JPH05175097A

JPH05175097A - 位置合わせ装置

Info

Publication number: JPH05175097A
Application number: JP3345195A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松; Hideo Mizutani; 英夫水谷; Nobutaka Umagome; 伸貴馬込
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-07-13

Abstract

(57)【要約】【目的】レチクルとウエハとのアライメント精度を向
上させる。【構成】レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂからの１次回
折光ＤＲ₁、ＤＲ₂を、レチクルＲと共役な面内に配置
されたプリズム（第２の絞り部材）１２を介してモニタ
ー格子板１３に照射し、ここで再回折された干渉ビーム
ＢＴＲを光電検出器１６で受光する。光電検出器２０は
ウエハマークＷＭからの干渉ビームＢＴＷをプリズム１
２、及びウエハＷと共役な面内に配置された視野絞り
（第１の絞り部材）１７を介して受光する。そして、光
電検出器１６、２０からの各ビート信号（位相差Φ_R、
Φ_W）に基づいて、中央制御系１１４はレチクルＲとウ
エハＷとの相対的な位置ずれ量を算出する。【効果】光電検出器１６、２０へのノイズ光の混入を
防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示
素子製造のリソグラフィ工程に使用されるマスクのパタ
ーンを感光基板へ転写する投影露光装置（ステッパー、
アライナー）やプロキシミティー方式の露光装置等に好
適なマスクと感光基板との位置合わせ装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、リソグラフィ工程では微細パター
ンを高分解能で感光基板（レジスト層が形成された半導
体ウエハ）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い、露光光の短波長化や高開
口数(N.A.)の投影光学系の開発が行われ、最近ではウエ
ハ上での解像線幅がサブ・ミクロン（０．５μｍ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精度（通常、解
像線幅の１／５程度）で、マスクまたはレチクル（以
下、レチクルと称す）のパターンとウエハ上の１つのシ
ョット領域との位置合わせを行う必要がある。このよう
なステッパーのアライメント方式としては、例えばレチ
クルの回路パターン周辺に形成されたアライメントマー
クと、ウエハ上のショット領域周辺に形成されたアライ
メントマークとを同時に検出するＴＴＲ（Through The
Reticle)方式が従来から知られている。

【０００３】ＴＴＲ方式のアライメント系は、レチクル
上のアライメントマーク（レチクルマーク）とウエハ上
のアライメントマーク（ウエハマーク）とを共に高精度
に検出して、その相対位置ずれ量を求め、このずれ量が
補正されるようにレチクルまたはウエハを微動させる。
一般にステッパーを始めとする投影型露光装置では、レ
チクルパターンをウエハ上に高解像力で結像するため
に、投影光学系は露光光（例えば、ｇ線、ｉ線、または
エキシマレーザ光等）のみに対して良好に色収差補正さ
れているのが現状である。このことは、ＴＴＲ方式のア
ライメント系においてマーク照明用の光（アライメント
光）が露光光の波長と同一、もしくは極めてそれに近い
波長に制限されることを意味する。

【０００４】さて、露光工程のウエハには表面にレジス
ト層が形成されており、アライメント時にはレジスト層
を介してウエハマークを検出する。このレジスト層は、
より高解像のパターン形成を可能とするために、露光光
に対する吸収率が高く、透過率が低くなるような多層レ
ジスト構造等を採用することが考えられてきた。この場
合、アライメント用照明光がウエハマークに達するまで
に減衰を受けることと、マークからの反射光（正反射
光、散乱光、回折光等）も減衰を受けることによって、
ウエハマークがアライメント系によって十分な光量で認
識されず、その検出精度を低下させるといった問題が生
じる。さらに、アライメントのためにアライメント用照
明光がウエハマークに照射されると、その部分のレジス
ト層は当然に感光してしまい、現像後に各種プロセスを
通すと、ウエハ上の当該マークが破壊されてしまい、次
の層の重ね合わせ露光の時のアライメントに使えないと
いった問題も生じてしまう。

【０００５】そこで、例えば特開昭６３−１５３８２０
号公報に開示されたＴＴＲ方式の別波長アライメント系
（アライメント用照明光が露光光の波長と異なる方式）
をベースにして、ウエハまたはレチクル上に形成された
１次元の回折格子マークを光学的に検出し、そのピッチ
情報からウエハまたはレチクルの位置を高分解能（ピッ
チの数分の１〜数十分の１）に検出する方式が特開昭６
３−２８３１２９号公報で提案されている。従来から回
折格子マークを用いる位置検出には様々な手法が提案さ
れ、実用化されてきた。特開昭６３−２８３１２９号公
報に開示された手法は、その中でも回折格子マークに対
して２方向からコヒーレントなレーザビーム（平行光
束）を同時に照射して１次元の干渉縞を作り、この干渉
縞を使って回折格子マークの位置を特定しようとする方
法である。

【０００６】このような干渉縞を使ったアライメント方
式には、２方向から照射される２本のレーザビームに一
定の周波数差を与えるヘテロダイン法と、周波数差のな
いホモダイン法とがある。ホモダイン法では回折格子マ
ークと平行に静止した干渉縞が作られ、位置検出にあた
っては回折格子マーク（物体）をそのピッチ方向に微動
させる必要があり、格子マークの位置は干渉縞を基準と
して求められる。これに対してヘテロダイン法では２本
のレーザビームの周波数差（ビート周波数）のために、
干渉縞がその縞方向（ピッチ方向）に高速に流れること
になり、格子マークの位置は干渉縞を基準として求める
ことはできず、専ら干渉縞の高速移動に伴う時間的な要
素（位相差）を基準として求めることになる。

【０００７】例えばヘテロダイン法では、格子マークか
らの±１次回折光をビート周波数で強度変調させて検出
した光電信号（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渉光の光ビート信号との位相
差（±１８０°以内）を求め、格子ピッチＰの±Ｐ／４
以内の位置ずれを検出するものである。ここで、格子ピ
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が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
／１８０）≒０．００１４μｍとなる。このような方式
のマーク位置検出は極めて高分解能であるため、従来の
マーク位置検出に比べて１桁以上高いアライメント精度
が得られるものと期待されている。

【０００８】図１１はＴＴＲ方式のアライメント系を備
えたステッパーの概略的な構成の一例を示す斜視図であ
って、露光光と異なる波長域のアライメント用照明光は
２光束周波数シフター（不図示）によって互いに周波数
が異なり、且つ共に直交した直線偏光を含む２本のレー
ザビームＢＭ₁、ＢＭ₂に変換される。図１１におい
て、レチクル７４の上方には露光光と２本のビームＢＭ
₁、ＢＭ₂との波長を分離するダイクロイックミラー７
３が設けられる。レチクル７４のパターンはダイクロイ
ックミラー７３で垂直下方に反射される露光光により照
射され、さらに両側テレセントリックな投影レンズ７０
によって露光光のものでウエハ７５上に結像される。投
影レンズ７０は露光波長に関して色収差補正され、その
波長に関してレチクル７４とウエハ７５とが互いに共役
になるように配置される。レチクル７４のパターン領域
７６を囲む遮光帯の中に窓（透明部）ＲＳＴが形成さ
れ、さらに窓ＲＳＴの約半分の部分にレチクルマークＲ
Ｇが形成される。一方、ウエハ７５上の各ショット領域
ＳＡの周囲のストリートライン内の対応する位置にはウ
エハマークＷＧが形成される。

【０００９】また、対物レンズ７１は複屈折物質（水
晶、方解石等）の平凸レンズとガラスの平凹レンズの凸
面、凹面を貼り合わせた２焦点素子と、テレセントリッ
クな対物レンズとを一体に組み合わせたもので構成さ
れ、ビームＢＭ₁、ＢＭ₂の偏光成分（例えば、２焦点
素子の結晶軸に平行な偏光成分をｐ偏光、垂直な偏光成
分をｓ偏光と定義する）に応じて異なるパワーを与える
ものである。従って、対物レンズ７１を射出するビーム
ＢＭ₁、ＢＭ₂はミラー７２で反射され、例えばビーム
ＢＭ₁、ＢＭ₂の夫々に含まれるｐ偏光ビームはレチク
ルマークＲＧ上で結像（交差）し、ｓ偏光ビームはレチ
クル７４の上方の焦点面（ウエハ共役面）で一度交差し
た後、窓ＲＳＴ、投影レンズ７０（瞳面７０ａ）を通っ
てウエハマークＷＧ上で結像（交差）する。尚、上記焦
点面とレチクル７４の下面（パターン面）との間隔は、
アライメント用の２本のビームの波長における投影レン
ズ７０のレチクル側での軸上色収差量に対応している。
例えば露光波長を２４８ｎｍ、アライメント波長を６３
３ｎｍとすると、その軸上色収差量は投影レンズ７０の
光学特性にもよるが、５００ｍｍ程度に達する。

【００１０】さて、レチクルマークＲＧ、ウエハマーク
ＷＧの各々からは±１次回折光が発生し、その主光線は
アライメント系の光軸ＡＸｃと同軸に戻り、空間フィル
ターや視野絞り等を介して光電検出器にて分離して受光
される。光電検出器からはレチクル側の干渉光の光電信
号と、ウエハ側の干渉光の光電信号（共にビート周波
数）が出力され、２本の送光ビームから別途作成された
参照用干渉光のビート信号を基準とした２つの信号の波
形上の位相差を求める。そして、上記位相差が略零とな
るようにレチクル７４とウエハ７５とを相対移動させ，
レチクルパターンの投影像とショット領域ＳＡとを正確
に一致させている。

【００１１】しかしながら、上記の如き技術においては
半導体素子のチップサイズ（すなわち照明視野）の変更
やウエハマークの打ち替えに応じたレチクルマークの位
置変更に伴って、例えば特開昭５８−１５０９２４号公
報に開示されているように、対物レンズ７１と先端のミ
ラー７２とを一体にアフォーカルな位置でレチクル７４
と平行な平面内において（図１１では光軸ＡＸｃに沿っ
て）移動させることが必要である。このため、対物レン
ズ７１等の移動に伴う何等かの原因で装置が不安定にな
って、例えばアライメント系の光軸ＡＸｃがレチクルマ
ークＲＧのピッチ方向（計測方向）に傾斜し得る。そこ
で、図１２を参照してアライメント系が傾く場合につい
て考えてみる。図１２は光軸ＡＸｃがレチクル上方の焦
点面（ウエハ共役面）Ｗ’内の点Ｗ₀を中心としてピッ
チ方向（Ｘ方向）にεだけ傾いた様子を誇張して表して
いる。

