JP3555666B2 - 位置検出方法及び装置、並びに露光方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体ウエハ等の基板の表面に形成された周期的な凹凸のマーク（段差マーク）の位置検出を行うための位置検出方法及び装置に関し、例えば半導体素子又は液晶表示素子等を製造する際に使用される露光装置の所謂格子アライメント方式のアライメントセンサに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体素子はウエハ上に多数層の回路パターンを所定の位置関係で積み重ねて形成されるので、２層目以降の回路パターンをウエハ上に投影露光する際には、ウエハ上で既に回路パターンが形成されている各ショット領域とマスクとしてのレチクルのパターン像の投影位置（露光位置）との位置合わせ（アライメント）を高精度に行う必要がある。そのため、レチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域に転写するために使用されるステッパー等の露光装置では、ウエハ上の各ショット領域に付設されている位置合わせ用のアライメントマーク（ウエハマーク）の位置を検出するアライメントセンサと、その検出結果に基づいてウエハの位置決めを行うステージ機構とからなるアライメント装置が備えられている。
【０００３】
従来のアライメントセンサ中で、特に高精度に位置検出を行うことができるセンサとして、例えば特開平２−２２７６０２号公報で開示されているような、回折格子状のウエハマークを検出対象とする所謂「格子アライメント方式」のセンサが知られている。この場合に検出対象とされるウエハマークは、ウエハ上に計測方向に所定ピッチで凹凸の回折格子（位相格子）状に形成されたマーク（段差マーク）である。そして、格子アライメント方式の光学系としては、主に次の３方式が知られている。
【０００４】
▲１▼回折格子状のウエハマークに対してほぼ垂直にレーザビームを照射し、そのウエハマークからほぼ対称に射出される２つの回折光の干渉光を受光し、その干渉光の光電変換信号に基づいてそのウエハマークの位置を検出する。
▲２▼ウエハマークに対してほぼ対称に可干渉な２つのレーザビームを照射し、そのウエハマークからほぼ垂直上方に平行に射出される２つの回折光の干渉光を受光し、その干渉光の光電変換信号の位相に基づいてそのウエハマークの位置を検出する。この検出方式は、２光束干渉方式、又はＬＩＡ（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式と呼ばれている。
【０００５】
▲３▼ウエハマークに対してほぼ対称に可干渉な２つのレーザビームを照射し、そのウエハマークからの正反射光と、この正反射光の方向に発生する回折光との干渉光を受光し、その干渉光の光電変換信号の位相に基づいてそのウエハマークの位置を検出する。この検出方式は２光束干渉方式に含まれる。
また、これらの内で▲２▼及び▲３▼のようにウエハマークに２光束を照射する方式は、更にそれら２光束の周波数を僅かに異ならしめて、所定の周波数で変調されたビート信号を検出するヘテロダイン干渉方式と、それら２光束の周波数を同じにするホモダイン干渉方式とに分かれ、ホモダイン干渉方式を使用するときには位置検出のためにステージ、又は参照格子等を走査することが行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように格子アライメント方式では、計測方向に所定ピッチで形成された凹凸の回折格子状のウエハマークが検出対象とされる。
しかしながら、その回折格子状のウエハマークには、それまでの半導体プロセス（成膜工程、エッチング工程等）によって計測方向に対して或る程度の非対称性が生じている。その非対称性を全く無くすことはできず、その非対称性により、必ず或る程度の位置検出誤差が生じることとなる。特に金属のスパッタリングによる成膜工程においては、回折格子状のウエハマークの底部（凹部）の高さに関する非対称が大きくなり、位置検出時に誤差が大きくなるという不都合があった。
【０００７】
図４は、金属のスパッタリングによる成膜工程で形成された、Ｘ方向を計測方向とする回折格子状のウエハマーク２５の一例を示し、この図４において、領域Ｃで示す底部の高さが＋Ｘ方向に次第に高くなって非対称となっている。このようなウエハマーク２５では、特に領域Ｃで示す底部より生じる回折光の内で、その底部の中心（Ｘ＝０の位置）より右側（＋Ｘ方向）から生じる回折光と、左側（−方向）から生じる回折光とで強度、位相共に大きく異なったものとなるため、位置検出結果がＸ方向にずれてしまう。
