JPH0391917A

JPH0391917A - 位置合わせ方法及び露光装置

Info

Publication number: JPH0391917A
Application number: JP1228952A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ota; 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-09-04
Filing date: 1989-09-04
Publication date: 1991-04-17
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: JP2897276B2; US5153678A

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、半導体素子や液晶表示素子製造用の露光装置
におけるレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメン
ト）方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子製造のりソグラフィ工程では、レチク
ルパターンを高分解能でウエハ上に転写する装置として
、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装
置（ステッパー）が多用されるようになっている。この
種のステッパーでは半導体素子の高集積化に伴って、露
光光の短波長化や高開口数（Ｎ．Ａ．）の投影レンズの
開発が行われ、最近ではウエハ上での解像線幅がサブ・
ミクロン（０．５〜０．７μｍ程度〉に達している。こ
のような高解像パターンを転写するには、その解像力に
見合ったアライメント（重ね合わせ）精度が必要で、例
えばアライメントセンサーの分解能を高めることによっ
て、アライメント精度を向上させることが考えられてい
る。

この高分解能なアライメントセンサーとしては、例えば
特開昭６１−２１５９０５号公報に開示されたように、
ウエハ上に形成された１次元の回折格子マークに対して
２方向からコヒーレントな平行ビームを照射することに
よって回折格子マーク上に１次元の干渉縞を作り、この
干渉縞の照射によって回折格子マークから発生する回折
光（干渉光）の強度を光電検出する方式が提案されてい
る。

この開示された方式には、２方向からの平行ビームに一
定の周波数差を与えるヘテロダイン法と、周彼数差のな
いホモダイン法とがあり、例えばヘテロダインｌ去では
周波数差を与えることによって、回折格子マークからの
干渉光をビート周波数で強度変調させて光電検出するも
のである。

ヘテログイン型アライメントセンサー（以下、Ｌａｓｅ
ｒ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　Ａｌｉｇｎｍｅ
ｎｔ；　Ｌ　Ｉ　Ａ系と呼ぶ）は、ウエハ上の回折格子
マークからの干康光の光電信号（光ビート信号）と、２
本の送光ビームから別途作成された参照用干捗先の光ビ
ート信号との位相差（±１８０°以内）を求めることで
、格子ピッチＰの士Ｐ／４以内の位置ずれを検出するも
のである。

ここで、格子ビッチＰを２μｍ（１μｍのラインアンド
スペース）とし、位相差計測の分解能か０．５°程度で
あるものとすると、位置ずれ計測の分解能は、（Ｐ／４
）・（０．　　５／ｌ　８　０）’＝０．００１４μｍ
となる。このようにＬＩＡ系はアライメントセンサーと
して極めて高分解能であるため、従来のアライメント方
式に比べてＩ桁以上重ね合わせ精度が向上するものと期
待されている。

現在、ステッパーのアライメント方式は、例えば特開昭
６１−４４４２９号又は特開昭６２−８４５１６号公報
に開示されているように、拡張されたウエハ・グローバ
ル・アライメント（以下、エンハンスメント●グローバ
ルーアライメントＥＧＡと呼ぶ）が主流となっている。

ＥＧＡ方式とは、１枚のウエハを露光するのに、まず始
めにウエハ上に形成されたパターン（チップ）に付随し
たアライメントマークの位置を計測（サンプル・アライ
メント）した後、ウエハ中心位置のオフセッ｝　（Ｘ，
Ｙ方向）、ウエハの伸縮度（Ｘ，Ｙ方向）、ウエハの残
存回転量、及びウエハステージの直交度（或いはチップ
配列の直交度）の計６つのパラメータを、マーク位置に
関する設計値と計測値の差に基づいて統計的手法で決定
する。そして、決定されたパラメータの値に基ついて、
重ね合わせ露光すべきセカンド（２ｎｄ）チップの位置
を設計値から補正して、順次ウエハステージをステッピ
ングさせていく方式である。

このＥＧＡ方式の利点は、ウエハ露光に先立ってウエハ
上の全チップ数と比べてわずかな数（３〜１６個程度）
のマークの位置を計測した後は、最早マークの検出及び
位置計ｉ１＋１を必要としないため、スループットの向
上が望めること、及び十分な数のマークをサンプル・ア
ライメントすると、個々のマーク検出誤差が統計的な成
算のもとて平均化されることになり、ｌチップ毎のアラ
イメント（ダイ・パイ・ダイ又はサイト・パイ・サイト
方式）と同等、若しくはそれ以上のアライメント精度が
、ウエハ全面の全てのチップに対して望めることである
。

従って、ＬＩＡ系によるＥＧＡ方式は、アライメント精
度、スループット等の点から、今後のステッパーのアラ
イメント方式の主流になるものと有望視されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の如き従来の技術においては、２本
の平行ビームをウエハ上に照射すると、回折格子マーク
がない場合でもウエハからの戻り光（０次光）の一部が
光電検出器によって受光されるので、光電検出器からは
光ビート信号が出力されることになる。特に、表面にア
ルミニウム等のメタル層が形成されているウエハでは、
メタル層のグレインによるスペックル等によっても光ビ
一ト信号が発生する。

従って、位置計測のために２本の平行ビームを回折格子
マークに照射した場合、光電検出器から出力される光ビ
ート信号には、スペックル等による光ビート信号がノイ
ズ成分として含まれていることになる。つまり、ＬＩＡ
系によるＥＧＡ方式のアライメントを行う場合、上記ノ
イズ成分によりアライメントマークの検出精度が低いと
考え得るチップ、換言すればアライメントマークの計測
値の信頼度（確からしさ）が低いチップであっても、サ
ンプル・アライメントを行ったチップの計測値は全て同
等に取り扱われるので、信頼度が低い計測値によってア
ライメント（ＥＧＡ計測）精度が低下し得るという問題
点がある。

この際、信頼度が低い計測値を平均化するため、サンプ
ル・アライメントを行うべきチップ数を増すか、或いは
信頼度が低いと思われる計測値をＥＧＡ計測から除くこ
とによって、アライメント精度を低下させることなく位
置合わせを行うことは可能である。

しかしながら、前者の場合には計測チップ数の増加に伴
って、マーク位置計測及びアライメントに要する時間が
長くなるという問題点がある。また、後者の場合にはＥ
ＧＡ計測から除外された計測値は全く生かされず、その
除外された計測値の信頼度が明らかに低い時以外は、Ｅ
ＧＡ計測に適用するチップ数が減少することになって、
ＥＧＡ計測精度等の点から必ずしも最適な方法であると
言い難い。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、信頼度が
低い計測値によるスループット、アライメント精度等の
低下を防止でき、高精度、高速にアライメンが可能な位
置合わせ方法を得ることを目的としている。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決する為本発明においては、複数のチ
ップＣがマトリックス状に形威されたウエハＷ上でのチ
ップ配列の規則性を決定することによって、前記複数の
チップＣの夫々を所定の基準位置（ステッパーではレチ
クルパターンの投影位置）に対して順次位置合わせする
際、チップＣの設計上の配列座標値（　Ｄ　ｘｎ，　Ｄ
　ｙｎ）と実際に計測される配列座標値（　Ｆ　ｘｎ，
　Ｆ　ｙｎ）とに基づいて、チップ配列の規則性（変換
パラメータＡ，Ｏ）を決定するのに先立って、ＬＩＡ系
により計ｉｊｌｌ１された配列座標値（　Ｆ　ｘｎ，　
　Ｆ　ｙｎ）に関する信頼度（Ｈｘｎ，　　Ｈ　ｙｎ）
を算出するようにし、この算出した信頼度（　Ｈ　ｘｎ
，　Ｈ　ｙｎ）を変換パラメータ（Ａ，Ｏ）の決定に適
用することとする。

〔作　用〕

本発明においては、ＥＧＡ計測に適用するチップの位置
情報（実際の配列座標値）の信頼度を、チップ位置計測
時にアライメントマークから発生する光情報、即ち光情
報強度に応じた光電信号の強度に基づいて算出するよう
にし、この算出した信頼度をチップ配列の規則性（変換
パラメータＡ，Ｏ）の決定に適用している。

従って、信頼度の低い位置情報が変換バラメータ（Ａ．
　Ｏ）の算出に与える影響は、信頼度の高い位置情報に
比べて小さくなる、換言すれば変換パラメータ（Ａ，Ｏ
）の決定に対して、位置情報の信頼度の高低が忠実に反
映されることになる。

