JP3149472B2

JP3149472B2 - 走査露光装置および物体の移動測定装置

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Publication number: JP3149472B2
Application number: JP24505491A
Authority: JP
Inventors: 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH0562871A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マスク上のパターンを
感光基板上に投影露光する際、マスクと感光基板とを投
影光学系に対して同時に走査する走査露光装置に関する
ものである。また本発明は、移動物体の速度、位置など
を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】（走査露光装置の第１の従来例）従来の
走査露光装置として、等倍の反射投影光学系を備え、マ
スクを保持するマスクステージと感光基板（ウエハ）を
保持する基板ステージとを共通の移動コラムに結合し
て、同一速度で走査露光する方式が知られている。この
等倍の反射投影光学系は、屈折素子（レンズ）を用いな
いために広い露光波長域に渡って色収差が良好であり、
光源（水銀ランプ）からの輝線スペクトルの２本以上
（例えばｇ線とｈ線等）を同時に使って露光強度を高
め、高速な走査露光を可能としている。しかしながら反
射投影系では、Ｓ（サジタル）像面とＭ（メリジオナ
ル）像面の双方の非点収差をともに零にする点が、反射
投影系の光軸から一定距離の像高位置近傍に制限される
ため、マスクを照明する露光光の形状は幅の狭い輪帯の
一部分、いわゆる円弧スリット状になっている。このよ
うな等倍の走査露光装置（ミラープロジェクションアラ
イナー）では、ウエハ上に投影されるマスクのパターン
像が鏡像関係にならないようにすると、マスクとウエハ
とを一体の移動コラム上にアライメントした状態で保持
させた後は移動コラムが円弧状スリット照明光の幅方向
に一次元走査を行なうことで露光が完了する。当然のこ
とながら、ウエハ上に投影されたマスクパターン像が鏡
像関係になるような等倍投影系では、マスクステージと
ウエハステージとを互いに逆方向に同一速度で移動させ
る必要がある。

【０００３】（走査露光装置の第２の従来技術）さらに
従来の走査露光方式として、屈折素子を組み込んで投影
倍率を拡大、または縮小にした状態でマスクステージと
感光基板のステージとの両方を倍率に応じた速度比で相
対走査するものも知られている。この場合、投影光学系
は反射素子と屈折素子とを組み合せたもの、あるいは屈
折素子のみで構成されたものが使われ、反射素子と屈折
素子とを組み合せた縮小投影光学系の一例としては、特
開昭６３−１６３３１９号公報に開示されたものがあ
る。そしてこの投影光学系を用いた走査露光装置がパー
キン・エルマー社からステップ＆スキャン方式のアライ
ナー（商品名Micrascan １system）として発表されてい
る。

【０００４】（走査露光装置の第３の従来技術）また、
フルフィールド投影が可能な縮小投影光学系を用いて、
ステップ＆スキャン露光を行なう１つの方法も、特開平
２−２２９４２３号に開示されている。

【０００５】（走査露光装置のポイント）以上のような
スキャン方式の露光装置のうち、投影倍率が等倍以外の
装置では、マスクステージとウエハステージとを倍率に
応じた速度比で精密に走査移動させる必要があるととも
に、走査中に生ずるマスクパターンとウエハ上のパター
ンとの整合状態からのずれも許容範囲内に押え込んでお
く必要がある。許容できる整合ずれは、ウエハ上の最小
パターン線幅から概略的に規定されるが、例えば0.８μ
ｍ程度の線幅のパターンをウエハ上に作るとなると、そ
の１／５〜１／１０以下のずれ量しか許容されない。従
って、走査露光中においては、マスクとウエハとの相対
的な位置ずれを常にモニターできることが望ましい。

【０００６】（走査中の位置ずれモニタ付き走査露光装
置の従来例）その１つの従来例として、特開昭６３−４
１０２３号公報に開示されたように、マスク（レチク
ル）に形成されたハの字状の複数のレチクルマークと、
ウエハに形成されたハの字状の複数のウエハターゲット
とを、走査露光の直前、もしくは走査露光中に次々と検
出して、レチクルとウエハとの相対位置関係（倍率エラ
ーや回転エラーも含む）を補正する方式が知られてい
る。

【０００７】上記、特開昭６３−４１０２３号公報に開
示された方式は、図１５に簡単に示したように、レチク
ルＲの周辺に形成された複数のハの字マーク群ＲＭ1 、
ＲＭ2 、ＲＭ3 と、ウエハＷ上のショット領域ＳＡの周
辺に形成された複数のハの字マーク群ＷＭ1 、ＷＭ2 、
ＷＭ3とを、ハの字に配置したスリット状の照明光束Ａ
ＩＬの照射のもとで、次々に相対走査する。図１５にお
いて投影光学系ＰＬは説明を簡単にするため等倍で図示
し、レチクルＲとウエハＷとは矢印のように互いに逆方
向に走査移動する。このとき、照明光束ＡＩＬの照射に
よってレチクルマークＲＭ1 、ＲＭ2 、ＲＭ3 とウエハ
マークＷＭ1 、ＷＭ2 、ＷＭ3 から反射された正反射
光、もしくは散乱光の光量変化は図１６に示すように、
時間軸上で規定される。

【０００８】図１６（Ａ）はレチクルマークからの反射
光を光電検出して得られる信号波形の一例を表し、図１
６（Ｂ）はウエハマークからの散乱光を光電検出して得
られる信号波形の一例を表す。レチクルＲとウエハＷの
アライメントは、レチクル信号波形中のパルスＰ1 がウ
エハ信号波形中の１対のパルスＰ2 、Ｐ3 と時間的に整
合し、引き続きレチクル信号波形中のパルスＰ4 、Ｐ7
がそれぞれウエハ信号波形中の１対のパルスＰ5 、Ｐ6
、およびパルスＰ8 、Ｐ9 と時間的に整合するよう
に、レチクルＲ、ウエハＷの走査速度と相対位置を調整
することによって達成される。ただし、実際に走査露光
を行なっている間に各マークを始めて検出するとなる
と、走査露光の開始時点では精密なアライメントが達成
されていないことになる。

【０００９】そこで実際の露光開始前に図１５に示した
ように予備走査を行ない、レチクル信号波形中の各パル
スＰ1 、Ｐ4 、Ｐ7 の各位置を平均した位置と、ウエハ
信号波形中の各パルスＰ2 、Ｐ3 、Ｐ5 、Ｐ6 、Ｐ8 、
Ｐ9 の各位置を平均した位置とを求め、両平均位置の差
から走査露光方向のアライメント誤差ΔＸがわかる。ま
たパルスＰ1 〜Ｐ6 の各位置から次式を算出すると、走
査方向と直交する方向のアライメント誤差ΔＹがわか
る。 ΔＹ＝（（Ｐ5 ＋Ｐ6 ）−（Ｐ2 ＋Ｐ3 ））−（Ｐ4 −Ｐ1 ）

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
非常に細いスリット状の照明光束ＡＩＬが各アライメン
トマークを横切った時だけ、各信号波形が得られるた
め、高いアライメント精度を得るには複数個のマークの
位置を検出して、その平均値を求める等の処理が不可欠
になる。従って予備的なアライメントのための走査を行
なった後、露光用の本走査を行なうことになる。これで
はスループットが犠牲になってしまうという問題を避け
られない。また上記従来のマーク形状では、例え１ケ所
のマーク検出での精度が十分であっても、マークの大き
さは走査方向に関して極めて狭い幅寸法しか有していな
いため、アライメント信号波形中の各パルスは時間的に
断続的なものになり、信号波形中でパルスが発生しない
期間では、実質的にアライメント誤差の検出を行なって
いないことになる。このため、走査方向に並んだ複数の
マークの各間の部分では、レチクルＲやウエハＷを移動
させる走査ステージの位置を計測するレーザ干渉計の計
測値を頼りにすることになる。

