JP2787303B2 - 位置合わせ装置、露光装置及び露光方法 - Google Patents
位置合わせ装置、露光装置及び露光方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の製
造に使用される投影露光装置の位置合わせ装置に関する
ものであり、特に原画パターンを有するマスクと、この
原画パターンが転写される半導体ウェハ等の基板とを相
対的に位置合わせする装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、半導体素子等の微細パターンを高
分解能で半導体ウェハ上に転写する装置として、投影型
露光装置（ステッバー）が多用されるようになった。従
来よりこの種のステッバーにおいては、レチクル（マス
クと同義）とウェハ上の１つのシヨット領域との位置合
わせ、所謂アライメント方式として、レチクルの回路パ
ターン周辺に形成されたアライメントマークと、ウェハ
上のショット領域周辺に形成されたアライメントマーク
とを同時検出するものが知られている。 【０００３】このアライメント方式ではしチクル上のマ
ークとウェハ上のマークとをともに高精度に検出し、そ
の相対位置ずれ量を求め、このずれ量が補正されるよう
にレチクル、又はウェハを微動させている。一般に投影
型露光装置では、レチクルのパターンをウェハ上に高解
像力で結像するために、投影光学系は露光用の照明光
（例えば波長４３６nmのｇ線あるいは波長３６５nmのｉ
線）のみに対して良好に色収差補正されているのが現状
である。このことは投影光学系を介してレチクルのマー
クとウェハのマークとを検出するアライメント光学系に
おいて、マーク照明用の光が露光光の波長と同一、もし
くは極めてそれに近い波長に制限されることを意味す
る。 【０００４】露光工程のウェハには表面にレジスト層が
形成されており、アライメント時にはしジスト層を介し
てウェハ上のマークを検出する。このレジスト層は、よ
り高解像のパターン形成を可能とするために、露光光に
対する吸収率が高く、透過率が低くなるような多層レジ
スト構造等を採用することが考えられてきた。この場
合、アライメント用の照明光がウェハ上のマークに達す
るまでに減衰を受けることと、マークからの反射光（正
反射光、散乱光、回折光等）も減衰を受けることによっ
て、ウェハ上のマークがアライメント光学系によって十
分な光量で認識されないといった問題が生じる。 【０００５】そこで、このようなしジストに対して透過
率の高い波長城の光をアライメント用照明光とすること
が考えられる。そのー例として、特開昭５６−１１０２
３４号公報に開示されているように、レチクルと投影光
学系との間のアライメント光路中に色収差補正用の小レ
ンズ等を設け、露光光とは異なる波長の光のもとでも、
レチクル上のマークとウェハ上のマークとを互いに共役
にする技術が知られている。この方式では、投影光学系
に対して補正用光学系を可動にしておくと、補正用光学
系の設定時の不安定要因からアライメント精度が極端に
低下してしまうため、専ら固定の位置関係に定められて
いる。このため露光時に補正光学系が回路パターンの結
像光束のー部を遮断しないように、レチクル上のマーク
は回路パターン領域から十分に離れた位置に設けられ
る。一方、投影型露光装置の中でも、ステップアンドリ
ピート方式により、ウェハ上の複数のショット領域の各
々に対して順次レチクルのパターン像を重ね合わせて露
光するステッパーでは、ウェハ上のショット領域毎にア
ライメントできることが望ましい。 【０００６】ところでアライメント精度は、マーク位置
の検出分解能を高めれば、それにみあって向上するもの
であるが、現在、最も高精度な検出が可能なマークとし
て回折格子を用いることが注目されている。これはしチ
クル上にマークとして形成された格子と、ウェハ上にマ
ークとして形成された格子との各々から発生する回折光
同志を相対的に格子の配列方向に移動させることによっ
て得られる光電信号の位相差から、レチクルとウェハの
位置ずれを検出するものである。そのー例として特公昭
６１−９７３３号公報に開示されたものが知られてい
る。その他に、プロキシミティ方式ではマスクの格子か
ら発生する回折光と、ウェハの格子から発生する回折光
とを干渉させて得られる光情報（正弦波状の強度変化）
に基づいてマスクとウェハの位置ずれを、回折格子のピ
ッチの数分の１〜数十分の１以下の分解能で検出する方
式もある。 【０００７】この場合、実験上では、回折格子を用いた
アライメントで数ｎｍ程度の検出分解能を得られるとの
報告もなされている。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】さて、従来のように補
正光学系を有する投影露光方式の場合、以下のような問
題が生じる。ウェハ上の各ショット領域の間は、通常５
０〜１００μｍ幅程度のスクライブ線で区画されてい
る。仮りに、あるショット領域に付随したマークをスク
ラィブ線上の回路パターン領域から１００μｍだけ離れ
た位置に設けるとした場合、投影光学系の縮小率を１／
１０にしたとしてもレチクル上のマークはレチクル上の
回路パターン領域からわずか１０００μｍ（１mm）しか
離れず、補正光学系を小レンズで構成したとすると、回
路パターンの結像光路を遮断しないためには、鏡筒も含
めて直径、わずか２mm程度のレンズ系を用意しなければ
ならないことになる。このことは極めて非現実的であ
る。そこでこの問題点を解決して、レチクル上のマーク
を回路パターン領域から大きく離しても、ウェハ上のシ
ョット領域に付随したマークとの共役状態が保たれるよ
うに工夫された補正光学系の構成が特公昭５８−３０７
３６号公報に開示されている。 【０００９】しかしながら、先の特開昭５６−１１０２
３４号公報にしても、この特公昭５８−３０７３６号公
報にしても、ウェハ上のショット領域の大きさ（すなわ
ちレチクル上の回路パターンの大きさ）が変化すること
には対応できず、結局、補正光学系（もしくはそのー
部）を動かす構成を採用するか、又はアライメント時と
露光時とでレチクルとウェハの相対位置が予め決った量
だけオフセットしたサイトアライメント方式を採用する
かのいずれかを選択せざるを得なかった。 【００１０】一方、回折格子を用いたアライメント方式
では高分解能なマーク位置検出が可能ではあるが、先の
特公昭６１−９７３３号公報に開示された技術において
も、レチクルと投影光学系との間のアライメント光路中
に光学的変調器等を設けることから、補正光学系を設け
た場合とまったく同じ問題が生じてしまう。このよう
に、回折格子の周期構造によって一義的に決まる周期的
な光情報を直接利用するアライメント方式は高精度にな
ることが知られてはいるものの、投影型露光装置、特に
ステッパーに適用するための実用的な構造については、
いまだに考えられていなかった。 【００１１】上記課題を解決するために、本発明におい
ては、移動可能なステージ上に保持された基板上のマー
クを照明し、該マークから発生する回折光を受光して得
られる光電信号に基づいて、ステージの移動を制御する
ことによって基板を位置合わせする装置において、基板
のマークを照明するための照明光を放射する光源と；照
明光を入射して所定の周波数差を有する一対の照明光を
生成する周波数変調器と；１対の照明光をマークに所定
の交差角度で照射するために、周波数変調器と基板とを
相互に共役関係にする第１の照射光学系と；該第１の照
射光学系の光路内に配置されて１対の照明光を分割する
ビームスプリッタと；該分割された１対の照明光を参照
マークに所定の交差角度で照射するために、周波数変調
器と参照マークを相互に共役関係にする第２の照射光学
系と；マークから発生する２つの回折光の干渉光を受光
して所定の周波数差に応じた周期で強度変化する第１交
流信号を出力するとともに、参照マークから発生する２
つの回折光の干渉光を受光して所定の周波数差に応じた
周波数差に応じた周期で強度変化する第２交流信号とを
出力する光電検出手段と；第１交流信号と第２交流信号
との間の位相差を計測することによって、参照マークに
対する前記マークの位置ずれ量を計測する計測手段と；
該計測された位置ずれ量に基づいて、ステージの移動を
制御する制御系とを備えることとした。また本発明にお
いては、移動可能なステージ上に保持された基板上のマ
ークを照明し、該マークから発生する回折光を受光して
得られる光電信号に基づいて、ステージの移動を制御す
ることによって基板を位置合わせする装置において、マ
ークを照明するための照明光を放射する光源と；照明光
を入射して１対の照明光を生成する２光束発生手段と；
１対の照明光に所定の周波数差を与える周波数変調器
と；１対の照明光の各々を入射し、該各々の照明光をマ
ークに照射する照射対物光学系と；マークから発生する
２つの回折光の干渉光を受光して光電信号を出力する光
電検出手段と；光電信号に基づいて、マークの位置を計
測する計測手段と；該計測されたマークの位置に基づい
て、ステージの移動を制御する制御系とを備えることと
した。また本発明においては、移動可能なステージ上に
保持された基板上にマスクのパターンを転写する露光装
置において、基板に形成された回折マークを照明するた
めの照明光を放射する光源と；照明光を入射して１対の
照明光を生成する２光束発生手段と；１対の照明光に所
定の周波数差を与える周波数変調器と；１対の照明光の
各々を入射し、該各々の照明光を回折マークに照射する
第１照射対物光学系と；１対の照明光を分割するビーム
スプリッタと；分割された１対の照明光を参照マークに
照射する第２照射対物光学系と；回折マークから発生す
る２つの回折光の干渉光を受光して第１光電信号を出力
する第１光電検出手段と；参照マークから発生する２つ
の回折光の干渉光を受光して第２光電信号を出力する第
２光電検出手段と；第１光電信号と第２光電信号に基づ
いて、参照マークに対する回折マークの位置ずれ量を計
測する計測手段と；該計測された位置ずれ量に基づい
て、ステージの移動を制御する制御系とを備えることと
した。また本発明においては、移動可能なステージ上に
保持された基板上にマスクのパターンを転写する露光方
法において、光源からの照明光を１対の照明光に分割す
るとともに、該光源とは別設された周波数変調器によっ
て、該１対の照明光に所定の周波数差を与える第１工程
と；１対の照明光の各々を入射する対物光学系を介し
て、基板上に形成されたマークに１対の照明光を照射す
る第２工程と；マークから発生する２つの回折光の干渉
光に基づいて、マークの位置情報を計測する第３工程
と；計測結果に基づいて、ステージの移動を制御する第
４工程とを備えることとした。 【００１２】 【発明の実施の形態】次に本発明の実施例による位置合
わせ装置の構成を第１図に参照して説明する。所定の回
路パターンとアライメント用の回折格子マークとを有す
るレチクル１は２次元移動可能なレチクルスブージ２に
保持される。レチクル１上の各パターンは両側テレセン
