JP3590940B2 - アライメント装置及び露光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マスクに形成されたパターンを感光基板上に転写する露光装置に設けられ、マスクと感光基板との位置合わせを行うためのアライメント装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、又は液晶表示素子等の製造に使用される投影露光装置には、特にウエハ（又はガラスプレート等）上の２層目以降に回路パターンを形成する際に、マスクとしてのレチクルとウエハとを高精度に位置合わせするためのアライメント装置が設けられている。斯かるアライメント装置は、ウエハ上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、このアライメントセンサにより検出された位置に基づいてウエハを目標移動位置に移動する制御系とから構成されている。
【０００３】
一般に、露光及びその後のプロセス等によりウエハ表面の荒れの程度が変化すると共に、ウエハ上の層（レイア）によってウエハマークと周辺の下地との段差が異なる場合があるため、単一のアライメントセンサで全てのウエハマークの位置を正確に検出するのは困難である。そこで、用途に応じて次のようなアライメントセンサが使用されている。
【０００４】
▲１▼ＬＩＡ（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ）方式：これは回折格子状のウエハマークに、周波数を僅かに変えたレーザ光を２方向から照射し、発生した２つの回折光を干渉させ、この干渉光の位相からウエハマークの位置情報を検出するセンサである。このＬＩＡ方式は、低段差のウエハマークや表面荒れの大きいウハに効果的である。
【０００５】
▲２▼ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｉｍａｇｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ）方式：これはハロゲンランプ等を光源とする波長帯域幅の広い光で照明したウエハマークの像を、画像処理して位置計測を行うセンサであり、アルミニウム層やウエハ表面の非対称なマークの計測に効果的である。
▲３▼ＬＳＡ（レーザ・ステップ・アライメント）方式：これはレーザ光をウエハマークに照射し、回折・散乱された光を利用してそのウエハマークの位置を計測する系であり、従来より種々のプロセスウエハに幅広く使用されているものである。
【０００６】
従来は、このような種々のアライメントセンサを用途に応じて使い分けていた。また、アライメントセンサの光学系としては、投影光学系を介してレチクルとウエハとの位置合わせを行うためのＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式、投影光学系を介してウエハマークの位置を検出するＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式、又は投影光学系を介することなくウエハマークの位置検出を行うオフ・アクシス方式が知られており、これら各光学系に対して上述の種々のアライメントセンサを組み合わせることができる。
【０００７】
例えばＴＴＲ方式でＬＩＡ方式のアライメントセンサを使用する場合、アライメント光の波長が露光波長と異なるために、アライメント光に対して投影光学系で所定の色収差が発生する。そこで、例えば特開平５−１６０００１号公報では、投影光学系の瞳面付近のアライメント光の通過位置に位相格子等の色収差制御部材を配置し、この色収差制御部材で投影光学系で発生する色収差を補正するようにしたアライメント装置が開示されている。この装置では、特に軸上色収差はレチクルとウエハとが共役になるように補正される。
【０００８】
また、一般にウエハマークはウエハの表面に形成された凹凸のパターン（反射型の位相格子）であるが、例えばＬＩＡ方式のアライメントセンサで検出対象とする回折格子状のウエハマークに関しては、アライメント光の波長をλとして、そのウエハマークの凸部と凹部との段差の実効的光路長が（λ／４＋ｍλ／２）（ｍは整数）のときに、最も回折効率が高くなり、高いＳＮ比のビート信号が得られることが知られている。同様に、ＦＩＡ方式のアライメントセンサ等においても、ウエハマークの凹凸の段差に関してはアライメント光の波長に応じた最適な光路長がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにアライメントセンサで検出対象とされるウエハマークの段差については、使用されるアライメント光の波長に応じて高いＳＮ比の検出信号を得るための最適な光路長がある。しかしながら、実際にはアライメント光の波長が定まっている場合に、その波長に合わせて段差が最適になるようにウエハマークを形成するのは困難である。また、特にウエハの周辺部等において、ウエハマークの凹部が傾斜して非対称なマークになることがある。更に、各種プロセスを経る間にウエハマークの段差が変化するか、ウエハマークの凹部が非対称になることもある。また、ウエハ上で上の層になるにつれて、ウエハマークの段差が最適な値から次第にずれるか、又は凹部が傾斜して傾向がある。
【００１０】
このようにウエハマークの段差が最適な光路長から外れるときの不都合につき考察する。先ず、図８（ａ）は、ウエハ６上に計測方向に対して対称に形成されたウエハマーク６６上に屈折率ｎのフォトレジスト６７が塗布されている状態を示し、この図８（ａ）において、反射型の位相格子としてのウエハマーク６６の凸部と凹部との反射率は同じであるとする。また、ウエハマークの凸部と凹部との段差をｈとして、上述のように、その段差ｈの実効的光路長ｓ（＝ｎ・ｈ）が次式を満たすときに波長λのアライメント光の回折効率が最大となる。
【００１１】
２ｓ＝λ／２＋ｍλ（ｍ：整数） （１）
但し、ウエハマーク６６の凸部の振幅反射率と凹部（底部）の振幅反射率とが異なる場合には、（１）式における実効的光路長ｓとしては、その凸部でのアライメント光の位相とその凹部でのアライメント光の位相との位相差にλ／（２π）を掛けた値で表される。図８（ａ）のウエハマーク６６で、（１）式が満たされている場合には、ウエハマーク６６からの反射光（又は回折光）の強度分布は図９（ａ）に示すようになり、非対称がなく良好に計測が行われる。また、その実効的光路長ｓが（１）式から或る程度外れても、非対称性がない場合には正確に位置検出が行われる。
【００１２】
