JPH0555114A

JPH0555114A - 露光装置

Info

Publication number: JPH0555114A
Application number: JP4015525A
Authority: JP
Inventors: Ushio Sagawa; 川潮寒; Masaki Yamamoto; 本正樹山; Keiji Kubo; 保圭司久; Takeo Sato; 藤健夫佐
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1993-03-05
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH07105335B2

Abstract

(57)【要約】【目的】投影レンズの種類を問わず、大気の揺らぎや
振動・熱等の環境変化に対して安定な小型高精度位置合
わせ光学系を有する露光装置を実現すること。【構成】位置合わせ光学系は光源光学系２、位置ずれ
検出光学系３、受光光学系４からなり、３つの光学系が
互いに偏波面保持光ファイバ２０，２１、マルチモード
光ファイバ２８，２９により結合されている。光ファイ
バ２８，２９に入射するアライメント光の強度を調整す
るために、受光光学系４で電気信号に変換されたビート
信号の振幅を検出器６５で検出し、その振幅が一定にな
るように、比較判定器６６が光源光学系２の音響光学変
調器５４の電源６７の出力を制御する信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、あるパターンを投影光
学系を介して物体上に転写する露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、技術革新の原動力となった半導体
装置はますます高密度化され、各々の素子の微細パター
ンは０．５μｍ以下に及ぼうとしている。このような微
細パターンの露光において、半導体製造時に必要とされ
るような多数回にわたる重ね合わせ露光を行なうために
は、各露光間の位置合わせが極めて大切であり、その重
ね合わせ精度は０．１μｍ以下が必要とされる。このよ
うな位置合わせ方法の従来例として、例えば特開昭６３
−７８００４号公報に記載の構成が知られている。

【０００３】以下、図１６を参照して従来の露光装置に
ついて説明する。図１６において、高精度な位置合わせ
を実現するために、レチクル１１４面上に形成された１
対の第１の格子１１０，１１０’によって波面分割され
た光束のうち、第１のレンズ１１５，１１５’のスペク
トル面付近に設けた空間フィルタ１１６，１１６’によ
って所定のスペクトルを選択的に通過させ、さらに第２
のレンズ系１１７，１１７’および投影レンズ１１９を
通過させ、ウェハ１１８上に設けた１対の第２の格子１
２１，１２１’上に投影する。ウェハ１１８上の第２の
格子１２１，１２１’に２光束を適当な方向から投影す
ると、回折光同士が重なった方向に回折され、各々が干
渉する。この干渉した１対の回折光１２２，１２２’を
逆方向に投影レンズ１１９，第２のレンズ１１７，１１
７’中を通過させ、その回折光強度を光検出器１２３，
１２３’で検出し、それらの差がゼロとなるようにウェ
ハ１１８を移動させることで、レチクル１１４とウェハ
１１８との高精度な位置合わせが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では、露光光とアライメント光がほぼ同波長
であり、投影光学系が両者に対して同様に良好な結像性
能を発揮する場合のみ有効であるという問題がある。例
えば、将来露光光の主流となると期待されているエキシ
マレーザ等の紫外光に対しては、屈折光学系を構成する
ための硝子材料が限られているため、色収差を補正した
色消し投影光学系を構成することは極めて困難である。
このため、色収差を補正した色消し投影光学系は露光波
長でのみ十分に色補正されるように設計され、他の波長
の光に対しては非常に大きな色収差を示し、アライメン
ト光が投影レンズを通るようなアライメント系の構成は
非常に難しくなる。また、仮にアライメント光が投影レ
ンズを通らないような構成にすると、投影レンズはウェ
ハ上に覆いかぶさるように配置される装置構成から、ウ
ェハの露光位置と位置合わせする位置とが大きく離れる
ことになり、重ね合わせ精度が低下してしまうという問
題がある。

【０００５】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、アライメント光学系を小型化し、これを
投影レンズと結像面上の物体との中間に置くことを可能
とし、このアライメント系により物体の位置合わせが高
精度で行なえるようにした露光装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、コヒーレントなアライメント光を出射す
る光源光学系と、前記アライメント光を物体上に照射し
て戻ってきた回折光を受光する位置ずれ検出光学系と、
受光した回折光を検出する受光光学系と、前記３つの光
学系を順に結合する柔軟性を有する光導波路とを備えた
ものである。

【０００７】

【作用】したがって、本発明によれば、位置ずれ検出光
学系と光源光学系と受光光学系を柔軟性を有する光導波
路で結合することにより、位置ずれ検出光学系を小型化
し、装置への実装を容易にすることができる。しがたっ
て、極めて限られたスペースしかない投影レンズ直下に
位置ずれ検出光学系を配置することができ、振動・大気
の影響や装置の熱変形の影響を極小化した高精度なアラ
イメント系を有する露光装置を実現することができる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１は本発明の実施例における露光装置の
基本構成を示す概略構成図であり、Ｘ，Ｙ，θの３軸の
位置合わせ系のうちＸ方向の１軸について示したもので
ある。図２は本発明の第１の実施例に用いられるウェハ
の位置ずれ検出を行なう位置ずれ検出光学系の概略構成
図、図３は同じく第１の実施例に用いられるレーザ光源
から出射されるレーザ光を光ファイバに結合させる光源
光学系の概略構成図である。図４は図３で示したレーザ
光源の詳細図、図５は第１の実施例におけるコリメータ
レンズの空間フィルタとしての働きを示す模式図、図６
は第１の実施例に用いられるウェハからの回折光を受光
するための受光光学系の概略構成図である。

