JPH01212436A - 位置検出装置及び該装置を用いた投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＬＳＩのパターン転写等に使用される投影型露
光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

縮小投影型露光装置はより集積度の高いパターンの転写
を可能とするように年々改善されつつある。最近ではエ
キシマレーザを光源とするデユープＵＶ領域のステッパ
ーが発売され、０．５μ−以下の線幅領域におけるリン
グラフイーの主力装置としての可能性が強いものとして
注目を集めている。特に、波長２４８ｎｍのＫＶＦエキ
シマレーザの発振スペクトル幅を５ｐｍ（ピコメータ）
以下に狭帯化し、投影レンズとして石英のみを光学材料
に用いた形式の装置はウェハ上での１回の露光領域が大
きくとれ、ＬＳＩのサイズ又は複数個のサイズの確保が
できるので量産装置として早期に実用化されることを期
待されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような全石英タイプの投影レンズを用いると、パ
ターンの焼付けに用いるスペクトルの光のみしか色収差
が補正されず、投影レンズを介したいわゆるスルーザレ
ンズのアライメント系を設けようとすれば、焼付は光も
同じスペクトルの光を用いなければならなかった。とこ
ろで、ディープｕｖ６１域のフォトレジストは吸収が激
しいものが多く、ディープＵＶ光ではレジストの吸収の
為にウェハ上のアライメントマークの観測ができないと
いう問題がある。また、多層レジストを用い、最上層に
吸収の比較的少ないレジスト層を設けた場合でも、下層
ではＵＶ光がほとんど吸収されてしまうという問題があ
る。このような問題を解決する試みとして、一方ではア
ライメントマーク部のみのレジストをエキシマ−光でア
ブレーション効果によりはがすことも行われているが、
スループットやゴミの発生等の問題が解決されていない
。

従って、上記のようなディープＵＶステッパーにおける
アライメント方式は投影レンズを介さないオフアキシス
アライメント方式が主流になると考えられてきたが、オ
フアキシス方式には次のような問題がある。

（１）　　レチクルの像の位置とアライメント計測位置
の相対的なオフセットが存在し、それがドリフトする。

（２）装置温度、大気圧、機械振動、露光光の一部吸収
による熱的な変化、微小な機械的歪の解消による変形等
によって生じる投影倍率やデイスト−シコンの変化、フ
ォーカスや像面湾曲の変化に対応したアライメントがで
きない。

（３）　　レチクルの位置を精密に位置計測しても、投
影レンズ自体の振動や歪等の効果により、ウェハ側の像
面における像位置の計測に誤差が生じる。

（４）ウェハステージに設けたフィデエー２ヤルマーク
を用いた計測を行っても、ウェハ露光中に行えないので
、速いモニターができず、スループットが低下する。

そこで本発明は以上のような従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、ウェハ等の被投影物（第２対象物）上のパ
ターンに対してはオフアキシスのアライメント系である
が、オンアキシス系と同等以上の性姥を有する投影露光
装置を得ることを主な目的とする。さらに本発明は、露
光動作中においても、レチクル等の第１対象物と投影レ
ンズとの機械的な位置ずれをモニターできる投影露光装
置を得ることを目的とする。

さらにまた本発明は、投影レンズのディストーシロン変
化や投影倍率の変化等の結像状態の変化を、露光動作中
においてもリアルタイムに検出できる投影露光装置を得
ることを目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

上記問題点の解決の為に、本発明では投影レンズとウェ
ハ（第２対象物）の間、又は投影レンズの最下部等に参
照部材を設け、参照部材のウェハ側の面を部分的に反射
性とし、レチクル上の基準パターンが投影レンズによっ
て結像され部分的な反射面による反射像のできるフォー
カス位ｌ！（すなわちレチクルとの共役位置）付近に参
照パターンを設け、参照パターンと基準パターンの位置
関係を投影レンズを介して計測し、位置合わせの動作に
反映させるようにした。

また、上記の参照部材に別途アライメント基準パターン
を設け、この基準パターンの位置を基準としてウニへ上
のアライメントマークの位置計測をするようにした。

〔作用〕

本発明では、ウェハ側の像面と等価な位置に寸法及び位
置の基準となる参照パターンを設け、レチクル上のパタ
ーンとこの参照パターンの相対的位置計測を行うので、
投影レンズの信像特性の変化やレチクルの位置変動等を
誤差なく計測してアライメント誤差の発生を防止できる
。

また参照パターンのついた参照部材にアライメント基準
パターンを設けていればベースライン変化は無視できる
ほど小さい。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の全
体的な構成を示す図であり、エキシマレーザを露光光と
するエキシマステッパーを想定している。波長２４８ｎ
−等の狭帯化されたレーザビームを射出するＫｒＦエキ
シマレーザ光源光源外部トリガーによって発振される。

そのエキシマレーザ光は、可変アテニエエータ等の光量
制御装置２、投影領域（レチクルＲ上での照明領域）を
制限するための可変開口ブラインド３、第１コンデンサ
ーレンズ４、反射ミラー５、及び第２コンデンサーレン
ズ６を介して、レチクルＲを一様の照度分布で照明する
０石英等のレチクルＲの下面にはクロム、酸化クロム等
の遮光材料でＬＳＩの回路パターンＰＡや各種アライメ
ントのためのマークパターンＲＭ等が形成されている。

またレチクルＲはレチクルステージＲ３Ｔ上に水平に吸
着固定され、レチクルステージＲ３Ｔは駆動部Ｒ３Ｄに
よって、レチクルＲを投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＸと垂
直な平面内で２次元移動させる。さて、レチクルＲのパ
ターン領域ＰＡの像は、投影レンズ系ＰＬと光学的に透
明な平板状の参照部材ＲＰを介してウニへＷ上に結像投
影される。参照部材ＲＰの中央部分は露光時に投影レン
ズ系ＰＬとともに、レチクルＲのパターン領域ＰＡのウ
ェハＷへの結像に寄与する。また参照部材ＲＰのパター
ン投影像の周辺部分の水面で、レチクルＲのマークパタ
ーンＲＭ（基準パターン）の投影像に対応した部分を反
射面にし、ここで反射して形成された像面（レチクルＲ
のパターン面と共役な面）付近にマークＲＭに対応した
参照パターンが設けられている。この参照部材ＲＰは石
英等の寸法安定性の良い材料で作られており、詳しい構
成形状についきは後で述べる。尚、参照部材ＲＰは投影
レンズ系ＰＬと機械的な位置ずれが生じないように取付
けられている。

さて、投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＸから一定間隔の位置
には、ウェハＷ上のマークパターン等を観察するオフア
キシス方式のアライメントセンサーＷＡが設けられてい
る。アライメントセンサーＷＡは本実施例では参照部材
ＲＰを介することなく直接ウェハ面を観察するものとす
る。また参照部材ＲＰを介してウェハＷに斜めに光ビー
ムを照射する送光系ＡＰＩと、その光ビームのウェハ表
面での反射光を再び参照部材ＲＰを介して受光する受光
系ＡＦ２とは、投影レンズ系ＰＬによる最良結像面とウ
ェハ表面との間隔を光学的に検出するギャップセンサー
であり、受光系ＡＦ２の出力信号はウェハ表面の光軸Ａ
Ｘ方向の位置、所謂焦点ずれを表わし、自動合焦システ
ムに使われ　　　　′る。ところでウェハＷはウェハホ
ルダーＷＨ上に吸引固定され、ウェハホルダーＷＨは、
紙面と垂直な水平面内でｘ、ｙ方向に平行移動するとと
もに、０（回転）方向に微動回転し、さらに光軸ＡＸ方
向にＺ移動するステージＷＳＴに設けられている。ステ
ージＷＳＴは例えば階層構造となっており、下からＹス
テージ、Ｘステージ、２ステージ、θステージおよびウ
ェハホルダーＷＨの順に組み合わされている。各ステー
ジの駆動はステージ駆動部ＷＳＤによって行なわれ、特
にｘｙ力方向座標位置はレーザ干渉計９によって高分解
能に逐次計測されている。レーザ干渉計９からの消長用
のレーザビームの１つは固定（参照）ミラー７に垂直に
入射し、もう１つのレーザビームはステージＷＳＴの２
ステ一ジ部に固定された移動ミラー８に垂直に入射し、
レーザ干渉計９は固定ミラー７までの光路長と、移動ミ
ラー８までの光路長との差に基づいてステージＷＳＴの
位置を計測する。尚、第１図では一次元方向のレーザ干
渉計しか示していないが、紙面と垂直な方向に関しても
同様にレーザ干渉計が設けられる。また固定ミラー７は
参照部材ＲＰにできるだけ近い位置、もしくは一体に設
けられている。

さて、本実施例では、より高精度、高分解能にレチクル
Ｒ上のマークＲＭと参照部材ＲＰ上のマークとを検出す
るために、所謂光ヘテロゲイン方式の位置ずれ検出系（
アライメント系）を採用した。以下その構成を説明する
と、各マークの照明光として、ミラー１１、レーザチュ
ーブ１２、及びミラー１４から成るアルゴンイオンレー
ザ光源ＬＳからの波長４８８．４９６、又は５１４ｎｓ
のいずれか１つの連続発振レーザ光を共振器内部に設け
られたＳＨＧ結晶１３によりて高調波社変換したレーザ
光１７を用いる。レーザ光１７はモータ１６によって一
定速度で回転する透明円板１５の一方の面側からほぼ垂
直に入射する０回転円板１５のレーザ光１７の入射点を
含む円周上には、放射方向に延びた微小格子を円周方向
に配列した格子パターンが形成されている０円板１５の
格子パターン部に入射したレーザ光１７の一部は反射方
向の解析光となって光電素子１８に受光される。この光
電素子１Ｂの光電出力は円板１５の回転位置をモニター
し、位置ずれ検出の動作タイミングを決めるために使わ
れる６回転円板１５の格子パターンで透過した解析光の
うち、例えば＋１次光と一１次光の夫々は集光レンズ１
９．２０によって光ファイバー２３．２４の各端面に集
光される。一方、回転円板１５を透過した０次光はミラ
ー２１，２２で反射され、再び回転円板１５の他の部分
に入射する。この部分に格子パターンがあると、ここで
も同様に±１次回折光が発生し、それぞれ集光レンズ２
５．２６によって光ファイバー２７．２Ｂの各端面に集
光される。光ファイバー２３．２４．２７．２８は紫外
域の波長に対する減衰の少ないものがよく、また好まし
くは単一モード保存ファイバーがよいが、必ずしもモー
ド保存タイプである必要はない、ここで光ファイバー２
３．２４で導かれる光は各マークのＸ方向の位置計測に
使われ、光ファイバー２７．２８で導かれる光はｙ方向
の位置計測に使われる。そして光ファイバー２３．２４
．２７．２８の各他端面から射出される光は、アパーチ
ャ板３０、テレセントリックな対物レンズ３１、及びミ
ラー３２を介して、レチクルＲのマークＲＭを含む局所
領域を照射する。このマークＲＭの一部の透明部を透過
した光は投影レンズ系ＰＬと参照部材ＲＰを通って参照
部材ＲＲの下面の一部に形成された反射面に達し、ここ
で反射してさらに参照パターンに至る。レチクルＲのマ
ークＲＭからの光情報と参照部材ＲＲの参照パターンか
らの光情報とは、再びミラー３２、対物レンズ３１を介
して部分ミラー３４で照明光路から分岐される０部分ミ
ラー３４は対物レンズ３１の焦点位置、すなわち投影レ
ンズ系ＰＬの瞳共役位置に設けられている０部分ミラー
３４で反射された光情報は、レンズ系３５によって部分
ミラー３６によって２方向に分けられる０部分ミラー３
６は対物レンズ３１とレンズ系３５の結像系に関してレ
チクルＲのマークＲＭあるいは参照部材ＲＲの参照パタ
ーンとほぼ共役な位置に設けられ、マークＲＭの像と参
照パターンの像とを分割し、それぞれレンズ系４２と４
１の方へ導く、レンズ系４１を通った参照パターンから
の光情報は光電検知器３７で受光され、レンズ系４２を
通ったマークＲＭからの光情報は光電検知器３８で受光
される。

