JP2893823B2

JP2893823B2 - 位置合わせ方法及び装置

Info

Publication number: JP2893823B2
Application number: JP2071563A
Authority: JP
Inventors: 和哉太田; 伸貴馬込; 英夫水谷; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1999-05-24
Anticipated expiration: 2014-05-24
Also published as: US5347356A; JPH03272406A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、基板の位置をナノ・メータ（nm）の分解能
で検出するセンサを有する位置合わせ装置に関し、特に
半導体素子製造用の露光装置（ステッパー、アライナー
等）に好適な位置合わせ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子製造のリソグラフィ工程では、レチ
クルパターンを高分解能でウエハ上に転写する装置とし
て、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光
装置（ステッパー）が多用されるようになっている。こ
の種のステッパーでは半導体素子の高集積化に伴って、
露光光の短波長化や高開口数（N.A.）の投影レンズの開
発が行われ、最近ではウエハ上での解像線幅がサブ・ミ
クロン（0.5〜0.7μｍ程度）に達している。このような
高解像パターンを転写するには、その解像力に見合った
アライメント（重ね合わせ）精度が必要で、例えばアラ
イメント系の検出分解能を高めることによって、アライ
メント精度を向上させることが考えられている。

この高分解能なアライメント系としては、例えば特開
昭61−215905号公報に開示されたように、ウエハ上に形
成された１次元の回折格子マークに対して２方向からコ
ヒーレントな平行ビームを照射することによって回折格
子マーク上に１次元の干渉縞を作り、この干渉縞の照射
によって回折格子マークから発生する回折光（干渉光）
の強度を光電検出する方式が提案されている。

この開示された方式には、２方向からの平行ビームに
一定の周波数差を与えるヘテロダイン法と、周波数差の
ないホモダイン法とがある。ホモダイン法では回折格子
マークと平行に静止した干渉縞が作られ、位置検出にあ
たっては回折格子マーク（物体）をそのピッチ方向に微
動させる必要があり、マーク位置は干渉縞を基準として
求められる。これに対してヘテロダイン法ではレーザビ
ームの周波数差（ビート周波数）のために、干渉縞がそ
の縞方向（ピッチ方向）にビート周波数で高速に流れる
ことになり、マーク位置は干渉縞を基準として求められ
ず、専ら干渉縞の高速移動に伴う時間的な要素（位相
差）を基準として求めることになる。

例えば、ヘテロダイン法では周波数差を与えることに
より、ウエハ上の回折格子マークからの干渉光をビート
周波数で強度変調させて検出した光電信号（光ビート信
号）と、２本の送光ビームから別途作成された参照用干
渉光の光ビート信号との位相差（±180゜以内）を求め
ることで、格子ピッチＰの±P/4以内の位置ずれを検出
するものである。ここで、格子ピッチＰを２μｍ（１μ
ｍのラインアンドスペース）とし、位相差計測の分解能
が0.5゜程度であるものとすると、位置ずれ計測の分解
能は、（P/4）・（0.5/180）≒0.0014μｍとなる。この
ような方式のマーク位置検出は極めて高分解能であるた
め、従来のマーク位置検出に比べて１桁以上高いアライ
メント精度が得られるものと期待されている。

ところで、この種のアライメント系では、格子ピッチ
Ｐと干渉縞のピッチＰ′との間にＰ＝ｍ・Ｐ′（ｍ＝1,
2,・・・）なる関係式が成立するように、正確に２本の
レーザビームの交差角を調整すると共に、格子配列方向
に対する２本のレーザビームの主光線を含む平面とウエ
ハ面との交線の回転誤差を略零、即ち干渉縞と格子とを
正確に平行に設定しないと、高分解能であることの利点
が十分に生かされず、アライメント精度が低下し得ると
いう問題があった。そこで、従来では２本のレーザビー
ムの交差角を変化させながら格子マークからの干渉光を
光電検出する。しかる後、干渉光強度が最大となる交差
角を求めて２本のレーザビームの交差角を調整すること
によって、上記関係式を満足するように格子ピッチＰに
対して干渉縞のピッチＰ′が正確に設定される。一方、
２本のレーザビームの主光線を含む平面とウエハ面との
交線の回転誤差に関しては、回折格子マーク（ウエハ）
と干渉縞とを相対的に回転させながら、順次格子マーク
からの干渉光を光電検出する。そして、干渉光強度が最
大となるように、格子マークと干渉縞とを相対回転させ
ることにより上記回転誤差を略零にしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記の如き従来の技術においては、回折
光強度（即ち、光ビート信号の電圧）の最大値を検出す
ること、即ち山登り法によって、２本のレーザビームの
交差角や回転誤差の計測及び調整を行っている。一般
に、山登り法では最大値における信号変化の傾き（感
度）が零であるといった本質的な問題がある。さらに、
電気的なレベルをモニターして交差角や回転誤差を算出
するので、ノイズ等の影響を受け易く十分な計測精度を
得ることができないという問題点もあった。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、高精度、高速にアライメント用の２本のレーザビ
ームの交差角（干渉縞ピッチ）及び相対回転誤差の計
測、調整を行うことができる位置合わせ装置を得ること
を目的としている。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決する為本発明においては、ウエハ
Ｗ上に形成された回折格子に所定の交差角θで２方向か
ら照射するための可干渉性の２つのビームLB_1p,LB_2pを
造り出すビーム発生手段（１〜11,13,14）と、２つのビ
ームLB_1p,LB_2pを瞳面Ep内で所定間隔だけ離して通すこ
とによって、ウエハＷに所定の交差角θで照射する対物
レンズ（29）と、回折格子から同一方向に発生した回折
光同志の干渉光BTLを対物レンズ（29）を介して受光す
る光電検出器（31）とを有し、光電検出器31から出力さ
れる光ビート信号に基づいて回折格子を所定点に位置合
わせする装置において、所定の基準マーク（回折格子マーク33a,33b）が形成
された基準部材（33）と；２つのビームLB_1p,LB_2pの交差角θと、基準マークの
格子配列方向に対する２つのビームLB_1p,LB_2pの主光線
を含む面（38）とウエハ面との交線（37）の回転誤差ω
との少なくとも一方を調整可能な補正手段（平行平面ガ
ラス12a,12b）と；基準マーク上で２つのビームLB_1p,LB_2pが交差する照
明領域LA内の第１部分から発生する干渉光と、照明領域
LA内の第２部分から発生する干渉光との各々に対応した
光電検出器（31）から出力される光ビート信号の位相差
に基づいて、交差角θ（干渉縞ピッチＰ′）と回転誤差
ωとの少なくとも一方を算出する演算手段（主制御装置
MCS）とを設ける。

また、対物レンズ（29）に関して基準マークと略共役
な位置若しくはその近傍に２つのビームLB_1p,LB_2pによ
る照明領域LAを変化させる視野絞り（25）を配置し、照
明領域LA内の第１部分と第２部分から発生する干渉光BT
Lを検出するに際しては、視野絞り（25）により基準マ
ークに対して照明領域LAを格子配列方向若しくは格子配
列方向と略水平な方向のいずれか一方に関して相対的に
広げることとした。

