(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を第１偏光と第２偏光とに分割するための光分割面を有する光学素子を備え、第１の反射鏡までの光路を往復した前記第１偏光と第２の反射鏡までの光路を往復した前記第２偏光との干渉に基づいて前記第１および第２の反射鏡間の相対変位を検出する干渉計において、
前記光分割面を透過すべき偏光成分のうち前記光分割面で反射される漏れ光および前記光分割面で反射されるべき偏光成分のうち前記光分割面を透過する漏れ光を小さくするために、前記光分割面に対する前記入射光の入射角度を調整するための調整手段を備えていることを特徴とする干渉計。
【請求項２】
前記調整手段は、前記光分割面内において前記入射光にほぼ垂直な軸線回りに前記光学素子を回転させて、前記光分割面における漏れ光を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記光学素子は偏光ビームスプリッターであり、
前記第１および第２の反射鏡間の相対変位は、前記第１の反射鏡までの光路を２回往復した前記第１偏光と前記第２の反射鏡までの光路を２回往復した前記第２偏光との干渉に基づいて検出され、
前記調整手段は、前記偏光ビームスプリッターの光分割面を透過すべき偏光成分に対する反射率をＲp とし、前記偏光ビームスプリッターの光分割面を透過すべき偏光成分に対する透過率をＴp とし、前記入射光の波長をλとし、前記干渉計の許容測長誤差の大きさをεとしたとき、
Ｒp ／Ｔp ≦１６（πε／λ）2
の条件を満足するように調整を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の干渉計を備えていることを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】
光学素子に設けられた光分割面によって入射光を第１偏光と第２偏光とに分割し、第１の反射鏡までの光路を往復した前記第１偏光と第２の反射鏡までの光路を往復した前記第２偏光との干渉に基づいて前記第１および第２の反射鏡間の相対変位を検出する干渉測長方法において、
前記光分割面に対する前記入射光の入射角度を調整する調整工程を備えていることを特徴とする干渉測長方法。
【請求項６】
前記調整工程は、前記光分割面内において前記入射光にほぼ垂直な軸線回りに前記光学素子を回転させて、前記光分割面における漏れ光を小さくすることを特徴とする請求項５に記載の干渉測長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は干渉計に関し、特に測長用のレーザ干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子製造用の投影露光装置や高精度な工作機械等において、２つの部材間の相対変位を高精度に測定するために、測長用のレーザ干渉計が使用されている。一般に、測長用レーザ干渉計では、固定鏡から戻ってくる参照ビームと移動鏡から戻ってくる測長ビームとを干渉させることによって、移動鏡の変位を測定している。
【０００３】
従来の測長用干渉計として、たとえば特開平５−２３１８１６号公報では、固定鏡側光路と移動鏡側光路との間でガラス部分の光路長を等しくして、温度変動の影響を受けにくいレーザ干渉計を実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の公報に開示の従来の干渉計では、偏光ビームスプリッターの製造誤差等に起因して漏れ光が発生する。漏れ光とは、本来偏光ビームスプリッターを透過（または反射）すべき偏光のうち反射（または透過）される光をいう。漏れ光は、所定の光路を往復することなく直接レシーバー（光検出器）に達し、所定の光路を往復した主ビーム（参照ビームや測長ビーム）と干渉する。その結果、従来の干渉計では、漏れ光に起因する位相ずれが起こり、測長誤差が発生するという不都合があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、偏光ビームスプリッターにおける漏れ光に起因する測長誤差を抑えた高精度な干渉計を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては、入射光を第１偏光と第２偏光とに分割するための光分割面を有する光学素子を備え、移動鏡までの光路を往復した前記第１偏光と固定鏡までの光路を往復した前記第２偏光との干渉に基づいて前記移動鏡の変位を検出する干渉計において、
前記光分割面を透過すべき偏光成分のうち前記光分割面で反射される漏れ光および前記光分割面で反射されるべき偏光成分のうち前記光分割面を透過する漏れ光を小さくするために、前記光分割面に対する前記入射光の入射角度を調整するための調整手段を備えていることを特徴とする干渉計を提供する。