トリックな投影レンズ３によって露光光のもとでウェハ
４上に結像される。ただしこの投影レンズ３は露光用の
照明光波長（ｇ線、ｉ線等）に関して良好に色収差補正
されており、その露光用の波長に関してレチクル１とウ
ェハ４とが互いに共役になるように配置される。またウ
ェハ４上にもしチクル１に形成された格子マークと同様
の回折格子マークが形成されている。さて、ウェハ４は
ステップアンドリピート方式で２次元移動するステージ
５上に吸着され、ウェハ４上の１つのショット領域に対
するレチクル１の転写露光が終了すると、次のショット
位置までステッピングされる。レチクルステージ２の一
部には、レチクル１の水平面内でのｘ方向、ｙ方向及び
回転（θ）方向の位置を検出するためのレーザ光波干渉
式側長器（以下、干渉計とする）４３からのレーザビー
ムを反射する移動鏡６が固定されている。この干渉計４
３はｘ方向、ｙ方向、θ方向の位置を独立に検出するた
めに３本の側長用レーザビームを有するが、ここでは説
明を簡単にするため図示をー部省略してある。レチクル
ステージ２の移動ストロークは数ミリメートル以下であ
り、干渉計４３の検出分解能は、例えば０．０１μｍ程
度に定められている。一方、ウェハステージ５のー部に
は、ウェハ４の水平面内でのｘ方向、ｙ方向の位置を検
出するための干渉計４５からのレーザビームを反射する
移動鏡７が固定されている。この干渉計４５もｘ方向、
ｙ方向の位置を独立に検出するために２本の棚長用レー
ザビームを有するが、ここでは説明を簡単にするため図
示をー部省略してある。レチクルステージ２のｘ方向、
ｙ方向、６方向の駆動は駆動モータ４２で行なわれ、ウ
ェハステージ５の２次元移動は駆動モータ４６で行なわ
れる。 【００１３】ところで露光用の照明系は、水銀ランプ３
０、楕円鏡３１、集光レンズや干渉フィルター等を含む
入力レンズ群３２、オブチカルインテグレータ（フライ
アイレンズ）３３、ミラー３４、メインコンデンサーレ
ンズ３５及びダイクロイックミラー２２等によって構成
される。ダイクロイックミラー２２はレチクル１の上方
に４５。で斜設され、コンデンサーレンズ３５からの露
光光を垂直に下方に反射させ、レチクル１を均一に照射
する。このダィクロイックミラー２２は露光光の波長に
対しては９０％以上の反射率を有し、アライメント用の
照明光の波長（露光光よりも長波長）に対しては５０％
以上の透過率を有する。 【００１４】次に本実施例のアライメント系について説
明する。アライメント用の照明光はレーザ光源１０から
射出され、透過型の基準回折格子を放射状に形成したラ
ジアル・グレイティング１１を通り、フーリエ変換レン
ズ１３とビームスプリッタ１４を介してフーリエ面（ア
ライメント光学系の瞳面）に配置された空間フィルター
１５に達する。ラジアル・グレイティング１１はモータ
１２によってほぼー定の速度で回転可能に構成される。
このラジアル・グレイティング１１に入射したレーザ光
は０次光、±１次光、±２次光……のように、回折し、
それぞれ異なった回折角で広がっていく。第１図では０
次光ＬＢｏ、＋１次光＋ＬＢ1 及び−１次光−ＬＢ1 の
みを示す。これら０次光、±１次光は空間フィルター１
５上で明確に分離して分布し、０次光ＬＢｏのみが遮断
され、±１次光は透過する。空間フィルター１５を通っ
た±１次光はビームスブリッター２０を透過して２焦点
光学系２１に入射する。２焦点光学系２１は第１図では
簡単に示してあるが、実際には複屈折物質（水晶、方解
石等）と顕微鏡用等のテレセントリックな対物レンズと
を組み合わせたもので構成され、レーザ光の±１次光の
偏光成分（Ｐ偏光とＳ偏光）に応じて異なるパワーを与
えるものである。このため２焦点光学系２１を射出した
一方の偏光（例えばＰ偏光）はレチクル１の上方空間の
焦点２６ａに結像し、他方の偏光（例えばＳ偏光）はレ
チクル１の下面のパターン面と一致した焦点２７ａに結
像する。また２焦点光学系２１の他方の焦点、すなわち
レーザ光源１０側で焦点２６ａ、２７ａの夫々と共役な
面は、ラジアル・グレィティング１１とー致している。
ここで２焦点光学系２１の２つの焦点２６ａ、２７ｂの
光軸方向の間隔はアライメント用のレーザ光の波長にお
ける投影レンズ３のレチクル１側での色収差量に対応し
ている。この焦点面２６ａは投影レンズ３によってウェ
ハ４の表面とー致した結後面２６ｂと共役になり、焦点
面２７ａ（レチクルパターン面）は投影レンズ３によっ
てウェハ４の表面から空間的に下方に離れた結後面２７
ｂと共役になる。結後面２６ｂと２７ｂの間隔は投影レ
ンズ３のウェハ４側での色収差量に対応している。ここ
で結後面２６ｂと２７ｂの間隔距離をＤｗ、焦点面２６
ａと２７ａの間隔距離をＤｒ、そして投影レンズ３の投
影倍率を１／Ｍ（通常Ｍは１、２５、５、１０）とする
と、一般的にＤｒ＝Ｍ２．Ｄｗの関係がある。アライメ
ント用のレーザ光の波長が露光光の波長から離れれば離
れる程、投影レンズ３の収差特性に応じてＤｗ、Ｄｒは
大きくなる。この種の投影レンズの焦点深度は極めて浅
く、±１μｍ程度であり、アライメント用照明光の波長
にもよるが間隔Ｄｗは数１０μｍ程度に達することもあ
る。尚、アライメント用照明光（レーザ光）はウェハ４
に塗布されたレジストに対してほとんど感度を持たない
波長にすることが望しいが、本発明においては必ずしも
満たされるべき条件ではない。それは投影レンズによっ
て露光光の波長とアライメント用照明光の波長とで極端
に大きな収差が生じ、特にウェハ４上の回折格子マーク
からの光情報自体に大きな歪みが加えられてしまうから
である。このためその収差との兼ね合いで最適なアライ
メント用照明光を定めることを優先することの方が重要
である。従ってアライメント用照明光が長時間（例えば
１分以上）レジストを照射すると、感光させてしまう
（現像後に薄減りが生じる）ような弱い感度の波長にな
る場合もある。 【００１５】さて、アライメント用のレーザ光の±１次
光ＬＢ・（Ｓ偏光）は焦点面２７ａでレチクル１の回折
格子マーク部分に、＋１次光＋ＬＢ1 と−１次光−ＬＢ
1 との成す角度で２方向から入射し結像する。またレチ
クル１の透明部を透過した焦点面２６ａからの±１次光
ＬＢ・（Ｐ偏光）は、投影レンズ３を介して焦点面２６
ｂでウェハ４の回折格子マーク部分に、＋１次光と−１
次光との成す角度で２方向から入射し結像する。そして
レチクル１の回折格子マークからの反射回折光はダイク
ロイックミラー２２、２焦点光学系２１を介してビーム
スプリッタ２０で反射され、空間フィルター２３でフィ
ルタリングされた後、集光レンズ２４によって光電検出
器２５に達する。またウェハ４の回折格子マークからの
反射回折光は投影レンズ３を介して元の光路を戻り、レ
チクル１の透明部を透過してダイクロイックミラー２
２、２焦点光学系２１、ビームスプリッタ２０、空間フ
ィルター２３、及び集光レンズ２４を通って光電検出器
２５に達する。空間フィルター２３はアライメント光学
系の瞳面と共役な位置、すなわち投影レンズ３の瞳（射
出瞳）と実質共役な位置に配置され、レチクル１、又は
ウェハ４からの正反射光を遮断し、レチクル１又はウェ
ハ４の回折格子に垂直（面の法線方向）に回折される光
のみを通すように定められている。そして光電検出器２
５は２焦点光学系２１、レンズ２４を介してレチクル
１、ウェハ４の夫々と共役に配置されている。 【００１６】さて光電検出器２５から得られる光電信号
は２つの回折格子マークの各々からの回折光同志が干渉
したものとなり、ラジアル・グレイティング１１の回転
速度に応じた正弦波状の交流信号となる。ところでラジ
アル・グレイティング１１からの±１次光、０次光は、
ビームスプリッタ１４を透過し、瞳（フーリエ面）に配
置された空間フィルター１６で０次光のみが遮断され、
レンズ系（逆フーリエ変換レンズ）１７によって参照用
回折格子１８上に結像する。この参照用回折格子１８は
装置上で固定されているものである。この回折格子１８
にも＋１次光＋ＬＢ1 と−１次光−ＬＢ1 とが所定の角
度で２方向から入射する。光電検出器１９は参照用回折
格子１８を透過した回折光（又は干渉光）を受光して、
正弦波状の光電信号を出力する。位相検出系４０は、光
電検出器２６からの光電信号と光電検出器１９からの光
電信号とを入力し、両信号の波形上の位相差を検出す
る。検出された位相差（±１８０。）はレチクル１、ウ
ェハ４の夫々に形成された回折格子マークの格子ピッチ
の１／２内の相対位置ずれ量に一義的に対応している。
制御系４１は検出された位相差（位置ずれ量）の情報、
サーボシステム４４を介して得られる干渉計４３、４５
の各々からの位置情報等に基づいて駆動モータ４２、４
６を制御し、レチクル１とウェハ４の相対位置合わせ
（アライメント）を行なう。 【００１７】以上、本実施例の全体構成において、アラ
イメント光学系のー部、特に２焦点光学系２１はレチク
ル１上のアライメントマークの配置に応じて任意の位置
に可動とされ、どのようなマーク配置であってもマーク
検出が可能となっている。さらにレチクル１の上方に斜
設したダイクロックミラー２２によって露光光とアライ
メント用照明光とを分離するため、露光動作中であって
もマーク検出が可能となる。これは露光中において何ら
かの外乱でレチクル１とウェハ４とのアライメント状態
が狂った場合も、その時点でただちに検出できることを
意味する。さらに位相検出系４０からの位相差情報に基
づいて露光動作中であってもレチクルステージ２とウェ
ハステージ５との位置決めサーボをクローズド・ループ
で実行できることをも意味する。尚、露光光の光源は水
銀ランプ以外のエキシマレーザ光源等に置きかえてもよ
い。 【００１８】次に第２図を用いてアライメント系のみの
詳細な構成、及びアライメントの原理を説明する。第２
図において、第１図中のものと同一の部材には同じ符号
をつけてある。ラジアル・グレイティング（基準回折格
子）１１にはレーザ光源１０から成形されたレーザ光束
（ほぼ平行光束）ＬＢが入射する。このレーザ光束ＬＢ
の偏光方向は、２焦点光学系２１によってＰ偏光とＳ偏
光に分離されて焦点２６ａ、２７ａに集光するとき、Ｐ
偏光とＳ偏光とでその光強度（光量）が所定の比になる
ように調整されている。通常、ウェハ４に達する光の方
が損失が多いので、ウェハ４への光量を増やすようにす
る。そのためには、２重焦点素子を光軸の回りに回転さ
せたり、レーザ光源とラジアル・グレィティング１１の
間にλ／２板を挿入し、それを光軸の回りに回転させた
りする構造を採用すればよい。すなわち、それによって
レチクル１に達する偏光とウェハ４へ達する偏光との光
量比を最適なものに調整できる。さて、ラジアル・グレ
ィティング１１からの±１次光ＬＢＩは、テレセントリ
ックな２焦点光学系２１に入射し、＋１次光＋ＬＢ 1 は
偏光成分によってＰ偏光の＋ＬＢ1PとＳ偏光の＋ＬＢ1S
とに分離れ、２焦点光学系２１の光軸に対して回折角で
決まる角度だけ傾いてレチクル１に達する。同様に−１
次光−ＬＢ1 もＰ偏光の−ＬＢ1PとＳ偏光の−ＬＢ1Sと
に分離され、光軸をはさんで＋１次光（＋ＬＢ1P、＋Ｌ
