JP2963722B2 - マスクパターンを基板上に投影する装置 - Google Patents

マスクパターンを基板上に投影する装置

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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、投影ビームを放射する照明光学系と、マス
クホルダと、投影レンズ系と、基本ホルダとを順次具え
ると共に、さらに基板アラインメントマークをマスクア
ラインメントマークに対して整列させるアラインメント
装置を具え、前記アラインメント装置が、アラインメン
トビームを放射する放射源と、前記投影レンズ系と、基
板アラインメントマーク及びマスクアラインメントマー
クにより相互作用を受けアラインメントビームの部分の
光路中にある放射感知検出系とを有し、前記検出系の出
力信号がアラインメントマークの相対位置の目安となる
マスクパターンを基板上に投影する装置に関するもので
ある。
（従来の技術） マスクアラインメントマークと基板アラインメントマ
ークとを互いに整列させることは、これらアラインメン
トマークを互いに直接的に又は間接的に整列させること
を意味するものと理解されるべきである。直接アライン
メントさせる場合、マスクアラインメントマーク又は基
板アラインメントマークを他方のマーク上に投影し、放
射感知検出系が他方のマークの後側に配置される。間接
アラインメントを行なう場合、基板アラインメントマー
ク及びマスクアラインメントマークを別のアラインメン
トマークの別の部分にそれぞれ投影し、放射感知検出系
を別のアラインメントマークの後側に配置し、基板アラ
インメントマークとマスクアラインメントマークとの間
の整列性は、別のアラインメントマークに対する基板ア
ラインメントマーク及びマスクアラインメントマークの
整列度を検出することにより決定される。
この形式の投影装置は、米国特許第4778275号明細書
に記載されている。この特許明細書に記載されている装
置は、例えば集積回路（IC）のパターンのようなマスク
パターンを繰り返し基板上に投影する装置に関するもの
である。マスクパターン及び基板は２個の順次の照明系
の間で例えば基板面及びマスク面内で相互に直交する方
向に移動するように構成されている。
集積回路は、拡散技術及びマスキング技術を利用して
製造される。そして、異なるマスクパターンを有する多
数のマスクが半導体基板の同一の位置に順次投影され
る。同一位置に順次投影する間に、基板に対して所望の
処理的及び化学的処理を施す必要がある。このため、基
板をマスクパターンで照明した後投影装置から基板を取
りはずし、必要な処理工程を経た後再び基板を投影装置
内の同一位置に配置して第２のマスクパターンで照明す
る必要がある。一方、第２マスクパターンの投影及び次
のマスクパターンの投影は基板に対して極めて正確に行
なう必要がある。
拡散技術及びマスキング技術は、μｍ程度の微細寸法
を有する他の構造物、例えば光集積回路、磁気ドメイン
メモリの検出パターンおよび液晶表示装置の製造にも用
いることができる。これら構造体の装置において、マス
クパターンは基板に対して極めて高精度に整列させる必
要がある。
基板の単位表面積当り多数の電子部品が形成され、こ
れら電子部品の寸法が極めて微小にされている関係上、
集積回路を製造する際の精度に極めて厳格な要件が課せ
られている。従って、順次のマスク投影される基板上の
位置は、一層高精度に位置決めする必要がある。
米国特許第4778275号明細書に記載されているマスク
パターンを基板上に投影する装置においては、数十分の
１μｍの範囲内で極めて高精度な位置決めを達成する必
要があるため、この投影装置はマスクパターンに対して
基板を位置決めする装置を具え、このアライメント装置
を用いて基板に設けたアラインメントマークをマスクに
設けたアラインメントマーク上に投影している。基板ア
ラインメントマークの投影がマスクアラインメントマー
クの高精度に一致している場合、基板はマスクパターン
に対して正確に整列されている。基板マークをマスクマ
ーク上に投影する主な素子は投影レンズ系すなわち結像
光学系で構成され、この投影レンズ系によりマスクパタ
ーンが基板上に投影される。基板上に形成される単位表
面積当りの電子部品の数を一層増大させる要求、つまり
電子部品の寸法を一層小さくする要求が極めて強いた
め、１μｍ以下例えば0.2〜0.3μｍ程度の微細部又は線
幅を繰り返し投影できる投影装置の開発が強く要請され
ている。すなわち、投影レンズ系の解像力を増大させる
必要がある。周知のように、この解像力はNA/λに比例
する。ここで、NAは投影レンズ系の開口数であり、λは
投影ビームの波長である。この開口数はすでに高くなっ
ており、例えば既知の投影レンズ系においてはNA＝0.48
が得られている。
別の重要な事項は、レンズ系の焦点深度であり、この
焦点深度はできるだけ大きくする必要があるが、開口数
を大きくしようとすることは焦点深度を深くしようとす
る要求に反してしまう。
0.2〜0.3μｍの細部を所望の焦点深度で投影する唯一
の可能性は、従来の投影ビームの波長より相当短い波長
の投影ビームを用いることである。短波長のビームを用
いてマススクパターンを基板上に投影するためには、水
晶から成るレンズ素子を用いる必要がある。しかし、水
晶は強い分散性があるため、用いる放射は極めて狭い波
長域を有する必要がある。従って、狭い波長域で大きな
パワーの光を放射する放射源を用いる必要がある。実際
に使用できる放射源はエキシマレーザであり、例えば24
8μｍの波長を有するクリプトンスッ化物レーザ、193μ
ｍの波長を有するアルゴンフッ化物レーザ、又は周波数
が４重で256μｍの波長を有するNd−YAGレーザがある。
米国特許第4778275号明細書に記載されているよう
に、アラインメントビームとして633nmの波長を有する
ヘリウム−ネオンビームが好適に用いられている。この
理由は、このビームが基板上に形成したフォトレジスト
に対していかなる変化も生じさせず、しかもフォトレジ
ストによって弱められることがないからである。投影レ
ンズ系は投影ビーム波長について最良の状態に設定さ
れ、基板上にマスクパターンを鮮明に投影することがで
きる。しかしながら、アラインメントビームの波長が相
異しているため、アラインメントビーム及び投影レンズ
系を用いて基板及びマスクパターンを互いに鮮明に投影
することができない。投影レンズ系によって形成される
基板アラインメントマークの投影像は対応するマスクア
ラインメントマークからずれて形成されてしまう。この
結果、放射感知検出系から取り出されたアラインメント
信号はアラインメントエラーを決定できないばかりでな
く、例えば基板の傾きによる影響を受け又はアラインメ
ントビームの不安定さによる影響を受けてしまう。基板
アラインメントマークをマスクアラインメントマークに
対してアラインメント信号が所望の値を有するように変
位されば、アラインメントエラーを存在させることがで
きる。
アラインメントビームが最適波長になくても基板アラ
インメントマークをマスクアラインメントマーク上に鮮
明に投影するため、米国特許第4778275号明細書には投
影レンズ系の後側のアラインメントビームの放射光路中
に付加的な補正素子を配置し、この補正素子により放射
光路を折り曲げ、アラインメントビーム用の光路長を拡
大することが提案されている。
投影レンズ系と補正素子とを結合することにより、基
板アラインメントマークをマスクアラインメントマーク
上に鮮明に投影することができる。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、実際にはこの補正方法は、投影ビーム
用の光路長とアラインメントビーム用光路長との差があ
まり大きくない場合しか用いることができない。この光
路差は、Δｎ×Δλで与えられる。ここで、Δλはアラ
インメントビームと投影ビームとの間の波長差であり、
Δｎはこれら２個の波長に対する投影レンズ系の屈折率
の実効差である。投影ビームとしてエキシマレーザ光を
用いアラインメントビームとしてヘリウム−ネオンレー
ザ光を用いる投影装置において、波長差Δλが大きいだ
けでなく、屈折率差Δｎも用いるレンズ材料である水晶
に対して極めて大きい。この屈折率差Δｎは、光学ガラ
スとして用いることができる別のレンズ材料を用いても
低減させることはできない。この場合、積Δλ・Δｎは
極めて大きく、例えば2mm程度の光路長差が生じてしま
う。たとえアラインメントビームが既知の補正素子で数
回折り曲げられても、この補正素子の大きさを適切に設
定して、投影装置が補正素子用の特別の空間を必要とし
ないように構成する必要がある。しかも、そのような大
きさの素子は、素子の傾きのような機械的な不安定性及
び温度変化に対して極めて敏感である。
光路長差を補正するため、特別なレンズを投影レンズ
系の後側の放射光路中に配置することもできる。しか
し、この特別なレンズは極めて大きなレンズ力を有する
必要があるため、同様に機械的及び熱的な不安定性に対
して極めて敏感になってしまう。
（発明の概要） 従って、本発明の目的は、マスクアラインメントマー
クに対して基板アラインメントマークを投影する際に、
特別な空間を必要とせず、簡単な構造で十分な安定性を
有する手段を用いてフォーカシング誤差を十分に補正で
