JP2913755B2 - 位置合わせ方法及び装置 - Google Patents

位置合わせ方法及び装置

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JP2913755B2
JP2913755B2 JP2109293A JP10929390A JP2913755B2 JP 2913755 B2 JP2913755 B2 JP 2913755B2 JP 2109293 A JP2109293 A JP 2109293A JP 10929390 A JP10929390 A JP 10929390A JP 2913755 B2 JP2913755 B2 JP 2913755B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子や液晶表示素子製造のリソグラ
フィ工程に使用されるマスクのパターンを感光基板へ転
写する投影型露光装置（ステッパー、アライナー）やプ
ロキシミティー方式の露光装置等に好適なマスクと感光
基板との位置合わせ装置に関するものである。
〔従来の技術〕
近年、リソグラフィ工程では微細パターンを高分解能
で感光基板（レジスト層が形成された半導体ウエハ）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
高集積化に伴い、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）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精度（通常、解像線幅の1/
5程度）で、レチクル（マスクと同義）のパターンとウ
エハ上の１つのショット領域との位置合わせを行う必要
がある。このようなステッパーのアライメント方式とし
ては、例えば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、ウエ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に検出するTTR
（Through The Reticle）方式が従来から知られてい
る。
TTR方式のアライメント系は、レチクル上のアライメ
ントマーク（レチクルマーク）とウエハ上のアライメン
トマーク（ウエハマーク）とを共に高精度に検出して、
その相対位置ずれ量を求め、このずれ量が補正されるよ
うにレチクル若しくはウエハを微動させる。一般にステ
ッパーを始めとする投影型露光装置では、レチクルパタ
ーンをウエ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、波長3
65nmのｉ線、若しくは波長248nmのKrFエキシマレーザ光
等）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マーク
とウエハマークとを検出するTTR方式のアライメント系
において、マーク照明用の光が露光光の波長と同一、若
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。
さて、露光工程のウエ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レジスト層を介してウ
エハマークを検出する。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
メント用照明光がウエハ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、ウエハマーク
がアライメント系によって十分な光量で認識されず、そ
の検出精度を低下させるといった問題が生じる。さら
に、アライメントのためにアライメント用照明光がウエ
ハマークに照射されると、その部分のレジスト層は当然
に感光してしまい、現像後に各種プロセスを通すと、ウ
エハ上の当該マークが破壊されてしまい、次の層の重ね
合わせ露光の時のアライメントに使えないといった問題
も生じてしまう。
そこで、例えば特開昭63−153820号公報に開示された
TTR方式の別波長アライメント系（アライメント用照明
光が露光光の波長と異なる方式）をベースにして、ウエ
ハ、又はレチクル上に形成された１次元の回折格子マー
クを光学的に検出し、そのピッチ情報からウエハ、又は
レチクルの位置を高分解能（ピッチの数分の１〜数十分
の１）に検出する方式が特開昭63−283129号公報で提案
されている。従来から回折格子マークを用いる位置検出
には様々な手法が提案され、実用化されてきた。特開昭
63−283129号公報に開示された手法は、その中でも回折
格子マークに対して２方向からコヒーレントなレーザビ
ーム（平行光束）を同時に照射して１次元の干渉縞を作
り、この干渉縞を使って回折格子マークの位置を特定し
ようとする方法である。
このような干渉縞を使ったアライメント方式には、２
方向から照射される２本のレーザ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、格子マークの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２本のレーザビ
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）に高速に流れることになり、格
子マークの位置は干渉縞を基準として求めることはでき
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、格子マークからの±１次
回折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、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
（１μｍ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。
第12図はTTR方式のアライメント系を備えたステッパ
ーの概略的な構成の一例を示す斜視図であって、露光光
と異なる波長域のアライメント用照明光は２光束周波数
シフター（不図示）によって互いに周波数が異なり、且
つ共に直交した直線偏光を含む２本のレーザビームB
M1、BM2に変換される。第12図において、レチクル74の
上方には露光光と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73が設けられる。レチクル74
のパターンはダイクロイックミラー73で垂直下方に反射
される露光光により照射され、さらに両側テレセントリ
ックな投影レンズ70によって露光光のものでウエハ75上
に結像される。投影レンズ70は露光波長（ｇ線、ｉ線
等）に関して色収差補正され、その波長に関してレチク
ル74とウエハ75とが互いに共役になるように配置され
る。レチクル74のパターン領域76を囲む遮光帯の中に窓
（透明部）RSTが形成され、さらに窓RSTの約半分の部分
にレチクルマークRGが形成される。一方、ウエハ75上の
各ショット領域SAの周囲のストリートライン内の対応す
る位置にはウエハマークWGが形成される。
また、対物レンズ71は複屈折物質（水晶、方解石等）
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焦点素子と、テレセントリックな対物レンズ
とを一体に組み合わせたもので構成され、ビームBM1、B
M2の偏光成分（例えば、２焦点素子の結晶軸に平行な偏
光成分をｐ偏光、垂直な偏光成分をｓ偏光と定義する）
に応じて異なるパワーを与えるものである。従って、対
物レンズ71を射出するビームBM1、BM2はミラー72で反射
され、例えばビームBM1、BM2の夫々に含まれるｐ偏光ビ
ームはレチクルマークRG上で結像（交差）し、ｓ偏光ビ
ームはレチクル74の上方空間の焦点面（ウエハ共役面）
で一度交差した後、窓RST、投影レンズ70（入射瞳70a）
を通ってウエハマークWG上で結像（交差）する。尚、上
記焦点面とレチクル74の下面（パターン面）との間隔
は、アライメント用の２本のビームの波長における投影
レンズ70のレチクル側での軸上色収差量に対応してい
る。例えば露光波長を248nm、アライメント波長を633nm
とすると、その軸上色収差量は投影レンズ70の光学特性
にもよるが、500mm程度に達する。
さて、レチクルマークRG、ウエハマークWGからはそれ