〔作用〕

本発明では、基板上に形成される回折格子からの回折
光強度に応じた光電信号（光ビート信号）の位相差を用
いて、２本のレーザビームの交差角や回転誤差を算出す
るため、信号レベルを山登り法でサーチすることもな
く、電気的なノイズ等による計測精度の低下を防止する
ことができる。この際、ステージにより２本のレーザビ
ームの照射領域（干渉縞の形成領域）と回折格子とを相
対移動させるので、上記計測精度はステージの位置決め
精度、位置計測精度、及び光ビート信号の位相検出精度
等によって支配される。従って、これら程度を向上させ
れば、相対的に計測精度の向上が期待できる。また、２
本のレーザビームの照明領域の大きさを可変とし、上記
計測にあたってはアライメント時より回折格子に対して
照明領域を相対的に広くする、換言すれば上記干渉縞と
回折格子との相対移動量を大きくするため、より一層計
測精度を向上させることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例による位置合わせ装置の
概略的な構成を示す平面図であって、特にステッパーに
おいて投影レンズの外側に固定されるオフ・アクシス方
式のウエハ・アライメント系に好適な例を示している。
第１図に示すように、レーザ光源１は所定波長の直線偏
光（例えば、Ｐ偏光）のアライメント用照明光（レーザ
ビーム）LBを発生し、ビームLBは1/4波長板２を介し
て、偏光軸を約45゜回転させた偏光ビームスプリッター
（PBS）３に至り、ここでほぼ同一光量となるようにＰ
偏光ビームとＳ偏光ビームとに波面分割される。レーザ
光源１としては、ウエハ上に形成されるレジスト層に対
してほとんど感度を持たない波長、例えば波長633nmのH
e−Neレーザを光源とすることが望ましい。

さて、PBS3で反射されたＳ偏光ビームは、ミラー４を
介して周波数シフターとしての第１音響光学変調器５
（以下、単にAOM5と呼ぶ）に入射し、PBS3を通過したＰ
偏光ビームは、第２音響光学変調器（以下、単にAOM6と
呼ぶ）に入射する。AOM5は周波数f₁の高周波信号SF₁で
ドライブされ、その周波数f₁で決まる回折角だけ偏向さ
れた１次光をビームLB₁として出力する。一方、AOM6は
周波数f₁であるビームLB₁との差周波数がΔｆとなるよ
うに周波数f₂（f₂＝f₁−Δｆ）の高周波信号SF₂でドラ
イブされ、同様にその周波数f₂で決まる回折角だけ偏向
された１次光をビームLB₂として出力する。

ここで、AOM5,6から射出するビームのうち＋１次光以
外の射出ビームは、適当な位置に配置されたスリット9,
11によって遮光される。また、ドライブ周波数f₁,f₂と
差周波数Δｆとの関係は、f₁≫Δｆ、f₂≫Δｆであるこ
とが望ましく、Δｆの上限は光電検出器23,31の応答性
によって適宜定められる。本実施例ではAOM5,6のドライ
ブ周波数f₁、f₂を、例えば80.000MHz、79.975MHzとし、
その周波数差Δｆを25KHzと低く設定するため、２つのA
OM5,6での１次回折光の回折角は共に等しくなる。尚、
Ｐ偏光ビーム及びＳ偏光ビームの周波数シフターとし
て、AOMの代わりに光導波路を用いても構わない。

AOM5とスリット９との間にはレンズ７と1/2波長板８
とが設けられており、AOM5により周波数f₁に変調されて
射出したＳ偏光のビームLB₁は1/2波長板８の作用により
Ｐ偏光に変換された後、アライメント系の瞳面若しくは
その近傍に配置される半面ビームスプリッター（HBS）1
4に入射する。一方、AOM6により周波数f₂に変調されて
射出したＰ偏光のビームLB₂は、レンズ10及びビームLB₂
の進行方向に所定角度だけ傾斜して配置され、その傾斜
角を任意に調整できるように設けられる平行平面ガラス
12a,12bを通った後、ミラー13で反射されてHBS14に入射
する。

尚、平行平面ガラス12aを傾斜させてビームLB₂を微小
量だけシフトさせると、後述するアライメント系の瞳面
Ep（ビームウエスト位置）においてビームLB_2pのスポッ
トがウエハマークWMの格子配列方向（本実施例ではＸ方
向）に移動し、ビームLB_1p,LB_2pの各スポットの間隔、
即ちビームLB_1p,LB_2pの交差角θを調整することが可能
となる。一方、平行平面ガラス12bを傾斜させると、瞳
面EpにおいてビームLB_2pのスポットが格子配列方向と略
垂直な方向（Ｙ方向）に移動し、ビームLB_1p,LB_2pの両
主光線を含む面のＺ軸回りの回転調整が可能となる。
尚、２枚の平行平面ガラス12a,12bの代わりに、１枚の
平行平面ガラスをビームLB₂の進行方向に対して２次元
的に傾斜可能に配置すれば、同様に瞳面Epでのスポット
の位置を調整することができる。

HBS14は、接合面の半分に全反射ミラーMAを蒸着した
ものであって、ここにビームLB₂を入射させることでほ
ぼ100％の光量で反射させ、ビームLB₁は接合面の透明部
をそのまま透過する。この際、HBS14はビームLB₁,LB₂を
完全に同軸に合成するのではなく、所定量だけ間隔をあ
けるようにビームLB₁,LB₂を互いに平行に合成する。こ
れによって２本のビームLB₁,LB₂の主光線は互いに平行
になると共に、アライメント系の光軸AXを挟んで対称的
に位置するようになる。

また、HBS14から主光線を平行にして射出した２本の
Ｐ偏光ビームLB₁（周波数f₁）とLB₂（同f₂）とは共にミ
ラー15で反射された後、アライメント系の瞳空間に配置
されて、光軸AXに対して傾斜可能に設けられた平行平面
ガラス16a,16bに入射する。さらにミラー17で反射され
た後、1/2波長板18の作用により偏光方向を約45゜回転
させられて偏光ビームスプリッター（PBS）19に達す
る。PBS19においてビームLB₁は周波数f₁のＰ偏光ビーム
LB_1pとＳ偏光ビームLB_1sとに波面分割され、ビームLB₂
は周波数f₂のＰ偏光ビームLB_2pとＳ偏光ビームLB_2sとに
波面分割される。ここで、平行平面ガラス16a,16bの少
なくとも一方を傾斜させると、アライメント系の瞳面Ep
においてビームLB_1p,LB_2pの各スポットの間隔は一定の
まま、各スポットが１次元又は２次元的に移動し、ビー
ムLB_1p,LB_2pの２等分線となる２ビームの主光線のアラ
イメント系の光軸AXに対する傾き（以下、簡単にテレセ
ン傾きと呼ぶ）を調整することが可能となる。

さて、PBS19で反射される２本のＳ偏光ビームLB
_1s（周波数f₁）とLB_2s（同f₂）とは、瞳を像面に変換す
るレンズ系（逆フーリエ変換レンズ）20を介して、装置
上で固定されている参照用回折格子21に異なる２方向か
ら平行光束となって所定の交差角θで入射し結像（交
差）する。光電検出器23は２分割受光素子を有し、例え
ば参照用回折格子21を通過したビームLB_1sの０次光と、
これと同軸に進むビームLB_2sの＋１次回折光との干渉
光、及びビームLB_1sの−１次回折光と、これと同軸に進
むビームLB_2sの０次光との干渉光を、それぞれ独立に受
光（光電変換）する。それら２つの干渉光の強度に応じ
た正弦波状の光電信号は不図示のアンプによって加算さ
れ、この結果得られる光電信号SRは、ビームLB_1s,LB_2s
の差周波数Δｆに比例した周波数となり、光ビート信号
となる。ここでは、参照用回折格子21の格子ピッチは、
ビームLB_1s,LB_2sによって作られる干渉縞のピッチＰ′
と等しくなるように定められている。尚、光電検出器23
は上記２つの干渉光を同一受光面上で受光し、この受光
面上で加算された干渉光の強度に応じた光電信号を出力
するものであっても良い。以上のように構成すれば、参
照用回折格子21と光電検出器23との間隔を短くすること
ができるといった利点がある。