きる装置を提供するものである。この目的を達成するた
め、本発明による投影装置は、前記アラインメントビー
ムの光路中であって投影レンズ系の内部に屈折性補正素
子を配置し、この補正素子の寸法を、この補正素子を含
む面における投影レンズ系の直径よりも相当小さくし、
この補正素子が、アラインメントビームの第１アライン
メントマークにより１次回折光として偏向されたサブビ
ームだけを第２アラインメントマーク上に偏向及び合焦
させるように構成したことを特徴とする。
第１のアラインメントマークは他のマーク上に投影さ
れるマークとする。直接アラインメントを行なう場合第
２のアラインメントマークはマスクアラインメントマー
ク又は基板アラインメントマークとし、間接アラインメ
ントの場合第２のマークは別のアラインメントマークと
する。
さらに、本発明による投影装置は、前記屈折性補正素
子を、投影レンズ系のフーリエ平面に配置したことを特
徴とする。
投影レンズ系は多数のレンズ素子を有する複合レンズ
系とし、これらレンズ素子は第１群及び第２群に配置さ
れるように構成できる。フーリエ面はレンズ素子のレン
ズ群間に存在する。第１のレンズ群は物体の（本例の場
合、アラインメントマーク）フーリエ面におけるいわゆ
るフーリエ変換を行ない、第２のレンズ群はこのフーリ
エ変換を文体の像に再変換する。物体によりアラインメ
ントビームから種々の次数の回折光が形成され、これら
回折光はフーリエ面に合焦し互いに分離される。
さらに、補正素子は、投影ビーム及び投影ビームによ
って形成されるマスク像にほとんど影響を及ぼさない程
度に小さくすると共にそのような影響を及ぼさない位置
に配置する。
補正素子を屈折性素子とすれば、この補正素子によっ
て補正素子を通過する光線の方向を支配でき、つまり光
線の集束点の位置が直接変位され、従って本発明の補正
素子は、従来用いられた放射光路を折り曲げるだけの補
正素子よりも一層有効なものとなる。さらに、屈折性補
正素子は第２のアラインメントマークから相当大きな距
離を以って配置することができるから、その有効性は相
当増大する。この補正レンズの光学性能は相当広い範囲
内において維持できるので、機械的及び熱的な不安定性
に対してほとんど影響を受けることがない。
この新規な補正素子の別の利点は、この補正素子が、
第１のアラインメントマークを結像する際１次回折光に
対して空間フィルタとして作用することである。その理
由は、この補正素子が、アラインメントビームのうち一
次回折されたビーム部分だけを第２のアラインメントマ
ークに向けて偏向するからである。この結果、放射光路
中に個別の１次のフィルタを配置することなく、既知の
利点が達成される。すなわち、第１のアラインメントマ
ークを第２のアラインメントマーク上に結像する際のコ
ントラストが増大する。この結果、第１のアラインメン
トマークに不規則な部分が生じても得られるアラインメ
ント信号にほとんど影響を及ぼさず、２個のマークを相
互に整列させる際の精度は、結像用のアラインメントビ
ームのうち零次サブビームを用いる場合に較べて２倍に
なる。
屈折性補正素子は種々の形状のものとすることがで
き、例えば二重光学楔で構成できる。
本発明による投影装置の好適実施例は、屈折性補正素
子をレンズとしたことを特徴とする。
このような補正レンズを用いれば、焦点位置を補正で
きるだけでなく、第１のアラインメントマークを結像す
る際の倍率も比較的広い範囲に亘って補正することがで
きる。
このようにして得た倍率誤差補正は、多くの場合にと
って十分なものとなる。
ある条件下において、残留倍率誤差を補正することを
望む場合、本発明による投影装置は、前記第１のアライ
ンメントマークを第２のアラインメントマーク上に結像
する際の倍率を補正するための特別なレンズを、第１ア
ラインメントマークと第２アラインメントマークとの間
であって投影レンズ系の外部のアラインメントビームの
放射光路中に配置したことを特徴とする。
最初、本発明は、投影ビームが遠紫外域の波長を有し
アラインメントビームとして赤のビームを用いる投影装
置において検討した。このような投影装置においては、
異なる回折次数のアラインメントビーム部分は十分に分
離され、１次回折ビーム部分だけが第２のアラインメン
トマークに入射する。しかしながら、本発明は、投影ビ
ームがより長い波長を有し、従って投影ビームとアライ
ンメントビームとの間の波長差が小さくアクロマティク
レンズすなわち色収差補正レンズを原理的に用いること
ができる例えば米国特許第4778275号明細書に記載され
ているような投影装置を用いても大きな利点を達成する
ことができる。上記米国特許明細書に記載されている投
影装置の補正素子は大きな容積を有しているため、厳格
な公差要件が課せられる。一方、上記補正素子は、厳格
な公差要件が課せられない本発明による一層小さな補正
素子で置換される。さらに、本発明による新規な補正素
子を用いれば、この補正素子によって倍率誤差が補正さ
れるので、倍率誤差の１次補正用の別のレンズが必要に
なる。
このレンズは微小な補正を行なうだけですむため、こ
の補正レンスはわずかなレンズ力を有するだけでよく、
従って米国特許第4778275号の投影装置に用いられてい
るレンズに課せられる要件よりも相当ゆるやかな要件が
課せられる。
さらに、本発明による投影装置は、前記特別なレンズ
を第１アラインメントマーク又は第２アラインメントマ
ークの近傍に配置したことを特徴とする。
特別なレンズすなわち倍率補正レンズを、物体すなわ
ち一方のアラインメントマークの近傍又は像すなわち他
方のアラインメントマークの近傍に配置することは極め
て効果的である。
本発明による投影装置の好適実施例は、特別なレンズ
を投影レンズ系とマスクアラインメントマークとの間に
配置したことを特徴とする。実際に、投影装置にいてマ
スクと投影レンズ系との間の有効な空間は、投影レンズ
系と基板との間の空間よりも一層大きいため、有益であ
る。
前述したように、屈折性補正素子により、いかなる場
合にも第１のアラインメントマークからの１次回折した
アラインメント放射を第２のアラインメントマークに入
射させる必要がある。
一方、投影ビームとアラインメントビームとの間の波
長差がより小さい場合並びにアクロマティックレンズ素
子を用いる場合、２次以上の高次の回折放射が第２のア
ラインメントマークに入射してしまう。この高次回折光
の入射を回避する投影装置の実施例は、前記投影レンズ
系の内部に絞りを配置し、この絞りが、第１アラインメ
ントマークから到来し２次以上の回折次数のサブビーム
を阻止するように構成したことを特徴とする。
この絞りは補正素子の近傍に、好ましくは補正素子面
に配置する。
上記型式の投影装置の第１実施例は、前記絞りを投影
ビーム及びアラインメントビームに対して透明な層で構
成し、この層がアラインメントビームの２次以上の回折
次数を有する部分が入射する位置にアラインメントビー
ムの放射を阻止する区域を有することを特徴とする。
アラインメントビームの３次及び５次回折放射をほぼ
阻止する区域の全表面積は、投影レンズ系の瞳の表面積
の５〜10％にすぎないから、これら放射阻止区域が投影
ビームに影響を及ぼすことはない。絞りを構成する層は
レンズと同一の材料で構成でき、放射阻止区域は例えば
放射吸収材料のパッドで形成できる。
補正素子面に絞りを有する投影装置の第２実施例は、
前記絞りを、投影ビームに対して透明でアラインメント
ビームに対して不透明なダイクロイック材料から成る層
で構成し、この層が、アラインメントビームのうち１次
回折ビーム部分が入射する位置にアラインメントビーム
に透明な区域を有することを特徴とする。
この絞りは投影ビームに対してほとんど障害物となら
ず、しかも２次以上の高次の回折放射を阻止するのに一
層有効になる利点がある。
投影レンズ系の内部、好ましくは補正素子面に絞りを
配置すれば、第２アラインメントマーク上に形成され検
出系によって観測される第１アラインメントマークの像
は、アラインメントビームの１次回折部分だけによって
形成することができる。
１次回折された放射だけによって第１アラインメント
マークを第２アラインメントマーク上に投影する装置の
第１実施例は、前記投影レンズ系と第１アラインメント
マークとの間に絞りを配置し、この絞りのアラインメン
トビームのうち第１のアラインメントマークにより１次
回折された部分が入射する区域を放射に対して透明にし
たことを特徴とする。
絞りを投影レンズ系の外部であって第１アラインメン
トマークの投影像の近傍に配置すると、アラインメント
ビームの高次回折放射、特に３次及び５次回折放射が絞
りの開口部を通過して検出系に入射するおそれがある。
この不具合を回避するため、本発明の投影装置は、前記
第１アラインメントマーク及び第２のアラインメントマ
ークによって１次回折されたアラインメントビーム部分
だけを放射感知検出系に向けて通過させる絞り系を、前
記第２アラインメントマークと放射感知系との間に配置
したことを特徴とする。
このような絞り系は、１次回折ビーム部分用の開口部
を有する絞り板とすることができ、或いは１次回折光だ
けを通過させる複数の光伝送パイプで構成することもで
きる。
前述した１次回折ビーム部分用の種々のフィルタ素子
を組み合わせることも可能である。
補正素子の直径は例えば、投影レンズ系の直径の1/10
以下とし、この補正素子を投影レンズ系の内部の投影ビ
ームの放射光路にほとんど影響を及ぼさない位置に配置
