JPS62274216A - 微小変位測定方法および微小変位測定装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は、回折格子を用いて物体の微小な変位測定を行
なう方法およびそのための装置に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体１ｃやＬＳＩの微細化に伴い、集積回路パタンを
高精度で露光転写するための紫外線またはＸａ露光装置
、あるいは高精度でバタン描画する電子ビーム露光装置
等においては、ステージの精密な位置検出ならびに位置
決めを行なうための移動量（変位）測定技術の進展は不
可欠のものとなっている。

従来より、回折格子を用いて微小な変位測定を行なう方
法として、例えば「精密機械」４９巻６号、ｐ、９４　
（１９８３年６月）で紹介されている回折格子を用いた
精密変位検出法がある。第４図はそのような回折格子を
用いた精密変位検出装置の一例を示すものであり、第４
図において、１はレーザーダイオード、２はコリメータ
レンズ、３は平面ミラー、４ａ、４ｂはルーフレフレク
タ−１５は反射型回折格子、６は移動ステージ、７はス
テージ駆仙部、８はビームスプリッタ−１９ａ、９ｂ、
９ｃ、９ｄは偏光板、１０ａ、１０ｂは光検出器、１１
ａ、１１ｂはプレアンプ、１２は検出信号処理部、１３
はアップダウンカウンタ表示部、１４は＋１次回折光、
１５は一１次回折光、１６は干渉光である。

この装置では、レーザーダイオード１からの単色光をコ
リメータレンズ２によって平行光とし、平面ミラー３を
介して反射型回折格子５に垂直入射させる。反射型回折
格子５により回折された±１次回折光１４．１５は、ル
ーフレフレクタ−４８，４ｂ、偏光板９ｃ、９ｄを介し
て、偏光軸が互いに直交する直線偏光として再び反射型
回折格子５に±１次回折角で再入射する。回折格子５の
格子面において互いに直交する直線偏光として再入射し
た±１次回折光は、反射型回折格子５によりいずれも垂
直方向に１次回折され、豆いに直交する直線偏光の回折
光として合成されて干渉光１６となる。この干渉光１６
はビームスプリッタ−８で二分された後、それぞれの偏
光軸と４５°の角度をなす偏光軸を右する偏光板９ａ、
９ｂを通過し、それぞれ光検出器１０ａ、１０ｂに入射
して明暗信号に変換される。プレアンプ１１ａ、１１ｂ
でそれぞれ増幅された明暗信号の位相は、偏光板９ａと
偏光板９ｂの偏光軸の角度に依存し、両偏光板９ａ、９
ｂの偏光軸を直交させることにより９０’位相のずれた
二相信号を得る。そして、回折格子５の変位に対して正
弦波状に変化するその二相信号を、検出信号処理部１２
により波形整形、符号弁別して明暗周期の位相９０’ご
とのパルス信号に変換し、アップダウンカウンタ表示部
１３でパルス数を計数し表示する。

ここで、一般にｍ次回折光同士を合成して干渉させた場
合に生じる回折光の明暗は、回折格子の変位に対してＰ
／２・ｍを周期として繰り返す（Ｐは回折格子の格子ピ
ッチである）。第４図の例では、反射型回折格子５によ
り二度回折された回折光を検出しているので、明暗の周
期はＰ／２・ｍの１／２、すなわちＰ／４・ｍとなる。

さらに、アップダウンカウンタ表示部１３では明暗周期
の位相９０°ごとのパルス信号を計数しているため、回
折格子５の変位はを分解能Ｐ／１６・ｍとして計測でき
る。寸なわら、例えば、ｍ＝１の１次回折光を利用し、
回折格子として７００本／ｆＩｕＲ（Ｐ＃１．４３μｍ
）のものを用いた場合には、パルスの周Ｉｆｌは０．０
８９μｍとなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、第４図に示した精密変位検出装置においては
、検出信号として干渉縞の明暗の変化、すなわら回折光
の強度を検出しているために、回折光の干渉信号の強度
変動に起因する検出誤差が問題となる。すなわち、明暗
の干渉信号から計数パルス信号を得るためには、例えば
一定値のスライスレベルで比較・整形するＤＣ信号処理
を行なう必要があるが、この場合、光源の強度変動や回
折格子の局所的な汚れ等による干渉光信号のレベル変動
によってパルス信号が発生せず、回折格子が変位してい
るにもかかわらず変位量がカウントされないという検出
誤差を生じる。特に、光源として用いている半導体レー
ザー１は光出力の温度依存性が大きく、温度による強度
変動の影ヤ３が人であるため、パルス信号発生誤差が生
じやすく、変位検出精度、信頼性が充分ではない。

