JPH083408B2 - ギャップ設定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、第１の物体と第２の物体とのギャップを
所定の値に設定する方法に関する。詳しくは、半導体製
造工程において、回路パターンの像がウェハに転写され
るきに、マスクとウェハとのギャップを所定値に設定す
る方法に関する。

（従来の技術） 超LSIなどの半導体装置が製造される工程において
は、露光装置によってウェハに回路パターンが転写され
るのが一般的である。この装置では、予めマスクに形成
された回路パターンにＸ線が照射されると、回路パター
ンの像がウェハに転写される。この回路パターンが転写
される前に、マスクとウェハとのギャップが所定値に正
確に設定される必要がある。

ところで、マスクとウェハとのギャップを設定する方
法の一例が特開昭61−116837号公報に開示されている。
この方法では、回折格子が用いられている。即ち、第１
図に示されるように、マスク１に１次元の回折格子２が
形成されるとともに、ウェハ３に反射面４が形成されて
いる。マスク１上面にレーザ光が照射されると、マスク
１の回折格子２を回折し且つ透過した光がウェハ３の反
射面で反射され、再びマスク１の回折格子２で回折す
る。この回折光のうち＋１次回折光In（＋１）と−１次
回折光In（−１）とが測定される。この測定結果が第２
図に破線で示されている。即ち、回折光の強度とギャッ
プとの関係は、周期がP²/λである周期関数となる（Ｐ
は回折格子２のピッチ、λはレーザ光の波長）。回折光
の強度Inが周期関数のピーク値に設定されるように、マ
スク１とウェハ３とのギャップが調整される。これによ
り、マスク１とウェハ３とのギャップが所定値に設定さ
れる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、マスク１の回折格子は、反射型回折格
子としても働く。そのため、マスク１→ウェハ３の反射
面４→マスク１の経路で回折された±１次回折光と、マ
スク上面で反射された１次反射回折光とが干渉すること
がある。即ち、マスクとウェハとのギャップがｚである
とすると、±１次の回折光は、１次の反射回折光に対し
て2zの光路差を有する。2z＝ｎλ（ｎは整数）のとき、
±１次回折光と、１次の反射回折光とが干渉する。その
ため、ig.2に示されるように、回折光の強度とギャップ
との関係は、周期がλ/2である不均一な周期関数とな
る。そのため、マスクとウェハとのギャップの調整が困
難であるといった問題があった。

この発明の目的は、第１の物体の表面で反射回折され
る反射回折光と、検出回折光とが干渉することなく、且
つ第１の物体と第２の物体との位置ずれ量に拘りなく、
第１の物体と第２の物体とのギャップを所定値に正確に
設定する方法を提供することである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、第１の物体に
第１の回折格子を設けるとともに第１の物体に対向して
配置された第２の物体に第２の回折格子を設け、光源か
ら照射された光を前記第１もしくは第２の回折格子の一
方に入射させ、前記一方の回折格子で回折した回折光が
他方の回折格子に入射して回折した後の回折光のうちの
所定の回折光をギャップ設定用の回折光として受光し、
このギャップ設定用の回折光に基づいて前記第１の物体
と第２の物体との間のギャップを調整してギャップ設定
を行うギャップ設定方法において、前記第１の回折格子
として複数の平行なストライプパターンを有する１次元
回折格子を用い、前記第２の回折格子として前記第１の
回折格子のストライプパターンに直交する複数のストラ
イプパターンを有する１次元回折格子を用いるかあるい
は２次元の回折格子を用いることを特徴としている。

（作用） 第１の回折格子として複数の平行なストライプパター
ンを有する１次元回折格子を用い、第２の回折格子とし
て第１の回折格子のストライプパターンに直交する複数
のストライプパターンを有する１次元回折格子を用いる
かあるいは２次元の回折格子を用いているので、これら
の回折格子が２重回折格子として作用することになり、
第１の回折格子および第２の回折格子の双方で少なくと
も１回ずつ回折した回折光は２次元のパターンとして現
れる。この２次元のパターンとして現れた回折光のうち
の所定の回折光をギャップ設定用の回折光として受光す
ることにより、光源から最初に光を照射された回折格子
の表面で反射されるギャップ設定には不要な反射回折光
と異なる方向でギャップ設定用の回折光を受光すること
ができる。したがって、ギャップ設定用の回折光とギャ
ップ設定には不必要な反射回折光との干渉を防止でき、
測定精度を低下させることなくギャップ設定を行うこと
ができる。

また、本発明における理論解析（実施例において説明
する）によると、第１の物体と第２の物体との対向面に
沿う方向の位置が所定の位置に設定されていなくても、
この位置ずれの影響を受けることなく、第１の物体と第
２の物体との間のギャップ設定を精度良く行うことがで
きる。