する。この結果、基板上のマスクパターンの像の品質を
良好に維持することができる。
このような事情を考慮し、本発明による投影装置は、
前記照明光学系が、投影レンズ系の内部の補正素子面に
おいて環状断面を有する投影ビームを放射することを特
徴とする。従って、投影ビームの補正素子の区域におけ
る環状断面の内径は補正素子の径よりも大きくする。
本発明による投影装置は、基板アラインメントマーク
及びマスクアラインメントマークを互いに投影すると共
にこれらマークを別のアラインメントマーク上にも投影
できる点において相異する別の実施例も含んでいる。
第１の主実施例は、前記第１のアラインメントマーク
をマスクアラインメントマークとし、第２のアラインメ
ントマークを基板アラインメントマークとし、マクスア
ラインメントマークにより１次回折された次に基板アラ
インメントマークにより１次回折されたアラインメント
サブビーム部分の光路中に反射体を配置し、前記反射体
がアラインメントサブビーム部分だけを検出系に向けて
反射するように構成したことを特徴とする。
第２の主実施例は、前記第２のアラインメントマーク
を、基板及びマスク以外の部分に位置する別のアライン
メントマークで構成し、マスクアラインメントマーク及
び基板アラインメントマークを第１のアラインメントマ
ークとし、これら両方のマークを前記別のマーク上に投
影することを特徴とする。
第３の主実施例は前記アラインメント装置の放射源
が、マスクアラインメントマーク面及び基板アラインメ
ントマーク面に干渉パターンを形成する２本の放射ビー
ムを放射し、前記第１のアラインメントマークを干渉パ
ターンの一部で構成し、前記第２のアラインメントマー
クを基板アラインメントマークで構成したことを特徴と
する。
この実施例において、干渉パターンの別の部分はマス
クアラインメントマーク上に投影され、マスクアライン
メントマークの基板アラインメントマークに対する整列
度は、干渉パターンに対するマスクアラインメントマー
ク及び基板アラインメントマークの両方の位置により決
定される。
本発明による投影装置の第４の主実施例は、前記第１
のアラインメントマークを基板アラインメントマークと
し、第２のアラインメントマークをマスクアラインメン
トマークとし、アラインメントビームを基板アラインメ
ントマークに向けて反射する反射体を、補正素子と基板
アラインメントマークとの間に配置したことを特徴とす
る。
上記実施例は、さらに前記補正素子が、投影レンズ系
の後側焦点面に位置することを特徴とする。
この後側焦点面は基板側の焦点面である。投影レンズ
系は、現流の投影装置でしばしば用いられているよう
に、基板側においてテレセントリックとする。
上記実施例において、アラインメントビームは、基板
アラインメントマークとマスクアラインメントマークと
の間の放射光路において種々の方法で入射させることが
できる。まず、マスクテーブルと投影レンズ系との間に
反射体を配置し、この反射体によりアラインメントビー
ムを投影レンズ系に向けて反射させることができる。
この型式の投影装置は、さらに基板アラインメントマ
ークから到来するアラインメントビームのうち２次以上
の回折光及び零次回折光を阻止する絞り系を、投影レン
ズ系と検出系との間に配置したことを特徴とする。
投影レンズ系の内部でアラインメントビームを反射さ
せる第２の実施例は、前記投影レンズ系のホルダが放射
に対して透明な窓を有し、この窓を経てアラインメント
ビームが投影レンズ系の光軸と直交する方向で入射で
き、入射したアラインメントビームを基板テーブルに向
けて反射する反射体を投影レンズ系の内部に配置したこ
とを特徴とする。
米国特許第4778275号に記載されているように、マス
クパターンを基板上に投影する装置は、第１のマスクア
ラインメントマークを基板アラインメントマークに対し
て整列させるアラインメント装置並びに第２のアライン
メントビームを用いて第２のマスクアラインメントマー
クを基板アラインメントマークに対して整列させる第２
の同様なアラインメント装置を具えるのが好ましい。こ
のような構成においては、マスクパターンと基板とがな
す相対角度を直接的に光学的に設定でき、投影レンズ系
によりマスクパターンを基板上に結像する際の倍率を決
定することもできる。本発明のこのような構成の投影装
置は、第１及び第２のアラインメント装置が共通の補正
素子を有することを特徴とする。
この投影装置は、さらに前記反射体が、第１及び第２
のアラインメントビームを基板テーブルに向けてそれぞ
れ反射する第１及び第２の反射面を有し、これら反射面
が、等しい大きさで且つ投影レンズ系の光軸に対して反
射の角度を以て延在し、投影レンズ系のホルダが、前記
反射面と対向位置する２個の放射透明窓を有することを
特徴とする。
第１及び第２のアラインメントビームを個別の放射源
から放射し、別の素子を介してマスクアラインメントマ
ークと基板アラインメントマークとの間の放射光路に入
射させることができ、例えば前記放射透明窓を介して放
射光を投影レンズ系のホルダに入射させることができ
る。
一方、本発明による投影装置は、前記第１及び第２の
アラインメント装置が２本のアラインメントビームを放
射する共通の光源を有し、これらアラインメントビーム
が投影レンズ系のホルダの窓に互いに異なる角度で入射
し、一方のアラインメントビームが一方の反射面に直接
入射し、他方のアラインメントビームが第２の放射透明
窓を経てホルダから第２の放射透明窓を経てホルダから
出射して別の反射体に入射し、この別の反射体によって
前記他方のアラインメントビームを第２の反射面に向け
て反射するように構成したことを特徴とする。
マスクアラインメントマークを基板アラインメントマ
ーク上に投影する二重アラインメント装置を具える投影
装置は、第１及び第２のアラインメント装置を具える請
求項13に記載のマスクパターンを基板上に投影する装置
において、前記第１及び第２のアラインメント装置が、
アラインメントビームのうち二重回折されたビーム部分
（＋1,−１）及び（−1,＋１）を関連する検出系に向け
て反射する共通の反射体を有し、１回目の回折及び２回
目の回折がマスクアラインメントマーク及び基板アライ
ンメントマークにそれぞれ関連することを特徴とする。
本発明による投影装置の好適実施例は、さらに基板マ
ークを位相回折格子で構成し、マスクマークを振幅回折
格子で構成したことを特徴とする。
米国特許第4251160号明細書に記載されているよう
に、例えば四角形のマークや十字線のようなアラインメ
ントマークに比べて周期的な回折格子は、位置誤差を設
定する場合回折格子全体について平均化された誤差が測
定される利点がある。この結果、たとえ回折格子が格子
細条の公称幅の変動及び／又は格子溝の公称形状の変動
のような不規則性を有していても高精度に整列させるこ
とができる。基板格子は集積回路の全製造工程について
１回だけ設ければよく、各製造工程毎に設ける必要はな
い。振幅回折格子に比べて、基板上の位置回折格子は、
肉眼で正確に見ることができる利点がある。さらに、位
相回折格子は、集積回路の製造中に基板が受ける多数回
の拡散処理について十分な耐久性を有している。
格子状アラインメントマークを結合すると共に１次サ
ブビームを濾波することにより、アラインメント信号が
高次のサブビームによる影響を受けない利点が達成され
る。
本発明による投影装置の好適実施例は前記アラインメ
ントビームの光路中に周期信号によって制御される手段
を配置し、検出系によって観測される第２アラインメン
トマーク及びこの第２アラインメントマーク上の第１ア
ラインメントマークの像を互いに周期的に変位させるよ
うに構成したことを特徴とする。格子マークを用いる場
合、この変位は第２アラインメントマークの1/2のピッ
チ程度にする。
前記手段はマスク用の駆動装置で構成することがで
き、この結果マスクアラインメントマークは周期的に移
動する。或は、基板アラインメントマークをマスクアラ
インメントマークに対して有効に振幅させる偏光感知素
子と組み合わせた偏光変調器で構成することもできる。
検出系によって観測される第２アラインメントマークに
対する第１のアラインメントマークの投影を周期的に変
位させることにより、ダイナミックなアラインメント信
号が得られ、この結果アラインメント装置の精度及び感
度を相当改善することができる。感度を改善できること
は、例えば基板アラインメントマークの反射性が弱い場
合に重要である。アラインメントマークの相対移動は、
アラインメントマークとして機能する走行する干渉パタ
ーンを用いることにより実現することができる。
以下、図面に用いて本発明を詳細に説明する。
（実施例） 第１図はマスクパターンを基板上に繰り返し結像する
装置の実施例を示す。この装置の主な構成要素は結像す
べきマスクパターンＣが配置されている投影カラムと、
基板をマスクパターンＣに対して位置決めするための移
動可能な基板テーブルWTである。
投影カラムは照明光学系と協働し、照明光学系は例え
ばレーザLA、ビームエキスパンダEX,投影ビームPBを均
一な放射分布とする積分器と称せられている素子IN、及
びコンデンサレンズCOを有している。投影ビームPBはマ
スクＭ中に存在するマスクパターンを照明し、マスクは
マスクテーブルMT上に配置する。
マスクパターンＣを通過したビームPBは、投影カラム
内に配置され線図的に図示した投影レンズ系PLを通過す