Ｂ1S）と対称的な角度でレチクル１に達する。Ｐ偏光に
関しては焦点２７ａ、すなわちレチクル１の回折格子マ
ークＲＭの位置に結像するため、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ
1P、−ＬＢ1Pは回折格子マークＲＭのところで交差（結
像）する。第２図においてマークＲＭの格子配列方向は
紙面内の左右方向であり、１次光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1Pの
各々の光軸からの傾き方向も第２図の紙面内に定められ
る。レチクル１には第３図（ａ）に示すように回折格子
マークＲＭと透明な窓部Ｐｏとが形成されており、１次
光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1PはともにマークＲＭと窓部Ｐｏと
をカバーする大きさでレチクル１を照射する。第３図
（ａ）に示したマークＲＭはｘ方向（格子配列方向）の
位置検出に使われるものであり、ウェハ４上の回折格子
マークＷＭも第３図（ｂ）に示すように、これと対応し
ている。マークＷＭはアライメント時（又は露光時）に
レチクル１の窓部Ｐｏの位置に整列するように定められ
ている。さて２焦点光学系２１を射出したＳ偏光の１次
光＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sは空間上の焦点２６ａで一度結像
した後、レチクル１の窓部Ｐｏを透過し、投影レンズ３
を介してウェハ４の回折格子マークＷＭに互いに異なる
２方向から入射するように結像される。投影レンズ３か
ら射出したＳ偏光の１次光＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sの各々
は、回折格子マークＷＭの格子配列方向に関して対称的
に傾いて入射する。ウェハ４に達したＳ偏光の１次光＋
ＬＢ1S、−ＬＢ 1Sの成す角度は大きくても投影レンズ３
の射出（ウェハ）側の閉口数を越えることはない。尚、
ラジアル・グレイティング１１に対してレチクル１とウ
ェハ４とはそれぞれ共役に配置されるため、レーザ光束
ＬＢが平行光束であるとすると、各回折光束＋ＬＢ1P、
−ＬＢ1P、＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sも平行光束となる。 【００１９】ここでＰ偏光の１次光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1P
のレチクル１のマークＲＭに対するふるまいを第５図を
用いて詳述する。第５図はレチクル１のマークＲＭを模
式的に表わしたもので、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ1Pが角度
６でマークＲＭに入射しているものとする。このとき１
次光＋ＬＢ1Pのレチクル１での正反射光Ｄ1Pも角度６で
反射することになる。光束＋ＬＢ1Pが角度６で入射する
ことは、光束一ＬＢ1Pについても角度６で、正反射光Ｄ
1Pと逆向きにレチクル１に入射することを意味する。そ
こで回折格子マークＲＭの格子ピッチをＰ、レーザ光束
ＬＢの波長を久、そしてｎを整数として、以下の（１）
式を満たすようにピッチＰと角度８とを定める。 ｓｉｎθ＝（λ／Ｐ）×ｎ ……（１） この（１）式を満足すると、１次光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1P
の照射によりマークＲＭから発生する特定次数の回折光
１０４は、レチクル１と垂直な方向、すなわち２焦点光
学系２１の光軸に沿った方向に進む。もちろんその他の
回折光１０３も発生するが、これは回折光１０４とは異
なる方向に進む。 【００２０】ところでレチクル１のマークＲＭには２方
向から光束＋ＬＢ1P、−ＬＢ1Pが交差するように照射さ
れ、その両光束が同一のレーザ光源１０から射出された
ものであることから、マークＲＭ上には２つの光束＋Ｌ
Ｂ1Pと−ＬＢ1Pとの干渉により、明暗の綿、所謂干渉縞
が生じる。仮りにラジアル・グレイティング１１が停止
しているものとすると、この干渉縞はマークＲＭの格子
配列方向に所定のピッチで配列する。干渉縞のピッチと
マークＲＭの格子ピッチとは必要とされる検出分解能に
応じて適宜決定される。従って、マークＲＭからの回折
光１０４は、この干渉縞がマークＲＭを照射したことに
よって生じたものである。あるいは、一方の光束＋ＬＢ
1Pの照射によってマークＲＭから生じた回折光と、他方
の光束−ＬＢ1Pの照射によってマークＲＭから生じた回
折光とが同一光路（２焦点光学系２１の軸上）を戻るこ
とから相互に干渉したものとも考えられる。このように
マークＲＭ上に異なる２方向から光束十ＬＢ1P、−ＬＢ
1Pが照射されると、マークＲＭには干渉縞が生じるが、
ラジアル・グレイティング１１が回転している場合は、
その干渉縞がマークＲＭの格子配列方向に移動する（流
れる）ことになる。これはラジアル・グレイティング１
１の１次光＋ＬＢ1 、−ＬＢ1 による昭視野像がレチク
ル１のマークＲＭ上に結像していることによる。このた
め、マークＲＭ上を干渉縞（ラジアル・グレイティング
１１の２焦点光学系２１等によって投影された回折像）
が走査することによって、回折光１０４は明暗の変化を
周期的に繰り返すことになる。よって光電検出器２５か
らの信号は、その明暗変化の周期に応じた正弦波状の交
流信号となる。 【００２１】以上のことは、ウェハ４上の回折格子マー
クＷＭとＳ偏光の光束＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sとの関係にお
いても全く同様であり、マークＷＭからは回折光１０５
が発生し、これは投影レンズ３の主光線に沿って進み、
レチクル１の窓部Ｐｏを介して光電検出器２５に達す
る。２焦点光学系２１を射出したＳ偏光の光束＋Ｌ
Ｂ1S、−ＬＢ1Sは焦点２６ａでは交差するように結像す
るが、レチクル１のマークＲＭ、窓部Ｐｏにおいては大
きくデフォーカスしてしまう。 【００２２】さて、光電検出器２５は２焦点光学系２１
を介してマークＲＭとマークＷＭの夫々と共役に配置さ
れるとしたが、実際には第２図に示すように、マークＲ
Ｍ、ＷＭの夫々と共役な位置に、第３図（Ｃ）に示すよ
うなマスク部材２５’を設け、このマスク部材２５’の
アパーチャＡP 、ＡS を透過した回折光１０４、１０５
を光電検出するように構成される。ここでアパーチャＡ
P は、例えばレチクル１のマークＲＭからの回折光１０
４による回折像を取り出すものであり、アパーチャＡS
はウェハ１のマークＷＭからの回折光１０５による回折
像を取り出すものである。従って光電検出器２５を各ア
パーチャＡP 、ＡS の後に別個に設けることによって、
マークＲＭによるレチクル１の位置検出とマークＷＭに
よるウェハ１の位置検出とが独立に可能となる。満、ア
パーチャＡP にはＰ偏光の光束＋ＬＢ1P、−ＬＢ1Pによ
って照射されたレチクル１のマークＲＭの像ができる
が、同時にＳ偏光の光束＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sの反射回折
光もバックグラウンドノイズとして入ってくる。このた
めアバーチャＡＰにはＰ偏光を通す偏光板を設け、アパ
ーチャＡS にはＳ偏光を通す偏光板を設けるとよい。こ
うすると、２つの光電検出器２５の夫々で、ウェハから
の光とレチクルからの光とが混在してしまうクロストー
クは十分に低減される。 【００２３】ここでラジアル・グレィティング１１が停
止している場合に、アパーチャＡPを介してえられる回
折光１０４の光電信号について解析してみる。先の
（１）式でｎ＝±１にすると、格子ピッチＰはラジアル
・グレイティング１１の基準格子のピッチと、レンズ１
３、２焦点光学系２１を通した結後倍率の関係にある。
（同様にしてウェハ４上のマークＷＭの格子ピッチも、
マークＲＭの格子ピッチＰと投影レンズ３の結像倍率に
関連している。）さて、マークＲＭに入射する光束＋Ｌ
Ｂ1Pによって生じる回折光の振幅ＶＲ+ は（２）式で与
えられ、光束−ＬＢ1Pによって生じる回折光の振幅ＶＲ
- は（３）式で与えられる。 ＶＲ+ ＝ａ・ｓｉｎ〔φ＋２π（ｘ／Ｐ）〕 ……（２） ＶＲ- ＝ａ’・ｓｉｎ〔φ−２π（ｘ／Ｐ）〕 ……（３） ここでＰはマークＲＭの格子ピッチであり、ｘはマーク
ＲＭの格子配列方向の変位量である。これら２つの回折
光ＶＲ+ 、ＶＲ- が互いに干渉したものが光電検出され
るから、光電信号の変化（回折光１０４の振幅）は
（４）式のように表わされる。 │ＶＲ+ ＋ＶＲ- │2 ＝ ａ2 ＋ａ’2 ＋２・ａ・ａ’・ｃｏｓ〔４π（ｘ／Ｐ）〕 ……（４） ここでａ2 ＋ａ’2 は信号のバイアス（直流成分）であ
り、２ａ・ａ’が信号変化の振幅成分である。この
（４）式から明らかなように、光電信号はラジアル・グ
レイティング１１とマークＲＭとが格子配列方向に相対
的に変位すると正弦波状に変化する。その相対変位量ｘ
が、ｘ＝Ｐ／２（格子ピッチの半分）になるたびに、信
号幅幅は１周期だけ変化する。一方、ウェハ４のマーク
ＷＭからの回折光１０５についても全く同様で、（４）
式のように表わされる。そこでこの２つの光電信号の位
相関係を合致させるように、レチクル１又はウェハ４を
移動させることによってアライメントが完了する。ただ
し（４）式からもわかるように各信号は正弦波状であ
り、検出できる位相差も±１８０°の範囲内であるた
め、レチクル１とウェハ４とは予めマークＲＭ、ＷＭの
格子ピッチＰの１／２以下の精度でプリアライメントさ
れている必要がある。このようにラジアル・グレイティ
ング１１が停止している場合は、得られる光電信号の振
幅レベルはしチクル１又はウェハ４を移動させることに
よってはじめて正弦波状に変化する。 【００２４】ところでラジアル・グレイティング１１が
回転していると、回折光１０４、１０５は周期的（正弦
波状）な明暗情報となり、得られる光電信号は、レチク
ル１又はウェハ４が静止していたとしても、正弦波状の
交流信号となる。従ってこの場合は、第１図中に示した
光電検出器１９からの光電信号（正弦波交流信号）を基
本信号として、マークＲＭからの回折光１０４の光電信
号（正弦波交流信号）との位相差φr を位相検出系で検
出する。同様にして、マークＷＭからの回折光１０５の
光電信号と基本信号との位相差φW を検出する。そし
て、位相差φr とφW の差を求めれば、レチクル１とウ
ェハＷのｘ方向のずれ量がわかる。この検出方式は所謂
光へテロダイン方式と呼ばれ、レチクル１とウェハ４が
格子ピッチＰの１／２の位置誤差範囲内であれば、静止
状態であっても検出高分解能で位置ずれ検出できるた
め、レチクル１のパターンをウェハ４のレジストへ露光
している間に微小な位置ずれが生じないようにクローズ
ド・ループの位置サーボをかけるのに好都合である。こ
の検出方式では、φr −φW が零（又は所定値）になる