【００１１】本発明の目的は、互に逆方向に走査して露
光する際、走査ステージの位置計測値を用いることなく
走査中にほぼ間断なく、かつ走査方向に影響を受けずに
干渉縞アライメントを可能にした走査露光装置を提供す
ることにある。また本発明の目的は、移動物体の位置、
速度等を精度よく測定できる装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を達成するための手段】（１）請求項１の発明
は、照明光に対してマスクと基板とをそれぞれ相対移動
し、前記マスクを介して前記照明光で前記基板を走査露
光する装置において、前記走査露光中、前記基板上の格
子マークにコヒーレントビームを照射するとともに、前
記格子マークから発生する２つの回折光を干渉させて受
光し、前記格子マークの位置情報に応じた検出信号を出
力するアライメント光学系と、前記基板の移動による前
記検出信号の変動を補償するように、前記基板の走査露
光条件に応じて前記アライメント光学系による前記格子
マークの検出条件を決定する制御手段とを備えたことを
特徴とする。（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の走査露光装
置において、前記照明光が照射される前記マスク上のパ
ターンの一部を前記基板上に投影する投影光学系を更に
備え、前記アライメント光学系は、前記投影光学系を介
して前記基板上の格子マークを検出することを特徴とす
る。（３）請求項３の発明は、請求項２に記載の走査露光装
置において、前記アライメント光学系は、前記マスク上
の格子マークにコヒーレントビームを照射し、前記マス
ク上の格子マークと前記基板上の格子マークとをそれぞ
れ検出することを特徴とする。（４）請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項
に記載の走査露光装置において、前記走査露光中、前記
検出信号がほぼ連続して得られるように、前記マスクの
原画パターンの走査露光範囲のほぼ全域に渡って前記格
子マークを形成することを特徴とする。（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の走査露光装
置において、前記格子マークは、前記走査露光の方向に
沿って配列される複数の格子要素からなる第１格子を含
むことを特徴とする。（６）請求項６の発明は、請求項５に記載の走査露光装
置において、前記アライメント光学系は、前記格子マー
ク上に周波数が異なる２本のビームを照射し、前記制御
手段は、前記走査露光条件に応じて前記２本のビームの
周波数差を調整する周波数調整器を有することを特徴と
する。（７）請求項７の発明は、請求項６に記載の走査露光装
置において、前記走査露光条件は、前記走査露光の方向
を含み、前記周波数調整器は、前記方向の正負によら
ず、常に前記検出信号の周波数が前記２本のビームの周
波数差以上となるように、前記周波数差の極性を反転さ
せることを特徴とする。（８）請求項８の発明は、請求項５に記載の走査露光装
置において、前記格子マークは、前記走査露光の方向と
直交する方向に沿って配列される複数の格子要素からな
る第２格子を含むことを特徴とする。（９）請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか一項
に記載の走査露光装置において、前記走査露光中、前記
マスクと前記基板との相対位置ずれ量が所定値以下に維
持されるように、前記アライメント光学系から得られる
検出信号に基づいて、前記マスクと前記基板とを相対移
動する駆動手段を更に備えることを特徴とする。（１０）請求項１０の発明は、請求項９に記載の走査露
光装置において、前記走査露光中、前記マスクと前記基
板との相対回転誤差を検出する検出手段を更に備え、前
記駆動手段は、前記照明光の照射領域の中心を回転中心
として前記マスクと前記感光基板とを相対回転させるこ
とを特徴とする。（１１）請求項１１の発明は、請求項１０に記載の走査
露光装置において、前記検出手段は、前記アライメント
光学系から得られる検出信号に基づいて前記相対回転誤
差を検出することを特徴とする。（１２）請求項１２の発明は、請求項９〜１１のいずれ
か一項に記載の走査露光装置において、前記駆動手段
は、前記マスクを保持するマスクステージと、前記基板
を保持する基板ステージとを有し、前記走査露光中、前
記マスクステージと前記基板ステージとの一方を定速制
御するとともに、前記検出信号に基づいて前記マスクス
テージと前記基板ステージとの他方をサーボ制御するこ
とを特徴とする。（１３）請求項１３の発明は、請求項１〜１２のいずれ
か一項に記載の走査露光装置において、前記アライメン
ト光学系によって検出される基準マーク板と、前記アラ
イメント光学系とは別に設けられ、前記マスク上のマー
クを検出するマーク検出系とを更に備え、前記アライメ
ント光学系及び前記マーク検出系による前記基準マーク
板の検出によって前記アライメント光学系のベースライ
ン量を決定することを特徴とする。（１４）請求項１４の発明は、請求項１〜１３のいずれ
か一項に記載の走査露光装置において、前記照明光が照
射される前記マスク上のパターンの一部を前記基板上に
投影する投影光学系を更に備え、前記投影光学系はテレ
セントリックな縮小系であることを特徴とする。（１５）請求項１５の発明は、請求項１４に記載の走査
露光装置において、前記マスクに前記照明光を照射する
とともに、前記マスク上での前記照明光の照射領域を、
前記投影光学系の視野内でその光軸を含むように規定す
る照明光学系を更に備えることを特徴とする。（１６）請求項１６の発明は、請求項１５に記載の走査
露光装置において、前記照明光学系は、前記照射領域を
前記走査露光の方向と直交する方向に延びる矩形状に規
定する絞り部材を含むことを特徴とする。（１７）請求項１７の発明は、請求項１６に記載の走査
露光装置において、前記絞り部材は、前記照射領域の中
心が前記投影光学系の光軸とほぼ一致するように配置さ
れることを特徴とする。（１８）請求項１８の発明は、所定方向に沿って往復移
動する物体上に形成され、前記所定方向に配列される複
数の格子要素からなる回折格子に、前記物体の表面と直
交する方向に関して対称的に傾いた２本のコヒーレント
なビームを照射するとともに、前記回折格子から発生す
る２つの回折光を干渉させて受光し、前記物体の移動量
又は位置情報を測定する装置において、前記２本のビー
ムに所定の周波数差を与える周波数変調手段と、前記所
定方向に移動する前記物体の向きに応じて、前記２本の
ビームの周波数に関する設定条件を変更する設定手段と
を備えたことを特徴とする。（１９）請求項１９の発明は、請求項１８に記載の物体
測定装置において、前記設定手段は、前記所定方向に移
動する前記物体の向きによらず、前記２つの回折光を受
光して得られる検出信号の周波数が常に前記２本のビー
ムの周波数差以上となるように、前記周波数差の極性を
切り換えることを特徴とする。

【００１３】

【実施例】実施例を説明する前に、図１（Ａ）により実
施例の原理的な走査露光装置を説明する。（１）走査露光装置は、投影光学系（ＰＬ）を挾んでマ
スク（Ｒ）と感光基板（Ｗ）とを結像関係に配置し、マ
スクステージ（５１０）と基板ステージ（５２０）とを
投影倍率に応じた速度比で同時に第１方向（例えばＸ方
向）に相対移動させて、マスク（Ｒ）の原画パターンを
感光基板（Ｗ）上のショット領域に走査露光する装置に
関するものである。（２）図１（Ａ）において、マスク（Ｒ）には、第１方
向（Ｘ方向）に沿って一定ピッチで配列された複数の格
子要素から成るマスク格子（ＲＭ）が、原画パターンの
走査範囲に渡って設けられている。また、感光基板
（Ｗ）には、マスク格子（ＲＭ）に対応した基板格子
（ＷＭ）が同様に設けられている。（３）さらに、第１方向に関して対称的に傾いた２本の
コヒーレントなビーム（ＢＬ１，ＢＬ２）がマスク格子
（ＲＭ）と基板格子（ＷＭ）のそれぞれを照射するよう
に、それら２本のビーム（ＢＬ１，ＢＬ２）をマスク
（Ｒ）および投影光学系（ＰＬ）を介して感光基板
（Ｗ）に向けるビーム照射手段５０１と、ビーム照射手
段５０１から射出される２本のビーム（ＢＬ１，ＢＬ
２）に一定の周波数差を与える周波数変調手段５０２
と、２本のビーム（ＢＬ１，ＢＬ２）の照射によってマ
スク格子（ＲＭ）から同一方向に生じる２つの回折光に
よって形成された干渉光を光電検出し、周波数差とマス
ク（Ｒ）の走査速度とに応じた周波数の第１の交流信号
を出力する第１光電検出器５０３と、２本のビーム（Ｂ
Ｌ１，ＢＬ２）の照射によって基板格子（Ｗ）から同一
方向に生じる２つの回折光によって形成された干渉光を
光電検出し、周波数差と基板（Ｗ）の走査速度とに応じ
た周波数の第２の交流信号を出力する第２光電検出器５
０４と、第１交流信号と第２交流信号とを比較し、マス
ク（Ｒ）と基板（Ｗ）との相対走査中における位置ずれ
を検出する位置ずれ検出手段５０５と、この位置ずれ検
出手段５０５で検出された位置ずれに応じてマスクステ
ージ５１０と基板ステージ５２０を駆動制御する駆動手
段５０６と、マスク（Ｒ）の走査方向が第１方向の正方
向であるか負方向であるかに応じて、ビーム照射手段５
０１からの２本のビーム（ＢＬ１，ＢＬ２）の周波数差
の極性を反転させるように切換える切換手段５０７とを
有し、第１交流信号、第２交流信号の周波数がマスク
（Ｒ）の走査方向の正負によらず、常に２本のビーム
（ＢＬ１，ＢＬ２）の周波数差以上になるように構成す
る。

【００１４】図１（Ａ）の装置では、走査露光装置に干
渉縞アライメント法を適用する時、マスク（Ｒ）の走査
方向に応じて、マスク格子（ＲＭ）と基板格子（ＷＭ）
にそれぞれ入射されるビーム（ＢＬ１，ＢＬ２）の周波
数差の極性が切換えられる。その結果、マスク格子（Ｒ
Ｍ）に対応する第１交流信号と、基板格子（ＷＭ）に対
応する第２交流信号の各周波数がマスク（Ｒ）の走査方
向の正負によらず、常に２本のビーム（ＢＬ１，ＢＬ
２）の周波数差以上になる。したがって、マスク走査方
向や走査速度が制限されなくなり、スループットが向上
する。

