JPH0587529A

JPH0587529A - 計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH0587529A
Application number: JP3249216A
Authority: JP
Inventors: Koichi Chitoku; 孝一千徳; Takahiro Matsumoto; 隆宏松本; Tetsushi Nose; 哲志野瀬; Minoru Yoshii; 実吉井; Kenji Saito; 謙治斉藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】マスクとウエハ上のアライメントパターン間
あるいはウエハ上の２つの検定用パターン間のずれを自
動化検出でき、かつ検出用光学系の設定が容易な検出を
実現する。【構成】検出すべき２つのパターンを回折格子とし、
各パターンにビート信号を発生させる為の２波長光を入
射、回折、干渉させて、この干渉光それぞれを検出し、
各干渉光のビート信号の位相差から２つの回折格子のず
れ量を検出する。２つの干渉光の分離を、偏向方法の
差、あるいは回折格子からの出射角の差によって行うこ
とで干渉光同志の分割を簡易にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、計測方法及び装置に関
するものである。本発明は半導体等の露光装置のマスク
とウエハの位置合わせを行うための位置合わせ装置およ
び重ね合せ精度測定装置に良好に適用できるものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図１５、図１６は、特開昭６４−８２６
４号公報に示されている直線回折格子を位置合わせマー
クに用いた光ヘテロデイン法による従来の位置合せ装置
で、図１７はその原理説明図である。図１５において２
波長直線偏光レーザ光源（ゼーマンレーザ）２０１から
発した光２０２は回折格子２０３に入射し、その格子か
らの回折光２０５、２０６、２０７をミラー２０４で偏
向し、０次回折光２０６、１次回折光２０５、−１次回
折光２０７のうち照明光学系２０８を通過後、いずれか
１つの回折光をカットし、他の２つの回折光のうち、１
つの回折光が１／２波長板で偏光方向を変換し、照明光
学系２０８のＮＡで規定される角度で、マスク２１２上
の回折格子２１１およびウエハ２１３上の回折格子２１
８に照射される。回折格子２１８により反射回折された
第１の回折光２１５と回折格子２１１で反射回折された
第２の回折光２１６は、進行方向は同じであるが回折格
子２１８と回折格子２１１の位置が図１６に示すように
ｙ方向にずれているため重なり合わず、わずかに分離し
ている。

【０００３】２０２は第１の回折格子２１８からの回折
光である第１の回折光２１５の中で、偏光ビームスプリ
ッタ２２３で分離された同じ偏光方向をもつ光のみを受
光する第１の検出手段であり、第１の回折格子２１８か
らの回折光である第２の回折光２１６はナイフエッジ２
２１により遮断され第１の検出手段２２０には入射しな
い。１２５は第２の回折格子２１１からの回折光である
第２の回折光２１６の中で偏光ビームスプリッタ２２３
で分離された同じ偏光方向をもつ光のみで受光する第２
の検出手段であり、第１の回折格子２１８からの回折光
である第１の回折光２１５はナイフエッジ２２２で遮断
され、第２の検出手段２２４には入射しない。２２５は
第１の検出手段２２０と第２の検出手段から検出できる
光ビート信号の位相を検出する位相計、２２６はウエハ
ステージ２１４のウエハステージ駆動回路、２２７はマ
スクステージ２１９のマスクステージ駆動回路である。

【０００４】ここで、図１７を用いてマスク２１２とウ
エハ２１３の位置合わせ原理を説明する。

【０００５】図１７において、周波数ｆ₁の光の−１次
回折光と周波数ｆ₂の光の１次回折光の合成光Ｅ_Mは次式
で表わされる。

【０００６】Ｅ_M＝Ａ₁ｅｘｐ｛ｉ（２πｆ₁ｔ−δ_M）｝＋Ａ₂ｅｘｐ｛ｉ（２πｆ₂＋δ_M）｝…（１）ここでδ_M＝２π・ΔＸ_M／Ｐ（Ｐは格子のピッチ）であ
る。δ_Mは、第１の格子２１８が基準となる位置に対し
てｘ方向にΔＸ_Mだけ変位することにより生ずる変数で
ある。

【０００７】（１）式で表される合成光Ｅ_Mの光強度Ｉ_M
を検出すれば、Ｉ_Mは次式で表される。

【０００８】Ｉ_M＝｜Ｅ_M｜²＝Ａ² ₁＋Ａ² ₂＋２Ａ₁Ａ₂ｃｏｓ｛２π（ｆ₁−ｆ₂）ｔ−２δ_M） …（２）（２）式で与えられる光ビート信号の位相は第１の回折
格子２１８がΔＸ_M移動する際に発生する（２）式の第
３項で表わされる成分の変化分即ち４πΔＸ_M／Ｐ（ラ
ジアン）だけ変化する。

