JP2574619B2 - 露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、第１物体のパターンを
第２物体に転写する露光装置に関し、特に第１物体と第
２物体の相対的位置を計測し、位置合わせを行う位置合
わせ装置を有する露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、技術革新の原動力となった半導体
装置、特に集積回路はますます高密度化され、素子を形
成している微細パターンの大きさは０．５μｍ以下に及
ぼうとしている。

【０００３】ウェハが集積回路になるまでには、多数回
にわたる重ね合わせ露光が行なわれるが、それが半導体
装置として正常に動作するためには、各露光の位置合わ
せが極めて大切であり、その総合重ね合わせ精度は０．
１μｍ以下が必要とされている。

【０００４】現在、位置合わせ装置に用いられる光学系
構成例は多数種類報告されているが、重ね合わせ精度
０．１μｍ以下を実現する光学系の一候補としては、理
論的にも分解能の高い光ヘテロダイン干渉の応用した構
成が考えられる。

【０００５】光ヘテロダイン干渉を用いた位置合わせ装
置の位置ずれ検出精度は、大変高いのであるが、検出可
能領域が小さいために、露光装置用の位置合わせ装置と
して使用する場合には、検出範囲の広いもう一つの位置
検出装置と、光ヘテロダイン干渉を応用した位置合わせ
装置とを一つの位置合わせ装置として融合させることが
必要となる。

【０００６】以下に、従来の露光装置に搭載されている
検出範囲の広い位置検出装置の一構成例と、従来の光ヘ
テロダイン干渉を用いた位置合わせ装置の一構成例につ
いて説明する。

【０００７】これからは、簡単のために検出範囲の広い
位置合わせ装置を粗アライメント系、そして光ヘテロダ
イン干渉を用いた位置合わせ装置系を精密アライメント
系と略称する。

【０００８】図２５は従来の位置合わせ装置の露光装置
への搭載例を示すものである。図２５において、２００
は照明光学系、２０１は投影用光源であり、照明光２０
８を生成する。

【０００９】２０６はレチクル、２０７は投影レンズ、
２１４はウェハで、レチクル２０６上のパターンが投影
レンズ２０７によってウェハ２１４に転写される。

【００１０】２０５、２０５’は第１のアライメントマ
ーク、２１３、２１３’は第２のアライメントマーク、
２１５、２１５’はＸ−認識マーク、Ｙ−認識マーク、
１０１、１０１’はＸ−粗アライメント系、Ｙ−粗アラ
イメント系で、これらによりレチクル２０６とウェハ２
１４の大まかな位置合わせが行われる。

【００１１】２０４、２０４’は第１の回折格子、２１
１、２１１’は第２の回折格子、１０２、１０２’はＸ
−精密アライメント系、Ｙ−精密アライメント系で、こ
れらにより更に精密な位置合わせが行われる。

【００１２】２１２、２１２’は第２の回折格子２１
１、２１１’からの反射回折光の干渉光で位置ずれ情報
を担っている。

【００１３】２０２は粗アライメント用光源で、レジス
トの感度の低い波長帯での広帯域光、あるいはレジスト
感光が問題にならない場合は白色光を発生する。

【００１４】２０３は精密アライメント用光源で、周波
数のわずかに異なる２つのコヒーレント光を発生する。

【００１５】２つのコヒーレント光は互いに偏光面の直
交する直線偏光光で、１本の光線として出射され、この
ような光源として、実際にはゼーマンレーザが使用され
る。

【００１６】２０９はステージの制御系、２１０はステ
ージで、Ｘ−アライメント系、Ｙ−アライメント系１０
１、１０１’、１０２、１０２’からの位置ずれ情報を
基にしてステージ２１０を駆動し位置合わせを行う。

【００１７】以上のように構成された位置合わせ装置に
ついて、以下その動作について説明する。

【００１８】まず、投影用光源２０１から発生した照明
光２０８は、照明光学系２００によって種々の補正が行
なわれ後にレチクル２０６に導かれる。

【００１９】レチクル２０６のパターンからの照明光２
０８の透過散乱光を、投影レンズ２０７でウェハ２１４
表面上に集光することにより、レチクル２０６のパター
ンをウェハ２１４に転写する。

【００２０】このとき、レチクル２０６のパターンをウ
ェハ２１４の所定の位置に転写するために、レチクル２
０６に対するウェハ２１４の位置合わせを行う。

【００２１】ウェハ２１４が、投影レンズ２０７の直下
へ搬送される以前に、何らかの方法でウェハ２１４とレ
チクル２０６の相対的な回転成分が除去されているとす
ると、レチクル２１６に対するウェハ２１４の位置合わ
せはＸ軸、Ｙ軸の２軸の平行移動のみで行なえることに
なる。

【００２２】そのために本従来例では、Ｘ軸、Ｙ軸の互
いに直交する２つの方向に対する位置合わせを行う２つ
の独立した位置合わせ装置が露光装置に搭載されてい
る。

【００２３】図２５において、Ｘ−粗アライメント系１
０１と精密アライメント系２でＸ軸方向の位置合わせを
行い、Ｙ−粗アライメント系１０１’と精密アライメン
ト系２’でＹ軸方向の位置合わせを行う。

【００２４】精密アライメント系２、２’は光ヘテロダ
イン干渉を応用した位置合わせ装置であるため、Ｘ、Ｙ
軸のそれぞれにもう１つの粗の位置合わせ装置１０１、
１０１’が必要になることは上述した通りである。

【００２５】粗アライメント系１０１、１０１’の位置
合わせ方法は、画像認識によるもので、レチクル２０６
上の十分離れた位置に刻まれている第１のアライメント
マーク２０５、２０５’と、ウェハ２１４上の所定の位
置にあらかじめ刻印されている第２のアライメントマー
ク２１３、２１３’、および粗アライメント系１０１、
１０１’に内蔵されている認識マーク２１５、２１５’
の３種類のマーク像をそれぞれ光学的に１つの合成像に
し、それを画像認識の手法による処理を行いＸ、Ｙ軸方
向の大まかな位置合わせをおこなう。

【００２６】その後、レチクル２０５の十分離れた位置
に刻まれている格子方向の直交した２つの回折格子２０
４、２０４’を、精密アライメント用光源２０３からの
２周波光で垂直上方より照明し、適当な空間フィルタと
偏光板を通過させることにより、０次と高次回折光を遮
り±１次回折光のみ選択し、なおかつ回折光が１周波の
直線偏光光だけからなるような状態で投影レンズ２０７
に入射させる。

【００２７】具体的にいえば、例えば、光源２０３から
の２周波光の振動数がそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、
回折格子２０５、２０５’を透過してきた回折光はどれ
も２周波光Ｆ１、Ｆ２が存在するのだが、２周波光が振
動数によって異なる偏光面を持つという特性を利用し、
偏光板を用いて一つの直線偏光光のみ抽出すれば、＋１
次回折光に振動数Ｆ１の光のみが、また、−１次回折光
には振動数Ｆ２の光のみが存在するようにすることがで
きる。

【００２８】以上のような状態で、投影レンズ２０７を
通過してきた±１次回折光は、ウェハ２１４上の所定の
位置にあらかじめ刻印されている格子方向の直交した２
つの回折格子２１１、２１１’上で一つのスポットを形
成し、その回折格子２１１、２１１’の反射回折光２１
２、２１２’は、同一光路を鉛直上方に向かう。

【００２９】反射回折光２１２、２１２’は、精密アラ
イメント系２、２’で各々干渉光となり、精密アライメ
ント用光源から出射される２周波光の差周波数で明滅を
繰り返すビート光となる。

【００３０】そのビート光の位相変化を計測し、それら
の結果を用いることにより、より精密な位置合わせを行
う。

【００３１】粗アライメント系１、１’と精密アライメ
ント系２、２’からの位置計測値を基に、制御系２０９
を通じてステージ２１０を駆動しレチクル２０６に対す
るウェハ２１４の位置合わせを行うのが、従来の位置合
わせ装置の動作である。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成では下記の課題を有していた。

【００３３】

【００３４】

【００３５】まず、レチクル、ウェハ上の回折格子、ア
ライメントマークが各々別々の離れた位置にあるため、
粗アライメントと精密アライメントを行う位置が異なる
ことになり、プロセスを経ることによるウェハ面の伸縮
や温度変化などの外乱を受け易くなり、位置合わせ精度
が低下するという課題を有していた。

【００３６】さらには、実際の使用上において、何回も
プロセスを経ることによる回折格子の劣化が、位置合わ
せ精度に影響することを回避するため、旧回折格子を基
準に新しく回折格子を打ち直すという回折格子の更新の
機会が何度かある。

【００３７】しかし、この場合、新回折格子が旧回折格
子に対し十分な精度で更新され、新回折格子に十分正確
な位置合わせを行っても、度重なる更新の度に位置合わ
せの残存誤差が加算される場合があり、総合的な位置合
わせ精度が悪化するという課題が生じる。

