JP2803667B2 - 露光方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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】この種の投影露光装置（ステッパー）で
は、レチクル（マスク）に形成された回路パターンを、
１／５、あるいは１／１０に縮小投影する投影レンズを
介して、ウェハ上の所定位置に回路パターン像を露光し
ている。この際、レチクルは水銀放電灯等からの単色光
によって照明され、投影レンズでの色収差の発生を押え
ている。このため投影レンズは、露光用の単色照明光の
波長近傍（例えばｉ線、ｇ線等）で最良のディストーシ
ョン特性となるように、各種収差が補正されている。

【０００３】また、半導体素子製造時には、ウェハ表面
に多数層の回路パターンを作り込むので、数回〜十数回
のマスクワークが必要となる。このマスクワークの主な
作業は、新たに重ね合わせ露光すべきレチクルと、すで
にウェハ上に形成された回路パターン領域と精密に位置
合わせする作業、すなわちアライメントである。現在、
実用化されている投影露光装置の多くは、レチクルとウ
ェハとを光学的に自動アライメントする装置を組み込ん
でおり、半導体素子製造に多大な成果をあげている。

【０００４】ところで、この自動アライメント装置には
様々の方式があるが、そのうち最も精度が高いと期待さ
れている方式の１つに、スルーザレチクル（ＴＴＲ）方
式と呼ばれているものがある。これは、レチクルの回路
パターン領域周辺のアライメントマークと、ウェハ上の
１つ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、レチクルの上方に配置したアライメント光学系
（アライメント対物レンズ等）によって同時に検出し、
両マークのずれを直接計測し、レチクル又はウェハを、
そのずれ量が零になるように微動させる方式である。

【０００５】この場合、両マークを照明するアライメン
ト用照明光（走査型レーザスポット光、又は均一照明
光）は、投影レンズの色収差を考慮して、露光用照明光
と同一波長、もしくは近傍の波長に定められていた。従
って、アライメントのために、アライメント用照明光が
ウェハ上のマークを照射すると、その部分のレジスト層
は感光してしまい、現像後に各種プロセスを通すと、ウ
ェハ上の当該マークが破壊されてしまい、次の層の重ね
合わせ露光のときのアライメントに使えないといった問
題が生じた。

【０００６】そこで、その１つの解決法として、図１０
に示すように、ＴＴＲ方式のアライメントをレジスト層
に対して非感光な波長域の照明光で行ない、投影レンズ
ＰＬによる色収差は、レチクルＲと投影レンズＰＬとの
間のアライメント光路中のみに設けられた補正光学系Ｏ
_P1、あるいはアライメント時のみ、レチクルＲと投影レ
ンズＰＬとの間に挿入される補正レンズ系Ｏ_P2等によっ
て補正し、露光光以外の波長域においてもレチクルＲと
ウェハＷとの共役を維持する方式が提案されている。

【０００７】尚、図１０中、ＲＭはレチクルＲのアライ
メントマーク（又は単なる透明窓）、ＷＭはウェハＷの
アライメントマーク、ＡＬｇはアライメント用照明光を
送るとともに、マークＲＭ、ＷＭからの光情報を検出す
るためのアライメント光学系である。このように、レチ
クルＲと投影レンズＰＬの間に何らかの色収差補正系を
設ける方式は、原理的にはすぐれているが、アライメン
ト時と露光時とで投影像の重ね合わせ位置が微妙にシフ
トするといった重大な欠点があることが知られている。
それは色収差補正系の機械的な安定性、装置製造時の設
定誤差、温度ドリフト等が主な原因である。そこで、レ
チクルＲと投影レンズＰＬとの間には何ら補正系を設け
ずに、色収差誤差に対応する方法が、例えば特開昭６３
−１５３８２０号公報に開示されている。この特開昭６
３−１５３８２０号公報では、レチクルの上方に２焦点
素子を含むアライメント光学系を配置し、レチクル上に
スポット光として結像するビームと、ウェハ上にスポッ
ト光として結像するビームとを、アライメント用レーザ
光源からアライメント対物レンズに至るまで同軸で導
き、対物レンズを射出したビームの結像面を２焦点化し
ている。このため、ウェハ上に結像すべきスポット光の
ビームはレチクル上では色収差のために大きくデフォー
カスしている。そして２つのビームの同軸性を利用し
て、スキャナーにより２つのビーム（スポット光）を走
査し、レチクルのマークからの光情報とウェハのマーク
からの光情報を、同時に光電検出している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術では、
いずれにしろレーザ光のスポット光でウェハ上のマーク
を走査する方式なので、スポット走査方式のアライメン
ト系がもつ各種問題は、相変わらず未解決のままであ
る。スポット走査方式では、ウェハ上のマークエッジか
らの散乱光や回折光を光電検出するので、スポット光照
射領域（例えば２〜４μｍ幅）内にマークエッジが存在
するときだけ光電信号のピーク波形が得られる。すなわ
ち基本的には、単発のピーク波形からマーク位置を求め
ることになり、そのピーク波形に歪みが生じると、それ
が直接アライメント精度を左右するといった問題が生じ
ていた。

【０００９】また、ウエハステ─ジの位置を計測する干
渉計のビ─ム光路の空気密度の揺らぎの影響により、ア
ライメント結果に誤差が生じ、アライメント精度が低下
するといった問題が生じていた。そこで本発明では、こ
のようなスポット走査方式によるマーク検出を行なわず
に、別波長のアライメント照明光のもとでより高精度な
アライメントを行なうことができる投影露光装置用の位
置合わせ装置を得ることを目的とする。

【００１０】さらに本発明は、より分解能の高いアライ
メントを可能とするために、回折格子マーク等を用いた
干渉アライメント法を採用し、露光動作中でもマーク検
出が可能な装置を得ることを目的とする。さらに本発明
では、マスクに設けたアライメントマークと感光基板上
に設けたアライメントマークとの各々からの光情報が混
同しないようにした装置を得ることを目的とする。

