JPH02227604A

JPH02227604A - 位置検出方法及び装置

Info

Publication number: JPH02227604A
Application number: JP1048295A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松; Hideo Mizutani; 英夫水谷; Nobutaka Umagome; 伸貴馬込; Kazuya Ota; 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-09-10
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JP2890443B2

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、ヘテロゲイン干渉型の位置検出装置に関する
ものであり、特に半導体製造装置のウェハ、マスク等の
高精度な位置合わせ装置に好適なものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子等の微細パターンを高分解能で半導体
のウェハ上に転写する装置として、投影型露光装置、所
謂ステッパーが多用されるようになってきている。特に
、最近はこれにより製造されるＬｌｌの高密度化が要求
されてきており、より微細なパターンをウェハ上に転写
する必要がある。これに対応するには、より高精度な位
置合わせ（アライメント）が不可欠である。

そこで、ヘテロゲイン干渉法を利用して、より高精度な
位置検出行う装置として、例えば特開昭６２−２６１０
０３号公報にて開示されている。

この装置は、僅かに異なる周波数のＰ偏光とＳ偏光とを
含む光束を射出するゼーマン効果を一利用したゼーマン
レーザーを位置合わせ（アライメント）用の光源として
おり、このゼーマンレーザーからの光束を偏光ビームス
プリッタ−により、周波数ｆ１のＰ偏光と周波数ｆ、の
Ｓ偏光との光束に２分割し、この分割された各光束が各
々の反射ミラーを介して、レチクル（マスク）上に形成
された回折格子マークを所定の２方向で照射するように
設けられている。このマスクには、回折格子マークに隣
接した位置に窓が設けられており、この回折格子マーク
を照射する１部の光束が窓を通してウェハ上に形成され
た回折格子マークを所定の２方向で照射する。各回折格
子マークを互いに異なる周波数を持つ光束が２方向で照
射することにより発生する回折光を、検出系の偏光板を
通して互いに干渉させて、各々の干渉による２つの光ビ
ート信号を検出器にて光電検出している。

そして、各信号の相対的な位相差が、回折格子マーク上
で交差する２光束と基板とのズレ量に対応するため、検
出されたいずれか一方の光ビート信号を基準信号として
、この位相差が零となるように、レチクルとウェハとを
相対的に移動させることにより高精度な位置検出を行っ
ている。

〔本発明が解決しようとする問題点〕

上記で述べたゼーマンレーザー光源から供給される互い
に周波数の異なる直交した２方向の偏光光をそれぞれ分
離するための偏光分離素子の１つである偏光ビームスプ
リッタ−等が、今製造誤差等の要因により、これに入射
する偏光光において互いに直交する偏光面の方向と偏光
ビームスプリッタ−の分離できる偏光面の方向とが僅か
にズしているとする。すると、分離された各光束中には
、主偏光成分に対して垂直な方向に偏光する異なる周波
数のノイズ成分を含んでしまうことになる。

また、製造誤差なしに上記の装置の光学系を組み込めた
としても、偏光ビームスプリッタ−等の偏光分離素子は
、厳密にに言ってＰ偏光とＳ偏光とに完全に分離できな
いために、第８図に示す如く、分離された周波数の異な
る各々の偏光光は、上記と同様にして各々の主偏光成分
（Ｐ１８、ｓ１１′）に対して垂直方向に偏光した異な
る周波数のノイズ成分（Ｓ＋＋ｑｌ）＋ｔ）を僅かに含
むことになる。

このため、先に述べた特開昭６２−２６１００３号公報
に開示された装置では、上記の理由によって偏光ビーム
スプリッタ−でゼーマンレーザー光源からの光束を互い
に異なる周波数の偏光光に分割した時に、分割された各
々の偏光光（Ｐｌｌ、ｓｌＩ’）が、これに対して垂直
方向に偏光する異なる周波数のノイズ成分（Ｓｕｓｐｎ
）を僅かに含むことになる。

このような状況のもとで、基板上に形成された回折格子
マークに２光束を２方向で照射して、この回折格子マー
クからの回折光を偏光板等で、２つの回折光の主偏光方
向を揃えて干渉させると、検出器にて光電検出される光
ビート信号には大きな誤差を含んでしまう。

すなわち、偏光ビームスプリッタで分割された各光路中
に異なる周波数のノイズ成分が混在した状態で偏光板等
を介すると、主偏光成分と同方向に偏光する異なる周波
数のノイズ成分が混在して、その時点で光束自体がビー
トしてしまい大きな誤差を含んでしまう恐れがある。

さらに、直線偏光している光束は、偏光分離素子（偏光
ビームスプリッタ−等）、反射ミラー等の光学部材を介
すると、厳密に言って楕円偏光１こ変形するという問題
がある。このため、先に述べた従来の装置では、基板上
に形成された回折格子マークを２方向で照射するまでに
、各光学部材で引き回しているが、この過程で、第９図
に示す如く、例えば周波数ｆ１の主偏光成分Ｐｒｙ（ｆ
ｌ）に対して垂直なＸ方向に周波数ｆ１のノイズ成分Ｐ
ｒｘ（ｆｒ）と、周波数ｆ、のノイズ成分Ｎｔ（ｆｔ）
に対しても垂直なｙ方向に周波数【、のノイズ成分Ｎｙ
　（ｆｔ）とが発生する。

