19) 位相差検出器21に入力し、２つのビート信号I₃、I₄間の
位相差、 Δφ₁ = 2(φ_bーφ_a)+φ_e1 (20) を得る。ここで、φ_e1は電気系等からビート信号に混入
するランダムノイズである。

【００１３】同様に、ＰＢＳ１３のＰＢＳ面を反射した
Ｐ波の光u₈、u₉、u₁₂ 、u₁₃ もエッジミラー１４により
u₈とu₉、u₁₂ とu₁₃ に分割され、光センサ１６、１７で
以下に示すようなビート信号を得て、 I₅ = A₂2+B₁2+2A₁・B₁cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₀₂-φ₀₁)-2φ_a} (21) I₆ = A₄2+B₃2+2A₄・B₃cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₀₂-φ₀₁)-2φ_b} (22) 位相差検出器20に入力し、２つのビート信号I5、I6間の
位相差、 Δφ₂ = -2(φ_bーφ_a)+φ_e2 (23) を得る。ここで、φ_e2は電気系等からビート信号に混入
するランダムノイズである。２つの位相差検出器２０、
２１から得られるΔφ_e1、Δφ_e2を演算器２２に入力
し、２つの信号の平均をとれば、 (Δφ_e1-Δφ_e2)/2 = 2(φ_bーφ_a)+(φ_e1-φ_e2)/2 (24) となり、ランダムノイズの影響が小さくなり、高精度の
測定がおこなえる。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例を示す図で、
マスクとウエハ上に設けられた回折格子の相対位相ずれ
量を高精度に検出し、マスクとウエハの相対位置合わせ
をする装置である。

【００１５】ゼーマンレーザ１からは、同じ光軸上にあ
り、偏光面が互いに直行し、僅かに周波数が異なる２つ
の光u₁、u₂が発せられる。

【００１６】 u₁ = exp{i(ω₁tφ₀₁)} (25) u₂ = exp{i(ω₂tφ₀₂)} (26) ここで、ω₁ 、ω₂ は角周波数、φ₀₁、φ₀₂は初期位相
である。（u₁はＳ偏光の光、u₂はＰ偏光の光であり、図
１中でu₁は光２６、u₂は光２７である）２つの光u₁、u₂
はミラー２により方向を変えられ、コリメータレンズ３
を通過し、ビームスプリッタ４に入射する。ビームスプ
リッタ４に入射した２つのu₁、u₂はＢＳ面で左右に分割
される。ＢＳ膜を反射した２光束は、λ／２板５を通過
し、u₁₅ 、u₁₆ となり、（図１中で、u₁₅ は光２８、u
₁₆ は光２９である）ミラー６により進行方向を変えら
れ、ウエハ１０上の回折格子８とウエハ１１上の回折格
子９に照射される。一方、ＢＳ膜を透過したu₁₇、u₁₈
（図１中で、u₁₇ は光３０、u₁₈ は光３１である）はミ
ラー７により進行方向を変えられ、マスク１０上の回折
格子８とウエハ１１上の回折格子９に照射される。前記
４つの照射光は、回折格子８、９で回折し、それぞれの
回折光を式で表すと以下のようになる。