【００１５】実施例の原理的な物体測定装置を図１
（Ｂ）により説明する。（１）第１方向に沿って往復移動する物体６０１上に
は、この第１方向に沿って一定ピッチで配列された複数
の格子要素からなる回折格子６０２が設けられ、この回
折格子上の同一部分に２本のコヒーレントなビーム６０
３，６０４を第１方向に関して対称的に傾けて同時に照
射し、回折格子６０２から同一方向に生じる２つの回折
光によって形成される干渉光を光電検出器６０５で検出
して得られた交流信号に基づいて、物体６０１の移動量
または移動位置を測定する。（２）回折格子６０２を照射する２本のビーム６０３，
６０４に所定の周波数差を与える周波数変調手段６０６
と、物体６０１の往復移動の方向性によって２本のビー
ムの周波数差の極性を切換える切換手段６０７とを備
え、光電検出器６０５で得られる信号の周波数を、物体
６０１の往復移動の方向性にかかわらず、常に周波数差
以上にするように構成したものである。（３）図１（Ｂ）に示す装置では、回折格子６０２に入
射される２本のビーム６０３，６０４の周波数差の極性
は、物体の移動方向に応じて切換えられる。この結果、
光電検出器６０５で得られる各ビームに対応する周波数
が、物体の移動方向にかかわらず常に周波数差以上にな
る。したがって、物体の移動方向によって位置や速度が
測定できなくなったり、その精度が低下するといった問
題が解消される。

【００１６】

【実施例】−第１の実施例− （全体構成）図２は本発明の第１の実施例によるステッ
プ＆スキャン露光装置の構成を示し、図３はスキャン露
光時の様子を模式的に示した斜視図である。図２におい
て、投影光学系ＰＬは、一例として従来の屈折素子のみ
で構成されたフルフィールドタイプの１／５縮小投影レ
ンズであり、レチクルＲ側とウエハＷ側がともにテレセ
ントリックになっている。

【００１７】露光用光源からの照明光は、フライアイレ
ンズ等によって均一な照度分布になって照明視野絞りと
してのレチクルブラインド１を照射する。ブラインド１
には、レチクルＲ上をスリット状に照明するためのスリ
ット開口が設けられる。このスリット開口の長手方向は
レチクルＲ、ウエハＷの走査方向、例えばＸ方向と直交
したＹ方向に一致している。ブラインド１のスリット開
口を通った照明光は、レンズ系２、ミラー３、コンデン
サーレンズ４、およびダイクロイックミラー（またはビ
ームスプリッター）５を介してレチクルＲに達する。こ
こでブラインド１はレンズ系２、コンデンサーレンズ４
の合成系に関してレチクルＲのパターン面（投影レンズ
ＰＬと対向した面）と共役に配置され、レチクルＲには
スリット開口の像が結像される。またスリット開口の中
心は投影レンズＰＬ、および照明光学系（レンズ系２、
コンデンサーレンズ４等）の光軸ＡＸに一致しているも
のとする。

【００１８】レチクルＲは少なくともＸ方向に大きく移
動可能なレチクルステージ６上に吸着保持される。レチ
クルステージ６はコラム７上をモータ８によってＸ方向
に走査移動する。もちろん、レチクルＲのアライメント
のためにはＹ方向とθ方向の微動機構も必要であるが、
ここではその図示、および説明を省略する。レチクルＲ
のスリット照明領域内に存在するパターンの像は投影レ
ンズＰＬによってウエハＷ上に結像投影される。ウエハ
Ｗは２次元（Ｘ、Ｙ方向）に大きく移動するウエハステ
ージ９上に載置され、このステージ９はモータ１０によ
って駆動される。レーザ干渉計１１はウエハステージ９
の座標位置の変化を遂次計測するとともに、ウエハステ
ージ９のＸ方向、およびＹ方向の移動速度に関するスピ
ード信号も出力する。駆動制御部１２はレーザ干渉計１
１からの位置情報やスピード信号に基づいてモータ１０
を最適な駆動パターンで制御する。本実施例ではウエハ
ステージ９のＸ方向の移動によって走査露光を行ない、
Ｙ方向の移動をステッピングに使うものとするが、その
逆であってもよいことは言うまでもない。なお、図２に
は示してないが、レチクルステージ６はレーザ干渉計に
よって座標位置、回転（ヨーイング）誤差等が計測され
ているものとする。

【００１９】次に図３を参照して、レチクルＲとウエハ
Ｗに形成されたアライメントマークの配置の一例を説明
する。図３に示したように、レチクルＲとウエハＷはＸ
方向に沿って互いに逆方向に走査移動されることから、
レチクルＲ上のパターン領域ＰＡの周辺のＸ方向に伸び
たストリートライン領域内に、複数の格子要素をＸ方向
に一定ピッチで走査範囲に渡って配列した格子マークＲ
Ｍａ、ＲＭｂが設けられる。格子マークＲＭａ、ＲＭｂ
はパターン領域ＰＡを挾んでＹ方向に離して設けられる
が、その格子ピッチのＸ方向の位置関係は一致している
ものとする。

【００２０】一方、ウエハＷ上には複数のパターン（シ
ョット）領域ＳＡが形成され、各ショット領域ＳＡの周
辺には、レチクルＲの格子マークＲＭａと対応したスト
リートライン領域の位置に、同様の格子マークＷＭａが
形成され、格子マークＲＭｂと対応したストリートライ
ン領域の位置に同様の格子マークＷＭｂが形成される。

【００２１】レチクルＲの格子マークＲＭａとウエハＷ
の格子マークＷＭａとのＸ方向の相対位置ずれは、光軸
ＡＸａを有するアライメント光学系を介して検出され、
レチクルＲの格子マークＲＭｂとウエハＷの格子マーク
ＷＭｂとのＸ方向の相対位置ずれは、光軸ＡＸｂを有す
るアライメント光学系を介して検出される。これら光軸
ＡＸａ、ＡＸｂはいずれも投影レンズＰＬの瞳面ＥＰの
中心で光軸ＡＸと交差する。

【００２２】ここで再び図２を参照してアライメント
系、および制御系について説明する。本実施例では、レ
チクルＲ、ウエハＷの各格子マークのピッチ方向の位置
ずれを検出するのに好適な干渉縞アライメント法を採用
する。この干渉縞アライメント法の一例は、例えば特開
昭６３−２８３１２９号公報、特開平２−２２７６０２
号公報等に開示されているので、ここでは簡単に説明す
る。

【００２３】（一般的な干渉縞アライメント法）Ｎｅ−
Ｎｅ、Ｈｅ−Ｃｄ、またはＡｒイオン等のレーザ光源２
０からのコヒーレントな直線偏光レーザは２光束化周波
数シフタ部２１に入射され、周波数差Δｆを有する２つ
のビームＢＬ1、ＢＬ2 が作られる。周波数差Δｆは、
アライメントマークからの光を受光する光電検出器の周
波数応答性によって上限が決まり、半導体センサーでは
実用的には１００ｋHz以下、例えば５０ｋHz程度がよ
い。ただし、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）を
使う場合等は比較的高い周波数にすることができる。こ
の２光束化周波数シフタ部２１の詳細は後述する。

【００２４】２つのビームＢＬ1 、ＢＬ2 は送光光学系
２２を介して複数のアライメント光学系（上述した光軸
ＡＸａ，ＡＸｂを有する）へ分配される。図２では１つ
のアライメント光学系を構成する対物レンズ２３と先端
ミラー２４とを示す。そして対物レンズ２３の光軸が図
３に示した光軸ＡＸａ、ＡＸｂのいずれか一方に相当す
る。２つのビームＢＬ1 、ＢＬ2 は対物レンズ２３の光
軸から対称に偏心して対物レンズ２３に入射し、ミラー
２４とダイクロイックミラー５を介して対物レンズ２３
の焦点位置に存在するレチクルＲのパターン面で互いに
平行光束となって交差する。この交差によってレチクル
Ｒの格子マークＲＭａ、またはＲＭｂ上に１次元の干渉
縞が作られる。そしてレチクルＲの透明部を透過した２
本のビームは投影レンズＰＬを介してウエハＷ上の格子
マークＷＭａ、またはＷＭｂ上で交差して１次元の干渉
縞が作られる。

【００２５】これら干渉縞は２本の送光ビーム間にΔｆ
の周波数差があることから、Δｆに比列した速度で干渉
縞のピッチ方向に流れる。各格子マークのピッチ方向と
干渉縞のピッチ方向とが一致するように、２本の送光ビ
ームの入射方向を決定し、かつ格子マークのピッチと干
渉縞のピッチとが所定の関係（例えば整数比）になるよ
うに、２本の送光ビームの交差角を決定すると、各格子
マークからは、垂直方向に周波数差Δｆと同じビート周
波数をもった干渉光が発生する。この干渉光はビート周
波数Δｆで常時明暗を繰り返しており、格子マークと２
本の送光ビームの交差領域の相対位置がＸ方向に微少偏
位した状態にあったとしても、そのビート周波数Δｆは
変化しない。