【００３８】また、第２の回折格子２１１、２１１’に
入射する精密アライメント用光源２０３からのコヒーレ
ント光のスポットサイズが、回折格子の面積よりも大き
い場合、回折格子以外からの乱反射光、特に荒れた反射
面にコヒーレント光が反射された際に発生するスペック
ル光がビート光に混入し、検出信号のＳ／Ｎが低下する
ため位置合わせ精度が悪くなるという課題も存在した。

【００３９】また、ウェハが投影レンズ直下に搬送され
る前に、何らかの手段でレチクルとウェハとの回転角度
のずれを十分な精度で除去しておくことが必要であるこ
とは上述した通りである。

【００４０】そのため、現在の投影レンズの高ＮＡ化傾
向により、投影レンズ下面とウェハ面との間隔を十分に
とれないことをも考慮し、通常は投影レンズの直下以外
の場所で回転角度のずれを除き、その後ステージを高い
精度で平行移動させ露光位置にウェハをセットする。

【００４１】ところが、移動の際、やはりステージの移
動誤差に起因するレチクルとウェハの回転角度のずれが
生じることは免れ得ず、位置合わせ精度の低下を招いて
しまう。

【００４２】また、気圧、温度、湿度などの投影レンズ
周囲の環境変動などにより、投影レンズのレチクルパタ
ーンのウェハへの投影倍率が変化するが、従来例の構成
ではこの投影倍率の変動を実際に重ね合わせ露光を行う
まで知ることができないという課題もあった。

【００４３】また、周囲環境の変化によって、粗アライ
メント系１、１’や精密アライメント系２、２’の各々
の経路が独立した光路長変動を受けた場合、光路長変動
によるビート光の位相変化と純粋にレチクルとウェハの
位置ずれによる位相変化とを判別することが不可能なの
で、位置合わせ精度が著しく低下するという課題も有し
ている。本発明は、上記従来例の問題点を解決するもの
で、露光装置周囲の環境に影響されない、プロセスの影
響を被り難い、高精度かつ高安定な位置合わせ装置を搭
載した露光装置を提供することを目的とする。

【００４４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、第１物体のパターンを第２物体に投影光
学系を介して投影露光するための露光装置であって、前
記第１物体および／または前記第２物体に設けられた第
１のマーク部と、前記第１のマーク部とは別個に設けら
れた第２のマーク部とによって形成されるモアレ縞を利
用して前記第１物体および第２物体の相対的位置合わ
せ、または前記第１物体および／または第２物体の絶対
的位置合わせを行う位置合わせ手段と、前記モアレ縞を
利用して前記投影光学系の投影倍率を検出し、前記投影
光学系の投影倍率を制御する手段とを有する露光装置で
ある。

【００４５】ここで、具体的には、モアレ縞はその形状
が検出され、投影光学系の投影倍率を制御する手段は、
前記投影光学系の投影倍率が実質的に一定となるように
制御する構成が好適である。

【００４６】また、更に、第１のマーク部からの出射光
を撮像する撮像手段を有して、第２のマーク部が、例え
ば画素が２次元状に配列されたＣＣＤである撮像手段に
形成されてもよい。

【００４７】また、第１のマーク部および第２のマーク
部は、ともに少なくとも一部に直線部を有する形状であ
り、前記第１のマーク部と第２のマーク部の直線部は略
同一方向に延在することが好適である。

【００４８】そして、位置合わせ手段は、第１のマーク
部の直線部の延在部分と第２のマーク部の内の前記第１
のマーク部の直線部の延在部分に対応した部分とを光学
的に合成してもよい。

【００４９】更に、位置合わせ手段は、振動数の異なる
２つのコヒーレント光で第１物体および／または第２物
体の回折格子状マーク部を照明することによって得られ
る光信号から、前記第１物体および第２物体の相対的位
置、または前記第１物体および／または第２物体の絶対
的位置を計測する計測手段を有していてもよい。

【００５０】更に、位置合わせ手段は、振動数の異なる
２つのコヒーレント光が回折格子状マーク部の一部を照
明するように前記コヒーレント光を制御する制御手段を
有することもでき、この制御手段は、振動数の異なる２
つのコヒーレント光が第１物体および／または第２物体
の回折格子状マーク部の内部を照明するように、前記コ
ヒーレント光の光束を制限する開口手段であることが好
適である。また、この開口手段は、振動数の異なる２つ
のコヒーレント光の光束を制限し、前記光束の光軸と交
差するように移動可能であることが好適である。

【００５１】また、位置合わせ手段は、第１物体および
第２物体の相対的位置合わせ、または前記第１物体およ
び／または第２物体の絶対的位置合わせを行なう検出精
度が相対的に高い精密アライメント系と、相対的に検出
精度が低い粗アライメント系を含み、前記粗アライメン
ト系と前記精密アライメント系とが、共通の光軸を有す
る光学系を備えた構成でもよい。

【００５２】ここで、粗アライメント系は、第１および
／または第２物体の第１のマーク部と粗アライメント系
の第２のマーク部の少なくとも一部を、同一画面にとら
えて画像処理することによって、第１物体および／また
は第２物体の位置合わせを行い、精密アライメント系
は、コヒーレント光を出射する光源を有し、粗アライメ
ント系は、更に、第１および／または第２物体の第１の
マーク部の少なくともコヒーレント光が入射する領域
を、画像処理に用いる画面から排除する排除手段を有す
ることが好適で、この排除手段は、コヒーレント光が入
射する領域からの出射光の光軸に対して交差するように
移動可能な透明基板上に形成された遮蔽マークであって
もよい。また、精密アライメント系において、振動数の
異なる２つのコヒーレント光が実質的に同一光路を通過
する構成を有していてもよい。

【００５３】

【作用】上記構成により、認識マークに付加された格子
と回折格子とによって生成されるモアレパターンが観測
され、１つの位置合わせ装置で回転角度と１つの方向の
平行移動量を計測することができるので、露光中におけ
る回転角度の測定が可能になる。

【００５４】更に加えて、モアレパターンの観測より常
時投影レンズの投影倍率をモニター可能な倍率を一定に
する手段を露光装置に付加しているため、周囲環境の変
動に影響されにくい高安定かつ高精度な露光装置を提供
できる。

【００５５】また、特にウエハ上の回折格子よりも、コ
ヒーレント光のスポットサイズを小さくでき、位置合わ
せ精度の向上を図れる。

【００５６】また、回折格子とアライメントマークを隣
接させたことによって粗、精密アライメントを被計測物
体の同一場所で行なえるようになったこと、アパーチャ
を装備することによって散乱光の信号への混ざり込みを
低減できるようになったこと、更には、２周波光を同じ
光路を通過させることによる温度、湿度、気流などの装
置周囲の環境変動に対応した光路長の変化に起因した位
置合わせ精度の悪化を除去することにより、より高精度
な位置合わせ装置を有した露光装置を提供することが可
能になる。

【００５７】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の一実施例について図面を参
照しながら詳細に説明する。

【００５８】図１は、本発明の第１実施例におけるＸ軸
粗および精密アライメント系の装置構成の概略図であ
る。

【００５９】図１において、１はレチクル、２は第１の
回折格子、３はレチクル用精密アライメント系、４は振
動数ｆ＋Ｆ１とｆ＋Ｆ２の２つのコヒーレント光を発生
する光源、５はウエハ用精密アライメント系、６はレチ
クル用精密アライメント系３、ウェハ用精密アライメン
ト系５からのビート信号の位相差を検出する位相比較
器、７は制御系、８は位相比較器６によって検出された
位相差をもとに制御系７により移動されせレチクル１と
ウェハ９の精密アライメントを行うステージ、９はウエ
ハ、１０は第２の回折格子、１１はレチクル１のパター
ンをウェハ９上に転写する投影レンズ、１２は画像認識
の手法による大まかな位置合わせを行う粗アライメント
系、１３は第１のアライメントマーク、１４は第２のア
ライメントマークである。

【００６０】図１には図示省略されているが、Ｘ軸精密
アライメント系と同一光学系構成のＹ軸精密アライメン
ト系が従来例と同様に配置されており、あらかじめ回転
誤算の除去されたウェハ９とレチクル１との平行移動量
を前記２つの精密アライメント系で測定する。

【００６１】以上のように構成された位置合わせ装置に
ついて、図１を用いて装置全体の構成、動作をより詳細
に説明する。

【００６２】最初に、粗アライメント系１２について説
明する。まず、レチクル１上のアライメントマーク１
３、及びウェハ９の所定の位置に刻印されたアライメン
トマーク１４と、粗アライメント系１２の内部にある基
準となる認識マークを光学的に合成する。

【００６３】得られた合成像を利用し、画像認識的手法
を用いてレチクル１とウェハ９の相対的位置関係を計測
し、大まかな位置合わせを行う。なお、同様な画像認識
的手法によりレチクル１とウェハ９は、各々所定の基準
位置に対して絶対的な位置合わせをすることも可能であ
る。

