JPH02283011A - 投影露光装置及び投影露光方法 - 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〕 本発明は半導体製造装置において基板を所望の位置に合
わせるための装置に関し、特に露光装置における被転写
基板の位置合わせ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体製造装置（ｎ光装置、リペア装置、検査装
置等）では、チップ回路が作り込まれる半導体ウェハを
、その装置内で高精度に位置決めすることが要求されて
きた。

特に露光装置にあっては、レチクルやマスクの回路パタ
ーンをウェハ上の回路パターンと精密に重ね合わせて露
光するために、予めウェハ上の回路パターンの位置を正
確に検出する必要がある。

回路パターンの微細化は、サブミクロン領域にまで達し
、現在では線幅ルール０．４〜０．６μｍ程度の１６Ｍ
ｂｉｔ　　Ｄ−ＲＡＭＩ産用の露光装置が試作されてい
る。

これらの露光装置では、線幅ルールに見合った位置合わ
せ技術が必要であり、位置合わせ用のアライメントマー
クの検出センサー単体の精度としては、線幅ルールの１
／１０程度をクリアしなければならない、このような高
い精度を得る１つのアライメント（マーク検出）技術と
して、ウェハ上の回折格子パターンにスタティックな干
渉縞を照射し、この干渉縞と回折格子パターンとを相対
移動させて、回折格子パターンから生じる干渉光の強度
変化に基づいて、ウェハを位置合わせする方法が、例え
ばアメリカ特許筒４，６３６．０７７号に開示されてい
る。この方法は基本的には、回折格子パターンと干渉縞
との相対位置変化量が干渉光の強度変化（正弦波的なレ
ベル変化）に一義的に対応することを利用して変位計測
を行なうアメリカ特許筒３．７２６．５９５号の技術を
応用したものである。

一方、干渉縞と回折格子パターンとを使った別の位置（
変位）計測方法として、特開昭６１−２１５９０５号公
報に開示されている通り、干渉縞を回折格子パターンの
ピッチ方向に高速に移動させ、回折格子パターンからの
干渉ビート光の光電信号（交流）と、干渉縞の移動速度
に対応した参照信号（交流）との位相差から回折格子パ
ターンの位置ずれ（格子ピッチの±１／４以内、もしく
はその整数倍）を検出する技術も知られている。

この方法は光ビート信号を使うことがらヘテロゲイン法
とも呼ばれ、前述のスタティックな干渉縞を用いた方法
は、これに対してホモダイン法と呼ばれる。ヘテロゲイ
ン法では同−周波数の２つの交流信号間（計測信号と参
照信号）の位相差が回折格子パターンの変位と一義的に
対応しており、位相差の計測は簡単なフェーズ・メータ
等であっても極めて高い分解能が得られる。

例えばウェハ上の回折格子パターンのピッチＰを２μｍ
＜１μｍ幅のラインとスペース）とし、フェーズ・メー
タの分解能Δθを±０，５°とすると、ある条件でのへ
テロゲイン法では格子ピッチＰの±１／４が位相差の±
１８０°に比例するから、変位計測分解能ΔＸは、次の
関係から求まる。

ΔＸ／Δθ−（Ｐ／４　）　／１８０ 従って上記の条件ではΔＸ！＝＋０．０Ｏ１４μｍとな
り、これは極めて高い分解能である。しかも、ある一定
時間（ｍ５ｅｃオーダ）の間の信号波形の平均から位相
差が求められるので高い安定性が得られる。さらに信号
波形のレベル変化ではなく、位相変化を求めればよいの
で、アライメントにあたってホモダイン法のように信号
強度のばらつきに大きく依存することがない。

〔発明が解決しようとする課Ｈ］ 以上、従来のホモダイン法、ヘテロダイン法では、基板
上の回折格子パターンのピンチＰの１／２毎に同一の位
置ずれ情報が得られるため、Ｐ／２を１周期とすると、
その整数倍の位置ずれがあつた場合には誤まった位置合
ねせをすることになる。この種のマーク検出法において
は、年々回折格子パターンのピッチＰが微細化すること
も予想され、現在考えられているようにＰ＝２μｍとし
ても、１０．５μｍの範囲内に回折格子パターンをプリ
アライメントしなければならず、従来の機械的なプリア
ライメントのみではほとんど達成不可能なスペックであ
った。

そこで本発明は、ホモダイン、ヘテロダイン法のように
高分解能ではあるが、真のマーク位置ずれ計測範囲が狭
いアライメント系をもつ位置合わせ装置において、上記
問題点を解決しつつ、マーク検出（アライメント）動作
の長時間化、すなわちアライメントシーケス上でのスル
ープット低下を極力少なくすることを目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

上記問題点を解決するため、本発明において基板上のマ
ークパターン（回折格子パターンから成る主マークと、
その一部もしくは別の副マーク）を検出する第１マーク
検出手段と第２マーク検出手段との２系統をともに動作
させるように構成した。第１マーク検出手段はマークパ
ターンよりも小さな第１検出領域（スリット状ビーム）
を有し、マークパターンとの相対走査によって、マーク
パターンの局所部分、特に副マークからのマーク情報（
散乱光、回折光）を検出するもので、回折格子パターン
に対する整数倍の位置ずれを求める。

第２マーク検出手段は、ヘテロゲイン、ホモダイン方式
等のように、マークパターンのほぼ全体がらのマーク情
報（干渉ビート光等）を検出して、回折格子パターンの
ピッチＰの１／ｍ（ｍは１以上の整数）以内の位置ずれ
を求める。

これら２系統からのマーク位置ずれ情報に基づいて、基
板を載置するステージの移動座標系と、基板上の任意の
点（例えばシトノド中心点）とを対応付けるようにした
。

〔作　用〕

本発明においては、２つのマーク検出手段が時間的に連
続してマークパターンの検出動作を行なえるように、マ
ークパターンの構造もしくは配置を決めておくことで、
２つのマーク検出手段を使うことによるスループット低
下を押えるようにした。

ここで本発明の原理的な構成、作用について第１図を参
照して説明する。第１図において、ウェハＷ上には、主
マークＭ２として回折格子パターンが形成され、そこか
ら一定距離だけ離れて副マークＭ、が形成されている。

対物光学系としての投影レンズＰＬはウェハＷとレチク
ルＲとの間に配置され、露光光の波長のもとてレチクル
ＲとウェハＷとを互いに共役関係にする。アライメント
系は、アライメント用対物しンズＯＢＪ、ビームスプリ
ッタＢ　Ｓ　ｒ　、ミラーＲＭレンズ系ＧＬ、ビームス
プリッタＢＳ！、及び光電検出器ＰＥＤ等により構成さ
れる。

投影レンズＰＬはウェハＷ側がテレセンドリンク系にな
っている。このアライメント系には、マーク照明光とし
て露光光と異なる波長の３本のビームＬＢ、　、ＬＢ、
、ｔ、Ｂｔが入射する。

ビームＬＢ、は、ビームスプリッタＢＳ、で反射してレ
ンズ系ＧＬに入射し、投影レンズＰＬの瞳（入射瞳）Ｂ
Ｐと共役な面ＥＰ’　の中心を通り、対物レンズＯＢＪ
によって空間中の面ＩＰに集光した後、投影レンズＰＬ
の瞳ＥＰの中心を通って、ウェハＷ上で再結像する。こ
れによってウェハＷ上にはビームＬＢ、の円形、又はス
リット形のスポット光（第１検出領域）が照射され、こ
のスポット光とウェハＷ上のマークＭ１とを相対走査す
ることにより、該マークＭ１からは散乱光や回折光±Ｄ
Ｌが発生する。この反射回折光は投影レンズＰＬ、対物
レンズＯＢＪを介してビームスプリッタＢＳ、で反射さ
れ、正反射光以外の回折、散乱光が瞳ＥＰと共役な光電
検出器ＰＥＤの受光面上の受光素子ＰＤａ％ＰＤｂ、又
は受光素子ＰＤｃ、ＰＤｄにより検出される０以上のビ
ームＬＢ。、ビームスプリッタＢＳ、　、ＳＢχ・レン
ズ系ＧＬ、対物レンズＯＢＪ、及び受光素子ＰＤａ。

