JPH07248208A

JPH07248208A - 位置合わせ装置

Info

Publication number: JPH07248208A
Application number: JP6040772A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1994-03-11
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】ＬＳＡ方式のアライメント系では位置検出が
困難なウエハに対しても、簡略な構成で高精度に位置合
わせを行う。【構成】ウエハ１８上の回折格子マーク１９Ｘに回折
光Ｌ１(+1)及びＬ２(+1)を照射し、回折格子マーク１９
Ｘからの±１次回折光からなるヘテロダインビームＬＣ
を光電検出器２５Ｃで検出し、光電検出器２５Ｃから出
力されたビート信号ＳＣから包絡線検出系２６により包
絡線信号ＳＣＥを検出し、包絡線信号ＳＣＥの中点の座
標を求めてラフアライメントを行う。その後、位相検出
系１５を用いてビートＳＣの位相を検出してファインの
アライメントを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２光束ヘテロダイン干
渉方式の位置合わせ装置に関し、特に半導体素子又は液
晶表示素子等を製造するための露光装置において感光性
の基板又はマスクの位置合わせを行うアライメント装置
に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子又は液晶表示素子等の
微細パターンを半導体ウエハ又はガラスプレート等の基
板（以下、一例として「ウエハ」を用いる）上に形成す
るために、フォトマスク又はレチクル（以下、一例とし
て「レチクル」を用いる）のパターンをフォトレジスト
が塗布されたウエハ上に転写する露光装置が使用されて
いる。一般に半導体素子等はウエハ上に多数層の回路パ
ターンを積み重ねて形成されるため、露光装置には、ウ
エハ上に既に形成されている回路パターンとこれから露
光するレチクルのパターンとの位置合わせ（アライメン
ト）を高精度に行うためのアライメント装置が設けられ
ている。最近は、ＬＳＩ等の半導体素子等の集積度が益
々高まっており、アライメント装置においても、より高
精度に位置合わせを行うことが求められている。

【０００３】従来のアライメント装置として、例えば特
開平２−２７２３０５号公報、又は特開平２−２８３０
１１号公報において、レーザ・ステップ・アライメント
方式（以下、「ＬＳＡ方式」という）のアライメント系
と、２光束ヘテロダイン干渉方式のアライメント系とを
組み合わせた装置が提案されている。ＬＳＡ方式のアラ
イメント系については、特開昭６０−１３０７４２号公
報でも単独で開示されている。

【０００４】先ず、ＬＳＡ方式のアライメント系では、
図１２に示すように、ウエハ上に計測方向（これをＸ方
向とする）に対して垂直なＹ方向（非計測方向）に所定
ピッチで配列されたドットパターン列からなるウエハマ
ーク（アライメントマーク）４１Ｘと、アライメント系
からウエハ上に照射されたＹ方向に細長いスポット光４
２Ｘとを相対的に走査する。そして、ウエハマーク４１
Ｘとスポット光４２Ｘとが合致したときに、ウエハマー
ク４１Ｘから所定の方向に発生する回折光を検出し、例
えばその回折光の強度がピークとなる位置をウエハマー
ク４１Ｘの位置として検出し、ウエハマーク４１Ｘの位
置を所望の位置に設定する。即ち、このＬＳＡ方式で
は、サーチ範囲が広くなっている。

【０００５】一方、２光束ヘテロダイン干渉方式のアラ
イメント系においては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源等のコヒ
ーレント光源からの光ビームを２分割し、この２光束を
それぞれ音響光学変調素子で周波数変調して所定の周波
数差を与える。そして、図１３に示すように、そのよう
に所定の周波数差を付与した２光束４４及び４５を、ウ
エハ上でＸ方向にピッチＰで形成されたウエハマークと
しての回折格子マーク４３Ｘ上に所定の交差角で照射す
る。そして、回折格子マーク４３Ｘから同一方向に発生
する１対の回折光、即ち光束４４の＋１次光４６及び光
束４５の−１次光４７の干渉光（ヘテロダインビーム）
を光電変換することにより、その所定の周波数差を周波
数とするウエハ側の干渉ビート信号を生成し、例えば別
途検出されている参照信号とそのウエハ側の干渉ビート
信号との位相差より、回折格子マーク４３Ｘの位置を検
出する。この場合、回折格子マーク４３ＸはＸ方向にピ
ッチＰで形成されているため、Ｘ方向で±Ｐ／２を超え
る範囲では位置を特定できなくなる。即ち、２光束ヘテ
ロダイン干渉方式は、高精度であるが、サーチ範囲が狭
くなっている。

【０００６】そこで、従来はＬＳＡ方式と、２光束ヘテ
ロダイン干渉方式とを組合せ、サーチ範囲の広いＬＳＡ
方式のアライメント系によりウエハのプリアライメント
（粗い位置合わせ）を行い、高精度でサーチ範囲の狭い
２光束ヘテロダイン干渉方式のアライメント系によりフ
ァインのアライメントを行っていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のア
ライメント装置では、ＬＳＡ方式のアライメント系と、
２光束ヘテロダイン干渉方式のアライメント系とが併用
されていたため、アライメント装置が複雑で且つ大型で
あるという不都合があった。また、一般にウエハマーク
４１Ｘ及び回折格子マーク４３Ｘは、ウエハ上に凹凸パ
ターンとして形成されているが、ＬＳＡ方式のアライメ
ント系では、ウエハ表面の荒れが大きい場合、又はウエ
ハマーク４１Ｘの段差が低い場合に回折光の強度が低下
して、プリアライメントで必要な位置決め精度が得られ
ない恐れがあった。この場合に更に２光束ヘテロダイン
干渉方式でファインのアライメントを行うと、本来の位
置から回折格子マーク４３ＸのピッチＰだけずれた位置
に位置合わせが行われ、最終的に製造される半導体素子
等の歩留りが低下する恐れがあるという不都合があっ
た。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑み、ＬＳＡ方式のア
ライメント系では位置検出が困難なウエハに対しても、
簡略な構成で高精度に位置合わせを行うことができる位
置合わせ装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による位置合わせ
装置は、例えば図１〜図３に示すように、被検物（１
８）上に所定の計測方向に沿って所定ピッチで設けられ
た回折格子状マーク（１９Ｘ）を所望の位置に設定する
ための装置において、互いに可干渉で周波数が異なる第
１及び第２光束（Ｌ１(+1)，Ｌ２(+1)）を被検物（１
８）上の回折格子状マーク（１９Ｘ）に所定の交差角で
照射することにより、その回折格子状マークから１対又
は複数対のそれぞれ同一方向に進む光束（ＬＡ，ＬＢ，
ＬＣ）を発生させる照射光学系（１〜９，１７）と、回
折格子状マーク（１９Ｘ）から同一方向に発生する光束
の少なくとも１対を光電変換してビート信号（ＳＣ）を
生成する光電検出手段（２５Ｃ）とを有する。

【００１０】更に本発明は、その照射光学系から被検物
（１８）上に照射される第１及び第２光束と被検物（１
９）とを相対的に移動させる相対走査手段（２０，２
４）と、光電検出手段（２５Ｃ）から出力されるビート
信号の包絡線を検出する包絡線検出手段（２６）と、そ
の相対走査手段によりそれら第１及び第２光束と被検物
（１８）とを相対的に移動させた場合に、包絡線検出手
段（２６）により検出される包絡線のレベルが所定の閾
値レベルとなる位置に基づいて、回折格子状マーク（１
９Ｘ）の粗い位置を検出する粗位置検出手段（２３Ｂ）
と、この粗位置検出手段からの出力に基づいてその相対
走査手段を制御する制御手段（２３Ａ）とを有するもの
である。