ここでレンズ系４１．４２は対物゛レンズ３２の焦点面
（すなわち投影レンズ系ＰＬの瞳面）と各検知器３７．
３８の受光面とをほぼ共役にするように配置される。

ここでレチクルＲのマークＲＭと参照部材ＲＰの参照パ
ターンとを回折格子パターンにすると、各検知器３７．
３８の光電信号はともにある一定の周波数の交流信号と
なる。この２つの交流信号は、マークＲＭと参照パター
ンの格子ピッチ以内での相対的な位置すれか、信号の位
相差（例えば±１８０”）に対応しているという極めて
重要な性質を持っている。そこで位相計３９によって各
検知器３７．３８からの出力信号の位相ずれを求めるこ
とにより、レチクルＲと参照部材ＲＰの相対的な位置ず
れが検出される。この検出された位置ずれ（もしくは位
相ずれ）はメインプロセッサーＭＣに入力する。プロセ
ッサーＭＣは、レーザ干渉計９で計測された座標値、オ
フ・アキシス方式のアライメントセンサーＷＡからのア
ライメント情報、ギャップセンサーの受光器ＡＦ２から
のウェハ表面の高さ位置情報、及び光電素子１８からの
タイミング信号等を入力する。さらにプロセッサーＭＣ
はステージＷＳＴの駆動部ＷＳＤ。

レチクルステージＲ３Ｔの駆動部Ｒ３Ｄ、エキシマレー
ザ光源１、及び光量制御装置２等へ適宜駆動情報を出力
する。

またレチクルＲのパターン領域ＰＡをはさんだ右側には
想像線４０で示すように、部材３０〜３９．４１４２と
同様に構成されるもう１＆Ｉｌの位置ずれ検出系（アラ
イメント系）が設けられる。

ここで回転円板１５は、所謂ラジアルグレーティングと
呼ばれるものであり、レーザ光１７を横切る方向に格子
パターンが移動することによって、発生する回折光の正
の次数光と負の次数光の周波数に所定量だけ差を与える
。従って、例えば光ファイバー２３と２４の夫々から射
出して対物レンズ３１を介してレチクルＲのマークＲＭ
の領域に達した周波数の異なる２つの光は、相互に干渉
してマークＲＭ（又は参照パターン）上に干渉縞を形成
するとともに、その干渉縞は周波数の差（ビート）の周
波数で縞と直交する方向に流れることになる。ところで
光ヘテロゲイン法では、マークパターン（回折格子パタ
ーン）に対してその干渉縞が高速に流れる（スキャンす
る）ことから、位置検出すべき対象物をアライメント系
に対して微動させる必要がないといった特徴点がある。

このことは、第１図のように露光動作中は相対位置を動
かすことのないレチクルＲと投影レンズ系ＰＬ（参照部
材ＲＰ）との微小な位置ずれ誤差を高精度に検出するの
に極めて好都合である。

さらに光ヘテロダイン法では、得られた光電信号の位相
情報が位置ずれに対応するから、位相情報のみを高精度
に検知すればよい、そしてさらに好都合なことに、現在
の電子回路技術では、交流信号の位相差等を極めて分解
能よく検知する回路をいとも簡単に実現してしまう、こ
の結果回折格子パターンの格子ピッチの１／１００〜ｌ
／１０００程度の位置ずれが容易に計測される。尚、光
ヘテロゲイン法を用いてウェハ上の格子パターンの位置
ずれを検出する方式としては、例えば時開ｆｆ１６１−
２１５９０５号公報に詳しく開示されている。

次に、第１図に示した装置の部分的な構成を順次詳細に
説明する。

第２図は、第１図に示した位置ずれ検出系のための照明
光の発生部、すなわちレーザ光源ＬＳから各光ファイバ
ー２３．２４．２７．２８までの構成を示す斜視図であ
る０回転円板１５には第２図に示すように円周上の２ケ
所に格子パターン部５１．５２が形成されており、その
他の円周部は透明部とされている。この格子パターン部
５１．５２のさらに詳しい配置は第４図の平面図に示さ
れている０回転円板１５の矢印５３の方向の回転中心Ｏ
ｇに関して点対称に約９０’の角度分だけ格子パターン
部５１と５２が形成されている。

レーザ光１７の０次の透過光はミラー２１，２２によっ
て再び回転円板１５の他の部分に入射するレーザ光６６
となる。第４図に示すようにレーザ光１７の入射点とレ
ーザ光６６の入射点は回転中心Ｏｇからともに等しい距
離で、かつ回転中心Ｏｇを中心に角度θ１だけ開いてい
るものとする。

角度θ、は格子パターン部が点対称に２ケ所あることか
ら、ここでは９０＠〜１８０°の間の一定値に定められ
ている。さて、第２図において回転円板１５の格子パタ
ーン部５Ｌ５２には、回転中心Ｏｇを中心とする同心円
に沿って一定ピッチｄ、で透過部と不透過部とが形成さ
れている。この回転円板１５をモータ１６によって矢印
５３方向に速度ｍ　（ｒｐｓ）で等速回転させると、レ
ーザ光１７（又は６６）の入射点と中心Ｏｇの距離（半
径）をｒ　（ｓ■）として、格子パターン部５１．５２
からの１次回折光＋ＬＢ、−ＬＢには（１）式で表わさ
れる周波数のずれが生じる。

・・・・・・（１） 従って＋１次光と一次光との間の周波数差Δｆゆは（２
）式で表わされる。

４π・ｒ−ｍ Δｆ　ｏ　＝　　　　　　　　　（Ｈｚ）　　・・・（
２）ｄ。

このため、第１図で示した光ファイバー２４（又は２８
）に入射する光の周波数は、光フプイバ−２３（又は２
７）に入射する光の周波数よりもΔｆ６だけ高いことに
なる。

このように回転円板１５は１次回折光の正と負とで周波
数を異ならせる周波数シフターの機能を有するととも、
格子パターン部５１．５２と透明部を円周に沿って交互
に設けてレーザ光をミラー２１．２２で反射することで
、レンズ１９．２０へ入射する回折光の発生とレンズ２
５．２６へ入射する回折光の発生とを時間的に交互に繰
り返すスイッチングの機能を有する。

ところで第１図では光ファイバー２３．２４．２７．２
８の４本、１＆ＩＩＬか示していなかったが、位置ずれ
検出系が複数ある場合は、その数に応じて各レンズ１９
．２０，２５．２６で集光された光を複数の光ファイバ
ーへ、分配すればよい、第２図に示した分配器ＭＢＩ、
ＭＢ２、ＭＢ３、ＭＢ４の夫々は、集光された光をそれ
ぞれ４本の光ファイバーへ、はぼ同等の光量で分配する
ように構成されている。

第３図は、代表して分配器ＭＢＩとＭＢ２の内部構成を
示す斜視図であり、分配器ＭＢ３、ＭＢ４についても同
様に構成される。レンズ１９で集光された＋１次光はビ
ームスブリフタ５４で２つに分割され、ここを透過した
光はさらにビームスプリッタ５５で２つに分割され、そ
れぞれ光ファイバー２３．５６に入射する。一方ビーム
スプリッタ５４で反射した光はさらにビームスプリッタ
５７で２つに分割され、それぞれ光フアイバー５日、５
９に入射する０分配器ＭＢ２についても同様に、ビーム
スプリッタ６０．６２．６３によって一１次光を分割し
て光ファイバー２４．６１．６４．６５の夫々べ入射さ
せる。同様に分配器ＭＢ３は第２図に示すように＋１次
光を４本の光ファ・ｆバー２７．７１．７３．７４の夫
々に分割し、分配器ＭＢ４は−１次光を４本の光ファイ
バー２８．７７．７９．８０の夫々に分割する。

ここて用いられる光ファイバーは、先にも述べたように
単一モードを保存できるタイプのものが望ましいが、偏
光面は保存されない方が望ましい。

偏光面が保存される場合は、光ファイバーの射出端から
位置ずれ検出系に至る光路中に偏光素子を挿入したり、
光ファイバーを回転位置合わせする等して偏光面を揃え
る必要がある。

次に第１図に示した位置ずれ検出系（アライメント系）
の構成について、第５図を参照して説明する。第５図は
第１図に示した光ファイバー２３．２４．２７．２Ｂの
射出端から参照部材ＲＰに形成された参照パターンＲＦ
までの系を概略的に示す斜視図である。

レチクルＲのマークＲＭはＸ方向に回折格子を配列した
Ｘ基準パターンＰＸと、ｙ方向に回折格子を配列したＹ
基準パターンＰＹとを有し、それらパターンＰＸ、ＰＹ
に隣接するとともに参照パターンＲＦと対応した位置に
は透明窓部ＰＷが設けられる。これら基準パターンＰＸ
、ＰＹ、窓部ＰＷの周囲は所定の大きさの遮光部で囲ま
れている。そしてマークＲＭと参照パターンＲＦとは光
ファイバーから射出される光の波長のもとでは、互いに
共役になっている。さて、光ファイバー２３．２４の各
々からの光は、アパーチャ板３０の小開口４３．４４の
各々を通り、光路内に斜設された透明板の中心部に部分
ミラー３４を形成した空間フィルター４７の透明部を通
り、対物レンズ３１に入射する。アパーチャ板３０の微
小開口４３．４４はアパーチャ板３０の中心（対物レン
ズ３１の光軸が通る点）に関してＸ方向に対称的な位置
に設けられている。さらにアパーチャ板３０には光ファ
イバー２７．２８の夫々からの光を通す微小開口４５．
４６が設けられるが、開口４５．４６はアパーチャ板３
０の中心に関してｙ方向に対称的な位置に形成されてい
る。このアパーチャ板３０は好ましくは対物レンズ３１
の焦点（ｆ）の位置近傍に設けられる。また部分ミラー
３４は対物レンズ３１の光軸の通る位置に形成され、対
物レンズ３１の焦点（ｆ）の位置、すなわち投影レンズ
系ＰＬの瞳と共役な位置、又はその近傍に配置される。

さて対物レンズ３１に入射してレチクルＲへ向う光のう
ち、アパーチャ板３０の開口４３を通った光（光ファイ
バー２３からの＋１次光）９０ａと、開口４４を通った
光（光ファイバー２４からの一１次光）９０ｂとは対物
レンズ３１の光軸を中心にしてＸ方向にほぼ同じ角度で
傾いた主光線に沿ってマークＲＭの領域を照射する。ア
パーチャ板３０の開口４５．４６の夫々を通った＋１次
光、−１次光も同様に、対物レンズ３１の光軸を中心に
してｙ方向にほぼ角度で傾いた主光線に沿ってマークＲ
Ｍの領域を照射する。

ただし第２図、第４図に示した回転円板１５のスイッチ
ング機能によって、開口４３．４４を通る＋１次光と開
口４５．４６を通る＋１次光とは交互にマークＲＭの領
域を照射する。

尚、アパーチャ板３０の微小開口４３．４４．４５．４
６はそれぞれ光ファイバーからの光の指向性と可干渉性
を向上させて対物レンズ３１へ入射させる働き、すなわ
ち空間的コヒーレンシイを高める働きがある。そこで以
下、マークＲＭと参照パターンＲＦのＸ方向の位置ずれ
計測について説明する。