【００２６】これら格子マークからの干渉光はミラー
５、２４、対物レンズ２３を介して、光電検出ユニット
２５に導びかれ、正弦波状の検出信号ＳＲ、ＳＷが作ら
れる。信号ＳＲはレチクルＲの格子マークＲＭａ、また
はＲＭｂからの干渉光を光電検出して得られ、信号ＳＷ
はウエハＷの格子マークＷＭａ、またはＷＭｂからの干
渉光を光電検出して得られたもので、レチクルＲとウエ
ハＷとが静止した状態では、どちらの信号の周波数もΔ
ｆである。ただしレチクルＲの格子マークとウエハＷの
格子マークとが、そのピッチ方向にずれているときは、
２つの信号ＳＲ、ＳＷの間に位相差Δφが生じる。この
位相差Δφは位相差計測部２７によって検出され、検出
された位相差に対応した位置ずれ量が算出される。検出
可能な位相差は、通常±１８０°の範囲であり、これは
格子マークのピッチをＰｇ（μｍ）とすると、位置ずれ
量として±Ｐｇ／２（μｍ）、または±Ｐｇ／４（μ
ｍ）に相当する。

【００２７】（走査露光装置に採用する干渉縞アライメ
ント法）主制御部３０は、この位置ずれ量の値を入力
し、ウエハステージ９の駆動制御部１２、またはレチク
ルステージ６の駆動制御部２８に遂次補正値を出力す
る。先に述べた従来の干渉縞アライメント法では、主制
御系３０は単にその位相差が所定値になるまでモータ
８、または１０を駆動してレチクルステージ６、または
ウエハステージ９のいずれか一方を微動させるだけでよ
かった。しかしなから本実施例のように、レチクルＲと
ウエハＷの両方が高速移動するスキャン露光中にも、２
つの信号ＳＲとＳＷの位相差を求めるとなると、別の問
題が生じてくる。それは、スキャン露光によって格子マ
ークが２本の送光ビームの交差領域に対してピッチ方向
に速度ｖ（mm／ｓ）で移動し続けることによって、光電
検出すべき格子マークからの干渉光がドップラー効果を
受け、検出信号ＳＲ、ＳＷの周波数がΔｆから大きく変
動してしまうことである。信号ＳＲ、ＳＷの周波数ｆs
（ｋHz）は、格子マーク（ピッチＰｇ）の移動速度をｖ
（mm／ｓ）として次式で表わされる。ｆｓ＝Δｆ＋２ｖ／Ｐｇ（ただしビート周波数Δｆは５
０ｋHz）例えば速度ｖが−１００mm／ｓであると、信号ＳＲ、Ｓ
Ｗの周波数ｆsはＰｇ＝８μｍとして、２５ｋHzになっ
てしまい、速度ｖが＋１００mm／ｓであると、周波数ｆ
s は７５ｋHzになる。

【００２８】そのため、このような方式を採用すると、
一般的にはレチクルステージ６、ウエハステージ９の走
査速度にはある制限が伴い、たとえば、周波数ｆs とし
て位相差計測上で問題とならない値が確保できるように
走査速度ｖを低めに設定したり、周波数ｆs が低くなる
ような走査方向（−Ｘ方向）はさけて、常に＋Ｘ方向の
みに限定して走査露光を行なうようにする必要があり、
スループットの低下が避けられない。そこで、本発明に
係る走査露光装置では、レチクルＲの移動方向に応じて
２つのビームＢＬ1 、ＢＬ2の周波数差Δｆ（ビート周
波数に等しい）の極性を反転させ、レチクルＲの走査方
向にかかわらず検出信号ＳＲ，ＳＷの周波数がビート周
波数よりも、すなわち２つのビームの周波数差Δｆより
高くなるようにする。

【００２９】（２光束化周波数シフタ部２１と切換部３
２）図４により、レチクルＲの移動方向に応じて周波数
差Δｆの極性を反転させる制御部について説明する。図
４において、２光束化周波数シフタ部２１は、アライメ
ント用レーザ光源２０からのレーザ光を分割するビーム
スプリッタ２１１と、ビームスプリッタ２１１で分割さ
れた一方のレーザ光が入射される音響光学素子２１２
と、ビームスプリッタ２１１で分割された他方のレーザ
光がミラー２１４を介して入射される音響光学素子２１
３と、周波数ｆ１およびｆ１とは異なる周波数ｆ２の高
周波信号を出力する周波数シンセサイザ２１５とを有す
る。各音響光学素子２１２，２１３に入射されるアライ
メント光は、周波数シンセサイザ２１５から各音響光学
素子２１２，２１３に送られる高周波信号に応じて回折
する。

【００３０】ここで、各音響光学素子２１２，２１３の
入射光の周波数をｆ０、音響光学素子２１２，２１４に
印加される高周波信号の周波数をそれぞれｆ１，ｆ２と
すると、音響光学素子２１２で回折されて射出される＋
１次回折光の周波数はｆ０＋ｆ１、音響光学素子２１３
で回折されて射出される＋１次回折光の周波数はｆ０＋
ｆ２１となる。そこで、各音響光学素子の出射側には＋
１次回折光だけを取り出すアパーチャ２１６，２１７を
設け、アパーチャ２１７を通過したアライメント光をビ
ームスプリッタ２１８に直接に入射させ、アパーチャ２
１６を通過したアライメント光をミラー２１９を介して
ビームスプリッタ２１８に入射させる。ビームスプリッ
タ２１８により、マスク格子およびウエハ格子上でそれ
ぞれ交差するアライメント光の交差角が規定される。

【００３１】周波数シンセサイザ２１５と各音響光学素
子２１２，２１３との間には切換器２２０が設けられ、
切換器２２０の操作により、周波数シンセサイザ２１５
から出力される周波数ｆ１の信号とｆ２の信号の各々が
択一的にいずれか一方の音響光学素子に各々印加され、
このようにして、音響光学素子２１２，２１３から射出
されるアライメント光の周波数差の極性が反転される。
この切換器２２１の切換えは、２光束化周波数シフタ部
２１の外部に配置された切換駆動部３２により切換えら
れる。この切換駆動部３２にはレチクルＲの走査方向切
換え信号が入力され、切換駆動部３２は、この走査方向
切換え信号に応じて切換器２２０を切換える。

【００３２】たとえば、レチクルＲがＸ方向の正方向
（図３の矢印方向）に走査される時に切換器２２０が図
４の位置に切換わっているとする。このとき、周波数シ
ンセサイザ２１５の２つの高周波信号の周波数ｆ１，ｆ
２がｆ１＞ｆ２とすると、音響光学素子２１２から射出
されるアライメント光の周波数と音響光学素子２１３か
ら射出されるアライメント光の周波数との差が上記検出
信号ＳＲ，ＳＷの周波数より小さくなるように設定され
ている。ここで、切換駆動部３２に入力されるレチクル
走査方向信号が負方向に切換わったとすると、切換器２
２０は図示の位置から切換わり、音響光学素子２１２に
は周波数の低い高周波信号が、音響光学素子２１３には
周波数の高い高周波信号が印加される。その結果、各音
響光学素子２１２，２１３から射出されるアライメント
光の周波数差は、正方向走査と同様に検出信号ＳＲ，Ｓ
Ｗの周波数よりも小さくなる。このように、レチクルＲ
の走査方向に応じてビームＢＬ１，ＢＬ２１の周波数差
の極性を反転すると、走査速度や走査方向に制限を加え
る必要がなくなり、スループットを向上できる。

【００３３】（主制御部３０）次に、レチクルＲとウエ
ハＷの各ステージ６，９を駆動制御する主制御部３０に
ついて説明する。本実施例の主制御部３０は、より簡単
な走査中アライメント実現のために、まずウエハステー
ジ９を制御された一定速度で駆動するための速度および
位置のコントロール部３００と、レチクルステージ６を
制御された一定速度で駆動するための速度および位置の
コントロール部３０２と、トラッキング走査コントロー
ル部３０４とを有する。

【００３４】通常のレチクル単体の位置決め、いわゆる
レチクルアライメントや、ウエハ単体の位置合せ、いわ
ゆるウエハグローバルアライメント（またはＥＧＡ）の
場合、コントローラ部３００、３０２は相互に関連する
ことなく、従来通りの機能を達成する。そしてスキャン
露光時には、コントローラ部３００、３０２は相互に協
調してレチクルステージ６とウエハステージ９の相対位
置、および速度を制御する。この協調制御に関しては、
図１５に示した従来の装置においても同様に実施されて
いる。

【００３５】本実施例では、さらにトラッキング走査コ
ントロール部３０４を設け、通常の協調制御とトラッキ
ング制御とを切り替えられるようにした。このトラッキ
ング制御は、位相差計測部２７から遂次出力されるレチ
クルＲとウエハＷのＸ方向の位置ずれ量が常に一定の値
になるように、レチクルステージ６の駆動制御部２８を
サーボ制御するとともに、ウエハステージ９は単に一定
速度で制御するというものである。もちろん、レチクル
ステージ６を定速制御とし、ウエハステージ９をトラッ
キング制御としてもよい。

【００３６】すなわち本実施例では、走査露光中に連続
して信号ＳＲ、ＳＷが出力されること、換言するとレチ
クルＲとウエハＷとの相対位置ずれ量の変化が遂次検出
されることに着目して、レチクルとウエハのいずれか一
方は定速度で走査し、他方はその走査移動に追従するよ
うに制御する。

