JPH0820204B2 - 測長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ干渉計を用いた測長装置に関するもの
で、特に集積回路製造用の露光装置のように高精度な位
置測定が要求される場合に適する測長装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 周波数を安定化したヘリウム−ネオン（He−Ne）レー
ザを光源とした干渉計は精密な測長や座標測定に利用さ
れている。従来、この種の干渉計を用いるにあたって
は、空気の密度変化（屈折率変化）によって波長が変動
し、測定誤差を生じることを防止するために、干渉計を
空気の温度、湿度がコントロールできる特別なチャンバ
に配置して温度±0.1℃、湿度±15％程度に空調し、大
気圧の変化をセンサーによりモニターして波長の補正を
行なうことがなされている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記のように干渉計を配置したチャンバー内
を空調した場合でも、温度による空気のゆらぎを要求さ
れる測長精度に影響を与えない程度にまで低減すること
はできておらず、この原因は、かなりの容積を有するチ
ャンバー内の温度を完全に均一にすることが困難なた
め、局部的に温度が異なる空気の塊が存在し、この塊が
干渉計の測定ビームを横切るためと考えられる。

例えば、かかる干渉計が集積回路製造用の露光装置の
ステージの位置決め等に用いられる場合には、干渉計自
身のレーザ発振器以外にもステージ駆動用モータ、露光
用光源等の熱源が多く、空気のゆらぎの原因となってい
る。また、ステージの移動により測定用ビームに対する
チャンバー吹出口からの風の当り方の条件が変わること
によっても測定用ビーム周辺の温度が変動してしまい空
気のゆらぎが生じることになる。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、
測定用ビームが通過する空間の空気のゆらぎを低減し、
極めて高精度な測長が可能な測長装置を提供することを
目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明においては、測長ビームが通過する空間に所定
の断面積を有する送風口から空気流を送る導風手段を備
え、該導風手段の送風口もしくはその近傍に、前記空気
流の流れと平行に、かつ前記送風口の断面積よりも小さ
な断面積に前記空気流を細分化する細分化部材を配置し
たことにより上記の課題を達成している。

［作用］ 本発明においては、導風手段の送風口もしくはその近
傍に、空気流の流れと平行に空気流を細分化する細分化
部材を配置しているので、該細分化部材の壁面と空気流
との間で熱交換が行なわれ、空気流が細分化部材を通過
する間に温度差のある空気の塊がなくなり、空気流の温
度の均一化が図られる。

また、空気流はその流れと平行に細分化されることか
ら、空気流は層流化され、周辺部の空気を巻き込むこと
なく温度が均一な状態のまま測定用ビームの通路に送り
出される。このため、測定用ビームが通過する空間にお
ける空気のゆらぎがほとんどなくなり、測定用ビームの
波長の誤差が非常に小さくなる。即ち、このようにし
て、本発明では極めて高精度の測長が可能となる。

［実施例］ 第１図は、本発明にかかる測長装置を例えば集積回路
製造用の露光装置のような精密移動ステージの座標検出
に用いた場合の構成の概略を示す斜視図である。以下、
第１図を参照しながら構成の説明を行なう。

まず、XYステージ１は、ウエハ６をホールドしてXY方
向へ所定量移動できるように露光装置の本体に備えられ
ている。このステージ１の直交する２つの側面にはX,Y
方向の反射鏡4,5が夫々取付けられており、かかる反射
鏡4,5はXYステージ１とともに移動するようになってい
る。

また、周波数を安定化したレーザ光源100からは、ゼ
ーマン効果によって約2MHzだけ周波数を異ならせた、互
いに偏光特性の異なる２成分を含むビームB1が出射され
る。このビームB1はビームスプリッタ７により、Ｘ軸座
標測定用の干渉計ユニット２に向うビームB2と、Ｙ軸座
標測定用の干渉計ユニット３へ向うビームB3とに分割さ
れる。そして、Ｘ軸方向の干渉計ユニット２は、XYステ
ージ１に取付けられた反射鏡４へ測定用ビームB4を出射
し、反射鏡４で反射された測定用ビームB4を受光する。
またＹ軸についても同様に干渉計ユニット３は、反射鏡
５へ測定用ビームB5が出射し、反射鏡５で反射された測
定用ビームB5を受光する。

