JPH0875408A - 光ヘテロダイン干渉測定方法及び測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏光方向が直交したわずかに周波数の異なる
成分を有する光を用いて光ヘテロダイン干渉測定する
際、偏光ビームスプリッタに漏れ込みがある場合におい
ても、その測定結果の再現性を高くする。 【構成】 偏光方向が直交したわずかに周波数の異なる
２成分を有する光をその偏光方向に応じて偏光分離素子
で２光束に分離し、２つの回折格子上で前記２光束のビ
ームスポットが重なるように所定角度で前記の２光束を
入射させ、前記ビームスポットと前記回折格子のうち少
なくとも一方の回折格子の位置ずれを検出し、その位置
ずれ量に基づき前記一方の回折格子を所定位置まで移動
させた後、それぞれの回折格子からの回折光を用いて形
成した第１、第２のビート信号の位相を比較処理して前
記２つの回折格子の相対位置ずれを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ヘテロダイン干渉測定
方法、測定装置に関する。本発明はとくに、光ヘテロダ
イン干渉計測法の応用で光ヘテロダイン干渉法を用いた
計測装置、例えば位置合わせ装置、焼き付け重ね合わせ
評価装置などに好適に利用出来るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高精度な微小変位測定には、
位相検波により、変位と線形関係にある光の位相情報を
検波することが可能なヘテロダイン干渉法が広く用いら
れてきた。光ヘテロダイン干渉法では周波数のわずかに
異なる２光束によってできる時間的に変化する干渉縞を
光電検出し、干渉縞の位相を電気信号の位相に変換して
測定する。

【０００３】光ヘテロダイン干渉法を応用した計測装置
の例として、図１２に示す回折格子の位置ずれ検出装置
が提案されている。（例えば特開平２ー９０００６）こ
の方式は、２波長直交偏光レーザ（ゼーマンレーザ）１
４０からのレーザ光を偏光ビームスプリッタ１４２によ
り２波長の光に分離し、１つまたは複数の回折格子（こ
こでは図１１の１７１から１７３）に照射しその回折光
から光ビート信号を作成し、そのビート信号の位相を検
出、比較することにより回折格子の位置または複数の回
折格子の相対位置ずれを高精度に検出することができ、
半導体露光装置のアライメントなどに広く応用されてい
る。回折格子１７１と回折格子１７２にＹ方向に位置ず
れΔＹが生じており、回折格子のピッチをＰ、更に±１
次回折光を用いると、センサー１６８とセンサー１６７
で検出されるビート信号の位相差φは、 φ＝４πΔＹ／Ｐ （１） となるため、位相差φを検出して１式に代入して回折格
子の相対位置ずれ量を算出していた。

【０００４】

【本発明が解決しようとしている課題】ところが、一般
にレーザー光の偏光の直交性の不完全さや、光学部品に
より偏光に乱れが生じそれぞれの偏光と周波数が対応し
ていないため、測定位相と本来測定しようとする光路差
あるいは回折格子の位置ずれ量とは単純な線形関係にな
く、干渉測定の大きな誤差となっていた。以下、従来例
である図１２の装置について具体的に説明する。

【０００５】図１２の装置により、図１１で示すような
回折格子１７１と１７２のＹ方向の位置ずれを検出する
場合（回折格子１７３は回転により生じる誤差補正のた
めの回折格子であり、ここでは考えなくて良い）センサ
ー１６８で検出される回折格子１７１からの±１次回折
光によるビート信号Ｉ１は、α、βをＰＢＳ１４２の正
規の反射、透過光の振幅Ａ、Ｂに対する漏れ込み光の振
幅とし、Ａを振幅とすると Ｉ１＝Ａｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ＋Δφ１） （２） ｔａｎ（Δφ１）＝ｓｉｎ（４πΔＸ１／Ｐ）／｛ｃｏｓ（４πΔＸ１／Ｐ） ＋（α／Ｂ＋β／Ａ）｝ （３） ω１、ω２はそれぞれ角周波数であり、ザーマンレーザ
ー１４０から発せられる光の周波数をｆ１、ｆ２とした
とき、ω１＝２πｆ１、ω２＝２πｆ２である。ΔＸ１
は回折格子１７１の光学系の基準線からのずれ量（すな
わち、ビームスポットに対する回折格子のずれ量）、Ｐ
は回折格子１７１、１７２のピッチである。

