JPH06323812A - 位置ずれ及びギャップ検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｘ方向位置ずれとＺ方向ギャップの２次元方
向に付いてそれぞれ補正可能な高精度の位置ずれ及びギ
ャップ検出方法を提案するものである。 【構成】 瞳面ＥＰ70に共役（結像）な関係にあるビー
ムウェストＢＷ部分或いはその入射側にある光学系の補
正可動面16、20、29の微調整を行って、各組内の２光束
の夫々につき光軸からの離間距離、光束各組間の離間距
離或いは光束各組と光軸との離間距離を調整し、それに
より光軸に対する光束の入射位置調整が行なわれてマス
クＭとウェハＷの各回折格子36に照射されるアライメン
トビームの入射角微調整及び／又は光軸微調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体超微細加工装
置［ＳＯＲアライナ・ステッパ、液晶ステッパ等のプロ
キシミティ（近接）］等の露光装置や感光基板に露光さ
れたパターンの重ね合せ精度を測定するレジストレーシ
ョン精密測定等において、回折格子を用いた光ヘテロダ
イン干渉法を利用する位置ずれ及びギャップ検出方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】シンクロトロン放射光リソグラフィ用ア
ライナやフォトステッパ等の超精密位置合せにあっては
位置合せすべき２つの物体の位置ずれ検出を高精度に行
なう必要があり、そのために例えば特開昭６２−２６１
００３号や特開昭６４−８９３２３号等では、光ヘテロ
ダイン干渉光を利用した位置ずれ検出方法が提案されて
いる。

【０００３】これらはいずれも２つの物体の各回折格子
から取り出された−１次、−１次回折光を干渉させ、こ
れらの両物体の夫々において生成されたビート信号の位
相差を検出することで両物体の位置ずれ量を測るもので
あり、ギャップ変動による強度変化の影響を受けないの
で、位置ずれ検出精度と分解能が飛躍的に向上するとし
て期待されている。

【０００４】事実、分解能については、ステージ制御分
解能以上の５ナノ程度の高分解能が得られた。しかし、
実用に際しては、大気の揺らぎの影響を受け位相がふら
つき、検出精度は一桁弱劣化するのが普通であった。そ
のため２光束の組を２組を用いて、これらの組間で光軸
に対し左右対称になる光学系配置にしてレーザ光路を光
軸に近づけ、大気の揺らぎ、機械振動や熱振動の影響を
極力削減する措置が取られている。

【０００５】一方Ｘ線リソグラフィ露光に関しては、実
用的なギャップ量は３０μm程度と推測されているが、
より微細なパターンを転写するため、マスクとウエハを
より近接させた１０μm前後のギャップによる解像度評
価が行われ超微細パターンが得られつつある。このた
め、位置合わせと共にＺ方向の精密ギャップ制御が要求
され、微細加工達成のための重要なキーポイントになっ
ている。

【０００６】このため、本発明者等はＸ方向位置ずれと
Ｚ方向ギャップを検出できる方法の提案について行って
いる。即ち周波数のわずかに異なる（例えばｆ₁とｆ₂）
２波長の単色２光束の組を２組、２つの物体（マスクと
ウェハ）の各回折格子に当てる入射照明光として用い、
これらの各組内の回折次数の異なる回折光（例えば周波
数ｆ₁の０次回折光と周波数ｆ₂の−１次回折光、及び周
波数ｆ₁の＋１次回折光と周波数ｆ₂の０次回折光）を干
渉せしめて各組２つのビート信号を検出すると共に、こ
れらの組内におけるビート信号位相差φ_xz、φ_xz′を求
めて、これら組間のビート信号位相差の和及び／又は差
から２つの物体のＸ方向位置ずれ及びＺ方向ギャップを
検出するというものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記構成
では、光ヘテロダイン干渉を利用した高分解能、高精度
な位置合わせ方法が故に、アライメント光学系の光軸の
倒れを精密に調整しなければならず、仮に光束が左右に
微量角傾いた場合や、光束全体が一方向に傾いた場合、
アンバランスな光路差が発生して不都合な位相変化が起
き、アライメント誤差が発生する。

【０００８】このような微小量の補正は、他の検出法と
ミックスさせ補正した場合は、分解能面からみてかなり
高分解能化は困難であり、同一光学系構成に於いて高分
解能を維持した光ヘテロダイン干渉を用いた同一検出法
により補正校正する方が、システムも複雑に成らないの
で望ましい。

【０００９】特に光へテロダイン方式でレンズを使用し
た光学系では、瞳面上で光軸に対して完全に平行光束に
調整しなければならず、上記２光束の組２組を用いるア
ライメント方法では、各組とも光軸の片側で平行にしか
も所定の間隔をおいて２光束が並び、且つ光軸の両側で
これらの２組が左右対称になるように調整しなければな
らず、又ギャップ変動で照明光位相波面がデフォーカス
（焦点ずれ）や収差等が原因で自ずと異なってくる問題
や、また実プロセス工程ではウエハの湾曲、プロセスウ
エハの段差、レジストの膜厚分布等があるので、均一位
相波面状態を常に維持できないので、照明光のギャップ
方向の波面歪み影響も考慮する必要があった。

【００１０】またアライメントに影響が出ない光軸の倒
れの許容値は、０．２度以下と計算され指摘されている
が、４光束を用いた光へテロダイン方式の上記差動位相
検出法であっても精密な光軸調整が必要であり、光軸の
傾きや干渉縞の歪みにより左右対称な２組の位相変動量
差、検出範囲長差、振幅強度差が発生することや、図１
２に示すような回折格子36のピッチ変動や、光軸に対す
るピッチ傾き回転があると、ウェハＷが非計測方向に移
動した時に不都合な位相変化が発生することが判明し
た。

【００１１】また、レーザ光をプローブ光とした直線偏
光を利用しているため、光が透過、反射する場合それぞ
れＰ偏光、Ｓ偏光の複素透過率、反射率比が変化するの
で直線偏光の光軸が回転したり楕円偏光になるいわゆる
偏光漏れを生じ、レンズ等による偏光方向の偏心や、光
学部品の傾きや、ミスアライメントも加わりアライメン
ト誤差要因と成っていた。また、直交２周波ゼーマンレ
ーザを光源にした場合、直交直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏
光）の混入（クロストーク）などが悪影響し干渉縞の面
内歪みが発生し、精度劣化だけではなく測定周期範囲内
の位相直線性が非線形になる現象が現れた。

【００１２】また光学部材基板の温度むらや、レーザ光
路に至っては、大気の揺らぎによる屈折率の変動、外乱
光の影響、機械振動により引き起こる数１０Ｈｚを周期
にした遅い信号揺らぎが発生して、ビート信号がゆっく
り変動し、電気処理系では取りきれないため位相計測時
に誤差が発生していた。

【００１３】本発明は、上記問題点に鑑み創案されたも
ので、Ｘ方向位置ずれとＺ方向ギャップの２次元方向に
付いてそれぞれ補正可能な高精度の位置ずれ及びギャッ
プ検出方法を提案するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、大気の揺らぎ
による屈折率変動の影響を抑えることができる上記差動
位相検出法の構成を前提とする。即ち図１に示すよう
に、周波数のわずかに異なる（例えば周波数ｆ₁とｆ₂）
２光束を倍にして２組４光束とし、２つの物体（例えば
マスクとウェハ）に対向した対物レンズ35の瞳面ＥＰ70
（この面位置は、回折格子のフーリエ変換像が得られる
面である）上で、これらを光軸に対し平行で且つ組間で
左右対称な入射配置にする光学系を用いて、２つの物体
の回折格子36に夫々所定の入射角度（θ₁とθ₂）で入射
せしめ、得られた回折光の各組内における異次数同士
（例えば周波数ｆ₁の０次回折光と周波数ｆ₂の−１次回
折光、及び周波数ｆ₁の＋１次回折光と周波数ｆ₂の０次
回折光）の回折光を干渉せしめてビート信号を得、各回
折格子36のＸ方向位置ずれ及びＺ方向ギャップによる光
路差変動量に基づき生じる該ビート信号の下式数１乃至
数２に示される位相φ_xz及びφ_xz′からこれらの式の和
と差によりＸ方向及びＺ方向の２次元位相変動量φ_x及
びφ_zを夫々算出する構成である。

【００１５】

【数１】φ_xz＝−φ_x＋φ_z、φ_xz＝−φ_x＋φ_z

【００１６】

【数２】φ_xz′＝φ_x＋φ_z、φ_xz′＝φ_x＋φ_z

【００１７】以上の構成を前提として、本発明は、瞳面
ＥＰに共役（結像）な関係にあるビームウェスト部分或
いはその入射側にある光学系の補正可動面の微調整を行
って、各組内の２光束の夫々につき光軸からの離間距
離、光束各組間の離間距離或いは光束各組と光軸との離
間距離を調整し、それにより光軸に対する光束の入射位
置調整が行なわれて２物体の各回折格子に照射されるア
ライメントビームの入射角微調整及び／又は光軸微調整
を行うことを基本的特徴としている。

【００１８】即ち可動光学部材を上記瞳面ＥＰと共役な
関係にある位置（ビームウェスト部分）或いはその入側
にある光学系を、移動可能な補正可動面を有する光学部
材として、瞳面ＥＰを操作可能にし、また上述のように
各組内の２光束の夫々につき光軸からの離間距離、光束
各組間の離間距離或いは光束各組と光軸との離間距離を
調整し、それにより光軸に対する光束の入射位置調整が
行なわれて２物体の各回折格子に照射されるアライメン
トビームの入射角微調整及び／又は光軸微調整を行うこ
とで、瞳面ＥＰ上で４光束が光軸に対して常に平行かつ
左右対称にるよう制御調整し、２つの物体の回折格子の
ピッチ長から得られる、所望の２光束間隔も調整可能と
なって、Ｐｓｉｎθ＝ｍλの回折基礎公式公式から得ら
れる±１次、０次の干渉条件のＦλ／Ｐの間隔に入射照
明光を調整し、ピッチ誤差を補正して最良の干渉光を検
出する。

【００１９】また第２発明は、２つの物体の回折格子と
共役な位置近傍に視野絞りＡＳを設置し、該視野絞りＡ
Ｓに更に共役な関係にある２光束又は４光束の集光位置
の光学系の補正可動面の微調整を行って、該視野絞りＡ
Ｓ及び／又は２つの物体の回折格子におけるアライメン
トビームの波面調整や倍率誤差補正を行うことを特徴と
している。

【００２０】即ち上記視野絞りＡＳの面と更に共役な関
係にある面（上記２光束又は４光束の集光位置）の光学
系を、あおり、回転、移動が可能な補正可動面を有する
光学部材として、入射照明光波面を微動調整可能にし、
視野絞りＡＳと回折格子を両テレセントリック関係配置
にして、デフォーカス時の焦点面の波面歪みや倍率誤差
補正をして位相むらを低減する。

【００２１】第３発明は以上の２つの発明の構成を組み
合わせたもので、ここではその構成の詳細な説明は省略
する。

【００２２】

【実施例】以下本発明法の具体的実施例につき詳述す
る。その前に後述の実施例構成で回折格子から得られる
回折光の区別を明確にするため、その回折次数につき、
予め定義しておく。