一方、PBS19を通過した２本のＰ偏光ビームLB_1p（周
波数f₁）とLB_2p（同f₂）とは、レンズ24により所定角度
だけ傾いた平行光束となり、ウエハＷと共役な位置に配
置された視野絞り25で一度交差した後、レンズ26に入射
する。さらに、それらビームLB_1p,LB_2pは偏光ビームス
プリッター（PBS）27を通り、1/4波長板28により円偏光
に変換された後、アライメント用のテレセントリックな
対物レンズ29に入射する。この際、対物レンズ29の瞳面
Ep、若しくはその近傍において、ビームLB_1P、LB_2Pは一
度スポット状に集光し、各スポットは瞳中心（光軸AX）
を挟んでほぼ対称となって瞳面Epを通過する。対物レン
ズ29を射出したビームLB_1p,LB_2p（円偏光）は、第２図
にも示すようにウエハマークWMの格子配列方向（Ｘ方
向）に関して光軸AXを挟んで互いに対称的な角度で傾い
た平行光束となって、ウエハマークWM上に異なる２方向
から交差角θで入射し結像（交差）する。

尚、本実施例では視野絞り25の矩形状開口の大きさを
固定として用いるが、視野絞り25にはビームLB_1p,LB_2p
により作られる干渉縞に対して傾いたエッジを有する、
例えば菱形或いは平行四辺形状の開口を形成することが
望ましい。また、ビームLB_1p,LB_2pのウエハ上での交差
角θは大きくとも対物レンズ29の射出（ウエハ）側の開
口数（N.A.）を越えることはない。さらに、瞳面Epにお
いて光軸AXを挟んで略点対称となるように形成されるビ
ームLB_1p,LB_2pの各スポットを結ぶ直線の方向と、ウエ
ハマークWMの格子配列方向（Ｘ方向）とは略一致してい
る。

また、ウエハＷはウエハステージWS上に載置され、モ
ータ34によりステップ・アンド・リピート方式でＸ、Ｙ
方向に２次元移動するように構成されている。ウエハス
テージWSの位置はレーザ干渉計35によって、例えば0.01
μｍ程度の分解能で常時検出される。さらに、ウエハス
テージWSの端部には、レーザ干渉計35からのレーザビー
ムを反射する平面鏡（移動鏡）36が固定されている。ま
た、ウエハステージWS上には２本のビームLB_1p,LB_2pの
交差角θ（干渉縞ピッチＰ′）及び回転誤差ωの調整の
ために使用される回折格子状のフィデューシャル・マー
クを備えた基準部材（ガラス基板）33が、例えばウエハ
Ｗの表面位置と略一致するように設けられている。基準
部材33にはフィデューシャル・マークとして光反射性の
クロム層で凸凹により形成された回折格子マーク（デュ
ーティは1:1）33a,33bが設けられている。

第３図は回折格子マーク33a,33bの概略的な構成を示
す図であって、共にＹ方向に伸びた複数本のバーパター
ンを、例えば８μｍピッチでＸ方向に配列したものであ
る。回折格子マーク33aは２本のレーザビームLB_1p,LB_2p
の交差角θの調整に使用されるもので、第３図（Ａ）に
示すように２本のビームLB_1p,LB_2pの照明領域（干渉縞
の形成領域）LA（Ｘ方向の長さＷ）に比べて、格子配列
方向である計測方向（Ｘ方向）に関する寸法が短くな
る、換言すればバーパターンの本数が少なくなるように
形成される。ここではバーパターンの本数を３本とする
こと以外は、実際に露光処理工程で使用されるウエハマ
ークWMと同一ピッチ、寸法である。一方、回折格子マー
ク33bは２本のビームLB_1p,LB_2pの回転誤差ωの調整に使
用されるもので、第３図（Ｂ）に示すように照明領域LA
（Ｙ方向の長さＨ）に比べて、非計測方向（Ｙ方向）に
関する寸法が短くなるように形成される。格子マーク33
bでは非計測方向の寸法を短く設定すること以外は、先
に述べたウエハマークWMと同一ピッチ、寸法、及び本数
である。

さて、ビームLB_1p,LB_2pが所定の交差角θでウエハマ
ークWM上に入射すると（第２図）、ビームLB_1p,LB_2pが
交差している空間領域内で光軸AXと垂直な任意の面内
（ウエハ面）には、格子ピッチＰに対して1/m倍（ｍは
整数）のピッチＰ′（本実施例ではＰ′＝P/2）で１次
元の干渉縞が作られることになる。この干渉縞はＸ方向
にビームLB_1p,LB_2pの差周波数Δｆに対応して移動（流
れる）ことになり、その速度Ｖは、Ｖ＝Δｆ・Ｐ′なる
関係式で表される。

従って、ビームLB_1p,LB_2p（円偏光）が照射される
と、マークWMからは光軸AX上に沿って進行する±１次回
折光（干渉光）BTLが発生し、この干渉光BTLは干渉縞の
移動によって明暗の変化を周期的に繰り返すビート波面
を持つ。干渉光BTLは、再び対物レンズ29を通って光軸A
Xに沿って進行し、1/4波長板28によりＳ偏光に変換され
て偏光ビームスプリッター27で反射された後、対物レン
ズ29の瞳面Ep（又はリレーした後の共役面）に配置され
た空間フィルター30を介して光電検出器31により受光さ
れる。光電検出器31は干渉光BTLの強度に応じた光電信
号SDを発生し、この光電信号SDは干渉縞の明暗変化の周
期に応じた正弦波状の交流信号（ビート周波数、以下光
ビート信号と呼ぶ）SDとなって位相検出系32に出力され
る。

位相検出系32は光電検出器31からの光ビーム信号SD
と、参照信号として光電検出器23から出力される光ビー
ト信号SRとを入力し、第４図に示すように光ビート信号
SRを基準とした光ビート信号SR、SDの波形上の位相差Δ
ψを求める。この位相差Δψ（±180゜）は、ウエハマ
ークWMの±P/4内の位置ずれ量に一義的に対応してお
り、その位置ずれ量ΔＸ（又はΔＹ）を次式により算出
する。

ここで、ウエハマークWMのピッチＰを８μｍとし、位
相検出系32の位相検出の分割能が0.2゜であるものとす
ると、位置ずれの計測分解能は0.0022μｍにもなる。実
際にはノイズ等の影響も受けるため、実用的な計測分解
能は0.01μｍ（位相で0.9゜）程度になる。この検出方
式は所謂ヘテロダイン方式であり、ウエハの位置設定誤
差が±P/4の範囲内であれば、静止状態であっても高分
解能で位置ずれ（参照用回折格子21に対するずれ）を検
出できるものである。

また、主制御装置MCSは位相検出系32からの位相差情
報（位置ずれ量）とレーザ干渉計35からの位置情報とに
基づいてモータ34をサーボ制御し、ウエハＷを所定位置
に位置決めする他、位相差情報から２本のビームLB_1p,L
B_2pの交差角θ（干渉縞ピッチＰ′）や回転誤差ωを算
出し、これら演算値に応じて平行平面ガラス12,16に所
定の駆動指令を出力する。