これにより、主偏光方向に対して垂直方向のノイズ成分
（Ｐ　ｒｘＵｌ）、Ｎｘ（ｆｔ）　）を除去することが
可能ではあるものの、主偏光成分Ｐｒｙ（ｆｒ）と同方
向のノイズ成分Ｎｙ（ｆｌ）を除去することは不可能で
あるため、回折格子マークを２方向で照射するまでに、
周波数ｆ、の主偏光成分Ｐｒｙ（Ｌ）と、これと同方向
の周波数ｆｌのノイズ成分Ｎｙ（ｆｔ）とがビートして
しまい、位置検出される光ビート信号には大きな誤差が
含まれるという致命的な問題がある。

そこで、上記で述べた問題により検出器で光電検出され
る２つの回折光について解析してみる。

まず、周波数ｆ１の主偏光成分と、これに対し僅かに含
まれる周波数ｆｒのノイズ成分とを有する回折光の振幅
り、は、Ｄ　Ｉ−Ｕ　ｌｅ　ｘ　ｐ　［−１（ｋｌｔ−φ１）］
＋Ｖ、　ｅ　ｘ　ｐ　（−ｉ（ｋｓＬ−φり）　−ａ＋
と表現でき、一方、周波数ｆ！の主偏光成分と、これに
対し僅かに含まれるノイズと共に周波数ｆ１のノイズ成
分を有する回折光の振幅Ｄ！は、Ｄ＋　−Ｕｓ　ｅ　ｘ
　ｐ　（−ｉ（ｋｔｔ＋φ、）〕＋Ｖ　＋　ｅ　ｘ　ｐ
　（−ｉ（ｌｌ＋ｔ＋φｌ））　−（２１と表現できる
。

但し、振幅Ｄ１の回折光おいて多く含まれる周波数【１
の主偏光成分の振幅をＵｌとし、振幅Ｄ１の回折光にお
いて僅かに含まれる周波数【１のノイズ成分の振幅をＶ
ｔ　、８幅り、の回折光において多く含まれる周波数ｆ
、の主偏光成分の振幅をＵ、とし、振幅り、の回折光に
おいて僅かに含まれる周波数【１のノイズ成分の振幅を
ＶＩ％波数をに、（＝２πＬ）　、ｋｔ（・２π【１）
、周波数ｆ１の偏光光が回折格子により回折を受けたと
きに生ずる位相の変化をφ１、周波数ｆｒの偏光光が回
折格子により回折を受けたときに生ずる位相の変化をφ
、としている。

上記で得られた（１）及び（２）式により検出器にて光
電検出される光ビート信号の強度Ｉは以下の如くなる。

＋−ＩＵ＋　ｅｘｐ　（−ｉ（ｋ己−φ＋））　＋Ｖｔ
　ｅｘｐ　　［−１（ｋ、ｔ−φｔ）］　　＋　Ｕ　ｒ
　　ｅ　ｘ　ｐ　　（−ｉ（ｋｔｔ＋φｇ））　＋　Ｖ
ｒ　　ｅ　ｘ　ｐ　（−ｉ（ｋ＋ｔ＋φ＋））　　ｌ　
”　　−（３１この（３）式を展開すると、１　＝ＵＩ”＋Ｖ、”＋Ｕ、ｔ＋Ｖ、ｆ＋２Ｕ＋　Ｖｒ
　ｃｏｓ　（２φ１）＋２Ｕ＊　Ｖｓ　Ｃｏ５（２φ、）＋２１Ｊ＋　ＵＩ　Ｃｏｓ　（（ｋｔ−に＊）ｔ＋（φ１
＋φ８））＋２　Ｖ、　Ｖｔ　ｃ　ｏ　ｓ　（（ｋｔ−
に＊）ｔ＋（φ１＋φ、）〕＋２Ｕ、Ｖ、ｃｏｓ　（（
ｋｔ−に、）！−（φ１−φ３月＋２　Ｕ　！Ｖ　Ｉ　
ＣＯｓ　［（ｋｔ−ｋｍ）ｔ＋　（φ１−φｍ　）　）
　−（４）となる。

この（４）式により求められた光ビート信号は、本来、
回折格子の位置の情報を示す位相成分φ１＋φ３のみを
有する訳であるが、この他にも別の位相成分、すなわち
（φ１−φ、）と（−φ、＋φ、）とを含んでいること
が分かる。そこで、Ｕｌ、Ｕ、に比して、Ｖｒ、Ｖｒが
十分型さいとすれば、位相成分による誤差ｅは次式にて
表現することができる。

Ｕ＋Ｕｔ −例として、前述の偏光ビームスプリッタ−により２分
割された各光束に含まれ°る互いに直交した方向の偏光
成分の光強度比を１　：　１０００（ＩＶｔＩ黛、ｌ［
Ｊ、＋１、ｌ［Ｊ、１重：ｌＶｌ　１”）とし、Ｕ　＋
　”　Ｕ　ｔ　、Ｖ　ｒ　”　Ｖ　ｒ　トすると、上式
（５）にによる位相誤差ｅは、となり、光電検出される
光ビート信号は、無視できない程の誤差を含むことにな
る。

基板上に形成された回折格子マークに２方向で互いに具
なる周波数を有する２光束を照明し、これにより発生す
る干渉縞のピッチを１／２となるように、上記の従来技
術で述べた装置は設定されているため、２つの光束と基
板との相対的なズレ量が１７２ピツチとなる毎に、回折
格子マークの位置情報含んだ光ビート信号と参照用の光
ビート信号とによる位相差は、２ｆだけ変化する。すな
わち、２つの光束と基板との相対的なズレ量が位相差に
対応し、位相差として検出できる範囲は、２πとなる。

