JPH10267615A - 位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置測定装置において、複数の測定光束を所
定の条件で位置合わせ用パターンを照射できるように調
節する装置の提供が望まれていた。 【解決手段】 位置測定装置は、光源１からの光束を複
数の測定用照明光束に分離する光束分割部とを有し、複
数の測定用照明光束を平行とする照明光学系１００を備
える。補正光学系２００は、複数の測定用照明光束を平
行とする部分を有する。ビームウエスト位置変更部は、
複数の測定用照明光束を平行移動させるための光束シフ
ト部及び複数の測定用照明光束のビームウエスト位置を
変更する。照射光学系３００は、複数の測定用照明光束
を対象物１０のパターン１２に照射する。受光光学系４
００は、パターン１２からの回折光を受光する。受光部
５００及び信号処理部は、測定用干渉信号の位相に基づ
いて対象物の位置の測定を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工対象物の表面
を加工する加工機や測定対象物の表面状態等を測定する
測定機械において、対象物の位置の制御等の目的に利用
される位置測定装置に関する。また、本発明は位置測定
装置を適用した電子線描画装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体露光装置では、あらかじめ
作成された原画パターン（レチクル又はマスク）上の所
望の回路パターンを、ウエハ上の露光領域に位置合わせ
した後、転写を行ってきた。この転写装置は高精度な縮
小露光投影装置であり、転写される側のウエハ全面に露
光できるように、ウエハ側は高精度なＸＹステージに固
定されている。このウエハ光学系に対し、ステップ＆リ
ピートするための掲記転写装置はステッパと呼ばれてい
る。近年のＬＳＩの高集積化により、半導体装置に要求
される回路線幅は益々狭くなってきている。ステッパの
縮小率は、従来１／５が主流であったが、これまでの波
長限界から１μｍ以下のパターンは解像できないと言わ
れてきた。しかし、光学系・照明系の改良やレチクル上
での光の位相を調整する位相シフトマスク等の出現によ
り、サブμｍオーダーのパターンを解像するに至ってい
る。解像度の向上に伴って、縮小レンズの焦点深度は浅
くなり、また、あらかじめ作成された原画パターンをウ
エハ上に転写する精度は、いっそう厳しい値が要求され
るようになってきている。このため、ステッパのアライ
メント光学系に対して、試料の試料面方向及び焦点方向
の位置を高精度に検出することが要求されている。

【０００３】位相シフトマスクは前記原画パターン上の
露光光透過部を通過する光の位相即ち透過部の光路長
を、基板の厚さをエッチングすることにより減少させ、
あるいは、屈折率の異なる材料を付加する等の手法で変
化させるものである。したがって、位相シフトマスクの
作製には、特定の光透過部の基板を厚さ方向に掘り込
み、選択的に光路長を変化させる方法や、または、あら
かじめパターンが描かれた基板に再度レジストを塗付
し、光透過部の位相を部分的に変化させるための材料を
付加した後不要部分のエッチングを行う方法が採られ
る。いずれの場合においても、前記パターン描画装置を
用いて、所定の位置のレジストを高精度に感光させる必
要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】マスク上の位置合わせ
マークの検出に先立って、露光ビームの位置はステージ
上に設けられたマーク等を用いて測定されかつ校正され
る。ステージの位置はレーザー干渉計により高精度にモ
ニターされるので、レーザー干渉計の座標系を基準とし
てビームの位置及び変位を測定することが可能となる。
ところが、電子線露光装置では、鏡筒内部に汚れが付着
すると、チャージアップのために電子ビームにドリフト
が生じ、測定値が変動する。マスク上のマーク位置の測
定はステージ上のマークを介した間接測定であるため、
測定値に変動が生じた場合には、その原因はビームドリ
フトであるのか、或いは、マークそのものが変位してい
るためであるのかを区別することが出来ないという課題
があった。

【０００５】電子ビーム描画装置やステッパにおいて、
ドリフトによる影響を受けずにマーク位置を精度良く測
定するための手段として、レーザー光を用いた測定光学
系を設けた装置を用いる方法が考えられる。しかし、電
子ビーム描画装置やステッパでは、高精度な測定が要求
されるため、複数のレーザー光を所定の回折パターンに
照射し、ここで回折した回折光から位置情報を得るタイ
プでは、各レーザ光を照射する位置を厳密に一致させる
などの調整が必要となる。特に、電子ビーム描画装置に
おいて採用する場合には、対象物は真空に減圧されたチ
ャンバー内に配置される一方光源部などは、チャンバー
外に配置される。そのため、チャンバーが大気圧の場合
に所定の照射条件を満足していても、実際に測定が必要
となるチャンバーが真空に減圧された際には所定の照射
条件が崩れてしまうことが多い。

【０００６】また、対象物に平行な平面のみならず、こ
れの法線方向の位置測定も行う場合には少なくとも３本
のレーザ光束を所定の条件で照射する必要が生じる。こ
のように複数の測定光束を所定の条件で位置合わせ用パ
ターンを照射できるように調節する装置の提供が望まれ
ていた。

【０００７】

【発明の目的】そこで、本発明の目的は、 （１）位置測定に必要とされる複数の光束を対象物面に
おいて所定の条件で照射する際に、それらを所定の条件
で照射するように調整する調整光学系を有する位置測定
装置を提供することにある。 （２）複数のレーザ光束で、所定の位置測定用パターン
を照射するように平面方向で位置調整を行い、かつその
ビームウエスト位置が位置測定用パターンと一致する様
な条件で照射するように調整することができる位置測定
装置を提供することにある。 （３）対象物の位置を正確に測定することができる位置
測定装置を備えた小型で高精度な電子線描画装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の位置測定装置
は、コヒーレント光束を発する光源部からの光束を複数
の測定用照明光束に分離する光束分割部とを有し、複数
の測定用照明光束を平行となるようにする照明光学系
と、照明光学系から受け取った複数の測定用照明光束を
平行となるようにする部分を有し、この平行となった部
分において、複数の測定用照明光束を平行移動させるた
めの光束シフト部及び複数の測定用照明光束のビームウ
エスト位置を変更するビームウエスト位置変更部を配置
した補正光学系と、複数の測定用照明光束を、位置の測
定をすべき対象物に設けられている位置合わせ用パター
ンに照射する照射光学系と、照射光学系によって複数の
測定用照明光束で照射された位置合わせ用パターンから
の回折光を受光する受光光学系と、受光光学系で受光し
た回折光を受光し測定用干渉信号を形成する受光部と、
測定用干渉信号の位相に基づき対象物の位置の測定を行
う信号処理部とを有する構成である。

【０００９】このような構成により、位置測定に必要と
される複数の光束を対象物面において所定の条件で照射
する際に、それらを所定の条件で照射するように調整す
ることができる、小型で高精度な位置測定装置の光源を
実現することができる。また、本発明の位置測定装置の
光束シフト部は、互いに光軸周りに回動可能に設けられ
た少なくとも一対のプリズムを備え、そのプリズムの交
叉角度を変更することにより照射位置の移動距離を調整
し、そのプリズムの交叉角度の２等分線方向を変えるこ
とにより測定用照明光束の照射位置の移動方向を調整す
るように構成されているのが好ましい。このような構成
により、小型で高精度な位置測定装置を実現することが
できる。