【０００６】また、センサー１６４で光電検出される回
折格子１７２の±１次回折光のビート信号Ｉ２は、 Ｉ２＝Ａｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ＋Δφ２） （４） ｔａｎ（Δφ２）＝ｓｉｎ（４πΔＸ２／Ｐ）／｛ｃｏｓ（４πΔＸ２／Ｐ） ＋（α／Ｂ＋β／Ａ）｝ （５）

【０００７】３、５式を計算すると図９（ａ）のような
グラフが得られる。この図において、Ｇ１７１は回折格
子１７１からの信号を表し、Ｇ１７２は回折格子１７２
からの信号を表しており、漏れ込み光の影響で非線形成
分が発生していることが分かる。この非線形量は漏れ込
み光量が大きいほど大きくなる。これら２つの信号の位
相差をとっても図９（ｂ）のように、非線形成分はキャ
ンセルされず、ビームスポットに対する両回折格子の変
位に対し回折格子のピッチの半分の周期で正弦波状に位
相が変化する。すなわち、回折格子１７１と回折格子１
７２の相対ずれ量一定の場合においても、ビームスポッ
トと回折格子の相対位置の再現性のばらつきによって、
位置ずれ量計測値が変化することになり、計測再現性に
悪影響を与えていた。従来、計測系に対する位置ずれ
は、例えば、図１２の１７０の接眼鏡で目視することに
より行われており、分解能は高々１０μｍ程度であり、
さらに計測系のビームドリフトによりスポットの方も動
いてしまうため、スポットと回折格子の位置決めの再現
性は数１０μｍ程度であった。

【０００８】一方、ｎｍオーダーの位置ずれを検出する
場合、位相差計の分解能から考えて、数μｍのピッチの
回折格子を用いるのが妥当であり、このとき図９（ｂ）
の非線形誤差の周期は５μｍ以下になる。したがって、
従来の装置では、この非線形誤差の振幅に相当する量が
計測再現性を悪化させる要因となっていた。

【０００９】図１０は、実際の実験データであり、基板
上に２つの回折格子を作製し、その基板を位置ずれ検出
方向へ、回折格子のピッチの２０分の１ずつステップ駆
動させたとき結果である。通常の消光比の偏光ビームス
プリッターでは数十ｎｍにも及ぶことが分かった。

【００１０】なお、誤差を１ｎｍ以下に抑えるには偏光
ビームスプリッタの消光比を０．０１％以下にしなけれ
ばならず、このような消光比を満たす偏光ビームスプリ
ッタの製作は非常に困難であった。

【００１１】この非線形誤差を低減する方法としてマイ
ケルソン型の干渉計の場合、従来「応用物理 第５８巻
第１０号（１９８９）Ｐ．８９」や特開平２ー２５９４
０７で提案されている平衡検出法があった。

【００１２】この方法では、偏光板１６４、１６５のか
わりに、図１３に示されるように入射光軸の回りにπ／
４ラジアン傾けられた偏光分離素子３２０を用いて２つ
の信号の和成分と差成分を作りだし、それぞれ検出器３
２１、３２２に入り、差動増幅器３２３により出力され
位相差計１６９に導入する。このようにして、非線形成
分を低減する方法であるが、実際には、偏光に関する光
源及び光学部品の不完全さのために偏光面の同定は一般
には困難であり、偏光分離素子３２０の光軸回りのアラ
イメントが完全にはできず、更に偏光分離素子３２０自
身で生じる漏れ込み光の影響等で非線形誤差を完全には
除去できなかった。