次に、本実施例の動作について説明する。まず、２本
のビームLB_1p,LB_2pの交差角θ、即ち干渉縞ピッチＰ′
の計測、調整動作について述べる。さて、ビームLB_1p,L
B_2pが照射されると（第２図）、ウエハマークWM上には
第５図（Ａ）に示すような干渉縞（図中斜線内が暗縞）
が発生し、この干渉縞はマークWMに対してＸ方向にビー
ムLB_1p,LB_2pの差周波数Δｆに対応した速度Ｖで流れ
る。この際、ビームLB_1p,LB_2pの交差角θと格子ピッチ
Ｐとの間に以下に示す関係式（２）が成立する時、格子
マークからの±１次回折光は同一方向に発生すると共
に、干渉縞ピッチＰ′は正確に格子ピッチＰの半分にな
る（第５図（Ａ））。但し、ビームLB_1p,LB_2pの波長を
λとする。

ところが、交差角θが上記（２）式を満足しないと、
干渉縞ピッチＰ′はP/2でなくなるので第５図（Ｂ）の
ようになって、±１次回折光の発生方向が異なって位置
ずれ計測精度が低下し得る。

そこで、主制御装置MCSはモータ34によりウエハステ
ージWSを駆動し、基準部材33、即ち回折格子マーク33a
をビームLB_1p,LB_2pの照射位置まで移動して照明領域LA
内の右端に設定する（第６図（Ａ））。しかる後、ビー
ムLB_1p,LB_2pをマーク33aに照射し、光電検出器32はマー
ク33aからの干渉光BTLを受光して光ビート信号を位相検
出系32に出力する。これによって、位相検出系32は参照
信号としての光ビート信号SRに対する位相差ψ_１を求め
て記憶する。次に、ウエハステージWSを駆動して照明領
域LA内で格子マーク33aをＸ方向にLx（Lx＜Ｗ）だけ移
動し（第６図（Ｂ））、同様の動作でマーク33aからの
干渉光の光ビート信号を位相検出系32に出力する。そし
て、位相検出系32は参照用の光ビート信号SRに対する位
相差ψ_２を求める。尚、移動距離LxはLx＝ｎ・P/2＝ｎ
・Ｐ′（ｎは自然数）と表される。ここで、干渉縞ピッ
チＰ′が正確に格子ピッチＰの半分となっていれば、上
記２つの状態で得られた光ビート信号間の相対位相差
（ψ_２−ψ_１）は零となる。しかしながら、実際には
Ｐ′≠P/2であるため、位相検出系32は２つの光ビート
信号間の相対位相差（ψ_２−ψ_１）を求め、この位相差
情報を主制御装置MCSへ出力する。この際、位相検出系3
2において参照用の光ビート信号SRを用いず、上記２つ
の状態で得られる光ビート信号を直接比較して上記相対
位相差（ψ_２−ψ_１）を求めても構わない。そして、主
制御装置MCSはこの位相差情報及び距離Lxに基づいて、
次式から干渉縞ピッチＰ′を算出する。

次に、主制御装置MCSは（３）式から求めた干渉縞ピ
ッチＰ′に基づいて平行平面ガラス12aの傾斜角、及び
平行平面ガラス12aの回転に伴って発生するビームLB_1p,
LB_2pのテレセン傾きを補正する平行平面ガラス16aの傾
斜角を算出する。しかる後、平行平面ガラス12aを駆動
し、瞳面EpにおいてビームLB_2pのスポットをＸ方向に移
動させることで、ビームLB_1p,LB_2pの各スポットの間隔
を調整する。さらに、平行平面ガラス16aを駆動し、ビ
ームLB_1p,LB_2pの各スポットの間隔を一定に保ったま
ま、各スポットが瞳中心（光軸AX）を挟んで略対称とな
るようにＸ方向に移動させ、ビームLB_1p,LB_2pのテレセ
ン傾きを補正する。この結果、ビームLB_1p,LB_2pの交差
角θの調整が完了し、対物レンズ29の射出側でビームLB
_1p,LB_2pのテレセン傾きが生じることなく、正確に干渉
縞ピッチＰ′が格子ピッチＰの半分に設定されることに
なる。

ここで、上述した干渉縞ピッチＰ′の計測再現性σ_Ｐ
は、光ビート信号（位相ψ）の計測再現性σ_ψにより一
義的に決定されるものであって、以下の（４）式のよう
に表される。

また、計測再現性σ_ψはウエハステージWSの位置決め
精度や位置計測精度、及び光ビート信号の位相検出精度
等によって支配され、特にレーザ干渉計35によるステー
ジ位置の計測精度による影響が最も大きい。レーザ干渉
計35の計測精度に大きな影響を与える要因は空気の揺ら
ぎである。しかしながら、この空気揺らぎはランダムな
ものであるので、計測再現性σ_ψは計測回数Ｎの増加と
共にに減少することになる。従って、スループット等を考慮
して計測回数Ｎを決定してやれば、干渉縞ピッチＰ′の
計測再現性σ_ｐについて必要に応じた精度で得ることが
できる。

また、本実施例ではビームLB_1p,LB_2pの照明領域LA内
で格子マーク33aをＸ方向にLxだけ移動し、領域LA内の
２点の各々で光ビート信号（位相ψ）の検出を行うこと
によって、上記（３）式から干渉縞ピッチＰ′を求めて
いた。このため、（３）式中のｎ、即ち移動距離Lxをで
きる限り長く設定すれば、干渉縞ピッチＰ′の計測精度
を向上させることができる。この際、照明領域LA内でビ
ームLB_1p,LB_2pの波面が平面でないと、照明領域LA内で
の干渉縞ピッチＰ′が一様でなくなるため、上記実施例
で述べたような２点での計測では所望の計測精度を得る
ことができない。そこで、このような場合には照明領域
LA内で格子マーク33aを、例えば（P/2）ずつＸ方向に移
動し、各位置において上記実施例と同様の動作で光ビー
ト信号の位相検出を行うことにより、それら計測値を平
均化した値をもって干渉縞ピッチＰ′とすることが望ま
しい。尚、本実施例では上記ｎを自然数としていたが、
任意の値で構わないことは言うまでもない。

次に、第７図、第８図を参照してビームLB_1p,LB_2pの
回転誤差ωの調整動作について説明する。第７図（Ａ）
に示すようにビームLB_1p,LB_2pの主光線を含む平面38と
ウエハ面との交線37が計測方向、即ち格子配列方向（Ｘ
方向）に対して誤差角度ωだけ回転していると、ビーム
LB_1p,LB_2pの干渉縞がウエハマークWM（直交座標系XY）
に対して相対的に回転し（第７図（Ｂ））、これにより
位置ずれ計測精度が低下し得る。そこで、主制御装置MC
Sはモータ34によりウエハステージWSを駆動し、回折格
子マーク33bをビームLB_1p,LB_2pの照射位置まで移動して
照明領域LA内の上端に設定する（第８図（Ａ））。しか
る後、ビームLB_1p,LB_2pを格子マーク33bに照射し、光電
検出器31はマーク33bからの干渉光BTLを受光して光ビー
ト信号を位相検出系32に出力する。そして、位相検出系
32は参照用の光ビート信号SRに対する位相差ψ_３を求め
て記憶する。次に、ウエハステージWSを駆動して照明領
域LA内で格子マーク33bをＹ方向にLy（Ly＜Ｈ）だけ移
動し（第８図（Ｂ））、同様の動作で干渉光BTLの光ビ
ート信号を位相検出系32に出力する。そして、位相検出
系32は光ビート信号SRに対する位相差ψ_４を求め、２つ
の位置での光ビート信号間の相対位相差（ψ_４−ψ_３）
を求めて主制御装置MCSへ出力し、主制御装置MCSはこの
位相差情報及び距離Lyに基づいて、次式から回転誤差ω
を算出する。