【００１２】図１２に示すように、ウエハマークＷＧを
照射する２本のｓ偏光ビームの各主光線Ｌ_1s、Ｌ_2sにつ
いては、光軸ＡＸｃが上記点Ｗ₀を中心として傾いてい
るだけなので、上記傾斜に伴ってウエハ上での主光線Ｌ
_1s、Ｌ_2sの交差位置がピッチ方向にシフトすることはな
い。ところが、レチクルマークＲＧを照射するｐ偏光ビ
ームの主光線Ｌ_1p、Ｌ_2pについては、レチクル７４上で
主光線Ｌ_1p、Ｌ_2pが交差する位置がＸ方向にΔＤＬ₁だ
けシフトする。つまり、主光線Ｌ_1p、Ｌ_2pの交差位置と
主光線Ｌ_1s、Ｌ_2sの交差位置とがピッチ方向に関してΔ
ＤＬ₁だけずれることになる。このため、上記シフト量
ΔＤＬ₁に応じてレチクルとウエハとの相対的なずれ量
の検出精度が悪化し、これに伴ってアライメント精度が
低下するという問題点がある。

【００１３】ここで、アライメント用照明光の波長のも
とでの投影レンズのレチクル側の軸上色収差量をΔＬと
すると、シフト量ΔＤＬ₁はΔＤＬ₁＝ΔＬ・ tanεと
表される。従って、軸上色収差量ΔＬを５００ｍｍと
し、アライメント精度から考えたレチクル上での上記シ
フト量ΔＤＬ₁の許容値（最大値）を０．０５μｍとす
ると、アライメント系において許される角度誤差（許容
傾斜量）εは、上記式からε＝０．０２''という非常に
小さな量となる。このことはアライメント系全体の傾斜
量を０．０２''以内に抑えなければならないことを意味
する。しかしながら、可動式のアライメント系の安定性
を考えると、振動や熱変動を最小限に抑えても系全体で
１〜２''程度の傾きは発生してしまう。従って、レチク
ル上では主光線Ｌ_1p、Ｌ_2pの交差位置が少なくとも２．
５μｍ、すなわちウエハ上では０．５μｍ（投影レンズ
の投影倍率が１／５の場合）程度シフトすることにな
り、ノイズ等の影響も考慮した実用的な計測分解能が
０．０１μｍ程度はある高分解能なアライメント系であ
っても実用上意味をなさなくなる。尚、アライメント系
の振動による傾斜だけでなく、例えばレーザ光源の内部
に設けられた１対の共振ミラーの位置変動等によるビー
ムＢＭ₁、ＢＭ₂のドリフト等もアライメント精度の低
下の要因となり得る。

【００１４】また、例えば対物レンズ７１（テレセント
リックな対物レンズのみ）がアライメント系の光軸ＡＸ
ｃ（又は光軸ＡＸ’）に対して偏心した場合も、図１３
に示すようにウエハ（共役面Ｗ’）上での主光線Ｌ_1s、
Ｌ_2sの交差位置とレチクル上での主光線Ｌ_1p、Ｌ_2pの交
差位置とは、Ｘ方向（ピッチ方向）に関してΔＤＬ₂だ
けずれが生じ、同様にこのシフト量ΔＤＬ₂がそのまま
アライメント誤差となる。従って、露光波長と異なる波
長域の照明光を用いるアライメント系では、その光学系
の傾斜や光学部材の偏心等によりアライメントマークの
計測方向（ピッチ方向）に関してアライメントビームが
傾くと、軸上色収差量ΔＬのためにアライメント精度が
著しく低下するという問題点があった。

【００１５】そこで、本願出願人は上記の如きアライメ
ント系の不安定性（傾斜や光学部材の偏心等）によるア
ライメント精度の低下を防止できる位置合わせ装置につ
いて先に出願を行っている（特願平２−１０９２９３
号）。以下、この公知ではない先願に開示された技術に
ついて簡単に説明する。上記先願では、所定の波長域の
露光光を用いてレチクルに形成されたパターンを投影レ
ンズを介してウエハ上に結像投影する装置に設けられ、
レチクルに形成された第１の回折格子とウエハに形成さ
れた第２の回折格子とを光学的に検出することによりレ
チクルとウエハとを位置合わせする装置において、ウエ
ハに形成された第２の回折格子に対して、対物光学系を
介して露光光と異なる波長域のコヒーレントな２本のビ
ームを所定の交差角で入射（結像）させるとともに、そ
の第２の回折格子とほぼ共役な面、もしくはその近傍に
第３の回折格子を配置する。また、２本のビームが交差
して照射される第２の回折格子からほぼ同一方向に発生
した回折光同士の干渉光を光電検出する第１の受光手段
を設ける。ところで、第２の回折格子上で交差させるよ
うに対物光学系を介して２本のビームを照射すると、投
影レンズはアライメント波長に関して軸上色収差（縦の
収差）や倍率色収差（横の収差）を生じるので、２本の
ビームは互いに分離したままレチクル上に照射されるこ
とになる。そこで、レチクル上で２本のビームが分離し
て照射される各領域内に第１の回折格子を形成してお
き、ここで発生する回折光のうち、２本の送光ビームの
各々を逆進する２本の回折光を、対物光学系を介して第
３の回折格子に所定の交差角で照射し、さらに第３の回
折格子で再回折してほぼ同一方向に発生した回折光を互
いに干渉させ、この干渉光を光電検出する第２の受光手
段を設ける。そして、第１の受光手段と第２の受光手段
の各々からの信号を比較してレチクルとウエハとの相対
変位に対応した検出信号を得ることとした。このため、
アライメント系の不安定性（傾斜や光学部材の偏心等）
によるアライメント精度の低下を防止できる。

【００１６】そこで、図１０を参照して上記構成の装置
の原理を説明する。図１０はアライメント系のテレセン
トリックな対物光学系（不図示）から射出される２本の
ビームがその後側焦点面（ウエハとほぼ共役な面）Ｗ’
内の点Ａで一度交差してレチクルＲｍに入射する様子を
示したもので、ここでは２本のビーム（平面波）が点Ａ
を中心として角度εだけ傾いた時の主光線ＬＬ’，Ｌ
Ｒ’を実線にて示し、傾きが零のときの２本のビームの
主光線ＬＬ，ＬＲを点線にて示している。また、２本の
ビームの主光線ＬＬ’，ＬＲ’はレチクルＲｍ上の点
Ｐ’，Ｑ’に入射し、その反射光のうち１次回折光ＬＬ
₁、ＬＲ₂は焦点面Ｗ’内の点Ｂで交差している。

【００１７】さて、点Ａを通ってレチクルＲｍに入射す
る２本のビーム（主光線ＬＬ’，ＬＲ’）のうち、紙面
内左側の主光線ＬＬ’については、波面がレチクルＲｍ
上の点Ｐ（回折格子マーク）で回折され、再び点Ａに戻
るときの光路長をＳ_Lとすると、光路長Ｓ_Lは以下の数
式１で表される。

【００１８】

【数１】

【００１９】一方、右側の主光線ＬＲ’についても同様
に、点Ｑ（回折格子マーク）で回折された波面が再び点
Ａに戻るときの光路長Ｓ_Rは、以下の数式２で表され
る。

【００２０】

【数２】

【００２１】ところで、ビームが角度εだけ傾いて回折
格子マークに入射すると、そのマークからの回折光も角
度εだけ傾いた方向に発生することから、 ΔＡＰＴ≡ΔＡＱＲより ∴ＡＴ＝ＡＲ ΔＡＰＭ≡ΔＡＱＬより ∴ＰＭ＝ＱＬ従って、ＱＬ＝ＳＬ' 、ＰＭ＝ＵＭ' となる。

【００２２】以上のことから、以下の数式３が求まる。

【００２３】

【数３】

【００２４】つまり、上記数式１〜３より、Ｓ_L＝Ｓ_R なる関係が成り立つ。従って、点Ａを通ってレチクルＲ
ｍ上に形成されるレチクルマーク（第１の回折格子）で
回折され、再び焦点面Ｗ’内で交差する２本のビーム
（主光線ＬＬ₁、ＬＲ₁）の光路差は傾きに依らず一定
であるので、その各回折光が焦点面Ｗ’内で作る干渉縞
の位置は（焦点面Ｗ’内では）ずれることなく不動であ
る。

【００２５】先に述べたように、上記構成の装置ではこ
の焦点面Ｗ’と共役な面、もしくはその近傍の面内に第
３の回折格子を配置しているので、アライメント系が傾
いても第３の回折格子上で干渉縞がその計測方向（ピッ
チ方向）にずれることはない。一方、焦点面Ｗ’はウエ
ハ上に形成されるウエハマーク（第２の回折格子）とも
ほぼ共役となっているので、同様に２本のビームにより
作られる干渉縞はウエハマーク上でその計測方向にずれ
ることはない。このことから、アライメント系が焦点面
Ｗ’内の点Ａを中心として傾く、つまり２本のビームが
傾いても、レチクルとウエハとのアライメント精度が低
下することはない。

【００２６】尚、ここでは点Ａを中心としたアライメン
ト系の傾きのみについて考えたが、その光学系の一部の
ピッチ方向への平行移動についてはレチクルマーク、ウ
エハマークの各々に入射する２本のビームが共に同じ量
だけシフトするだけなので、レチクルとウエハとの相対
的な位置ずれ量を検出する限りアライメント誤差とはな
らない。従って、点Ａ以外の点を中心として傾く場合で
あっても、最終的には点Ａを中心とした傾きに平行移動
を組み合わせことに帰着されるので、上記構成を採れ
ば、任意の点での回転、平行移動はアライメント誤差と
ならない。このため、点Ａを中心とする傾きのみを考え
るだけで十分であることが分かる。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の装置において第１の受光手段（以下、ウエハ検出系
と呼ぶ）は、レチクルの透明窓、及び投影レンズを介し
て２本の送光ビームをウエハマーク（第２の回折格子）
上に照射したときに、当該マークからほぼ同一方向に発
生する回折光同士の干渉光を光電検出する。このため、
アライメント波長に関して投影レンズの軸上色収差量や
倍率色収差量が大きい場合には、レチクルの窓は２本の
ビームに対して開口絞りとして働き、その光束を絞る作
用を持つことになるので、２本のビームの各々は平行光
束となってウエハマークに照射されずに、ウエハ上で広
がってしまう。従って、ウエハマーク以外にも２本の送
光ビームが照射されることになり、このマーク以外から
の光情報の混入によるアライメント精度の低下を防止す
るためには、例えばビームの広がりに合わせてウエハマ
ークを大きくする必要がある。ところが、ウエハマーク
はウエハからチップを切り出すための切りしろ部分（い
わゆるスクライブライン）に設けられており、このスク
ライブラインをできる限り細くした方が１枚のウエハか
ら切り出せるチップの数が多くなることから、現在では
スクライブラインをより一層細くすることが求められて
おり、ビームの広がりに合わせてウエハマークを大きく
することは難しい。