（実施例） 第１乃至第３の実施例では、入射光が回折格子に直角
に入射される場合について述べ、第４の実施例では、入
射光が回折格子に斜めに入射される場合について述べ
る。

第３図に示されるように、マスクとウェハとのギャッ
プを所定値に設定する装置には、Ｘ方向に移動可能なウ
ェハテーブル11が設けられている。このウェハテーブル
11の上面には、ウェハ12が載置されている。このウェハ
12上方に、マスク13が配置されている。このマスク13と
ウェハ12との間には、ｚ方向に所定の間隔が設けられて
いる。マスク13は、ホルダー14によって支持されてい
る。このホルダー14は、圧電素子25により支持されてい
る。この圧電素子25が駆動されることにより、マスク13
は、ｚ方向に移動される。

さらに、マスク13には、第４図に示されるように、透
過型の第16＊回折格子15が形成されている。ウェハ12の
上面には、反射型の第２の回折格子16が形成されてい
る。これら第１及び第２の回折格子15,16は、互いに対
向して配置されている。第１の回折格子15は、ストライ
プがｙ方向に延出している１次元の回折格子である。第
２の回折格子16は、ストライプがｘ方向（位置合せ方
向）に延出している１次元の回折格子である。即ち、こ
れらの回折格子のストライプは、互いに直交している。

この装置には、さらに、コヒーレントなレーザ光を発
射するレーザ17と、回折光を検知して電気信号に変換す
る光電検出器26と、この電気信号を処理し制御信号を発
生する信号処理回路20と、制御信号に応じて圧電素子25
に電流を供給する圧電素子駆動回路21とが備えられてい
る。

この装置によって、マスクとウェハとのギャップが所
定値に以下のようにして設定される。

レーザ17から発射された光は、ミラー18に照射され
る。このミラー18で反射された光が第１の回折格子15に
照射される。第１の回折格子15により回折され且つこれ
を透過した光が第２の回折格子16に移行される。第２の
回折格子16により回折され且つこれを反射した光が第１
の回折格子15に移行される。この第１の回折格子15によ
り回折され且つこれを透過した回折光がミラー19に移行
される。このように、これら第１及び第２の回折格子1
5,16は、二重回折格子として働く。このミラー19によっ
て、回折格子15,16で回折した回折光のうち特定方向の
光のみが光電検出器26に導かれる。即ち、ミラー19の傾
斜角度が調整されることにより、光電検出器26に導かれ
る回折光が選択される。特定方向の回折光は、光電検出
器26により回折光の強度に応じた電気信号に変換され
る。この電気信号がアンプ27を介して信号処理回路20に
供給され、処理される。この信号処理回路20によって、
圧電素子駆動信号が発せられる。この圧電素子駆動信号
が圧電素子駆動回路21に供給される。駆動回路21は、こ
の信号に基づいて、圧電素子25に電流を供給する。圧電
素子25が駆動されて、マスク13とウェハ12とのギャップ
が調整される。これにより、マスク13とウェハ12とのギ
ャップが所定値に設定される。また、この設定装置に
は、ウェハ12をＸ方向に移動させるモータ22が設けられ
ている。

ところで、レーザ光が第１の回折格子15→第２の回折
格子16→第１の回折格子15の経路で回折されるとき、上
述したように、第１及び第２の回折格子15,16は、二重
回折格子として働く。そのため、これら回折光のうち０
次及び±１次の回折光は、第５図に示されるように、９
つの方向に現われる。

一方、第１の回折格子15の表面でレーザ光が反射する
ことがある。このとき、第１の回折格子15で反射された
反射回折光は、第１の回折格子のストライプに直交する
面であって、入射光の軸線を含む平面においてのみ反射
される。即ち、この反射回折光は、第４図又は第５図に
おいて、入射光の光軸線がｚ軸とされると、ｘ軸線及び
ｚ軸線を含む平面内で反射される。これに対して、０次
及び±１次の回折光は、上述したように、９つの方向に
現われる。そのため、この発明では、ｘ軸線及びｘ軸線
を含む平面に沿わない０次及び±１次回折光が検出さ
れ、検出された０次及び１次の回折光が反射回折光と干
渉することがない。従って、検出された回折光により、
マスクとウェハとのギャップが正確に調整される。

即ち、この発明では、（0,1）、（0,−１），（1,
1）、（1,−１）、（−1,1）、（−1,−１）の６つの回
折光のうちいずれかの回折光が検出される。

先ず、（0,1）、或いは（0,−１）の回折光が検出さ
れる場合について説明する。この説明のため、レーザ光
が回折格子15,16により回折される場合の回折の原理か
ら説明する。

