JPS6225212A - 相対変位量測定装置 - 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】 〈産業上の利用分野） 本発明は、互いに重合関係にある複数の物体間にあって
、該重合方向とは直交する面内方向においての各物体相
互の相対変位量を可干渉性波動の回折、干渉現象を利用
して測定する方法及び装置に関し、特に微小寸法オーダ
での相対変位量をも高精度で測定可能とするための改良
に関する。

〈従来の技術〉 縦または横に重ねられた複数の物体間の相対変位量を測
定するにも、その手法自体には昔から実に様々なものが
あるが、ミクロン・オーダからサブ・ミクロン・オーダ
にも及ぶような微小変位量を高精度で測定することを目
的としたものは意外に少ない。

そうした中にあって、原理的に興味を惹くものに、Ｄ、
Ｃ，Ｆｌａｎｄｅｒｓ他により、Ａｐｐｌ、　Ｐｈ７Ｓ
、　Ｌｅｔｔ、；３１　（１９７７）４２Ｂにて発表さ
れた方法がある。

この方法は１回折格子を用いての波動の回折、干渉現象
を利用するもので、第７図に示されるような原理に従う
ものである。

第一物体０１と第二物体０２が距ｆａｚだけ離れて重ね
られている場合（ここでは上下の縦重ねで示しである）
、当該重合方向とは直交する面内方向Ｘに沿う青物体ｏ
１　、　ａ２の相対変位量を測定するのがこの方法の最
終的な目的であるが、静的な構成としては、まず青物体
ｏ１　、　ｏ２のそれぞれに、互いに対向する回折格子
口ａ、Ｄｂを形成する。但し、これら両回折格子Ｄａ　
、　Ｄｂのビー２チ乃至格子定数ｄは共に同じとされて
おり、その寸法的な面内方向幅も同程度とされている。

相対変位！Ｉ″Ｃ測定のためには、第一、第二のいづれ
かの回折格子口ａ、Ｄｂに対し、原則として入射角刃で
、すなわち法線方向に沿って、外部から可干渉性波動１
ｉを入射させる１１ＯＴ干渉性波動として代表的なもの
はコヒーレント光である。

第７図示の場合には、図中、下側に図示されている回折
格子Ｄａに対し、その下方から可干渉光Ｉｉを入射する
ように示されているので、これに従うと、入射光１ｉは
当該入射光から見て初段となる当該第一の回折格子Ｄａ
により回折され、その次数に応じて定まるそれぞれの回
折角方向に複数の出射光群を生ずる。

図中には簡単のため、法線方向に対し、上記した格子定
数ｄ、入射光波長λ、そして次数“１”にしたがって定
まる回折角±０の方向に出射された一次の回折光Ｉａ”
　、　Ｉａ−と、回折されなかった入射光、すなわち零
次の回折光１ａｏのみが示されているが、もちろん、実
際には上記の通り、さらに高次の回折光も含まれる。な
お、便宜的に法線方向に対し、図面上での右回転を正方
向“＋”、左回転を負方向“−”として近く。

初段の回折格子Ｄａの上記各出射光成分は、次いで、こ
の場合、物体が二つしかないのでそれが直ちに終段の回
折格子となる第二の回折格子Ｄｂに入射される。

その結果、この第二の回折格子Ｄｂについても同様の回
折現象が生じ、従って、先と同様、第一回折格子Ｄａか
ら与えられる入射光Ｉａ”　、　Ｉａ−、Ｉａ。

に関し、それを回折した一次及び零次の回折光に限って
図示しても、第二の回折格子Ｏｂの法線方向に対し、十
〇方向には、第一の回折格子によってのみ回折された出
射光Ｉａ”　、第二の回折格子１１ａによってのみ回折
された出射光Ｉｂ＋　、そして両回折格子Ｄａ、Ｄｂの
双方によって順次回折された出射光Ｔａ、ｂ＋の群が生
じ、逆に、負の回折角方向−〇には、第一の回折格子Ｄ
ａによってのみ回折された出射光１ａ　　、第二の回折
格子Ｄｂによってのみ回折された出射光Ｉｂ−１そして
両回折格子Ｄａ　、　Ｄｂによって順次回折された出射
光Ｉａ、ｂ−の群が生ずる。

