JPS6235223A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複数個の物体の相対変位を、その物体上に形
成した回折格子による電磁波の回折・干渉現象を用いて
高精度に測定する相対変位測定方法に関するものである
。

［従来の技術］ フランダース（Ｆｌａｎｄｅｒｓ）らがＡｐｐｌｉｅｄ
　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　３１．４２ｆｌ（１
９７？）において提案した、回折格子を用いた相対変位
測定方法を第６図に示す、第６図では、２つの物体ｌと
２の上に、等しい周期ｄを持つ回折格子Ｇｌと０２が、
互いに平行になるように配設されている。この構造にお
いて、電磁波工を回折格子面に垂直に入射させると、こ
の電磁波工は回折格子ＧｌとＧ２により、これら回折格
子Ｇｌ、Ｇ２の周期ｄと電磁波の波長入で定まる角度０
（ｄｓｉｎＯ＝ｎ入、ｎは回折の次数を表わす整数）だ
け回折される。この回折波の強度は、回折格子Ｇ１とＧ
２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Ｇ！とＧ２の相対変位、すなわぢ物体ｌと物体２
との相対変位を測定できる。特に、十〇方向への回折波
Ｄ＋と一〇方向への回折波り一は、回折格子面内で回折
格子に垂直な方向（第６図中のＸ方向）の相対変位に逆
位相の強度変化を示すので、２つの回折波の強度差Ｄ＋
−Ｄ−の測定により、Ｘ方向の相対変位を測定すること
が原理的には可能である。

しかし、この第６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た。第６図中に例示
したように、Ｄ＋とＤ−は共に多くの回折波から構成さ
れている０回折格子Ｇ１で１次の回折を受け、回折格子
Ｇ２でｊ次の回折を受けた後、さらに回折格子Ｇ１でに
次に回折された電磁波をＤ（ｉｌ　Ｊ　ｌ　ｋ）で表わ
し、回折格子Ｇ１の上面で１次に反射回折された電磁波
をＲ（ｉ）で表わすとすると、１次の回折の場合、Ｄ十
はＲ（１）とＤＣｏ、０．１）　、Ｄ（０，１、０）　
、ＤＣｌ　、０．０）　、Ｄ（０，−１，２）　、ＤＣ
−１，０゜２）等Ｄ（ｉ、ｊ、ｋ）でｉ＋ｊ＋に＝１な
る回折波の合成波である。なお、第６図−は、簡単のた
めに、Ｒ（１）、Ｄ（−１，１，１）　、Ｄ（０，０，
１）　、Ｄ（１，−１，１）、Ｄ（１，０，０）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方向の相対変位や、回折格子Ｇ１と０２との間
の距ｇＩＳに対する依存性が異なる。そのため、Ｄ十と
Ｄ−の強度は、Ｘ方向相対変位とＳの複雑な関数となり
、Ｄ十−Ｄ−の測定によりＸ方向相対変位が測定できる
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、本発明の目的は、上記の従来技術の欠点を根本
的に除去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
物体のうちの少なくとも１つの物体に回折格子を配設し
、電磁波を当該回折格子に入射させ、電磁波の回折格子
による回折を用いて複数個の物体の相対変位を測定する
方法において、電磁波として特定の偏光状態の電磁波を
用いることを特徴とする。

［作　用］ 本発明では、入射波として特定の偏光状態の電磁波を用
いると、その偏光状態に応じて各回折波もそれぞれ特有
の偏光状態をとるようになることを利用する。この回折
波の偏光状態は、一般に、回折の次数や回折波の経路に
より異なるので、相対変位信号として、適当な偏光状態
の回折波のみを用いることにより、相対変位信号の形成
に寄与する回折波の種類を制限することができる。その
結果、信号強度の相対変位依存性を簡単化でき、測定精
度を向上させ、測定条件を緩和させることができる。

また、回折波の強度は、入射波の偏光状態に依存するの
で、回折格子の構造と入射波の偏光状態が特定の条件を
満たす場合には、特定の回折波の強度のみを著しく減少
させることができ、上記のように、相対変位信号を形成
する回折波の偏光状態を制限しなくても、回折波の制限
効果が得られる。

本発明方法は、高精度な相対変位測定を必要とする産業
分野で広範な応用が可能である。特に、電子素子製造産
業で多用されているリソグラフィ工程での露光用マスク
と半導体ウェーハとの相対変位測定に適用してきわめて
有効である。

［実施例１ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の原理を具体的に
示す図であり、ここでは、偏光子３により１つの回折格
子Ｇに特定の偏光状態の電磁波が入射したときの回折波
の状態を表わす。