【００２３】図２及び図３は反射回折格子の入射角・回
折角の符合の状態を示している。まず周波数ｆの単色光
が格子ピッチＰの反射回折格子36に対し、光軸から入射
角θiの傾きを持って入射した場合、正反射となる回折
次数m、n＝０の回折光を中心にそれより光軸側に回折す
るものはm、n＝−１、−２、−３……というようにマイ
ナス次数又その反対側に回折するものはm、n＝＋１、＋
２、＋３……というようにプラス次数（これらの回折次
数に対応する回折角をθm、θnとする）になる。この時
の入射角θiと回折角θm、θnとの関係は、回折格子の
基礎公式により、次式数３及び数４の様になる。

【００２４】

【数３】 ｓｉｎθ_m−ｓｉｎθ_i＝ｍ・λ／Ｐ

【００２５】

【数４】 ｓｉｎθ_n−ｓｉｎθ_i＝ｎ・λ／Ｐ

【００２６】以上の定義を基に、次に実施例構成につき
詳述する。図４及び図５はマスクＭとウェハＷの位置ず
れ検出を行なう本願第３発明法の実施に使用される光学
系装置構成の一例を示す斜視図と、該光学系光路詳細図
である。光学部材の配置は、光軸に対して左右対称配置
になるよう設計されている。

【００２７】図４において、まず２波長直交偏光レーザ
光源12より偏光面が直交し、且つ周波数がわずかに異な
る（ｆ₁、ｆ₂）単色レーザ光（即ち、周波数ｆ₁成分に
ついては→で表わすＰ偏光、又周波数ｆ₂成分について
は↑で表わすＳ偏光）を発生させる。10は該光源12のコ
ントローラであり、電気的な処理を施してＲＥＦ11から
｜ｆ₁−ｆ₂｜の周波数の参照ビート信号が出力されるよ
うになる。尚、該光源12については音響光学素子（ＡＯ
Ｍ）２つからなる周波数シフタ等で２周波数のものを得
る構成に置き換えてもよい。

【００２８】この光源12から射出されたアライメント光
は通常３〜４度程度レーザ射出口で楕円偏光になってお
り、これをλ／４板13という位相板（回転補正光学部
品）によって２周波成分の直交状態をより正しい姿勢に
直す。そしてアライメント光のビームは偏光ビームスプ
リッタ（ＰＢＳ）14に至り、そこからＳ偏光（ｆ₂周波
数）成分がレンズ15に至る。該レンズ15より出たｆ₂周
波数のＳ偏光成分はミラー16により光路を変え、その後
λ／２板17に対し、結晶軸と45°の方向から入射させ、
周波数ｆ₂のＳ偏光をＰ偏光にして、前記ｆ₁周波数のＰ
偏光と同じ偏光方向に変える。Ｐ偏光になったｆ₂周波
数のアライメントビームは無偏光ビームスプリッタ22の
分離面で、図上ＢＷ72に示す面上に集光する（ビームウ
エストと呼ばれ、レーザビームが一番絞り込まれた状態
になっている）。可動部材18は、ミラー16をＸ方向に移
動可能であり、該ミラー16の移動により反射位置を移動
させ、第１ＢＷ72面上の集光位置を微動移動可能にす
る。これは後述するミラー20のＸ方向への移動構成と共
に、各組内の２光束の夫々につき光軸からの離間距離を
調整し、上記数３及び数４式に従って、回折格子のピッ
チＰに依存する回折角度θ_m、θ_nで所望の回折光が得ら
れるようにするものである。

【００２９】一方、偏光ビームスプリッタ14を透過した
Ｐ偏光のアライメントビームは、レズ19を経由してミラ
ー20により光路を変え、前記無偏光ビームスプリッタ22
の分離面でビームウエストになる。この無偏光ビームス
プリッタ22で前述したｆ₂周波数成分のＰ偏光と、ｆ₁周
波数成分のＰ偏光とが入射することになる。可動部材21
は、同様にミラー20をＸ方向に移動可能であり、該ミラ
ー20の移動により第１ＢＷ72面上の集光位置を微動移動
する。ここで、両アライメントビームは分離面第１ＢＷ
72上でビームウエストとなり分離後は、平行光として一
緒に２方向に分岐される。この面第１ＢＷ72は、後述の
対物レンズ手前の瞳面ＥＰ70と４光束のビームウエスト
第２ＢＷ71と共に共役（結像）関係にあり、第１ＢＷ72
を操作するとその共役面も関連して操作できる。

【００３０】分離後の一方のアライメントビーム２光束
はレンズ23を通って該レンズ23の後面焦点位置にあるミ
ラー24の反射面上に集光する。この面は、後述の視野絞
りＡＳ31と共役関係にある。可動部材50は、回転やあお
りの微動調整が可能で、視野絞りＡＳ31上のアライメン
トビームの波面を調整できる。更にミラー24は、レンズ
25の前側焦点距離に配置されているので、反射後の２光
束はレンズ25透過後は、平行２光束となり、ナイフエッ
ジ４５゜直角反射プリズム29に至る。もう一方のアライ
メントビーム２光束はレンズ26を通って該レンズ26の後
面焦点位置にあるミラー27の反射面上に集光する。この
面も、後述の視野絞りＡＳ31と共役関係にある。可動部
材51は、同様に微動調整可能で、視野絞りＡＳ上のアラ
イメントビームの波面を調整できる。更にミラー27は、
レンズ28の前側焦点距離に配置されているので、反射後
の２光束はレンズ25透過後は、同様に平行２光束とな
り、ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム29に至る。

【００３１】該ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム29
から反射された４光束は、レンズ25、28の後側焦点位置
にある第２ＢＷ71でレーザビームが絞り込まれたビーム
ウエスト状態となり、光軸に平行で対称な４光束点光源
となる。この第２ＢＷ71面は、前期の第１ＢＷ72と同様
に、また後述の瞳面ＥＰ70とも共役な関係にある。そし
て可動部材52は、ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム
29をＸ方向及びＺ方向に移動させることができ、そのＸ
方向移動で光軸に対する平行移動操作を行って光束の各
組全体と光軸との離間距離を調整し、又Ｚ方向移動で２
光束の組間の光軸からの離間距離を夫々調整できる。尚
本実施例では、前記可動部材18により第２ＢＷ71面上の
両組外側の２光束を、同様に前記可動部材21により第２
ＢＷ71面上の両組内側の２光束を夫々操作できるように
してあるのは、前述した通りである。

【００３２】前記ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム
29により反射し所定間隔にセットされた左右対称平行４
光束は、図４及び図５に示される様にアホーカル系構成
のレンズ30、32で所定の幅（具体的には後述する様に光
軸より両側に２光束間隔が夫々Ｆ・sinθ）に調整され
る。即ち前記レンズ30はその前側焦点位置が第２ＢＷ71
のレーザビーム４光束点光源の近傍になるように設置し
てあり、又もう一方のレンズ32はその前側焦点位置に該
レンズ30の後側焦点位置が来るように設置してある。従
ってレンズ30から出た光束は一度該レンズ30の後側焦点
位置でそのビームが平行交差し、この位置に配置された
視野絞りＡＳ31でビームが通過中に整形され、マスク
Ｍ、ウエハＷ上のアライメント用マークの回折格子面だ
けを照明する形状にする。視野絞りＡＳ31の形状は、回
折格子の計測方向に視野絞り自身のフランホーファ回折
像が投影しない、例えば平行四辺形や変形スリット等の
形状が望ましいが、ここでは円形形状とした。

【００３３】視野絞りＡＳ31の位置は、マスクＭ及びウ
ェハＷ上の後述する回折格子36と共役（結像）な関係に
ある。ここで整形されたビームは、レンズ32を出た所で
光軸対称な４光束となる。しかもこのレンズ32により後
側焦点の位置に瞳面ＥＰ70（光束ビームが一番絞られる
面）が作られる。ここが後述するアライメント射出瞳と
なる。この時瞳面ＥＰ70で２光束の幅は夫々光軸からＦ
・sinθとなる（ここでＦは後述する対物レンズ35の後側
焦点距離、又θはマスクＭ及びウェハＷの各回折格子36
にアライメント光を入射した場合に得られる回折光の回
折角度を指す）。尚該レンズ30と後述するレンズ32はテ
レセントリックな関係になっている。

【００３４】このレンズ32から出た光束は光軸に対して
平行に進み、前記対物レンズ35前側焦点距離位置にある
瞳面ＥＰ70上で上述した間隔を開けて夫々集束した後、
この瞳面ＥＰ70がその中にある偏光ビームスプリッタ33
を透過して、λ／４板34でその直線偏光が円偏光とな
り、対物レンズ35により所定の入射角度で４光束が同時
にマスクＭ及びウェハＷの各回折格子36に入射される。
この時のアライメント光の入射角度は、そのビームが光
軸反対方向から入射する位置に０次、±１次回折光が得
られ、該光軸との間の角度に丁度相当し、該方向から逆
向きに回折されることになる。

【００３５】該入射によってこれらが回折した時点で、
ｆ₁周波数成分の０次光とｆ₂周波数成分の−１次光が、
またｆ₁周波数成分の＋１次光とｆ₂周波数成分の０次光
が（その他組内の２光束に由来する異次数回折光同士
が）夫々干渉し合う。これらの回折光は、マスクＭ面及
びウェハＷ面に垂直な光軸に対して左右対称に進み、且
つ円偏光の回転方向が逆になって進むことになる。そし
て該回折光は前述の対物レンズ35を通って光軸に対して
平行光となりながら前記λ／４板34に進み、それによっ
て入射時の直線偏光と90゜直交する角度の直線偏光に再
度なり、偏光ビームスプリッタ33の分離面で反射されて
入射方向と完全にアイソレーション（絶縁分離）する。
尚、ここでは全ての回折光のうち、６光束のみを明記
し、高次の回折光は明記しなかった。

【００３６】前記λ／４板34を通過した光束は瞳面ＥＰ
70で一度集光し、該瞳面ＥＰ70が丁度その前側焦点距離
の位置に相当する位置になるように配置されたテレセン
トリックな結像関係にするレンズ37により、回折光がマ
スクＭ及びウェハＷの各回折格子36と共役（結像）関係
にあるＭ，Ｗ Conjugate（共役）面73で不要な回折光
は除去され所望の６光束を集光させる。レンズ37、38は
アホーカル拡大鏡の構成で共役面73のマスクＭとウェハ
Ｗの干渉像をそれぞれ分離できる程度に拡大する。レン
ズ38を通過した６光束は平行光となり、直角三角プリズ
ム39に至ったところで、左右の各３光束が夫々光軸に対
して対称に反射して進行方向を変え、夫々の光束はレン
ズ38の後側焦点距離位置で絞り込まれる。

【００３７】そのうち一方の干渉回折光は、空間フィル
タ40で中央の（−２、−１）次干渉光束が遮光され、左
右の２光束が該空間フィルタ40を透過し、前側焦点距離
が前記絞り込まれた位置（空間フィルタ40の位置）にな
るようにセットされたレンズ41、42に至り、更に該レン
ズ41、42の後側焦点距離の位置にある２分割ディテクタ
43、44の受光面上で結像する。該受光面は回折格子36と
共役関係にあり、前記視野絞りＡＳ31で成形された形状
と同じ回折光の像が得られる。そしてそこでマスクＭ及
びウェハＷの各回折格子36と対応した光ヘテロダイン信
号４種類を各々検出して電気処理を施し、夫々の相対位
相を算出する。また前記直角三角プリズム39で反射され
たもう一方の平行３光束は、空間フィルタ45で同様に
（−２、−１）次干渉光が遮光され、（＋１、０）次及
び（０、−１）次の干渉光が透過する。前側焦点距離の
位置が前述した絞り込まれた位置（空間フィルタ45）に
なるようにセットされたレンズ46、47に至り、更に該レ
ンズ46、47の後側焦点距離の位置にある２分割ディテク
タ48、49の受光面上で結像する。該受光面は回折格子36
と共役関係にあり、前記視野絞りＡＳ31で成形された形
状と同じ回折光の像が得られる。そしてそこでマスクＭ
及びウェハＷの各回折格子36と対応した光ヘテロダイン
信号４種類を各々検出して電気処理を施し、夫々の相対
位相を算出する。尚、図面上には示されていないが、２
分割ディテクタ43、44、48、49の手前に外乱光除去のた
めのスリットを設置しても良い。