この結果、信頼度が低い位置情報によるアライメント精
度の低下、及びその位置情報のＥＧＡ計測からの除外を
防止でき、スループットを低下させることな（高精度、
換言すれば最も確からしいチップ配列の規則性（変換パ
ラメータＡ，Ｏ）を決定することが可能となる。

そこで、本発明の原理、即ちチップ位置情報の信頼度を
位置計測時にアライメントマークから発生する光情報に
基づいて算出できる理由について、第１図を参照して説
明する。ここではウエハ表面にメタル（Ａｊ７）層が形
成され、アライメントセンサーとしてはＬＩＡ系（ヘテ
ログイン型）を用いるものとする。

第１図（Ａ）、（Ｄ）は、グレインによるスペックルに
よって発生する光ビート信号（ノイズ成分）を含まない
光ビート信号ＳＤａ，ＳＤｄを表し、例えばレジスト層
での薄膜干渉、或いはアライメントマークのだれ等を要
因として、信号ＳＤｄは信号ＳＤａに比べて振幅が小さ
くなっている。また、第１図（Ｂ）はスペックルによる
光ビート信号（ノイズ或分）ＳＤｂを表し、第Ｉ図（Ｃ
）、（Ｅ）は最終的に光電検出器から出力される光ビー
ト信号ＳＤｃ，ＳＤｅを表している。尚、第１図（Ａ）
〜（Ｅ）における縦軸は光ビート信号のレベルを、横軸
は時間を示すと共に、光ビート信号ＳＤａ〜ＳＤｅの波
形を表す式も付してあり、その式中のｆはビート周波数
（Ｈ　ｚ　）を、ｔは時間（ｓ）を表している。また、
ＬＩＡ系は光ビート信号ＳＤａ〜ＳＤｅと参照用の光ビ
ート信号との位相差を求めることで位置ずれを検出する
が、第１図ではその参照用光ビート信号を示していない
。そこで、ここでは説明を簡単にするため、その参照用
光ビート信号は光ビート信号ＳＤａと同位相、つまり両
信号の位相差が零であるものとする。

さて、第１図（Ａ）、（Ｄ）に示す光ビート信号ＳＤａ
，ＳＤｄの位相或分ψ。は、正確なマーク位？を示すも
ので、マーク位置（座■標値）をＸ、格子ピッチをＰと
すると、以下の式（１）に示すような関係となる。尚、
第１図（Ｂ）に示す光ビート信号ＳＤｂはノイズ成分で
あるため、当然ながらその位相成分φ、はマーク位置と
は全く関係がなく、式（１）も成り立たない。

また、第Ｌ図（Ｃ）、（Ｅ）における位相或分φ３，ψ
，′は、ノイズ或分ＳＤｂを含むために第１図（Ａ）、
（Ｄ）の位相戒分ψ。と一致せず、光ビート信号ＳＤａ
，ＳＤｄとＳＤｃ，ＳＤｅとの間には、夫々誤差Δψ（
Δψ＝ψ０−ψｓ）、Δψ゜（Δψ゛＝φ。一ψ，゛）
が生じている。

従って、ノイズ成分となる光ビート信号ＳＤｂの振幅（
以下、ノイズ振幅と呼ぶ）ｇと、光ビート信号ＳＤａ　
（又はＳＤｄ）の振幅（以下、マーク振幅と呼ぶ）　Ｇ
　（Ｇ’）との比ｇ／Ｇ　（ｇ／Ｇ’）が大きくなる程
、上記誤差Δψ（Δψ“）も大きくなることがわかる。

このことは振幅比（ｇ／Ｇ）と（ｇ／Ｇ’）とを比較（
ｇ／Ｇ＜ｇ／Ｇ’）すれば、誤差Δψ，Δψ′がΔψ〈
Δψ′　となることから明らかである。

ところで、一般にマーク振幅Ｇとノイズ振幅ｇとは、レ
ジスト膜厚やマーク形状等の微妙な変化によって、同一
ウエハ内にあってもチップ（アライメントマーク）毎に
異なってしまい、両者の間に必ずしも密接な（一定の大
小）関係が成り立つとは言えない。例えば、全チップの
中でマーク振幅Ｇが最大となるチップであっても、ノイ
ズ振幅ｇが全チップの中で最小であったり、逆に全チッ
プの中でマーク振幅Ｇが最小となるチップで、ノイズ振
幅ｇが全チップの中で最大になることもあり得る。

しかしながら、略全てのウエハについて、そのウエハ上
の全チップの中で最大となるノイズ振幅ｇ　ｍａｘと、
最小となるマーク振幅Ｇｍｉｎとの間には、ｇｍａｘ　
＜Ｇｍｉｎなる関係が成り立つと言える。

従って、マーク振幅Ｇ、即ち実際に光電検出器から出力
される光ビート信号ＳＤｃ，ＳＤｅの振幅否，百゜が大
きい程、上記振幅比（　ｇ　／　Ｇ　）が小さく、逆に
振幅否，否′が小さい程、振幅比（ｇ／Ｇ）が大きくな
ると言える。

以上のことから、振幅否，百゛　が大きくなる程、振幅
比（ｇ／Ｇ）　、即ち誤差Δψ（又はΔψ゛）が小さく
なることがわかる。従って、ＬＩＡ系によりアライメン
トマークの位置を検出すると同時に、その干渉光の光ビ
ート信号ＳＤｗの振幅（ＧＸＩＩ、Ｇ　ｙｎ）を求めれ
ば、位置計測時の誤差（Δψ）の大小、即ち位置情報の
信頼度（Ｈｘｎ．　Ｈｙｎ）を決定できる。

さて．、振幅と信頼度とを対応付ける関数はいろいろ考
えられるが、例えば閾値としての定数Ｇ。

を予め経験的（実験的）に決めておけば、以下の式（２
）により信頼度Ｈｎを振幅Ｇｎから求めることができる
。但し、ｎ＝１．２，・・・・，ｍ　（ｍはサンプルア
ライメントすべきチップ数）で、計測された振幅Ｇｎの
中で最大となるものをＧ　ｍ　ｍ　ｘとする。

尚、上記式（２）から明らかなように、最大振幅Ｇ　＋
ｎ　ｍ。となるアライメントマークの信頼度が１となり
、定数Ｇ。を下まわったマークの信頼度は０となる。ま
た、その中間の振幅が得られたマークの信頼度は０＜Ｈ
ｎ＜１となり、信号強度が強くなる程、ｌに近くなるこ
とは明らかである。

本発明では、ＥＧＡ方式のアライメントを行う際、上記
原理を用いてアライメントマークの位置情報の信頼度を
求めることで、信頼度が低い計測値によるスノψ−プッ
ト、アライメント（ＥＧＡ計測）精度等の低下を防止し
ようとするものである。

〔実　施　例〕

第２図は、本発明の実施例による方法を適用するのに好
適なステッパーの概略的な構或を示す平面図であって、
露光用照明装置（不図示）はｇ線、ｉ線或いはＫｒＦエ
キシマレーザ光等のレジスト層を感光するような波長（
露光波長）の照明光ＩＬを発生し、照明光ＩＬはメイン
コンデンサーレンズＣＬを介してレチクルＲのパターン
領域ＰＡを均一な照度で照明する。レチクルＲは、その
投影中心（パターン領域中心）を投影レンズＰＬの光軸
ＡＸが通るようにレチクルステージＲＳに載置されてい
る。パターン領域ＰＡを通過した照明光ＩＬは、両側（
若しくは片側）テレセントリックな投影レンズＰＬに入
射し、投影レンズＰＬはパターン領域ＰＡに形成された
回路パターンの像を、表面にレジスト層が形戊されたウ
エハＷ上に投影する。ウエハＷは不図示のウエハ・ホル
ダー（θテーブル）を介してウエハステージＷＳ上に載
置され、ウエハステージＷＳは駆動部ＭＴによりステッ
プ・アンド・リピート方式でＸ，Ｙ方向に２次元移動す
るように構成されている。また、ウエハステージＷＳの
Ｘ，Ｙ方向の位置はレーザ干１歩計ＬＧによって、例え
ば０．０２μｍ程度の分解能で常時検出され、ウエハス
テージＷＳの端部にはレーザ干渉計ＬＧからのレーザビ
ームを反射する移動鏡ＭＲが固定されている。