【００１１】この場合、光電検出手段（２５Ｃ）から出
力されるビート信号の位相を検出する位相検出手段（１
５）を設け、制御手段（２３Ａ）は、粗位置検出手段
（２３Ｂ）からの出力に基づいて相対走査手段（２０，
２４）を制御して、回折格子状マーク（１９Ｘ）の位置
を粗調整（プリアライメント）した後、位相検出手段
（１５）からの出力に基づいて相対走査手段（２０，２
４）を制御して回折格子状マーク（１９）の位置を微調
整（ファインのアライメント）することが望ましい。

【００１２】また、回折格子状マーク（１９Ｘ）からそ
れぞれ同一方向に進む１対又は複数対の光束の例は、そ
の第１光束の−１次光（Ｌ１(+1,-1))及びその第２光束
の＋１次光（Ｌ２(+1,+1))よりなる１対の光束（Ｌ
Ｃ）、その第１光束の０次光（Ｌ１(+1,0)）及びその第
２光束の＋２次光（Ｌ２(+1,+2))よりなる１対の光束
（ＬＡ）、並びにその第１光束の−２次光（Ｌ１(+1,-
2))及びその第２光束の０次光（Ｌ２(+1,0)）よりなる
１対の光束（ＬＢ）であり、この場合、包絡線検出手段
（２６）では、それら３対の光束を光電変換して得られ
る３個のビート信号（ＳＡ〜ＳＣ）のそれぞれの包絡線
を検出することが望ましい。

【００１３】更に、相対走査手段（２０，２４）による
移動方向の一例は、その所定の計測方向に平行な方向で
ある。

【００１４】

【作用】斯かる本発明によれば、被検物上に照射される
２光束の照射領域を図４（ａ）の領域（３５Ｘ）とする
と、照射領域（３５Ｘ）にはヘテロダイン干渉により流
れるように強度分布が変化する干渉縞が形成される。照
射領域（３５Ｘ）に対して相対走査手段を介して、図４
（ｂ）〜（ｇ）に示すように回折格子状マーク（１９
Ｘ）をＸ方向に走査すると、照射領域（３５Ｘ）と回折
格子状マーク（１９Ｘ）とが重なっている領域でのみ各
方向に平行に１対又は複数対の回折光（ＬＡ〜ＬＣ）が
発生すると共に、これら１対又は複数対の回折光（ＬＡ
〜ＬＣ）はそれぞれ所定の周波数差を有するヘテロダイ
ンビームである。

【００１５】そこで、例えばその内の１対の回折光（Ｌ
Ｃ）を光電検出手段（２５Ｃ）により光電変換すると、
図５に示すように回折格子状マーク（１９Ｘ）の位置Ｘ
に応じて振幅が変化するビート信号（ＳＣ）が得られ
る。このビート信号（ＳＣ）を包絡線検出手段（２６）
に供給すると、図６に示すようにビート信号（ＳＣ）の
包絡線に対応する信号（ＳＣＥ）が得られる。次に、粗
位置検出手段（２３Ｂ）において、その信号（ＳＣＥ）
が例えば所定の閾値レベル（Ａｔｈ）を横切る点ｘＢ及
びｘＥの中点ｘＣを求め、その位置ｘＣを基準として位
置合わせを行う。

【００１６】この場合、先ず所定の周波数のビート信号
（ＳＣ）を検出するようにしているため、光強度そのも
のを検出するＬＳＡ方式に比べて迷光の影響を受けにく
い。また、粗位置検出手段（２３Ｂ）では広いサーチ範
囲で回折格子状マーク（２９Ｘ）の位置を検出できる。
次に、更に光電検出手段（２５Ｃ）から出力されるビー
ト信号（ＳＣ）の位相を検出する位相検出手段（１５）
を設けた場合、回折格子状マーク（２９Ｘ）のピッチを
Ｐとして、位相検出手段（１５）では計測方向に対して
例えば±Ｐ／２の範囲内でその回折格子状マーク（２９
Ｘ）の位置を高精度に検出できる。

【００１７】そこで、制御手段（２３Ａ）は、粗位置検
出手段（２３Ｂ）からの出力に基づいて相対走査手段
（２０，２４）を制御して、回折格子状マーク（１９
Ｘ）の位置を計測方向に対して例えば±Ｐ／２の精度で
プリアライメントした後、位相検出手段（１５）からの
出力に基づいて相対走査手段（２０，２４）を制御して
回折格子状マーク（１９）の位置のファインのアライメ
ントを行う。これにより、２光束ヘテロダイン干渉方式
のアライメント系を使用するだけで、プリアライメント
及びファインのアライメントの両方を行うことができ
る。

【００１８】次に、回折格子状マーク（１９Ｘ）からそ
れぞれ同一方向に進む１対又は複数対の光束が、その第
１光束の−１次光（Ｌ１(+1,-1))及びその第２光束の＋
１次光（Ｌ２(+1,+1))よりなる１対の光束（ＬＣ）、そ
の第１光束の０次光（Ｌ１(+1,0)）及びその第２光束の
＋２次光（Ｌ２(+1,+2))よりなる１対の光束（ＬＡ）、
並びにその第１光束の−２次光（Ｌ１(+1,-2))及びその
第２光束の０次光（Ｌ２(+1,0)）よりなる１対の光束
（ＬＢ）である場合、回折格子状マーク（１９Ｘ）の段
差等の条件が変化しても、殆どの場合、±１次光又は±
２次光の少なくとも一方の強度は強い。そこで、それら
３対の光束を検出することにより、常に高精度に位置検
出を行える。

【００１９】更に、図２に示すように、被検物上の回折
格子状マーク（１９Ｘ）の計測方向（ピッチ方向）をＸ
方向とすると、制御手段（２３Ａ）は相対走査手段（２
０，２４）を介して、被検物上の２光束の照射領域（３
５Ｘ）と回折格子状マーク（１９Ｘ）とをＸ方向に相対
的に走査して位置合わせを行う。また、Ｘ方向に垂直な
Ｙ方向（非計測方向）の位置合わせは、Ｙ方向に所定ピ
ッチで形成された回折格子状マーク（１９Ｙ）に基づい
て行われる。但し、Ｘ方向に所定ピッチで形成された回
折格子状マーク（１９Ｘ）と、被検物上の２光束の照射
領域（３６Ｘ）とをＹ方向に相対的に走査して、得られ
るビート信号の包絡線が最大となる位置を検出すること
により、回折格子状マーク（１９Ｘ）のＹ方向の粗い位
置を検出するようにしてもよい。

【００２０】

【実施例】以下、本発明による位置合わせ装置の一実施
例につき図１〜図１０を参照して説明する。図１は、本
例の位置合わせ装置が適用された露光装置の要部を示
し、この図１において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１から射
出された波長λの光束Ｌがハーフミラー２でほぼ同じ光
量の第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２に分割される。
波長λは６３３ｎｍである。波長λの光束Ｌは、ウエハ
上に塗布されたフォトレジスト層への感光性が弱い光で
あることが望ましく、例えば半導体レーザ素子から射出
される例えば７８０ｎｍ又は６９０ｎｍ等の波長の光束
を使用してもよい。