また、上記装置では、検出分解能がＰ／１６・ｍで決ま
るため、Ｐ／１６・ｍ以下の高精度の変位検出ができな
いという問題がある。すなわち、高分解能を得るために
は、格子ピッチを小さくするか、あるいは高次の回折光
を用いればよいことが計算式から考えられるが、１μｍ
以下の格子ピッチの回折格子を用いることは回折格子を
精度よく形成する技術上、あるいは光学上の波長と格子
ピッチおよび回折角との関係上限界があり、難しい。ま
た、干渉光として利用できる回折光としては、回折角あ
るいは回折光の強度の関係から２次回折光ぐらいまでが
利用できる限界である。したがって、例えば波長λ−０
，８４μｍの赤外半９体レーザーを用い、回折格子ピッ
チＰ−１，４３μｍ、ｍ＝２の２次回折光を利用した場
合においては、２次回折角は７２°、分解能はＰ／１６
・ｍ＝０．０４ｔｔｒｒｔとなり、分解能０．０１μｍ
以下の高精度の微小変位測定は難しい。なお、Ｐ／１６
・ｍのピッチ聞をアナログ的に補間して分解能を高める
方法が考えられるが、強度変動が精度に大きく影響する
ので現実的ではない。

さらに、上記の装置では、反射型回折格子５により２度
回折させ、かつ回折格子５の垂直方向において±１次回
折光を光学的に合成干渉させるため、ルーフレフレクタ
−４８，４ｂのような光学部品に高精度の加工が要求さ
れるし、干渉させるための光学Ｗ整が難しいという欠点
もあった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、回折光の
強度変動に影響されることなく高精度で物体の変位を測
定できるとともに、高分解能を得ることのできる測定方
法およびそのための測定装置を提供することを目的とし
ている。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の発明の微小変位測定方法は、周波数が互いにわず
かに異なる２波長の単色光を合成し光ヘテロダイン干渉
させて基準ビー１〜信号を生成するとともに、前記２波
長の単色光を物体上に固定した回折格子に対してそれぞ
れ入射して、その回折格子から生じる２波長の回折光を
合成して光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成し、前記
基準ビート信号と前記光ヘテロダイン干渉ビート信号と
の位相差を検出することによって、前記物体の微小変位
を測定することを特徴としている。

また、第２の発明の微小変位測定装δは、物体上に固定
された回折格子と、周波数が互いにわずかに異なる２波
長の光を発生する光源と、その光源から発せられた２波
長の単色光を合成し光ヘテロダイン干渉させて基準ビー
ト信号を生成する第１の光合成検出手段と、前記光源か
ら発せられた２波長の単色光を前記回折格子に所定の角
度を有した方向からそれぞれ入射させる入射角調整手段
。

と、前記回折格子から生じる２波長の回折光を合成して
光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成する第２の光合成
検出手段と、前記第１、第２の光合成検出手段によって
それぞれ生成された基準ビート信号および光へテロゲイ
ン干渉ビート信号とから位相差信号を算出処理して前記
物体の変位量に換算する信号処理１ｉＭとを具備してな
ることを特徴としている。

〔作　用〕

本発明は回折格子の変位すなわち物体の変位を、ビート
信号の位相変化として連続的に検出するものである。そ
して、そのビート信号の位相は回折光の強度変動には影
響されることがなく、したがって、本発明では光源の強
度変化や回折格子の回折効率の変化等に起因する検出誤
差が生じることがない。また本発明では、変位の検出分
解能は位相差の検出精度によって決定され、その位相差
の検出精度を高めることにより物体のｅｔｈの検出分解
能が容易に高められる。

（実施例〕 以下、第１図ないし第３図を参照して、本発明の実施例
を訳明する。

第１図は本発明に係る微小変位測定装置の第一実施例を
示すものである。第１図において、１７は周波数が互い
にわずかに異なりかつ偏光面が互いに直交する２波長の
単色光を発する２波長直交偏光レーザー光源、１８はビ
ームスプリッタ−１１９ａ、１９ｂは集光レンズ、２０
ａ、２０ｂは偏光板、２１ａ、２１ｂは光検出器（第１
、第２の光合成検出手段）、２２ａ、２２ｂはプレアン
プ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは平面ミラー、２
４は偏光ビームスプリッタ−１２５は反射型回折格子、
２６は移動ステージ（物体）、２７はステージ駆動部、
２８は検出信０処理部（信号処理装置ｉり、２９は変位
量表示部、３０．３１は入射光、３２は合成回折光であ
る。