【００３８】よって、同一次数組、同一検出検出範囲長
（位相周期）の４種類で計８個の干渉光の複数干渉ビー
ト（交流）信号より、前記ＲＥＦ11からの参照ビート信
号との相対位相差を複数検出することによって、変化量
（ディテクタ43と48で検出された位相変化量及びディテ
クタ44と49で検出された位相変化量）が等しくなる補正
量を算出し可動光学部材にフィードバツクする。補正確
認後、位置ずれΔｘ及びギャップΔｚの相対位相を平均
算出処理を施して求め、該ΔｘとΔｚに対応する相対位
相差量を、和と差からそれぞれ分離して求める。

【００３９】次に別の実施例を図６を用いて説明する。
前実施例では無偏向ビームスプリッタにより４光束を分
離したが、本実施例では、２光束を透過型基準回折格子
に照明して、得られる回折透過光の±１次、±１次の同
一強度の左右対称４光束入射照明光を得る。

【００４０】図６では、アライメント光のビームは偏光
ビームスプリッタ（ＰＢＳ）14に至り、そこからＳ偏光
（ｆ₂周波数）成分がレンズ15に至る。該レンズ15より
出たｆ₂周波数のＳ偏光成分はミラー16により光路を変
え、その後λ／２板17でＳ偏光をＰ偏光に変える。Ｐ偏
光になったｆ₂周波数のアライメントビームはナイフエ
ッジ４５゜直角反射プリズム29の反射面上に集光する。
この反射面は、瞳面（ＥＰ）70と空間フィルタ63のビー
ムウエスト第２ＢＷ71と共に共役（結像）関係にある。
そして可動部材50は、ミラー16をＸ方向に移動すること
が可能であり、該ミラー16の移動により反射位置を移動
させ、プリズム29の反射面上の集光位置を微動移動可能
にする。一方、偏光ビームスプリッタ14を透過したＰ偏
光のアライメントビームは、レズ19を経由してミラー20
により光路を変え、前記ナイフエッジ４５゜直角反射プ
リズム29の反射面上でビームウエストになる。この反射
面も、瞳面（ＥＰ）70と空間フィルタ63のビームウエス
ト第２ＢＷ71と共に共役（結像）関係にある。そして可
動部材51は、同様にミラー20をＸ方向に移動することが
可能であり、プリズム29の反射面上の集光位置を微動移
動する。

【００４１】このナイフエッジ４５゜直角反射プリズム
29で反射した後、前述したｆ₂周波数成分のＰ偏光と、
ｆ₁周波数成分のＰ偏光とが平行２光束になる。また可
動部材52はＸ方向に該プリズム29を移動することが可能
であり、両反射面上の集光位置を微動移動することがで
き、更にＺ方向にも移動させることも可能であり、２光
束の間隔も調整できる。平行２光束は、前側焦点距離の
位置が該プリズム29反射面にセットされたレンズ60至
る。

【００４２】アライメントビーム２光束はレンズ60を通
過して該レンズ60の後側焦点距離の位置にある基準回折
格子61面で平行交差する。この面は、後述する視野絞り
ＡＳ31と共役関係にある。該格子61にセットされた可動
部材55は、該回折格子61の回転やあおりの微動調整が可
能で、視野絞りＡＳ31上のアライメントビームの波面を
調整できる。またこの基準回折格子61に入射する２光束
の入射角度を、前記可動部材52によるプリズム29のＸ方
向及びＺ方向移動で調整し、強度が等しい±１次、±１
次の透過回折光が所望の間隔になるようにする。

【００４３】該回折格子61面からの透過回折光は、前側
焦点距離の位置が回折格子61面上にセットされたレンズ
62の後側焦点距離の位置にある第２ＢＷ71で、レーザビ
ームが絞り込まれたビームウエスト状態となる。光軸に
平行で対称な４光束点光源となった±１次、±１次の透
過回折光を空間フィルタ63で通過させ、０次光と、高次
回折透過光を遮光する。この第２ＢＷ71面は、前述のプ
リズム29反射面と同様に、後述する瞳面ＥＰ70と共役な
関係になる。

【００４４】空間フィルタ63を通過した所定間隔配置さ
れた左右対称平行４光束は、図６に示される様にアホー
カル系構成のレンズ30、32で所定の幅（具体的には後述
する様に光軸より両側に２光束間隔が夫々Ｆ・sinθ）に
調整される。以後の光学系は前実施例と同じであり、そ
の詳細は省略する。また本図面では図示しなかった偏波
面保持ファーイバを用いた光学系でも同様に調整可能で
ある。

【００４５】次に以上の様な２実施例構成が実施された
場合のその作用につき詳述する。

【００４６】上記の２実施例では数十ミクロンギャップ
量を持ったマスクＭに形成された回折格子36とウェハＷ
に形成された回折格子36に対し、対物レンズ35を介して
コヒーレントなレーザ光を４方向から入射させ、回折光
を発生させたものである。尚簡略のためマスクＭ（又は
ウェハＷ）１種類に上記レーザ光を当てた場合につい
て、以下説明する。

【００４７】図７及び図８（ａ）（ｂ）はＬ／Ｓ（ライ
ン＆スペース比）が１：１である回折格子（Ｐｘ：格子
ピッチ）に対して照射を行なった状態の回折光強度分布
と瞳面70の断面図及び回折格子の状態を示す説明図であ
る。前記回折格子36から後側焦点距離Ｆの位置にある前
記対物レンズ35により回折格子36の回折格子像が得られ
る面（この面は対物レンズ35の前側焦点距離Ｆの位置に
ある）を瞳面ＥＰ70と呼ぶ（この面は回折格子36のフー
リエ変換像を得た面なのでフーリエ面とも呼ばれる）。

【００４８】光軸方向からθ₁内側入射角、θ₂外側入射
角度の角度差をもたせて、光軸に対して対称位置に２光
束の組２組が入射する入射配置とする。θ＝(θ₁-θ₂)
の角度差は、±１次の回折角度と等しい角度である。ま
ず光軸方向から左シフトした２光束ｆ₁及びｆ₂は、この
図では瞳面ＥＰ70上で光軸に対して左側にＦ・sinθ₁及
びＦ・sinθ₂離れた位置に、即ちこれらの２光束の間隔
が（０、−１）次及び（＋１、０）次回折ヘテロダイン
干渉光が得られる間隔になるように、調整されている．

【００４９】瞳面ＥＰ70では一度集光（ビームウエス
ト）された状態となって入射され、対物レンズ35により
回折格子36に照射される。図８（ａ）に示すように、該
瞳面ＥＰ70上では強度分布の広がりはあるが、その強度
分布の中心がビームウエスト位置になる。その結果図７
に示した光軸に対しその入射方向とは対称な位置に、即
ち逆方向のもう一方（斜線）の２光束入射位置に、それ
ぞれ正反射（０次）回折光が取り出されることになる。
その回折光の像は対物レンズ35の瞳面ＥＰ70上でフーリ
エ変換像に変換される。このｆ₁及びｆ₂の周波数成分の
瞳面ＥＰ70上における回折光の強度分布を図７(ｂ)の下
段に示す。同図に示される様に、０次と±１次の回折光
強度分布が光軸から右にシフトした位置に並んでいる。

【００５０】同様に斜線で示す右方向からのｆ₁及びｆ₂
周波数成分のレーザ光は、同図に示すように、瞳面ＥＰ
70上で光軸右側にＦ・sinθ₁及びＦ・sinθ₂離れた位置
で一度集光され、対物レンズ35により回折格子36に照射
される。その結果光軸に対しこの入射方向とは対称な位
置に、ｆ₁及びｆ₂周波数成分の正反射（０次）が取り出
されることになる。その回折光の像は対物レンズ35の瞳
面ＥＰ70上でフーリエ変換像に変換される。この強度分
布を図７(ｂ)の上段に示す。同図に示される様に、±１
次と０次の回折光強度分布が光軸から左シフトした位置
に並んでいる。

【００５１】前述の場合と同様、同図（ｃ）に、各回折
光の干渉ビート光を視覚化して○で示す。かくして１組
のｆ₁及びｆ₂周波数成分の回折次数ｍ＝＋１、ｎ＝−１
の回折光とｆ₂及びｆ₁周波数成分の回折次数ｎ、ｍ＝０
の回折光との光ヘテロダイン干渉縞が、またもう１組の
ｆ₁及びｆ₂周波数成分の回折次数ｍ、ｎ＝０の回折光と
ｆ₂及びｆ₁周波数成分の回折次数ｎ＝−１、ｍ＝＋１の
回折光との光ヘテロダイン干渉縞が、同時にしかも光軸
に対して左右対称な位置に結合混入することなく得られ
ている。

【００５２】更に上記両回折光の干渉で得られる｜ｆ₁
−ｆ₂｜の光ヘテロダインビート信号の干渉縞が得られ
る位置を図７(ｃ)に同様に示す。ディテクタ48、49上で
は干渉縞空間で一様な明るさ（ワンカラー）内に調整さ
れ、波面歪みも取り除かれている。又光ヘテロダイン干
渉縞は高速（数十ＫＨz〜数１００ＫＨz）であるため、
肉眼では見ることができず電気的な信号に変換しなけれ
ばならないが、回折格子を非計測方向に動かすと波面歪
みがある場合、位相変動が起こる。

【００５３】次にこの様な入射方法によって得られる検
出範囲長の求め方を説明する。即ち２光束の光波を
ｕ₁、ｕ₂とすると、次のように書ける。

【００５４】

【数５】

【００５５】

【数６】

【００５６】互いに同一方向に偏光した光ｆ₁とｆ₂は、
回折格子上で可干渉となる。ここで振幅が略等しく周波
数がわずかに異なっており（数10KHz〜数100KHz）、且
つ同一方向に進行する２つの波ｕ₁とｕ₂の重ね合せを考
える。

【００５７】干渉ビート周波数（うなり）は振幅の変動
の繰り返し周波数で、次式数７で表わせる。

【００５８】

【数７】

【００５９】光検出器（ディテクタ）が｜ｕ₁＋ｕ₂｜²
で反応することを考慮して、ｕ₁とｕ₂の２つの波の振幅
の和を２乗して波の重ね合せ強度を求めると次式数８が
得られる。

【００６０】

【数８】

【００６１】光ヘテロダインアライメント方式ではこの
位相差の測定を行なうことになるが、この位相差は±18
0゜以内と角度検出範囲が固定されてしまうため、前記
数８の[L(1)/λ₁-L(2)/λ₂］の項で示される光路差[L
(1)-L(2)]が、検出範囲と位相の進み遅れ方向を左右す
る項目となる。使用される２つの周波数ｆ₁とｆ₂のレー
ザ光はわずかに波長が異なり、ビ−ト信号の周波数(f₁-
f₂)は約2.4X10⁵Hzであって光周波数約5X10¹⁴と比較して
充分小さいので、レーザ波長はλ₁＝λ₂≒λと置ける。
従って数８式のcosの位相項である次式数９は、次式数
１０のように置き換えることができる。