第６図に示されるように、ピッチｐ、光の透過幅ａで
ある一般的な回折格子に、波長λのコヒーレント光が直
角に照射される。この回折格子により回折された光ビー
ムの回折パターンが第６図に示されている。ここで、＋
ｎ次の回折光の回折角θｎは、 sine_n＝ｎ・λ/p …（１） である。ｎ次の回折光の複素振幅Cnは、回折格子の複素
透過関数が周期関数としてフーリエ級数に展開された時
の係数である。このｎ次の回折光の振幅Cnは、次式で与
えられる。

ここで、格子の複素透過関数Ａ（ｘ）を、 Ａ（ｘ）＝０（−p/2≦×＜−a/2） １（−a/2≦×＜a/2） ０（a/2≦×＜p/2） …（３） として（２）式に代入すると、ｎ次の回折光の振幅Cn
は、 Cn＝｛sin（anπ/p）｝/nπ …（４） と表わされる。

次に、マスクの第１の回折格子15とウェハの第２の回
折格子16とのストライプが同方向である場合について説
明する。この場合の光学モデルは、第７図に示される光
学モデルと等価である。マスクでｌ次、ウェハでｍ次、
マスクでｒ次回折した場合、マスク→ウェハ→マスクの
透過光は、（ｌ＋ｍ＋ｒ）次の回折光となる。この回折
光波の振幅は、C_l・C_m・C_rで与えられる。この回折光
は、マスクに入射する前の光に対して、 だけ位相がずれている。

一方、ウェハがΔｘだけマスクに対して位置ずれして
いる場合、ウェハで回折される光波の振幅は、（２）式
より、 となる。これが整理されると、 となる。（ｌ＋ｍ＋ｒ）次の通過回折光Ｕ（ｌ＋ｍ＋
ｒ）は、入射光Einとして、次の（７）式で表わされ
る。

Ｕ（ｌ＋ｍ＋ｒ） ＝c_l・C_m′・C_r・exp［−ｉφｘ］Ein ＝Cl・C_m・C_r・exp［−ｉ｛φｘ ＋（２π/P）・ｍΔｘ｝］Ein …（７） 例えば、Ｘ方向の０次の回折光の表示は、ｌ＋ｍ＋ｒ
＝０を満足する全ての回折光の組合わせである。

次に、第４図に示されるように、ウェハの第２の回折
格子16のストライプがマスクの第１の回折格子15のスト
ライプと直交している場合について説明する。この場
合、ウェハでは、第５図に示されるように、マスクの回
折面と直交する回折面で、光が回折される。ｘ方向の回
折次数がｍ、ｙ方向の回折次数がｍ、マスクの回折格子
のｘ方向のピッチがP_x、ウェハの回折格子のｙ方向のピ
ッチがP_y、マスクの回折格子のｘ方向の光の透過幅がa
x、ウェハの回折格子のｙ方向の光の透過幅がa_yとされ
ると、ウェハで回折される光波の振幅は、次式となる。

この（８）式において、a_y/P_y＝1/2とされると、Cmn
は、 となる。結局、マスク→ウェハ→マスク経由で回折され
る光Ｕ（ｌ＋ｍ＋r,n）の表示式は、 Ｕ（ｌ＋ｍ＋r,n） ＝Cr・Cmn・Cl・exp［−ｉ｛φxy ＋（２π/P）・ｍΔｘ｝］Ein …（10） となる。尚、（10）式において、φxyは、マスクに入射
する前の光に対する、回折光の位相ずれ量であって、 で与えられる。

この回折光の一例として、Ｘ方向に０次、Ｙ方向に１
次の回折光の強度Ｉ（0,1）は、以下のように求められ
る。この場合、ｌ＋ｍ＋ｒ＝０、ｎ＝１となる組合せが
考慮されれば良い。しかし、ここでは、高次の回折光の
組合わせによる振幅への影響は、小さいため、０次から
３次までの回折光の組合わせが考慮されている。｛l,
（m,n）,r｝として、以下の５つの組合わせが考慮され
れば良い。

｛0,（0,1）,0｝ ｛1,（0,1），−１｝ ｛−1,（0,1），−３｝ ｛3,（0,1），−３｝ ｛−3,（0,1）,3｝ Ｚ＝πλz/p² とされると、（10）式より、光波の表示式は、 Ｕ（0,1） ＝（1/π）［（1/4）＋２（1/π）^２・｛exP（−i2Z） ＋（1/9）・exp（−i18Z）｝］Ein …（11） で示される。光の強度Ｉ（0,1）は、 Ｉ（0,1）＝|U（0,1）|² …（12） である。そのため、入射光の強度がI₀とされると、光の
強度Ｉ（0,1）は、 Ｉ（0,1） ＝（1/π）^２・｛（1/4）^２＋（1/π）²cos2Z ＋（1/9）（1/π）^２・cos18Z＋４（1/π）^４ ＋（8/9）（1/π）^４・cos16Z ＋（2/9）^２・（1/π）^４｝・I₀ となる。この式から明らかなように、回折光の強度Ｉ
（0,1）は、マスクとウェハとのギャップｚのみの関数
であり、両者の間のｘ方向の位置ずれ量Δｘに無関係と
なる。これは、（10）式におけるｍ（ウェハの回折格子
でのｘ方向の回折次数）がゼロであるため、Δｘの項が
（13）式に含まれないからである。