次に、図８（ｂ）に示すように、ウエハ６上に形成されたウエハマーク６８の凹部（底部）が計測方向に傾斜して、ウエハマーク６８が非対称となっている場合につき考察する。この場合、凸部と凹部との段差ｈとしては、凹部の中心での段差を使用する。そして、段差ｈの実効的光路長ｓ（＝ｎ・ｈ）について（１）式が成立するものとすると、図８（ｂ）のウエハマーク６８の凹部（底部）の中心の左右の領域６９Ａ，６９Ｂからの反射光の強度は、中心からの反射光の強度よりも同じだけ小さい値になり、ウエハマーク６８からの反射光の強度は図９（ｂ）に示すように、全体として非対称性がない。更に、平均的に図９（ａ）の場合よりも強度は小さくなるが、位置検出には殆ど支障がない。
【００１３】
一方、段差ｈの実効的光路長ｓが（１）式より多少大きいときには、ウエハマーク６８の凹部の右側の領域６９Ｂでの平均的な光路長が（１）式に近づき、且つ左側の領域６９Ａでの平均的な光路長が（１）式から外れるため、領域６９Ｂからの反射光の強度が領域６９Ａからの反射光の強度よりも強くなる。従って、ウエハマーク６８からの反射光の強度分布は、図９（ｃ）に示すように光量の重心位置が、光量分布が対称な場合の重心位置７０に比べて右側に片寄ったものとなり、非対称の影響を受けてしまう。逆に、図８（ｂ）において、段差ｈの実効的光路長ｓが（１）式より多少小さいときには、ウエハマーク６８からの反射光の強度分布は、図９（ｄ）に示すように光量の重心位置が、本来の重心位置７０に比べて左側に片寄ったものとなり、やはり非対称の影響を受けてしまう。
【００１４】
以上のように、ウエハマークの凹部が傾斜してウエハマークが非対称となっている場合に、その凹部の中心での段差の実効的光路長が（１）式を満たすときには、殆どその非対称の影響は受けないが、その凹部の中心での実効的光路長が（１）式から外れると非対称の影響が現れることが分かる。因に、ウエハマークがウエハ上に被着されたアルミニウム層をエッチング等して形成されているような場合、ウエハ周辺部でそのようなウエハマークの凹部（底部）での傾斜がよく見られる。
【００１５】
これに関して、特別の工程を設けてウエハマークの段差が（１）式を満たすようにすることも可能であるが、それでは露光工程のスループット（生産性）が低下すると共に、製造コストが増加するという不都合がある。
本発明は斯かる点に鑑み、ウエハマークの段差を正確に或る特別な光路長に合わせることなく、ウエハマークの非対称の影響を軽減してウエハマークの位置を正確に検出して、ウエハを高精度に位置合わせできるアライメント装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１のアライメント装置は、例えば図１及び図５に示すように、マスクパターン（４）を感光基板（６）上に転写する露光装置に設けられ、感光基板（６）上に形成された凹凸パターンよりなる位置合わせ用マーク（４８Ａ）の位置に基づいてマスクパターン（４）と感光基板（６）との位置合わせを行うアライメント装置において、位置合わせ用マーク（４８Ａ）に対して互いに異なる複数の波長の光を照射する照射光学系（１１Ａ〜１１Ｃ，１３Ａ，１３Ｂ，１４〜２６，２）と、位置合わせ用マーク（４８Ａ）からの光束を受光してその位置合わせ用マークの位置に応じた検出信号を生成する受光光学系（２，２６〜２８，３１）と、その位置合わせ用マークの凹部の中心での段差に応じてその照射光学系からその位置合わせ用マークに照射される複数の波長の光の波長差を設定する波長制御手段（６１，６４）と、を有するものである。
【００１７】
この場合、その照射光学系の一例は、互いに異なる３種類以上の波長から選択された任意の組合せの複数の波長の光を発生する光源（１１Ａ〜１１Ｃ）を備えているものであり、このときその波長制御手段は、その位置合わせ用マークの段差に応じてその照射光学系内でそれら３種類以上の波長から選択される波長の組合せを指示することが望ましい。
【００１８】
また、その照射光学系の他の例は、複数の互いに異なり且つ可変の波長の光を発生する光源を備えているものであり、このとき波長制御手段は、その位置合わせ用マークの段差に応じてその照射光学系内の光源から発生される波長可変の複数の光のそれぞれの波長を指示することが望ましい。
また、その位置合わせ用マークに照射される複数の波長の光の内の所定の２つの波長の光の平均（本発明では「相乗平均」を意味する）波長をλ、波長差をΔλとして、その位置合わせ用マークの段差の実効的光路長をｓとした場合、正の整数ｍ、及び２〜４の何れかの整数ｎを用いて、実質的に次の関係が成立するように波長差を設定することが望ましい。
【００１９】
Δλ＝λ^２ （ｎ／６＋ｍ）／（２ｓ） （２）
これは言い換えると、波長差Δλを次の何れかの近傍に設定することを意味する。
Δλ＝λ^２ （１／３＋ｍ）／（２ｓ） （３Ａ）
Δλ＝λ^２ （２／３＋ｍ）／（２ｓ） （３Ｂ）
Δλ＝λ^２ （１／２＋ｍ）／（２ｓ） （３Ｃ）
【００２０】
また、本発明の第２のアライメント装置は、例えば図１及び図５に示すように、上述の第１のアライメント装置と同じ前提部において、互いに異なる複数の波長の光のうち、その位置合わせ用マークの凹部の中心での段差に応じて互いに波長の異なる複数の光を選択し、その選択された複数の波長の光をその位置合わせ用マークに照射する照射光学系（１１Ａ〜１１Ｃ，１３Ａ，１３Ｂ，１４〜２６，２）と、その照射光学系によるその照射によってその位置合わせ用マークから発生したそれら複数の波長の光を受光し、各波長毎にその位置合わせ用マークの位置に応じた検出信号を生成する受光光学系（２，２６〜２８，３１）と、その受光光学系から出力される各波長毎の検出信号に基づいてその位置合わせ用マークの位置情報を各波長毎に求めるとともに、その求められた各波長毎の位置情報に基づいてその位置合わせ用マークの位置情報を求める信号処理系（６５）と、を有するものである。
また、本発明による露光装置は、本発明のアライメント装置を備え、そのアライメント装置によりアライメントされた感光基板上に、マスクパターンを投影光学系を介して転写するものである。
【００２１】
【作用】
斯かる本発明の原理につき説明する。先ず、感光基板上の位置合わせ用マーク（４８Ａ）は、例えば図４（ｂ）又は（ｃ）に断面図で示すように、計測方向（Ｘ方向）に所定ピッチで形成された反射型の位相格子として扱うことができる。位置合わせ用マーク（４８Ａ）の凹部（底部）が平坦な場合（図４（ｂ））にはその凸部と凹部との段差の平均値を段差ｈとして、その凹部が計測方向に傾斜している場合（図４（ｃ））には、その凹部の中心での段差の平均値を段差ｈとする。また、位置合わせ用マーク（４８Ａ）は屈折率ｎの感光材料（５６）で覆われており、位置合わせ用の光束の波長域は感光材料（５６）を透過する波長域に設定されている。
【００２２】
仮に、位置合わせ用の光束として波長λの単色光を使用するものとすると、その位置合わせ用マーク（４８Ａ）の段差ｈの実効的光路長ｓ（＝ｎ・ｈ）は（１）式を満たすことが望ましいが、実際にはそれは困難である。そこで、本発明の第１のアライメント装置では、位置合わせ用の光束の波長を変えて、実質的に（１）式の条件を略々満たすことを考える。