【０００８】
また、上記のように凹凸のウエハマークの底部に大きな非対称を有する工程だけではなく、ウエハマークの頂上部（凸部の上面）の高さに大きな非対称性が生じる工程も存在し、このような工程で形成されたウエハマークを使用する場合にも、位置検出誤差が生ずる恐れがある。
また、上述の格子アライメント方式のセンサのみならず、凹凸のウエハマークからの回折光を検出する他のアライメントセンサを使用する場合にも、そのウエハマークに非対称性があると、検出誤差が生ずる恐れがある。
【０００９】
本発明は斯かる点に鑑み、ウエハ等の基板上の凹凸のマークからの回折光を検出することにより、そのマークの位置を検出する場合に、そのマークに非対称性がある場合でも位置検出誤差が小さい位置検出方法を提供することを目的とする。更に本発明は、そのような位置検出方法が実施できる位置検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による位置検出方法は、例えば図２に示すように、基板（Ｗ）上で検出方向（Ｘ方向）に周期的に凹凸パターンとして形成された位置合わせ用マーク（２５）に、位置検出用の光束（Ｌｍ，Ｌｐ）を照射し、位置合わせ用マーク（２５）から発生する回折光（Ｌｄ）に基づいて位置合わせ用マーク（２５）の位置を検出する位置検出方法において、２以上の整数ｍを用いて、位置合わせ用マーク（２５）の凸部（２５ｃ）、又は凹部（２５ａ）の検出方向の幅ｄを、位置合わせ用マーク（２５）の検出方向のピッチＰに対して、次の範囲内に設定する。
【００１１】
【数１】
０．９（Ｐ／ｍ）≦ｄ≦１．１（Ｐ／ｍ）
そして、位置合わせ用マーク（２５）からのｍ次の回折光を検出するものである。これは、位置合わせ用マーク（２５）からのｍ次の回折光を検出する場合に、位置合わせ用マーク（２５）の凸部（２５ｃ）、又は凹部（２５ａ）の検出方向の幅ｄを、位置合わせ用マーク（２５）の検出方向のピッチＰに対してＰ／ｍの±１０％以内に設定することを意味する。
【００１２】
この場合、その幅ｄとしては、凸部（２５ｃ）、又は凹部（２５ａ）の内の非対称性の大きい方の幅を使用してもよい。また、その整数ｍの値は３であることが望ましい。
また、本発明による位置検出装置は、例えば図２に示すように、基板（Ｗ）上で検出方向（Ｘ方向）にピッチＰの周期的な凹凸パターンとして形成されると共に、２以上の整数ｍを用いて、凸部、又は凹部の検出方向の幅ｄが（数１）の範囲内に設定される位置合わせ用マーク（２５）の位置を検出する位置検出装置であって、位置合わせ用マーク（２５）に位置検出用の光束（Ｌｐ，Ｌｍ）を照射する照射光学系（２１，２８，２６，２３Ｂ，２４）と、位置合わせ用マーク（２５）から発生するｍ次の回折光（Ｌｄ）を含む光束を受光して光電変換する受光光学系（２４，２２，２７）と、この受光光学系からの出力信号より位置合わせ用マーク（２５）の位置を検出する信号処理手段（１４）と、を有するものである。
次に、本発明による露光方法は、レチクル（Ｒ）上のパターンを露光用の照明光で照明し、そのパターンを投影光学系（３）を介して、基板（Ｗ）上の各ショット領域上に投影する露光方法であって、本発明の位置検出方法を用いて検出されたその位置合わせ用マークの位置に基づいて、そのショット領域の中心をその投影光学系の露光フィールドの中心に合わせ込むものである。
また、本発明による露光装置は、レチクル（Ｒ）上のパターンを露光用の照明光で照明し、そのパターンを投影光学系（３）を介して、基板（Ｗ）上の各ショット領域上に投影する露光装置であって、本発明の位置検出装置を備え、その位置検出装置を用いて検出されたその位置合わせ用マークの位置に基づいて、そのショット領域の中心をその投影光学系の露光フィールドの中心に合わせ込むものである。
【００１３】
【作用】
斯かる本発明の原理につき図４を参照して説明する。以下では検出対象の位置合わせ用マークを、図４に示すように計測方向であるＸ方向にピッチＰの凹凸パターンとして形成されたウエハマーク２５であるとして、ウエハマーク２５内で非対称な部分は底部の領域であるとする。この場合、ウエハマーク２５に垂直に入射した検出光からの回折角θの回折光の振幅を、回折角θの正弦ｓｉｎ θの関数ψ（ｓｉｎ θ）で表すと、次のようになる。