【０００９】Ｐの値は既知なので光ビート信号の位相変
化を検出することにより、第１の回折格子２１８の移動
量ΔＸ_Mを検出できる。

【００１０】これとまった同様にして、ウエハ２１３上
の第２の回折格子２１１の移動量ΔＸ_Wも検出できる。

【００１１】第２の検出手段２２４で検出する光ビート
信号Ｉ_Wは、周波数ｆ₁の光の１次回折光と周波数ｆ₂の
光の−１次回折光の合成光の光強度であり、次式で表す
ことができる。

【００１２】Ｉ_W＝Ａ² ₁＋Ａ² ₂＋２Ａ₁Ａ₂ｃｏｓ｛（２π（ｆ₁−ｆ₂）ｔ＋２δ_W｝…（３）ここで、δ_W＝２π・ΔＸ_W／Ｐである。

【００１３】（２）式で表わされる第１の検出手段２２
０で検出できる光ビート信号と（３）式で表わされる第
２の検出手段２２４で検出できる光ビート信号の位相差
Δφは次式で表わされる。

【００１４】Δφ＝４π（ΔＸ_M−ΔＸ_W）／Ｐ…（４）

【００１５】このように、マスク回折光ビート信号とウ
エハ回折光ビート信号との位相差を検出し、位相差を０
°となるようにマスクステージとウエハステージを相対
移動させて、マスクウエハの精密な位置合わせを行う。

【００１６】また、露光装置として組上げられた装置の
位置合わせ性能を実際に計測、評価するには、従来マス
ク上に形成された微細なパターンをウエハ上に重ね合わ
せ焼き付けして、ウエハ上のパターンでのずれ量の測定
を行うことによってなされている。例えば図１８の
（ｃ）に示すように所謂バーニアパターンをウエハ上に
露光形成してそのずれ量を顕微鏡等で拡大観察すること
により、バーニア計測をする方法が従来よりよく知られ
ている。即ち、図１８の（ａ），（ｂ），（ｃ）におい
ていずれのパターンもウエハ上に露光された例えばレジ
ストパターンであり、斜線を施した部分にレジストが存
在している。図１８はｘ軸方向のずれのみ計測する手段
を示している。このとき、パターン２５１とパターン２
５２は互いにバーニアを構成しており、バーニア１目盛
は０．０５μｍに相当する。まず第１のマスク（レチク
ル）でウエハ上に露光しパターン２５１を形成したのち
（現象し）、レジスト塗布し、更にパターン２０２が設
けられている第２のマスク（レチクル）をウエハに対し
てアライメントしたのち露光し、パターン２０２を形成
する。その後アライメントをとった結果どの程度の誤差
で第１のマスク（レチクル）と第２のマスク（レチク
ル）の重ね合わせがなされているかを、１５１、１５２
のパターンが共に焼き付けられた図１８の（ｃ）で示す
ようなウエハ上のバーニアパターンを顕微鏡を用いて拡
大観察して読み取り計測する。例えば図１８において
は、２５１のパターンはピッチ７．９５μｍ、２５２の
パターンはピッチ８．００μｍにしておけばよい。従来
の半導体露光装置の焼き付け重ね合わせ計測評価は以上
のようになされてきた。

【００１７】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、前
記第２の従来例では測定を自動化する事が困難で人手が
かかり、前記第１の従来例では測定は自動化が簡単にな
るが、２つの干渉光を分割するナイフエッジのエッジ部分で
の散乱及び面精度の低下により、ビート信号にノイズが
加わる。２つの干渉光を分割するナイフエッジの設定位置がず
れると測定精度に影響が出る等の問題点がある。

【００１８】本発明は以上のような従来の欠点を克服
し、自動化が容易でかつ光学系のセッティングを容易に
し、更に計測精度を向上した計測方法及び計測装置を提
供する。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上述目的を達成する為本
発明の計測方法は、第一の波長の光と前記第一とは異な
る第二の波長の光とを第一の回折格子に入射して発生す
る回折光同志を干渉させて第一の干渉光を形成し、第三
の波長の光と前記第三とは異なる第四の波長の光とを第
二の回折格子に入射して発生する回折光同志を干渉させ
て第二の干渉光を形成し、前記第一の回折格子からの第
一干渉光と第二の回折格子からの第二干渉光を回折格子
からの出射角または偏光方向によって分離し、前記分離
された第一及び第二干渉光のビート信号間の位相比較に
より前記第一及び第二回折格子間の位置関係を検出する
様にしている。又、本発明の計測装置は、第一の偏光方
向を有する第一の波長の光と前記第一の偏光方向を有す
る前記第一とは異なる第二の波長の光とを第一の回折格
子に入射して発生する回折光同志を干渉させるための第
一照明手段と、前記第一とは異なる第二の偏光方向を有
する第三の波長の光と前記第二の偏光方向を有する前記
第三とは異なる第四の波長の光とを第二の回折格子に入
射して発生する回折光同志を干渉させるための第二照明
手段と、前記第一の回折格子からの第一干渉光と第二の
回折格子からの第二干渉光を偏光方向によって分離する
ための分離手段と、前記分離手段によって分離された第
一及び第二干渉光のビート信号間の位相比較により前記
第一及び第二回折格子間の位置関係を検出するための検
出手段とを有する様にしている。更に本発明の計測装置
は、第一の波長の光と前記第一とは異なる第二の波長の
光とを第一の回折格子に入射して発生する回折光同志を
干渉させた第一の干渉光を第一の方向に出射させるため
の第一照明手段と、第三の波長の光と前記第三とは異な
る第四の波長の光とを第二の回折格子に入射して発生す
る回折光同志を干渉させた第二の干渉光を前記第一の方
向とは出射角が異なる第二の方向に出射させるための第
二照明手段と、前記第一及び第二干渉光のビート信号間
の位相比較により前記第一及び第二回折格子間の位置関
係を検出するための検出手段とを有する様にしている。