【００２３】
図６は、位置合わせ用マーク（４８Ａ）の段差ｈの実効的光路長ｓ（＝ｎ・ｈ）と回折効率との関係を示し、この図６の横軸ｙはその実効的光路長ｓを位相差に換算したものであり、次の関係が成立している。
ｙ＝４πｓ／λ＝４πｎ・ｈ／λ （４）
また、図６の縦軸は位相差ｙでの回折効率ｆ（ｙ）の値を示し、回折効率ｆ（ｙ）は次式で表される。
【００２４】
ｆ（ｙ）＝（１＋ｃｏｓ ｙ）／２ （５）
図６の点Ａは（１）式の条件が満たされている場合を示す。ここで、段差ｈが大きくなると回折効率は点Ｂに移動し、段差ｈが小さくなると回折効率は点Ｃに移動し、何れの場合でも回折効率ｆ（ｙ）は低下する。逆に、例えば位置合わせ用マーク（４８Ａ）が図４（ｃ）に示すように非対称であっても、その平均的な段差ｈが（１）式の条件を満たす場合には、回折効率の分布の重心位置は、位置合わせ用マーク（４８Ａ）が対称な場合とほぼ同じ位置に維持され、非対称の影響を殆ど受けないと考えられる。
【００２５】
そこで、次に位置合わせ用の光束が２つの波長λ_１ 及びλ_２ の単色光を含むものとして、波長λ_１ 及びλ_２ における位相差ｙがそれぞれ図６の点Ｂ及び点Ｃの位相差であるとする。この場合、位置合わせ用マーク（４８Ａ）が図４（ｂ）に示すように対称で、且つ段差ｈ（平均値）が大きくなると、点Ｂ及び点Ｃがそれぞれ右方向の点Ｂ’及び点Ｃ’に移動するため、全体としての回折効率は低下しない。同様に、段差ｈ（平均値）が小さくなっても、点Ｂ及び点Ｃが共に左方向に移動するため、全体としての回折効率は低下しない。従って、複数波長の光を使用することにより、段差ｈがばらついた場合の検出信号の低下を或る程度軽減できることが分かる。
【００２６】
同様に、位置合わせ用マーク（４８Ａ）が図４（ｃ）に示すように非対称で、且つ相乗平均の平均波長λ（＝（λ_１ λ_２ ）^１／２ ）に対して段差ｈ（平均値）が（１）式を満たしているとすると、波長λ_１ での非対称による光量重心のずれの方向と、波長λ_２ での非対称による光量重心のずれの方向とは逆方向となる。従って、２つの波長を使用することにより非対称の影響も軽減される。
【００２７】
ここで、２つの波長の間隔の条件について検討してみる。先ず、段差ｈが変化した場合に、２つの波長で回折効率の変化が逆方向となるためには、図６で回折効率ｆ（ｙ）がピークとなる点Ａの両側に位相差ｙが来るようにそれら２つの波長を選ぶ必要がある。次に、位置合わせ用マーク（４８Ａ）の非対称の影響は、例えば図４（ｃ）の傾斜した凹部（底部）（５８）の両端での回折効率の差によるが、これは図６の回折効率ｆ（ｙ）を示す曲線の傾き（位相差ｙに関する微分）ｆ’（ｙ）に比例する。更に、傾斜による回折効率の差が大きくても平均的な回折効率が小さければ影響が少なくなることもある。結局、非対称の影響は回折効率ｆ（ｙ）を示す曲線の傾きｆ’（ｙ）と平均的な回折効率ｆ（ｙ）との積の関数ｇ（ｙ）で与えられると考えられる。関数ｇ（ｙ）は次式で与えられる。
【００２８】
ｇ（ｙ）＝ｆ（ｙ）・ｆ’（ｙ） （６）
図７は、位相差ｙに対する関数ｇ（ｙ）の変化を示し、この図７において点線は関数ｆ（ｙ）／２の値を示している。関数ｇ（ｙ）は、次の関係が成立するとき０となる。
ｙ＝ｍπ（ｍ：整数） （７）
つまり、このとき位置合わせ用マークの凹部（底部）に傾斜があっても非対称の影響は受けない。また、関数ｇ（ｙ）は、次の関係が成立するとき、極値±（３／１６）３^１／２ をとる。
【００２９】
ｙ＝２ｍπ±π／３（ｍ：整数） （８）
この場合、図７に示すように、点Ｂ及び点Ｃでそれぞれ関数ｇ（ｘ）が負及び正の極値を取るものとすると、点Ｂでの位相差ｙが（２ｍπ＋π／３）となり、点Ｃでの位相差ｙは（２ｍπ−π／３）となる。更に点Ｃの左側で負の極値を取る点Ｄの位相差ｙは｛２（ｍ−１）π＋π／３｝、即ち（２ｍπ−５π／３）となる。従って、関数ｇ（ｘ）が極値を取る隣接する２つの点の位相差の間隔は２π／３、又は４π／３となる。
【００３０】
言い換えると、図６で回折効率ｆ（ｙ）がピークとなる点Ａの両側の点Ｂ，Ｃでの波長λ_１，λ_２ を、図７でｙ軸上での間隔が２π／３か４π／３となるようにとると、図７の点Ｂ，Ｃでの関数ｇ（ｙ）の値が絶対値が同じで符号が逆の値となり、その和は０となる。つまり、段差が変わって点Ｂ，Ｃが回折効率のピークを挟んで左右にずれても、点Ｂ，Ｃでの関数ｇ（ｙ）の値の和はほぼ０になるので非対称の影響を受けないことになる。なお、間隔が４π／３のときには、点Ｂは点Ｄの位置にある。
【００３１】
この場合、（４）式及び（８）式より点Ｂにおける波長λ_１ での位相差ｙ_１ 、及び点Ｃにおける波長λ_２ での位相差ｙ_２ についてそれぞれ次の関係が成立している。
ｙ_１ ＝４πｓ／λ_１ ＝２ｍπ±π／３ （９Ａ）
ｙ_２ ＝４πｓ／λ_２ ＝２ｍπ±π／３ （９Ｂ）
従って、（９Ａ）式から（９Ｂ）式を減算することにより、次の何れかの関係が成立する。
【００３２】
４πｓ（１／λ_１ −１／λ_２ ）＝２ｍπ＋２π／３ （１０Ａ）
４πｓ（１／λ_１ −１／λ_２ ）＝２ｍπ＋４π／３ （１０Ｂ）
次に、２波長λ_１ 及びλ_２ の差分Δλ、及び平均波長λを次のように定義する。
Δλ＝λ_２ −λ_１ （１１Ａ）
λ＝（λ_１ λ_２ ）^１／２ （１１Ｂ）
そして、（１１Ａ）式及び（１１Ｂ）式を（９Ａ）式に代入することにより、（３Ａ）式に対応する次式が得られる。
【００３３】
Δλ＝λ^２ （１／３＋ｍ）／（２ｓ） （１２Ａ）
同様に、（１１Ａ）式及び（１１Ｂ）式を（１０Ｂ）式に代入することにより、（３Ｂ）式に対応する次式が得られる。
Δλ＝λ^２ （２／３＋ｍ）／（２ｓ） （１２Ｂ）
２つの波長の差を（１２Ａ）式、又は（１２Ｂ）式の値に設定すると、段差が多少変化しても２波長の和により位置合わせ用マークの凹部の傾斜による非対称の影響を避けることができる。
【００３４】
なお、（１２Ａ）式と（１２Ｂ）式とを使い分けることが煩雑な場合には、次のように（１２Ａ）式と（１２Ｂ）式との平均的な値の波長差Δλを使用しても、最適値は外れるものの大きな不都合はない。以下の式では１／３と２／３との平均値が１／２であることが利用されており、以下の式が（３Ｃ）式に対応している。
【００３５】
Δλ＝λ^２ （１／２＋ｍ）／（２ｓ） （１２Ｃ）
ところで、上述の発明では各波長の光強度は等しい大きさにしておく必要がある。この光強度は回折効率が各波長で等しいと仮定した場合に、受光光学系の光電変換部で観測される値である。また、以上の説明は回折効率の大きさとマーク像の強度分布とを用いて概念的に述べた。しかし、このような非対称の影響はＬＩＡ方式等の回折光干渉による位相検出においては位相誤差として現れることになり、従って画像処理型でも回折光干渉型（ＬＩＡ方式等）でも同様に適用できる。