【００２１】それら２光束の内、第１の光束Ｌ１は、所
定の入射角θ_inで第１の音響光学変調素子（以下、「Ａ
ＯＭ」という）４Ａに入射し、第２の光束Ｌ２は、ミラ
ー３に反射されて第１の光束Ｌ１と対称に入射角θ_inで
第２のＡＯＭ４Ｂに入射する。第１のＡＯＭ４Ａ及び第
２のＡＯＭ４Ｂは、それぞれ後述のリレーレンズ７及び
９の光軸ＡＸに関して光学的に対称に配置されている。
このときの入射角θ_inは、波長λの光に対してできるだ
けブラッグ回折による１次回折光の回折効率が良くなる
角度に設定することが望ましい。また、ＡＯＭ４Ａ及び
４Ｂには、それぞれ光軸ＡＸに対して内側に、トランス
デューサを取り付け、それぞれのトランスデューサを互
いに僅かに異なる周波数ｆ₁及びｆ₂(＜ｆ₁)で駆動す
る。これにより、ＡＯＭ４Ａ及び４Ｂ内にそれぞれ超音
波による粗密波が生成される。ＡＯＭ４Ａ及び４Ｂ内の
超音波の粗密波のピッチ（波長）をそれぞれΛ₁及びΛ
₂として、ＡＯＭ４Ａ及び４Ｂ内の超音波の速度をｖと
すると、それぞれ次の関係が成り立つ。

【００２２】

【数１】Λ₁＝ｖ／ｆ₁，Λ₂＝ｖ／ｆ₂ 本例の超音波の周波数ｆ₁,ｆ₂は互いに僅かに異なるだ
けであるとすると、（Λ₁≒Λ₂）が成り立つ。そこ
で、ピッチΛ₁及びΛ₂を次のように共通のピッチΛで
近似する。

【００２３】

【数２】Λ₁≒Λ，Λ₂≒Λ その第１のＡＯＭ４Ａ内の超音波の粗密波により回折さ
れる光は周波数変調を受け、焦点距離Ｆ₂の第１のリレ
ーレンズ５Ａにより共通リレーレンズ７の瞳面（フーリ
エ変換面）にリレーされる。その途中の光路に第１の空
間フィルター６Ａを配設し、空間フィルター６Ａにより
＋１次回折光以外の不用な回折光を遮断する。空間フィ
ルター６Ａを通過した＋１次回折光Ｌ１(+1)は、焦点距
離Ｆ₁の共通リレーレンズ７に向かう。

【００２４】この際に、リレーレンズ５Ａの光軸上に、
第１のＡＯＭ４Ａ内で入射光束が回折される点があるも
のとして、リレーレンズ５Ａの光軸と共通リレーレンズ
７の光軸ＡＸとの間には、所定のオフセットξが与えら
れている。即ち、空間フィルター６Ａを通過した回折光
Ｌ１(+1)のリレーレンズ７の瞳面上での位置にはそのオ
フセットξが加えられている。そのオフセットξは、リ
レーレンズ５Ａの焦点距離Ｆ₂と第１のＡＯＭ４Ａへの
入射角θ_inとから、次のように表すことができる。

【００２５】

【数３】ξ＝Ｆ₂・ｓｉｎθ_in 一方、第２のＡＯＭ４Ｂ内の超音波の粗密波により回折
される光も周波数変調を受け、焦点距離Ｆ₂の第２のリ
レーレンズ１０Ｂにより共通リレーレンズ７の瞳面にリ
レーされる。その途中の光路にも、＋１次回折光以外の
不用な回折光を遮断する第２の空間フィルター６Ｂを配
設する。空間フィルター６Ｂを通過した＋１次回折光Ｌ
２(+1)は、共通リレーレンズ７に向かう。この際に、リ
レーレンズ５Ｂの光軸上に、第２のＡＯＭ４Ｂ内で入射
光束が回折される点があるものとして、リレーレンズ５
Ｂの光軸と共通リレーレンズ７の光軸との間にも、
（３）式で表されるオフセットξを与える。

【００２６】共通リレーレンズ７から射出された回折光
Ｌ１(+1)及びＬ２(+1)は、視野絞り８の開口内で交差し
た後、焦点距離Ｆ₃の第２の対物レンズ９を介して平行
に送受光分離プリズム１０（図１ではビームスプリッタ
ーの形状で表してある）に入射し、送受光分離プリズム
１０で反射された回折光が集光レンズ１１を介して参照
格子板１２上の回折格子１２ａ上に所定の交差角で照射
される。それら２つの回折光の参照格子板１２に対する
入射角は、回折格子１２ａからの回折光Ｌ１(+1)の−１
次回折光、及び回折光Ｌ２(+1)の＋１次回折光が回折格
子１２ａに対して垂直方向に平行に射出されるように設
定されている。これら１対の±１次回折光よりなるヘテ
ロダインビームＬＤのみをフォトダイオード等の光電検
出器１３で受光し、光電検出器１３から出力される周波
数（ｆ₁−ｆ₂)の参照ビート信号ＳＲを、通過帯域の中
心周波数が（ｆ₁−ｆ₂)のバンドパスフィルタ回路（Ｂ
ＰＦ）１４を介して位相検出系１５に供給する。参照ビ
ート信号ＳＲの位相がウエハ２０の位置検出の基準とな
る。

【００２７】さて、送受光分離プリズム１０を透過した
回折光Ｌ１(+1)及びＬ２(+1)は、焦点距離Ｆ₄の第１の
対物レンズ１７に入射する。対物レンズ１３に入射した
回折光Ｌ１(+1)及び回折光Ｌ２(+1)は、それぞれ屈折作
用を受け、被検物であるウエハ１８上に設けられたウエ
ハマークとしてのＸ方向にピッチＰの回折格子マーク１
９Ｘに対して、光軸ＡＸに関してほぼ軸対称に入射す
る。回折格子マーク１９Ｘのピッチ方向、即ち計測方向
をＸ方向とする。そのようにＡＯＭ４Ａ，４Ｂ内の対称
な回折領域で回折された光束を、回折格子マーク１９Ｘ
上の同一点に照射するためには、ＡＯＭ４Ａ，４Ｂの回
折領域（超音波の形成領域）とウエハ１８の露光面とを
共役にすれば良い。そのため、第１のＡＯＭ４Ａの回折
領域とウエハ１８の露光面とを、リレーレンズ５Ａ、共
通リレーレンズ７、第２の対物レンズ９、及び第１の対
物レンズ１７に関して共役に配置し、第２のＡＯＭ４Ｂ
の回折領域とウエハ１８の露光面とを、リレーレンズ４
Ｂ、共通リレーレンズ７、第２の対物レンズ９、及び第
１の対物レンズ１７に関して共役に配置する。更に、視
野絞り８の配置面はウエハ１８の露光面と共役である。