【００１４】
【数２】

【００１５】
ここで、関数φ（ｘ）は、計測方向の位置Ｘにおけるウエハマーク２５の振幅反射率、λは検出光の波長を示す。（数２）中の前項の除算関数ψ_１（ｓｉｎ θ）は、所謂「周期項」であって、Ｎはウエハマーク２５の格子の本数（ピッチ数）を表す。格子アライメント方式においては、Ｎは例えば１０以上程度と大きいので、その周期項はほとんど離散的に、ｓｉｎ θ＝０，±λ／Ｐ，±２λ／Ｐ，…（即ち、０次、±１次、±２次、…）のみで所定の値を持ち、ｓｉｎ θの他の値に対しては、ほぼ０となる。
【００１６】
また、図４に示すように、ウエハマーク２５の１ピッチ分を計測方向に対して、凸部（頂部）の領域Ａ、傾斜部の領域Ｂ、非対称な凹部（底部）の領域Ｃ、傾斜部の領域Ｄ、及び凸部（頂部）の領域Ｅに分割し、その（数２）中の後項の積分関数ψ_２（ｓｉｎ θ）を、線型性より、次のように領域Ａの積分関数ψ_２Ａ（ｓｉｎ θ）〜領域Ｅの積分関数ψ_２Ｅ（ｓｉｎ θ）の和として表す。
【００１７】
【数３】

【００１８】
この場合、１ピッチ分の積分範囲［−Ｐ／２，Ｐ／２］に対して、領域Ａの積分範囲を［−Ｐ／２，ａ］、領域Ｂの積分範囲を［ａ，ｂ］、領域Ｃの積分範囲を［ｂ，ｃ］、領域Ｄの積分範囲を［ｃ，ｄ］、領域Ｅの積分範囲を［ｄ，Ｐ／２］として、積分関数ψ_２Ａ（ｓｉｎ θ）〜積分関数ψ_２Ｅ（ｓｉｎ θ）は次のように表される。
【００１９】
【数４】

【００２０】
ところで、図４のウエハマーク２５の場合、これらの領域Ａ〜領域Ｅのうち、ウエハマーク２５の非対称性の影響を最も強く受けるのは底部の領域Ｃ部である。即ち、位置検出誤差の原因はこの底部の領域Ｃからの回折光であると言える。その非対称性の影響を定量化するために、前述の除算関数ψ_１（ｓｉｎ θ）（即ち、周期項）と、その底部の領域Ｃからの回折光の振幅とを１つのグラフにまとめたものが図５である。
【００２１】
図５において、横軸は回折光の回折角θの正弦（ｓｉｎ θ）を、周期Ｐのウエハマーク２５に対する回折次数ｍ（１，２，３，…）を単位として表し、縦軸は回折光の振幅（相対値）を表す。言い換えると、図５の横軸の単位はｓｉｎ θ／（λ／Ｐ）である。そして、図５において、曲線３１は、ウエハマーク２５が１１本のピッチＰで配列された格子よりなる場合のその除算関数ψ_１（ｓｉｎ θ）（即ち、周期項）を表す。また、曲線３２Ａは、図４に示すウエハマーク２５の底部の領域Ｃの幅（ｃ−ｂ）がＰ／２のときの、その領域Ｃからの回折光の振幅を示し、曲線３２Ａは２次の回折光（ｍ＝２）の位置で０となっている。一方、曲線３２Ｂは、その底部の領域Ｃの幅がＰ／３のときの、その領域Ｃからの回折光の振幅を示し、曲線３２Ｂは３次の回折光（ｍ＝３）の位置で０となっている。
【００２２】
そして、他の曲線３２Ｃ，３２Ｄでも示すように、一般にその底部の領域Ｃの幅がＰ／ｍのとき、その領域Ｃからの回折光の振幅はｍ次の回折光の位置で０となる。即ち、その非対称な底部の領域Ｃの幅がＰ／ｍのときには、ウエハマーク２５から発生するｍ次の回折光は、対称性の高い他の領域Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅからの回折光のみとみなすことができる。
【００２３】
従って、そのようなウエハマーク２５（非対称な領域Ｃの幅がマークのピッチＰの１／ｍである位置合わせ用マーク）からの回折光のうち、ｍ次の回折光成分を用いて格子アライメント方式でアライメントを行うと、ｍ次の回折光は非対称性がほとんど０であるため、ウエハマーク２５の非対称に影響されない、極めて高精度な位置検出が可能となる。更に、その非対称な領域Ｃの幅がマークピッチＰの１／ｍの±１０％以内であれば、その領域Ｃからのｍ次の回折光の振幅は十分に小さいとみなせるため、高精度な位置検出が可能である。これを数式化したものが（数１）の条件である。
【００２４】
但し、ｍ＝１では、ウエハマーク２５は１周期に渡って底部となり、凹凸のマークとしての意味をなさないので、ｍは２以上（ｍ≧２）の整数に限定される。更に、ｍの値が大きい方が位置検出の分解能が高くなり、結果として位置検出精度が高くなる。逆に、回折光の次数が大きくなる程、検出系が複雑化する。そこで、ｍの値が３である（３次の回折光を利用する）ときに、検出系をあまり複雑化することなく、高い分解能で位置検出を行うことができる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例につき図面を参照して説明する。以下の実施例は、投影露光装置に備えられるアライメントセンサに本発明を適用したものである。