ぞれ±１次回折光が発生し、その主光線はアライメント
系の光軸AXcと同軸に戻り、空間フィルターや視野絞り
等を介して光電検出器にて分離して受光される。光電検
出器からはレチクル側の干渉光の光電信号と、ウエハ側
の干渉光の光電信号（共にビート周波数）が出力され、
２本の送光ビームから別途作成された参照用干渉光のビ
ート信号を基準とした２つの信号の波形上の位相差を求
める。そして、上記位相差が略零となるようにレチクル
74とウエハ75とを相対移動させ，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、上記の如き従来技術においては、半導
体素子のチップサイズに応じたレチクルマークの位置変
更に伴って、例えば特開昭58−150924号公報に開示され
ているように、対物レンズ71と先端のミラー72とを一体
にアフォーカルな位置でレチクル74と平行な平面内にお
いて（第12図では光軸AXcに沿って）移動させることが
必要である。このため、対物レンズ71等の移動に伴う何
等かの原因で装置が判定になって、例えばアライメント
系の光軸AXcがレチクルマークRGのピッチ方向（計測方
向）に傾斜し得る。そこで、第13図を参照してアライメ
ント系が傾く場合について考えてみる。第13図は光軸AX
cがレチクル上方の焦点面（ウエハ共役面）Ｗ′内の点W
0を中心としてピッチ方向（Ｘ方向）にεだけ傾いた様
子を誇張して表している。
第13図に示すように、ウエハマークWGを照射する２本
のｓ偏光ビームの各主光線L1s、L2sについては、光軸AX
cが上記点W0を中心として傾いているだけなので、上記
傾斜に伴ってウエハ上での主光線L1s、L2sの交差位置が
ピッチ方向にシフトすることはない。ところが、レチク
ルマークRGを照射するｐ偏光ビームの主光線L1p、L2pに
ついては、レチクル74上で主光線L1p、L2pが交差する位
置がＸ方向にΔl1だけシフトする。つまり、主光線
L1p、L2pの交差位置と主光線L1s、L2sの交差位置とがピ
ッチ方向に関してΔL1だけずれることになる。このた
め、上記シフト量Δl1に応じてレチクルとウエハとの相
対的なずれ量の検出精度が悪化し、これに伴ってアライ
メント精度が低下するという問題点がある。
ここで、アライメント用照明光の波長のもとでの投影
レンズのレチクル側の軸上色収差量をΔＬとすると、シ
フト量Δl1はΔl1＝ΔＬ・tanεと表される。従って、
軸上色収差量ΔＬを500mmとし、アライメント精度から
考えたレチクル上での上記シフト量Δl1の許容値（最大
値）を0.05μｍとすると、アライメント系において許さ
れる角度誤差（許容傾斜量）εは、上記式（tanε＝Δl
1/ΔＬ）からε＝0.02″という非常に小さな量となる。
このことはアライメント系全体の傾斜量を0.02″以内に
抑えなければならないことを意味する。しかしながら、
可動式のアライメント系の安定性を考えると、振動や熱
変動を最小限に抑えても系全体で１〜２″程度の傾きは
発生してしまう。従って、レチクル上では主光線L1p、L
2pの交差位置が少なくとも2.5μｍ、即ちウエハ上では
0.5μｍ（投影レンズの投影倍率が1/5の場合）程度シフ
トすることになり、ノイズ等の影響も考慮した実用的な
計測分解能が0.01μｍ程度はある高分解能なアライメン
ト系であっても実用上意味をなさなくなる。尚、アライ
メント系の振動による傾斜だけでなく、例えばレーザ光
源の内部に設けられた１対の共振ミラーの位置変動等に
よるビームBM1、BM2のドリフト等もアライメント精度の
低下の要因となり得る。
また、例えば対物レンズ71（テレセントリックな対物
レンズのみ）がアライメント系の光軸AXc（又は光軸A
X′）に対して偏心した場合も、第14図に示すようにウ
エハ（共役面Ｗ′）上での主光線L1s、L2sの交差位置と
レチクル上での主光線L1p、L2pの交差位置とは、Ｘ方向
（ピッチ方向）に関してΔl2だけずれが生じ、同様にこ
のシフト量Δl2がそのままアライメント誤差となる。従
って、露光波長と異なる波長域の照明光を用いるアライ
メント系では、その光学系の傾斜や光学部材の偏心等に
よりアライメントマークの計測方向（ピッチ方向）に関
してアライメントビームが傾くと、軸上色収差量ΔＬの
ためにアライメント精度が著しく低下するという問題点
があった。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、アライ
メント系の不安定性（傾斜や光学部材の偏心等）による
アライメント精度の低下を防止できる露光装置に好適な
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、所定の
波長域の照明光ILを用いてレチクルＲに形成されたパタ
ーンを投影レンズPLを介してウエハＷ上に結像投影する
装置に設けられ、レチクルＲに形成された第１の回折格
子〔レチクルマークRM〕とウエハＷに形成された第２の
回折格子〔ウエハマークWM〕とを光学的に検出すること
によりレチクルＲとウエハＷとを位置合わせする装置に
おいて、 第１の回折格子と第２の回折格子とのいずれか一方に
対物光学系〔対物レンズ22〕を介して照明光ILと異なる
波長域のコヒーレントな２本のビームLB1p、LB2pを交差
角２θＷで照射する照射手段〔レーザ光源10、２光束周
波数シフター11、視野絞り15等〕と； ２本のビームLB1p、LB2pが交差して照射される一方の
回折格子〔ウエハマークWM〕からほぼ同一方向に発生し
た回折光同志の干渉光BTLWを光電検出する第１受光手段
〔第１計測信号作成部20〕と； 一方の回折格子〔ウエハマークWM〕とほぼ共役な面、
若しくはその近傍に配置された第３の回折格子〔基準格
子板48〕と； 第３の回折格子に２本のビームLB1p、LB2pの他方の回
折格子〔レチクルマークRM〕での各回折光〔RL1,RL2〕
を対物光学系を介して所定の交差角で照射し、第３の回
折格子から発生した回折光を互いに干渉させ、該干渉光
を光電検出する第２受光手段〔第２計測信号作成部18〕
と； 第１受光手段と第２受光手段の各々からの信号を比較
してレチクルＲとウエハＷとの相対変位に対応した検出
信号を出力する検出手段〔位相検出系27〕と； この検出信号に基づいてレチクルＲとウエハＷとの相
対位置を変化させる移動手段〔レチクルステージRS又は
ウエハステージWS〕とを設けることとした。
〔作 用〕
本発明では、マスクに形成された第１の回折格子と感
光基板に形成された第２の回折格子とのいずれか一方に
対物光学系を介してコヒーレントな２つのビームを所定
の交差角で入射（結像）させ、且つその回折格子とほぼ
共役な面、若しくはその近傍に第３の回折格子を配置す
る。さらに、２つのビームが交差して照射される一方の
回折格子からほぼ同一方向に発生した回折光同志の干渉
光を光電検出する第１受光手段と、第３の回折格子に対
して２つのビームの他方の回折格子での各回折光を対物
光学系を介して照射し、第３の回折格子から発生した回
折光を互いに干渉させ、該干渉光を光電検出する第２受
光手段とを設け、第１受光手段と第２受光手段の各々か
らの信号を比較してマスクと感光基板との相対変位に対
応した検出信号を得ることとした。このため、アライメ
ント系の不安定性（傾斜や光学部材の偏心等）によるア
ライメント精度の低下を防止できる。
そこで、第11図を参照して本発明の原理を説明する。
第11図はアライメント系のテレセントリックな対物光学
系（不図示）から射出される２つのビームがその後側焦
点面（感光基板とほぼ共役な面）Ｗ′内の点Ａで一度交
差してレチクルRmに入射する様子を示したもので、ここ
では２つのビーム（平面波）が点Ａを中心として角度ε
だけ傾いた時の主光線LL′,LR′を実線にて示し、傾き
が零の時の２つのビームの主光線LL,LRを点線にて示し
ている。また、２つのビームの主光線LL′,LR′はレチ
クルRm上の点Ｐ′,Q′の入射し、その反射光のうち１次
回折光LL1,LR2は焦点面Ｗ′内の点Ｂで交差している。
さて、点Ａを通ってレチクルRmに入射する２つのビー
ム（主光線LL′,LR′）のうち紙面内左側の主光線LL′
については、波面がレチクルRm上の点Ｐ（回折格子マー
ク）で回折され、再び点Ａに戻る時の光路長をSLとする
と、 SL＝AT＋UM′ ……（１） と表される。一方、右側の主光線LR′についても同様
に、点Ｑ（回折格子マーク）で回折された波面が再び点
Ａに戻う時の光路長SRは、以下の（２）式のように表さ
れる。