【００１１】また、干渉計のビ─ム光路の空気密度の揺
らぎの影響を低減し、アライメント精度を向上させるこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、マスクのパターンを基板上に投影する露
光方法において、マスクと基板との相対位置誤差を計測
する工程と；相対位置誤差が所定量となった時、マスク
を基板に追従させる動作を開始する工程とを有すること
とした。また、マスクのパターンを基板上に投影する露
光方法において、前記マスク上のアライメントマークと
前記基板を搭載する基板ステージ上の基準マークを用い
てアライメントに関するオフセットを求める第１段階
と；基板ステージの位置を計測する干渉計の計測結果を
用いて、基板の位置を制御する第２段階と；基板上のア
ライメントマークの位置情報を計測する第３段階と；第
２段階で制御された基板とマスクとの相対位置誤差が所
定量となった時、オフセット及びアライメントマークの
位置情報に基づいてマスクを基板に追従させる動作を開
始する第４段階とを有することとした。

【００１３】また、マスクのパターンを基板上に投影す
る露光方法において、前記マスクと前記基板との相対位
置誤差が所定量となった時、前記マスクを前記基板に追
従させる動作を開始することとした。また、マスクのパ
タ─ンを基板上に投影する露光方法において、前記マス
ク上のアライメントマ─クと前記基板を搭載する基板ス
テ─ジ上の基準マ─クを用いてアライメントに関するオ
フセットを求める第１段階と；前記基板ステ─ジの位置
を計測する干渉計の計測結果を用いて、前記基板の位置
を制御する第２段階と；前記基板上のアライメントマ─
クの位置情報を計測する第３段階と；前記第２段階で制
御された基板と前記マスクとの相対位置誤差が所定量と
なった時、前記オフセット及び前記アライメント結果に
基づいて前記マスクを前記基板に追従させる動作を開始
する第４段階とを有することとした。

【００１４】

【作用】本発明においては、マスクを基板に追従移動さ
せることで、マスクと基板との相対位置ずれをほぼ零に
保つことが可能となり、露光されたパターンの線幅の太
りや解像低下がない、極めて忠実な転写が達成される。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例による位置合わせ装置
について説明するが、その前に本発明の基礎となる技術
について図１を参照して説明する。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テージ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
にもレチクル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測
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４３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本の測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一部省略してある。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の一部にはウ
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本の測長用レーザビー
ムを有するが、ここでは説明を簡単にするため図示を一
部省略してある。レチクルステージ２のｘ方向、ｙ方
向、θ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。

【００１６】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、オプ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。このダイクロイックミラー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。

【００１７】次にこのステッパー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射光はレーザ光源１
０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
一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。図１では０次光ＬＢ₀ 、＋１次
光＋ＬＢ₁ 及び−１次光−ＬＢ₁ のみを示す。これら０
次光、±１次光はレンズ系１３の作用でともに主光線が
平行になるとともに、フーリエ面に配置された空間フィ
ルター１５上で明確に分離して分布し、０次光ＬＢ₀ の
みが遮断され、±１次光は透過する。空間フィルター１
５を通った±１次光はビームスプリッター１４で反射さ
れた後、瞳リレー系１７Ａを通り、ビームスプリッター
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、アライメント系の瞳、すなわち投影レンズ
３の瞳ＥＰと共役に配置された複屈折物質（水晶、方解
石等）２１ｂと顕微鏡用等のテレセントリックな対物レ
ンズ２１ａとを一体に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。ここでレーザ光源
１０は直交直線偏光のレーザ光を発振するものとする。
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・
グレイティング１１と一致している。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。この空間
中の焦点面２６ａは投影レンズ３によってウェハ４の表
面と一致した結像面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像面２７ｂと共役
になる。結像面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。ここで結像面
２６ｂと２７ｂの間隔距離をＤ_w 、焦点面２６ａと２７
ａの間隔距離をＤ_r 、そして投影レンズ３の投影倍率を
１／Ｍ（通常Ｍは１、２．５、５、１０のうちいずれか
１つ）とすると、一般的にＤ_r ＝Ｍ² ・Ｄ_w 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
Ｄ_w 、Ｄ_r 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Ｄ_w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に塗布されたレチクルに対してほとんど
感度を持たない波長にすることが望ましいが、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。

【００１８】さて、アライメント用のレーザ光の±１次
光ＬＢ₁ （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
ＬＢ₁ （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で反射された後、瞳リレー系１７Ｂを通
って瞳共役面（フーリエ面）に配置された空間フィルタ
ー２３で軸上を進む回折光のみがフィルタリングされ、
さらに集光レンズ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を介しての元の光路を戻り、レチクル１の
透明部を透過してダイクロイックミラー２２、２焦点光
学系２１、ビームスプリッタ２０、瞳リレー系１７Ｂ、
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２５の前には、２焦点光学系２１、瞳リレー系１
７Ｂ、及びレンズ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たアパーチャ板２５’が設けられ
ている。

【００１９】さて光電検出器２５から得られる光電信号
は、レチクル１又はウェハ４を２方向から照射する±１
次光±ＬＢ₁ によって作られた干渉縞が各回折格子マー
ク上でピッチ方向に流れるように照射されることになる
ので、ラジアル・グレイティング１１の回転速度に応じ
た周波数の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（フリーエ面）を像面
に変換するレンズ系（逆フーリエ変換レンズ）１６によ
って参照用回折格子１８上に結像（２方向からのビーム
＋ＬＢ₁ 、−ＬＢ₁ が交差）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。この光電信号は
ラジアル・グレイティング１１の回転速度に比例した周
波数となり、基準ビート信号となる。位相検出系４０
は、光電検出器２５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４
３、４５の各々からの位置情報等に基づいて駆動モータ
４２、４６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。尚、図１の説明で
は、２つのビーム＋ＬＢ₁ 、−ＬＢ₁ は紙面内で交差す
るように示したが、実際は投影レンズ３の軸ＡＸを含む
平面と垂直な面内で互いに傾いている。

【００２０】以上の全体構成において、アライメント光
学系の一部、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
クロイックミラー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。このため露光されたレチクル
パターンの線幅も、わずかな像ぶれによって太ることが
ない。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。