【０００７】
本発明の好ましい態様によれば、前記調整手段は、前記光分割面内において前記入射光にほぼ垂直な軸線回りに前記光学素子を回転させて、前記光分割面における漏れ光を小さく。
また、前記光学素子は偏光ビームスプリッターであり、
前記移動鏡の変位は、移動鏡までの光路を２回往復した前記第１偏光と固定鏡までの光路を２回往復した前記第２偏光との干渉に基づいて検出され、
前記調整手段は、前記偏光ビームスプリッターの光分割面を透過すべき偏光成分に対する反射率をＲp とし、前記偏光ビームスプリッターの光分割面を透過すべき偏光成分に対する透過率をＴp とし、前記入射光の波長をλとし、前記干渉計の許容測長誤差の大きさをεとしたとき、
Ｒp ／Ｔp ≦１６（πε／λ）2 
の条件を満足するように調整を行うのが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、漏れ光に起因する測長誤差の発生について説明する。
角周波数ωを有するｐ偏光成分の大部分は偏光ビームスプリッターを透過して振幅Ａの透過光となり、一部のｐ偏光成分は偏光ビームスプリッターで反射されて振幅αの反射光となる。透過光は、主ビームとして、たとえば移動鏡までの所定光路を往復してレシーバーで受光されるが、反射光は漏れ光として直接レシーバーで受光される。
【０００９】
したがって、レシーバーにおけるｐ偏光成分の合成振幅Ｅp は、次の式（１）で表される。
Ｅp ＝Ａ exp｛ｉ（ωｔ−φ）｝＋α exp（ｉωｔ）          （１）
ここで、
ｔ：時間
φ：移動鏡の移動に依存する位相
ただし、α＜＜Ａである。
【００１０】
次の式（２）乃至（４）で定義されるパラメータα′およびφ′を導入することにより、上述の式（１）を次の式（５）のように変形することができる。
α′＝α／Ａ＜＜１                                            （２）
cos φ′＝（α′＋ cosφ）／（１＋α′2 ＋２α′ cosφ）1/2   （３）
sin φ′＝ sinφ／（１＋α′2 ＋２α′ cosφ）1/2             （４）
【００１１】
【表１】
Ｅp ／Ａ＝ exp（ｉωｔ）｛ exp（−ｉφ）＋α′｝
＝( １＋α′2 ＋２α′cos φ)1/2 exp( ｉωｔ) exp(−ｉφ′) （５）
【００１２】
φとφ′とは値が近似しているので、次の式（６）で定義されるパラメータδ′を導入することにより、次の近似式（７）が成立する。
δ′＝φ′−φ，｜δ′｜＜＜１                            （６）
δ′≒sin(φ′−φ) ＝ sinφ′ cosφ− cosφ′ sinφ      （７）
【００１３】
前述の式（３）および（４）の関係を参照し、さらにα′の２次以降の高次項を無視すると、近似式（７）を次の近似式（８）のように変形することができる。
δ′≒−α′ sinφ／（１＋α′ cosφ）≒−α′ sinφ      （８）
【００１４】
上述の式（８）におけるパラメータφは、移動鏡の移動に伴って変化する量（移動鏡の移動距離の関数）である。したがって、漏れ光と主ビームとの干渉による位相誤差は移動鏡の移動距離によって非線形的に変化し、その結果、非線形な測長誤差の原因になることがわかる。
最大測長誤差Δは、次の式（９）によって表される。
Δ＝δ′max λ／（２π）＝±α′λ／（２π）              （９）
【００１５】
偏光ビームスプリッターの光分割面は薄膜で形成されているので、光分割面への入射光の入射角度を僅かに変化させると偏光ビームスプリッターの偏光特性は大きく変化する。したがって、偏光ビームスプリッターの製造誤差等に起因して漏れ光が発生する場合、入射角を適宜変化させることにより、ｐ偏光に対する反射率Ｒp と透過率Ｔp との比Ｒp ／Ｔp を小さくすることができる。換言すれば、たとえば偏光ビームスプリッター全体を回転調整することにより入射光の入射角度を適宜変化させて、漏れ光をひいては漏れ光に起因する測長誤差を小さくすることができる。
【００１６】
本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例にかかる干渉計の構成を概略的に示す斜視図である。図１の干渉計は、レーザ光源１を備えている。レーザ光源１から射出されたビームは、ハーフミラー２に入射する。そして、ハーフミラー２を透過したビームはｘ方向干渉計に、ハーフミラー２でｙ方向に反射されたビームはｙ方向干渉計にそれぞれ導かれる。
【００１７】
