JPS62172204A - 相対変位測定方法 - 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】 （以下、余白） ３　発明の訂イ４１１メＩ説明 （産業上の利用分野） 本発明は複数個の物体にそれぞれ回折格子を形成し、波
動の回折、干渉現象を利用して該複数個の物体の格ｒ面
内方向の相対変位を高精度に測定する方法に関するもの
である。

本発明は高精度な相対変位測定を必要とする産業分野で
広範？７応用か可能であるが、特に半導体産業における
サブミクロンパターン転写用Ｘ線リソグラフィ技術への
応用が重要と考えられる。以下、波動の一例と１７で光
を用いる場合について詳細な説明を行なう。

（従来の技術） 第５図はＦｌａｎｄｅｒｓらが提案した　（八ｐｐｌｉ
ｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、３１．４２５（１
！１７７））回折格子を用いた相対変位測定方法である
。第５図では、２つの物体１．２上に、等しい周期ｄを
持つ回折路Ｔ−ＡとＢか形成され、ＡとＢか平行になる
ように設置されている２、波動　１１　を回折格子面に
ｉＴｊ　ｔｔ：ｊに入射させると、　Ｉｉは回折格子Ａ
とＢによりＡ、Ｂの周期ｄと波長λて定まる１１１度０
　　（ｄｓｉｎＯ＝　ｎλ、ｎは回折の次数を表わす整
数）ｔｊけ回折される。

この回折波の強度は回折格子ＡとＢの相対位置により変
化するので、その測定により回折格子ＡとＢの相対変位
、即ち物体１ど物体２の相対変（〃を測定できる。特に
十〇方向への回折波Ｉ、と一〇方向への回折波１〜は、
回折格子面内で回折格子に垂直な方向（第５図中のＸ方
向）の相対変位に増減しかし、この第５図の方法は、次
に述べる理由により実用に供し難いという欠点を有して
いる。

第５図中に例示する様にＩヤと１−は共に多くの回折波
から構成さねでいる。回折格子Ａでｉ次の回折を受け、
回折格子Ｂて３次の回折を受けた後、さらに回折格子Ａ
′Ｃｋ次に回折された回折波を１（ｉ。

ｊ　、ｋ）、回折格子Ａの上面で１次に反射回折された
回折波をＩ　（ｉ）で表わすとすると、１次の回折の場
合には、Σ（１）とＩ　Ｆｏ、０．１）　、　Ｉ　（０
，ＬＯ）　、＋　（１，０，０）　。

１（０，−１，２）　、１（−１，０，２）等１（ｉ、
、ｉ、ｋ）でｉ　＋　ｊ　＋　ｋ　−１なる回折波の合
成波である。第５図には簡単のためにｉ　（］、）　、
　ＩＣ−１，１，１＋　、　ｌ　（ＣＩ、０．１）　、
Ｉ　（１、−１，１）　、　ｉ　（１，０，［１）のみ
を示した。これらの各回折波はその回折次数により、波
の位相のＸ方向相対変位やＡ−８間距離きるのは、極め
て限られたＳの値に対してのみに限定されてしまう。

（発明が解決しようとする問題点） そこで、本発明の［］的は、以−ト述へた従来方法の欠
点を解決して相対変位を測定する方法を提供することに
ある。

（問題点を解決するための手段） このような目的を達成するために、本発明は、複数個の
物体にそれぞれ回折格子を形成し、入１１１波動の進行
方向に沿って少なくとも１組の前段と後段の関係となる
２−）の回４１（格子のうちの一方の回折格子の周期を
他方の回折格子の周期の１より大きい非整数倍とするこ
とによつ°Ｃ１物体間距渾ｆに依存せずに高精度な回折
格子面内方向の相対変位測定を行う。

（作　用） 本発明の構成によれば、信号光強度が物体間の距離に関
係なく回折格子面内方向の相対変位にのみ依存するので
、極めて高精度な相対変位測定を容易に実現できる。