【００２１】次に図２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模式的に説明す
る。図２において、ダイクロイックミラー２２、空間フ
ィルター１５、ビームスプリッタ１４、瞳リレー系１７
Ａは簡単にするために省略してあり、図１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（周波数シフター）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２
１によってＰ偏光とＳ偏光に分離されて焦点２６ａ、２
７ａ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１０と
ラジアル・グレイティング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・グレイティング１１から
の±１次光ＬＢ₁ （平行光束）は、レンズ系１３の作用
でテレセントリックな２焦点光学系２１の瞳面、すなわ
ち複屈折物質２１ｂ内でスポットとして集光するように
入射し、＋１次光＋ＬＢ₁ は複屈折物質２１ｂのところ
で偏光成分によってＰ変更の＋ＬＢ_1PとＳ偏光の＋ＬＢ
_1Sとに分離され、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た平行光束となってレチクル１
に達する。同様に−１次光−ＬＢ₁ もＰ偏光の−ＬＢ_1P
とＳ偏光の−ＬＢ_1Sとに分離され、対物レンズ２１ａの
光軸をはさんで＋１次光（＋ＬＢ_1P、＋ＬＢ_1S）と対称
的な角度の平行光束となってレチクル１に達する。Ｐ偏
光に関しては焦点２７ａとラジアル・グレイティング１
１とが共役であるため、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ_1P、−Ｌ
Ｂ_1Pは回折格子マークＲＭのところでほぼ平行光束とな
って交差（結像）する。図２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＋ＬＢ_1P、
−ＬＢ_1Pの各々の光軸からの傾き方向も図２の紙面内に
定められる。レチクル１には図３（ａ）に示すように回
折格子マークＲＭと透明な窓部Ｐ₀ とが形成されてお
り、１次光＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1PはともにマークＲＭと窓
部Ｐ₀ とをカバーする大きさでレチクル１を照射する。
図３（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も図３（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Ｐ₀ 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を射出したほぼ平
行なＳ偏光の１次光＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sは空間上の焦点
２６ａで一度結像（交差）した後、レチクル１の窓部Ｐ
₀ を透過し、投影レンズ３の瞳ＥＰで一度スポット光と
して集光した後、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。これは
Ｓ偏光に関しては焦点２６ａ（ウェハ面）とラジアル・
グレイティング１１とが共役だからである。投影レンズ
３から射出したほぼ平行なＳ偏光の１次光＋ＬＢ_1S、−
ＬＢ_1S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＋ＬＢ_1S、−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）側の開口数を越えること
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、各光束
＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1P、＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sも平行光束と
なる。

【００２２】ここでＰ偏光の１次光＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1P
のレチクル１のマークＲＭに対するふるまいを図４を用
いて詳述する。図４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＋ＬＢ_1Pが角度θで
マークＲＭに入射しているものとする。このとき１次光
＋ＬＢ_1Pのレチクル１での正反射光Ｄ_1Pも角度θで反射
することになる。光束＋ＬＢ_1Pが角度θで入射すること
は、光束−ＬＢ_1Pについても角度θ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λ、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θとを定める。

【００２３】

【数１】

【００２４】この（１）式を満足すると、１次光＋ＬＢ
_1P、−ＬＢ_1P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。ところでレチクル１のマ
ークＲＭには２方向から光束＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1P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１
０から照出された同一偏光のものであることから、マー
クＲＭ上には２つの光束＋ＬＢ_1Pと−ＬＢ_1Pとの干渉に
より、明暗の一次元の縞、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−ＬＢ_1P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＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1Pが照射される
と、マークＲＭ上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１１の１次光＋
ＬＢ₁ 、−ＬＢ₁ による暗視野像がレチクル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Ｒ
Ｍ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。

【００２５】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＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1S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Ｐ₀ 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
Ｂ_1S、−ＬＢ_1S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Ｐ₀ においては大
きくデフォーカスしてしまう。

【００２６】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、実際には図２に示すように、マークＲ
Ｍ、ＷＭの夫々と共役な位置に、図３（Ｃ）に示すよう
なアパーチャ板２５’を設け、このマスク部材２５’の
アパーチャＡ_P 、Ａ_S 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Ａ_S
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の受光
面を各アパーチャＡ_P 、Ａ_S 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。尚、アパーチャＡ_P にはＰ偏光の光束＋ＬＢ_1P、−
ＬＢ_1P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＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1S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。このためアパーチャＡ_P にはＰ偏光を通す偏光板を
設け、アパーチャＡ_S 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。

【００２７】ここでラジアル・グレイティング１１が停
止している場合に、アパーチャＡ_Pを介してえられる回
折光１０４の光電信号について解折してみる。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、レンズ系
１３、瞳リレー系１７Ａ、２焦点光学系２１を通した結
像倍率の関係にある。（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Ｒ
Ｍに入射する光束＋ＬＢ_1Pによって生じる回折光の振幅
ＶＲ⁺ は（２）式で与えられ、光束−ＬＢ_1Pによって生
じる回折光の振幅ＶＲ^- は（３）式で与えられる。

【００２８】

【数２】

【００２９】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。

【００３０】

【数３】

【００３１】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、信号振幅は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
号の振幅レベルはレチクル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。

【００３２】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、図１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φ_r を位相検出系４０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の位相差φ_w を検出する。そし
て、位相差φ_r とφ_w 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
光ヘテロダイン方式と呼ばれ、レチクル１とウェハ４が
格子ピッチの１／２の位置誤差範囲内であれば、静止状
態であっても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、φ_r −φ_w 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。

【００３３】尚、本実施例ではステップアンドリピート
方式の露光時、ウェハ上の各ショット領域へのウェハス
テージの移動は、干渉系の計測値に基づいて行ない、２
つの光束＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sの照射領域内にマークＷＭ
が±１／２ピッチの精度で位置決めされたら、位相検出
系４０からの情報のみに基づいてレチクルステージ、又
はウェハステージをサーボ制御することができる。この
ときレチクルステージやウェハステージの駆動をＤＣモ
ータで行ない、位相差φ_r −φ_w に対応したアナログ電
圧をＤ／Ａコンバータ等で作り出し、このアナログ電圧
をＤＣモータのサーボ回路に偏差電圧として直接印加電
圧することもできる。このサーボは、そのショット領域
の露光終了時まで行なわれる。