【００１３】本発明は、上述従来の光ヘテロダイン干渉
計測装置における欠点を克服し、計測再現性の高い、高
精度な計測方法、計測装置を提供する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明の方法のある形態は、偏光方向が直交したわずか
に周波数の異なる２成分を有する光をその偏光方向に応
じて偏光分離素子で２光束に分離し、２つの回折格子上
で前記２光束のビームスポットが重なるように所定角度
で前記の２光束を入射させ、前記ビームスポットと前記
回折格子のうち少なくとも一方の回折格子の位置ずれを
検出し、その位置ずれ量に基づき前記一方の回折格子を
所定位置まで移動させた後、それぞれの回折格子からの
回折光を用いて形成した第１、第２のビート信号の位相
を比較処理して前記２つの回折格子の相対位置ずれを検
出することを特徴とする。

【００１５】前記ビームスポットと回折格子の位置ずれ
を検出する好ましい形態は、前記回折格子の位置ずれに
よっても位相が変化しない基準ビート信号の位相と前記
回折格子からの回折光を用いて形成した第１のビート信
号の位相を比較処理して行うことを特徴とする。

【００１６】また、本発明の装置のある形態は、互いに
偏光方向が直交しているわずかに異なる周波数を有する
光を発生する光源と、前記光源からの光束を偏光方向に
対応して２光束に分離する偏光分離手段と、２つの回折
格子と、前記回折格子上で前記２光束のビームスポット
が重なるように２光束を照射させる照射手段と、前記ビ
ームスポットと少なくとも２つの回折格子うち一方の回
折格子との位置ずれを検出する手段と、前記位置ずれ検
出手段の検出結果の基づいて所定位置まで前記一方の回
折格子を移動させる移動手段と、前記２つの回折格子の
うち第１の回折格子からの回折光を合成して第１のビー
ト信号を形成する手段と、前記２つの回折格子のうち第
２の回折格子からの回折光を合成して第２のビート信号
を形成する手段と、前記２つのビート信号の位相差を検
出する手段と、前記一方の回折格子が前記所定位置に位
置する時の前記位相差を演算処理する演算手段とを有す
ることを特徴とする。

【００１７】前記２つの回折格子の好ましい形態は、同
一基板上に形成されていることを特徴とする。

【００１８】前記２つの回折格子の好ましい形態は、そ
れぞれ異なる基板上に形成されていることを特徴とす
る。

【００１９】

【実施例】以下図面を用いて実施例を説明する。

【００２０】図１は、本発明の第１の実施例を示す図
で、２回の露光で焼き付けられた２つの焼き付け重ね合
わせ評価パターン間の位置ずれを高精度に検出し、評価
する焼き付け重ね合わせ評価装置である。図２に示すよ
うにウエハ５２上には別々の焼き付けプロセスを経て形
成された回折格子３６、３７がΔＹだけ離れた隣接する
位置にある。ゼーマンレーザ１から発せられた互いに直
交する偏光状態の光は、コリメータレンズ２を通り、ビ
ームスプリッター２４で二分され、反射光は偏光板２５
で偏光方向を揃えて、センサー２６で基準ビート信号と
して検出する。ビームスプリッター２４を透過した光
は、偏光ビームスプリッター（以下ＰＢＳと略す）９で
周波数ｆ１（Ｓ偏光）と周波数ｆ２（Ｐ偏光）に二分さ
れる。周波数ｆ１の光はミラー３０を介し、回折格子３
６、３７に照射される。また、周波数ｆ２の光はミラー
３１で偏向され同様に回折格子に照射される。

【００２１】この時、ミラー３０、３１は回折光がウエ
ハに対し垂直上方に回折されるように入射角θinをセッ
ティングする。入射角は、回折格子３６、３７のピッチ
をＰ、波長をλ、回折次数をｎとしたとき、ＰＳｉｎθ
in＝ｎλから求めることができる。例えばピッチＰ＝２
μｍ、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（６３３ｎｍ）使用で±１次
回折光利用の場合、入射角は約１８．５度である。