次に、主制御装置MCSは（５）式から求めた回転誤差
ωに基づいて平行平面ガラス12bの傾斜角、及び平行平
面ガラス12bの回転に伴って発生するビームLB_1p,LB_2pの
テレセン傾きを補正するための平行平面ガラス16bの傾
斜角を算出する。しかる後、平行平面ガラス12bを駆動
し、瞳面EpにおいてビームLB_2pのスポットをＹ方向に移
動させると共に、平行平面ガラス16bを駆動してビームL
B_1p,LB_2pの各スポットの間隔は一定のまま、各スポット
が瞳中心を挟んで略対称となるようにＹ方向に移動させ
る。この結果、ビームLB_1p,LB_2pの回転調整が完了し
て、対物レンズ29の射出側でビームLB_1p,LB_2pのテレセ
ン傾きが生じることなく、ビームLB_1p,LB_2pの回転誤差
ωが略零に抑えられることになる。

ここで、回転誤差ωを補正するにあたって平行平面ガ
ラス12a,12bを同時に駆動すれば、瞳面Epにおいてビー
ムLB_1p,LB_2pの各スポットの間隔を一定に保ったまま、
ビームLB_2pのスポットを移動できるので、回転調整に伴
うビームLB_1p,LB_2pの交差角θを変化を防止することが
できる。同様に平行平面ガラス16a,16bを同時に駆動す
れば、より精度良くテレセン傾きを補正することが可能
となる。

また、先に述べた干渉縞ピッチＰ′の計測と同様に、
回転誤差ωの計測精度に関しても、スループット等を考
慮して計測回数Ｎを決定することにより必要に応じた精
度を得ることができる。さらに、（５）式から明らかな
ように照明領域LA内での移動距離Lyをできる限り長く設
定すれば、回転誤差ωの計測精度を向上させることがで
きる。また、照明領域LA内でビームLB_1p,LB_2pの波面が
平面でないことが予想される場合には、照明領域LA内で
回折格子マーク33bを所定量ずつＹ方向に移動し、上記
実施例と同様の動作で光ビート信号の位相検出を行っ
て、それら計測値を平均化することが望ましい。

以上の通り本実施例においては、ビームLB_1p,LB_2pに
よる照明領域LAの寸法（W,H）より小さい回折格子マー
ク33a,33b（第３図）を用いていたが、実際にはウエハ
マークWMと同等の大きさのウエハマークWMを用いても同
様の効果を得ることができる。第９図（Ａ）に示すよう
に干渉縞ピッチＰ′に関しては、まずビームLB_1p,LB_2p
（照明領域LA）でウエハマークWMの一部（例えば、左端
の３本のバーパターン）を照射し、マークFMからの干渉
光の光ビート信号を検出する。その後、ビームLB_1p,LB
_2pがマークFMの一部（例えば、右端の３本のバーパター
ン）を照射するようにマークFMをＸ方向に移動し、同様
にマークからの干渉光の光ビート信号を検出する。そし
て、上記実施例と同様の動作で２つの状態での光ビート
信号の相対位相差を求めることにより干渉縞ピッチＰ′
を算出することができる。一方、第９図（Ｂ）に示すよ
うに回転誤差ωに関しても、ビームLB_1p,LB_2p（照明領
域LA）に対してウエハマークWMのＹ方向へ移動させ、そ
の２つの状態での光ビート信号の相対位相差を求めるよ
うにすれば、同様に回転誤差ωを算出することができ
る。

また、上記（３）、（５）式から明らかなように、干
渉縞ピッチＰ′及び回転誤差ωの計測精度は移動距離Lx
（係数ｎ）、Lyが長い程良くなる。そこで、上記計測時
とアライメント時とで照明領域LAの大きさを変えられる
ように第１図における視野絞り25を可変とし、干渉縞ピ
ッチＰ′の計測にあたっては照明領域LAをＸ方向に広
げ、回転誤差ωの計測にあたっては照明領域LAをＹ方向
に広げれば、より一層計測精度を向上させることができ
る。

ここで、照明領域LAをＸ又はＹ方向に広げることは、
本実施例において計測精度を向上させる上で有効である
ことは勿論のこと、従来の干渉光強度の最大値をもって
干渉縞ピッチＰ′や回転誤差ωを補正する際にも有効で
ある。何故なら、照明領域LA（視野絞り25の開口）を大
きくすると、瞳面Epにおいてスポット状に集光するビー
ムLB_1p,LB_2pのビーム径が小さくなる。つまり、瞳面Ep
上での干渉光BTLのビーム径も小さくなって、わずかな
干渉縞のピッチずれや回転誤差ωであっても、瞳面Ep、
即ち光電検出器31の受光面上でマークからの干渉光のみ
を分離し易くなる。以上のことから、光ビート信号のコ
ントラストの変化が顕著になるため、従来の計測法でも
有効となる。尚、干渉縞のピッチずれや回転誤差ωが大
きいと予測される場合には、予め従来の計測法により粗
調整しておき、しかる後上記実施例で述べた方法により
微調整すれば、より効率的な調整を行うことができる。

また、本実施例では交差角θや回転誤差ωを調整する
ための平行平面ガラスをビームLB₂の光路中のみに配置
していたが、ビームLB₁の光路中にも平行平面ガラスを
配置して構わない。この場合、ビームLB₁,LB₂の各光路
中の平行平面ガラスの傾き角を独立に制御するように構
成すれば、第１図中に示したテレセン傾きを補正するた
めの平行平面ガラス16a,16bが不要になるのは明らかで
ある。さらに、平行平面ガラス12a,12bはレーザ光源１
から対物光学系29までの光路中であればどこに配置して
も良く、平行平面ガラス16a,16bはレーザ光源１からウ
エハＷまでの光路中であればどこに配置しても構わな
い。また、先に述べたAOM5,6の少なくとも一方を、その
偏向原点が瞳共役位置若しくはその近傍となるように配
置すると共に、AOM5,6に印加するドライブ信号の周波数
を増減させるドライブ回路を設ける。そして、上記回転
誤差ω等に応じてドライブ信号の周波数を調整すれば、
平行平面ガラス12a,12bを設けずとも、AOM5,6により交
差角θや回転誤差ωの微調整を行うことができる。特に
交差角θ（干渉縞ピッチＰ′）の調整に関しては、例え
ばレンズ24の焦点距離を可変とし、その焦点距離を調整
するようにしても良い。一方、回転誤差ωの調整に関し
てはビームLB_1p,LB_2pの光路中に配置されるイメージロ
ーテータを回転させることとしても良い。尚、上記実施
例では交差角θ（干渉縞ピッチＰ′）と回転誤差ωのい
ずれを先に調整しても構わない。