【００３６】
次に、そのように波長差Δλを実際に変化させる代わりに、複数の波長の光束の光強度、又は複数の波長の光束の検出信号のレベルを変化させてもよい。このように光強度、又は検出信号のレベルを変化させることにより、波長差が変化するのと同様に段差の変化、又は非対称の影響が軽減される。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明によるアライメント装置の一実施例につき図１〜図５を参照して説明する。本実施例は、レチクル上のパターンを投影光学系を介してウエハ上の各ショット領域に投影する投影露光装置において、ＴＴＲ方式で且つＬＩＡ方式のアライメントセンサを使用する場合に本発明を適用したものである。
【００３８】
図１は、本例の投影露光装置の全体の概略構成を示し、この図１において、露光時には露光照明系６０からの波長λ_０ の露光用の照明光がダイクロイックミラー３を介してレチクル４に照射され、その照明光のもとでレチクル４のパターンが投影光学系５を介して例えば１／５に縮小されてフォトレジストが塗布されたウエハ６の各ショット領域に投影される。ここで、投影光学系５の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面で図１の紙面に平行にＹ軸を、図１の紙面に垂直にＸ軸を取る。
【００３９】
また、レチクル４はレチクルステージ９上に保持され、ウエハ６はウエハホルダ７を介してＸステージ８Ｘ及びＹステージ８Ｙ等からなるウエハステージ上に載置されている。実際には、Ｘステージ８Ｘ上に、ウエハ６をＺ方向に位置決めするＺステージ等が載置されている。レチクルステージ９、及びウエハステージは、それぞれ投影光学系５の光軸に垂直な平面上でレチクル４及びウエハ６の位置決めを行う。レチクルステージ９、及びウエハステージの２次元座標はそれぞれ不図示の干渉計により検出され、検出結果が主制御系６１に供給され、主制御系６１は、レチクルステージ制御系６２、及びウエハステージ制御系６３を介してそれぞれレチクルステージ９、及びウエハステージの動作を制御する。また、レチクル４の周辺部の上方には、レチクル４の中心を投影光学系５の光軸ＡＸに合わせるためのレチクルアライメント顕微鏡３９及び４０（図２参照）が配置されている。
【００４０】
次に、本例のＬＩＡ方式のアライメントセンサにつき詳細に説明する。このアライメントセンサは、ダイクロイックミラー３の上方の対物レンズ２、その上方のアライメント光学系１、アライメント用電源系６４、及びアライメント信号処理系６５より構成されている。アライメントを行う際には、主制御系６１は、アライメント用電源系６４を介してアライメント光学系１中の後述の３個のレーザ光源の内から選択された２個のレーザ光源にそれぞれ発光を行わせる。
【００４１】
それらのレーザ光源から射出されたレーザビームは、アライメント光学系１内で所定の周波数変調を受けてアライメント光として射出され、このアライメント光は対物レンズ２、ダイクロイックミラー３を透過してレチクル４上の回折格子状のレチクルマーク３５Ａ、及び光透過性の窓部（レチクル窓）３７Ａに照射され、レチクル窓３７Ａを透過したアライメント光がウエハ６上の位置決め対象のショット領域に付設されたウエハマーク４８Ａに照射される。ここでは、レチクルマーク３５Ａ及びウエハマーク４８Ａの計測方向をＸ方向とする。
【００４２】
そして、ウエハマーク４８Ａでの回折により生じたヘテロダインビーム、及びレチクルマーク３５Ａでの回折により生じたヘテロダインビームが、ダイクロイックミラー３、及び対物レンズ２を経てアライメント光学系１に戻り、アライメント光学系１内の受光系で２つのビート信号が生成される。これらのビート信号がアライメント信号処理系６５に供給され、ここで２つのビート信号の位相差が検出され、検出された位相差が主制御系６１に供給される。検出された位相差に基づいて、主制御系６１は最終的なアライメントを行う。
【００４３】
次に、図１〜図４を参照して、本例のＬＩＡ方式のアライメントセンサからのアライメント光の光路、並びにレチクルマーク及びウエハマークの検出方法につき説明する。図１において、アライメント光学系１内で選択された２つのレーザ光源から射出される第１及び第２のレーザビームの平均波長をそれぞれλ_１ 及びλ_２ とする。即ち、アライメント光学系１からは、露光波長λ_０ と異なる平均波長λ_１ で周波数差Δｆ（本例では５０ｋＨｚ）の１対のレチクルアライメント照明光ＲＢ_１ ，ＲＢ_２ 、及びウエハアライメント照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ と、露光波長λ_０ と異なり波長λ_１ に近い平均波長λ_２ で周波数差Δｆ（＝５０ｋＨｚ）の１対のレチクルアライメント照明光ＲＢ_３ ，ＲＢ_４ 、及びウエハアライメント照明光ＷＢ_３ ，ＷＢ_４ とが射出されるものとする。
【００４４】
図２は、図１をＹ方向に見た側面図であり、この図２に示すように、レチクルアライメント照明光ＲＢ_１ ，ＲＢ_２ は対物レンズ２によってレチクル４上に集光され、レチクル４の下面の回折格子状のレチクルマーク３５Ａにそれぞれ入射角−θ_Ｒ１，θ_Ｒ１で照射される。
図３は、本例のレチクル４のレチクルマーク３５Ａの周辺の拡大図であり、この図３において、Ｘ軸用のレチクルマーク３５Ａは、Ｘ方向にピッチＰ_Ｒ で形成された回折格子よりなるマークであり、レチクルマーク３５Ａの内側にウエハ側に向かうアライメント光を通過させるためのレチクル窓３７Ａが形成されている。Ｙ軸用のレチクルマーク及びレチクル窓は、図３を９０°回転させた形で形成されている。そして、レチクルマーク３５Ａに照明光ＲＢ_１ ，ＲＢ_２ ，ＲＢ_３ ，ＲＢ_４ よりなる光束５０が照射され、レチクル窓３７Ａを照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ ，ＷＢ_３ ，ＷＢ_４ よりなる光束５１が通過している。
【００４５】
図２に戻り、入射角−θ_Ｒ１，θ_Ｒ１とレチクルマーク３５Ａの格子ピッチＰ_Ｒ とは次式の関係にあり、照明光ＲＢ_１ の＋１次回折光ＲＢ_１ ^＋１ と照明光ＲＢ_２ の−１次回折光ＲＢ_２ ^−１ とはそれぞれ真上に発生し、アライメント検出光（ヘテロダインビーム）として対物レンズ２を介してアライメント光学系１に戻る。
【００４６】
ｓｉｎ （θ_Ｒ１）＝λ_１ ／Ｐ_Ｒ （１３）
同様に、レチクルアライメント照明光ＲＢ_３ ，ＲＢ_４ も対物レンズ２によってレチクル４上に集光され、レチクル４上のレチクルマーク３５Ａに入射角−θ_Ｒ２，θ_Ｒ２で照射される。このとき、照明光ＲＢ_３ の＋１次回折光ＲＢ_３ ^＋１ と照明光ＲＢ_４ の−１次回折光ＲＢ_４ ^−１ とがそれぞれ真上に発生し、対物レンズ２を介してアライメント光学系１に戻る。