【００２８】この場合、リレーレンズ５Ａ，５Ｂの焦点
距離Ｆ₂、共通リレーレンズ７の焦点距離Ｆ₁、第２の
対物レンズ９の焦点距離Ｆ₃、及び対物レンズ１３の焦
点距離Ｆ₄を用いると、ＡＯＭ４Ａ，４Ｂの回折領域か
らウエハ１８の露光面への角倍率γは（Ｆ₁／Ｆ₂)（Ｆ
₄／Ｆ₃)である。更に本例では、波長λの回折光Ｌ１(+
1)及びＬ２(+1)の回折格子マーク１９Ｘに対する入射角
を、それぞれの−１次回折光Ｌ１(+1,-1) 及び＋１次回
折光Ｌ２(+1,+1) が回折格子マーク１９Ｘから垂直上方
に射出されるように設定する。そのための角倍率γの条
件を求めるために、波長λの光束が入射角θ_inでＡＯＭ
４Ａ，４Ｂに入射するときの回折角をθ_iとすると、次
式が成立する。

【００２９】

【数４】ｓｉｎθ_in＋ｓｉｎθ_i＝λ／Λ また、波長λの２つ光束が入射角φ_i及び入射角−φ_i
でピッチＰの回折格子マーク１９Ｘに入射したときに、
回折格子マーク１９Ｘから垂直上方に±１次回折光が射
出される条件は、次の通りである。

【００３０】

【数５】ｓｉｎφ_i＝λ／Ｐこの場合、本例ではＡＯＭ４Ａ，４Ｂの回折領域にオフ
セットξが与えられているため、回折角θ_iと入射角φ
_iとの間には次の関係がある。

【００３１】

【数６】ｓｉｎφ_i＝｛（ξ＋Ｆ₂・ｓｉｎθ_i)／Ｆ₁｝
（Ｆ₃／Ｆ₄) ＝（Ｆ₂／Ｆ₁)（ｓｉｎθ_in＋ｓｉｎθ_i)（Ｆ₃／Ｆ₄) ＝（Ｆ₂／Ｆ₁)（Ｆ₃／Ｆ₄)（λ／Λ）この（数６）の導出過程で、（数３）及び（数４）を使
用した。そして、（数６）を（数５）と比較することに
より、次式が得られる。

【００３２】

【数７】γ＝（Ｆ₁／Ｆ₂)（Ｆ₄／Ｆ₃)＝Ｐ／Λ 即ち、角倍率γは、回折格子マーク１９ＸのピッチＰと
ＡＯＭ４Ａ，４Ｂ内の超音波のピッチΛとの比の値に等
しく設定すれば良い。言い換えると、ＡＯＭ４Ａ，４Ｂ
内の超音波のウエハ１８の露光面での共役像のピッチ
（＝（Ｆ₁/Ｆ₂)・（Ｆ₄／Ｆ₃)Λ）は、回折格子マーク
１９ＸのピッチＰと等しい。

【００３３】なお、上述の説明を一般化して、回折格子
マーク１９Ｘから垂直上方に射出する±ｎ次回折光（ｎ
＝１，２，３，‥‥）を使用するものとすると、角倍率
γの条件は次のようになる。

【００３４】

【数８】 γ＝（Ｆ₁／Ｆ₂)（Ｆ₄／Ｆ₃)＝Ｐ／（ｎ・Λ）

【００３５】次に、図３は、第１の対物レンズ１７付近
の拡大図であり、この図３に示すように本実施例では、
回折格子マーク１９Ｘに対して垂直上方に、回折光Ｌ１
(+1)の−１次回折光Ｌ１(+1,-1) 及び回折光Ｌ２(+1)の
＋１次回折光Ｌ２(+1,+1) よりなるヘテロダインビーム
ＬＣが射出されるように、第１の対物レンズ１７に入射
する回折光Ｌ１(+1)及びＬ２(+1)の間隔Ｄが設定されて
いる。この場合、更に回折光Ｌ１(+1)の入射方向に平行
で且つ逆方向に、回折光Ｌ１(+1)の−２次回折光Ｌ１(+
1,-2) 及び回折光Ｌ２(+1)の０次光Ｌ２(+1,0)よりなる
ヘテロダインビームＬＢが射出され、回折光Ｌ２(+1)の
入射方向に平行で且つ逆方向に、回折光Ｌ１(+1)の０次
光Ｌ１(+1,0)及び回折光Ｌ２(+1)の＋２次回折光Ｌ２(+
1,+2) よりなるヘテロダインビームＬＣが射出される。

【００３６】そして、これら３対のヘテロダインビーム
ＬＡ〜ＬＣは第１の対物レンズ１７を経てほぼ平行に送
受光分離プリズム１０に入射し、送受光分離プリズム１
０で反射されたヘテロダインビームＬＡ，ＬＢ及びＬＣ
がそれぞれフォトダイオード等からなる光電検出器２５
Ａ，２５Ｂ及び２５Ｃに入射する。これら光電検出器２
５Ａ〜２５Ｃの受光面は、第１の対物レンズ１７の瞳面
（ウエハ１８のフーリエ変換面）又はその瞳面と共役な
面上に設置され、光電検出器２５Ａ〜２５Ｃはそれぞれ
ヘテロダインビームＬＡ〜ＬＣを光電変換して周波数が
ほぼ（ｆ₁−ｆ ₂)のビート信号ＳＡ〜ＳＣを出力する。

【００３７】図１に戻り、本実施例のウエハ１８は、ウ
エハステージ２０上に保持され、ウエハステージ２０の
上方には、不図示であるがレチクル及びこのレチクルの
パターンをウエハ１８上に投影露光する投影光学系等が
配置されている。また、ウエハステージ２０は、共通リ
レーレンズ７及び８の光軸ＡＸに平行なＺ方向にウエハ
１８を位置決めするＺステージ、その光軸ＡＸに垂直な
平面内で図１に紙面に平行なＸ方向とこのＸ方向に垂直
なＹ方向とにウエハ１８を移動させるＸＹステージ等か
ら構成されている。その光軸ＡＸは不図示の投影光学系
の光軸と平行である。

【００３８】また、ウエハステージ２０上にはＬ字型の
移動鏡２１が固定され、外部に設置されたＸ軸及びＹ軸
のレーザ干渉計２２と移動鏡２１とにより、ウエハステ
ージ２０のＸ座標及びＹ座標が常時計測され、計測され
た座標が主制御系２３Ａに供給されている。主制御系２
３Ａは、供給された座標に基づいてウエハステージ駆動
系２４を介してウエハステージ２０の移動座標を制御す
る。

【００３９】次に、本実施例の信号処理系につき説明す
る。本実施例の信号処理系は大きく分けて位相検出系１
５、及び包絡線検出系２６に分かれ、位相検出系１５で
は参照ビート信号ＳＲの位相に対するビート信号ＳＡ〜
ＳＣの位相のずれ量を検出し、包絡線検出系２６ではビ
ート信号ＳＡ〜ＳＣの包絡線の振幅（レベル）を検出す
る。具体的に、位相検出系１５において、ビート信号Ｓ
Ａ〜ＳＣをそれぞれ通過帯域の中心周波数が（ｆ₁−ｆ
₂)のバンドパスフィルタ回路（ＢＰＦ）３１Ａ〜３１Ｃ
に供給し、バンドパスフィルタ回路３１Ａ〜３１Ｃで不
要な直流成分等を除去して得られた出力信号をそれぞれ
位相比較器１６Ａ〜１６Ｃの比較対象の入力端子に供給
し、位相比較器１６Ａ〜１６Ｃの基準信号の入力端子
に、バンドパスフィルタ回路１４を介した参照ビート信
号ＳＲを供給する。