【００６２】

【数９】

【００６３】

【数１０】

【００６４】以上の定義を基に位置ずれ及びギャップ検
出方法の原理を説明する。図９及び図１０は、第１実施
例に於ける回折格子が点Ｐから点Ｐ′に移動した時、Δ
ｘ及びΔｚのＸ方向、Ｚ方向の微少量移動により発生す
る光路差を示し、右シフトと左シフトの２光束入射時の
光路長差の変化を太線で示す。ここで(0,+1)次と(-1,0)
次の干渉について考察する。

【００６５】まず光軸に対して非対称的に取り出されて
くるｆ₁周波数成分の−１次回折光とｆ₂周波数成分の０
次回折光の組及びｆ₂周波数成分の−１次回折光とｆ₁周
波数成分の０次回折光の組の各光ヘテロダインビート信
号が、同じ位相方向（進み、遅れ）を示すことになるの
を説明する。

【００６６】図９及び図１０において回折格子36がΔ
ｘ、Δｚだけ移動した時の光路差を求める場合、その光
路を示すもののうち、丸Ａで示す入射光路差のみを算出
すれば良い。回折方向の丸Ｂ及び丸Ｃで示す回折光路
は、光路差を求めるときＬ(1) とＬ(2)が共に等しいの
で光路差計算から消去されるからである。 ここで、θ₁
を内側入射角、θ₂を外側入射角として、微小移動した
時の周波数ｆ₁の成分の光路Ｌ(1)は、次式数１１のよう
になる。

【００６７】

【数１１】

【００６８】一方、周波数ｆ₂の成分の光路Ｌ(2)は、同
じく数１２に示すようになる。

【００６９】

【数１２】

【００７０】よって右に傾いた２光束から(0,-1)次及び
(+1,0)次共に、次式数１３の光路差が発生する。

【００７１】

【数１３】

【００７２】上式数１３の右辺第一項は負、第二項は正
であり、その位相変化量はφ_xとφ_zを夫々の方向の位相
量とすると、以下の数１４のようになる。

【００７３】

【数１４】

【００７４】一方、図１０の場合は、左に傾いた２光束
から発生する光路差は共に次式数１５に示すようにな
る。

【００７５】

【数１５】

【００７６】同様に、周波数ｆ₂の光路Ｌ(2)は、次式数
１６のようになる。

【００７７】

【数１６】

【００７８】よって左に傾いた２光束から(0,-1)次及び
(+1,0)次共に、次式数１７の光路差が発生する。

【００７９】

【数１７】

【００８０】上式数１７の右辺第一項及び第二項は共に
正であり、位相変化量は以下の数１８のように書ける。

【００８１】

【数１８】

【００８２】上述した数１４及び数１８の和と差によ
り、φ_xとφ_zが分離して尚かつ複数測定することができ
る。

【００８３】前記数８に光路差を代入してみると、Ｘ方
向の変位Δｘを位相変化量φ_xとして検出でき、その周
期は逆数の下式数１９を周期として直線的に変化し、ま
たＺ方向は変位Δｚを位相変化量φ_zとして検出でき、
その周期は逆数の下式数２０を周期として同様に直線的
に変化する。

【００８４】

【数１９】

【００８５】

【数２０】

【００８６】次にｘ方向、ｚ方向の分解能差があること
について説明する。検出範囲長について考えると、
φ_x、φ_zの位相変化量が大きければ、位相の進み遅れが
早く、分解能が高くなり、検出範囲が狭くなるが、位相
変化量が小さければ逆になる。Δｘ、Δｚの光路差は、
sinθ₁とcosθ₂の夫々の差で表されているので、三角関
数の差を積に直す公式により次式数２１及び数２２が夫
々得られる。

【００８７】

【数２１】

【００８８】

【数２２】

【００８９】ここで上式よりφ_x、φ_zの分解能に差があ
ることが解り、θ₁＋θ₂が90゜に成らないと上数式は等
しくならない。２つの実施例ではθ₁＋θ₂が90゜以下で
あるため、上式数２１及び数２２の右辺の前の部分であ
る下式数２３と数２４を比較すると数２３が大きいため
ｘ方向の分解能がｚ方向と比較すると高くなる。実用上
はｘ方向が高分解能で、ｚ方向はギャップ検出範囲の数
十〜百μmが望ましい。

【００９０】

【数２３】

【００９１】

【数２４】

【００９２】０次と±１次の干渉なので回折基礎公式よ
り次式数２５の関係が得られる。これをｘ方向、ｚ方向
に当てはめて検出範囲長を求めてみる。図８（ａ）の瞳
面ＥＰ70上では、光軸から約１：５の距離に配置される
（θ₂−θ₁）は、０次と±1次の回折角度であることか
ら、近似的な検出範囲長を求めてみる。ここで次式数２
６及び数２７のように近似する。

【００９３】

【数２５】

【００９４】

【数２６】

【００９５】

【数２７】

【００９６】よって前式数１０に代入して、ｘ方向範囲
は次式数２８により分母のＰを周期とする。またｚ方向
は、同様に回折基礎公式を当てはめると、次式数２９の
ようになる。

【００９７】

【数２８】

【００９８】

【数２９】

【００９９】ここでピッチＰ＝８μｍ、６μｍ及び４μ
ｍとし、波長λ＝０．６３２８μｍすると、Ｘ方向の周
期長は８μｍ、６μｍ及び４μｍとなりピッチに等し
く、Ｚ方向の周期長は夫々１４０．６μｍ、７５．７μ
ｍ及び３３．８μｍとなる。ここで言うまでもなく、ピ
ッチを短くすれば高分解能になる。

【０１００】次に、光軸傾きのによる誤差を見積もる。
図１１は、瞳面ＥＰ70上で光軸から４光束がΔθずれた
様子を示すものである。ここでの傾きΔθは微小角度で
ある。前記の光路差数式により、sinとcosで表せた。こ
こでΔθだけ傾くと、Ｘ方向にはsin誤差、Ｚ方向には
（1-cosΔθ）のcos誤差が発生する。その量を級数展開
して求めてみる。sin、cosは次式数３０及び数３１のよ
うに展開できる。

【０１０１】

【数３０】

【０１０２】

【数３１】

【０１０３】Δθが微小量だとして２次の項までを有効
項とするとＸ方向には、ΔθΔｘのsin誤差がＺ方向に
は次式数３２のcos誤差がθ₁、θ₂について発生する
が、差を取る方向は消去され、傾き影響は出ない。

【０１０４】

【数３２】

【０１０５】図１２は、マスク・ウェハ回折格子のピッ
チ変動、ピッチ回転、傾きの説明図である。ピッチ誤差
補正のため２光束間隔を調整しなければならず、ピッチ
変動やピッチ回転傾きがあると、非計測方向に移動した
場合、位相が変動するので補正する微動調整機構が必要
である。

【０１０６】

【発明の効果】以上詳述した本発明の位置ずれ及びギャ
ップ検出方法によれば、位置ずれ量Δｘとキャップ変動
量Δｚの双方を同時に、且つ広検出範囲及び高検出分解
能を保持しつつ検出する場合に、光学系可動部により光
軸の傾き、光学部材の偏心やピッチ回転等により発生す
るアライメント誤差を取り除けるといった優れた効果を
有しており、本法をアライメント用に用いれば、そのア
ライメント精度を高めることが可能となる。更に本発明
の前提構成は、左右対称な４光束配置と成っているた
め、大気のゆらぎ等影響を受けにくく、入射光の波長変
動が小さくなって、その検出精度を大幅に改善できる様
になる。尚、本位置ずれ及びギャップ検出方法を用いれ
ば、装置の振動参照信号を同一回折格子に求めたため、
差動検出法によりその影響を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で前提となる差動位相検出法の構成を示
す説明図である。

【図２】光軸左側入射時の回折光回折次数の説明図であ
る。

【図３】同じく光軸右側入射時の回折光回折次数の説明
図である。

【図４】第１実施例の実施構成の一例を示す光学系斜視
図である。

【図５】同実施例における光学系光路の詳細説明図であ
る。

【図６】同じく第２実施例における光学系光路の詳細説
明図である。

【図７】瞳面光軸両側にＦ・sinθ離れた間隔のアライ
メント２光束光を入射し対物レンズにより回折格子に該
光の照射を行なった時の光ヘテロダイン干渉モデルを示
す検出原理説明図である。

【図８】瞳面平面と回折格子の説明図である。

【図９】前記図７の左シフト入射アライメント光照射の
場合の光路Ｌ(1)と光路Ｌ(2)間の光路差を示す説明図で
ある。

【図１０】同じく前記図７の右シフトアライメント光照
射の場合の光路Ｌ(1)と光路Ｌ(2)間の光路差を示す説明
図である。

【図１１】光軸傾き誤差を示す説明図である。

【図１２】ピッチ誤差とピッチ回転誤差を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

31 視野絞りＡＳ 35、30 レンズ 35 対物レンズ 36、36a、36b 回折格子 70 瞳面ＥＰ Ｍ マスク Ｗ ウェハ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年５月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 位置ずれ及びギャップ検出方法

【特許請求の範囲】

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体超微細加工装
置［ＳＯＲアライナ・ステッパ、液晶ステッパ等のプロ
キシミティ（近接）］等の露光装置や感光基板に露光さ
れたパターンの重ね合せ精度を測定するレジストレーシ
ョン精密測定等において、回折格子を用いた光ヘテロダ
イン干渉法を利用する位置ずれ及びギャップ検出方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】シンクロトロン放射光リソグラフィ用ア
ライナやフォトステッパ等の超精密位置合せにあっては
位置合せすべき２つの物体の位置ずれ検出を高精度に行
なう必要があり、そのために例えば特開昭６２−２６１
００３号や特開昭６４−８９３２３号等では、光ヘテロ
ダイン干渉光を利用した位置ずれ検出方法が提案されて
いる。

【０００３】これらはいずれも２つの物体の各回折格子
から取り出された−１次、−１次回折光を干渉させ、こ
れらの両物体の夫々において生成されたビート信号の位
相差を検出することで両物体の位置ずれ量を測るもので
あり、ギャップ変動による強度変化の影響を受けないの
で、位置ずれ検出精度と分解能が飛躍的に向上するとし
て期待されている。

【０００４】事実、分解能については、ステージ制御分
解能以上の５ナノ程度の高分解能が得られた。しかし、
実用に際しては、大気の揺らぎの影響を受け位相がふら
つき、検出精度は一桁弱劣化するのが普通であった。そ
のため２光束の組を２組を用いて、これらの組間で光軸
に対し左右対称になる光学系配置にしてレーザ光路を光
軸に近づけ、大気の揺らぎ、機械振動や熱振動の影響を
極力削減する措置が取られている。

【０００５】一方Ｘ線リソグラフィ露光に関しては、実
用的なギャップ量は３０μm程度と推測されているが、
より微細なパターンを転写するため、マスクとウエハを
より近接させた１０μm前後のギャップによる解像度評
価が行われ超微細パターンが得られつつある。このた
め、位置合わせと共にＺ方向の精密ギャップ制御が要求
され、微細加工達成のための重要なキーポイントになっ
ている。