【００６４】以上のように、この粗アライメント系１２
の光学系の基本的構成は上記従来例と同様である。

【００６５】なお、粗アライメント系１２は、同一視野
内にアライメントマーク１３、１４をとらえなければな
らいので、アライメントマーク１３、１４のそれぞれの
レチクル、ウェハ上での位置は投影レンズ１１に対して
光学的共役関係になくてはならない。

【００６６】つまり、アライメントマーク１３の投影レ
ンズ１１による像の位置に、アライメントマーク１４が
刻印されていなければならない。

【００６７】次に、ウェハ用精密アライメント系５につ
いて説明する。光源４から射出された２周波光ｆ＋Ｆ
１、ｆ＋Ｆ２は、途中で、レチクル用精密アライメント
系３用の２周波光とウェハ用精密アライメント系５用の
２周波光とに二分される。

【００６８】分離された一方の２周波光は、ウェハ用精
密アライメント系５により、ウェハ９に対し、その法線
に関して各々角度θ１、θ２で入射するような角度で、
投影レンズ１１に落射される。

【００６９】角度θ１、θ２は特別な角度で、以下で詳
しく説明するが、θ２は、θ１で入射してきたコヒーレ
ント光の１次反射回折角で、θ１は、θ２で入射してき
たコヒーレント光の−１次反射回折角である。

【００７０】このように、２周波光の入射角度を選ぶ
と、例えば、ｆ＋Ｆ１が角度θ１で入射したとすると、
ｆ＋Ｆ１の１次回折光が角度θ２をもって反射され、角
度θ２で入射したｆ＋Ｆ２の−１次回折光が角度θ１で
もって反射され、各々他の入射光線と同一経路を逆にた
どり、ウェハ用精密アライメント系５で干渉され、ビー
ト光を生成するようにすることができる。

【００７１】レチクル用精密アライメント系３のついて
も、ウェハ用精密アライメント系５と同様な光学系の構
成で、二分後の光源４からの２周波光の残り一方が、回
折格子２に対して入射角度θ１’、θ２’で一つのスポ
ットを形成するよう入射され、その±１次反射回折光
は、互いに他の入射光と同一光路を逆にたどり、レチク
ル用精密アライメント系３で干渉光となり、ビート光を
生成する。

【００７２】ここで、入射角度θ１’、θ２’の関係は
ウェハアライメント系５のときと同様に、回折格子２に
角度θ１’で入射した光線の１次反射回折角がθ２’、
回折格子２に角度θ２’で入射した光線の１次反射回折
角がθ１’である。

【００７３】以上のようにして、２つの精密アライメン
ト系３、５からの２つのビート信号が得られるが、それ
ら２つのビート信号の位相差を、位相比較器６で測定
し、それよりウェハ９とレチクル１の相対的位置ずれ量
を算出し、制御系７により位置ずれ量がゼロかあるいは
所定の値になるようステージ８を移動し位置合わせを行
うのが、本発明の第１の実施例における位置合わせ装置
の動作である。なお、この場合、各ビート信号の位相を
基準信号の所定の位相と比較して、ウェハ９、レチクル
１の絶対位置をも求めることもできる。

【００７４】このように２周波光ｆ＋Ｆ１、ｆ＋Ｆ２を
ウェハ９に対し異なる角度θ１、θ２で回折格子１０へ
入射し、また、レチクル１対し異なる角度θ１’、θ
２’で回折格子２に入射させることによって、反射回折
光を同一光路を通過させることが可能となる。

【００７５】そのために、本発明では上記従来例で問題
となっていた周囲の環境変動による位置測定精度の悪化
を防ぐことができる。

【００７６】では、次に２つのコヒーレント光ｆ＋Ｆ
１、ｆ＋Ｆ２の回折格子への入射角度を、実際にどのよ
うにとればよいかについて図２を参照しながら以下詳細
に説明する。

【００７７】図２は、ウェハ上の回折格子に対して垂
直、回折格子平面の法線に対して平行な断面から見た回
折光の経路を示している。

【００７８】Ａ、Ｂは回折格子の格子点で、２点の間隔
はＰである。ＬＡは点Ａに、ＬＢは点Ｂに入射する光線
で、両光線とも入射角はθｉｎ、回折角はθｏｕｔであ
る。

【００７９】すなわち、図２は一つのコヒーレント光束
が回折格子に角度θｉｎで入射し、その回折光が角度θ
ｏｕｔで反射されている状態を表現している。

【００８０】ここで、回折条件は、光線ＬＡと光線ＬＢ
の光路長差（ｘ１−ｘ２）が、コヒーレント光の波長の
整数倍に等しいということである。

【００８１】よって、入射角θｉｎの光線の１次回折光
が角度θｏｕｔでもどってくる場合、両角度θｉｎ、θ
ｏｕｔの関係は以下の（数１）のようになる。

【００８２】

【数１】

【００８３】一方、入射角θｏｕｔの光線の−１次回折
光が角度θｉｎでもどってくる場合、両角度の関係は
（数２）のようになり、（数１）と一致する。

【００８４】

【数２】

【００８５】よって、２つの光線を（数１）の関係を満
足するような角度で、ウェハ上の回折格子に入射させれ
ば、その±１次回折光は２つの入射光線と同じ光路を経
て、精密アライメント系にもどってくることがわかる。

【００８６】例として、波長６３３ｎｍのヘリウムネオ
ンレーザを用い、θｉｎ＝８°、Ｐ＝８μｍとした場
合、θｏｕｔ＝１２．６°とすれば上記光学系を実現で
きることが（数１）から求めることができる。

【００８７】次に、光源４と精密アライメント系の光学
系構成について、図を参照しながら詳細に説明する。

【００８８】まず、本発明の実施例における光源４の光
学系の構成について、図３を参照しながら詳細に説明す
る。

【００８９】図３において、１５は単一周波数の直線偏
光光を発生するレーザ、１６はビームスプリッタ、１
７、１７’は音響光学変調器である。

【００９０】ウェハ上での位置合わせ場所は露光位置に
極めて接近しているため、光源４のレーザ１５の発振波
長は、露光波長と異なっていなければならない。

【００９１】以上のように構成された光源４について、
図３を用いて、その構成、動作を説明する。

【００９２】まず、レーザ１５から、偏光面が図３の紙
面に垂直（Ｓ偏光）で振動数ｆの直線偏光光が発射され
る。

【００９３】射出光線はビームスプリッタ１６によって
二分され、内部振動子の振動数がそれぞれｆ’＋Ｆ１、
ｆ’＋Ｆ２の音響光学変調器１７、１７’によって周波
数変調を受け、振動数（ｆ＋ｆ’）＋Ｆ１、（ｆ＋
ｆ’）＋Ｆ２でそれらの振動数差が（Ｆ１−Ｆ２）のＳ
偏光光になる。

【００９４】変調された２つの光線は、ミラーなどで近
接した平行光線に矯正され、精密アライメント系へ向か
う。

【００９５】ここで、近接した平行光線にする理由は、
本発明の実施例において、この領域が２つの光線が独立
の光路を経る部分で、空気の揺らぎなどの影響を受け易
い唯一の部分である。

【００９６】よって、そのような影響を低減化するため
に、２つの光線が混じり合わない程度に、できるだけ２
つの光線を近接させるのである。

【００９７】ここで、以下、音響光学変調器を使用する
場合の効果について述べる。周波数のわずかに異なる２
つの光を発生する光源としては、２周波ゼーマンレーザ
の使用も考えられるが、ゼーマンレーザからの２周波光
を各周波に完全に分離することは不可能で、分離後の単
一周波光に若干ながら他の周波の混ざり込むという現象
が存在する。

【００９８】このような混ざり込みがあると、ウェハか
らの反射回折光がビート光を生成し、その位相から回折
格子の位置ずれを測定する際に、実際の位置ずれ量とか
なり異なる測定値を計測するという問題が生じる。

【００９９】また、２周波ゼーマンレーザからの２周波
光中には高調波成分がわずかに混入しており、これも実
際の値と異なる測定値を返す一原因である。

【０１００】以下で詳述するが、純粋な２周波光の反射
回折光がビート光を生成した場合に限り、ビート光の位
相と回折格子の移動量は線形関係にあるが、２周波の混
ざり込みがあると、この線形関係が崩れるてしまう。

【０１０１】そのため、実際の位置ずれ量と測定値が異
なり、位置合わせ精度が悪化することになる。

【０１０２】そこで、わずかに周波数の異なる単一周波
光を音響光学変調器を用いて、独立に生成すれば、完全
にこの混ざり込みがなくなり、位置合わ精度は理論通り
保証される。

【０１０３】次に、レチクル用精密アライメント系３、
ウェハ用精密アラメント系５の光学系構成について、図
４を参照しながら、その構成、動作について詳細に説明
する。

【０１０４】ただし、ウェハ用精密アラメント系３とレ
チクル用精密アラメント系５の光学系構成は全く同一で
あるので、以下では両者を精密アラメント系と略記し区
別しないことにする。