【００２０】図１を用いて本発明の第１実施例の原理を
説明する。

【００２１】図１に於いて、隣接して設けられた２つの
直線構成９０，９１のうち、直線格子９０には光９２、
光９４、直線格子９１には光９３、光９５が照射される
（光９２、９４はＳ波、光９３、９５はＰ波である）。
これら４つの光の強度を式で表すと以下のようになる。

【００２２】光９２＝ｅｘｐ（ω₁ｔ）…（５）光９３＝ｅｘｐ（ω₁ｔ）…（６）光９４＝ｅｘｐ（ω₂ｔ）…（７）光９５＝ｅｘｐ（ω₂ｔ）…（８）

【００２３】ここで、ω₁、ω₂は角周波数である。そし
て、光９２の直線格子９０に対する−１次回折光と光９
４の直線格子９０に対する＋１次回折光を重ね合わせて
干渉光９７となり、同様に、光９３の直線格子９１に対
する−１次回折光と光９５の直線格子９１に対する＋１
次回折光を重ね合わせて干渉光９６となる。光９２、９
４による干渉光９６はＰ波、光９３、９５による干渉光
９７はＳ波であるので、ミラー９８により方向を変えら
れたあとの２つの干渉光の空間的分離は、ＰＢＳ９９に
より容易におこなえる。

【００２４】図２、３は本発明の第１の実施例を示す図
であり、図２は遠紫外線、Ｘ線等を用いるプロキシミテ
ィー露光方式半導体製造装置の位置合わせ装置部の構成
概略図、図３は回折格子付近の上面図である。図２にお
いて１は、互いに直交する偏光状態のわずかに周波数の
違う光（Ｓ偏光で周波数ｆ₁とＰ偏光で周波数ｆ₂）を発
するゼーマンレーザで、２は偏光ビームスプリッタ（Ｐ
ＢＳ）、３はミラー、４ａ，４ｂはλ／２板、５はマス
ク、６はマスク５上の回折格子、７はウエハ、８はウエ
ハ７上の回折格子、９はミラー、１０はＰＢＳ、１１
ａ，１１ｂは光センサ、１２は位相差計、１３は演算処
理制御部、１４、１５はそれぞれマスクのｘ方向駆動用
のマスクアクチュエータ、ウエハのｘ方向駆動用のウエ
ハアクチュエータである。

【００２５】ゼーマンレーザ１から発せられた光は、偏
光ビームスプリッタ２で、偏光面の違いにより、左右に
分離される。ＰＢＳ２で反射した周波数ｆ₁（Ｓ偏光）
の光およびＰＢＳ２を透過した周波数ｆ₂（Ｐ偏光）の
光はミラー３で偏向され、マスク５上の回折格子６およ
びウエハ７上の回折格子８にそれぞれ所定角度で入射す
る。

【００２６】この時、図３に示すように各光束の光束中
心が回折格子６と回折格子８の間の中心位置を通る様に
合わせ、更にこの各光束中心にλ／２板４ａの一端ＡＢ
とλ／２板４ｂの一端ＣＤをそれぞれ合わせるように、
ミラー３およびλ／２板４ａ，４ｂを設定する。このよ
うな配置をとることにより、Ｓ偏光で周波数ｆ₁の光の
うち、λ／２板４ａの部分を通った光は偏光面が９０°
回転してＰ偏光の光となってウエハ７上の回折格子８に
入射し、λ／２板４ａの無い部分を通った光は、Ｓ偏光
のままでマスク５上の回折格子６に入射する。一方Ｐ偏
光で周波数ｆ₂の光のうち、λ／２板４ｂの部分を通っ
た光は、偏光面が９０°回転してＳ偏光の光となって、
回折格子６に入射し、λ／２板４ｂの無い部分を通った
光はＰ偏光のままで回折格子８に入射する。したがって
回折格子６からの回折光はＳ偏光、回折格子８からの回
折光はＰ偏光となる。同じ方向に±ｎ次回折光が回折す
るように、ミラー３を設定することにより、回折格子６
からのＳ偏光の干渉光、回折格子８からのＰ偏光の干渉
光が得られ、この干渉光は、わずかに異なる周波数
ｆ₁，ｆ₂の光の重ね合わせであるから、ｆ₁−ｆ₂のビー
ト周波数の光ビート信号となる。