【０００９】図１において、１は位置合わせされる物体
であるウェハ、２はアライメント光を発生する光源光学
系、３はアライメント光をウェハ１上に照射する位置ず
れ検出光学系、４はウェハ１の位置ずれ情報を有するア
ライメント光を受光する受光光学系である。５は露光の
原盤であるレチクル、６は露光光、７は投影レンズ、８
はアライメント光である。２０，２１は光源光学系２と
位置ずれ検出光学系３とを結ぶ第１の光ファイバである
偏波面保持光ファイバ、２８，２９は位置ずれ検出光学
系３と受光光学系４とを結ぶ第２の光ファイバであるマ
ルチモード光ファイバであり、それぞれ柔軟性を有する
光導波路を構成する。

【００１０】以上のような構成において、以下その動作
について説明する。本実施例における位置合わせ光学系
は、光源光学系２、位置ずれ検出光学系３、受光光学系
４からなり、３つの光学系が互いに偏波面保持光ファイ
バ２０，２１、マルチモード光ファイバ２８、２９によ
り結合されている。また、投影レンズ７は露光光６によ
り照明されたレチクル５上のパターンをウェハ１上に結
像する。この結像は、通常５：１程度の縮小光学系のた
め、投影レンズ７とレチクル５の間隔は広く、投影レン
ズ７とウェハ１の間隔は狭くなっている。しかしなが
ら、本実施例における位置ずれ検出光学系３は、極めて
小型に作られているため、投影レンズ７の真下に置くこ
とが可能になっている。

【００１１】光源光学系２は、図４に示すように、互い
に直交偏光した周波数がｆ１，ｆ２のコヒーレント光を
発生するレーザ光源１２を内蔵する。本実施例では、レ
ーザ管に磁場をかけることにより２周波を得るゼーマイ
ンレーザを用いている。

【００１２】このような光源光学系２の別の例として
は、一方向に伝播する超音波を用いた光変調器や、１周
波のコヒーレント光を発生する光源を有し、このコヒー
レント光を２光束に分割したのち、ドップラー効果を用
いて光の周波数をわずかに変化させる光学素子を用いて
２光束の周波数に差を与えるような光学系が利用でき
る。なお、周波数ｆ１とｆ２の周波数差としては数十ｋ
Ｈｚ〜数十ＭＨｚが一般的に使用できる。

【００１３】図３において、レーザ光源１２から出射し
た周波数ｆ１，ｆ２を有するアライメント光（以下、ア
ライメント光ｆ１，ｆ２と称す。）は、偏光光学素子１
３でｆ１成分とｆ２成分に分割されたのち、（λ／２）
波長板１６，１７を用いて特定の方向に偏光した光とな
る。分割用偏光光学素子１３としては、偏光ビームスプ
リッタのような誘電体多層膜を用いたものや、ウォラン
ストンプリズムのような複数屈折を用いたものが使用可
能である。また、波長板１６，１７により偏光方向を回
転させるが、その理由は偏波面保持光ファイバ２０，２
１の偏光方向とアライメント光ｆ１，ｆ２の偏光方向を
合わせるためである。

【００１４】分割用偏光光学素子１３により分割された
アライメント光ｆ１とｆ２は、集光レンズ１８，１９に
より、偏波面保持光ファイバ２０，２１のコア上に集光
され、光ファイバ２０，２１内に導入される。光ファイ
バ２０，２１表面でのアライメント光の反射がレーザ管
に戻ることを防ぐために、適当な場所に光アイソレータ
１４，１５を挿入することは有用である。また、偏波面
保持光ファイバ２０，２１のコア径は極めて小さいた
め、光源光学系２で集光されたアライメント光のスポッ
トが位置ずれし、光ファイバ２０，２１への結合効率を
低下させる可能性がある。このため、光源光学系２は、
熱膨張や振動の影響を最小限にするため、高剛性かつ小
型に作る必要がある。

【００１５】偏波面保持光ファイバ２０，２１内に入射
したアライメント光ｆ１，ｆ２は、それぞれ偏光方向を
保持したまま、図２に示す位置ずれ検出光学系３へと導
かれる。偏波面保持光ファイバ２０，２１から出射した
アライメント光ｆ１，ｆ２は、コリメータレンズ２２，
２３へと導かれ、ここで平行光にされる。コリメータレ
ンズ２２，２３としては、出射光の波面精度が十分高
く、また大きさが小さいことを要求される。このような
レンズとしては、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレン
ズ）や非球面レンズが適当である。コリメータレンズ２
２，２３により平行にされたアライメント光ｆ１とｆ２
は、落射ミラー２４を経て、ウェハ１上の回折格子から
なる位置合わせマーク２５上へ照射される。