【００２８】また、２本の送光ビームはレチクルマーク
と窓（すなわちウエハマーク）の各々を照射する必要が
あるため、レチクル上での各ビームの断面寸法は大きく
設定されている。さらに２本の送光ビームはレチクル上
で交差せず、レチクル上方の面、すなわち対物光学系の
後側焦点面（ウエハ面と共役な面）内で一度交差した
後、互いに分離してレチクルを照射することになる。通
常、対物光学系の後側焦点面とほぼ共役な面内には、２
本の送光ビームの照射領域を制限するための視野絞りが
配置されており、２本の送光ビームはレチクル上で広が
ることになる。このため、２本の送光ビームの一部がレ
チクルパターンに照射されて、このパターンから発生す
る回折光、さらにはレチクルマークから発生する回折光
までもウエハマークからの光情報に混入して、アライメ
ント精度を低下させ得るという問題点がある。また、上
記構成の装置において第２の受光手段（以下、レチクル
検出系と呼ぶ）は、２本の送光ビームの照射によってレ
チクルマーク（第１の回折格子）から発生した各回折光
を第３の回折格子に所定の交差角で照射しているが、上
記の同様にレチクルマークからの回折光とともに、ウエ
ハマークやレチクルパターンからの回折光がノイズ成分
として混入して第３の回折格子に照射され、これによっ
てアライメント精度が低下し得るという問題点もある。

【００２９】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
であり、ノイズ成分の混入によるアライメント精度の低
下を防止できる位置合わせ装置を得ることを目的として
いる。

【００３０】

【課題を解決する為の手段】上記問題点を解決するため
本発明においては、所定の波長域の照明光でマスクに形
成されたパターンを投影光学系を介して感光基板上に結
像投影する装置に設けられ、前記マスクに形成された第
１の回折格子と前記感光基板に形成された第２の回折格
子とを光学的に検出することにより前記マスクと感光基
板とを位置合わせする装置において、マスクに形成され
た第１の回折格子と感光基板に形成された第２の回折格
子とのいずれか一方に対物光学系を介して照明光と異な
る波長域のコヒーレントな２本のビームを所定の交差角
で入射させるとともに、その回折格子とほぼ共役な面、
もしくはその近傍の面内に第３の回折格子を配置する。
また、２本のビームが交差して照射される一方の回折格
子とほぼ共役な面内に第１の絞り部材を設けるととも
に、２本のビームが交差して照射される回折格子と異な
る他方の回折格子とほぼ共役な面内に第２の絞り部材を
設ける。さらに、一方の回折格子からほぼ同一方向に発
生した回折光同士の干渉光を、対物光学系、第１の絞り
部材、及び第２の絞り部材を介して光電検出する第１の
受光手段と、２本のビームの照射により他方の回折格子
から発生する各回折光を、対物光学系と第２の絞り部材
とを介して第３の回折格子に所定の交差角で照射し、第
３の回折格子からほぼ同一方向に発生した回折光を互い
に干渉させ、この干渉光を光電検出する第２の受光手段
を設ける。そして、第１の受光手段と第２の受光手段の
各々からの信号を比較してマスクと感光基板との相対変
位に対応した検出信号を得ることとした。

【００３１】

【作用】上記の如き構成においては、一方の回折格子と
ほぼ共役な面内に第１の絞り部材を配置し、かつ他方の
回折格子とほぼ共役な面内に第２の絞り部材を配置して
いるので、一方の回折格子から発生した回折光のみが第
１の受光手段に入射することになる。また、第２の絞り
部材によって他方の回折格子から発生した回折光のみが
第３の回折格子に照射されることになる。このため、２
本のビームの各々は分離して他方の回折格子に照射され
るが、ここでのビームの広がり等に起因して回折格子以
外から生じ得る光情報（ノイズ成分）が第１の受光手段
と第２の受光手段の各々に混入するのを防止して、アラ
イメント精度を向上されることが可能となる。

【００３２】

【実施例】次に、本発明の位置合わせ装置（アライメン
ト系）が適用される投影露光装置の全体構成の一例を図
６を参照して説明する。図６において、回路パターンや
アライメントマークを有するレチクルＲは、Ｘ、Ｙ、θ
方向に２次元移動可能なレチクルステージＲＳＴ上に保
持される。レチクルステージＲＳＴはレチクルＲの装置
内での位置決め、あるいはレチクルＲとウエハＷとのア
ライメントのために、モータ等を含むレチクルステージ
制御系１００によって駆動される。また、レチクルステ
ージＲＳＴのＸＹ平面（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと垂
直な面）内での移動位置を検出するために、レチクル干
渉計１０２が設けられている。レチクル干渉計１０２
は、レチクルステージＲＳＴ（すなわちレチクルＲ）の
Ｘ方向、Ｙ方向の移動位置と、θ方向の変位量（ＸＹ平
面内での回転量）とを計測する。

【００３３】一方、ウエハＷは２次元移動可能なウエハ
ステージＷＳＴ上に保持され、投影光学系としての縮小
投影レンズＰＬの光軸ＡＸと垂直なＸＹ平面（ウエハ干
渉計１０６によって規定される）で移動する。ウエハス
テージＷＳＴは、モータ等を含むウエハステージ制御系
１０４によって駆動制御され、その位置はウエハ干渉計
１０６によって計測される。ここで投影レンズＰＬは、
オプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）等を含
む露光用照明系１０８からの照明光（ｇ線、ｉ線、ある
いはＫｒＦエキシマレーザ等）の波長λ₀に対して良好
に色収差補正された両側テレセントリックな系（射出
瞳、入射瞳の両方がほぼ無限遠に位置する系）とする。
このため、投影レンズＰＬの瞳面（フーリエ変換面）Ｆ
Ｐ上の中心点（光軸ＡＸが通る点）を通る主光線は、レ
チクルＲ側、及びウエハＷ側において光軸ＡＸとほぼ平
行になる。そして、露光波長λ₀のもとで、レチクルＲ
のパターン面とウエハＷの表面とは、投影レンズＰＬに
関して互いに共役に配置される。

【００３４】ＴＴＲ方式のアライメント系に関しては、
ダイクロイックミラーＤＣＭの上方に、露光用照明光Ｉ
Ｌと異なる波長域のアライメント用照明光の送光／受光
を分離するためのプリズム（ビームスプリッター）６、
第１対物レンズ７等を含む複数組のアライメント光学系
を配置し、アライメントビーム送光系１１０からのアラ
イメントビームを、各アライメント光学系の第１対物レ
ンズ７へ導くようにする。尚、各アライメント光学系の
構成は同一であるので、以下本実施例では１組のアライ
メント光学系の構成のみについて説明する。

【００３５】ここで、ダイクロイックミラーＤＣＭはレ
チクルＲの上方に４５°で斜設され、露光用照明光ＩＬ
の波長に対しては９０％以上の反射率を有し、アライメ
ント用照明光の波長（通常、露光光よりも長波長）に対
しては９０％以上の透過率を有するものである。また、
各アライメント光学系は半導体素子のチップサイズ（ま
たはレチクルＲ上での照明視野）の偏光やウエハマーク
の打ち替えに応じたレチクルマークの位置変更に対応し
て、ダイクロイックミラーＤＣＭの上方で移動可能に構
成されている。

【００３６】さて、参照信号作成部１１１は基準格子板
や光電素子等から構成され、アライメントビーム送光系
１１０からのアライメントビームを送受光分離プリズム
６によって一部分岐して基準格子板（２組の参照用回折
格子）に照射し、当該回折格子からほぼ同一方向に発生
する回折光同士（干渉光）を光電検出するための系であ
る。アライメント受光系１１２は、第１対物レンズ７、
及び送受光分離プリズム６を介して、レチクルＲに形成
されたアライメントマーク（レチクルマーク）とウエハ
Ｗに形成されたアライメントマーク（ウエハマーク）の
各々からの回折光を独立に光電検出するための系であっ
て、レチクル検出系（第２の受光手段）とウエハ検出系
（第１の受光手段）とで構成されている（詳細後述）。
アライメント信号処理系１１３は、参照信号作成部１１
１やアライメント受光系１１２で光電検出された各種信
号を処理して、その処理結果（位相差情報）を中央制御
系１１４へ送る。中央制御系１１４はマイコンまたはミ
ニコンを有し、アライメント信号処理系１１３からの情
報に基づいて、レチクルマーク、ウエハマークの各位
置、あるいはその相対的な位置ずれ量を算出するととも
に、各種制御系との間のコミュニケーション、シーケン
ス、パラメータ設定、エラー処理等を統括管理する。

【００３７】次に、図１〜図５を参照して本発明の実施
例によるヘテロダイン法を適用したＴＴＲ方式のアライ
メント系の具体的な構成を説明する。本実施例では、図
４に示すレチクル上のマーク配置に基づいて、レチクル
マークＲＭａ、ＲＭｂ（第１の回折格子）の各々を照射
する２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2と、窓ＲＷを通ってウ
エハマークＷＭ（第２の回折格子）を照射する２本のビ
ームＬＢ_w1、ＬＢ_w2とを像空間では互いに分離するよう
にしたものである。

【００３８】図１では、レチクルマーク用の２本のビー
ムＬＢ_r1、ＬＢ_r2と、ウエハマーク用の２本のビームＬ
Ｂ_w1、ＬＢ_w2とが紙面と垂直な方向に関して重なってい
るため、２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2のみを図示してい
る。また、図１ではレーザ光源１、４光束発生手段２、
レンズ系３、視野絞り４、及び第２対物レンズ５が図６
中に示したアライメントビーム送光系１１０を構成し、
さらにレンズ系８、基準格子板９、及び光電検出器１０
が参照信号作成部１１１を構成している。また、レンズ
系１１から符号順に光電検出器２０までがアライメント
受光系１１２を構成し、特にレンズ系１１、プリズム
（第２の絞り部材）１２、モニター格子板１３、集光レ
ンズ１４、空間フィルター１５、及び光電検出器１６が
レチクル検出系（第２の受光手段）を、さらにレンズ系
１１、プリズム１２、視野絞り（第１の絞り部材）１
７、レンズ系（瞳結像レンズ）１８、空間フィルター１
９、及び光電検出器２０がウエハ検出系（第１の受光手
段）を構成している。

【００３９】ところで、図２は図１に示したアライメン
ト光学系を紙面と平行な方向から見た図であり、実際に
は図１を基準として示せば、参照信号作成部１１１とア
ライメント受光系１１２とが紙面と垂直な方向に延びて
配置されているはずであるが、ここでは説明を簡単にす
るため、アライメントビーム送光系１１０（視野絞り４
等）と同一紙面内に示してある。

【００４０】さて、図１に示すようにレーザ光源１はア
ライメント用照明光ＬＢを発生し、４光束発生手段２は
レチクルマーク用の２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2と、ウ
エハマーク用の２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2とを射出す
る。照明光ＬＢは露光用照明光ＩＬの波長域と異なる波
長域のレーザビームであって、例えばレジスト層に対し
てほとんど感度を持たない波長６３３nmのＨｅ−Ｎｅレ
ーザとする。