【００２７】図２において、回折格子６による−１次回
折光Ｅ_M（−１）、１次回折光Ｅ_M（１）を複素振幅表示
すると次のように書ける。

【００２８】Ｅ_M（−１）＝Ａ_M・ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ＋φ₁−φ_M）｝…（９）Ｅ_M（１）＝Ｂ_M・ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ＋φ₂＋φ_M）｝…（１０）

【００２９】ここで、Ａ_M，Ｂ_Mは振幅で、ω₁，ω₂は角
周波数でω₁＝２πｆ₁，ω₂＝２πｆ₂であり、φ₁，φ₂
は光の初期位相、φ_Mはマスク５のｘ方向の基準位置か
らのずれ量ΔＸ_Mに伴う位相変化で、回折格子６のピッ
チをＰとした時、φ_M＝２πΔＸ_M／Ｐである。

【００３０】また、回折格子８による−１次回折光Ｅ_W
（−１）、１次回折光Ｅ_W（１）を複素振幅表示すると
以下のようになる。

【００３１】Ｅ_W（−１）＝Ａ_W・ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ＋φ₁−φ_W）｝…（１１）Ｅ_W（１）＝Ｂ_W・ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ＋φ₂＋φ_W）｝…（１２）

【００３２】ここで、Ａ_W，Ｂ_Wは振幅、φ_Wはウエハ６
のｘ方向の基準位置からのずれ量ΔＸ_Wに伴う位相変化
で、回折格子８のピッチをＰとした時、φ_W＝２πΔＸ_W
／Ｐである。

【００３３】（９），（１０）式で表される２つの光を
重ね合わせた時の光強度変化Ｉ_Mは、次のように書け
る。

【００３４】Ｉ_M＝Ａ² _M＋Ｂ² _M＋２Ａ_M・Ｂ_M・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２ φ^M）｝…（１３）

【００３５】さらに、（１１），（１２）式で表される
２つの光を重ね合わせた時の光強度変化Ｉ_Wは、次のよ
うに書ける。

【００３６】Ｉ_W＝Ａ² _W＋Ｂ² _W＋２Ａ_W・Ｂ_W・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋（φ₂−φ₁）＋２ φ_W）｝…（１４）

【００３７】（１３），（１４）式で表される２つの回
折光干渉光の分離は、偏光ビームスプリッタ１０で容易
にできる。回折格子６からの回折光干渉光（Ｓ偏光）は
偏光ビームスプリッタ１０で反射され、光センサ１１ａ
で光電検出される。他方、回折格子８からの回折光干渉
光（Ｐ偏光）は、偏光ビームスプリッタ１０を透過し、
光センサ１１ｂで光電検出される。光電検出した２つの
ビート信号を位相差計１２に導入、その位相差Δφを計
測する。Δφは、 Δφ＝φ_M−φ_W＝４π（Ｘ_M−Ｘ_W）／Ｐ…（１５）のように書けるので、演算処理制御部１３で、位相差計
１２で計測したΔφをもとに、以下の計算を行う。

【００３８】Ｘ_M−Ｘ_W＝Ｐ・Δφ／４π…（１６）

【００３９】このようにして、マスクとウエハとのずれ
量Ｘ_M−Ｘ_Wが検出され、これに基づいて周知のマスクｘ
方向駆動用のマスクアクチュエータ１４とウエハｘ方向
駆動用のウエハアクチュエータ１５の少なくとも一方に
駆動指令信号が出されて、マスクとウエハの位置合わせ
が行われる。

【００４０】なお、説明では省略したがｙ方向にこれら
を一式設け、ｙ方向の位置合わせも同様に行う。また本
説明では±１次回折光を利用したが、その他の次数を用
いても計測が可能である。この時、回折次数ｍ次の回折
光で、マスク、ウエハに対し垂直に回折する光を用いる
場合、マスク、ウエハ上の回折格子のピッチをＰ、入射
光の波長をλとして、 θ＝Ｓｉｎ^-1（ｍλ／Ｐ）…（１７）から計算される角θ（ラジアン）を入射角とするように
ミラー３を設定すれば良い。

【００４１】図４は、本発明の第２の実施例を示す図で
あり、マスク上の回折格子をウエハ上に焼きつけ、回折
格子３２を作製し、マスクステージあるいはウエハステ
ージの少なくとも一方を所定量動かし、回折格子３３を
焼きつける。またはマスクを取り変え、ウエハとアライ
メントして回折格子３２に隣接する位置に回折格子３３
を焼きつけることにより、ウエハ上に２つの回折格子を
作製し、重ね合わせを評価する装置である。ゼーマンレ
ーザ１からは、同じ光軸上にあり、偏光面が互いに直行
し、僅かに周波数が異なる２つの光４１Ｓ、光４２Ｐが
発せられる（符番中のＳはＳ波、ＰはＰ波を表す）。こ
れらの光の強度を式で表わすと、光４１Ｓ＝ｅｘｐ（ω₁ｔ）…（１８）光４２Ｐ＝ｅｘｐ（ω₂ｔ）…（１９）ここで、ω₁，ω₂は角周波数である。