また、ステッパーにはＬＩＡ系と、マーク検出可能範囲
（サーチ範囲）が広く、高速アライメント計測が可能な
レーザ・ステップ・アライメント（ＬＳＡ）系とを組み
合わせたＴＴＬ方式のアライメント系（以下、Ｓｉｔｅ
　ｂｙ　Ｓｉｔｅ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　；　ＳＳＡ系
と呼ぶ）が設けられている。ＳＳＡ系は、ＬＩＡ系及び
ＬＳＡ系のビーム成形光学系（５，６）以外の光学部材
を最大限共有させることで、レチクル周辺でのスペース
を最小としている。

そこで、第３図を併用してＳＳＡ系の概略的な構威につ
いて詳述する。第３図はＳＳＡ系、特にＬＩＡ光学系の
具体的な構或を示す斜視図であって、ＬＳＡ系の構戒に
ついては、例えば特開昭６０−１３０７４２号公報に開
示されているので、ここでは説明を省略する。

尚、ウエハＷ上にはチップＣに付随してウエハマークＷ
Ｍｘ，ＷＭＹ　（ＷＭＹのみ図示）が形成されている。

第４図に示すようにウエハマークＷＭｙは、複数のドッ
トマークがＸ方向に配列された回折格子マーク（以下、
ＬＳＡマークと呼ぶ）と、Ｘ方向に伸びた複数本（図で
は１２本）のバーパターンとから構成され、例えば４μ
ｍのライン・アンド・スペース・パターンが形成される
ように、ＬＳＡマークを中心としてＹ方向に配列された
ものである。

第２図において、レーザ光源ｌは所定波長の直交直線偏
光のアライメント用照明光（ビーム）ＡＬを発生し、ビ
ームＡＬは１７２波長板２を介して偏光ビームスプリッ
ター３に至り、Ｐ偏光成分から成るビームＡＬｐとＳ偏
光成分から或るビームＡＬｓとに波面分割される。レー
ザ光源１としては、レジスト層に対してほとんど感度を
持たない波長、例えば波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレー
ザを光源とすることが望ましい。偏光ビームスプリッタ
ー３を通過したビームＡＬｐは、ミラーＭｌ及びシャッ
ター４ａを介して、２光束周波数シフター１２等を含む
第１ビーム戒形光学系（以下、ＬＩＡ光学系と呼ぶ）５
に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ−３で反射さ
れたビームＡＬｓは、シャッター４ｂを介してシリンド
リカルレンズ等を含む第２ビーム或形光学系（以下、Ｌ
ＳＡ光学系と呼ぶ）６に入射する。シャッター４ａ，４
ｂは、それぞれビームＡＬｐ，ＡＬｓの光路の閉鎖、開
放を行う、例えば４枚羽根のロータリーシャッターであ
って、常にいずれか一方の光路のみを開放するように同
時に回転制御される。

さて、第３図に示すように２光束周波数シフター１２に
おいてビームＡＬｐは、１／４波長板ｌ２ａ及び偏光ビ
ームスプリッター１２ｂによって、同一光量となるよう
にＰ偏光ビームとＳ偏光ビームとに波面分割される。偏
光ビームスプリッター１２ｂを通過したＰ偏光ビームは
、ミラー１２ｃを介して第１音響光学変調器１２ｄ（以
下、単にＡＯＭｌ２ｄと呼ぶ）に入射し、偏光ビームス
プリッタ−１２ｂで反射されたＳ偏光ビームは、第２音
響光学変調器１２ｅ（以下、単にＡＯＭｌ２ｅと呼ぶ）
に入射する。

ＡＯＭＬ　２ｄは、周波数ｆ１の高周波信号ＳＦｌでド
ライブされ、第３図には示していないが、その周波数ｆ
ｌで決まる回折角だけ偏向されたｌ次光をビームＬＢＩ
として出力する。一方、ＡＯＭ１２ｅは周波数１１であ
るビームＬＢＩとの差周波数がΔｆとなるように、周波
数ｆ２（ｆ２ｆｌ−Δｆ）の高周波信号ＳＦ２でドライ
ブされ、同様にその周波数ｆ２で決まる回折角だけ偏向
された１次光をビームＬＢ２として出力する。

尚、ＡＯＭｌ２ｄ，１２ｅに対する入射ビームのうちの
０次光は、適当な位置に配置されたスリット（不図示）
で遮光される。また、本実施例ではＡＯＭ１２ｄ，１２
ｅのドライブ周波数ｒ１、ｆ２を、例えば８０，０２５
ＭＨｚ、８０．０００ＭＨｚとし、その周波数差Δ［を
２５ＫＨｚと低く設定するため、２つのＡＯＭ１２ｄ，
１２ｅでの１次回折光の回折角は共に等しくなる。

ＡＯＭ１２ｄにより周波数ｆｌに変調されたビームＬＢ
Ｉは、レンズ系Ｌ２ｈを介してＳＳＡ系の瞳面若しくは
その近傍に配置された偏光ビームスプリッタ−１２ｉに
入射する一方、ＡＯＭｌ２ｅにより周波数ｆ２に変調さ
れたビームＬＢ２は、ミラー１２ｆ及びレンズ系１２ｇ
を介して偏光ビームスプリッター１２ｉに入射する。偏
光ビームスプリッター１２ｉは、ビームＬＢＩ，ＬＢ２
を完全に同軸に合或するのではなく、所定量だけ間隔を
あけるようにビームＬＢＩ，ＬＢ２を互いに平行に合成
する。

偏光ビームスプリッタ−１２ｉ（２光束周波数ンフター
１２）から射出した２本の平行なビームＬＢＩ（Ｐ偏光
で周波数ｆｌ）とＬＢ２（Ｓ偏光で周波数１２）とは、
共にミラーＭａ，Ｍｂで反射された後、１／２波長板ｌ
３を通って偏光ビームスプリッター１４に入射する。こ
れより、ビームＬＢＩは周波数ｆｔのＰ偏光ビームＬＢ
ｌｐとＳ偏光ビームＬＢＩｓとに波面分割され、ビーム
ＬＢ２は周波数ｆ２のＰ偏光ビームＬＢ２ｐとＳ偏光ビ
ームＬＢ２ｓとに波面分割される。

偏光ビームスプリッターｌ４を通過する２本のＰ偏光ビ
ームＬＢ１ｐ（周波数ｆ　１），ＬＢ２ｐ（同ｆ２）は
、瞳を像面に変換するレンズ系（逆フーリエ変換レンズ
）１５ａを介して、装置上で固定されている参照用回折
格子１５ｂに、異なる２方向から所定の交差角ωで入射
し結像（交差）する。光電検出器（受光素子）１５ｃは
、例えば参照用回折格子１５ｂを通過したビームＬＢ１
ｐの０次光とビームＬＢ２ｐの＋１次回折光との干渉光
及び、ビームＬＢｌｐのーｌ次回折光とビームＬＢ２ｐ
の０次光との干渉光を独立に受光（光電変換）し、それ
ら２つの干渉光の強度に応した正弦波状の光電信号を加
算する。この結果得られる光電信号ＳＲは、ビームＬＢ
１ｐ，ＬＢ２ｐの差周波数Δｆに比例した周波数となり
、光ビート信号となる。この際、参照用回折格子１５ｂ
の格子ピッチは、ビームＬＢ１ｐ，ＬＢ２ｐによって作
られる干渉縞のピッチと等しくなるように定められてい
る。尚、光電検出器１５ｃは上記２つの千１歩光を同一
受光面上で受光し、この受光面上で加算された干渉光の
強度に応じた光電信号を出力するものであっても良い。

以上のように構成すれば、参照用回折格子１５ｂと光電
検出器１５ｃとの間隔を短くすることができるといった
利点がある一一方、偏光ビームスプリッターｌ４で反射される２本の
Ｓ偏光ビームＬＢＩｓ（周波数ｆｌ），ＬＢ２ｓ（同ｆ
２）は、レンズ１６により所定角度だけ傾いた平行光束
となり、ミラーＭｃを介して、ウエハＷと共役な位置に
配置された視野絞りｌ７で一度交差した後、レンズ１８
を通ってビームスプリッター７に入射する。以上述べた
２光束周波数シフターｌ２から符号順にレンズ１８まで
によってＬＩＡ光学系５が構成されている。尚、視野絞
り１７にはビームＬＢＩｓ．ＬＢ２ｓにより作られる干
渉縞に対して傾いたエッジを有する、例えば菱形又は平
行四辺形状開口が形戒されている。