第１図（Ａ）のように１回折格子Ｇが電磁波を吸収しな
い物質（例えば、電磁波が可視光の場合には５ｉ０２の
ような透明な物質）で構成されているとき、回折格子Ｇ
の格子方向に対して傾いた方向に直線偏光した電磁波Ｉ
を入射させると、回折格子Ｇの後方に反射回折された電
磁波Ｒ（ｉ）（ｉ　：整数）と前方に回折された電磁波
Ｄ（ｉ）、および透過波ｎ（ｏ）は、それぞれ異なった
方向の直線偏光となる。ここでは、ｉ＝±１のみを示す
、従って、適当な偏光子４を回折格子Ｇの前方に置くこ
とにより、特定の回折波のみが検出器５に届くようにす
ることができる。また、ミリ波以上の波長の電磁波では
、適当なアンテナや導波管を用いることにより、特定の
偏光状態の回折波のみを選択して検出できる。

第１図（Ａ）において、回折格子Ｇが、透明な物体１上
に金属のような電磁波を通さない物質を格子状に配列し
て構成されている場合には、Ｄ（０）、Ｄ（ｉ）は、入
射波とほぼ同じ方向の直線偏光となり、　Ｒ（ｉ）は楕
円偏光となる。この場合にも、Ｒ（ｉ）の経路に適当な
偏光子４′を用いて、測定に用いる回折波の種類を制限
することは容易である。

楕円偏光を消光するためには、例えば、偏光子４′の前
方に、１／４波長板を、その光軸を楕円の軸に一致させ
て配置し、楕円偏光を直線偏光に変換すればよい、また
、入射波Ｉを適当な楕円偏光とし、Ｒ（１）とＲ（−１
）を直線偏光として、これらの回折波を偏光子４′のみ
で消光することもできる。そのためには、直線偏光の入
射波を１八波長板を通過させて楕円偏光とし、Ｒ（１）
またはＲ（−１）が直線偏光となるように、入射波の偏
光方向と１／４波長板の方向を選定すればよい、この場
合にも、透過回折波１１（ｉ）はほぼ入射波Ｉと同じ楕
円偏光となる。

第１図（Ｂ）は検出する回折波の偏光状態を規定しなく
ても、回折波の種類を制限できる例である。

第１図（Ｂ）において、Ｇはシリコン基板６に加工を行
って、幅０．２　ＩＬ■、高さ０．２３ＬＩＩの線状の
凸部７を形成して構成した周期ｌＩＬ■の回折格子であ
る。この回折格子Ｇに直線偏光の波長８３２．８ｎ璽の
光を入射させたとき、電気ベクトルの偏光方向を回折格
子Ｇの方向に直交させると、回折光Ｒ（１）とＲ（−１
）の強度が、偏光方向を回折格子Ｇの方向に一致させた
場合の１／１０以下に減少し、実質的に回折が生じない
ようにすることができる。

以上に述べた、回折波の種類により偏光状態が異なるこ
とを利用して、変位信号検出に用いる回折波の種類を制
限する本発明の原理は、回折格子を用いる種々の相対変
位測定法に適用して、その特性を著しく向上させること
ができる。以下に本発明の実施例に基づき、本発明の方
法を詳述する。

実施例１ 第２図は、本発明の方法を第６図の従来方法に適用した
例である。第２図において、回折格子Ｇｌは５ｉ０７よ
り成る物体１上にａｕｔｉｌｉｌを格子状に配列して構
成した回折格子であり、Ｇ２はＳｉより成る物体２の表
面形状を加工して形成した回折格子である０回折格子Ｇ
１とＧ２の周期は共に１４ｍとした。これに波長６３２
．８ｎｍの直線偏光の光を、その偏光方向を回折格子の
方向から４５＠傾いた方向にとって、入射させ、回折格
子Ｇｌからの反射回折光Ｒ（１）とＲ（−１）を消光し
て検出器１１および１２に到達させないように、１／４
波長板１３および１４と偏光子１５および１６を配置し
た。１７は入射波工に対する偏光子である。この１／４
波長板１３．１４と偏光子１５．１８の配置を見い出す
ためには、物体２を置かない状態で回折格子Ｇｌのみに
入射波Ｉを入射させ、検出器１１．１２に回折光が届か
ないように１／４波長板１３．１４と偏光子１５．１８
の方向を調整すればよい、この実施例において、本発明
の方法を用いないとき（第６図）には、Ｘ方向の相対変
位を測定するに際し、回折格子Ｇ１とＧ２との間の距離
Ｓを入射波Ｉの波長と回折格子Ｇｌ　、Ｇ２の周期で定
まるいくつかの最適値（たとえば２２．２３１Ｌｍ）に
誤差１０１１肩以内で設定しなければならず、したがっ
て、第６図の方法を実際の測定に用いることは事実上不
可能であった。しかし、第２図のような本発明の方法を
用いることにより、このＳへの制限をほぼ消滅させるこ
とができ、ある特定の値、すなわち５（ｓｅｃ　０−１
）が半波長の整数倍となるＳ（ここで、０＝３９°は回
折角）の付近±０．Ｉ　ＩＬ■を除いて、ｌＯ〜１００
１Ｌ■に及ぶ広いＳの範囲で、Ｘ方向の相対変位をＱ、
Ｇ５　ｇ　ｍ以上の精度で測定することができた。