【００４２】２つの光４１Ｓ、光４２Ｐはミラー２２に
より方向を変えられ、コリメータレンズ２３を通過し、
ＰＢＳ膜（ＡＤ面）とミラー（ＢＣ面、ＥＦ面）が一体
となった若葉マーク型のプリズム（以下若葉プリズムと
呼ぶ）４３に入射する。図５は、若葉プリズム４３内の
光路を示した図で、若葉プリズム４３に入射した２つの
光４１Ｓ、光４２ＰはＡＤ面（ＰＢＳ膜）で偏光面の違
いにより左右に分割される。ＡＤ面を反射した光４１Ｓ
はＢＣ面で反射し方向を変え、隣接した２つの直線格子
３２、３３に照射される。同様に、ＡＤ面を透過した光
４２ＰはＥＦ面で反射し方向を変え、隣接した２つの直
線格子３２、３３に照射される。ここで、若葉プリズム
出射面の領域ＭＩＪＮ、領域ＮＪＫＰの部分にはλ／２
板が貼り付けられている。図６は若葉プリズムの出射面
の拡大図である。光４１ＳのＣＭＮＤ領域を通過した光
は従来通りのＳ偏光の光であるが、ＭＩＪＮ領域を通過
した光は偏光面が９０°回転し、Ｐ偏光の光４１Ｐとな
っている。光４２Ｐに関してもＤＮＰＥ領域を通過した
光は偏光面が回転し、Ｓ偏光の光４２Ｓとなっている。

【００４３】図７は回折格子部を上から見た図である。
若葉プリズム４３を出射した偏光面と周波数の組み合わ
せが異なる４つの光は、図７に示されるような隣接した
２つの回折格子３２、３３に照射され、回折する。光４
１Ｓ、光４２Ｓは回折格子３２で回折され、光４１Ｓに
ついては−１次回折光４１−１Ｓ、光４２Ｓについては
＋１次回折光４２＋１Ｓを得る。同様に、光４１Ｐ、光
４２Ｐは回折格子３３で回折され、光４１Ｐについては
−１次回折光４１−１Ｐ、光４２Ｐについては＋１次回
折光４２＋１Ｐを得る。４つの回折光の強度を式で表す
と以下のようになる。

【００４４】４１−１Ｓ＝Ａ・ｅｘｐ（ω₁ｔ−φ_a）…（２０）４２＋１Ｓ＝Ｂ・ｅｘｐ（ω₂ｔ＋φ_a）…（２１）４１−１Ｐ＝Ｃ・ｅｘｐ（ω₁ｔ−φ_b）…（２２）４２＋１Ｐ＝Ｄ・ｅｘｐ（ω₂ｔ＋φ_b）…（２３）

【００４５】ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは振幅、φ_a、φ_b
は回折格子３２、３３のある規準位置からのずれ量に相
当する位相量である。

【００４６】図４に於いて、４つの回折光のうち、同一
の回折格子で回折した光どうしを干渉させ、ＰＢＳ５６
により偏光面の違いにより干渉光を分離する。そして分
離された２つの干渉光をそれぞれレンズ３６、３７によ
り光センサ３８、３９に集光し光電変換をすると、各々
の回折格子のある規準位置からのずれ量に相当する位相
量を含むビート信号Ｕ_a、Ｕ_bを得ることができる。

【００４７】Ｕ_a＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢ・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋２φ_a｝…（２４）Ｕ_b＝Ｃ²＋Ｄ²＋２ＣＤ・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋２φ_b｝…（２５）式（２４）、式（２５）で表される２つのビート信号を
ロックインアンプ等の位相差計４０に入力すると、２つ
のビート信号の位相差分 Δφ＝２（φ_b−φ_a）…（２６）が得られる。これから２つの回折格子の相対位置ずれ量
を例えば式（１６）を用いて求めることができる。

【００４８】アライメント装置のアライメントに誤差の
ない状態で２つ目の回折格子をウエハ上に形成すればウ
エハ上の２つの回折格子３２、３３のｘ方向ずれがない
様に、マスク上の各回折格子を設計しておけば、この時
の相対位置ずれ量が即ちアライメント誤差となる。

【００４９】図８を用いて本発明の第３実施例の原理を
説明する。

【００５０】図８に於いて、隣接して設けられた２つの
回折格子１１２、１１３のうち、回折格子１１２には光
１３０、光１３２、回折格子１１３には光１３１、光１
３３が照射される（光１３０、１３２はＳ波、光１３
１、１３３はＰ波である）。これら４つの光の強度を式
で表すと以下のようになる。

【００５１】光１３０＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ）｝…（２７）光１３１＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ）｝…（２８）光１３２＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ）｝…（２９）光１３３＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ）｝…（３０）