【００１０】また、本発明の位置測定装置のビームウエ
スト位置変更部は、少なくとも凸レンズ及び凹レンズを
有し、凸レンズと凹レンズとの間の間隔を変えることに
より、複数の測定用照明光束のビームウエスト位置を変
化させるように構成されているのが好ましい。このよう
な構成により、確実に複数の測定用照明光束のビームウ
エスト位置を変化させることができる。また、本発明の
位置測定装置の照明光学系は、第１入射角度で照射され
る第１測定用照明光束及び第２測定用照明光束と、第１
入射角度とは異なる第２入射角度で照射される第３測定
用照明光束とを形成し、これらの第１測定用照明光束、
第２測定用照明光束及び第３測定用照明光束を受け取る
前記補正光学系は、その光軸を挟んで前記第１測定用照
明光束及び第２測定用照明光束を配置し、第３測定用照
明光束をこれらよりも周辺位置に配置し、補正光学系で
の第３測定用照明光束の光路中に、その第３測定用照明
光束が前記２次元パターンに照射する入射角度を変化す
るように光軸と直交方向に回転軸を有する平行平面板が
配置されているように構成されているのが好ましい。

【００１１】このような構成により、小型で高精度な位
置測定装置の照明光学系を実現することができる。ま
た、本発明の位置測定装置の照明光学系は、光源部のコ
ヒーレント光束から第１周波数の第１測定用照明光束、
及び、この第１周波数と周波数が異なる第２周波数の第
２測定用照明光束を形成する周波数シフターと、この第
１測定用照明光束を分離して第１平面位置測定用光束及
び第１法線方向測定用照明光束を形成し、第２測定用照
明光束を分離して第２平面位置測定用光束及び第２法線
方向測定用照明光束を形成する光束分離部を備え、照射
光学系は、位置合わせ用パターンとして２次元パターン
を照射するものであり、受光光学系は、第１測定用照明
光束と第２測定用照明光束の前記２次元パターンによる
高次回折光と０次回折光の組み合わせ及び高次回折光同
士の組み合わせのいずれか一つの周波数が異なる回折光
の組み合わせを受け取るように構成され、受光部は、第
１測定用照明光束と第２測定用照明光束の２次元パター
ンによる高次回折光と０次回折光の組み合わせ及び高次
回折光同士の組み合わせのいずれか一つの周波数が異な
る回折光の組み合わせから対象物の２次元パターンを設
けた平面内での位置測定を行う平面位置測定用干渉信号
を形成し、第１測定用照明光束又は第２測定用照明光束
の０次回折光と前記第３測定用照明光束の０次回折光と
の組合せから対象物の法線方向の位置測定を行う法線方
向位置測定用干渉信号を形成するように構成され、信号
処理部は、平面位置測定用干渉信号の位相に基づき対象
物の平面方向の位置測定を行い、法線方向測定用干渉信
号の位相に基づき対象物の法線方向の位置測定を行うよ
うに構成されているのが好ましい。

【００１２】このような構成により、小型で高精度な位
置測定装置を実現することができる。更に、本発明は、
電子線描画装置において、電子線描画装置の構成部品の
取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけるように配
置されている上記の本発明の位置測定装置を備え、位置
測定装置は対象物の位置を測定するための位置測定用光
束を照射するための照明側光学部材と、対象物からの反
射回折光を受光して対象物の位置を測定するための受光
側光学部材とを有し、照明側光学部材から照射して受光
側光学部材に入射される光束が、電子線描画装置の構成
部品の取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけて透
過することができるように、照明側光学部材及び受光側
光学部材が電子線描画装置に配置されている構成とし
た。

【００１３】この構成により、加工すべき対象物の位置
を精確に測定することができ、電子線描画装置により極
めて高い精度で加工対象物を加工することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
により説明する。本発明の位置測定装置は、図１に示す
ように、照明光学系１００と、補正光学系２００と、照
射光学系３００と、受光光学系４００とを備える。 〔１〕 照明光学系１００ 図１及び図１の部分拡大図である図１６から図１８を参
照すると、光源１は照明光束となるコヒーレント光を発
する光源であり、波長λ＝６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレー
ザー光源である。光源１から照射される干渉性の強いコ
ヒーレントであるレーザー光は、リレーレンズ１０２を
介してビームスプリッター１０３で、第１照明光束１０
４と第２照明光束１０５とに分岐される。

【００１５】第１照明光束１０４はリレーレンズ１０６
を介して第１周波数シフター１０８に導かれ、第１周波
数シフター１０８は第１照明光束１０４を変調して第１
測定用照明光束１１０を形成する。第２照明光束１０５
はリレーレンズ１０７を介して第２周波数シフター１０
９に導かれ、第２周波数シフター１０９は第２照明光束
１０５を変調して第２測定用照明光束１１１を形成す
る。音響光学素子（ＡＯＭ）を周波数シフターとして用
いるのが好ましい。第１測定用照明光束１１０の周波数
シフターによる変調周波数は８０．０５ＭＨｚであり、
第２測定用照明光束１１１の周波数シフターによる変調
周波数は８０．０６２５ＭＨｚである。周波数シフター
１０８、１０９により、周波数が互いに僅かに異なる第
１測定用照明光束１１０及び第２測定用照明光束１１１
が形成される。この場合に、第１測定用照明光束１１０
と第２測定用照明光束１１１の周波数の差Δｆは１２．
５ＫＨｚとなる。第１測定用照明光束１１０と第２測定
用照明光束１１１を互いに重ね合わせて、干渉させる
と、その干渉結果の強度は、周波数Δｆのうなり（ビー
ト信号）になる。

【００１６】ビームスプリッター１１２は、第１測定用
照明光束１１０を第１平面位置測定用照明光束１１４と
第１法線方向測定用照明光束１１５とに分岐させる。ビ
ームスプリッター１１３は、第２測定用照明光束１１１
を第２平面位置測定用照明光束１１６と第２法線方向測
定用照明光束１１７とに分岐させる。第１平面位置測定
用照明光束１１４、第１法線方向測定用照明光束１１
５、第２平面位置測定用照明光束１１６、第２法線方向
測定用照明光束１１７は、それぞれリレーレンズ１１
８、１１９、１２０、１２１を介して調整光学系２００
に、その光軸に対して互いに平行な光束として導かれ
る。但し、第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２
法線方向測定用照明光束１１７は、それぞれ第１平面位
置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光
束１１６とは別個の測定用照明光束から分岐させること
も可能である。

【００１７】ここで、照明光学系１００において、リレ
ーレンズ１０２、１０６、１０７により光源１と第１周
波数シフター１０８及び第２周波数シフター１０９は共
役関係となる。 〔２〕 調整光学系２００ 調整光学系２００は、図２から図４に示すように、第１
平面位置測定用照明光束１１４、第１法線方向測定用照
明光束１１５、第２平面位置測定用照明光束１１６及び
第２法線方向測定用照明光束１１７を、所定の照射条件
に適合するように補正を施す光学系である。その補正に
は、第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方
向測定用照明光束１１７の照射角度を第１平面位置測定
用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１
６に対して調整を行う照射角度調整、これら４本の照明
光束１１４〜１１７が照射する対象物上の平面位置を調
整する平面位置調整、及び、これら４本の照明光束１１
４〜１１７のビームウエスト位置が対象物１０上に来る
ように調整するビームウエスト位置調整の３種類があ
る。