【００４７】
一方、ウエハアライメント照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ はレチクル４上のレチクル窓３７Ａを通過し、投影光学系５中の色収差制御板１０に達する。色収差制御板１０の照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ が通過する部分には、それぞれ回折格子状の軸上色収差制御素子が形成されており、照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ はそれぞれ角度−θ_Ｇ１，θ_Ｇ１だけ曲げられて、回折格子状のウエハマーク４８Ａに対しそれぞれ入射角−θ_Ｗ１，θ_Ｗ１で照射される。
【００４８】
図４（ａ）は、ウエハマーク４８Ａの拡大図を示し、この図４（ａ）において、ウエハマーク４８Ａは、Ｘ方向にピッチＰ_Ｗ で形成された凹凸の回折格子よりなる。Ｙ軸用のウエハマークはそのウエハマーク４８Ａを９０°回転した形である。そして、ウエハマーク４８Ａに、照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ ，ＷＢ_３ ，ＷＢ_４ よりなる光束５１が照射されている。
【００４９】
図２に戻り、入射角−θ_Ｗ１，θ_Ｗ１とウエハマーク４８Ａの格子ピッチＰ_Ｗ とは次式の関係にあり、照明光ＷＢ_１ の＋１次回折光ＷＢ_１ ^＋１ と照明光ＷＢ_２ の−１次回折光ＷＢ_２ ^−１ とはそれぞれ真上に発生し、これら２つの回折光がアライメント検出光（ヘテロダインビーム）となる。
【００５０】
ｓｉｎ （θ_Ｗ１）＝λ_１ ／Ｐ_Ｗ （１４）
この際に、ウエハアライメント照明光ＷＢ_３ ，ＷＢ_４ は照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ に波長が近いため、色収差制御板１０上で通過する位置は、それぞれほぼ照明光ＷＢ_１ ，ＷＢ_２ が通過する軸上色収差制御素子上と見なせる。そのため、照明光ＷＢ_３ ，ＷＢ_４ はそれぞれ角度−θ_Ｇ２，θ_Ｇ２だけ曲げられて、ウエハマーク４８Ａに対しそれぞれ入射角−θ_Ｗ２，θ_Ｗ２で照射される。そして、照明光ＷＢ_３ の＋１次回折光ＷＢ_３ ^＋１ と照明光ＷＢ_４ の−１次回折光ＷＢ_４ ^−１ とがそれぞれ真上に発生し、アライメント検出光となる。
【００５１】
この場合、図１に示すように、色収差制御板１０の偏向作用によりウエハアライメント照明光は、非計測方向（Ｙ方向）においてウエハ６に対して角度θ_ｍ だけ傾いて入射するため、上記各アライメント検出光が色収差制御板１０上で通過する位置は入射時に通過した位置と異なる。ウエハマーク４８Ａからのアライメント検出光は、色収差制御板１０上の別の軸上色収差制御素子を通ることによって横方向の色収差が補正されて、レチクル窓３７Ａに向かう。その後、各検出光はレチクル窓３７Ａ、及び対物レンズ２を介して再びアライメント光学系１へと戻る。また、ウエハアライメント照明光は、色収差制御板１０が配置されない場合に比べ、ウエハ６の表面でＹ方向にΔβだけずれた位置を照明する。
【００５２】
ここで、図５を参照して、アライメント光学系１について詳しく説明する。図５（ｂ）はアライメント光学系１を図１と同じ方向から見た図、図５（ａ）はアライメント光学系１を図２と同じ方向から見た図、図５（ｃ）は図５（ａ）の底面図である。
図５において、それぞれレーザダイオードよりなる第１のレーザ光源１１Ａ、第２のレーザ光源１１Ｂ、及び第３のレーザ光源１１Ｃが備えられ、レーザ光源１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃから射出されるレーザビームの波長は例えばそれぞれ６３０ｎｍ，６９０ｎｍ，７８０ｎｍに設定されている。そして、アライメント用電源系６４は、３個のレーザ光源１１Ａ〜１１Ｃの内の任意の１個若しくは２個のレーザ光源、又は３個のレーザ光源を所望の強度で独立に点灯駆動できるようになっている。なお、３個のレーザ光源の内の所定のレーザ光源を例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光源、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光源、又はＡｒイオンレーザ光源等としてもよく、３個のレーザ光源の代わりに、例えば２つの周波数可変レーザ光源を使用してもよく、３個のレーザ光源の代わりに、４個以上のそれぞれ発振波長の異なるレーザ光源を使用してもよい。また、３個以上のレーザ光源の内から選択された複数のレーザ光源を発光させる際に、シャッターを使用して選択されないレーザ光源のレーザビームをシャッターで遮光するようにしてもよい。
【００５３】
この場合、第１のレーザ光源１１から出た波長λ_１ のレーザビームと、第２のレーザ光源１２から出た波長λ_２ のレーザビームとは、ダイクロイックミラー１３Ａにより同軸に合成され、このように同軸に合成された２つのレーザビームと、第３のレーザ光源から射出される波長λ_３ のレーザビームとはダイクロイックミラー１３Ｂにより同軸に合成されて照明光Ｂとなる。以下では、照明光Ｂは、波長λ_１ 及びλ_２ のレーザビームが合成されたものとして説明するが、照明光Ｂを構成するレーザビームの波長の組合せが変わっても同様である。
【００５４】
照明光Ｂは、周波数Ｆ_１ で駆動されている音響光学素子（以下、「ＡＯＭ」と呼ぶ）１４に入射する。ＡＯＭ１４は光を垂直に入射させてラマン・ナス回折による±１次回折光を均等に得るもの、即ちラマン・ナス型ＡＯＭである。照明光Ｂ内の２つのレーザビームは波長が異なるため、ＡＯＭ１４によってそれぞれ異なる角度に回折光が発生する。これら＋１次、及び−１次回折光は、もとの周波数に対してそれぞれ＋Ｆ_１ ，及び−Ｆ_１ の周波数差を持っている。
【００５５】
ＡＯＭ１４から射出されたレーザビームはレンズ１５を通過して空間フィルタ１６に入射し、空間フィルタ１６によって±１次回折光のみが選択され、選択された回折光はレンズ１７を経て、ＡＯＭ１４に対して４５°回転して配置され、且つ周波数Ｆ_２ で駆動されているＡＯＭ１８に交差するように入射する。ＡＯＭ１８はブラッグ型ＡＯＭであり、入射角はブラッグ角の１／ｓｉｎ ４５°になるよう設定してある。従って、光軸の回りに４５°回転した面で見れば、回折光の入射角はブラッグ角である。この場合、ＡＯＭ１４で＋Ｆ_１ の周波数変調を受けたレーザビームはＡＯＭ１８で−１次回折光が強く発生し、その−１次回折光はＡＯＭ１８で−Ｆ_２ の周波数変調を受け、レーザ光源１１，１２から射出されるときに対して＋（Ｆ_１ −Ｆ_２ ）の周波数変調を受けたアライメントビームＢ_１ ，Ｂ_３ になる。同様に、ＡＯＭ１４で−Ｆ_１ の周波数変調を受けたレーザビームはＡＯＭ１８で＋１次回折光が強く発生し、その＋１次回折光はＡＯＭ１８で−Ｆ_２ の周波数変調を受け、レーザ光源１１，１２から射出されるときに対して−（Ｆ_１ −Ｆ_２ ）の周波数変調を受けたアライメントビームＢ_２ ，Ｂ_４ になる。その結果、アライメントビームＢ_１ ，Ｂ_３ とアライメントビームＢ_２ ，Ｂ_４ との周波数差Δｆは２（Ｆ_１ −Ｆ_２ ）で表され、この例ではΔｆは５０ｋＨｚに設定されるものとする。ＡＯＭ１８を通過したレーザビームは、レンズ１９を経て空間フィルタ２０に入射し、空間フィルタ２０で選択されたアライメントビームＢ_１ 〜Ｂ_４ は後段へと導かれる。