SR＝AR＋SL′ ……（２） ところで、ビームが角度εだけ傾いて回折格子マーク
に入射すると、そのマークからの回折光も角度εだけ傾
いた方向に発生することから、 ΔAPT≡ΔAQRより ∴AT＝AR ΔAPM≡ΔAQLより ∴PM＝QL QL＝SL′、PM＝UM′ となる。以上のことから次式が求まる。
AR＋SL′＝AT＋UM′ ……（３） つまり、（１）〜（３）より、 SL＝SR ……（４） が成り立つ。
従って、点Ａを通ってレチクルRm上に形成されるレチ
クルアーク（第１の回折格子）にて回折され、再び焦点
面Ｗ′内で交差する２つのビーム（主光線LL1,LR1）の
光路差は傾きに依らず一定であるので、その各回折光が
焦点面Ｗ′内で作る干渉縞の位置は（焦点面Ｗ′内で
は）ずれることなく不動である。
そこで、本発明ではこの焦点面Ｗ′とほぼ共役な面、
若しくはその近傍に第３の回折格子を配置しているの
で、先に述べた如くアライメント系が傾いても第３の回
折格子上で干渉縞がその計測方向（ピッチ方向）にずれ
ることはない。一方、焦点面Ｗ′は感光基板上に形成さ
れるウエハマーク（第２の回折格子）ともほぼ共役とな
っているので、同様に２つのビームにより作られる干渉
縞はウエハマーク上でその計測方向にずれることはな
い。このことから、アライメント系が焦点面Ｗ′内の点
Ａを中心として傾く、つまり２つのビームが傾いても、
マスクと感光基板とのアライメント精度が低下すること
はない。
尚、ここでは点Ａを中心としたアライメント系の傾き
のみについて考えたが、その光学系の一部のピッチ方向
への平行移動についてはレチクルマーク、ウエハマーク
の各々に入射する２つのビームが共に同じ量だけシフト
するだけなので、マスクと感光基板との相対的な位置ず
れ量を検出する限りアライメント誤差とはならない。従
って、点Ａ以外の点を中心として傾く場合であっても、
最終的には点Ａを中心とした傾きに平行移動を組み合わ
せことに帰着されるので、本発明の構成をとれば、任意
の点での回転、平行移動はアライメント誤差とならな
い。このため、点Ａを中心とする傾きのみを考えるだけ
で十分であることが分かる。
〔実 施 例〕
第１図は本発明の第１の実施例による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平
面図であって、半導体素子のチップサイズに応じたレチ
クルマークの位置変更に対応してアライメント系が移動
可能に構成されている。
第１図において、超高圧水銀ランプ、エキシマレーザ
装置等の照明光源１は、ｇ線、ｉ線或いはKrFエキシマ
レーザ光等のレジスト層を感光させる波長域の露光用照
明光ILを発生し、露光光ILはオプチカルインテグレータ
（フライアイレンズ）を含む照明光学系２に入射する。
照明光学系２により光束の一様化、スペックルの低減化
等が行われた露光光ILは、ミラー３、メインコンデンサ
ーレンズ４を介してダイクロイックミラー５に至る。ダ
イクロイックミラー５はメインコンデンサーレンズ４か
らの露光光ILを垂直に下方に反射させ、レチクルＲを均
一な照度で照明する。ここで、ダイクロイックミラー５
はレチクルＲの上方に45゜で斜設され、露光光ILの波長
に対しては90％以上の反射率を有し、アライメント用照
明光の波長（通常、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ものである。
レチクルＲにはパターン領域PAを囲む一定幅の遮光帯
（クロム層）LSBの中にアライメント用の透明窓RW1,RW3
が形成され、さらにその外側（レチクル周辺側）にはレ
チクルＲの位置決めを行うためのレチクルアライメント
マークRX1,RX2（RX2のみ図示）が形成されている。レチ
クルＲはレチクルステージRS上に載置され、パターン領
域PAの中心点が光軸AXと一致するように位置決めが行わ
れる。レチクルステージRSは駆動モータ６により水平面
内で２次元移動可能に構成され、その端部にはレーザ光
波干渉式測長器（以下、干渉計とする）７からのレーザ
ビームを反射する移動鏡7mが固定されている。干渉計７
はレチクルＲの２次元的な位置を、例えば0.01μｍ程度
の分解能で常時検出する。レチクルＲの初期設定は、レ
チクル周辺のアライメントマークRX2を光電検出するレ
チクルアライメント系29からのマーク検出信号に基づい
て、レチクルステージRSを微動することにより行われ
る。
さて、パターン領域PAを通過した露光光ILは、両側テ
レセントリックな投影レンズPLに入射し、投影レンズPL
はレチクルＲの回路パターンの投影像を、表面にレジス
ト層が形成されたウエハＷ上の１つのショット領域に重
ね合わせて投影（結像）する。ウエハＷにはショット領
域と一定の位置関係で近傍の位置にウエハマークWM
1（第２の回折格子）が形成される。投影レンズPLは露
光光ILの波長（ｇ線、ｉ線、KrFエキシマレーザ等）に
関して良好に色収差補正され、その露光波長のもとでレ
チクルＲとウエハＷとは互いに共役になるように配置さ
れる。また、ウエハＷは駆動モータ８によりステップ・
アンド・リピート方式で２次元移動するウエハステージ
WSに載置され、ウエハＷ上の１つのショット領域に対す
るレチクルＲ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。ウエハステージWSの２次元
的な位置は干渉計９によって、例えば0.01μｍ程度の分
解能で検出され、ウエハステージWSの端部には干渉計９
からのレーザビームを反射する移動鏡9mが固定されてい
る。
第２図は第２層目以降の重ね合わせ露光に使用される
レチクルＲのパターン形状及び配置の一例を示すもの
で、パターン領域PAを囲む遮光帯LSBの中に透明窓RW1〜
RW4がパターン領域PAに近接して形成され、さらにその
外側にはレチクルアライメントマークRX1、RX2、RY1が
形成されている。レチクルアライメントマークRX1、R
X2、RY1はパターン領域PAの大きさが変わっても常に一
定の位置に設けられ、且つ露光光ILの照射領域IAの外側
に位置するように配置される。一方、透明窓RW1、RW3は
レチクル中心RCを通りＹ軸と平行な軸上で互いに対向し
て設けられ、透明窓RW2、RW4は中心RCを通りＸ軸と平行
な線上で互いに対向して設けられる。また、遮光帯LSB
の幅をウエハ上のストリートラインの幅の1/M倍（投影
レンズPLの投影倍率をＭとする）以上の値に設定し、照
射領域IAはパターン領域PAと透明窓RW1〜RW4とを含む範
囲の大きさ、即ちウエハ上で１つのショット領域とその
周囲４辺のストリートラインとをカバーする大きさに設
定される。
第３図はレチクルＲの透明窓RW1の具体的な構成の一
例を示すもので、透明窓RW1は矩形状の透明部RS1とマー
ク領域MA1、MA2とで構成される。透明部RS1はアライメ
ント用のビームLB1P、LB2Pを通過させると共に、ビーム
LB1P、LB2PのウエハマークWM1での所定次数の回折光
（干渉光BTLW）を通過させる（詳細後述）。マーク領域
MA1、MA2は所定の間隔ΔDRだけ離れて設けられ、各領域
内には回折格子状のレチクルマークRM1、RM2（第１の回
折格子であって、デューティは1:1）が共にピッチPRで
形成されている。
また、透明部RS1には遮光部LS1（クロム層）が形成さ
れ、露光時にはこの遮光部LS1がウエハマークWM1を保護
する。具体的には、パターン領域PAの投影像と露光すべ
きウエハＷ上のショット領域とを正確に重ね合わせた
時、露光光ILの波長のもとで遮光部LS1とウエハマークW
M1とが結像関係（第１図中の点線）となるように、アラ
イメント用照明光として露光光ILと異なる波長域、例え
ばレジストの感光感度がほとんどない波長530nm以上の
単波長のレーザビームを用い、透明部RS1やウエハマー
クWM1の大きさ等に応じて投影レンズPLの倍率色収差量
Δβ（ここではレチクルＲ上での値）をある値以上に適
当に定めれば良い。この際、露光光ILの波長のもとで透
明部RS1の投影像は、ウエハマークWM1からショット領域
へ倍率色収差量に対応した値（Δβ・Ｍ）だけずれた位
置に結像されることになる。
第４図はウエハ上に形成された複数のショット領域
（例えば第１層目）のうちの１つの領域SAを示し、１つ
のショット領域SAの周囲４辺には通常50〜100μｍ程度
の幅のストリートラインSTLが形成される。ストリート
ランインSTLはウエハ上のチップを切り出す際の切りし
ろであって、ここに回路パターンの一部がはみ出して形