ようにレチクル１又はウェハ４を移動させてアライメン
トを完了させた後、引き続きそのアライメント位置でレ
チクル１とウェハ４とが相対移動しないようにサーボ・
ロックをかけることができる。 【００２５】以上本実施例では、アライメント光学系を
ｘ方向の位置ずれ検出用に１組だけ設けて説明したが、
実際には２組、又は３組が必要であり、ｘ方向、ｙ方向
のアライメント、あるいはｘ方向、ｙ方向、θ方向のア
ライメントが行なわれる。３組のアライメント光学系を
配置する場合、ウェハ上のマーク配置は１例として第４
図に示すものが考えられる。第４図はウェハ上の１つの
ショット領域ＳＡに付随した３ケ所の回折格子状マーク
ＷＭｘ、ＷＭｙ、ＷＭθを表わし、マークＷＭ白、ＷＭ
ｙはショット領域の両端に設けられ、ともにｙ方向のず
れ検出に使われる。マークＷＭｙ、ＷＭθのずれ量の差
からショット毎にレチクル１との相対回転誤差が求めら
れる。尚、第４図においてマークＷＭｘ、ＷＭｙ、ＷＭ
θはショット領域内に設けたが、スクライブライン（ス
トリートライン）ＳＬ上に設けるようにしてもよい。 【００２６】以上、本実施例においては、ダイクロイッ
クミラー２２で露光光とアライメント用照明光とを分離
し、アライメント光学系は露光中においてもレジストを
感光させにくい照明光によってレチクルとウェハとを同
時観察できるようにしてある。しかも２焦点光学系を用
いて投影レンズの色収差量に対応するようにアライメン
ト用照明光を２焦点化するため、レチクルとウェハとの
間のアライメント光路中には、従来のように補正光学系
を設ける必要かなく、レチクル上のマークとウェハ上の
マークとを直接検出して高精度なアライメントが可能と
なる。さらにアライメント用のマークは高分解能で位置
ずれ検出のできる回折格子とし、この回折格子の周期構
造に応じて発生する回折光の正弦波状のレベル変化をと
らえるようにしたため、レジストに対して透明な波長の
照明光（非感光光）を用いることと相まって、極めて安
定で高精度の位置ずれ検出が可能となる。また本実施例
では、ラジアル・グレイティングを回転させて、回折格
子マークを２方向から照明する２つの光束＋ＬＢ1P、−
ＬＢ1P（又は＋ＬＢ1S、−ＬＢ1S）に位相差を与えるこ
とによって、光へテロダイン方式の位置ずれ検出を行な
うようにしたが、レーザ光束ＬＢをゼーマンレーザにし
て固定の基準回折格子に入射させて２つの光束を得た
り、又は超音波光変銅器（ＡＯＭ）等を用いて互いに周
波数がわずかに異なる２つのしーザ光束を得たりするこ
とによっても、同様に光へテロダイン方式の計測がてき
る。特に超音波光変調器等を用いると、ラジアル・グレ
イティングのような機械的可動部がいらないこと、変調
による周波数差がラジアル・グレイティングの場合より
も数段大きくとれることから、位相差検出の分解能が上
げられることなどの利点がある。 【００２７】また本実施例では、露光光とアライメント
光とで波長が異なり、その色収差量が大きいために２焦
点素子を用いた検出光学系を用いた。しかし投影レンズ
自体が上記２つの波長に対して収差補正されている場合
は、２焦点素子は必要なく、２つの波長で色消しされた
テレセントリックな対物レンズがあればよい。この場合
でも、検出系の受光面ではウェハからの信号とレチクル
からの信号とを分離して受光することができる。これは
ウェハ、レチクル、受光面の夫々がアライメント光の波
長のもとでも共役になるからである。 【００２８】さらに露光光とアライメント光との波長を
近似させてもよい。この場合は投影レンズによって大き
な色収差量は発生しないものの、実質的に光源が異なる
ことからアライメント精度に影響を与える程度の収差が
残存することもあり、検出光学系として色消しされたテ
レセントリックな対物レンズを用いる。このようなとき
に、露光光の波長に近いアライメント光を発生する光源
が存在しない場合は、非線形結晶にレーザ光を入射さ
せ、この結晶から高調波を発生させ、それを利用するこ
ともできる。特にエキシマレーザを用いた露光装置の場
合、露光波長に近い波長で連続発振するレーザが存在し
ないことがあり、このようなときに非線形結晶を用いて
所望のアライメント光を取り出すようにするとよい。 【００２９】以上本実施例においては、アライメント光
学系の照明光迭光路中に２焦点光学系等の検出光学系を
設け、照明光自体を色収差量に対応して２重焦点化（色
消し）することによって、マスク（レチクル）と投影光
学系との間に補正光学系を設けることを不要とした。従
って露光光とは異なる波長の光でマーク（回折格子）を
検出するにもかかわらず、従来のような補正光学系に起
因する各種問題が一掃され、極めて安定した位置合わせ
が可能となる。さらにマスク上の格子と基板上の格子と
の相対的な位置ずれを検出するために、各格子の配列方
向に関して異なった２方向からアライメント用照明光が
照射されるように、２焦点光学系（検出光学系）に入射
するアライメント用照明光の配向特性を制御するように
した。このため各格子から発生する正反射光と回折光
（±１次光、±２次光等）とが明瞭に分離されることに
なり、回折光を用いた格子間の位置ずれが高精度に求め
られる。また、回折格子に２方向から照明光を入射する
ことによって、一方の方向からの照射により発生する回
折光と、他方の方向からの照射により発生する回折光と
を同一の光路にして干渉させることができるため、所謂
光へテロダイン法を容易に採用することができ、位置ず
れ計測の分解能は十分に高精度になり、計測再現生、安
定性とも十分に向上する。 【００３０】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、光源とは
別設された周波数変調器からの１対の照明光を対物光学
系を介して位置合わせ対象物（基板、マスク）に照明す
るようにしたので、所望の条件で照明光を位置合わせ対
象物に照射することができる。また、周波数変調器とマ
ークとを共役関係としたので、回折マークを用いた位置
合わせ方式において、周波数変調器が位置ずれしたり、
周波数変調器とマークとの間の光路中で空気ゆらぎが生
じたりしてもアライメント誤差が生じない。従って、装
置としての安定性とアライメント精度とを同時に満足す
ることが可能となる。
造に使用される投影露光装置の位置合わせ装置に関する
ものであり、特に原画パターンを有するマスクと、この
原画パターンが転写される半導体ウェハ等の基板とを相
対的に位置合わせする装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、半導体素子等の微細パターンを高
分解能で半導体ウェハ上に転写する装置として、投影型
露光装置（ステッバー）が多用されるようになった。従
来よりこの種のステッバーにおいては、レチクル（マス
クと同義）とウェハ上の１つのシヨット領域との位置合
わせ、所謂アライメント方式として、レチクルの回路パ
ターン周辺に形成されたアライメントマークと、ウェハ
上のショット領域周辺に形成されたアライメントマーク
とを同時検出するものが知られている。 【０００３】このアライメント方式ではしチクル上のマ
ークとウェハ上のマークとをともに高精度に検出し、そ
の相対位置ずれ量を求め、このずれ量が補正されるよう
にレチクル、又はウェハを微動させている。一般に投影
型露光装置では、レチクルのパターンをウェハ上に高解
像力で結像するために、投影光学系は露光用の照明光
（例えば波長４３６nmのｇ線あるいは波長３６５nmのｉ
線）のみに対して良好に色収差補正されているのが現状
である。このことは投影光学系を介してレチクルのマー
クとウェハのマークとを検出するアライメント光学系に
おいて、マーク照明用の光が露光光の波長と同一、もし
くは極めてそれに近い波長に制限されることを意味す
る。 【０００４】露光工程のウェハには表面にレジスト層が
形成されており、アライメント時にはしジスト層を介し
てウェハ上のマークを検出する。このレジスト層は、よ
り高解像のパターン形成を可能とするために、露光光に
対する吸収率が高く、透過率が低くなるような多層レジ
スト構造等を採用することが考えられてきた。この場
合、アライメント用の照明光がウェハ上のマークに達す
るまでに減衰を受けることと、マークからの反射光（正
反射光、散乱光、回折光等）も減衰を受けることによっ
て、ウェハ上のマークがアライメント光学系によって十
分な光量で認識されないといった問題が生じる。 【０００５】そこで、このようなしジストに対して透過
率の高い波長城の光をアライメント用照明光とすること
が考えられる。そのー例として、特開昭５６−１１０２
３４号公報に開示されているように、レチクルと投影光
学系との間のアライメント光路中に色収差補正用の小レ
ンズ等を設け、露光光とは異なる波長の光のもとでも、
レチクル上のマークとウェハ上のマークとを互いに共役
にする技術が知られている。この方式では、投影光学系
に対して補正用光学系を可動にしておくと、補正用光学
系の設定時の不安定要因からアライメント精度が極端に
低下してしまうため、専ら固定の位置関係に定められて
いる。このため露光時に補正光学系が回路パターンの結
像光束のー部を遮断しないように、レチクル上のマーク
は回路パターン領域から十分に離れた位置に設けられ
る。一方、投影型露光装置の中でも、ステップアンドリ
ピート方式により、ウェハ上の複数のショット領域の各
々に対して順次レチクルのパターン像を重ね合わせて露
光するステッパーでは、ウェハ上のショット領域毎にア
ライメントできることが望ましい。 【０００６】ところでアライメント精度は、マーク位置
の検出分解能を高めれば、それにみあって向上するもの
であるが、現在、最も高精度な検出が可能なマークとし
て回折格子を用いることが注目されている。これはしチ
クル上にマークとして形成された格子と、ウェハ上にマ
ークとして形成された格子との各々から発生する回折光
同志を相対的に格子の配列方向に移動させることによっ
て得られる光電信号の位相差から、レチクルとウェハの
位置ずれを検出するものである。そのー例として特公昭
６１−９７３３号公報に開示されたものが知られてい
る。その他に、プロキシミティ方式ではマスクの格子か
ら発生する回折光と、ウェハの格子から発生する回折光
とを干渉させて得られる光情報（正弦波状の強度変化）
に基づいてマスクとウェハの位置ずれを、回折格子のピ
ッチの数分の１〜数十分の１以下の分解能で検出する方
式もある。 【０００７】この場合、実験上では、回折格子を用いた
アライメントで数ｎｍ程度の検出分解能を得られるとの
報告もなされている。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】さて、従来のように補
正光学系を有する投影露光方式の場合、以下のような問
題が生じる。ウェハ上の各ショット領域の間は、通常５
０〜１００μｍ幅程度のスクライブ線で区画されてい
る。仮りに、あるショット領域に付随したマークをスク
ラィブ線上の回路パターン領域から１００μｍだけ離れ