ＰＤｂ　、、ＰＤｃ、、ＰＤｄが本発明の第１マーク検
出手段を構成する。

一方、２本の可干渉性ビームＬＢ、、ＬＢ□は、波長は
ビームＬ　Ｂ　ｏとほぼ等しい（厳密には後述するよう
に数十ＭＨｚ程度異なる）が、周波数が互いに数ＫＨｚ
〜数十ＫＨｚ程度の間で異なっており、ビームスプリッ
タＢ　Ｓ　ｚを介してレンズ系ＧＬに２方向から入射し
、瞳共役面ＥＰ’　では瞳中心を挾んで点対称の関係で
スポット集光する。その後ビームＬＢｒ”、ＬＢｚは対
物レンズＯＢＪを通り、ともに平行光束となって面ＩＰ
で交差し、投影レンズＰＬに入射する。２本のビームＬ
Ｂ、　、ＬＢ２は瞳ＥＰ内では再びスポットに集光した
後、投影レンズＰＬの光軸に関して対称的に傾いた平行
光束となってウェハＷ上で交差する。この２つのビーム
ＬＢ、　、ＬＢ、の交差部分が第２検出領域に相当し、
ウェハＷ上には２つのビームＬＢ、、ＬＢ、の交差角に
応じたピッチの干渉縞が、周波数差に応じた速度で一方
向に流れることになる。

この干渉縞の位置に主マークＭｔが存在すると、ビーム
ＬＢ、の照射によって垂直に発生するＩ次回折光と、ビ
ームＬＢ、の照射によって垂直に発生する１次回折光と
が互いに干渉し、その干渉ビート光ＢＴＬが投影レンズ
ＰＬに垂直に入射する。

この干渉ビート光ＢＴＬは対物レンズＯＢＪ、ビームス
プリッタＢ　Ｓ　＋を介して光電検出器ＰＥＤの光軸上
の受光素子ＰＤ、にスポット光となって集光する。

以上、ビームＬＢ、　、ＬＢ、　、ビームスプリッタＢ
Ｓ、　、ＢＳ、　、レンズ系ＣＬ、対物レンズＯＢＪ、
及び受光素子ＰＤ、によって本発明の第２マーク検出手
段が構成される。

ここで面ＩＰはレチクルＲと光軸方向にずれているが、
これはビームＬＢ、、ＬＢ、、ＬＢｇの露光波長からの
ずれに起因した色収差によるものである。

また主マークＭ２は図中、左右方向に周期的な構造を有
し、回折格子要素は紙面と垂直な方向に伸びており、ビ
ームＬＢ＋　、ＬＢ！のスポット光ばＩｌｉ［ＥＰ内で
主マークＭ、の格子ピッチ方向に並んでいる。

さらにビームＬＢ、は瞳ＥＰ内でスリット状に集光する
ようにシリンドリカルレンズ等で成形されて、ビームス
プリンタＢ　Ｓ　ｔに入射する。これによってウェハＷ
上でのビームＬＢ、のスポットは、瞳ＥＰ内の長平方向
と直交する方向に伸びたスリット状になる。

この第１マーク検出手段については、例えば特開昭６１
−１２８１０６号公報に詳しく開示されている。

以上のような第１マーク検出手段と第２マーク検出手段
とを用いて、第１マーク検出手段では専ら！Ｉｆマーク
Ｍ１を検出して主マークＭ２の±Ｐ／４の整数倍の位置
ずれを特定するようにし、第２マーク検出手段では主マ
ークＭ１の±Ｐ／４以内の位置ずれを検出する。

ここで本発明では、２つのマーク検出手段の動作順序は
、どちらを先にしてもよい。

このように本発明では、副アライメント系としての第１
マーク検出手段と、主アライメント系としての第２マー
ク検出手段とを組み合わせることで、マーク検出動作を
連続させることができ、これによってスループットの極
端な低下を防止するとともに、確実な主アライメントを
達成するようにしたのである。

Ｃ実施例〕 次に本発明の実施例による位置合わせ装置の構成を、第
２図〜第６図を参照して説明する。第２図は投影露光装
置のアライメント系を示し、レチクルＲはレチクルステ
ージＲ３Ｔ上に固定され、予め投影レンズＰＬの光軸Ａ
Ｘに対して正確に位置決めされているものとする。ウェ
ハＷは２次元移動可能なステージｌＧ上に載置され、こ
のステージ１６はモータ１７、送りネジ１８等の駆動系
によって水平面内を高速移動する。ウェハステージ３０
の座標位置は、レーザ光ｉ１１［３０，ビームスプリッ
タ３１、ウェハステージ３０に固定された移動鏡３２、
投影レンズＰＬに固定された固定鏡３３、及び干渉フリ
ンジを光電検出するレシーバ３４とで構成されたレーザ
干渉式測長器（干渉計）によって逐次計測される。

レシーバ３４からの信号は、干渉計カウンタへ送られ、
ステージ１６の移動量は、例えば０．０２μｍの分解能
で計測される。

一方、アライメント用のレーザ光Ｓｔからのビームは、
ビーム送光系ＡＢＯに入射し、第１マーク検出系と第２
マーク検出系との夫々に適した照明ビームＬＢ、　、Ｌ
Ｂ、　、ＬＢ！に変換され、ビームスプリッタ６Ｘ、対
物レンズ７Ｘ、及びミラー１３を介して投影レンズＰＬ
の軸外（投影視野の周辺部）位置に入射する。尚、第２
図中、２本のビームＬＢ＋　、ＬＢ＊は、ビームＬＢＩ
Ｉをはさんで紙面と垂直な方向に並んでいるため、ここ
では図示を省略しである。さて、投影レンズＰＬの瞳Ｅ
Ｐの中心を通ったビームＬＢ、は、ウェハＷをテレセン
トリックに照射するスリット状スポット光となる。この
ときつエバＷ上には、例えば第３図に示すようなビーム
スポット７１が形成され、スポット７１の長手方向は投
影レンズＰＬの光軸ＡＸへ向うように構成されている。

そこでステージ１６をレーザ干渉計の計測のもとに、ビ
ームスポット７１の長手方向と直交する方向に走査する
と、第３図のように副マークＭ１がスポット７１を横切
るように移動させることができる０本実施例では副マー
クＭ、ば、微小矩形パターンの複数をビームスポット７
１の長手方向に一定ピッチで配列した回折格子状にし、
主マークＭ：の回折格子パターンの回折方向（ピッチ方
向）とは直交する方向の周期構造とした。スボッ）７１
が副マークＭ１と重なった瞬間、副マークＭ、からは第
４図に示すように格子ピッチ方向に回折光（±１次光、
±２次光・・・・・・）±ＤＬが発生する。これら回折
光±ＤＬは投影レンズＰＬを介してミラー１３Ｘで反射
し、対物レンズ７Ｘを通ってビームスプリッタ６Ｘで反
射され、光電検出器８Ｘ（第１図中のＰＥＤ）に達する
。光電検出器８ｘは、第１図に示したＰＥＤのように、
２系統のアライメント系の夫々に対した回折光を受ける
ために、瞳共役面で分割された複数の受光素子を備えて
いる。ここでウェハＷの共役面（第１図中の面ＩＰ）は
、第２図中ではミラー１３Ｘと対物レンズ７Ｘとの間に
存在する。

以上第２図ではアライメント系、干渉計システムは、Ｘ
方向のアライメント用の一軸方向のみを示すが、実際は
Ｘ方向のアライメント用にも、同一のアライメント系と
干渉系システムとが設けられている。

一方、アライメントビーム送光系ＡＢＯからの２つのビ
ームＬＢ、　ＳＬＢ、は、第１図で説明したのと同様に
、ウェハＷ上では第２図中で紙面と垂直な面内で交差す
る平行光束となり、スポット７１よりも十分大きな範囲
の照射領域（第２検出領域）を形成する０本実施例では
２つのビームＬＢ、、ＬＢ、の交差照射領域のほぼ中央
にスポット７１が位置するように設定されるが、瞳ＥＰ
の中心にビームＬＢ、が通りさえすれば、スポット７１
の位置は交差照明領域内のどこにあってもよい、ただし
その位置関係は予め別の基準マーク（ウェハステージ上
のフィデュシャルマーク等）を用いて計測しておく必要
がある。