【００１７】 u_15a = A₁・exp{i(ω₁t+φ₀₁ーφ_a)} (27) u_16a = B₁・exp{i(ω₂t+φ₀₂ーφ_a)} (28) u_17a = A₂・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_a)} (29) u_18a = B₂・exp{i(ω₂t+φ₀₂+φ_a)} (30) u_15b = A₃・exp{i(ω₁t+φ₀₁-φ_b)} (31) u_16b = B₃・exp{i(ω₂t+φ₀₂ーφ_b)} (32) u_17b = A₄・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_b)} (33) u_18b = B₄・exp{i(ω₂t+φ₀₂+φ_b)} (34) ここで、A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄は振幅、φ_a
は回折格子８の、ある規準位置からのずれ量に相当する
位相量、φ_b は回折格子９の、ある規準位置からのずれ
量に相当する位相量である。（図１中でu_15a、u_16a、u
_17a、u_18a、u_15b、u_16b、u_17b、u_18bはそれぞれ光３
２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９に対応
する）これらの回折光はミラー１２により方向を変えら
れ、ＰＢＳ１３で２方向に分割される。ＰＢＳ面を透過
する回折光は、u_15a、u_18a、u_15b、ｕ_１８ｂであり、エ
ッジミラー１５により同一の回折格子から回折した光毎
に分割され、ｕ_１５ａ、u_18aは透過しu_15b、u_18bは反射
し光センサ１８、１９で光電変換され、 I₇ = A₁ ²+B₂ ²+2A₁B₂・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)+2φ_a} (35) I₈ = A₃ ²+B₄ ²+2A₃B₄・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)+2φ_b} (36) と表されるビート信号が得られ、位相差検出器２１によ
りI₇、I₈間の位相差、 △φ₃ = 2(φ_b-φ_a)+φ_e3 (37) が求められ、２（φ_b ーφ_a ）は、回折格子８、９の相
対位置ずれ量に相当する位相量であり、φ_e3は光セン
サ、位相差検出器などの電気系統から入るランダムノイ
ズである。 同様に、ＰＢＳ１３のＰＢＳ面をを反射し
た回折光は、u_16a、u_17a、u_16b、u_17bであり、エッジミ
ラー１４により同一の回折格子から回折した光毎に分割
され、u_16a、u_17aは透過しu_16b、u_17bは反射し光センサ
１６、１７で光電変換され、 I₉ = A₂ ²+B₁ ²+2A₂B₁・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)-2φ_a} (38) I₁₀ = A₄ ²+B₃ ²+2A₄B₃・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)-2φ_b} (39) と表されるビート信号が得られ、位相差検出器20により
I₉、I₁₀間の位相差、 △φ₄ = -2(φ_b-φ_a)+φ_e4 (40) が求められ、−２（φ_b ーφ_a ）は、回折格子８、９の
相対位置ずれ量に相当する位相量であり、φ_e4は光セン
サ、位相差検出器などの電気系統から入るランダムノイ
ズである。上記のように、２系統の位相差検出系より得
られた回折格子８、９の相対位相量△φ₃、△φ₄を演算
器２２に入力し、 (△φ₃ー△φ₄)/2 =2(φ_b-φ_a)+(φ_e3ーφ_e4)/2 (41) を得る。よって、マスクとウエハの相対位置ずれ量を示
すビート信号の位相ずれ量は式（４１）で示されるよう
にランダムノイズが（φ_e3ーφ_e4）／２となり平均化さ
れ、この位相ずれ量をコントローラ２３に入力し、アク
チュエータ２４、２５にフィードバックをかければマス
クとウエハの相対位置合わせが精度よくおこなえる。

【００１８】図２は、本発明の第２の実施例を示す図
で、２回の露光でウエハ上に焼き付けられた２つの回折
格子の相対位相ずれ量を高精度に検出し、マスクとウエ
ハの相対位置合わせ装置の性能を検定する装置である。

【００１９】ゼーマンレーザ１からは、同じ光軸上にあ
り、偏光面が互いに直行し、僅かに周波数が異なる２つ
の光u₁、u₂が発せられる。

【００２０】 u₁ = exp{i(ω₁t＋φ₀₁)} (42) u₂ = exp{i(ω₂t＋φ₀₂)} (43) ここで、ω₁ 、ω₂ は角周波数、φ₀₁、φ₀₂は初期位相
である。（u₁はＳ偏光の光、u₂はＰ偏光の光であり、図
２中でu₁は光２６、u₂は光２７である）２つの光u₁、u₂
はミラー２により方向を変えられ、コリメータレンズ３
を通過し、ビームスプリッタ４に入射する。ビームスプ
リッタ４に入射した２つのu₁、u₂はＢＳ面で左右に分割
される。ＢＳ膜を反射した２光束は、λ／２板５を通過
し、u₁₅ 、u₁₆ となり、（図２中で、u₁₅ は光２８、u
₁₆ は光２９である）ミラー６により進行方向を変えら
れ、ウエハ１１上の２つの回折格子８、９に照射され
る。一方、ＢＳ膜を透過したu₁₇ 、u₁₈ （図２中で、u
₁₇ は光３０、u₁₈ は光３１である）はミラー７により
進行方向を変えられ、ウエハ１１上の２つの回折格子
８、９に照射される。前記４つの照射光は、回折格子
８、９で回折し、それぞれの回折光を式で表すと以下の
ようになる。