【０００６】このため、本発明者等はＸ方向位置ずれと
Ｚ方向ギャップを検出できる方法の提案について行って
いる。即ち周波数のわずかに異なる（例えばｆ₁とｆ₂）
２波長の単色２光束の組を２組、２つの物体（マスクと
ウェハ）の各回折格子に当てる入射照明光として用い、
これらの各組内の回折次数の異なる回折光（例えば周波
数ｆ₁の０次回折光と周波数ｆ₂の−１次回折光、及び周
波数ｆ₁の＋１次回折光と周波数ｆ₂の０次回折光）を干
渉せしめて各組２つのビート信号を検出すると共に、こ
れらの組内におけるビート信号位相変動量Δφ_xz、Δφ
_xz′を求めて、これら組間のビート信号位相変動量の和
及び／又は差から２つの物体のＸ方向位置ずれ及びＺ方
向ギャップを検出するというものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記構成
では、光ヘテロダイン干渉を利用した高分解能、高精度
な位置合わせ方法が故に、アライメント光学系の光軸の
倒れを精密に調整しなければならず、仮に光束が左右に
微量角傾いた場合や、光束全体が一方向に傾いた場合、
アンバランスな光路差が発生して不都合な位相変化が起
き、アライメント誤差が発生する。

【０００８】このような微小量の補正は、他の検出法と
ミックスさせ補正した場合は、分解能面からみてかなり
高分解能化は困難であり、同一光学系構成に於いて高分
解能を維持した光ヘテロダイン干渉を用いた同一検出法
により補正校正する方が、システムも複雑に成らないの
で望ましい。

【０００９】特に光へテロダイン方式でレンズを使用し
た光学系では、瞳面上で光軸に対して完全に平行光束に
調整しなければならず、上記２光束の組２組を用いるア
ライメント方法では、各組とも光軸の片側で平行にしか
も所定の間隔をおいて２光束が並び、且つ光軸の両側で
これらの２組が左右対称になるように調整しなければな
らず、又ギャップ変動で照明光位相波面がデフォーカス
（焦点ずれ）や収差等が原因で自ずと異なってくる問題
や、また実プロセス工程ではウエハの湾曲、プロセスウ
エハの段差、レジストの膜厚分布等があるので、均一位
相波面状態を常に維持できないので、照明光のギャップ
方向の波面歪み影響も考慮する必要があった。

【００１０】またアライメントに影響が出ない光軸の倒
れの許容値は、０．２度以下と計算され指摘されている
が、４光束を用いた光へテロダイン方式の上記位置ずれ
・ギャップ検出法であっても精密な光軸調整が必要であ
り、光軸の倒れ、光軸の傾きや干渉縞の歪み等により左
右対称な２組の位相変動量差、検出範囲長差、振幅強度
差が発生することや、図１２に示すような回折格子36の
ピッチ変動や、光軸に対するピッチ傾き回転があると、
ウェハＷが非計測方向に移動した時に不都合な位相変化
が発生することが判明した。

【００１１】一方、レーザ光をプローブ光とした直線偏
光を利用しているため、光が透過、反射する場合それぞ
れＰ偏光、Ｓ偏光の複素透過率、反射率比が変化するの
で直線偏光の光軸が回転したり楕円偏光になるいわゆる
偏光漏れを生じ、レンズ等による偏光方向の偏心や、光
学部品の傾きや、ミスアライメントも加わりアライメン
ト誤差要因と成っていた。また、直交２周波ゼーマンレ
ーザを光源にした場合、直交直線偏光（Ｐ偏光、Ｓ偏
光）の混入（クロストーク）などが悪影響し干渉縞の面
内歪みが発生し、精度劣化だけではなく測定周期範囲内
の位相直線性が非線形になる現象が現れた。

【００１２】更に光学部材基板の温度むらや、レーザ光
路に至っては、大気の揺らぎによる屈折率の変動、外乱
光の影響、機械振動により引き起こる数１０Ｈｚを周期
にした遅い信号揺らぎが発生して、ビート信号がゆっく
り変動し、電気処理系では取りきれないため位相計測時
に誤差が発生していた。

【００１３】本発明は、上記問題点に鑑み創案されたも
ので、Ｘ方向位置ずれとＺ方向ギャップの２次元方向に
付いてそれぞれ補正可能な高精度の位置ずれ及びギャッ
プ検出方法を提案するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、大気の揺らぎ
による屈折率変動の影響を抑えることができる上記差動
位相検出法の構成を前提とする。即ち図１に示すよう
に、周波数のわずかに異なる（例えば周波数ｆ₁とｆ₂）
２光束を倍にして２組４光束とし、２つの物体（例えば
マスクとウェハ）に対向した対物レンズ35の瞳面ＥＰ70
（この面位置は、回折格子のフーリエ変換像が得られる
面である）上で、これらを光軸に対し平行で且つ組間で
左右対称な入射配置にする光学系を用いて、２つの物体
の回折格子36に夫々所定の入射角度（θ₁とθ₂）で入射
せしめ、得られた回折光の各組内における異次数同士
（例えば周波数ｆ₁の０次回折光と周波数ｆ₂の−１次回
折光、及び周波数ｆ₁の＋１次回折光と周波数ｆ₂の０次
回折光）の回折光を干渉せしめてビート信号を得、各回
折格子36のＸ方向位置ずれ及びＺ方向ギャップによる光
路差変動量に基づき生じる該ビート信号の下式数１及び
数２、数３及び数４、数３及び数２、又は数１及び数４
の各組に示される位相変動量Δφ_xz及びΔφ_xz′からこ
れらの式の和と差によりＸ方向及びＺ方向の２次元位相
変動量Δφ_x及びΔφ_z を夫々算出する構成である。

【００１５】[数１]Δφ_xz＝−Δφ_x＋Δφ_z、Δφ_xz＝−Δφ_x＋Δφ_z

【００１６】[数２]Δφ_xz′＝Δφ_x＋Δφ_z、Δφ_xz′＝Δφ_x＋Δφ_z

【００１７】[数３]Δφ_xz＝Δφ_x−Δφ_z、Δφ_xz＝Δφ_x−Δφ_z

【００１８】[数４]Δφ_xz′＝−Δφ_x−Δφ_z、Δφ_xz′＝−Δφ_x−Δφ_z

【００１９】以上の構成を前提として、本発明は、瞳面
ＥＰに共役（結像）な関係にあるビームウェスト部分或
いはその入射側にある光学系の補正可動面の微調整を行
って、各組内の２光束の夫々につき光軸からの離間距
離、光束各組間の離間距離或いは光束各組と光軸との離
間距離を調整し、それにより光軸に対する光束の入射位
置調整が行なわれて２物体の各回折格子に照射されるア
ライメントビームの入射角微調整及び／又は光軸微調整
を行うことを基本的特徴としている。

【００２０】即ち可動光学部材を上記瞳面ＥＰと共役な
関係にある位置（ビームウェスト部分）或いはその入側
にある光学系を、移動可能な補正可動面を有する光学部
材として、瞳面ＥＰを操作可能にし、また上述のように
各組内の２光束の夫々につき光軸からの離間距離、光束
各組間の離間距離或いは光束各組と光軸との離間距離を
調整し、それにより光軸に対する光束の入射位置調整が
行なわれて２物体の各回折格子に照射されるアライメン
トビームの入射角微調整及び／又は光軸微調整を行うこ
とで、瞳面ＥＰ上で４光束が光軸に対して常に平行かつ
左右対称にるよう制御調整し、２つの物体の回折格子の
ピッチ長から得られる、所望の２光束間隔も調整可能と
なって、Ｐｓｉｎθ＝ｍλの回折基礎公式から得られる
±１次、０次の干渉条件のＦλ／Ｐの間隔に入射照明光
を調整し、ピッチ誤差を補正して最良の干渉光を検出す
る。

【００２１】また第２発明は、２つの物体の回折格子と
共役な位置近傍に視野絞りＡＳを設置し、該視野絞りＡ
Ｓに更に共役な関係にある２光束又は４光束の集光位置
の光学系の補正可動面の微調整を行って、該視野絞りＡ
Ｓ及び／又は２つの物体の回折格子におけるアライメン
トビームの波面調整や倍率誤差補正を行うことを特徴と
している。

【００２２】即ち上記視野絞りＡＳの面と更に共役な関
係にある面（上記２光束又は４光束の集光位置）の光学
系を、あおり、回転、移動が可能な補正可動面を有する
光学部材として、入射照明光波面を微動調整可能にし、
視野絞りＡＳと回折格子を両テレセントリック関係配置
にして、デフォーカス時の焦点面の波面歪みや倍率誤差
補正をして位相むらを低減する。

【００２３】第３発明は以上の２つの発明の構成を組み
合わせたもので、ここではその構成の詳細な説明は省略
する。

【００２４】

【実施例】以下本発明法の具体的実施例につき詳述す
る。その前に後述の実施例構成で回折格子から得られる
回折光の区別を明確にするため、その回折次数につき、
予め定義しておく。

【００２５】図２及び図３は反射回折格子の入射角・回
折角の符合の状態を示している。まず周波数ｆの単色光
が格子ピッチＰの反射回折格子36に対し、光軸から入射
角θiの傾きを持って入射した場合、正反射となる回折
次数m、n＝０の回折光を中心にそれより光軸側に回折す
るものはm、n＝−１、−２、−３……というようにマイ
ナス次数又その反対側に回折するものはm、n＝＋１、＋
２、＋３……というようにプラス次数（これらの回折次
数に対応する回折角をθm、θnとする）になる。この時
の入射角θiと回折角θm、θnとの関係は、回折格子の
基礎公式により、次式数５及び数６の様になる。

【００２６】

【数５】

【００２７】

【数６】

【００２８】以上の定義を基に、次に実施例構成につき
詳述する。図４及び図５はマスクＭとウェハＷの位置ず
れ検出を行なう本願第３発明法の実施に使用される光学
系装置構成の一例を示す斜視図と、該光学系光路詳細図
である。光学部材の配置は、光軸に対して左右対称配置
になるよう設計されている。

【００２９】図４において、まず２波長直交偏光レーザ
光源12より偏光面が直交し、且つ周波数がわずかに異な
る（ｆ₁、ｆ₂）単色レーザ光（即ち、周波数ｆ₁成分に
ついては→で表わすＰ偏光、又周波数ｆ₂成分について
は↑で表わすＳ偏光）を発生させる。10は該光源12のコ
ントローラであり、電気的な処理を施してＲＥＦ11から
｜ｆ₁−ｆ₂｜の周波数の参照ビート信号が出力されるよ
うになる。尚、該光源12については音響光学素子（ＡＯ
Ｍ）２つからなる周波数シフタ等で２周波数のものを得
る構成に置き換えてもよい。

【００３０】この光源12から射出されたアライメント光
は通常３〜４度程度レーザ射出口で楕円偏光になってお
り、これをλ／４板13という位相板（回転補正光学部
品）によって２周波成分の直交状態をより正しい姿勢に
直す。そしてアライメント光のビームは偏光ビームスプ
リッタ（ＰＢＳ）14に至り、そこからＳ偏光（ｆ₂周波
数）成分がレンズ15に至る。該レンズ15より出たｆ₂周
波数のＳ偏光成分はミラー16により光路を変え、その後
λ／２板17に対し、結晶軸と45°の方向から入射させ、
周波数ｆ₂のＳ偏光をＰ偏光にして、前記ｆ₁周波数のＰ
偏光と同じ偏光方向に変える。Ｐ偏光になったｆ₂周波
数のアライメントビームは無偏光ビームスプリッタ22の
分離面で、図上ＢＷ72に示す面上に集光する（ビームウ
エストと呼ばれ、レーザビームが一番絞り込まれた状態
になっている）。可動部材18は、ミラー16をＸ方向に移
動可能であり、該ミラー16の移動により反射位置を移動
させ、第１ＢＷ72面上の集光位置を微動移動可能にす
る。これは後述するミラー20のＸ方向への移動構成と共
に、各組内の２光束の夫々につき光軸からの離間距離を
調整し、上記数５及び数６式に従って、回折格子のピッ
チＰに依存する回折角度θ_m、θ_nで所望の回折光が得ら
れるようにするものである。