【００３４】このようにすると、干渉計の計測値に応じ
たサーボではないので、干渉計のビーム光路の空気密度
のゆらぎ等によるステージの微小ゆらぎを低減させるこ
とが可能である。そのため、位相検出系４０からサーボ
制御が可能な位相差情報が得られた時点で、ウェハステ
ージ側の干渉計の計測値をウェハステージ側のサーボ系
から切り離してウェハステージのモータへの印加電圧を
零にし、上述のアナログ電圧をレチクルステージ側のサ
ーボ系に印加する。

【００３５】このようにすると露光動作中に、特にウェ
ハステージ側で発生する微小ゆらぎは押えられ、ゆるや
かなドリフト的な微動にすることができ、レチクルステ
ージを高速に追従移動させることで、レチクルとウェハ
との相対位置ずれをほぼ零に保つことが可能である。こ
のため露光されたパターンの線幅の太りや解像低下がな
く、極めて忠実な転写が達成される。

【００３６】ここで光電検出器１９、２５からの各光電
信号の周波数は、ラジアル・グレイティング１１の回転
速度に比較しており、位相差検出の分解能、光電検出器
１９、２５の応答性から、１ＫＨｚ〜１００ＫＨｚ程度
が望ましい。もちろん、光電検出器１９、２５に高速応
答タイプのものを用いれば、さらに信号周波数を高めら
れるので、位相差検出によるマーク位置検出をより高分
解能にすることができる。

【００３７】また原理的には、マークＲＭ以上にできる
干渉縞（ラジアル・グレイティング１１の格子の暗視野
像）のピッチはマークＲＭのピッチＰの丁度１／２に
し、マークＷＭ上にできる干渉縞もマークＷＭのピッチ
の丁度１／２のピッチに定められる。さらに、図２から
も明らかなように、ラジアル・グレイティング１１以降
のビーム±ＬＢ₁ （±ＬＢ_1S、±ＬＢ_1P）は瞳共役面
（フーリエ面）ではすべてスポット光として集光するの
で、マークＲＭからの回折光（干渉ビート信号）１０
４、マークＷＭからの回折光（干渉ビート信号）１０５
もともに瞳面ＥＰ、瞳共役面ではスポット光として集光
し、物体（レチクル、ウェハ）面又はそれと共役な像面
では全てほぼ平行光束となっている。

【００３８】また、２つの光束＋ＬＢ_1S（＋ＬＢ_1P）と
−ＬＢ_1S（−ＬＢ_1P）は、ラジアル・グレイティング１
１の回転速度に応じて相互に周波数差をもつことにな
る。従って、ラジアル・グレイティング１１の代りに、
例えば特開昭６２−５６８１８号公報に開示されたよう
に、音響光学変調器（ＡＯＭ）を使って一定の周波数差
をもつ２つのビームを作り出してもよい。

【００３９】以上、本発明の基礎となる技術について説
明したが、次にこの技術の問題点を図６（Ａ）を参照し
て説明する。図６（Ａ）はレチクル１、投影レンズ３、
ウェハ４の関係を模式的に示したもので、レチクル１の
マークＲＭのピッチと格子幅のウェハ４への投影像は、
ウェハ４上のマークＷＭのピッチと格子幅の夫々と等し
く定められている。さて、図６（Ａ）において、レチク
ル１のマークＲＭが２方向からの光束＋ＬＢ_1P、−ＬＢ
_1Pによって照射されると、マークＲＭからは垂直に上方
に進行する±１次回折光ＬＢＲ±₁ （回折光１０４）
と、マークＲＭと垂直に下方に進む透過回折光（±１次
回折光）ＬＢｗ±₁ とが同時に発生する。透過回折光Ｌ
Ｂｗ± ₁ は投影レンズ３の主光線に沿って進むことにな
るので、ウェハ４へ垂直に達した後に反射され、再びレ
チクル１上のマークＲＭの部分を上から上へ通過するこ
とになり、マークＲＭからの本来の回折光ＬＢＲ±₁ と
混じることになる。これら回折光ＬＢＲ±₁ 、ＬＢｗ±
₁ はともに同一偏光であり、これらが混じると位相検出
の際に位置ずれを生じる可能性がある。尚、図６（Ａ）
でＬＢ₀ は光束−ＬＢ_1PのマークＲＭ透過後の０次光の
様子を示し、ＬＢ₀ ’は光束＋ＬＢ_1Pのマーク透過後の
０次光の様子を示し、それら０次光ＬＢ₀ 、ＬＢ₀ ’は
ウェハ４で反射した後、レチクル１の下面のクロム面Ｃ
_R に戻る。またレチクル１とウェハ４は、アライメント
用照射光のもとでは大きくデフォーカスした関係にある
ので、回折光ＬＢｗ±₁ はマークＲＭの面（焦点２７
ａ）では像として結像しない。また、レチクル１のマー
クＲＭからの回折光１０４と、ウェハ４のマークＷＭか
らの回折光１０５とが同じ光軸方向へ戻ってくるため、
アパーチャ板２５’を設けても両者の光信号が混じる可
能性もあった。

【００４０】そこで本発明の実施例では、図５のように
アライメント系の一部の構成を変更した。ここで、図１
中のものと同じ部材は同一の符号にしてあり、ダイクロ
イックミラー２２は省略してある。また、この装置上の
変更にともなって、マークＲＭとマークＷＭのピッチ関
係を図７に示すように変更した。ウェハ４上のマークＷ
Ｍは先の説明のままであり、ウェハ４上に形成された干
渉縞のピッチの丁度２倍に定められている。これに対し
てレチクル１上のマークＲＭは、本実施例では、レチク
ル１上の干渉縞のピッチと同一になるように定めてあ
る。すなわち、マークＲＭを、先の場合と異なり、１／
２倍のピッチにして回折角をさらに広げるように（より
高周波の回折格子）したのである。そこで、このように
マークＲＭのピッチを１／２にした場合の回折状態を図
６（Ｂ）を参照して説明する。