た位置に設けるとした場合、投影光学系の縮小率を１／
１０にしたとしてもレチクル上のマークはレチクル上の
回路パターン領域からわずか１０００μｍ（１mm）しか
離れず、補正光学系を小レンズで構成したとすると、回
路パターンの結像光路を遮断しないためには、鏡筒も含
めて直径、わずか２mm程度のレンズ系を用意しなければ
ならないことになる。このことは極めて非現実的であ
る。そこでこの問題点を解決して、レチクル上のマーク
を回路パターン領域から大きく離しても、ウェハ上のシ
ョット領域に付随したマークとの共役状態が保たれるよ
うに工夫された補正光学系の構成が特公昭５８−３０７
３６号公報に開示されている。 【０００９】しかしながら、先の特開昭５６−１１０２
３４号公報にしても、この特公昭５８−３０７３６号公
報にしても、ウェハ上のショット領域の大きさ（すなわ
ちレチクル上の回路パターンの大きさ）が変化すること
には対応できず、結局、補正光学系（もしくはそのー
部）を動かす構成を採用するか、又はアライメント時と
露光時とでレチクルとウェハの相対位置が予め決った量
だけオフセットしたサイトアライメント方式を採用する
かのいずれかを選択せざるを得なかった。 【００１０】一方、回折格子を用いたアライメント方式
では高分解能なマーク位置検出が可能ではあるが、先の
特公昭６１−９７３３号公報に開示された技術において
も、レチクルと投影光学系との間のアライメント光路中
に光学的変調器等を設けることから、補正光学系を設け
た場合とまったく同じ問題が生じてしまう。このよう
に、回折格子の周期構造によって一義的に決まる周期的
な光情報を直接利用するアライメント方式は高精度にな
ることが知られてはいるものの、投影型露光装置、特に
ステッパーに適用するための実用的な構造については、
いまだに考えられていなかった。 【００１１】上記課題を解決するために、本発明におい
ては、移動可能なステージ上に保持された基板上のマー
クを照明し、該マークから発生する回折光を受光して得
られる光電信号に基づいて、ステージの移動を制御する
ことによって基板を位置合わせする装置において、基板
のマークを照明するための照明光を放射する光源と；照
明光を入射して所定の周波数差を有する一対の照明光を
生成する周波数変調器と；１対の照明光をマークに所定
の交差角度で照射するために、周波数変調器と基板とを
相互に共役関係にする第１の照射光学系と；該第１の照
射光学系の光路内に配置されて１対の照明光を分割する
ビームスプリッタと；該分割された１対の照明光を参照
マークに所定の交差角度で照射するために、周波数変調
器と参照マークを相互に共役関係にする第２の照射光学
系と；マークから発生する２つの回折光の干渉光を受光
して所定の周波数差に応じた周期で強度変化する第１交
流信号を出力するとともに、参照マークから発生する２
つの回折光の干渉光を受光して所定の周波数差に応じた
周波数差に応じた周期で強度変化する第２交流信号とを
出力する光電検出手段と；第１交流信号と第２交流信号
との間の位相差を計測することによって、参照マークに
対する前記マークの位置ずれ量を計測する計測手段と；
該計測された位置ずれ量に基づいて、ステージの移動を
制御する制御系とを備えることとした。また本発明にお
いては、移動可能なステージ上に保持された基板上のマ
ークを照明し、該マークから発生する回折光を受光して
得られる光電信号に基づいて、ステージの移動を制御す
ることによって基板を位置合わせする装置において、マ
ークを照明するための照明光を放射する光源と；照明光
を入射して１対の照明光を生成する２光束発生手段と；
１対の照明光に所定の周波数差を与える周波数変調器
と；１対の照明光の各々を入射し、該各々の照明光をマ
ークに照射する照射対物光学系と；マークから発生する
２つの回折光の干渉光を受光して光電信号を出力する光
電検出手段と；光電信号に基づいて、マークの位置を計
測する計測手段と；該計測されたマークの位置に基づい
て、ステージの移動を制御する制御系とを備えることと
した。また本発明においては、移動可能なステージ上に
保持された基板上にマスクのパターンを転写する露光装
置において、基板に形成された回折マークを照明するた
めの照明光を放射する光源と；照明光を入射して１対の
照明光を生成する２光束発生手段と；１対の照明光に所
定の周波数差を与える周波数変調器と；１対の照明光の
各々を入射し、該各々の照明光を回折マークに照射する
第１照射対物光学系と；１対の照明光を分割するビーム
スプリッタと；分割された１対の照明光を参照マークに
照射する第２照射対物光学系と；回折マークから発生す
る２つの回折光の干渉光を受光して第１光電信号を出力
する第１光電検出手段と；参照マークから発生する２つ
の回折光の干渉光を受光して第２光電信号を出力する第
２光電検出手段と；第１光電信号と第２光電信号に基づ
いて、参照マークに対する回折マークの位置ずれ量を計
測する計測手段と；該計測された位置ずれ量に基づい
て、ステージの移動を制御する制御系とを備えることと
した。また本発明においては、移動可能なステージ上に
保持された基板上にマスクのパターンを転写する露光方
法において、光源からの照明光を１対の照明光に分割す
るとともに、該光源とは別設された周波数変調器によっ
て、該１対の照明光に所定の周波数差を与える第１工程
と；１対の照明光の各々を入射する対物光学系を介し
て、基板上に形成されたマークに１対の照明光を照射す
る第２工程と；マークから発生する２つの回折光の干渉
光に基づいて、マークの位置情報を計測する第３工程
と；計測結果に基づいて、ステージの移動を制御する第
４工程とを備えることとした。 【００１２】 【発明の実施の形態】次に本発明の実施例による位置合
わせ装置の構成を第１図に参照して説明する。所定の回
路パターンとアライメント用の回折格子マークとを有す
るレチクル１は２次元移動可能なレチクルスブージ２に
保持される。レチクル１上の各パターンは両側テレセン
トリックな投影レンズ３によって露光光のもとでウェハ
４上に結像される。ただしこの投影レンズ３は露光用の
照明光波長（ｇ線、ｉ線等）に関して良好に色収差補正
されており、その露光用の波長に関してレチクル１とウ
ェハ４とが互いに共役になるように配置される。またウ
ェハ４上にもしチクル１に形成された格子マークと同様
の回折格子マークが形成されている。さて、ウェハ４は
ステップアンドリピート方式で２次元移動するステージ
５上に吸着され、ウェハ４上の１つのショット領域に対
するレチクル１の転写露光が終了すると、次のショット
位置までステッピングされる。レチクルステージ２の一
部には、レチクル１の水平面内でのｘ方向、ｙ方向及び
回転（θ）方向の位置を検出するためのレーザ光波干渉
式側長器（以下、干渉計とする）４３からのレーザビー
ムを反射する移動鏡６が固定されている。この干渉計４
３はｘ方向、ｙ方向、θ方向の位置を独立に検出するた
めに３本の側長用レーザビームを有するが、ここでは説
明を簡単にするため図示をー部省略してある。レチクル
ステージ２の移動ストロークは数ミリメートル以下であ
り、干渉計４３の検出分解能は、例えば０．０１μｍ程
度に定められている。一方、ウェハステージ５のー部に
は、ウェハ４の水平面内でのｘ方向、ｙ方向の位置を検
出するための干渉計４５からのレーザビームを反射する
移動鏡７が固定されている。この干渉計４５もｘ方向、
ｙ方向の位置を独立に検出するために２本の棚長用レー
ザビームを有するが、ここでは説明を簡単にするため図
示をー部省略してある。レチクルステージ２のｘ方向、
ｙ方向、６方向の駆動は駆動モータ４２で行なわれ、ウ
ェハステージ５の２次元移動は駆動モータ４６で行なわ
れる。 【００１３】ところで露光用の照明系は、水銀ランプ３
０、楕円鏡３１、集光レンズや干渉フィルター等を含む
入力レンズ群３２、オブチカルインテグレータ（フライ
アイレンズ）３３、ミラー３４、メインコンデンサーレ
ンズ３５及びダイクロイックミラー２２等によって構成
される。ダイクロイックミラー２２はレチクル１の上方
に４５。で斜設され、コンデンサーレンズ３５からの露
光光を垂直に下方に反射させ、レチクル１を均一に照射
する。このダィクロイックミラー２２は露光光の波長に
対しては９０％以上の反射率を有し、アライメント用の
照明光の波長（露光光よりも長波長）に対しては５０％
以上の透過率を有する。 【００１４】次に本実施例のアライメント系について説
明する。アライメント用の照明光はレーザ光源１０から
射出され、透過型の基準回折格子を放射状に形成したラ
ジアル・グレイティング１１を通り、フーリエ変換レン
ズ１３とビームスプリッタ１４を介してフーリエ面（ア
ライメント光学系の瞳面）に配置された空間フィルター
１５に達する。ラジアル・グレイティング１１はモータ
１２によってほぼー定の速度で回転可能に構成される。
このラジアル・グレイティング１１に入射したレーザ光
は０次光、±１次光、±２次光……のように、回折し、
それぞれ異なった回折角で広がっていく。第１図では０
次光ＬＢｏ、＋１次光＋ＬＢ1 及び−１次光−ＬＢ1 の
みを示す。これら０次光、±１次光は空間フィルター１
５上で明確に分離して分布し、０次光ＬＢｏのみが遮断
され、±１次光は透過する。空間フィルター１５を通っ
た±１次光はビームスブリッター２０を透過して２焦点
光学系２１に入射する。２焦点光学系２１は第１図では
簡単に示してあるが、実際には複屈折物質（水晶、方解
石等）と顕微鏡用等のテレセントリックな対物レンズと
を組み合わせたもので構成され、レーザ光の±１次光の
偏光成分（Ｐ偏光とＳ偏光）に応じて異なるパワーを与
えるものである。このため２焦点光学系２１を射出した
一方の偏光（例えばＰ偏光）はレチクル１の上方空間の
焦点２６ａに結像し、他方の偏光（例えばＳ偏光）はレ
チクル１の下面のパターン面と一致した焦点２７ａに結
像する。また２焦点光学系２１の他方の焦点、すなわち
レーザ光源１０側で焦点２６ａ、２７ａの夫々と共役な
面は、ラジアル・グレィティング１１とー致している。
ここで２焦点光学系２１の２つの焦点２６ａ、２７ｂの
光軸方向の間隔はアライメント用のレーザ光の波長にお
ける投影レンズ３のレチクル１側での色収差量に対応し
ている。この焦点面２６ａは投影レンズ３によってウェ
ハ４の表面とー致した結後面２６ｂと共役になり、焦点
面２７ａ（レチクルパターン面）は投影レンズ３によっ
てウェハ４の表面から空間的に下方に離れた結後面２７
ｂと共役になる。結後面２６ｂと２７ｂの間隔は投影レ
ンズ３のウェハ４側での色収差量に対応している。ここ
で結後面２６ｂと２７ｂの間隔距離をＤｗ、焦点面２６
ａと２７ａの間隔距離をＤｒ、そして投影レンズ３の投
影倍率を１／Ｍ（通常Ｍは１、２５、５、１０）とする
と、一般的にＤｒ＝Ｍ２．Ｄｗの関係がある。アライメ
ント用のレーザ光の波長が露光光の波長から離れれば離
れる程、投影レンズ３の収差特性に応じてＤｗ、Ｄｒは
大きくなる。この種の投影レンズの焦点深度は極めて浅
く、±１μｍ程度であり、アライメント用照明光の波長