【０１０５】図４は本実施例における精密アラメント系
の光学系構成図である。図４において、１８は１／２λ
板、１９は偏光ビームスプリッタである。

【０１０６】ここで、光源４から出射された２周波光ｆ
＋Ｆ１、ｆ＋Ｆ２の偏光面の方向を、光軸に対し回転可
能な偏光板の機能を有する１／２λ板１８で、偏光ビー
ムスプリッタ１９の偏光軸方向に合わせる。

【０１０７】２０は１／４λ板、２１は落射光学系、２
２は１／２λ板、２３は偏光ビームスプリッタ、２４は
偏光板、２５は全反射ミラー、２６はビート光検出器、
５２は回折格子である。

【０１０８】以上のように構成された精密アラメント系
について、図４を参照しながらその動作を詳細に説明す
る。

【０１０９】まず、光源４からの２つの単一周波光ｆ＋
Ｆ１とｆ＋Ｆ２の偏光面は、１／２λ板１８によってＰ
偏光に矯正される。

【０１１０】Ｐ偏光になった２つの光線は、偏光ビーム
スプリッタ１９を通過し、１／４λ板２０で円偏光光に
される。

【０１１１】２つの円偏光光は落射光学系２１により、
レチクルあるいはウェハ平面に対しそれぞれ角度θｉ
ｎ、θｏｕｔで入射する。

【０１１２】ここで角度θｉｎ、θｏｕｔは図２を用い
て説明した特別な角度であり、この入射角度を満足する
かぎり、回折格子５２からの±１次回折光は、同じ経路
を通り再び落射光学系２１に戻ってくる。

【０１１３】戻ってきた±１次回折光は再び１／４λ板
２０を通過し、円偏光がそこでＳ偏光になる。

【０１１４】Ｓ偏光になった２つの回折光は偏光ビーム
スプリッタ１９で反射し、光線２７、２８になる。

【０１１５】Ｓ偏光の光線２７は、１／２λ板２２によ
り偏光面を９０°回転させられＰ偏光光になり、偏光ビ
ームスプリッタ２３を通過する。

【０１１６】もう一方の回折光２８は、全反射ミラー２
５で偏光ビームスプリッタ２３方向に反射され、光線２
８はＳ偏光光であるため、偏光ビームスプリッタ２３の
反射面で全反射され、以降光線２７と光路を共有するこ
とになる。

【０１１７】Ｐ偏光の光線２７とＳ偏光の光線２８は、
そのままでは干渉しないので、光線２７、２８の偏光面
に対して偏光軸が特定の角度をなすように置かれた偏光
板２４を通過させることによって偏光面を揃える。

【０１１８】偏光板２４の偏光軸の角度は、光線２７、
２８の振幅に対応して決定され、ビート光のＡＣ成分の
割合が高くなるように選択する。

【０１１９】例えば、光線２７、２８の振幅が等しい場
合は４５°の角度で設置すれば良い。

【０１２０】さて、偏光板２４を通過して、はじめて２
つの光線２７、２８は干渉し、ビート光２９を生成する
が、ビート光２９は検出器２６で電気信号に変換され、
信号の位相が検出される。

【０１２１】ここで、ビート光は次の（数３）で示され
る量に比例する。

【０１２２】

【数３】

【０１２３】ここで、Ａ１、Ａ２はそれぞれ光線２７、
２８の振幅、ｔは時間、θは位相定数で２光線の位相差
である。

【０１２４】また、Φは回折格子の位置変化に依存して
変化する位相定数で、回折格子の格子に垂直な方向への
移動量Δｘと次の（数４）で示される線形関係が存在す
る。

【０１２５】

【数４】

【０１２６】ここで、Ｐは回折格子２２の格子定数であ
る。このビート光の位相Φを計測すれば、（数４）に従
って回折格子の移動量Δｘを計測できることになる。

【０１２７】実際には、図１を参照して簡単に説明した
が、実際の位置合わせは（数５）に示すように、レチク
ル、ウェハ用精密アラメント系３、５から得られたビー
ト信号の位相Φ［レチクル］とΦ［ウェハ］との差より
位置合わせを行う。

【０１２８】

【数５】

【０１２９】最後に、なぜ精密アラメント系以外に粗ア
ラメント系が必要になるか、具体的に説明する。

【０１３０】（数３）、（数４）をみればわかるよう
に、移動量ΔｘがＰ／２以上になるとビート光の位相が
２π以上変化するため、精密アラメント系はＰ／２を越
える回折格子の移動量を計測することができない。

【０１３１】そのため、図１で説明したようにＰ／２を
越える位置情報をとらえることができる粗アラメント系
が必要になるのである。

【０１３２】以上、本実施例においては、光源４からの
２つの単一周波光ｆ＋Ｆ１、ｆ＋Ｆ２を、回折格子５２
に対し、（数１）を満足する角度で入射させることによ
り、２つの光線がビート光を生成するまで実質的に同等
の光路を経ることになるため、光路途中の空気のゆらぎ
などによる測定精度の悪化を解消できる。

【０１３３】特にウェハ用精密アラメント系５において
は露光装置の構造上、精密アラメント系からの２つの光
線が回折格子にあたり反回折光が再びアラメント系に返
ってくるまで大変長い光路を経ることになるので、本発
明の効果は非常に高く現出する。

【０１３４】また、光源４において、２周波光の生成を
音響光学素子を用いて各周波ごと独立に行うようにした
ことと、精密アラメント系の光学構成を混ざり光の少な
以上対を維持できるようにしたため、２周波光の混入が
なくなり位置測定の信頼性が向上する。

【０１３５】（実施例２）さて、上記第１の実施例で
は、ウェハ、レチクルの回折格子サイズが、レーザ光ス
ポットサイズより小さくなった場合のことが考慮されて
いなかった。

【０１３６】おこで、次に述べる本発明の第２の実施例
では、レーザ光のスポットサイズが常に回折格子サイズ
より小さくするよう、アパーチャを精密アラメント系直
前に配置してある。

【０１３７】以下、第２の実施例の光学系構成につい
て、図５から図８を参照し詳細に説明する。

【０１３８】従来例および第１の実施例は、位置合わせ
場所、すなわちウェハ上の回折格子場所と露光位置とが
実質的に一致する位置合わせ、いわゆるＯｎ Ａｘｉｓ
アライメント用の光学系であるため、回折格子の大き
さをあまり大きくすることができない。

【０１３９】そのため、光源４のレーザ管からの出射光
をそのまま使用すると、ウェハ上でのスポットサイズが
回折格子より極めて大きくなり、回折格子以外の領域ま
で照明することになる。

【０１４０】一方、ウェハ表面自体は、多数回のプロセ
スを経るに従い、荒れた反射面になってしまう。

【０１４１】図８に示したように、コヒーレント光５１
が荒れた反射面を照明領域５４として照明すると、その
面の荒れ具合にも依存するが、反射光５７に、回折光５
５のみならずスペックル光５６とよばれる散乱光成分が
混ざるようになる。

【０１４２】スペックル光５６は、図８に示したよう
に、無秩序に光斑が散乱したような散乱光で、空間的強
度分布がかなり大きい。

【０１４３】そのため、従来例及び第１の実施例におけ
る精密アライメント系で測定されるビート光にスペック
ル光が混入すると、回折格子の移動に伴いビート光強度
が大幅に変動するため、位置合わせ精度が悪化してしま
う。

【０１４４】そこで、本発明の第２の実施例では、図５
に示すように、レーザ光が精密アライメント系に入る直
前にアパーチャを通過させることによってビーム径を絞
り、スポットサイズが回折格子より常に小さくなるよう
にする。

【０１４５】そうすることにより、スペックル光のビー
ト光への混入が効果的に防止され、位置合わせ精度が向
上させることが可能になる。

【０１４６】以下、本発明の第２の実施例における構成
について、図５を用いて詳細に説明する。

【０１４７】第２の実施例と第１の実施例との相違は、
光源４と精密アライメント系の間にビーム径縮小光学系
なる部分を挿入したことのみで、他の装置構成は同様で
あるので、以下ではビーム径縮小光学系の説明のみ行
う。

【０１４８】図５において３０、３０’はビーム径縮小
光学系で、それ以外は図１の第１の実施例と同様な装置
構成である。

【０１４９】以上のような位置に装備されたビーム径縮
小光学系３０、３０’は、両方とも全く同じ光学系構成
であるため、以下では両者を区別せずビーム径縮小光学
系３０のみ説明する。

【０１５０】ビーム縮小光学系３０の装置構成の詳細に
ついて図６を参照し説明する。図６はビーム縮小光学系
３０の概略構成図である。

【０１５１】図６において、３１は第１の光学系、３２
はアパーチャ、３３は第２の光学系である。

【０１５２】光源４からの２つの光線は、第１の光学系
３１によってアパーチャ３２で一つのスポットを形成す
る。

【０１５３】アパーチャ３２には開口があり、そこを光
線が通過することによってビーム径が絞られる。

【０１５４】絞られた光線は第２の光学系３３によって
再び平行光線に矯正され、精密アライメント系に向か
う。

【０１５５】ここで、アパーチャ３２の開口の大きさ
は、２光線の回折格子上でのスポットサイズが回折格子
サイズより小さくなるように選ばれる。

【０１５６】このアパーチャ３２によって、レーザ光が
回折格子外部を照明しなくなることから反射回折光にス
ペックル光が混入する割合が減少し、精密アライメント
系で測定されるビート光のＳ／Ｎが高くなり位置合わせ
精度が向上する。