先ず、図６は本実施例のアライメントセンサを備えた投影露光装置の一例を示し、この図６において、照明光学系１からの露光用の照明光ＩＬはレチクルＲの下面（パターン形成面）のパターンを均一な照度分布で照明し、そのパターンが投影光学系３により縮小されて、フォトレジストが塗布されたウエハＷ上の各ショット領域に投影される。ここでは、投影光学系３の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図２の紙面に平行にＸ軸を取り、図２の紙面に垂直にＹ軸を取る。
【００２６】
レチクルＲは、このレチクルＲをＸ方向、Ｙ方向に位置決めすると共に、所望の角度だけ回転して固定するレチクルステージ２上に保持されている。また、ウエハＷはウエハホルダ５を介してウエハステージ６上に保持され、ウエハステージ６は、Ｘ方向及びＹ方向にウエハＷの位置決めを行うＸＹステージ、Ｚ方向にウエハＷを移動させるＺステージ、回転を行うθステージ、並びにウエハＷの傾斜角の補正を行うレベリングステージ等から構成されている。また、ウエハステージ６の上面に基準マーク部材５が固定され、基準マーク部材５の表面にアライメントの基準となる種々の基準マークが形成されている。
【００２７】
更に、ウエハステージ６上に固定された２軸の移動鏡７（図２ではＸ軸用のみが示されている）と、対向するように配置された外部の２軸レーザ干渉計８とによりウエハステージ６のＸ座標、及びＹ座標が常時計測されている。このようにレーザ干渉計８により計測される座標に基づいて定まる座標系を、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）、又は静止座標系と呼ぶ。レーザ干渉計８により計測された座標は装置全体の動作を統轄制御する主制御系９に供給され、この供給された座標に基づいて主制御系９は、ウエハステージ駆動系１０を介してウエハステージ６の位置決め動作を制御する。
【００２８】
また、図６の投影露光装置には、ウエハＷ上の各ショット領域に付設されたウエハマークの座標を検出するためのオフ・アクシス方式で且つ格子アライメント方式のアライメントセンサ１１、及びＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式、且つレーザ・ステップ・アライメント方式（ＬＳＡ方式）のアライメントセンサ１５が設けられている。なお、ＴＴＬ方式のアライメントセンサとしては、ＬＳＡ方式の他に格子アライメント方式、又は撮像方式等のアライメントセンサも使用できる。同様に、オフ・アクシス方式のアライメントセンサ１１としては、格子アライメント方式の他に、ＬＳＡ方式等のアライメントセンサも使用できる。アライメントセンサ１１の詳細な構成については後述する。
【００２９】
本例のアライメントセンサ１１はＸ軸用であり、アライメントセンサ１１から出力される光電変換信号が信号処理系１４に供給され、信号処理系１４にはレーザ干渉計８で計測されるウエハステージ６の座標も供給されている。信号処理系１４では、例えばその光電変換信号が所定の状態になるときのウエハステージ６の座標値を求め、この座標値を主制御系９に供給する。同様に、不図示のＬＩＡ方式のＹ軸用のアライメントセンサからの光電変換信号と、レーザ干渉計８で計測されるＹ座標とから、検出対象のウエハマークのＹ座標が検出される。
【００３０】
また、アライメントセンサ１１等の検出中心から投影光学系３の露光フィールドの中心（露光中心）までの距離であるベースラインは、予め求められて主制御系９内の記憶装置に記憶されている。従って、求められたウエハマークの座標をそのベースラインで補正して得られた座標に基づいてウエハステージ６を駆動することにより、そのウエハマークが属するショット領域の中心を露光中心に正確に合わせ込むことができる。
【００３１】