そこで、ここで挙げている従来法では１以上のように第
二回折格子Ｄｂの法線方向に対して±０で規定される二
方向に出射される出力光成分群を、正負でそれぞれまと
めて正方向信号光■０＋と負方向信号光ＩＯ−とし、そ
れぞれを図示しない適当な光検出器で捕えて両者の強度
差Ｉｏ”−１ｏ−を取ることにより、その変化分に基づ
き、青物体ｏ１．ｏ２の相対変位量を測定するようにし
ていた。

〈発明が解決しようとする問題点） しかるに、上記の従来法では、回折角０に関する正負両
信号光の光強度差Ｉａ十−１ｏ−の変化は、巾にＸ方向
相対変位のみならず、青物体ｏ１　、　ｏ２間の距離差
２にも依存してしまう欠点がある。これは例えば、第７
図において回折光Ｉａ＋とｒｂ＋とを見比べると分かる
ように、ｇ正負各回折角方向への信号光Ｉｏ”　、　Ｉ
ｏ−の成分中に、それぞれ当該物体間圧ｇＩ２に基づい
て光路差を有する光成分が混入してくるがためである。

また、既述のように、回折角０に関する正負各信号光１
ｏ”　、　Ｉｏ−中には原理的に高次の回折光成分も含
まれ、さらには第７図中、仮想線で示すように、第二回
折格子Ｄｂで反射回折された回折成分Ｉｒが再び第一回
折格子Ｄａに入射し、そこでまた反射回折されて第二回
折格子Ｄｂに戻り、正負両信号光成分中に混入するとい
うメカニズムも生起するので、そうした複雑な成分関係
の影響を逃れ得す、そのため、上記の光路差の存在とい
う事実とあいまって、信号光強度差１ｏ＋−Ｉｎ−とＸ
方向相対変位量とは、巾に物体間の距離２をパラメータ
として含むだけでなく、極めて複雑な関数関係となって
しまうのである。

したがって仮に、ある特定の距ｆａｚに関してその関数
形が解析可律であったとしても、距離Ｚが少しでも変わ
れば、それは何の意味もなくなってしまうから、例えば
第一物体Ｏｌが半導体基板乃至半導体ウェハであって、
第二物体０２が当該基板表面上に電子回路を構築するた
めに付けたり外したり、良く取替えられるリングラフィ
用マスクであるような場合、当該各種のマスクにそれぞ
れ同一特性の回折格ｆ−Ｏｂを個別に形成して置くこと
自体は容易であっても、それらを使う前には必ず、基板
ｏ１に対してその重合方向の位を決めを厳格になす必要
が出てしまう、これでは側底、実用化は期待し得す、現
に実用化されたとの報告もない。

本発明はこの点に鑑みて成されたもので、回折格子を用
い、波動の回折、干渉を利用するという基本原理に即し
ながらも、上記した従来例の欠点を伴わず、筒中な構成
でありながら原理的に物体間の重合方向距離依存性のな
い、高精度な相対変位￥測定を回旋ならしめんとするも
のである。

く問題点を解決するためのｆ段〉 上記した従来例の欠点は、信号光Ｉｏ士、　Ｉｏ−の各
々に、異なる長さの光路を辿ってきた成分が混在してい
ること、そして、零次からｍ次（ｍは整数）に亘る複数
の回折次数成分が含まれていることに起因する。

そこで本発明は、こうした知見に基づき、上記「１的を
達成するため、次のような構成による相対変位量測定方
法及び装置を提供する。

（１）互いに重合した複数の物体の各々に回折格子を設
け、１ｔｆｆｉ合方向で一方の側の物体に設けられてい
る初段の回折格子に可干渉性波動を入射させ、他方の側
の物体に設けられている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
体間の上記重合方向とは直交する面内方向の相対変位量
を測定する方法であって： 上記入射波動の進行方向に沿って前段の回折格子が回折
する回折波動成分の中、該前段の回折格子に特定かつ中
−の回折次数成分を次段の回折格子への実効入射波動成
分とすると共に；上記終段の回折格子においても、該終
段の回折格子に特定の回折次数成分を上記信号波動とし
て取り出すこと； を特徴とする相対変位量測定方法。

（２）互いに重合した複数の物体の各々に回折格子を設
け、該重合方向で一方の側の物体に設けられている初段
の回折格子に可干渉性波動を入射させ、他方の側の物体
に設けられている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、ｌ二足複数物体間の
一ヒ記重合方向とは直交する面内方向の相対変位量を測
定する相対変位量測定装置であって： 上記複数の物体の各々に設けられる上記複数の回折格子
の中、一つ以上の回折格子を、上記面内方向にＩｊいに
離間した第一、第二の有効回折部分に分、１したこと； を特徴とする相対変位量測定装置。