この場合のマスクとウェハとのギャップと光強度との
関係が第8A図に示されている。この図から明らかなよう
に、周期関数に高周波成分が含まれている。

尚、参考のため、マスクとウェハの各格子での回折次
数と、±１次以内の回折光とが考慮された場合について
説明する。この場合には、以下の３組の組合わせが考え
られる。

［1,（0,1），−］、［−1,（0,1）,1］、［0,（0,1）,
0］ 光の表示式は、（10）式により、 Ｕ［0,1］＝（1/π）^３・e^-i2Z＋（1/π）^３・e^-i2Z ＋（1/2）^２・（1/π） ＝（1/π）³e^-i2Z＋（1/2）^２（1/π） …（14） 光強度は、 Ｉ（0,1）＝|U（0,1）|² ＝４（1/π）^６＋（1/2）^４・（1/π）^２ ＋（1/π）⁴cos2Z …（15） 次に、（1,1）、（1,−１）、（−1,1）、（−1,−
１）の回折光が検出される場合について説明する。例え
ば、（1,1）の回折光が検出される場合、マスク→ウェ
ハ→マスク経由で回折される回折光の組合わせは、［1,
（0,1）,0］、［0,（0,1）,1］の２組のみが考えられれ
ば良い。なぜなら、［2,（0,1），−１］，［−1,（0,
1）,2］，……［8,（0,1），−７］，［−7,（0,1）,
8］……が考えられるが、マスクでの回折光振幅は、?/p
＝1/2の時、 Cn＝sin（ｎπ/2）/nπ である。そのため、ｎ＝2,4,6,8……の偶数次ついて
は、C_nがゼロとなるからである。

従って、（1,1）の光波の表示式は、（10）式に基づ
いて、 Ｕ［1,1］＝（1/2）・（1/π）・（1/π）・e^-i2Z・e
^-iX ＋（1/π）・（1/π）・（1/2）e^-iX ＝（1/2）（1/π）^２・e^-iX｛１＋e^-i2Z） …（16） となる。但し、Ｘ＝２π/P_x・Δｘ、Ｚ＝πλ/Px²z、
P_x:マスクの格子のピッチ、Δx:位置ずれ量、z:ギャッ
プ、λ：レーザ光波長である。

光強度は、 Ｉ（1,1）＝|U［1,1］|² ＝（1/2）（1/π）^４・（１＋cos2Z） …（17） となる。この場合のマスクとウェハとのギャップと光強
度との関係が第8B図に示されている。この場合には、周
期関数に高周波成分が含まれない。従って、マスクとウ
ェハとのギャップの調整には、（0,1）次の回折光が検
出されるよりも、（1,1）次の回折光が検出される方が
より好ましい。

このように、この発明の設定方法によれば、マスクの
回折格子のストライプに直交した平面であって、且つ入
射光の軸線を含む平面に沿わない回折光が検出される。
そのため、マスクの回折格子で反射された反射回折光
と、検出された回折光とが干渉することがない。しか
も、（13）式或いは（17）式から明らかなように、検出
された回折光は、ギャップｚにのみ依存し、ｘ方向の位
置による影響を受けない。そのため、ギャップ設定時
に、ｘ方向の位置が厳格に管理される必要がない。また
（±1,±）次の回折光が検出された場合には、検出信号
に高周波成分が含まれない。そのため、この場合には、
（0,±１）次の回折光が検出される場合より一層正確に
ギャップが所定値に設定される。

さらに、この発明の第２の実施例を第９図乃至第11図
に基づいて説明する。

この実施例では、２組の第１及び第２の回折格子が設
けられている。即ち、マスク13には、２つの第１の回折
格子31−1,31−２が形成されており、ウェハ12には、２
つの第２の回折格子32−1,32−２が形成されている。第
10図に示されるように、第１の回折格子31−1,31−２
は、ｘ方向の格子ピッチがpx1,px2である１次元の回折
格子である。第１の回折格子31−1,31−２は、互いに距
離ｕを隔てて配置されている。第２の回折格子32−1,32
−２は、ｙ方向の格子ピッチがpy1,py2である１次元の
回折格子である。第２の回折格子32−1,32−２は、互い
に距離ｖを隔てて配置されている。

