JP2996211B2

JP2996211B2 - 位置検出装置及び方法

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Publication number: JP2996211B2
Application number: JP9231590A
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: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-12-27
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: JPH10122815A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【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。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】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（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）・（０．５／１８
０）≒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。

【０００６】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。

【０００７】

【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。

【０００８】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。

【０００９】

〔作用〕

本発明では、例えば基準回折マーク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明
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、これら精度を向上させれば、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。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１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。図１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Ｈｅ−Ｎｅレーザを光源と
することが望ましい。

【００１１】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６（以下、単にＡＯＭ６と呼ぶ）に入射する。ＡＯＭ
５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ｆ
₁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。

【００１２】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、ｆ
₁≫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、７９．９７
５ＭＨｚとし、その周波数差Δｆを２５ＫＨｚと低く設
定するため、２つのＡＯＭ５，６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。

【００１３】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）１４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１
２ａ，１２ｂを通った後、ミラー１３で反射されてＨＢ
Ｓ１４に入射する。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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Ｌ
Ｂ₂（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。Ｐ
ＢＳ１９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Ａ
Ｘ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。

【００１７】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Ｌ
Ｂ_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。

【００１８】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）２
７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２
９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、図２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。

【００１９】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，Ｌ
Ｂ_2pのウエハ上での交差角θは大きくとも対物レンズ２
９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。

【００２０】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０．０１μｍ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。

【００２１】図３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、図３（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Ｌ
Ｂ_1p，ＬＢ_2pの回転誤差ωの調整に使用されるもので、
図３（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３３ｂ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。

【００２２】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（図２）、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。

【００２３】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ＡＸ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Ｅ
ｐ（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。

【００２４】位相検出系３２は光電検出器３１からの光
ビート信号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、図４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Δψ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。

【００２５】

【数１】

【００２６】ここで、ウエハマークＷＭのピッチＰを８
μｍ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０．０
０２２μｍ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。

【００２７】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，ＬＢ_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。

【００２８】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，ＬＢ_2pが照射されると（図２）、ウ
エハマークＷＭ上には図５（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Ｗ
Ｍに対してＸ方向にビームＬＢ_1p，ＬＢ_2pの差周波数Δ
ｆ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（図５（Ａ））。但し、
ビームＬＢ_1p，ＬＢ_2pの波長をλとする。

【００２９】

【数２】

【００３０】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でなくなるので図
５（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（図６（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３
１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ψ₁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（図６（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ψ₂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（ψ₂−
ψ₁）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（ψ₂−ψ₁）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３２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（ψ₂−ψ₁）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。

【００３１】

【数３】

【００３２】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，Ｌ
Ｂ_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Ｌ
Ｂ_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。

【００３３】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。

【００３４】

【数４】

【００３５】また、計測再現性σψはウエハステージＷ
Ｓ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３
５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σψは計
測回数Ｎの増加と共に１／√Ｎ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。

【００３６】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。

【００３７】次に、図７、図８を参照してビームＬ
Ｂ_1p，ＬＢ_2pの回転誤差ωの調整動作について説明す
る。図７（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（図７（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ＭＣＳ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（図８（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ψ₃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（図８（Ｂ））、同
様の動作で干渉光ＢＴＬの光ビート信号を位相検出系３
２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ψ₄を求め、２つの位置での光ビー
ト信号間の相対位相差（ψ₄−ψ₃）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。

【００３８】

【数５】

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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Ｌ
Ｂ_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。

【００４２】以上の通り本実施例においては、ビームＬ
Ｂ_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（図３）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。図９（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Ｆ
Ｍ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、図９（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Ｌ
Ａ）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。

【００４３】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図１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。

【００４４】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。

【００４５】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Ｌ
Ｂ₁, 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、図１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。

【００４６】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、図１０（Ａ）
に示すように照明領域ＬＡ内で静止したウエハマークＷ
Ｍ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
（図１０（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、図１１（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Ｌ
ｘ，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Ｅ
Ｃ（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。

【００４７】また、アライメント系の受光系を図１２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。図１２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４２、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。

【００４８】尚、ハーフミラー４１を用いず、レンズ４
０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Ｓ
Ｄとして用いれば良い。

【００４９】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。

【００５０】図１３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（図１）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。

【００５１】図１３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５
０〜１００μｍ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。

【００５２】図１４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、図１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。図１４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５
１を介して対物レンズＯＢＪに入射することになる。図
１４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ＢＭ ₁、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Ｐ
Ｌ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Ｗ
Ｍからの干渉光をＢＴＬ_Wとする。