一方、ＬＳＡ方式のアライメントセンサ１５から射出される位置検出用のレーザビームは、光路折り曲げ用のミラー１６を経て投影光学系３に入射し、投影光学系３を通過したレーザビームは、Ｘ方向に長いスリット状の光スポット１７としてウエハＷ上に集光される。そこで、ウエハステージ６を駆動して、光スポット１７に対してウエハＷ上の検出対象のＹ軸用のウエハマークをＹ方向に横切るように移動させる。ＬＳＡ用のＹ軸用のウエハマークは、それぞれＸ方向に所定ピッチで配列されたドット列状の凹凸パターンをＹ方向に複数列連ねたものであり、そのウエハマークが光スポット１７を横切るときに所定の方向に回折光が射出されることから、そのウエハマークのＹ座標が検出される。
【００３２】
図６において、ウエハＷ上の光スポット１７のウエハマークによる回折光は、投影光学系３及びミラー１６を経てアライメントセンサ１５に戻り、アライメントセンサ１５からＬＳＡ信号処理系１８に対して、その回折光を光電変換して得られるＬＳＡ信号が供給される。ＬＳＡ信号処理系１８にはレーザ干渉計８で計測される座標（Ｘ，Ｙ）も供給されており、ＬＳＡ信号処理系１８は、光スポット１７がＹ軸用のウエハマークの中心位置にあるときのＹ座標を検出して主制御系９に供給する。また、Ｙ軸用のアライメントセンサ（不図示）も設けられており、そのアライメントセンサ、及びアライメント信号処理系１８によりＹ軸用のウエハマークに対応するＹ座標が検出され、このＹ座標も主制御系９に供給されている。ＬＳＡ方式のアライメントセンサについても、検出中心と露光中心との距離（ベースライン）が主制御系９内の記憶装置に記憶されている。
【００３３】
次に、本例で使用される格子アライメント方式のアライメントセンサ１１の具体的な構成例につき説明する。
［第１実施例］
図１（ａ）はこの第１実施例のアライメントセンサを示し、この図１（ａ）において、レーザ光源２１より出力された波長λの光束Ｌは、折り曲げミラー２２により反射され、空間フィルタ２３Ａの中心の開口を通過した後、対物レンズ２４を経てウエハＷ上の凹凸のマークよりなるＸ軸のウエハマーク２５に入射する。
【００３４】
図１（ｂ）はウエハマーク２５の断面の拡大図を示し、この図１（ｂ）において、ウエハマーク２５は金属のスパッタリング工程によりＸ方向にピッチＰで形成された凹凸のマークであり、１ピッチ内が非対称な底部（凹部）２５ａ、傾斜部２５ｂ、平坦な頂部（凸部）２５ｃ、及び傾斜部２５ｄより形成されている。また、一方の傾斜部２５ｂと他方の傾斜部２５ｄとは互いに対称となっている。そして、２以上の整数ｍを用いて、非対称な底部２５ａのＸ方向の幅がＰ／ｍに設定されている。
【００３５】
また、そのウエハマーク２５にほぼ垂直に光束Ｌが照射され、ウエハマーク２５からはその周期性により０次、±１次、±２次、…の離散的な回折光が発生する。そして、本実施例においては、それらの内で図１（ｂ）の空間フィルタ２３Ａにより、＋ｍ次の回折光Ｌｐ、及び−ｍ次の回折光Ｌｍのみを選択する。±ｍ次の回折光の回折角を±θとすると、（ｓｉｎθ＝ｍλ／Ｐ）が成立している。
【００３６】
図１（ａ）に戻り、ウエハマーク２５から発生した回折光は対物レンズ２４を経て空間フィルタ２３Ａに達し、＋ｍ次の回折光Ｌｐ、及び−ｍ次の回折光Ｌｍのみが空間フィルタ２３Ａを通過する。そして、対物レンズ２４の作用により、それら回折光Ｌｍ及びＬｐは参照格子２６上で所定の交差角で集光して、Ｘ方向にピッチＱの干渉縞が形成され、参照格子２６を透過した光束Ｌｄが光電センサ２７によって受光される。この光電センサ２７でその光束Ｌｄを光電変換して得られる光電変換信号Ｓが信号処理系１４に供給される。参照格子２６は、透過部と遮光部とがその干渉縞のピッチＱと同じピッチで繰り返し形成された強度透過格子（振幅格子）である。この場合、ウエハステージ６を駆動して、ウエハマーク２５を計測方向であるＸ方向に移動（走査）すると、回折光Ｌｐと回折光Ｌｍとの位相関係は変化し、参照格子２６とこの上に形成される干渉縞との位相関係も変化する。
【００３７】
この結果、参照格子２６を透過する光束Ｌｄの光量は、ウエハマーク２５の位置に応じて周期的に変化し、その光電センサ２７からの光電変換信号Ｓと、図６のレーザ干渉計８により計測されるウエハステージ６のＸ座標とより、信号処理系１４はウエハマーク２５の位置を求める。ウエハマークの位置は、例えば光電変換信号Ｓが最大となる位置である。
【００３８】
上述のように本実施例によれば、ウエハマーク２５の非対称な底部２５ａの幅がピッチＰの１／ｍに設定されているため、その底部２５ａからの±ｍ次の回折光の強度はほぼ０となっている。そして、空間フィルタ２３Ａによって、±ｍ次の回折光のみを抽出しているため、得られる光電変換信号Ｓはウエハマーク２５の非対称性の影響を殆ど受けることのない信号となっている。従って、ウエハマーク２５の非対称性の影響を殆ど受けることなく、格子アライメント方式で正確にウエハマーク２５の位置検出が行われる。