【００１８】第１法線方向測定用照明光束１１５及び第
２法線方向測定用照明光束１１７の照射角度調整は、そ
れぞれの光路に挿入されている平行平面板２０１、２０
２を光軸と直交する回転軸を中心に回転させることによ
り行われる。第１法線方向測定用照明光束１１５及び第
２法線方向測定用照明光束１１７は、平行平面板２０
１、２０２の回転により鉛直方向に平行移動し、その結
果、後述する投影レンズによる照射角度が変化する。こ
こで、「鉛直方向」とは、４本の照明光束１１４〜１１
７を含むような面に対して垂直な方向をいう。４本の測
定用照明光束１１４〜１１７は、それぞれの光路で２つ
のミラー（図示せず）により光束の間隔を狭くされ、頂
角の等しい一組のウエッジプリズム２０３、２０４に入
射する。

【００１９】４本の測定用照明光束１１４〜１１７の平
面位置の調整は、水平方向を調整のための中心軸とし
て、ウエッジプリズム２０３、２０４の交差角度の調整
及び交差中心方向の調整により行われる。調整前の位置
からの距離は、ウエッジプリズム２０３、２０４の交差
角度を調整することによって決定される。又、調整前か
らの変化の方向はウエッジプリズム２０３、２０４が交
差する中心方向を調整することにより決定される。この
ようにして調整を行うことにより、４本の測定用照明光
束１１４〜１１７の平面位置の調整を上下左右の任意の
方向で行うことができる。４本の測定用照明光束１１４
〜１１７は、ウエッジプリズム２０３、２０４で平面位
置調整を行った後、フォーカスレンズ２０５、２０６に
入射する。

【００２０】フォーカスレンズ２０５、２０６は、その
間隔が変化することにより、各光束が光軸と平行である
という条件を維持しつつ、各光束と光軸との間隔を変更
できるように構成されており、４本の測定用照明光束１
１４〜１１７のビームウエストが対象物１０上に来るよ
うに、ビームウエストの位置を光軸方向に調整すること
ができる。本発明の実施の形態では、光源側にある調整
レンズ２０５は平凸レンズで形成され、対象物側の調整
レンズ２０６は平凹レンズ２０６で形成されている。従
って、フォーカスレンズ２０５と２０６との間の間隔を
広げると、ビームウエストの位置が光源側に近づくよう
に変化する。但し、光源１のある側のフォーカスレンズ
２０５を平凹レンズ２０６で形成し、対象物１０のある
側のフォーカスレンズ２０６を平凸レンズで形成するこ
とも可能である。

【００２１】このように、光軸付近に第１平面位置測定
用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１
６を配置し、これらを基準として照射角度の調整を行う
第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測
定用照明光束１１７を周辺に（両脇に）配置することに
より、照射角度調整を行う光学素子である平行平面板２
０１、２０２をそれらの光路中に配置しかつ光軸と直交
する回転軸を中心に回転可能とする機構を組み込みやす
くすることができる。 〔２−１〕 マニュアル調整 上述した調整光学系２００のビームの調整方法について
説明する。以下では、位置を優先した調整方法について
説明する。初期状態では、ウエッジプリズム２０３、２
０４は１８０度回転されたように反対方向を向いて配置
され、見掛け上、プリズムのパワーがない状態とされて
いる。また、調整レンズ２０５と２０６は両者の間隔が
略ゼロとなるように配置され、パワーがない状態である
こととする。

【００２２】この位置を優先した調整方法においては、
ウエッジプリズム２０３、２０４を用いて初期状態での
ビームの照射位置を本来照射したいマーク１２上に移動
させ、次に調整レンズ２０５及び２０６を用いて、４本
の測定用照明光束１１４〜１１７のビームウエストが対
象物１０上に来るようにビームウエスト位置を調整す
る。具体的にいえば、ビームの移動方向は、ウエッジプ
リズム２０３、２０４の交叉角度の２等分線方向と一致
するので、初期状態におけるビーム照射位置を基準とし
て、ビームを照射したいマーク１２の方向とウエッジプ
リズム２０３、２０４の交叉角度の２等分線方向が一致
するように両プリズムを回転させる。次に、ビームの移
動距離は、ウエッジプリズム２０３、２０４の交叉角度
が１８０度から０度に近づくにつれてビームの移動距離
が大きくなるので、ウエッジプリズム２０３、２０４の
交叉角度の２等分線方向を維持したまま互いのウエッジ
プリズム２０３、２０４の交叉角度を調整することによ
り、対象物１０上の２次元パターン１２上を照射するよ
うに調整することができる。

【００２３】このように、４本の測定用照明光束１１４
〜１１７のビーム位置を対象物１０上の２次元パターン
１２上に来るように調整したあと、干渉信号の強度が最
大となるなどの影響要素に基づき、ビームウエスト位置
を対象物１０上の２次元パターン１２上になるように調
整レンズ２０５と２０６との間の間隔を調整する。本発
明の実施の形態では、光源１のある側の調整レンズ２０
５を平凸レンズで形成し、対象物１０のある側の調整レ
ンズ２０６を平凹レンズ２０６で形成したので、調整レ
ンズ２０５と調整レンズ２０６との間の間隔を広げるに
つれて、ビームウエスト位置は光源側に近づく。 〔３〕 照射光学系３００ 照射光学系３００は、図２から図４に示すように、折り
返しミラー３０１、３０２及び照射レンズ３０３を備
え、第１平面位置測定用照明光束１１４、第２平面位置
測定用照明光束１１６、第１法線方向測定用照明光束１
１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７の４本の光
束を対象物１０上の２次元パターン１２上に一点に照射
する。

【００２４】このとき照射光学系３００は、上記補正光
学系２００によって所定の補正がされた結果、第１平面
位置測定用照明光束１１４、第２平面位置測定用照明光
束１１６をいっしょに、対象物１０を含む平面の法線に
対して入射角θ１で照射し、第１法線方向測定用照明光
束１１５を入射角θ１とは異なる入射角θ２で照射し、
第２法線方向測定用照明光束１１７をθ１及びθ２とは
異なる入射角θ３で照射する。照射レンズ３０３を含む
照射光学系３００は、ビームウエスト位置調整用の調整
レンズ２０５及び調整レンズ２０６が作用しない状態
で、すなわち、調整レンズ２０５と調整レンズ２０６と
が互いに接触した状態で、ビームウエスト位置がビーム
ウエスト位置調整範囲の最遠点となるように設定されて
いる。