る。この投影レンズ系はマスクパターンＣの像を基板Ｗ
上に形成する。この投影レンズ系は、例えば倍率Ｍ＝1/
5、開口数N.A.＝0.48、視野の回折限界は22mmとする。
基板Ｗは、例えば空気ベアリングにより支持される基
板テーブルWT上に配置する。投影レンズ系PL及び基板テ
ーブルWTをハウジングHO内に配置し、このハウジングは
下端側において例えば花崗岩から成るベースプレートBM
で密封し、その上側はマスクテーブルMTで密封する。
第１図に示すようにマスクMAは２個のアラインメント
マークM1およびM2を有する。これらマークは回折格子で
構成するのが好ましいが、或いは周囲媒質から光学的に
区別される四角形又は細条状の他のマークで形成するこ
ともできる。アラインメントマークは好ましくは２次元
マークとし、すなわち互いに直交する２方向にすなわち
第１図のＸ方向及びＹ方向に延在する２次元マスクとす
る。
基板上にマスクパターンＣを並行して多数回投影する
必要があるため、この基板例えば半導体基板は多数のア
ラインメントマークを有し、このアラインメントマーク
は例えば第１図に示すピッチP1及びP2の２次元回折格子
とする。マークP1及びP2は、基板ＷのパターンＣの投影
像が形成される区域の外部に位置させる。好ましくは、
格子マークP1及びP2は位相格子の形態のものとし、格子
マークM1及びM2は振幅格子の形態とする。
第２図は２個の同一の基板位相格子の例を拡大して示
す。この回折格子は４個のサブ格子Ｐ1,a,P1,b,P1,c及
びＰ1,dを有し、そのうち２個のサブ格子Ｐ1,b及びＰ
1,dをＸ方向用アラインメントとして用い、残りのサブ
格子Ｐ1,a及びＰ1,cはＹ方向用アラインメントとして用
いる。２個のサブ格子Ｐ1,b及びＰ1,cは例えば16μｍの
格子周期を有し、サブ格子Ｐ1,a及びＰ1,dは例えば17.6
μｍの格子周期を有している。各サブ格子は例えば200
×200μｍの寸法を有することができる。この回折格子
及び適切な光学系を用いれば、原理的に0.1μｍ以下の
アラインメント精度を得ることができる。アラインメン
ト装置の得られる範囲を増大させるため、異なる格子周
期を選択できる。
第３図は本発明によるマスクパターン投影装置の第１
実施例においてアラインメント用に用いられる光学素子
を示す。この投影装置は２個の分離された同一構成のア
ラインメント系AS1及びAS2を具え、これらアラインメン
ト系は投影レンズ系PLの光軸AA′に対して対称に位置す
る。アラインメント系AS1はマスクアラインメントマー
クM2と関連し、アラインメント系AS2はマスクアライン
メントマークM1と関連する。２個のアラインメント系の
対応する素子は同一の参照符号で示し、アラインメント
系AS2の素子と区別することとする。
アラインメント系AS1の構造及びマスクマークM2と例
えば基板マークP1との相対距離を決定する方法について
説明する。
アラインメント系AS1は例えばヘリウム−ネオンレー
ザから成る光源１を具え、この光源からアラインメント
ビートｂを放射する。このビームを、ビームスプリッタ
２により基板Ｗに向けて反射する。このビームスプリッ
タはハーフミラー又は半透過性プリズムとすることがで
きる。しかし、好ましくは、直後にλ/4板３が配置され
ている偏向分離プリズムとする、尚、λはビームｂの波
長である。投影レンズ系PLはビームｂを微小スポットに
集束し、この微小スポットは基板Ｗ上で1mm程度の径を
有している。基板Ｗはビームの一部をビームb1としてマ
スクＭ方向に反射する。ビームb1は投影レンズ系PLを通
過し、投影レンズ系により放射スポットＶとしてマスク
上に投影される。基板を照明装置内に配置する前に、基
板は装置に結合した予備整列段内に予備整列され、この
結果放射スポットＶは基板マークP2上に位置する。尚、
この予備整列段は例えば欧州特許出願第164,165号に説
明されている。投影レンズ系の倍率Ｍを考慮すれば、マ
スクマークM2の寸法は基板マークP2の寸法に適合し、こ
れらマークが正しい方法で相互に位置決めされれば、マ
ークP2の像はマークM2と高精度に一致する。
基板Ｗに向かう光路及び基板Ｗから出射する光路にお
いて、ビームｂ及びb1はλ/4板３を２回通過する。この
λ/4板の光学軸は光源１から放射した直線偏光の偏光方
向に対して45゜の角度で延在する。λ/4板３を通過した
ビームb1の偏光方向はビームｂの偏光方向に対して90゜
回転し、この結果ビームb1は偏光分離プリズム２を透過
する。偏光分離プリズムとλ/4板とを組み合わせて用い
ることにより、アラインメントビームをアラインメント
系の放射光路と結合する際放射損失が最少になる利点が
達成される。
アラインメントマークM2を通過したビームb1はプリズ
ム11で反射し、例えば別の反射プリズム12により反射感
知検出器13方向に進行する。この検出器13は、例えば第
２図のサブ格子の数に基づく４分割された放射感知区域
を有する複合フォトダイオードとする。これら検出器の
出力信号はマークM2の基板マークP2に対する一致性の目
安となる。これら信号は電子的に処理して駆動装置（図
示せず）によってマスクを基板に対してマークP2の像が
マークM2と一致するように移動させるために用いられ
る。従って、自動アラインメント装置が得られる。
例えば半透過性プリズムの形態をしたビームスプリッ
タ14をプリズム11と検出器13との間に配置し、このビー
ムスプリッタによりビームb1の一部をビームb2として分
離することができる。分離したb2は例えば２個のレンズ
15及び16を経てモニタ（図示せず）に結合したテレビジ
ョンカメラ17上に入射し、このモニタ上でアラインメン
トマークP2及びM2を照明装置の作業者に対して可視化す
る。従って、作業者は２個のマークが互いに一致してい
るか否かを確認でき、必要な場合マニュプュレータを用
いて基板を移動させマークを互いに一致させることがで
きる。
マークM2とP2について前述した方法と同様な方法でマ
ークM2とP2並びにM1とP1を互いに整列させることができ
る。上記２組のマークを整列させるためにアラインメン
ト系AS2を用いる。
上述したアラインメント系の整列操作の詳細について
は、米国特許第4778275号を参照されたい。また、この
特許明細には、整列操作中にマスクに対する基板の移動
を測定する極めて高精度な２次元移動測定系に対してア
ラインメント系AS1及びAS2は極めて接近した作動関係に
あることが述べられている。アラインメントマークP1及
びP2、M1及びM2の位置及び相対距離は、上記特許明細書
に記載されている移動測定系の座標系に適用することが
できる。この移動測定系は第１図の符号IFで表示され、
例えば米国特許第4251160号明細書に記載されている干
渉計システムとする。
所望の高い解像度を得るため投影ビームPBの波長はで
きるだけ短くする必要があり、投影レンズ系PLは投影ビ
ームの波長について設計されているので、この投影レン
ズ系を用いてアラインメントビームによりアラインメン
トマークP1,P2をM1,M2上に相互に重ね合わせて結像させ
る場合ずれが生じてしまう。例えば、基板アラインメン
トマークP1,P2は、マスクアラインメントマークが位置
するマスクパターン面中に位置せず、マスクパターン面
から所定の距離だけずれて結像されてしまい。このずれ
の距離は投影ビームの波長のアラインメントビームとの
波長差並びにこれら２本のビームの波長に対する投影レ
ンズ素子の材料の屈折率に依存する。
投影ビームが例えば248nmの波長を有しアラインメン
トビームが633nmの波長を有する場合、投影ビームの結
像位置とアライメントビームの結像位置との間のずれの
距離は2mにもなってしまう。さらに、波長差により基板
アラインメントマーク上は、所望の倍率からずれた倍率
でマスクアラインメントマークに結像されてしまう。こ
の倍率ずれは波長差によって増大する。
このずれを補正するため、投影カラムPLを本発明によ
る特別なレンズすなわち補正レンズ25と協働させる。こ
の補正レンズを投影カラム中の適切な高さ位置に配置
し、基板アラインメントマークによって形成されたアラ
インメントビームの異なる回折次数のサブビームを補正
レンズ面内で十分に分離し、これらサブビームを支配で
きるように設定する。同時に補正レンズは投影ビーム及
びこのビームによって形成されるマスク像にほとんどの
影響を及ぼさないように設定する。補正レンズは投影レ
ンズ系の後側焦点面に位置するのが好ましい。投影レン
ズ系が基板側でのテレセントリックの場合、この焦点面
は投影レンズ系の出射瞳面と一致する。第３図に示すよ
うに、補正レンズ25が、アラインメントビームｂの主光
線とｂ′の主光線とが互いに公差する面24内に位置する
場合、この補正レンズは２本のアラインメントビームを
補正するためにも同様に用いることができる。
補正レンズ25の効果を第４図に基づいて説明する。第
４図は補正レンズと基板アラインメントマークとの間の
アラインメントビームの放射光路の一部を示す。これら
アラインメントマークは回折格子の形態のものとする。
格子P2に入射したアラインメントビームｂは、零次サブ
ビームｂ（０）、１次サブビームｂ（＋１）,b（−１）
並びに３次及び４次等の高次サブビームに分離される。
尚、零次サブビームは、ビームｂが垂直入射する場合ビ
ームｂと同一方向に進行する。これらサブビームは投射
レンズ系に向けて反射する。一次サブビームは面24に位