【００４０】そして、位相比較器１６Ａ〜１６Ｃではそ
れぞれ参照ビート信号ＳＲの位相を基準として、ビート
信号ＳＡ〜ＳＣの位相のずれ量を求めて主制御系２３Ａ
に供給する。主制御系２３Ａでは、それら位相のずれ量
から回折格子マーク１９Ｘの基準位置にたいするＸ方向
へのずれ量を算出し、ファインのアライメント時にはそ
のずれ量が所定の許容範囲内に収まるように、ウエハス
テージ２０を駆動してウエハ１８の位置の微調整を行
う。

【００４１】この際、位置ずれ量には、±１次回折光よ
りなるヘテロダインビームＬＣでの位置ずれ量、０次光
と＋２次回折光とよりなるヘテロダインビームＬＡでの
位置ずれ量、及び０次光と−２次回折光とよりなるヘテ
ロダインビームＬＢでの位置ずれ量の３つがある。そこ
で、例えば３つの平均値を位置ずれ量とするか、又はビ
ート信号ＳＡ〜ＳＣの内のＳＮ比が高い信号に対応する
位置ずれ量を採用する等の方法を採用する。

【００４２】この場合、異なる次数の回折光ではそれぞ
れウエハ１８からの射出角が異なっているため、ウエハ
１８上にフォトレジストが塗布されている場合に、仮に
±１次回折光がフォトレジストの薄膜干渉により弱くな
っても、他の次数の回折光は必ずしもフォトレジストの
薄膜干渉により弱くならない。また、回折格子マーク１
９Ｘはウエハ１８上に凹凸のパターンで形成されている
が、仮に±１次回折光が凹部の反射光と凸部の反射光と
の干渉により弱くなっても、他の次数の回折光は必ずし
も弱くならない。従って、回折格子マーク１９Ｘの段差
やフォトレジストの膜厚に依らずに、常に高いＳＮ比で
高精度にウエハ１８（回折格子マーク１９Ｘ）の位置検
出を行うことができる。

【００４３】また、包絡線検出系２６において、ビート
信号ＳＡ〜ＳＣをそれぞれ出力側に整流回路を有するＡ
Ｃカップリング回路２７Ａ〜２７Ｃを介して、ローパス
フィルタ回路（ＬＰＦ）２８Ａ〜２８Ｃに供給する。Ａ
Ｃカップリング回路２７Ａ〜２７Ｂは、直流成分を阻止
すると共に、（ｆ₁−ｆ₂)の数分の１程度のカットオフ
周波数ｆ_H以上の信号を通過させる回路であり、ハイパ
スフィルタ回路で代用してもよい回路である。更に、ロ
ーパスフィルタ回路２８Ａ〜２８Ｃの上限のカットオフ
周波数ｆ_Lは、ＡＣカップリング回路２７Ａ〜２７Ｃの
カットオフ周波数ｆ_Hより多少高く設定されている。本
実施例では、ＡＣカップリング回路２７Ａ〜２７Ｃによ
りビート信号ＳＡ〜ＳＣの直流成分を除去し、ローパス
フィルタ回路２８Ａ〜２８Ｃによりそれぞれビート信号
ＳＡ〜ＳＣの交流成分の包絡線信号を抽出する。

【００４４】ローパスフィルタ回路２８Ａ〜２８Ｃから
出力される包絡線信号をそれぞれアナログ／デジタル
（Ａ／Ｄ）変換器２９Ａ〜２９Ｃに供給し、Ａ／Ｄ変換
器２９Ａ及び２９Ｂから出力される包絡線信号ＳＡＥ及
びＳＢＥを加算器３０で加算して得た信号を粗位置検出
系２３Ｂに供給し、Ａ／Ｄ変換器２９Ｃから出力される
包絡線信号ＳＣＥを粗位置検出系２３Ｂに供給する。粗
位置検出系２３Ｂでは、供給される包絡線信号に基づい
て、回折格子マーク１９ＸのＸ方向の粗い位置を算出し
て主制御系２３Ａに供給する。主制御系２３Ａは、供給
されたその粗い位置に基づいてウエハ１８のプリアライ
メントを行う。

【００４５】なお、図１の位置合わせ装置は、ウエハ１
８をＸ方向にアライメントするための装置であり、ウエ
ハ１８をＹ方向にアライメントするための装置も別途設
けられている。図２は、本実施例のウエハ１８上のショ
ット領域の配列の一部を示す拡大図であり、この図２に
おいて、ショット領域３２とＹ方向に隣接するショット
領域３３との間の領域（ストリートライン）にＸ方向に
ピッチＰで回折格子マーク１９Ｘが形成されている。ま
た、ショット領域３２とＸ方向に隣接するショット領域
３４との間の領域にもＹ方向にピッチＰで回折格子マー
ク１９Ｙが形成されている。そして、図１のＸ軸用の位
置合わせ装置により回折格子マーク１９Ｘの中点のＸ座
標を検出し、不図示のＹ軸用の位置合わせ装置により回
折格子マーク１９Ｙの中点のＹ座標を検出し、これら検
出されたＸ座標及びＹ座標に基づいてショット領域３２
をレチクルパターンの露光フィールドに設定して露光を
行う。

【００４６】次に、本実施例におけるプリアライメント
のシーケンスにつき説明する。先ず、図１のウエハステ
ージ２０を駆動して、図２に示すようにウエハ１８上の
回折格子マーク１９Ｘの近傍の照射領域３５Ｘに、回折
光Ｌ１(+1)及びＬ２(+1)よりなる光束を落射させる。そ
の後、ウエハステージ２０を介して回折格子マーク１９
Ｘを照射領域３５Ｘに対してＸ方向に走査する。

【００４７】図４を参照してそのときの様子を説明す
る。図４（ａ）に示すように、ウエハ上の照射領域３５
ＸではＸ方向に流れる干渉縞が形成されるため、照度分
布は正弦波状の波形３７がＸ方向に移動する分布とな
る。その干渉縞の移動の速さは、照射される２光束のビ
ート周波数に干渉縞のピッチをかけた速さである。その
照射領域３５Ｘに、回折格子マーク１９Ｘが走査される
様子を図４（ｂ）〜（ｇ）に示す。これらの場合の回折
格子マーク１９ＸのＸ座標は、図１のウエハステージ２
０のＸ座標である。

【００４８】そして、回折格子マーク１９Ｘが照射領域
３５Ｘにかかり始めると（図４（ｂ）のＸ座標がｘ₁の
状態）、回折格子マーク１９Ｘにより回折された光が検
出され始める。更に、回折格子マーク１９Ｘが照射領域
３５Ｘに広く重なると、検出される回折光の光量が増加
し、光電変換されたビート信号の振幅が大きくなってく
る（図４（ｃ）のＸ座標がｘ₂の状態）。また、照射領
域３５Ｘより回折格子マーク１９Ｘの方がＸ方向に広い
場合には、照射領域３５Ｘが回折格子マーク１９Ｘ内に
完全に入ると（図４（ｄ）〜（ｅ）のＸ座標がｘ₃〜ｘ
₄の状態）、検出されるビート信号の振幅はもはや増加
せず一定の値をとる。更に、回折格子マーク１９Ｘが移
動して、このマークの反対側が照射領域３５Ｘから外れ
始めると、ビート信号の振幅は減少を始め（図４（ｆ）
のＸ座標がｘ₅の状態）、最終的に回折格子マーク１９
Ｘと照射領域３５Ｘとの重複領域が無くなると（図４
（ｆ）のＸ座標がｘ₆の状態）と、検出されるビート信
号の振幅は０となる。