また、ビームLB_1p,LB_2pによる照明領域LAの形状や大
きさを定める視野絞り25を可変とすれば、上記交差角θ
や回転誤差ωの計測にあたってウエハステージWSにより
格子マーク33a,33bを移動させずとも、上記実施例と同
様の効果を得ることができる。例えば交差角θの計測に
あたっては、第10図（Ａ）に示すように照明領域LA内で
静止したウエハマークWMのうち、右端側の一部（上記実
施例に対応して３本のバーパターン）のみを残して視野
絞り25で遮光する。次に、ウエハマークWMの左端側の一
部（同様に３本のバーパターン）のみを残して視野絞り
25で遮光する（第10図（Ｂ））。以下、上記実施例と同
様の動作で検出した２つの状態での光ビート信号の各位
相差からビームLB_1p,LB_2pの交差角θを算出することが
できる。一方回転誤差ωに関しても、第11図（Ａ）、
（Ｂ）に示すように可変視野絞り25によりウエハマーク
WMの遮光を行えば良い。ここで、先の実施例での移動距
離Lx,Lyとしては、照明領域LA内で遮光されないウエハ
マークWMの重心位置の間隔を用いれば良い。また、可変
視野絞り25により遮光するマーク領域を所定量ずつ順次
Ｘ（又はＹ）方向にシフトさせていけば、上記実施例と
同様に多点計測による計測精度の向上が期待できる。
尚、視野絞り25の可変機構としては、例えば４枚の遮光
プレートを機械的に駆動する方式、液晶素子やEC（エレ
クトロクロミック）素子を用いる方式、若しくは形状や
大きさが異なる複数の開口部が形成されたターレット板
を回転させる方式等を採用して良い。

また、アライメント系の受光系を第12図に示すような
構成とすれば、可変視野絞り25と同様の効果を得ること
ができる。第12図において、ウエハマークWMからの干渉
光BTLは空間フィルター30及びレンズ40を介してハーフ
ミラー41で分割（振幅分割）される。この２分割された
干渉光BTLは、ウエハ共役面内に配置された光分割器4
2、45でさらに２分割され、光電検出器43,44及び46,47
により受光される。ここで、光分割器42はマーク像をＸ
方向（計測方向）に分割するように配置され、ビームLB
_1p,LB_2pの干渉縞ピッチＰ′の計測に使用される。一
方、光分割器45はマーク像をＹ方向（非計測方向）に分
割するように配置され、ビームLB_1p,LB_2pの回転誤差ω
の計測に使用される。このような場合には、計測時に基
準部材33（回折格子マーク）や視野絞り25を駆動する必
要がなく、同時に２つの光ビート信号を検出できるの
で、調整時間を短縮することができる利点がある。

尚、ハーフミラー41を用いず、レンズ40の焦点（ウエ
ハ共役面）若しくはその近傍に光分割器を配置し、干渉
光BTLの分割方向を切替可能に設けて光電検出器を共有
させても構わない。この光分割器として可変視野絞りを
用いれば、簡単に干渉光BTLの分割方向の切替を行うこ
とができ、且つ光電検出器を共有させることもできる。
さらに、先に述べた調整が終了した後にアライメント
（位置検出）を行う場合には、光電検出器43,44（又は
光電検出器46,47）のいずれか一方から出力される位相
信号、若しくは両方から出力される位相信号を加算した
ものを、上記光ビート信号SDとして用いれば良い。

さて、上記実施例ではオフ・アクシス方式のアライメ
ント系に好適な例について述べたが、本発明は他の方式
のアライメント系、例えばレチクル（マスク）の格子マ
ークとウエハの格子マークとを用いて、直接レチクルと
ウエハとの位置合わせを行うTTR方式のアライメント
系、或いはプロキシミティー方式のマスク・ウエハアラ
イメント系にも全く同様に適用できる。

第13図はTTR方式のアライメント系を備えたステッパ
ーの概略的な構成を示す斜視図であって、基本構成は先
の実施例のもの（第１図）と同一である。但し、TTR方
式では２方向からウエハマークWM又はレチクルマークRM
を照射するビーム同志が相補的な偏光状態（例えば、直
交直線偏光、若しくは互いに逆回りの円偏光）である
点、及び受光系の構成に差異がある。

第13図において、複屈折物質の平凸レンズとガラスの
平凹レンズの凸面、凹面を貼り合わせた２焦点素子を持
つ対物レンズOBJは、周波数差Δｆを与えられた２本の
ビームBM₁、BM₂のうちＰ偏光ビームをレチクルマークRM
に照射し、Ｓ偏光ビームをレチクルＲ上の窓RWと投影レ
ンズPL（入射瞳Ep′）とを介してウエハマークWMに照射
する。また、レチクルＲの上には露光光と２本のビーム
BM₁、BM₂との波長を分離するダイクロイックミラーDCM
が設けられる。レチクルＲ上の回路パターン領域の周辺
は、一定幅の遮光帯で囲まれており、その中に窓（透明
部）RSを形成し、さらに窓RSの約半分の部分に一次元の
格子マーク（レチクルマーク）RMを形成する。一方、ウ
エハＷ上の各ショット領域SAの周囲のストリートライン
（幅50〜100μｍ程度）中の対応する位置にはウエハマ
ークWMが形成されている。

第14図はTTR方式のアライメント系の受光系の具体的
な構成を示す斜視図であって、第１図中に示した部材と
同じ機能、作用の部材には同一の符号を付してある。第
14図において、２本のＰ偏光ビームLB_1p、LB_2pは、1/2
波長板50により両方の偏光成分（Ｐ偏光、Ｓ偏光）を含
むと共に、周波数差Δｆを与えられたビームBM₁、BM₂と
なり、ビームスプリッター51を介して対物レンズOBJに
入射することになる。第14図に示すように、レチクルマ
ークRM若しくはウエハマークWMからの反射光は、対物レ
ンズOBJを介してビームスプリッター51のところまで戻
り、ここで反射されてアフォーカル拡大リレー系52、53
を通って空間フィルター54に達する。反射光のうち０次
光は、ビームBM₁、BM₂の主光線と全く同軸に戻り、±１
次回折光（干渉光）BTLの主光線はアライメント系の光
軸AXと同軸に戻る。空間フィルター54は０次光をカット
し、干渉光BTLを抽出するように、投影レンズPLの入射
瞳Ep′とほぼ共役に配置されている。尚、空間フィルタ
ー54の位置では干渉光BTLとして、レチクルマークRMか
らのものと、ウエハマークWMからのものとが、互いに相
補的な偏光状態で同軸に存在する。そこで、以下の説明
を繁雑にしないために、レチクルマークRMからの干渉光
をBTL_Rとし、ウェハマークWMからの干渉光をBTL_Wとす
る。

さて、空間フィルター54により抽出された干渉光BT
L_R、BTL_Wはミラー55で反射され、結像レンズ（逆フーリ
エ変換レンズ）56を通って偏光ビームスプリッター（PB
S）57に達し、ここでＳ偏光成分の干渉光BTL_Wは反射さ
れて、像共役面に配置された視野絞り58と集光レンズ59
を介して光電検出器60に受光される。一方、PBS57を透
過したＰ偏光成分の干渉光BTL_Rは、像共役面に配置され
た視野絞り61と集光レンズ62を介して光電検出器63に達
する。尚、視野絞り58はウエハマークWMの大きさ及び位
置に合わせた開口を有し、視野絞り61はレチクルマーク
RMの大きさ及び位置に合わせた開口を有する。そして、
光電検出器60からは周波数差Δｆの周波数をもつ光ビー
ト信号SD_Wが出力され、光電検出器63からも周波数差Δ
ｆの周波数をもつ光ビート信号SD_Rが出力される。位相
検出系32は２つの信号SD_W、SD_Rの位相差を求め、主制御
装置MCSを上記位相差を略零となるようにレチクルＲと
ウエハＷとを相対移動させて，レチクルパターンの投影
像とショット領域SAとを正確に一致させる。