置する補正レンズに入射する。この補正レンズは、１次
サブビームｂ（＋１）の主光線とｂ（−）の主光線とが
マスクアラインメントマークM2の面内で互いに交差する
ように１次サブビームｂ（−）及びｂ（＋１）の方向を
変位させるレンズ力を有している。さらに、補正レンズ
は適切な小径のものとし、一次サブビームよりも大きな
回折角で回折された高次サブビームがこの補正レンズを
通過しないようにする。さらに、補正レンズの位置に素
子を配置し、この素子により零次サブビームが補正レン
ズを通過するのを阻止する。第４図の実施例において、
上記素子は反射性二重光学楔の形態をなし、この光学楔
を用いてアラインメントビームｂ及びｂ′を投影レンズ
系に結合する。この光学楔により、零次サブビームｂ
（０）及びｂ′（０）は入射アラインメントビームｂ及
びｂ′の方向にそれぞれ反射される。このように構成す
れば、１次サブビームだけを用いて格子P2が格子M2上に
結像されるので、種々の利点が達成される。
零次サブビームは格子P2の位置に関する情報を有して
いない。このサブビームの強度は１次サブビームの強度
と比較して相当な強度となり、格子形態特に格子溝の深
さ並びに格子溝の幅と中間格子細条の幅との比に依存す
る。零次サブビームの強度を抑制することにより、格子
P2の線のコントラストは相当増大させることができる。
２次及び高次のサブビームは抑制されるので、格子P2の
不規則性はアラインメント信号にほとんど影響を及ぼさ
ない。１次サブビームだけを用いる場合、格子P2の２次
高調波成分が結像される。すなわち、投影レンズ系PLの
倍率Ｍとは無関係に、回折格子P2の像は格子P2の半分の
周期を有する。格子M2の格子周期が格子P2の像の周期に
等しい場合、すなわち格子P2の格子周期のm/2倍に等し
い場合、格子M2とP2とを整列させる精度は、ビームｂ全
体を用いて結像させる場合の２倍になる。
投影ビームPBの波長とアラインメントビームb,b′の
波長との間の波長差を一層小さくし、且つ投影レンズ系
にアクロマティクレンズ、すなわち色収差補正レンズを
用いる場合、１次よりも高い高次のサブビームが投影レ
ンズ系を介してマスクアラインメントマークM2に入射す
るおそれがある。この場合、絞り板を補正レンズ内に又
は補正レンズに対して並置することにより、１次サブビ
ームだけを通過させることができる。
図面を明瞭にするため、絞り板30の２個の実施例を第
５図及び第６図に示す。第５図において絞り板30のベー
ス材料31は投影ビーム及びアラインメントビームに対し
て透明なものとし、アラインメントビームを阻止する区
域33を２次以上の高次のアラインメントビームが絞り次
に入射するのを阻止する位置に形成する。これら阻止区
域は微小であり、投影レンズ系の瞳の高々５〜10％の表
面領域を形成するにすぎない。従って、阻止区域33は投
影ビームにほとんど影響を及ぼすことはない。絞り板30
のベース材料31は投影レンズ素子の材料と同一の材料で
構成でき、阻止区域33は吸収材料又は反射材料で構成で
きる。
第６図の絞り板の材料は、２色性のものとし、投影ビ
ームに対して透明性としアライメントビームに対して不
透明性とする。アラインメントサブビームを通過させる
区域34をベース材料32内に形成し、その位置を経て１次
のアラインメントビームを絞り板30に入射させる。この
ように絞り板を構成することにより、投影ビームに対し
て障害物となるものを絞り板に存在させることなくアラ
インメントビームの高次サブビームを効率よく阻止する
ことができる。
撮影レンズ系に絞り板を配置する代わりに、投影レン
ズ系とマスクとの間に配置した絞りを用いて、検出系に
よって観測されるマスクアラインメントマーク上に形成
される基板アラインメントマークの像をアラインメント
ビームの１次回折光だけによって形成することができ
る。この構成を第７図に線図的に示す。７図において、
符号PLは投影レンズ系を図示し、MAはマスクを示す。参
照番号35は絞り板を示し、この絞り板はアラインメント
ビームに対し不透明であるが、アラインメントビーム
ｂ′の１次サブビーム（図示せず）に対して透明開口部
36を有している。
絞り板35は投影レンズ系の後方であって基板アライン
メントマークの結像位置に接近して配置されているの
で、アラインメントビームの高次回折光特に３次及び４
次の回折光が開口部36を通過して検出系13′に入射する
おそれがある。この不都合を解消するため、第７図に示
すように、基板アラインメントマーク及び関連するマス
クアラインメントマークによって１次回折光として回折
したアラインメントビームのサブビーム用の開口部38を
有する別の絞り板37をマスクMAと検出系13′との間に配
置することができる。
第２の絞り板37を設ける代わりに、第８図に線図的に
示すように検出系13′と例えばプリズム11′との間に放
射に対して透明なパイプ39を配置することができる。こ
のパイプ39を設けることによりアラインメントビームの
１次回折光として回折された回折光だけが検出器13′に
入射する。
補正レンズ25はアラインメントビームをマスク面上に
鮮明に合焦させるだけでなく、基板アラインメントマー
クがマスクアラインメントマーク上に結像する際の倍率
誤差を補正することもできる。この倍率誤差は投影レン
ズ系が投影ビームの波長に対して適正に設計され、アラ
インメントビームの波長に対して考慮されていないこと
に起因する。この倍率誤差補正は、多くの場合において
十分なものである。投影ビームとして例えば248μｍの
波長の遠紫外線を用いる装置においては、補正レンズ25
によって倍率誤差を完全に補正することはできない。こ
の場合、特別なレンズ９を投影レンズ系PLの光路外であ
ってアラインメントビームの光路中に配置して径方向の
倍率誤差を除去することができる。この特別なレンズ９
は、基板アラインメントマーク又はマスクアラインメン
トマークに接近して配置した場合に最大の効果を発揮す
る。投影装置においてマスクと投射レンズ系との間の空
間は投影レンズ系と基板との間の空間よりも大きいか
ら、第３図に示すようにレンズ９はマスクと投影レンズ
系との間に配置することが望ましい。Ｙ−Ｚ面内で回折
された１次サブビームによるＸ方向のアラインメントマ
ークP2とM2との位置合わせについては前述した。第２図
に示すように、２次元回折格子を用いる場合、Ｘ−Ｚ面
内の回折光と同一の回折次数のサブビームがＹ−Ｚ面内
にも発生する。第７図及び第８図に図示したように、こ
れらサブビームのうち１次サブビームは通過でき、Ｙ方
向の位置合わせに用いることができる。従って、絞り手
段を２本のサブビームの代わりに４本のサブビーム用に
適切に構成することにより、Ｘ方向アラインメント用と
同一の補正レンズ及び絞り手段を用いることができる。
マスクアラインメントマークM2を基板アラインメント
マークに対して位置合わせするために用いるアラインメ
ント系AS1について説明したので、マスクアラインメン
トマークM1を基板アラインメントマークに対して位置合
わせするためのアラインメント系AS2についての説明は
省略する。このアラインメント系AS2は、アラインメン
ト系AS1と同様な素子を有すると共に同様に動作する。
第４図において説明したように、補正レンズ25はアライ
ンメント系AS1及びAS2の両方について共用する。
基板アラインメントマークをマスクアラインメントマ
ークに対して位置合わせする際の精度は、検出器13及び
13′の出力信号を固定周波数で変調することにより相当
増強することができる。この目的を達成するため、1984
に発行された“オプティカル マイクロリソグラフィ
III テクノロジーフォ ザ ネックスト デケード（O
ptical Microlithgraphy III Technology for the next
Decade）”の第470巻第62頁〜69頁に記載されている文
献“SPIE"に開示されているようにマスクＭ従って例え
ばマスクマークM2を周期的に移動させることができる。
米国特許第4251160号に記載されているダイナミックな
アラインメント信号を得る改良例を用いて本発明のアラ
インメント装置の精度を一層増大させることができ、こ
のアラインメント装置を第３図に示す。
マークM2に入射する前に、ビームb1は偏光分離プリズ
ム２を通過し、このビームは直線偏光となり所定の偏光
方向を有している。次に、ビームb1は複屈折材料から成
るプレート８を通過する。このプレートは、例えばプリ
ズム２を通過したビームの偏光方向に対して45度の角度
をなす光学軸を有する水晶板とする。素子８はサバール
板又はウォルストンプリズムとすることもできる。２本
の相互に直交偏光したビームが素子８から出射する。こ
れらビームはマスクマークM2の位置においてマスクマー
クM2の形態によって決定される所定の距離に亘って相互
にずれる。アラインメントマークとして回折格子を用い
る場合、上記距離は格子M2の格子周期の1/2に等しくす
る。偏光変調器18及び検光子19を検出器13の前面に配置
する。例えば光弾性変調器から成る変調器18は電圧発生
器20により印加される電圧VBにより制御する。この変調
器を通過したビームの偏光方向は、この変調器により交
互に90度切り換えられる。検光子19は偏光分離プリズム
２と同一の偏光方向つまり偏光透過方向を有し、この結
果′の偏光方向を有しマークM2上にずれていない基板マ
ークP2の像を形成する第１の放射ビームと、第２の偏光