く作　川〉 上記構成の本発明方法によれば、得られる信号波動の強
度変化には物体間の重合方向距離の変化に依存する成分
を含ませないようにすることができる。従って、測定が
容易で、高い精度を得るのも筒中である。

すなわち、前段の回折格子が回折する回折波動成分の中
、該前段の回折格子に特定かつ巾−の回折次数成分を次
段の回折格子への実効入射波動成分とするように図ると
、それら実効入射波動成分が正負両回折角方向に分かた
れた二つの波動として次段の回折格子に与えられるに際
し、それらの間には原理的に経路長差が生じないように
できる。換言すれば、経路長自体は物体間距離の如何に
よって変化しても、それらの変化の割合は回折次数が同
じである限り、正負両回折角方向において常に同じにで
きるのである。

従って、終段の回折格子においても、該終段の回折格子
に特定の回折次数成分を強度測定に供する信号波動とし
て取り出せば、入射波動から信号波動に至る過程、経路
は極めて単純化することができ、かつ物体間重合方向距
離依存性はないので、物体間の面内方向相対変位列と当
該信号強度変化とは簡単な関数関係に置くことかでＳ、
測定精度も上方に高めることができる。

このような第一発明に対し、第二発明としての本発明装
δは、当該第一発明による方法を実施するのに最適な装
置を提供する。

既述の第一発明によれば、各回折格子が回折する複数次
数の回折波！ｆ１＋成分の中、望ましくない次数の波動
成分は看）号波動中から排斥するものとしているが、場
合によっては、入射波動が各回折格ｆ−を零次で回折し
てきたような成分とか、あるいは物体をそのまま透過し
てきたような成分、すなわち実質的に入射波動そのもの
とも言えるような透過成分は、これが最終的な信号波動
に重畳してくることを特に妨げてはいない。

このような場合にあっても、物体間距離がそれ程離れて
いない時等には、何重差支えがないこともあり、また入
射波動強度を別途に検出して位相整合しながら引き算す
る等、公知既存の技術により、その重畳成分を電気的に
弁別できるような別途の検出系を設ければ、本発明の第
一発明による測定方法はそのまま有効に実施できる。

しかし、特殊な場合には、この透過成分の強度が大き過
ぎて信号波動を完全にマスキングしてしまったり、ある
いはまた信号波動に位相変調を掛けてしまった結果、問
題が生ずることも考えられる。

そのような場合には、もちろん、当該重畳成分の発生を
抑止するか、発生したものは除去することが９ましいが
、本発明の第二発明の装置によれば、これが簡単に行な
える。

例えば終段の回折格子を第一、第二の有効回折部分から
成る分割型のものとすれば、信号波動に重畳し得る前段
からの零次の回折波動乃至前段の物体の透過波動をその
第一、第二有効回折部分の間に抜けさせることができる
し、あるいはまた。

次段へ特定かつ単一次数の回折波動を与える第一、第二
の有効回折部分を規定するために、それらの部分にのみ
、局部的に入射波動を与えるか、それらの間の部分を適
当なマスクで覆いながら全面照射するという手法を採用
すれば、そもそも第一、第二有効回折部分の間の部分へ
の入射波動の照射は防ぐことができるので、当然、第一
、第二有効回折部分の間の部分を介して次段へ零次回折
で伝わる波動成分は初めから発生することがないように
できる。

さらに、所定面積内に一連に溝が切られた通常の非分割
型回折格子だけでは、特定かつ重−の次数の波動をのみ
、次段にかえることができず、高次回折波動や反射回折
波動の入射を避けられないような場合にも、本第二発明
の装δにより、前段、次段の少なくとも一方を物理的に
分離された第一、第二有効回折部分から成る分割型の回
折格Ｙ′とすると、この分割型回折格子とそれに対向す
る非分割型回折格子の配設関係や幅寸法を適当に設計す
るだけで、そうした高次回折波動成分や反射回折による
ノイズ成分は有効に除くか低減することができる。

なお、回折格子を第一、第二有効回折部分に分割する手
法自体は、本発明がこれを直接に規定するものではなく
、公知既存の技術によって良い。

簡単には先に述べたように、通常の回折格子の特定部分
にのみ、局部的に入射波動を与えるようにしたり、逆に
全面照射によることを予定して特定部分以外をマスクで
覆ったりして良く、面内方向に離間した三領域に個別的
に回折格子溝を切ることにより、物理的にも完全に分離
された第一、第二有効回折部分としても良い、゛ また、旧記要旨構成では、可干渉性の波動であればその
呼称乃至周波数を問うていない。