そこで、基板上に形成された回折格子マークのピッチを
Ｐとし、上述の位相誤差ｅを２つの光束と基板との相対
的なズレ量δに換算すると、次式にて表現できる。

２　π 今、回折格子マーク上に形成されているピッチＰを１０
μｍとして、上述の位相誤差３．６°をズレ量δに換算
すると、３６０＠となり、この値は、無視できない大きな誤差となる。

例えば、４メガビツトの超ＬＳＩを露光するにあたりて
は、０６６〜０．７μ鳳程度の線幅の焼付が必要され、
これに対応するための検出器の精度は、総合アライメン
ト誤差を考慮して、０．８〜０．７μ鳳程度の線幅の少
な（とも十分の１　（０，０８〜０．０７μ謙）が要求
されるが、（８）式で求められた誤差では、明らかに４
メガビツトの超ＬＳＩを露光する上での安定したアライ
メントが難しくなる。

以上の如く、今まで無視できたレベルの物理的現象がア
ライメント精度に大きな悪影響を及ぼすため、位置検出
するためのアライメント光学系の構成を十分に配慮して
、高精度なアライメントに対し悪影響を及ぼす要因を全
て除去することが必要である。

ところで、製造上の誤差等が起因して、基板上に形成さ
れた回折格子マークを所定の交差角を持った２方向で照
射するはずの２光束の入射角が各々変化するという問題
がある。

また、基板上に形成された回折格子マークを照射する２
光束の交差角が所定の値に設定されていたとしても、こ
の回折格子マーク上で干渉して発生する明暗の干渉縞の
発生（配列）方向と回折格子の格子の配列（ピッチ）方
向とが回転方向において相対的にズしているという問題
もある。

この両者の結果、コントラスト、信頼性及び安定性の高
い光ビート信号を得ることが困難となり高精度なアライ
メントが困難となる。

そこで、本発明は上記の問題点を全て解決し、信頼性の
高い安定した光ビート信号が得られ、高精度な位置検出
ができる高性能な位置検出装置を提供することを目的と
している。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するために、位置検出され
るための基板上に形成された回折格子に、アライメント
光学系からの互いに周波数が異なる２光束を２方向で照
射し、該２光束により発生する回折光を干渉させて、該
干渉による光ビート信号を光電検出する位置検出装置に
おいて、前記アライメント光学系は、前記回折格子を照
射するための照明光束を供給する照明光束供給手段と、
該照明光束を２分割する光束分割手段と、前記互いに周
波数が異なる２光束を得るために前記２分割された各光
束の周波数を所定の値だけ変調させる光変調手段と、前
記変調した２光束が前記アライメント光学系の光軸を挟
んで進行するようにする光路調整手段とを有するように
したものである。

さらに、前記光路調整手段は、前記基板上に形成された
回折格子を２方向で照射する２光束の交差角を調整する
交差角調整手段と、前記干渉縞が発生する方向を調整す
る干渉縞方向調整手段とを有する構成にすることによっ
て、基板上に形成された回折格子マークを照明する２光
束の交差角とを調整できるとともに、回折格子マークに
形成される流れるような干渉縞の発生（配列）方向と回
折格子マークの配列（ピッチ）方向との回転方向におけ
る相対的なズレ量を補正することができる。

好ましき構成は、前記光路調整手段が、各光路の少なく
ともいずれか一方に傾角可変な平行平面板を有するよう
にすることが良い。

渉縞の発生（配列）方向と回折格子マークの配列（ピッ
チ）方向との回転方向における相対的なズレ量とを調整
することができるため、極めて有効である。

〔作　用〕

本発明においては、アライメント光を分離して各光束を
互いに異なる周波数に独立に変調させた後、光路調整手
段を設けることにより、互いに異なる周波数に変調した
２光束は常に分離された状態が維持されて、アライメン
ト光学系において分離した光路上を各光束が進行できる
ように各々光路を調整できるため、検出信号に悪影響を
及ぼすノイズ成分が混在しないようにすることができる
。

したがって、コントラスト及び信頼性の高い安定した光
ビート信号を得ることが保証され、より高精度なアライ
メントが実現できる。

しかも、この構成Ｉ：、より２光束の光路が調整できる
ため、基板上の回折格子マークを２方向で照明する光束
の交差角を調整できるのみならず、干〔実施例〕第１図は本発明の第１実施例による位置検出装置の概略
的な構成を示す図であり、以下この図を参照しながら詳
述する。所定の回路パターンとアライメント用の回折格
子マークＲＭとを有するレチクル（マスク）ｌは２次元
的に移動可能なレチクルステージ２に保持されている。

レチクル上の各パターンは照明光学系４０から供給され
る露光光のもとて投影対物レンズ３によりウェハ（基板
）上に結像される。また、ウェハ上にも上記のレチクル
上に形成された回折格子マークＲＭと同様の回折格子マ
ークＷＭが形成されている。

さて、ウェハはステップアンドリピート方式で２次元移
動するステージ上に吸着されて、ウェハ上の１つのシタ
ット領域でのレチクル上のパターンの転写が完了すると
、次のショット位置までステッピングされる。

レチクルステージ２及びウェハステージ５におけるＸ方
向、ｙ方向及び回転（θ）方向の位置を独立に検出する
ための不図示の干渉計が各ステージについて設けられて
おり、各方向における各ステージの駆動は不図示の駆動
モータにより行われる。

ところで、露光用光学系からの露光光は、レチクル上方
に４５°に斜設されたダイクロイックミラー３７等によ
り下方へ反射され、レチクルｌを均一に照明する。そし
て、均一に照明されたレチクル上のパターンは投影レン
ズ３によりウェハ上にパターンの像を形成し、転写され
る。