方向を有し例えばマークM2上に格子周期の1/2だけずれ
たマークP2の像を形成する第２の放射ビームを検出器13
に向けて通過させる。検出器13からの出力信号を増幅し
位相感知検出回路21において信号処理を行なう。尚、こ
の位相感知検出回路21には電圧信号VBも印加する。この
位相感知検出回路21からの出力信号は所望のダイナミッ
クなアラインメント信号となる。
なお、変調器18及び検光子19は、マスクアラインメン
トマークの前側の放射光置中に配置することもできる。
第９図は二重アライイン系を用いる装置の第２実施例
を示す。この第９図は本発明に重要な素子だけを示す。
投影レンズ系PLのホルダは２個の放射透明窓40及び41を
有し、これらの窓を経てアラインメントビームｂ及び
ｂ′が入射する。アラインメントビームｂ及びｂ′は反
射プリズム26の反射面27及び28にそれぞれ入射し、アラ
インメントマーク（図示せず）が存在する基板Ｗに向け
て反射する。このアラインメントマークによりアライン
メントビームを異なる回折次数の多数のサブビームに分
離する。零次サブビームは反射面27,28により外部に向
けて反射される。アラインメントビームｂ及びｂ′の１
次サブビームは、プリズム26の上方に配置した補正レン
ズ25によりアラインメントマーク（図示せず）が存在す
るマスク面MA内で干渉作用を受ける。１次サブビームに
よって形成された基板アラインメントマークの像は関連
するマスクアラインメントマークと共に放射感知検出器
13及び13′によりそれぞれ検出される。第３図に図示し
た素子10,11,12,14〜19及び10′,11′,12′,14′〜19を
それぞれ収納するブロック43及び43′を検出器の前面に
配置する。
必要な場合、第５図、第６図、第７図及び第８図に基
づいて説明した絞り手段を一方のアラインメントビーム
の光路中に配置することができる。
さらに、特別なレンズ９及び９′をアラインメントビ
ームb1及びb1′の光路中に配置して基板アラインメント
マークをマスクアラインメントマーク上に結像する際の
倍率を補正することができる。
アラインメントビームは個別の放射源から供給するこ
とができる。しかしながら、第９図に示すように共通の
放射源50を用いるのも好適である。放射源50から発生し
たビームをビームスプリッタ51により２本のビームｂ及
びｂ′に分離する。反射体53によりアラインメントビー
ムｂ′を、放射透明窓41を経てプリズム26の反射体27に
向けて反射するアラインメントビームｂも同様に反射体
52及び54を経て放射透明窓41に入射する。このビームは
線図的に配置した第２の放射透明窓41を経て投影レンズ
系PLホルダを出射し、次の特別の反射体42により反射
し、プリズム26の反射面28に入射する。
平行平面板の形態をした特別の素子55,56,57及び58並
びにレンズ59,60及び62をビームｂ及びｂ′の光路中に
配置し、これらの素子によって２本のビームを平行ビー
ムとして取板上に垂直入射させることができる。
上述した実施例は２個のアラインメント装置を具える
投影装置について説明したが、本発明は１個のアライン
メント系例えば第３図のアラインメント系AS1だけを有
する投影装置にも適用することができる。単一のアライ
ンメント系を有する投影装置米国特許第4251160号明細
書に記載されている。しかしながら、二重アラインメン
ト系を有する投影装置も好適である。この理由は、マス
クパターンと基板との間の相対角度配置が光学的に直接
限定できるからであり、また投影レンズ系の倍率誤差並
びに基板及びマスクにおける変形を測定できるからであ
る。
本発明に基づいて配置した補正レンズは投影ビームPB
にほとんど影響を及ぼさないから、基板上のマスク画像
の品質は良好に維持される。補正レンズ25は投影装置の
軸線AA′上に配置され且つこのレンズの表面積は例えば
投影ビームの断面積の高々1/10にしかすぎないから、こ
の要件は十分に適合する。特別な方法として、投影ビー
ムを通常の円形の断面とする代わりに環境断面とするこ
ともできる。このため、例えば第１図の積分器（Integr
ator）をドイツ連邦共和国特許第2608176号に記載され
ているように環状形状とすることができる。
第４図、第５図、第６図及び第９図について説明した
実施例においては、基板アラインメントマークをマスク
アラインメントマーク上に投影した。しかしながら、本
発明は、米国特許第4778275号、第4636077号及び第4771
180号明細書に記載されているように、マスクアライン
メントマークを基板アラインメントマーク上に投影する
アラインメント装置として用いることもできる。第10図
は、本発明の技術思想を利用した上述した型式のアライ
ンメント装置を線図的に示す。
第10図において、符号MAは同様にマスクマークM1及び
M2を有するマスクを示し、符号Ｗはアラインメントマー
クP1及びP2を有する基板を示す。PLは投影レンズ系であ
る。プリズム70によりアラインメントビームｂをマスク
アラインメントマークM1に向けて反射する。投影レンズ
系PLはアラインメントビームｂを用いてマークM1を基板
アラインメントマークP1上に結像する。マスクアライン
メントマークはビームｂを零次サブビームｂ（０）、２
本の第１次サブビームｂ（−１）,b（＋１）並びに多数
の高次サブビーム（図示せず）に回折する。
本発明においては、投影レンズ系は補正素子を含み、
例えばアラインメントビームのサブビームが十分に分離
する位置に配置したレンズ25′を含み、この補正素子に
よりサブビームｂ（−１）及びｂ（＋１）だけを基板マ
ークP1に入射させると共にこのマーク上に合焦させる。
従って、１次サブビームｂ（−１）及びｂ（＋１）だけ
によってマークM1の鮮明な像がマークP1上に形成され
る。基板マークP1により反射されると共に＋１次回折光
及び−１次回折光として回折されたサブビーム部分、つ
まり二重回折されたサブビーム部分ｂ（−1,＋１）及び
ｂ（＋1,−１）は、マスクマークM1で発生した零次サブ
ビームｂ（０）と反対の方向に進行する。サブビームｂ
（−1,＋１）及びｂ（＋1,−１）はマークM1とP1との間
の相対位置に関する情報を含み、これらサブビームは反
射体26′により検出系71に向けて反射され、検出系の出
力信号はマークM1の像に対するマークP1の一致度の目安
となる。尚、反射体26′はマスクマークM1で発生した零
次サブビームｂ（０）を阻止する。
第10図に示す投影装置は、第３図の投影装置と同様に
２個のアラインメント装置を有することができる。この
場合、同一の補正素子25′は第１のアラインメントビー
ムｂ用及び第２のアラインメントビームｂ′用に用いる
ことができる。反射体26′はその両側で両方のサブビー
ムをそれぞれ反射する。
第10図の投影装置において、第３図に基づいて説明し
た変調器手段並びに第５図、第６図、第７図及び第８図
に基づいて説明した絞り手段も用いることができる。
第11図はマスクアラインメントマークM2及び基板アラ
インメントマークP2を共に第３のアラインメントマーク
MR上に投影する投影装置を線図的に示す。本投影装置に
おいてアラインメントビームｂは、部分的反射性素子80
を介してマスクアラインメントマークM2及びマスクMAに
並列して形成した窓81を照明する。この反射性素子80は
例えばハーフミラーとする。マスクアラインメントマー
クは放射を第３のアラインメントマークMRに向けて反射
する。レンズ82によりマークM2をマークMR上に結像し、
マークM2によって１次回折光として回折されたサブビー
ムだけが投影に寄与する。このように構成することによ
りフーリェレンズ系を用いることができ、フーリェレン
ズ系は後側焦点面にフィルタ板84が配置されている第１
のフーリェレンズ82と前側焦点面がフィルタ板84の位置
と一致する第２のフーリェレンズ83とを具える。第１の
フーリェレンズ82はビーム部分brをフィルタ板84上に集
束し、このフィルタ板はアラインメントマークM2からの
１次回折光だけを通過させる。第２のフーリェレンズ83
はマークM2の像を第３のすなわち基準アラインメントマ
ークMRの第１部品上に形成する。この第１部分及び重畳
されたマークM2の像をレンズ85により第１検出器86に結
像する。窓８を通過するアラインメントビームbWは投影
レンズ系PLを介して基板アラインメントマークP2を照明
する。本発明においては、投影レンズ系は補正レンズ25
を含み、この投影レンズ系により基板アラインメントマ
ークP2をマスクアラインメントマークM2の面に結像す
る。一方、基板マークP2によって１次回折光として回折
されたサブビームだけを用いる。ビーム部分bWは反射ビ
ーム部分brと同様に第１のフーリェレンズ82、フィルタ
板84及び第２のフーリェレンズ83を通過し、この結果ア
ラインメントマークP2が基準マークMRの第２の部分上に
結像されることになる。この第２部分及びマークP2の重
畳された像はレンズ85により第２検出器87上に結像され
る。例えばこれら第１及び第２検出器の出力信号を比較
することにより、アラインメントマークM2とP2との相互
整列性の程度が、米国特許3811779号明細書に記載され
ている方法と同様な方法で決定することができる。
第12図マスクアラインメントマークと基板アラインメ
ントマークとを相互に間接的に位置合わせする別の方法
を線図的に示す。この方法において物理的なアラインメ