さて、第５図は、第２図の装置におけるアライメント系
をＸ−Ｙ平面でみた配置図である。

Ｈｅ−Ｎｅ５Ａｒイオン、Ｈｅ−Ｃｄ等のレーザ光源１
は露光光と異なる波長のレーザビームを発振する。この
ビームは微小回転可能な１／２波長板２゛によって偏光
方向がほぼ４５°だけ回転させられ、偏光ビームスプリ
ッタ２により偏光方向で２つに分けられる。このビーム
スプリッタ２を透過した一方の偏光ビーム（例えばＰ偏
光）はシャッターＳｌを通り、ミラー２０．ビーム成形
光学系２１、シリンドリカルレンズ２２から成る第１マ
ーク検出系のビーム送光系に入射する。シリンドリカル
レンズ２２からのビームＬＢ、はビームスプリッタ３で
振幅分割され、このビームスプリッタ３を透過したビー
ムＬＢ、はＸ方向のアライメント対物系を構成するレン
ズ４Ｘ、ミラー５Ｘ、ビームスプリッタ６Ｘ、対物レン
ズ７Ｘ、及びミラー１３Ｘに入射する。ビームスプリン
タ３で反射されたビームＬ　Ｂ　ｏはＹ方向のアライメ
ント対物系を構成するレンズ４Ｙ、、ミラー５Ｙ、ビー
ムスプリッタ６Ｙ、対物レンズ７Ｙ、及びミラー１３Ｙ
に入射する。尚、ビームＬＢｏについてはビームの主光
線のみを示しである。

ここでビームスプリンタ６Ｘ、６Ｙは第１図中のＢＳ、
に相当し、ウェハＷ上の副マークＭ１、主マークＭ２か
らの回折光を光電検出器８Ｘ１８Ｙへ分岐する。

さて、偏光ビームスプリッタ２で反射された偏光ビーム
（例えばＳ偏光）はシャッター３２を通り、ＡＯＭ　（
音響光学変調器）等の２つの周波数変調器ＭＤＩ　、Ｍ
Ｄ！、ビームスプリッタＢＳ３等で構成された第２マー
ク検出系のビーム送光系２１″に入射する。シャッター
Ｓｔを通ったビームは送光系２１°内で２つに分割され
、各ビーム路に変調器ＭＤ、　、ＭＤ、が配置され、周
波数変調すれた２つのビームがビームスプリッタＢＳ。

で偏心して合成される。変調器ＭＤＩ、ＭＤ＊は、互い
に異なる周波数の高周波ドライブ信号ＳＦ、ＳＦよ　（
数十Ｍセ）で駆動され、信号ＳＦ、とＳＦ、の周波数差
がビート周波数（数ＫＨｚ〜数十Ｋｌ（ｚ）となる、ビ
ームスプリッタＢＳ、で合成された２つのビームＬＢ＋
　、ＬＢｚは、ミラー４６で反射され、レンズ４７、偏
光板２′を通ってビームスプリッタ３に入射する。ビー
ムスプリッタ３における２本のビームＬＢ、　、ＬＢ、
の入射面は、ビームＬＢ、の入射面と直交し、２本のビ
ームＬＢ＋、ＬＢｚは偏光板２″によってビームＬＢ、
の偏光方向と合わされた後、ビームスプリッタ３で振幅
分割されて、Ｘ方向アライメント対物系とＹ方向アライ
メント対物系との夫々に分岐する。尚、第５図中では、
ビームスプリッタ３を透過してＹ方向アライメント対物
系へ進む２つのビームＬＢ＋　、ＬＢｘの図示を省略し
である。またビームＬＢ＋　、ＬＢ□は主光線のみを示
し、レンズ４７からレンズ４Ｘ（又は４Ｙ）までの間で
は、平行光束となって交差し、レンズ４７と送光系２１
゛の間では主光線が互いに平行となっている。

従って、レンズ４７とレンズ４Ｘ（又は４Ｙ）との間に
、ウェハＷ（又は面ＩＰ）と共役な面（交差位置）が存
在し、この位置に適宜、照明領域を制限するためのアパ
ーチャを設ける七よい。

さらにシャッタＳ、、Ｓ、は、いずれか一方のマーク検
出系を有効とするように、ビームを択一的に遮ぎるもの
であり、同時に開放されることはない。

ところで、この種のヘテロゲイン法では、基準となる参
照信号が必要であり、本実施例では、第５図中のビーム
スプリッタＢＳ、から分岐した２つのビームＬＢ、　、
ＬＢ、をレンズによって平行光束に変換するとともに、
参照用基準格子板ＲＧに所定の交差角で２方向から入射
させる。基準格子板ＲＧ上にはビート周波数で流れる干
渉縞ができ、光電素子ＰＤＲば同一次数の回折光が干渉
した干渉ビート光を受光して参照信号（ビート周波数の
交流信号）９Ｒを出力する。

この参照信号９Ｒは電気系ユニット９０に入力し、第２
マーク検出系によるマーク位置検出の際に使われる。！
気系ユニット９０にはプリアンプ９Ａ、９Ｂ、９Ｃ等を
介して光電検出器８ｘ、８Ｙからの各出力信号が人力す
る（８Ｘからの信号用のプリアンプは省略しである）、
この電気系ユニット９０はシャッターＳ＋　、Ｓｔの切
り換え制御と連動して、第１マーク検出系（スポット７
１を用いたステージスキャンアライメント系）と第２マ
ーク検出系（干渉縞を用いたヘテロゲイン・アライメン
ト系）とのいずれか一方を用いて副マークＭ、又は主マ
ークＭ、の位置検出を行なう。

こうして検出されたマーク位置情報は主制御装置９１に
受は渡され、ステージコントローラ９２を介してステー
ジ１６の駆動系（モータＩＴ）の制御に使われる。尚、
電気系ユニット９０内には、光電検出器８ｘ、８Ｙの中
央の受光素子ＰＤ。

（第１図参照）からの信号を増幅するプリアンプ９Ａか
らの出力と、参照信号９Ｒとの位相差を±１８０’の範
囲内で計測するデジタル・フェーズ・メータ（もしくは
フーリエ変換による位相差演算ソフトウェア）等が設け
れるとともに、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂの信号を増幅す
るプリアンプ９Ｂからの信号波形、もしくは受光素子Ｐ
Ｄｃ、ＰＤｄの信号を増幅するプリアンプ９Ｃからの信
号波形を、干渉計カウンタからの計数パルス（例えばス
テージ７０の０．０２μｍの移動毎に発生するパルス）
に応答してデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、その
波形を記憶するメモリ等が設けられている。

第６図は、上記の装置によってアライメントされるウェ
ハＷ上の副マークＭ、と主マークＭ２との配置を示す、
主マークＭ、は副マークＭ１の長手方向と同一方向に伸
びた複数本のラインとスペースとを、副マークＭ１の位
置検出方向と同一方向にピッチＰで並べたものである。

主マークＭ２の検出方向（ピッチ方向）のマーク中心は
、副マークＭｌの中心からｄだけ離れているものとする
。

このような主マークＭ８、副マークＭ１を一組として、
ウェハＷ上の各ショット領域毎に予め形成しておく。

第６図では、ビームＬＢ、によるスポット７１と２本の
ビームＬＢ、、ＬＢ、による照明領域（第２検出領域）
ＤＡとが、主マーク、副マークの右側に位置するように
示されている。そこで第６図のような位置関係からウェ
ハＷを右側へ移動させる。この際、シャッター３１を開
き、シャッターＳｆを閉じて、スポット７１のみをウェ
ハＷ上に照射する。こうして、副マークＭ１がスポット
７１を横切り、所定の光電信号波形（受光素子ＰＤａ、
ＰＤｂからの信号）が電気系ユニット９０内のメモリに
記憶されると、直ちにシャッターＳＩとＳ！の開閉状態
を切りかえて、照明領域ＤＡをウェハＷ上に形成する。

この間、ウェハＷは右方向に移動を続け、スポット７１
と副マークＭ、との各中心が一致した位置からｄだけ移
動した位置で停止する。第７図は、ウェハＷが停止した
状態を示し、照明領域ＤＡと主マークＭ２とがほぼ±Ｐ
／４以内にアライメントされる。照明領域ＤＡは、ここ
ではシャープな矩形をしているが、これはビームＬＢ、
、ＬＢ、の送光路中でウェハＷと共役な位置に矩形のア
パーチャが設けられているからである。また照明領域Ｄ
Ａはここでは主マークＭ２の全体の大きさを包含するサ
イズに決められているが、主マークＭ、の方は照明領域
ＤＡよりも大きくなってもよい、さらに照明領域ＤＡ内
に包含される主マークＭ２の回折格子の本数は、干渉ビ
ート光のＳ／Ｎ比が十分良好になる程度（例えば３本以
上）にする必要がある。