【００２２】回折格子３６、３７からの回折光は、ほぼ
同一光路を通り、ミラー２１で偏向され、レンズ３９、
偏光板４０を通り、図３に示すようにエッジミラー４１
位置にマーク３６、３７の像が結像する。ここで回折格
子３６からの回折光はエッジミラーで反射して集光レン
ズ４６を介しセンサー５５で光電検出され第１の測定ビ
ート信号が得られる。一方エッジミラー４１を透過した
回折格子３７からの回折光は同様に５８で検出され第２
の測定ビート信号が得られる。

【００２３】ウエハ５２とエッジミラー４１がレンズ３
９に関し共役になっており、さらにエッジミラー４１と
センサー５５と５８に関し共役になっている。すなわ
ち、ウエハとセンサーが共役になっているため、ウエハ
のチルトに対し強い系になっている。

【００２４】センサー２６の出力として得られる基準ビ
ート信号ＩＲは、Ａを振幅として、初期位相項を省略す
ると、 ＩＲ＝Ａｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ｝ （６）

【００２５】また、センサー５５で光電検出されるビー
ト信号Ｉ１はα、βをＰＢＳ９の正規の反射、透過光の
振幅Ａ、Ｂに対する漏れ込み光の振幅とし、Ａ１を振幅
とすると Ｉ１＝Ａ１ｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ＋Δφ１） （７） ｔａｎ（Δφ１）＝ｓｉｎ（４πΔＸ１／Ｐ）／｛ｃｏｓ（４πΔＸ１／Ｐ） ＋（α／Ｂ＋β／Ａ）｝ （８） ΔＸ１は回折格子３６のビームスポット位置できまる光
学系の基準線からのずれ量、Ｐは回折格子３６のピッチ
である。

【００２６】一方センサー５８で光電検出されるビート
信号Ｉ２は、α、βをＰＢＳ９の正規の反射、透過光の
振幅Ａ、Ｂに対する漏れ込み光の振幅とし、Ａ２を振幅
とすると Ｉ２＝Ａ２ｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ＋Δφ２） （９） ｔａｎ（Δφ２）＝ｓｉｎ（４πΔＸ２／Ｐ）／｛ｃｏｓ（４πΔＸ２／Ｐ） ＋（α／Ｂ＋β／Ａ）｝ （１０） ΔＸ２は回折格子３７の光学系基準線からのずれ量、Ｐ
は回折格子３７のピッチである。ここで、６式、７式で
示されるビート信号の位相の差φＲを位相差計５７で検
出する。

【００２７】この位相差信号は、図５（ａ）のように光
学系の基準線と回折格子３６（言い替えればビームスポ
ットと回折格子）の位置ずれ検出方向の移動によりＰ／
２周期で変化する。また、１周期の中では、非線形では
あるものの、回折格子の移動で位相差が２値をとること
がない。すなわち、ビームスポットと回折格子３６の位
置ずれを検出する事ができる。この時の位置ずれ検出分
解能は光ヘテロダイン干渉法を用いているため非常に高
く、Ｐ／１００程度は容易に達成でき、また再現性もＰ
／２０より上の精度が可能である。次に、位相差計５７
の出力φＲをもとにある一定の位相差φ０になるよう
に、ウエハステージドライバー６２に指令値を送り、ウ
エハステージ６１を駆動してスポットに対する回折格子
３６の位置決めを行う。この後、７、９式で表される２
つの測定ビート信号の位相差φを位相差計５９で検出す
るようにすれば、図５（ｂ）に示されるように、回折格
子３６と３７のＸ方向の相対ずれ量が一定の場合には、
位相差もφＳで一定の値が出力されることになる。

【００２８】２つの回折格子の相対位置ずれ量ΔＸは、
演算器６０により次のように求めることができる。

【００２９】 ΔＸ＝Ｐ・φＳ／（４π） （１１）

【００３０】なお、本装置においては、光学系、電気系
のオフセット及び、評価パターンのＺ軸に関する回転に
より生じるエラー分を補正する為に、回折格子３６また
は、回折格子３７を焼き付ける行程で、同時に、ずれ量
が既知の参照マーク（同じくＹ方向にΔＹ離れた２つの
回折格子）を露光ショット内に少なくとも１つは作製
し、その２つの回折格子からのビート信号の位相差で較
正する必要があるが、ビームスポットとの位置決めを行
う回折格子はこの参照マークと同一露光行程で作製した
方の回折格子を用いるのがより好ましい。