上記と同様の効果は、Ｄ（０，±１．０）光を上述と同
様の方法により消光することによっても得ることがでさ
た、そのためには、物体ｌがない状態で回折格子Ｇ２に
のみ入射波Ｉを照射し１回折光が検出器１１．１２に到
達しないように偏光子１５．１６を配置すればよい、こ
こで、Ｄ（０，±１．０）はほぼ直線偏光である。また
、回折格子Ｇ２の構造と入射光の偏光方向を、第１図（
Ｂ）で説明したように定めることによっても、偏光子１
３．１４による口（０，±１．０）の消光と同様の効果
が得られた。

実施例２ ｆｆＳ３図は、本発明の方法を次に述べる原理に基づく
他の従来方法に適用した例である。第３図では、物体ｌ
上に、共に周期ｄを持つ２つの回折格子ＧｌとＧｌ’　
　を配置し、物体２上には同じ周期の回折格子Ｇ２を配
置する。これら回折格子Ｇ１とＧｌ’　およびＧ２に半
透鏡２１を介して入射波工を照射し、回折格子Ｇ１で回
折され、さらに回折格子Ｇ２で回折された電磁波りと、
回折格子Ｇｌ’　で回折された後に回折格子Ｇ２で回折
された電磁波Ｄ′との干渉による強度変化を検出器２３
により検出してＸ方向、すなわち回折格子Ｇｌ、Ｇｌ’
　　、Ｇ２の面に平行であって、かつ回折格子Ｇｌ、Ｇ
ｌ’　、Ｇ２に直交する方向のいない。この検出信号強
度は１回折格子Ｇ２による入射波Ｉの直接反射波Ｒがな
い場合には （但し、Ｘは物体ｌと物体２のＸ方向相対変位）となり
、高精度の変位測定を行うことができる。

しかし、反射波Ｒが存在すると、信号強度は反射折角を
θとすると、 となり、Ｓの変動により大きな影響を受けるという欠点
があった。そのため、かかる従来の方法は入射波Ｉを回
折格子Ｇ２に入射させない等の工夫を必要としていた。

このような欠点は、本発明の方法を用いることにより、
完全に除去できる。すなわち、入射波工として特定の偏
光状態の電磁波を用い１反射波Ｒと電磁波りまたはＤ′
　との偏光状態の差を利用して、反射波Ｒが検出器２３
に到達しないようにすればよい０例えば、回折格子Ｇ２
がＳｉ基板上に形成した回折格子であり、入射波■が回
折格子Ｇｌ。

ＣＩ’、Ｇ２の方向から傾いた方向に直線偏光した波長
１３３２．８ｎ■の光であるとき、反射波Ｒは直線偏光
であり、電磁波り、Ｄ’は反射波Ｒとは異なる偏光状態
であった。電磁波Ｄ　、　Ｄ’の偏光状態は回折格子Ｇ
ｌ　、　Ｇｌ’　の構造に依存する。従って、第３図の
ように、適当な方向に偏光子２２を挿入することにより
、反射波Ｒのみを容易に消光することができた。この偏
光子２２の方向は、物体Ｉがない状態で物体２に入射波
工を入射させ、反射波Ｒの偏光状態を観測することによ
り、容易に見い出すことができる。

実施例３ 第４図は、本発明の方法を透過配置の場合に適用した例
であり、入射波工は物体ｌに配置した回折格子Ｇｌおよ
び物体２に配置した回折格子Ｇ２に順次に入射させ、回
折格子Ｇ２で回折された電磁波りを回折格子Ｇ２の後方
に配置した偏光子３１を経て検出器３２に入射させる。