’；＋Ｚ　１図は本発明の基本的実施例を示し、平行に
向ぎ合っている物体１，２上にそわそ打周期ｆｌＡ、　
、ｄ、８　　を有する回折格子Ａ、Ｂを配設する。ｄＡ
はｄ８の１より人とい、ｌｌ−整数倍であるとする。物
体１上の回折格子Ａに可干渉寸平行光束１１　を入射さ
せると、回折格子の面法線に対し°Ｃ回折次次数、周Ｉ
ＪＩ　ｄ＾、波長えて定まる±Ｏｍなる（（１度に回折
され（（１ｍ）となる。これら１（１ｍ）（ま物体２上
の周期ｄＢを有する回折格子Ｂによってざらにｎ次に回
折され、±θＳなる角度に出射されて信号光Ｉ（ｍ、−
ｎ）　、Ｉ（−ｍ、ｎ）となる。ここではこれら特定の
角度に出射される光のみをレンズ３等の適当な集光装置
を用いて特定の位置に集光・干渉させてその強度を検出
器４で検出し、回折格子の重合方向と直交するＸ方向の
相対変位を測定する。信号光以外の光は、Ｏ５とは異な
る角度に出射されるため、その集光位置でマスク５によ
りマスキングすることにより、それらが検出器４に混入
するのを防止できる。

このような配置で、仮に従来方法と同じく回折格子Ａの
周期ｄＡと回折格子Ｂの周期ｄＢが相等しいとすると、
次のような理由から従来方法の欠点である物体間距離依
存性を有することになる。

即ち、入射光Ｉｉが回折格子Ａによって士（ｍ−ｎ）次
に回折され回折格子Ｂを透過する光Ｉ　（ｍ−ｎ、ｏ）
　。

１　（−ｍ＋ｎ、ｏ）および回折格子Ａを透過したのち
回折格子已により±（ｍ−ｎ）次に回折される光ｆ（ｏ
、ｍ−ｎ）　、Ｉ（ｏ、−ｍ＋ｎ）や、さらにこれらの
回折格子Ａ、Ｂ間での多重回折光等、物体間距離を含む
１．蚤路長の異なる種々の回折光が上記信号光１（ｍ、
−ｎ）。

Ｉ（−ｍ、ｎ）　　と同じ角度±Ｏ８で出射されるため
、信号光に重畳し、結果として信号光強度が物体間距離
に強く依存するものとなる。また、回折格子Ａの周期ｄ
Ａが回折格子Ｂの周期ｄＢの整数倍であっても、回折光
の挙動は上記相等しい場合と同様なものとなり、やはり
前記欠点は何ら改善されない。

（ｍ−ｎ）、ｏ）、　　Ｉ　（ｏ、±　（ｍ−ｎ））、
　　　Ｉ（±ｍ、ｏ）、　　　Ｉ　（ｏ、±０）。

■（±ｎ、ｏ）、　Ｉ（ｏ、±ｎ）等、およびこれらの
多重回折光は、信号光の出射角度±θＳとはそれぞれ異
なる角度で出射されるので、これら経路長の異なる種々
の回折光の信号光への重畳を原理的に避けることができ
る。このような構成において信号光を形成するのは、回
折格子Ａで±ｍ次に回折されたのち回折格子Ｂで±ｎｎ
次折された光１（ｍ、−ｎ）。

Ｉ　（−ｍ　、　ｎ）のみであり、これらの経路長は物
体間距離に依存せずに相等しいので、その結果物体間距
離に何ら影響されずに相対変位を高精度に測定できる。

なお、第１図の配置で、回折格子Ｂの周期ｄＢと回折格
子Ａの周期ｄハの比がｊ／２ｉ（但し２ｉ、ｊは互いに
他の倍数てない正の整数）である場合には、第２図で述
べるようにレンズ系が不要となる等、信号光形成過程が
より単純なものとなり、測定精度も向上する。

第２図に示す実施例では、物体２上に形成されている回
折格子Ｂの周期ｄＢと物体１上に形成されている回折格
子Ａの周期ｄＡとがｄＢ　／ｄ八へ（ｊ／２ｉ）　（但
し２ｉ、ｊは互いに他の倍数でない正の整数）である。