【００３７】なお、図２において基準検出系２６は２本
のビームＢＬ1 、ＢＬ2 のビート周波数Δｆを検出する
もので、この検出信号は、周波数Δｆの正弦波状の基準
信号ＳＦとして位相差計測部２７に入力され、位相差計
測部２７は、基準信号ＳＦと検出信号ＳＲとの位相差か
らレチクルＲの初期位置のずれを求めたり、基準信号Ｓ
Ｆと検出信号ＳＷとの位相差からウエハＷの初期位置の
ずれを求めたりすることができる。さらに位相差計測部
２７には周波数変化を検出する回路が組み込まれてお
り、基準信号ＳＦに対する検出信号ＳＲ、またはＳＷの
周波数変化を定量化することによって、レチクルステー
ジ６、またはウエハステージ９の速度変化を格子マーク
の移動から直接検出することが可能となっている。

【００３８】（レチクルとウエハの相対回転誤差）本実
施例では図３に示すように、２組のアライメント系（光
軸ＡＸａとＡＸｂ）が、パターン領域ＰＡの両脇の格子
マークＲＭａ、ＲＭｂ、およびショット領域ＳＡの両脇
の格子マークＷＭａ、ＷＭｂを検出しているため、光軸
ＡＸａを有するアライメント系のユニット（以後、アラ
イメントユニットＸＡとする）から得られる位置ずれ量
ΔＸａと、光軸ＡＸｂを有するアライメント系のユニッ
ト（以後、アライメントユニットＸＢとする）から得ら
れる位置ずれ量ΔＸｂとの差を、例えばハードウェアに
よるデジタル減算回路で遂次算出するようにすれば、レ
チクルＲとウエハＷ（１つのショット領域ＳＡ）との相
対回転誤差の変化が走査露光中にただちに求まる。

【００３９】相対回転誤差も、パターン領域ＰＡまたは
ショット領域ＳＡのサイズや、最小線幅の値によって、
ある許容量が定められ、許容量を越える回転誤差が生じ
得るときは、レチクルステージ６を微小回転させるΔθ
機構にフィードバックして、走査露光中にリアルタイム
に回転誤差を補正していくことが望しい。この場合、Δ
θ機構の回転中心は、レチクルＲ上に投影されたブライ
ンド１のスリット開口像の中心と一致していることが好
ましい。

【００４０】ここで、図２に示した装置中の送光光学系
２２と光電検出ユニット２５の具体的な一例を、図５を
参照して説明する。図５において、２本の送光ビームＢ
Ｌ1、ＢＬ2 は照明視野絞り４０上で交差するととも
に、所定の大きさの照明領域に制限される。制限された
２本の送光ビームはレンズ系４１、偏光ビームスプリッ
タ４２、および１／４波長板４３を介して対物レンズ２
３に入射する。この図５から明らかなように、絞り４０
とレチクルＲの格子マークＲＭａとは、レンズ系４１と
対物レンズ２３との合成系に関して互いに共役に配置さ
れる。そして２本の送光ビームＢＬ1 、ＢＬ2 は、レン
ズ系４１と対物レンズ２３との間のフーリエ空間中のフ
ーリエ変換面（投影レンズＰＬの瞳ＥＰと共役な面）で
それぞれビームウェストとなって収れんするとともに、
送光ビームＢＬ1 、ＢＬ2 の各主光線はフーリエ空間内
で光軸ＡＸａと平行に、かつ対称になる。

【００４１】２本の送光ビームＢＬ1 、ＢＬ2 は偏光ビ
ームスプリッタ４２をほぼ１００％透過した後、１／４
波長板４３で同一方向に回転する円偏光に変換され、対
物レンズ２３を介して再び平行な２本のビームとなって
マークＲＭａの位置で交差する。マークＲＭａの配置に
ついては図４に示したが、実際にはウエハ側のマークＷ
Ｍａに対して非計測方向（格子ピッチ方向と直交する方
向）に横ずれした関係にしておく。

【００４２】図６はレチクルＲ側でみた格子マークＲＭ
ａ、ＷＭａの関係を示し、矩形の領域ＡＬｘは絞り４０
の開口像である。ここで格子マークＲＭａ、ＷＭａはラ
イン・アンド・スペースが１：１（デューティ５０％）
であり、投影レンズＰＬの倍率を１／Ｍとすると、マー
クＲＭａのレチクルＲ上でのピッチＧＰｒと、マークＷ
ＭａのウエハＷ上でのピッチＧＰｗとは、ＧＰｒ＝Ｍ・
ＧＰｗの関係に定められる。スキャン露光時には、領域
ＡＬｘに対してマークＲＭａ、ＷＭａがレチクル面上で
同一方向（図６では＋Ｘ方向）に同一速度ｖで移動す
る。図６に示すように格子マークＲＭａとＷＭａは、非
計測方向（ここではＹ方向）にアライメントが達成され
ているときに、一定の間隔ＤＳを保つように予め横ずれ
して配置される。この間隔ＤＳはＹ方向のアライメント
精度に依存して決められる。

【００４３】図７は格子マークＲＭａ、またはＷＭａが
ピッチ方向に速度＋ｖ、または−ｖで移動したときの様
子を示し、各格子マーク上に作られる干渉縞ＩＦは速度
＋Ｖｆで流れているものとする。図７のように、格子マ
ークが速度＋ｖで移動するときは、干渉縞ＩＦの流れる
方向と一致しているため、格子マークから垂直に発生す
る±１次回折光の干渉光ＢＴのビート周波数は２つのビ
ームＢＬ1，ＢＬ2の周波数差Δｆよりも低くなり、格子
マークが速度−ｖで移動するときは干渉縞ＩＦの流れる
方向と逆方向になるため、ビート周波数はΔｆよりも高
くなる。本例では、格子マークの移動方向にかかわら
ず、検出信号の周波数がΔｆよりも常に高くなるよう
に、格子マークの移動方向に応じてビームＢＬ1，ＢＬ2
の周波数を切換えている。

【００４４】ここで格子マークＲＭａについて考えてみ
ると、２つの送光ビームＢＬ1 、ＢＬ2 の入射角θを光
軸ＡＸａに関して対称に定めるとして次式の関係に設定
する。 sin θ＝λ／ＧＰｒこうすると、格子マークＲＭａからの±１次回折光は垂
直方向に発生する。またこの条件のもとで、干渉縞ＩＦ
のピッチＰifは、Ｐif＝１／２・ＧＰｒの関係になる。

【００４５】このことから、送光ビームＢＬ1 、ＢＬ2
の周波数差Δｆ（ｋHz）と格子マークの速度ｖ（mm／
ｓ）との関係およびドップラー効果により、干渉光ＢＴ
の明暗変化の周波数ｆs （ｋHz）は、先に説明した通
り、ｆs ＝Δｆ＋２ｖ／ＧＰｒになる。

【００４６】図５に示すようにレチクルの格子マークＲ
Ｍａからの干渉光ＢＴｒと、ウエハの格子マークＷＭａ
からの干渉光ＢＴｗとは、対物レンズ２３、１／４波長
板４３、偏光ビームスプリッタ４２を介して光軸ＡＸａ
上を戻り、レンズ系４４に入射する。このレンズ系４４
は逆フーリエ変換レンズとして作用し、格子マークＲＭ
ａ、またはＷＭａと共役な面が作られる。レンズ系４４
からの干渉光ＢＴｒ、ＢＴｗはハーフミラー４５で２つ
に分割され、遮光板４６Ｒ、４６Ｗに達する。この遮光
板４６Ｒは、格子マークＲＭａと共役な位置に配置さ
れ、マークＲＭａからの干渉光ＢＴｒのみを通して、他
の干渉光ＢＴｗを遮光するような配置の開口ＡＰＲを有
する。同様に、遮光板４６Ｗは格子マークＷＭａと共役
な位置に配置され、マークＷＭａからの干渉光ＢＴｗの
みを通して、他の干渉光ＢＴｒを遮光するような配置の
開口ＡＰＷを有する。

【００４７】光電センサー（フェトダイオード、フォト
マル等）４７Ｒは開口ＡＰＲからの干渉光ＢＴｒを受光
して信号ＳＲを出力し、光電センサー４７Ｗは開口ＡＰ
Ｗからの干渉光ＢＴｗを受光して信号ＳＷを出力する。
これら信号ＳＲ、ＳＷの処理については図２で説明した
通りである。

【００４８】以上、本実施例ではウエハステージ９を走
査露光中に定速制御するようにしたが、これは走査速度
の変動がショット領域ＳＡ内の露光量むらとなるからで
ある。またブラインド１は必ずしも、スリット開口に限
られず、投影レンズＰＬの円形のイメージフィールド内
に内包される正六角形、矩形、ひし形、または円弧状等
の開口であってもよい。

【００４９】正六角形の開口を有するブラインドを用い
たステップ＆スキャン方式の装置は、特開平２−２２９
４２３号公報に開示されており、そこに開示された装置
に本実施例のアライメント制御方式を組み込んでもよ
い。

【００５０】−第２の実施例− 次に本発明の第２の実施例について説明するが、ここで
は第１の実施例をそのまま使うとともに、さらに走査露
光中の２次元（Ｘ、Ｙ方向）のアライメントを可能とす
るものである。

【００５１】走査露光をＸ方向とすると、それと直交す
るＹ方向についても同様の干渉縞アライメント法が利用
できるように、レチクルＲ上とウエハＷ上の格子マーク
の配置と構造を若干変更する。本実施例では、図２、図
５に示したＴＴＲ方式のアライメント系をＸ方向用とＹ
方向用とに２軸設けるようにし、レチクルとウエハの各
ストリートライン上にＸ方向用、Ｙ方向用の格子マーク
を設ける。