成されることはない。そこで、ショット領域SAの第１層
目の形成の際に、ストリートラインSTL内でショット中
心SCを通るＹ軸と平行な線上に互いに対向してウエハマ
ークWM1、WM3を形成し、中心SCを通りＸ軸と平行な線上
に互いに対向してウエハマークWM2、WM4を形成してお
く。ウエハマークWM1、WM3はＸ方向の位置検出に使わ
れ、ウエハマークWM2、WM4はＹ方向の位置検出に使われ
る。尚、ウエハマークWM1〜WM4は先に述べた倍率色収差
のために、ショット領域SAとの間に透明板RS1〜RS4（本
実施例ではRS1のみ図示）の投影像RS1′〜RS4′が入り
込むように設けられる。
ここで、第１図ではウエハマークWM1と透明窓RW1を検
出するアライメント系のみ示したが、実際にはウエハマ
ークWM1〜WM4の各々に対応して４組のアライメント系が
配置され、さらにレチクルアライメントマークRX1、R
X2、RY1の各々に対応して３組のレチクルアライメント
系が配置されている。尚、第１図においてアライメント
系の一部（ミラー21、対物レンズ22）を水平方向に移動
させれば、レチクルアライメントマーク（第２図中に示
したRX1）を容易に検出できるが、レチクルＲは装置に
対して精密にアライメントする必要があるので、本実施
例では専用のレチクルアライメント系を同定配置した。
次に、第５図、第６図を併用して本実施例のTTR方式
のアライメント系について詳述する。第５図はアライメ
ント系の具体的な構成を示す斜視図、第６図はアライメ
ント系の主要部をさらに詳細に説明したもので、第６図
では第１図のダイクロイックミラー５、ミラー21、及び
第５図のミラー44、47を省略してある。
第５図に示すように、レーザ光源18は直線偏光のアラ
イメント用照明光LBを発生し、照明光LBは1/2波長板30
を介して偏光軸を入射面に対して約45゜回転させられて
偏光ビームスプリッター31に至り、ここでほぼ同一光量
となるようにｐ偏光ビームLBpとｓ偏光ビームLBsとに分
割される。照明光LBは露光光ILの波長域と異なる波長域
のレーザビームであって、例えばレジスト層に対してほ
とんど感度を持たない波長633nmのHe−Neレーザとす
る。
偏光ビームスプリッター（PBS）31を通過したｐ偏光
ビームLBpは、ミラー32を介して周波数シフターとして
の第１音響光学変調器33（以下、単にAOM33と呼ぶ）に
入射すると共に、PBS31で反射されたｓ偏光ビームLBsは
第２音響光学変調器34（以下、単にAOM34と呼ぶ）に入
射する。AOM33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。また、AOM34は周波数f1で
あるビームLB1との下周波数がΔｆとなるように周波数f
2（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、AOM33、34から射出したビームのうち＋１次
光以外の射出ビームD0は、適当な位置に配置されたスリ
ット35、36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46、5
0、56の応答性により適宜定められる。本実施例ではAOM
33、34のドライブ周波数f1、f2を、例えば80.000MHz、7
9.975MHzとし、その周波数差Δｆを25KHzと低く設定す
るため、２つのAOM33、34での１次回折光の回折角は共
に等しくなる。尚、ビームLBp、LBs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良い。
AOM33により周波数f1に変調されて射出したｐ偏向ビ
ームLB1は、レンズ40を介して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）41に入射し、AOM34により周波数f2に変調されて
射出したｓ偏光ビームLB2は、1/2波長板37の作用により
ｐ偏光に変換され、ミラー38、レンズ39を介してHBS41
に入射する。図示していないが、HBS41は接合面の半分
に全反射ミラーを蒸着したもので、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L
B1は接合面の透明部をそのまま透過する。HBS41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ｐ偏光ビーム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AXaを挟んで対称的に位置するようになる。尚、1/2波
長板30から符号順にHBS41までが第１図における２光束
周波数シフター11を構成する。
さて、HBS41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、
1/2波長板42の作用により偏光方向が約45゜回転させら
れ、さらにレンズ40,39によりアライメント系の瞳面E
p′（ビームウエスト位置で、入射瞳Epとほぼ共役な
面）、若しくはその近傍で一度スポット状に集光した後
（第６図）、偏光ビームスプリッター（PBS）12に達す
る。PBS12において、ビームLB1は周波数f1のｐ偏光ビー
ムLB1Pとｓ偏光ビームLB1sとに分割され、ビームLB2は
周波数f2のｐ偏光ビームLB2pとｓ偏光ビームLB2sとに分
割される。
第６図にも示すように、PBS12で反射される２本のｓ
偏光ビームLB1s（周波数f1）とLB2s（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）43、
ミラー44、レンズ系43の後側焦点面に配置される参照用
回折格子45、及び光電検出器46で構成された参照信号作
成部13（第１図）に入射する。２本のビームLB1s、LB2s
はレンズ系43を介してミラー44で反射され、装置上で固
定されている参照用回折格子45に対して異なる２方向か
ら平行光束となって所定の交差角で入射し結像（交差）
する。光電検出器46は２組の受光素子（若しくは２分割
受光素子）を有し、例えば参照用回折格子45を通過した
ビームLB1sの０次光と、これと同軸に進むビームLB2sの
＋１次回折光との干渉光、及びビームLB1sの−１次回折
光と、これと同軸に進むビームLB2s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LB1s,LB2s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、参照用回折格子
45の格子ピッチは、ビームLB1s,LB2sによって作られる
干渉縞のピッチと等しくなるように定められている。
尚、光電検出器46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、参照用解析格子45と光電検出器46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、PBS12を通過した２本のｐ偏光ビームLB1p（周
波数f1）とLB2p（同f2）とは、レンズ14によって所定角
度だけ傾いた平行光束となり、レンズ14の後側焦点面
（ウエハとほぼ共役な面）IP′に配置された視野絞り15
で一度交差した後、ビームスプリッター（NBS）16を介
してレンズ17から射出される。これより、第６図に示す
ようにビームLB1p、LB2pは、各主光線がアライメント系
の光軸AXaに対してほぼ平行になり、且つ瞳面Ep″（ビ
ームウエスト位置）で光軸AXaを挟んでほぼ点対称な２
点にスポットとして集光する結像光束となる。さらに、
ビームLB1p、LB2pはビームスプリッター（NBS）19、ミ
ラー21及びテレセントリックな対物レンズ22を介してダ
イクロイックミラー５に垂直方向から投射され、焦点面
25にて交差角２θＲ（後述のウエハ上での交差角２θＷ
により一義的に定まる）で一度交差した後、レチクルＲ
のパターン面では分離して透明窓RW1、即ちレチクルマ
ークRM1、RM2の各々を照射する。尚、焦点面25（対物レ
ンズ22の後側焦点面）はアライメント用照明光LBの波長
のもとでウエハ面とほぼ共役となり、この焦点面25とレ
チクルＲのパターン面との間隔が投影レンズPLの軸上色
収差量ΔＬに対応している。従って、レチクルマークRM
1、RM2の間隔ΔDR（第３図）は、ΔDR＝２・ΔＬ・tan
θＲと定められることになる。