【００３９】
なお、本例では整数ｍの値が大きい程、位置検出の分解能が高くなって、より高精度に位置検出を行うことができる。しかしながら、図１（ａ）より分かるように整数ｍの値が大きくなる程、対物レンズ２４の開口数を大きくする必要があり、検出光学系が大型化し、且つ複雑化する。そこで、検出精度及び検出光学系の製造コストを考慮したとき、整数ｍの値を３とすること、即ち、±３次の回折光を検出するのが望ましい。
【００４０】
［第２実施例］
図２を参照して本発明の第２実施例につき説明する。この第２実施例は、図６のアライメントセンサ１１として、２光束干渉方式（ＬＩＡ方式）のアライメントセンサを使用するものである。この場合、信号処理系１４はＬＩＡ方式のアライメントセンサからの信号を処理する系であるため、以下では「ＬＩＡ信号処理系１４」と呼ぶ。
図２（ａ）は本例のアライメントセンサを示し、この図２（ａ）において、レーザ光源２１より出力された光束Ｌはミラー２８で反射された後、参照格子２６に入射する。参照格子２６により回折された回折光の内、１以上の整数ｎを用いて特定の−ｎ次の回折光Ｌｍ、及び＋ｎ次の回折光Ｌｐのみが空間フィルタ２３Ｂにより選択されて対物レンズ２４に向かい、０次光Ｌ０、及びその他の回折光は空間フィルタ２３Ｂで遮断される。なお、回折光の次数は反時計回りの回折角を有するものを正とする。
【００４１】
そして、回折光Ｌｍ及びＬｐは、対物レンズ２４の作用によりウエハＷ上のＸ方向にピッチＰのウエハマーク２５上にほぼ対称に所定の交差角で入射し、ウエハマーク２５上に干渉縞が形成される。ウエハマーク２５は、図２（ｂ）に示すように第１実施例で使用されているのと同じマークである。本例では、２以上の整数ｍを用いて、その干渉縞の振幅のピッチ（強度のピッチの２倍）がウエハマーク２５のピッチのｍ倍となるように、具体的には回折光Ｌｍ及びＬｐの入射角±θが、（ｓｉｎ θ＝ｍλ／Ｐ）を満たすように、参照格子２６のピッチ、選択する回折光の次数ｎ、あるいは対物レンズ２４と参照格子２６及びウエハＷとの相対位置を調整する。
【００４２】
その入射角の条件が満たされると、一方の回折光Ｌｍのウエハマーク２５からの＋ｍ次回折光Ｌｍ（＋ｍ）、及び他方の回折光Ｌｐのウエハマーク２５からの−ｍ次回折光Ｌｐ（−ｍ）は、ウエハＷに対してほぼ垂直上方に平行に発生して干渉光Ｌｄとなり（図２（ｂ）参照）、干渉光Ｌｄは、対物レンズ２４を経て折り曲げミラー２２に反射されて光電センサ２７に達する。その干渉光Ｌｄを光電変換して得られる光電変換信号Ｓが、ＬＩＡ信号処理系１４に供給される。この場合にも、ウエハステージ６によるウエハマーク２５の移動（走査）に伴って、２つの回折光Ｌｍ及びＬｐからの回折光の位相関係が変わるため、光電センサ２７上の光強度（干渉光Ｌｄの光強度）が変化し、光電変換信号Ｓの変化と図６のレーザ干渉計８で計測されるＸ座標とから、ＬＩＡ信号処理系１４はウエハマーク２５の位置を検出できる。ウエハマーク２５の位置は、例えば光電変換信号Ｓが最大となる位置である。
【００４３】
この第２実施例においても、ウエハマーク２５の非対称な底部２５ａの幅がピッチＰの１／ｍに設定され、ウエハマーク２５からの±ｍ次の回折光のみが抽出されているため、得られる光電変換信号Ｓはウエハマーク２５の非対称性の影響を殆ど受けることのない信号となっている。従って、ウエハマーク２５の非対称性の影響を殆ど受けることなく、ＬＩＡ方式で正確にウエハマーク２５の位置検出が行われる。
【００４４】
［第３実施例］
図３を参照して本発明の第３実施例につき説明する。この第３実施例は、第２実施例と同様のＬＩＡ方式のアライメントセンサであるが、第２実施例は±ｍ次の回折光の干渉光を検出するのに対して、この第３実施例ではｍ次光と０次光との干渉光を検出するものである。
【００４５】
図３は本例のアライメントセンサを示し、この図３において、レーザ光源２１より出力された光束Ｌはミラー２８で反射されて参照格子２６に入射し、参照格子２６からの−ｎ次回折光Ｌｍ及び＋ｎ次回折光Ｌｐのみが空間フィルタ２３Ｂにより選択される。回折光Ｌｍ及びＬｐは、集光レンズ２９Ａ、ハーフミラー３０、及び対物レンズ２９Ｂにより、ウエハＷ上のウエハマーク２５上に所定の交差角で集光され、ウエハマーク２５上に干渉縞が形成される。ウエハマーク２５は、図２（ｂ）に示すウエハマークと同一である。