一方、位置検出するためのアライメント光学系（１０〜
３１）については、上記のグイクロイックミラーの上方
に設けられており、以下アライメント光学系について詳
述する。

上記の露光光とは異なる長波長を有するアライメント用
の照明光は、レーザー光源１０から射出した後、１／４
波長板１１により円偏光となる。

レンズ１２を介した光束は、偏光ビームスプリッタ−１
３により互いに同一の光量となるようにＰ偏光とＳ偏光
との光束にそれぞれ分割される。

偏光ビームスプリッタ−１３を反射したＳ偏光の光束は
第１音響光変調１ｉ１５ａ（以下単にＡＯＭ１５ａと呼
ぶ。）に入射する一方、偏光ビームスプリッタ−１３を
透過したＰ偏光した光束は反射ミラー１４を介して第２
音響光変調器１５ｂ（以下単にＡＯＭ１５ｂと呼ぶ。）
に入射する。

各ＡＯＭはＰ偏光とＳ偏光との光束の相対的な周波数差
がΔｆとなるように、ＰＨ！光の光束の周波数をｆ、、
Ｓ偏光の光束の周波数をｆ２に周波数変調する。

ＡＯＭ１５ａにより周波数ｆ１に変調したＳ偏光の光束
は、平行平面板１６ａ１反射ミラー１７を介して偏光ビ
ームスプリッタ−１８へ到達する一方で、ＡＯＭ１５ｂ
により周波数ｆ、に変調したＰ偏光の光束も平行平面板
１６ｂを介してビームスプリッタ−１８へ到達する。

二二で、各平行平面板（１６ａ、１６ｂ）は光路調整手
段として機能し、互いに異なる周波数に変調された２光
束が再びビームスプリッタ−１８で合成されないように
、各々の光束の進行方向に対して傾けられて配置され、
この傾き量を調整できるように設定されている。

これにより、各ＡＯＭにより周波数変調を受けた２光束
の各光路が所定量だけシフトし、分離された状態で偏光
ビームスプリッタ−ＩＢを通過する。この偏光ビームス
プリッタ−１８はアライメント光学系の瞳位置近傍に配
置されている。尚、各平行平面板（１６ａ１１６ｂ）の
機能については後述する。

分離された状態で並列に進行する２光束は、１／２波長
板１９により偏光方向が４５＠回転し、偏光ビームスプ
リッタ−２０を介すると、通過方向には各光束中のＰ偏
光成分が、反射方向には各光束中のＳ偏光成分がそれぞ
れ進行する。

この偏光ビームスプリッタ−２０を透過した２光束は、
レンズ２１により参照用の回折格子２２上にピッチ方向
に沿って流れる干渉縞が形成され、この回折格子２２を
介した回折光が検出器２３にて参照用の光ビート信号と
して光電検出される。

一方、偏光ビームスプリッタ−２０を反射した２光束は
、リレー系（２４ａ、　２４　ｂ１２５）を介し、アラ
イメント光学系の瞳位置近傍に設けられたビームスプリ
ッタ−２６に達する。

そして、ビームスプリッタ−２６を通過して並列に進行
する２光束は、テレセン・トリックを維持するためにア
ライメント光学系の光軸に対して傾角可変に設けられた
平行平面板３５を通過し、対物レンズ３６、グイクロイ
ックミラー３７を介して、所定の交差角を持つ２方向で
レチクル上の回折格子マークＲＭを照明する。このとき
、テレセントリックを維持用の平行平面板３５は、アラ
イメント光学系の瞳空間に配置されており、特にこの瞳
位置近傍に配置されることがより好ましい。

この平行平面板３５は、厚さの厚い粗調整用の平行平面
板と、厚さの薄い微調整用の平行平面板とを組み合わせ
た構成を適用しても良い。

尚、投影レンズ３がアライメント光に対して色収差補正
されていない際には、対物レンズ３６は、本発明と同一
出願人による特開昭６３−２８３１２９号公報にて撮案
した２焦点光学系で構成されることが望ましい、この場
合、２焦点光学系に入射する偏光した２光束をそれぞれ
２成分に分割するために、２焦点光学系の光学軸に対し
て、入射光束の偏光方向が傾くように配置する。すると
、第１焦点に向けて進行する一方の光束同士がレチクル
上で結像し、第２焦点へ向けて進行する他方の光束同士
がレチクルから外れた位置で結像した後、投影レンズ３
を介してウェハ上で結像する。

さて、レチクル１には、第２Ａ図に示す如く、回折格子
マークＲＭと並列的にアライメント光透過用窓Ｐｏ　　
（以下、透過窓部と呼ぶ。）が設けられており、第２Ｂ
図に示す如くこの透過窓１［ｐ。

に対応して、レチクル上に形成されている回折格子マー
クと同ピツチの回折格子マークＷＭがウェハ上に形成さ
れている。

このため、アライメント光の一部が、レチクル上を所定
の交差角を持った２方向でレチクル上の回折格子マーク
ＲＭを照明するために、回折格子のピッチ方向に沿って
流れる干渉縞が発生する。

この回折格子マークＲＭにより発生する±１次回折反射
光が光軸方向へ進行するように、２光束の交差角が予め
設定されている。

これにより、回折格子マークＲＭから発生する±１次回
折光は、再びグイクロイックミラー３７、対物レンズ３
６を通過した後、平行平面板３６、ビームスプリッタ−
２６、レンズ２７、ビームスプリッタ−２８を介して、
視野絞り３２へ達する。