【００２５】ビームウエスト位置調整用の調整レンズ２
０５と調整レンズ２０６との間の間隔を適当に定めるこ
とにより、対象物１０上に測定照明光束のビームウエス
トが来るように調整することができる。種々の調整が終
了した時点で、光源１、周波数シフター１０８、１０９
及び対象物１０はすべて共役関係を形成する。対象物１
０上の２次元回折パターン１２は市松格子より形成され
る。この市松格子はＸ方向及びＹ方向に、それぞれ等し
いピッチｄを持つ。対象物１０上の市松格子に入射した
４本の測定用照明光束は、この市松格子により反射し、
回折する。今、第１平面位置測定用照明光束１１４のみ
に注目すると、入射角θと１次光回折光のＸ方向の回折
角θｘ及びＹ方向の回折角θｙとの関係は次式で与えら
れる。

【００２６】 ｓｉｎθｘ＝±λ／ｄ （１） ｓｉｎθｙ＝ｓｉｎθ±λ／ｄ （２） （１）式及び（２）式を満たす第１平面位置測定用照明
光束の正反射光（回折０次光）、回折１次光のマッピン
グを、図５及び図６に示す。（２次以上の高次に関して
は省略してある。） 図５は対象物１０上の２次元パターン１２に第１平面位
置測定用照明光束１１４が、２次元パターン１２の法線
１２Ｔに対して角度θで入射した状態を示す。図６は対
象物１０上の２次元パターン１２に４本の測定用照明光
束１１４〜１１７が入射した状態を示す。図７及び図８
に示すように、第１平面位置測定用照明光束１１４、第
２平面位置測定用照明光束１１６、第１法線方向測定用
照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７
は、対象物面法線を軸とし互いに僅かな角度＋α回転さ
せた方向から入射されているので、それぞれの０次光、
回折１次光は、他の測定用照明光束の０次光、回折１次
光と重ならずに、分離して単独に取り出すことが可能で
ある。

【００２７】また入射角に関しては、図８に示すよう
に、第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位
置測定用照明光束１１６は入射角θ１で、第１法線方向
測定用照明光束１１５は入射角θ２で、第２法線方向測
定用照明光束１１７は入射角θ３で、それぞれ対象物１
０上の２次元回折パターン１２に照射される。図９は、
第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測
定用照明光束１１６の０次光及び回折１次光と第１法線
方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明
光束１１７の０次光のマッピングである。本発明の実施
の形態においては、図５、図６及び図９に示すように、
回折光マッピングが反射回折となっているため、Ｘ軸の
正方向は図中で左方向であり、Ｙ軸の正方向は図中で下
方向であって、一般の座標系とは異なっている。

【００２８】受光光学系４００は、図１０、図１１及び
図１９に示すように、前記２次元パターン上の反射点か
ら拡がる回折光を受光するように配置される。しかし、
電子ビーム描画装置やステッパなどでは描画光学系や投
影光学系などの装置の部材７１０がスペースの大半を占
めており、受光光学系のためのスペースは限られること
が多い。従って、受光光学系全体の大きさを決める回折
角が小さくでき、かつ受光部での各回折光の分岐、重ね
合わせが容易になるよう互いに適度な間隔が保たれてい
る配置が要求される。また、照射光学系側も受光光学系
側と同様に、装置の部材によりそのスペースは限られて
いる。受光光学系側で０次光のＹ方向回折角は入射角と
同じくθである。１次回折光のＹ方向回折角θｙについ
て（２）式を参照すると、複合のマイナスの式を満たす
θｙはθよりも小さい値になる。つまり、−１次回折光
は０次光に対し描画光学系や投影光学系など装置の部材
側に現れるため、それらの部材により遮られる傾向があ
る。

【００２９】この場合には、受光光学系側と照射光学系
側での光束の通過位置は非対称となり、−１次光が装置
本来の部材に遮られないように設定すると、入射側によ
り入射角θを大きくとりデットゾーンを設けることとな
る。また、入射角θを大きくすると反射回折光の各偏光
成分（Ｓ偏光、Ｐ偏光）の回折効率の差も大きくなり、
受光部での重ね合わせ干渉性に影響を及ぼす。ところが
（２）式の複合のプラスの式を満たすθｙはθよりも大
きく、＋１次回折光は０次光に対し対象物側に現れる。
したがって０次光が部材に遮られていなければ、＋１次
光も装置の部材７１０にさえぎられることは無い。よっ
て＋１次光を用いれば入射角θは部材に遮られない範囲
で最小の値にでき、偏光成分による回折効率の差を小さ
くできる。

【００３０】（２）式の複合のプラスの式と（１）式を
同時に満たす１次回折光は、Ｘ方向に＋１次、Ｙ方向に
＋１次の回折光とＸ方向に−１次、Ｙ方向に＋１次の回
折光である。これらは互いに隣り合う象限（（Ｘ、Ｙ）
象限及び（−Ｘ、Ｙ）象限）に含まれており、これらの
光線を用いることで受光側光学系の省スペース化にも貢
献できる。図１４は、位置合わせマークで回折された回
折光のうち、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の測定に用いる回折光マッ
ピングを示す。ここで、ｆ１（０）は第１平面位置測定
用照明光束１１４が位置合わせマークで回折されたあと
の０次の回折光であり、ｆ２（０）は第２平面位置測定
用照明光束１１６が位置合わせマークで回折されたあと
の０次の回折光である。

【００３１】ｆ１（Ｘ，Ｙ）は第１平面位置測定用照明
光束１１４が位置合わせマークで回折されたあとのＸ方
向が＋１次でＹ方向が＋１次の回折光である。ｆ１（−
Ｘ，Ｙ）は第１平面位置測定用照明光束１１４が位置合
わせマークで回折されたあとのＸ方向が−１次でＹ方向
が＋１次の回折光である。ｆ２（Ｘ，Ｙ）は第２平面位
置測定用照明光束１１６が位置合わせマークで回折され
たあとのＸ方向が＋１次でＹ方向が＋１次の回折光であ
る。ｆ２（−Ｘ，Ｙ）は第２平面位置測定用照明光束１
１６が位置合わせマークで回折されたあとのＸ方向が−
１次でＹ方向が＋１次の回折光である。ｆ１’（０）は
第１法線方向測定用照明光束１１５が位置合わせマーク
で回折されたあとの０次の回折光である。

【００３２】ｆ２’（０）は第２法線方向測定用照明光
束１１７が位置合わせマークで回折されたあとの０次の
回折光である。受光光学系を小さくするためのもう一つ
の方法は、対物レンズ４１０の径を小さくすることであ
る。レンズ径を小さくするためには、０次光と１次光の
回折角の差を小さくすればよい。回折角の差を小さくす
る方法として、（１）式、（２）式より２次元回折パタ
ーンのピッチを大きくする、または光源波長λを小さく
することが挙げられる。通常回折パターンのピッチは数
μｍ〜数十μｍ程度である。このときλ＝６３３ｎｍの
Ｈｅ−Ｎｅレーザー光源を用いると、回折角を十分小さ
くすることができる。また対象物面上にはレジストが塗
布されていることが多いが、この波長はレジストを感光
しない程度に十分長い波長である。