【００４１】図５は４光束発生手段２の具体的な構成の
一例を示す斜視図であって、Ｈｅ−Ｎｅレーザ管１から
の平行ビームＬＢは、ビーム径を拡大するビームエクス
パンダー２１を通り、ビームスプリッター２２で２つに
分割される。ここで分割された一方のビームＬＢ₁はミ
ラー２３で反射され、周波数シフターとしての音響光学
変調器２４（以下、単にＡＯＭ２４と呼ぶ）に入射する
とともに、分割された他方のビームＬＢ₂は音響光学変
調器２７（以下、単にＡＯＭ２７と呼ぶ）に入射する。
ＡＯＭ２４は周波数ｆ₁の高周波信号ＳＦ₁でドライブ
され、その周波数ｆ₁で決まる回折角だけ偏向された１
次回折光をビームＬＢ₁として出力する。また、ＡＯＭ
２７は周波数ｆ₁であるビームＬＢ₁との差周波数がΔ
ｆとなるように周波数ｆ₂(ｆ₂＝ｆ₁−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次回折光をビームＬＢ₂と
して出力する。

【００４２】ここで、ＡＯＭ２４、２７の各々から射出
したビームのうち＋１次回折光以外の射出ビームは、適
当な位置に配置されたスリット２５、２８によって遮光
される。また、本実施例ではＡＯＭ２４、２７のドライ
ブ周波数ｆ₁、ｆ₂を、例えば８０．０００MHz 、７
９．９５０MHz とし、その周波数差Δｆを５０KHz と低
く設定するため、２つのＡＯＭ２４、２７での１次回折
光の回折角はともに等しくなる。尚、ビームＬＢ₁、Ｌ
Ｂ₂の周波数シフターとして、ＡＯＭの代わりに光導波
路を用いても良い。

【００４３】ＡＯＭ２４により周波数ｆ₁に変調されて
射出したビームＬＢ₁は、レンズ２６によって面ＥＳに
集光した後、発散していく。また、ＡＯＭ２７により周
波数ｆ₂に変調されて射出したビームＬＢ₂は、レンズ
２９、ミラー３０、３１を介して面ＥＳで集光した後、
発散していく。面ＥＳは図２中の焦点面Ｅｐと共役な位
置であり、面ＥＳを通る２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂の
各中心線は互いに平行であり、かつ一定の間隔をもって
いる。２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂は、さらにミラー３
２を介してレンズ系（逆フーリエ変換レンズ）３３に入
射し、このレンズ系３３からは後側焦点位置で交差する
２本の平行光束として射出する。

【００４４】レンズ系３３の後側焦点面には、ビーム断
面を整形するアパーチャ板３４が配置され、ここを通過
した２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂が分割器３５に入射す
る。分割器３５は三角柱状のプリズムを背中合わせに貼
り合わせたもので、その接合面がビームスプリッター
（ハーフミラー）として作用するもので、通常の直方体
状のビームスプリッターでも良い。本実施例では、分割
器３５の接合面と一致するようにアライメント光学系の
光軸ＡＸａが設定され、２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂は
接合面から偏心した位置の斜面に入射するように設定さ
れる。これによって、分割器３５は互いに分離した４本
のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2、ＬＢ_w1、ＬＢ_w2を射出する。
このとき、ビームＬＢ_r1、ＬＢ_w1は周波数ｆ₁、ビーム
ＬＢ_r2、ＬＢ_w2は周波数ｆ₂となっている。さらに４本
のビームはレンズ系３６に入射し、その後側焦点面（面
ＥＳと共役な面）でスポット状に集光した後、レンズ系
３に入射する。

【００４５】以上の構成において、アパーチャ板３４は
ビーム断面内での強度分布を一様にする機能も有する。
通常、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光はその断面内でガウス分布の
強度を持つので、アパーチャ板３４の矩形開口の領域が
ガウス分布の中心（ピーク）付近になるようにビームエ
クスパンダー２１の拡大率を設定すると、ガウス分布の
不要な両サイドをカットすることができる。尚、４光束
発生手段２は図５に示した構成に限られるものではな
く、上記の如き分割器３５を用いずとも、例えば４組の
ＡＯＭの各々に、ミラーやビームスプリッター等によっ
てＨｅ−Ｎｅレーザ管１からの平行ビームを入射させる
ことで、４本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2、ＬＢ_w1、ＬＢ_w2
を射出するように構成しても構わない。また、図５中の
レンズ系３６と図１中のレンズ系３とでリレーレンズ系
を構成していたが、特にこのようなリレーレンズ系を用
いる必要はなく、例えばレンズ系３３の代わりにレンズ
系３を配置するとともに、レンズ系３と視野絞り４（図
１）との間の光路中に分割器３５を配置するように構成
しても良く、この場合にはレンズ系３３、アパーチャ板
３４、及びレンズ系３６が不要となる。

【００４６】さて、図１、図２に示すように４光束発生
手段２から射出された２組の２本のビーム（ＬＢ_r1、Ｌ
Ｂ_r2）と（ＬＢ_w1、ＬＢ_w2）の各々は、レンズ系３を介
して平行光束の状態で面（ウエハＷと共役な面）ＰＷ₂
に配置された視野絞り４で一度交差し、それぞれ平行四
辺形状（または矩形状や菱形状でも良い）の開口部４
ａ、４ｂを通過した後、第２対物レンズ５に達する。
尚、ここではアライメントビームの送光路中に、図１中
に示す視野絞り４と図５中に示すアパーチャ板３４とを
設けているが、特に両方とも設けておく必要はなく、い
ずれか一方のみを配置しておくだけでも良い。

【００４７】２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2は、さらに送
受光分離プリズム６、及び第１対物レンズ７を介して面
（ウエハＷと共役な面）ＰＷ₁で一度交差した後、レチ
クルＲ上のマークＲＭａ、ＲＭｂの各々を照射する。図
２に示すように２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2は、第１対
物レンズ７の前側焦点面（投影レンズＰＬの瞳面ＦＰと
共役な面）Ｅｐでは傾いた光路を通り、第１対物レンズ
７から射出するときは、第１対物レンズ７の光軸から偏
心した位置に、その光軸と平行な中心線（２本のビーム
ＬＢ_r1、ＬＢ_r2の２等分線）を有するように設定され
る。

【００４８】一方、ウエハマーク用の２本のビームＬＢ
_w1、ＬＢ_w2は、同様に送受光分離プリズム６、及び第１
対物レンズ７を介して面（ウエハ共役面）ＰＷ₁で一度
交差した後、レチクルＲ上の窓ＲＷを通過して投影レン
ズＰＬに入射し、その瞳面ＦＰで一度スポット状に集光
する。しかる後、ウエハＷ上のマークＷＭのピッチ方向
（Ｘ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ＷＭ上に異
なる２方向から所定の交差角で入射し結像（交差）す
る。２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2は、図２に示すように
焦点面Ｅｐを傾いて通り、第１対物レンズ７から射出す
るときは、２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2の各々に対して
一定間隔をあけて平行に進む。

【００４９】ここで、図３を参照して２組の２本のビー
ム（ＬＢ_r1、ＬＢ_r2）と（ＬＢ_w1、ＬＢ_w2）との幾何学
的な光学配置を簡単に説明する。図３では、第２対物レ
ンズ５と第１対物レンズ７との間に配置される送受光分
離プリズム６を省略してある。図３において、４光束発
生手段２から射出される２組の２本のビーム（ＬＢ_r1、
ＬＢ_r2）と（ＬＢ_w1、ＬＢ_w2）の各々は、レンズ系３に
よって面ＰＷ₂(ウエハ面と共役な面であって、視野絞り
４が配置される面）内で平行光束の状態で交差した後、
アライメント光学系（第２対物レンズ５）の光軸ＡＸａ
に関して対称的に傾いて第２対物レンズ５に入射する。

【００５０】さらに４本のビームは、第２対物レンズ５
によってフーリエ変換されると、焦点面（瞳面ＦＰと共
役な面）Ｅｐ上ではＸ方向（計測方向）に光軸ＡＸａを
挟んで対称的に位置する２つのスポットＳＰ₁、ＳＰ₂
になり、第１対物レンズ７に入射することになる。スポ
ットＳＰ₁はビームＬＢ_r1とＬＢ_w1とがいずれもビーム
ウエストとなる位置で交差することによって生じ、スポ
ットＳＰ₂はビームＬＢ_r2とＬＢ_w2とがいずれもビーム
ウエストとなる位置で交差することによって生じる。

【００５１】ところで、本実施例ではヘテロダイン法を
採用しているため、レチクルＲやウエハＷの位置ずれ量
を検出するのに基準信号（参照信号）が必要となる。そ
こで、図１、図２に示すようにアライメント光学系の光
路中の送受光分離プリズム６の位置で、４本のビームを
一部分岐して参照信号作成部１１１（図６）、すなわち
レンズ系（逆フーリエ変換レンズ）８に入射させる。こ
れによって、図２に示すように２本のビームＬＢ_r1、Ｌ
Ｂ_r2は平行光束となって、レンズ系８の後側焦点面に配
置された基準格子板９の上半分に形成した参照用回折格
子９ｍｒ上で交差する一方、２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ
_w2も平行光束となって基準格子板９の下半分に形成した
参照用回折格子９ｍｗ上で交差する。図２に示すように
基準格子板９、すなわち参照用回折格子９ｍｒ、９ｍｗ
の各々からは、レチクル用の２本の送光ビームＬＢ_r1、
ＬＢ_r2から作られた干渉ビームＢＴＳｒと、ウエハ用の
２本の送光ビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2から作られた干渉ビー
ムＢＴＳｗとが分離して発生し、これらは光電検出器１
０Ｒ、１０Ｗによって個別に受光される。

【００５２】ここで、図１に示すように光電検出器１０
Ｗは２組の受光素子（もしくは２分割受光素子）を有
し、例えば回折格子９ｍｗを通過したビームＬＢ_w1の０
次回折光と、これと同軸に進むビームＬＢ_w2の＋１次回
折光との干渉ビームＢＴＳ_w1、及びビームＬＢ_w1の−１
次回折光と、これと同軸に進むビームＬＢ_w2の０次回折
光との干渉ビームＢＴＳ_w2を、それぞれ独立に受光（光
電変換）するように構成されている。それら２つの干渉
ビームＢＴＳ_w1、ＢＴＳ_w2の強度に応じた正弦波状の光
電信号は不図示のアンプによって加算され、この結果得
られる光電信号ＳＲｍは、ビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2の差周
波数Δｆに比例した周波数となり、ビート信号（交流信
号）となる。ここで、回折格子９ｍｗの格子ピッチはビ
ームＬＢ_w1、ＬＢ_w2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。

【００５３】尚、光電検出器１０Ｗは上記２つの干渉ビ
ームＢＴＳ_w1、ＢＴＳ_w2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ビーム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、基準格子板９と光電検出器１０Ｗとの間隔を短く
することができるといった利点がある。ここではウエハ
用の２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2、回折格子９ｍｗ、及
び光電検出器１０Ｗのみについて説明したが、レチクル
用の２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2、回折格子９ｍｒ、及
び光電検出器１０Ｒ（図２）についても上記と全く同様
であるので説明は省略する。上記の如く光電検出器１０
Ｒ、１０Ｗの各々から得られる基準信号ＳＲｍ、ＳＲｗ
はアライメント信号処理系１１３に出力される。