【０１５７】以上のように、本実施例によれば、回折格
子上での２つの光線のスポットサイズが、回折格子サイ
ズより小さくなるようにするためのアパーチャ３２を装
備することにより、プロセスによるウェハ表面の荒れに
極めて強い、位置合わせ装置を提供することができる。

【０１５８】なお、図５を用いて説明した第２の実施例
の位置合わせ装置の露光装置への搭載例は第１の実施例
と同様な装置構成であったが、図７に示すように、従来
例の装置構成にアパーチャ３２を挿入することによって
も、上記第２の実施例と同様の効果が得られる。

【０１５９】図７において、精密アライメント用光源２
０３の後にアパーチャ３２が付加されているが、それ以
外は図２５における従来例の装置構成と同様である。

【０１６０】このアパーチャ３２によって、精密アライ
メント用光源２０３からの出射光線を絞ることによっ
て、ウェハ上の回折格子サイズよりスポットサイズを小
さくし、位置合わせ精度を向上させることが可能であ
る。

【０１６１】（実施例３）次に、本発明の第３の実施例
について、図９から図１１を用いて詳細に説明する。

【０１６２】本実施例においては、第２の実施例のビー
ム径縮小光学系３０、３０’に対応したビーム縮小光学
系を除き、他の装置構成は第２の実施例と同様である。

【０１６３】以下、本実施例のビーム径縮小光学系につ
いて、ビーム径縮小光学系３００に代表して詳細に説明
する。

【０１６４】図９は、本発明の第３の実施例におけるビ
ーム径縮小光学系の構成図を示している。

【０１６５】図９において、３４は光路選択用制御系
で、これによってアパーチャ３２をアパーチャ平面に平
行な方向に２次元的に移動させることが可能である。

【０１６６】以上の装置構成を有したビーム径縮小光学
系３００において、以下その動作について図１０から図
１１をも用いて説明する。

【０１６７】アパーチャ３２を移動させることにより、
アパーチャ３２の開口部も移動するのだが、開口部がア
パーチャ面における入射光線スポット内にある限り、絞
られたあとの光線６０がアパーチャ３２の移動に従って
平行に移動する。

【０１６８】アパーチャ３２に絞られた後の光線が、Ｘ
軸、Ｙ軸について平行移動している様子が図１０に模式
的に示されている。

【０１６９】さて、精密アライメント系に入射する平行
な２光線は、アパーチャの移動により２光線とも互いの
距離を変えず平行に移動するので、２光線６０は、やは
りウェハ、レチクル上の異なった場所で１つのスポット
を形成する。

【０１７０】互いに近接して複数の回折格子が存在する
場合、上述したアパーチャ３２の移動によって望む回折
格子上にスポットが形成させることができるので、回折
格子の方を移動させることなく、所望の位置の回折格子
に位置合わせができることになる。

【０１７１】具体的には、図１１において、光線の平行
移動によって所望の回折格子だけが照明されている様子
が模式的に示されている。

【０１７２】アパーチャ３２によって絞られ平行移動に
より位置合わせをされた精密アライメント光学系からの
２光線６０は、アパーチャによって絞られない場合のス
ポット６２に比較して、より的確に所望の回折格子を照
明することができる。

【０１７３】一般には、例えばＩＣのような半導体装置
として完成するまでに、ウェハは何回ものプロセスを経
る。

【０１７４】これ故に、ウェハに刻印された回折格子は
プロセスを経るに従い劣化し、格子パターンの乱れや崩
れが生じてくる。

【０１７５】格子パターンの劣化が大きくなると、それ
による回折光強度の低下やビート光検出器でとらえられ
る信号のＳ／Ｎの低下が問題になってくる。

【０１７６】このような問題を回避するために、一般に
は格子パターンの劣化が顕著になる前に古くなった回折
格子の近傍に新しく回折格子を打ち直す。そして更新さ
れた回折格子をもとにして位置合わせを行うのである。

【０１７７】新回折格子は旧回折格子で位置合わせを行
った後に所定の位置に刻印されるので、新旧回折格子の
相対的位置関係は完全に設計値通りにはならず、位置合
わせ誤差を含んだ値になる。

【０１７８】そのため、上記のような回折格子の更新が
度重なると、最新の回折格子に対して十分に位置合わせ
がなされていても、総合的位置合わせ精度が期待できな
くなる場合がある。

【０１７９】回折格子の更新における位置合わせ誤差の
加算の影響を抑えるためには、回折格子が更新される度
に新旧回折格子の相対的位置関係をあらかじめ測定して
おき、その結果を新回折格子での位置合わせ過程に盛り
込むことが必要になる。

【０１８０】すなわち、位置合わせ装置に、位置合わせ
用の回折格子の選択機構が備わっていない従来の場合に
おける新旧回折格子位置関係の測定方法は、まず旧回折
格子で位置合わせをしたのち、十分な並進精度と測長手
段を有したステージで新回折格子を位置合わせ装置の測
定領域内に導入し位置合わせを行い、ステージの測長手
段によってステージ移動量を読み取ることによって新旧
回折格子の相対的位置関係の設計値からのズレ量を求め
るものである。

【０１８１】ところが、このような方法を用いる限りス
テージの移動誤差が必ず測定値に含まれることになり、
やはり総合的な位置合わせ精度の向上は望めない。

【０１８２】つまり、新旧回折格子間の具体的な位置誤
差は、旧回折格子をもとに新回折格子が刻印されたこと
を考えると、必ず回折格子の格子定数Ｐを越えないはず
で、精密アライメント系の測定精度と同程度である。

【０１８３】そこで、本実施例においては、位置合わせ
装置の方に回折格子の選択手段を持たせた構成を有す
る。

【０１８４】ゆえに、旧回折格子で十分な位置合わせを
行い、その状態のままステージを移動させず、アパーチ
ャ３２の移動のみによって、新回折格子を測定領域に導
入し、精密アライメント系で位置ズレ量を測定すれば、
その値が即旧回折格子を基準にした新回折格子の刻印位
置誤差となり、回折格子間の測定値にステージの移動精
度が影響するという上記の問題はなくなるのである。

【０１８５】以上のように本第３の実施例によれば、光
路選択用制御系３４を設けたことによってウェハ，レチ
クルを移動させることなく目的の回折格子を測定領域に
導入することができるため、回折格子の更新があった場
合に、旧回折格子に対する新回折格子の位置を高精度で
測定できる。

【０１８６】よって回折格子の更新が度重なっても、総
合的位置合わせ精度の悪化の少ない位置合わせ装置を提
供することができる。

【０１８７】（実施例４）以下本発明の第４の実施例に
ついて図面を参照しながら詳細に説明する。

【０１８８】図１２において、３５はハーフミラーで、
他の装置構成は第１の実施例と同様である。

【０１８９】図１２に示すように、ハーフミラー３５
を、光源４とレチクル用精密アライメント系３間の光路
に配置することによって、粗アライメント系光路とレチ
クル用精密アライメント系光路を一致させることができ
るようになるため、アライメントマークと回折格子を接
近させることが可能となる上に、粗アライメント系１２
において、アライメントマークと回折格子像を同一視野
にとらえることが可能となる。

【０１９０】以上のように構成された位置合わせ装置の
粗アライメント系１２について、以下、図１３を参照し
より詳細に説明する。

【０１９１】図１３は、粗アライメント系の光学系概略
構成図である。図１３において、３６はアライメントマ
ーク、３７、４０、４１、４３はレンズ、３８はミラ
ー、４２は認識マーク、４４は受像部である。

【０１９２】以上のように構成された粗アライメント系
において、以下その動作について説明する。

【０１９３】照明光は、レンズ４０を通過し、ハーフミ
ラー３９で粗アライメント光軸に導入される。

【０１９４】照明光は、ミラー３８、レンズ３７によっ
てアライメントマーク３６を照明し、アライメントマー
ク３６からの散乱光は、レンズ４１によって、認識マー
ク４２面上で像を結ぶ。

【０１９５】そこで、アライメントマーク３６の像と認
識マーク４２の像が光学的に合成され、この合成像は、
レンズ４３と受像部４４で画像信号に変換される。

【０１９６】ここで、受像部４４としては、例えばＣＣ
Ｄ（固体撮像素子）の使用が可能である。

【０１９７】受像部４４の画像信号を処理することによ
って、アライメントマーク３６と認識マーク４２の相対
的ずれを抽出し、アライメントマーク３６の位置合わせ
を行う。