これは、マイクロ・ウェーブや音波等であっても、適当
な発振源や位相７Ａ整手段の援用によりコヒーレント光
を得ることができれば１本発明で利用する回折現象が生
じ得るからである。

しかし実際論的には、可干渉性波動としては光を用いる
ことが最も普通に考えられるし、またさらに、複数物体
とは言っても、一般には二つの重合物体間の相対変位量
を測定することが多いと考えられる。

特に、後述の実施例中にも見られるように、末完ｆＪ］
によれば、ミクロン・オーダからそれ以下の領域の分解
能で相対変位量を測定することができるので、Ｘ＆ａリ
ソグラフィにおける半導体基板とリングラフィ・マスク
との位置合せに等に特に有効に適用することができる。

但し、このことは決して限定的なものではなく、もつと
大なる寸法領域での応用も町濠である。

また、上記のように、二枚重ねの物体間の相対変位１ｊ
をΔ一定するときには、もちろん、回折格子としては初
段と終段しがなく、従ってそうした場合には、前段とし
ての初段が次段としての終段にその回折光を照射するに
際し、その次数は光強度の高い一次の回折波動のみにす
るのが有効である。これは測定のための信号対雑音比（
Ｓ／Ｎ）をｌ二げる作用をも営む、もちろん、二つの物
体間の測定装置として、本発明第二発明に即する場合に
は、いづれか一方の物体に付される回折格子が分−１型
のものとされる。

〈実　施　例〉 以下、本発明の実施例につき詳記するが、まず第１図及
び第２図に示されている実施例は、末完ＩＩの実施例の
中でも、最も基本的な実施例の一つと考えられるもので
ある。

先の従来例の説明の場合と異なり、都合によって第一物
体ｏｌの方が上に示されているが、これら第一、第二の
実施例では、この第一物体Ｏｌに設けられる回折格子Ｄ
ａにあって、面内方向に距ｇＩＳだけ離間した二つの幅
領域ｗ１．Ｗ２が、それぞれ第一、第二の有効回折部分
［］ａ−１、Ｄａ−２として規定される領域となってい
る。

この規定の仕方には、先に作用の項にて述べたように幾
つかあるが、第１図中にはまず二つの手段が、そして第
２図中にはもう一つの手段が、６示されている。

一つば、第一、第二の実施例に共通に言えることだが、
当該幅領域Ｗｌ　、　Ｗ２にのみ、可干渉性波動１ｉ、
Ｉｉを局部照射することであり、他の一つは、同様に第
１．第２図中に共通して仮想線で示すように、離間領域
Ｓの上方にマスク手段ＭＸを設け、全面照射された入射
波動Ｉｉもこのマスク手段ＭＸのある所では照射が妨げ
られ、もって実質的に当該マスク手段ＭＸの平面投影し
た両側の部分にそれぞ、れ輻Ｗｌ　、　Ｗ２の第一、第
二有効回折部分Ｄａ−ｌ　、　Ｄａ−２ができるように
することである。

これに加えて、あ′るいはこれらに代えて、第２図中に
示されているように、第一、第二の有効回折部分を物理
的にも完全に公庫した領域、すなわち別個独立に回折溝
を切った領域として形成しても良い。

いづれによるにしても、このように分割型とされた第一
回折格子Ｄａに対し、第一、第二の実施例において図中
、下側に示されている第二物体０２に形成される回折格
子Ｄｂは、通常の回折格子であって１本発明で用いる分
割型との対比で言えば、非分割型回折格子と観念できる
ものである。

両回折格子Ｄａ（Ｄａ−１、Ｄａ−２）　、Ｄｂｃ７）
格子周期ｄをここではひとまず、同一とじ、入射波動Ｉ
ｉとしては波長λのコヒーレント光を利用するものとし
て、こうした幾何的配設関係下にある回折格子群の第一
回折格子Ｄａに当該コヒーレント光Ｉｉを局部照射する
か、またはマスク手段ＭＸを援用して全面照射すると、
まず初段の回折格子Ｄａにて回折現象が生じ、その第一
有効回折部分Ｄａ−１が回折角十〇方向に回折したある
特定次数の回折光、望ましくは一次回折光Ｉａ−１＋と
、第二有効回折部分１１ａ−２が回折角−〇方向に回折
した、同様に望ましくは一次の回折光１ａ−２−のみが
、実効入射光成分として次段かつ終段としての非分割型
回折格子ｏｂに入射する。