上記構成の装置では、レチクルＲが正確にステッパー
に固定されていれば、２本のＰ偏光ビームBM_1p、BM_2pと
レチクルマークRMの計測方向との回転誤差ω_Ｒと、２本
のＳ偏光ビームBM_1s、BM_2sとウエハマークWMの計測方向
との回転誤差ω_Ｗとはほぼ等しい。従って、どちらか一
方、例えば回転誤差ω_Ｗについて上記実施例と同様の動
作で補正を行えば、それと同時にレチクルＲ側の回転誤
差ω_Ｒも略零になる。一方、ビームBM_1p、BM_2pの交差角
θ_Ｒ及びビームBM_1s、BM_2sの交差角θ_Ｗ（即ち、干渉縞
ピッチP_R′,P_W′）に関しては、投影レンズPLが露光波
長（ｇ線、ｉ線或いはKrFエキシマレーザ）に応じて収
差補正されていることから、He−Neレーザ等を光源とす
るTTR方式のアライメント系（第13図）では色収差が発
生し、例えばビームBM_1p、BM_2pの交差角θ_Ｒを調整して
も、ビームBM_1s、BM_2sの交差角θ_Ｗが正確に設定される
とは必ずしも言えない。そこで、TTR方式では上記実施
例と同様の動作でレチクルＲとウエハＷの各々で干渉縞
ピッチP_R′,P_W′を計測し、例えばこれら計測値を平均
化した値をもってアライメント系の瞳面におけるビーム
LB_1p、LB_2pの各スポットの間隔を調整して交差角θ_R,θ
_Ｗの補正を行えば、上記実施例と同様の効果を得ること
ができる。

ここで、ビームLB_1p、LB_2pの交差角θ_Ｒ又はビームBM
_1s、BM_2sの交差角θ_Ｗの調整にあたっては、ウエハステ
ージWS上の基準部材33を用いて干渉縞ピッチP_W′のみを
計測し、この値に応じてビームBM_1s、BM_2sの交差角θ_Ｗ
を調整するだけでも構わない。この方法ではビームB
M_1p、BM_2pの交差角θ_Ｒが正確に設定されるとは限らな
いが、レチクルマークRMでは回折格子マークの部分的な
光学的不整、例えばマークからの回折光強度の部分的な
ばらつきがほとんど生じず、従ってレチクルＲ側の検出
精度が低下することがないためである。尚、レチクルＲ
にアライメント誤差が残存している場合には、上記回転
誤差ω_R,ω_Ｗに関しても交差角θ_R,θ_Ｗと全く同じこと
が生じるので、回転誤差ω_R,ω_Ｗの補正においても先に
述べた平均化処理等を行うことが望ましい。また、レチ
クルマークRMとウエハマークWMとに照射する２本のビー
ムBM_1p、BM_2pの偏光成分を同一（Ｐ偏光又はＳ偏光成
分）としても良く、この場合には受光系において両方の
格子マークから発生する干渉光の各々を像共役面で分離
して光電検出してやれば良い。さらに、TTR方式では受
光系の視野絞り61を可変とし、マークRMからの干渉光BT
L_Rの分割方向を切替可能に構成することが望ましい。こ
れは、ビームBM_1p、BM_2pの交差角θ_Ｒや回転誤差ω_Ｒの
計測にあたってレチクルＲを駆動する際、レチクルＲの
遮光帯によりウエハマークWMからの干渉光BTR_Wが遮光さ
れ、両方のマークの計測を同時に行うことが困難となっ
てスループットが低下するためである。また、新たに計
測用の格子マークをレチクルＲに配置することによるマ
ーク形成領域の増大を防止するためでもある。

また、本発明によるアライメント系をプロキシミティ
ー方式の露光装置に適用する場合、第15図に示すように
対物レンズ29を射出したビームLB_1P、LB_2Pの各主光線
が、マスクMsとウエハＷとのプロキシミティー・ギャッ
プのほぼ中間で交差するように定められている点のみに
差異がある。ここで、プロキシミティー・ギャップは露
光装置の光源の種類、露光エネルギーの照射系等によっ
ても異なるが、一般的に10μｍ〜500μｍの間に定める
ことが知られている。ギャップが狭い場合は、２つのビ
ームLB_1P、LB_2Pの交差領域（光軸方向）内にマスクMsの
格子マークRMとウエハＷの格子マークWMとが確実に存在
するためあまり問題にはならないが、ギャップを広く取
る場合、その交差領域内にマークRMとマークWMとが確実
に存在するか否かが問題になる。ところが、このこと
は、マスクMsに達するビームLB_1P、LB_2Pの径を大きくす
るだけで容易に解決し、交差領域の光軸方向の長さは比
較的自由に設定することができる。また、第13図に示し
た２焦点光学系（対物レンズOBJ）を採用しても上記問
題を解決でき、しかも対物レンズ29の焦点深度に関係な
く、格子マークRM,WMの像を同一面に結像させることが
できる。

以上のことから、プロキシミティー方式の露光装置に
おいても、マークRMとマークWMの位置関係を第13図に示
したTTR方式と同様にしておき、なおかつ両マークの格
子ピッチは同一にしておく。そして、先に述べたTTR方
式と全く同様にして、両方の格子マークから発生する干
渉光を各々像面で分離して光電検出し、同様にその２つ
の光ビート信号の相対位相差を用いて２本のビームL
B_1P、LB_2Pの交差角θや回転誤差ωを調整することが可
能である。

また、本発明はヘテロダイン方式のアライメント系だ
けでなく、ホモダイン方式のアライメント系に対しても
有効であることは言うまでもない。ここで、ホモダイン
方式は格子マーク上で干渉縞は流れないので、この静止
した干渉縞と格子マークとをその格子配列方向に相対移
動させ、例えば格子マークから発生する干渉光の強度に
応じた光電信号を、ウエハステージWSの単位移動量（0.
01μｍ）毎にレーザ干渉計から発生するアップダウンパ
ルス信号に同期してサンプリングし、各サンプリング値
をデジタル値に変換してメモリに番地順に記憶させる。
しかる後、２本のビームの回転誤差ωに関しては先の実
施例で述べたヘテロダイン方式と同様の動作で、所定の
演算処理により２つの状態（位置）での正弦波状の光電
信号の相対位相差を求めれば良い。一方、２本のビーム
の交差角θ（干渉縞ピッチＰ′）に関しては２本のビー
ム（干渉縞）と格子マークとを１回だけ相対移動させた
後、例えば上記正弦波状の光電信号の波形の長さ（距
離）と設計値との差を求める、若しくは光電信号の波形
上で任意の２つのピーク値の間に存在するピーク値の
数、及びその間隔（距離）を求めれば、より簡単に干渉
縞ピッチを算出できる。尚、ホモダイン方式で特に２本
のビームの交差角を計測する際には、例えば第９図
（Ａ）中に示したウエハマークWMは使えず、計測方向
（格子配列方向）に関する長さが照明領域LAの寸法Ｗよ
り短い格子マーク（例えば、格子マーク33a等）を用い
ることが望ましい。