対物レンズ３１からの２本の光９０ａ、９０ｂは、開口
４３．４４が微小であることから、それぞれほぼ平行光
束に集光されており、しかも光９Ｑａ、９０ｂの周波数
がΔｒ０だけ異なることから、レチクルＲのマークＲＭ
を含む照射領域にＸ方向に流れる明暗の干渉縞（縞自体
はｙ方向に伸びている）が生じる。このときマークＲＭ
上の干渉縞のピッチはＸ基準パターンＰＸの格子ピッチ
の丁度１／２になるように設定されている。干渉縞のピ
ッチは光９０ａと９０ｂの入射角と波長とによって決ま
る。ここでＸ基準パターンＰＸの格子ピッチを２ｄ、（
輪部）とすると、干渉縞のＸ方向の移動速度はｄｔ　　
・Δｆ、　　（ａｍ／５ｅｃ）で表わされる。そして光
ビーム９０ａ、９０ｂの入射角をともにθｒとし、波長
をλとすると、入射角θｒは（３）式で表わされる。

λ ｓｋｎθｒ−□　　　　　・・・・・・（３）ｄｇ この（３）式の関係が成立するとき、Ｘ基準パターンＰ
Ｘから法線（対物レンズ３１の光軸）方向に対物レンズ
３１へ向けて生じる干渉光９０ｃは、レチクルＲと他の
光学系の相対位置関係が変動しない限り、周波数Δｆ０
の光ビーム信号を含むようになる。

一方、マークＲＭ内の窓部ＰＷに生じた干渉縞は投影レ
ンズ系ＰＬの縮小率１７Ｍで縮小（又は等倍）され、参
照パターンＲＦ上にピッチｄ、／Ｍの干渉縞となって結
像投影される。従ってここで参照パターンＲＦがＸ方向
にピッチ２・４１７Ｍで格子要素を配列した格子パター
ンであると、参照パターンＲＦからの干渉光も投影レン
ズ系ＰＬの光軸と平行に発生し、レチクルＲの窓部ＰＷ
を通過して干渉光９０ｃと同じ光路で対物レンズ３１へ
向う、尚、投影レンズ系ＰＬのウヱハＷ（参照パターン
ＲＦ）側はテレセントリックな系であることを前提とし
、投影レンズ系ＰＬのレチクルＲ側もテレセントリック
な系であるときは、対物レンズ３１の光軸は投影レンズ
系ＰＬの光軸ＡＸと平行に定められる。レチクルＲ側が
非テレセントリックな系であるときは、対物レンズ３１
の光軸を光軸ＡＸと平行にする場合と、投影レンズ系Ｐ
Ｌの軸外の傾いた主光線に合わせる場合とが考えられる
。

以上のようにしてＸ基準パターンＰｘから戻ってくる干
渉光９０ｃと、参照パターンＲＦから戻ってくる干渉光
とはともに対物レンズ３１を介して空間フィルター４７
の部分ミラー３４に至る。

対物レンズ３１がテレセントリック系であり、さらに投
影レンズ系ＰＬのウェハＷ側がテレセントリック系であ
ることから、光軸と平行に発生した各干渉光はともに部
分ミラー３４内、すなわち瞳中心部に集光され、ここで
反射されて第２対物レンズ３５に入射する。

第２対物レンズ３５を通った干渉光によって、部分ミラ
ー３６の上にＸ基準パターンＰＸと参照　−パターンＲ
Ｆの各像が形成される０部分ミラー３６は、光路中に斜
設された透明板に参照パターンＲＦの像のみを反射する
反射部４８を有し、Ｘ基準パターンＰＸとＹ基準パター
ンＰＹの像は、透過するように構成される０反射部４８
で反射された参照パターンＲＦからの干渉光はレンズ４
１（第１図参照）を介して検知器３７で受光され、反射
部４８の廻りを透過した基準パターンＰＸ。

ＰＹからの干渉光はレンズ４２（第１図参照）を介して
検知器３８で受光される。第５図に示した部分ミラー３
６の反射部４日の周囲にはＬ字形の帯状吸収部３９が形
成され、参照パターンＲＦの像と基準パターンＰＸ、Ｐ
Ｙの像との位置的な分離を完全なものとしている。

以上のようにして、Ｘ基準パターンＰＸと参照パターン
ＲＦのＸ方向の相対位置ずれを検出する場合、検知器３
８の出力信号に対して検知器３７の出力信号の位相ずれ
を位相計３９で測定する。

例えば位相計３９で得られた位相ずれがφＸの時、この
位相ずれφＸをウェハ面上の位置ずれ量ΔＸに換算する
と、 だけ、参照パターンＲＦがＸ方向にずれているとみなさ
れる。

ｙ方向についても同様のことがいえる。

次に上記レチクルマークＲＭと参照パターンＲＦの詳細
な形状の一例について第６図、第７図（ａ）、（ｂ）を
参照して説明する。第６図は周辺を遮光部（斜線部）で
囲まれたレチクルマークＲＭを示し、Ｘ基準パターンＰ
Ｘはｙ方向に伸びたスリット状の透明の格子要素１０４
１，１０４２．１０４３．１０４４．１０４５がピッチ
２ｄ２でＸ方向に配列される。Ｙ基準パターンＰＹはＸ
方向に伸びたスリット状の透明格子要素１０３１．１０
３２．１０３３．１０３４・・・がピッチ２ｄ、でｙ方
向に配列される。基準パターンＰＸ。

ＰＹの格子デエーティは５０％である。窓部ＰＷはＸ基
準パターンＰＸの上方（ｙ方向）に隣接するとともにＹ
基準パターンＰＹの右方（Ｘ方向）に隣接して形成され
る。第１ＷＪ　（ａ）は窓部ＰＷ内に丁度入り込む大き
さで形成された基準パターンＲＦの形状を示し、ここで
は、ピッチ２ｄ１／ＭでＸ方向とｙ方向に正方形の不透
明格子要素１０５１．１０５２・・・をデエーティ５０
％でマトリックス状に配列したもので、２次元回折格子
として働く、第７図（ｂ）は第７図（ａ）に示した参照
パターンＲＦの変形例であり、ピッチ２ｄ露／Ｍの不透
明格子要素１０７１，１０７２・・・をｘ１ｙ方向に市
松模様に並べたものであり、同様に２次元回折格子とし
て働く。

第６図に示したレチクルマークＲＭに対して、対物レン
ズ３１から射出された光によってできる干渉縞は、マー
クＲＭの全体を覆うように形成される。ただし、回転円
板１５のスイッチング機能によって、Ｘ方向に伸びた干
渉縞とｙ方向に伸びた干渉縞とは時間的にオーバーラツ
プすることなくマークＲＭを照射する。

次に第１図に示した参照部材ＲＰの構成について第８図
を参照して説明する。

参照部材ＲＰは円形の２枚の石英板ＲＰａ、Ｒｐｂを重
ね合わせた構造となっており、その中心に投影レンズ系
ＰＬの光軸ＡＸが通るように配設されている。第８図中
、中心点Ｏ８で光軸ＡＸと直交する２本の線１１ｘ％ｚ
ｙは夫々座標系ｘｙ。

Ｘ軸、ｙ軸と平行であり、かつ石英板ＲＰａの上面に含
まれた線である。光軸ＡＸと同心に表わした円形の領域
ＩＦは石英板ＲＰａの上面における投影レンズ系ＰＬの
結像視野（イメージフィールド）であり、領域ＩＦに同
棲する矩形領域ＰＡｍはレチクルＲのパターン領域ＰＡ
の像光束が通る部分である。

ここでは、参照部材ＲＰの光軸ＡＸを挟んでＸ方向に対
称的に離れた位置の２ケ所に、参照パターンＲＦａ、Ｒ
Ｆｂが設けられた場合を説明する。参照パターンＲＦａ
％ＲＦｂは石英板ＲＰａ。

ＲＰｂの間の面に形成されており、この参照パターンＲ
Ｆａ％ＲＦｂの夫々を通り光軸ＡＸと平行な垂線Ｌａ、
Ｌｂは、第ｔｔｍ、第５図で示した対物レンズ３１の光
軸と一致している。参照パターンＲＦａ％ＲＦｂの夫々
は矩形のパターン像領′域ＰＡｍの外側で、かつイメー
ジフィールド■Ｆの内側の収差が良好に補正された部分
に設けられる。垂線Ｌａ、Ｌｂ上の点Ｏａ、Ｏｂは線ｌ
ｘ上の点、すなわち石英板ＲＰａの上面に含まれる点で
あり、中心Ｏ１から点Ｏａ、Ｏｂの夫々までのＸ方向の
距離は、本実施例では等しいものとすさて、参照パター
ンＲＦａ％ＲＦｂの下部で石英板ＲＰｂの下面（ウェハ
Ｗと対向する面）には反射部Ｍａ％Ｍｂが蒸着等により
形成されている。

反射部Ｍａ％Ｍｂは垂線Ｌ　ａ　ｓ　Ｌ　ａがその中心
を通るように、参照パターンＲＦａ、ＲＦｂのサイズよ
りも大きな面積で形成される。ただし、パターン像領域
ＰＡｍを通る露光時の結像光束を遮光しないように設定
されている。

以上の構成からも明らかなように、参照パターンＲＦａ
％ＲＦｂと反射部Ｍａ、Ｍｂは光軸ＡＸ方向に石英板Ｒ
Ｐｂの厚み分だけ離れている。

第９図は投影レンズ系ＰＬ、参照部材ＲＰ、及びウェハ
Ｗの光軸ＡＸ方向の配置を示す断面であり、石英板ＲＰ
ｂの厚みを０８、石英板ＲＰｂの下面とウェハＷの間隔
をＧｌとし、光軸ＡＸと平行な主光線１ｍに沿った光束
ＬｅｘはレチクルＲのパターン領域ＰＡの最外部の１点
からの結像光線を表わし、主光線Ｌａ（対物レンズ３１
の光軸）に沿った光束ＬｆｒはレチクルＲのマークＲＭ
内の１点（対物レンズ３１の光軸上）からの結像光線を
表わす、エキシマレーザ光の照明によってレチクルＲの
投影レンズ系ＰＬに関する共役面は、参照部材ＲＰがな
いとすると第９図中の面ＦＰにできる。しかしながら参
照部材ＲＰの全体の厚さ、および光学的屈折率ｎから面
ＦＰよりも所定量下方に共役面ができ、ここにウェハＷ
の表面が合わされる。

さて、−レチクルＲのマークＲＭを照明する光の波長が
エキシマレーザ光の波長と極めて近い（又は−敗する）
場合、光束Ｌｆｒの結像点は参照部材ＲＰがないとする
と面ＦＰと同一の面にできる。

しかしながら参照部材ＲＰの下面に反射部Ｍａが存在す
ることから、光束Ｌｆｒはここで上方に反射され、参照
パターンＲＦａＯ面に結像する。尚、もう一方の参照パ
ターンＲＦｂと反射部Ｍｂの作用についても同じである
。

ここで参照パターンＲＦａとレチクルマークＲＭの結像
関係を考えてみると、一般に投影レンズ系ＰＬの焦点深
度は±２ｐｍ以下で極めて浅い。

そのため参照パターンＲＦａを石英板ＲＰａのみを介し
て直にレチクルＲ側から観察すると、参照パターンＲＦ
ａの像は極めて大きくデーフォーカスしている。このた
め第１図、第５図で示した部分ミラー３６の位置では、
参照部材ＲＰの反射部Ｍａを介した参照パターンＲＦａ
の像のみが結像する。