【００３３】さらに対物レンズ４０１の光軸と対象物の
法線との成す角βを、第１照明光束の０次光と対象物の
法線との成す角をθ、第１照明光束の＋１次回折光のＹ
方向の回折角をθｙとして次式で与えられるようにす
る。 β＝（θ＋θｙ）／２ これは０次光と回折１次光の中間の角度で、この光軸を
取ることにより対象物から遠い位置に配置しても、レン
ズ径を小さくできる。また対象物上の反射点から対物レ
ンズまでの距離が長いほど各回折光の間隔が広くなり、
受光部での各回折光の分岐、重ね合わせ干渉が容易にな
るという利点もある。図１０は、投光光学系及び受光光
学系の例で、波長λ＝６３３ｎｍ、第１平面位置測定用
照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１６
の入射角θ＝７０°、回折格子ピッチｄ＝２０μｍ、照
射レンズ３０３の焦点距離は１３３ｍｍ、受光側対物レ
ンズの焦点距離は２２０ｍｍである。

【００３４】照射レンズ３０３に入射する４本の照明光
束は互いに平行で間隔が３ｍｍであるから、この間隔は
受光側対物レンズ４０１を通過した後に約５ｍｍとな
る。また、１次光の回折角に関しては、（１）式及び
（２）式を用いて、θｘ＝１．８°、θｙ＝７６．２５
°となる。受光側対物レンズ４０１の光軸の角度βは７
３°で、このときレンズ径はφ４０ｍｍとなり、４本の
照明光束を部材７１０に衝突することなく透過させるこ
とができる。受光側対物レンズ４０１は、対象物１０上
の反射点から１焦点距離分の位置に配置され、対象物１
０上の反射点から拡がる多数の反射回折光を互いに平行
にする役割を担う。受光側対物レンズ４０１により互い
に平行にされた各回折光は、折り返しミラー４０２、４
０３により受光部に導かれ、さらに折り返しミラー４０
４、４０５により、０次光及び１次光は同一平面内に納
められる。

【００３５】次に、受光部５００の構成の詳細を図１２
に示す。受光部は前記受光光学系４００で受光した回折
光の内で、隣り合う象限、ここでは（＋Ｘ、＋Ｙ）象限
及び（−Ｘ、＋Ｙ）象限に含まれる第１平面位置測定用
照明光束１１４と第２平面位置測定用照明光束１１６の
前記２次元パターンによる高次回折光と０次光の組み合
わせ及び高次回折光同士の組合せのいずれか一つの異な
る周波数の回折光の組み合わせから、対象物を含む平面
内での位置測定用干渉測定信号を形成する。対象物を含
む平面内のＸ方向の位置測定用干渉測定信号は、第１平
面位置測定用照明光束１１４の前記２次元パターンによ
る回折光の内で、Ｘ方向に−１次、Ｙ方向に＋１次の回
折光５１２と、第２平面位置測定用照明光束１１６の前
記２次元パターンによる回折光の内、Ｘ方向に＋１次、
Ｙ方向に＋１次の回折光５１４をビームスプリッター５
３０で重ね合わせて形成する。Ｘ位置測定用干渉信号を
フォトセンサ５５０で受光する。

【００３６】対象物を含む平面内のＹ方向の位置測定用
干渉測定信号は、第１平面位置測定用照明光束１１４の
前記２次元パターンによる回折光の内で、Ｘ方向に＋１
次、Ｙ方向に＋１次の回折光５１１と、ビームスプリッ
ター５３１で第２平面位置測定用照明光束１１６の０次
光５１３から分岐された光線を、ビームスプリッター５
３２で重ね合わせ形成する。Ｙ位置測定用干渉測定信号
はフォトセンサ５５１で受光する。対象物を含む平面の
法線方向、即ちＺ方向を照射角度θ２で照射した際に得
られる第１Ｚ方向位置測定用干渉測定信号は、第２平面
位置測定用照明光束１１６の０次光５１３からビームス
プリッター５３３で分岐された光線と、第１法線方向測
定用照明光束１１５の０次光５１７をビームスプリッタ
ー５３４で重ね合わせ形成する。Ｚ位置測定用干渉信号
はフォトセンサ５５２で受光する。

【００３７】対象物を含む平面の法線方向、即ちＺ方向
を照射角度θ３で照射した際に得られる第２Ｚ方向位置
測定用干渉測定信号は、第１平面位置測定用照明光束１
１６の０次光５１０からビームスプリッター５３５で分
岐された光線と、第２法線方向測定用照明光束１１５の
０次光５１６をビームスプリッター５３６で重ね合わせ
て形成する。Ｚ位置測定用干渉信号はフォトセンサ５５
３で受光する。受光部ではさらに、第１平面位置測定用
照明光束１１４の０次光５１０と第２平面位置測定用照
明光束の０次光５１３をミラー５３７を介してビームス
プリッター５３８で重ね合わせて、Ｘ位置測定用干渉基
準信号兼Ｚ位置測定用基準信号を形成する。Ｘ位置測定
用干渉基準信号兼Ｚ位置測定用干渉基準信号は、フォト
センサ５５４で受光する。

【００３８】また、第１平面位置測定用照明光束１１４
の０次光５１０からビームスプリッター５３９で分岐さ
れた光線と、第２平面位置測定用照明光束１１６の２次
元パターンによる回折光の内で、Ｘ方向に−１次、Ｙ方
向に＋１次の回折光５１５をビームスプリッター５４０
で重ね合わせ、Ｙ位置測定用干渉基準信号を形成する。
Ｙ位置測定用干渉基準信はフォトセンサ５５５で受光す
る。各干渉測定信号及び干渉基準信号は僅かに異なる周
波数のを持つ二つの光線の重ね合わせ干渉、即ちヘテロ
ダイン干渉によるうなり（ビート信号）である。第１平
面位置測定用照明光束及び第１法線方向測定用照明光束
（両者を以下「第１測定光束」という）の周波数をｆ
１、第２平面位置測定用照明光束及び第２法線方向測定
用照明光束の周波数（両者を以下「第２測定光束」とい
う）をｆ２とする。

【００３９】各光束の２次元回折パターンによる多数の
回折光の内、ある回折光の複素振幅を、それぞれ、 ａ１＝Ａ１＊ｅｘｐ［−ｉ（２πｆ１ｔ＋φ１）］ ａ２＝Ａ２＊ｅｘｐ［−ｉ（２πｆ２ｔ＋φ２）］ で表すとする。ただしφ１は第１照明光束の初期位相、
φ２は第２照明光束の初期位相、ｔは時間である。これ
らの光線を重ね合わせた強度信号は、 I ＝Ａ１＊Ａ１＋Ａ２＊Ａ２＋２Ａ１＊Ａ２＊ｃｏｓ
［２πΔｆｔ＋（φ１−φ２）］ となる。ただしΔｆ＝ｆ１−ｆ２である。

【００４０】これは周波数がΔｆのビート信号で、その
位相成分は、 φ１−φ２ （３） である。第１照明光束または第２照明光束の対象物上の
２次元パターンによる多数の高次回折光の内、Ｘ方向に
＋１次、Ｙ方向に＋１次の回折光に注目する。２次元回
折パターンを含む対象物がＸ方向にΔＸ、Ｙ方向にΔＹ
変位したときこの回折光の位相は、第１照明光束及び第
２照明光束のいずれの場合においても、 ２π（ΔＸ＋ΔＹ）／ｄ＝φｘ＋φｙ だけ変化する。ここでｄは２次元回折パターンのピッチ
である。また対象物のＺ方向の移動に対しても位相は変
化するので、その値をφｚとする。