第４図において、入射波Ｉは回折格子Ｇｌ　、Ｇ２の方
向から傾いた方向に直線偏光した電磁波である。このと
き、電磁波Ｄ（０，０）、Ｄ（−１，１）　、Ｄ（１，
−１）は直線偏光となるが、偏光方向の差を用いてＤ（
０，０）を除くことができる。それと同時に１回折格子
Ｇ１とＧ２での多重反射に起因する高次回折波の影響を
低減させることができる。このようにすると、第３図の
例と同様に、回折格子Ｇ１−０２面間の距離Ｓに信号強
度が依存しなくなり、Ｘ方向の相対変位のみを高精度に
測定することができる。

実施例４ 第５図は本発明の方法を、回折格子面に垂直な方向の相
対変位の測定に適用した例である。第５図のように、Ｖ
いに平行に配置した２物体のうち１つの物体上に回折格
子Ｇを形成し、物体１の平面に対して垂直に電磁波■を
入射させる。この場合には、回折波りは、回折格子Ｇの
−に面で反射回折された波と物体２で反射された後に回
折格子Ｇで回折された波との合成波となるので、その強
度を検出器４２×により、測定することにより、物体１
−２間の距離Ｓを測定できる。従来の方法では図中に示
した偏光子を用いない。この方法には、半透鏡等を用い
なくとも入射波Ｉの方向から検出器４２の方向を分離し
て測定できるという利点がある。しかし、回折波りは、
＋１次の回折を用いた場合を例にとると、Ｄ（０，１）
、Ｄ（１，０）、Ｄ（−１，２）等の合成波であり、こ
れらの回折波は、それぞれ、物体間で異なる経路をとる
ため、光路差の物体間距離Ｓに対する依存性が異なる。

その結果、回折波りの強度はＳの複雑な関数となり、高
い測定精度を得るのは困難であった。

この第５図の例に、本発明の方法を適用して上記の欠点
を除去するのは容易である。例えば、入射波■として回
折格子Ｇの方向から傾いた方向に直線偏光した電磁波を
用いると、Ｄ（０，１）とＤ（１，０）　、　ＤＣ−１
，２）とは異なった方向の直線偏光になる。従って、検
出器４２の前方に適当な方向の偏光子４１を配置して、
Ｄ（０，１）が検出器４２に届かないようにすることが
できる。この場合の検出出力はほぼ （ここで、入は波長、０は回折角）とＳの簡単な関数と
なり、Ｓの測定精度を向−トさせることができる。また
、このとき、Ｒ（１）を消光することにより、検出出力
は ２π５ ｃｏｓ２（−（ｓｅｅ　Ｏ−１）　） 入 となり、上記と同様の効果が得られた。

［発明の効果］ 以り詳述したように、本発明方法を回折格子による′電
磁波の回折効果を用いた種々の相対変位測定法に適用し
て、その特性を著しく改善できる。

従って、電子工業等のりソゲラフイエ程等におけるよう
に精密な相対変位測定を必要とする産業分野において広
範な応用が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の原理を具体的に説
明するための図、 第２図、第３図、第４図および第５図は本発明の４実施
例を示す図、 第６図は従来の方法を説明するための図である。 １．２・・・物体、 ３．４，１５．１６．１７，２２，３１．４１・・・偏
光子、５．１１．１２．２３，３２．４２・・・検出器
、６・・・シリコン基板、 ７　　、、、　、Ｉ′Ｉ、権 １３．１４・・弓７４波長板。 ２１・・・半透鏡、 Ｇ、Ｇｌ、Ｇｌ’　、Ｇ２．Ｇ・・・回折格子、Ｓ・・
・回折格子面間または物体間の距離、■・・・入射波、 Ｄ、Ｄ　’　＋Ｄ＋、ｎ−・・・回折波、Ｒ（ｉ）・・
・回折格子で反射回折された電磁波、 Ｄに）ｔｏ（ｉ＋ｊ）＋Ｄ（ｉ＋ｊ＋ｋ）・・・第１の
回折格子でｉ次の回折を受け、第２の回折格子で５次に
回折された後に、第１の回折格子でに次回折された電磁
波、 θ・・・回折角。 痺都Ｉｌセ４岬校明り 第１図 、　　　　　　　　　　　　＋、＞ミ（９ｑ　の　ソン
内くヘイ５す１ソコ第３図 オ夾９ｎめ実熱爲ジｊコ 第４図 し増ト町ζミθ１１−リリ（ヤ＋づ２り　図第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数個の物体のうちの少なくとも１つの物体に回折
   格子を配設し、電磁波を当該回折格子に入射させ、前記
   電磁波の前記回折格子による回折を用いて前記複数個の
   物体の相対変位を測定する方法において、前記電磁波と
   して特定の偏光状態の電磁波を用いることを特徴とする
   相対変位測定方法。 ２）前記特定の偏光状態が直線偏光であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の相対変位測定方法。