この第１実施例の装置では、２波長直交偏光レーザー光
源１７から発したレーザー光の一部をビームスプリッタ
−１８を介して取り出し、その取り出したレーザー光を
集光レンズ１９ａで集光し、偏光板２０ａを用いて光ヘ
テロダイン干渉させ、光検出器２１ａで検出し、プレア
ンプ２２ａを通し基準ビート信号として検出信号処理部
２８に入力するようになっている。一方、２波長直交偏
光レーザー光源１７から発した光の一部は、ビームスプ
リッタ−１８、平面ミラー２３ａを介して偏光ビームス
プリッタ−２４に入り、ここで偏光面が互いに直交しか
つ周波数がわずかに異なる二つの単色光、すなわらＰ偏
光の入射光３０とＳ偏光の入射光３１に分割され、それ
らの入射光３０゜３１は平面ミラー（入射角調整手段）
２３ｂ、２３Ｃを介して所定の入射角（後述）で反射型
回折格子２５に入射するようになっている。そして、回
折格子２５から得られる２波長の回折光を光学的に合成
して合成回折光３２とし、その合成回折光３２を平面ミ
ラー２３ｄ１集光レンズ１９ｂ１偏光板２０ｂを用いて
光ヘテロダイン干渉させ、光検出１２１ｂで検出し、回
折光ビート信号としてプレアンプ２２ｂを通し、検出信
号処理部２８に入力するようになっている。検出信号処
理部２８では、基準ビート信号と回折光ビート信号との
位相差（すなわち回折格子２５の変位に対応した位相差
）を検出し、その位相差を変位量に換輝し、変位は表示
部２９で回折格子２５の変位量すなわち移動ステージ２
６の変位量を表示するとともに、位相差があらかじめ設
定した任意の値で一定となるように検出信号処理部２８
よりステージ駆動部２７に制御信号を送り、回折格子２
５を定められた位四にサーボｖＩＩｌｌするようになっ
ている。

ここで、回折格子２５の変位量ΔＸと、基準ビート信号
と回折光ビート信号との位相差Δφとの関係について第
２図を参照して説明する。第２図において３３は反射型
回折格子、３４ａ、３４ｂはそれぞれ波長λ１の入射光
、３５ａ、３５ｂはそれぞれ波長λ２の入射光、３６ａ
、３６ｂは合成回折光である。いま、偏光面が互いに直
交しかつ周波数が互いにわずかに５′シなっている波長
λ１゜λ２の入射光３４ａ、３５ａが、回折格子３３の
格子面に垂直な方向に対してそれぞれｍ次回折角θ１、
ｎ次回折角θ　で回折格子３３のＡ点に入射したとする
と、そのＡ点から格子面に垂直な方向に入射光３４ａの
ｍ次回折光および入射光３５ａのｎ次回折光がそれぞれ
出射し、それらのｍ次回折光、ｎ次回折光は、格子面に
垂直な方向において光学的に合成されて合成回折光３６
ａとなり光ヘテロダイン干渉ビート信号検出が可能とな
る。

ここで、回折格子３３が変位量ΔＸだけ移動してＡ点が
Ａ′点に変位したとすると、同様にＡ′点から入射光３
４ｂ、３５ｂに対するｍ次回折光とｎ次回折光とがそれ
ぞれ出射し、それらが光学的に合成されて合成回折光３
６ｂとなる。この場合、回折格子３３の格子ピッチをＰ
とすると、ｍ次回折角θ　、ｎ次回折角θ　、波長λ１
．λ２とのＩ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｎ
問には λ１ ｓｉｎＯ＝１°　Ｐ（ｍｉ、を正の整数）−（１）λ２ ｓｉｎＯ＝ｎ°　Ｐ　　（ｎは正の整数）−（２）の関
係がある。

回折格子３３がΔＸ変位することにより、入射光３４ａ
と３４ｂとにはΔＸ　−ｓｉｎＯ１、入射光３５ａと３
５ｂとには一ΔＸ　−ｓｉｎＯ０の光路長差がそれぞれ
生じるので、合成回折光３６ａと３６ｂとから得られる
光ヘテロダインビート信号には位相差Δφ−が生じ、こ
の位相差Δφ−はΔφ′ ・・・（３） となる。（３）式に（１）、　（２）式を代入するとと
なり、位相差Δφ′は回折格子３３の変位ΔＸに対し、
Ｐ／（ｍ＋ｎ）を周期として変化することになる。