さらに、ウエハマークWMに照射する２本のビームの偏
光成分を異ならせてマーク上では干渉縞を作らず、マー
クから光軸AXに沿って同軸に戻ってくるＰ偏光ビームと
Ｓ偏光ビームとを検光子（複屈折板）により干渉光にし
た後に光電検出する方式においても、２本のビームの交
差角や回転誤差の計測、調整を行う上で本発明が有効で
あることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、基板上に形成された回
折格子に２方向から照射する２本のビームの交差角、及
び回折格子の格子配列方向に対する２本のビームを含む
平面と基板面との交線の回転誤差を、回折格子から発生
する回折光の強度に応じた光電信号の位相差情報から求
めている。このため、電気的ノイズ等によって回折光強
度（即ち、光電信号の電圧）がばらついても、上記交差
角や回転誤差の計測精度は低下せず、従って調整精度を
向上させることができる。また、ステージの位置決め及
び位置計測の高精度化や多数回計測により精度向上が可
能である。さらに、回折格子に対して２本のビームの照
明領域（干渉縞の形成領域）を相対的に大きくすること
によって、より一層精度良く交差角や回転誤差の計測・
調整を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による位置合わせ装置の概略
的な構成を示す平面図、第２図は基板上の格子マークに
照射される２つのビームの様子を説明する図、第３図は
基準部材上に形成される回折格子マーク（基準マーク）
の概略的な構成の一例を示す図、第４図は光電検出器か
ら出力される参照用格子マーク及び基板上の回折格子マ
ークの各々からの干渉光の強度に応じた光電信号（光ビ
ート信号）を表す図、第５図（Ａ）、（Ｂ）及び第６図
（Ａ），（Ｂ）は基板上の２つのビームの交差角（干渉
縞ピッチ）の計測動作の説明を供する図、第７図
（Ａ），（Ｂ）及び第８図（Ａ），（Ｂ）は格子マーク
の格子配列方向に対する２つのビームの主交線を含む面
と基板面との交線に沿った方向の回転誤差の計測動作の
説明に供する図、第９図（Ａ），（Ｂ）、第10図
（Ａ），（Ｂ）及び第11図（Ａ），（Ｂ）は本発明の一
実施例の変形例の動作の説明に供する図、第12図は本発
明の一実施例における受光系の変形例の一例を示す図、
第13図は本発明によるTTR方式のアライメント系を備え
た露光装置の概略的な構成を示す斜視図、第14図は第13
図に示したTTR方式のアライメント系の受光系の具体的
な構成を示す斜視図、第15図は本発明によるアライメン
ト系をプロキシミティー方式の露光装置に適用した様子
を説明する図である。〔主要部分の符号の説明〕１〜11,13,14……ビーム発生手段、12a,12b、16a,16b…
…平行平面ガラス、25……視野絞り、29……対物レン
ズ、30……空間フィルター、31……光電検出器、32……
位相検出系、33……基準部材、33a,33b……回折格子マ
ーク（基準マーク）、Ep……瞳面、Ｗ……ウエハ、WM…
…ウエハマーク、BTL……干渉光、LA……照明領域、WS
……ウエハステージ、AX……アライメント系の光軸、MC
S……主制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小松宏一郎東京都品川区西大井１丁目６番３号株式会社ニコン大井製作所内 (56)参考文献特開昭60−262003（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−58628（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された回折格子に所定の交差
角で２方向から照射するための可干渉性の２つのビーム
を射出するビーム発生手段と、該２つのビームを瞳面内
で所定間隔だけ離して通すことによって、前記基板に所
定の交差角で照射する対物光学系と、前記回折格子から
同一方向に発生した回折光同志の干渉光を前記対物光学
系を介して受光する光電検出器とを有し、該光電検出器
の検出信号に基づいて前記基板を所定点に位置合わせす
る装置において、所定の回折格子状の基準マークが形成された基準部材
と；前記２つのビームの主光線を含む面と前記基板との交線
の、前記基準マークの格子配列方向に対する回転誤差
と、前記２つのビームの交差角との少なくとも一方を調
整可能な補正手段と；前記基準マーク上で前記２つのビームが交差する領域内
の第１部分から発生する干渉光と、該交差領域内の第２
部分から発生する干渉光との各々に対応した前記光電検
出器の検出信号の位相差に基づいて、前記交差角と回転
誤差との少なくとも一方を算出する演算手段と；を備えたことを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項２】前記補正手段は、前記ビーム発生手段に含
まれる光源から前記対物光学系までの光路中に配置さ
れ、前記瞳面内での前記２つのビームの間隔を変化させ
る第１光学部材と、前記瞳面内で前記２つのビームの少
なくとも一方を前記回折格子の格子配列方向と略垂直な
方向に変位させる第２光学部材とを有することを特徴と
する請求項第１項記載の位置合わせ装置。
【請求項３】前記位置合わせ装置は、前記基板を保持し
て水平面内で２次元移動可能なステージを有し、前記第
１部分と前記第２部分の各々から発生する干渉光を検出
するに際しては、該ステージにより前記交差領域と基準
マークとを相対移動させることを特徴とする請求項第１
項又は第２項記載の位置合わせ装置。
【請求項４】前記位置合わせ装置は、前記対物光学系に
関して前記基準マークと略共役な位置若しくはその近傍
に配置される可変視野絞りを有し、前記第１部分と前記
第２部分の各々から発生する干渉光を検出するに際して
は、該可変視野絞りにより前記基準マークから発生する
干渉光の一部を遮光することを特徴とする請求項第１項
又は第２項記載の位置合わせ装置。
【請求項５】基板上に形成された回折格子に所定の交差
角で２方向から照射するための可干渉性の２つのビーム
を射出するビーム発生手段と、該２つのビームを瞳面内
で所定間隔だけ離して通すことによって、前記基板に所
定の交差角で照射する対物光学系と、前記回折格子から
同一方向に発生した回折光同志の干渉光を前記対物光学
系を介して受光する光電検出器とを有し、該光電検出器
の検出信号に基づいて前記基板を所定点に位置合わせす
る装置において、所定の回折格子状の基準マークが形成された基準部材
と；前記２つのビームの主光線を含む面と前記基板との交線
の、前記基準マークの格子配列方向に対する回転誤差
と、前記２つのビームの交差角との少なくとも一方を調
整可能な補正手段と；前記対物光学系に関して前記基準マークと略共役な位置
に配置され、前記基板上で前記２つのビームが交差する
領域を変化させる絞り部材と；前記交差領域内の第１部分から発生する干渉光と、前記
交差領域内の第２部分から発生する干渉光との各々に対
応した前記光電検出器の検出信号の位相差に基づいて、
前記交差角と回転誤差との少なくとも一方を算出する演
算手段とを備え、前記第１部分と前記第２部分の各々から発生する干渉光
を検出するに際しては、前記絞り部材により前記基準マ
ークに対して前記交差領域を相対的に広げることを特徴
とする位置合わせ装置。
【請求項６】基板上のマークに周波数が異なる２本のビ
ームを照射する送光系と、前記マークから発生する回折
光を受光する光検出器とを有し、前記光検出器の出力に
応じて前記基板を移動する位置合わせ装置において、前記基板上で前記２本のビームが交差する領域内の第１
部分と第２部分から発生する回折光にそれぞれ対応した
前記光検出器の出力信号の位相差に基づいて、前記２本
のビームの交差角と、前記２本のビームの前記マークの
配列方向に対する回転量との少なくとも一方を検出する
手段を備えたことを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項７】周波数の異なる２本のビームで照射される
基板上のマークから発生する回折光の光電変換信号と、
前記２本のビームの周波数差に応じた基準信号との位相
差に応じて前記基板を移動する位置合わせ方法におい
て、前記基板上で前記２本のビームが交差する領域内の第１
部分と第２部分から発生する回折光にそれぞれ対応した
光電変換信号の位相差に基づいて、前記２本のビームの
交差角と、前記２本のビームの前記マークの配列方向に
対する回転量との少なくとも一方を検出することを特徴
とする位置合わせ方法。