次に、第１０図、第１１図を参照して、本実施例の動作
を説明する。第１０図はレチクルＲのマーク部分の様子
を示し、ここではＸ基準パターン領域と窓部ＰＷとを示
す、レチクルマークＲＭには第５図に示したように２方
向から入射角θＲの光束９０ａ、９０ｂが同時に照射さ
れ、一部はｘｌ準バダーンＰｘで反射回折してレチクル
Ｒと垂直な干渉光９０Ｃになる。また窓部ＰＷをそのま
ま透過した光束９０ａ、９０ｂは投影レンズ系ＰＬを介
して第１１図のように参照パターンＲＦａを表面から照
射する。光束９０ａ、９０ｂの参　゛照パターンＲＦａ
への入射角θＷは、参照部材ＲＰの光学的屈折率をｎ、
投影レンズ系ＰＬの縮小率を１／Ｍとすると、次式で与
えられる。

Ｍ　ｓ　ｉ　ｎ　θＲ ５１ｎθｗ−□ この条件を満すとき、光束９０ａ、９０ｂの夫々が参照
パターンＲＦａによって回折されて生じる回折光（例え
ば＋１次光と一１次光）は互いに垂直方向に進む干渉光
９０ｄとなって投影レンズ系ＰＬへ戻り、さらに第１Ｏ
図中の窓部ＰＷを通って対物レンズ３１へ入射する。従
って、第５図に示した部分ミラー３６の位置には、基準
パターンＰＸ　（ＰＹ）からの干渉光９０Ｃによって形
成された基準パターン像（暗視野像）と、参照パターン
ＲＦａからの干渉光９０ｄによって形成された参照パタ
ーン像（暗視野像）とが結像する。ただし干渉光９０ｃ
、９０ｄは先にも説明したように光束９０ａ、９０ｂの
周波数差Δｆ０をもつビート周波数で明暗を繰り返して
いる。そして部分ミラー３６で分離された干渉光９０ｃ
、９０ｄの位相差は位相計３９で計測される０位相計３
９で検出された位相差は、第１図に示したプロセッサー
ＭＣに送られる。プロセッサーＭＣは光電素子１Ｂから
の充電出力を計測時の同期信号として入力し、位相計３
９で計測された位相差が、耳方向かｙ方向かを弁別する
。第２図第５図の構成、及び第６図、第７図のマーク形
状からも明らかなように、充電素子１８が出力信号を生
じるのは、光ファイバー２３．２４がレーザ光を射出す
るときであり、これはＸ方向の位置ずれ計測のときであ
る。従ってプロセッサーＭＣは、光電素子１８が出力信
号を発生しているときの位相差をＸ方向のずれ量として
求め、出力信号がないときの位相差をｙ方向のずれ量と
して求める。

ここで、レチクルＲが不図示のレチクルアライメント系
によって投影レンズ系ＰＬの光軸に対して正確に位置決
めされているものとすると、位相計３９で計測されたレ
チクルＲ上の２ケ所のマークＲＭと、２ケ所の参照パタ
ーンＲＦａ、ＲＦｂの夫々のＸ％ｙ方向の位置ずれはほ
ぼ零になる。

しかしながら実際にはわずかな位置決め誤差等が残るた
め、各マークの位置でずれ量が計測され例えば第１２図
に示したレチクルマークＲＭのようにレチクルＲの左右
にマークＲＭａ、ＲＭｂが設けられていて、各マークの
位置でのずれ量がそれぞれ（ΔＸａｓΔＹａ）、（Δｘ
ｂ、ΔＹｂ）だけ存在しているとする。そこで、ずれ量
ΔＸａとΔｘｂを比較し、そのずれの方向が同方向（Ｘ
の正、又は負方向の１つ）である場合、プロセッサーＭ
Ｃはその方向と逆方向に、レチクルステージＲ３Ｔを微
動する。そしてずれ量ΔＸａとΔｘｂのずれの符号が互
いに逆のときは、１ΔＸａｌ−１ΔＸｂｌとなるように
レチクルステージＲ３Ｔの位置を追い込む、ｙ方向の位
置決めについても同様であるが、ｙ方向のずれ情報から
は、さらにレチクルＲのローチーシラン誤差も得られる
ので、ローテーション量が許容値よりも大きい場合は、
レチクルステージＲ３Ｔを回転駆動させ″　　て回転ず
れが零になるように追い込む６以上のようにして、レチ
クルＲの参照パターンＲＦａ、ＲＦｂに対する位置ずれ
が常時検出され、何らかの原因（ステッピング時の振動
等）によってレチクルＲの位置ずれが生じるようなとき
は、レチクルステージＲ３Ｔのサーボ制御が働き、レチ
クルＲと投影レンズ系ＰＬはあたかも一体のように振る
舞う。

尚、実際の露光時には、レチクルＲのパターン中心（又
はレチクルマークＲＭ）とオフ・アキシス方式のアライ
メントセン？−ＷＡの検出中心との間隔を正−確に求め
、この間隔値を基準として記憶した後、ウェハＷのマー
クをアライメントセンサーＷＡが検出した位置と、記憶
した間隔値に基づいてウェハＷをステップ・アンド・リ
ピート方式で順次ステッピングさせていく、このステッ
ピング露光中、レチクルＲのマークＲＭａＳＲＭｂはパ
ターン領域ＰＡの周辺から少し離れているため、第１図
に示した位置ずれ計測系の先端のミラー３２は露光光を
遮断することはない、従って露光動作中も常にレチクル
Ｒと参照パターンＲＦａ、ＲＦｂのずれがモニターされ
る。

以上、本実施例では位相計３９で検出される位相差は、
レチクルマークＲＭと参照パターンＲＦの位置ずれに対
応しているが、回転円板１５の格子パターンを基準とし
てマークＲＭと参照パターンＲＦの夫々の位置ずれを求
めてもよい、この場合は、第２図に示した回転円板１５
の格子パターン５１，５２の内側等の全周に同一ピッチ
の格子パターン（ラジアルグレーティング）を設け、こ
の格子パターンにもレーザ光１７から分岐した一部のビ
ームを照射する。そしてこの格子パターンから生じる＋
１次光と一１次光を干渉させて光学的に基準ビート信号
を作るか、又は＋１次光と一１次光を別々に充電検出し
た後、電気的に基準ビート信号を得るかして、基準交流
信号を作り出す、この基準交流信号と、検知器３７．３
Ｂの夫々からの出力信号との各位相差を求める。この場
合位相計３９はレチクルマークＲＭ用と参照パターン領
域用の２つが必要であり、さらに求められた２つの位相
差を比較する回路も必要となる。

尚、参照部材ＲＰは２枚の石英板ＲＰａ％ＲＰｂを重ね
合わせたものとしたが、参照パターンＲＦと反射部Ｍを
裏通の夫々に形成した１枚の石英板ＲＰｂのみにしても
よい。

また露光用のエキシマレーザ光と位置ずれ計測用の照明
光（９０ａ、９０ｂ等）の波長について予めその差がわ
かっているときは、石英板ＲＰｂの厚みＧ８やウェハＷ
との間隔Ｇ１等を適宜調整することによって、レチクル
マークＲＭと参照パターンＲＦの共役関係と、レチクル
ＲとウェハＷの共役関係とを同時に満すことが可能であ
る。また参照部材ＲＰを光軸ＡＸ方向のみに正確に上下
微動させる機構としておけば、レチクルＲのパターンＰ
Ａの投影像の焦点位置には何ら変化を与えることなく、
レチクルマークＲＭと参照パターンＲＦのみの焦点合わ
せが可能である。

次に、本発明の第２の実施例を第１３図、１４図、１５
図を参照して説明する。第１３図は参鹸部材ＲＰの平面
図であり、第１４図はそれに対応したレチクルＲの平面
図である。第１３図に示すように、参照部材ＲＰのＸ軸
上には第８図と同様に参照パターンＲＦａ、ＲＦｂが設
けられ、その下方には反射部Ｍａ、Ｍｂが形成される。

さらに本実施例では、ｙ軸上にも同じ形状、寸法の参照
パターンＲＦｃ、ＲＦｄと、反射部Ｍｅ、Ｍｄが形成さ
れる。これら参照パターンＲＦａ、ＲＦｂ、ＲＦｃ、Ｒ
ＦｄはともにイメージフィールドＩＦ内の最大パターン
転写領域ＰＡｍの外側であって、良好に収差補正されて
いる部分に設けられる。第１４図では、４ケ所の参照パ
ターンに対応して、それぞれマーク（基準パターン）Ｒ
Ｍａ、ＲＭｂ。

ＲＭｃ、ＲＭｄが遮光部１３２．１３４．１３６．１３
Ｂ内に形成されている。またパターン頷−ＰＡの外周部
には、レチクルブラインド３の開口設定精度開口エツジ
のボケ等で決まる幅の遮光帯１４０が形成される。さら
にレチクルＲの隅で、イメージフィールド！Ｆ外の２ケ
所には、十字状のレチクルプリアライメントマーク１３
１ａ、１３１ｂが設けられている。このプリアライメン
トマーク１３１ａ、１３１ｂは装置に設けられた基準マ
ークとの位置合わせに使われるもので、例えば光電顕微
鏡等を用いてマーク１３１ａ、１３１ｂと基準マークと
を検出してレチクルステージＲ３Ｔを位置合わ書すれ□
ば、±１ｐｗ、程度でプリアライメント可能である。こ
のプリアライメントのあと、参照パターンＲＦとレチク
ルマークＲＭとのファインな位置合わせが行なわれる。

第１５図は、そめファインな位置合わせ、及び位置ずれ
計測をイ〒う”場合に好適な位置ずれ検出系の配置を示
す斜視ｉである。第１５図に示すように、采実施例では
４ケ所に第５図に示したような位置ずれ検出ＸＤＭ−５
ａ、ＤＭＳｂ、、ＤＭＳｃ。

ＤＭＳｄを設け、各位置で参照パターンＲＦとマークＲ
Ｍの２次元の位置ずれを計測する。第１５図において、
ＰＡ’はレチクルＲのパターン領域ＰＡの投影像であり
、ＢＰは投影レンズ系ＰＬの瞳を表わす、このように、
４ケ所に同様の位置ずれ検出系を設けておくと、レチク
ルＲから参照パターンＲＦまでの結像特性をモニターす
ることができる。結像特性のうち代表的なものは、投影
倍率の変化、デイスト−シロン特性、及びレチクルＲの
水平面からの傾き変化等である。

従来より、この種の結像特性を計測する試みは多々なさ
れてきたが、いずれの方式も露光動作中にリアルタイム
に行なうｑとはできなかった。しかしながら本実施例に
よれば、露光動作中においても逐次レチクルＲの位置ず
れの他に結像特性をモニターできるから、より高精度な
重ね合わせ露光が可能となる。

一般に投影レンズ系ＰＬの倍率変化やデイスト−ジョン
変化は極めて小さく、サブミクロンの計測精度が必要で
ある。第２実施例においても第１実施例と同様に光ヘテ
ロゲイン方式による２重回折法を採用して４ケ所の位置
ずれの夫々を計測するとすれば、４ケ所の夫々での計測
分解能は容易に０．０１μ−程度が得られるため、倍率
変化、デイスト−ジョン変化は極めて正確に求められる
。

さて、このような計測系によって、倍率変化等がリアル
タイムに検出されると、その倍率変化等を所定値に追い
込むような補正装置の制御信号として適用することがで
きる。第１６図は本発明の第３の実施例による光学特性
補正装置の概略的な構成を示す、第１６図において、４
ケ所の位置ずれ検出系ＤＭＳａ、ＤＭＳｂ、ＤＭＳｃＳ
ＤＭＳｄからの２次元的なずれ情報は特性変動演算部２
００に入力し、ここで所望の特性変化量が算出される。

特性変化量として倍率誤差が算出されると、その倍率誤
差情報２０１ｂは圧力制御部２０２、又はフィールドレ
ンズ駆動部２０６へ送られる。

圧力制御部２０２は投影レンズ系ＰＬ内の密封された空
気室（単数、あるいは複数）の圧力を所定量だけ制御し
て倍率誤差が零（又は一定のオフセット値）になるよう
にフィードバック制御する。