図１に示すように、ｘ方向干渉計とｙ方向干渉計とは基本的に同じ構成を有する。したがって、ｘ方向干渉計とｙ方向干渉計とで基本的に同じ機能を有する要素には同じ参照番号を付した上で、ｘ方向干渉計を構成する要素には参照番号に添字ｘを、ｙ方向干渉計を構成する要素には参照番号に添字ｙをそれぞれ付している。
以下、ｘ方向干渉計に着目して、その構成および動作を説明する。
【００１８】
ｘ方向干渉計に導かれたビームは、偏光ハーフプリズム３ｘに入射する。そして、偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面を透過した光（ｐ偏光）は測長ビームとなり、対応する１／４波長板６ｘを介して、ステージ１１上に設けられた移動鏡１２ｘに入射する。ステージ１１は、図示を省略したステージ駆動手段によりｘ方向およびｙ方向にそれぞれ駆動されるようになっている。そして、移動鏡１２ｘは、ステージ１１のｘ方向移動に伴って移動するｙｚ平面に平行な反射面を有する。因みに、ｙ方向干渉計の移動鏡１２ｙは、ステージ１１のｙ方向移動に伴って移動するｘｚ平面に平行な反射面を有する。
【００１９】
移動鏡１２ｘの反射面で反射された測長ビームは、往路を戻るように、再び１／４波長板６ｘに入射する。１／４波長板６ｘの作用によりｓ偏光となった測長ビームは、偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面で反射され、上述の往復路よりも−ｙ方向に所定距離だけ平行移動された後、対応する１／４波長板６ｘに入射する。こうして、１／４波長板６ｘを介したビームは、移動鏡１２ｘに入射する。
【００２０】
移動鏡１２ｘの反射面で再び反射された測長ビームは、往路を戻るように、再び１／４波長板６ｘに入射する。１／４波長板６ｘの作用により再びｐ偏光となった測長ビームは、偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面を透過した後、コーナーキューブ４ｘに入射する。コーナーキューブ４ｘの作用により図１中上側（＋ｚ方向）に所定距離だけ平行移動されて射出されたビームは、１／２波長板５ｘの作用によってｓ偏光となり、偏光ハーフプリズム３ｘに入射する。こうして、偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面で反射された測長ビームは、光検出器７ｘに達する。
【００２１】
一方、ｘ方向干渉計に導かれたビームのうち偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面で反射された光（ｓ偏光）は参照ビームとなり、コーナーキューブ４ｘに入射する。コーナーキューブ４ｘの作用により図１中上側（＋ｚ方向）に所定距離だけ平行移動されて射出されたビームは、１／２波長板５ｘの作用によってｐ偏光となり、偏光ハーフプリズム３ｘに入射する。
【００２２】
こうして、偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面を透過した参照ビームは、対応する１／４波長板６ｘを介して、測定プローブ１４に取り付けられた固定鏡１３ｘに入射する。測定プローブ１４は、たとえばステージ１１上に載置された基板１５上のパターンを検出する光学系の対物レンズであって、ｘ方向およびｙ方向に固定されている。そして、固定鏡１３ｘは、ｙｚ平面に平行な反射面を有する。因みに、ｙ方向干渉計の固定鏡１３ｙは、ｘｚ平面に平行な反射面を有する。
【００２３】
固定鏡１３ｘの反射面で反射された参照ビームは、往路を戻るように、再び１／４波長板６ｘに入射する。１／４波長板６ｘの作用によりｓ偏光となった参照ビームは、偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面で反射され、上述の往復路よりも＋ｙ方向に所定距離だけ平行移動された後、対応する１／４波長板６ｘに入射する。こうして、１／４波長板６ｘを介したビームは、固定鏡１３ｘに入射する。
【００２４】
固定鏡１３ｘの反射面で再び反射された参照ビームは、往路を戻るように、再び１／４波長板６ｘに入射する。１／４波長板６ｘの作用により再びｐ偏光となった参照ビームは、偏光ハーフプリズム３ｘの光分割面を透過した後、光検出器７ｘに達する。
【００２５】
光検出器７ｘでは、移動鏡１２ｘからの戻り光である測長ビームと固定鏡１３ｘからの戻り光である参照ビームとの干渉により形成された干渉縞（ビート信号）をカウントする。こうして、光検出器７ｘの出力に基づいて、移動鏡１２ｘのｘ方向移動量を、ひいてはステージ１１（基板１５）のｘ方向移動量を測定することができる。
一方、ｙ方向干渉計の光検出器７ｙの出力に基づいて、移動鏡１２ｙのｙ方向移動量を、ひいてはステージ１１（基板１５）のｙ方向移動量を測定することができる。