【００４１】レチクル１のマークＲＭを２方向から照射
する光束＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1Pによって、マークＲＭから
は反射方向と透過方向の夫々に０次光、±１次光が発生
する。まず光束＋ＬＢ_1Pの照射により、マークＲＭから
反射した０次光＋ＬＢＲ₀ と−１次回折光ＬＢＲ_-1と
が、他方向からの光束−ＬＢ_1Pと丁度逆方向に発生す
る。同様に光束−ＬＢ_1Pの照射により、マークＲＭから
は光束＋ＬＢ_1Pと丁度逆方向に進む０次光−ＬＢＲ₀ と
＋１次回折光ＬＢＲ₊₁とが発生する。

【００４２】本実施例では、２つの光束＋ＬＢ_1P、−Ｌ
Ｂ_1Pの入射角とレチクル上の干渉縞のピッチ、及びマー
クＲＭのピッチを適当に定めることで、マークＲＭから
発生する±１次回折光ＬＢＲ±₁ が丁度０次光±ＬＢＲ
₀ と一致した方向になるように決められている。従って
マークＲＭと垂直な方向に進む回折光は、理論上は０．
５次回折光となり、これの光量は１次光にくらべるとほ
とんど無視できる程に小さい。

【００４３】一方、マークＲＭの下方（透過側）にも同
様に０次光、±１次光等が発生する。まずマークＲＭを
透過した０次光ＬＢ₀ 、ＬＢ₀ ’は図６（Ａ）の場合と
全く同様にふるまう。しかしながら、光束＋ＬＢ_P1の照
射によりマークＲＭの下方へ進む−１次回折光ＬＢｗ_-1
は、光束−ＬＢ_1Pの０次光ＬＢ₀ と同一の光路を進むこ
とになる。同様に光束−ＬＢ_1Pの照射によりマークＲＭ
の下方へ進む＋１次回折光ＬＢｗ₊₁は、光束＋ＬＢ_1Pの
０次光ＬＢ₀ ’と同一の光路を進む。そして、マークＲ
Ｍと垂直に下方に発生する回折光は理論上０．５次回折
光であり、ほとんど無視できる。また、マークＲＭから
の２次以上の回折光は±１次光よりも広がった角度で発
生するため、無視してかまわない。

【００４４】以上のことから明らかなように、マークＲ
Ｍを透過してウェハ４で反射してマークＲＭの方へ戻っ
てくる±１次回折光ＬＢｗ₊₁、ＬＢｗ_-1は、０次光ＬＢ
₀ 、ＬＢ₀ ’と重なっているため、図６（Ａ）で説明し
たように、投影レンズ３の色収差のためにマークＲＭの
両脇のクロム面Ｃ_R で遮光され、対物レンズ２１ａの方
へ戻らないことになる。

【００４５】ここで図７に示すように、マークＲＭが形
成されたクロム面Ｃ_R 中の窓のｘ方向（ピッチ方向）の
幅をＷ_x とし、図６（Ｂ）に示すようにウェハ４側での
軸上色収差量をΔＬ、ウェハ４側での２つの光束＋ＬＢ
_1P（＋ＬＢ_1S）、−ＬＢ_1P（−ＬＢ_1S）の入射角をθと
したとき、ノイズ成光となる０次光ＬＢ₀ 、ＬＢ₀ ’と
±１次光ＬＢｗ₊₁、ＬＢｗ_-1とを有効に遮光するために
は、次の式（５）が成り立つようにすればよい。

【００４６】 Ｗ_x ≦２・ΔＬ・θ ・・・（５） 一方、ウェハ４上のマークＷＭからの０次光、±１次光
とのふるまいは、先の説明と同じであり、マークＷＭか
らの±１次回折光１０５は、ウェハから垂直方向に投影
レンズ３の主光線に沿って進み、レチクル上のマークＲ
Ｍの横の透明窓をデフォーカスして透過し、対物レンズ
２１ａへ入射する。

【００４７】従って、本実施例ではマークＲＭでの反射
回折光ＬＢＲ±₁ （１０４）と、マークＷＭでの反射回
折光１０５とは、系の瞳面、もしくは瞳共役面では互い
に横にずれた位置でスポット光として集光することにな
る。すなわち瞳上で回折光１０５は中心に集光し、回折
光ＬＢＲ±₁ はその周辺に対称に位置することになる。

【００４８】ここで図５の説明に戻り、本実施例の装置
を説明する。図５において、ウェハ４のマークＷＭから
の回折光（干渉ビート信号）１０５はレチクル上のマー
クＲＭ近傍の透明部を透過した後、対物レンズ２１ａの
光軸に沿って逆進し、複屈折物質（凹凸レンズ状にして
貼り合わせた部材）２１ｂを通り、ビームスプリッタ２
０で反射され瞳リレー系１７Ｂを介して偏光ビームスプ
リッタＰＢＳに達する。回折光１０５はウェハ４へのＳ
偏光の光束±ＬＢ_1Sの照射により発生したものであり、
当然ながらＳ偏光を保存している。従って回折光１０５
の９０％以上が偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射さ
れ、レンズ系５０、アパーチャ板５１、レンズ系５２を
介して光電検出器５３に達する。図５中、破線は瞳の共
役関係を示し、レンズ系５０と５２の間のアパーチャ板
５１はレチクル１、すなわちウェハ４のマークＷＭと共
役になっており、アパーチャ板５１にはマークＷＭの像
のみを通すアパーチャＡＳだけが形成されている。光電
検出器５３の受光面は瞳共役に配置され、回折光１０５
の集光したスポット光を受光し、その強度変化（干渉ビ
ート信号）に対応した交流の光電信号Ｓ₁ を出力する。