一方、シャッター４ｂを通過したビームＡＬｓは、ＬＳ
Ａ光学系６　（シリンドリ力ルレンズ等）により細長い
帯状のスポット光Ｓ″Ｐ　（Ｓ偏光）に成形された後、
第３図には示していないが、ミラ−Ｍ２（第２図に図示
）を介してビームスプリッター７に入射する。

ビームスプリッタ−７は、ビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓと
スポット光ＳＰとが互いに略直交して入射するように配
置され、ビームＬＢＩｓ，ＬＢ２Ｓとスポット光ＳＰと
の夫々を同一光量となるように２分割（振幅分割）する
。即ち、ビームスプリッタ−７より後方に配置される２
組（Ｘ，Ｙ方向）の検出光学系（対物レンズｌｏｘ，１
０ｙ等を含む）において、ＬＩＡ光学系５とＬＳＡ光学
系６との光軸を正確に合致させ、ビームＬＢＩｓ，ＬＢ
２ｓとスポット光ＳＰとで対物レンズ１０Ｘ，１０ｙ等
を共有させるためのものである。

ここで、ビームスプリッタ−７より後方に配置される２
組の検出光学系は同一構或であるため、以下の説明では
一方（第２図中にも示したＹ方向の検出光学系）の構成
のみについて述べる。尚、第２図ではＹ方向の検出光学
系のミラーＭＹ２に対応するミラーＭＸ２のみを示し、
第３図ではミラーＭＹＩを省略してある。

さて、第２図又は第３図において、ビームＬＢＩｓ，Ｌ
Ｂ２ｓは対物レンズＩＯＹにより空間上の焦点（ウエハ
共役面）で一度交差した後、ミラ−ＭＹ　Ｌ　ＭＹ２を
介して投影レンズＰＬに入射する。ビームＬＢＩｓ，Ｌ
Ｂ２ｓ　（円偏光）は、一度スポット状に集光して入射
瞳Ｅｐを通った後、第５図に示すようにウエハマークＷ
Ｍｙのピッチ方向（Ｙ方向）に関して光軸ＡＸを挟んで
互いに対称的な角度で傾いた平行光束となって、ウエハ
マークＷＭＹ上に異なる２方回から交差角ωで入射し結
像（交差）する。尚、ビームＬＢ１ｓ．ＬＢ２ｓの交差
角ωは、大きくても投影レンズＰＬの射出（ウエハＷ）
側の開口数（Ｎ．　Ａ．　）を越えることはない。

一方、スポット光ＳＰは対物レンズｌＯｙにより一度ス
リット状に収束した後、ミラーＭＹｌ、ＭＹ２を介して
投影レンズＰＬの入射瞳Ｅｐに至り、入射瞳Ｅｐの略中
央を通って露光フィールド内でＸ方向に伸び、且つ光軸
ＡＸに向かうようにウエハＷ上に形成される。

ここで、入射瞳ＥｐにおいてビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓ
の各スポットは、スポット光ＳＰの中心を通り、且つス
ポット光ＳＰの長平方向（Ｙ方向）に伸びた直線上に、
スポット光ＳＰの中心に関して略点対称となるように形
成され、且つ入射瞳Ｅｐでのスポット光ＳＰの長手方向
（Ｙ方向）と、ウエハＷ上に照射されるスポット光ＳＰ
の長平方向（Ｘ方向）とは互いに略直交している。

また、第５図に示したようにビームＬＢ　１　ｓ，ＬＢ
２ｓが交差角ωでウエハマークＷＭｙ上に入射すると、
ビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓが交差している空間領域内で
、光軸ＡＸと垂直な任意の面内（ウエハ面）には、格子
ピッチＰに対してｌ／Ｎ倍（Ｎは整数）のピッチＰ’　
　（本実施例ではＰ′Ｐ／２）で、１次元の干渉縞が作
られることになる。この干渉縞はウエハマークＷＭＶの
ピッチ方向（Ｙ方向）に、ビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓの
差周波数Δｆに対応して移動（流れる）ことになり、そ
の速度Ｖは、Ｖ一Δｆ−Ｐ’なる関係式で表される。

従って、ウエハマークＷＭＹからは光軸ＡＸ上に沿って
進行する±１次回折光（干渉光）ＢＴＬが発生し、この
干渉光ＢＴＬは干渉縞の移動によって明暗の変化を周期
的に繰り返すビート波面を持つ。この干渉光ＢＴＬは投
影レンズＰＬ，ｌ／４波長板９ｙ等を通り、Ｐ偏光とな
って偏光ビームスプリッタ−８ｙを通過した後、瞳共役
面に配置された光電検出器（受光素子）ｚｙにより受光
される。光電検出器１１ｙから出力される光電信号ＳＤ
ｗは、干渉縞の明暗変化の周期に応じた正弦波状の交流
信号（ビート周波数、以下光ビート信号と呼ぶ）ＳＤｗ
となって、アライメント信号処理回路（以下、ＡＳＣと
呼ぶ）１９に出力される。

一方、ＬＳ，Ａ系のスポット光ＳＰがウエハマークＷＭ
ｙ　（ＬＳＡマーク）をＹ方向に相対走査すると、マー
クからは正反射光（０次光）以外に回折光（１次光以上
）や散乱光が生じる。これら光情報（円偏光）は再び投
影レンズＰＬ等を通って、１／４波長板９ｙによりＰ偏
光となった後、偏光ビームスプリッター８ｙを通過し、
光電検出器１ｉｙにより受光される。光電検出器ｚｙは
、これら光情報のうちの高次回折光、例えば±ｌ〜３次
回折光と散乱光とをそれぞれ光電検出し、この回折光及
び散乱光の各強度に応じた光電信号ＳＤｉ．ＳＤｒをＡ
ＳＣ１９に出力する。

ここで、上述した光電検出器ｚｙ（但し、１ｌｘも同一
構威）の概略的な構成を第６図に示す。

第６図に示すように光電検出器ｔｔｙは、スポット光Ｓ
Ｐの照射によってＬＳＡマークから発生する、例えば±
ｌ〜３次回折光４４の分布に合わせた受光面４１ａ，４
ｌｂと、そのＬＳＡ？−クのエッジから発生する散乱光
４５の分布に合わせた受光面４２ａ，４２ｂ及び、ビー
ムＬＢ１ｐ，ＬＢ２ｐの照射によってウエハマークＷＭ
Ｙから発生する干渉光ＢＴＬを受光するように配置され
た受光面４０を有する分割受光素子である。

尚、第４図に示す如くウエハＷ上でＸ方向にスリット状
に伸びたスポット光ＳＰで、ウェハマークＷＭｙ　（Ｌ
ＳＡマーク）をＹ方向に相対走査すると、ＬＳＡマーク
からは回折光４４と共に正反射光４３も発生し、この正
反射光４３は受光面４０上に集光される。しかし、本実
施例ではシャツ夕−４ａ，４ｂを回転制御して、スポッ
ト光ＳＰとビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓとが同時にウエハ
Ｗ上に照射されないように切換えを行っているため、受
光面４０で正反射光４３と干ｌ歩光ＢＴＬとが混在して
しまうクロストークは防止される。

ＡＳＣＩ９は、ＬＳＡ系（スポット光ＳＰ）を用いる時
、光電検出器１１ｙから出力される光電信号ＳＤｉ（又
はＳＤｒ）と、レーザ干渉計ＬＧからの位置信号とを入
力し、ウエハステージＷＳの単位移動ｆｆｉ（０．０２
μｍ）毎に発生するアップ・ダウンパルス信号に同期し
て光電信号ＳＤｉ（又はＳＤｒ）をサンプリングする。

そして、各サンプリング値をデジタル値に変換してメモ
リに番地順に記憶させた後、所定の演算処理によってウ
エハマークＷＭｙ　（ＬＳＡマーク）のＹ方向の位置を
検出する。尚、ＡＳＣ　ｌ　９は光電信号ＳＤＩ及びＳ
Ｄｒの波形処理を並行して行い、両方の検出結果からウ
エハマークＷＭｙの位置を決定することが望ましい。