【００５２】図８は、レチクルＲ上の各マーク配置とア
ライメント系の対物レンズの配置を示し、レチクルＲの
パターン領域ＰＡの両脇でＸ方向、すなわち走査露光方
向に伸びるストリートライン領域内に、Ｙ方向用の格子
マークＲＭＹａ、ＲＭＹｂとＸ方向用の格子マークＲＭ
Ｘａ、ＲＭＸｂとを設ける。これら格子マークは一例と
して図９に拡大して示すように配置され、Ｙ方向用の格
子マークＲＭＹａは数本のラインアンドスペースパター
ンをＸ方向に延設したもので、その隣りにＸ方向用の格
子マークＲＭＸａが設けられる。このレチクルＲ上の格
子マークＲＭＹａとＲＭＸａの両側は透明部となってい
て、対応するウエハＷ上のＹ方向用の格子マークＷＭＹ
ａとＸ方向用の格子マークＷＭＸａとが位置する。

【００５３】本実施例では、これら格子マークのうちＸ
方向用の格子マークＲＭＸａ（ＷＭＸａ）とＲＭＸｂ
（ＷＭＸｂ）は、第１の実施例と同様にＸ方向用のアラ
イメント系の対物レンズ２３Ｘａ、２３Ｘｂを介して検
出され、Ｙ方向用の格子マークＲＭＹａ（ＷＭＹａ）と
マークＲＭＹｂ（ＷＭＹｂ）は、Ｙ方向用のアライメン
ト系の対物レンズ２３Ｙａ、２３Ｙｂを介して検出され
る。

【００５４】Ｙ方向用のアライメント系は、基本的にＸ
方向用のアライメント系と同一の構成であり、異なる点
は２本のビームＢＬ1 、ＢＬ2 のレチクルＲ（またはウ
エハＷ）に対する入射角がＹ−Ｚ平面内で傾いているこ
とである。また、Ｘ方向用のアライメント系の内部の開
口絞り（４６Ｒ、４６Ｗ）はＹ方向用の格子マークＲＭ
Ｙａ、ＷＭＹａ（ＲＭＹｂ、ＷＭＹｂ）からの干渉光を
も遮光するように設定され、Ｙ方向用のアライメント系
の内部の開口絞りはＸ方向用の格子マークＲＭＸａ、Ｗ
ＭＸａ（ＲＭＸｂ、ＷＭＸｂ）からの干渉光をも遮光す
るように設定される。

【００５５】ここでレチクルＲとウエハＷが相対的にＸ
方向に走査されると、レチクルＲ上のＹ方向用の格子マ
ークＲＭＹａからの干渉光（ビート光）と、ウエハＷ上
のＹ方向用の格子マークＷＭＹａからの干渉光（ビート
光）とを光電検出して得られる２つの信号の周波数は、
レチクルＲ、ウエハＷのＸ方向の走査速度とは無関係
に、ほぼ一定（Δｆ）となる。ただし、Ｙ方向のアライ
メント誤差量が時間的に急峻に変化するときは、それに
応じて進行の周波数も変化し得るが、この変化はほとん
ど無視し得る程度のもので、ほとんどの場合、Ｙ方向の
アライメント誤差量は、２つの信号の位相差を検出する
だけでよい。このＹ方向の場合についても、アライメン
ト誤差量は遂次出力されるから、その誤差量が常に一定
値になるように、レチクルステージ６、またはウエハス
テージ９をＹ方向に微動させる。あるいは、走査露光中
に、Ｙ方向のアライメント誤差信号に基づいて、レチク
ルステージ６、またはウエハステージ９のＹ方向用の駆
動系をサーボ（フィードバック）制御するようにしても
よい。

【００５６】本実施例では、走査露光方向にＸ方向用と
Ｙ方向用の各アライメント系を並置したが、単一の対物
レンズを介してＸ方向とＹ方向のアライメントが可能な
ように、４本のビームを同時に入射するようにしてもよ
い。

【００５７】ところで、図２に示した装置では図示を省
略したが、レチクルＲの上方には、露光光と同一波長の
照明光のもとでレチクルＲ上の格子マークとウエハステ
ージ９上の基準マークとを観察するＴＴＲ方式のアライ
メント系が設けられている。これは、図２、図５に示し
たアライメント系が露光光と異なる波長のビームＢＬ1
、ＢＬ2 を使ったときのベースライン管理のために必
要となる。

【００５８】このような、露光光と同一波長を使うＴＴ
Ｒアライメント系は、例えば図１０のように配置され
る。図１０において、対物レンズ２３、ミラー２４は図
２中のものと同一のものであり、これらの他に光ファイ
バー６２、ビームスプリッタ６１、対物レンズ６０、お
よび撮像素子６３等から成るＴＴＲアライメント系が設
けられ、ウエハステージ９上には基準マーク板ＦＭが固
定される。光ファイバー６２は露光光と同一波長の照明
光を射出し、ビームスプリッタ６１で反射した照明光は
対物レンズ６０を介してレチクルＲ上の格子マークを照
明する。レチクルＲを透過した照明光は、投影レンズＰ
Ｌを介して基準マーク板ＦＭ上の格子マークを照射す
る。この基準マーク板ＦＭ上には、図１０に示すように
対物レンズ２３を介して同時に検出可能な位置に格子マ
ークが設けられている。

【００５９】撮像素子６３は、レチクルＲの格子マーク
と基準マーク板ＦＭの格子マークとの各像を撮像して、
両マークの位置ずれ量（ΔＸｅ、ΔＹｅ）を求めるため
に使われる。このとき同時に対物レンズ２３を介して干
渉縞方式のアライメント系を作動させて、レチクルＲの
格子マークと基準マーク板ＦＭの格子マークとの相対位
置ずれ量（ΔＸａ、ΔＹａ）を求める。これによって、
ベースライン量は（ΔＸａ−ΔＸｅ、ΔＹａ−ΔＹｅ）
としてもとめられる。

【００６０】ただし、この場合、ウエハステージ９（基
準マーク板ＦＭ）を静止させておく必要があるので、一
般的にはレーザ干渉計１１の計測値が一定値になるよう
に、ウエハステージ９をフィードバック制御しておく。
ところが、レーザ干渉計１１のレーザ光路は、大気中に
開放された状態にあるので、わずかな空気ゆらぎによっ
て計測値が微妙に変動する。このため、上記のようなベ
ースライン計測にあたって、レーザ干渉計１１の計測値
でウエハステージ９を静止させようとしても、空気ゆら
ぎによるドリフトが生じることになる。

【００６１】ところが、図２、図５に示した干渉縞方式
のアライメント系はレチクルＲと投影レンズＰＬの間、
および投影レンズＰＬとウエハＷの間では空気中に露出
しているビーム部分がわずかであることから、たとえ空
気ゆらぎが生じても、それによる計測誤差はほとんど無
視できる。そこで、干渉縞方式のアライメント系を使っ
て、レチクルＲと基準マーク板ＦＭとをアライメントす
るように、レチクルステージ６、またはウエハステージ
９をフィードバック制御する。これによってレチクルＲ
と基準マーク板ＦＭとの相対的な位置ずれは、別波長の
アライメント系（対物レンズ２３）のもとでほぼ零に追
い込まれる。そして、その状態で撮像素子６３を使って
レチクルＲの格子マークと基準マーク板ＦＭの格子マー
クとの位置ずれ量を求める。これによって求められたず
れ量がベースライン量（ΔＸＢ、ΔＹＢ）となる。この
ベースライン量（ΔＸＢ、ΔＹＢ）は、投影レンズＰＬ
の色収差によって生じる固有値であって、レチクルＲ上
の格子マークの検出位置（投影レンズの像高点）が変わ
るたびにチェックされる。

【００６２】このベースライン量（ΔＸＢ、ΔＹＢ）は
対物レンズ２３を介して検出されるレチクルＲとウエハ
Ｗとの相対位置ずれ量にオフセットとして加えられ、真
の重ね合わせ位置への補正として使われる。なお、対物
レンズ６０を介して観察する位置は、レチクルＲ上の露
光用照明光の照射領域（スリット状）からはずれた位置
になるため、厳密に言えば、そのずれによって固有の誤
差が生じ得る。その誤差とは、主に投影レンズＰＬの露
光波長に起因して生じるディストーションによるもので
ある。しかしながら、投影レンズＰＬの投影視野内の各
点におけるディストーション量は、予め求めておくこと
ができるため、対物レンズ６０の観察位置でのディスト
ーション量を装置固有のオフセット量として記憶してお
き、ベースライン計測値を、さらに補正するようにして
おくとよい。

【００６３】−第３の実施例− 図１１は本発明の第３の実施例による格子マーク配置を
示し、特にウエハＷのストリートライン内に形成する格
子マークを２次元格子にすることで省スペース化をはか
るものである。図１１において、レチクルＲ上にはＹ方
向用の格子マークＲＭＹａとＸ方向用の格子マークＲＭ
ＸａとがＹ方向に一定の間隔をあけて設けられ、この間
隔部分（透明部分）にはウエハＷ上の２次元格子ＷＭｘ
ｙが位置するように設定される。２次元格子ＷＭｘｙは
微小な矩形ドットパターンをＸ方向とＹ方向の両方に所
定のピッチで配列したものである。実際のアライメント
時には、図８に示したようにＸ方向用のアライメント系
とＹ方向用のアライメント系とで位置を分離しておく方
がよい。