【００５６】
アライメントビームＢ_１ 〜Ｂ_４ はレンズ２１によって視野絞り２２上に集光され、レチクル又はウエハ上でのビーム形状が決められた後、レチクル・ウエハビーム分離プリズム２３によってレチクルアライメント照明光ＲＢ_１ 〜ＲＢ_４ 、及びウエハアライメント照明光ＷＢ_１ 〜ＷＢ_４ に分けられる。その後、アライメント照明光はレンズ２４を経て直視プリズム２５に到達する。直視プリズム２５は光軸を中心に回転可能であり、不図示のモータによって図１の主制御系６１からの指示により駆動される。直視プリズム２５が回転すると波長λ_１ ，λ_２ の２色の照明光は相対角度が変化し、波長λ_１ の照明光ＲＢ_１ ，ＷＢ_１ ，ＲＢ_２ ，ＷＢ_２ に対してそれぞれ波長λ_２ の照明光ＲＢ_３ ，ＷＢ_３ ，ＲＢ_４ ，ＷＢ_４ が分離される。このように相対角度が変化した照明光は、ビームスプリッタ２６を経て図２の対物レンズ２に向かう。相対角度の変化により、波長λ_１ ，λ_２ の２色の照明光のレチクル及びウエハ上での照射位置の相対関係も変化する。
【００５７】
一方、図２のレチクルマーク３５Ａ及びウエハマーク４８Ａからのアライメント検出光は、図５のアライメント光学系１に戻った後、ビームスプリッタ２６により反射され、レンズ２７を経てレチクル、及びウエハと共役な位置にある検出光分離プリズム２８によって、レチクル検出光とウエハ検出光とに分離される。レチクル検出光ＲＢ_１ ^＋１ ，ＲＢ_２ ^−１ 及びＲＢ_３ ^＋１ ，ＲＢ_４ ^−１ は検出光分離プリズム２８を透過し、光電検出素子３０によって受光される。ウエハ検出光ＷＢ_１ ^＋１ ，ＷＢ_２ ^−１ 及びＷＢ_３ ^＋１ ，ＷＢ_４ ^−１ は検出光分離プリズム２８で反射されて、光電検出素子３１によって受光される。光電検出素子３０からレチクルマークの位置に対応するレチクルビート信号Ｓ_Ｒ が出力され、光電検出素子３１からウエハマークの位置に対応するウエハビート信号Ｓ_Ｗ が出力される。
【００５８】
レチクルビート信号Ｓ_Ｒ は検出光ＲＢ_１ ^＋１ ，ＲＢ_２ ^−１ 、及びＲＢ_３ ^＋１ ，ＲＢ_４ ^−１ による周波数Δｆの正弦波状のビート信号であり、ウエハビート信号Ｓ_Ｗ は検出光ＷＢ_１ ^＋１ ，ＷＢ_２ ^−１ 及びＷＢ_３ ^＋１ ，ＷＢ_４ ^−１ による周波数Δｆの正弦波状のビート信号である。両者の位相差Δφ［ｒａｄ］はレチクル４、及びウエハ６のＸ方向への相対移動量により変化し、その相対移動量Δｘは以下の式に示す通りである。
【００５９】
Δｘ（レチクル上）＝Ｐ_Ｒ ・Δφ／（４π） （１５Ａ）
Δｘ（ウエハ上） ＝Ｐ_Ｗ ・Δφ／（４π） （１５Ｂ）
なお、Ｙ方向用のアライメントセンサにより、Ｙ軸用のレチクルマーク及びウエハークに対応するビート信号が得られる。
レチクルビート信号Ｓ_Ｒ 及びウエハビート信号Ｓ_Ｗ はそれぞれ増幅器５２，５３により信号強度（振幅）が調整され、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５４，５５を経てアライメント信号処理系６５に供給され、ここで両信号Ｓ_Ｒ ，Ｓ_Ｗ の位相差が検出される。検出された位相差は図１の主制御系６１に供給される。主制御系６１は、両ビート信号Ｓ_Ｒ ，Ｓ_Ｗ の位相差に基づき、レチクル４とウエハマークとの位置ずれが所定の目標追い込み値になるように、レチクル４とウエハ６との位置合わせを行う。その後レチクル４のパターン像がウエハ６の当該ショット領域に投影露光される。
【００６０】
次に、本例においてウエハマークの段差に応じて、アライメントセンサからウエハマークに照射されるレーザビームの波長の組合せを変える際の動作の一例につき詳細に説明する。
先ず、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す本例のウエハマーク４８Ａの拡大断面図であり、ウエハマーク４８Ａは例えばウエハ６上に被着された金属膜上にエッチングによりＸ方向に所定ピッチで形成された凹凸の位相パターンであり、ウエハマーク４８Ａ上に屈折率ｎのフォトレジスト５６が塗布されている。図４（ｂ）のウエハマーク４８Ａは、凹部（底部）５７が平坦な対称なマークであり、凸部と凹部５７との段差の平均値ｈの大まかな値は、予め計測又はシミュレーション等により求められ、露光データとして図１の主制御系６１の記憶部に記憶されているものとする。なお、ウエハマーク４８Ａは、図４（ｃ）に示すように凹部５８が計測方向に対して傾斜した非対称なマークとなっている場合もあるが、この場合には凹部５８の中心での段差の平均値ｈの大まかな値が、主制御系６１の記憶部に記憶されている。
【００６１】
また、主制御系６１の記憶部にはフォトレジスト５６の屈折率ｎの値も記憶され、先ず主制御系６１は、ウエハマーク４８Ａの段差の平均値ｈの実効的光路長ｓ（＝ｎ・ｈ）を求める。この場合、レーザビームの波長をλとして、その実効的光路長ｓを（４）式より位相差ｙに換算すると、ウエハマーク４８Ａでの回折効率ｆ（ｙ）は（５）式で表され、回折効率ｆ（ｙ）は位相差ｙに対して図６のように変化する。
【００６２】
次に、主制御系６１は、図５の３個のレーザ光源１１Ａ〜１１Ｃから射出されるレーザビームの波長λ_１ 〜λ_３ の中で、２つの波長の波長差をΔλ、平均値をλとしたとき、（３Ａ）式又は（３Ｂ）式に最も当てはまる２つの波長を選択する。具体的に、波長λ_１，λ_２，λ_３ をそれぞれ６３０ｎｍ，６９０ｎｍ，７８０ｎｍであるとして、ウエハマーク４８Ａの段差の平均値ｈが０．７μｍ、フォトレジストの屈折率ｎが１．６として、平均波長λを６６０ｎｍ、整数ｍを０とすると、（３Ａ）式からはΔλ＝６５ｎｍとなり、（３Ｂ）式からはΔλ＝１３０ｎｍとなる。
【００６３】