【００５２】ここで、ω₁，ω₂は角周波数である。そし
て、光１３０の回折格子１１２に対する−１次回折光と
光１３２の回折格子１１２に対する＋１次回折光を重ね
合わせて干渉光１３５となり、同様に、光１３１の回折
格子１１３に対する−１次回折光と光１３３の回折格子
１１３に対する＋１次回折光を重ね合わせて干渉光１３
４となる。干渉光１３４と干渉光１３５は回折格子を出
射してから互いに広がり角θを持って発散していくよう
に予め入射光の入射角が設定されている。よって、２つ
の干渉光１３４と干渉光１３５の空間的分離は容易にお
こなえる。

【００５３】図９は、本発明の第３の実施例を示す図で
ある。ゼーマンレーザ１からは、同じ光軸上にあり、偏
光面が互いに直行し、僅かに周波数が異なる２つの光１
２１、光１２２が発せられる（光１２１はＳ波、光１２
２はＰ波である）。

【００５４】この光の強度を式で表わすと、光１２１＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ）｝…（３１）光１２２＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ）｝…（３２）ここでω₁、ω₂は角周波数である。

【００５５】２つの光１２１、１２２はミラー１０２に
より方向を変えられ、コリメータレンズ１０８を通過
し、ＰＢＳ膜（ＡＤ面）とミラー（ＢＣ面、ＥＦ面）が
一体となった若葉マーク形のプリズム（若葉プリズム）
１０４に入射する。若葉プリズム１０４に入射した２つ
の光１２１、１２２はＡＤ面（ＰＢＳ膜）で偏光面の違
いにより左右に分割される。ＡＤ面を反射した光１２１
はＢＣ面で反射し方向を変え、λ／２板１０５とウォラ
ストンプリズム１０９を通過する。光１２１はλ／２板
１０５によりその偏光面がウォラストンプリズム１０９
の結晶方向に対して４５°傾けられており、ウォラスト
ンプリズム１０９によりＳ偏光成分の光１２１Ｓと、Ｐ
偏光成分の光１２１Ｐに分割され、光１２１Ｓはマスク
１２３上の回折格子１１２、光１２１Ｐはウエハ１１１
上の回折格子１１３に照射される。一方、ＡＤ面を透過
した光１２２はＥＦ面で反射した方向を変え、λ／２板
１０７とウォラストンプリズム１１０を通過する。光１
２２はλ／２板１０７によりその偏光面がウォラストン
プリズム１１０の結晶方向に対して４５°傾けられてお
り、ウォラストンプリズム１１０によりＳ偏光成分の光
１２２Ｓと、Ｐ偏光成分の光１２２Ｐに分割され、光１
２２Ｓはマスク１２３上の回折格子１１２、光１２２Ｐ
はウエハ１１１上の回折格子１１３に照射される。

【００５６】図１０は、光１２１、１２２の若葉プリズ
ム１０４出射後から回折格子１１２、１１３で回折する
までの光学系の主要光路図である。ウォラストンプリズ
ム１０９を出た光１２１Ｐと光１２１Ｓの間には、広が
り角θ_Lがあり、ウォラストンプリズム１１０を出た光
１２２Ｐと光１２２Ｓの間には、広がり角θ_Rがある。
ここで、２つの広がり角の間にはθ_L＝θ_Rの関係があ
る。光１２１Ｓ、光１２２Ｓは回折格子１１２で回折さ
れ、光１２１Ｓについては−１次回折光１２１−１Ｓ、
光１２２Ｓについては＋１次回折光１２２＋１Ｓを得
る。同様に、光１２１Ｐ、光１２２Ｐは回折格子１１３
で回折され、光１２１Ｐについては−１次回折光１２１
−１Ｐ、光１２２Ｐについては＋１次回折光１２２＋１
Ｐを得る。４つの回折光を式で表すと以下のようにな
る。

【００５７】１２１−１Ｓ＝Ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ−φ_a）｝…（３３）１２２＋１Ｓ＝Ｂ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ＋φ_a）｝…（３４）１２１−１Ｐ＝Ｃ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ−φ_b）｝…（３５）１２２＋１Ｐ＝Ｄ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ＋φ_b）｝…（３６）

【００５８】ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは振幅、φ_a、φ_b
は回折格子１１２、１１３のある規準位置からのずれ量
に相当する位相量である。４つの回折光のうち、同一の
回折格子で回折した光どうしを干渉させ、２つの干渉光
を得る。前述したように、照射光は回折格子に対して広
がり角を持っているので、干渉光は図１１に示すように
ＹＺ面上で発散（発散角θ₀）する光路をとる。よっ
て、２つの干渉光の空間的分離が容易になり、図９に示
すように、２つの干渉光はミラー１１４、１１５を経
て、レンズ１１６、１１７により光センサ１１８、１１
９に集光し光電変換をすると、各々の回折格子のある規
準位置からのずれ量に相当する位相量を含むビート信号
Ｕ_a、Ｕ_bを得ることができる。

【００５９】Ｕ_a＝Ａ＋Ｂ＋２ＡＢ・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋２φ_a｝…（３７）Ｕ_b＝Ｃ²＋Ｄ²＋２ＣＤ・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋２φ_b｝…（３８）