【００１６】アライメント光ｆ１，ｆ２のウェハ１表面
への入射角θは、ウェハ１上の位置合わせマーク２５の
回折格子のピッチをＰ、アライメント光の波長をλとし
て次式（１）のように設定されている。

【００１７】 θ＝ｓｉｎ^-1（λ／Ｐ）・・・（１）

【００１８】このような入射角θでアライメント光ｆ
１，ｆ２が入射すると、回折格子２５で回折されたアラ
イメント光ｆ１，ｆ２はともに上方に向かう。ここで、
ｆ１とｆ２の電界強度Ｅ１，Ｅ２は、それぞれ式
（２）、式（３）のように表わされる。ただし、ω１と
ω２はｆ１とｆ２の角速度、φ１とφ２は偏波面保持光
ファイバ２０，２１のアライメント光ｆ１，ｆ２に対す
る光路長分の位相遅れである。

【００１９】Ｅ１＝Ａ１・ｃｏｓ（ω１・ｔ＋２πｘ／Ｐ＋φ１）・・・（２）

【００２０】Ｅ２＝Ａ２・ｃｏｓ（ω２・ｔ−２πｘ／Ｐ＋φ２）・・・（３）

【００２１】アライメント光ｆ１とｆ２は、このように
して同一方向に進むので、互いに干渉し、この結果式
（４）のような周波数（ｆ１−ｆ２）で光強度Ｉｓが変
化をするようなビート光を発生する。

【００２２】Ｉｓ＝（Ｅ１＋Ｅ２）² ＝Ａ１²＋Ａ２² ＋２Ａ１・Ａ２・ｃｏｓ（（ω１−ω２）ｔ＋４πｘ／Ｐ＋（φ１−φ２））・・・（４）

【００２３】このビート光をコリメータレンズ２６で再
びマルチモード光ファイバ２８へ導入し、このビート光
よりウェハ１の位置ずれ量を検出する。マルチモード光
ファイバ２８，２９を使用する理由は、マルチモード光
ファイバだとコア系が大きく、アライメント光を再結合
するさいに位置ずれの影響を受けにくいことと、既にア
ライメント光ｆ１，ｆ２は干渉しあっているために、波
面を保持する必要がないためである。

【００２４】ところで、光ファイバの光学的長さは温度
や応力により大きく変化する。例えば、１ｍの光ファイ
バの温度が１°Ｃ上昇すると、１０〜２０波長分くらい
の光路長変動をもたらす。また、１ｍの光ファイバにか
かる圧力が１Ｐａ変化した場合、１０^-6〜１０^-5波長分
の光路長変動をもたらす。このことは偏波面保持光ファ
イバ２０と２１の置かれる環境の間にわずかな差があれ
ば、式（２）、式（３）における（φ１−φ２）が変化
して位置ずれ検出に誤差を生ずることがわかる。そこ
で、ビームサンプラ３０は、この（φ１−φ２）を別途
計測するために置かれ、ビームサンプラ３０により一部
分割されたアライメント光ｆ１，ｆ２は、ガラス板３１
上に形成されたウェハ１と同じピッチの回折格子３２上
に照射される。ガラス３１板上の回折格子３２は固定さ
れているため、ビート光を生じる。このビート光は、そ
の光強度をＩｒとすると、式（５）のように表わされ
る。

【００２５】Ｉｒ＝Ａ１²＋Ａ２² ＋２Ａ１・Ａ２・ｃｏｓ（（ω１−ω２）ｔ＋（φ１−φ２））・・・（５）

【００２６】このビート光も信号光と同様にマルチモー
ド光ファイバ２９内へとコリメータレンズ２７により導
かれる。ここで回折格子３２が形成されたガラス板３１
は、アライメント光に対して斜めに置くことが大切であ
る。なぜなら、回折光は透過方向だけでなく反射方向に
も生じ、また、ガラス板３１をアライメント光に対して
垂直に置いた場合、反射回折光３３はウェハからの反射
回折光と混ざり、位置ずれ検出精度を低下させる可能性
があるからである。また、回折格子３２が形成されたガ
ラス板３１は、アライメント光ｆ１，ｆ２を互いに干渉
させるように配置したハーフミラーでも代用できる。