この構成では、次に述べる理由から、第１図に示した構
成で必要とされたレンズ等の集光装置か不要となり、よ
り簡便な測定系で高精度な相対変位測定を実現できる。

回折格子Ａに入射光Ｉｉ　を垂直に入射させると、　１
１　はＡてｄＡｓｉｎθｍ＝ｍλ（但しｍは回折次数）
を（１：４足する任意の±ｍ次の回折を受ける。このう
ち±ｉ次の回折光は上式を満足する±θｉの角度に回折
されＩ（±ｉ）となる。Ｉ（ｉ）はＡの周期ｄＡとは前
述の関係にある周期ｄＢを有する回折格子Ｂによってｎ
次の回折をうけ、回折の式ｓｉｎθＳ＝ｎλ／ｄｓ　＋
　ｓｉｎθｉを満足するθＳなる角度に出射されｒ　（
ｉ　、ｎ）となり、さらに回折格子Ａを透過してＩ（ｉ
、ｎ、ｏ）となる。一方、Ｉ（−ｉ）は前記Ｉ（ｉ）と
同直すと、Ｔ　（ｉ）に対しては ｓｉｎθＳ＝λ／ｄｓ　（ｎ＋　ｉｄＢ　／ｄへ）とな
り、他方１（−ｉ）に対しては ｓｉｎθｓ’＝　　λ／ｄＢ　　（ｎ’　　−１ｄＢ　
　／ｄ八　）となる。ここで、　ｄＢ／ｄ八＝ｊへ２ｉ
であるから、ｎ’＝ｎ＋ｊなる次数のとき、Ｏ３′＝Ｏ
８となり、１　（ｉ　、　ｎ）とＩ（−ｉ、ｎ”）は同
じ角度Ｏ３に回折される。Ｉ（−ｉ、ｎ’）はＡを透過
してｌ　（−ｉ、ｎ’　、ｏｌとなり、１（ｉ、ｎ、ｏ
）と互いに干渉し合って信号光Ｊｓ１を生成する。信号
光１ｓ２についても同様である。

信号光Ｉｓ１とＩｓ２の強度は、回折格子Ａ、Ｂの重合
方向と直交する方向の相対変位Ｘに対して概ねｃｏｓ２
（２πＸ／旬）なる関数形で変化し、変位Ｘが回折格子
Ａの半周期（ｄハ／２）変わる毎に極大号光かこれらの
回折光成分のみから形成される限り、その強度は物体間
距離に全く依存せずに、相対変位のみに依存して概ね前
記単純な関数形で変化する。

ところで、入射光Ｉｉが物体１上の回折格子Ａを透過し
、物体２上の回折格子Ｂで±ｎ次に反射回折されてＩｌ
ｌ、±ｎ）となり、さらにＡで±１次に回折された光■
（０，±ｎ、±ｉ）は、最終的に±θＳなる角度で出射
するため、前述の信号光Ｉｓ’、Ｉｓ工に混入してくる
ことが考えられる。これらの回折光ば、信号光を形成す
る前記１（ｉ、ｎ、ｏ）等とけ経路長が異なっており、
その結果、信号光強度の物体間ｉｉ’ｆ′！離依存性を
太き（するという悪影響を及ぼすことになる。しかし、
回折格子Ｂの形状を垂直入射光に対する反射回折効率の
低いものとする等、公知既存の技術によってこれら好ま
しくない回折光成分の強度を無視できる程度まで低減す
ることは充分可能であるので、上記悪影響は問題となら
な信号光の±Ｏ５とは異なるので、信号光に混入するこ
とはない。これは、第１図の例において詳しく述べたよ
うに、回折格子Ａ、Ｂの周期が互いに他の非整数である
ためである。

信号光Ｉｓｌ　、　Ｉｓ２の強度変化は物体間の相対変
位Ｘに対して概ねｃｏｓ２（２πｘ　／ｄＡ）に比例す
ることは先に江べたが、上記関数以外に、変位Ｘの１次
関数で近似できる強度変化も、相対強度は小さいが含ま
れている。

従って、Ｉｓｌ　とＩｓ２の差を測定すれば、物体間の
相対変位を前述の如き周期関数的にではなく、線形的に
測定することが可能となる。変位が零のときは、Ｉｓｌ
とＴＳ２の強度は等しくなり、強度差も茎となる。この
ように変位Ｘを線形関数的に測定できることにより、用
いる回折格子周期の１０倍以上の長い距離範囲にわたっ
て変位の方向と大きさを測定することが可能となる。

この構成の最も単純な場合はｉ・１．ｊ・３．即ちｄＢ
／ｄＡす５である。この場合には、回折格子Ａ、Ｂにお
ける回折戊数が±１次あるいは１２次である低次回折光
のみから信号光Ｉｓ＋　、　ｌｌ５２が形成されるため
、より高次の回折光を用いる場合に比べて信号光強度が
増大し、結果とし°Ｃ測定精度が向、」ニする。

第３図に示す実施例は第２図の場合と同じ格子周期条件
を有しなから、物体１上の回折格子Ａの形成領域か物体
２上の回折格子Ｂの形成領域より小さい場合である。こ
の場合、入射光［ｉか回折格子Ｂによって０次に反射回
折された光■（０）およびその多重回折光の信号光への
混入が抑制されるので、信号光強度の対雑音比が向上し
、測定精度が向上する。この構成は物体２が入射光Ｉｉ
　に対して高い反射率を有している場合に特に有効であ
る。信号光１ｓ１　、　Ｉｓ２か生成される過程は第２
図と全く同様であり、Ｉｓｌ　、　Ｉｓ２の強度変化は
物体間距離に依らずに物体１．２の相対変位のみの単純
な周１（ＩＮ関数となる。またＩｓｌとＩｓ２の強度差
は、第２図の実施例と同様に相対変位の線形関数となり
、その測定により広範囲の変位測定が行なえる。