ビームLB1p、LB2pはレチクルマークRM1、RM2を照射す
ると共に（第３図）、その一部は透明部RS1を通過して
投影レンズPLに入射し、入射瞳Epにおいて瞳中心（光軸
AX）に関してほぼ点対称となるように一度スポット状に
集光する。しかる後、ウエハマークWM1のピッチ方向に
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
光束となり、ウエハマークWM1上に異なる２方向から交
差角２θｗで入射し結像（交差）する。尚、ビームL
B1p、LB2pの交差角２θｗは、大きくても投影レンズPL
の射出（ウエハ）側の開口数（N.A.）を越えることはな
い。また、ウエハ共役面IP′に配置される視野絞り15
は、ウエハ上でのアライメント用照明光の形状（照射領
域）を任意に設定するもので、本実施例では矩形状の開
口を形成しているが、実際にはビームLB1p,LB2p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、入射瞳Epにおいて光軸AXを挟んでほぼ点対称
となるように形成されるビームLB1p,LB2pの各スポット
を結ぶ直線の方向と、ウエハマークWM1のピッチ方向と
はほぼ一致している。
さて、ビームLB1p、LB2pが交差角２θＷでウエハマー
クWM1に入射すると、ビームLB1p、LB2p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、ウエハマークWM1のピッチPwに対して1/N倍（Ｎは自
然数）のピッチPf（本実施例ではPf＝Pw/2と定める）
で、１次元の干渉縞が作られることになる。この干渉縞
はウエハマークWM1のピッチ方向（Ｘ方向）に、ビームL
B1p、LB2pの差周波数Δｆに対応して移動する（流れ
る）ことになり、その速度Ｖは、Ｖ＝Δｆ・Pfなる関係
式で表される。また、交差角２θＷはアライメント用照
明光LBの波長をλとすると、以下の（５）式を満足する
ように定められている。
この結果、ウエハマークWM1から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になる±
１次回折光が発生し、これら回折光は同軸に合成されて
入射瞳Epの中心を通るように光軸AX上に沿って逆進す
る。この２つの回折光は同一偏光成分（ｐ偏光成分）な
ので互いに干渉し、光ビート（干渉光）BTLwとなって、
投影レンズPL、レチクルＲの透明窓RW1、ダイクロイッ
クミラー５、対物レンズ22、及びミラー21を介してNBS1
9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51、52、空間フィルター53、ミラー54、集光
レンズ55、及び光電検出器56で構成された第１計測信号
作成部20（第１図）に入射する。
第１図計測信号作成部20において、ウエハマークWM1
からの干渉光BTLwはアフォーカル拡大リレー系51、52を
通り、入射瞳Epとほぼ共役に配置される空間フィルター
53に達する。ここでビームLB1p、LB2pの主光線と全く同
軸に戻る反射光のうちの０次光Lo、及びレチクルマーク
RM1、RM2からの１次回折光RL1、RL2（詳細後述）がカッ
トされて、干渉光BTWwのみが抽出される。さらに、干渉
光BTLwはミラー54、集光レンズ55を介して光電検出器56
に受光される。光電検出器56は干渉光BTLwに対応した光
電信号を作り、この光電信号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、即ち周波数差Δｆのビー
ト周波数をもつ光ビーム信号SDwとなって位相検出系27
に出力される。尚、空間フィルター53のすぐ後ろに光電
検出器56を配置すれば、当然ながら集光レンズ55を設け
る必要がなくなる。
ここで、第１計測信号作成部20において±１、次回折
光（干渉光）BTLw以外に、先に述べたビームLB1p、LB2p
の主光線と全く同軸に戻るビームLB1pの０次光とビーム
LB2pの＋２次回折光との干渉光、及びビームLB1pの−２
次回折光とビームLB2pの０次光との干渉光は、それぞれ
独立に入射瞳Epとほぼ共役な面（空間フィルター53の表
面）で光電検出器にて受光しても良い。この場合、これ
ら２つの干渉光の強度に応じた正弦波状の光電信号を不
図示のアンプによって加算し、この結果得られる光電信
号（光ビート信号）を位相検出系27に出力する。そし
て、この光ビート信号を先の干渉光BTLwの光ビート信号
SDwの代わりに用いる、若しくはこの光ビート信号と上
記光ビート信号SDwとを、例えばその信号振幅等に応じ
て使い分けるようにしても構わない。この際、アフォー
カル拡大リレー系51,52間のウエハＷとほぼ共役な位置
に視野絞りを配置し、レチクルマークRM1、RM2からの１
次回折光RL1、RL2をカットして上記２つの干渉光のみを
抽出する必要がある。
一方、ビームLB1p、LB2pが照射されるレチクルマーク
RM1、RM2の格子ピッチPR（第３図）は、焦点面25でのビ
ームLB1p、LB2pの交差角２θＲに応じて、以下のように
定められている。但し、Ｍは投影レンズPLの投影倍率で
ある。
従って、レチクルマークRM1から初設する１次回折光R
L1（周波数f1）とレチクルマークRM2から発生する１次
回折光RL2（同f2）とが、ビームLB1p、LB2pの各主光線
と全く同軸に、ダイクロイックミラー５、対物レンズ2
2、ミラー21、NBS19及びレンズ17を介してNBS16のとこ
ろまで戻り、ここで反射されてミラー47、透過型の基準
格子板48（本発明の第３の回折格子）、空間フィルター
49及び光電検出器50で構成された第２計測信号作成部18
（第１図）に入射する。基準格子板48はレンズ17の後側
焦点面（ウエハ共役面）に配置されるので、１次回折光
RL1、RL2はミラー47を介して基準格子板48に異なる２方
向から平行光束となって所定の交差角で入射し結像（交
差）することになる。これより、基準格子板48上にはそ
の周波数差Δｆに対応して格子ピッチ方向に流れる１次
元の干渉縞が作られることになる。
ここで、本実施例では説明を簡単にするため、焦点面
25と基準格子板48との間の倍率を等倍（１倍）とし、基
準格子板48の格子ピッチPGRをPGR＝2PRに設定しておく
ものとする。また、ウエハマークWM1から発生する０次
光LoもビームLB1p、LB2pの主光線と全く同軸に戻り、１
次回折光RL1、RL2と共に基準格子板48を異なる２方向か
ら照射し得る。しかしながら、基準格子板48の表面（ウ
エハ共役面）では、ウエハ面上のマークWM1で反射した
０次光Loと１次回折光RL1、RL2（干渉縞）とが像面内で
空間的に分離するので、ここでは１次回折光RL1、RL2に
よる干渉縞の大きさ、位置に応じて基準格子板48をウエ
ハ共役面内に配置しておけば良い。
この結果、１次回折光RL1、RL2が基準格子板48に入射
すると、基準格子板48からは±１次回折光が同軸に発生
し、この干渉光BTLR（平行光束）は空間フィルター49を
介して光電検出器50に受光される。基準格子板48からの
０次光Lo′は空間フィルター49によって遮光される。光
電検出器50からの干渉光BTLRに対応した光電信号は、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
ート周波数の光ビート信号）SDRとなって位相検出系27
に出力される。
さて、第１図に示すように位相検出系27は、参照信号
作成部13で作られた参照信号としての光ビート信号SR
と、第１計測信号作成部20、第２計測信号作成部18で作
られた光ビート信号SDW、SDRの夫々との位相差を検出
し、２つの光ビート信号SDW、SDR間の相対位相差を求
め、この位相差情報を主制御系25へ出力する。主制御系
28は、位相検出系27の位相差情報に基づいてレチクルマ
ークRM1とウエハマークWM1との相対位置ずれを、格子ピ
ッチPWの±Pw/4の範囲内で高精度に算出する。さらに、
干渉系７、９の両方のインターフェイスを行なうサーボ
システム26、駆動モータ６、８、及び位相検出系27を統
括的に制御する。
ところで、第１図においてアライメント系のうちのミ
ラー21と対物レンズ22とは、駆動制御系23によって左右
方向に矢印Ａに沿って移動する保持金物24内に一体に固
定されている。この金物24の移動によって、対物レンズ
22の観察位置は、少なくともレチクルＲ上でその中心RC
を通る放射方向の線上を自由に変更することができる。