マスクの２つの第１の回折格子31−1,31−２では、各
々格子のピッチが異なっている。さらに、ウェハの２つ
の第２の回折格子32−1,32−２でも、各々の格子ピッチ
が異なっている。そのため、１組の第１及び第２の回折
格子31−1,32−１により回折された回折光と、他の１組
の第１及び第２の回折格子31−2,32−２で回折される回
折光とは、別々に現われる。

そのため、設定装置には、２つの回折光を別々に検出
する一対の光電検出器26−1,26−２と、減算器28が設け
られている。２つの回折光は、この光電検出器26−1,26
−２により別々に電気信号に変換される。これら電気信
号は、それぞれアンプ27−1,27−２を介して減算器28に
供給される。この減算器28では、２つの電気信号の差が
演算される。即ち、２つの回折光の強度の差が演算され
る。この電気信号の差が信号処理回路20に供給される。
第１の実施例と同様に、信号処理回路20から圧電素子駆
動信号が発生され、この信号に基づいて圧電素子25に電
流が供給される。これにより、マスクとウェハとのギャ
ップが調整される。

（1,1）次の回折光の場合、２つの回折光の強度がI₁
（1,1）、I₂（1,1）とされると、減算器28では、次式が
演算される。

ΔＩ＝I₁（1,1）−I₂（1,1） この場合のマスクとウェハとのギャップと光強度との
関係が第11B図に示されている。周期関数に高周波成分
が含まれていない。そのため、周期関数の直線状の部分
において、設定値が０点検出される。そのため、ギャッ
プの調整が容易になる。尚、u,vは、適当に定められ
る。（17）式から明らかなように、回折光の強度が第１
及び第２の回折格子のｘ方向の位置に依存しないからで
ある。

また、（0,1）次の回折光の場合の、マスクとウェハ
とのギャップに対する光強度の変化が第11A図に示され
ている。この場合には、周期関数に高周波成分が含まれ
ている。しかし、高周波成分によって、０点検出が妨げ
られる程ではない。

尚、この実施例では、検出すべき回折光は、Ｉ（0,
1）のみならず、Ｉ（0,−１）など、第１の回折格子の
ストライプと直交する面であって、入射光の軸線を含む
平面に沿わない、回折光であれば良い。例えば、 ΔＩ＝I₁（0,−１）−I₂（0,−１） ΔＩ＝I₁（0,1）−I₂（0,−１） ΔＩ＝I₁（0,−１）−I₂（0,1） が求められても良い。

さらに、この第２実施例の変形例を説明する。この変
形例では、第12図に示されるように、２つの回折光強度
の差の演算のために、２組の第１及び第２の回折格子で
回折した２つの回折光が同期して検出される。マスクの
２つの第１の回折格子のピッチは、異なっている一方、
ウェハの２つの第２の回折格子のピッチは、同じであっ
ても異なっていても良い。第１の回折格子31−1,31−２
が第10図に示される場合と同じ距離ｕだけ離間されてマ
スクに配置されている。第２の回折格子も同様に距離ｖ
だけ離間されてウェハに配置されている。

２つの回折光が同期して検出されるのために、発振器
51と、振動ミラー41と、同期検波回路29とが設けられて
いる。この発振器51から所定周波数の参照信号が発生さ
れる。この参照信号が夫々、振動ミラー41と、同期検波
回路29とに供給される。これにより、振動ミラー41は、
所定の周波数で振動する。そのため、レーザ光は、振動
ミラー41により、所定時間ごとに交互に２方向に振分け
られて、２組の回折格子に入射される。２組の回折格子
で夫々回折した２つの回折光は、ミラー33を介して、所
定時間ごとに交互に光電検出器26に入射され、２つの電
気信号に変換される。２つの電気信号は、アンプ27を介
して、所定時間ごとに交互に同期検波回路29に供給され
る。同期検波回路29では、所定周波数の参照信号に基づ
いて、２つの電気信号が同期検波される。これにより、
２つの回折光の強度が夫々検出されて、２つの回折光の
強度の差が演算される。検出される回折光は、勿論、
（0,±１）次回折光でも、（±1,±１）次回折光であっ
ても良い。

さらに、この発明の第３の実施例について説明する。
第１及び第２の実施例においては、マスクとウェハと
に、夫々１次元の回折格子が形成されていたが、この第
３の実施例では、マスクに１次元の回折格子が形成され
ており、ウェハに２次元の回折格子が形成されている。