【００２７】ウェハ１上の回折格子２５は、ウェハ１が
受ける各プロセスにより多種多様に変化する。一般的に
は、半導体材料により形成される凹凸の上にアライメン
ト光に対して透明なレジストを塗布した形であり、アラ
イメント光に対しては光学多層膜として作用する場合が
多い。光学多層膜は光の偏光方向に対しその作用が敏感
に変化するため、アライメント光ｆ１，ｆ２は、ウェハ
１に対してＰ偏光（入射平面内での偏光）、またはＳ偏
光（入射平面に垂直な偏光）のどちらにかたよっていて
も、ウェハ１の表面状態の影響を受けやすくなり不利で
ある。このため、偏波面保持光ファイバ２０，２１の出
口において偏光方向が４５°傾くように光ファイバ２
０，２１を固定している。こうすることによりウェハ１
面上ではＰ偏光とＳ偏光が５：５の割合になり、ウェハ
１の状態からくる悪影響を最小限に抑えることができ
る。

【００２８】ここで、ウェハ１の表面がアルミパターン
等で荒れていた場合を考えると、回折したアライメント
光（回折光）３４の中にアルミパターンからのスペック
ルも混じることになる。このような回折光３４をコリメ
ータレンズ２６で受けたときの焦点面上（マルチモード
光ファイバ２８面上）での光パターンを図５に示す。こ
の図から明らかなように、中央部に配置されるマルチモ
ード光ファイバ２８のコア３５には、スペックル光３６
を排除したアライメント光３４が受光されることがわか
る。このようにコリメータレンズ２６とコア３５はアラ
イメント光３４に対する空間フィルタとしても作用する
ことがわかる。

【００２９】次に、図６を用いて受光光学系４について
説明する。受光光学系４では、２本のマルチモード光フ
ァイバ２８，２９により伝送されてきたアライメント光
をホトマルチプライヤ等の光検出器３７，３８に導入
し、電気信号に変換する。電気信号に変換された２つの
信号間の相対位相差を位相比較器３９で検出すると、式
（４）、（５）から式（６）のようになり、ウェハ１の
位置ずれｘに比例した出力を得ることができる。

【００３０】（Ｉｓの位相）−（Ｉｒの位相）＝４πｘ／Ｐ・・・（６）

【００３１】したがって、この出力を基にして位置ずれ
量が零になるようにウェハステージ４０を移動すること
により、ウェハ１の投影レンズ７に対する位置ずれをな
くすことができる。

【００３２】以上のように、本実施例では、露光装置本
体とは離れた位置に配置された光源光学系２から、光フ
ァイバ２０，２１によりアライメント光を投影レンズ７
の直下に置かれた位置ずれ検出光学系３に導き、位置ず
れ検出光学系３からアライメント光をウェハ１の位置合
わせマーク２５上に照射し、ウェハ１からの回折光３４
を再び光ファイバ２８，２９により受光光学系４へ送
り、光検出器３７，３８でウェハ１の位置ずれ情報を持
ったビート光を電気信号に変換し、位相比較器３９でウ
ェハ１の位置ずれ量を求め、これに基づきウェハステー
ジ４０を動かし、ウェハ１の位置ずれ量が零になるよう
に制御することにより、投影レンズ７に対するウェハ１
の位置合わせを高精度で行なうことができる。

【００３３】以上、本発明につき第１の実施例を用いて
説明したが、本実施例の利点は、まず光源光学系２と受
光光学系４を位置ずれ検出光学系３から光ファイバ２
０，２１，２８，２９を用いて分離したことにより、位
置ずれ検出光学系３を小型化し、また熱源となるレーザ
光源１２を繊細な機構部分から遠ざけることができるこ
とである。位置ずれ検出光学系３が小型化されることに
より、この光学系３の露光装置内での配置の自由度が増
大し、位置ずれ検出光学系３を投影レンズ７とウェハ１
との間の極めて狭い場所に配置することができるように
なる。このため、露光位置に極めて近い場所での位置合
わせが行なえるようになっただけでなく、レーザ干渉計
測で最も検出誤差となりやすい大気からの影響を最小限
にすることが可能となる。さらに、位置ずれ検出光学系
３の中に基準となるような回折格子３２を設置し、この
光学系３全体をコンパクトに構成したことにより、振動
その他の外乱に極めて強い光学系を実現することができ
る。また、レーザ光源１２からの熱を露光装置本体に伝
えないことにより、熱的な機構の変形を防止することが
でき、安定した位置合わせ動作を保証できるようにな
る。さらにまた、光ファイバという極めて柔軟性の高い
光導波路を用いてアライメント系を構成しているので、
装置への実装、光軸調整がきわめて容易になり、他の装
置への転用も容易であるという利点もある。

【００３４】さて、上記第１の実施例では、位置合わせ
の場所と露光位置がきわめて近い位置合わせ（ＯｆｆＡ
ｘｉｓアライメント）用の光学系であったが、次に述べ
る本発明の第２の実施例では、位置合わせの場所と露光
位置が同一であるような位置合わせ（ＯｎＡｘｉｓアラ
イメント）用の光学系の構成が、図７から図１２に示さ
れている。これらの図において、上記第１の実施例の説
明に用いた符号が、同様な要素に対して用いられてい
る。