これら二つの回折光１ａ−１”　、　Ｉａ−２−は、当
該次段の回折格子ｏｂ上に周期ｄ／２の干渉縞を作り、
この回折格子Ｄｂにてさらに回折されて、当該終段の回
折格子Ｄｂに特定（かつ、この場合は単一）の次数の回
折光として、−次の回折成分のみから成る信号光Ｉｓを
形成する。

このようにして得られる信号光Ｉｓは適当なる光検出器
Ｄ↑で電気信号に変換して取り出されるが、その強度は
、上記干渉縞と回折格子Ｄｂとの相対変位Ｘに対し、　
ｃｏｓ２（２πｘ／ｄ）に比例するものとなり、変位Ｘ
がｄ／２．変化する度に極大または極小値を示すものと
なる。

従って、当該極大値または極小値発生の数を数えれば、
少なくとも分解ｆ＠ｄ／２での物体ｏ１．ｏ２間の相対
変位量を粗測定することができるし、上記のように関数
形が極めて単純なので、それを適当な閾値で分解してい
くことにより、相当に細かな分解濠での測定を回走とす
ることができる。

換言すると、第１図や第２図に示されるような構成では
、物体ｏ１　、　ｏ２間の距離ｚが変化しても、第一ユ
回折格ｆ−Ｄ　ｂ　、ｌｘに形成される干渉縞の位こは
変化しないし、信−）光Ｉｓの形成には特定次数の回折
光（この実施例では一次の回折光）しか関与していない
がために、上記のような単純な関数形が得られるのであ
る。

また特に、仮に第二の回折格子ｏｂにて一次あるいはそ
れ以上の次数の反射回折が生じ、それが第一回折格子に
戻されたとしても、第二回折格子ｏｂの幅１法ｎｏ等を
適当に取ることにより、さらに反射回折されてくる光成
分はその入射を受けないようにすることも容易にできる
。

但し、あまりに第二回折格子の幅が狭いと、出力回折光
の強度が大きく低下したり、物体間の重合方向離間距離
の許容変化幅が狭くなったりするので、それら要因との
トレード・オフも実際の設計にあたっては考慮の要があ
るかも知れない、また、この反射回折光の信号光への混
入確率ということからすれば、第１図のものに比し、第
２図の実施例の方が有利である。第一、第二有効回折部
分Ｄａ−ｌ　、　Ｄａ−２の間の部分Ｓにはその反射回
折を生ずる余地がないからである。

さらに、信号光は、第１図及び第２図中に併示されてい
るように、終段の回折格子Ｄｂの透過回折光Ｉｇではな
く、反射回折による信号光Ｉｓ’　であっても良く、こ
れを仮想線の検出器ＤＴ’　で示すように、第一回折格
子Ｄａを零次透過回折した部位（第１図）か、または第
一物体ｏｌを透過した部位（第２図）で捕えて測定の用
に供して良いが、そうした場合にも、第２図に示す物理
的に分離された回折格子Ｄａを使ったものの方が有利で
ある。

というのも、第１図に示される実施例の場合には、反射
回折による信号光Ｉｓ’が第一の回折格子の非有効回折
部分とすべき離間部分Ｓを通過するに際し、そこで回折
された結果、検出器ＤＴ’に入射する恐れもあるからで
、それを避けるには図示しないレンズ系を間に挿入する
等して信号光との分離を図らねばらならないが、第２図
に示される実施例の場合には、少なくともその間の部分
Ｓでの回折という問題は生じないからである。

ここで実際の本出願人による作成例について述べると、
主として第２図に示される構成により、ｄ　＝０．８　
ｊＩＩｎ、　Ｓ　＝７５ｇｌ　、入射光波長入＝　０．
６３２８ｇとした場合、第一・、第二物体ｏ１．ｏ２の
間の距離ｚが３０〜７０Ｍ１の範囲内で変化しても、当
該第一、第二物体間相対変位賃を０．０１層の精度で安
定に測定することに成功した。

この値は極めて満足すべきものであり、先に少し述べた
ようなＸ線リングラフィ技術への応用も十分に呵ず蔚な
ものである。

上記においては、第一、第二の回折格子Ｄａ　、　Ｄｂ
のピッチｄは共に同じとしてきたが、第二回折格子ｏｂ
の格子定数ｄを第一回折格子乃至第一、第二有効回折部
分Ｄａ−ｌ　、　Ｄａ−２の格子定数ｄに対し、意図的
に異ならせれば、信号光の出射方向を入射光の方向とは
異ならせることもできる。但し、これについては後述の
実施例により、詳しく考察する。