【００４１】したがって、対象物がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ
方向に変化したときの、この回折光の位相変化量は、 φｘ＋φｙ＋φｚ （４） である。Ｘ方向に−１次、Ｙ方向に＋１次の回折光の場
合はφｘの符号が変わり、対象物のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ
方向の変位に対する位相変化量は、 −φｘ＋φｙ＋φｚ （５） となる。０次光は対象物のＸ方向、Ｙ方向の変位に対し
ては位相は変化せず、Ｚ方向の変位に対してのみ位相変
化する。ただし、第１照明光束及び第２照明光束のうち
法線方向測定用照明光束は、入射角の違いから対象物の
Ｚ方向の変位ΔＺ対しての位相変化量が異なる。

【００４２】対象物のＺ方向の変位に対する第１照明光
束の位相変化量φｚ及び対象物のＺ方向の変位に対する
第２照明光束の位相変化量φｚ’は、 φｚ ＝４πΔＺ／λ＊ｃｏｓθ１ （６） φｚ’＝４πΔＺ／λ＊ｃｏｓθ２ （７） で与えられる。Ｘ位置測定用干渉測定信号の位相成分
は、（３）式のφ１に（４）式を代入し、φ２に（５）
式を代入して、 （φｘ＋φｙ＋φｚ）−（−φｘ＋φｙ＋φｚ）＝２φｘ （８） となる。Ｘ位置測定用干渉基準信号の位相成分は、
（３）式のφ１、φ２に（６）式を代入して、 φｚ−φｚ＝０ （９） となる。

【００４３】したがって、Ｘ位置測定用干渉測定信号の
（８）式とＸ位置測定用干渉基準信号の（９）式はＹ方
向の位置情報を等しく含み（この場合０）、（８）式と
（９）式の差をとれば２φｘとして、対象物を含む平面
内のＸ方向の位置情報が得られる。Ｙ位置測定用干渉測
定信号の位相成分は、（４）式及び（６）式より、 （φｘ＋φｙ＋φｚ）−φｚ＝φｘ＋φｙ (１０） である。Ｙ位置測定用干渉基準信号の位相成分は、
（５）式及び（６）式より、 φｚ−（−φｘ＋φｙ＋φｚ) ＝φｘ−φｙ （１１） である。

【００４４】したがって、Ｙ位置測定用干渉測定信号の
（９）式とＹ位置測定用干渉基準信号の（１０）式は、
Ｘ方向の位置情報を等しく含み、（９）式と（１０）式
の差をとれば２φｙとして、対象物を含む平面内のＹ方
向の位置情報が得られる。また、第１Ｚ位置測定用干渉
測定信号の位相成分は、（６）式及び（７）式より、 φｚ’−φｚ＝４π（ｃｏｓθ２−ｃｏｓθ１）／λ＊ΔＺ (１２） となり、また、第２Ｚ位置測定用干渉測定信号の位相成
分は、（６）式及び（７）式より、 φｚ’−φｚ＝４π（ｃｏｓθ３−ｃｏｓθ１）／λ＊ΔＺ (１３） となり、これはΔＺに比例した値である。

【００４５】Ｚ位置測定用干渉基準信号（兼Ｘ位置測定
用干渉基準信号）の位相成分は、式(９）より０であ
る。したがって、 (１２）式と (９）式の差をとれば、
Ｚ方向 (対象物を含む平面の法線方向）の位置情報がそ
のまま (１２）式として得られる。第１Ｚ位置測定用干
渉信号とＺ位置測定用干渉基準信号との位相差Φｚ１
（ΔＺ）及び第２Ｚ位置測定用干渉信号とＺ位置測定用
干渉基準信号との位相差Φｚ２（ΔＺ）は、（１２）式
及び（１３）式より、それぞれ、 Φｚ１（ΔＺ）＝４π（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ２）／λ
＊ΔＺ Φｚ２（ΔＺ）＝４π（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ３）／λ
＊ΔＺ で与えられる。ここでは、Ｚ位置測定用干渉基準信号か
らＺ位置測定用干渉信号を引くこととする（つまり括弧
の中の符号が反転する）。

【００４６】いま、第１Ｚ位置測定用干渉信号の検出ス
トロークをＺ１、第２Ｚ位置測定用干渉信号の検出スト
ロークをＺ２とする（Ｚ１＞Ｚ２）。 ΔＺ＝Ｚ１で、Φｚ１（ΔＺ）＝２π、 ΔＺ＝Ｚ２で、Φｚ２（ΔＺ）＝２π となるから、 Φｚ１（ΔＺ）＝２π／Ｚ１＊ΔＺ （ａ） Φｚ２（ΔＺ）＝２π／Ｚ２＊ΔＺ （ｂ） と表せられる。図１３の左側の波形中、実線は（ａ）式
の信号を示し、点線は（ｂ）式の信号を示している。Φ
ｚ２（ΔＺ）とΦｚ１（ΔＺ）の差、つまり（ｂ）式と
（ａ）式の差をとると、 ΔΦ（ΔＺ）＝２π（１／Ｚ２−１／Ｚ１）＊ΔＺ ＝２π（Ｚ１−Ｚ２）／（Ｚ１＊Ｚ２）＊ΔＺ （ｃ） となる。

【００４７】（ａ）式、（ｂ）式と（ｃ）式の形を見比
べると、（ｃ）式は検出ストロークがＺ１＊Ｚ２／（Ｚ
１−Ｚ２）のＺ位置測定用干渉信号を表していると考え
ることができる。この（ｃ）式の信号は、図１３右側の
波形として示してある。式よりθ２＝７０．３９°、θ
３＝７０．４８°とすれば、Ｚ１＝ ５０μｍ、Ｚ２＝
４０μｍとなる。これらを（ｃ）式に代入すると、 ΔΦ（ΔＺ）＝２π／２００μｍ＊ΔＺ となる。したがってストロークが２００μｍのＺ位置測
定用干渉信号が得られる。このときサンプル数は、スト
ロークが５０μｍで分解能が２５ｎｍのときの２０００
に等しい。つまり、分解能が２５ｎｍ、サンプル数２０
００のまま検出ストローク、すなわち検出可能な範囲を
２００μｍに拡大することができる。

【００４８】いま、各方向の位置測定用干渉基準信号を
便宜上、Ｘ方向が式（９）式、Ｙ方向が（１１）式、Ｚ
方向が（９）式としたが、これをＸ方向が（８）式、Ｙ
方向が（１０）式、Ｚ方向が（１２）式としても符号が
反転するだけで、各方向の位置情報を得ることができ
る。（１３）式より、所望のＺ検出ストロークを得るた
めの第１法線方向測定照明光束の入射角θ２が求まる。
例えば、（１２）式において５０μｍの検出ストローク
が得たい場合、左辺に２π、右辺のΔＺに５０μｍを代
入する。ただし、θ２の値はθ１よりも大きく、つま
り、第１照明光束よりも対象物側にとりたいので、第２
Ｚ位置測定用干渉基準信号から第１Ｚ位置測定用干渉基
準信号を引くと、 ２π＝４π（ｃｏｓ７０°−ｃｏｓθ２）／６３３ｎｍ
×５０μｍ これより、θ２＝７０．３９°を得る。