照明領域ＤＡ内には、回折格子の長手方向と一致して伸
びた明暗の干渉縞が、格子ピッチ方向にＰ／２の間隔で
交互に形成され、この干渉縞が第７図に矢印で示すよう
に一方向に流れている。干渉縞のピッチを格子ピッチＰ
の１／２にしたのは、干渉ビート光を最もレベルの強い
±１次回折光同志の干渉として取り出すためであり、２
本のビームＬＢ、　、ＬＢ、のウェハＷへの入射角θを
、ｓｉｎθ−λ／Ｐとすることで達成される。

干渉ビート光は光電検出器の中央の受光素子ＰＤ０に受
光され、ビート周波数の交流信号を計測信号として発生
する。電気針ユニット９０は、この計測信号と参照信号
９Ｒとの位相差（±１８０°）を検出し、これによって
所定の基準点に対する主マークＭ２の±Ｐ／４以内の位
置ずれ量を求める。この所定の基準点は、本実施例では
参照回折格子ＲＧに相当し、位相差が零のときは参照格
子ＲＧと主マークＭ８とが正確に一致したことになる。

第８図は、ウェハＷ上の１つのショット領域ＣＰに付随
したストリートライン上のマークを、Ｘ、Ｙ方向に関し
て計測する際のステージ１６の移動の様子を示す図であ
る。ウヱハＷ上の各ショット領域ＣＰには、ショット中
心ＣＣを原点とする直交座標軸の夫々の上に、Ｘ方向用
の主マークＭ。

とＹ方向用の主マークＭａｙとが形成される。主マーク
Ｍ！、のＸ方向の両側にはｄだけ離れて副マークＭ、、
が形成され、主マークＭ２．のＹ方向の両側にはｄだけ
離れて副マークＭ１ｙが形成される。副マークＭ　＋　
ｍ　％　Ｍ　ｌｙを主マークの両側に設けたのは、マー
ク検出時のステージ１６の移動方向の正負（ピッチ方向
の正負）を任意に選べるようにするためである。もちろ
ん、第６図に示すように主マークに対して副マークを１
つにしてもよい。一方、投影レンズＰＬを介したレチク
ルＲの投影像は、通常光軸ＡＸを中心した矩形の領域Ｒ
３Ａであり、当然投影レンズＰＬの円形の視野ＩＦ内に
包含される。ここで光軸ＡＸを原点としてＸＹ座標系を
定めると、Ｘ軸とＹ軸はステージ１６のレーザ干渉計の
測長軸（レーザビーム中心線）と一致しており、２本の
ビームＬＢ＋　、ＬＢｚによるＸ方向用の照明領域ＤＡ
ｘはＹ軸上で視野ＩＦの周辺部に位置し、Ｙ方向用の照
明領域ＤＡｙはＸ軸上で視野ＩＦの周辺部に位置する。

まず、第８図に示すような関係で視野ＩＦとショット領
域ＣＰとが位置するものとすると、主マークＭｚ、の中
心点が位置Ｐ１．を通って位置ＰＩ＆（照明領域ＤＡｙ
の中心）で停止するようにレーザ干渉計に従ってステー
ジ１６を移動させる０位置ｐｔｓでは第６図のような位
置関係になり、ここか４Ｙ方向に位置Ｐ０まで移動させ
ると、第７図のような位置関係になる。このとき、主マ
ークＭ口の方は、位置Ｐ。、Ｐｈの軌跡に沿って移動し
、ショット中心ＣＣは位置Ｐｊａ、Ｐ３にの軌跡に沿う
て進む。そして照明頭載ＤＡｙ内で主マークＭ２ｙのＹ
方向の位置ずれ量（±Ｐ／４以内）が求まると、次に主
マークＭ□が位ＷＰｔｂから位置Ｐｉｅを通って位置Ｐ
□（照明領域ＤＡｘの中心）で停止するようにステージ
１６を移動させる。

位置Ｐｌｃでは主マークＭ０、副マークＭ　１　、が第
６図の位置関係にあり、ここからＸ方向に位ＩＰ、４ま
で移動させると、第７図の位置関係になる。

そして、位置Ｐ！４で主マークＭｘＸのＸ方向の位置ず
れ量を求める。こうして１つのショット領域ＣＰのｘ、
、Ｙ方向の位置が特定されると、同様に次のショット領
域ＣＰの位置計測のためにステージ１６が移動する。も
し、そのショット領域ＣＰをただちに露光する場合は、
主マークＭｚ、の照明領域ＤＡｘ内でのＸ方向の位置ず
れ量が求まった時点で、そのずれ量が所定の許容範囲内
に納まるようにステージ１６をＸ方向に微動（±Ｐ／４
以内）させるとともに、ステージ１６をＹ方向に一定量
だけ送り込む。

この動作の直前で、ショット中心ＣＣは位置Ｐｎを通っ
て位置Ｐ３ｊにあり、主マークＭ１ｘがＸ方向に正確に
アライメントされると、位置Ｐ。のショ・ント中心ＣＣ
はＹ軸上に位置することになる。

従って、Ｘ方向のアライメント後、ステージ１６をレー
ザ干渉計に従ってＹ方向に一定量だけ送り込めば、ショ
ット中心ＣＣと光軸ＡＸ（投影領域Ｒ３Ａの中心）とが
正確に一致することになり、その後露光を行なえばよい
ゆ 尚、Ｙ方向への送り込み量は、主マークＭ２．が停止し
た位置Ｐｌｂでのステージ１ＧのＹ座標値をＹａ、計測
された±Ｐ／４以内の位置ずれ量をΔＹ、そして主マー
クＭ。が停止した位置Ｐ、でのステージ１６のＹ座標値
（位置ＰＩ４のＹ座標値と同一）をＹｂとすると、Ｙｂ
−（Ｙａ−ΔＹ）で求めることができる。

第９図は、第８図におけるマーク位置検出動作をステー
ジ１６の移動速度と時間の関係で表わしたグラフである
０時刻０でステージ１６がある位置に停止していたとす
ると、ここから目標となる主マークＭア　（又は副マー
クＭ、）の方向へ加速し、副マークＭ１の信号波形の取
り込み開始位置ＸＩの手前で、ある一定速度に減速し、
取り込み終了位置ｘｔまでの間に、電気系ユニット９０
内のメモリに、副マークＭ１の信号波形を記憶する。

取り込み開始位′ｌ１ｘｌ、終了位置Ｘ２は、ウェハの
グローバルアライメント（プリアライメント）の結果に
基づいて予測される副マークの予測位置Ｘ、を基準に設
定される０位置Ｘ！を通ったステージ１６は引き続き移
動し、予測位置Ｘ、からｄだけ先の停止予定位置Ｘ、で
停止するべく制御されていく、電気系ユニ・ント９０は
位置Ｘ、の通過後、信号波形を高速演算処理し、副マー
クＭ１の実際の位置、マーク実測位置Ｘ、を演算時間の
Ｔの間に算出する０時間Ｔ１はステージ１６が停止予定
位置Ｘ、に達する前に終了するように設定されている。

主制御装置９１は、予測位置Ｘｐと実測位置Ｘ、との差
Δにだけ、停止予定位置に。

を修正した停止実位置Ｘ＆　　（新たな目標値）を求め
、ステージ１６の駆動を修正制御する。これによってス
テージ１６が位置Ｘ＆に停止すると、主マークＭ１の中
心は所定の基準点に対して±Ｐ／４以内に位置決めされ
る。その後、照明領域ＤＡを用いて、±Ｐ／４以内の位
置ずれ量が計測される。

尚、シャッターｓ、　、Ｓｌの切り換えは、第９図中の
位置ｘ２からｘ、までの間で行なう。

また時刻０から位置ｘ１までの時間は、例えば第８図中
の位置ｐｔｂから位ｒＩｔＰ！ｃまで主マークＭｈが移
動する時間であり、第９図中の位置ｘ１から位置Ｘ、ま
での時間は、第８図中の位１　ｐ　ｚ　ｃからＰ。まで
主マークＭ２ｏが移動する時間である。

以上のように、本実施例では一連のステージ移動によっ
て主アライメントと副アライメントのマーク検出が行な
えるので、ウェハのアライメントシーケスにおける時間
のロスが極めて少ないといった利点がある。また副マー
クの実測位置を求める演算処理速度を高速にすればする
程、副マークＭ１と主マークＭ２との計測方向の間隔ｄ
は短くでき、より一層の時間短縮ができる。また第９図
では副マーク検出のためにステージ速度を最高速よりも
低くしたが、信号波形のデジタル化、メモリへの記憶等
のハードウェア上の処理時間が十分追従すれば、最高速
のまま副マークＭ１の波形を取り込めることは明らかで
ある。