【００６４】ただし、Ｘ方向アライメント用の２本のビ
ームとＹ方向アライメント用の２本のビームとを互いに
相補的な偏光状態にしておけば、２次元格子ＷＭｘｙか
ら垂直に発生する干渉光を偏光特性で分離することがで
きるので、同一の対物レンズ２３を介して４本のビーム
（Ｘ方向用の２本とＹ方向用の２本）を同時に格子マー
クへ照射することも可能である。

【００６５】このように、２次元格子ＷＭｘｙをウエハ
上のショット領域に沿った走査方向全体に設けること
で、かなりの省スペース化がはかれるとともに、走査露
光中の２次元のアライメント補正が可能になる。ちなみ
にウエハ上の一般的なストリートライン領域は幅（図１
１のＹ方向の寸法）が７０μｍ程度確保されている。２
次元格子ＷＭｘｙの矩形ドットの寸法を４μｍ角（すな
わちピッチ８μｍ）とすると、Ｙ方向には８個の矩形ド
ットが形成でき、これは実用上、ほぼ十分な計測精度が
期待できる。また図１１中のレチクル側の格子マークＲ
ＭＹａ、ＲＭＸａもウエハ側と同様の２次元格子にする
ことも可能である。

【００６６】−第４の実施例− 図１２は、本発明の第４の実施例による格子マーク配置
を示し、レチクルＲのパターン領域ＰＡの外側の走査露
光方向に延びたストリートライン領域内に１次元、また
は２次元の格子マークＲＭＬ1 〜ＲＭＬ4 、ＲＭＲ1 〜
ＲＭＲ3 をＸ方向に飛び飛びに設ける。ウエハＷ上にも
それらと対応した位置に１次元、または２次元の格子マ
ークをＸ方向に飛び飛びに設ける。

【００６７】これらマークＲＭＬ1 〜ＲＭＬ4 とマーク
ＲＭＲ1〜ＲＭＲ3 とは、互いに入れ子状態で配置さ
れ、アライメント系の２本の対物レンズ２３Ｒ、２３Ｌ
がＹ方向に離れて並んでいるものとすると、Ｘ方向の走
査露光のときに対物レンズ２３Ｒ、２３Ｌのいずれか一
方が常に格子マークからの干渉光を入射できるように設
定されている。例えば図１２の位置からレチクルＲが左
右に移動すると、対物レンズ２３Ｌを介して格子マーク
ＲＭＬ1 と、これに対応したウエハ上の格子マークとが
アライメントされ、対物レンズ２３Ｌからの２本（また
は４本）の送光ビームの照射領域が格子マークＲＭＬ1
からはずれる直前に、格子マークＲＭＲ1が対物レンズ
２３Ｒからの送光ビームの照射点に達する。従って次の
サイクルでは、格子マークＲＭＲ1と、これに対応した
ウエハ上の格子マークとが対物レンズ２３Ｒを介してア
ライメントされる。以下同様にして、走査露光の信号に
伴って対物レンズ２３Ｒ、２３Ｌを交互に切り換えてア
ライメントしていく。本実施例では、格子マークＲＭＬ
1 からＲＭＲ1 への切り換えの際、対物レンズ２３Ｌを
介して得られる干渉ビート光と、対物レンズ２３Ｒを介
して得られる干渉ビート光とが、時間的にわずかの間だ
け同時に存在するように各マークを配置してある。

【００６８】この実施例のように格子マークを配置する
と、Ｘ方向に関する格子マークと格子マークとの間に他
のマーク、例えばウエハのグローバルアライメント（Ｅ
ＧＡ）用のマークを配置することができる。

【００６９】−第５の実施例− 図１３は、本発明の第５の実施例による投影露光装置の
構成を示し、図２の構成と異なる点はレチクルＲ（およ
びウエハＷ）の走査方向に複数のアライメント系の対物
レンズ２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄを並べたことに
ある。レチクルＲ、およびウエハＷ上の格子マークの配
置は、先の図４、図８、図１１、図１２のいずれの方法
でかまわない。

【００７０】この図１３の場合、４つの対物レンズ２３
Ａ〜２３Ｄはそれぞれ格子マーク上の異なる位置で発生
する干渉ビート光を入射して、レチクルＲとウエハＷの
走査移動中のアライメントを行なうが、走査位置によっ
ては、両脇の対物レンズ２３Ａ、２３Ｄのいずれか一方
のみしか使えないこともある。そこで１つのアライメン
トシーケンスとして、例えばレチクルＲが図１３中の左
側から右側へ走査される場合は、レチクルＲの走査位置
に応じて対物レンズ２３Ａ、対物レンズ２３Ｂ…の順で
使用するアライメント系の数や位置を変えることもでき
る。また、図１３のように複数のアライメント系が同時
に使えるときは、図１２に示した格子マークＲＭＬ1 〜
ＲＭＬ4 と格子マークＲＭＲ1 〜ＲＭＲ3 とを入れ子の
関係にしなくても、ほぼ連続的にアライメントのための
信号を得ることができる。

【００７１】そのためには、例えは対物レンズ２３Ａ〜
２３Ｄの走査方向（Ｘ方向）の間隔と、格子マークＲＭ
Ｌ1 〜ＲＭＬ4 のＸ方向の間隔とを異ならせておけばよ
い。なお、本発明による走査露光中アライメント方式
は、従来のステップ＆スキャン方式の露光装置にもその
まま応用できるものである。

【００７２】図１４は、本発明に係る走査露光装置が適
用される反射屈折式露光装置の概略全体構成図である。
図２と同様な箇所には同一の符号を付して相違点だけを
簡単に説明すると、７１，７３は反射ミラー、７２はレ
チクルステージ６の位置を計測する干渉計、７４はレン
ズ、７５はビームスプリッタ、７６は凹面鏡、７７は屈
折レンズ計である。送光光学系２２から射出されるアラ
イメント光は、ミラー７１、対物レンズ２３を介してレ
チクルＲのレチクル格子ＲＭａ，ＲＭｂに入射するとと
もに、レチクルＲの透光部からミラー７３、レンズ７
４、ビームスプリッタ７５、凹面鏡７６、屈折レンズ系
７７を介してウエハＷ上のウエハ格子ＷＭａ，ＷＭｂ
（不図示）に入射する。各格子で得られる干渉光の処理
や干渉光形成などの方式は上述した投影式露光装置で説
明したものと同様である。

【００７３】また、以上では露光装置の干渉縞アライメ
ント法について説明したが、回折格子に周波数差のある
光を照射して干渉光のビート波を形成し、このビート波
に基づいて、移動する物体の位置や速度を計測する装置
にも本発明を適用できる。

【００７４】この場合、次の様な構成がとられる。第１
方向に沿って往復移動する物体上には、この第１方向に
沿って一定ピッチで配列された複数の格子要素からなる
回折格子が設けられ、この回折格子上の同一部分に２本
のコーヒレントなビームが第１方向に関して対称的に傾
けて同時に照射される。この回折格子から同一方向に生
じる２つの回折光によって形成される干渉光を光電検出
器で検出する。光電検出器で得られる交流信号に基づい
て、物体の移動量または移動位置が測定される。そし
て、回折格子を照射する２本のビームに所定の周波数差
を与える周波数変調手段と、物体の往復移動の方向性に
よって２本のビームの周波数差の極性を切換える切換え
手段とが設けられる。光電検出器で得られる交流信号の
周波数が、物体の往復移動の方向性にかかわらず、常に
２本のビームの周波数差以上になるように構成される。

【００７５】

【発明の効果】（１）本発明による走査露光装置によれ
ば、照明光に対してマスクと基板とをそれぞれ相対移動
し、前記マスクを介して前記照明光で前記基板を走査露
光する装置において、前記走査露光中、前記基板上の格
子マークにコヒーレントビームを照射するとともに、前
記格子マークから発生する２つの回折光を干渉させて受
光し、前記格子マークの位置情報に応じた検出信号を出
力するアライメント光学系と、前記基板の移動による前
記検出信号の変動を補償するように、前記基板の走査露
光条件に応じて前記アライメント光学系による前記格子
マークの検出条件を決定する制御手段とを備えたことに
より、基板の走査露光条件（例えば基板の走査方向（向
き）など）が変更されても、その変更された走査露光条
件に応じてアライメント光学系の検出条件を決定できる
ので、走査露光条件に関係なくアライメント光学系によ
って基板の位置情報を常に精度良く検出することが可能
となる。これにより、走査露光中であっても基板の位置
制御、即ちマスクとのアライメントを高精度に行うこと
ができる。（２）本発明による物体測定装置によれば、所定方向に
沿って往復移動する物体上に形成され、前記所定方向に
配列される複数の格子要素からなる回折格子に、前記物
体の表面と直交する方向に関して対称的に傾いた２本の
コヒーレントなビームを照射するとともに、前記回折格
子から発生する２つの回折光を干渉させて受光し、前記
物体の移動量又は位置情報を測定する装置において、前
記２本のビームに所定の周波数差を与える周波数変調手
段と、前記所定方向に移動する前記物体の向きに応じ
て、前記２本のビームの周波数に関する設定条件を変更
する設定手段とを備えたことにより、移動物体の位置、
速度等を精度よく測定できる。（３）なお、以上説明したように実施例の走査露光装置
によれば、走査露光装置に干渉縞アライメント法を適用
する時、マスク格子と基板格子にそれぞれ入射されるビ
ームの周波数差の極性を、マスクの走査方向に応じて切
換えるようにしたので、マスク格子に対応する第１光電
検出器からの第１交流信号と、基板格子に対応する第２
光電検出器からの第２交流信号の各周波数がマスクの走
査方向の正負によらず、常に２本のビームの周波数差以
上になり、走査速度やマスクの移動方向の制限がなくな
り、スループットが向上する。（４）また、実施例の物体測定装置によれば、回折格子
に入射される２本のビームの周波数差の極性を物体の移
動方向に応じて切換えるようにしたので、光電検出器で
得られる各ビームに対応する周波数が、物体の移動方向
にかかわらず常に周波数差以上になり、物体の移動方向
にかかわりなく、精度よく物体の位置などを測定でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の原理図