すなわち、第１図において回折格子２５からの合成回折
光３２が入射光３０のｍ次回折光と入射光３１のｎ次回
折光の合成回折光であるとすると、光検出器２１ａ、２
１ｂで検出される拭準ビート信号と回折光ビート信号と
の位相差Δφは、回折格子２５の格子ピッチをＰとして
、回折格子２５の変位ｆｆ１Ｐ／（ｍ＋ｎ）を１周期と
して変化する。

したがって、検出信号処理部２８において位相検波して
位相差をＤＣ信号に変換し、例えば位相差０°ごとにＤ
Ｃ信号からパルス信号を生成し、そのパルス信号をカウ
ントすることにより分解能Ｐ／（ｍ＋ｎ）の精度で回折
格子２５の変位測定が可能となる。さらに、位相差Ｏｅ
から３６０°までのＤＣ信号変化を、例えば１／３６０
に補間して位相差の検出分解能を１″に設定し、前記パ
ルス間の回折格子の変位を位相差検出することにより、
回折格子２５の変位を分解能Ｐ／　（ｍ＋ｎ）・３６０
で検出することができる。なお、回折格子２５の変位の
方向は、基準ビート信号に対する回折光ビート信号の位
相差の正負を弁別することにより容易に判定することが
できる。

次に第３図は、本発明に係る微小変位測定装置の第２実
施例を示すものである。第３図において、３７は２波長
直交偏光レーザー光源、３８はビームスプリッタ−１３
９ａ、３９ｂは集光レンズ、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、
４０ｄは偏光板、４１ａ、４１ｂは光検出器（第１、第
２の光合成検出手段）、４２ａ、４２ｂはプレアンプ、
４３ａ。

４３ｂ、４３ｃ、４３ｄは平面ミラー、４４は偏光ビー
ムスプリッタ−１４５は反射型回折格子、４６は移動ス
テージ（物体）、４７は検出信号処理部（信号処理装置
）、４８は変位ｍ表示部、４９はステージ駆動部、５０
．５１は回折光である。

この第２実施例の装置においては、上述した第１実施例
とはレーザービームの回折格子４５への入出射方向が逆
となっており、回折格子４５には２波゛艮直交偏光単色
光がビームスプリッタ−３８、平面ミラー（入射角調整
手段）４３を介して格子面に垂直な方向から入射するよ
うになっている。

そして、回折格子４５からの回折光５０．５１はそれぞ
れ互いに直交する偏光面を有した２波長のＰ偏光、Ｓ偏
光からなっており、回折光５０から平面ミラー４３ｂ１
偏光板４０ｄ１偏光ビームスプリツタ−４４を介してＰ
偏光の単色光を取り出すとともに、回折光５１から平面
ミラー４３Ｃ１偏光板４０Ｃ１偏光ビームスプリツタ−
４４を介してＳ偏光の単色光を取り出して、両偏光の単
色光を光学的に合成して平面ミラー４３ｄ、集光レンズ
３９ｂ、偏光板４０ｂを介して光へテロダイ゛　　ン干
渉させ、光検出３４１ｂにより回折光ビート信号を検出
する。一方、２波長直交偏光レーザー光源３７からのレ
ーザー光の一部をビームスプリッタ−３８で取り出し、
集光レンズ３９ａ１偏光板４０ａを介して光ヘテロダイ
ン干渉させて、光検出２１４１ａにより基準ビート信号
を検出する。

そして、第１実施例の場合と同様に、光検出１４１ａ、
４１ｂで検出した基準ビート信号、回折光ビート信号を
プレアンプ４２ａ、４２ｂを介して検出信号処理部４７
に入力し、位相検波して位相差を回折格子の変位量に換
惇し、変位ｍ表示部４８により表示するとともに、位相
差が一定となるように検出信号処理部４７よりステージ
駆動部４つに制御信号を送り、回折格子４５を定められ
た位欝にサーボ制御する。

なお、上記の第１、第２実施例においては、２波長の単
色光光源としていずれも２波長直交偏光レーザー光源を
用いたが、２波長の単色光としてブラッグセルなどの音
響光学素子を用いて生成した光を用いても同様の効果を
得ることができる。

また、第１実施例においては、偏光板を使用することな
く、２波長の単色光のいずれか一方の光路系に１／２波
長板を組み込むことによって、２波長の単色光の偏光面
の方向が回折格子面において一致するようにしても、干
渉性のよい光ヘテロダイン干渉信号が得られ、同様の効
果を得ることができる。