【００４９】一方、図６（Ｂ）に示したマークＲＭから
の一方の光情報（−ＬＢＲ₀ 、ＬＢＲ₊₁）１０４Ａと、
他方の光情報（＋ＬＢＲ₀ 、ＬＢＲ_-1）１０４Ｂとは、
ともに互いに周波数差を有する０次光と１次光との干渉
ビート信号になっており、送光ビーム＋ＬＢ_1P、−ＬＢ
_1Pの光路を逆進し、２焦点光学系２１、ビームスプリッ
タ２０、リレー系１７Ｂを介して偏光ビームスプリッタ
ＰＢＳまで達する。図６（Ｂ）のように、０次光−ＬＢ
Ｒ₀ と＋１次回折光ＬＢＲ₊₁とは互いに周波数差を有
し、同一方向に重なり合って進むとともに、互いに同一
偏光（Ｐ偏光）成分であるので干渉を起す。０次光＋Ｌ
ＢＲ₀ と−１次回折光ＬＢＲ_-1についても同様である。
このため光情報１０４Ａ、１０４Ｂの９０％以上が偏光
ビームスプリッタＰＢＳを透過し、レンズ系５４、ミラ
ー５５、アパーチャ板５６、レンズ系５７を介して光電
検出器５８Ａ、５８Ｂに達する。レンズ系５４と５７の
間のアパーチャ板５６には、レチクルのマークＲＭの像
のみを通すアパーチャＡＰだけが形成されており、アパ
ーチャＡＰはレチクル１のパターン面（焦点２７ａ）と
共役になっている。また２つの光電検出器５８Ａ、５８
Ｂの受光面は瞳共役に配置され、光情報１０４Ａ、１０
４Ｂの各スポット光を受光し、それぞれ干渉ビート信号
の周波数の交流信号Ｓ₂ 、Ｓ₃ を出力する。この２つの
信号Ｓ₂ 、Ｓ₃は信号の性質上はどちらも同じものであ
り、位相検出系４０へはどちらを送ってもよい。ただ
し、本実施例では光情報１０４Ａ、１０４Ｂが、０次回
折光と１次回折光との干渉で作られることから、１次光
と０次光の光強度（光量）が大きく異なると位相差計測
時にオフセットが生じることも考えられる。そこで、信
号Ｓ ₂ とＳ₃ の和（又は差）を演算するアナログ回路を
通した後に、光電検出器１９からの基準信号との間で位
相差φ_r を計測するとよい。もちろん、信号Ｓ₂ 、Ｓ ₃
又は合成した信号のうちのいずれか１つを使うように切
換え式にしてもよい。

【００５０】また光電検出器５３からの信号Ｓ₁ につい
ても基準信号との間で位相差φ_w を計測し、最終的には
位相検出系４０でφ_r −φ_w の演算を行ない、レチクル
１とウェハ４の位置ずれを求めればよい。ここで、図２
の場合と同様に位相関係について考えてみる。Ｐ偏光の
１次光＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1PのマークＲＭとの関係は、先
の（１）式で表わされる。そこで、ピッチＰを適当に定
めて、光束＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1Pによりレチクル１上に生
じた干渉縞が、マークＲＭを照射したときの±１次光
（ＬＢＲ₊₁、ＬＢＲ_-1）が、光束＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1Pの
方向に再び戻るように設定する。すなわち光束＋ＬＢ _1P
の照射により発生する１次光ＬＢＲ₊₁を、その光束＋Ｌ
Ｂ_1Pの方向へ戻すようにする。このように、０次光（−
ＬＢＲ₀ 、＋ＬＢＲ₀ ）と１次光（ＬＢＲ₊₁、ＬＢ
Ｒ_-1）との干渉ビートを光電検出することになるため、
基準信号（光電検出器１９の出力）と信号Ｓ₂ （又はＳ
₃ 、又は合成信号）との位相差は、マークＲＭの相対変
位量ＸがピッチＰ（レチクル上の干渉縞のピッチと同
じ）だけずれたとき丁度１周期変化する。ところが、マ
ークＲＭのピッチは、±ＬＢ_1Pと同一方向に±１次光
（ＬＢＲ±₁ ）を戻すようにしているため、今までの方
式〔図６（Ａ）〕とくらべて１／２にしなければならな
い。その結果、基準信号と信号Ｓ₁との位相差、基準信
号と信号Ｓ₂ （又はＳ₃ ）との位相差は、ウェハ４の変
位量とレチクル１の変位量とがともに同一のとき、同じ
量だけ変化することになる。このことは位相差φ_r と位
相差φ_w とを直接差し引きすることができ、何ら特別な
換算を必要としないことを意味する。

【００５１】以上、本実施例によれば、レチクルのライ
ン・アンド・スペース状のマークＲＭのピッチをＰ_r 、
ウェハのライン・アンド・スペース状のマークＷＭのピ
ッチをＰ_w 、２つの光束±ＬＢ_1Pによるレチクル上での
干渉縞のピッチをＰ_f 、投影レンズ３の倍率を１／Ｍ
（１／５縮小のときはＭ＝５）としたとき、次式の関係
を満たすように定めた。

【００５２】Ｐ_f ＝Ｐ_r ＝１／２・Ｍ・Ｐ_w （ただし回
折格子のマークＲＭ、ＷＭのデューティは１：１）この
ためアライメント系の瞳、又はその近傍ではマークＷＭ
からの回折光１０５とマークＲＭからの回折光１０４
Ａ、１０４Ｂとを明確に分離させることができ、極めて
Ｓ／Ｎ比のよい位相差検出が可能となる。さらに図１、
図２に示したように、周波数シフターとして回転ラジア
ル・グレイティング１１を用いる場合は、その回転速度
に多少のむらがあっても、位相差検出の際の２つの信号
（基準信号と計測信号）同志の周波数がともに変動する
のみで、位相差そのものを変化させることはない。これ
はラジアル・グレイティング１１を回転させるモータ１
２の精密な速度制御が不要であることを意味する。また
ＡＯＭを使って周波数シフターを構成する場合は、ＡＯ
Ｍへの変調波（超音波）を簡単に変化させることができ
るので、いくつかの変調周波数に切換えて（光ビートの
周波数を切換えて）、同一のマークに対して順次位相差
を検出した後、所望の分解能のものを選ぶようにしても
よい。あるいは必要とするマーク位置検出分解能に応じ
て光ビート周波数（２つの光束＋ＬＢ₁ と−ＬＢ₁ の周
波数差）を切換るようにしてもよい。