そして、波長差Δλとして６５ｎｍ又は１３０ｎｍの何れかを選択する方法としては、平均波長λが２ｓ＝（ｍ＋１／２）λ（ｍ：整数）を満たす波長に近いときは、（３Ａ）式つまり６５ｎｍを選択し、平均波長λが２ｓ＝ｍλ（ｍ：整数）を満たす波長に近いときは、（３Ｂ）式つまり１３０ｎｍを選択する。これは、図６では、平均波長λが点Ａ付近に対応するときには、（３Ａ）式が満たされるように２つの波長として点Ｂ及び点Ｃ付近に対応する波長を取り、平均波長λが位相差ｙ＝πの近傍に対応するときには、（３Ｂ）式が満たされるように２つの波長として点Ｃ及び点Ｄ付近に対応する波長を取ることを意味する。要は２つの波長について、図６の回折効率ｆ（ｙ）の曲線の傾きが逆になる組み合わせを探すことである。
【００６４】
この結果、波長差Δλとして６５ｎｍが選択され、波長λ_１ 〜λ_３ 中の２つの波長として６３０ｎｍ及び６９０ｎｍが選択される。そこで、図１の主制御系６１はアライメント用電源系６４を介して、図５の第１及び第２のレーザ光源１１Ａ，１１Ｂを同時に点灯駆動する。この結果、ウエハマークの段差が多少変化しても平均化効果により非対称の影響は受けなくなる。次に、ウエハマークの段差の平均値ｈが例えば０．３μｍの場合は、平均波長を７００ｎｍとして、波長差Δλ＝１７０ｎｍになる。従って、波長λ_１ 〜λ_３ 中の２つの波長として６３０ｎｍ，７８０ｎｍを選択すればよい。このようにウエハマークの段差に応じて点灯する２つの光源の波長を選択すればよい。
【００６５】
以上で述べた要点は、２つの波長で図６の回折効率ｆ（ｙ）の曲線の傾きが逆になる組み合わせを探すことである。ところで、アライメントセンサの光源が多数ある場合には、それらの波長から図６に示した回折効率ｆ（ｙ）の大まかな曲線を知ることができる。その結果を用いて傾きが逆になる２波長の組み合わせを決定することが可能である。この場合、ウエハマークの段差の値が分からなくともよい。ところで、上記の複数波長はウエハマークの回折効率が各波長で等しいと仮定したときに、図５の光電検出素子３１での光電変換信号のレベルが同じ値になるように出力調整することが望ましい。
【００６６】
なお、本実施例では、（３Ａ）式、又は（３Ｂ）式で決まる波長差を考えたが、これらの平均的な値、つまり（３Ｃ）式で定まる波長差に設定してもよい。この場合、波長差は最適値からは外れるものの大きな不都合はない。こうすると、平均波長によって（３Ａ）式と（３Ｂ）式とを使い分ける必要がなく便利である。
【００６７】
次に、本発明の他の実施例につき説明する。本実施例の投影露光装置は図１及び図２の投影露光装置と同様であり、そのアライメント光学系の構成も図５と同様である。但し、本例の図５（ａ）のアライメント用電源系６４は、例えば３個のレーザ光源１１Ａ〜１１Ｃを順番に１つずつ所望の駆動電力で点灯する機能を有する。そして、本実施例では、３個のレーザ光源１１Ａ〜１１Ｃの発振波長λ_１ 〜λ_３ から、波長差Δλが（３Ａ）式、（３Ｂ）式、又は（３Ｃ）式の何れかを満たす波長差に近い値となる２つの波長（例えば波長λ_１ 及びλ_２）を決定する。その後、図１の主制御系６１は図５（ａ）のアライメント用電源系６４を介して、それらの波長λ_１ 及びλ_２ に対応するレーザ光源１１Ａ，１１Ｂを交互に点灯する。
【００６８】
この場合、図５（ａ）の光電検出素子３１から交互に取り込まれるビート信号Ｓ_Ｗ に基づいて、アライメント信号処理系６５で２つの位置ずれ量Δｘ_１ 及びΔｘ_２ が得られる。また、波長λ_１ 及びλ_２ でのビート信号Ｓ_Ｗ の振幅を所定の平均値で規格化した値をそれぞれＷ_１ 及びＷ_２ とすると、本例のアライメント信号処理系６５では、２つの位置ずれ量Δｘ_１ 及びΔｘ_２ をそれぞれＷ_１ 及びＷ_２ に応じて重み付けして加算した値を位置ずれ量Δｘとする。これにより、実質的に、２つの波長での回折効率が同じ値となり、ウエハマークの非対称の影響が軽減される。
【００６９】
なお、図５（ａ）において、光電検出素子３１を波長別に複数個設けて、２つのレーザ光源を同時に点灯するようにしてもよい。また、交互に、又は並列に取り込んだ２つの位置ずれ量Δｘ_１ 及びΔｘ_２ を重みを付けて処理する代わりに、２つのレーザ光源の駆動電力の比の値を制御してもよい。これにより、正確に位置ずれ量が求められる。
【００７０】
なお、上述実施例ではアライメントセンサとして、ヘテロダイン干渉方式でＬＩＡ方式のアライメントセンサが使用されているが、ホモダイン干渉方式の場合にも本発明を適用することにより上述実施例と同様の効果が得られる。また、本発明のアライメント装置は、上述のＴＴＲ方式で且つＬＩＡ方式のアライメントセンサに限らず、ハロゲンランプを光源とする波長帯域幅の広い光で照明したアライメントマークを画像処理して計測するＦＩＡ方式のアライメントセンサ等を使用する場合にも適用することができる。
【００７１】
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。
【００７２】
【発明の効果】
本発明のアライメント装置によれば、位置合わせ用マーク（ウエハマーク）の段差に応じてその位置合わせ用マークに照射される複数の波長の光の波長差を設定しているため、その位置合わせ用マークの段差を正確に或る特別な光路長に合わせることなく、その位置合わせ用マークの非対称の影響を軽減してその位置合わせ用マークの位置を正確に検出して、感光基板（ウエハ）を高精度に位置合わせできる利点がある。
【００７３】
この場合、照射光学系が、互いに異なる３種類以上の波長から選択された任意の組合せの複数の波長の光を発生する光源を備え、波長制御手段が、その位置合わせ用マークの段差に応じてその照射光学系内でそれら３種類以上の波長から選択される波長の組合せを指示するときには、簡単な構成で位置合わせ用マークの段差に応じて複数の光の波長差を設定できる。
【００７４】
また、照射光学系が、複数の互いに異なり且つ可変の波長の光を発生する光源を備え、波長制御手段が、その位置合わせ用マークの段差に応じてその照射光学系内の光源から発生される波長可変の複数の光のそれぞれの波長を指示するときには、複数の光の波長差を高精度に所定の値に設定できる利点がある。
また、その位置合わせ用マークに照射される複数の波長の光の内の所定の２つの波長の光の波長差をΔλとして、その位置合わせ用マークの段差の実効的光路長をｓとした場合、正の整数ｍ、及び２〜４の何れかの整数ｎを用いて、実質的に（２）式の関係が成立するときには、位置合わせ用マークの非対称の影響を最も小さくできる。
【００７５】
次に、位置合わせ用マーク（ウエハマーク）の段差に応じてその位置合わせ用マークに照射される複数の波長の光に対応する検出信号のレベル比を調整する場合には、その位置合わせ用マークの段差を正確に或る特別な光路長に合わせることなく、その位置合わせ用マークの非対称の影響を軽減してその位置合わせ用マークの位置を正確に検出して、感光基板（ウエハ）を高精度に位置合わせできる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で使用される投影露光装置の全体を示す概略構成図である。