【００３１】前述の説明では、１軸（Ｘ方向）のみにつ
いて説明したが、Ｙ方向の位置ずれ検出についても、Ｘ
方向回折格子と直交する方向にもう１組の回折格子をウ
エハに焼き付けて、更に、もう１組の光学系をＸ方向検
出用とは直交する方向に設けて（図示せず）、Ｘ方向と
同様に行うことができる。

【００３２】なお、市松模様の回折格子をマークに用い
れば、Ｘ、Ｙ両方向の位置ずれ検出ができる。さらに、
本実施例では、回折格子にＰ，Ｓ偏光で入射し回折した
後に偏光板で偏光方向を揃える例を示したが、ＰＢＳ９
を透過、または反射した光のどちらか一方に１／２波長
板を設置して偏光方向を揃えた後に回折格子に照射して
もよい。

【００３３】一方、本実施例では±１次回折光を使った
例で説明したが、もちろんその他の次数でも良く、スポ
ットとマークの位置ずれ検出に使う回折光の次数と回折
格子の相対位置ずれを検出するのに使う回折光の次数は
異なっても可能である。

【００３４】図４は第２の実施例を示す図であり、重ね
合わせ精度測定装置である。第１の実施例では、センサ
ー２６で得られる基準ビート信号ＩＲと、センサー５５
で得られるビート信号Ｉ１との位相差から、ビームスポ
ットと回折格子３６の位置ずれを検出しているため図５
に示すように何周期かずれている場所で測定している可
能性があった。

【００３５】偏光ビームスプリッター９の偏光もれによ
り生じる誤差を取り除くことだけを考えれば、これで十
分であるが、コリメーターレンズ２などにより、ビーム
スポット位置で波面収差が無視できないほど存在する場
合には、同じ周期内である一定の位相φ０になるように
ウエハを移動させて、回折格子３６を位置決めする必要
がある。

【００３６】このとき、位置ずれ検出精度がＰ／２（Ｐ
は回折格子のピッチ）以上の公知の位置ずれ検出法を併
用して、まず同一周期内に回折格子３６を追い込んだ後
に、さらに位相差計５７の位相差出力がφ０になるよう
にウエハステージドライバー６２に指令を送り、回折格
子３６の位置決めを行うようにする。本実施例では、図
４に示すように、回折した後の光路の途中にビームスプ
リッター６８を配置し、回折光の一部を分離し、レンズ
６５によりＣＣＤカメラ６６のＣＣＤ面上に回折格子３
６の像を結像させるようにしている。この回折格子像を
もとに例えば重心検知あるは、両側エッジ検知等の公知
の信号処理技術により回折格子３６の位置ずれを検出す
るようにしている。

【００３７】また、ＣＣＤカメラの位置に２分割センサ
ーを配置しても良い。図６（ａ）はこの場合の、２分割
センサー６７のセンサー部６７ａ、６７ｂ上に回折格子
３６の像３６’’が結像している様子を示しており、こ
のとき６７ａ、６７ｂから出力される光強度の差を取る
と図６（ｂ）のようになり、位置ずれ量に対し強度差が
リニアに変化する領域を利用することにより回折格子３
６の位置ずれを検出することができる。なお、この他に
ポジションセンシティブデバイスを用いても良く、更に
ＣＣＤカメラや２分割センサーの位置は回折格子３６と
共役な位置であれば、この他の配置でも良い。

【００３８】本実施例において、第１の実施例と異なる
もう一点は、位相差信号の取り方にある。本実施例で
は、図４に示すように基準ビート信号ＩＲを２分し、そ
れぞれ位相差計５７、５９のｒｅｆ. 信号入力部に導入
している。そして、回折格子３６と３７から得られるビ
ート信号Ｉ１、Ｉ２をそれぞれの位相差計のｓｉｇ．信
号入力部に導入するようにしている。このようにするこ
とにより、位相差計のｒｅｆ．入力は信号強度が一定で
半導体プロセスの影響を受けにくい構成になる。位相差
計５７と５９の位相差出力を演算器６０に導入してその
位相差φＳを計算し、更に前述の１１式の計算をすれ
ば、回折格子３６と回折格子３７の相対的な位置ずれ、
すなわち、半導体露光行程における重ね合わせ精度を再
現性良く計測することができる。