ントマークの代わりに人工的なアラインメントマークを
第３のマークとして用いる。この第３のマークは２本の
ビームba及びbbによって形成した干渉パターンIPで構成
され、これらビームba及びbbはマスクアラインメントマ
ークM2面内で互いに干渉する。干渉パターンを用いて基
板アラインメントマークとマスクアラインメントマーク
とを互いに整列させる原理は、1989年９月に発行された
刊行物“マイクロサーキット エンジニア プログラム
アンド アブストラクト ケンブリッジ（Microcircu
it Engineer Programme and Abstracts Cambribge）”
に記載されている文献“ヘテロダイン ホログラフィッ
ク ナノメータ アラインメント フォー ア ウェフ
ァステッパ（Heterodyne Holographic Nanometer Align
ment for a Waferstepper）”に記載されている。
第12図は干渉パターンIPを示し、この干渉パターンは
反射性回折格子として設けたマスクアラインメントマー
クM2上に重畳するこの回折格子は異なる回折次数で入射
した投影を第１の検出器92の方向に回折する。１次回折
サブビームだけを通過させるフィルタ91を検出器92の前
面に配置する。検出器の出力信号は干渉パターンIPに対
するマークM2の位置を表わす。
マスクMAは、マークM2に隣接して窓94を有し、この窓
を介して干渉ビームba及びbbの放射を投影レンズ系PLに
入射させる。第12図の下側の挿入図に示すように、投影
レンズ系により干渉パターンIPを基板アラインメントマ
ークP2上に結像する。
反射性回折格子であるマークP2により、入射した放射
は多数の回折次数の反射光として偏光される。反射した
放射は、投影レンズ系及び半透過性プリズム95を経て第
２の検出器97に入射する。本発明では、投影レンズ系PL
は補正素子25を含み、この補正素子を介して干渉パター
ンをマークM2上に鮮明に結像させる。１次サブビームを
選択するフィルタ96を検出器96とプリズム95との間に配
置することができる。
第10図と同様に、反射体26′を補正素子25の下側に配
置することができ、この反射体により１次サブビームを
図面上の右側に向けて反射する。この結果、これらサブ
ビームは、破線で示すように、投影レンズ系ホルダの壁
部の窓を経て投影レンズ系から出射することができる。
ビームba及びbbは変調ビームとすることができ、それ
らの変調周波数は２本のビームについて相異させること
ができる。形成した干渉パターンは時間と共に変化し、
干渉パターンのマスクアラインメントマーク及び基板ア
ラインメントマークにおける移動を解析することがで
き、この結果周期的に変化するアラインメント信号が発
生する。従って、検出器92と97の出力信号間の位相差
は、マークM2とP2との間の相対的整列度を表わすことに
なる。
第11図及び第12図に示すアラインメント装置は第３図
に示す装置と同様にダブルアラインメント型とすること
ができ、これらアラインメント装置は第５図、第６図、
第７図及び第８図に基づいて説明した絞り手段と同様な
絞り手段を具えることができ、また第３図に示したビー
ム変調手段を設けることができる。
上述した実施例においてはアラインメントマークを回
折格子で構成したが、本発明はそのような構成に限定さ
れるものではない。また、放射透明性又は反射性の細
条、十字線又は四角形の形態のマークを用いて整列させ
る場合、本発明による補正レンズを用いてこれらマスク
を正しい位置及び所望の倍率で結像させることができ
る。
上述したアラインメント装置はマスクＭに存在するパ
ターンＣに対して独立して作動するから、極めて微細な
パターンを基板上に投影する必要がある場合並びにパタ
ーンを基板に対して極めて正確に整列させる必要がある
いかなる場合にも本発明を用いることができる。
上述実施例は、光集積回路や磁器ドメインメモリの製
造に用いる投影装置について説明した。しかしながら、
本発明はマスクパターンを投影する種々の投影装置に適
用でき、繰り返し投影する装置に限定されるものではな
い。従って、パターンを１回だけ投影する装置にも勿論
適用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はマスクパターンを基板上に繰り返し結像する装
置の実施例を示す線図、 第２図は２次元回折格子の形態をした既知のアラインメ
ントマークの実施例を示す線図、 第３図は本発明による２個のアラインメント装置を具え
る投影装置の第１実施例を示す線図、 第４図は第３図の投影装置に用いた補正レンズの作用を
示す線図、 第５図及び第６図は本発明による投影装置に好適な絞り
板の第１及び第２の実施例を示す線図、 第７図及び第８図は本発明の投影装置に用いる絞り素子
の別の実施例を示す線図的斜視図、 第９図は本発明による投影装置の第２実施例を示す線
図、 第10図は、第11図及び第12図は本発明による投影装置の
変形例を示す線図である。 Ｗ……基板 WT……基板テーブル MA……マスク P1,P2……基板アラインメントマーク M1,M2……マスクアラインメントマーク AS1,AS2……アラインメント系 1,1′……光源 13,13′……検出器 25……補正レンズ 30……絞り板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−160931（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−224026（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−215230（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−32624（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims (29)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】投影ビームを放射する照明光学系と、マス
    クホルダと、投影レンズ系と、基板ホルダとを順次具え
    ると共に、さらに第１のアライメントマークを第２のア
    ライメントマークに対して整列させるアラインメント装
    置を具え、前記アラインメント装置が、アラインメント
    ビームを放射する放射源と、前記投影レンズ系と、基板
    アラインメントマーク及びマスクアラインメントマーク
    により相互作用を受けアラインメントビーム部分の光路
    中にある放射感知検出系とを有し、前記検出系の出力信
    号がアラインメントマークの相対位置の目安となるマス
    クパターンを基板上に投影する装置において、 前記アラインメントビームの光路中であって投影レンズ
    系の内部に屈折性補正素子を配置し、この補正素子の寸
    法を、この補正素子を含む面における投影レンズ系の直
    径よりも小さくし、この補正素子が、アラインメントビ
    ームの第１のアラインメントマークにより１次回折光と
    して偏向されたサブビームだけを第２のアラインメント
    マーク上に偏向及び合焦させるように構成したことを特
    徴とするマスクパターンを基板上に投影する装置。
  2. 【請求項２】前記屈折性補正素子を、投影レンズ系の後
    側焦点面に配置したことを特徴とする請求項１に記載の
    マスクパターンを基板上に投影する装置。
  3. 【請求項３】前記屈折性補正素子をレンズとしたことを
    特徴とする請求項１又は２に記載のマスクパターンを基
    板上に投影する装置。
  4. 【請求項４】前記第１のアラインメントマークを第２の
    アライメントマーク上に結像する際の倍率を補正するた
    めの特別なレンズを、第１アラインメントマークと第２
    アラインメントマークとの間であって投影レンズ系の外
    部のアラインメントビームの放射光路中に配置したこと
    を特徴とする請求項1,2又は３に記載のマスクパターン
    を基板上に投影する装置。
  5. 【請求項５】前記特別なレンズを第１アラインメントマ
    ーク又は第２のアラインメントマークの近傍に配置した
    ことを特徴とする請求項４に記載のマスクパターンを基
    板上に投影する装置。
  6. 【請求項６】前記特別なレンズを、投影レンズ系とマス
    クアラインメントマークとの間に配置したことを特徴と
    する請求項５に記載のマスクパターンを基板上に投影す
    る装置。
  7. 【請求項７】前記投影レンズ系の内部に第１の絞りを配
    置し、この第１の絞りが、第１アラインメントマークか
    ら到来し２次以上の回折次数のサブビームを阻止するよ
    うに構成したことを特徴とする請求項1,2又は３に記載
    のマスクパターンを基板上に投影する装置。
  8. 【請求項８】前記第１の絞りを投影ビーム及びアライン
    メントビームに対して透明な層で構成し、この層がアラ
    インメントビームの２次以上の回折次数を有する部分が
    入射する位置にアラインメントビームの放射を阻止する
    区域を有することを特徴とする請求項７に記載のマスク
    パターンを基板上に投影する装置。
  9. 【請求項９】前記第１の絞りを、投影ビームに対して透