にもよるが間隔Ｄｗは数１０μｍ程度に達することもあ
る。尚、アライメント用照明光（レーザ光）はウェハ４
に塗布されたレジストに対してほとんど感度を持たない
波長にすることが望しいが、本発明においては必ずしも
満たされるべき条件ではない。それは投影レンズによっ
て露光光の波長とアライメント用照明光の波長とで極端
に大きな収差が生じ、特にウェハ４上の回折格子マーク
からの光情報自体に大きな歪みが加えられてしまうから
である。このためその収差との兼ね合いで最適なアライ
メント用照明光を定めることを優先することの方が重要
である。従ってアライメント用照明光が長時間（例えば
１分以上）レジストを照射すると、感光させてしまう
（現像後に薄減りが生じる）ような弱い感度の波長にな
る場合もある。 【００１５】さて、アライメント用のレーザ光の±１次
光ＬＢ・（Ｓ偏光）は焦点面２７ａでレチクル１の回折
格子マーク部分に、＋１次光＋ＬＢ1 と−１次光−ＬＢ
1 との成す角度で２方向から入射し結像する。またレチ
クル１の透明部を透過した焦点面２６ａからの±１次光
ＬＢ・（Ｐ偏光）は、投影レンズ３を介して焦点面２６
ｂでウェハ４の回折格子マーク部分に、＋１次光と−１
次光との成す角度で２方向から入射し結像する。そして
レチクル１の回折格子マークからの反射回折光はダイク
ロイックミラー２２、２焦点光学系２１を介してビーム
スプリッタ２０で反射され、空間フィルター２３でフィ
ルタリングされた後、集光レンズ２４によって光電検出
器２５に達する。またウェハ４の回折格子マークからの
反射回折光は投影レンズ３を介して元の光路を戻り、レ
チクル１の透明部を透過してダイクロイックミラー２
２、２焦点光学系２１、ビームスプリッタ２０、空間フ
ィルター２３、及び集光レンズ２４を通って光電検出器
２５に達する。空間フィルター２３はアライメント光学
系の瞳面と共役な位置、すなわち投影レンズ３の瞳（射
出瞳）と実質共役な位置に配置され、レチクル１、又は
ウェハ４からの正反射光を遮断し、レチクル１又はウェ
ハ４の回折格子に垂直（面の法線方向）に回折される光
のみを通すように定められている。そして光電検出器２
５は２焦点光学系２１、レンズ２４を介してレチクル
１、ウェハ４の夫々と共役に配置されている。 【００１６】さて光電検出器２５から得られる光電信号
は２つの回折格子マークの各々からの回折光同志が干渉
したものとなり、ラジアル・グレイティング１１の回転
速度に応じた正弦波状の交流信号となる。ところでラジ
アル・グレイティング１１からの±１次光、０次光は、
ビームスプリッタ１４を透過し、瞳（フーリエ面）に配
置された空間フィルター１６で０次光のみが遮断され、
レンズ系（逆フーリエ変換レンズ）１７によって参照用
回折格子１８上に結像する。この参照用回折格子１８は
装置上で固定されているものである。この回折格子１８
にも＋１次光＋ＬＢ1 と−１次光−ＬＢ1 とが所定の角
度で２方向から入射する。光電検出器１９は参照用回折
格子１８を透過した回折光（又は干渉光）を受光して、
正弦波状の光電信号を出力する。位相検出系４０は、光
電検出器２６からの光電信号と光電検出器１９からの光
電信号とを入力し、両信号の波形上の位相差を検出す
る。検出された位相差（±１８０。）はレチクル１、ウ
ェハ４の夫々に形成された回折格子マークの格子ピッチ
の１／２内の相対位置ずれ量に一義的に対応している。
制御系４１は検出された位相差（位置ずれ量）の情報、
サーボシステム４４を介して得られる干渉計４３、４５
の各々からの位置情報等に基づいて駆動モータ４２、４
６を制御し、レチクル１とウェハ４の相対位置合わせ
（アライメント）を行なう。 【００１７】以上、本実施例の全体構成において、アラ
イメント光学系のー部、特に２焦点光学系２１はレチク
ル１上のアライメントマークの配置に応じて任意の位置
に可動とされ、どのようなマーク配置であってもマーク
検出が可能となっている。さらにレチクル１の上方に斜
設したダイクロックミラー２２によって露光光とアライ
メント用照明光とを分離するため、露光動作中であって
もマーク検出が可能となる。これは露光中において何ら
かの外乱でレチクル１とウェハ４とのアライメント状態
が狂った場合も、その時点でただちに検出できることを
意味する。さらに位相検出系４０からの位相差情報に基
づいて露光動作中であってもレチクルステージ２とウェ
ハステージ５との位置決めサーボをクローズド・ループ
で実行できることをも意味する。尚、露光光の光源は水
銀ランプ以外のエキシマレーザ光源等に置きかえてもよ
い。 【００１８】次に第２図を用いてアライメント系のみの
詳細な構成、及びアライメントの原理を説明する。第２
図において、第１図中のものと同一の部材には同じ符号
をつけてある。ラジアル・グレイティング（基準回折格
子）１１にはレーザ光源１０から成形されたレーザ光束
（ほぼ平行光束）ＬＢが入射する。このレーザ光束ＬＢ
の偏光方向は、２焦点光学系２１によってＰ偏光とＳ偏
光に分離されて焦点２６ａ、２７ａに集光するとき、Ｐ
偏光とＳ偏光とでその光強度（光量）が所定の比になる
ように調整されている。通常、ウェハ４に達する光の方
が損失が多いので、ウェハ４への光量を増やすようにす
る。そのためには、２重焦点素子を光軸の回りに回転さ
せたり、レーザ光源とラジアル・グレィティング１１の
間にλ／２板を挿入し、それを光軸の回りに回転させた
りする構造を採用すればよい。すなわち、それによって
レチクル１に達する偏光とウェハ４へ達する偏光との光
量比を最適なものに調整できる。さて、ラジアル・グレ
ィティング１１からの±１次光ＬＢＩは、テレセントリ
ックな２焦点光学系２１に入射し、＋１次光＋ＬＢ 1 は
偏光成分によってＰ偏光の＋ＬＢ1PとＳ偏光の＋ＬＢ1S
とに分離れ、２焦点光学系２１の光軸に対して回折角で
決まる角度だけ傾いてレチクル１に達する。同様に−１
次光−ＬＢ1 もＰ偏光の−ＬＢ1PとＳ偏光の−ＬＢ1Sと
に分離され、光軸をはさんで＋１次光（＋ＬＢ1P、＋Ｌ
Ｂ1S）と対称的な角度でレチクル１に達する。Ｐ偏光に
関しては焦点２７ａ、すなわちレチクル１の回折格子マ
ークＲＭの位置に結像するため、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ
1P、−ＬＢ1Pは回折格子マークＲＭのところで交差（結
像）する。第２図においてマークＲＭの格子配列方向は
紙面内の左右方向であり、１次光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1Pの
各々の光軸からの傾き方向も第２図の紙面内に定められ
る。レチクル１には第３図（ａ）に示すように回折格子
マークＲＭと透明な窓部Ｐｏとが形成されており、１次
光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1PはともにマークＲＭと窓部Ｐｏと
をカバーする大きさでレチクル１を照射する。第３図
（ａ）に示したマークＲＭはｘ方向（格子配列方向）の
位置検出に使われるものであり、ウェハ４上の回折格子
マークＷＭも第３図（ｂ）に示すように、これと対応し
ている。マークＷＭはアライメント時（又は露光時）に
レチクル１の窓部Ｐｏの位置に整列するように定められ
ている。さて２焦点光学系２１を射出したＳ偏光の１次
光＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sは空間上の焦点２６ａで一度結像
した後、レチクル１の窓部Ｐｏを透過し、投影レンズ３
を介してウェハ４の回折格子マークＷＭに互いに異なる
２方向から入射するように結像される。投影レンズ３か
ら射出したＳ偏光の１次光＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sの各々
は、回折格子マークＷＭの格子配列方向に関して対称的
に傾いて入射する。ウェハ４に達したＳ偏光の１次光＋
ＬＢ1S、−ＬＢ 1Sの成す角度は大きくても投影レンズ３
の射出（ウェハ）側の閉口数を越えることはない。尚、
ラジアル・グレイティング１１に対してレチクル１とウ
ェハ４とはそれぞれ共役に配置されるため、レーザ光束
ＬＢが平行光束であるとすると、各回折光束＋ＬＢ1P、
−ＬＢ1P、＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sも平行光束となる。 【００１９】ここでＰ偏光の１次光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1P
のレチクル１のマークＲＭに対するふるまいを第５図を
用いて詳述する。第５図はレチクル１のマークＲＭを模
式的に表わしたもので、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ1Pが角度
６でマークＲＭに入射しているものとする。このとき１
次光＋ＬＢ1Pのレチクル１での正反射光Ｄ1Pも角度６で
反射することになる。光束＋ＬＢ1Pが角度６で入射する
ことは、光束一ＬＢ1Pについても角度６で、正反射光Ｄ
1Pと逆向きにレチクル１に入射することを意味する。そ
こで回折格子マークＲＭの格子ピッチをＰ、レーザ光束
ＬＢの波長を久、そしてｎを整数として、以下の（１）
式を満たすようにピッチＰと角度８とを定める。 ｓｉｎθ＝（λ／Ｐ）×ｎ ……（１） この（１）式を満足すると、１次光＋ＬＢ1P、−ＬＢ1P
の照射によりマークＲＭから発生する特定次数の回折光
１０４は、レチクル１と垂直な方向、すなわち２焦点光
学系２１の光軸に沿った方向に進む。もちろんその他の
回折光１０３も発生するが、これは回折光１０４とは異
なる方向に進む。 【００２０】ところでレチクル１のマークＲＭには２方
向から光束＋ＬＢ1P、−ＬＢ1Pが交差するように照射さ
れ、その両光束が同一のレーザ光源１０から射出された
ものであることから、マークＲＭ上には２つの光束＋Ｌ
Ｂ1Pと−ＬＢ1Pとの干渉により、明暗の綿、所謂干渉縞
が生じる。仮りにラジアル・グレイティング１１が停止
しているものとすると、この干渉縞はマークＲＭの格子
配列方向に所定のピッチで配列する。干渉縞のピッチと
マークＲＭの格子ピッチとは必要とされる検出分解能に
応じて適宜決定される。従って、マークＲＭからの回折
光１０４は、この干渉縞がマークＲＭを照射したことに
よって生じたものである。あるいは、一方の光束＋ＬＢ
1Pの照射によってマークＲＭから生じた回折光と、他方
の光束−ＬＢ1Pの照射によってマークＲＭから生じた回
折光とが同一光路（２焦点光学系２１の軸上）を戻るこ
とから相互に干渉したものとも考えられる。このように
マークＲＭ上に異なる２方向から光束十ＬＢ1P、−ＬＢ
1Pが照射されると、マークＲＭには干渉縞が生じるが、
ラジアル・グレイティング１１が回転している場合は、
その干渉縞がマークＲＭの格子配列方向に移動する（流
れる）ことになる。これはラジアル・グレイティング１
１の１次光＋ＬＢ1 、−ＬＢ1 による昭視野像がレチク