また、ＬＩＡ系（ビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓ）を用いる
時、光電検出器１１Ｙから出力される光ビート信号ＳＤ
ｗと、参照信号として光電検出器１５ｄから出力される
光ビート信号ＳＲとを入力し、光ビート信号ＳＲを基準
とした光ビート信号ＳＲ，ＳＤｗの波形上の位相差を検
出する。この位相差（±１８０゜）は、ウエハマークＷ
ＭｙのＰ／２内の相対位置ずれ量に一義的に対応してい
る。

ここで、ウエハマークＷＭｘＸＷＭｙのピッチＰを８μ
ｍとし、ＡＳＣ１９の位相検出の分割能が０，２゜であ
るものとすると、位置ずれの計測分解能は０．００４４
μｍにもなる。実際にはノイズ等の影響も受けるため、
実用的な計測分解能は０，０１ｌ１ｍ（位相で０．　　
４゜）程度になる。

この検出方式は所謂ヘテロダイン方式であり、ウエハＷ
がＰ／２の位置誤差範囲内であれば、静止状態であって
も高分解能で位置ずれを検出できるものである。

さて、第２図には投影レンズＰＬから一定間隔で固定さ
れ、ウエハマークを拡大観察するオフ・アクシス方式の
アライメント光学系（Ｆｉｅｌｄ　ＩｍａｇｅＡｌｉｇ
ｎｍｅｎｔ；Ｆ　Ｉ　Ａ系）も示されている。照明光源
２０は所定の波長幅を有する照明光を発生し、この照明
光はレジスト層の感光波長域と赤外波長域とをカットす
るフィルター２１を通り、レンズ系２２を介してハーフ
ミラー２３に達する。さらに、ミラー２４及び対物レン
ズ２５を通った後、投影レンズＰＬの視野を遮光しない
ように鏡筒下部の周辺に固定されたプリズム（ミラー）
２６で反射されてウエハＷを垂直に照射する。

尚、照明光はレジスト層に対して極めて感度の低い波長
（非露光波長）になるように選ばれ、マーク検出に必要
な波長域に対してブロードなスペクトル分布があるもの
、複数の峻鋭なスペクトルがあるもののいずれであって
も良い。また、対物レンズ２５は少なくとも物体（ウエ
ハ）側がテレセントリック系であり、照明光の波長域に
関して色消し（収差補正）されている。

また、ウエハＷからの反射光は対物レンズ２５、ハーフ
ミラー２３等を通って、レンズ系２７により指標板（焦
点板）２８に結像される。指標仮２８は対物レンズ２５
とレンズ系２７とによってウヱハＷと共役に配置され、
矩形の透明窓内に２本ずつＸ，Ｙ方向に夫々伸び、且つ
互いに所定間隔だけ離れて平行に形成された４本の矩形
状マークから成る指標マーク２８ａ（クロム等で形成さ
れた遮光性マーク）を有する。ウエハマークＷＭｘ、Ｗ
ＭＹの像と指標マーク２８ａとは、リレーレンズ系２９
．３１及びミラー３０を介してＩＴＶ、ＣＣＤカメラ等
の撮像素子３２の受光面上に結像される。撮像素子３２
からのビデオ信号はレーザ干渉計ＬＧからの位置計測信
号と共にＦＩＡｔ寅算ユニット３３に入力し、ＦＩＡ演
算ユニット３３はビデオ信号の波形に基づいて指標マー
ク２８ａに対するマーク像のずれを求め、マーク像が指
標マーク２８ａの中心に位置した時のＦＩＡ系のマーク
中心検出位置に関する情報（位置情報ＤＲ）を出力する
。

主制御装置ＭＣＳは、シャッター４ａ，４ｂを同時に駆
動制御したり、ＡＳＣ　１　９からのマーク位置や位相
差（位置ずれ量）の情報、レーザ干渉計ＬＧからの位置
情報等に基づいて、駆動部ＭＴに所定の駆動指令を出力
し、レチクルＲとウエハＷとのアライメントを行う他、
ＦＩＡ系（２０〜３３）等を含む装置全体を統括制御す
る。

次に、第７図〜第９図を参照して本実施例による位置合
わせ動作について、ステッパーの一連の露光動作と併せ
て説明する。第７図は、本実施例の動作の一例を示す概
略的なフローチャート図である。尚、本実施例ではＬＩ
Ａ系を用いてＥＧＡ方式のアライメントを行うものとす
る。

さて、ウエハステージＷＳ上にローディングされたウエ
ハＷは、まず機械的なブリアライメント装置（不図示）
によって数十μｍ以下の精度で載置される（ステップ１
００）。

次に、ＦＩＡ系及びＳＳＡ系（ＬＳＡ系）を用い、ウエ
ハＷのブリアライメントを行う。この際、予めシャッタ
ー４ａ，４ｂを同時に回転制御し、ＬＳＡ光学系６に入
射するビームＡＬｓの光路を開放する一方、ＬＩＡ光学
系５に入射するビームＡＬｐの光路を閉鎖しておく。

まず、ＦＩＡ系はウエハＷの外周付近に、且つウエハセ
ンタに関して左右（Ｙ軸）対称な位置に形威された２個
のチップのＹ方向の位置を検出し、一方ＬＳＡ系はウエ
ハＷの外周付近に、且つ上記２個のチップから等距離に
あるチップのＸ方向の位置を検出する。そして、主制御
装置ＭＣＳは３つのチップの位置情報に基づいて、座標
系ＸＹに対するウエハＷの位置ずれ量（回転誤差を含む
）を算出する。そして、この位置ずれ量に応じてウエハ
Ｗを駆動することによって、ウエハＷのブリアライメン
トが終了する（ステップ１０１）。

この結果、レチクルＲとウエハＷ（チップ）との相対的
な位置すれがｌμｍ以下の精度で補正されると共に、チ
ップの設計上の配列座標値（　Ｄ　ｘｎ．Ｄｙｎ）、所
謂配列マップに応じてウエハステージＷＳをステッピン
グさせれば、ＳＳＡ系から照射されるビームＬＢＩｓ，
ＬＢ２ｓに対してウエハマークＷＭｘ，ＷＭｙが±Ｐ／
４内に位置法めされることになる。

さて、ウエハＷのブリアライメント終了後、上述と同様
の動作でシャッター４ａ，４ｂを回転制御し、スポット
光ＳＰの代わりにビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓをウエハＷ
上に照射する。これより、ＬＳＡ系からＬｒＡ系への切
換えが終了する（ステップｌ０２）。

ここで、上記ステップ１０２（ブリアライメント）終了
後も、例えば第８図に誇張して示しているように、ウエ
ハステージＷＳの移動座標系（直交座標系ＸＹ）に対す
るチップＣの配列座標系αβの回転量θ（ブリアライメ
ントにて補正しきれなかったローテーション）が残存し
ている。尚、第８図には配列座標系αβに沿ってマトリ
ックス状に形成されたチップのうち、ウエハＷの略中心
を通るα軸及びβ軸上に配列されたチップＣ，〜Ｃ　１
３のみを示してある。また、チップＣ１〜Ｃ　１３の夫
々に付随して、位置合わせ用のウエハマークＷＭｘ，Ｗ
Ｍｙ　（第４図）も形成されている。

従って、上述した配列座標系αβの残存回転量θを含め
、さらに配列座標系αβの傾き量（直交度）ω、ウエハ
ＷのＸ（α）、Ｙ（β）方向の線形伸縮量（スケーリン
グ）Ｒｘ．　Ｒｙ，及びウエハＷのＸ（α）、Ｙ（β）
方向の平行移動量（オフセット量）Ｏｘ，Ｏｙの６つの
パラメータ、即ち変換パラメータ（Ａ，Ｏ）を決定する
ことによって、チップＣの実際の配列座標値（　Ｆ　ｘ
ｎ，　　Ｆ　ｙｎ）と設計上の配列座標値（　Ｄ　ｘｎ
．　Ｄ　ｙｎ）とを、以下の式（３）に示す写像関係式
（行列式Ｆｎ＝Ａ−Ｄｎ＋Ｏ）により一意に定める（対
応付ける）ことが可能となる。但し、上記写像関係式（
行列式）における変換パラメータ（Ａ，　Ｏ）は、上記
残存回転量θ、直交度ω及びスケーリング（Ｒｘ，Ｒｙ
）と、オフセット量（Ｏｘ，Ｏｙ）との夫々をパラメー
タとして含み、変換パラメータＡは２行２列、Ｏは２行
１列の行列である。