【００３５】ＯｎＡｘｉｓアライメントを行なう際に重
要なことは、露光光を蹴ることなくアライメント光を露
光光束の中に導き入れることである。一般的には露光光
とアライメント光の波長の違いを利用して、ダイクロイ
ックミラー等でアライメント光を露光光の中に導き入れ
る。しかしながら、今回のように位置ずれ検出光学系３
を投影レンズ７とウェハ１の間という極めて限られたス
ペースに配置する場合には、ダイクロイックミラーを使
用することは不可能である。

【００３６】そこで、本発明の第２の実施例では、図７
に示すように、露光光専用に設計製作された投影レンズ
７の最下面であるコーティング面４１をダイクロイック
ミラーの代用としている。コーティング面４１は露光光
に対してほぼ１００％の透過効率を示し、アライメント
光に対しては極めて低い透過効率を持つように設計され
ている。すなわち、投影レンズ７の最下面であるコーテ
ィング面４１は、平面または曲率の大きな面からなり、
アライメント光８に対してはほぼ完全な反射面として作
用する。

【００３７】次に、本発明の第２の実施例における光源
光学系２および位置ずれ検出光学系３について説明す
る。光源光学系２は、図３に示す第１の実施例における
光源光学系２と同じ構成および機能を有する。位置ずれ
検出光学系は、図８に示すように、図２に示す第１の実
施例に対し、コリメータレンズ２６の代わりに結像レン
ズ４４が、マルチモード光ファイバ２８の代わりに画像
伝送光ファイバ４３が、また落射ミラー２４の代わりに
折り返しミラー４２が配置されている点が異なる。結像
レンズ４４は、ウェハ１の位置合わせマーク（回折格
子）４２を画像伝送光ファイバ４３面上に結像するため
のものであり、ＧＲＩＮレンズや小型球面・非球面レン
ズが使用できる。画像伝送光ファイバ４３は、図１１に
示すように、１本の光ファイバの中に多数のコアがクラ
ッドを共有するように溶融一体化された光ファイバであ
り、入射端面の像をそのまま出射端面に再現することが
できる。このことから、結像レンズ４４と画像伝送光フ
ァイバ４３の組み合わせにより、ウェハ１上の位置合わ
せマーク４５の状態を受光光学系４の中に再現すること
ができる。また、折り返しミラー４２は、位置ずれ検出
光学系３からのアライメント光を投影レンズ７のコーテ
ィング面４１に向けたり、ウェハ１上の位置合わせマー
ク４５から反射してコーティング面４１で反射された回
折光を再び位置ずれ検出光学系３に向けるために用いら
れる。

【００３８】位置ずれ検出光学系３から折り返しミラー
４２により上方に向けて出射されたアライメント光は、
投影レンズ７の最下面のコーティング面４１で反射し、
これにより露光光６の光束内に入る。ウェハ１面上に
は、図１０に示すような２次元回折格子４５が設けられ
ている。この回折格子４５は、Ｘ方向の回折格子とＹ方
向の回折格子を重ね合わせたものであり、Ｘ方向の回折
パターンは位置ずれを検出し、Ｙ方向の回折パターンは
斜めに入射したアライメント光を再び斜め方向に同一角
度で回折するためのものである。たとえば、図７に戻
り、アライメント光８のウェハ１に対する入射角がαで
あるとき、Ｙ方向のピッチＰｙは次式（７）となるよう
に決定される。

【００３９】２Ｐｙ・ｓｉｎα＝ｎλ （ｎ＝１，２，・・・）・・・（７）

【００４０】このようなＹ方向の回折パターンのおかげ
でアライメント光８は、ウェハ１上で回折されたのち再
び位置ずれ検出光学系３へと戻ることができる。

【００４１】次に、第２の実施例における受光光学系４
について、図９を参照して説明する。画像伝送光ファイ
バ４３の出射端の像を拡大レンズ４６で拡大し、そこに
アクチュエータ４７，４８により２次元的に駆動される
アパーチャ４９を配置してある。このアパーチャ４９に
より任意の位置にある位置合わせマークに対してそのマ
ークだけからのアライメント光を集光レンズ５０を通し
て光検出器３８により受光することが可能となる。この
様子を図１２に示す。この図１２から、３つの位置合わ
せワークの内、最も右側のものがアパーチャ４９により
選択されている様子がわかる。これ以外の古い位置合わ
せマークは光検出器３８で受光されない。

【００４２】このような受光光学系４の構成をとる利点
は、次のように説明できる。すなわち、位置合わせマー
クは、ウェハがプロセス処理を受けるに従って次第に壊
れてゆくため、次々と新しい位置合わせマークを使う必
要性が生じる。ＯｎＡｘｉｓアライメントにおいては、
露光位置が即、位置合わせ位置であるため、このことは
位置合わせ時の位置合わせマーク４５の位置が位置ずれ
検出光学系３に対してずれてゆくことを意味する。した
がって、上記アパーチャ４９を動かすことにより、場所
が変わっても、最新の位置合わせマーク４５からのアラ
イメント光のみを検出することにより、位置合わせマー
クが更新されても高い検出精度を維持できることにな
る。図１２は古い位置合わせマークが受光光学系４の視
野からはずされていく様子も表わしている。