第１図及び第２図に示されたと殆ど同一の構成により、
可干渉性光１ｉの伝搬方向を逆にしても。

本発明方法は実現することができる。第３図はそうした
実施例を示している。

すなわち、光の入射方向から見て前段乃至初段の回折格
子Ｄａが通常の非分割型回折格子とされていて、後段乃
至終段の回折格子ｏｂが互いに距離Ｓ離れた第一、第二
の有効回折部分Ｄｂ−１、Ｄｂ−２から成る分割型とさ
れているのである。但し、この実施例においては、分割
手法は第２図に示された個別的な回折溝切り手法によっ
ており、また各回折格子が設けられる物体は簡単のため
、省略している。

初段の回折格子Ｄａに定められている特定かつ単一の回
折次数を“１”とすれば、この実施例においても各部の
寸法関係や配置関係、入射波長や格子周期を適当に設定
することにより、入射光Ｉｉを回折した実効入射波動成
分としての当該−次の回折光にあってその正方向回折角
成分Ｄａ十が終段の回折格子ｏｂの第二有効回折格子部
分Ｄｂ−２に、負方向回折角成分１ａ−が第一有効回折
部分１１ｂ−１に、各入射するように図る。

そのようにするとそれらは、該第−１第二の有効回折部
分でさらに回折されて、特定次数１例えば同様に一次の
回折成分１ａ、ｂ−；　Ｉａ、ｂ＋となって出射する。

そこで、これらを適当なレンズ系Ｌｓで集光すれば、そ
の焦点位置ｆで配いに干渉し合って信号光Ｉｓを形成す
るので、この焦点位２１ｆに検出器ＤＴを設けてその強
度変化を検出すれば、物体間の重合方向距離によらず、
その面内方向相対変位量によってのみ変化する出力を得
ることができる。

すでに第１図及び第２図に即して説明した所から顕かな
ように、この第３図に示した実施例においても、入射光
Ｉｉから信号光Ｉｓを得る過程は極めて単純化すること
ができ、高次の回折光や複雑な反射回折の繰返し過程を
経る成分は効果的に除去することができるし、第一、第
二有効回折部分のＩｔｆｌ　Ｓを抜ける入射光透過成分
も、除去する要がある場合には、仮想線で示すように適
当なマスク手段ＭＸを設けることにより、簡単に除去す
ることができる。レンズ系Ｌｓの工夫によってもこうし
た不要成分の除去乃至レベル低減は可渣である。

また、第一、第二の回折格子の格子定数ｄも、同一に限
定しなくとも良い、格子定数を異ならせた場合の作用及
び効果は、次の第４図に示される実施例にて説明するこ
とができる。

第４図における静的な構成は、殆ど第２図に示されたも
のと同じであり、従ってまた、光の方向を考えなければ
、実質的に第３図に示されたものとも同じである。但し
簡単のため、第一、第二の物体ｏ１．ｏ２、マスク手段
ＭＸやレンズ系Ｌｓ、検出器ＤＴ　、　ＤＴ’等は省略
しである。

この実施例において、例えば初段の回折格子Ｄａの第一
、第二有効回折部分Ｄａ−ｌ　、　Ｄａ−２の格子定数
ｄは共に同じとしながらも、終段の回折格子口すの格子
定数ｄをそれらとは異ならせると、第一、第二の有効回
折部分Ｄａ−１、Ｄａ−２に入射した入射光Ｉｉが当該
各回折部分で例えば−次回折され、Ｉａ−。

Ｄａ十となって終段の回折格子Ｄｂに入射し、そこで干
渉し合った後、さらに回折されて出力される信号光Ｉｓ
、Ｉｓ′は、図中に示される通り、法線方向に対して特
定の角度関係上αを置いたものにすることができる。

このようにすると、入射光１ｉが信号光Ｉｓ、Ｉｓ’に
ｔ畳してくる成分を当該信号光中から分離することがで
き、従って、入射光１ｉを全面照射する場合にも、先の
実施例においては必要となることも考えられたマスク「
段ＭＸを不要とすることができる。

例えば本出願人の作成例について述べると、有効回折部
分Ｄａ−１、Ｄａ−２の格子周期ｄを０．８ｇｉ　、格
子ｏｂの格子周期ｄを１．２ｇｌ　、波長入を０．６３
２８ａ　。