【００５４】さて、送受光分離プリズム６を通過して第
１対物レンズ７を射出した４本のビームは、面ＰＷ₁(ウ
エハＷと共役な面）で平行光束の状態で交差した後、ア
ライメント光学系の光軸ＡＸａに関して対照的に傾い
て、図４に示すようにレチクルＲ上に照射される。レチ
クル用の２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2の各々はレチクル
マークＲＭａ、ＲＭｂのみをほぼカバーする大きさの断
面（平行四辺形、矩形、または菱形）をもつ平行光束と
して照射され、ウエハ用の２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2
の各々は窓ＲＷ内のみを通過する大きさの断面（平行四
辺形、矩形、または菱形）をもつ平行光束として照射さ
れる。本実施例では、視野絞り４の開口部４ａ、４ｂの
各々を同一形状、寸法にすると、４本のビームのレチク
ルＲ上での各断面形状５０ａ、５０ｂは全て同じ寸法と
なる。

【００５５】ここで、図４に示したマーク配置について
簡単に説明する。図４において、パターン領域を囲む一
定幅の遮光帯（クロム層）ＬＳＢの中にあって、レチク
ル用の２本のビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2の各照射領域内に
は、マーク位置計測方向（ここではＸ方向）に関して所
定間隔だけ離れ、かつＸ方向にピッチを有する２組の回
折格子状のマークＲＭａ、ＲＭｂ（第１の回折格子であ
って、デューティは１：１）がともにピッチＰ_Rで形成
されている。さらに、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂの
ピッチ方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）には、
ウエハ用の２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2をウエハＷ上の
マークＷＭに照射するための窓ＲＷが形成されている。

【００５６】図１中に示したウエハマークＷＭはウエハ
Ｗ上の１つのショット領域に付随して設けられ、かつＸ
方向にピッチを有する回折格子状のマークであり、レチ
クルパターンの投影像とウエハ（ショット領域）とのア
ライメントが達成された状態では、４本のアライメント
ビームの波長λ₁に対して投影レンズＰＬが倍率色収差
（横の色収差）を有するため、図４のように窓ＲＷとレ
チクルマークＲＭａ、ＲＭｂとの間の凸状の遮光部の直
下に位置する。つまり、露光波長のもとで凸状遮光部と
ウエハマークＷＭとが結像関係となる。従って、この状
態で露光が行われても、ウエハマークＷＭには窓ＲＷを
通過した露光用照明光ＩＬが照射されることがなく、保
護されることになる。

【００５７】ところで、ウエハ用の２本のビームＬ
Ｂ_w1、ＬＢ_w2は、極力窓ＲＷのエッジにかからないよう
に設定され、この２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2は窓ＲＷ
を介して投影レンズＰＬに入射し、その瞳面ＦＰにおい
て瞳中心（光軸ＡＸ）に関してほぼ点対称となるように
一度スポット状に集光した後、ウエハマークＷＭ上で交
差し、干渉縞が生成される。ここで、２本のビームＬＢ
_w1、ＬＢ_w2が交差角２θ_WでウエハマークＷＭに入射す
ると、ビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2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、ウエ
ハマークＷＭのピッチＰ_Wに対して１／Ｎ倍（Ｎは自然
数）のピッチＰ_f（本実施例ではＰ_f＝Ｐ_W／２と定め
る）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ＷＭのピッチ方向（Ｘ方向）に、ビ
ームＬＢ_w1、ＬＢ_w2の差周波数Δｆに対応して移動する
（流れる）ことになり、その速度ＶはＶ＝Δｆ・Ｐ_fな
る関係式で表される。また、交差角２θ_Wはアライメン
トビームＬＢの波長をλとすると、 sinθ_W＝λ／Ｐ_W
なる関係式を満足するように定められる。

【００５８】この結果、ウエハマークＷＭからは干渉縞
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
面になる±１次回折光が発生する。このマークＷＭから
ほぼ垂直に発生する干渉ビーム（±１次回折光の干渉）
ＢＴＷは投影レンズＰＬに入射し、その瞳面ＦＰの中心
を通るように光軸ＡＸに沿って逆進する。さらにレチク
ルＲの窓ＲＷの中央部を、ほぼ矩形の断面形状５０ｃの
平行光束となって通過する（図４）。断面形状５０ｃの
寸法は２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2によって、ウエハＷ
上での照射領域の形状とウエハマークＷＭの外形との重
複領域の寸法、形状で決まる。

【００５９】ここで、図４中の直線Ｌａはレチクルマー
クＲＭａ、ＲＭｂと窓ＲＷとの計測方向（Ｘ方向）に関
する中心線を表し、この直線Ｌａの矢印方向が回路パタ
ーン領域のほぼ中心に向かうように配置される。さら
に、窓ＲＷとレチクルマークＲＭａ、ＲＭｂとの間でＸ
方向に伸びた破線Ｌｂは、露光用照明系１０８内に設け
られた結像式レチクルブラインド（照明視野絞り）のエ
ッジ像を表し、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂに露光光
が照射されることを防止している。つまり、レチクルブ
ラインドによって規定される照明領域Ｌｂは、回路パタ
ーン領域と窓ＲＷとを含む範囲の大きさ、すなわちウエ
ハ上で１つのショット領域とその周囲４辺のストリート
ラインとをカバーする大きさに設定される。尚、遮光帯
ＬＳＢの幅はウエハ上のストリートラインの幅の１／Ｍ
倍（投影レンズＰＬの露光波長のもとでの投影倍率をＭ
とする）以上の値に設定される。

【００６０】さて、ウエハマークＷＭからの干渉ビーム
ＢＴＷは窓ＲＷを通過した後、図２に示すように第１対
物レンズ７によって焦点面Ｅｐ内の中心点（光軸ＡＸａ
が通る点）でスポット状に集光する。さらに送受光分離
プリズム６で反射されてアライメント受光系１１２（ウ
エハ検出系）、すなわちレンズ系１１に導かれ、平行光
束となってプリズム１２及び視野絞り（第１の絞り部
材）１７を通過する。

【００６１】プリズム（第２の絞り部材）１２は、レチ
クルＲのパターン面とほぼ共役な面内に配置されてお
り、ウエハマークＷＭからの光情報とレチクルマークＲ
Ｍａ、ＲＭｂからの光情報とを分離するものである。す
なわちプリズム１２は、レチクルＲの窓ＲＷと共役な位
置に、その窓ＲＷとほぼ同一形状、大きさ（但し、第１
対物レンズ７とレンズ系１１との合成系の倍率が１倍の
とき）の矩形開口１２ａが形成されたミラーであって、
ウエハマークＷＭからの光情報、特に本実施例では干渉
ビームＢＴＷ（及び後述の０次回折光ＤＷ₁、ＤＷ₂)の
み通過させ、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂからの光情
報（後述の１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂)は反射して、後述
のレチクル検出系（モニター格子板１３）に導く。尚、
上記合成系の倍率が１倍以外のときは、その倍率に応じ
て矩形開口１２ａの大きさを定める必要がある。また、
矩形開口１２ａは干渉ビームＢＴＷのみを通過させるよ
うに形成しておいても構わない。

【００６２】また、視野絞り（第１の絞り部材）１７は
面ＰＷ₃内に配置されており、この面ＰＷ₃は第１対物
レンズ７とレンズ系１１との合成系に関して面（ウエハ
共役面）ＰＷ₁とほぼ共役な位置にある。視野絞り１７
には、面ＰＷ₃内でアライメント光学系の光軸ＡＸａに
対して偏心した位置（すなわちウエハマークＷＭと共役
な位置）に、ウエハマークＷＭとほぼ同一形状、大きさ
（面積）の開口（不図示）が形成されており、ここでノ
イズ成分（マークＷＭ以外からの回折光等）をカットし
てウエハマークＷＭからの回折光のみ通過させる。尚、
視野絞り１７の上記開口の大きさは、ウエハマークＷＭ
（のマーク形成領域）の大きさ、及び第１対物レンズ７
とレンズ系１１との合成系や投影レンズの倍率に応じて
定められる。

【００６３】尚、プリズム１２は窓ＲＷと共役な位置の
みに矩形開口１２ａを有するものとしたが、レチクルマ
ークＲＭａ、ＲＭｂからの光情報、特に１次回折光ＤＲ
₁、ＤＲ₂のみをレチクル検出系に導くため、換言すれ
ばレチクル検出系へのノイズ成分（例えばレチクルパタ
ーンやウエハマークＷＭからの回折光等）の混入を防止
するため、１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂の各照射領域、す
なわちレチクルマークＲＭａ、ＲＭｂの各々と共役な部
分領域のみに、クロム等の遮光層を形成しておくだけで
も良い。このとき、上記ノイズ成分はウエハマークＷＭ
からの干渉ビームＢＴＷ等とともにウエハ検出系、すな
わち光電検出器２０に入射し得るが、本実施例では視野
絞り１７（さらには後述の空間フィルター１９）によっ
て上記ノイズ成分を除去できるようにも構成されてい
る。

【００６４】ところで、ウエハ用の２本のビームＬ
Ｂ_w1、ＬＢ_w2はいずれも対称的な入射角θ_Wでウエハマ
ークＷＭを照射するので、各ビームによる０次回折光Ｄ
Ｗ₁、ＤＷ₂は２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2の各光路を
そのまま逆進することになる。この２つの０次回折光Ｄ
Ｗ₁、ＤＷ₂もプリズム１２（開口１２ａ）を通過し
て、視野絞り１７（面ＰＷ₃)上で交差する平行光束とな
る。ここで面ＰＷ₃内で干渉ビームＢＴＷと０次回折光
ＤＷ₁、ＤＷ₂とは互いに交差し合うため、面ＰＷ₃で
の交差部の断面形状は送光ビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2の断面
形状（すなわち視野絞り４の開口４ｂの形状）と相似と
なる。

【００６５】さらに視野絞り１７を通過した干渉ビーム
ＢＴＷ、及び０次回折光ＤＷ₁、ＤＷ₂はレンズ系（フ
ーリエ変換レンズ）１８に入射し、その後側焦点面（焦
点面Ｅｐと共役なフーリエ変換面）Ｅｐ₁内に配置され
た空間フィルター１９上でスポット状に集光する。ここ
で０次回折光ＤＷ₁、ＤＷ₂やノイズ成分（プリズム１
２で除去しきれなかったレチクルマークからの回折光
等）がカットされ、干渉ビームＢＴＷのみが光電検出器
２０に受光される。光電検出器２０は干渉ビームＢＴＷ
に対応した光電信号を作り、この光電信号は干渉縞の明
暗変化の周期に応じた正弦波状の交流信号、すなわち周
波数差Δｆのビート周波数をもつビート信号ＳＤ_Wとな
ってアライメント信号処理系１１３（図６）に出力され
る。