【００４３】以上、本発明につき第２の実施例を用いて
説明したが、本発明の第２の実施例においては、第１の
実施例において説明した利点の外に、露光中も位置合わ
せが可能であるという利点がある。このため、ウェハ１
が露光位置に来たときに、投影レンズ７に対して正確に
位置合わせされるため、重ね合わせ精度にウェハステー
ジ４０の運動精度の影響を受けないような露光装置を構
成することが可能となる。

【００４４】以上のように、本実施例では、露光装置本
体とは離れた位置に配置された光源光学系２から、光フ
ァイバ２０，２１によりアライメント光を投影レンズ７
の直下に置かれた位置ずれ検出光学系３に導き、位置ず
れ検出光学系３からアライメント光をウェハ１の位置合
わせマーク２５上に照射し、ウェハ１からの回折光３４
を再び光ファイバ２８，２９により受光光学系４へ送
り、光検出器３７，３８でウェハ１の位置ずれ情報を持
ったビート光を電気信号に変換し、位相比較器３９でウ
ェハ１の位置ずれ量を求め、これに基づきウェハステー
ジ４０を動かし、ウェハ１の位置ずれ量が零になるよう
に制御することにより、投影レンズ７に対するウェハ１
の位置合わせを高精度で行なうことができる。

【００４５】次に、本発明の第３の実施例について、図
１３を用いて説明する。本実施例においては、光源光学
系を除いては、上記第１および第２の実施例と同様な構
成および機能を有するので、以下には光源光学系につい
てのみ説明する。

【００４６】図１３において、５１は単一周波の直線偏
光コヒーレント光を発生するレーザ光源、５２はアイソ
レータ、５３，５４は超音波を用いた音響光学変調器、
５５，５６は１／２λ波長板、５７，５８は集光レン
ズ、５９はビームストッパである。２０，２１はこの光
源光学系２を上記した位置ずれ検出光学系３に結合する
ための偏波面保持光ファイバである。

【００４７】光源５１から出射されたコヒーレント光
は、アイソレータ５２を通り、第１の音響光学変調器５
３により、変調を受けない０次回折光６０と変調を受け
た１次回折光６１とに分離される。１次回折光６１は、
１／２λ波長板５５を通過し、集光レンズ５７で偏波面
保持光ファイバ２０に結合される。変調を受けなかった
０次回折光６０は、今度は第２の音響光学変調器５４に
入り、変調を受けない０次回折光６２と変調を受けた１
次回折光６３とに分離され、０次回折光６２はビームス
トッパ５９で阻止され、１次回折光６３は１／２λ波長
板５６を通過し、偏波面保持光ファイバ２１に結合され
る。ここで、アイソレータ５２は、各光学素子表面から
反射されてレーザ光源５１に戻ってくる光によるレーザ
光源５１の不安定化を排除するために配置されている。
１／２λ波長板５５，５６は、１次回折光６１，６３の
偏光面と偏波面保持光ファイバ２０，２１の偏光面を一
致させるために挿入されている。このことは上記第１の
実施例中の光源光学系２で説明した通りである。

【００４８】本実施例における光源光学系２は、図３に
示す第１の実施例における光源光学系２と異なり、レー
ザ光源５１を２周波から単一周波にしたため、前記実施
例で問題となっていた２周波の混ざり込みによる位置ず
れ検出精度の悪化を完全に除去できるという利点があ
る。また、コヒーレント光を分割せずに、二つの音響光
学変調器５３，５４を１本の光軸に直列に配したことに
より、コヒーレント光のうちでアライメント光として利
用できる光線の割合を増大させることができる。

【００４９】すなわち、本実施例における光源光学系２
を、図１４に示す光源光学系２のように、ビームスプリ
ッタ６４により２分割してからそれぞれ音響光学変調器
５３，５４により変調するように構成してもよいが、こ
の場合、各音響光学変調器５３，５４における１次回折
光６１，６３の入射光に対する強度比をそれぞれＰ１，
Ｐ２とすると、レーザ光源５１からのコヒーレント光の
うちでアライメント光として利用できる光の割合は、次
式（８）のようになる。

【００５０】（Ｐ１＋Ｐ２）／２・・・（８）

【００５１】一方、図１３に示す光源光学系２を用いた
場合は、アライメント光として利用できる光の割合は、
次式（９）のようになる。

【００５２】Ｐ１＋（１−Ｐ１）・Ｐ２・・・（９）

【００５３】したがって、これら二つの式から分かるよ
うに、図１３に示す光源光学系２を用いることによっ
て、次式（１０）で表わされるだけの光量の利得がある
ことになる。