ここで、対物レンズ22の観察位置の移動に伴い、例えば
光電検出器56の受光面でウエハマークWM1からの干渉光B
TLwと０次光Loとがデフォーカスのために分離せず、一
部重畳し得る。そこで、本実施例では干渉光BTLwに０次
光Loが混入しないように、対物レンズ22（金物24）の移
動ストロークを設定してある。最も好ましい条件として
は、金物24が観察のための移動ストロークの中心に位置
した時、対物レンズ22の瞳面Ep″をビームウエスト位
置、即ち空間フィルター53と共役にすることである。こ
の状態の時、空間フィルター53の開口の丁度中心に干渉
光BTLwのビームウエストを通すように定めれば良い。
次に、本実施例による装置の動作を簡単に説明する。
第１図に示したステッパーでは、まずレチクルアライメ
ント系29によりレチクルＲのアライメントを行い、装置
に対してレチクルＲを所定精度で位置決めした後、レチ
クルステージRSに真空吸着する。そして、対物レンズ22
の光軸AXaが透明窓RWのほぼ中央にくるまで、レチクル
Ｒ上の透明窓RWの位置に応じて金物24（ミラー21、対物
レンズ22）を駆動制御系23により矢印Ａに沿って移動
し、アライメント系の観察位置を調整する。次に、レチ
クルＲとショット領域SAとをアライメントするにあたっ
て、まずウエハステージWSをステッピングさせてショッ
ト中心SCとレチクル中心RCとをほぼ一致させる。この場
合、ウエハＷのグローバルアライメントがオフアクシス
方式のウエハ顕微鏡（不図示）により正しく行なわれて
いるものとすると、中心SCとRCの位置ずれはウエハＷ上
で±１μｍ以下である。従って、ウエハＷ上の４ヶ所の
マークWM1〜WM4は、レチクルＲの窓RS1〜RS4の各々を通
して観察できる位置にくる、つまりビームLB1p、LB2pに
対して常にウエハマークWMが±PW/4以内に位置決めされ
ることになる。
次に、アライメント系によりレチクルＲ（透明窓R
W1）とウエハＷ（ウエハマークWM1）との位置合わせを
実行する。ビームLB1p,LB2pを透明窓RW1に照射すると、
レチクルマークRM1、RM2から発生する１次回折光RL1、R
L2が基準格子板48に入射し、光電検出器50は基準格子板
48からの干渉光BTLRを受光して光ビート信号SDRを位相
検出系27に出力する。これによって、位相検出系27は光
電検出器46からの参照信号としての光ビート信号SRに対
する位相差ΦＲを求めて記憶する。この際、レチクルＲ
のずれ量XRは次式から算出される。
一方、透明窓RW1（透明部RS1）を通過したビームL
B1p,LB2pはウエハマークWM1を照射し、光電検出器56は
ウエハマークWM1からの干渉光BTLWのみを抽出して受光
し、その光ビート信号SDWを位相検出系27に出力する。
位相検出系27は参照用の光ビート信号SRに対する位相差
ΦＷを求めて記憶する。この際、ウエハＷのずれ量XWは
次式から算出される。
さて、位相検出系27は先に求めた位相差ΦＲ、ΦＷを
主制御系28へ出力し、主制御系28はこの位相差情報に基
づいて、次式からレチクルＲとウエハＷとの相対的な位
置ずれ量ΔＸを算出する。但し、MALは投影レンズPLの
アライメント波長のもとでの投影倍率、ずれ量ΔＸはウ
エハＷ上での値である。
この結果、主制御系28はサーボシステム26を用いて上
記ずれ量ΔＸが一定値、若しくは零となるようにレチク
ルステージRS、又はウエハステージWSを微動させ、レチ
クルＲのパターン領域PAの投影像とショット領域SAとを
正確に一致させる。従って、本実施例では金物24の移動
に伴ってアライメント系全体が傾いてもアライメント誤
差は生じず、極めて高精度のアライメントが達成され
る。この際、ずれ量ΔＸが所定の許容範囲（例えば、±
0.06μｍ）以内に入った時点で、照明光学系２を介して
照明領域IA内に露光光ILが照射される。また、アライメ
ントにあたってはサーボシステム26を用いず、位相検出
系27により求められる２つの光ビート信号間の相対位相
差が零となるように、レチクルステージRS、又はウエハ
ステージWSをサーボ制御しても構わない。
尚、本実施例ではダイクロイックミラー５を設けてい
るため、露光動作中も透明窓RW1とウエハマークWM1との
ずれ量ΔＸを常時検出でき、そのずれ量ΔＸが許容範囲
内にあるようにレチクルステージRS、又はウエハステー
ジWSをフィードバック制御することが可能であり、露光
動作中に生じ得る不要な振動による像ぶれがなくなると
いった利点がある。また、第２計測信号作成部18におい
て１次回折光RL1,RL2によって作られる干渉縞のピッチ
と基準格子板48の格子ピッチとを等しくなるように定
め、参照信号作成部13と同様の方式で光ビート信号SDR
を得るようにしても良い。
ここで、第７図を参照して本実施例のアライメント系
の変形例について説明する。第７図はアライメント系の
主要部のみを詳細に説明したもので、上記実施例（第６
図）と同じ機能、作用の部材には同一の符号を付してあ
る。尚、レーザ光源10からレンズ17までは先の実施例と
全く同一構成であるので、ここでは説明を省略する。第
７図において、ｐ偏光ビームLB1p、LB2pは視野絞り15、
レンズ17を介してほぼ100％の光量が偏光ビームスプリ
ッター（PBS）66を通過した後、1/4波長板60を介して対
物レンズ22に入射する。1/4波長板60により円偏光とな
った２本のビームLB1p、LB2pは焦点面25で一度交差した
後、レチクルマークRM1、RM2を照射すると共に、その一
部は透明部RS1、投影レンズPLを通ってウエハマークWM1
を照射する。
さて、ウエハマークWM1から発生する干渉光BTLW、レ
チクルマークRM1、RM2の各々から発生する１次回折光PL
1、PL2（共に円偏光）は対物レンズ22を介して1/4波長
板60に達し、ここでｓ偏光となった後、PBS66でほぼ100
％の光量が反射され、アフォーカル拡大リレー系51、52
を通って空間フィルター61に至る。空間フィルター61
（正確には開口部61a）は入射瞳Epとほぼ共役に配置さ
れており、ここで干渉光BTLWのみが抽出され、ミラー5
4、集光レンズ55を介して光電検出器56に受光される。
一方、ビームLB1p、LB2pの主光線と全く同軸に戻るウ
エハマークWM1からの反射光のうちの０次光Loと、レチ
クルマークRM1、RM2からの１次回折光RL1、RL2とは共
に、空間フィルター61で反射され、レンズ62を介して視
野絞り63に入射する。視野絞り63はレンズ62の後側焦点
面（ウエハ共役面）内に配置され、１次回折光RL1、RL2
（干渉縞）の大きさ、位置に対応した開口部を有してお
り、ここで１次回折光RL1、RL2のみが抽出される。さら
に、１次回折光RL1、RL2はリレー系64,65により平行光
束となって基準格子板48に照射され、光電検出器50は空
間フィルター49を介して基準格子板48からの干渉光BTLR
のみを受光する。以上、上記構成の装置ではPBS66と1/4
波長板60とを用いるので、ビームLB1p、LB2pの光量ロス
が少なくなるといった利点がある。また、ここでは１次
回折光RL1、RL2のみを抽出するため、視野絞り63とリレ
ー系64,65とを設けたが、上述の如く基準格子板48を視
野絞り63の位置（ウエハ共役面）に直接配置しても良
く、この場合には受光系のコンパクト化が可能となる。
次に、第８図〜第10を参照して本発明の第２の実施例
について説明する。本実施例ではプロキシミティ方式の
露光装置（例えばＸ線露光装置）に好適なアライメント
系に本発明を適用した場合について述べる。第８図は本
実施例によるアライメント系の主要部の具体的な構成を
示すもので、放射光源（不図示）からの露光ビームによ
りマスクMsのパターンは所定間隔（プロキシミティ・ギ
ャップ）Gpだけ離れたウエハＷ上に転写される。このギ
ャップGpが第１実施例における投影レンズPLのブームLB
の波長での軸上色収差量ΔＬに相当する。ここで、第８
図に示すアライメント系は第１実施例と全く同一構成
（アフォーカル拡大リレー系51,52がない点を除いて）
であり、ここでは第６図で示した焦点面25にマスクMsを
配置している。従って、本実施例ではマスクMsの下面
（パターン面）で２本のビームLB1p、LB2pが交差（結
像）し、ウエハＷ上にはビームLB1p、LB2pが分離して照
射されることになるが、レチクルマーク（第１の回折格
子）とウエハマーク（第２の回折格子）との役割が入れ
替わっただけで本質的には第１実施例と同じである。