有効回折部分間圧ａｌＳを７５ｐｍとした結果、入射光
Ｉｉを全面照射した場合でも、法線方向に対して±α＝
　１５−３°の方向に、良好に分離された信号光Ｉｓ　
、　Ｉｓ’　を得ることができた。

このような配慮は、逆に、既述の第１図から第３図に６
示された実施例に対しても適用することができるし、さ
らにはレンズ系Ｌｓを工夫すること等によって、第一、
第二の有効回折部分相互の格−ｆ一定数を異ならせるこ
とも町イＬである。

しかし逆に、物体間距離が変動するにしても、小さい範
囲内でしか変動しないとか、あるいは外部測定系におい
てこの入射光成分を除去可能であれば、特に格子定数上
の配慮は施さずとも、そのままマスク手段を省略可ｆＩ
な場合もある。

本発明の方法及び装置は、既述したように物体数が二つ
の場合に限ることなく適用することができる０例えば、
第５図には三つの物体間の相対変位量を測定する場合の
実施例が示されている。

この実施例においては、中間の第二物体０２に設けらる
回折格子口すが分割型のものとされていて、初段の回折
格子Ｄａに入射光１ｉが入射すると、この初段の回折格
子に定められている回折次数、例えば−次の回折光Ｉａ
−、Ｉａ十がそれぞれ±θ力方向振り分けられて、次段
の回折格子Ｄｂの各有効回折部分Ｄｂ−１、Ｄｂ−２に
択一的に入射する。

これにより、当該中間の回折格子ｎｂにても場合によっ
て幾つかの次数に従った回折光出力を生ずるが、ここで
は例えばこの回折格子に関し、二次を有意の回折次数と
して定めると、±β方向に出射される”’＋ａ二次の回
折光１ａ、ｂ−、Ｉａ、ｂ＋が、あいまって終段の回折
格子Ｏｃに入射して干渉縞を作る。

これがざらに終段の回折格子ＤＣで回折されて、ち該終
段の回折格子に固有の次数として定められているものが
再び一次であれば、その方向に検出器ＤＴを設けること
により、所望の信号光Ｉｓを検出することができる。

但し、このような多段重ねの物体間に適用する実施例の
場合には１例えば第一、第二有効回折部分Ｄｂ−ｌ　、
　Ｄｂ−２の格ｆ周期ｄを第一物体０１に備えられた初
段の回折格子Ｄａ及び第三の物体ｏ３に備えられた終段
の回折格子Ｄｃのそれと異ならせる等の配慮は十分に活
用して良い、特定かつ単一の次数のみを次段に入射させ
るためにはそれも必要な設計束となることが多いからで
ある。

いづれにしても、この第５図に示されるような実施例の
場合には、第一物体０１と第二物体ｏ２のＸ方向相対変
位に応じて第三物体０３の回折格子Ｄｃ上に形成される
干渉縞の強度が変化し、また、この干渉縞と第三物体０
３乃至その回折格子１１ｃの位ｔの変位によって信号光
の強度が変化するから、これら三物体間の相対変位量を
測定することができ、一方で、それら三物体間の重合方
向距離変化は、Ｉ：１．述した原理から顕かなように、
当該面内方向測定に影響を及ぼすことがないようにでき
る。

ところで、上記してきた実施例は、いづれも面内方向Ｘ
にのみ沿う、−次元測定であった。

しかし、本発明の方法は、容易に面内二次元方向の測定
に拡張することができる。第６図はそうした場合の概念
図を示し、ている。

この場合、図中、上方に示されている第一物体０１には
、Ｘ方向の相対変位測定のための一対の有効回折部分Ｄ
ａｘ−１，Ｄａｘ−２から成るＸ方向用回折格子Ｄａｙ
と、これらに面内で直交する関係に、同様に一対の有効
回折部分Ｄａｙ−１，Ｄａ７−２から成るＸ方向相対変
位測定用のけ折格子Ｄａマが設けられ、第二物体０２に
はＸ方向とＸ方向とに対して周期性を有するように結果
としてグリッド上に形成された回折格子［１ｄが設けら
れている。各回折格子の両有効回折部分Ｄａｘ−１，Ｄ
ａｘ−２；　Ｄａ２−１．　Ｄａｙ−２の間の離間距離
は、先に述べてきた距離Ｓに対応する。