この場合にも、レーザ光が第１の回折格子→第２の回
折格子→第１の回折格子の経路で回折されるとき、第１
及び第２の回折格子は、二重回折格子として働く。その
ため、０次及び±１次の回折光は、第13図に示されるよ
うに、９つの方向に現われる。また、第１の回折格子で
反射される反射光は、ｘ軸線及びｚ軸線を含む平面内で
反射される。そのため、この場合にも、このｘ軸線及び
ｚ軸線を含む平面に沿わない０次及び±１次回折光が検
出される。

（0,±１）次の回折光が検出される場合、回折光の強
度は、以下のように求められる。

（10）式において、φxyは、 で与えられる。２次以上の高次の回折光が無視される
と、 ｛l,（m,n）,r｝として、 ｛−1,（1,1）,0｝、 ｛1,（−1,1）,0）｝、 （−1,（0,1）,1｝、 ｛0,（−1,1）,1｝、 ｛0,（0,1）,0｝、 ｛0,（1,1），−１｝、 ｛1,（0,1），−１｝、 の７つが考慮されれば良い。この場合には、回折光の強
度Ｉ（0,1）は、 Ｉ（0,1）＝（1/π）^２・［（1/2）^６＋（1/π）^４ ＋（1/2）^２（1/π）^２・cos2Z＋４（1/π）⁴cos²X ＋４（1/π）^２｛（1/2）^３＋（1/π）^２｝cosX・cos
Z］I₀ …（18） となる。ここで、Ｘ＝（２π/px）Δｘである。従っ
て、この場合には、ΔｘがcosX＝０にならないように維
持されながら、ギャップが調整される。

第14図に示されるように、この実施例においても、２
組の第１及び第２の回折格子が設けられても良い。

即ち、マスク13には、２つの第１の回折格子35−1,35
−２が形成されており、ウェハ12には、２つの回折格子
36−1,36−２が形成されている。第14図に示されるよう
に、第１の回折格子35−1,35−２は、ｘ方向の格子ピッ
チがP_xの１次元の回折格子である。第１の回折格子35−
1,35−２は、ｘ方向に互いに距離ｕを隔てて配置されて
いる。第２の回折格子36−１は、ｘ方向の格子ピッチが
P_x、ｙ方向の格子ピッチがP_1yの２次元回折格子であ
る。第２の回折格子36−２は、ｘ方向の格子ピッチが
P_x、ｙ方向の格子ピッチがp_2yの２次元回折格子であ
る。第２の回折格子36−1,36−２は、ｘ方向に互いに距
離ｖ（＝ｕ＋P_x/2）を隔てて配置されている。

この第３の実施例においても、第２の実施例と同様
に、２つの回折光の強度の差が検出されることにより、
ギャップが調整される。そのため、第９図に示されるの
と同じ装置により、ギャップが調整される。そのため、
装置の説明は省略する。（0,1）次の回折光が検出され
る場合、強度の差ΔＩは、 ΔＩ＝I₁（0,1）−I₂（0,1） である。この場合のギャップと回折光強度の差との関係
が第15図に示されている。このグラフに表わされた周期
関数は、（18）式に基づいて、±２以上の高次の回折光
が考慮された結果である。そのため、周期関数に高周波
成分が含まれている。

この実施例では、ｕとｖとの差がPx/2である。そのた
め、回折格子35−1,36−１で得られる回折光と、回折格
子35−2,36−２で得られる回折光とは、ｘ方向にπだけ
位相がずれている。このため、ｘ方向の位置ずれ量Δｘ
が所定値に維持されれば、２つの回折光の差が検出され
ることにより、周期関数の直線状の部分で、設定値が０
点検出される。

また、この第３の実施例においても、第12図に示され
る、同期検波による検出方法でも、ギャップが調整され
る。この場合には、ウェハの２つの第２の回折格子のｙ
方向のピッチは、同じであっても、異なっていても良
い。さらに、レーザ光がｙ方向に対して斜めに入射され
れば、回路パターンを露光するための露光光を検出光学
系（例えば、ミラー）が遮らないという利点がある。

次に、この発明の第４の実施例について説明する。上
述した実施例では、入射光は、マスク13に対して垂直に
入射されている。しかし、入射光は、必ずしもマスク13
に垂直である必要はない。この第４の実施例では、マス
ク13に斜めに入射される場合について説明する。

第16図に示されるように、マスク13に形成された第１
の回折格子15と、ウェハ12に形成された第２の回折格子
16とは、第５図に示される場合と同様に配置されてい
る。第16図に示されるように、第１の回折格子15のスト
ライプに垂直な仮想面が第１の仮想面101と規定されて
いる。この第１の仮想面101がストライプの方向に所定
角度（α）傾斜された仮想面が第２の仮想面102として
規定されている。第１の仮想面101を基準として第２の
仮想面102に対称である仮想面が第３の仮想面103と規定
されている。レーザ17から発射された光は、第１の回折
格子15に入射される。この入射光の光軸104は、第２の
仮想面102に沿っている。若干の入射光は、第１の回折
格子15の上面で反射回折される。この反射回折光は、第
３の仮想面103にのみ沿って移行される。