【００２１】 u_15a = A₁・exp{i(ω₁t+φ₀₁ーφ_a)} (44) u_16a = B₁・exp{i(ω₂t+φ₀₂ーφ_a)} (45) u_17a = A₂・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_a)} (46) u_18a = B₂・exp{i(ω₂t+φ₀₂+φ_a)} (47) u_15b = A₃・exp{i(ω₁t+φ₀₁-φ_b)} (48) u_16b = B₃・exp{i(ω₂t+φ₀₂ーφ_b)} (49) u_17b = A₄・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_b)} (50) u_18b = B₄・exp{i(ω₂t+φ₀₂+φ_b)} (51) ここで、A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄は振幅、φ_a
は回折格子８の、ある規準位置からのずれ量に相当する
位相量、φ_b は回折格子９の、ある規準位置からのずれ
量に相当する位相量である。（図２中でu_15a、u_16a、u
_17a、u_18a、u_15b、u_16b、u_17b、u_18bはそれぞれ光３
２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９に対応
する）これらの回折光はミラー１２により方向を変えら
れ、ＰＢＳ１３で２方向に分割される。ＰＢＳ面を透過
する回折光は、u_15a、u_18a、u_15b、u_18bであり、エッジ
ミラー１５により同一の回折格子から回折した光毎に分
割され、u_15a、u_18aは透過しu_15b、u_18bは反射し光セン
サ１８、１９で光電変換され、 I₇ = A₁ ²+B₂ ²+2A₁B₂・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)+2φ_a} (52) I₈ = A₃ ²+B₄ ²+2A₃B₄・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)+2φ_b} (53) と表されるビート信号が得られ、位相差検出器２１によ
りI₇、I₈間の位相差、 △φ₃ = 2(φ_b-φ_a)+φ_e3 (54) が求められ、２（φ_b ーφ_a ）は、回折格子８、９の相
対位置ずれ量に相当する位相量であり、φ_e3は光セン
サ、位相差検出器などの電気系統から入るランダムノイ
ズである。 同様に、ＰＢＳ１３のＰＢＳ面をを反射し
た回折光は、u_16a、u_17a、u_16b、u_17bであり、エッジミ
ラー１４により同一の回折格子から回折した光毎に分割
され、u_16a、u_17aは透過しu_16b、u_17bは反射し光センサ
１６、１７で光電変換され、 I₉ = A₂ ²+B₁ ²+2A₂B₁・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)-2φ_a} (55) I₁₀ = A₄ ²+B₃ ²+2A₄B₃・cos{(ω₂ーω₁)t+(φ₂ーφ₁)-2φ_b} (56) と表されるビート信号が得られ、位相差検出器20により
I₉、I₁₀ 間の位相差、 △φ₄ = -2(φ_b-φ_a)+φ_e4 (57) が求められ、ー２（φ_b ーφ_a ）は、回折格子８、９の
相対位置ずれ量に相当する位相量であり、φ_e4は光セン
サ、位相差検出器などの電気系統から入るランダムノイ
ズである。上記のように、２系統の位相差検出系より得
られた回折格子８、９の相対位相量△φ₃、△φ₄を演算
器２２に入力し、 (△φ₃ー△φ₄)/2 =2(φ_b-φ_a)+(φ_e3ーφ_e4)/2 (58) を得る。よって、ウエハ１１上の２つの回折格子８、９
の相対位置ずれ量を示すビート信号の位相ずれ量は式
（５８）で示されるようにランダムノイズが（φ_e3ーφ
_e4）／２となり平均化され、高精度の測定がおこなえ
る。

【００２２】図３は、本発明の第３の実施例を示す図
で、マスクとウエハにそれぞれ設けられた回折格子の相
対位相ずれ量を測定することで、マスクとウエハの相対
位置合わせをする装置の原理説明図である。