さらに、第１実施例においては回折格子からの回折光の
方向が格子面に対して垂直な方向になるようにし、また
、第２実施例においては回折格子への入射光の方向が格
子面に垂直な方向になるようにしたが、２波長の単色光
を回折格子に斜め入射し、回折格子からの斜め出射の２
波艮の回折光を光学的に合成して光ヘテロダイン干渉ビ
ート信号を検出するようにしても同様の効果を得ること
ができる。

さらになお、本発明における回折格子としては、吸収型
回折格子、位相型回折格子のいずれを用いてもよく、ま
たバイナリ−回折格子に限らず正弦波状回折格子、フレ
ーズ回折格子等、種々の回折格子を用いることが可能で
あるし、反射型回折格子の他に透過型回折格子を用いる
ことも可能である。

〔発明の効果〕

以上で詳細に説明したように、本発明によれば、回折格
子に周波数がわずかに異なる２波長の単色光を入射し、
それら２波長の単色光によって生じる回折格子からの２
波長の回折光を光学的に合成して光ヘテロダイン干渉ビ
ート信号を検出するようにしたので、検出した回折光ビ
ート信号の位相変化から回折格子の微小変位（すなわち
物体の微小変位）を測定できる。しかも、光源の強度変
動や回折格子の回折効率の変動等に起因して回折光強度
が変動した場合であっても、回折光ビート信号の振幅が
変化するだけでビート信号の位相変化には全く影響が及
ばず、したがって高粘度に微小変位を検出することがで
きる。また、位相差信号が高安定であるため、位相差を
例えば１°以下の精度で検出可能であり、高分解能を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の微小変位測定装置の実
施例を示す図である。第１図および第２図は第１実施例
を示すもので、第１図はこの第１実施例の装置の概略構
成図、第２図は回折格子の拡大図である。第３図は第２
実施例の装置の概略構成図である。 第４図は従来の微小変位測定装置の概略構成図である。 １７・・・・・・２波長直交偏光レーデ−光源（光源）
、２１ａ・・・・・・光検出器（第１の光合成検出手段
）、２１ｂ・・・・・・光検出器（第２の光合成検出手
段）、２３ｂ、２３Ｇ・・・・・・平面ミラー（入射角
調整手段）２５・・・・・・反射型回折格子（回折格子
）、２６・・・・・・移動ステージ（物体）、２８・・
・・・・検出信号処理部（信号処理装置）、３０．３１
・・・・・・入射光、 ３２・・・・・・回折光、 ３３・・・・・・反射型回折格子（回折格子）、３４ａ
、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ・−・−入射光、３６ａ、３
６ｂ・・・・・・回折光、 ３７・・・・・・２波長直交偏光レーザー光源（光源）
、４１ａ・・・・・・光検出器（第１の光合成検出手段
）、４１ｂ・・・・・・光検出器（第２の光合成検出手
段）、４３・・・・・・平面ミラー（入射角調整手段）
、４５・・−・・・反射型回折格子（回折格子）、４６
・・・・・・移動ステージ（物体）、４７・・・・・・
検出信号処理部（信号処理装置）、５０．５１・・・・
・・回折光。 出願人　　日本電信電話株式会社 第１図 ３２；回折力 第２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周波数が互いにわずかに異なる２波長の単色光を
   合成し光ヘテロダイン干渉させて基準ビート信号を生成
   するとともに、前記２波長の単色光を物体上に固定した
   回折格子に対してそれぞれ入射して、その回折格子から
   生じる２波長の回折光を合成して光ヘテロダイン干渉ビ
   ート信号を生成し、前記基準ビート信号と前記光ヘテロ
   ダイン干渉ビート信号との位相差を検出することによっ
   て、前記物体の微小変位を測定することを特徴とする微
   小変位測定方法。
2. （２）物体上に固定された回折格子と、周波数が互いに
   わずかに異なる２波長の光を発生する光源と、その光源
   から発せられた２波長の単色光を合成し光ヘテロダイン
   干渉させて基準ビート信号を生成する第１の光合成検出
   手段と、前記光源から発せられた２波長の単色光を前記
   回折格子に所定の角度を有した方向からそれぞれ入射さ
   せる入射角調整手段と、前記回折格子から生じる２波長
   の回折光を合成して光ヘテロダイン干渉ビート信号を生
   成する第２の光合成検出手段と、前記第１、第２の光合
   成検出手段によってそれぞれ生成された基準ビート信号
   および光ヘテロダイン干渉ビート信号とから位相差信号
   を算出処理して前記物体の変位量に換算する信号処理装
   置とを具備してなることを特徴とする微小変位測定装置
   。