ところで副マークＭ１は、主マークＭ２の位置を十Ｐ／
４以内で特定するために使われるものであるから、スポ
ット７１を用いた副マークＭ１の検出系の精度は、それ
に見合ったものであればよい 例えばピッ千Ｐが２μｍであれば、副マークＭ１の位置
検出精度は余裕を見積るとしても、±０゜２μｍ程度あ
れば十分である。そこで副マークＭを主マークＭ、のプ
リアライメント用に使う場合は、光電検出器８Ｘ、８Ｙ
の受光素子ＰＤａ、ＰＤｂからの信号波形のデジタルサ
ンプリングを、例えばステージ１６の０．０８μｍの移
動毎に粗くしてもよい、この場合、０．０２μｍ毎の干
渉計パルスによるサンプリングにくらべて、ステージ１
６を４倍にスピードアップさせる（実際はステージの最
高速度で制限される）ことができる。

また、副マークＭ、とスポット７１の幅がほぼ等しいも
のとして、副マークＭ、の幅が２μｍ程度の場合、例え
ば０．０２μｍ毎の干渉計パルスを分周して０．２μｍ
ごとのパルスを作り、この０．２μｍ単位のパルスの発
生毎に、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂからの信号レベルを所
定のスライスレベルと比較し、信号レベルがスライスレ
ベルよりも大きくなっている部分のパルス列を求め、そ
のパルス列の中心のパルスが得られた位置を副マークＭ
１の位置としてもよい。

次に本発明の第２の実施例によるアライメント動作を説
明する。

第２の実施例はアライメント時間をさらに短縮する方法
であり、主マークＭ２、副マークＭ２は第１の実施例と
同様の構造、配置であるものとする。第１の実施例では
相対移動中に副アライメント結果を算出するが、第２の
実施例では、これを待たずに適当な位置に位置決めして
主アライメントをおこなう、つまり、副アライメントの
処理を行いつつ、主アライメント動作を行い、主アライ
メント（±Ｐ／４以内のずれ検出動作）が終了するまで
に副アライメントの演算処理を終わらせる。

そして、主アライメントの結果に対して、副アライメン
トの結果をフィードバックしてやることにより、主アラ
イメントを行う照明領域ＤＡと主マークの位置関係が±
Ｐ／４以上ずれていても正しい結果が得られるようにす
る。こうすることにより、第１の実施例で副アライメン
ト処理速度を高めるのと同様の効果が得られる。

上記のことを第１０図を参照して説明する。

主制御装置９１、ステージコントローラ９２は、グロー
バルアライメントの結果から割り出した主マークＭｚ、
副マークＭ、の位置情報に基づいて、ステージ１６を移
動させ、第９図と同様に位置Ｘｒ、Ｘオの間で副マーク
Ｍ１の波形を取り込み、副マークＭ、の予測位置ｘ、か
ら間隔ｄだけ離れた主マークＭ２の予測位置、すなわち
停止予定位置Ｘ、でステージ１６を停止させる。

電気系ユニット９０は位置Ｘ、を通った直後、副マーク
Ｍ１の位置（第９図中のＸ３）を求める演算を開始する
。一方、電気系ユニット９０内のフェーズ・メータはス
テージ１６が位ｌｘｓに停止した直後から時間Ｔ、の間
に、主マークＭ、からの干渉ビート光の光電信号と参照
信号９Ｒとの位相差、すなわち±Ｐ／４以内の位置ずれ
量を求める。この時間Ｔ、の終了までに、副マークＭ。

の位置を特定しておく。

ここで副マークＭ１の予測位置Ｘｐに対して、実測位置
がΔＦだけずれていたとすると、主制御装置９１は、ｎ
を整数（零を含む）として、の計算を行ない、さらに主
アライメント結果である±Ｐ／４以内の位置ずれ量をΔ
Ｆとして、最終的な位置ずれ量を、ｎ・　（Ｐ／２）＋
ΔＦとして算出する。

以上、本実施例では時間Ｔ！の終了までに副マークＭ１
の位置算出が終了しているものとしたが、時間Ｔ＋が終
了する前に時間Ｔおが終了してしまっても一向にさしつ
かえない、ただし、次のマーク位置計測のためにステー
ジ１６をスタートさせるタイミングは、主マークＭ、の
位置特定のための位相差検出が完了する時間Ｔ□以降で
なければならない。

次に本発明の第３の実施例によるマーク検出動作を説明
する。先の第１、第２実施例では、副→主アライメント
の順序であったが、逆に主→副アライメントでも良い、
つまり、第７図の状態で先に主マークＭｔによるアライ
メントを行った後、第６図の状態まで幅マークＭ＋を移
動させて副アライメントを行う、そして、副アライメン
トの結果を基に主アライメント時の±Ｐ／４以上のずれ
を補正する。この方法だと、副アライメント処理時間が
多少長くても良い、なぜならば、Ｘ−＋Ｙ力方向順でア
ライメントする場合、Ｘアライメント後にＹアライメン
ト動作に移る時間、Ｙアライメント後に次のショット領
域のアライメント位置へ移る時間、又は露光位置に移る
時間は、いずれも第６図中の間隔ｄの移動時間よりも長
いからである。

以上のことをグラフ化したものが第１１図である。ステ
ージ１６は主マークＭ、の予測位置Ｘ。

、すなわち停止予定位置通りに止まる。そして時間Ｔ２
の間で主マークＭ２の±Ｐ／４以内の位置ずれを求める
。このとき、位置Ｘ、はウェハＷのグローバルアライメ
ントの精度に依存した位置ずれをともなうが、±２μｍ
以内に押えることは容易であり、この程度のずれであれ
ば、照明領域ＤＡと主マークＭ８とがせいぜい１ピッチ
分ずれるだけなので、干渉ビート光のＳ／Ｎ比（信号振
幅）はほとんど変化しない、従ってこのずれ（プリアラ
イメント又はグローバルアライメント精度）を見込んで
、照明領域ＤＡに対する主マークＭ！の全体のサイズを
大きめにしておけばよい。

さて、主マークＭ２の±Ｐ／４以内の位置ずれが求まっ
たら、スポット７１を照射して副マークＭ１をこのスポ
ット７１の方向へ移動させ、位置ｘ１とｘ２０間の加速
期間中に副マークＭ、の信号波形を取り込み、時間Ｔ、
で副マークＭ１の位置を特定して、第２実施例と同様に
、ｎ・　（Ｐ／２）＋ΔＦの演算により主マークＭ２の
中心位置を正確に決定する。

本実施例では、複数ケ所のマークを次々に検出する場合
、ステージ１６の停止期間は時間Ｔｔのみでよいため、
いままでの実施例のうち、最も処理時間が短い（スルー
プットが高い）といった利点がある。尚、第１１図では
、ステージ１６の加速中に位置ＸＩ　、ｘｘの間で信号
波形の取り込みをするとしたが、第１、第２実施例と同
様にステージ１６の定速度移動中であってもよく、これ
ば主マークＭ２と副マークＭ、との間隔ｄとステージ１
６の運動特性（加速度、最高速度等）によるものである
。

第１２図は主マークＭ、の検出動作の高速化を説明する
図で、第１２図（Ａ）は主マークＭ２からの干渉ビート
光の計測信号波形であり、第１２図（Ｂ）は参照信号９
Ｒの波形である。

照明領域ＤＡ内に主マークＭ２が精密に停止した直後の
時刻ｔ１から一定時間後の時刻ｔ２までの間で、計測信
号と参照信号の波形を、同一時間軸のクロックパルスの
もとてＡ／Ｄ変換器によりデジタルサンプリングし、メ
モリ内に記憶する。

そして、記憶された２つの波形を、フーリエ変換等の演
算手法によりソフトウェアで処理して位相差Δθを求め
るように構成する。こうすると、時刻むよ以降はステー
ジ１６を移動させることができるため、主マークＭ！の
±Ｐ／４以内のずれ量が算出される前に、ステージ１６
をスタートさせることで、スループントの向上が計れる
。