そこで、主制御装置ＭＣＳはＥＧＡ計測を行うべく、Ｌ
ＩＡ系を用いてウエハＷの中心及びその外周付近に位置
する複数個（３〜１６個程度）のチップＣの配列座標値
（　Ｆ　Ｘｌｌ，　　Ｆ　ｙｎ）を計測（サンプルアラ
イメント）すると共に、その計測した配列座標値の信頼
度（　Ｈ　ｘｎ，　Ｈ　ｙｎ）も同時に検出する。まず
、設計上の配列座標値（配列マップ）に従ってウエハス
テージＷＳをステッピングさせ、配列座標値を計測すべ
きチップＣのウエハマークＷＭＹを、ビームＬＢＩｓ，
ＬＢ２ｓに対して±Ｐ／４内に位置決めする。

次に、ビームＬＢＩｓ，ＬＢ２ｓをウエハマークＷＭｙ
に照射し、ウエハマークＷＭｙから発生する干渉光ＢＴ
Ｌを光電検出器１１ｙ　（受光面４０）により受光する
。そしてＡＳＣ　ｌ　９は、光電検出器１ｌｙからの光
ビート信号ＳＤｗと光電検出器１５ｄからの光ビート信
号（参照信号）ＳＲとに基づいて、光ビート信号ＳＤｗ
，ＳＲの位相差（±１８０゜）を検出し、このＰ／２内
の位相差からウエハマークＷＭＹのＹ方向の位置を算出
する。

以下、上記動作を繰り返し行うことによって、残りのチ
ップＣ（ウエハマークＷＭｙ）のＹ方向の位置、及びウ
エハマークＷＭｘのＸ方向の位置を計測し、これら計測
値を配列座標値（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）として記憶する。こ
れより、サンプルアライメントが終了するか、この際主
制御装置ＭＣＳはチップ毎に光電検出器ｔｉｘ，ｔｔｙ
から出力される光ビート信号ＳＤｗの強度、即ち振幅（
　Ｇ　ｘｎ．Ｇ　ｙｎ）も併せて記憶しておく　（ステ
ップ１０３）。

次に、主制御装置ＭＣＳは上記式（２）を用い、上記ス
テップ１０３での計測結果、即ち光ビート信号ＳＤｗの
振幅（　Ｇ　ｘｎ，　Ｇ　ｙｎ）に基づいて、配列座標
値（　Ｆ　ｘｎ，　　Ｆ　ｙｎ）の信頼度（　Ｈ　ｘｎ
，　Ｈ　ｙｎ）を決定する。この信頼度（　Ｈ　ｘｎ，
　Ｈ　ｙｎ）は、上記振幅（　Ｇ　ｘｎ．　Ｇ　ｙｎ）
が最大となるチップＣ（ウエハマークＷ　Ｍ　ｘ　，　
Ｗ　Ｍ　ｙ　）でｌ、式（２）中の定数Ｇｏを下回る振
幅が得られたチップＣで０となる。

さらにその中間の振幅が得られたチップＣでＯく（Ｈｘ
ｎ，　Ｈｙｎ）　＜　１となり、振幅が大きくなる程、
信頼度（　Ｈ　ｘｎ．　Ｈ　ｙｎ）は１に近くなる（ス
テップｌ０４）。

さて、主制御装置Ｍ　Ｃ　Ｓは上記ステップ１０３、１
０４の夫々で検出されたチップＣの配列座標値（　Ｆ　
ｘｎ，　　Ｆ　ｙｎ）及びその信頼度（　Ｈ　ｘｎ，　
Ｈ　ｙｎ）と、予め入力されているチップＣの設計上の
配列座標値（　Ｄ　ｘｎ．　Ｄ　ｙｎ）とに基づいて、
ステップ・アンド・リピート方式で位置合わせすべきウ
エハＷ上でのチップ配列の規則性、即ち上記式（３）に
示した写像関係式（Ｆｎ＝Ａ−Ｄｎ＋Ｏ）における変換
パラメータ（Ａ，Ｏ）を決定する。

この際、上述した如くウエハステージＷＳの直交座標系
ＸＹとチップの配列座標系αβとの間には、残存回転量
θ、スケーリングω、線形伸縮量（Ｒ　ｘ，　Ｒ　ｙ）
及びオフセットｆｆｉ（Ｏｘ，Ｏｙ）が存在し、以下に
示すようなこれらパラメー、夕を表す一次変換（行列式
）によって、変換パラメータ（Ａ，　Ｏ）が決定され、
実測された配列座標値（　Ｆ　ｘｎ，　　Ｆ　ｙｎ）と
設計上の配列座標値（Ｄｘｎ，　Ｄｙｎ）とが対応付け
られることになる。

即ち、変換パラメータ（Ａ、０）の夫々は、以下に示す
式（４）、（５）のように表される。

・・゛・・・・（４）しかしながら、ウエハＷ上のチップＣは、実際の配列座
標値（　Ｆ　ｘｎ，　　Ｆ　ｙｎ）及び設計上の配列座
標値（　Ｄ　ｘｎ，　Ｄ　ｙｎ）に対して残差項（εＸ
ｎ＋　　εＹｎ）が存在し、上記式（３）は以下の式（
６）のように書き換えられる。

従って、上記残差の二乗和ΣεＸｎ”とΣεＹｎ２とを
最小とするように、例えば最小二乗法により変換パラメ
ータＡ．Ｏを決定してやれば良い。

ここで、信頼度（　Ｈ　ｘｎ，　Ｈ　ｙｎ）を全く考慮
に入れない場合には、残差の二乗和Ｅを式（７）のよう
に定義すれば良い。但し、ｍはサンプルアライメントを
行うチップ数とする（ｍ≧３）。

しかしながら、本実施例ではチップＣの配列座標値（　
Ｆ　ｘｎ，　　Ｆ　ｙｎ）の信頼度（Ｈｘｎ．　Ｈｙｎ
）を用い、残差の二乗和Ｅを、以下の式（８）のように
定義する。

・・・・・・（８）上記式（８）から明らかなように、式（８）での右辺の
２項の夫々をＥｘ．Ｅｙとおけば、Ｅｘ，Ｅｙの夫々が
最小になる時に残差の二乗和Ｅも最小となる。そこで、
このＥｘ，Ｅｙを書き下すと、以下の式（９）、（ｌＯ
）のようになる。

Ｅｘ ΣＨｘｎ”（Ｆ　ｘｎ−（ａＤＸｎ＋ａ２Ｄ　ｙｎ十〇　Ｘ））２そこで、上記式（９）、（ｌＯ）の夫々を最小とするａ
ｌｌ＋　　ａ＋２＋　　ａ２ｌ＋　　ａ２ｚ及びｂｌｌ
　（Ｏｘ）　．　ｂ２１　（Ｏｙ）を求めるため、式（
９〉、（ｌＯ）を未知数ａｌｌ、ａｌ２、Ｏｘとａ　２
１％　ａ　２２、ｏｙとで夫々偏微分し、各偏微分式を
零とおいて、その連立方程式を解いてやれば良い。この
結果を行列の形に書き直すと、式（ｌ１）、（ｌ２）の
ように表される。

但し、従って、上記式（ｌ１）、（１２）において、サンプル
アライメントを行ったチップＣの配列座標値（　Ｆ　Ｘ
ｎ，　　Ｆ　Ｙｎ）及びその信頼度（　Ｈ　ｘｎ，　Ｈ
　ｙｎ）の各々を順次加算していけば、変換パラメータ
（Ａ，Ｏ）、即ち未知数ａｚ＋　　ａｌ２＋　　ａｆｆ
ｉｌ＋　　ａ２２＋　ｂｂ２１の全てを求めることがで
きる。尚、未知数ａａｌ２＋　　ａ２１＋　ａ２２＋　
１）ｌｔ＋　ｂ２１が求まれば、以下の関係に基づいて
６つのパラメータ、即ち残存回転量θ、スケーリングω
、線形伸縮量（Ｒ　ｘ，Ｒｙ）及びオフセット量（Ｏｘ
，Ｏｙ）も求まる。