残りの大部分の入射光は、第１の回折格子15で透過回
折されて第１の回折光が現出され、この第１の回折光が
第２の回折格子16に移行され第２の回折格子で反射回折
されて第２の回折光が現出され、この第２の回折光が第
１の回折格子15に移行され第１の回折格子15で透過回折
されて第３の回折光が現出される。この第３の回折光
は、２次元の回折パターンで現出される。この回折パタ
ーンは、入射光が第１の回折格子15に直交している場合
と同様である。

しかし、回折パターンの原点Ｉ（0,0）は、入射光が
直交している場合と異なっている。即ち、第16図に示さ
れるように、原点Ｉ（0,0）は、第１の仮想面101を基準
として入射光の光軸に対称である線（ｚ′）の線上の点
として規定される。即ち、入射光が第１の回折格子15に
直交している場合（α＝0,z′＝ｚ）、原点Ｉ（0,0）
は、入射光の光軸上にある。

若干の第３の回折光、即ち、Ｉ（0,0）、Ｉ（±1,0）
次の回折光は第３の仮想面103に沿って移行され、他の
第３の回折光、即ち、Ｉ（0,±１）、Ｉ（±1,±１）次
の回折光は第３の仮想面103以外に移行される。従っ
て、前記他の第３の回折光は、第１の回折格子15の上面
で反射回折された反射回折光と干渉しない。そのため、
上述した実施例と同様に、前記他の第３の回折光、即
ち、Ｉ（0,±１）、Ｉ（±1,±１）次の回折光が検出さ
れる。検出結果は、第8A,8B図に示される場合と略同様
である。そのため、入射光が第１の回折格子15に斜めに
入射される場合であっても、入射光が第１の回折格子15
に直角に入射される場合と同様に、正確に位置合せされ
る。

第17図に示されるように、第２の回折格子は、２次元
の回折格子であっても良い。この場合、入射光が第１の
回折格子15に斜めに入射される場合の回折パターンは、
第２の回折格子が１次元の場合と同様である。この場合
の検出結果は、第11A,11Bの場合と略同様である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、第１の回折格
子として複数の平行なストライプパターンを有する１次
元回折格子を用い、第２の回折格子として第１の回折格
子のストライプパターンに直交する複数のストライプパ
ターンを有する１次元回折格子を用いるかあるいは２次
元の回折格子を用いたことにより、ギャップ設定用の回
折光の現れる方向と光源から最初に光を照射された回折
格子の表面で反射されるギャップ設定には不必要な反射
回折光の方向とを異ならせることができる。したがっ
て、ギャップ設定用の回折光とギャップ設定には不必要
な反射回折光との干渉を防止でき、測定精度を低下させ
ることなくギャップ設定を行うことができる。