【００４９】図５は、図４に示すように回折格子マーク
１９Ｘを走査したときに得られるビート信号ＳＣ（ここ
では一例として、±１次回折光のビート信号を使用す
る）を示し、この図５において、横軸のＸ座標の値は回
折格子マーク１９Ｘを走査した場合のウエハステージ２
０のＸ座標を示している。本実施例では、図１の包絡線
検出系２６により、ビート信号ＳＣにほぼ外接する点線
で示す包絡線信号ＳＣＥを検出し、粗位置検出系２３Ｂ
において、その包絡線信号ＳＣＥの中心（対称中心等）
のＸ座標を求め、その中心を照射領域３５ＸのＸ方向の
中心に設定する。これによりプリアライメントが終了す
る。

【００５０】その後、図１の位相検出系１５において、
参照ビート信号ＳＲに対するビート信号ＳＣの位相ずれ
を検出し、主制御系２３Ａではこの位相ずれが所定の値
になるときのウエハステージ２０のＸ座標を高精度に検
出する。このＸ座標に基づいて図２のショット領域３２
が露光フィールドに設定される。これでファインのアラ
イメントが終了する。なお、本実施例は、オフ・アクシ
ス方式で回折格子マーク１９Ｘの計測位置と露光位置と
が異なるため、計測後にウエハ１８を露光位置に移動さ
せているが、本発明をＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）
方式のアライメント装置に適用した場合には、計測位置
が露光位置となる。そこで、ＴＴＲ方式では、プリアラ
イメント終了後に、位相検出系１５により検出されたビ
ート信号ＳＣの位相ずれが所定値になるように、サーボ
方式でウエハステージ２０の位置を制御した状態でショ
ット領域３２上に露光を行うことができる。

【００５１】なお、位相検出系１５を使用したヘテロダ
イン干渉法による位相検出については、特開平２−２８
３０１１号公報にも開示されている。また、上述のよう
にビート信号ＳＣを用いる代わりに、０次光と±２次回
折光との干渉光の光電変換信号であるビート信号ＳＡ及
びＳＢの包絡線信号ＳＡＥ及びＳＢＥの和信号に基づい
て、回折格子マーク１９Ｘの粗い位置を求めた後、ビー
ト信号ＳＡ又はＳＢの参照信号ＳＲに対する位相ずれか
ら回折格子マーク１９Ｘの正確な位置を求めてもよい。
これにより、ＬＳＡ方式のアライメント系を使用するこ
となく、プリアライメントを行うことができる。

【００５２】次に、上述の図４に示すように回折格子マ
ーク１９Ｘを走査してＸ方向の各測定点でビート信号Ｓ
Ｃの包絡線の振幅（レベル）を求める場合、各測定点に
ついて少なくともビート信号ＳＣの一周期の時間だけサ
ンプリングを行う必要がある。そのため、計測点の個数
が多いと、回折格子マーク１９Ｘを１回Ｘ方向に走査す
るだけでかなりの時間を要し、アライメントに要する時
間が長くなり、露光工程のスループットが低下する傾向
がある。そこで、以下では、ビート信号の包絡線の中央
の座標を高速に求める方法につき説明する。

【００５３】先ず、第１の方法として、図５に示すビー
ト信号ＳＣの包絡線信号ＳＣＥのスロープ部の勾配から
回折格子マーク１９Ｘの中点の座標を求める方法につき
説明する。図６はそのビート信号ＳＣの包絡線信号ＳＣ
Ｅを示し、この図６において、横軸はウエハステージ２
０のＸ座標であるが、本実施例では回折格子マーク１９
ＸをＸ方向にほぼ一定速度で走査しているため、横軸を
時間ｔともみなすことができる。図６において、包絡線
信号ＳＣＥが次第に増加する側のスロープ３８上の２つ
の計測点３８ａ及び３８ｂ（これらの計測されたＸ座標
をそれぞれｘＢ₁ 及びｘＢ₂ とする）での、包絡線信号
ＳＣＥのレベル（振幅）ＡＢ₁ 及びＡＢ₂ を図１の包絡
線検出系２６で計測する。同様に信号が次第に減少する
スロープ３９上の２つの計測点３９ａ及び３９ｂ（これ
らの計測されたＸ座標をそれぞれｘＥ ₁ 及びｘＥ₂ とす
る）での包絡線信号ＳＣＥのレベルＡＥ₁ 及びＡＥ₂ を
計測する。

【００５４】これら計測点のＸ座標及びレベルの計測値
から、それぞれのスロープ３８及び３９を表す式を求め
ることができる。そして、包絡線信号ＳＣＥのレベル
（振幅）の閾値Ａｔｈを定め、それぞれのスロープ３８
及び３９が閾値Ａｔｈを横切るときのＸ座標をそれぞれ
ｘＢ及びｘＥとすると、次のような式で表される。

【００５５】

【数９】

【００５６】

【数１０】

【００５７】回折格子マーク１９ＸのＸ方向の中心と光
束の照射領域の中心とが一致しているときのウエハステ
ージ２０のＸ座標ｘＣは、それらの座標ｘＢとｘＥとの
中点と見なすことができ、そのＸ座標ｘＣを、ラフアラ
イメントにより決定される回折格子マーク１９ＸのＸ座
標とみなす。そのＸ座標ｘＣは次のように表される。

【００５８】

【数１１】

【００５９】これがＸ座標となるようにウエハステージ
２０を駆動した後、ビート信号ＳＣの位相を計測し、当
初設定した位相に合致するようにウエハステージ２０を
駆動してファインのアライメントを行う。この場合に
は、図６の包絡線信号ＳＣＥのスロープ３８及び３９の
長さは、ウエハ上に照射される２光束の照射領域又は回
折格子マーク１９Ｘの長さの内の短い方と同じ程度にな
る。これに関して、ヘテロダイン干渉法を利用したアラ
イメント系では平均化による精度向上のため、図４
（ａ）において、それら２光束の干渉縞の波形３７のピ
ッチ（例えば８μｍ）に対して照射領域３５Ｘの長さは
１０倍程度（例えば８０μｍ）以上として、回折格子マ
ーク１９Ｘの長さは照射領域３５Ｘの長さ以上（例えば
１００μｍ）に設定してあることが多い。従って、図６
のスロープ３８及び３９は十分な長さがあると考えら
れ、ウエハステージ２０上に機械的な精度（数１０μ
ｍ）で載置されたウエハのサーチを行うことができる。

【００６０】次に、図６のように包絡線信号のスロープ
の勾配を計測する手法では、スロープがＸ座標に関して
ほぼ線形に変化することを前提としている。そのため、
例えば特開平３−９２０４号公報や特開平４−１３３３
０９号公報で開示されているように、回折格子マークに
照射される光束の断面形状のＸ方向の両端部が半円形で
あると、そのスロープは必ずしも直線とはならないの
で、上記のようにスロープを直線で近似してラフアライ
メントを行うと誤差が大きくなる。そして、場合によっ
ては、回折格子マーク１９ＸのピッチＰの±１／２以上
のずれが生じてしまい、ラフアライメントが失敗する可
能性が高くなる。