【００３１】一方、偏光ビームスプリッタ14を透過した
Ｐ偏光のアライメントビームは、レズ19を経由してミラ
ー20により光路を変え、前記無偏光ビームスプリッタ22
の分離面でビームウエストになる。この無偏光ビームス
プリッタ22で前述したｆ₂周波数成分のＰ偏光と、ｆ₁周
波数成分のＰ偏光とが入射することになる。可動部材21
は、同様にミラー20をＸ方向に移動可能であり、該ミラ
ー20の移動により第１ＢＷ72面上の集光位置を微動移動
する。ここで、両アライメントビームは分離面第１ＢＷ
72上でビームウエストとなり、分離後は平行光として一
緒に２方向に分岐される。この面第１ＢＷ72は、後述の
対物レンズ手前の瞳面ＥＰ70と４光束のビームウエスト
第２ＢＷ71と共に共役（結像）関係にあり、第１ＢＷ72
を操作するとその共役面も関連して操作できる。

【００３２】分離後の一方のアライメントビーム２光束
はレンズ23を通って該レンズ23の後面焦点位置にあるミ
ラー24の反射面上に集光する。この面は、後述の視野絞
りＡＳ31と共役関係にある。可動部材50は、回転やあお
りの微動調整が可能で、視野絞りＡＳ31上のアライメン
トビームの波面を調整できる。更にミラー24は、レンズ
25の前面焦点距離に配置されているので、反射後の２光
束はレンズ25透過後は、平行２光束となり、ナイフエッ
ジ４５゜直角反射プリズム29に至る。もう一方のアライ
メントビーム２光束はレンズ26を通って該レンズ26の後
面焦点位置にあるミラー27の反射面上に集光する。この
面も、後述の視野絞りＡＳ31と共役関係にある。可動部
材51は、同様に微動調整可能で、視野絞りＡＳ上のアラ
イメントビームの波面を調整できる。更にミラー27は、
レンズ28の前面焦点距離に配置されているので、反射後
の２光束はレンズ26透過後は、同様に平行２光束とな
り、ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム29に至る。

【００３３】該ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム29
から反射された４光束は、レンズ25、28の後面焦点位置
にある第２ＢＷ71でレーザビームが絞り込まれたビーム
ウエスト状態となり、光軸に平行で対称な４光束点光源
となる。この第２ＢＷ71面は、前記の第１ＢＷ72と同様
に、また後述の瞳面ＥＰ70とも共役な関係にある。そし
て可動部材52は、ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム
29をＸ方向及びＺ方向に移動させることができ、そのＸ
方向移動で光軸に対する平行移動操作を行って光束の各
組全体と光軸との離間距離を調整し、又Ｚ方向移動で２
光束の組間の光軸からの離間距離を夫々調整できる。尚
本実施例では、前記可動部材18により第２ＢＷ71面上の
両組外側の２光束を、同様に前記可動部材21により第２
ＢＷ71面上の両組内側の２光束を夫々操作できるように
してあるのは、前述した通りである。

【００３４】前記ナイフエッジ４５゜直角反射プリズム
29により反射し所定間隔にセットされた左右対称平行４
光束は、図４及び図５に示される様にアホーカル系構成
のレンズ30、32で所定の幅（具体的には後述する様に光
軸より両側に２光束間隔が夫々Ｆ・sinθ）に調整され
る。即ち前記レンズ30はその前面焦点位置が第２ＢＷ71
のレーザビーム４光束点光源の近傍になるように設置し
てあり、又もう一方のレンズ32はその前面焦点位置に該
レンズ30の後面焦点位置が来るように設置してある。従
ってレンズ30から出た光束は一度該レンズ30の後面焦点
位置でそのビームが平行交差し、この位置に配置された
視野絞りＡＳ31でビームが通過中に整形され、マスク
Ｍ、ウエハＷ上のアライメント用マークの回折格子面だ
けを照明する形状にする。視野絞りＡＳ31の形状は、回
折格子の計測方向に視野絞り自身のフランホーファ回折
像が投影しない、例えば平行四辺形や変形スリット等の
形状が望ましいが、ここでは円形形状とした。

【００３５】視野絞りＡＳ31の位置は、マスクＭ及びウ
ェハＷ上の後述する回折格子36と共役（結像）な関係に
ある。ここで整形されたビームは、レンズ32を出た所で
光軸対称な４光束となる。しかもこのレンズ32により後
面焦点の位置に瞳面ＥＰ70（光束ビームが一番絞られる
面）が作られる。ここが後述するアライメント射出瞳と
なる。この時瞳面ＥＰ70で２光束の幅は夫々光軸からＦ
・sinθとなる（ここでＦは後述する対物レンズ35の後面
焦点距離、又θはマスクＭ及びウェハＷの各回折格子36
にアライメント光を入射した場合に得られる回折光の回
折角度を指す）。尚該レンズ30と後述するレンズ32はテ
レセントリックな関係になっている。

【００３６】このレンズ32から出た光束は光軸に対して
平行に進み、前記対物レンズ35前面焦点距離位置にある
瞳面ＥＰ70上で上述した間隔を開けて夫々集束した後、
この瞳面ＥＰ70がその中にある偏光ビームスプリッタ33
を透過して、λ／４板34でその直線偏光が円偏光とな
り、対物レンズ35により所定の入射角度で４光束が同時
にマスクＭ及びウェハＷの各回折格子36に入射される。
この時のアライメント光の入射角度は、そのビームが光
軸反対方向から入射する位置に０次回折光を正反射さ
せ、更にそこを中心に±１次及び±２次回折光を得るこ
とができる角度（光軸との間の角度）に丁度相当してお
り、該入射方向から逆向きに回折されることになる。

【００３７】該入射によってこれらが回折した時点で、
ｆ₁周波数成分の０次光とｆ₂周波数成分の−１次光が、
またｆ₁周波数成分の＋１次光とｆ₂周波数成分の０次光
が（その他組内の２光束に由来する異次数回折光同士
が）夫々干渉し合う。これらの回折光は、マスクＭ面及
びウェハＷ面に垂直な光軸に対して左右対称に進み、且
つ円偏光の回転方向が逆になって進むことになる。そし
て該回折光は前述の対物レンズ35を通って光軸に対して
平行光となりながら前記λ／４板34に進み、それによっ
て入射時の直線偏光と90゜直交する角度の直線偏光に再
度なり、偏光ビームスプリッタ33の分離面で反射されて
入射方向と完全にアイソレーション（絶縁分離）する。
尚、ここでは全ての回折光のうち、６光束のみを明記
し、高次の回折光は明記しなかった。

【００３８】前記λ／４板34を通過した光束は瞳面ＥＰ
70で一度集光し、該瞳面ＥＰ70が丁度その前面焦点距離
の位置に相当する位置になるように配置されたテレセン
トリックな結像関係にするレンズ37により、回折光がマ
スクＭ及びウェハＷの各回折格子36と共役（結像）関係
にあるＭ，Ｗ Conjugate（共役）面73で不要な回折光
は除去され所望の６光束を集光させる。レンズ37、38は
アホーカル拡大鏡の構成で共役面73のマスクＭとウェハ
Ｗの干渉像をそれぞれ分離できる程度に拡大する。レン
ズ38を通過した６光束は平行光となり、直角三角プリズ
ム39に至ったところで、左右の各３光束が夫々光軸に対
して対称に反射して進行方向を変え、夫々の光束はレン
ズ38の後面焦点距離位置で絞り込まれる。

【００３９】そのうち一方の干渉回折光は、空間フィル
タ40で中央の（−２、−１）次干渉光束が遮光され、左
右の２光束が該空間フィルタ40を透過し、前面焦点距離
が前記絞り込まれた位置（空間フィルタ40の位置）にな
るようにセットされたレンズ41、42に至り、更に該レン
ズ41、42の後面焦点距離の位置にある２分割ディテクタ
43、44の受光面上で結像する。該受光面は回折格子36と
共役関係にあり、前記視野絞りＡＳ31で成形された形状
と同じ回折光の像が得られる。そしてそこでマスクＭ及
びウェハＷの各回折格子36と対応した光ヘテロダイン信
号４種類を各々検出して電気処理を施し、夫々の相対位
相を算出する。また前記直角三角プリズム39で反射され
たもう一方の平行３光束は、空間フィルタ45で同様に
（−２、−１）次干渉光が遮光され、（＋１、０）次及
び（０、−１）次の干渉光が透過する。前面焦点距離の
位置が前述した絞り込まれた位置（空間フィルタ45）に
なるようにセットされたレンズ46、47に至り、更に該レ
ンズ46、47の後面焦点距離の位置にある２分割ディテク
タ48、49の受光面上で結像する。該受光面は回折格子36
と共役関係にあり、前記視野絞りＡＳ31で成形された形
状と同じ回折光の像が得られる。そしてそこでマスクＭ
及びウェハＷの各回折格子36と対応した光ヘテロダイン
信号４種類を各々検出して電気処理を施し、夫々の相対
位相を算出する。尚、図面上には示されていないが、２
分割ディテクタ43、44、48、49の手前に外乱光除去のた
めのスリットを設置しても良い。

【００４０】よって、同一次数組、同一検出範囲長（位
相周期）の４種類で計８個の干渉光の複数干渉ビート
（交流）信号より、前記ＲＥＦ11からの参照ビート信号
との相対位相変動量を複数検出することによって、変動
量（ディテクタ43と48で検出された位相変動量及びディ
テクタ44と49で検出された位相変動量）が等しくなる補
正量を算出し可動光学部材にフィードバツクする。補正
確認後、位置ずれΔｘ及びギャップΔｚの相対位相を平
均算出処理を施して求め、該ΔｘとΔｚに対応する相対
位相変動量を、和と差からそれぞれ分離して求める。

【００４１】次に別の実施例を図６を用いて説明する。
前実施例では無偏向ビームスプリッタにより４光束を分
離したが、本実施例では、２光束を透過型基準回折格子
に照明して、得られる回折透過光の±１次、±１次の同
一強度の左右対称４光束入射照明光を得る。

【００４２】図６では、アライメント光のビームは偏光
ビームスプリッタ（ＰＢＳ）14に至り、そこからＳ偏光
（ｆ₂周波数）成分がレンズ15に至る。該レンズ15より
出たｆ₂周波数のＳ偏光成分はミラー16により光路を変
え、その後λ／２板17でＳ偏光をＰ偏光に変える。Ｐ偏
光になったｆ₂周波数のアライメントビームはナイフエ
ッジ４５゜直角反射プリズム29の反射面上に集光する。
この反射面は、瞳面（ＥＰ）70と空間フィルタ63のビー
ムウエスト第２ＢＷ71と共に共役（結像）関係にある。
そして可動部材50は、ミラー16をＸ方向に移動すること
が可能であり、該ミラー16の移動により反射位置を移動
させ、プリズム29の反射面上の集光位置を微動移動可能
にする。一方、偏光ビームスプリッタ14を透過したＰ偏
光のアライメントビームは、レンズ19を経由してミラー
20により光路を変え、前記ナイフエッジ４５゜直角反射
プリズム29の反射面上でビームウエストになる。この反
射面も、瞳面（ＥＰ）70と空間フィルタ63のビームウエ
スト第２ＢＷ71と共に共役（結像）関係にある。そして
可動部材51は、同様にミラー20をＸ方向に移動すること
が可能であり、プリズム29の反射面上の集光位置を微動
移動する。