【００４９】信号処理部６００は、位置測定用干渉測定
信号の位相に基づき対象物を含む平面内及び対象物を含
む平面の法線方向の位置を求める。Ｘ方向の位置測定用
干渉測定信号はフォトセンサ５５０で受光し、Ｘ位置測
定用干渉基準信号はフォトセンサ５５４で受光する。フ
ォトセンサ５５０とフォトセンサ５５４で受光した信号
の位相差を位相計６１０で測定する。Ｙ位置測定用干渉
測定信号はフォトセンサ５５１で受光し、Ｙ位置測定用
干渉基準信号はフォトセンサ５５５で受光する。フォト
センサ５５１とフォトセンサ５５５で受光した信号との
位相差を位相計６１１で測定する。第１Ｚ方向位置測定
用干渉測定信号は、フォトセンサ５５２で受光し、Ｚ位
置測定用基準信号はフォトセンサ５５４で受光する。

【００５０】フォトセンサ５５２で受光した信号とフォ
トセンサ５５４で受光した信号との位相差を位相計６１
２で測定する。第２Ｚ方向位置測定用信号は、フォトセ
ンサ５５３で受光し、Ｚ方向位置測定用基準信号はフォ
トセンサ５５４で受光する。フォトセンサ５５３で受光
した信号とフォトセンサ５５４で受光した信号との位相
差を位相計６１３で測定する。演算処理部６２０は、位
相計６１０の位相差に基づき対象物を含む平面内のＸ方
向の位置を求め、位相計６１１の位相差に基づき対象物
を含む平面内のＹ方向の位置を求め、そして、位相計６
１２及び６１３の位相差に基づき対象物を含む平面内の
Ｚ方向の位置を求める。演算処理部６２０で、対象物の
ＸＹＺ変位に対し、各方向の変位成分を独立に測定する
ことが可能となり、これにより、対象物の位置合わせを
初めとする種々の制御を行うことができる。 〔４〕 本発明の位置測定装置の適用 本発明の位置測定装置は、例えば、電子線描画装置のよ
うな荷電粒子線装置、及び、半導体露光装置などの対象
物の位置合わせを正確に行うことを必要とする装置に適
用することができる。

【００５１】ここで、電子線描画装置を一例にとって説
明する。図１５を参照すると、電子線描画装置は、電子
線を発生する電子銃、電子ビームの向きを変更するＸ方
向走査電極及びＹ方向走査電極などを内蔵した電子光学
系７３０と、使用の際において真空状態とされるチャン
バー内に配置される描画対象物７３２を載置可能とし、
その水平面内のＸ、Ｙ方向及び法線方向であるＺ方向に
移動可能とするステージ７３４とを備える。そして、本
発明の位置測定装置の照明光学系１００、補正光学系２
００及び照射光学系３００を含む照明側光学筐体７４０
と、受光光学系４００を含む受光側光学筐体７４２をス
テージ７３４の両側に配置する。照明側光学筐体７４０
及び受光側光学筐体７４２は、電子光学系７３０等の電
子線描画装置の各構成部品の取付け位置及びそれらの最
大作動範囲をさけるように配置されている。そして、照
明側光学筐体７４０から照射して受光側光学筐体７４２
に入射される光束が、電子光学系７３０等の電子線描画
装置の各構成部品の取付け位置及びそれらの最大作動範
囲をさけて透過することができるように、照明側光学筐
体７４０及び受光側光学筐体７４２は配置されている。

【００５２】電子線描画装置は、制御回路からの種々の
信号に応じて、電子光学系及びステージが所定の動作を
行い描画対象物となるマスクやウエハなどに所定のパタ
ーンを電子線によって形成するものである。具体的に
は、本発明の位置測定装置を適用した電子線描画装置に
より、エンコーダのパターン、位相シフトマスク等の半
導体製造用マスクを加工することができる。また、本発
明の位置測定装置を適用した半導体露光装置により、半
導体ウェハ、半導体製造用マスクを加工することができ
る。

【００５３】

【発明の効果】

（１）本発明によれば、照明光学系から受け取った複数
の測定用照明光束を、平行移動させるための光束シフト
部及び複数の測定用照明光束のビームウエスト位置を変
更するビームウエスト位置変更部を配置した補正光学系
を設けることにより、複数の測定用照明光束を位置合わ
せ用パターンに適切に照射し、かつそのビームウエスト
位置が測定用パターン位置と一致する様な条件で照射す
るように測定照明光束を調整することができる。 （２）本発明により、小型で高性能な位置測定装置を適
用した半導体露光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の位置測定装置の実施の形態の光学系を
示す概略図である。