【００２３】ゼーマンレーザ１からは、同じ光軸上にあ
り、偏光面が互いに直行し、僅かに周波数が異なる２つ
の光u₁、u₂が発せられる。

【００２４】 u₁ = exp{i(ω₁tφ₀₁)} (59) u₂ = exp{i(ω₂tφ₀₂)} (60) ここで、ω₁ 、ω₂ は角周波数、φ₀₁、φ₀₂は初期位相
である。（u₁はＰ偏光の光、u₂はＳ偏光の光であり、図
３中で、u₁は光２６、u₂は光２７である）２つのu₁、u₂
はミラー２により方向を変えられ、コリメータレンズ３
を通過し、ＰＢＳとミラーが一体となった若葉プリズム
４０（以後プリズム４０と呼ぶ）に入射する。プリズム
４０に入射した２つのu₁、u₂はプリズム中央のＰＢＳ面
で左右に分割される。ＰＢＳ膜を反射したu₁はミラー
（プリズム４のＢＣ面）により進行方向を変えられ、マ
スク１０上の回折格子８とウエハ１１上の回折格子９に
照射される。一方、ＰＢＳ膜を透過したu₂はミラー（プ
リズム４０のＦＥ面）により進行方向を変えられ、マス
ク１０上の回折格子８とウエハ１１上の回折格子９に照
射される。２つの照射光は回折格子８、９で回折し、特
定次数の回折光を得る。それぞれの回折光を式で表すと
以下のようになる。

【００２５】 u_19a = A₁・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_a)} (61) u_20a = A₂・exp{i(ω₁t+φ₀₁ー3φ_a)} (62) u_21a = A₃・exp{i(ω₂t+φ₀₂-φ_a)} (63) u_22a = A₄・exp{i(ω₂t+φ₀₂+3φ_a)} (64) u_19b = B₁・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_b)} (65) u_20b = B₂・exp{i(ω₁t+φ₀₁-3φ_b)} (66) u_21b = B₃・exp{i(ω₂t+φ₀₂-φ_b)} (67) u_22b = B₄・exp{i(ω₂t+φ₀₂+3φ_b)} (68) ここで、A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄は振幅、φ_a
は回折格子８の、ある規準位置からのずれ量に相当する
位相量、φ_b は回折格子９の、ある規準位置からのずれ
量に相当する位相量である。（図３中で、u_19a、u_20a、
u_21a、u_22a、u_19b、u_20b、u_21b、u_22bは光４５、４６、
４７、４８、４９、５０、５１、５２に対応する）これ
らの回折光のうち、u_20a、u_21a、u_20b、u_21bはミラー４
１方向に回折し、方向を変えられ複屈折プリズム４３で
同一の回折格子より回折した光同志を偏光面を揃えて干
渉させ、続いてエッジミラー１５により２方向に分割
し、光センサ１８、１９で光電変換し以下の式で表され
る２つのビート信号を得て、 I₁₁ = A₂ ²+A₃ ²+2A₂・A₃・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_a} (69) I₁₂ = B₂ ²+B₃ ²+2B₂・B₃・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_b} (70) 位相検出器２１により２つのビート信号I₁₁ 、I₁₂ 間の
位相差、 Δφ₅ = 2(φ_b-φ_a)+φ_e5 (71) を得る。ここで、φ_e5はビート信号に混入するランダム
ノイズ（主に電気系等のノイズ）である。

【００２６】同様に、u_19a、u_22a、u_19b、u_22bはミラー
４２方向に回折し、方向を変えられ複屈折プリズム４４
で同一の回折格子より回折した光同志を偏光面を揃えて
干渉させ、続いてエッジミラー１４により２方向に分割
し、光センサ１６、１７で光電変換し以下の式で表され
る２つのビート信号を得て、 I₁₃ = A₁ ²+A₄ ²+2A₁・A₄・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_a} (71) I₁₄ = B₁ ²+B₄ ²+2B₁・B₄・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_b} (72) 位相検出器２０により２つのビート信号I₁₃ 、I₁₄ 間の
位相差、 Δφ₆ = 2(φ_b-φ_a)+φ_e6 (73) を得る。ここで、φ_e6はビート信号に混入するランダム
ノイズ（主に電気系等のノイズ）である。上記のよう
に、２系統の位相差検出系より得られる位相量Δφ₅ 、
Δφ₆ を演算器２２に入力し、 (Δφ₅+Δφ₆)/2 = 2(φ_b-φ_a)+(φ_e5+φ_e6)/2 (74) を得る。よって、マスクとウエハの相対位置ずれ量を示
すビート信号間の位相差は式（７４）で示されるように
ランダムノイズが（φ_e5＋φ_e6）／２となり平均化され
る。そして、式（７４）で示される位相ずれ量をコント
ローラ２３に入力し、アクチュエータ２４、２５にフィ
ードバックをかければマスクとウエハの相対位置合わせ
が精度よくおこなえる。