第４図に示す実施例では、物体１と２との間にレンズ６
．７等の光学系を挿入する。このような構成をとること
により、物体１と２の距離が相当に離れている場合でも
、物体間距離に依存することなく図のＸ方向の相対変位
を高精度に測定できる。入射完工１　はまず物体を上の
回折格子Ａによって１２次に回折されＩ（±℃）とｔ♂
す、レンズ６に±ＯＬ　なる角度で人↓）１する。次に
、レンズ６の焦点位置に配置したマスク８て適当なマス
キングを施すことにより入射光そのものなどの信号に寄
与しない光をしゃ断し、■（±Ｕ）のみを通過させてＩ
’（±ｌ）とする。これら　Ｉ’（±１）はレンズ７に
よって±θｉなる角度に集光されてＩ（±ｉ）となって
物体２上の周期ｄ８を有する回折格子Ｂり立ち、■（±
ｉ）は回折格子Ｂによって±ｎ１士口゛次に回折されて
信号光ＩＳ１．　ｌｓ２を生成する。この場合、レンズ
７の集光角が上記条件を満足していればよく、回折格子
Ａでの回折角±θｔ　は問題ではない。従って、物体１
上の回折格子Ａの周期ｄＡど回折格子Ｂの周期ｄＢの関
係は任意でよく、一方の回折格子（例えばこの図でＡ）
と光学装置を結合した系全体として、実効的に実施例１
〜３で述へた周期条件を満足する回折格子（図１〜３で
Ａ）と同等の作用をすればよい。このような構成をとる
ことにより、物体１と２との間のレンズ系６．７を例え
ば光フアイバケーブルを組み込んだ一体型とする等によ
り、必らずしも回折格子Ａ、Ｂを重合させる必要はなく
、任意の距離および位置関係にある物体１．２間の相対
変位を高精度に測定できる。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明により極めて高精度な相対
変位測定を容易に実現でき、Ｘ線リングラフィ等の超精
密加工技術へ有効に適用できる等、半導体産業に広範な
応用が期待できる。

なお、以上の説明では波動として可視領域の光を用いる
場合のみを述べたが、本発明はその原理から明らかなよ
うにこれに限定されるものではなく、電磁波や音波等波
動性を有するもの全般に対して有効に適用し得る。また
、上述の実施例では２つの物体間の相対変位測定の場合
についてのみ示したが、本発明は、その原理および作用
から、３物体以上の複数個の物体間の相対変位４１１１
定にも有効に応用できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的実施例を示す線図、第２．３．
４図は本発明の他の実施例を示す線図、 第５図は典型的従来方法の説明図である。 １．２・・・物体、 Ａ、Ｂ・・・回折格子、 Ｉｉ・・・入射光、 １　（１、ｍ、・・）・・・順次１．ｍ・・次に回折さ
れた回折光、 １′・・・レンズを通過したのちの光、Ｉｓ４　、　Ｉ
Ｓ２　　・＝信”ｙ光、ＯＬ　・・・格子面法線からの
回折角、Ｘ・・・相対変位、 Ｓ・・・物体間距離。 本宅り月）「に合＋ｌの願Ｕｚ 第１図 工 ２を戴明冑施侃の縁間 第２図 本命日月実′施例０イ掌、図 第３図 不発日月実施う１１の株図 第４図 一一＼−−２ １′道来９ｊ１１の説絹図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数個の物体のそれぞれに回折格子を設け、初段の
   回折格子に波動を入射させ、終段の回折格子から信号波
   動を取り出して、該信号波動の強度変化から上記複数物
   体の相対変位を測定する方法において、上記入射波動の
   進行方向に沿って少なくとも１組の前段と後段の関係と
   なる２つの回折格子のうちの一方の回折格子の周期が他
   方の回折格子の周期の１より大きい非整数倍であること
   を特徴とする相対変位測定方法。 ２）上記二つの回折格子の周期の比がｊ／２ｉ（但し、
   ２ｉ，ｊは互いに他の倍数でない正の整数）であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の相対変位測定
   方法。 ３）上記二つの回折格子の周期の比が１．５であること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の相対変位測定
   方法。