【００３９】図７は、本発明の第３の実施例を示す図
で、遠紫外光、Ｘ線等を用いるプロキシミティー露光方
式半導体製造装置の位置合わせ部を示す。マスク３５上
に設けられた回折格子からなるアライメントマーク３６
とウエハ５２上に設けられた回折格子からなるアライメ
ントマーク３７をもちいて、マスク３５とウエハ５２の
位置合わせを行う。ゼーマンレーザ１から発せられた互
いに直交する偏光状態の光は、コリメータレンズ２を通
り、ビームスプリッター２４で二分され、反射光は偏光
板２５で偏光方向を揃えて、センサー２６で基準ビート
信号として検出する。ビームスプリッター２４を透過し
た光はミラー２７で偏向されＰＢＳ９で周波数ｆ１（Ｓ
偏光）と周波数ｆ２（Ｐ偏光）に二分される。周波数ｆ
１の光はミラー３０で偏向され所定角度でアライメント
マーク３６、３７に照射される。また、周波数ｆ２の光
はミラー３１で偏向され同様にアライメントマーク３
６、３７に照射される。この時、ミラー３０、３１は回
折光がウエハ（マスク）に対し垂直上方に回折されるよ
うに入射角θinをセッティングする。

【００４０】アライメントマーク３６、３７は、同じピ
ッチの回折格子でＹ方向に少しずらして配置している。
また、マーク３７に相当するマスク３５の部分に透過部
を設けている（アライメント光の照射されるその他の領
域はアライメント光を遮光し、不要光の発生を防ぐマス
ク構造になっている）図８において、マスク上のマーク
３８は次の露光行程で使用するためにウエハ上に焼き付
けるアライメントマークを示し、領域３２がスクライブ
ライン、領域３３が回路パターエリア、領域３４が露光
光が照明する範囲に相当する。

【００４１】アライメントマーク３６、３７からの回折
光は、ほぼ同一光路を通り、ミラー２１で偏向され、レ
ンズ３９、偏光板４０を通り、図３に示すようにエッジ
ミラー４１位置にマーク３６、３７が結像する。ここで
アライメントマーク３６からの回折光はエッジミラーを
反射して、レンズ４６を介しセンサー５８で光電検出さ
れる。一方エッジミラー４１を透過したアライメントマ
ーク３７からの回折光は同様にセンサー５５で検出され
る。

【００４２】ウエハ５２（マスク３６）とエッジミラー
４１がレンズ３９に関し共役になっており、さらにエッ
ジミラー４１とセンサー５５、５８に関し共役になって
いる。すなわち、ウエハ（マスク）とセンサーが共役に
なっているため、ウエハ及びマスクのチルトに対し強い
系になっている。

【００４３】センサー２６の出力として得られる基準ビ
ート信号ＩＲは、Ａを振幅として、初期位相項を省略す
ると、 ＩＲ＝Ａｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ｝ （１２）

【００４４】また、センサー５５で光電検出されるビー
ト信号ＩＭはα、βをＰＢＳ９の正規の反射、透過光の
振幅Ａ、Ｂに対する漏れ込み光の振幅とし、ＡＭを振幅
とすると ＩＭ＝ＡＭｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ＋ΔφＭ） （１３） ｔａｎ（ΔφＭ）＝ｓｉｎ（４πΔＸＭ／Ｐ）／｛ｃｏｓ（４πΔＸＭ／Ｐ） ＋（α／Ｂ＋β／Ａ）｝ （１４） ΔＸＭは回折格子３６のビームスポット位置できまる光
学系基準線からのずれ量、Ｐは回折格子３６のピッチで
ある。