ここで２つの信号波形の周波数（ビート周波数）を２０
Ｋｌｌｚ程度にして、サンプリングする波形上の周期数
を２０〜４０程度にすると、時刻も、からむ！までの時
間は、１〜２５ｓｅｃと極めて短くなる。もちろんその
後のソフト演算には、高速演算プロセッサーを用いても
５〜ｌｏｍｓｅｃ程度が必要であるが、その時間はステ
ージ１６の移動と並行させることができるため、見かけ
上５〜工０ｓＩｓｅｃの待ち時間は表に現われない。

次に本発明の第４の実施例によるマーク構造と光電検出
の様子を、第１３図、第１４図、第１５図を参照して説
明する。

第１３図（Ａ）は、主マークＭ２と副マークＭ１とを、
主マークＭ！の格子ピッチＰと同程度に接近させ、副マ
ークＭ１そのものを、主マークＭ８の１本の格子として
形成したものである。この場合、副マークＭ、の計測方
向の幅を、主マークＭｔの格子幅と同一にしておく。こ
のようにすると、副マークＭ、も干渉ビート光の発生に
寄与し得る。第１３図（Ｂ）は副マークＭ、を主マーク
Ｍ８の中央の格子として配置したもので、副マーりＭｌ
の中心と主マークＭ２の中心とは一致している。ここで
も副マークＭ２は干渉ビート光の発生に寄与するような
ピッチ関係、線幅に設定されている。

第１４図は、副マークＭ１を回折格子にする代りに、単
純な線条にした変形例を示す、第１４図（Ａ）は、第６
図に示したものと同じマーク配置であり、第１４図（Ｂ
）は第１３図（Ａ）と、第１４図（Ｃ）は第１３図（Ｂ
）とそれぞれ同じマーク配置である。

ここでは、副マークＭ、の線幅を、主マークＭ２の１本
の格子幅と同一にしてあり、主マークＭ２の１本の格子
として働く。

以上、第１３図（Ａ）、（Ｂ）、及び第１４図（Ｂ）、
（Ｃ）の構造によれば、アライメントマークとしてウェ
ハ上に占める面積が少なくて済むといった利点がある。

また第１３図（Ｂ）、第１４図（Ｃ）のマーク構造では
、主マークＭヨの中心が目視観察時に見つけ易いといっ
た利点もある。

ところで第１３図（Ｂ）の構造では、スポット７１が照
明領域ＤＡの中央にあるため、副マークＭ１がスポット
７１の下を通過した後、逆方向にステージ１６を移動さ
せて副アライメントの結果からステージ１６を±Ｐ／４
以内に停止させる必要がある。

また、第１４図のマーク構造の場合、副マークＭ１とス
ポット７１とが相対移動すると、副マークＭ１の両側の
直線エツジから散乱光が発生するので、これを先の第１
図中に示した受光素子ＰＤｃＳＰＤｄで検出し、ステー
ジ１６の移動に伴って干渉計パルスでデジタル・サンプ
リングすればよい。

さて、第１５図は光電検出器８Ｘ、８Ｙでの光電検出の
様子を示し、第１５図（Ａ）は各受光素子ＰＤａ、ＰＤ
ｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄの配置を示す。

受光素子ＰＤｅは瞳共役面上の中心（光軸上）に位置し
、主マークＭ、の格子ピッチ方向には受光素子ＰＤ、を
挾んで２つの受光素子ＰＤｃＳＰＤｄが配置される。そ
して、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂは３つの受光素子ＰＤｃ
、ＰＤｄ、ＰＤｏを、ピンチ方向と直交する方向で挾み
込むように配置される。

第１５図（Ｂ）は、副マークＭ１の検出のためにビーム
ＬＢ、のみをウェハ上に照射したとき、スポット７１の
照射領域内に副マークＭ１や他のパターンエツジが存在
しなかった場合の受光素子上での反射光の分布を示す、
この場合、ビームＬＢ０は系の瞳中心を通してウェハＷ
の反射面ヘテレセントリックに照射されるために、０次
光１００のみが光電検出器の中央へ戻ってくる。

ところがスポット７１と、第６図、又は第１３図中の副
マークＭ１とが重なると、第１５図（Ｃ）のようにＯ次
光１００の両脇に１次光±ＤＬ１．２次光±Ｄｔ、ｚ、
３次光士ＤＬ３等の高次回折光が戻ってくる。これら高
次光は受光素子ＰＤａ、ＰＤｂによって受光される。

また第１４図中の副マークＭ１、あるいは主マークＭ８
内の格子がスボッ）７１と重なると、第１５図（ｄ）の
ように、０次光１００の長手方向に広がるエツジ散乱光
１０１ａ、１０１ｂが戻ってくる。この散乱光１ｏｔａ
、１０１ｂは受光素子ＰＤｃＳＰＤｄで受光される。

一方、２本のビームＬＢ＋　、ＬＢ、による照明領域Ｄ
Ａ内に主マークＭ、が存在せず、単なる反射面になって
いると、２本のビームＬＢ、　、ＬＢ鵞の各正反射光（
０次光）ＢＬａが、第１５図（Ｅ）に示すように受光素
子ＰＤｃ％ＰＤｄに戻ってくる。

そして照明領域ＤＡ内に主マークＭ２が位置すると、第
１５図（Ｆ）に示すように受光素子ＰＤ、の位置に干渉
ビート光ＢＴＬが戻ってくる。これら受光素子ＰＤｓ　
、ＰＤａＳＰＤｂ、ＰＤｃ。

ＰＤｄは同一半導体基板上に絶縁層を介して独立に形成
されたフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード等で
ある。

尚、ビームＬＢ、　、ＬＢ、の正反射光ＢＬ、は、受光
素子ＰＤｃＳＰＤｄの位置に戻ってくるとしたが、これ
は必らずしも必要なことではない。

次に本発明のいくつかのウェハアライメントシーケンス
について、第１６図を参照して説明するが、このシーケ
ンスのためのマーク構造、マーク検出（ステージスキャ
ン）動作は、前述の実施例のいずれを用いてもよい。

この種のステッパーでは、ウェハＷ上の複数のショット
領域ＣＰｎに対して順次ステッピングを行なって露光を
繰り返していく、そして露光動作の前には必らずウェハ
のアライメントを実行する。

このアライメントのシーケンスには大きく分けて、各シ
ョット毎にマーク位置を検出するグイ・パイ・グイ（又
はフィールド・パイ・フィールド）アライメント方式と
、ウェハ上の代表的な数ケ所のショットのマーク位置を
検出するグローバルアライメント方式との２種類がある
。

グイ・パイ・グイアライメント方式、グローバルアライ
メント方式のいずれの方式にしても、主マークＭ２を用
いたマーク位置検出が通用できるが、この場合、副マー
クＭ１を用いた副アライメント（±Ｐ／４以内への位置
決め）動作も２種類考えられる。

１つは副アライメント手段（第１検出手段）のみを使っ
てウェハ上の複数ケ所のマークの位置をまとめて計測し
ておく方法であり、もう１つは主アライメントすべきシ
ョット毎に副アライメントを行なう方法である。前者の
方法は、言ってみればグローバルアライメント的な方法
であり、後者はグイ・パイ・グイアライメント的な方法
である。

従って主アライメント手段と副アライメント手段との２
つ持つステッパーでは、組み合わせとして４通りのシー
ケンスが考えられる。

第１６図（Ａ）は主アライメント、副アライメントとも
グローバル方式のシーケンスを表わし、副マークＭ、を
用いた副アライメント（マーク位置検出）はウェハ上の
・印の４シジットＣＰ、、ＣＰｔ　、ＣＰｓ　、ＣＦ２
で行ない、主マークＭ２を用いた主アライメントばウェ
ハ上のＯ印の８ショットＣＰ１〜ＣＰ、で行なう、ここ
でショットＣＰ＋　、ＣＰｔ　、ＣＰｓ　、ＣＦ２は直
交座標系の軸上のウェハ周辺に位置したものであり、同
時に８つのショットＣＰ１〜ＣＰ、はウェハ中心からほ
ぼ等しい距離に位置している。これら各ショットへのス
テージの移動は、実線と破線の各矢印で表わされ、まず
初めにオリフラに近いショットＣＰ１、左端のショッ）
ＣＰ、、上端のショットＣＰ３、及び右端のショットＣ
Ｐ、の順に、ｘＳＹ方向の各副マークＭ１いＭ　ｌｙの
位置を計測する。