駆動部２０６の場合は投影レンズ系ＰＬのレチクルＲ側
のフィールドレンズ部２１２を所定量だけ上下動させて
倍率誤差を補正する。

また倍率誤差の補正にともなって焦点変化が生じる場合
は、ウェハＷのホルダーＷＨを上下動させるフォーカス
駆動部２０４に焦点変化に応じたオフセット情報２０１
ａを導入して、受光系ＡＦ８からの焦点信号にオフセッ
トを畳えればよい。

さらにレチクルＲ側が非テレセントリックな投影レンズ
系の場合は、レチクルＲを誤差情報２０１ｂに応じて上
下動させても倍率補正ができる。また４ケ所の位置ずれ
計測点の夫々のＸ方向又はｙ方向のずれの傾向を調べる
ことで、レチクルＲの傾きを求めることもできる。この
場合は、レチクルステージＲ３Ｔにレベリング機構を設
け、傾きが零になるようにレベリング機構を駆動すれば
よい、あるいはウェハステージＷＳＴにレベリング機構
が設けられている場合は、計測されたレチクルＲの傾き
の方向と量に応じて投影像面の傾きを予測し、ウェハＷ
の表面が、この投影像面と平行になるようにレベリング
機構で傾けておいてもよい。

次に本発明の第４の実施例について第１７図、第１８図
を参照して説明する。今まで説明した各実施例では、レ
チクルＲと投影レンズ系ＰＬ（参照部材ＲＰ）との相対
的なアライメントは行なっていたが、ウェハＷとのアラ
イメントは不可能であった。そこで本実施例では、レチ
クルマークＲＭの位置合わせの基準となる参照パターン
ＲＦを有する参照部材ＲＰの一部に、ウェハＷ上に形成
されたアライメントマークの位置合わせの基準となる第
２の参照パターンを設けるようにした。第１７図はその
参照部材ＲＰの断面を表わし、第１８図は平面を表わし
、今までの各実施例で説明した石英板ＲＰａ％ＲＰｂ、
参照パターンＲＦａ。

ＲＦｃ及び反射部Ｍ　ａ％Ｍｅ等は第１３図の場合と全
く同様に設けられている。ただし、反射部Ｍａ　％　Ｍ
　ｃ　（Ｍ　ｂ　ｓ　Ｍ　ｄも同じ）はイメージフィー
ルドＩＦの外側に延長して形成される。そして反射部Ｍ
ａ　（Ｍｂ）のＸ軸上で投影レンズ系ＰＬの鏡筒外径よ
りも外側の位置に開口１７Ｂが形成され、反射部Ｍｃ　
（Ｍｄ）のｙ軸上で鏡筒外径の外側の位置に開口１８４
が形成される。さらに参照パターンＲＦａからＸ方向に
ついて一定距離の位置に、開口１′７８を挟むように第
２の参照パターン（第２の基準格子パターン）ＲＧａが
形成され、参照パターンＲＦｃからｙ方向について一定
距離の位置に開口１８４を挟むように第２の基準格子パ
ターンＲＧｃが形成される。基準格子パターンＲＧａ、
ＲＧｃは参照パターンＲＦａ、ＲＦｃと同一面に設けら
れたもので、格子パターンＲＧａはウェハＷのＸ方向の
位置合わせに使用され、格子パターンＲＧｃはウェハＷ
のｙ方向の位置合わせに使用される。また格子パターン
ＲＧａ、ＲＧＣはそれぞれ開口１７Ｂ、１８４を挟んで
２分されているが、本来同一のピッチの格子配列の中央
部のみを開口１７８．１８４に合わせて透明にしたもの
である。

さて、ウェハＷ上には、アライメントマークＷＭａが第
１７図のように形成される。マークＷＭａはウェハＷの
Ｘ方向のアライメントのために設けられ、ｙ方向のアラ
イメントのためのマークも同様に設けられている。マー
クＷＭａは格子要素をＸ方向に一定のピッチ！配列した
回折格子パターンで構成される。参照部材ＲＰに対して
ウェハＷを位置合わせ（アライメント）するとき、マー
クＷＭａは反射部Ｍａの開口１７Ｂの直下に位置するよ
うに、ウェハステージＷＳＴの位置決めが行なわれる。

このマークＷＭａを検出する系は、ウェハ表面のレジス
トに非感光な波長のレーザビームを出力するＨ　ｅ　−
Ｎ　ｅレーザ光源１６１゜レーザビームをウェハＷ上に
所定径でスポット集光させるレンズ１６２、レーザビー
ムを２方向に分割するビームスプリフタ１６３．２つの
反射面１６６ａ、１６６ｂを有するプリズム１６６、マ
ークＷＭａからの光情報を取り出すミラー１７５、及び
その光情報を検知器１７７へ集光するレンズ１７６等で
構成される。尚、レーザ光源１６１等は熱的外乱となる
ことがあるので、第１図、第２図で示したように参照部
材ＲＰや投影レンズ系ＰＬ等から遠くに離し、単一モー
ド保存光ファイバー等でＨｅ−Ｎｅレーザ光をレンズ１
６２へ導（ようにした方が望ましい。

上記構成で、ビームスプリッタ１６３で反射した一方の
レーザビーム１６７は、参照部材ＲＰ内を光軸ＡＸと平
行に進み、基準格子パターンＲＧａの２分された一方の
格子部を垂直に照射する。

またビームスプリッタ１６３を透過した他方のレーザビ
ーム１６Ｂは、プリズム１６６の反射面１６６ａ、１６
６ｂの順に反射された後、参照部材ＲＰ内を光軸ＡＸと
平行に進み、格子パターンＲＧａの他方の格子部を垂直
に照射する。ここでビームスプリフタ１６３から格子パ
ターンＲＧａに至る２本のビーム１６７．１６８の光路
差はＨｅ−Ｎｅレーザビームの可干渉距離よりも短くし
ておく必要がある。

こうして２本のビーム１６７．１６８が格子パターンＲ
Ｇａを照射すると、格子パターンＲＧａを透過する±１
次の回折光１７１，１７２と０次光が発生する。０次光
は反射部Ｍａによって遮光され、±１次光１７１．１７
２は開口１７８を透過してウェハＷへ達し、ここで互い
に干渉してＸ方向に一定ピッチで明暗縞が並んだ干渉縞
が生ずる０本実施例では２本のビーム１６７．１６８の
周波数差が零であるため、ウニへＷ上に生じる干渉縞は
静止している。先の実施例と同様にその干渉縞のピッチ
はウェハＷのマークＷＭａの格子ピッチの丁度１／２に
なるように定められている。

マークＷＭａの格子パターンと干渉縞が重なると、マー
クＷＭａの格子と干渉縞のＸ方向の位置関係に対応した
強度で、はぼ垂直に干渉光１７４が発生する。この干渉
光１７４はウェハ上に照射される干渉縞に対してマーク
ＷＭａを相対的にＸ方向に移動させたとき、はぼ正弦波
状の強度変化を奏する。そこで検知器１７７によって光
強度の変化を光電信号に変換し、その信号があるレベル
になるようにウェハＷをＸ方向に位置決めすれば、ウェ
ハマークＷＭａの基準格子パターンＲＧａに対するＸ方
向のアライメントが達成される。ｙ方向についても、基
準格子パターンＲＧｃとウェハＷ上のマークとを用い、
同様のマーク検出系を使ってアライメントされる。

あるいは検知器１７７からの光電信号のレベル変化を、
ウェハステージＷＳＴの位置計測を行なうレーザ干渉計
９からの計測パルス（又は位置情報）等に同期してサン
プリングし、サンプリングされた波形を解析することに
よって、ウェハステージＷＳＴのＸ方向の走査のみ、す
なわちステージＷＳＴを停止させることなく、マークＷ
Ｍａの基準格子パターンＲＧａに対する位置（Ｘ方向）
が求められる。

尚、第１８図中の参照パターンＲＦｃの上方と左方の反
射部Ｍｃに含まれる部分に破線で示した領域は、それぞ
れレチクルＲの基準パターンＰｘ１ＰＹの投影像が位置
する部分である。レチクルマークＲＭと参照パターンＲ
Ｆを検出するための光９０ａ、９０ｂは露光光の波長に
近く、レジストを感光させるため、反射部Ｍａ、Ｍｃ、
Ｍｂ。

Ｍｄ等は、それら光９０ａ、９０ｂがウェハＷに達しな
いように遮光するのに十分な面積を持たせる必要がある
。また本実施例においても、２つに分けたビーム１６７
．１６Ｂに一定の周波数差を持たせて、光ヘテロゲイン
検出するようにしてもよい、この場合は、格子パターン
ＲＧａからの＋１次光１７１と一１次光１７２とに周波
数差が生じ、ウェハＷ上での干渉縞はビート周波数（Δ
ｆ。）で高速に流れることになる。このように光ヘテロ
ゲイン方式でマークＷＭａを検出する場合は、干渉縞が
流れるため、マークＷＭａを所定の精度、例えば±１μ
−程度に追い込んで静止させたときの位相差から位置ず
れ量ΔＸを求め、静止したときのウェハステージＷＳＴ
の座標値をレーザ干渉計９から基準位置として求め、そ
の両方の情報からマークＷＭａのｘｙ座標系上での位置
を規定することになる。これに対し、二本のビーム１６
７．１６Ｂに周波数差を持たせない、所謂光ホモダイン
方式ではウェハステージＷＳＴをことさら静止させなく
てもよく、スルーブツトの高いマーク位置検出が可能で
ある。

以上本実施例では、寸法の安定性が良く、温度係数の小
さい石英の平板に参照パターンＲＦと基準格子パターン
ＲＧを所定の位置関係で一体に形成しておくため、検知
器１７７を含むオフ・アキシス方式のアライメントマー
ク検出系の検出中心位置と、レチクルＲの像の投影位置
との相対的な位置変化（ドリフト等）を高精度にモニタ
ーすることができ、オフ・アキシス方式に特有の誤差が
全て補正可能である。

また本実施例に示したプリズム１６６のように、干渉さ
せるべき２本のビーム１６７．１６８の計測方向の反射
回数を互いに奇数と偶数（０を含む）の関係にすると、
レーザビーム（ビームスプリッタ１６３に入射するビー
ム）が位置的、又は角度的にドリフトしても、光ホモダ
イン方式の場合は基準格子パターンＲＧに対する干渉縞
の発生位置が計測方向に関して不変となる。

さらに、第１８図の配置からも明らかなように、基準格
子パターンＲＧａはレーザ干渉計９のＸ方向の測長軸上
に位置し、基準格子パターンＲＧｃ・　　はｙ方向の測
長軸上に位置するため、マーク検出系等の計測時のアツ
ベ誤差は零とみなせる。

また、１ケ所で２次元（Ｘ％ｙ両方向）のアライメント
（位置計測）ができるように基準格子パターンＲＧ及び
マーク検出系を構成してもよい。

次に本発明の第５の実施例を第１９図、第２０図を参照
して説明する。第１９図に示した光学系は、第５図に示
した位置ずれ検出系のうち、光ファイバー２３．２４か
らレチクルＲまでの送光系のみを表わす０本実施例では
第２０図に示すようにアパーチャ板３０′に４つにスリ
ット開口４３’、４４’　、４５’　、４６’を設けた
点が異なる。光ファイバー２３．２４はレチクルマーク
ＲＭ１参照パターンＲＦのＸ方向のずれを検出するとき
レーザビームを射出するが、それらレーザビームはスリ
ット開口４３’、４４’を照明する。