また、本発明によれば、第１の物体と第２の物体との
対向面に沿う方向の位置が所定の位置に設定されていな
くても、この位置ずれの影響を受けることなく第１の物
体と第２の物体との間のギャップ設定を精度良く行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術に基づく、マスクとウェハとのギャ
ップを所定値に設定する方法の原理を模式的に示す図、 第２図は、第１図に示される方法により得られた検出結
果を示すグラフであって、回折光の強度とギャップとの
関係を示すグラフ、 第３図は、この発明の第１の実施例に基づく、マスクと
ウェハとのギャップを所定値に設定する装置を模式的に
示す図、 第４図は、第３図に示される装置において、マスクとウ
ェハとの各々に形成された第１及び第２の回折格子を示
す斜視図、 第５図は、マスクとウェハとの各々の回折格子により回
折された回折光のパターンを示す斜視図、 第６図は、この発明に基づく、回折の原理を示す図であ
って、１次元の回折格子により回折された回折光のパタ
ーンを示す図、 第７図は、この発明に基づく、回折の原理を示す図であ
って、入射光がマスクの第１回折格子→ウェハの第２の
回折格子→マスクの第１の回折格子により回折される場
合の光学モデルと等価の光学モデルを模式的に示す図、 第8A図及び第8B図は、この発明の第１の実施例に基づく
装置により検出された回折光の強度と、マスクとウェハ
とのギャップとの関係を示すグラフ、 第９図は、この発明の第２の実施例に基づく、マスクと
ウェハとのギャップを所定値に設定する装置を模式的に
示す図、 第10図は、第９図に示される装置において、マスクとウ
ェハとの各々に形成された回折格子を示す平面図、 第11A図及び第11B図は、この発明の第２の実施例に基づ
く方法により検出された回折光の強度の差と、マスクと
ウェハとのギャップとの関係を示すグラフ、 第12図は、この発明の第２の実施例の変形例に基づく、
マスクとウェハとのギャップを所定値に設定する装置を
模式的に示す図、 第13図は、この発明の第３の実施例において、マスクと
ウェハとの各々の回折格子により回折された回折光のパ
ターンを示す斜視図、 第14図は、この発明の第３の実施例に基づく、マスクと
ウェハとのギャップを所定値に設定する方法に使用され
る回折格子を示す平面図、 第15図は、この発明の第３の実施例に基づく方法により
検出された回折光の強度の差と、マスクとウェハとのギ
ャップとの関係を示すグラフ、 第16図及び第17図は、この発明の第４の実施例に基づ
く、マスクとウェハとの各々の回折格子により回折され
た回折光のパターンを示す斜視図であって、第16図は、
第２の回折格子が１次元の場合、第17図は、第２の回折
格子が２次元の場合である。 13……第１の物体（マスク）、12……第２の物体（ウェ
ハ）、15……第１の回折格子、16……第２の回折格子、
17……光源（レーザ）、19……検出手段（ミラー）、26
……検出手段（光電検出器）、20……ギャップ調整手段
（信号処理回路）、22……ギャップ調整手段（圧電素子
駆動回路）、25……ギャップ調整手段（圧電素子）、10
1……第１の仮想面、102……第２の仮想面、103……第
３の仮想面、104……入射光の光軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/027 (72)発明者 増山 正幸 東京都板橋区蓮沼町75番１号 東京光学機 械株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−188317（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の回折格子が設けられた第１の物体
   と、この第１の物体に対向して配置され第２の回折格子
   が設けられた第２の物体に対して、光源から照射された
   光を前記第１もしくは第２の回折格子の一方に入射さ
   せ、 前記一方の回折格子で回折した回折光が他方の回折格子
   に入射して回折した後の回折光のうちの所定の回折光を
   ギャップ設定用の回折光として受光し、 このギャップ設定用の回折光に基づいて前記第１の物体
   と第２の物体との間のギャップを調整してギャップ設定
   を行うギャップ設定方法において、 前記第１の回折格子として複数の平行なストライプパタ
   ーンを有する１次元回折格子を用い、前記第２の回折格
   子として前記第１の回折格子のストライプパターンに直
   交する複数のストライプパターンを有する１次元回折格
   子を用いるかあるいは２次元の回折格子を用いることを
   特徴とするギャップ設定方法。
2. 【請求項２】前記光源からの光を前記第１の回折格子に
   入射させ、該第１の回折格子で透過回折した回折光が前
   記第２の回折格子に入射して該第２の回折格子で反射回
   折し、その後再び前記第１の回折格子に入射して該第１
   の回折格子で透過回折した回折光のうちの所定の回折光
   をギャップ設定用の回折光として受光することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のギャップ設定方法。
3. 【請求項３】前記第１の物体はマスクであり、前記第２
   の物体はウェハであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のギャップ設定方法。
4. 【請求項４】前記第１の回折格子のストライプの方向に
   直交する第１の仮想面と、この第１の仮想面に対して前
   記ストライプの方向に所定角度（α）傾斜した第２の仮
   想面と、前記第１の仮想面を基準として前記第２の仮想
   面に対称な第３の仮想面とを規定したとき、前記光源か
   ら第１もしくは第２の回折格子に入射される光の光軸
   を、前記第２の仮想面に沿う方向に設定し、前記第３の
   仮想面以外の方向に沿って回折した回折光をギャップ設
   定用の光として受光することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のギャップ設定方法。
5. 【請求項５】前記ギャップ設定用の回折光は、（0,±
   １）次光であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のギャップ設定方法。
6. 【請求項６】前記第２の回折格子として前記第１の回折
   格子のストライプパターンに直交する複数のストライプ
   パターンを有する１次元回折格子を用い、前記ギャップ
   設定用の回折光として（±1,±１）次光を受光すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のギャップ設定
   方法。
7. 【請求項７】前記第１の回折格子と前記第２の回折格子
   とが、２組設けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のギャップ設定方法。
8. 【請求項８】２つの前記第１および第２の回折格子の格
   子ピッチを異ならせることにより、一方の組の第１およ
   び第２の回折格子から回折された一方のギャップ設定用
   の回折光と、他方の組の第１および第２の回折格子から
   回折された他方のギャップ設定用の回折光とをそれぞれ
   異なる方向に現出させ、これらのギャップ設定用の回折
   光を別々に受光するようにしていることを特徴とする特
   許請求の範囲第７項記載のギャップ設定方法。
9. 【請求項９】前記所定の角度（α）をゼロに設定するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のギャップ設
   定方法。