【００６１】そこで第２の方法として、図１の包絡線検
出系２６内のＡ／Ｄ変換器２９Ａ〜２９Ｃにおけるサン
プリングレートを高く設定し、ウエハステージ２０を高
速に走査した上で図６の包絡線信号ＳＣＥ等を全部粗位
置検出系２３Ｂに取り込み、演算処理によって回折格子
マーク１９Ｘの中点のＸ座標を算出してもよい。ところ
で、例えば図４（ａ）に示すように、ヘテロダイン干渉
法ではウエハ上の照射領域３５Ｘ中の干渉縞も流れてい
るため、ウエハステージ２０のＸ軸に沿った走査方向に
より、ビート信号ＳＡ〜ＳＣのビート周波数には高くな
る場合と低くなる場合とがある。例えば、干渉縞の流れ
る方向と回折格子マーク１９Ｘの走査方向とが逆である
場合のビート信号ＳＣをビート信号ＳＣ（＋）とする
と、図７（ａ）に示すように、ビート信号ＳＣ（＋）は
本来のビート信号ＳＣより高周波数になる。

【００６２】一方、干渉縞の流れる方向と回折格子マー
ク１９Ｘの走査方向とが同じである場合のビート信号Ｓ
Ｃをビート信号ＳＣ（−）とすると、図７（ｂ）に示す
ように、ビート信号ＳＣ（−）は本来のビート信号ＳＣ
より低周波数になる。図７（ａ）及び（ｂ）のときのビ
ート信号ＳＣ（＋）及びＳＣ（−）の周波数をν₊及び
ν_-とすると、ＡＯＭ４Ａ及び４Ｂの変調周波数の差Δ
ｆ（＝ｆ₁−ｆ₂)と、ウエハステージ２０の走査速度ｖ
と、回折格子マーク１９ＸのピッチＰとにより、それら
周波数は次式のように表される。

【００６３】

【数１２】ν₊＝Δｆ±ｖ／Ｐ，ν_-＝Δｆ±ｖ／Ｐこれより、図１における包絡線検出系２６中のローパス
フィルタ回路２８Ａ〜２８Ｃにおいては、カットオフ周
波数は（Δｆ−ｖ／Ｐ）より小さくする必要があり、更
に（１／２）（Δｆ−ｖ／Ｐ）より小さくすることが望
ましい。ところが、あまりカットオフ周波数を小さくす
ると、ビート信号の包絡線（振幅の変化）に対しても応
答しなくなってしまうので、２光束の照射領域３５Ｘ又
は回折格子マーク１９Ｘの長さの内、短いほうの長さを
Ｒとしてカットオフ周波数は２ｖ／Ｒより小さくするこ
とはできない。

【００６４】図７（ａ）又は（ｂ）のビート信号をＡＣ
カップリング回路２７Ｃを介してローパスフィルタ回路
２８Ｃに供給すると、何れの場合でも図８に示すような
包絡線信号ＳＣＥが得られる。そこで、この信号ＳＣＥ
が所定の閾値Ａｔｈ^*を横切るときのＸ座標ｘＢ^*及び
ｘＥ^*を求め、これらの中点の座標にウエハステージ２
０を駆動することにより、ラフアライメントが終了す
る。この場合、閾値Ａｔｈ^*を信号のピーク値ＡＰ^*に
対して一定の係数αをかけた値（即ち、α・ＡＰ ^*）と
することにより、ウエハの表面の状態（例えばフォトレ
ジスト膜による干渉）等の原因により信号強度が変化し
た場合にも、必ずを閾値Ａｔｈ^*横切る点があり、その
ときの２光束の照射領域と回折格子マーク１９Ｘとの相
対位置関係が一定であるため、良好なラフアライメント
ができる。このときの係数αは、信号のノイズ成分の影
響を避けるため０．５〜０．７程度の値が望ましい。

【００６５】更に良好なラフアライメントを行うには、
ビート信号の周波数が高くなる方向にウエハステージ２
０を走査することが望ましい。この場合には、ビート信
号の周期が短いため、より忠実に包絡線を得ることがで
きるため、所定の閾値を横切る座標をより正確に求める
ことができ、より高精度にラフアライメントを行える。

【００６６】また、図１において、光電検出器２５Ａ〜
２５Ｃからのビート信号ＳＡ〜ＳＣは直流成分を通過さ
せないようなＡＣカップリング（交流結合）回路２７Ａ
〜２７Ｃを介してローパスフィルタ回路２８Ａ〜２８Ｃ
に導かれている。この場合には、交流結合はハイパスフ
ィルタとして働き、例えば図９（ａ）に示すビート信号
ＳＣが、ＡＣカップリング回路２７Ｃを介して図９
（ｂ）に示すような交流信号ＳＣ１となる。ＡＣカップ
リング回路２７Ａ〜２７Ｃの出力側には、整流回路が入
っているため、ローパスフィルタ回路２８Ｃには交流信
号ＳＣ１の正側（又は更に負側を正側に折り返した信
号）が供給され、ローパスフィルタ回路２８Ｃからは、
図９（ｃ）に示すようにビート信号ＳＣの包絡線信号Ｓ
Ｃ２が得られる。

【００６７】次に、図２に戻り、ショット領域３２のＹ
方向へのアライメントを行うには、Ｙ軸用のアライメン
ト装置からショット領域３２の近傍の照射領域３５Ｙに
照射された２光束に対して、ウエハステージ２０を介し
てＹ軸の回折格子マーク１９Ｙを走査し、得られたビー
ト信号に基づいて回折格子マーク１９Ｙの位置を検出す
ればよい。

【００６８】なお、例えば照射領域３５Ｘに対して回折
格子マーク１９ＸのＹ方向のほぼ中心を走査するため
に、例えば回折格子マーク１９ＸのＹ方向の近傍の照射
領域３６Ｘに２光束を照射し、その照射領域３６Ｘに対
してＹ方向に回折格子マーク１９Ｘを走査してもよい。
この場合にも、図１０に示すように、回折格子マーク１
９ＸのＹ座標に対して台形状に変化するビート信号ＳＣ
が得られるため、その包絡線ＳＣＥを検出してその中心
座標ｙＣを検出することにより、回折格子マーク１９Ｘ
のＹ方向の中心の座標が検出できる。また、このように
回折格子マーク１９Ｘを照射領域３６Ｘに対してＹ方向
に走査する場合には、得られるビート信号ＳＣの周波数
はウエハステージ２０の走査速度には依らず一定（即ち
２つのＡＯＭ４Ａ及び４Ｂの駆動周波数の差に等しい）
である。

【００６９】更に、上述実施例においてより良好なラフ
アライメントを行うためには、アライメントマークとし
ての回折格子マーク１９Ｘ上のフォトレジストの塗布む
ら（厚さむら）の影響をできるだけ少なくする必要があ
る。そのため、図１１（ａ）に示すように回折格子マー
ク１９Ｘの周囲にこの回折格子マークとほぼ同じピッチ
の四角の枠状の保護格子４０Ｘを設け周囲のパターンに
よるフォトレジストの塗布むらの影響を少なくすること
が望ましい。この場合には、回折格子マーク１９Ｘの周
囲には少なくとも照射されるアライメントビームの大き
さ程度の格子のない空間が必要となる。図１１（ａ）の
ようなパターンを使用すると、得られる包絡線信号ＳＣ
Ｅは図１１（ｂ）のような３つのピークを有する信号と
なるので、本来の回折格子マーク１９Ｘを認識する必要
がある。そのためには、例えばソフトウエア的に必ず中
央のピークＳＣＥ２を探すようにすればよい。または、
保護格子４０Ｘの幅をアライメントビームの幅より短く
することにより、保護格子４０Ｘに対応する信号のピー
クＳＣＥ１及びＳＣＥ３を小さく抑えるようにしてもよ
い。これにより正しい回折格子マーク１９Ｘに対してラ
フアライメントが正確に実行される。