【００６６】尚、干渉ビームＢＴＷの集光位置近傍のみ
に受光面を有する光電検出器を用いれば、当然ながら空
間フィルター１９を設ける必要がなくなる。また、干渉
ビーム（±１次回折光の干渉）ＢＴＷ以外にも、先に述
べたビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2の主光線と全く同軸に戻るビ
ームＬＢ_w1の０次回折光ＤＷ₁とビームＬＢ_w2の−２次
回折光との干渉ビーム、及びビームＬＢ_w1の＋２次回折
光とビームＬＢ_w2の０次回折光ＤＷ₂との干渉ビーム
を、それぞれ独立に面Ｅｐ₁に配置した空間フィルター
１９で抽出して光電検出器２０で受光するようにしても
良い。この場合、これら２つの干渉ビームの強度に応じ
た正弦波状の光電信号（ビート信号）のいずれか一方、
あるいは２つの光電信号をアンプにて加算して得たビー
ト信号を、先のビート信号ＳＤ_Wの代わりに用いる、も
しくはこの２つのビート信号の各々（または加算して得
たビート信号）とビート信号ＳＤ_Wとを、例えばその信
号振幅等に応じて使い分けるようにしても構わない。

【００６７】一方、ビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2が照射される
レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂの格子ピッチＰ_Rは、面
ＰＷ₁でのビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2の交差角２θ_Rに応じ
て、以下のように定められている。但し、Ｍ_ALはアライ
メント波長λ₁のもとでの投影レンズＰＬの投影倍率で
ある。

【００６８】

【数４】

【００６９】従って、レチクルマークＲＭａから発生す
る１次回折光ＤＲ₁(周波数ｆ₁)と、レチクルマークＲＭ
ｂから発生する１次回折光ＤＲ₂(同ｆ₂)とが、送光ビー
ムＬＢ_r1、ＬＢ_r2の各々の光路を逆進し、第１対物レン
ズ７、送受光分離プリズム６、レンズ系１１、及びプリ
ズム１２を介して面ＰＷ₄上で平行光束となって交差す
る。面ＰＷ₄はレンズ系１１の後側焦点面、すなわち面
ＰＷ₁と共役な面であって、透過型のモニター格子板１
３（第３の回折格子）が配置されている。ここで、１次
回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂が交差する部分の面ＰＷ₄内での
断面形状は、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂの外形とほ
ぼ相似となっている。

【００７０】さて、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂから
の１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂はモニター格子板１３上で
交差し、ここにその周波数差Δｆに対応してピッチ方向
に流れる１次元の干渉縞が作られることになる。ここ
で、本実施例では説明を簡単にするため、面ＰＷ₁とモ
ニター格子板１３との間の倍率を等倍（１倍）とし、モ
ニター格子板１３の格子ピッチＰ_GRをＰ_GR＝２×Ｐ_Rに
設定しておくものとする。また、ウエハマークＷＭから
の干渉ビームＢＴＷ及び０次回折光ＤＷ₁、ＤＷ ₂とレ
チクルマークＲＭａ、ＲＭｂからの１次回折光ＤＲ₁、
ＤＲ₂とはプリズム１２で分離されるとともに、像面
（例えば面ＰＷ₄)内で空間的に分離しているので、ここ
では１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂による干渉縞の大きさ、
位置に応じてモニター格子板１３を面ＰＷ₄内に配置し
ておく。

【００７１】この結果、１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂がモ
ニター格子板１３に入射すると、モニター格子板１３か
らは再回折された±１次回折光が同軸に進み、この干渉
ビームＢＴＲ（平行光束）はレンズ系（フーリエ変換レ
ンズ）１４、及びその後側焦点面Ｅｐ₂(焦点面Ｅｐと共
役な面）に配置された空間フィルター１５を介して光電
検出器１６に受光される。空間フィルター１５は干渉ビ
ームＢＴＲのみを通過させ、これ以外の回折光はカット
する。光電検出器１６からの干渉ビームＢＴＲに対応し
た光電信号（ビート信号）ＳＤ_R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となってアライメン
ト信号処理系１１３に出力される。

【００７２】尚、上記の如く１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂
はプリズム（第２の絞り部材）１２を介してモニター格
子板１３に照射されるが、このときノイズ成分、例えば
レチクルパターンやウエハマークＷＭからの回折光、レ
チクルマークＲＭからの上記回折光を除く回折光等もモ
ニター格子板１３に照射され得る。そこで、モニター格
子板１３上に形成する回折格子（第３の回折格子）を、
面ＰＷ₁内での１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂の交差領域と
ほぼ共役な位置に、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂの外
形とほぼ同一形状、大きさで形成する。換言すれば、面
ＰＷ₄内で１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂が交差する領域
（干渉縞の形成領域に相当）内のみに回折格子を形成し
ておくことが望ましい。また、プリズム１２上でウエハ
マークＷＭからの干渉ビームＢＴＷ、及び０次回折光Ｄ
Ｗ₁、ＤＷ₂と、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂからの
１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂とが、図４中でＹ方向（非計
測方向）に十分に分離するように、レチクルマークＲＭ
ａ、ＲＭｂと窓ＲＷとのＹ方向の間隔を広げておくこと
が望ましい。これにより、プリズム１２においてウエハ
マークＷＭからの光情報とレチクルマークＲＭａ、ＲＭ
ｂからの光情報とを分離し易くなり、レチクル検出系と
ウエハ検出系の各々へのノイズ成分の混入を低減でき
る。

【００７３】さて、図６中に示したアライメント信号処
理系１１３は、参照信号作成部１１１、すなわち光電検
出器１０Ｒから得られる参照信号ＳＲ_rと、レチクル検
出系（光電検出器１６）から得られるビート信号ＳＤ_R
との位相差Φ_R、及び光電検出器１０Ｗから得られる参
照信号ＳＲ_Wと、ウエハ検出系（光電検出器２０）から
得られるビート信号ＳＤ_Wとの位相差Φ_Wを検出し、こ
の位相差情報を中央制御系１１４に出力する。これらの
４つの信号ＳＲ_r、ＳＲ_W、ＳＤ_R、ＳＤ_Wは、いずれ
も周波数Δｆのビート周波数である。また、位相差Φ_R
はレチクルマークＲＭａ、ＲＭｂのピッチＰ_Rの１／２
の位置ずれに対して２π（１周期）だけ変化し、位相差
Φ_WもウエハマークＷＭのピッチＰ_Wの１／２の位置ず
れに対して２πだけ変化する。中央制御系１１４は、ア
ライメント信号処理系１１３からの位相差情報に基づい
てレチクルマークＲＭとウエハマークＷＭとの相対位置
ずれを、格子ピッチＰ_Wの±Ｐ_W／４の範囲内で高精度
に算出し、さらに位置ずれ量をほぼ零とするようにレチ
クルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴの両方、ま
たは一方を制御する。

【００７４】ところで、本実施例では図１、図２に示す
ようにモニター格子板１３が斜めに配置されている。こ
れは、露光すべきパターンのサイズの変更やウエハマー
クの打ち替えに応じて、レチクルＲ上でレチクルマーク
ＲＭを任意の位置に設定する必要があるため、そのマー
クＲＭの位置に対応して第１対物レンズ７をダイクロイ
ックミラーＤＣＭの上方で移動することになる。このた
め、第１対物レンズ７とレンズ系１１との合成系におい
てレチクルマークＲＭの位置変更に対応してアライメン
トビームの倍率も変化し、モニター格子板１３の格子ピ
ッチＰ_GRと、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂからの１次
回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂によって生成される干渉縞のピッ
チＰ_Gfとの関係（例えばＰ_Gf＝Ｐ_GR／２）が変化し得る
ことになる。そこで、モニター格子板１３のピッチ方向
と垂直な方向を回転軸とし、図１の紙面内でモニター格
子板１３を回転可能に構成しておけば、モニター格子板
１３を傾けて設定することにより格子ピッチを見掛け上
変化させ、常にモニター格子板１３の格子ピッチと干渉
縞のピッチとが一定の関係となるように調整できる。こ
のような構成を採ることによって、第１対物レンズ７や
レンズ系１１をズームレンズ系としてその焦点距離を任
意に調整可能に構成するよりも簡単にピッチ調整を行う
ことが可能となる。

【００７５】さらに本実施例では、第１対物レンズ７と
第２対物レンズ５との間の光路中に送受光分離プリズム
（光分割器）６を配置することによって、２組の２本の
送光ビーム（ＬＢ_r1、ＬＢ_r2）、（ＬＢ_w1、ＬＢ_w2）の
各々を一部分岐して参照信号作成部１１１（レンズ系
８）に導くとともに、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂか
らの１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂をレチクル検出系（モニ
ター格子板１３等）へ、ウエハマークＷＭからの干渉ビ
ームＢＴＷをウエハ検出系（光電検出器２０等）へ導く
ように構成した。この結果、参照信号作成部１１１、レ
チクル検出系、及びウエハ検出系を近接して配置するこ
とができ、これらを一体に熱膨張率の低い１枚の金属板
ＰＴ（図１中に点線、インバー等が望ましい）上に固定
することが可能となる。このような構成を採ることによ
って、特にモニター格子板１３と基準格子板９とは温度
変動があってもほとんど同じように動くので、温度変動
による位置ずれの影響をキャンセル（相殺）でき、アラ
イメント精度の低下を防止することが可能となる。

【００７６】ところで、露光すべきレチクルパターンの
サイズ等に応じてレチクルマークの位置も変更されるこ
とから、そのマーク位置に対応して第１対物レンズ７の
観察位置を移動する必要がある。ここで、図１、図２で
は構成を分かり易く図示するため、アライメント光学系
をレチクルＲの上方に延ばして示していたが、実際に
は、例えば図７に示すように、第１対物レンズ７の上方
には折り返しミラーＭＲ ₁が配置されており、ミラーＭ
Ｒ₁と第１対物レンズ７とが一体に固定された保持金物
（不図示）を移動することによって、第１対物レンズ７
の観察位置を少なくともレチクルＲ上でその中心を通る
放射方向の線上で自由に変更できるように構成されてい
る。尚、図７では送受光分離プリズム６を図示していな
いが、第１対物レンズ７（ここではミラーＭＲ₁）と第
２対物レンズ１１との間の光路中に配置される。

【００７７】しかしながら、第１対物レンズ７の移動に
伴って、各共役点（ウエハマークやレチクルマークと共
役な点）が移動してしまうことになる。そこで、本実施
例では第１対物レンズ７と第２対物レンズ（５または１
１）とを、第１対物レンズ７の検出側焦点位置（前側焦
点位置）と第２対物レンズ１１のレチクル側焦点位置
（後側焦点位置）とがほぼ一致するように配置し、かつ
各対物レンズ７、１１の焦点距離と第１対物レンズ７の
移動量とを制限することによって、光路長を補正するた
めの光学系（例えばトロンボーン光学系等）を使用せず
に、実用上全く問題なく簡単な構成のまま、第１対物レ
ンズ１の観察位置を移動可能としている。以下、図７〜
図９を参照して上記構成について詳細に説明する。