この視野絞り３２は、レチクル１と共役な位置に設けら
れており、具体的には、第２Ｃ図の斜線に示す如く、レ
チクルｌの回折格子マークＲＭからの回折光のみを透過
させるように、回折格子マークＲＭの位置に対応して開
口部ＳＲＭが設けられている。

このため、視野絞り３２を通過した回折格子マークＷＭ
からの回折光は、０次光（正反射光）をカットする空間
フィルター３３によりフィルタリングされて検出器３４
にてレチクルｌの位置情報を含んだ光ビート信号が光電
積出される。

一方、上記のレチクル上の透過窓部Ｐ。を通過した１部
のアライメント光束は、投影レンズ３を介して、回折格
子で形成されたウェハ上の回折格子マークＷＭを所定の
交差角を持った２方向で照明し、このマークＷＭにより
発生して光軸上に沿って進行する±１次回折光が、投影
レンズ３、グイクロイックミラー３７、対物レンズ３６
、平行平面板３５、ビームスプリッタ−２６、レンズ２
７、ビームスプリッタ−２８を介して、視野絞り２９に
達する。

この視野絞り２９は、ウェハ４と共役な位置に設けられ
ており、具体的には、第２Ｄ図の斜線に示す如く、ウェ
ハ４の回折格子マークＷＭからの回折光のみを透過させ
るように、回折格子マークＷＭの位置に対応して開口部
Ｓ　ｗｖが設けられている。

このため、この視野絞り２９を通過した回折格子マーク
ＷＭからの回折光は、０次光（正反射光）をカットする
空間フィルター３０によりフィルタリングされて検出器
３１にてウェハ４の位置情報を含んだ光ビート信号が光
電検出される。

各空間フィルター（３Ｑ、３３）は、アライメント光学
系の瞳面と略共役な位置、すなわち投影レンズ３の＠（
射出瞳）と実質的に略共役な位置に配置され、レチクル
、ウェハ上に形成された回折格子マークからの０次光（
正反射光）を遮断し、±１次回折光（レチクル１１ウエ
ハ４の回折格子に対して垂直方向に発生する回折光）の
みを通すように設定されている。

また、検出器（３１３４）は、対物レンズ３６、レンズ
２７を介して、それぞれレチクル１、ウェハ４と略共役
となるように配置されている。

さて、位置合わせされていない状聾でレチクル１、ウェ
ハ４が任意の位置で停止していると、以上の如き本実施
例により各検出器（２３，３１，３４）から得られる３
つの光電信号は、ともに同周波数Δｆの正弦波状の光ビ
ート信号となり、互いに一定の位相差だけズしている。

ここで、レチクルｌ及びウェハ４からの各光ビート信号
の位相差（±１８０°）は、レチクルｌ及びウェハ４上
のそれぞれに形成された回折格子マークの格子ピッチの
１／２内の相対位置ズレ量に一義的に対応している。

レチクル１とウェハ４とが格子配列方向に対して相対移
動すると、相対位置ズレ量が各回折格子マーク（ＲＭＳ
ＷＭ）の格子ピッチｌ／２となる毎に同位相の信号とな
る。このため、各回折格子マーク（ＲＭｌＷＭ）の格子
ピッチ１／２以下の精度でプリアライメントし、主制御
系５１は、サーボ系５２により位相差検出系５０で得ら
れた位相差が零となるようにレチクルステージ２もしく
はウェハステージ５を２次元移動させて位置合わせを行
うことにより高分解能な位置検出が達成できる。

また、検出器２３より得られる参照用の光ビート信号を
基準信号として、この基準信号と各回折格子マーク（Ｒ
Ｍ、ＷＭ）からの各光ビート信号との各々位相差が零と
なるように位置合わせを行なっても良い。また、各ＡＯ
Ｍ（１５ａ、１５ｂ）をドライブさせるドライブ信号を
基準信号として利用することも勿論可能である。

次に、光電検出される光ビート信号が誤差を含まないよ
う構成した本実施例について説明する。

第３図に示す如く、アライメント光源１０から供給され
る光束は、１／４波長板１１を介して円偏光となり、偏
光ビームスプリッタ−１３を介すると、Ｓ偏光とＰ偏光
とに分離される訳であるが、上記の問題点でも述べたよ
うに分離された各光束（Ｓ、Ｐ）の偏光方向に対して垂
直方向に偏光するノイズ成分（Δｐ１ΔＳ）が僅かに含
まれているとすると、各ＡＯＭ　（１５ａ、ｌ　５ｂ）
を通過した各光束における偏光成分は、互いに同じ周波
数変調を受ける。その後、各光束（Ｓ、１＋Δｐ、いｐ
ａｔ＋Δ５ａｔ）は、光路調整用の平行平面板（１８ａ
、１６ｂ）、反射ミラー１７を介して、偏光ビームスプ
リッタ−１８に達する。このとき、偏光ビームスプリッ
タ−１８は、各主偏光成分を所定方向へ導き、各ノイズ
成分（ΔｐｎｓΔ３１．）の殆どが別の方向へ導くため
、これを介した各光束は実質的に純粋な主偏光成分のみ
が存在する状態になる。

偏光ビームスプリッタ−１８を介した各光束（ａｎ　　
、Ｐｔ＊’　）は、ｌ／２波長板１９を通過すると、各
光束の偏光方向が光軸中心に４５″回転し、各主偏光方
向が互いに直交するように偏光ビームスプリッタ−２０
に達する。