【００４３】このナイフエッジ４５゜直角反射プリズム
29で反射した後、前述したｆ₂周波数成分のＰ偏光と、
ｆ₁周波数成分のＰ偏光とが平行２光束になる。また可
動部材52はＸ方向に該プリズム29を移動することが可能
であり、両反射面上の集光位置を微動移動することがで
き、更にＺ方向にも移動させることも可能であり、２光
束の間隔も調整できる。平行２光束は、前面焦点距離の
位置が該プリズム29反射面にセットされたレンズ60に至
る。

【００４４】アライメントビーム２光束はレンズ60を通
過して該レンズ60の後面焦点距離の位置にある基準回折
格子61面で平行交差する。この面は、後述する視野絞り
ＡＳ31と共役関係にある。該格子61にセットされた可動
部材55は、該回折格子61の回転やあおりの微動調整が可
能で、視野絞りＡＳ31上のアライメントビームの波面を
調整できる。またこの基準回折格子61に入射する２光束
の入射角度を、前記可動部材52によるプリズム29のＸ方
向及びＺ方向移動で調整し、強度が等しい±１次、±１
次の透過回折光が所望の間隔になるようにする。

【００４５】該回折格子61面からの透過回折光は、前面
焦点距離の位置が回折格子61面上にセットされたレンズ
62の後面焦点距離の位置にある第２ＢＷ71で、レーザビ
ームが絞り込まれたビームウエスト状態となる。光軸に
平行で対称な４光束点光源となった±１次、±１次の透
過回折光を空間フィルタ63で通過させ、０次光と、高次
回折透過光を遮光する。この第２ＢＷ71面は、前述のプ
リズム29反射面と同様に、後述する瞳面ＥＰ70と共役な
関係になる。

【００４６】空間フィルタ63を通過した所定間隔配置さ
れた左右対称平行４光束は、図６に示される様にアホー
カル系構成のレンズ30、32で所定の幅（具体的には後述
する様に光軸より両側に２光束間隔が夫々Ｆ・sinθ）に
調整される。以後の光学系は前実施例と同じであり、そ
の詳細は省略する。また本図面では図示しなかった偏波
面保持ファーイバを用いた光学系でも同様に調整可能で
ある。

【００４７】次に以上の様な２実施例構成が実施された
場合のその作用につき詳述する。

【００４８】上記の２実施例では数十ミクロンギャップ
量を持ったマスクＭに形成された回折格子36とウェハＷ
に形成された回折格子36に対し、対物レンズ35を介して
コヒーレントなレーザ光を４方向から入射させ、回折光
を発生させたものである。尚簡略のためマスクＭ（又は
ウェハＷ）１種類に上記レーザ光を当てた場合につい
て、以下説明する。

【００４９】図７及び図８（ａ）（ｂ）はＬ／Ｓ（ライ
ン＆スペース比）が１：１である回折格子（Ｐｘ：格子
ピッチ）に対して照射を行なった状態の回折光強度分布
と瞳面70の断面図及び回折格子の状態を示す説明図であ
る。前記回折格子36から後面焦点距離Ｆの位置にある前
記対物レンズ35により回折格子36の回折格子像が得られ
る面（この面は対物レンズ35の前面焦点距離Ｆの位置に
ある）を瞳面ＥＰ70と呼ぶ（この面は回折格子36のフー
リエ変換像を得た面なのでフーリエ面とも呼ばれる）。

【００５０】光軸方向からθ₁内側入射角、θ₂外側入射
角度の角度差をもたせて、光軸に対して対称位置に２光
束の組２組が入射する入射配置とする。θ＝(θ₁-θ₂)
の角度差は、±１次の回折角度と等しい角度である。ま
ず光軸方向から左シフトした２光束ｆ₁及びｆ₂は、この
図では瞳面ＥＰ70上で光軸に対して左側にＦ・sinθ₁及
びＦ・sinθ₂離れた位置に、即ちこれらの２光束の間隔
が（０、−１）次及び（＋１、０）次回折ヘテロダイン
干渉光が得られる間隔になるように、調整されている．

【００５１】瞳面ＥＰ70では一度集光（ビームウエス
ト）された状態となって入射され、対物レンズ35により
回折格子36に照射される。図８（ａ）に示すように、該
瞳面ＥＰ70上では強度分布の広がりはあるが、その強度
分布の中心がビームウエスト位置になる。その結果図７
に示した光軸に対しその入射方向とは対称な位置に、即
ち逆方向のもう一方（斜線）の２光束入射位置に、それ
ぞれ正反射（０次）回折光が取り出されることになる。
その回折光の像は対物レンズ35の瞳面ＥＰ70上でフーリ
エ変換像に変換される。このｆ₁及びｆ₂の周波数成分の
瞳面ＥＰ70上における回折光の強度分布を図７(ｂ)の下
段に示す。同図に示される様に、０次と±１次の回折光
強度分布が光軸から右にシフトした位置に並んでいる。

【００５２】同様に斜線で示す右方向からのｆ₁及びｆ₂
周波数成分のレーザ光は、同図に示すように、瞳面ＥＰ
70上で光軸右側にＦ・sinθ₁及びＦ・sinθ₂離れた位置
で一度集光され、対物レンズ35により回折格子36に照射
される。その結果光軸に対しこの入射方向とは対称な位
置に、ｆ₁及びｆ₂周波数成分の正反射（０次）が取り出
されることになる。その回折光の像は対物レンズ35の瞳
面ＥＰ70上でフーリエ変換像に変換される。この強度分
布を図７(ｂ)の上段に示す。同図に示される様に、±１
次と０次の回折光強度分布が光軸から左シフトした位置
に並んでいる。

【００５３】前述の場合と同様、同図（ｃ）に、各回折
光の干渉ビート光を視覚化して○で示す。かくして１組
のｆ₁及びｆ₂周波数成分の回折次数ｍ＝＋１、ｎ＝−１
の回折光とｆ₂及びｆ₁周波数成分の回折次数ｎ、ｍ＝０
の回折光との光ヘテロダイン干渉縞が、またもう１組の
ｆ₁及びｆ₂周波数成分の回折次数ｍ、ｎ＝０の回折光と
ｆ₂及びｆ₁周波数成分の回折次数ｎ＝−１、ｍ＝＋１の
回折光との光ヘテロダイン干渉縞が、同時にしかも光軸
に対して左右対称な位置に結合混入することなく得られ
ている。

【００５４】更に上記両回折光の干渉で得られる｜ｆ₁
−ｆ₂｜の光ヘテロダインビート信号の干渉縞が得られ
る位置を図７(ｃ)に同様に示す。ディテクタ48、49上で
は干渉縞空間で一様な明るさ（ワンカラー）内に調整さ
れ、波面歪みも取り除かれている。又光ヘテロダイン干
渉縞は高速（数十ＫＨz〜数１００ＫＨz）であるため、
肉眼では見ることができず電気的な信号に変換しなけれ
ばならないが、回折格子を非計測方向に動かすと波面歪
みがある場合、位相変動が起こる。

【００５５】次にこの様な入射方法によって得られる検
出範囲長の求め方を説明する。即ち２光束の光波を
ｕ₁、ｕ₂とすると、次のように書ける。

【００５６】

【数７】

【００５７】

【数８】

【００５８】互いに同一方向に偏光した光ｆ₁とｆ₂は、
回折格子上で可干渉となる。ここで振幅が略等しく周波
数がわずかに異なっており（数10KHz〜数100KHz）、且
つ同一方向に進行する２つの波ｕ₁とｕ₂の重ね合せを考
える。

【００５９】干渉ビート周波数（うなり）は振幅の変動
の繰り返し周波数で、次式数９で表わせる。

【００６０】

【数９】

【００６１】光検出器（ディテクタ）が｜ｕ₁＋ｕ₂｜²
で反応することを考慮して、ｕ₁とｕ₂の２つの波の振幅
の和を２乗して波の重ね合せ強度を求めると次式数１０
が得られる。

【００６２】

【数１０】

【００６３】光ヘテロダインアライメント方式ではこの
位相差の測定を行なうことになるが、この位相差は±18
0゜以内と角度検出範囲が固定されてしまうため、前記
数１０の[L(1)/λ₁-L(2)/λ₂］の項で示される光路差[L
(1)-L(2)]が、検出範囲と位相の進み遅れ方向を左右す
る項目となる。使用される２つの周波数ｆ₁とｆ₂のレー
ザ光はわずかに波長が異なり、ビ−ト信号の周波数(f₁-
f₂)は約2.4×10⁵Hzであって光周波数約5×10¹⁴Hzと比較
して充分小さいので、光速をＣとするとビート周波数Δ
ｆは｜Ｃ／λ₁−Ｃ／λ₂｜であり、Δｆ<<Ｃであるた
め、レーザ波長はλ₁＝λ₂≒λと置ける。従って数１０
式のcosの位相項である次式数１１は、次式数１２のよ
うに置き換えることができる。

【００６４】

【数１１】

【００６５】

【数１２】

【００６６】以上の定義を基に位置ずれ及びギャップ検
出方法の原理を説明する。図９及び図１０は、第１実施
例に於ける回折格子が点Ｐから点Ｐ′に移動した時、Δ
ｘ及びΔｚのＸ方向、Ｚ方向の微少量移動により発生す
る光路差を示し、右シフトと左シフトの２光束入射時の
光路長差の変化を太線で示す。ここで(0,+1)次と(-1,0)
次の干渉について考察する。

【００６７】まず光軸に対して非対称的に取り出されて
くるｆ₁周波数成分の−１次回折光とｆ₂周波数成分の０
次回折光の組及びｆ₂周波数成分の−１次回折光とｆ₁周
波数成分の０次回折光の組の各光ヘテロダインビート信
号が、同じ位相方向（進み、遅れ）を示すことになるの
を説明する。

【００６８】図９及び図１０において回折格子36がΔ
ｘ、Δｚだけ移動した時の光路差を求める場合、その光
路を示すもののうち、丸Ａで示す入射光路差のみを算出
すれば良い。回折方向の丸Ｂ及び丸Ｃで示す回折光路
は、光路差を求めるときＬ(1) とＬ(2)が共に等しいの
で光路差計算から消去されるからである。 ここで、θ₁
を内側入射角、θ₂を外側入射角として、微小移動した
時の周波数ｆ₁の成分の光路Ｌ(1)は、次式数１３のよう
になる。

【００６９】

【数１３】

【００７０】一方、周波数ｆ₂の成分の光路Ｌ(2)は、同
じく数１４に示すようになる。

【００７１】

【数１４】

【００７２】よって右に傾いた２光束から(0,-1)次及び
(+1,0)次共に、次式数１５の光路差が発生する。

【００７３】

【数１５】

【００７４】上式数１５の右辺第一項は負、第二項は正
であり、その位相変動量はΔφ_xとΔφ_zを夫々の方向の
位相変動量とすると、以下の数１６のようになる。

【００７５】

【数１６】

【００７６】一方、図１０の場合は、左に傾いた２光束
から発生する光路差は共に次式数１７に示すようにな
る。

【００７７】

【数１７】

【００７８】同様に、周波数ｆ₂の光路Ｌ(2)は、次式数
１８のようになる。

【００７９】

【数１８】

【００８０】よって左に傾いた２光束から(0,-1)次及び
(+1,0)次共に、次式数１９の光路差が発生する。

【００８１】

【数１９】

【００８２】上式数１９の右辺第一項及び第二項は共に
正であり、位相変動量は以下の数２０のように書ける。

【００８３】

【数２０】

【００８４】上述した数１６及び数２０の和と差によ
り、Δφ_xとΔφ_z が分離して尚かつ複数測定することが
できる。

【００８５】前記数１０に光路差を代入してみると、Ｘ
方向の変位Δｘを位相変動量Δφ_x として検出でき、そ
の周期は逆数の下式数２１を周期として直線的に変化
し、またＺ方向は変位Δｚを位相変動量Δφ_z として検
出でき、その周期は逆数の下式数２２を周期として同様
に直線的に変化する。