【００７８】一般に、第１対物レンズ、第２対物レンズ
の焦点距離をｆ₁、ｆ₂とすると、第１対物レンズと第
２対物レンズとの主平面間距離が（ｆ₁＋ｆ₂＋ｅ）
で、物体が第１対物レンズの焦点位置よりもΔだけ遠い
所にある場合、像の位置は次式で表される距離δだけ第
２対物レンズの焦点位置より近くになる。

【００７９】

【数５】

【００８０】さて、本実施例では図１に示したように、
レチクルＲと共役な位置とウエハＷと共役な位置の各々
に、第２の絞り部材（プリズム１２）と第１の絞り部材
（視野絞り１７）とを設けている。この際、第１対物レ
ンズ７の移動に伴う（すなわち数式５のｅの変化に対す
る）レチクル共役位置、及びウエハ共役位置の各移動量
が第２対物レンズの焦点深度内となっていれば、特別な
光路長補正光学系（トロンボーン光学系等）は不要とな
る。

【００８１】ところで、図１、図２に示したアライメン
ト光学系においては、第１対物レンズ７によって２組の
２本の送光ビーム（ＬＢ_r1、ＬＢ_r2）、（ＬＢ_w1、ＬＢ
_w2）の各々をウエハ共役位置（図１中の面ＰＷ₁)で交差
させるので、第１対物レンズ７の物体側ではレチクルＲ
（パターン面）の位置とウエハ共役位置とは、投影レン
ズＰＬの露光光とアライメント光との軸上色収差量に相
当する距離ΔＬだけ離れることになる。そこで、可動の
第１対物レンズ７と固定の第２対物レンズ１１とを用い
て、レチクル像とウエハ共役像とを特別な光路長補正光
学系を用いることなくリレーする方法を以下に述べる。

【００８２】第１の例として、図７に示すように第１対
物レンズ７の後側焦点位置に、ウエハ共役面Ｗ’を一致
させた状態を保ちながら、第１対物レンズ７と第２対物
レンズ１１との間隔を変化させることにより第１対物レ
ンズ７を可動とする。図７では、第１対物レンズ７とミ
ラーＭＲ₁とを一体に固定した状態で、第１対物レンズ
７をレチクル面とほぼ平行に移動するような構成とす
る。

【００８３】このような構成において、第１対物レンズ
７と第２対物レンズ１１との主平面間距離を、第１対物
レンズ７、第２対物レンズの焦点距離ｆ₁、ｆ₂と、レ
ンズ間隔の変動分ｅとの和（ｆ₁＋ｆ₂＋ｅ）として表
すと、ウエハ共役位置は第２対物レンズ１１の焦点位置
Ｗ''になり、レチクル共役位置は第２対物レンズ１１の
焦点位置よりｆ₂ ²・ΔＬ／（ｆ₁ ²−ｅ・ΔＬ）だけレチ
クル側の位置Ｒ’になる。つまり、第１対物レンズ７の
移動に対して、ウエハ共役位置Ｗ''は変わらず、レチク
ル共役位置Ｒ’が移動することになる。

【００８４】そこで、第２対物レンズ１１による像の焦
点深度をＤ₂とすると、第１対物レンズ７の可動範囲
は、レンズ間隔の変動分ｅの不等式として次式のように
表される。

【００８５】

【数６】

【００８６】第１対物レンズ７、第２対物レンズ１１の
焦点距離ｆ₁、ｆ₂をそれぞれ２００ｍｍ、２４０ｍｍ
とし、投影レンズＰＬの軸上色収差量ΔＬを４０ｍｍ、
焦点深度Ｄ₂をウエハ上で６μｍピッチの格子が解像で
きる範囲、ここでは約１ｍｍとすると、第１対物レンズ
７の可動範囲（変動分ｅ）は、−１７．６７ｍｍから＋
１７．０６ｍｍまでの比較的広い範囲を得ることができ
る。

【００８７】さらに、第１対物レンズ７の可動範囲を広
くするため、図８に示すように第１対物レンズ７の焦点
面を、レチクルＲ（パターン面）とウエハ共役面Ｗ’と
の間に設定する。このような配置を採ると、第１対物レ
ンズ７と第２対物レンズ１１とでリレーされるレチクル
共役位置Ｒ’とウエハ共役位置Ｗ''はともに、第１対物
レンズ７の移動に伴ってシフト（移動）することにな
る。つまり、第２対物レンズ１１によってレチクル共役
位置Ｒ’とウエハ共役位置Ｗ''の各々は、第２対物レン
ズ１１の後側焦点位置に対して次式のような位置にでき
る。

【００８８】

【数７】

【００８９】そこで、第１対物レンズ７の移動に対し
て、レチクル共役位置Ｒ’及びウエハ共役位置Ｗ''がと
もに、第２対物レンズ１１による像の焦点深度Ｄ₂の範
囲以内に入るためには、第１対物レンズ７の可動範囲
（移動量）ｅが次式のように制限される。

【００９０】

【数８】

【００９１】さて、図７に示した系と同様に、第１対物
レンズ７、第２対物レンズ１１の焦点距離ｆ₁、ｆ₂を
それぞれ２００ｍｍ、２４０ｍｍとし、投影レンズＰＬ
の軸上色収差量ΔＬを４０ｍｍ、焦点深度Ｄ₂を１ｍｍ
とすると、第１対物レンズ７の可動範囲（変動分ｅ）
は、−６７．１１ｍｍから＋６７．１１ｍｍまでのかな
り広い範囲を得ることができる。

【００９２】さらに、図９に示すように第１対物レンズ
７と第２対物レンズ１１とのリレー系の間に、さらにミ
ラーＭＲ₂を追加配置することによって、レチクルＲ上
でアライメント光学系（第１対物レンズ７）を２次元移
動可能とすることができる。図９の例では、Ｘ方向（例
えばレチクルパターンのサイズ変更に応じて第１対物レ
ンズ７を移動する方向であって、レチクル中心へ向かう
方向）への移動においては、ミラーＭＲ₁と第１対物レ
ンズ７とを一体に保持金物（図中の点線で囲んだ部分に
相当）に固定して移動するようにし、Ｙ方向（例えばウ
エハマークの打ち替えに応じて第１対物レンズ７を移動
する方向であって、レチクルのパターン領域に沿った方
向）への移動においては、さらにミラーＭＲ₂までも一
体に保持金物（図中の一点鎖線で囲んだ部分に相当）に
固定して移動すれば良い。尚、Ｘ、Ｙ方向への第１対物
レンズ７の各移動量は、上記と全く同様の手法にて定め
られる。また、図９において第１対物レンズ７をミラー
ＭＲ₁とレチクルＲとの間に配置しても良い。

【００９３】以上、図７〜図９を参照してアライメント
光学系（第１対物レンズ７）の移動機構について説明し
たが、図１中に示した第１対物レンズ７（可動）と第２
対物レンズ５（固定）とを、上記と全く同様にリレー系
として構成してその可動範囲を定めれば、レチクルＲ上
で第１対物レンズ７を移動しても、ビーム送光系におい
て共役関係が崩れることはない。尚、第１対物レンズ７
の可動範囲（移動量）は、ビーム受光系（レンズ系１
１）とビーム送光系（第２対物レンズ５）の各々で定め
られる範囲によって決定される。

【００９４】次に、本実施例による装置の動作（アライ
メントシーケンス）を簡単に説明する。図６に示したス
テッパーでは、まずレチクルアライメント系（不図示）
によりレチクルＲのアライメントを行い、装置に対して
レチクルＲを所定精度で位置決めした後、レチクルステ
ージＲＳに真空吸着する。しかる後、第１対物レンズ７
の光軸ＡＸａがＹ方向に関してレチクルマークＲＭａ、
ＲＭｂと窓ＲＷとのほぼ中央、Ｘ方向に関してレチクル
マークＲＭａとＲＭｂとのほぼ中央にくるまで第１対物
レンズ７を移動して、アライメント系の観察位置を調整
する。次に、ウエハステージＷＳＴをステッピングさせ
て、ウエハＷ上の１つのショット領域の中心とレチクル
Ｒの中心とをほぼ一致させる。このとき、ウエハＷのグ
ローバルアライメントがオフアクシス方式のアライメン
ト系（不図示）により正しく行なわれているものとする
と、両者の位置ずれはウエハＷ上で±１μｍ程度以下で
ある。従って、ウエハＷ上のマークＷＭはレチクルＲの
窓ＲＷを通して観察できる位置にくる、つまりビームＬ
Ｂ_w1、ＬＢ_w2に対して常にウエハマークＷＭ（ピッチＰ
_W＝２μｍとする）が±Ｐ_W／４以内に位置決めされる
ことになる。

【００９５】次に、アライメント系によりレチクルＲと
ウエハＷとの位置合わせを実行する。ビームＬＢ_r1、Ｌ
Ｂ_r2をレチクルＲに照射すると、レチクルマークＲＭ
ａ、ＲＭｂから発生する１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂がモ
ニター格子板１３に入射し、光電検出器１６はモニター
格子板１３から再回折した干渉ビームＢＴＲを受光して
ビート信号ＳＤ_Rをアライメント信号処理系１１３に出
力する。これによって、アライメント信号処理系１１３
は光電検出器１０Ｒからの参照信号ＳＲ_rに対する位相
差Φ_Rを求めて記憶する。このとき、レチクルＲのずれ
量ΔＸ_Rは以下に示す数式９から算出される。

【００９６】

【数９】

【００９７】一方、ビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2をウエハマー
クＷＭに照射すると、光電検出器２０は干渉ビームＢＴ
Ｗのみを抽出して受光し、そのビート信号ＳＤ_Wをアラ
イメント信号処理系１１３に出力する。アライメント信
号処理系１１３は参照信号ＳＲ_Wに対する位相差Φ_Wを
求めて記憶する。このとき、ウエハＷのずれ量ΔＸ
_Wは、以下に示す数式１０から算出される。

【００９８】

【数１０】

【００９９】しかる後、中央制御系１１４は先に求めた
位相差Φ_R、Φ_Wに基づいて、以下に示す数式１１から
レチクルＲとウエハＷとの相対的な位置ずれ量ΔＸを算
出する。

【０１００】

【数１１】

【０１０１】さらに中央制御系１１４は、ステージ制御
系１００または１０４を用いて上記ずれ量ΔＸが一定
値、もしくは零となるようにレチクルステージＲＳＴ、
またはウエハステージＷＳＴを微動させ、レチクルパタ
ーンの投影像とショット領域とを正確に重ね合わせる。
この結果、本実施例では第１対物レンズ７の移動に伴っ
てアライメント系全体が傾いたとしてもアライメント誤
差は生じず、極めて高精度のアライメントが達成され
る。このとき、ずれ量ΔＸが所定の許容範囲（例えば、
±０．１０μｍ）以内に入った時点で、露光照明系１０
８からの露光光ＩＬがレチクルＲに照射されることにな
る。