【００５３】さて、空間フィルター５４により抽出され
た干渉光ＢＴＬ_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（ＰＢＳ）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Δｆ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を上記位相差が略
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。

【００５４】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Ｂ
Ｍ_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、Ｂ
Ｍ_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（図１３）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Ｌ
Ｂ_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。

【００５５】ここで、ビームＢＭ_1p、ＢＭ_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ＢＭ_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ＢＴＬ_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。

【００５６】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、図１５に
示すように対物レンズ２９を射出したビームＬＢ_1P、Ｌ
Ｂ_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〜５
００μｍ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、図１３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。

【００５７】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
係を図１３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ＬＢ_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。

【００５８】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、例えば図９（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。

【００５９】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。

【００６０】

【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２本のビームと回折格子との位置関係
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】

【図１】図１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

【図２】図２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

【図３】図３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

【図４】図４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

【図５】図５（Ａ）、（Ｂ）は基板上の２つのビームの
交差角（干渉縞ピッチ）の計測動作の説明に供する図

【図６】図６（Ａ），（Ｂ）は基板上の２つのビームの
交差角（干渉縞ピッチ）の計測動作の説明に供する図

【図７】図７（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

【図８】図８（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

【図９】図９（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

【図１０】図１０（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

【図１１】図１１（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

【図１２】図１２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

【図１３】図１３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

【図１４】図１４は図１３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

【図１５】図１５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。

【符号の説明】

１〜１１，１３，１４…ビーム発生手段、１２ａ，１２
ｂ、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、３３
ａ，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、ＭＣＳ…主制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 - 11/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された回折パターンに可干渉
性の２つのビームを所定の交差角で２方向から照射する
ビーム照射手段と、前記回折パターンから発生した回折
光同志の干渉光を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回折パターンの位置を
検出する位置検出装置において、基準回折マークが形成された基準部材と；前記基準回折マーク上での複数部分からの光情報に基づ
いて、前記基準回折マークに対する前記２つのビームの
位置関係を算出する演算手段と；を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記基準回折マークに対する前記２つのビ
ームの位置関係は、前記２つのビームと前記基準回折マ
ークとの相対回転誤差と、前記２つのビームの交差角と
の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記
載の装置。
【請求項３】前記位置検出装置は、前記相対回転誤差
と、前記交差角との少なくとも一方を調整する補正手段
を有することを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】前記ビーム照射手段は、前記２つのビーム
に周波数差を与える光変調手段を有し、該光変調手段が
前記補正手段を兼用することを特徴とする請求項３記載
の装置。
【請求項５】ステージ上に載置された基板に形成された
回折パターンに所定の交差角で２つのビームを２方向か
ら照射し、前記回折パターンから発生した回折光同志の
干渉光の検出結果に基づいて前記回折パターンの位置を
検出する位置検出方法において、前記ステージ上に形成された基準回折マークに前記２つ
のビームを照射すること；前記基準回折マークの第１部分領域からの第１光情報を
得ること；前記基準回折マークの第２部分領域からの第２光情報を
得ること；前記第１、第２光情報に基づいて、前記基準回折マーク
に対する前記２つのビームの位置関係を求めること；とを有することを特徴とする位置検出方法。
【請求項６】前記基準回折マークに対する前記ビームの
位置関係は、前記２つのビームと前記基準回折マークと
の相対回転誤差と、前記２つのビームの交差角との少な
くとも一方を含むことを特徴とする請求項５に記載の方
法。
【請求項７】基板上に形成された回折パターンに所定の
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照射手段と、前記回折パターンか
ら発生した回折光同志の干渉光を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回折パ
ターンの位置を検出する位置検出装置において、前記２つのビームに所定の周波数差を与える光変調手段
と；前記回折パターンに対する前記２つのビームの位置関係
を補正するように、前記光変調手段を制御する制御手段
と；を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】前記光変調手段は、音響光学変調器と、該
音響光学変調器にドライブ信号を印加するドライブ回路
とを含み、前記制御手段は前記ドライブ回路の周波数を
調整することを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】基板上に形成された回折パターンに所定の
交差角で２方向から２つのビームを照射し、前記回折パ
ターンから発生した回折光同志の干渉光に基づいて前記
回折パターンの位置を検出する位置検出方法において、光変調手段により前記２つのビームに所定の周波数差を
与えること；前記光変調手段を調整して、前記回折パターンに対する
前記２つのビームの位置関係を可変とすること；とを備えたことを特徴とする位置検出方法。