その後、その計測結果に基づいてウェハ上のショット配
列座標とステージの移動座標系とが、ウェハ上のどの点
でも±Ｐ／４以下の精度で対応付けられるような統計演
算処理を行なう、そして、引き続き、もしくはその演算
処理と並行して、副アライメントの最後のショットＣＰ
　４からＣＰ３、ＣＰｆｆ、ＣＰａ・・・・・・ＣＰｌ
、ＣＰｓの順に反時計回りに主マークＭｔを用いた主ア
ライメントを行なう。

この主アライメントによる８つのショットＣＰ〜ＣＰ、
のｘ、Ｙ方向の各位！ずれ量（±Ｐ／４以下）と、副ア
ライメントによる位置計測結果とに基づいて、ウェハ上
の全ショット領域の各中心点と投影レンズの光軸との相
対位置関係が精密に特定され、後はレーザ干渉計の読み
値に基づいてステージをステッピングさせる。この第１
６図（Ａ）のシーケンスはもっとも高速である。また、
８つのショットＣＰ、〜ＣＰ、の各位置は±Ｐ／４以下
で精密に求まるので、この値を用いて、特開昭６１−４
４４２９号公報に開示されたエンハンスト・グローバル
・アライメント（Ｅ、Ｇ、＾）法による最小二乗近似を
行ない、シ式ット配列の規則性を決定すると、極めて高
いアライメント精度が得られる。

第１６図（Ｂ）は、第１６図（Ａ）と同様にウェハ上の
４つのショットｃｐ、　、ｃｐ□、ＣＰｓ、ＣＰ４につ
いては副アライメント手段によって副マークＭ１のみを
位置計測し、その計測結果に基づいてステップアンドリ
ピートの露光ショット順に主アライメントを行なうもの
である。この場合、各シップＤＩ域の主マークＭ２に対
するステッピンク精度は±Ｐ／４以内に納められている
必要がある。この第１６図（Ｂ）は副アライメントをグ
ローバル式で使い、主アライメントをダイ・パイ・グイ
方式で使ったことになる。

第１６図（Ｃ）は、露光動作前にウェハ上の代表的な８
つのショットＣＰ１〜ＣＰ、の各々について副アライメ
ントと主アライメントとを行なうものである。

第１６Ｉｆｆｌ　（Ｄ）は、ステップアンドリピートの
露光動作時のステッピング毎に、各ショットの副マーク
Ｍ１　と主マークＭ２とをともに検出する方式で、完全
グイ・パイ・ダイ方式である。

以上、第１６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示し
た計測ショツト数は、各ウェハプロセスと、それに対す
る主アライメント手段、副アライメント手段の各能力に
応じて変えると良い。また副アライメント手段はビーム
ＬＢ、のスポット７１を使うため、ビームウェストの範
囲（光軸方向の長さ）が狭いので、副アライメント時に
は各副マークＭ、を走査する時点でフォーカス合わせ（
ステージ１６内の２ステージの上下動）を行なうのがよ
いが、主アライメント手段は２つのビームＬＢ、　ＳＬ
Ｂ、の交差領域内であれば、どの面でもきれいな干渉縞
ができるために、比較的焦点範囲が広くとれ、フォーカ
ス合わせを省略することができる。

尚、第１６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のいずれ
のシーケンスソフトウェアも、主制御装置９１内に予め
記憶されており、オペレータの選択により、いずれか１
つを選ぶことができる。また多数枚のウェハをロフト管
理する場合、同一ロット内の最初の数枚のウェハと後の
ウェハとでは、シーケンスを変えるようにしてもよい。

第１７図は本発明のその他の実施例による位置合わせ装
置を組み込んだステッパーを示し、第２図中の部材と同
じものは同一符号にしである。

第２のマーク検出手段（主アライメント）は、レチクル
Ｒの上方に配置した対物レンズＯＢＪ。

、ミラーＲＭ、第２対物レンズ０ＢＪｚ、ビームスプリ
ッタＢＳ、、送光光学系１１０、及び受光光学系１１２
で構成されたＴＴＲ（スルーザレチクル）方式によって
も同様の効果が得られる。ここで対物レンズＯＢＪ、　
、ミラーＲＭは図中矢印のように水平移動可能に設けら
れ、レチクルＲ上の窓の位置に応じて観察位置を変える
ことができる。ＴＴＲ方式の場合、投影レンズＰＬを介
してレチクルＲとウェハＷとを互いに共役関係にした状
態でレチクルＲの窓とウェハＷ上のマークＷＭとを同時
に観察するためには、送光光学系１１０からのアライメ
ント用ビームの波長を露光光の波長と同一、もしくは近
似させる必要がある。また、ＴＴＲ方式でも露光光と異
なる波長のアライメント用ビームを用いる場合、投影レ
ンズＰＬの色収差量だけ、レチクルＲとウェハＷとの共
役関係がずれるの、で、送光光学系１１０の内部、又は
対物レンズＯＢＪ、に２重線点化部材を設け、アライメ
ント用ビームを２焦点化すればよい。

また同じＴＴＲ方式でも、レチクルＲの上方に別波長の
アライメント用ビームと露光光とを分離するグイクロイ
ックミラーＤＭを４５°に斜設し、対物レンズＯＢＪ、
を露光光路外から光路内へのぞませる構造でも同様に主
アライメント系が構成できる。この場合、対物レンズＯ
ＢＪ、は図中上下方向に平行移動可能に構成され、露光
動作中もレチクルＲのマーク（窓）とウェハＷ上のマー
クとを検出し続けることができる。

一方、第１のマーク検出手段（副アライメント系）とし
ては、投影レンズＰＬに近接したオフ・アクシス方式の
アライメント系を使うことができる。投影レンズＰＬの
下端に斜設されたミラーＰＭ、対物レンズＯＢＪ、　、
ビームスプリッタＢＳ１、送光系１１３、及び受光系１
１４によってオフ・アクシス・アライメント系が構成さ
れる。送光系１１３内には対物レンズＯＢＪ、の瞳（開
口絞り面）に広帯域な波長分布をもつ光源像を結像する
系が設けられ、ウェハＷ上のマーク像は受光系１１４内
の逼像素子（ＣＣＤ等）によって撮像される。その画像
信号は所定の画像解析回路、ソフトウェア等によって処
理され、マーク中心の位置が求められる。このようなオ
フ・アクシス方式では、投影レンズＰＬを介さない系で
あるため、アライメント用照明光の波長帯域は、露光域
以外のところで広く使え、レジスト層の影響を受けにく
いといった利点がある。また、送光系１１３と対物レン
ズＯＢＪ、を介してウェハＷヘスリット状のビームを投
射する方式でも、そのビームを多波長化（互いに波長の
異なる赤色域の半導体レーザ、発光ダイオード等の複数
個を同時点灯）することができ、レジストの影響の少な
い、スポット走査が可能である。

また以上のＴＴＲ方式、オフ・アクシス方式のいずれと
も、副アライメント系と主アライメント系とで対物レン
ズを共用させることもできる。

以上、本発明の各実施例では、主アライメント系をヘテ
ロダイン干渉アライメント方式で説明したが、ホモダイ
ン干渉アライメント方式にしても同様の効果が得られる
。ホモダイン方式のためには、第５図中に示した２つの
周波数シフターＭＤ、　、ＭＤ意の各ドライブ信号ＳＦ
、　、ＳＦｔを全（同一の周波数にするだけでよい、こ
の場合は、ウェハＷ上に静止した干渉縞が形成され、こ
の干渉縞に対してウェハ上の主マークＭ、を±Ｐ／４の
範囲内に位置決めすることになる。さらに受光素子ＰＤ
、から得られる光電信号は、主マークＭ、がＰ／２移動
する毎に正弦波状に直流レベルが変化することになり、
従って、このレベルが士Ｐ／４以内のある一定値（例え
ば振幅の中心）に安定するようにウェハステージ１６を
サーボ制御することになる。

このようなホモダイン方式であっても、静止した干渉縞
と主マークＭ２とが合致したときのステージ１６の座標
位置を記憶するようにすれば、上述の各実施例と全く同
様のシーケンスが実現できる。

またホモダイン方式の場合、静止した干渉縞に対して主
マークＭ！を移動させることによって、光電信号の正弦
波状のレベル変化が得られるから、ステージ１６を移動
させつつ、受光素子ＰＤＯからの光電信号をレーザ干渉
計からの計測パルス（±０．０２μｍ毎のアップダウン
パルス）に応答してデジタル・サンプリングし、−度波
形を記憶させることもできる。この場合、記憶した波形
のうちの特定の一周期内で振幅中心（又はボトム、ピー
ク）をデジタル演算で求め、その振幅中心に対応したス
テージ１６の位置を求めればよい。この方法だと、副マ
ークＭ１をステージ走査によって検出する副アライメン
トから、ステージを停止させることなく連続して主アラ
イメント（主マークＭ１の信号波形検出）へ移行するこ
とができる。