次に、干渉計ユニット２（干渉ユニット３も同様）の
内部の構成を第３図により説明する。まず、ビームB2は
偏光ビームスプリッタ21により、偏光方向の異なる参照
用ビームB13と測定用ビームB4に分けられる。偏光ビー
ムスプリッタ21を透過した測定用ビームB4は、λ/4板24
を経て、XYステージとともに所定の速度で移動しうる反
射鏡４に入射し、ここで反射されて再びλ/4板24を経て
偏光ビームスプリッタ21に入射する。ここで、測定用ビ
ームB4はλ/4板24を２度通過しているので、偏光方向が
90°変わっており、今度は偏光ビームスプリッタ21で反
射されて直角プリズム23に入射する。ここで測定用ビー
ムB4は２回反射されて入射方向に戻り、偏光ビームスプ
リッタ21で反射されて、再び反射鏡４へ入射し反射され
る。ここでも測定用ビームB4は前回と同様にλ/4板24を
２回通過することにより偏光方向90°が変わっているの
で、反射鏡４で反射された測定用ビームB4は今度は偏光
ビームスプリッタ21を透過してへ直進する。

一方、偏光ビームスプリッタ21によって分割されたも
う一方のビーム、即ち参照用ビームB13は、所定の位置
に固定された参照鏡としての直角プリズム22に入射し、
ここで２回反射されて再び偏光ビームスプリッタ21に入
り90度偏向される。このようにして、該参照用ビームB1
3と前記測定用ビームB4は再び重なり干渉ビームB6とな
り、光電センサー25に入射する。

ここで、ビームB2は前述したように周波数の異なった
２成分を有しているため、もともとビート（うなり）を
生じているが、反射鏡４が移動することにより、反射鏡
４で反射される測定用ビームB4の周波数がドップラー効
果のため変化し、干渉ビームB6のうなりの周期が変化す
る。即ち、測定用ビームB4と参照用ビームB13を互いに
干渉させることにより生じる干渉縞が変化する。このた
め、この干渉縞の変化を光電センサ25で検出することに
より反射鏡４の移動量（即ち、XYステージの移動量）を
検出することができる。

また、上記以外の干渉計ユニット２の構成として、参
照用ビームと測定用ビームの通路が平行になるようにし
たものが考えられる。この構成を第４図により説明す
る。光源から出射されたビームB2を偏光ビームスプリッ
タ31によって偏光方向の異なる測定用ビームB4と参照用
ビームB13に分け、測定用ビームB4をXYステージととも
に移動する反射鏡４で反射させる点については第３図に
示した場合と同様である。

一方、参照用ビームB13は、偏光ビームスプリッタ31
で測定用ビームB4と分離された後、反射鏡32で折り曲げ
られ、λ/4板37を介して、例えば露光用レンズ等の所定
の位置に固定された物に取付けられた反射鏡36に入射す
る。そして、反射鏡36で反射された後、再びλ/4板37を
介して反射鏡32に入射し、90°折り曲げられて偏光ビー
ムスプリッタ31に入射する。

ここで、参照用ビームB21は第３図において説明した
測定用ビームB4と同様にλ/4板37を通過することにより
偏光方向が90°変わっており、今度は偏光ビームスプリ
ッタ31を透過して、直角プリズム33に入射する。そし
て、直角プリズム33の２辺で反射された参照用ビームB1
3は再び偏光ビームスプリッタ31を透過して、反射鏡32
で折り曲げられ、再度λ/4板37を介して反射鏡36に入射
する。ここで反射された参照用ビームB13はλ/4板37を
通過して反射鏡32に到達し、ここで90°折り曲げられて
偏光ビームスプリッタ31に入射する。この場合もλ/4板
37を２回通過していることから参照用ビームB13はその
偏光方向が90°変わっており、偏光ビームスプリッタ31
を透過せずに90°偏向されて出射され、ここで測定用ビ
ームB4と重なり、干渉ビームB6として光電センサ35に入
射する。

ここで、干渉計ユニットが第４図に示された構成をと
る場合は、参照用ビームB13と測定用ビームB4の光路が
平行になっているので、空気のゆらぎの状況が同様であ
り、影響が互いに相殺されるため、光路長が等しい場
合、原理的には空気密度変化の影響を受けず（デッド・
パス・エラ＝０）、第３図の場合に比べて有利であると
も考えられる。しかし、現実には第４図に示された参照
用ビームB13と測定用ビームB4の間にも空気密度の差が
あり、反射鏡36の振動の影響もあるので、干渉計ユニッ
トの構成については何れが有利であるかは一概にはいえ
ない。