【００５３】尚、マークＲＭ（ＷＭ）を照射する２つの
光束±ＬＢ_1P（±ＬＢ_1S）の入射角度は、光束＋Ｌ
Ｂ₁ 、−ＬＢ₁ の瞳内での位置を、瞳中心からともに等
しい距離を保つように変化させることで自由に調整でき
る。このためには、図１中で空間フィルター１５とビー
ムスプリッタ１４との間に、２つの光束＋ＬＢ₁ と−Ｌ
Ｂ ₁ の間隔を平行に維持したまま可変にする光学ブロッ
ク（平行平面ガラス、くさび状プリズム等）を設ければ
よい。また図５中の光電検出器５３は、アパーチャ板５
１のアパーチャＡＳの直後に配置してもよく、光電検出
器５８Ａ、５８Ｂはアパーチャ板５６の直後に１つだけ
配置するようにしてもよい。

【００５４】さらにマークＲＭと共役なウェハ４上の位
置にパターン（アライメントマーク、実デバイスパター
ン等）が存在しても、本実施例によればマークＲＭから
の回折光１０４Ａ、１０４Ｂと、ウェハ１からの光情報
（回折光１０５等）とは完全に分離して検出でき、光電
検出器５８Ａ、５８Ｂはウェハ４上のパターンを検出し
ないので、レチクル１のマークＲＭ位置は次のマークの
打ち換え時には共用してもかまわない。すなわち図７に
おいて、ある層の露光時のウェハ上のマークＷＭは、マ
ークＲＭの横に位置するように設け、別の層の露光時の
ウェハ上のマークＷＭは、マークＲＭの直下に位置させ
るようにしてもよい。この場合、光電検出器５３、５８
Ａ、５８Ｂは全て瞳共役面、もしくはその近傍に配置す
る必要がある。

【００５５】以上、図５に示した本実施例のアライメン
ト系は、１次元方向の位置計測のみを行なうが、レチク
ル１の回路パターン領域の周囲の直交する２辺の夫々
に、ｘ方向用とｙ方向用のマークＲＭを設け、それぞれ
に対応したアライメント系を配置すれば、レチクル１と
ウェハ４上のショット領域との２次元のアライメントが
できる。

【００５６】ところで本実施例のアライメント系は、レ
チクル１と投影レンズ３との間に色収差補正用光学系を
設けることなく、別波長でダイ・バイ・ダイ・アライメ
ントが可能であるとともに、レチクル１の上に設けたダ
イクロイックミラー２２の作用で露光動作中においても
マーク位置検出、アライメント・サーボ動作を連続して
実行できることを大きな特徴としている。一般にダイ・
バイ・ダイ・アライメントでは、レチクル１の回路パタ
ーン領域（ウェハ上のショット領域）の大きさが変わる
と、それに対応してアライメント系の一部（ここでは対
物レンズ２１ａと複屈折物質２１ｂ等）を可動させる構
成を採用している。また、レチクル１のマークＲＭは、
レチクル基板としてのガラス板、石英板を介して光学的
に検出されるため、本実施例のように光の干渉ビートを
検出する方式では、レチクル１の上面（ガラス面）で反
射した一部の光と、パターン面（下面）のマークＲＭか
ら発生した光（＋ＬＢＲ₀ 、−ＬＢＲ₀ 、ＬＢＲ₊₁、Ｌ
ＢＲ_-1）とで干渉を起すことがあり、このため回折光
（光ビート信号）１０４Ａ、１０４Ｂに位相オフセット
を与えることになる。

【００５７】そこで図８、図９に示すように、レチクル
１の厚みに起因した位相オフセットを予め計測し、その
オフセット分を位相検出系４０で補正できるようにす
る。図８（Ａ）は従来のダイ・バイ・ダイ・アライメン
ト系の一部に、２焦点光学系を設けた場合を示し、先端
ミラーＭと２焦点光学系２１のみを示す。ミラーＭと２
焦点光学系２１とは図中矢印の如くマークＲＭの位置に
応じてレチクル１と平行に可動である。

【００５８】図８（Ｂ）はレチクル１のガラス厚の変化
により変動する位相オフセット量Δφの様子を模式的に
表わしたもので、同一レチクル内にあっても位置による
厚みムラでオフセット量Δφもわずかに変動している。
このわずかな変動の幅は、平均的な絶対オフセット量Δ
φ₀ にくらべ小さいことが多いが、干渉を利用したアラ
イメント法では無視できない場合が多い。そこで実際の
アライメント位置で位相オフセット量を計測し、そのデ
ータを図９に示した補正データ部４０Ｄにセットする。
図９で位相差検出部４０Ａ、４０Ｂはそれぞれ光電検出
器１９からの基準信号Ｓ_r に対する信号Ｓ₁ 、Ｓ₂ 、Ｓ
₃ （又はＳ₂ とＳ₃ の合成信号）の位相差φ_r 、φ_w を
検出し、演算器４０Ｃはφ_r −φ_w の演算とともに、補
正すべき位相オフセット量（例えばΔφ₀ ）の加算又は
減算を行なう。またこの位相オフセット量Δφは、アラ
イメントマークＲＭ上部のガラスの厚みに対応するの
で、ある厚さＤ₀ のときの位相オフセット量Δφ₀ のみ
を実測により求め、色々なレチクルのオフセット量Δφ
_n に関しては、アライメント位置でのガラス厚Ｄ_n を入
力し、 Δφ_n ＝Ｋ・Δφ₀ ・Ｄ_n ／Ｄ₀ （ただしＫは定数）の
近似演算で求めることも可能である。