スリット開口４３’、４４’はアパーチャ板３０′の中
心から計測方向（Ｘ方向）に対称的な位置に設けられ、
計測方向（Ｘ方向）と直交する方向に細長く伸びている
。スリット開口４５’、４６′も同様に計測方向（ｙ方
向）に関して対称的に配置され、Ｘ方向に細長く伸びて
いる０本実施例では、レチクルマークＲＭ、又は参照パ
ターンＲＭを入射角θＲ又はθＷで２方向から照明する
光９０ａ、９０ｂの夫々は、少なくとも計測方向に関し
てのみ平行光束に近づければよい、という利点を用いて
スリット開口による照射光量の増大をねらっている゛。

尚、第１９図において、アパーチャ板３０′はテレセン
トリックな対物レンズ３１の瞳面、すなわち前側焦点面
にあるものとして示した。従ってスリット開口４３’、
４４’等を新たな線光源（実際にはスリット幅があるた
め面光源）としてスリットの幅方向に関しては適当に広
がりを絞られた光ビーム９０ａ、９０ｂが対物レンズ３
１に入射し、レチクルＲに対してはＸ方向に対称的に傾
いた、はぼ平行な２光束となる。この２光束のレチクル
Ｒへの入射角θＲは、対物レンズ３１の倍率等が一定の
ものとすると、対になるスリット開口４３’、４４’、
あるいはスリット開口４５’、４６’のアパーチャ板３
０″の中心（光軸Ｌａが通る点）からの距離によって決
まる。

第２１図は本発明の第６の実施例による位置ずれ検出系
の送光系を示し、第５図、又は第１９図に示したアパー
チャ板３０，３０’の代りに光ファイバー２３．２４等
の射出端からのレーザビームを入射する球面（又は非球
面）レンズ、又はシリンドリカルレンズ等の集光レンズ
３００　ａ　５３００ｂ等を設け、この集光レンズ３０
０ａ、３０Ｑｂで適当なＮＡ（開口数）の光束に絞り、
空中に円形スポット又はスリット状スポットＳＰａ。

ＳＰｂとして一度集光させる。このスポットＳＰａ％Ｓ
Ｐｂの集光点は対物レンズ３１の瞳面とほぼ一致してい
る。このためアパーチャ板３０．３０′を設けるよりも
、光９０ａ、９０ｂ等の照射光量が増大するといった利
点がある。またピンホール等の開口４３〜４６やスリッ
ト開口４３′〜４６′が存在しないため、開口エツジで
不要な回折現象が生じることなく、レチクルＲ１又は参
照パターンＲＦを照射する領域が比較的きれいに区画さ
れ、参照部材ＲＰ下面の反射部Ｍａ％Ｍｂ。

Ｍｅ、Ｍｄ等から照射光が不用意にはみ出すことがない
といった利点もある。

第２２図は本発明の第７の実施例による位置すれ検出系
の送光系を示す６本実施例では、レチクルＲ上のマーク
ＲＭの形状に合わせて、照射領域を限定するための視野
絞り３１１を設けるようにした。第２２図で、レンズ系
３１０は第５図、第１９図でしめした対物レンズ３１に
相当し、２方向に射出するほぼ平行なビームを視野絞り
３１１に照射する。従うて視野絞り３１１の位置には干
渉縞が構成される。絞り３１１を所定の断面形状で透過
した２光束９０ａ、９０ｂは第２対物レンズ３１２に入
射し、それぞれ対物レンズ３１の瞳面ｅ＋にスポットＳ
Ｐａ、ＳＰｂとなって集光した後、対物レンズ３１から
ほぼ平行な光束９ｏａ。

９０ｂとして２方向へ射出してレチクルＲを照明する。

ここで第２対物レンズ３１２の後側焦点面は瞳面ｅ１と
一致し、前側焦点面は絞り３１１と一致するように配置
される。このため絞り３１１の開口像がレチクルＲＭを
含むように結像投影され、レチクルマークＲＭ、又は参
照パターンＲＦを照明する干渉縞の領域が極めてきれい
に区画される。この実施例では第１対物レンズ３１と第
２対物レンズ３１２との間の空間に瞳面ｅ＋があること
から、ここに空間フィルターとしての部分ミラー３４を
挿入して干渉光を描出する構成を極めて容易に実現でき
る。

さて第２３図は本発明の第８の実施例による送光系を示
す図であり、第５図、第１９図、第２２図に示したレチ
クル用の位置ずれ検出系と第１７図に示したウェハ用の
位置ずれ検出系との両方にともに使用できるものである
。第１図、第２図に示したように、２方向から入射させ
る２つのビームの周波数に差を与える方法として、回転
するラジアル・グレーティングを用いる代りに、周波数
シフターを用いることができる。第２３図において、直
線偏光のレーザビームＬＢは偏光ビームスプリッタ−３
２０でＰ偏光とＳ偏光の２つのビームに分けられ、それ
ぞれ周波数シフター３２２．３２４に入射する０周波数
シフター３２２．３２４はドライブ回路３２８からのド
ライブ信号Ｓｌ、Ｓ曹に応答して、射出するビームＬＢ
、、ＬＢ８の周波数をそれぞれｆｔ、ｆｓだけ変化させ
る。

ドライブ周波数Ｆ、、ｆ、は所定の周波数差Δｆ・にな
るように設定され、ドライブ回路３２８は差の周波数Δ
ｆ、の信号を基準信号Ｓ３として出力する。基準信号Ｓ
２は、各検知器３７．３８、又は１７７からの光電信号
との位相差を求めるのに使われる。ビームＬＢ＋　、Ｌ
Ｂ！はコーナミラー３２６によって所定の間隔にされた
後、例えば光ファイバー２３．２４又は２７．２８等に
入射して各検出系へ導かれる。

本実施例では２本のビーム９０ａ、９０ｂ、　又はビー
ム１６７．１６８によって形成される干渉縞の流れるス
ピードは、高周波域の周波数帯になり、受光される干渉
光の明暗の変化（ビート周波数）も高周波域になること
から検出系の回路規模は大きくなるものの、周波数が高
いことから位相差検出の分解能が高まり、位置ずれ検出
分解能も高くなるといった利点がある。

以上、本発明の各実施例においては、２重回折格子によ
る光ヘテロゲイン検出法、又は光ホモダイン検出法によ
って相対的な位置ずれを検出するようにしたが、本発明
では必ずしもその必要はなく、例えば特公昭５６−４６
２５５号公報に開示されているように、レーザスポット
（又はシートビーム）走査とパターン（マーク）エツジ
からの散乱光検出とを組み合わせたものでもよい、その
場合、レチクルマークＲＭは単なる矩形の透明窓とし、
この透明窓内に合致するような参照部材ＲＰの位置に参
照パターンＲＦとして矩形マーク、又は十字マークを設
けておく、そして投影レンズ系ＰＬのＮ、Ａ、（開口数
：通常０．３５〜０．５）よりも小さなＮ、Ａ、に絞っ
たレーザビームをレチクルマークの窓上と参照パターン
上とに共にスポットとして結像させ、このスポットを１
次元、又は２次元に走査する。このとき参照パターンの
上方（レチクル側）からは大きくデフォーカスしたレー
ザビームが照射され、下面の反射部Ｍａ、Ｍｂ等で上方
へ反射されたビームが参照パターンの位置に結像してス
ポットを形成する。このときの様子は第９図に示した結
像光束Ｌｆｒの状態と同様である。参照パターンのエツ
ジがスポットで走査されると、エツジからの散乱光のう
ち下方に生じた光が反射部Ｍａ、Ｍｂ等で反射されて、
再びレチクルの透明窓を通して検出される。従ってレチ
クルの透明窓のエツジ位置と参照パターンのエツジ位置
との走査方向の差をモニターすれば、全く同様に位置ず
れ検出が可能である。またレーザスポットを走査する方
式の場合、レチクルマークのエツジあるいは参照パター
ンのエツジからの散乱光を、比較的大きな開口数（Ｎ、
Ａ、）を用いて集光するような配置をとると、レーザス
ポットのデフォーカスを光電信号のコントラスト（波形
の立上りや立下りの傾斜）変化で検出できることから、
経時的なフォーカス変化（レチクル面と参照パターンの
間の結像光路の変化）や像面の位置変化、傾斜等が同時
に測定できる。ただし、２重回折格子を用いる各実施例
の場合は、干渉縞を作るための照明光束のＮ、　Ａ、が
ほぼ零（平行光束）に近いため、逆にデフォーカスが生
じたときにも良好な検出感度を維持できるといった特徴
がある。

従って対物レンズ３１を介して、結像したレーザスポッ
トの走査を行なう系と、対物レンズ３１を介して２重回
折格子のための平行ビームを２方向から照射する系との
両方を組み込んで、交互に位置ずれ検出に使用すると、
ｘｙ力方向ずれと２方向のずれとが精度よく求まる。

そこで従来より使われているアライメントマークと同じ
形状の基準パターン（レチクルマークＲＭ）と参照パタ
ーン（ＲＦ）を用いた場合の位置ずれ計測系の構成を本
発明の第９の実施例として第２４図を参照して説明する
。

第２４図ではレチクルＲ上の１ケ所のマークＲＭに対す
る位置ずれ計測系のみを示す、マークＲＭは矩形窓ＰＷ
を有する遮光部で形成されている。

さて、レーザ光源ＬＳから射出した露光波長に近いスペ
クトルのレーザビームは、ビームエクスパングー４００
、によって所定の光束径（平行光束）に変換された後、
ビームスプリッタ４０２、シリンドリカルレンズ４０４
を経て、回転ポリゴン鏡４０６の１つの反射□面に入射
する０回転ポリゴン鏡４０６は矢印４０５の方向へ等速
回転し、反射されたビームは図中の場合、紙面内で偏向
される。そのビームはミラー４０８で反射された後、走
査レンズ４０１に入射し、分割ミラー４１２の位置で小
さなスポット（スリット状）光に収束されるとともに、
矢印Ａ、の方向に直線走査される。

分割ミラー４１２は系の光軸に対して４５°の反射面を
有し、その反射面の上端が光軸と一敗するように設けら
れている。従ってスポット光が光軸よりも上に位置する
ときは、そのまま第２対物レンズ４１４へ入射し、スポ
ット光が光軸よりも下に位置するときは、分割ミラー４
１２で直角に上方に折り曲げられてミラー４１６で反射
させた後、第２対物レンズ４１Ｂへ入射する。第２対物
レンズ４１４を射出したビームはほぼ平行光束となって
、２つの反射面４１６ａ、４１６ｂを有する台形ミラー
４１６の一方の面４１６ａへ水平に入射し、ここで反射
したビームは平面ミラー４１７で反射されて他方の面４
１６ｂに入射して再び水平に射出する。この台形ミラー
４１６とミラー４１７は一体となって、水平な光軸と一
敗した中心軸４１６Ｃの回りに紙面に対して４５°だけ
回転して設けられ、イメージローテータとして働く、さ
て、面４１６ｂで反射したビームはビームスプリッタ−
４１８を透過した後、第１対物レンズ４２２に入射し、
ミラー４２４で垂直に下方に反射されて、レチクルＲの
下面のマークＲＭの面にスポット光（スリット状）ＳＰ
Ｙとなって集光する。