ル１のマークＲＭ上に結像していることによる。このた
め、マークＲＭ上を干渉縞（ラジアル・グレイティング
１１の２焦点光学系２１等によって投影された回折像）
が走査することによって、回折光１０４は明暗の変化を
周期的に繰り返すことになる。よって光電検出器２５か
らの信号は、その明暗変化の周期に応じた正弦波状の交
流信号となる。 【００２１】以上のことは、ウェハ４上の回折格子マー
クＷＭとＳ偏光の光束＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sとの関係にお
いても全く同様であり、マークＷＭからは回折光１０５
が発生し、これは投影レンズ３の主光線に沿って進み、
レチクル１の窓部Ｐｏを介して光電検出器２５に達す
る。２焦点光学系２１を射出したＳ偏光の光束＋Ｌ
Ｂ1S、−ＬＢ1Sは焦点２６ａでは交差するように結像す
るが、レチクル１のマークＲＭ、窓部Ｐｏにおいては大
きくデフォーカスしてしまう。 【００２２】さて、光電検出器２５は２焦点光学系２１
を介してマークＲＭとマークＷＭの夫々と共役に配置さ
れるとしたが、実際には第２図に示すように、マークＲ
Ｍ、ＷＭの夫々と共役な位置に、第３図（Ｃ）に示すよ
うなマスク部材２５’を設け、このマスク部材２５’の
アパーチャＡP 、ＡS を透過した回折光１０４、１０５
を光電検出するように構成される。ここでアパーチャＡ
P は、例えばレチクル１のマークＲＭからの回折光１０
４による回折像を取り出すものであり、アパーチャＡS
はウェハ１のマークＷＭからの回折光１０５による回折
像を取り出すものである。従って光電検出器２５を各ア
パーチャＡP 、ＡS の後に別個に設けることによって、
マークＲＭによるレチクル１の位置検出とマークＷＭに
よるウェハ１の位置検出とが独立に可能となる。満、ア
パーチャＡP にはＰ偏光の光束＋ＬＢ1P、−ＬＢ1Pによ
って照射されたレチクル１のマークＲＭの像ができる
が、同時にＳ偏光の光束＋ＬＢ1S、−ＬＢ1Sの反射回折
光もバックグラウンドノイズとして入ってくる。このた
めアバーチャＡＰにはＰ偏光を通す偏光板を設け、アパ
ーチャＡS にはＳ偏光を通す偏光板を設けるとよい。こ
うすると、２つの光電検出器２５の夫々で、ウェハから
の光とレチクルからの光とが混在してしまうクロストー
クは十分に低減される。 【００２３】ここでラジアル・グレィティング１１が停
止している場合に、アパーチャＡPを介してえられる回
折光１０４の光電信号について解析してみる。先の
（１）式でｎ＝±１にすると、格子ピッチＰはラジアル
・グレイティング１１の基準格子のピッチと、レンズ１
３、２焦点光学系２１を通した結後倍率の関係にある。
（同様にしてウェハ４上のマークＷＭの格子ピッチも、
マークＲＭの格子ピッチＰと投影レンズ３の結像倍率に
関連している。）さて、マークＲＭに入射する光束＋Ｌ
Ｂ1Pによって生じる回折光の振幅ＶＲ+ は（２）式で与
えられ、光束−ＬＢ1Pによって生じる回折光の振幅ＶＲ
- は（３）式で与えられる。 ＶＲ+ ＝ａ・ｓｉｎ〔φ＋２π（ｘ／Ｐ）〕 ……（２） ＶＲ- ＝ａ’・ｓｉｎ〔φ−２π（ｘ／Ｐ）〕 ……（３） ここでＰはマークＲＭの格子ピッチであり、ｘはマーク
ＲＭの格子配列方向の変位量である。これら２つの回折
光ＶＲ+ 、ＶＲ- が互いに干渉したものが光電検出され
るから、光電信号の変化（回折光１０４の振幅）は
（４）式のように表わされる。 │ＶＲ+ ＋ＶＲ- │2 ＝ ａ2 ＋ａ’2 ＋２・ａ・ａ’・ｃｏｓ〔４π（ｘ／Ｐ）〕 ……（４） ここでａ2 ＋ａ’2 は信号のバイアス（直流成分）であ
り、２ａ・ａ’が信号変化の振幅成分である。この
（４）式から明らかなように、光電信号はラジアル・グ
レイティング１１とマークＲＭとが格子配列方向に相対
的に変位すると正弦波状に変化する。その相対変位量ｘ
が、ｘ＝Ｐ／２（格子ピッチの半分）になるたびに、信
号幅幅は１周期だけ変化する。一方、ウェハ４のマーク
ＷＭからの回折光１０５についても全く同様で、（４）
式のように表わされる。そこでこの２つの光電信号の位
相関係を合致させるように、レチクル１又はウェハ４を
移動させることによってアライメントが完了する。ただ
し（４）式からもわかるように各信号は正弦波状であ
り、検出できる位相差も±１８０°の範囲内であるた
め、レチクル１とウェハ４とは予めマークＲＭ、ＷＭの
格子ピッチＰの１／２以下の精度でプリアライメントさ
れている必要がある。このようにラジアル・グレイティ
ング１１が停止している場合は、得られる光電信号の振
幅レベルはしチクル１又はウェハ４を移動させることに
よってはじめて正弦波状に変化する。 【００２４】ところでラジアル・グレイティング１１が
回転していると、回折光１０４、１０５は周期的（正弦
波状）な明暗情報となり、得られる光電信号は、レチク
ル１又はウェハ４が静止していたとしても、正弦波状の
交流信号となる。従ってこの場合は、第１図中に示した
光電検出器１９からの光電信号（正弦波交流信号）を基
本信号として、マークＲＭからの回折光１０４の光電信
号（正弦波交流信号）との位相差φr を位相検出系で検
出する。同様にして、マークＷＭからの回折光１０５の
光電信号と基本信号との位相差φW を検出する。そし
て、位相差φr とφW の差を求めれば、レチクル１とウ
ェハＷのｘ方向のずれ量がわかる。この検出方式は所謂
光へテロダイン方式と呼ばれ、レチクル１とウェハ４が
格子ピッチＰの１／２の位置誤差範囲内であれば、静止
状態であっても検出高分解能で位置ずれ検出できるた
め、レチクル１のパターンをウェハ４のレジストへ露光
している間に微小な位置ずれが生じないようにクローズ
ド・ループの位置サーボをかけるのに好都合である。こ
の検出方式では、φr −φW が零（又は所定値）になる
ようにレチクル１又はウェハ４を移動させてアライメン
トを完了させた後、引き続きそのアライメント位置でレ
チクル１とウェハ４とが相対移動しないようにサーボ・
ロックをかけることができる。 【００２５】以上本実施例では、アライメント光学系を
ｘ方向の位置ずれ検出用に１組だけ設けて説明したが、
実際には２組、又は３組が必要であり、ｘ方向、ｙ方向
のアライメント、あるいはｘ方向、ｙ方向、θ方向のア
ライメントが行なわれる。３組のアライメント光学系を
配置する場合、ウェハ上のマーク配置は１例として第４
図に示すものが考えられる。第４図はウェハ上の１つの
ショット領域ＳＡに付随した３ケ所の回折格子状マーク
ＷＭｘ、ＷＭｙ、ＷＭθを表わし、マークＷＭ白、ＷＭ
ｙはショット領域の両端に設けられ、ともにｙ方向のず
れ検出に使われる。マークＷＭｙ、ＷＭθのずれ量の差
からショット毎にレチクル１との相対回転誤差が求めら
れる。尚、第４図においてマークＷＭｘ、ＷＭｙ、ＷＭ
θはショット領域内に設けたが、スクライブライン（ス
トリートライン）ＳＬ上に設けるようにしてもよい。 【００２６】以上、本実施例においては、ダイクロイッ
クミラー２２で露光光とアライメント用照明光とを分離
し、アライメント光学系は露光中においてもレジストを
感光させにくい照明光によってレチクルとウェハとを同
時観察できるようにしてある。しかも２焦点光学系を用
いて投影レンズの色収差量に対応するようにアライメン
ト用照明光を２焦点化するため、レチクルとウェハとの
間のアライメント光路中には、従来のように補正光学系
を設ける必要かなく、レチクル上のマークとウェハ上の
マークとを直接検出して高精度なアライメントが可能と
なる。さらにアライメント用のマークは高分解能で位置
ずれ検出のできる回折格子とし、この回折格子の周期構
造に応じて発生する回折光の正弦波状のレベル変化をと
らえるようにしたため、レジストに対して透明な波長の
照明光（非感光光）を用いることと相まって、極めて安
定で高精度の位置ずれ検出が可能となる。また本実施例
では、ラジアル・グレイティングを回転させて、回折格
子マークを２方向から照明する２つの光束＋ＬＢ1P、−
ＬＢ1P（又は＋ＬＢ1S、−ＬＢ1S）に位相差を与えるこ
とによって、光へテロダイン方式の位置ずれ検出を行な
うようにしたが、レーザ光束ＬＢをゼーマンレーザにし
て固定の基準回折格子に入射させて２つの光束を得た
り、又は超音波光変銅器（ＡＯＭ）等を用いて互いに周
波数がわずかに異なる２つのしーザ光束を得たりするこ
とによっても、同様に光へテロダイン方式の計測がてき
る。特に超音波光変調器等を用いると、ラジアル・グレ
イティングのような機械的可動部がいらないこと、変調
による周波数差がラジアル・グレイティングの場合より
も数段大きくとれることから、位相差検出の分解能が上
げられることなどの利点がある。 【００２７】また本実施例では、露光光とアライメント
光とで波長が異なり、その色収差量が大きいために２焦
点素子を用いた検出光学系を用いた。しかし投影レンズ
自体が上記２つの波長に対して収差補正されている場合
は、２焦点素子は必要なく、２つの波長で色消しされた
テレセントリックな対物レンズがあればよい。この場合
でも、検出系の受光面ではウェハからの信号とレチクル
からの信号とを分離して受光することができる。これは
ウェハ、レチクル、受光面の夫々がアライメント光の波
長のもとでも共役になるからである。 【００２８】さらに露光光とアライメント光との波長を
近似させてもよい。この場合は投影レンズによって大き
な色収差量は発生しないものの、実質的に光源が異なる
ことからアライメント精度に影響を与える程度の収差が
残存することもあり、検出光学系として色消しされたテ
レセントリックな対物レンズを用いる。このようなとき
に、露光光の波長に近いアライメント光を発生する光源
が存在しない場合は、非線形結晶にレーザ光を入射さ
せ、この結晶から高調波を発生させ、それを利用するこ
ともできる。特にエキシマレーザを用いた露光装置の場
合、露光波長に近い波長で連続発振するレーザが存在し
ないことがあり、このようなときに非線形結晶を用いて
所望のアライメント光を取り出すようにするとよい。 【００２９】以上本実施例においては、アライメント光
学系の照明光迭光路中に２焦点光学系等の検出光学系を
設け、照明光自体を色収差量に対応して２重焦点化（色
消し）することによって、マスク（レチクル）と投影光
学系との間に補正光学系を設けることを不要とした。従
って露光光とは異なる波長の光でマーク（回折格子）を
検出するにもかかわらず、従来のような補正光学系に起
因する各種問題が一掃され、極めて安定した位置合わせ
が可能となる。さらにマスク上の格子と基板上の格子と
の相対的な位置ずれを検出するために、各格子の配列方
向に関して異なった２方向からアライメント用照明光が
照射されるように、２焦点光学系（検出光学系）に入射
するアライメント用照明光の配向特性を制御するように
した。このため各格子から発生する正反射光と回折光
（±１次光、±２次光等）とが明瞭に分離されることに
なり、回折光を用いた格子間の位置ずれが高精度に求め
られる。また、回折格子に２方向から照明光を入射する
ことによって、一方の方向からの照射により発生する回