もちろん、その逆のシーケンスも可能であることは第１
１図で説明した通りである。

ところで、全ての実施例について言えることだが、アラ
イメント信号処理系の電気系ユニット９０に取り込まれ
る受光素子ＰＤ、からの信号は適切なゲインをかけて処
理上不都合の生じない強度にする必要がある。先の実施
例で副アライメント動作はビームＬＢ、のスポット７１
と副マークＭ、とを相対移動させるため、信号強度が不
適切な場合、再度同じ動作を繰り返さなければならない
が、ヘテロゲイン法による主アライメントは２本のビー
ムＬＢ、、ＬＢ、の照射領域ＤＡ内に主マークＭ！を静
止させて行う、この際、ステージ１６を完全に静止させ
るためには、照明領域ＤＡと主マークＭ、とが重なって
からある程度の時間を要する。この時間内で第１２図の
ような計測信号の取り込みを始め、これを基にゲインを
がけることによりゲイン設定に要する時間ロスを零にす
ることが可能となる。このことを第１８図を用いて簡単
に説明する。第１８図はステージ１６の停止時の様子を
誇張して示したサーボ特性の一例で、横軸は時間ｔ、縦
軸は停止目標位置に対する偏差を表わす。ステージ１６
が目標位置に接近して、照明領域ＤＡ内に主マークＭ、
のほぼ全体が入り込むと、受光素子ＰＤ、からの計測信
号（交流）は、はぼ安定した振幅になる。そこでステー
ジコントローラ９１は、レーザ干渉計のカウント値が目
標値に対して士数十カウント以内になった時刻Ｔｓ、か
ら、電気系ユニット９０内のメモリに受光素子ＰＤ、の
信号波形を取り込むような指令を出力する。そして、信
号波形の数波のボトム、ピークの値（振幅）をチエツク
し、これが所定の振幅に近づくように、第５図中のプリ
アンプ９Ａのゲインを切りかえる。このゲイン切りかえ
を時刻Ｔｓ、までの間に行ない、引き続き、位相差検出
のための波形サンプリングを行なう。ここで時刻Ｔｓ、
からＴｓｔまでは、ステージコントローラ９１がステー
ジの完全な停止を＆Ｉ　Ｌ２する時間であり、ステージ
によっても異なるが、＋ｍ５ｅｃ〜数十ｍ５ｅｃ程度必
要である。

また、この方式はホモダイン法にもそのまま通用できる
ことは明らかである。

ところで、ステージ１６の静定の確認は、受光素子ＰＤ
、からの信号と受光素子ＰＤＲがらの参照信号との位相
変化をチエツクすることでも可能である。ヘテロゲイン
方式の場合、主マークＭ２が照明領域ＤＡに対して移動
すると、ドツプラー効果によって受光素子ＰＤ、からの
信号の周波数が、本来のビート周波数かられずかに変化
し、参照信号との間で一定時間内の信号周期数に差が生
しる。そこでこの周波数の差がある範囲内に結ったこと
をもって、ステージが静定したとみなすこともできる。

（発明の効果） 以上、本発明によれば、検出可能範囲は広いが、ある−
瞬には基板上の１点（又は１ケ所）のみからの光情報（
スリット状スボント内からの散乱、回折光、ＣＣＤの１
画素分の発光光）しか検出できない第１マーク検出手段
と、実効的な検出可能範囲は狭いが基板上のマークの全
体からの光情報を同時に取り込む第２マーク検出手段と
を組み合わせ、この２つのマーク検出手段を一連のマー
ク検出動作において時系列的にあるいはほぼ同時に使用
するようにしたので、アライメントシーケンス上の時間
的なロスが極めて少なく、スルーブツト低下が少なく押
えられるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の原理を説明する図、第２図は
第１の実施例による装置の構成を説明する図、第３図は
第１マーク検出手段によるマーク検出と副マークの構造
を示す図、第４図は副マークからの光情報の発生を説明
する図、第５図は第１の実施例におけるアライメント系
の全体構成を示す図、第６図、第７図は主マークの構造
と、副アライメント、主アライメントの様子とを説明す
る図、第８図は１つのショットに対するアライメント時
のステージの動きを説明する図、第９図は第１の実施例
におけるステージの動きを示す速度特性のグラフ、第１
０図は第２の実施例によるステージの動きを示す速度特
性のグラフ、第１１図は第３の実施例によるステージの
動きを示す速度特性のグラフ、第１２図はへテロダイン
干渉法における位相差計測の様子を示す波形図、第１３
図、第１４図は第４の実施例によるマーク構造の変形例
を示す図、第１５図は第１３図、第１４図の各マークを
検出時の光電検出器上での受光光の様子を示す図、第１
６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は副アライメント
と主アライメントとを組み合わせた代表的なウェハアラ
イメントシーケンスを説明する図、 第１７図は第５の実施例による装置の構成を示す図、第
１８図はステージの停止時の特性を模式的に表わしたグ
ラフである。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｒ・・・レチクル、 Ｗ・・・ウェハ、 ＰＬ・・・投影レンズ、 Ｍｌ・・・副マーク、 Ｍよ・・・主マーク、 ＬＢ−、ＬＢ＋　、ＬＢｔ・・・ビーム、ＤＡ・・・照
明頭載、 ＢＴＬ・・・干渉ビート光、 ■・・・レーザ光源、 ＯＢＪ、ＯＢＪ、　、ＯＢＪ、、７Ｘ、７Ｙ・・・対物
レンズ、 ＰＥＤ、８Ｘ、８Ｙ・・・光電検出器、ＰＤ、　、ＰＤ
ａ、ＰＤｂＳ　ＰＤｃ、ＰＤｄ・・・受光素子、 １６・・・ステージ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）位置合わせ用のマークパターンが形成された基板
   を載置して２次元的に移動させるステージと、該ステー
   ジの移動座標系内の所定位置に前記マークパターンの検
   出領域を有するマーク検出手段とを有し、該マーク検出
   手段の検出結果に基づいて前記基板上の任意の点を前記
   移動座標系に対応付ける位置合わせ装置において、 前記マークパターンの全体の大きさよりも小さな範囲に
   制限された第１検出領域を有し、該第１検出領域内に存
   在するマークパターンの局所部分からのマーク情報を検
   出する第１マーク検出手段と： 前記第１検出領域と所定の位置関係にあり、前記マーク
   パターンを包含する大きさの第２検出領域を有すると共
   に、該第２検出領域内に存在するマークパターンのほぼ
   全体からのマーク情報を検出する第２マーク検出手段と
   ； 前記第１マーク検出手段と第２マーク検出手段との両方
   のマーク検出結果に基づいて前記基板と前記移動座標系
   とを対応付けて、前記ステージを移動させる制御手段と
   を設けたことを特徴とする位置合わせ装置。
2. （２）前記マークパターンは少なくとも一方に周期構造
   を有する回折格子パターンであり、 前記第２マーク検出手段は、該回折格子パターンのほぼ
   全体に可干渉ビームの干渉縞を照射し、該回折格子パタ
   ーンからの干渉光を検出することによって、前記周期構
   造の方向に関してピッチＰの１／ｍの範囲を１周期とし
   て、該１周期内で前記回折格子パターンの位置ずれを検
   出する干渉式マーク検出系であり、 前記第１マーク検出手段は前記ステージの座標位置を計
   測する座標計測器を有し、前記回折格子パターンと特定
   の位置関係で配列された副マークの位置を検出して、前
   記１周期の整数倍ｎの値を検出することを特徴とする請
   求項第１項に記載の装置。
3. （３）前記第１マーク検出手段と第２マーク検出手段と
   は共通の対物光学系を有し、該対物光学系を介して前記
   第１検出領域と第２検出領域とをほぼ同軸に設定したこ
   とを特徴とする請求項第２項に記載の装置。
4. （４）前記制御手段は、前記第２マーク検出手段によっ
   て前記回折格子パターンのピッチＰの１／ｍの範囲内の
   位置ずれ情報を検出する動作の前と後のいずれか一方の
   時期に、前記第１マーク検出手段の第１検出領域と前記
   副マークとが相対走査されるように前記ステージを移動
   することを特徴とする請求項第２項に記載の装置。