ａ２ θ ａ２２ａｔ　　　　８２ ω ａｌｌ　　　ａ２２Ｒｘ＝ａＲｙ＝ａ．Ｏｘ＝ｂＯ　ｙ　＝　ｂ　２以上により変換パラメータ（Ａ，Ｏ）が決定され、上記
式（３）からウエハＷ上のチップ配列が導き出されるこ
とになる（ステップ１０５）。

次に、主制御装置ＭＣＳは上記ステップ１０５で算出し
たチップ配列に従って、ウエハステージＷＳをステッピ
ングさせながらレチクルパターンの投影像とチップＣと
を正確に重ね合わせて露光を行う（ステップ１０６）。

そして、全てのチップＣでの重ね合わせ露光が終了した
後、ウエハＷはステッパーから搬出（アンロード）され
る（ステップ１０７）。

以下、ウエハ毎に上記ステップ１００からステップ１０
７までを繰り返し実行することによって、信頼度が低い
チップによるスループットやアライメント計測精度等を
低下させることなく、高精度、高速に重ね合わせ露光を
行うことが可能になる。

ところで、本実施例においては配列座標値の信頼度（Ｈ
ｘｎ，　Ｈｙｎ）を上記式（２）により決定していたが
、サンプルアライメントすべきチップＣのウエハ内での
位置によって信頼度（Ｈｘｎ．　Ｈｙｎ）が片寄る、例
えばウエハＷの上半分と下半分とで極端に異なり得る。

つまり、ウエハの上半分と下？分とでの信頼度が極端に
異なってしまえば、変換パラメータ（Ａ，　Ｏ）の決定
に際して、信頼度の高い側（例えば上半分）での配列座
標値が極端に反映されることになる。従って、このよう
に決定された変換パラメータ（Ａ，　○）に基づいて、
レチクルパターンとチップＣとを順次重ね合わせ露光し
ていくと、もう一方の側（下半分）での重ね合わせ精度
が低下し得る。

そこで、第９図に示すようにウエハＷをいくつかのブロ
ック（図では■〜■）に分割し、上記式（２）を用いて
ブロック毎に信頼度（Ｈｘｎ，　Ｈｙｎ）を算出するよ
うにする。この際、ブロック毎にサンプルアライメント
すべきチップ（ウエハマークＷＭｘ，ＷＭｙ）からの光
ビート信号ＳＤｗのうち、振幅Ｇｎが最大となるものを
選び出し、その最大振幅Ｇ■，。を夫々式（２）に適用
すれば良い。

これより、ウエハＷ内での信頼度の片寄りをなくす（平
均化する）ことができ、変換パラメータ（Ａ．０）の算
出精度（重ね合わせ精度）の低下を防止できる。

尚、第９図ではウエハＷを４つのブロックＩ〜■に分割
したが、このブロックの数は４つに限られるものではな
く、いくつでも良い。また、そのブロックの形状も第９
図に示すような扇形にとらわれる必要はなく、例えば同
心円状に選んでも良い。さらに、チップに付随したウエ
ハマークＷＭＸとＷＭＹとで、分割方法（ブロック数、
ブロック形状等）を変えてブロックを決めても構わない
。

また、本実施例では光電検出器１１ｘ，ｌｌｙからの光
ビート信号ＳＤｗの振幅（　Ｇ　ｙｅｎ，　Ｇ　ｙｎ）
に基づいて、上記式（２）により信頼度（Ｈｘｎ，　Ｈ
ｙｎ）を算出していたが、振幅Ｇｎと信頼度Ｈｎとを対
応付ける関係式は上記式（２）に限られるものではなく
、例えば以下に示す式（ｌ３）〜（ｌ５）のいずれかを
用いても構わない。

・・・・・・（ｌ　３〉但し、Ｇａ，ｇｏは共に定数であって、上記式（２）中
の定数Ｇ，と同様に予め経験的に決めてお？ば良い。ま
たは、ｇ　ｏ＝　Ｇ−１。＝ＭＩＮ（Ｇ　＋．　Ｇ　２
．”・，Ｇ■）（但し、ｍはサンプルアライメントする
チップ数）、或いはｇ。＝Ｇ．，．−Ｋ・σ（Ｇｎ）　
（但し、Ｋ＞０で、σ（Ｇｎ）は分散）としても良い。

一方、定数Ｇａに関しても同様に、Ｇａ　”　Ｇ　ｍ　
ｈ　ｔ　＝ＭＡＸ（Ｇ　，．　Ｇ　２．　−−−−．　
Ｇ，’）　、或いはＧａ＝Ｇ＋，．＋＋Ｋ・σ（Ｇｎ）
　（Ｋ　＞　Ｏ　）としても良い。

・・・・・・（１４）但し、定数Ｇａ，ｇｏは上記式（ｌ３）と同様であり、
τはτ〉０なる実数である。

但し、Ｓは定数であって、上述した如く経験的、若しく
はＳ＝Ｋ・σ（Ｇｎ）　（Ｋ　＞　０　）なる式から定
めれば良い。

ここで、式（ｌ３）、（ｌ４）は上記式（２）をより一
般的な形に書き換えたものであり、考え方としては式（
２）と同様のものである。また、式（１５）では信頼度
が１となるのがＧｎ＝Ｇ．，，の時であり、振幅Ｇｎが
Ｇ，９６より大きくなる場合には信頼度がＨｎ＜　１と
なる点で、上記式（ｌ３）及び（ｌ４）と異なる。即ち
式（ｌ５）の考え方としては、他のチップより強い振幅
Ｇｎが得られる場合、何か異常が起こっていると判断で
きることである。

以上、本実施例ではアライメントセンサーとしてＬＩＡ
系（特にヘテロダイン方式）を用いる場合について述べ
たが、例えばホモダイン方式のＬＩＡ系、ＬＳＡ系、Ｆ
ＩＡ系、或いは特開昭６３−２８３１２９号公報に開示
されているスルー・ザ・レチクル（ＴＴＲ）方式のヘテ
ログイン型アライメントセンサー等を用いても、本実施
例と同様の効果を得られるのは明らかである。以下、Ｌ
ＳＡ系、ＦＩＡ系の夫々を用いて信頼度を計測する動作
について簡単に説明する。

第ｌＯ図（Ａ）、（Ｂ）は、ＬＳＡ系のスポット光ＳＰ
でウエハマーク（ＬＳＡマーク）を相対走査した時、マ
ークから発生する回折光４４を受光する光電検出器（受
光面４１ａ，４ｌｂ）の出力信号（光電信号ＳＤｉ）の
波形を示す図である。通常、この光電信号は第ｌＯ図（
Ａ）に示すような波形となるが、ＬＳＡ系を用いる場合
にもＬＩＡ系と同様に、メタル層のグレインによるスペ
ックル等により回折光（ノイズ成分）が発生する。この
ため、マークからの回折光と共に、このノイズ成分が光
電検出器により受光されることになり、そのノイズ成分
を含む光電信号（第ｌＯ図（Ｂ））は、第１０図（Ａ）
と比較して信号強度（例えばピーク値Ｖ２）が低くなる
。

従って、上記式（２）、（ｌ３）等において光ビート信
号ＳＤｗの振幅（　Ｇ　Ｘｎ，　Ｇ　Ｙｌ１）の代わり
に、光電信号ＳＤｉの強度（ピーク値Ｖｌ，Ｖ２）を用
いるようにすれば、ＬＳＡ系によるＥＧＡ計測において
も、信頼度（Ｈｘｎ，　Ｈｙｎ）を算出することにより
信頼度の低いチップによるＥＧＡ計測精度の低下を防止
することができる。

また、ＬＳＡ系においては光電信号ＳＤｉの波形の対称
性から６、信頼度（Ｈｘｎ，　Ｈｙｎ）を算出すること
が可能である。第１１図（Ａ）、（Ｂ）は、光電検出器
１１ｘ，ｌｌｙから出力される光電信号ＳＤｉの波形を
示すもので、通常第１１図（Ａ）に示す如く光電信号Ｓ
Ｄｉは、信号強度がピークとなる走査位置Ｘ，に関して
左右対称な波形となる。しかし、ウエハ処理プロセス（
エッチング工程等）によるマーク破壊やレジスト層の塗
布むら等のため、第ｌｌ図（Ｂ）に示すように光電信号
はピーク位置Ｘ２に関して非対称な波形となり得る。