【００２７】図４は、本発明の第４の実施例を示す図
で、２回の露光によりウエハ上にに焼き付けられた２つ
の回折光子の相対位相ずれ量を測定することで、マスク
とウエハの相対位置合わせをする装置の性能を検定する
装置の原理説明図である。

【００２８】ゼーマンレーザ１からは、同じ光軸上にあ
り、偏光面が互いに直行し、僅かに周波数が異なる２つ
の光u₁、u₂が発せられる。

【００２９】 u₁ = exp{i(ω₁t＋φ₀₁)} (75) u₂ = exp{i(ω₂t＋φ₀₂)} (76) ここで、ω₁ 、ω₂ は角周波数、φ₀₁、φ₀₂は初期位相
である。（u₁はＰ偏光の光、u₂はＳ偏光の光であり、図
４中で、u₁は光２６、u₂は光２７である） ２つのu₁、
u₂はミラー２により方向を変えられ、コリメータレンズ
３を通過し、ＰＢＳとミラーが一体となった若葉プリズ
ム４０（以後プリズム４０と呼ぶ）に入射する。プリズ
ム４０に入射した２つのu₁、u₂はプリズム中央のＰＢＳ
面で左右に分割される。ＰＢＳ膜を反射したu₁はミラー
（プリズム４のＢＣ面）により進行方向を変えられ、ウ
エハ１１上の回折格子８、９に照射される。一方、ＰＢ
Ｓ膜を透過したu₂はミラー（プリズム４０のＦＥ面）に
より進行方向を変えられ、ウエハ１１上の回折格子８、
９に照射される。２つの照射光は回折格子８、９で回折
し、特定次数の回折光を得る。それぞれの回折光を式で
表すと以下のようになる。

【００３０】 u_19a = A₁・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_a)} (77) u_20a = A₂・exp{i(ω₁t+φ₀₁ー3φ_a)} (78) u_21a = A₃・exp{i(ω₂t+φ₀₂-φ_a)} (79) u_22a = A₄・exp{i(ω₂t+φ₀₂+3φ_a)} (80) u_19b = B₁・exp{i(ω₁t+φ₀₁+φ_b)} (81) u_20b = B₂・exp{i(ω₁t+φ₀₁-3φ_b)} (82) u_21b = B₃・exp{i(ω₂t+φ₀₂-φ_b)} (83) u_22b = B₄・exp{i(ω₂t+φ₀₂+3φ_b)} (84) ここで、A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄は振幅、φ_a
は回折格子８の、ある規準位置からのずれ量に相当する
位相量、φ_b は回折格子９の、ある規準位置からのずれ
量に相当する位相量である。（図４中で、u_19a、u_20a、
u_21a、u_22a、u_19b、u_20b、u_21b、u_22bは光４５、４６、
４７、４８、４９、５０、５１、５２に対応する）これ
らの回折光のうち、u_20a、u_21a、u_20b、u_21bはミラー４
１方向に回折し、方向を変えられ複屈折プリズム４３で
同一の回折格子より回折した光同志を偏光面を揃えて干
渉させ、続いてエッジミラー１５により２方向に分割
し、光センサ１８、１９で光電変換し以下の式で表され
る２つのビート信号を得て、 I₁₁ = A₂ ²+A₃ ²+2A₂・A₃・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_a} (85) I₁₂ = B₂ ²+B₃ ²+2B₂・B₃・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_b} (86) 位相検出器21により２つのビート信号I₁1 、I₁2間の位
相差、 Δφ₅ = 2(φ_b-φ_a)+φ_e5 (87) を得る。ここで、φ_e5はビート信号に混入するランダム
ノイズ（主に電気系等のノイズ）である。