尚、プロキシミティ・ギャップGp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10〜500μｍの間に定められる。
第８図において、対物レンズ22により２本のビームLB
1p、LB2pは、格子マークMRに異なる２方向から交差角２
θＭで入射し結像（交差）する。第９図に示すようにマ
スクMsには、遮光帯LSBの中に透明MW1とピッチPMの格子
マークMRが形成される領域（透明部）MW2とが形成され
ている。さらに、マスクMsに照射されるビームLB1p、LB
2pの一部は透明部MW1を通り、第10図に示すようにウエ
ハＷ上では分離して格子マークWMa、WMb（共に格子ピッ
チPWG）の各々を照射する。ここで、格子マークWMa、WM
bはストリートラインSTL内でΔDWだけ離れて形成され
る。また、格子マークMRのピッチPM、格子マークWMa、W
MbのピッチPWG、及び間隔ΔDWは、それぞれ次式のよう
に定められる。
ΔDW＝2Gp・tanθＭ ……（12） この結果、格子マークMRからの±１次回折光は同軸に
合成され、光ビート（干渉光）BTLRとなって光軸AXb上
に沿って逆進し、対物レンズ22、NBS19を介して瞳位
置、又はその共役面にある空間フィルター53に達する。
ここで干渉光BTLRのみが抽出され、光電検出器56は干渉
光BTLRに対応した周波数差Δｆのビート周波数をもつ光
ビート信号SDRを出力する。
一方、格子マークWMa、WMbからの１次回折光WL1、WL2
は、ビームLB1p、LB2pの各主光線と全く同軸に、対物レ
ンズ22、NBS19及びレンズ17を介してNBS16のところまで
戻り、ここで反射されて基準格子板48を異なる２方向か
ら照射する。基準格子板48は１次回折光WL1、WL2（干渉
縞）の大きさ、位置に応じてレンズ17の後側焦点面内に
配置され、ここではマスクMsとほぼ共役となっている。
従って、１次回折光WL1、WL2のみが基準格子板48を照射
することになり、光電検出器50は空間フィルター49を介
して基準格子板48からの干渉光BTLWのみを受光し、干渉
光BTLWに対応した周波数差Δｆのビート周波数をもつ光
ビート信号SDWが出力される。
さて、位相検出系27は参照用の光ビート信号SRと、光
ビート信号SDR、SDWの各々との位相差ΦＲ′、ΦＷ′を
求めて記憶する。この際、マスクMSのずれ量ΔXR′とウ
エハＷのずれ量ΔXW′とは、先の第１実施例で示した
（７）、（８）式と同等の関係式から求められる。主制
御系28は位相検出系27からの位相差情報（ΦＲ′、
ΦＷ′）に基づいて、次式からマスクMsからウエハＷと
の相対的な位置ずれ量ΔＸ′を算出する。
しかる後、上記ずれ量ΔＸ′が一定値、若しくは零と
なるようにマスクMsとウエハＷとを相対的に微動させ、
レチクルＲのパターン領域PAの投影像とショット領域SA
とを正確に一致させる。従って、プロキシミティ方式の
露光装置であっても、アライメント系の傾斜によるアラ
イメント誤差は生じず、極めて高精度のアライメントが
達成される。
以上の通り本発明の第１実施例では２本のビームL
B1p、LB2pをウエハＷ上で交差（結像）させ、第２実施
例ではマスクMs（レチクル）上で交差させていたが、第
１実施例においてはビームLB1p、LB2pをレチクルＲ上で
交差させ、ウエハＷ上では分離するように照射し、第２
実施例においてはビームLB1p、LB2pをマスクMs上で分離
し、ウエハＷ上で交差させるように照射しても良い。ま
た、第１実施例においては１次回折光RL1、RL2がビーム
LB1p、LB2pの各主光線と同軸に戻るように格子ピッチPR
を定めていたが、ビームLB1p、LB2pの各主光線と同軸に
戻る回折光であれば１次回折光以外であっても使用して
構わない。例えば、レチクルマークRM1、RM2の格子ピッ
チPRを、上記（６）式にて示した値の２倍に設定する、
即ちPR＝λ/sinθＲとし、レチクルマークRM1、RM2のデ
ューティ比を変えると、ビームLB1p、LB2pの各主光線と
同軸に２次回折光が発生するので、この２次回折光を使
って光ビート信号SDRを得るようにしても良い。第２実
施例についても同様に１次回折光以外を使っても構わな
いことは言うまでもない。要は所定次数の回折光が第１
実施例であっては焦点面25（ウエハ共役面）、第２実施
例であってはレチクルＲのパターン面で交差すれば良
い。
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、さらには２本のビームの偏
光成分を異ならせて格子マーク上では干渉縞を作らず、
格子マークから戻ってくる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
出する方式に対しても有効であることは言うまでもな
い。
さらに、第１の実施例ではレチクルＲ及びウエハＷに
対して同一のビームLB1p、LB2pを照射していたが、レチ
クルＲ、ウエハＷの各々に照射する２本のビームを異な
らせても良く、先の基準格子板48（第３の回折格子）を
レチクルＲとウエハＷとでそれぞれ独立に設ければ、レ
チクルＲ、ウエハＷの各々に入射する２本のビームの交
差角２θＲ、２θＷを独立に設定することが可能とな
る。但し、この場合でもレチクルＲに入射する２本のビ
ームのレチクルアームRM1、RM2での各回折光が上記焦点
面25内で交差するように設定すると共に、レチクルマー
クRM1、RM2の格子ピッチPRも、各回折光が２本のビーム
の主光線と同軸に戻るように設定しておく必要がある。
このようにレチクルＲとウエハＷとの各々での２本のビ
ームの交差角２θＲ、２θＷを独立に設定すれば、特に
投影レンズPLの倍率色収差がある場合に有効である。即
ち、レチクルＲの透明窓RWの位置変更に対応してアライ
メント系（金物24）の位置を変える場合、ウエハＷに照
射される２本のビームは倍率が変化するので、その倍率
変化に応じて２本のビームの交差角２θＷも変化させな
ければならないが、レチクルＲとウエハＷの各々での２
本のビームの交差角２θＲ、２θＷを独立に設定可能と
しておけば、ウエハ側での交差角２θＷを変化させて
も、レチクル側での交差角２θＲは一定にしておくこと
ができるからである。
〔発明の効果〕
本発明によれば、投影光学系の色収差によりマスクと
感光基板の共役面（若しくはマスクの共役面と感光基
板）とが離れている場合、或いはプロキシミティ方式の
露光装置のようにマスクと感光基板との間にギャップが
ある場合であっても、振動等によるアライメント系（即
ち、アライメント用の２つのビーム）の傾きによって発
生し得るアライメント誤差を最小限（ほぼ零）に抑える
ことができ、高精度のTTL方式のアライメントが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例による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平面
図、第２図は第２層目以降の重ね合わせ露光に使用され
るレチクルのパターン形状及び配置の一例を示す図、第
３図はアライメント用の透明窓の具体的な構成を示す
図、第４図は感光基板上に予め形成された複数のショッ
ト領域（第１層目）のうちの１つの領域を示す図、第５
図は第１図中のアライメント系の具体的な構成を示す斜
視図、第６図は第１の実施例によるアライメント系の主
要部をさらに詳細に説明した図、第７図は第１の実施例
によるアライメント系の主要部の変形例の説明に供する
図、第８図はプロキシミティ方式の露光装置に好適な本
発明の第２の実施例によるアラインメント系の主要部を
詳細に説明した図、第９図はマスクに形成されるアライ
メント用の透明窓の具体的な構成を示す図、第10図は感
光基板上に形成されたアラインメント用マークの様子を
説明する図、第11図は本発明の原理説明に供する図、第
12図は従来の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、第13図、第14図は従
来装置の問題点の説明に供する図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ５……ダイクロイックミラー、7,9……干渉計、10〜22
……アライメント系、26……サーボシステム、27……位
相検出系、28……主制御系、48……基準格子板（第３の
回折格子）、IL……露光用照明光、Ｒ……レチクル、PA