【図２】本発明の実施例による投影式走査露光装置の構
成を示す図、

【図３】図２の装置によるアライメント方式を説明する
斜視図、

【図４】２光束化周波数シフタ部の詳細を説明するブロ
ック図

【図５】図２の装置のアライメント系の構成を示す図、

【図６】図２の装置で使用されるレチクルとウエハの各
格子マークの配置を示す図、

【図７】図５のアライメント系の動作原理を説明する
図、

【図８】第２の実施例によるマーク配置を有するレチク
ルの平面図、

【図９】図８のマーク配置を部分的に拡大して示す平面
図、

【図１０】ベースライン計測の方式を説明するための
図、

【図１１】第３の実施例によるマーク配置を説明する
図、

【図１２】第４の実施例にるマーク配置を説明する図、

【図１３】第５の実施例による装置構成を説明する図。

【図１４】本発明が適用可能な反射屈折式露光装置の一
例を示す斜視図

【図１５】従来のステップ＆スキャン露光装置における
アライメント方式を説明する斜視図

【図１６】図１５のアライメント方式で得られるアライ
メント用の信号波形を示す波形図

【符号の説明】

Ｒレチクル、ＲＭａ、ＲＭｂ、ＲＭＸａ、ＲＭＹａ、ＲＭＸｂ、ＲＭ
Ｙｂレチクル格子マーク、ＷＭａ、ＷＭｂ、ＷＭＹａ、ＷＭＸａ、ＷＭｘｙウエ
ハ格子マーク、ＷウエハＰＬ投影光学系１レチクルブラインド６レチクルステージ８レチクルステージ駆動モータ９ウエハステージ１０ウエハステージ駆動モータ１１レーザ干渉計１２ウエハステージ駆動制御部２０レーザ光源２１２光束化周波数シフタ部２２送光光学系２３アライメント用対物レンズ２５光電検出ユニット２７位置ずれ量検出部３２切換駆動部２１２，２１３音響光学素子２１５周波数シンセサイザ２１６，２１７アパーチャ２２０切換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−41023（ＪＰ，Ａ) 特開平２−297921（ＪＰ，Ａ) 特開平３−29312（ＪＰ，Ａ) 特開平４−307720（ＪＰ，Ａ) 特開平２−227602（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−215905（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−58628（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光に対してマスクと基板とをそれぞれ
相対移動し、前記マスクを介して前記照明光で前記基板
を走査露光する装置において、前記走査露光中、前記基板上の格子マークにコヒーレン
トビームを照射するとともに、前記格子マークから発生
する２つの回折光を干渉させて受光し、前記格子マーク
の位置情報に応じた検出信号を出力するアライメント光
学系と、前記基板の移動による前記検出信号の変動を補償するよ
うに、前記基板の走査露光条件に応じて前記アライメン
ト光学系による前記格子マークの検出条件を決定する制
御手段とを備えたことを特徴とする走査露光装置。
【請求項２】前記照明光が照射される前記マスク上のパ
ターンの一部を前記基板上に投影する投影光学系を更に
備え、前記アライメント光学系は、前記投影光学系を介
して前記基板上の格子マークを検出することを特徴とす
る請求項１に記載の走査露光装置。
【請求項３】前記アライメント光学系は、前記マスク上
の格子マークにコヒーレントビームを照射し、前記マス
ク上の格子マークと前記基板上の格子マークとをそれぞ
れ検出することを特徴とする請求項２に記載の走査露光
装置。
【請求項４】前記走査露光中、前記検出信号がほぼ連続
して得られるように、前記マスクの原画パターンの走査
露光範囲のほぼ全域に渡って前記格子マークを形成する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の
走査露光装置。
【請求項５】前記格子マークは、前記走査露光の方向に
沿って配列される複数の格子要素からなる第１格子を含
むことを特徴とする請求項４に記載の走査露光装置。
【請求項６】前記アライメント光学系は、前記格子マー
ク上に周波数が異なる２本のビームを照射し、前記制御
手段は、前記走査露光条件に応じて前記２本のビームの
周波数差を調整する周波数調整器を有することを特徴と
する請求項５に記載の走査露光装置。
【請求項７】前記走査露光条件は、前記走査露光の方向
を含み、前記周波数調整器は、前記方向の正負によら
ず、常に前記検出信号の周波数が前記２本のビームの周
波数差以上となるように、前記周波数差の極性を反転さ
せることを特徴とする請求項６に記載の走査露光装置。
【請求項８】前記格子マークは、前記走査露光の方向と
直交する方向に沿って配列される複数の格子要素からな
る第２格子を含むことを特徴とする請求項５に記載の走
査露光装置。
【請求項９】前記走査露光中、前記マスクと前記基板と
の相対位置ずれ量が所定値以下に維持されるように、前
記アライメント光学系から得られる検出信号に基づい
て、前記マスクと前記基板とを相対移動する駆動手段を
更に備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一
項に記載の走査露光装置。
【請求項１０】前記走査露光中、前記マスクと前記基板
との相対回転誤差を検出する検出手段を更に備え、前記
駆動手段は、前記照明光の照射領域の中心を回転中心と
して前記マスクと前記感光基板とを相対回転させること
を特徴とする請求項９に記載の走査露光装置。
【請求項１１】前記検出手段は、前記アライメント光学
系から得られる検出信号に基づいて前記相対回転誤差を
検出することを特徴とする請求項１０に記載の走査露光
装置。
【請求項１２】前記駆動手段は、前記マスクを保持する
マスクステージと、前記基板を保持する基板ステージと
を有し、前記走査露光中、前記マスクステージと前記基
板ステージとの一方を定速制御するとともに、前記検出
信号に基づいて前記マスクステージと前記基板ステージ
との他方をサーボ制御することを特徴とする請求項９〜
１１のいずれか一項に記載の走査露光装置。
【請求項１３】前記アライメント光学系によって検出さ
れる基準マーク板と、前記アライメント光学系とは別に
設けられ、前記マスク上のマークを検出するマーク検出
系とを更に備え、前記アライメント光学系及び前記マー
ク検出系による前記基準マーク板の検出によって前記ア
ライメント光学系のベースライン量を決定することを特
徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の走査露
光装置。
【請求項１４】前記照明光が照射される前記マスク上の
パターンの一部を前記基板上に投影する投影光学系を更
に備え、前記投影光学系はテレセントリックな縮小系で
あることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に
記載の走査露光装置。
【請求項１５】前記マスクに前記照明光を照射するとと
もに、前記マスク上での前記照明光の照射領域を、前記
投影光学系の視野内でその光軸を含むように規定する照
明光学系を更に備えることを特徴とする請求項１４に記
載の走査露光装置。
【請求項１６】前記照明光学系は、前記照射領域を前記
走査露光の方向と直交する方向に延びる矩形状に規定す
る絞り部材を含むことを特徴とする請求項１５に記載の
走査露光装置。
【請求項１７】前記絞り部材は、前記照射領域の中心が
前記投影光学系の光軸とほぼ一致するように配置される
ことを特徴とする請求項１６に記載の走査露光装置。
【請求項１８】所定方向に沿って往復移動する物体上に
形成され、前記所定方向に配列される複数の格子要素か
らなる回折格子に、前記物体の表面と直交する方向に関
して対称的に傾いた２本のコヒーレントなビームを照射
するとともに、前記回折格子から発生する２つの回折光
を干渉させて受光し、前記物体の移動量又は位置情報を
測定する装置において、前記２本のビームに所定の周波数差を与える周波数変調
手段と、前記所定方向に移動する前記物体の向きに応じて、前記
２本のビームの周波数に関する設定条件を変更する設定
手段とを備えたことを特徴とする物体測定装置。
【請求項１９】前記設定手段は、前記所定方向に移動す
る前記物体の向きによらず、前記２つの回折光を受光し
て得られる検出信号の周波数が常に前記２本のビームの
周波数差以上となるように、前記周波数差の極性を切り
換えることを特徴とする請求項１８に記載の物体測定装
置。