【００５４】１／２・（１−（１−Ｐ１）・（１−Ｐ２））＞０・・・（１０）

【００５５】本実施例はまた、一般的に露光装置には複
数の位置合わせ装置が必要になるので、レーザ光源５１
からのアライメント光強度が強い場合、アライメント光
を途中で分割することにより、１台の光源で複数の位置
合わせ装置にアライメント光を供給できることになり、
計測誤差の原因となる熱源を少なくすることができると
いう利点が生じる。

【００５６】また、通常回折光強度は、音響光学変調器
５３，５４に与えられる振動数に依存しており、コント
ラストの高いビート光を得るためには、２本のアライメ
ント光強度ができるだけ等しくなるように音響光学変調
器５３，５４を配置する必要があり、図１４に示す構成
では、回折光の強度差がそのままアライメント光の強度
差になっているが、図１３に示す構成では、強度の低い
音響光学変調器５３を光源上流側に配置することによ
り、アライメント光の強度差を緩和することができる。

【００５７】以上、本発明につき第３の実施例を用いて
説明したが、本実施例では、第１および第２の実施例に
おいて説明した利点以外に、強度の高いアライメント光
と両アライメント光の強度差を小さくできるため、コン
トラストの高いビート光が得られ、位置合わせ精度を向
上させることができる利点がある。また、光学系を構成
する素子の総数を減らせることにより、光学系の機械的
強度をあげることができるという利点も有する。

【００５８】次に、本発明の第４の実施例について、図
１５を用いて説明する。図１５において、光源光学系２
は、図１３に示す第３の実施例における光源光学系２と
同じであるが、図１４に示す光源光学系２を用いてもよ
い。受光光学系４は、図６に示す第１の実施例における
受光光学系４と同じであるが、図８に示す第２の実施例
における受光光学系４を用いてもよい。他の構成は、上
記第１および第２の実施例と同じである。

【００５９】図１５において、６５は受光光学系４にお
ける光検出器３７の出力を入力されるビート信号振幅検
出器、６６はビート信号の振幅を一定にするように制御
信号を出力する比較判定器、６７は比較判定器６６から
の制御信号を入力される光源下流側の音響光学変調器５
４のための電源である。これらによってアライメント光
強度制御系６８が構成されている。なお、ビート信号振
幅検出器６５には、光検出器３７に代えて光検出器３８
の出力を入力してもよい。

【００６０】第１の実施例において説明したように、偏
波面保持光ファイバ２０，２１から出射されるアライメ
ント光の強度は、周囲の環境からの影響を受け、振幅、
位相ともに不安定になり、受光光学系４における位置ず
れ検出精度の悪化をもたらす。そこで、本実施例では、
受光光学系４の光検出器３７から出力されたビート信号
の振幅をビート信号検出器６５で検出し、その振幅が一
定になるように、光源下流側の音響光学変調器５４に電
力を供給する電源６７にフィードバックをかける。この
ようなフィードバックをかけることにより、光源光学系
２から受光光学系４までの全てに加わる環境変化等によ
る影響を取り除くことが可能になり、ビート信号の強度
変動による位置ずれ検出精度の悪化を防ぐことができ
る。

【００６１】音響光学変調器５３，５４の内部では、単
一周波数の超音波振動子により、光学材料内部に進行す
る粗密波が生成されており、音響光学変調器５３，５４
に入射したコヒーレント光は、粗密波による屈折率分布
により回折される。超音波振動子の粗密波は進行波であ
るため、回折光は一種のドップラー効果を受け、超音波
振動子の振動数分だけの振動数変調を受ける。回折光強
度は、振動数が一定の場合、超音波振動子に供給するエ
ネルギーの関数であるため、超音波振動子に供給する電
力量により、回折光強度を制御することができるのであ
る。

【００６２】フィードバックをかけてアライメント光量
を制御する他の例としては、図１４に示した光源光学系
２において、偏波面保持光ファイバ２０，２１から出射
されるアライメント光強度を測定し、各アライメント光
強度が常に一定になるように、各音響光学変調器５３，
５４のための電源にフィードバックをかけるという構成
をとることも可能である。

【００６３】以上、本発明につき第４の実施例を用いて
説明したが、本実施例では、第１、第２および第３の実
施例において説明した利点以外に、アライメント光強度
制御系６８を備えることにより、光源光学系２から受光
光学系４までの全てに加わる環境変化等によるアライメ
ント光強度の変動を取り除くことが可能となり、ビート
信号の強度変動による位置ずれ検出精度の悪化を防止す
ることができるという利点を有する。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、投影レ
ンズの結像面上に置かれる物体を位置合わせするため
に、コヒーレントなアライメント光を出射する光源光学
系と、この光源光学系に第１の光ファイバを介して接続
されて投影レンズの近傍に配置された位置ずれ検出光学
系と、この位置ずれ検出光学系に第２の光ファイバを介
して接続されて第２の光ファイバから出射されるアライ
メント光を電気信号に変換する受光光学系と、この受光
光学系からの電気信号の振幅を一定にするためのアライ
メント光強度制御系とを備え、光源光学系から第１の光
ファイバを介して位置ずれ検出光学系により物体上の回
折格子にアライメント光を特定の入射角度で照射し、こ
の物体からの回折光を第２の光ファイバを介して受光光
学系へ導いて電気信号に変換し、この電気信号から物体
の位置ずれ量を求め、さらにアライメント光強度制御系
によりその電気信号の振幅を計測し、その振幅が一定に
なるように第１の光ファイバに入射するアライメント光
の強度を調節するようにしたので、位置ずれ検出光学系
を小型化し、装置への実装を容易にすることができると
ともに、光源光学系から受光光学系までの全てに加わる
環境変化等による影響を取り除くことが可能となり、ア
ライメント光の強度変動による位置ずれ検出精度の悪化
を防止することができ、振動や大気の影響、装置の熱変
形等の影響を極小化した高精度なアライメント系を有す
る露光装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における露光装置の基本構成を
示す概略構成図