そこで、例えば第１１図（Ｂ）において光電信号ＳＤｉ
の波形を表す式をＶ＝ｆ（ｘ）とすると、以下に示す式
（１６）においてＩ（ｕ）が最小となるＵ。を求めれば
、波形が完全に左右対称となる時にＩ（ｕｏ）は０とな
ることから、その時のＩ（ｕｏ）の大小により波形の対
称性を知ることかできる。但し、ａ，−ａは走査範囲（
距離）を表す任意の定数である。

・・・・・・（１６）さて、上記１　　（ｕｏ）の値から信頼度を算出する際
、本実施例での振幅Ｇｎとは逆に、Ｉ　（ｕｏ）の値が
０に近くなる程、その信頼度を太き＜（１に近く）する
ような関係式を用いなければならず、上記式（２）、（
１３）等をそのまま適用することはできない。

そこで、例えばビー１　／　ｖ’　Ｉ　（　ｕ　ｏ　）
なる変換式を用いることとし、この■゜を式（２）、（
ｌ３）、（ｌ４）中の振幅Ｇｎの代わりに適用すれば、
同様に光電信号ＳＤｉの波形対称性から信頼度を算出す
ることにより、信頼度の低いチップによるＥＧＡ計測精
度の低下を防止できる。但し、上記変換式においてＩ（
ｕｏ）＝０となる時は、主制御装置ＭＣＳ（不図示の計
算機）がオーバーフローしないように、Ｉ　　（ｕｏ）
を適当な数に置換すれば良い。

尚、信号波形の対称性（式（１６））を用いて信頼度を
算出する際は、上記式（１５）を使わないようにする。

これは、本実施例ではＬＩＡ系の振幅Ｇｎが大きい程、
信頼度が高いとは必ずしも言えないが、ＬＳＡ系におけ
る波形対称性を用いる場合には限りなく対称に近い波形
で最も信頼度が高くなると考えられるためである。

以上のように、ＬＳＡ系を用いてＥＧＡ計測を行う際に
も、光電検出器１１ｘ、１１ｙからの光電信号ＳＤｉの
強度（ピーク値等）、若しくは波形対称性（式（１６）
）から信頼度を算出することによって、ＥＧＡ計測精度
の低下を防止できる。従って、レジスト層の塗布むら、
メタル層のスパッタリングによる表面荒れ等が少ないと
考えられるウエハＷに対しては、本実施例のステップ１
０２でのＬＳＡ系からＬｒＡ系への切換えを行わず、そ
のままＬＳＡ系を用いてＥＧＡ計測を行うようにしても
構わない。

また、第ｌ２図（Ａ）はＦＩＡ系において撮像素子３２
により観察される指標マーク２８ａとウエハマークＷＭ
Ｙとを示すもので、撮像素子３２から出力される画像信
号は第１２図（Ｂ）に示すような波形となる。ＦＩＡ系
では、画像信号にＡＧＣ（オート・ゲイン・コントロー
ル）がかかってしまうため、チップ（ウエハマーク）毎
の信号強度（マークからの戻り光の強度）の絶対値を求
められず、その信号強度を直接比較することができない
。そこで、例えば指標マーク２８ａとウエハマークＷＭ
Ｙの信号強度Ｖ。，■１を求めることとし、本実施例で
の振幅Ｇｎの代わりに、この強度比Ｖ，／Ｖ．を上記式
（２）、（ｌ３）等で用いれば、ＬＩＡ系と同様にチッ
プＣの配列座標値の信頼度を算出することができる。

尚、チップ毎の増幅度（ゲイン）を記憶しておけば、こ
の増幅度からウエハマーク毎の信号強度の絶対値を算出
することによって、強度比Ｖ．／Ｖｏを求めずとも、そ
の絶対値を式（２）、（ｌ３）等に適用して信頼度を算
出することができる。

一方、ＦＩＡ系において信号波形の対称性から信頼度を
算出する場合には、例えば第ｌ２図（Ｂ）に示すように
画像信号がピークとなる位置Ｙｔを選び出し、上記ＬＳ
Ａ系と同様の動作で、その位置Ｙｔに関する波形の対称
性から信頼度を算出すれば良い。

また、ＴＴＲ方式のヘテロダイン型アライメントセンサ
ーを用いる場合には、例えば第１３図に示すようなレチ
クルマークＲＭｙを透明な窓ＲＷ内に設けることによっ
て、本実施例で示した視野絞り１７（菱形開口）と同様
に、２本の平行ビームの照射によって窓ＲＷのマークＲ
ＭＹの格子と平行なエッジから発生する回折光（フラウ
ン・ホーファ回折）の混入によるアライメント計測精度
の低下を防止できる。レチクルマークＲＭＹは、レチク
ル用の回折格子マークと、ウエハマークＷＭＹを照射す
るための２本の平行ビームが交差して通過する光透過部
とから戊り、且つ回折格子マーク及び、２本の平行ビー
ムによって作られる干渉縞のピッチ方向と略垂直な方向
に伸びるエッジの夫々を、該ピッチ方向と略垂直な方向
に対して角度υだけ傾けて形威したものである。

以上の通り本実施例では、本発明による方法を露光装置
に適用する場合について述べたが、ステップ・アンド・
リピート方式で順次検査を行う装置、又はウエハ上の素
子の一部にレーザ光を照射して、欠陥素子のりベアを行
う装置等に適用しても、本実施例と同様の効果を得られ
る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、基板上のパターン配列の
規則性を決定する際、パターンの位置情報（配列座標値
）の信頼度を用いるため、信頼度の低い（不確かな）配
列座標値によるアライメント計測精度の低下を防止でき
ると共に、位置計測（サンプルアライメント）を行った
パターンの配列座標値を無駄に捨てる必要がなくなる。

この結果、サンプルアライメントを行った全てのパター
ンの位置情報を使って、最も確からしいパターン配列の
規則性を決定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の原理の説明に供する光
ビート信号の波形図、第２図は本発明による方ｌ去を適
用するのに好適なステッパーの概略的な構成を示す平面
図、第３図は本発明による方法を実施するのに好適なＳ
ＳＡ系（特にＬＩＡ系）の具体的な構成を示す斜視図、
第４図はウエハマ−クの概略的な構成を示す平面図、第
５図はウエハマークの検出時の様子を示す図、第６図は
ＳＳＡ系の光電検出器の具体的な構戊を示す図、第７図
は本発明の一実施例の動作の一例を示す概略的なフロー
チャート図、第８図はウエハ上のチップの配列状態を示
す図、第９図は本発明の変形例の説明に供する図、第ｌ
Ｏ図（Ａ）、（Ｂ）及び第ｌ１図（Ａ）、（Ｂ）は本発
明による方法をＬＳＡ系により行う場合の説明に供する
図、第ｌ２図（Ａ）、（Ｂ）は本発明による方法をＦＩ
Ａ系により行う場合の説明に供する図、第１３図はＴＴ
Ｒ方式のヘテログイン型アライメントセンサーで好適な
レチクルマークの概略的な構成を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕１−１９・・・ＳＳＡ系、２０〜３３・・・ＦＩＡ系、
ＩＬ・・・露光用照明光、ＣＬ・・・コンデンサーレン
ズ、Ｒ・・・レチクル、ＰＡ・・・パターン領域、ＲＳ
・・・レチクルステージ、ＰＬ・・・投影レンズ、Ｅｐ
・・・入射瞳、ＡＸ・・・光軸、Ｗ・・・ウエハ、ＷＳ
・・・ウエハステージ、ＭＴ・・・ウエハステージ駆動
部、ＬＧ・・・レーザ干｝歩計、ＭＣＳ・・・主制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数のパターンがマトリックス状に形成された基
板上でのパターン配列の規則性を決定することによって
、前記複数のパターンの夫々を所定の基準位置に対して
順次位置合わせする方法において、前記パターンの位置に関する設計値と計測値とに基づい
て、前記パターン配列の規則性を決定するのに先立って
、前記パターン位置の計測値に関する所定の信頼度を算
出するようにし、該算出した信頼度を前記パターン配列
の規則性の決定に適用することを特徴とする位置合わせ
方法。
（２）前記パターン位置の計測値は、前記複数のパター
ンの夫々に付随して設けられたアライメントマークの前
記基準位置に対する位置として検出され、前記計測値の
信頼度は、前記アライメントマークの位置を光学的に検
出する際、前記アライメントマークから発生する光情報
に基づいて算出されることを特徴とする請求項第１項記
載の位置合わせ方法。