【００７０】次に、上述実施例ではビート信号をＡ／Ｄ
変換して粗位置検出系２３Ｂに取り込んでいるが、アナ
ログ信号のままで回折格子マーク１９Ｘの中心での座標
を求めるようにしてもよい。また、上述実施例ではヘテ
ロダインビームとして単色の光束が使用されているが、
特願平４−１８７１９８号や特願平５−１３１７３６号
に開示されているような多色のヘテロダインビームを用
いることも可能であり、これにより、ウエハ上のフォト
レジスト膜による干渉の影響が低減され、ラフアライメ
ントからファインのアライメントまでを良好に行うこと
ができる。

【００７１】更に本発明は、投影光学系を通して位置検
出をするＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式や、ＴＴＲ
（スルー・サ・レチクル）方式の位置検出系に適用でき
るのは言うまでもない。このように本発明は上述実施例
に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
構成を取り得る。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、２光束ヘテロダイン干
渉方式を使用した場合に、回折格子状マークから同一方
向に発生する少なくとも１対の光束を光電変換して得ら
れるビート信号の包絡線を検出し、この包絡線が所定の
閾値レベルとなる位置に基づいて回折格子状マークの粗
い位置を検出しているため、ＬＳＡ方式のアライメント
系では位置検出が困難なウエハに対しても、簡略且つ廉
価な構成で高精度に位置合わせを行うことができる。

【００７３】また、更に位相検出手段を設け、粗位置検
出手段の出力を用いてラフアライメントを行い、位相検
出手段の出力を用いてファインのアライメントを行うこ
とにより、広いサーチ範囲で且つ高精度に位置合わせを
行うことができる。この場合、ラフな位置合わせ時とフ
ァインな位置合わせ時とで光学系の切り換えや機構部の
切り換え等を行う必要がなく、ラフな位置計測終了後に
はファインの位置合わせ時のごく近傍に回折格子状マー
クがあるため、被検物を移動させる相対走査手段の移動
量が少なく、露光装置に適用した場合の露光工程のスル
ープットが向上する利点もある。

【００７４】また、回折格子状マークからの回折光とし
て、±１次回折光の他に０次光と２次光との干渉光を使
用するようにした場合には、回折格子状マークの段差等
によらず安定に位置合わせを行うことができる。更に、
相対走査手段による移動方向が、回折格子状マークの計
測方向である場合には、その計測方向の回折格子状マー
クの位置を高精度に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置合わせ装置が適用された露光
装置の要部を示す構成図である。

【図２】図１のウエハ１８上のショット領域と回折格子
マーク１９Ｘ及び１９Ｙとの位置関係を示す拡大平面図
である。

【図３】図１の対物レンズ１７の近傍を示す拡大図であ
る。

【図４】ウエハ上の光束の照射領域３５Ｘに対して回折
格子マーク１９Ｘが走査される様子を示す図である。

【図５】図４の場合に得られるビート信号ＳＣを示す波
形図である。

【図６】ビート信号ＳＣの包絡線信号ＳＣＥのスロープ
の勾配から、包絡線信号ＳＣＥの中点の座標を求める方
法の説明図である。

【図７】ウエハ上の干渉縞が流れる方向に対してウエハ
ステージ２０の走査方向が逆の場合と同一の場合とで得
られるビート信号の周波数が変化する様子を示す波形図
である。

【図８】ビート信号の包絡線信号ＳＣＥからその中点の
座標を求める方法の別の例の説明図である。

【図９】ＡＣカップリングを用いた場合のビート信号の
波形の変化を示す波形図である。

【図１０】ウエハ上の光束の照射領域に対して回折格子
マーク１９ＸをＹ方向に走査した場合に得られるビート
信号ＳＣを示す波形図である。

【図１１】（ａ）は回折格子マークの周囲に保護格子を
設けた状態を示す拡大平面図、（ｂ）は図１１（ａ）の
マークより得られるビート信号の包絡線信号を示す波形
図である。

【図１２】従来のＬＳＡ方式のアライメント系による位
置検出方法の説明図である。

【図１３】従来の２光束ヘテロダイン干渉方式のアライ
メント系による位置検出方法の説明図である。

【符号の説明】

１Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源４Ａ，４Ｂ音響光学変調素子５Ａ，５Ｂリレーレンズ６Ａ，６Ｂ空間フィルタ７共通リレーレンズ８視野絞り９第２対物レンズ１０送受光分離プリズム１３，２５Ａ〜２５Ｃ光電検出器１５位相検出系１６Ａ〜１６Ｃ位相比較器１７第１対物レンズ１８ウエハ１９Ｘ回折格子マーク２０ウエハステージ２２レーザ干渉計２３Ａ主制御系２３Ｂ粗位置検出系２６包絡線検出系２７Ａ〜２７ＣＡＣカップリング回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/027 7352−4ＭＨ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物上に所定の計測方向に沿って所定
ピッチで設けられた回折格子状マークを所望の位置に設
定するための装置において、互いに可干渉で周波数が異なる第１及び第２光束を前記
被検物上の前記回折格子状マークに所定の交差角で照射
することにより、前記回折格子状マークから１対又は複
数対のそれぞれ同一方向に進む光束を発生させる照射光
学系と、前記回折格子状マークから同一方向に発生する光束の少
なくとも１対を光電変換してビート信号を生成する光電
検出手段と、前記照射光学系から前記被検物上に照射される前記第１
及び第２光束と前記被検物とを相対的に移動させる相対
走査手段と、前記光電検出手段から出力されるビート信号の包絡線を
検出する包絡線検出手段と、前記相対走査手段により前記第１及び第２光束と前記被
検物とを相対的に移動させた場合に、前記包絡線検出手
段により検出される包絡線のレベルが所定の閾値レベル
となる位置に基づいて、前記回折格子状マークの粗い位
置を検出する粗位置検出手段と、該粗位置検出手段からの出力に基づいて前記相対走査手
段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする位
置合わせ装置。
【請求項２】前記光電検出手段から出力されるビート
信号の位相を検出する位相検出手段を設け、前記制御手段は、前記粗位置検出手段からの出力に基づ
いて前記相対走査手段を制御して、前記回折格子状マー
クの位置を粗調整した後、前記位相検出手段からの出力
に基づいて前記相対走査手段を制御し、前記回折格子状
マークの位置を微調整することを特徴とする位置合わせ
装置。
【請求項３】前記回折格子状マークからそれぞれ同一
方向に進む１対又は複数対の光束は、前記第１光束の−
１次光及び前記第２光束の＋１次光よりなる１対の光
束、前記第１光束の０次光及び前記第２光束の＋２次光
よりなる１対の光束、並びに前記第１光束の−２次光及
び前記第２光束の０次光よりなる１対の光束であり、前
記包絡線検出手段では、前記３対の光束を光電変換して
得られる３個のビート信号のそれぞれの包絡線を検出す
ることを特徴とする請求項１又は２記載の位置合わせ装
置。
【請求項４】前記相対走査手段による移動方向は、前
記所定の計測方向に平行であることを特徴とする請求項
１、２又は３記載の位置合わせ装置。