【０１９８】次に、本実施例で使用可能なアライメント
マーク３６と回折格子２とが、接近したパターンの一例
を図１４に示す。

【０１９９】図１４において、直線状のアライメントマ
ーク３６と直線状の回折格子２が一つの位置合わせマー
クとして統合されている。

【０２００】アライメントマーク部の先端部に、三角形
のパターンが存在するが、これは画像認識でアライメン
トマークを自動的に認識するためのもので、パターン認
識で三角形部分を判別し、他の紛らわしいパターンをと
らえないようにするためのものである。

【０２０１】更に、図１５に、本実施例で使用可能な認
識マークパターンの一例を示す。この認識パターン３６
は、所定幅を有する２辺からなる４つの矩形状図形を、
それらの頂角が対向するように配置したもので、一例と
しては、透明光学基盤の表面にクロームメッキを施した
ものが使用できる。

【０２０２】さて、図１５の認識マーク４２と図１４の
アライメントマーク３６、回折格子２の合成像が図１６
に示してある。

【０２０３】図１６において、アライメントマーク３６
が認識マーク４２に対して若干右方向にずれている様子
が示されている。

【０２０４】受像部４４で撮影された合成像は所定の画
像処理がなされ、図１６に示されているように認識マー
ク４２とアライメントマーク３６のギヤップ間隔Ｘ１、
Ｘ２を検出し、それより位置合わせを行う。

【０２０５】受像部４４で撮影される撮像領域５８は、
図１７に示されているようにアライメントマーク３６と
回折格子２とが入る程度の大きさである。

【０２０６】本実施例においては、粗アライメント系と
精密アライメント系が同じ光路を共有していることか
ら、図１７に示すようにレーザ光のスポット像５９も同
時に撮影される。

【０２０７】これによって、回折格子パターンの崩れや
回折格子の所定の位置にレーザ光がスポットを形成して
いるかを判断できるため、精密アライメント系での測定
ミスの生じる確率を低下させることができる。

【０２０８】以上のように本実施例によれば、粗アライ
メント系１２と精密アライメント系３の光路を一致させ
ることにより、回折格子２とアライメントマーク３６と
を隣接させることが可能になる。

【０２０９】従って、粗アライメントと精密アライメン
トを同一位置で行うことが可能となり、ウェハ面の伸縮
などの影響が排除されることより位置合わせ精度の信頼
性が向上する。

【０２１０】また、回折格子２とアライメントマーク３
６を粗アライメント系で同時に撮影することが可能とな
り、回折格子の格子パターン形状や精密アライメント系
からのレーザ光のスポット位置、スポットの重なり具合
を、位置合わせ最中でも観察することができるようにな
り、精密アライメント系３での測定ミスを効果的に防止
することができる。

【０２１１】なお、図１２を用いて説明した第２の実施
例の位置合わせ装置の露光装置への搭載例は第１の実施
例と同様な装置構成であったが、図１８に示すように、
従来例の装置構成に、ハーフミラー４５、４６、４７、
４８を挿入することによっても、上記第４の実施例と同
様の効果が得られる。

【０２１２】また、本実施例では、レチクル用精密アラ
イメント系３に限定して説明したが、ハーフミラー３５
をウエハ精密アライメント系５の光軸上に同様に配置す
れば、ウエハ精密アライメント系５についても、粗アラ
イメント系と精密アライメントを同一位置で行うことが
可能となる。

【０２１３】（実施例５）以下本発明の第５の実施例に
ついて、図面を参照しながら詳細に説明する。

【０２１４】本実施例においてもハーフミラー３５を有
する点において、第４の実施例と同様であるが、粗アラ
イメント系１２の構成が一部異なる。

【０２１５】本実施例の位置合わせ装置の粗アライメン
ト系１２について、以下、図１９を参照し、より詳細に
説明する。

【０２１６】図１９は、粗アライメント系の光学系概略
構成図である。図１９において、３６はアライメントマ
ーク、３７、４０、４１、４３はレンズ、３８はミラ
ー、４２は認識マーク、４４は受像部、４９は新たに追
加された遮光マークであり、光軸に対してそれを遮るよ
うに進退自在である。

【０２１７】以上のように構成された粗アライメント系
において、以下その動作について説明する。

【０２１８】粗アライメント系光路と精密アライメント
系光路が、ハーフミラー３５により一致しているため、
精密アライメント系用の２本のレーザ光の一部は、認識
マーク４２上で一つのスポットを形成する。

【０２１９】遮光マーク４９は、透明ガラス基板の一部
にクロームメッキなどで遮光部分を設けたもので、この
マークによりレーザ光のスポット像のみ遮蔽することが
できる。

【０２２０】遮光マーク４９は進退自在であるため、受
像部４４により、精密アライメント系のレーザ光のスポ
ット像と、アライメントマーク像の両方ともとらえるこ
ともできるし、また、アライメントマーク像のみとらえ
ることも可能である。

【０２２１】以上のような動作を行う遮光マーク４２を
設けたことによる利点について説明する。

【０２２２】アライメントマーク３６からのレーザ光
は、認識マーク４２でスポットを形成する間に多くの光
学素子を通過するため、乱反射などによる迷光成分が若
干混入している。

【０２２３】レーザ光は干渉性が高いため、たとえ迷光
の強度が低くても干渉現象により、認識マーク４２上で
強度の強い無秩序な光斑を形成する場合がある。

【０２２４】具体的に説明するために、図２０におい
て、遮光マーク４９がない場合の撮像部４４で捉えられ
た撮像領域６３内のアライメントマーク３６と認識マー
ク４２の合成像、回折格子２上に形成されたレーザ光の
スポット像５９、および撮像領域６３中にレーザ光の乱
反射などによる迷光像６５が無秩序に分布している様子
が示されている。

【０２２５】図２０に示されているように、迷光６５の
光斑がアライメントマーク３６像に重なった場合、画像
処理による測長がうまく動作しないことがある。

【０２２６】例えば、アライメントマーク３６と認識マ
ーク４２の輪郭を検出し、相互の距離を計測することに
よって位置合わせを行う場合には、迷光の濃淡を誤って
検出することがあるため、粗アライメント系の信頼性
が、低下してしまうという問題がある。

【０２２７】この問題を解決するために新たに設けられ
たのが遮蔽マーク４９である。画像認識による粗の位置
合わせを行う場合は、遮光マーク４９を粗アライメント
系光路中に導入し、アライメントマーク３６からのレー
ザ光を遮ることにより、迷光を除去する。

【０２２８】また、回折格子パターンの乱れ、及びレー
ザ光スポット６４の様子を観察する場合には、遮光マー
ク４９を光路から除く。

【０２２９】このように遮光マーク４９を進退すること
によって、粗アライメント系が稼働中に精密アライメン
ト系のレーザ光によって発生する迷光６５を除去するこ
とができることから、上記第４の実施例の効果に加え、
更に信頼性の向上を図ることができる。

【０２３０】以上のように、本実施例による粗アライメ
ント系は、進退自在な遮蔽マーク４９を設けることによ
り、迷光に影響されない信頼性の高い粗アライメント系
を提供することができる。

【０２３１】（実施例６）以下本発明の第６の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。

【０２３２】第６の実施例における位置合わせ装置の搭
載例は前記第３の実施例の装置構成図１２と同様、また
粗アライメント系１２の光学系構成も図１３と同様であ
るので、以下では変更した構成である認識マーク６６の
パターン形状について詳細に説明する。

【０２３３】図２１本第６の実施例における認識マーク
６６のパターン形状を示す。図２１において示されてい
るように、前記第３の実施例の十字型の認識マークに隣
接して格子状のパターンが新たに追加された。

【０２３４】格子状のパターンの位置は、ウェハ、レチ
クルの回折格子像と認識マーク６６が合成されたときに
丁度両者の格子像が重なり合うように配置されている。

【０２３５】また、格子縞の間隔は、位置合わせマーク
の回折格子の認識マーク６６上への投影像の格子間隔と
できるだけ等しくなるように選ばれるが、必ずしも完全
に一致する必要はない。

【０２３６】認識マーク６６はＸ−、Ｙ−粗アライメン
ト系両方とも図２１の形状であっても、あるいは、どち
らか一方が図２１の形状で、残り一方が図１５の従来の
形状であってもよい。

【０２３７】以上のように追加された認識マーク４２の
格子状パターンの作用について以下説明する。

【０２３８】図２２は、受像部４４で撮影される位置合
わせマーク３６と認識マーク６６の合成像を示し、２つ
の格子、つまり格子と認識マーク６６の格子状パターン
の重なり合いによって、認識マークの格子縞方向に対し
角度ξをなし、縞間隔がｄのモアレ縞５０が形成されて
いる様子が示されている。

【０２３９】ここで、図２３に詳細に示してあるよう
に、認識マークの格子間隔をｄ１、回折格子の格子間隔
をｄ２、２つの格子が角度θをなして重なり合ったこと
によって認識マークの格子に対し角度ξをなす縞間隔ｄ
のモアレ縞５０が形成されたとすると、それぞれの量に
は次の（数６）、（数７）の関係が成立する。