【０１０２】尚、本実施例ではダイクロイックミラーＤ
ＣＭを設けているため、露光動作中もレチクルＲとウエ
ハＷ（ショット領域）とのずれ量ΔＸを常時検出でき、
そのずれ量ΔＸが許容範囲内にあるようにレチクルステ
ージＲＳＴ、またはウエハステージＷＳＴをフィードバ
ック制御することが可能であり、露光動作中に生じ得る
不要な振動による像ぶれがなくなるといった利点が得ら
れる。また、レチクル検出系において１次回折光Ｄ
Ｒ₁，ＤＲ₂によって作られる干渉縞のピッチとモニタ
ー格子板１３の格子ピッチとを等しくなるように定め、
参照信号作成部１１１と全く同様の方式でビート信号Ｓ
Ｄ_Rを得るようにしても良い。

【０１０３】以上の通り本発明の実施例では、２組の２
本の送光ビーム（ＬＢ_r1、ＬＢ_r2）、（ＬＢ_w1、Ｌ
Ｂ_w2）の各々を、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂとウエ
ハマークＷＭとに照射するようにしていたが、例えば２
本の送光ビームをレチクルＲ上でＹ方向（非計測方向）
に拡大して照射するようにすれば、２本の送光ビームの
みで上記実施例と同様にレチクルＲＭａ、ＲＭｂとウエ
ハマークＷＭの各々から回折光（ＤＲ₁、ＤＲ₂及び干
渉ビームＢＴＷ）を得ることができる。

【０１０４】また、上記実施例では２本の送光ビームＬ
Ｂ_w1、ＬＢ_w2をウエハＷ上で交差させていたが、レチク
ル用の２本の送光ビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2をレチクルＲ上
で交差させ、ウエハ用の２本の送光ビームＬＢ_w1、ＬＢ
_w2はウエハＷ上で分離するように照射しても構わない。
さらに、上記実施例では１次回折光ＤＲ₁、ＤＲ₂が２
本の送光ビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2の各主光線と同軸に戻る
ようにレチクルマークＲＭａ、ＲＭｂの格子ピッチＰ_R
を定めていたが、ビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2の各主光線と同
軸に戻る回折光であれば１次回折光以外であっても使用
して構わない。例えば、格子ピッチＰ_RをＰ_R＝λ／ s
inθ_Rとし、レチクルマークＲＭａ、ＲＭｂのデューテ
ィ比を変えると、ビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2の各主光線と同
軸に２次回折光が発生するので、この２次回折光を使っ
てビート信号ＳＤ_Rを得るようにしても良い。要は所定
次数の回折光が面ＰＷ₁（ウエハ共役面）内で交差すれ
ば良い。

【０１０５】また、上記実施例では基準格子板９やモニ
ター格子板１３上に回折格子を形成しておくものとした
が、例えばウォラストンプリズムを基準格子板９やモニ
ター格子板１３の代わりに配置するとともに、１／２波
長板等を用いてこのウォラストンプリズムに入射する２
本のビームの各偏光状態を互いに直交状態にし、かつウ
ォラストンプリズムから同一方向に射出した２本の回折
光を検光子によって互いに干渉させて光電検出器で受光
するように構成しても良く、この場合には照射光量が増
大するといった利点が得られる。

【０１０６】さらに、上記実施例では図１中に示したプ
リズム１２において、ウエハマークＷＭからの光情報は
透過し、レチクルマークＲＭからの光情報は反射するよ
うにしていたが、その逆でも良く、この場合にはプリズ
ム１２において矩形開口１２ａの部分のみを逆に遮光部
とすれば良い。また、矩形開口１２ａを形成せずとも、
図１の紙面内で右半分を透過部、左半分を遮光部とする
だけでも良い。

【０１０７】ところで、プリズム１２で矩形開口１２ａ
が形成された面（反射面）は、アライメント光学系の光
軸に対して傾いているため、正確にはその反射面とレチ
クルＲのパターン面とが完全に共役となっていないが、
レチクルマークＲＭやウエハマークＷＭからの回折光
（平行光束）は焦点深度（ビームウエスト）が大きいの
で、このことは実質的にアライメント精度に悪影響を及
ぼさない。尚、レチクル検出系へのノイズ成分の混入を
完全に除去する場合は、例えばモニター格子板１３上の
回折格子の大きさ（面積）を、面ＰＷ₄内での１次回折
光ＤＲ₁、ＤＲ₂の交差領域（干渉縞の形成領域）より
小さく設定すれば良い。このとき、さらにモニター格子
板１３に極近接して視野絞りを設けると良い。

【０１０８】また、上記実施例ではウエハマークＷＭや
レチクルマークＲＭからの光情報を送受光分離プリズム
６を介してウエハ検出系やレチクル検出系に導くことと
したが、アライメントビームの光路中に２組のビームス
プリッター（ハーフミラー）を配置し、各マークからの
光情報を別々にレチクル検出系やウエハ検出系に導くよ
うに構成しても良く、この場合にはレチクル（第１の回
折格子）と共役な位置とウエハ（第２の回折格子）と共
役な位置の各々に視野絞りを設ければ良い。

【０１０９】さらに、２組の２本の送光ビーム（Ｌ
Ｂ_r1、ＬＢ_r2）、（ＬＢ_w1、ＬＢ_w2）の各々を、平行平
面板（ハービング）等を用いて２本のビームの交差角を
独立に設定可能に構成しておいても良い。例えば第１対
物レンズ７の観察位置を変更する場合、特にウエハ用の
２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2は、その位置によって投影
レンズＰＬによる倍率が変化するが、上記構成によれ
ば、この倍率変化に応じて２本のビームＬＢ_w1、ＬＢ_w2
の交差角２θ_Wのみを微調整できるといった利点が得ら
れる。

【０１１０】また、上記実施例は投影光学系（屈折光学
系、反射光学系、あるいはそれらを組み合わせ系のいず
れでも良い）を備えた露光装置に位置合わせ装置（アラ
イメント系）を適用した場合について述べたが、プロキ
シミティー方式の露光装置に対しても本発明を適用して
同様の効果を得ることができる。さらに、本発明はヘテ
ロダイン方式のアライメント系だけでなく、ホモダイン
方式、さらには２本のビームの偏光成分を異ならせて格
子マーク上では干渉縞を作らず、格子マークから戻って
くるｐ偏光ビームとｓ偏光ビームとを検光子（複屈折
板）により干渉光にした後に光電検出する方式に対して
も適用でき、上記実施例と全く同様の効果を得ることが
できる。

【０１１１】

【発明の効果】本発明によれば、第１の受光手段（ウエ
ハ検出系）と第２の受光手段（レチクル検出系）の各々
に混入し得るノイズ成分（迷光）を除去でき、マスクと
感光基板とのアライメント精度を向上させることが可能
となる。また、第１の受光手段と第２の受光手段の一部
の光学部材を共用させることによって、特に第１の受光
手段はマスク（第１の回折格子）と共役な面内に配置さ
れた第２の絞り部材と、感光基板（第２の回折格子）と
共役な面内に配置された第１の絞り部材とを介して、第
２の回折格子からの光情報を光電検出することになるの
で、より一層アライメント精度を向上させることができ
る。さらに第２の受光手段でも、第３の回折格子の大き
さを、第１の回折格子（すなわち２本のビームによる照
射領域）とほぼ同一の大きさに設定するので、ノイズ成
分の混入をほとんど除去できる。また、対物光学系（第
１対物レンズ）と受光手段側の第２対物光学系とをリレ
ー系とするだけで、光路長補正光学系（トロンボーン光
学系等）を用いることなく、アライメント光学系を広い
範囲で移動することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるＴＴＲ方式のアライメン
ト系の具体的な構成を示す平面図。

【図２】本発明の実施例によるＴＴＲ方式のアライメン
ト系の具体的な構成を示す平面図。

【図３】図１、図２に示したアライメント系の２組の２
本のビームの送光状態を示す図。

【図４】本発明の実施例に適用されるレチクル上のマー
ク及び窓の配置を示す図。

【図５】図１中に示した４光束発生手段の具体的な構成
を示す斜視図。

【図６】本発明の実施例によるアライメント系が適用さ
れる投影露光装置の全体構成の一例を模式的に示す平面
図。

【図７】図１に示したアライメント系の移動機構の一例
を説明する図。

【図８】図１に示したアライメント系の移動機構の一例
を説明する図。

【図９】図１に示したアライメント系の移動機構の一例
を説明する図。

【図１０】本発明による位置合わせ装置の原理説明に供
する図。

【図１１】従来の位置合わせ装置の構成を示す斜視図。

【図１２】従来装置の問題点の説明に供する図。

【図１３】従来装置の問題点の説明に供する図。

【符号の説明】

２４光束発生手段４視野絞り７第１対物レンズ８、１１レンズ系９基準格子板１０Ｒ、１０Ｗ、１６、２０光電検出器１２プリズム（第２の絞り部材）１３モニター格子板（第３の回折格子）１５、１９空間フィルター１７視野絞り（第１の絞り部材）ＲレチクルＰＬ投影レンズＷウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の波長域の照明光でマスクに形成さ
れたパターンを投影光学系を介して感光基板上に結像投
影する装置に設けられ、前記マスクに形成された第１の
回折格子と前記感光基板に形成された第２の回折格子と
を光学的に検出することにより前記マスクと感光基板と
を位置合わせする装置において、前記第１の回折格子と第２の回折格子とのいずれか一方
に対物光学系を介して前記照明光と異なる波長域のコヒ
ーレントな２本のビームを所定の交差角で照射する照射
手段と；前記２本のビームが交差して照射される一方の
回折格子とほぼ共役な面内に配置された第１の絞り部材
を有し、該一方の回折格子からほぼ同一方向に発生した
回折光同士の干渉光を前記対物光学系と前記第１の絞り
部材とを介して光電検出する第１の受光手段と；前記一
方の回折格子とほぼ共役な面、もしくはその近傍に配置
された第３の回折格子と；前記２本のビームが交差して
照射される回折格子と異なる他方の回折格子とほぼ共役
な面内に配置された第２の絞り部材を有し、前記２本の
ビームの照射により前記他方の回折格子から発生する各
回折光を、前記対物光学系と前記第２の絞り部材とを介
して前記第３の回折格子に所定の交差角で照射し、前記
第３の回折格子からほぼ同一方向に発生した回折光を互
いに干渉させ、該干渉光を光電検出する第２の受光手段
と；前記第１の受光手段と第２の受光手段の各々からの
信号を比較して前記マスクと感光基板との相対変位に対
応した検出信号を出力する検出手段と；該検出信号に基
づいて前記マスクと感光基板との相対位置を変化させる
移動手段とを備えたことを特徴とする位置合わせ装置。