……パターン領域、RS……レチクルステージ、RW1〜RW4
……アライメント用の透明窓、RM1、RM2……レチクルマ
ーク（第１の回折格子）、PL……投影レンズ、Ep……入
射瞳、AX……光軸、Ｗ……ウエハ、WS……ウエハステー
ジ、SA……ショット領域、STL……ストリートライン、W
M1〜WM4……ウエハマーク（第２の回折格子）。

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定の波長城の照明光でマスクに形成され
    たパターンを投影光学系を介して感光基板上に結像投影
    する装置に設けられ、前記マスクに形成された第１の回
    折マークと前記感光基板に形成された第２の回折マーク
    とを光学的に検出することにより前記マスクと感光基板
    とを位置合わせする装置において、 前記照明光と異なる波長域のコヒーレントな２つのビー
    ムを前記第１の回折マークと第２の回折マークの各々に
    照射するとともに、前記第１の回折マーク又は第２の回
    折マークの一方において前記２つのビームを所定角度で
    交差させる照射手段と； 前記２つのビームが交差して照射される前記一方の回折
    マークからの光を光電検出する第１受光手段と； 前記一方の回折マークとほぼ共役な面内に配置された第
    ３の回折マークと； 前記第１の回折マーク又は第２の回折マークの他方から
    発生した前記の２つのビームの各回折光を前記第３の回
    折マークに所定の交差角で照射し、前記第３の回折マー
    クから発生した回折光の干渉光を光電検出する第２受光
    手段と； 前記第１受光手段と前記第２受光手段の各々からの信号
    に基づいて、前記マスクと前記感光基板との相対位置ず
    れを検出する検出手段とを有することを特徴とする露光
    装置の位置合わせ装置。
  2. 【請求項２】前記第１受光手段は、前記一方の回折マー
    クからほぼ同一方向に発生した回折光同志の干渉光を光
    電検出することを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記マスクは、前記２つのビームを前記第
    ２の回折マークに照射するための透過領域を有すること
    を特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】前記一方の回折マークは前記第２の回折マ
    ークであり、前記照射手段は、前記透明領域と前記投影
    光学系とを通過した前記２つのビームが前記第２の回折
    マーク上で交差するように前記第１の回折マークに対し
    て前記２つのビームを分離して照射することを特徴とす
    る請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】前記マスク側で前記２つのビームが交差す
    る角度を２θＲ、その波長をλ、前記第１の回折マーク
    から発生する回折光の次数をＮ次とすると、前記第１の
    回折マークのピッチPRを、 とすることを特徴とする請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】前記照射手段は、前記２つのビームに所定
    の周波数差を与える周波数シフタを有することを特徴と
    する請求項１記載の装置。
  7. 【請求項７】マスクに形成されたパターンを、該マスク
    と所定間隔あけて対向した配置される感光基板上に露光
    する装置に設けられ、前記マスクに形成された第１の回
    折マークと前記感光基板に形成された第２の回折マーク
    とを光学的に検出することにより前記マスクと感光基板
    とを位置合わせする装置において、 前記第１の回折マーク又は第２の回折マークの一方に所
    定波長の２つのビームを所定の交差角で照射する照射手
    段と； 前記一方の回折マークからの光を受光する第１受光手段
    と； 前記一方の回折マークとほぼ共役な面内に配置された第
    ３の回折マークと； 該第３の回折マークに前記第１の回折マーク又は第２の
    回折マークの他方の回折マークでの各回折光を所定の交
    差角で照射し、該第３の回折マークから発生した回折光
    の干渉光を受光する第２受光手段と； 前記第１受光手段と前記第２受光手段の各々からの検出
    結果に基づいて、前記マスクと前記感光基板との相対位
    置ずれを検出する検出手段とを有することを特徴とする
    露光装置の位置合わせ装置。
  8. 【請求項８】所定の波長域の照明光でマスクに形成され
    たパターンを投影光学系を介して感光基板上に結像投影
    する装置に設けられ、前記マスクに形成された第１の回
    折マークと前記感光基板に形成された第２の回折マーク
    とを光学的に検出することにより前記マスクと感光基板
    とを位置合わせする装置において、 前記照明光と異なる波長域の２本の第１ビームを前記第
    １の回折マークに照射し、かつ前記照明光と異なる波長
    域の２本の第２ビームを前記第２の回折マークに照射す
    る照射手段と； 前記第１の回折マーク又は第２の回折マークの一方は、
    前記２本のビームが所定角度で交差するように照射さ
    れ、該一方の回折マークからの光を光電検出する第１受
    光手段と； 前記一方の回折マークとほぼ共役な面内に配置された第
    ３の回折マークと； 前記第１の回折マーク又は第２の回折マークの他方から
    発生した各回折光を前記第３の回折マークに所定の交差
    角で照射し、前記第３の回折マークから発生した回折光
    の干渉光を光電検出する第２受光手段と； 前記第１受光手段と前記第２受光手段の各々からの信号
    に基づいて、前記マスクと前記感光基板との相対位置ず
    れを検出する検出手段とを有することを特徴とする露光
    装置の位置合わせ装置。
  9. 【請求項９】所定の波長域の照明光でマスクに形成され
    たパターンを投影光学系を介して感光基板上に結像投影
    する露光装置において、 前記照明光と異なる波長域の２つのビームを、前記マス
    クに形成された第１マークと前記感光基板に形成された
    第２のマークの各々に照射するとともに、前記第１のマ
    ーク又は第２のマークの一方において前記２つのビーム
    を所定角度で交差させる照射手段と； 前記２つのビームが交差して照射される前記一方のマー
    クからの光を光電検出する第１受光手段と； 前記第１のマーク又は第２のマークの他方からの光を干
    渉させて合成する光束合成手段と； 前記合成された干渉光を光電検出する第２受光手段とを
    有し、 前記第１受光手段と前記第２受光手段の各々からの信号
    に基づいて、前記マスクと前記感光基板との相対位置ず
    れを補正することを特徴とする露光装置。
  10. 【請求項１０】所定の波長城の照明光でマスクに形成さ
    れたパターンを投影光学系を介して感光基板上に結像投
    影する装置に設けられ、前記マスクに形成された第１の
    回折マークと前記感光基板に形成された第２の回折マー
    クとを光学的に検出することにより前記マスクと感光基
    板とを位置合わせする装置において、 前記照明光と異なる波長域の２本の第１ビームを前記第
    １の回折マーク側において第１の交差角で照射し、かつ
    前記照明光と異なる波長域の２本の第２ビームを前記第
    ２の回折マーク側において第２の交差角で照射する照射
    手段と； 前記第１の交差角と前記第２の交差角とを独立に設定可
    能とする交差角調整手段とを有することを特徴とする位
    置合わせ装置。
  11. 【請求項１１】第１の回折マークを有する第１物体と第
    ２の回折マークを有する第２物体とを位置合わせする位
    置合わせ方法において、 前記第１物体又は前記第２物体の一方に２本のビームを
    所定の交差角で入射させること； 前記第１物体又は前記第２物体の他方に２本のビームを
    分離させて入射させること； 前記他方の物体からの光を合成して干渉光を得ること； 前記一方の物体からの光と前記干渉光とに基づいて、前
    記第１物体と前記第２物体との位置合わせを行うことを
    特徴とする位置合わせ方法。
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