【００３１】同様に、u_19a、u_22a、u_19b、u_22bはミラー
４２方向に回折し、方向を変えられ複屈折プリズム４４
で同一の回折格子より回折した光同志を偏光面を揃えて
干渉させ、続いてエッジミラー１４により２方向に分割
し、光センサ１６、１７で光電変換し以下の式で表され
る２つのビート信号を得て、 I₁₃ = A₁ ²+A₄ ²+2A₁・A₄・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_a} (88) I₁₄ = B₁ ²+B₄ ²+2B₁・B₄・cos{(ω₂-ω₁)t+(φ₂-φ₁)+2φ_b} (89) 位相検出器20により２つのビート信号I₁3 、I₁4間の位
相差、 Δφ₆ = 2(φ_b-φ_a)+φ_e6 (90) を得る。ここで、φ_e6はビート信号に混入するランダム
ノイズ（主に電気系等のノイズ）である。上記のよう
に、２系統の位相差検出系より得られる位相量Δφ₅ 、
Δφ₆ を演算器２２に入力し、 (Δφ₅+Δφ₆)/2 = 2(φ_b-φ_a)+(φ_e5+φ_e6)/2 (91) を得る。よって、ウエハ１１上の２つの回折光子間の相
対位置ずれ量を示すビート信号間の位相差は式（９１）
で示されるようにランダムノイズが（φ_e5＋φ_e6）／２
となり平均化され、高精度の測定がおこなえる。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば位相
差検出系を複数配置し測定をおこなえば、従来の位相差
検出系が１つの場合に比べてビート信号中に混入するラ
ンダムノイズの影響を少なくすることができ、高精度の
測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の光学系概略図

【図２】実施例２の光学系概略図

【図３】実施例３の光学系概略図

【図４】実施例４の光学系概略図

【図５】課題を解決するための方法を示す図

【図６】従来例を示す光学計概略図

【図７】バーニヤスケールを示す図

【符号の説明】

１，１３３ ゼーマンレーザ ２，６，７，１２，４１，４２，１２３，２２３，３２
３，４２３ ミラー ３ コリメータレンズ ４ ビームスプリッタ ５ λ／２板 ８，９，１２９，１３０ 回折光子 １０，１２８ マスク １１，１３１ ウエハ １３，１２１ ＰＢＳ １４，１５ エッジミラー １６，１７，１８，１９，１２５，２２５ 光センサ ２０，２１，１２６ 位相差検出器 ２２ 演算器 ２３ コントローラ ２４，２５ アクチュエータ ２６，３０ 角周波数ω₁ 、Ｓ偏光の光 ２７，３１ 角周波数ω₂ 、Ｐ偏光の光 ２８ 角周波数ω₁ 、Ｐ偏光の光 ２９ 角周波数ω₂ 、Ｓ偏光の光 ３２，３６ 角周波数ω₁ 、Ｐ偏光、ー１次回折光 ３３，３７ 角周波数ω₂ 、Ｓ偏光、ー１次回折光 ３４，３８ 角周波数ω₁ 、Ｓ偏光、＋１次回折光 ３５，３９ 角周波数ω₂ 、Ｐ偏光、＋１次回折光 ４０ 若葉プリズム ４３，４４ 複屈折プリズム ４５，４９ 角周波数ω₁ 、Ｓ偏光、＋１次回折光 ４６，５０ 角周波数ω₁ 、Ｓ偏光、ー３次回折光 ４７，５１ 角周波数ω₂ 、Ｐ偏光、ー１次回折光 ４８，５２ 角周波数ω₂ 、Ｐ偏光、＋３次回折光 １２２，２２２ 集光レンズ １２７ マスクステージ １３２ ウエハステージ １３４，１３５ バーニヤスケール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 謙治 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つの回折格子からの干渉光
   を得て、その干渉光を光センサで光電変換してビート信
   号を作り、そのビート信号間の位相差を測定する光ヘテ
   ロダイン干渉計測を行う際、ビート信号に混入する諸々
   の要因により生ずるランダムノイズの影響を低減するた
   めに、位相差検出系を複数個配置したことを特徴とする
   光ヘテロダイン干渉計測方法。
2. 【請求項２】 少なくとも２つの回折格子からの干渉光
   を得て、その干渉光を光センサで光電変換してビート信
   号を作り、そのビート信号間の位相差を測定する光ヘテ
   ロダイン干渉計測を行う際、ビート信号に混入する諸々
   の要因により生ずるランダムノイズの影響を低減するた
   めに、位相差検出系を複数個配置したことを特徴とする
   光ヘテロダイン干渉計測装置。