一方、分割ミラー４１２で反射されたビームは、第２対
物レンズ４１８、ミラー４２０を介してビームスプリッ
タ−４１８に入射し、ここで反射した後同様に第１対物
レンズ４２２に入射してレチクルＲの下面にスポット光
（スリット状）ＳＦＸとなって集光するとともに、矢印
Ａ８方向に直線走査される。ここでイメージローテータ
（４１６，４１７）を通ったビームで形成されるスポッ
ト光ＳＰＹは紙面内で左右にスリット状に伸びており、
紙面と垂直な方向に走査され、イメージローテータをバ
イパスしたビームによるスポット光ＳＰｘは紙面と垂直
な方向にスリット状に伸びており、紙面内の左右方向に
走査される。従っで回転ポリゴン鏡４０６の回転によっ
て、スポット光ＳＰＹ、ＳＦＸはレチクルマークＲＭの
窓ＰＷを含む領域内を、それぞれｙ方向とＸ方向とに交
互に走査する。レチクルマークＲＭの窓ＰＷの周囲の遮
光部を反射性のクロム等の金属薄膜で形成しておくと、
スポット光５ＰＹＳＳＰＸが遮光部を照射したときは反
射光が生じる。この反射光はレーザビームの送光路を逆
向きに進み、シリンドリカルレンズ４０４の後のビーム
スプリッタ４０２で反射されて、集光レンズ４３０、光
電検出器４３２から成る受光部へ分岐される。また窓Ｐ
Ｗを透過して投影レンズ系ＰＬを通って参照部材ＲＰへ
向うビームが参照パターンＲＦを照射すると、この参照
パターンＲＦから反射光、透過光等の光情報が発生する
。この光情報は同様に窓ＰＷを逆進して充電検出器４３
２で受光される。

以上、第２４図の光学系において第１対物レンズ４２２
はテレセントリックな系に定められ、後側焦点面はレチ
クルＲのマークＲＭの面と一敗し、前側焦点面（瞳面）
は第２対物レンズ４１４．４１８の各後側焦点面と一敗
するように定められる。

そして第２対物レンズ４１４．４１Ｂの各前側焦点は分
割ミラー４１２の頂点で一敗するとともに、走査レンズ
４１０の後側焦点とも一敗する。さらに走査レンズ４１
０の前側焦点は回転ポリゴン鏡４０６の反射面・に−敗
するように定められる。

また第１対物レンズ４２２の前側焦点面は投影レンズ系
ＰＬの瞳面と共役に定められる。このため自転ポリゴン
鏡４０６によるビーム偏向によって、レチクルＲには常
に垂直にレーザビームが照射された状態で走査され、所
謂テレセントリックな照明が行なわれる。

第２５図は本実施例に好適な参一部材ＲＰとウェハＷと
の配置を示す部分断面であり、参照部材ＲＰの上面でレ
チクルマークＲＭの窓ＰＷに対向する位置には、中心に
小さな矩形窓を有する矩形（又は円形）状の遮光層によ
る参照パターンＲＦが形成されている。参照部材ＲＰの
下面で参照パターンＲＦを含む所定領域には、反射部Ｍ
ｂが形成されている。ここでは参照部材ＲＰを一枚の石
英ガラスとし、参照パターンＲＦの直上には投影レンズ
系ＰＬが位置する。レチクルマークＲＭの窓ＰＷの投影
像は、露光波長のもとでは反射部Ｍｂを介して参照パタ
ーンＲＦと同一面に結像ｉれる。ここで窓ＰＷはレチク
ルＲ側からみたとき、第２６図（Ａ）に示すように参照
パターンＲＦの外形寸法よりは小さく、かつ参照パター
ンＲＦ内の透明窓の外形寸法よりは大きくなるように定
められている。さて、第２５図において、窓ＰＷを通っ
てきたレーザビームは、参照部材ＲＰの上面では大きく
デフォーカスしており、参照パターンＲＦの周囲等を透
過して反射部Ｍｂに達し、ここで反射して参照パターン
ＲＦの裏面にスポット光（ＳＦＸ’）として結像する。

レチクルＲ上を第２６図（Ａ）のようにＸ方向に矢印Ａ
、に沿って走査するスポット光ＳＦＸの場合、参照パタ
ーンＲＦを下面から照射するスポット光ｓｐｘ’は矢印
Ａ３′に沿ってＸ方向に走査される。このスポット光ｓ
ｐｘ’の照射によりて、参照パターンＲＦで反射されて
反射部Ｍｂへ向う反射光は、入射光と全く同じ光路を逆
向きに進み、レチクルＲ下面のマークＲＭの窓ＰＷ内で
スポットとなって再結像され、計測光学系内の光電検出
器４３２で受光される。一方、参照パターンＲＦの透明
窓を上方に向けて透過したスポット光ｓｐｘ’は比較的
大きな開口数を有し、投影レンズ系ＰＬによってレチク
ルＲ側に再結像されるが、参照部材ＲＰの上面はレチク
ルＲの下面とは共役関係になっていないため、マークＲ
Ｍの位置では窓ＰＷの寸法よりも大きくデフォーカスし
てしまう、このため、参照パターンＲＦを下方から上方
へ素通りしたスポット光ｓｐｘ’のビームのうち、大部
分はレチクルマークＲＭの窓ＰＷの周辺で遮光され、レ
チクルＲの上部に進む光量、すなわち光電検出器４３２
に達する光量は減少する。

第２６図（Ａ）はレチクルマークＲＭと参照パターンＲ
Ｆとを整合させたときの状態を示し、スポット光ＳＰｘ
のＸ方向走査とスポット光ＳＰＹのｙ方向走査とは時間
的に交互に行なわれる。さて、スポット光ＳＦＸ　（Ｓ
ＦＸ’　）がレチクルマークＲＭのエツジＥａ、参照パ
ターンＲＦのエツジＥｂ、Ｅｃ、及びマークＲＭのエツ
ジＥｄの順に走査されると、光電検出！１４３２の光電
信号ＳＳは第２６図（Ｂ）に示すようにレベル変化する
。まずスポット光ＳＰｘがレチクルマークＲＭの窓ＰＷ
の外側を走査しているときは、極めて大きな受光量とな
る。スポット光ＳＦＸが窓ＰＷ内の参照パターンＲＦの
遮光層（反射性）部分、すなわちエツジＥａからｗｂの
間、及びエツジＥＣからＥｄの間を走査するときは、ス
ポット光ＳＦＸ’が参照パターンＲＦの遮光層部分に下
方から照射されることになるので、−度反射部Ｍｂで反
射された光が光電検出器４３２で受光されることから、
この期間の受光量は低下する。さらにスポット光ｓｐｘ
’が参照パターンＲＦの透明窓内、すなわちエツジＥｂ
からＥｃまでの間を走査するときは、先にも説明したよ
うにレチクルマークＲＭの窓ＰＷを通過する光量は、大
きくデフーカスーしたビームのごく一部分であることか
ら、この期間の受光量は極端に低下する。

そこで適当な２つのスライスレベルＶＲ，、ＶＲｌを設
定して光電信号ＳＳ上や立上り部、立下り部の位置Ｘａ
、Ｘｂ％ＸＣ％　Ｘａを検出する。

ここでスポット光が等速直線走査される場合は、位置Ｘ
　ａ　ｓ　Ｘ　ｂ　ＳＸ　ｃ　ｓ　Ｘ　ｄはエツジ検出
の時刻として計測される。こうして、検出された位置に
基づいて、レチクルマークＲＭと参照パターンＲＦのＸ
方向の相対位置ずれΔＸ、を求める０位置ずれΔＸ、は によって求められる。ｙ方向の計測についても全く同様
である。夕だし充電検出器４３２は、Ｘ方向、ｙ方些の
計測で共用されているため、第２６図（Ｂ）のような信
号槍形は時間−に繰り返し発生する。そこで適当な同期
処理によって、各信号波形処理毎に、Ｘ方向のずれ計測
値とｙ方向のずれ計測値とに交互に分けて演算していく
必要がある。その場合でも、スライスレベルＶＲ，、Ｖ
ＲｌはＸ方向用と１方向用とで共通でよい。

本実施例では、第１の実施例のように参照パターンＲＦ
やレチクルマークＲＭとして回折格子゛　　パターンを
設けなくともよいため、レチクルマークＲＭが小さくで
きるといった利点がある。

尚、本実施例では反射光量を受光するようにしたが、各
パターンのエツジＥａ、Ｅｂ、Ｅｃ、Ｅｄで生じるエツ
ジ散乱光のみを充電検出するようにしてもよい。

さて、本発明の各実施例では、エキシマレーザ光のスペ
クトルを狭帯化し、投影レンズ系の光学材料として石英
を主に用いたステッパーに適用したときに最もよい効果
が得られる。しかしながらエキシマレーザ光を用いない
他の形式のステッパーに適用しても同等の効果が得られ
る０例えば波長４３６ｎ■のｇ線を露光光とするステッ
パーに対しては、位置ずれ検出用のレーザ光源ＬＳとし
て１１長４４１．６ｎ−のレーザビームを出力するＨｅ
−Ｃｄレーザ光源、波長４８８．５１４ｎ−のビームを
出力するアルゴンイオンレーザ光源、波長５４４ｎ−の
ビームを出力するＨｅ−Ｎｅレーザ光源、あるいは半導
体レーザのＳＨＧ高調波等が使用できる。また波長３６
５ｎ−のｌ線を露光光とするステッパーにおいては、レ
ーザ光源ＬＳとして波長３２５１―のビームを出力する
Ｈｅ−Ｃｄレーザ光源や波長３６５ｎ鋤のビームを出力
するアルゴンイオンレーザ光源等が適している。先にも
述べたように露光光の波長とアライメント用のレーザ光
源の波長が異なる場合、両者の波長の光のもとでは色収
差のために結像位置が異なることがあるが、参照部材Ｒ
Ｐに設けた参照パターンＲＦの光軸方向の位置を、アラ
イメント用の波長の光のもとてレチクルとの結像位置に
一致させるように調整しておけばよい。

また各実施例で用いたレーザ光源ＬＳは、第１図に示し
たように、内部にＳＨＧ結晶を含むアルゴンイオンレー
ザであるため、レーザ光源自体のコストが高いといった
問題がある。しかし、出力パワーに余裕があるため、１
台のレーザ光源ＬＳからのレーザビームを分岐させて、
光ファイバー等を用いて複数の露光装置にレーザビーム
を送ることもできる。こうすれば露光装置１台当りのレ
ーザコストが低下する。しかしながら、この方式では１
台のレーザ光源の故障（ダウン）は、複数台の露光装置
の運転停止を意味し、はなはだ不都合である。そこで予
備のレーザ光源ＬＳを用意しておき、ミラーの移動等に
よって即座に使用するレーザ光源を切替えるようにした
方がよい、この場合、１台の露光装置に１台のレーザ光
源を持たせたときのレーザコストと（らべて、２台のレ
ーザ光源（１台は予備）に対して３台以上の露光装置を
組み合わせるとコスト低減の効果が得られる。

ところで各実施例等で説明したように、レチクルＲは参
照部材ＲＰの参照パターンＲＦを基準として位置ずれを
モニターしている。特にステッパーの場合、ウェハＷ上
にマトリックス状にシロシト（チップ）領域を配置する
基準は、ウニへステージＷＳＴの送り座標系、すなわち
レーザ干渉計９の直交する１％７測長軸によって規定さ
れる座標系である。このため参照部材ＲＰの少なくとも
２ケ所に設けられた参照パターンＲＦａ、ＲＦｂを結ぶ
線分が、例えば第８図に示したようにＸ軸と正確に平行
になるように配置されているものとすると、レチクルＲ
の少なくとも２ケ所のマークＲＭと参照部材ＲＰめ参照
パターンＲＦａ。

ＲＦｂとの位置ずれ計測によってレチクルＲがＸｙ平面
内で微小回転していることがわかったときは、レチクル
Ｒそのものを回転（θ）補正してもよいが、ウニへステ
ージＷＳＴ上のウェハホルダーＷＨを計測された回転量
だけ、同方向に回転させてもよい。