次に本発明の主要な構成要素である導風手段と、空気
流の温度均一化および層流化を図る細分化部材の説明を
行なう。第１図に示された実施例では、導風手段8,9の
送風口はそれぞれ測定用ビームB4,B5の通路に平行に設
置されている。即ち、Ｘ軸用の導風手段８は測定ビーム
B4を垂直に横切るように空気流を送り、同様にＹ軸用の
導風手段９は測定ビームB5を垂直に横切るように空気流
を送るように配置されている。そしてかかる導風手段8,
9の送風口付近の内部には後述する細分化部材10,11が配
置されており、内部を通過する空気流の温度の均一化お
よび層流化を図っている。

また、導風手段8,9にはそれぞれ測定用ビームB4,B5付
近の気温とほぼ等しく安定した温度の空気を供給するの
が望ましいため、本発明にかかる測長装置が設置されて
いるチャンバーの空調の空気吹出口から、直接空気を導
風手段8,9に取り込むことが望ましい。さらに、空気流
にはある程度速度が必要なため、導風手段8,9の空気の
取り込み口にはファンを設けるか、あるいは取り込み口
の断面を大きくしてしだいに断面を絞り込む等のことを
行う必要がある。

なお、導風手段8,9の送風口は、ステージ１がXY平面
内で移動しても接触しないようにステージ１の上方もし
くは下方に設置する必要があるが、下方にはステージ１
が乗る定盤等があり設置が困難であるので第１図に示さ
れるように斜め上方もしくは真上より送風するように配
置するのが適当である。

また、第１図では、干渉計ユニット2,3の構成を第３
図のものとしているが、第４図の構成をとるものも同様
に適用でき、この場合は測定用ビームB4と参照用ビーム
B13に対して同等に空気流を送るように、導風手段8,9の
送風口のダクト形状を定めると良い。

次に、本発明にかかる細分化部材10,11の形状を第２
図を参照しながら説明する。かかる細分化部材は空気流
を層流とするために、空気流の流れと平行に空気流を細
分化する構成となっている。即ち、細分化部材の形状と
しては、例えば第２図（ａ），（ｂ）に示されたような
ものが考えられる。（ａ）は薄い金属板等を交互に折り
曲げたもので、（ｂ）は正方形断面のパイプを並べたも
のであり、何れも導風手段の外筒と平行に送風口付近に
設置される。なお、細分化部材の形状としては第２図に
示されたものに限定されるものではないが、空気流を層
流とするためにはこの細分化部材は空気流の流れ方向に
一定以上の長さを有することが望ましい。

また、細分化部材10,11は、空気流の温度の均一化を
促進するためには、熱伝導性が良く、熱容量の大きい材
料、例えば金属等で構成するのが望ましく、空気流との
接触面積を大きくするために、空気流の流れに対する抵
抗が大きくなり過ぎない範囲で空気流の断面をできるだ
け細分することが望ましい。さらに、本実施例のように
集積回路製造用の露光装置等に適用する場合には、ゴミ
の発生が重要な問題となるため、空気流を乱さないもの
であればゴミ防止用の空気濾化フィルターを導風手段の
送風口に取付けることも可能である。

次に空気流のビームに対する角度について説明する。
第１図の例では、導風手段8,9の送風口を測定用ビームB
4,B5に沿って平行に設置する例を示したが、送風口を干
渉計ユニット2,3付近、もしくは反射鏡4,5付近に設置
し、測定用ビームB4,B5に対して平行もしくは平行に近
い角度で空気流を流す方法も考えられる。

ここで、第１図に示されるような配置の利点として
は、導風手段の送風口とビームの間が接近しており、ビ
ーム全長に対して均一な空気流が送られ、あまり大きな
風速を必要としない点がある。一方、空気流をビームに
平行に流す場合の利点としては、空気流が完全に温度均
一化されておらず、空気温度の異なる塊が残っていて
も、空気の塊がビームの通路を長時間かけて通過するた
めに、ゆらぎの周期が十分長くなり、また各空気の塊の
影響が時間的に重なりあうことにより平均化され、測定
への影響が小さくなるという点が考えられる。しかし、
この場合、送風口からはなれた部分のビームには十分空
気流がとどかず周囲から温度の異なる空気が混入するこ
ともある。このため、空気流を送り出す方向について
は、一概に優劣はつけにくく、両者の中間的な角度で送
風するようにしても良い。次に、導風手段から送り出さ
れる空気流の流速の調整法についての説明を行なう。空
気流は遅すぎるとビームに十分に空気が送られず、また
速すぎても空気流の反射による空気の乱れや、測定物の
振動等を起こすため、空気流の速度を適当な値に調整す
ることが望ましい。このため、予め最適な流速がわかっ
ていない場合には、導風手段には空気流の速度を調節す
るために面積可変の逃がし穴を設けたり、空気取り込み
口のファンの速度や面積を可変にしたりする手段が具備
されていることが望ましい。空気流の流速を最適に調整
するには、例えばXYステージ１を固定し、干渉計ユニッ
トでの座標読みとり値をモニタし、その変動が最も小さ
くなるように流速を調節する方法や、実際に装置を動作
させ、最も精度が出るように流速を調節する方法などが
考えられる。また、XYステージ１の停止中と、移動中で
はビーム周辺の空気の流れの状態が異なるため、空気流
の流速度をそれぞれの場合の最適な流速に制御するよう
にすればより望ましい。