この偏光ビームスプリッタ−２０により、厳密に言って
、周波数ｆｌの主偏光成分Ｓ１１′はｘ１ｙ方向にそれ
ぞれＰｔｒ’と８．１′とに分割されるだけでなく、分
割された各光束中の垂直方向にそれぞれに周波数ｆ、の
ノイズ成分としてΔｓ１．′とΔｐ１１′とが混在する
ことになる。

一方、周波数ｆ、の主偏光成分Ｐ１．′も同様にしてＸ
％Ｙ方向にそれぞれＰ、′とＳｌ！′とに分割されるだ
けでなく、分割された各光束中の垂直方向にそれぞれに
周波数ｆ會のノイズ成分としてΔａｎ”とΔｐｕｓ’と
が混在することになる。

このように、偏光ビームスプリッタ−２０を透過した２
つの光束（Ｐｎ′、Ｐｎ’）中に、それぞれノイズ成分
（Δｓｌｌ′、ΔＳｉｔ′）が混在することにはなるが
、各ノイズ成分（Δａｒｌ　ｓΔＳＢ’）はこれに対応
する主偏光成分（Ｐｌ。

ＰＬ！′）と同周波数であるため、各光束中では光ビー
トが起こることがな（、レンズ２１．参照用の回折格子
２２、検出１１２３を介し参照信号として光電検出され
る。

この参照用の検出器２３により得られる参照用の光ビー
ト信号は精度的には殆ど悪影響を及ぼす誤差信号が含ま
れることなく、信頼性の高い安定した光電信号である。

一方、偏光ビームスプリッタ−２０を反射した２つの光
束（Ｓｏ　　、Ｓｌ！’）中においても、ノイズ成分（
Δｐ９．　、Δｐｌ！′）が混在した状態で、リレー系
（２４，２５）、ビームスプリッタ−２６、平行平面板
３５、対物レンズ３６を介して、レチクル上の回折格子
マークＲＭ、及び投影レンズを介してウェハ上の回折格
子マークＷＭを２方向で照射することになる。

しかしながら、参照信号と同様に、各光束のノイズ成分
（ΔＢｕｓΔＳｏ′）はこれに対応する主偏光成分（Ｐ
、、　　、Ｐ、ｔ’）と同周波数であるため、各光束中
ではビートが発生しないため、光電検出される各信号は
レチクル及びウェハの位置情報のみ含む信頼性の高い安
定した信号が得られる。

以上の如く、ＡＯＭ等により独立に周波数変調した各光
束は、再び交わることなくアライメント光学系の光軸を
挾んで対称となるように導かれて、各回折格子マーク（
ＲＭ、ＷＭ）を２方向で照射しているめ、検出誤差とな
る異なる周波数の光を含むことが全くないため非常に有
効である。

また、上記の問題点でも述べたように、本実施例のアラ
イメント光学系中に配置された各光学部材により、主偏
光成分のみならずノイズ成分が変形して楕円偏光となる
ことが考えられるが、第３図にて示した本実施例の各光
束中において僅かに存在するノイズ成分は、主偏光成分
に対して同周波数であるため、例えば、第４図に示す如
（、周波数ｆ１の主偏光成分Ｐｒｙ（ｆ＋）に対して同
方向の同周波Ｗｋｆ、のノイズ成分Ｎｙ（Ｌ）が存在し
ていても、レチクル及びウェハ上に形成された各回折格
子マーク（ＲＭ、ＷＭ）を照射する前に２光束がビート
することなく、各検出！！（２３，３１゜３４）では信
頼性の高く安定した光ビート信号が得られる。

次に、光路調整用手段としての各平行平面板（１６ａ、
１６ｂ）の機能について説明する。

平行平面板（１６ａ１１８ｂ）は先に述べたように、送
光系において誤差信号を含まないように、光束を分離し
た状態を確保しているだけでな（、各平行平面板（ｌｅ
ａ、１６ｂ）の傾き量に応じて各偏光光の光路が各々シ
フトさせることができるため、この平行平面板（ｌｅａ
ｌ　１６ｂ）より後方に設けられたアライメント光学系
の光軸を挟んで並列的に分離された光路に調整すること
ができる。

そこで、本実施例の平行平面ＩＥ（ｔｅａ、１６ｂ）に
よる光路調整について詳述する。

第５図に示す如きアライメント光学系の瞳面ＰＵは、偏
光ビームスプリッタ−１８，２０が配置されている位置
に存在し、この瞳面Ｐｕには送光系からの２光束のスポ
ット（ＢＳ、　、ＢＳ、）が光軸を挟んで形成される。

この瞳の上方に設けられている一対の平行平面板（ｌｅ
ａ、、１６ｂ）は、図示の如（ｘＳＹ輪を中心に回転す
るように設けられている。臆面Ｐｕ上に形成されるビー
ムスポット（ＢＳＩ　、ＢＳ、’）は、各平行平面板（
１６ａ、１６ｂ）がＸ軸を中心に傾くとｙ方向へ移動し
、これがｙ軸を中心に傾くとＸ方向に移動する。このた
め、ウェハあるいはレチクル上に形成された回折格子マ
ーク（ＷＭ、ＲＭ）上を２方向で照射する２光束の交差
角を調整することができる。

各回折格子マーク（ＷＭＳＲＭ）を２方向で照射する２
光束の交差角θは、この回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）
上を２方向で照射する２光束の入射角（α、β）の和で
あるため、レーザー光源の波長をλ、回折格子のピッチ
をＰ１人射角αで回折格子を照射する光束により発生す
る回折光の次数ｎ＋　　（ｎｌ　＞ｏ）　、入射角βで
回折格子を照射する光束により発生する回折光の次数ｎ
＊　　（ｎｔ＜Ｏ）とすると、次式の如く、一義的に決
定される。