折光と、他方の方向からの照射により発生する回折光と
を同一の光路にして干渉させることができるため、所謂
光へテロダイン法を容易に採用することができ、位置ず
れ計測の分解能は十分に高精度になり、計測再現生、安
定性とも十分に向上する。 【００３０】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、光源とは
別設された周波数変調器からの１対の照明光を対物光学
系を介して位置合わせ対象物（基板、マスク）に照明す
るようにしたので、所望の条件で照明光を位置合わせ対
象物に照射することができる。また、周波数変調器とマ
ークとを共役関係としたので、回折マークを用いた位置
合わせ方式において、周波数変調器が位置ずれしたり、
周波数変調器とマークとの間の光路中で空気ゆらぎが生
じたりしてもアライメント誤差が生じない。従って、装
置としての安定性とアライメント精度とを同時に満足す
ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による投影露光装置の全体的な
構成を示す図である。 【図２】アライメント系のみの構成を示す図である。 【図３】（ａ）はレチクル上の回折格子マークの形状を
示す平面図であり、（ｂ）はウェハ上の回折格子マーク
の形状を示す平面図であり、（ｃ）は光電検出系に設け
られたマスク部材の形状を示す平面図である。 【図４】ウェハ上のマーク配置を示す平面図である。 【図５】レーザ光束の入射の様子を示す図である。 【主要部分の符号の説明】 １…レチクル ３…投影レンズ ４…ウェハ １０…レーザ光源 １１…ラジアル・グレイティング ２１…２焦点光学系 ２５…光電検出器 ２５’…マスク部材 ３０…水銀ランプ
構成を示す図である。 【図２】アライメント系のみの構成を示す図である。 【図３】（ａ）はレチクル上の回折格子マークの形状を
示す平面図であり、（ｂ）はウェハ上の回折格子マーク
の形状を示す平面図であり、（ｃ）は光電検出系に設け
られたマスク部材の形状を示す平面図である。 【図４】ウェハ上のマーク配置を示す平面図である。 【図５】レーザ光束の入射の様子を示す図である。 【主要部分の符号の説明】 １…レチクル ３…投影レンズ ４…ウェハ １０…レーザ光源 １１…ラジアル・グレイティング ２１…２焦点光学系 ２５…光電検出器 ２５’…マスク部材 ３０…水銀ランプ
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｒ
５２５Ｋ
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．移動可能なステージ上に保持された基板上のマーク
を照明し、該マークから発生する回折光を受光して得ら
れる光電信号に基づいて、前記ステージの移動を制御す
ることによって前記基板を位置合わせする装置におい
て、 前記基板のマークを照明するための照明光を放射する光
源と； 前記照明光を入射して所定の周波数差を有する一対の照
明光を生成する周波数変調器と； 前記１対の照明光を前記マークに所定の交差角度で照射
するために、前記周波数変調器と前記基板とを相互に共
役関係にする第１の照射光学系と； 該第１の照射光学系の光路内に配置されて前記１対の照
明光を分割するビームスプリッタと； 該分割された１対の照明光を参照マークに所定の交差角
度で照射するために、前記周波数変調器と前記参照マー
クを相互に共役関係にする第２の照射光学系と； 前記マークから発生する２つの回折光の干渉光を受光し
て前記所定の周波数差に応じた周期で強度変化する第１
交流信号を出力するとともに、前記参照マークから発生
する２つの回折光の干渉光を受光して前記所定の周波数
差に応じた周波数差に応じた周期で強度変化する第２交
流信号とを出力する光電検出手段と； 前記第１交流信号と第２交流信号との間の位相差を計測
することによって、前記参照マークに対する前記マーク
の位置ずれ量を計測する計測手段と； 該計測された位置ずれ量に基づいて、前記ステージの移
動を制御する制御系とを備えたことを特徴とする位置合
わせ装置。 ２．移動可能なステージ上に保持された基板上のマーク
を照明し、該マークから発生する回折光を受光して得ら
れる光電信号に基づいて、前記ステージの移動を制御す
ることによって前記基板を位置合わせする装置におい
て、 前記マークを照明するための照明光を放射する光源と； 前記照明光を入射して１対の照明光を生成する２光束発
生手段と； 前記１対の照明光に所定の周波数差を与える周波数変調
器と； 前記１対の照明光の各々を入射し、該各々の照明光を前
記マークに照射する照射対物光学系と； 前記マークから発生する２つの回折光の干渉光を受光し
て光電信号を出力する光電検出手段と； 前記光電信号に基づいて、前記マークの位置を計測する
計測手段と； 該計測された前記マークの位置に基づいて、前記ステー
ジの移動を制御する制御系とを備えたことを特徴とする
位置合わせ装置。 ３．照射対物光学系は、前記１対の照明光を前記マーク
に異なる交差角度で照射することを特徴とする請求項２
に記載に位置合わせ装置。 ４．移動可能なステージ上に保持された基板上にマスク
のパターンを転写する露光装置において、 前記基板に形成された回折マークを照明するための照明
光を放射する光源と； 前記照明光を入射して１対の照明光を生成する２光束発
生手段と； 前記１対の照明光に所定の周波数差を与える周波数変調
器と； 前記１対の照明光の各々を入射し、該各々の照明光を前
記回折マークに照射する第１照射対物光学系と； 前記１対の照明光を分割するビームスプリッタと； 前記分割された１対の照明光を参照マークに照射する第
２照射対物光学系と； 前記回折マークから発生する２つの回折光の干渉光を受
光して第１光電信号を出力する第１光電検出手段と； 前記参照マークから発生する２つの回折光の干渉光を受
光して第２光電信号を出力する第２光電検出手段と； 前記第１光電信号と前記第２光電信号に基づいて、前記
参照マークに対する前記回折マークの位置ずれ量を計測
する計測手段と； 該計測された位置ずれ量に基づいて、前記ステージの移
動を制御する制御系とを備えたことを特徴とする露光装
置。 ５．前記第１照射対物光学系は、前記周波数変調器と前
記基板とを相互に共役関係にするとともに、前記第２照
射対物光学系は、前記周波数変調器と前記参照マークと
を相互に共役関係にすることを特徴とする請求項４に記
載の露光装置。 ６．前記第１光電検出手段は、前記回折マークから発生
する２つの回折光の干渉光を受光して前記所定の周波数
差に応じた周期で強度変化する第１交流信号を出力する
とともに、前記第２光電検出手段は、前記参照マークか
ら発生する２つの回折光の干渉光を受光して前記所定の
周波数差に応じた周期で強度変化する第２交流信号を出
力し、前記計測手段は、前記第１交流信号と前記第２交
流信号とに基づいて、前記位置ずれ量を計測することを
特徴とする請求項４または５に記載の露光装置。 ７．移動可能なステージ上に保持された基板上にマスク
のパターンを転写する露光方法において、 光源からの照明光を１対の照明光に分割するとともに、
該光源とは別設された周波数変調器によって、該１対の
照明光に所定の周波数差を与える第１工程と； 前記１対の照明光の各々を入射する対物光学系を介し
て、前記基板上に形成されたマークに前記１対の照明光
を照射する第２工程と； 前記マークから発生する２つの回折光の干渉光に基づい
て、前記マークの位置情報を計測する第３工程と； 前記計測結果に基づいて、前記ステージの移動を制御す
る第４工程とを備えたことを特徴とする露光方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29303596A JP2787303B2 (ja) | 1996-11-05 | 1996-11-05 | 位置合わせ装置、露光装置及び露光方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29303596A JP2787303B2 (ja) | 1996-11-05 | 1996-11-05 | 位置合わせ装置、露光装置及び露光方法 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62118500A Division JP2658051B2 (ja) | 1987-05-15 | 1987-05-15 | 位置合わせ装置，該装置を用いた投影露光装置及び投影露光方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09119811A JPH09119811A (ja) | 1997-05-06 |
| JP2787303B2 true JP2787303B2 (ja) | 1998-08-13 |
Family
ID=17789657
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29303596A Expired - Lifetime JP2787303B2 (ja) | 1996-11-05 | 1996-11-05 | 位置合わせ装置、露光装置及び露光方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2787303B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SG152898A1 (en) * | 2002-09-20 | 2009-06-29 | Asml Netherlands Bv | Alignment systems and methods for lithographic systems |
| DE102008004762A1 (de) * | 2008-01-16 | 2009-07-30 | Carl Zeiss Smt Ag | Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit einer Messeinrichtung |
| JP5909210B2 (ja) | 2013-07-11 | 2016-04-26 | キヤノン株式会社 | インプリント装置及び物品の製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0749926B2 (ja) * | 1986-05-07 | 1995-05-31 | 日本電信電話株式会社 | 位置合わせ方法および位置合わせ装置 |
-
1996
- 1996-11-05 JP JP29303596A patent/JP2787303B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09119811A (ja) | 1997-05-06 |
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |