JPS6235223A - 相対変位測定方法 - Google Patents

相対変位測定方法

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JPS6235223A
JPS6235223A JP17483585A JP17483585A JPS6235223A JP S6235223 A JPS6235223 A JP S6235223A JP 17483585 A JP17483585 A JP 17483585A JP 17483585 A JP17483585 A JP 17483585A JP S6235223 A JPS6235223 A JP S6235223A
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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。
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