θ＝ｓｉｎ−’（ｎｔ　　λ／２）− ｓｉｎ−’（ｎｔ　　λ／　Ｐ　）　　−−−−（９）
このため、所定の交差角θに応じて、各平行平面板（１
６ａ、１８ｂ）を、ｙ軸を中心に傾けて、臆面Ｐｕ上の
各ビームスポット（ＢＳＩ　、ＢＳ。

）をＸ方向に調整してやれば良い。

したがって、単に各平行平面板（１６ａ、１６ｂ）の傾
きを変化させるだけで、異なるピッチＰの回折格子マー
ク（ＷＭ、ＲＭ）に応じて適切な交差角に調整すること
が可能であるため極めて有効である。

しかしながら、この交差角θが調整されていても、第６
Ａ図に示す如く、実線で示す干渉縞ＩＦの発生（配列）
方向と、破線で示す回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）の配
列（ピッチ）方向とが回転方向において大きくズしてい
ると、正確な位置情報を含む高いコントラストの光ビー
ト信号を得ることができない。このため、各方向が平行
となるように、瞳面Ｐｕで形成されるビームスポット（
ＢＳ、　、ＢＳｔ　）の位置を移動させて、干渉縞！Ｆ
の発生（配列）方向をさらに調整する必要がある。

回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）上で形成される流れる干
渉縞【Ｆは、瞳面Ｐｕでの２つのビームスポット（ＢＳ
、、ＢＳＩ　）を結ぶ直線に対して垂直方向に形成され
る。

このため、例えば第６Ｂ図に示す如く、所定の交差角を
維持しながら、２つのビームスポット（ＢＳ、　１ＢＳ
、）を結ぶ直線に対して垂直方向が回折格子マーク（Ｗ
ＭＳＲＭ）の格子方向とな。

るように、平行平面板１６ａを、ｘ、ｙ軸を中心として
それぞれ傾けて、ビームスポットＢＳ＋をＸ方向へΔＸ
だけ移動させるとともに、ｙ方向へΔＹだけ移動させて
ＢＳ、’の位置に補正してやれば良い。

また、干渉縞ＩＦの発生（配列）方向と、回折格子マー
ク（ＷＭｌＲＭ）の配列（ピッチ）方向とが回転方向に
おいて僅かにズしていれば、例えば第６Ｃ図に示す如（
，１次元的に平行平面板１６ａを、Ｘ軸を中心として傾
けて、ビームスポットＢｓ、をｙ方向へΔＹだけ移動さ
せてＢＳの位置に補正しても良い。

このように、少なくとも一方の平行平面板（１６ａ、”
１６ｂ）を２次元的に傾けてやれば、所定の交差角を維
持しながら、干渉縞！Ｆの発生（配列）方向と回折格子
マーク（ＷＭ、ＲＭ）の配列（ピッチ）方向とを一致さ
せることがヤきるため有効である。

これを自動的に行うためは、交差角を合わせるための平
行平面板（ｌｅａ、１６ｂ）の傾きと、干渉縞の発生方
向と回折格子マークの配列方向とを合わせるための平行
平面板（ｌｅａ、１６ｂ）の傾きとをフィードバック制
御することが好ましい。

具体的には、例えば、交差角を調整する際には、光電検
出される光ビート信号のコントラストが最大となるよう
に、上記の如く平行平面板（ｌｅａ。

１６ｂ）を傾きを制御し、干渉縞の発生方向と回折格子
マークの配列方向を調整する際にも、光電検出される光
ビート信６号のコントラストが最大となるように、上記
の如く平行平面板（１６ａ、１６ｂ）の傾きを制御すれ
ば、両者のズレを補正することができる。

このように、本実施例では、光路調整として２次元的に
傾角可変な平行平面板をアライメント光学系中に配置し
たが、この平行平面板を少なくともいずれか一方の光路
中に設けても良い。また、この平行平面板の数には制限
な（、各光路中に１次元方向に対して傾角可変な平行平
面板をアライメント光学系中に複数枚設けても良い。

尚、第６Ｂ図及び第６Ｃ図では２つのビームスポットが
僅かに光軸から離れているが、検出される光ビート信号
には全（影響はない。

また、干渉縞ＩＦの発生（配列）方向と回折格子マーク
（ＷＭＳＲＭ）の配列（ピッチ）方向との回転方向にお
けるズレ量を補正するために、アライメント光学系中に
イメージローテータを配置した構成を適用しても良い。

次に、本実施例の変形例について第７図を参照しながら
説明する。本実施例において先に第１図と同様な部材に
は同じ符合を付しである。レーザー光１１１Ｇから射出
した光束は、１／４波長板１１、レンズ１２を介して偏
光ビームスプリッタ−１３ににより各々２分割され、各
ＡＯＭ（１５８％　１５ｂ）により互いに真なる周波数
に変調される。ＡＯＭ１５ａを介し周波数ｆｌに変調し
たＳ偏光光は、反射ミラー１７を介して、プリズム６１
に達する。一方、ＡＯＭ１５ｂを介し周波数ｆ、に変調
したＰ偏光光、１／２波長板６０によりＳ偏光光となり
、プリズム６０に達する。このプリズム６１は瞳位置近
傍に配置され、ＡＯＭ１５ａを介し周波数ｆ、の光束を
透過させる部分透過面８１ｂと、ＡＯＭ１５ｂを介し周
波数ｆ。