【００４５】一方センサー５８で光電検出されるビート
信号ＩＷは、α、βをＰＢＳ９の正規の反射、透過光の
振幅Ａ、Ｂに対する漏れ込み光の振幅とし、ＡＷを振幅
とすると ＩＷ＝ＡＷｃｏｓ｛（ω１ーω２）ｔ＋ΔφＷ） （１５） ｔａｎ（ΔφＷ）＝ｓｉｎ（４πΔＸＷ／Ｐ）／｛ｃｏｓ（４πΔＸＷ／Ｐ） ＋（α／Ｂ＋β／Ａ）｝ （１６） ΔＸＷは回折格子３７の光学系基準線からのずれ量、Ｐ
は回折格子３７のピッチである。ここで、１２式、１３
式で示されるビート信号の位相の差φＲを位相差計５７
で検出する。

【００４６】この位相差信号は、図５（ａ）のように光
学系の基準線と回折格子３６（言い替えればビームスポ
ットと回折格子）の位置ずれ検出方向の移動によりＰ／
２周期で変化する。また、１周期の中では、非線形では
あるものの、回折格子の移動で位相差が２値をとること
がない。すなわち、ビームスポットと回折格子３６の位
置ずれを検出する事ができる。位相差計５７の出力φＲ
をもとにある一定の位相差φ０になるように、マスクス
テージドライバー６３に指令値を送り、マスクステージ
６４を駆動してスポットに対する回折格子３６の位置決
めを行う。

【００４７】この後、１３、１５式で表される２つの測
定ビート信号の位相差φを位相差計５９で検出するよう
にすれば、図５（ｂ）に示されるように、回折格子３６
と３７のＸ方向の相対ずれ量が一定の場合には、位相差
もφＳで一定の値が出力されることになる。２つの回折
格子の相対位置ずれ量、すなわちマスク３５とウエハ５
２のアライメントエラーΔＸは、演算器６０により次の
ように求めることができる。

【００４８】 ΔＸ＝Ｐ・φＳ／（４π） （１７）

【００４９】位置ずれを検出した後、その値に基づいて
ウエハステージ６１用駆動ドライバー６２に指令を送
り、ウエハあるいはどちらか一方を移動させて許容ずれ
量以下になるようにする。本説明では、マスク上のアラ
イメントマークとビームスポットの位置合わせを行うの
にマスクの方を移動させたが、光学系を移動させるよう
にしても同様の効果が得られる。また１軸（Ｘ方向）の
みについて説明したが、Ｙ方向のアライメントについて
も、Ｘ方向アライメントマークと直交する方向にもう１
組のアライメントマークをマスクとウエハにそれぞれ設
けて（図示せず）、更に、もう１組の光学系をＸ方向検
出用とは直交する方向に設けて（図示せず）、Ｘ方向と
同様に行うことができる。なお、市松模様の回折格子を
アライメントマークに用いれば、Ｘ、Ｙ両方向の位置ず
れ検出ができる。また、露光領域の各辺の内少なくとも
３辺にこのようなアライメント光学系、アライメントマ
ークを設けることにより、Ｘ、Ｙと更に回転方向の位置
ずれ量を検出することもできる。

【００５０】さらに、本実施例では、回折格子にＰ，Ｓ
偏光で入射し回折した後に偏光板で偏光方向を揃える例
を示したが、ＰＢＳ９を透過、または反射した光のどち
らか一方に１／２波長板を設置して偏光方向を揃えた後
にアライメントマークに照射してもよい。なお、このと
きは、偏光板４０は必要なくなる。

【００５１】一方、本実施例では±１次回折光を使った
例で説明したが、もちろんその他の次数でも良い。

【００５２】さらに、等倍のプロキシミティ半導体露光
装置のアライメント装置の例をあげて説明してきたが、
本発明は縮小投影半導体露光装置にも応用可能な技術で
ある。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
偏光ビームスプリッタに漏れ込みがある場合において
も、まず、２つの回折格子のうち一方の回折格子を再現
性良く、ビームスポットに位置決めして、その後、２つ
の回折格子の回折光で形成した２つのビート信号の位相
を比較処理することにより、漏れ込みにより生じた非線
形誤差の影響のでない高精度で再現性の良い位置ずれ計
測が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を代表して説明する第一の実施例
であり、重ね合わせ精度測定装置を示す図である。