ところが参照パターンＲＦａ、ＲＦｂ等の配置そのもの
がレーザ干渉計９で規定されたｘｙ座標系に対して微小
回転（又はＸ、Ｆ方向の平行ずれ）を起していた場合は
何らかの対応策が必要である。その１つの対応策は、例
えば第１７図、第１８図に示したように、参照部・材Ｒ
Ｐの少なくとも２ケ所に設けられた第２の参照パターン
ＲＧと、これ゛を基準として投影像面内に位置したマー
ク（格子パターンＷＭ等）を検出するオフ・アクシス方
式のマーク検出系を用いることである。この際、投影像
面内に位置するマークとしては、ウェハステージＷＳＴ
上に、ウニ凸表面とほぼ同じ高さ位置で固定された基準
マーク（フイデユーシヤルマーク）を利用するとよい、
第２７図は参照部材ＲＰのＸ７座標系に対する回転ずれ
を検出するのに好適な参照パターンＲＧの配置を示し、
第１０の実施例として説明する。

第２７図において、参照部材ＲＰはｘｙ座標系に対して
微小角度Δθだけ回転しているものとする。第２の参照
パターンとしての基準格子パターンＲ’Ｇａ５ＲＧｂは
ともにＸ方向とｙ方向の位置ずれ検出用に適するように
設けられている。また格子パターンＲＧａ％ＲＧｂの参
照部材ＲＰの中心ＣＣからの各距離は等しいものとし、
点対称の関係に設けられている。ウェハステージＷＳＴ
上にはフィデユーシャルマークＦＭが設けられ、その上
面にはウェハマークＷＭと同等の回折格子マークＦｍｘ
、、Ｆｍｙが形成されている。マークＦｍｘはＸ方向の
位置計測に使われ、マークＦｍｙはｙ方向の位置計測に
使われる。

このような構成で、まずマークＦｍｘ、Ｆｍｙの夫々が
格子パターンＲＧａと重なり合うようにウェハステージ
ＷＳＴを位置決めした後、第１７図に示したオフ・アキ
シス方式のマーク検出系を用いて、格子パターンＲＧａ
のｙ方向の格子配置とマークＦｍｙとが所定の整合状態
でｙ方向にアライメントされるようにウェハステージＷ
ＳＴをｙ方向に微動させる。そしてこのアライメントが
完了した時点で、ウェハステージＷＳＴのｙ方向の座標
値Ｙａをレーザ干渉計９から読み取る０次に座標値Ｙａ
を保ったままウェハステージＷＳＴを一定距＃（パター
ンＲＧａとＲＧｂの間隔分）ＳＬだけＸ方向に送り、そ
こで格子パターンＲＧｂのｙ方向の格子列とマークＦｍ
ｙとの位置ずれΔＹを、第１７図のようなマーク検出系
で読み取る。角度Δθは通常１°以下の微小量であるこ
とから、ΔθζΔＹ／ＳＬによって求められる。あるい
は、Ｘ方向に送った後、マーク検出系で検出された格子
パターンＲＧｂとマークＦｍｙのｙ方向のずれが零とな
るようにウェハステージＷＳＴをｙ方向に微動させ、完
了したときのウェハステージＷＳＴの位置を座標値Ｙｂ
として読み取る。

従ってこの場合、Δθζ（Ｙａ−Ｙｂ）／ＳＬで求めら
れる０本実施例のように回折格子を用いて第２の参照パ
ターンＲＧとフイデユーシヤルマークＦＭとをアライメ
ントする場合、パターンＲＧａとＲＧｂの２ケ所でのｙ
方向の相対ずれはマークＦｍｙの格子ピッチ分の範囲内
であることが望ましい０通常ウェハ上に形成する格子パ
ターン又はマークＦｍｙのピッチは数ミクロン以上であ
るため、予めこのような精度内に角度へ〇を追い込んで
製造することは比較的容島である。

また回折格子の参照パターンＲＧの代り、又は別の位置
に、専用のスリットマーク等を形成しておき、フイデユ
ーシヤルマークにも専用のスリットマークを形成してお
き、これらスリットマークを同時に参照部材ＲＰの上か
ら顕微鏡等で観察し−でもよい、この際、参照部材ＲＰ
に形成されるスリットマークとフイデユーシヤルマーク
とは光軸ＡＸの方向にある間隔で離れているため、マー
ク観察用顕微鏡の対物レンズと接眼レンズ（又はリレー
系）との間に複屈折素子を用いた２焦点素子（水晶レン
ズ等）を設け、光軸方向に離間したスリットマークを同
一結像面で検出するとよい、またはフイデユーシヤルマ
ークを開口スリットにして、この開口スリットをウェハ
ステージＷＳＴの内側から照明し、参照パターンＲＧと
の整合状態を参照部材ＲＰの上方で光電検出することに
よって、少なくとも２ケ所の参照パターンＲＧの座標位
置を計測してもよい。

尚、いずれの場合も、第２の参照パターンＲＧａ、、Ｒ
Ｇｂに対する参照パターンＲＦａ、ＲＦｂの位置関係は
予め精密に求められているため、参照パターンＲＦａ、
ＲＦａのｘｙ座標系での位置も正確に求められる。

また、参照パターンＲＦａ、ＲＦｂ％ＲＦｃ。

ＲＦｄの夫々とレチクルマークＲＭａ、ＦＭｂ。

ＲＭｃ、ＲＭｄの夫々との位置関係、あるいは参照パタ
ーンＲＧａ、ＲＧｂ、ＲＧｃ、ＲＧｄの配置等は露光装
置やレチクルＲの種類、レチクルＲのマーク配置等によ
って異なるので、所定のあるべき位置関係は露光装置に
記憶しておく必要がある。

上記各実施例において、ウェハステージＷＳＴの位置計
測用のレーザ干渉計９の参照ミラー（固定ミラー）は、
参照部材ＲＰの参照パターンＲＦ付近にほぼ一体に固定
されるため、レチクルパターンの投影像の位置変化を正
確にモニターできるといった効果が得られる。

また第２図、第４図、第５図に示した光へテロダイン方
式の送光系は、本発明の各実施例に示された使用方法以
外に、単独で他の位置検出装置等に流用できる。すなわ
ち２次元（ｘ、ｙ方向）の位置ずれを検出すべき物体に
、２次元の回折格子パターンが形成されていれば、第２
図のような極めて簡単な送光系によってＸ％３’方向に
ついて交互に光へテロダイン方式の検出が可能である。

〔発明の効果〕

以上のように采発明では、ウェハ等の第２対象物側にで
きるレチクル等の第１対象物の投影像面と等価な位置に
寸法、及び位置の基準となる参照パターンを設け、第１
対象物の基準パターンとこの参照パターンの相対的位置
を計測するようにしたので、投影光学系の結像特性の変
化や、第１対象物と投影光学系の相対的な位置ずれ等を
誤差なく検出でき、この結果、装置固有の各種アライメ
ント誤差の発生を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の構
成を示す図、第２図は位置ずれ検出系のための照明光を
発生する送光系の一部の構成を示す斜視図、第３図は照
明光を複数に分割する分配器の構造を示す斜視図、第４
図は送光系中の回転円板（ラジアル・グレーティング）
の構造を示す平面図、第５図は位置ずれ検出系の構成を
示す斜視図、第６図はレチクル上のマークの形状を示す
平面図、第７図（ａ）、（ｂ）は参照部材に形成された
参照パターン６形状を示す平面図、第８図は参照部材の
構造を示す斜視図、第９図は投影レンズ、参照部材、ウ
ェハの配置における結像関係を示す断面図、第１θ図は
レチクルマークを通る照明光と、レチクルマークから生
じる干渉光の様子を示す断面図、第１１′Ｉｇは参照パ
ターンで生じる干渉光の様子を示す断□面図、第１２図
はレチクル上の２ケ所のマーク配装置を示す平面図、第
１３図は本発明の第２の実施−による参照部材の構成を
示す平面図、第１４図番薯第２の実施例に好適なレチク
ルのマーク配置を示す平ｍ１図、第１５図は第２の実施
例における位置ずれ検出系の配置を示す斜視図、第１６
図は本発明の第３の実施例による光学特性の調整機構を
示す図、第１７図は本発明の第４の実施例による参照部
材の構造とマーク検出系の構成とを示す部分断面図、第
１８図は第１７図の参照部材の各パターンの配置を示す
部分平面図、第１９図は本発明の第５の実施例による位
置ずれ検出系の一部の構成を示す図、第２０図は第１９
図に示したアパーチャ板の構造を示す平面図、第２１図
は本発明の第６の実施例による位置ずれ検出系の一部を
示す図、第２２図は本発明の第７の実施例による位置ず
れ検出系の一部の構成を示す図、第２３図は本発明の第
８の実施例による送光系の構成を示す図、第２４図は本
発明の　　　　　□第９の実施例による位置ずれ計測系
の構成を示す図、第２５図畔第２４図の装置に好適な参
照部材の構成を示す部養断□面図、第２６図は第２４図
の装置による位置ずれ計測の様子を示す平面図、第２７
図は本発明の第１Ｏの実施例による参照部材、とフイデ
ユーシヤルマークとの配置を余す平面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・エキシマレーザ光源、　　１５・・・回転円板
、２３．２４．２７．２８・・・光ファイバー、３０．
３０’・・・アパーチャ板、　３１・・・対物レンズ、
３４・・・部分ミラー、　３７．３Ｂ・・−光検知器、
３９・−・位相計、　ＬＳ・・・レーザ光源、Ｒ−・・
レチクル、　　ＰＬ・・・投影レンズ系、ＲＰ　−・・
参照部材、　Ｗ・・・ウェハ、ＲＭ％ＲＭａ％ＲＭｂ、
ＲＭｃ、ＲＭｄ・・・レチクルマーク（基準パターン）
、ＲＦ、ＲＦａ、ＲＦｂ、ＲＦｃ％ＲＦｄ・・・参照パ
ターン、 Ｍａ、Ｍｂ％Ｍｃ％Ｍｄ−・・反射部、ＲＰａ％ＲＰｂ
−・・石英板 出願人　　日本光学工業株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）エネルギービームを発生するビーム発生源と、第
   １対象物に該エネルギービームを照射し、該第１対象物
   のパターンを第２対象物に投影露光する投影光学系とを
   有する装置において、前記投影光学系の一部、もしくは
   前記投影光学系と第２対象物との間に光学材料で構成さ
   れた参照部材を設け、該参照部材の少なくとも一部分の
   前記第１対象物とほぼ共役な位置には参照パターンが設
   けられ、前記第１対象物に形成された位置計測用の基準
   パターンと前記参照パターンとの相対的な位置を前記投
   影光学系を介して計測する位置計測手段を設けたことを
   特徴とする投影露光装置。
2. （２）前記第１対象物の基準パターンは、前記第２対象
   物へ投影露光すべきパターンの領域の外側であって、か
   つ前記投影光学系の最大視野領域の内側に設けられ、前
   記参照部材の参照パターンは前記基準パターンの投影像
   の位置と対応して設けられるとともに、前記投影光学系
   の光軸からほぼ一定の位置に固定されていることを特徴
   とする請求項（１）記載の装置。
3. （３）前記位置計測手段は、前記基準パターンと参照パ
   ターンの２次元的な相対位置変化を計測し、前記第１対
   象物と前記投影光学系の光軸との機械的な２次元位置ず
   れを検出することを特徴とする請求項（２）記載の装置
   。
4. （４）前記基準パターンは、前記第１対象物上の異なる
   複数の位置に設けられ、前記参照パターンは該複数の基
   準パターンの前記投影光学系による像位置の夫々に対応
   して前記参照部材上の複数の位置に設けられ、前記位置
   計測手段は該複数の基準パターンと参照パターンの対に
   対応して複数設けられ、該複数の計測手段で検出された
   計測結果に基づいて前記投影光学系による結像状態の変
   化を検出する演算手段を設けたことを特徴とする請求項
   （１）又は（２）記載の装置。