【図２】図１の投影露光装置のステージ系、及びアライメント光学系をＹ方向に見た側面図である。
【図３】実施例のレチクルに形成されたレチクルマーク３５Ａ及びレチクル窓３７Ａを示す拡大平面図である。
【図４】実施例のウエハ上のショット領域に付設されたウエハマーク４８Ａを示す拡大平面図である。
【図５】（ａ）は図１中のアライメント光学系１及び信号処理系の構成を示す図、（ｂ）は図５（ａ）の光学系の側面図、（ｃ）は図５（ａ）の光学系の底面図である。
【図６】位置合わせ用マーク（ウエハマーク）の段差の位相差ｙと回折効率ｆ（ｙ）との関係を示す図である。
【図７】位置合わせ用マーク（ウエハマーク）の段差の位相差ｙと、非対称の影響を表す関数ｇ（ｙ）との関係を示す図である。
【図８】（ａ）は対称なウエハマークを示す拡大断面図、（ｂ）は非対称なウエハマークを示す拡大断面図である。
【図９】図８（ａ）及び（ｂ）のウエハマークに対応して得られる反射光（回折光）の強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１ アライメント光学系
２ 対物レンズ
３ ダイクロイックミラー
４ レチクル
５ 投影光学系
６ ウエハ
７ ウエハホルダ
８Ｘ Ｘステージ
８Ｙ Ｙステージ
９ レチクルステージ
１０ 色収差制御板
１１Ａ〜１１Ｃ レーザ光源
２２ 視野絞り
２３ レチクル・ウエハビーム分離プリズム
２６ ビームスプリッタ
３０，３１ 光電検出素子
３５Ａ レチクルマーク
３９，４０ レチクルアライメント顕微鏡
４８Ａ ウエハマーク
６１ 主制御系
６４ アライメント用電源系
６５ アライメント信号処理系

Claims (12)

1. マスクパターンを感光基板上に転写する露光装置に設けられ、前記感光基板上に形成された凹凸パターンよりなる位置合わせ用マークの位置に基づいて前記マスクパターンと前記感光基板との位置合わせを行うアライメント装置において、
   前記位置合わせ用マークに対して互いに異なる複数の波長の光を照射する照射光学系と、
   前記位置合わせ用マークからの光束を受光して前記位置合わせ用マークの位置に応じた検出信号を生成する受光光学系と、
   前記位置合わせ用マークの凹部の中心での段差に応じて前記照射光学系から前記位置合わせ用マークに照射される複数の波長の光の波長差を設定する波長制御手段と、を有することを特徴とするアライメント装置。
2. 請求項１記載のアライメント装置であって、
   前記照射光学系は、互いに異なる３種類以上の波長から選択された任意の組合せの複数の波長の光を発生する光源を備え、
   前記波長制御手段は、前記位置合わせ用マークの段差に応じて前記照射光学系内で前記３種類以上の波長から選択される波長の組合せを指示することを特徴とするアライメント装置。
3. 請求項１記載のアライメント装置であって、
   前記照射光学系は、複数の互いに異なり且つ可変の波長の光を発生する光源を備え、
   前記波長制御手段は、前記位置合わせ用マークの段差に応じて前記照射光学系内の光源から発生される波長可変の複数の光のそれぞれの波長を指示することを特徴とするアライメント装置。
4. 請求項１、２、又は３記載のアライメント装置であって、
   前記位置合わせ用マークに照射される複数の波長の光の内の所定の２つの波長の光の平均波長をλ、波長差をΔλとして、前記位置合わせ用マークの段差の実効的光路長をｓとした場合、正の整数ｍ、及び２〜４の何れかの整数ｎを用いて、実質的に
   Δλ＝λ² （ｎ／６＋ｍ）／（２ｓ）
   の関係が成立するように波長差を設定することを特徴とするアライメント装置。
5. 前記照射光学系は、前記位置合わせ用マークに照射する複数の波長の光を、前記位置合わせ用マークに対して同時に照射することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のアライメント装置。
6. マスクパターンを感光基板上に転写する露光装置に設けられ、前記感光基板上に形成された凹凸パターンよりなる位置合わせ用マークの位置に基づいて前記マスクパターンと前記感光基板との位置合わせを行うアライメント装置において、
   互いに異なる複数の波長の光のうち、前記位置合わせ用マークの凹部の中心での段差に応じて互いに波長の異なる複数の光を選択し、その選択された複数の波長の光を前記位置合わせ用マークに対して照射する照射光学系と、
   前記照射光学系による前記照射によって前記位置合わせ用マークから発生した前記複数の波長の光を受光し、各波長毎に前記位置合わせ用マークの位置に応じた検出信号を生成する受光光学系と、
   前記受光光学系から出力される各波長毎の検出信号に基づいて前記位置合わせ用マークの位置情報を各波長毎に求めるとともに、その求められた各波長毎の位置情報に基づいて前記位置合わせ用マークの位置情報を求める信号処理系と、を有することを特徴とするアライメント装置。
7. 前記照射光学系は、前記選択された複数の波長の光を、前記位置合わせ用マークに対して交互に照射することを特徴とする請求項６に記載のアライメント装置。
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光を前記波長別に受光する複数の光電検出素子を含み、
   前記照射光学系は、前記選択された複数の波長の光を、前記位置合わせ用マークに対して同時に照射することを特徴とする請求項６に記載のアライメント装置。
9. 前記信号処理系は、前記波長毎の検出信号の振幅に基づいた重みを用いて、各波長毎に求められた前記位置情報を重み付け加算することにより、前記位置合わせ用マークの位置情報を求めることを特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載のアライメント装置。
10. 請求項６〜９の何れか一項に記載のアライメント装置であって、
    前記照射光学系は、互いに異なる波長の光をそれぞれ発生する複数の光源を備えることを特徴とするアライメント装置。
11. 前記アライメント装置は、前記位置合わせ用マークから発生した２つの回折光の干渉光の位相から前記位置合わせ用マークの位置を検出する方式と、前記位置合わせ用マークの像を画像処理して前記位置合わせ用マークの位置を検出する方式とのうちの何れか一方の方式を使用することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のアライメント装置。
12. 請求項１〜１１の何れか一項に記載のアライメント装置を備え、
    前記アライメント装置によりアライメントされた感光基板上に、マスクパターンを投影光学系を介して転写することを特徴とする露光装置。

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