【００２６】
図２は、図１の偏光ハーフプリズム３の光分割面における漏れ光を小さくするために偏光ハーフプリズム３全体を回転調整した場合の光路図である。なお、図２において、回転調整前の偏光ハーフプリズム３および光路を破線で、回転調整後の偏光ハーフプリズム３および光路を実線でそれぞれ示している。
【００２７】
図２に示すように、偏光ハーフプリズム３を図中反時計回りに回転調整することにより、偏光ハーフプリズム３の光分割面を透過した測長ビームの往路は回転調整前の往路よりも図中上側に移動する。一方、移動鏡１２の反射面で全反射された測長ビームの復路は回転調整前の復路よりも図中下側に移動する。その結果、２本の測長ビームの中心線は測定プローブ１４の中心２１とほぼ交わり、いわゆるアッベの条件がほぼ満足される。
【００２８】
一方、偏光ハーフプリズム３の光分割面で反射された参照ビームの光路は回転調整前の光路から図中反時計回りに回転ずれする。しかしながら、偏光ハーフプリズム３の光分割面で反射された参照ビームは、図２において不図示のコーナーキューブ４の作用により、同一の角度で偏光ハーフプリズム３の光分割面に再入射する。この場合、回転調整後の参照ビームの全体がコーナーキューブ４に入射するように、必要に応じてコーナーキューブ４を平行移動させる必要がある。こうして、回転調整後においても、固定鏡側光路と移動鏡側光路とをｘｙ平面内において重ね、アッベの条件を満足させることができる。
【００２９】
このように、本実施例では、偏光ハーフプリズム３全体を回転調整して、光分割面への入射光の入射角度を適宜変化させることにより、漏れ光をひいては測長誤差を小さくすることができる。
なお、偏光ハーフプリズム３全体を回転調整する場合、光分割面内において入射光にほぼ垂直な軸線回りに偏光ハーフプリズム３を回転移動させるのが好ましい。
【００３０】
次に、前述の式（９）を参照して、偏光ハーフプリズム３の回転基準について検討する。
式（９）において、パラメータα′＝０．１（Ｒp ／Ｔp ＝α′2 ＝０．０１に相当）とし、レーザ光の波長λ＝６３３ｎｍとすると、移動鏡側光路において最大約±１０ｎｍの測長誤差Δが発生することになる。ここで、本実施例の干渉計が所定光路を２往復するダブルパスの干渉計であることを考慮すると、移動鏡側光路における実質的な最大測長誤差Δは約±２．５ｎｍとなる。さらに、固定鏡側光路においても同様に最大測長誤差Δは約±２．５ｎｍとなるので、干渉計の最大測長誤差は約±５ｎｍとなる。
【００３１】
本実施例の干渉計の許容測長誤差の大きさをεとすると、前述の式（９）より次の式（10）に示す関係が成立する必要がある。
λα′／π≦４ε                                          （10）
また、上述の式（10）から、次の式（11）に示す関係が成立する必要がある。
α′2 ＝Ｒp ／Ｔp ≦１６（πε／λ）2                     （11）
上述の式（11）より、許容測長誤差の大きさεを１ｎｍ以下にするには、Ｒp ／Ｔp ≦１／２５００程度になるように、偏光ハーフプリズム３全体を回転調整する必要があることがわかる。
【００３２】
なお、本実施例では、偏光ハーフプリズム全体を回転させることによって、入射光の入射角度を変化させている。しかしながら、偏光ハーフプリズムを回転させることなく、レーザ光源を回転させることによって光分割面への入射光の入射角度を変化させてもよい。この場合、入射光を適宜平行移動させて、アッベの条件をほぼ満足するように構成する必要がある。
【００３３】
【効果】
以上説明したように、本発明の干渉計では、偏光ビームスプリッターの光分割面に対する入射光の入射角度を調整することによって、偏光ビームスプリッターにおける漏れ光を小さくし、その結果漏れ光に起因する測長誤差を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる干渉計の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の偏光ハーフプリズム３の光分割面における漏れ光を小さくするために偏光ハーフプリズム３全体を回転調整した場合の光路図である。
【符号の説明】
１      レーザ光源
２      ハーフミラー
３      偏光ハーフプリズム
４      コーナーキューブ
５      １／２波長板
６      １／４波長板
７      光検出器
１１    ステージ
１２    移動鏡
１３    固定鏡
１４    測定プローブ
１５    基板
【図１】
0003653827.tif 000002
【図２】
0003653827.tif 000003