【００５９】またアライメント位置でのオフセット量Δ
φ_n を実測するには、マークＲＭの下にウェハステージ
５上の基準マーク（格子状）ＦＭを配置し、レチクルマ
ークＲＭと基準マークＦＭとを露光光で同時に観察して
マークＲＭと基準マークＦＭとのずれΔＸ₀ を精密に計
測する。この場合、露光光による照明は、２焦点光学系
２１を介して同軸落射照明法によってもよいし、基準マ
ークＦＭ自体を露光光で発光させてもよい。露光光によ
る照明のもとで２焦点光学系２１を介してマークＲＭと
基準マークＦＭとを検出する場合は、露光光の照明光
（又はマークからの結像光）を一方の偏光成分に制限す
ればよい。

【００６０】次に、同じ状態のマークＲＭと基準マーク
ＦＭとのずれΔＸ_n を、補正データを零にした状態で位
相検出系４０で求める。ここでΔＸ₀ −ΔＸ_n を求めれ
ば、それが実測すべき位相オフセット量Δφ_n に対応し
たものになる。またレチクル１上のマークＲＭ、あるい
はウェハ４上のマークＷＭは、１本のバーマーク、又は
２〜３本のバーマークとしても同様の効果が得られる。
この場合、バーマークからの光情報は方向性の揃った回
折光ではなく、ある種の散乱光に近いものであるが、同
様に干渉を利用したアライメント法が可能であり、しか
もマーク形成領域を極めて小さくできるメリットが得ら
れる。

【００６１】

【発明の効果】本発明においては、マスクを基板に追従
移動させることで、マスクと基板との相対位置ずれをほ
ぼ零に保つことが可能となり、露光されたパターンの線
幅の太りや解像低下がない、極めて忠実な転写が達成さ
れる。

【００６２】また、干渉計のビ─ム光路の空気密度の揺
らぎの影響を低減し、アライメント精度を向上させるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の基礎となる技術を使用した投
影型露光装置の構成を示す図。

【図２】図１中のアライメント系の構成を模式的に示す
図。

【図３】（ａ）、（ｂ）レチクルのマークとウェハのマ
ークとの一例を示す平面図。 （ｃ） アライメント系内のアパーチャ板の構造を示す
平面図。

【図４】レチクルのマークからの回折光（干渉ビート信
号）の発生の様子を示す図。

【図５】本発明の実施例によるアライメント系の構成を
示す図。

【図６】（Ａ）基礎技術での問題点を説明する模式図。 （Ｂ）その問題点を解決した本実施例の作用を説明する
模式図。

【図７】本実施例におけるレチクルマークとウェハマー
クとの関係を示す平面図。

【図８】アライメント位置の変化に応じて位相差検出時
にオフセットが発生する状態を説明した図。

【図９】オフセットを補正する位相検出系の構成を示す
ブロック図。

【図１０】従来の投影露光装置のアライメント方法の一
例を説明する図。

【主要部分の符号の説明】

１、Ｒ・・・レチクル、３、ＰＬ・・・投影レンズ、
４、Ｗ・・・ウェハ、１０・・・レーザ光源、、１１・
・・ラジアル・グレイティング、１５・・・空間フィル
ター、１７Ａ、１７Ｂ・・・リレー系、１８・・・基準
格子、１９、２５、５３、５８Ａ、５８Ｂ・・・光電検
出器、２１・・・２焦点光学系、２２・・・ダイクロイ
ックミラー、３０・・・露光用電源、４０・・・位相検
出系、２５’、５１、５７・・・アパーチャ板、１０
４、１０４Ａ、１０４Ｂ・・・レチクルマークからの回
折光、１０５・・・ウェハマークからの回折光、ＲＭ・
・・レチクルマーク、ＷＭ・・・ウェハマーク、＋ＬＢ
₁ 、−ＬＢ₁ ・・・２方向からマークを照射する光束。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスクのパターンを基板上に投影する露光
   方法において、 前記マスクと前記基板との相対位置誤差を計測する工程
   と； 前記相対位置誤差が所定量となった時、前記マスクを前
   記基板に追従させる動作を開始する工程とを有すること
   を特徴とする露光方法。
2. 【請求項２】前記相対位置誤差が小さくなるように、前
   記マスクを前記基板に追従させることを特徴とする請求
   項１に記載の露光方法。
3. 【請求項３】前記基板の移動中に、前記マスクを前記基
   板に追従させることを特徴とする請求項１に記載の露光
   方法。
4. 【請求項４】前記基板のアライメントマークを照射する
   ためのアライメント光と該アライメントマークとの相対
   位置誤差が所定量となった時、前記追従動作を開始する
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
5. 【請求項５】前記相対位置誤差は、前記基板の位置を検
   出する干渉計の計測結果に基づいて求められることを特
   徴とする請求項１に記載の露光方法。
6. 【請求項６】前記干渉計の計測結果が所定値となった
   時、前記干渉計の計測値を前記基板側のサーボ系から切
   り離し、前記マスクを前記基板に追従させることを特徴
   とする請求項５記載の露光方法。
7. 【請求項７】前記マスクの第１回折マークと前記基板の
   第２回折マークとにアライメント光を照射し、該２つの
   マークからの回折光に基づいて、前記マスクを前記基板
   に追従させることを特徴とする請求項１に記載の露光方
   法。
8. 【請求項８】マスクのパターンを基板上に投影する露光
   方法において、 前記マスク上のアライメントマークと前記基板を搭載す
   る基板ステージ上の基準マークを用いてアライメントに
   関するオフセットを求める第１段階と； 前記基板ステージの位置を計測する干渉計の計測結果を
   用いて、前記基板の位置を制御する第２段階と； 前記基板上のアライメントマークの位置情報を計測する
   第３段階と； 前記第２段階で制御された基板と前記マスクとの相対位
   置誤差が所定量となった時、前記オフセット及び前記ア
   ライメントマークの位置情報に基づいて前記マスクを前
   記基板に追従させる動作を開始する第４段階とを有する
   ことを特徴とする露光方法。