【０２４０】

【数６】

【０２４１】

【数７】

【０２４２】一般に、２次元的広がりのある物体の位置
を合わせるためには、２方向の平行移動量と回転角度の
３種の量を計測しなければならない。

【０２４３】しかし、これまで説明した全ての実施例に
おいては、位置合わせ装置が２つしか装着されていない
ため、一度の測定で平行移動量と回転角度を測定するこ
とはできない。

【０２４４】そのため、ウェハについて説明すると、ウ
ェハ上の異なった地点にある予め位置関係の正確にわか
った多数の回折格子の位置をステージを移動しながら計
測し、統計処理を行うことによってウェハ等の平行移動
量および回転角度を測定する。

【０２４５】そして、このようにウェハ全体の十分な位
置合わせができた後に、レーザ干渉系などで正確にステ
ージを所定の値だけ平行移動させ露光を順次行う。

【０２４６】このとき、特にウェハについては、レーザ
光が頻繁に照射され、最初に回折格子が十分正確に刻印
されていても、行程を経る度にウェハの伸縮等によるウ
ェハ自体の変化により、回折格子の位置関係は変化する
ため、位置合わせ精度は低下する。

【０２４７】更に、このような露光方式には、必ず、ウ
ェハ自体の変化に加えステージの移動誤差が影響するこ
とになる。

【０２４８】なぜなら、まず、予め刻印されている回折
格子の位置は、ステージの移動精度以上に正確には判ら
ないため、必ず統計処理の時点でステージの移動誤差が
位置合わせ精度を低下させることになる。

【０２４９】そして、一旦位置を合わせた後の露光毎の
位置合わせ精度は、その後は位置合わせをしないため、
ステージの平行移動のみで決定されるため、ここでもス
テージの誤差の影響が大きい。

【０２５０】この問題を効果的に回避するには、ステー
ジ移動によらず、露光領域にある回折格子だけを使用し
て平行移動量と回転角度を測定し、露光毎に位置合わせ
を行えばよい。

【０２５１】それを実現するために、一つの位置合わせ
装置に、回転角度をも測定できる手段を盛り込んだのが
本実施例の構成である。

【０２５２】本実施例における回転角度の測定は、モア
レ縞の角度測定により行なう。（数６）を見ればわかる
ようにモアレ縞の角度ξと２つの格子の角度θとは密接
な関係があって、回折格子像の格子間隔がどうであれ、
θ＝０のときξ＝０となることがわかる。

【０２５３】つまり、画像認識でモアレ縞の角度ξを計
測し、ξ＝０となるようにステージを回転させれば２つ
の格子の方向が一致し、ウェハと認識マーク６６のレチ
クルの回転誤差はないことになる。

【０２５４】同様にモアレ縞を利用することによって、
レチクルと認識マーク６６との回転誤差もなくすことが
できる。

【０２５５】従って、結果的にウエハとレチクルは、相
対的回転誤差のない状態とできる。つまり、２つの格子
により生成されるモアレ縞５０の角度を粗アライメント
系１２で画像認識により計測し、それをゼロにすること
によってウエハ、レチクル、およびそれら双方の位置合
わせを行う。

【０２５６】以上のように、本実施例によれば認識マー
ク６６に格子状パターンを付加したことによるモアレ縞
５０を画像認識で観察することにより、一つの位置合わ
せ装置で、１方向の平行移動両と回転角度を測定するこ
とが可能となるため、２つの位置合わせ装置につき各々
一回の測定で、ステージの移動誤差、およびウェハ自体
の変化に左右されない位置合わせが実行できる。

【０２５７】また、常時モアレ縞観察ができるために高
い位置合わせ精度が露光中においても保証されるという
利点をも有する。

【０２５８】（実施例７）以下、本発明の第７の実施例
について図面を参照しながら詳細に説明する。

【０２５９】本実施例におけるの装置の構成は、図１
２、１３で示される第４の実施例と同様である。

【０２６０】また、その内容も第６の実施例と同じく、
モアレ縞の観測による位置合わせに関するものである。

【０２６１】つまり本実施例において、異なるのはモア
レ縞の生成の方法である。第６の実施例では認識マーク
６６に新たに格子パターンを設け、回折格子像とその格
子パターンの重ね合わせによってモアレ縞を生成した。

【０２６２】これに対して、本実施例においては受像部
４４においてモアレ縞を生成するものである。

【０２６３】以下、本実施例のモアレ縞の生成方法につ
いて図を参照しながら詳細に説明する。

【０２６４】図２４は、ＣＣＤ（固体撮像素子）６０の
表面の画素６１の配列を模式的に表現したものである。

【０２６５】ＣＣＤ６０は、小さな矩型の画素が２次元
的に敷き詰められような構造をしているため、一種の２
次元格子（碁盤の目状の格子）が受像面に形成されてい
ると考えることができる。

【０２６６】そこで、受像面上での回折格子像の格子間
隔が、ＣＣＤ６０の画素６１の間隔と同程度になるよう
に粗アライメント系の引き延ばし倍率を調整することに
よって、ＣＣＤと引き延ばされた回折格子像との組み合
せで、第６の実施例と同様のモアレ縞を生成することが
可能である。

【０２６７】このモアレ縞を通して位置合わせを行う方
法は、第６の実施例と全く同様であるので省略する。

【０２６８】以上のように、本実施例においてはＣＣＤ
６０を受像部に使用し、回折格子の格子間隔が画素と同
程度になるように粗アライメント系の引き延ばし倍率を
設定することにより、容易にモアレ縞を生成することが
可能になる。

【０２６９】（実施例８）以下、本発明の第８の実施例
について説明する。

【０２７０】本実施例の装置構成は第７の実施例と同様
である。つまり、位置合わせ装置の露光装置への搭載は
図１２に示されるものであり、粗アライメント系１２の
構成は前記第６、第７の実施例の装置構成のどちらでも
可能であり、回折格子像を用いてモアレ縞を生成する機
構が、粗アライメント系１２に備わっていればよい。

【０２７１】第６、第７の実施例において、モアレ縞の
観察によってレチクルとウェハの回転角度を知ることが
できるということを説明した。

【０２７２】しかし、モアレ縞からは、回転角度以外の
有益な情報を得ることができる。前記の（数６）、（数
７）から、モアレ縞の角度ξがゼロになるように回転角
度を調節したのちには、粗アライメント系の格子と平行
な方向にモアレ縞が生成されるようになることがわか
る。

【０２７３】その状態でのモアレ縞間隔の観測により、
２つの格子間隔ｄ１、ｄ２の関係が求められる。

【０２７４】粗アライメント系の格子間隔ｄ１は既知で
あるから、結局ウェハ上の回折格子の認識マーク位置で
の回折格子像の格子間隔ｄ２が求められる。

【０２７５】ゆえに、粗アライメント系を構成する光学
系の引き延ばし倍率が不変の場合には、格子間隔ｄ２と
ウェハ上の回折格子の間隔の実寸値の比より、投影レン
ズの投影倍率の常時モニターが可能になる。

【０２７６】投影レンズの投影倍率は、たとえレチクル
と投影レンズの距離が不変であっても、そのときの気
温、湿度、気圧変動やレンズ自身の経時変化によって、
時々刻々変化する。

【０２７７】ウェハ自体が、半導体装置となるまでには
異なるパターンが幾度となく露光されるため、個々の露
光の度に投影レンズの投影倍率に変動があると、部分的
に露光パターンの重なり合わない箇所が生じてくるとい
う問題が生じる。

【０２７８】この問題は、露光ごとにモアレ縞間隔の計
測を行い、必ずウェハの回折格子によるモアレ縞間隔が
一定になるよう投影レンズの倍率調整を行うことによっ
て回避できる。

【０２７９】以上のように、本実施例においては、モア
レ縞の間隔観測をすることにより、露光時においても、
また露光間においても常時投影レンズの投影倍率を常時
モニターすることが可能となり、その変化に応じて、即
座に投影レンズの倍率調整を行なうことができる。

【０２８０】

【発明の効果】以上のように本発明は、粗アライメント
系に回折格子像からモアレ縞を生成させる手段をもたせ
たこと、そのモアレ縞を画像認識で観測できるようにす
ることなどの構成を採用すること、精密アライメント系
と粗アライメント系の光軸を一致させたこと、それによ
って回折格子とアライメントマークを隣接して配置でき
るようになったこと、複数の回折格子から被測定回折格
子をのみを選択する手段を位置合わせ装置に備えるこ
と、粗アライメント系に精密アライメント系からのレー
ザ光が進入しないよう遮光機構を設けたこと等により、
総合的位置合わせ精度が高く、常時、ウェハとレチクル
の回転角度と投影レンズの投影倍率をモニターできる、
レチクルに対するウェハの位置ずれ量を測定するための
優れた位置合わせ装置を有した露光装置を実現できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における露光装置の位置
合わせ装置の全体構成図