のＳ偏光光を反射させるような蒸着等で構成される部分
反射面６１ａとを有するように構成されている。そして
、このプリズム６１を介した互いに異なる周波数の各々
のＳ偏光光は、１／２波長板１９を通過する。このとき
、各光束の偏光方向は揃っているため、この１／２波長
板１９を回転させれば、偏光ビームスプリッタ−２０に
より、参照信号検出系とレチクル！とウェハ４を照射す
る送光系とに供給される各々の光束の光量を調節するこ
とができる。

このとき、検出１２３で光電検出するための参照光とし
て必要とされる光量はそれぼど多くなくても十分である
ため、１／２波長板１９の回転量を調整して、多くの光
量を有する光束を各回折格子マーク（ＲＭ、ＷＭ）に供
給することができる。

また、偏光ビームスプリッタ−１３の代わりにビームス
プリッタ−を配置し、プリズム６１の部分反射面６１ａ
を金属膜で構成すれば、このプリズム６１に入射する光
束の偏光面は揃っているため、１／２波長板を６０を不
要とすることができる。

このとき、このビームスプリッタ−はレーザー光源ｌＯ
からの光束を２分割して、これにより分割された各光束
を各ＡＯＭ　（１５ａＳ１５ｂ）により独立に周波数変
調しているため、互いに異なる周波数の各光束中に同周
波数の偏光成分が混在していても光電検出される光ビー
ト信号に悪影響を及ぼすことはない。つまり、各光束は
、異なる周波数を有する光束成分を含まず分離された状
態を維持されているため、ビートすることなく各回折格
子マーク（ＲＭ、ＷＭ）を２方向で照射することができ
る。

尚、本発明は上記で述べた実施例に限るものではなく、
本発明と同一出願人による特開昭００１３０７４２号公
報にて提案した如く、レチクルを介さずに投影レンズを
通してアライメント光をウェハ上の回折格子マークに２
方向で照射できるような構成を適用しても良く、またプ
ロミキシティ方式にも適用することができる。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、互いに異なる周波数に変
調された各々の光束中に別の周波数の光束成分を含まな
いような構成としているので、各光束をレチ・クル及び
ウェハ上に形成された回折格子マークに送光する過程で
、光がビートする要因を除去することが達成できる。こ
れにより、光電検出される光ビート信号は、純粋にレチ
クル及びウェハの位置の情報のみを有しているため、常
に高精度なアライメントが保証される。

しかも、回折格子マークを２方向で照射する２光束の交
差角を調整できるのみならず、この２光束により発生す
る干渉縞の編方向と回折格子の格子方向との回転方向に
おけるズレを補正できるため、コントラスト、安定性、
信頼性の高い光ビート信号を検出できるため、高精度な
位置検出が実現できる。

また、ＡＯＭ等を利用して各回折格子マークを２方向で
照明する２光束に大きな周波数差を与えることができる
ため、スルーブツトの向上が図れるとともに、高分解能
な位置検出が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による投影露光装置の概略的な
構成を示す図、第２Ａ図はレチクル上の回折格子マーク
の形状を示す平面図、第２Ｂ図はウェハ上の回折格子マ
ークの形状を示す平面図、第２Ｃ図はレチクル上の回折
格子マークからの回ＲＭからの回折光を得るための視野
絞りの平面図、第２Ｄ図はウェハ上の回折格子マークＷ
Ｍからの回折光を得るための視野絞りの平面図、第３図
はアライメント光学系のみを示す図、第４図は主偏光成
分とこれと同周波数のノイズ成分とが楕円偏光している
様子を示す図、第５図は光路調整手段の機能を模式的に
示す図、第６Ａ図は干渉縞と各回折格子マークとが大き
くズしている様子を示す図、第６Ｂ図は干渉縞と各回折
格子マークとの方向が補正されて一致している様子を示
す図、第６Ｃ図は僅かにズしていた干渉縞と各回折格子
マークとの方向を補正した様子を示す図、第７図は本実
施例の変形例による投影露光装置の概略的な構成を示す
図、第８図は偏光ビームスプリッタの機能を示す図、第
９図は主偏光成分とこれと異なる周波数のノイズ成分と
が楕円偏光している様子を示す図である。〔主要部分の説明〕１０−−一光源１３−・偏光ビームスプリッタ１５ａ・−・第１音響光変調器１５ｂ−・−第２音響光変調器１６ａ、１６ｂ−平行平面板

Claims

【特許請求の範囲】１）位置検出されるための基板上に形成された回折格子
に、アライメント光学系からの互いに周波数が異なる２
光束を２方向で照射し、該２光束により発生する回折光
を干渉させて、該干渉による光ビート信号を光電検出す
る位置検出装置において、前記アライメント光学系は、前記回折格子を照射するた
めの照明光束を供給する照明光束供給手段と、該照明光
束を２分割する光束分割手段と、前記互いに周波数が異
なる２光束を得るために前記２分割された各光束の周波
数を所定の値だけ変調させる光変調手段と、前記変調し
た２光束が前記アライメント光学系の光軸を挟んで進行
するようにする光路調整手段とを有することを特徴とす
る位置検出装置。２）前記光路調整手段は、前記基板上に形成された回折
格子を２方向で照射する２光束の交差角を調整する交差
角調整手段と、前記干渉縞が発生する方向を調整する干
渉縞方向調整手段とを有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の位置検出装置。３）前記光路調整手段は、各光路の少なくともいずれか
一方に傾角可変な平行平面板を有することを特徴とする
特許請求の範囲第１項及び第２項記載の位置検出装置。