【図２】本発明の位置測定装置の実施の形態の調整光学
系及び照射光学系を示す斜視図である。

【図３】本発明の位置測定装置の実施の形態の調整光学
系及び照射光学系を示す平面図である。

【図４】本発明の位置測定装置の実施の形態の調整光学
系及び照射光学系を示す側面図である。

【図５】本発明の位置測定装置の実施の形態における対
象物上の２次元回折パターンによる第１平面位置測定用
照明光束の回折光マッピングである。

【図６】本発明の位置測定装置の実施の形態における対
象物上の２次元回折パターンに測定用照明光束が入射し
た状態を示す斜視図である。

【図７】本発明の位置測定装置の実施の形態における対
象物上の２次元回折パターンに測定用照明光束が入射し
た状態を示す平面図である。

【図８】本発明の位置測定装置の実施の形態における対
象物上の２次元回折パターンに測定用照明光束が入射し
た状態を示す側面図である。

【図９】本発明の位置測定装置の実施の形態における対
象物上の２次元回折パターンによる平面位置測定用照明
光束と法線方向測定用照明光束の回折光マッピングであ
る。

【図１０】本発明の位置測定装置の実施の形態における
平面位置測定用照明光束と法線方向測定用照明光束及び
その回折光との装置部材との位置関係を示す側面図であ
る。

【図１１】本発明の位置測定装置の実施の形態における
平面位置測定用照明光束と法線方向測定用照明光束及び
その回折光との装置部材との位置関係を示す平面図であ
る。

【図１２】本発明の位置測定装置の実施の形態の受光光
学系の構成を示す概略ブロック線図である。

【図１３】本発明の位置測定装置の実施の形態の信号波
形図である。

【図１４】本発明の位置測定装置の実施の形態における
位置合わせマークで回折された回折光のうち、Ｘ、Ｙ、
Ｚ方向の測定に用いる回折光マッピングである。

【図１５】本発明の位置測定装置を適用した電子線描画
装置の実施の形態の概略部分断面図である。

【図１６】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１の
照明光学系の部分の部分拡大図である。

【図１７】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１の
対象物の部分の部分拡大図である。

【図１８】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１の
受光光学系の部分の部分拡大図である。

【図１９】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１１
の対象物の部分の部分拡大図である。

【符号の説明】

１ 光源 １０ 対象物 １２ ２次元回折パターン １００ 照明光学系 １０２ リレーレンズ １０３ ビームスプリッター １０４ 第１照明光束 １０５ 第２照明光束 １０６、１０７ リレーレンズ １０８ 第１周波数シフター １０９ 第２周波数シフター １１０ 第１測定用照明光束 １１１ 第２測定用照明光束 １１２、１１３ ビームスプリッター １１４ 第１平面位置測定用照明光束 １１５ 第１法線方向測定用照明光束 １１６ 第２平面位置測定用照明光束 １１７ 第２法線方向測定用照明光束 ２００ 補正光学系 ２０１、２０２ 平行平面板 ２０３、２０４ ウエッジプリズム ２０５、２０６ フォーカスレンズ ３００ 照射光学系 ３０１、３０２ 折り返しミラー ３０３ 照射レンズ ４００ 受光光学系 ４０１ 受光側対物レンズ ４０２〜４０５ 折り返しミラー ５００ 受光部 ５１２ 第１平面位置測定用照明光束の（−１、＋１）
次回折光 ５１４ 第２平面位置測定用照明光束の（＋１、＋１）
次回折光 ５１５ 第２平面位置測定用照明光束の（−１、＋１）
次回折光 ５１１ 第１平面位置測定用照明光束の（＋１、＋１）
次回折光 ５１０ 第１平面位置測定用照明光束の０次光 ５１３ 第２平面位置測定用照明光束の０次光 ５１７ 第１法線方向測定用照明光束の０次光 ５１６ 第２法線方向測定用照明光束の０次光 ５５０〜５５５ フォトセンサ ６００ 信号処理部 ６１０ 位相計（Ｘ） ６１１ 位相計（Ｙ） ６１２ 位相計（Ｚ１） ６１３ 位相計（Ｚ２） ６２０ 演算処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 等 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社ト プコン内 (72)発明者 阿部 和夫 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社ト プコン内 (72)発明者 東條 徹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 平野 亮一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コヒーレント光束を発する光源部から
   の光束を複数の測定用照明光束に分離する光束分割部と
   を有し、該複数の測定用照明光束を平行となるようにす
   る照明光学系と、 前記照明光学系から受け取った前記複数の測定用照明光
   束を平行となるようにする部分を有し、この平行となっ
   た部分において、前記複数の測定用照明光束を平行移動
   させるための光束シフト部及び複数の測定用照明光束の
   ビームウエスト位置を変更するビームウエスト位置変更
   部を配置した補正光学系と、 前記複数の測定用照明光束を、位置の測定をすべき対象
   物に設けられている位置合わせ用パターンに照射する照
   射光学系と、 前記照射光学系によって前記複数の測定用照明光束で照
   射された位置合わせ用パターンからの回折光を受光する
   受光光学系と、 前記受光光学系で受光した回折光を受光し測定用干渉信
   号を形成する受光部と、 測定用干渉信号の位相に基づき対象物の位置の測定を行
   う信号処理部と、を有することを特徴とする位置測定装
   置。
2. 【請求項２】 前記光束シフト部は、互いに光軸周り
   に回動可能に設けられた少なくとも一対のプリズムを備
   え、そのプリズムの交叉角度を変更することにより照射
   位置の移動距離を調整し、そのプリズムの交叉角度の２
   等分線方向を変えることにより測定用照明光束の照射位
   置の移動方向を調整するように構成されていることを特
   徴とする、請求項１に記載の位置測定装置。
3. 【請求項３】 前記ビームウエスト位置変更部は、少
   なくとも凸レンズ及び凹レンズを有し、前記凸レンズと
   凹レンズとの間の間隔を変えることにより、前記複数の
   測定用照明光束のビームウエスト位置を変化させるよう
   に構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の
   位置測定装置。
4. 【請求項４】 前記照明光学系は、第１入射角度で照
   射される第１測定用照明光束及び第２測定用照明光束
   と、第１入射角度とは異なる第２入射角度で照射される
   第３測定用照明光束とを形成し、 これらの第１測定用照明光束、第２測定用照明光束及び
   第３測定用照明光束を受け取る前記補正光学系は、その
   光軸を挟んで前記第１測定用照明光束及び第２測定用照
   明光束を配置し、前記第３測定用照明光束をこれらより
   も周辺位置に配置し、前記補正光学系での第３測定用照
   明光束の光路中に、その第３測定用照明光束が前記２次
   元パターンに照射する入射角度を変化するように光軸と
   直交方向に回転軸を有する平行平面板が配置されている
   ことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１
   項に記載の位置測定装置。
5. 【請求項５】 前記照明光学系は、前記光源部の発す
   るコヒーレント光束から第１周波数の第１測定用照明光
   束、及び、この第１周波数と周波数が異なる第２周波数
   の第２測定用照明光束を形成する周波数シフターと、こ
   の第１測定用照明光束を分離して第１平面位置測定用光
   束及び第１法線方向測定用照明光束を形成し、第２測定
   用照明光束を分離して第２平面位置測定用光束及び第２
   法線方向測定用照明光束を形成する光束分離部を備え、 前記照射光学系は、位置合わせ用パターンとして２次元
   パターンを照射するものであり、 前記受光光学系は、第１測定用照明光束と第２測定用照
   明光束の前記２次元パターンによる高次回折光と０次回
   折光の組み合わせ及び高次回折光同士の組み合わせのい
   ずれか一つの周波数が異なる回折光の組み合わせを受け
   取るように構成され、 前記受光部は、第１測定用照明光束と第２測定用照明光
   束の前記２次元パターンによる高次回折光と０次回折光
   の組み合わせ及び高次回折光同士の組み合わせのいずれ
   か一つの周波数が異なる回折光の組み合わせから前記対
   象物の２次元パターンを設けた平面内での位置測定を行
   う平面位置測定用干渉信号を形成し、第１測定用照明光
   束又は第２測定用照明光束の０次回折光と前記第３測定
   用照明光束の０次回折光との組合せから前記対象物の法
   線方向の位置測定を行う法線方向位置測定用干渉信号を
   形成するように構成され、 前記信号処理部は、前記平面位置測定用干渉信号の位相
   に基づき対象物の平面方向の位置測定を行い、法線方向
   測定用干渉信号の位相に基づき対象物の法線方向の位置
   測定を行うように構成されていることを特徴とする、請
   求項４に記載の位置測定装置。
6. 【請求項６】 電子線描画装置において、 該電子線描画装置の構成部品の取付け位置及びそれらの
   最大作動範囲をさけるように配置されている、請求項１
   から請求項５のいずれか１項に記載の位置測定装置を備
   え、 前記位置測定装置は対象物の位置を測定するための位置
   測定用光束を照射するための照明側光学部材と、前記対
   象物からの反射回折光を受光して前記対象物の位置を測
   定するための受光側光学部材とを有し、 前記照明側光学部材から照射して前記受光側光学部材に
   入射される光束が、前記電子線描画装置の構成部品の取
   付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけて透過するこ
   とができるように、前記照明側光学部材及び前記受光側
   光学部材が前記電子線描画装置に配置されていることを
   特徴とする電子線描画装置。