【図２】同第１の実施例における精密アラメント系のレ
ーザ光の光路説明図

【図３】同第１の実施例における光源光学系の構成図

【図４】同第１の実施例における精密アラメント光学系
の構成図

【図５】同第２の実施例における露光装置の位置合わせ
装置の全体構成図

【図６】同第２の実施例におけるビーム径縮小光学系の
構成図

【図７】同第２の実施例における他の位置合わせ装置の
全体構成図

【図８】同第２の実施例におけるスペックル光の説明図

【図９】同第３の実施例におけるビーム径縮小光学系の
構成図

【図１０】同第３の実施例におけるアパーチャの動作説
明図

【図１１】同第３の実施例における回折格子の照射状態
の説明図

【図１２】同第４の実施例における露光装置の位置合わ
せ装置全体構成図

【図１３】同第４の実施例における粗アラメント光学系
の構成図

【図１４】同第４の実施例におけるアライメントマーク
と回折格子の形状図

【図１５】同第４の実施例における認識マークの形状図

【図１６】同第４の実施例における認識マーク、アライ
メントマーク、回折格子の合成像を示す図

【図１７】同第４の実施例における認識マーク、アライ
メントマーク、回折格子、レーザ光のスポットの合成像

【図１８】同第４の実施例における他の位置合わせ装置
の全体構成図

【図１９】同第５の実施例における粗アラメント光学系
の構成図

【図２０】同第５の実施例における遮光マークの必要性
を説明する模式図

【図２１】同第６の実施例における認識マークの形状図

【図２２】同第６の実施例におけるモアレ縞の生成図

【図２３】同第６の実施例におけるモアレ縞の詳細図

【図２４】同第７の実施例におけるＣＣＤの表面図

【図２５】従来の位置合わせ装置の全体構成図

【符号の説明】

１ レチクル ２ 第１の回折格子 ３ レチクル用精密アライメント系 ４ 光源 ５ ウェハ用精密アライメント系 ６ 位相比較器 ７ 制御系 ８ ステージ ９ ウェハ １０ 第２の回折格子 １１ 投影レンズ １２ 粗アラメント系 １３ 第１のアライメントマーク １４ 第２のアライメントマーク １５ レーザ １７ 音響光学変調器 １７’音響光学変調器 １８ １／２λ板 １９ 偏光ビームスプリッタ ２０ １／４λ板 ２１ 落射光学系 ２２ １／２λ板 ２３ 偏光ビームスプリッタ ２４ 偏光板 ２５ 全反射ミラー ２６ ビート光検出器 ２７ 光線 ２８ 光線 ２９ ビート光 ３０ ビーム径縮小光学系 ３０’ビーム径縮小光学系 ３１ 光学系１ ３２ アパーチャ ３３ 光学系２ ３４ 光路選択用制御系 ３５ ハーフミラー ３６ アライメントマーク ３７ レンズ ３８ ミラー ４０ レンズ ４１ レンズ ４２ 認識マーク ４３ レンズ ４４ 受像部 ４５ ハーフミラー ４６ ハーフミラー ４７ ハーフミラー ４８ ハーフミラー ４９ 遮光マーク ５０ モアレ縞 ５１ コヒーレント光 ５２ 回折格子 ５３ 回折格子 ５４ 照明領域 ５５ 回折光 ５６ スペックル光 ５７ 反射光 ５８ 撮像領域 ５９ スポット像 ６０ アパーチャ通過後の光線 ６１ 回折格子 ６２ アパーチャを通過させない光線の照明領域 ６３ 撮像領域 ６４ スポット像 ６５ 迷光 ６６ 認識パターン １０１ Ｘ−粗アライメント系 １０１’Ｙ−粗アライメント系 １０２ Ｘ−精密アライメント系 １０２’Ｙ−精密アライメント系 ２００ 照明光学系 ２０１ 投影用光源 ２０２ 粗アライメント用光源 ２０３ 精密アライメント用光源 ２０４ 第１の回折格子 ２０４’第１の回折格子 ２０５ 第１のアライメントマーク ２０５’第１のアライメントマーク ２０６ レチクル ２０７ 投影レンズ ２０８ 照明光 ２０９ 制御系 ２１０ ステージ ２１１ 第２の回折格子 ２１１’第２の回折格子 ２１２ 回折格子 ２１３ 第２のアライメントマーク ２１３’第２のアライメントマーク ２１４ ウエハ ２１５ 認識マーク ２１５’認識マーク ３００ ビーム縮小光学系

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/30 ５２５Ｕ (72)発明者 竹内 宏之 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (72)発明者 青木 新一郎 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (72)発明者 杉山 吉幸 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番 １号 松下技研株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−126628（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−250816（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−222520（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−140136（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−241330（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−29312（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−7618（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−274802（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−54263（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−41485（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体のパターンを第２物体に投影光
   学系を介して投影露光するための露光装置であって、前
   記第１物体および／または前記第２物体に設けられた第
   １のマーク部と、前記第１のマーク部とは別個に設けら
   れた第２のマーク部とによって形成されるモアレ縞を利
   用して前記第１物体および第２物体の相対的位置合わ
   せ、または前記第１物体および／または第２物体の絶対
   的位置合わせを行う位置合わせ手段と、前記モアレ縞を
   利用して前記投影光学系の投影倍率を検出し、前記投影
   光学系の投影倍率を制御する手段とを有する露光装置。
2. 【請求項２】 モアレ縞はその形状が検出され、投影光
   学系の投影倍率を制御する手段は、前記投影光学系の投
   影倍率が実質的に一定となるように制御する請求項１記
   載の露光装置。
3. 【請求項３】 更に、第１のマーク部からの出射光を撮
   像する撮像手段を有し、第２のマーク部は前記撮像手段
   に形成される請求項１または２記載の露光装置。
4. 【請求項４】 撮像手段は、画素が２次元状に配列され
   たＣＣＤである請求項３記載の露光装置。
5. 【請求項５】 第１のマーク部および第２のマーク部
   は、ともに少なくとも一部に直線部を有する形状であ
   り、前記第１のマーク部と第２のマーク部の直線部は略
   同一方向に延在する請求項１から４のいずれか記載の露
   光装置。
6. 【請求項６】 位置合わせ手段は、第１のマーク部の直
   線部の延在部分と第２のマーク部の内の前記第１のマー
   ク部の直線部の延在部分に対応した部分とを光学的に合
   成する請求項５記載の露光装置。
7. 【請求項７】 更に、位置合わせ手段は、振動数の異な
   る２つのコヒーレント光で第１物体および／または第２
   物体の回折格子状マーク部を照明することによって得ら
   れる光信号から、前記第１物体および第２物体の相対的
   位置、または前記第１物体および／または第２物体の絶
   対的位置を計測する計測手段を有する請求項１から６の
   いずれか記載の露光装置。
8. 【請求項８】 更に、位置合わせ手段は、振動数の異な
   る２つのコヒーレント光が回折格子状マーク部の一部を
   照明するように前記コヒーレント光を制御する 制御手段
   を有する請求項７記載の露光装置。
9. 【請求項９】 制御手段は、振動数の異なる２つのコヒ
   ーレント光が第１物体および／または第２物体の回折格
   子状マーク部の内部を照明するように、前記コヒーレン
   ト光の光束を制限する開口手段である請求項８記載の露
   光装置。
10. 【請求項１０】 開口手段は、振動数の異なる２つのコ
    ヒーレント光の光束を制限し、前記光束の光軸と交差す
    るように移動可能である請求項９記載の露光装置。
11. 【請求項１１】 位置合わせ手段は、第１物体および第
    ２物体の相対的位置合わせ、または前記第１物体および
    ／または第２物体の絶対的位置合わせを行なう検出精度
    が相対的に高い精密アライメント系と、相対的に検出精
    度が低い粗アライメント系を含み、前記粗アライメント
    系と前記精密アライメント系とが、共通の光軸を有する
    光学系を備えた請求項１から１０のいずれか記載の露光
    装置。
12. 【請求項１２】 粗アライメント系は、第１および／ま
    たは第２物体の第１のマーク部と粗アライメント系の第
    ２のマーク部の少なくとも一部を、同一画面にとらえて
    画像処理することによって、第１物体および／または第
    ２物体の位置合わせを行い、精密アライメント系は、コ
    ヒーレント光を出射する光源を有し、前記粗アライメン
    ト系は、更に、第１および／または第２物体の第１のマ
    ーク部の少なくとも前記コヒーレント光が入射する領域
    を、画像処理に用いる画面から排除する排除手段を有す
    る請求項１１記載の露光装置。
13. 【請求項１３】 排除手段は、コヒーレント光が入射す
    る領域からの出射光の光軸に対して交差するように移動
    可能な遮蔽手段である請求項１２記載の露光装置。
14. 【請求項１４】 遮蔽手段は、透明基板上に形成された
    遮蔽マークである請求項１３記載の露光装置。
15. 【請求項１５】 精密アライメント系において、振動数
    の異なる２つのコヒーレント光が実質的に同一光路を通
    過する請求項１１から１４のいずれか記載の露光装置。