【００６０】式（３７）、式（３８）で表される２つの
ビート信号をロックインアンプ等の位相差検出器１２０
に入力すると、２つのビート信号の位相差分 Δφ＝２（φ_b−φ_a）…（３９）が得られ、式（１６）より２つのグレーティングの相対
位置ずれ量を求めることができ、この相対位置ずれ量
を、マスクとウエハの位置コントローラ１２４に入力
し、マスクとウエハのアクチュエータ１２５、１２６に
フィードバックをかければ、マスクとウエハの相対位置
合わせを高精度におこなうことができる。

【００６１】図１２は、本発明の第４の実施例を示す図
である。ゼーマンレーザ１からは、同じ光軸上にあり、
偏光面が互いに直行し、僅かに周波数が異なる２つの光
１２１、光１２２が発せられる（光１２１はＳ波、光１
２２はＰ波である）。

【００６２】光１２１、１２２の強度を式で表わすと以
下の様になる。

【００６３】光１２１＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ）｝…（４０）光１２２＝ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ）｝…（４１）ここでω₁、ω₂は角周波数である。

【００６４】２つの光１２１、１２２はミラー１０２に
より方向を変えられ、コリメータレンズ１０３を通過
し、ＰＢＳ膜（ＡＤ面）とミラー（ＢＣ面、ＥＦ面）が
一体となったプリズム（以下若葉プリズム１０４と呼
ぶ）に入射する。若葉プリズム１０４に入射した２つの
光１２１、１２２はＡＤ面（ＰＢＳ膜）で偏光面の違い
により左右に分割される。ＡＤ面を反射した光１２１は
ＢＣ面で反射し方向を変え、λ／２板１０５とウォラス
トンプリズム１０９を通過する。光１２１はλ／２板１
０５によりその偏光面がウォラストンプリズム１０９の
結晶方向に対して４５°傾けられており、ウォラストン
プリズム１０９によりＳ偏光成分の光１２１Ｓと、Ｐ偏
光成分の光１２１Ｐに分割され、光１２１Ｓはウエハ１
１１上の回折格子１１２、光１２１Ｐはウエハ１１１上
の回折格子１１３に照射される。一方、ＡＤ面を透過し
た光１２２はＥＦ面で反射し方向を変え、λ／２板１０
７とウォラストンプリズム１１０を通過する。光１２２
はλ／２板１０７によりその偏光面がウォラストンプリ
ズム１１０の結晶方向に対して４５°傾けられており、
ウォラストンプリズム１１０によりＳ偏光成分の光１２
２Ｓと、Ｐ偏光成分の光１２２Ｐに分割され、光１２２
Ｓはウエハ１１１上の回折格子１１２、光１２２Ｐはウ
エハ１１１上の回折格子１１３に照射される。

【００６５】図１３は、光１２１、１２２の若葉プリズ
ム１０４出射後から回折格子１１２、１１３で回折する
までの光学系の主要光路図である。ウォラストンプリズ
ム１０９を出た光１２１Ｐと光１２１Ｓの間には、広が
り角θ_Lがあり、ウォラストンプリズム１１０を出た光
１２２Ｐと光１２２Ｓの間にも広がり角θ_Rがある。こ
こで、２つの広がり角の間にはθ_L＝θ_Rの関係がある。
光１２１Ｓ、光１２２Ｓは回折格子１１２で回折され、
光１２１Ｓについては−１次回折光１２１−１Ｓ、光１
２２Ｓについては＋１次回折光１２２＋１Ｓを得る。同
様に、光１２１Ｐ、光１２２Ｐは回折格子１１３で回折
され、光１２１Ｐについては−１次回折光１２１−１
Ｐ、光１２２Ｐについては＋１次回折光１２２＋１Ｐを
得る。４つの回折光を式で表すと以下のようになる。

【００６６】１２１−１Ｓ＝Ａ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ−φ_a）｝…（４２）１２２＋１Ｓ＝Ｂ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ＋φ_a）｝…（４３）１２１−１Ｐ＝Ｃ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₁ｔ−φ_b）｝…（４４）１２２＋１Ｐ＝Ｄ・ｅｘｐ｛ｉ（ω₂ｔ＋φ_b）｝…（４５）

【００６７】ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは振幅、φ_a、φ_b
は回折格子１１２、１１３のある規準位置からのずれ量
に相当する位相量である。４つの回折光のうち、同一の
回折格子で回折した光どうしを干渉させ、２つの干渉光
を得る。前述したように、照射光は回折格子に対して広
がり角を持っているので、干渉光は図１４に示すように
ＹＺ面上で発散する光路をとる。よって、２つの干渉光
の空間的分離が容易になり、図１２に示すように、２つ
の干渉光はミラー１１４、１１５を経て、レンズ１１
６、１１７により光センサ１１８、１１９に集光し光電
変換をすると、各々の回折格子のある規準位置からのず
れ量に相当する位相量を含むビート信号Ｕ_a、Ｕ_bを得る
ことができる。