【００８６】

【数２１】

【００８７】

【数２２】

【００８８】次にｘ方向、ｚ方向の分解能差があること
について説明する。検出範囲長について考えると、Δφ
_x、Δφ_zの位相変動量が大きければ、位相の進み遅れが
早く、分解能が高くなり、検出範囲が狭くなるが、位相
変動量が小さければ逆になる。Δｘ、Δｚの光路差は、
sinθ₁とcosθ₂の夫々の差で表されているので、三角関
数の差を積に直す公式により次式数２３及び数２４が夫
々得られる。

【００８９】

【数２３】

【００９０】

【数２４】

【００９１】ここで上式よりΔφ_x、Δφ_z の分解能に差
があることが解り、θ₁＋θ₂が90゜に成らないと上数式
は等しくならない。２つの実施例ではθ₁＋θ₂が90゜以
下であるため、上式数２３及び数２４の右辺の前の部分
である下式数２５と数２６を比較すると数２５が大きい
ためｘ方向の分解能がｚ方向と比較すると高くなる。実
用上はｘ方向が高分解能で、ｚ方向はギャップ検出範囲
の数十〜百μmが望ましい。

【００９２】

【数２５】

【００９３】

【数２６】

【００９４】０次と±１次の干渉なので回折基礎公式よ
り次式数２７の関係が得られる。これをｘ方向、ｚ方向
に当てはめて検出範囲長を求めてみる。図８（ａ）の瞳
面ＥＰ70上では、光軸から約１：５の距離に配置される
（θ₂−θ₁）は、０次と±1次の回折角度であることか
ら、近似的な検出範囲長を求めてみる。ここで次式数２
８及び数２９のように近似する。

【００９５】

【数２７】

【００９６】

【数２８】

【００９７】

【数２９】

【００９８】よって前式数１２に代入して、ｘ方向範囲
は次式数３０により分母のＰを周期とする。またｚ方向
は、同様に回折基礎公式を当てはめると、次式数３１の
ようになる。

【００９９】

【数３０】

【０１００】

【数３１】

【０１０１】ここでピッチＰ＝８μｍ、６μｍ及び４μ
ｍとし、波長λ＝０．６３２８μｍすると、Ｘ方向の周
期長は８μｍ、６μｍ及び４μｍとなりピッチに等し
く、Ｚ方向の周期長は夫々１４０．６μｍ、７５．７μ
ｍ及び３３．８μｍとなる。ここで言うまでもなく、ピ
ッチを短くすれば高分解能になる。

【０１０２】次に、光軸傾きによる誤差を見積もる。図
１１は、瞳面ＥＰ70上で光軸から４光束がΔθずれた様
子を示すものである。ここでの傾きΔθは微小角度であ
る。前記の光路差数式により、sinとcosで表せた。ここ
でΔθだけ傾くと、Ｘ方向にはsin誤差、Ｚ方向には（1
-cosΔθ）のcos誤差が発生する。その量を級数展開し
て求めてみる。sin、cosは次式数３２及び数３３のよう
に展開できる。

【０１０３】

【数３２】

【０１０４】

【数３３】

【０１０５】Δθが微小量だとして２次の項までを有効
項とするとＸ方向には、ΔθΔｘのsin誤差がＺ方向に
は次式数３４のcos誤差がθ₁、θ₂について発生する
が、差を取る方向は消去され、傾き影響は出ない。

【０１０６】

【数３４】

【０１０７】図１２は、マスク・ウェハ回折格子のピッ
チ変動、ピッチ回転、傾きの説明図である。ピッチ誤差
補正のため２光束間隔を調整しなければならず、ピッチ
変動やピッチ回転傾きがあると、非計測方向に移動した
場合、位相が変動するので補正する微動調整機構が必要
である。

【０１０８】

【発明の効果】以上詳述した本発明の位置ずれ及びギャ
ップ検出方法によれば、位置ずれ量Δｘとギャップ変動
量Δｚの双方を同時に、且つ広検出範囲及び高検出分解
能を保持しつつ検出する場合に、光学系可動部により光
軸の傾き、光学部材の偏心やピッチ回転等により発生す
るアライメント誤差を取り除けるといった優れた効果を
有しており、本法をアライメント用に用いれば、そのア
ライメント精度を高めることが可能となる。更に本発明
の前提構成は、左右対称な４光束配置と成っているた
め、大気のゆらぎ等影響を受けにくく、入射光の波長変
動が小さくなって、その検出精度を大幅に改善できる様
になる。尚、本位置ずれ及びギャップ検出方法を用いれ
ば、装置の振動参照信号を同一回折格子に求めたため、
差動検出法によりその影響を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で前提となる差動位相検出法の構成を示
す説明図である。

【図２】光軸左側入射時の回折光回折次数の説明図であ
る。

【図３】同じく光軸右側入射時の回折光回折次数の説明
図である。

【図４】第１実施例の実施構成の一例を示す光学系斜視
図である。

【図５】同実施例における光学系光路の詳細説明図であ
る。

【図６】同じく第２実施例における光学系光路の詳細説
明図である。

【図７】瞳面光軸両側にＦ・sinθ離れた間隔のアライ
メント２光束光を入射し対物レンズにより回折格子に該
光の照射を行なった時の光ヘテロダイン干渉モデルを示
す検出原理説明図である。

【図８】瞳面平面と回折格子の説明図である。

【図９】前記図７の左シフト入射アライメント光照射の
場合の光路Ｌ(1)と光路Ｌ(2)間の光路差を示す説明図で
ある。

【図１０】同じく前記図７の右シフトアライメント光照
射の場合の光路Ｌ(1)と光路Ｌ(2)間の光路差を示す説明
図である。

【図１１】光軸傾き誤差を示す説明図である。

【図１２】ピッチ誤差とピッチ回転誤差を示す説明図で
ある。

【符号の説明】 31 視野絞りＡＳ 35、30 レンズ 35 対物レンズ 36、36a、36b 回折格子 70 瞳面ＥＰ Ｍ マスク Ｗ ウェハ

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数のわずかに異なる２光束を倍にし
   て２組４光束とし、２つの物体に対向する対物レンズの
   瞳面ＥＰ上で、これらを光軸に対し平行で且つ組間で左
   右対称な入射配置にする光学系を用いて、これらの物体
   の回折格子に夫々所定の入射角度で入射せしめ、得られ
   た回折光の各組内における異次数同士の回折光を干渉せ
   しめてビート信号を得、各回折格子のＸ方向位置ずれ及
   びＺ方向ギャップによる光路差変動量に基づき生じる該
   ビート信号の下式数１乃至数２に示される位相φ_xz及び
   φ_xz′からこれらの式の和と差によりＸ方向及びＺ方向
   の２次元位相変動量φ_x及びφ_zを夫々算出する位置ずれ
   及びギャップ検出方法において、瞳面ＥＰに共役な関係
   にあるビームウェスト部分或いはその入射側にある光学
   系の補正可動面の微調整を行って、各組内の２光束の夫
   々につき光軸からの離間距離、光束各組間の離間距離或
   いは光束各組と光軸との離間距離を調整し、それにより
   光軸に対する光束の入射位置調整が行なわれて２物体の
   各回折格子に照射されるアライメントビームの入射角微
   調整及び／又は光軸微調整を行うことを特徴とする位置
   ずれ及びギャップ検出方法。 【数１】 φ_xz＝−φ_x＋φ_z、φ_xz＝−φ_x＋φ_z 【数２】 φ_xz′＝φ_x＋φ_z、φ_xz′＝φ_x＋φ_z
2. 【請求項２】 周波数のわずかに異なる２光束を倍にし
   て２組４光束とし、２つの物体に対向する対物レンズの
   瞳面ＥＰ上で、これらを光軸に対し平行で且つ組間で左
   右対称な入射配置にする光学系を用いて、これらの物体
   の回折格子に夫々所定の入射角度で入射せしめ、得られ
   た回折光の各組内における異次数同士の回折光を干渉せ
   しめてビート信号を得、各回折格子のＸ方向位置ずれ及
   びＺ方向ギャップによる光路差変動量に基づき生じる該
   ビート信号の下式数１乃至数２に示される位相φ_xz及び
   φ_xz′からこれらの式の和と差によりＸ方向及びＺ方向
   の２次元位相変動量φ_x及びφ_zを夫々算出する位置ずれ
   及びギャップ検出方法において、２つの物体の回折格子
   と共役な位置近傍に視野絞りＡＳを設置し、該視野絞り
   ＡＳに更に共役な関係にある２光束又は４光束の集光位
   置の光学系の補正可動面の微調整を行って、該視野絞り
   ＡＳ及び／又は２つの物体の回折格子におけるアライメ
   ントビームの波面調整や倍率誤差補正を行うことを特徴
   とする位置ずれ及びギャップ検出方法。 【数１】φ_xz＝−φ_x＋φ_z、φ_xz＝−φ_x＋φ_z 【数２】φ_xz′＝φ_x＋φ_z、φ_xz′＝φ_x＋φ_z
3. 【請求項３】 周波数のわずかに異なる２光束を倍にし
   て２組４光束とし、２つの物体に対向する対物レンズの
   瞳面ＥＰ上で、これらを光軸に対し平行で且つ組間で左
   右対称な入射配置にする光学系を用いて、これらの物体
   の回折格子に夫々所定の入射角度で入射せしめ、得られ
   た回折光の各組内における異次数同士の回折光を干渉せ
   しめてビート信号を得、各回折格子のＸ方向位置ずれ及
   びＺ方向ギャップによる光路差変動量に基づき生じる該
   ビート信号の下式数１乃至数２に示される位相φ_xz及び
   φ_xz′からこれらの式の和と差によりＸ方向及びＺ方向
   の２次元位相変動量φ_x及びφ_zを夫々算出する位置ずれ
   及びギャップ検出方法において、瞳面ＥＰに共役な関係
   にあるビームウェスト部分或いはその入射側にある光学
   系の補正可動面の微調整を行って、各組内の２光束の夫
   々につき光軸からの離間距離、光束各組間の離間距離或
   いは光束各組と光軸との離間距離を調整し、それにより
   光軸に対する光束の入射位置調整が行なわれて２物体の
   各回折格子に照射されるアライメントビームの入射角微
   調整及び／又は光軸微調整を行うと共に、これらの物体
   の回折格子と共役な位置近傍に視野絞りＡＳを設置し、
   該視野絞りＡＳに更に共役な関係にある２光束又は４光
   束の集光位置の光学系の補正可動面の微調整を行って、
   該視野絞りＡＳ及び／又は２つの物体の回折格子におけ
   るアライメントビームの波面調整や倍率誤差補正を行う
   ことを特徴とする位置ずれ及びギャップ検出方法。 【数１】φ_xz＝−φ_x＋φ_z、φ_xz＝−φ_x＋φ_z 【数２】φ_xz′＝φ_x＋φ_z、φ_xz′＝φ_x＋φ_z