このような構成にすると、一方の有効回折部分Ｄａ！−
１，Ｄａｙ−２と回折グリッドＤｄのＸ方向周期部分と
の間、及び他力の有効回折部分Ｄａｙ−１，ＤＪ−２と
回折グリッドＤｄのＸ方向周期部分との間で、それぞれ
独ｔにこれまで述べたきた回折波動のやりとり関係が生
じ、従って信号光Ｉｓ、Ｉ３′の強度を測定することに
より、ｘ、７両方向の相対変位量を測定することができ
る。もちろん、ｘ、ｙ各方向に関しての回折路ｆの構成
の如何とかその他の実際的な配慮は、先の実施例中に述
べてＪたことをこの実施例においてもそのまま援用する
ことができる。

本発明は、以上の代表的な実施例を適宜に組合せること
で、さらに多様な応用が可能である０例えば第一、第二
実施例や第三実施例をさらに重ね合せの関係で用いれば
、三つ以上が多重になった物体間の相対変位測定をなす
ことができるし、第５図に示される実施例を多段に用い
ても、同様に多数の物体の重合関係下における相対変位
量測定に展開することができる。

なお、物体に対して各回折格子を設ける位ｌは特定され
ることがなく、第６図のような場合にも、図中では説明
の便宜のために中央に大きく設けて示したが、大体にお
いて物体のへりの部分にでも設けて置けば良い、また、
対象物体が、測定に用いる波動乃至光に対して透明なも
のでない場合には、当該回折格子の下の部分は透明乃至
空間にする等して、“透過窓”を形成すれば良い。

しかし、一般には、本発明方法は限定的ではないものの
、大きな寸法領域における変位測定よりは、Ｘ線リング
ラフィにおける基板とマスクの位置合せ等、半導体技術
分野での微小変位量測定に高精度な測定方法として好ん
で用いられることが予想され、従ってそうした場合には
、通常、相対変位を測定すべき対象物体は透明なことが
多いので、意図的に波動の透過窓を形成する必要はない
ものと思われる。

また、既に述べたが、本発明で用いる可干渉性波動は、
図示実施例におけるコヒーレントな光に限らず、音波や
マイクロ・ウェーブ等の′市磁波によっても得ることが
できる。

〈発ＩＩの効果〉 未発ＩＪＪによれば、物体の重合方向の距離変化に依存
する成分を信号波動として取り出さないで済むので、極
めて微小な変位量領域において、物体ｊ１１１の面内相
対変位薩を高精度で測定することができる。

しかも、本発明方法をア施するに要する装置系の構成は
極めて簡単であり、設計自由度も原則として高く取るこ
とができる。

こうしたことから、本発明の実現には殆ど何の障害もな
い。

特に、−１−記した実施例中にも見られるように、０．
０１ｊａオーダでの分解能をも呈し得るから、半導体電
子回路技術やジョゼフソン集積回路技術等、将来的にサ
ブ・ミクロン・オーダの作成精度を要求される用途にも
十分な余裕をもって応えることができ、その実用価値は
極めて高いものとなる。

第２ｉ！！ 人なＬ戊初 ｉ ＤＴ樺８委 Ｔ 第４１！１ ）ｓ　　　　、ｉ！； 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに重合した複数の物体の各々に回折格子を設
   け、該重合方向で一方の側の物体に設けられている初段
   の回折格子に可干渉性波動を入射させ、他方の側の物体
   に設けられている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間の上記
   重合方向に直交する面内方向相対変位量を測定する方法
   であって；上記入射波動の進行方向に沿って前段の回折
   格子が回折する各回折次数成分の中、該前段の回折格子
   に特定かつ単一の回折次数成分を次段の回折格子への実
   効入射波動成分とすると共に； 上記終段の回折格子に関しても、該終段の回折格子が回
   折する各回折次数成分の中、該終段の回折格子に特定の
   回折次数成分を上記信号波動として取り出すこと； を特徴とする相対変位量測定方法。
2. （２）互いに重合した複数の物体の各々に回折格子を設
   け、該重合方向で一方の側の物体に設けられている初段
   の回折格子に可干渉性波動を入射させ、他方の側の物体
   に設けられている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間の上記
   重合方向に直交する面内方向の相対変位量を測定する装
   置であって；上記複数の物体の各々に設けられる上記複
   数の回折格子の中、一つ以上の回折格子を、上記面内方
   向に互いに離間した第一、第二の有効回折部分に分割し
   たこと； を特徴とする相対変位量測定装置。