また、通常の干渉計システムでは測定ビーム周辺の大
気圧、気温等をモニタし波長補正を行なっているが、本
発明による測長装置ではビーム周辺空気の大気圧、気温
は導風手段から送り出される空気の大気圧、気温と一致
するため、これらのセンサーは導風手段送風口の内部も
しくは送風口付近に設ければ良い。

さらに、本発明にかかる細分化部材は空気流の温度の
均一化を図るだけでなく、細分化部材自体の温度を制御
することにより、所望の温度に均一化された空気流を送
るようにすることも可能である。細分化部材の温度制御
の方法としては、例えば細分化部材の内部（内壁）に液
体等を流し、その温度を制御する方法が考えられ、前述
した送風口付近に備えられた温度センサーからの信号に
より空気流が所望の温度に保たれるようフィードバック
制御を行なうことが望ましい。このようにすれば、導風
手段に取り込む空気の温度がある程度不安定でも送風口
から送り出される空気流の温度はほぼ一定となり、安定
的に高い測定精度を確保できる。なお、導風手段は細分
化部材が設置されている部分以外は中空の筒となってい
るため、微小な振動でも共振する可能性が高く、特に空
気取り込み口にファンを使用している場合、かかる導風
手段は常に振動していると考えられる。そして、この振
動が干渉計ユニットに伝わってた場合、その振幅分の計
測誤差が発生することになるので、導風手段と干渉計ユ
ニット及び被測定物の間を振動を絶縁することが望まし
い。この方法としては、防振ゴム等で絶縁する方法、ダ
クトと干渉計ユニット、被測定物を直接に接しないよう
に配置する方法等が考えられる。この他にも、XYステー
ジ１の移動、停止による振動、空気の乱れが発生する可
能性があるが、これらについては防止が困難であるた
め、必要に応じて、ステージ停止後数秒程度待ってから
露光等を開始するようにすると良い。また、露光装置等
のように、モータ、レーザ発振器等の発熱源がある場合
には、振動に対してと同様にこれらの発熱源と測長装置
を熱的にも絶縁することが望ましいことは言うまでもな
い。

［発明の効果］ 以上の様に本発明においては、測定用ビームの通路付
近の空気が常にほぼ均一な温度に保たれるため、温度差
による空気の密度変化かほとんどおこらない。このた
め、測定用ビームの波長がほぼ一定に保たれ、安定的に
極めて高い測定精度を確保することができる。

かかる測長装置を集積回路製造用露光装置のXYステー
ジの座標検出等に用いれば、アライメントを非常に正確
に行うことができ、集積回路の高集積化を図るに際して
極めて有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の斜視図、第２図は細分化部材の
構成例を示す斜視図、第３図，第４図は干渉計ユニット
の構成を示す模式図である。 ［主要部分の符号の説明］ １……XYステージ 2,3……干渉計ユニット 4,5……反射鏡 8,9……導風手段 10,11……細分化部材 B13……参照用ビーム B4,B5……測定用ビーム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源から出射されたビームを所定の位置に
   設けられた参照鏡と所定の速度で移動しうる可動鏡との
   夫々に分割して投射し、該参照鏡で反射された参照用ビ
   ームと該可動鏡で反射された測定用ビームとを互いに干
   渉させ、該干渉により生じる干渉縞の変化を光電検出す
   ることにより、前記可動反射鏡の移動距離を測定する測
   長装置において、前記測定ビームが通過する空間に所定
   の断面積を有する送風口から空気流を送る導風手段を有
   し、該導風手段の送風口もしくはその近傍には、前記空
   気流の流れと平行に、かつ前記送風口の断面積よりも小
   さな断面積に前記空気流を細分化する細分化部材を備え
   たことを特徴とする測長装置。
2. 【請求項２】前記測定用ビームの通路を前記空気流が垂
   直に横切るように前記導風手段の送風口を配置したこと
   を特徴とする請求項１記載の測長装置。