    明でアラインメントビームに対して不透明な材料から成
    る層で構成し、この層が、アラインメントビームのうち
    １次回折ビーム部分が入射する位置にアラインメントビ
    ームに透明な区域を有することを特徴とする請求項７に
    記載のマスクパターンを基板上に投影する装置。
  10. 【請求項１０】前記投影レンズ系と第２のアラインメン
    トマークとの間に第２の絞りを配置し、この第２の絞り
    のアラインメントビームのうち第１のアラインメントマ
    ークにより１次回折された部分が入射する区域を放射に
    対して透明にしたことを特徴とする請求項1,2又は３に
    記載のマスクパターンを基板上に投影する装置。
  11. 【請求項１１】前記第１アラインメントマーク及び第２
    のアラインメントマークによって１次回折されたアライ
    ンメントビーム部分だけを放射感知検出系に向けて通過
    させる第３の絞りを、、前記第２アラインメントマーク
    と放射感知系との間に配置したことを特徴とする請求項
    1,2又は３に記載のマスクパターンを基板上に投影する
    装置。
  12. 【請求項１２】前記照明光学系が、投影レンズ系の内部
    の補正素子面において環状断面を有する投影ビームを放
    射することを特徴とする請求項１から11までのいずれか
    １項に記載のマスクパターンを基板上に投影する装置。
  13. 【請求項１３】前記第１のアラインメントマークをマス
    クアラインメントマークとし、第２のアラインメントマ
    ークを基板アラインメントマークとし、マクスアライン
    メントマークにより１次回折された次に基板アラインメ
    ントマークにより１次回折されたアラインメントサブビ
    ーム部分の光路中に反射体を配置し、前記反射体がアラ
    インメントサブビーム部分だけを検出系に向けて反射す
    るように構成したことを特徴とする請求項１から12まで
    のいずれか１項に記載のマスクパターンを基板上に投影
    する装置。
  14. 【請求項１４】前記第２のアラインメントマークを、基
    板及びマスク以外の部分に位置する別のアラインメント
    マークで構成し、マスクアラインメントマーク及び基板
    アラインメントマークを第１のアラインメントマークと
    し、これら両方のマークを前記別のマーク上に投影する
    ことを特徴とする請求項１から12までのいずれか１項に
    記載のマスクパターンを基板上に投影する装置。
  15. 【請求項１５】前記アラインメント装置の放射源が、マ
    スクアラインメントマーク面及び基板アラインメントマ
    ーク面に干渉パターンを形成する２本の放射ビームを放
    射し、前記第１のアラインメントマークを干渉パターン
    の一部で構成し、前記第２のアラインメントマークを基
    板アラインメントマークで構成したことを特徴とする請
    求項１から12までのいずれか１項に記載のマスクパター
    ンを基板上に投影する装置。
  16. 【請求項１６】前記第１のアラインメントマークを基板
    アラインメントマークとし、第２のアラインメントマー
    クをマスクアラインメントマークとし、、アラインメン
    トビームを基板アラインメントマークに向けて反射する
    反射体を、補正素子と基板アラインメントマークとの間
    に配置したことを特徴とする請求項１から12までのいず
    れか１項に記載のマスクパターンを基板上に投影する装
    置。
  17. 【請求項１７】前記補正素子が、投影レンズ系の後側焦
    点面に位置することを特徴とする請求項16に記載のマス
    クパターンを基板上に投影する装置。
  18. 【請求項１８】前記投影レンズ系のホルダが放射に対し
    て透明な窓を有し、この窓を経てアラインメントビーム
    が投影レンズ系の光軸と直交する方向で入射でき、入射
    したアラインメントビームを基板テーブルに向けて反射
    する反射体を投影レンズ系の内部に配置したことを特徴
    とする請求項16又は17に記載のマスクパターンを基板上
    に投影する装置。
  19. 【請求項１９】第１のマスクアラインメントマークを基
    板アラインメントマークに対して整列させるアラインメ
    ント装置と、第２のアラインメントビームにより第２の
    マスクアラインメントマークを基板アラインメントマー
    クに対して整列させる第２のアラインメント装置とを具
    える請求項１から18までのいずれか１項に記載のマスク
    パターンを基板上に投影する装置において前記第１及び
    第２のアラインメント装置が１個の共通の補正素子を有
    することを特徴とするマスクパターンを基板上に投影す
    る装置。
  20. 【請求項２０】前記反射体が、第１及び第２のアライン
    メントビームを基板テーブルに向けてそれぞれ反射する
    第１及び第２の反射面を有し、これら反射面が、等しい
    大きさで且つ投影レンズ系の光軸に対して反対の角度を
    以て延在し、投影レンズ系のホルダが、前記反射面と対
    向位置する２個の放射透明窓を有することを特徴とする
    請求項16に記載のマスクパターンを基板上に投影する装
    置。
  21. 【請求項２１】前記第１及び第２のアラインメント装置
    が２本のアラインメントビームを放射する共通の光源を
    有し、これらアラインメントビームが投影レンズ系のホ
    ルダの窓に互いに異なる角度で入射し、一方のアライン
    メントビームが一方の反対面に直接入射し、他方のアラ
    インメントビームが第２の放射透明窓を経てホルダから
    出射して別の反射体に入射し、この別の反射体によって
    前記他方のアラインメントビームを第２の反射面に向け
    て反射するように構成したことを特徴とする請求項20に
    記載のマスクパターンを基板上に投影する装置。
  22. 【請求項２２】第１及び第２のアラインメント装置を具
    える請求項13に記載のマスクパターンを基板上に投影す
    る装置において、前記第１及び第２のアラインメント装
    置が、アラインメントビームのうち二重回折されたビー
    ム部分（＋1,−１）及び（−1,＋１）を関連する検出系
    に向けて反射する共通の反射体を有し、１回目の回折及
    び２回目の回折がマスクアラインメントマーク及び基板
    アラインメントマークにそれぞれ関連することを特徴と
    するマスクパターンを基板上に投影する装置。
  23. 【請求項２３】別のアラインメントマークを投影レンズ
    系のマスク側に配置し、マスクアラインメントマークを
    反射性とし、前記マスクが、基板アラインメントマーク
    に向かうアラインメント放射及び基板アラインメントマ
    ークで反射した放射を通過させる透明窓をマークの近傍
    に有することを特徴とする請求項14に記載のマスクパタ
    ーンを基板上に投影する装置。
  24. 【請求項２４】前記マスクと別のアラインメントマーク
    との間にフーリエレンズ系を配置し、空間フィルタがこ
    のフーリエレンズ系に含まれていることを特徴とする請
    求項23に記載のマスクパターンを基板上に投影する装
    置。
  25. 【請求項２５】前記別のアラインメントマークの後側の
    アラインメントビームの光路中に、マスクアラインメン
    トマーク及び基板アラインメントマークからの放射をそ
    れぞれ受光する２個の検出器を配置したことを特徴とす
    る請求項23又は24に記載のマスクパターンを基板上に投
    影する装置。
  26. 【請求項２６】前記別のアラインメントマークと２個の
    検出器との間に結像レンズを配置したことを特徴とする
    請求項25に記載のマスクパターンを基板上に投影する装
    置。
  27. 【請求項２７】前記フーリエレンズ系とマスクとの間に
    アラインメントビームをマスクに向けて反射し、マスク
    アラインメントマーク及び基板アラインメントマークで
    反射した放射を前記別のアラインメントマークに向けて
    透過させる部分的透過性の反射体を配置したことを特徴
    とする請求項24,25又は26に記載のマスクパターンを基
    板上に投影する装置。
  28. 【請求項２８】基板アラインメントマーク及びマスクア
    ラインメントマークを、それぞれ位相回折格子及び振幅
    回折格子の形態としたことを特徴とする請求項１から27
    までのいずれか１項に記載のマスクパターンを基板上に
    投影する装置。
  29. 【請求項２９】前記アラインメントビームの光路中に周
    期信号によって制御される手段を配置し、検出系によっ
    て観測される第２アラインメントマーク及びこの第２ア
    ラインメントマーク上の第１アラインメントマークの像
    を互いに周期的に変位させるように構成したことを特徴
    とする請求項１から28までのいずれか１項に記載のマス
    クパターンを基板上に投影する装置。
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