【００６８】Ｕ_a＝Ａ²＋Ｂ²＋２ＡＢ・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋２φ_a｝…（４６）Ｕ_b＝Ｃ²＋Ｄ²＋２ＣＤ・ｃｏｓ｛（ω₂−ω₁）ｔ＋２φ_b｝…（４７）

【００６９】式（４６）、式（４７）で表される２つの
ビート信号をロックインアンプ等の位相差検出器１２０
に入力すると、２つのビート信号の位相差分 Δφ＝２（φ_b−φ_a）…（４８）が得られ、これから前述実施例と同様２つのグレーティ
ングの相対位置ずれ量を求めることができる。

【００７０】ウエハ上の２つの回折格子が、例えば回折
格子１１２が第１レイヤーとしてウエハ１１１上に焼き
付けられていて、次にオートアライメント装置によりマ
スクとウエハの相対位置合わせをおこない、第２レイヤ
ーとして回折格子１１３が焼き付けられたとする。ここ
で、ウエハ１１１上の２つの回折格子の相対位置ずれ量
を測定すれば、前述と同様オートアライメント装置の性
能を検定することができる。

【００７１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば従来
のナイフエッジで２光束のうち１光束を遮断して分離す
る方法に比べ、約２倍の光量を利用することができる。
更に回折格子から得られる２つの光束を精度よく分離で
きるので、２つの光束間のクロストークが無く、高精度
の測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の原理図である。

【図２】第１実施例の位置合わせ装置の概略図である。

【図３】図１の入射光とλ／２板の関係を示す図であ
る。

【図４】本発明の第１実施例の重ね合わせ精度測定装置
の概略図である。

【図５】若葉プリズムの構造図及び光路を示した図であ
る。

【図６】若葉プリズムの出射面説明図である。

【図７】隣接した２つの回折格子と照射光の関係図であ
る。

【図８】本発明の第３実施例の原理図である。

【図９】第１実施例の光学系概略図である。

【図１０】照射光と出射光との関係を示す図である。

【図１１】照射光と出射光との関係を示す図である。

【図１２】本発明の第２実施例の光学系概略図である。

【図１３】照射光と出射光との関係を示す図である。

【図１４】照射光と出射光との関係を示す図である。

【図１５】従来例における位置合わせ装置を示した図で
ある。

【図１６】従来例に於ける位置合わせ装置を示した図で
ある。

【図１７】従来例に於ける位置合わせ方法の原理を説明
する図である。

【図１８】従来例に於ける重ね合わせ精度測定方法であ
る。

【符号の説明】

１、１０１ゼーマンレーザ３、９、２２、４４、１０２ミラー２３、１０３コリメータレンズ４３、１０４若葉プリズム４ａ、４ｂ、１０５、１０７ λ／２板７、３１、１１１ウエハ６、８、３２、３３、９０、９１、１１２、１１３回
折格子３６、３７、１１６、１１７レンズ１１ａ、１１ｂ、３８、３９、１１８、１１９光セン
サ１２、４０、１２０位相差計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉井実東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者斉藤謙治東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の波長の光と前記第一とは異なる第
二の波長の光とを第一の回折格子に入射して発生する回
折光同志を干渉させて第一の干渉光を形成し、第三の波
長の光と前記第三とは異なる第四の波長の光とを第二の
回折格子に入射して発生する回折光同志を干渉させて第
二の干渉光を形成し、前記第一の回折格子からの第一干
渉光と第二の回折格子からの第二干渉光を回折格子から
の出射角または偏光方向によって分離し、前記分離され
た第一及び第二干渉光のビート信号間の位相比較により
前記第一及び第二回折格子間の位置関係を検出すること
を特徴とする計測方法。
【請求項２】第一の偏光方向を有する第一の波長の光
と前記第一の偏光方向を有する前記第一とは異なる第二
の波長の光とを第一の回折格子に入射して発生する回折
光同志を干渉させるための第一照明手段と、前記第一と
は異なる第二の偏光方向を有する第三の波長の光と前記
第二の偏光方向を有する前記第三とは異なる第四の波長
の光とを第二の回折格子に入射して発生する回折光同志
を干渉させるための第二照明手段と、前記第一の回折格
子からの第一干渉光と第二の回折格子からの第二干渉光
を偏光方向によって分離するための分離手段と、前記分
離手段によって分離された第一及び第二干渉光のビート
信号間の位相比較により前記第一及び第二回折格子間の
位置関係を検出するための検出手段とを有することを特
徴とする計測装置。
【請求項３】第一の波長の光と前記第一とは異なる第
二の波長の光とを第一の回折格子に入射して発生する回
折光同志を干渉させた第一の干渉光を第一の方向に出射
させるための第一照明手段と、第三の波長の光と前記第
三とは異なる第四の波長の光とを第二の回折格子に入射
して発生する回折光同志を干渉させた第二の干渉光を前
記第一の方向とは出射角が異なる第二の方向に出射させ
るための第二照明手段と、前記第一及び第二干渉光のビ
ート信号間の位相比較により前記第一及び第二回折格子
間の位置関係を検出するための検出手段とを有すること
を特徴とする計測装置。