【００４６】
本例では、２以上の整数ｍを用いて、ウエハマーク２５上に形成される干渉縞の振幅のＸ方向へのピッチが、ウエハマーク２５のピッチＰのｍ／２倍となるように、参照格子２６の周期、選択する回折光の次数ｎ、並びに集光レンズ２９Ａ及び対物レンズ２９Ｂと、参照格子２６及びウエハＷとの位置関係を調整する。具体的には、回折光Ｌｍ及びＬｐのウエハマーク２５への入射角±θ’が、（ｓｉｎ θ’＝ｍλ／（２Ｐ））を満たすように調整する。
【００４７】
その入射角の条件が満たされると、一方の回折光Ｌｐのウエハマーク２５からの正反射光ＬＰ０と、他方の回折光Ｌｍのウエハマーク２５からの＋ｍ次回折光Ｌｍ（＋ｍ）とは、ウエハマーク２５から平行に射出して干渉光Ｌｄｂとなる。そして、干渉光Ｌｄｂは、対物レンズ２９Ｂ及びハーフミラー３０を経て光電センサ２７Ｂに入射し、光電センサ２７Ｂからの光電変換信号ＳＢがＬＩＡ信号処理系１４に供給されている。また、他方の回折光Ｌｍの正反射光Ｌｍ０と、回折光Ｌｐの−ｍ次回折光Ｌｐ（−ｍ）とは、ウエハマーク２５から平行に射出して干渉光Ｌｄａとなる。そして、干渉光Ｌｄａは、対物レンズ２９Ｂ及びハーフミラー３０を経て光電センサ２７Ａに入射し、光電センサ２７Ａからの光電変換信号ＳＡがＬＩＡ信号処理系１４に供給されている。
【００４８】
そして、ＬＩＡ信号処理系１４では、供給される２つの光電変換信号ＳＡ及びＳＢの強度変化と、レーザ干渉計によって計測されるウエハステージ６の座標とにより、ウエハマーク２５の位置を算出する。ウエハマーク２５の位置は、例えば光電変換信号ＳＡを最大とする位置と、光電変換信号ＳＢを最大とする位置との平均値として求められる。
【００４９】
この第３実施例においても、ウエハマーク２５の非対称な底部２５ａの幅がピッチＰの１／ｍに設定され、ウエハマーク２５からの±ｍ次の回折光及び０次光が抽出されているため、得られる光電変換信号はウエハマーク２５の非対称性の影響を殆ど受けることのない信号となっている。従って、ウエハマーク２５の非対称性の影響を殆ど受けることなく、ＬＩＡ方式で正確にウエハマーク２５の位置検出が行われる。
【００５０】
なお、上記の第２実施例、又は第３実施例のＬＩＡ方式のアライメントセンサは、ホモダイン干渉方式であるため、位置検出を行うのにウエハステージ６を走査している。しかしながら、その代わりに、参照格子２６を走査又は振動させることで光電センサ２７，２７Ａ，２７Ｂより発生する信号に強度変化を与え、その変化により位置検出を行うこともできる。あるいは、参照格子２６の代わりに、音響光学素子（ＡＯＭ）等を用いて周波数の僅かに異なる回折光を発生させてもよく、これによりヘテロダイン干渉方式で静止状態で位置検出を行うことができる。
【００５１】
同様に第１実施例においても、ウエハステージ６の走査の代わりに参照格子２６の走査又は振動を行ってもよい。
また、例えば図１（ｂ）又は図２（ｂ）に示すウエハマーク２５とは逆に、それまでの工程によって、マークの頂部２５ｃに大きな非対称を有するウエハマークを使用する際には、その頂部２５ｃの幅をピッチＰの１／ｍとすることで、同様に非対称の影響をほとんど受けることなく位置検出を行うことができる。
【００５２】
このように、本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の位置検出方法によれば、検出対象となる位置合わせ用マークの凸部、又は凹部のような非対称になり易い部分の幅をそのピッチＰの１／ｍの±１０％以内に設定して、その非対称になり易い部分からのｍ次の回折光成分を殆ど０としている。従って、その位置合わせ用マークからのｍ次の回折光を検出することにより、その位置合わせ用マークの非対称性に殆ど影響されない極めて高精度な位置検出を実現することができる。
【００５４】
また、その整数ｍの値を３として、３次の回折光を検出する場合には、検出光学系をあまり複雑化することなく、且つ高い分解能で位置検出を行うことができる。
また、本発明の位置検出装置によれば、ｍ次の回折光を含む光束を受光できるため、上述のように非対称になり易い部分からのｍ次の回折光の発生を抑制した位置合わせ用マークに対して高精度に位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施例のアライメントセンサを示す一部を断面とした構成図、（ｂ）は第１実施例で使用されるウエハマークの断面構造を示す拡大図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２実施例のアライメントセンサを示す一部を断面とした構成図、（ｂ）は第２実施例で使用されるウエハマークの断面構造を示す拡大図である。