【図２】２つの回折格子マークの配置図である。

【図３】実施例で説明に使う回折光の分離方法を示す図
である。

【図４】本発明の第２の実施例で重ね合わせ精度測定装
置を示す図である。

【図５】本発明の原理を説明するための図である。

【図６】本発明の第２の実施例で用いる２分割センサー
を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施例で半導体露光装置のアラ
イメント装置部を示す図である。

【図８】本発明の第３の実施例を説明する図である。

【図９】従来例の問題点を説明するための図である。

【図１０】従来例の重ね合わせ精度測定装置で計測した
場合の実験結果の一例を示す図である。

【図１１】従来例の重ね合わせ精度測定装置のパターン
配置図である。

【図１２】従来例の重ね合わせ精度測定装置を示す図で
ある。

【図１３】従来の非線形誤差低減方法を示す図である。

【符号の説明】

１ ゼーマンレーザー ２ コリメータレンズ ２６、５５、５８ センサー ２５、４０ 偏光板 ９ 偏光ビームスプリッター ５７、５９ 位相差計 ６０ 演算器 ３５ マスク ３６、３７ 回折格子 ４１ エッジミラー ５２ ウエハ ６１ ウエハステージ ６４ マスクステージ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光方向が直交したわずかに周波数の異
   なる２成分を有する光をその偏光方向に応じて偏光分離
   素子で２光束に分離し、２つの回折格子上で前記２光束
   のビームスポットが重なるように所定角度で前記の２光
   束を入射させ、前記ビームスポットと前記回折格子のう
   ち少なくとも一方の回折格子の位置ずれを検出し、その
   位置ずれ量に基づき前記一方の回折格子を所定位置まで
   移動させた後、それぞれの回折格子からの回折光を用い
   て形成した第１、第２のビート信号の位相を比較処理し
   て前記２つの回折格子の相対位置ずれを検出することを
   特徴とする光ヘテロダイン干渉測定方法。
2. 【請求項２】 前記ビームスポットと回折格子の位置ず
   れを検出する際、前記回折格子の位置ずれによっても位
   相が変化しない基準ビート信号の位相と前記回折格子か
   らの回折光を用いて形成した第１のビート信号の位相を
   比較処理して行うことを特徴とする請求項１の光ヘテロ
   ダイン干渉測定方法。
3. 【請求項３】 互いに偏光方向が直交しているわずかに
   異なる周波数を有する光を発生する光源と、前記光源か
   らの光束を偏光方向に対応して２光束に分離する偏光分
   離手段と、２つの回折格子と、前記回折格子上で前記２
   光束のビームスポットが重なるように２光束を照射させ
   る照射手段と、前記ビームスポットと少なくとも２つの
   回折格子うち一方の回折格子との位置ずれを検出する手
   段と、前記位置ずれ検出手段の検出結果の基づいて所定
   位置まで前記一方の回折格子を移動させる移動手段と、
   前記２つの回折格子のうち第１の回折格子からの回折光
   を合成して第１のビート信号を形成する手段と、前記２
   つの回折格子のうち第２の回折格子からの回折光を合成
   して第２のビート信号を形成する手段と、前記２つのビ
   ート信号の位相差を検出する手段と、前記一方の回折格
   子が前記所定位置に位置する時の前記位相差を演算処理
   する演算手段とを有することを特徴とする光ヘテロダイ
   ン干渉測定装置。
4. 【請求項４】 前記２つの回折格子が同一基板上に形成
   されていることを特徴とする請求項３の光ヘテロダイン
   干渉測定装置。
5. 【請求項５】 前記２つの回折格子がそれぞれ異なる基
   板上に形成されていることを特徴とする請求項３の光ヘ
   テロダイン干渉測定装置。