【図３】本発明の第３実施例のアライメントセンサを示す一部を断面とした構成図である。
【図４】非対称なウエハマークの一例を示す拡大断面図である。
【図５】図４のウエハマークからの回折光の振幅を示す図である。
【図６】実施例のアライメントセンサを備える投影露光装置の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
Ｒ レチクル
３ 投影光学系
Ｗ ウエハ
６ ウエハステージ
１１ アライメントセンサ
１４ 信号処理系（ＬＩＡ信号処理系）
２５ ウエハマーク
２１ レーザ光源
２３Ａ，２３Ｂ 空間フィルタ
２４，２４Ａ 対物レンズ
２６ 参照格子
２７，２７Ａ，２７Ｂ 光電センサ

Claims (10)

1. 基板上で検出方向に周期的に凹凸パターンとして形成された位置合わせ用マークに、位置検出用の光束を照射し、前記位置合わせ用マークから発生する回折光に基づいて前記位置合わせ用マークの位置を検出する位置検出方法において、
   ２以上の整数ｍを用いて、前記位置合わせ用マークの凸部、又は凹部の検出方向の幅ｄを、前記位置合わせ用マークの検出方向のピッチＰに対して、
   ０．９（Ｐ／ｍ）≦ｄ≦１．１（Ｐ／ｍ）
   の範囲内に設定し、
   前記位置合わせ用マークからのｍ次の回折光を検出することを特徴とする位置検出方法。
2. 請求項１記載の位置検出方法であって、
   整数ｍの値は３であることを特徴とする位置検出方法。
3. 基板上で検出方向にピッチＰの周期的な凹凸パターンとして形成されると共に、２以上の整数ｍを用いて、凸部、又は凹部の検出方向の幅ｄが
   ０．９（Ｐ／ｍ）≦ｄ≦１．１（Ｐ／ｍ）
   の範囲内に設定される位置合わせ用マークの位置を検出する位置検出装置であって、
   前記位置合わせ用マークに位置検出用の光束を照射する照射光学系と、
   前記位置合わせ用マークから発生するｍ次の回折光を含む光束を受光して光電変換する受光光学系と、
   該受光光学系からの出力信号より前記位置合わせ用マークの位置を検出する信号処理手段と、を有することを特徴とする位置検出装置。
4. 前記位置合わせ用マークに対して、前記位置検出用の光束をほぼ垂直に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出方法。
5. 前記位置合わせ用マークから発生する前記ｍ次の回折光を参照格子上で集光させるとともに、該参照格子を透過した光束を受光し、該受光した光束に基づいて前記位置合わせ用マークの位置を検出することを特徴とする請求項１、２、又は４に記載の位置検出方法。
6. レチクル上のパターンを露光用の照明光で照明し、前記パターンを投影光学系を介して、基板上の各ショット領域上に投影する露光方法であって、
   請求項１、２、４又は５に記載の位置検出方法を用いて検出された前記位置合わせ用マークの位置に基づいて、前記ショット領域の中心を前記投影光学系の露光フィールドの中心に合わせ込むことを特徴とする露光方法。
7. 前記照射光学系は、前記位置検出用の光束を前記位置合わせ用マークに対してほぼ垂直に照射することを特徴とする請求項３に記載の位置検出装置。
8. 前記受光光学系は、前記位置合わせ用マークから発生する前記ｍ次の回折光が集光される参照格子を含み、前記参照格子を透過した光束を受光して光電変換を行うことを特徴とする請求項３又は７に記載の位置検出装置。
9. レチクル上のパターンを露光用の照明光で照明し、前記パターンを投影光学系を介して、基板上の各ショット領域上に投影する露光装置であって、
   請求項３、７又は８に記載の位置検出装置を備え、
   前記位置検出装置を用いて検出された前記位置合わせ用マークの位置に基づいて、前記ショット領域の中心を前記投影光学系の露光フィールドの中心に合わせ込むことを特徴とする露光装置。
10. 前記位置検出装置はオフ・アクシス方式の位置検出装置であることを特徴とする請求項９に記載の露光装置。

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