【図２】本発明の第１の実施例におけるアライメント光
をウェハに照射する位置ずれ検出光学系の概略構成図

【図３】同第１の実施例におけるレーザ光を発生する光
源光学系の概略構成図

【図４】同第１の実施例におけるレーザ光源の偏光状態
を示す偏光方向図

【図５】同第１の実施例におけるコリメータレンズの空
間フィルタとしての働きを示す模式図

【図６】同第１の実施例におけるアライメント光を受光
する受光光学系の概略構成図

【図７】本発明の第２の実施例におけるＯｎＡｘｉｓア
ライメントを実施するための構成を示す部分拡大断面図

【図８】同第２の実施例における位置ずれ検出光学系の
概略構成図

【図９】同第２の実施例における受光光学系の概略構成
図

【図１０】同第２の実施例における２次元回折格子から
なる位置合わせマークの部分平面図

【図１１】同第２の実施例における画像伝送光ファイバ
の概略断面図

【図１２】同第２の実施例における位置合わせマークの
更新方法を説明するための模式図

【図１３】本発明の第３の実施例における光源光学系の
概略構成図

【図１４】同第３の実施例における光源光学系の変形例
を示す概略構成図

【図１５】本発明の第４の実施例における光源光学系と
受光光学系とアライメント光強度制御系の概略構成図

【図１６】従来の露光装置の一例を示す概略構成図

【符号の説明】

１ウェハ２光源光学系３位置ずれ検出光学系４受光光学系５レチクル６露光光７投影レンズ８アライメント光１２レーザ光源２０，２１偏波面保持光ファイバ（第１の光ファイ
バ）２５，４５位置合わせマーク（回折格子）２８，２９マルチモード光ファイバ（第２の光ファイ
バ）３２回折格子（位置ずれ検出の基準）３７，３８光検出器３９位相比較器４０ウェハステージ４３画像伝送光ファイバ４９アパーチャ５１レーザ光源５２アイソレータ５３，５４音響光学変調器５５，５６波長板５７，５８集光レンズ５９ビームストッパ６０，６２０次回折光６１，６３１次回折光６４ビームスプリッタ６５ビート信号振幅検出器６６比較判定器６７音響光学変調器用電源６８アライメント光強度制御系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤健夫神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投影レンズの結像面上に置かれる物体を
位置合わせするために、コヒーレントなアライメント光
を出射する光源光学系と、前記光源光学系に第１の光フ
ァイバを介して接続されて投影レンズの近傍に配置され
た位置ずれ検出光学系と、前記位置ずれ検出光学系に第
２の光ファイバを介して接続されて第２の光ファイバか
ら出射されるアライメント光を電気信号に変換する受光
光学系と、前記受光光学系からの電気信号の振幅を一定
にするためのアライメント光強度制御系とを備え、前記
光源光学系から前記第１の光ファイバを介して位置ずれ
検出光学系により前記物体上の回折格子にアライメント
光を特定の入射角度で照射し、前記物体からの回折光を
前記第２の光ファイバを介して前記受光光学系へ導いて
電気信号に変換し、この電気信号から物体の位置ずれ量
を求め、さらに前記アライメント光強度制御系により前
記電気信号の振幅を計測し、その振幅が一定になるよう
に前記第１の光ファイバに入射するアライメント光の強
度を調節することを特徴とする露光装置。
【請求項２】光源光学系は、１周波のコヒーレント光
を発生する光源と、その光軸上に直列に配されて、周波
数のわずかに異なる回折光を順次出力する音響光学変調
器とを備えたことを特徴とする請求項１記載の露光装
置。
【請求項３】光源光学系は、１周波のコヒーレント光
を発生する光源と、前記コヒーレント光を２光束に分割
するビームスプリッタと、２分割されたそれぞれの光束
を入射して周波数のわずかに異なる回折光を順次出力す
る音響光学変調器とを備えたことを特徴とする請求項１
記載の露光装置。
【請求項４】アライメント光強度制御系は、受光光学
系で変換された電気信号の振幅を検出する手段と、前記
検出結果に基づいて前記電気信号の振幅が一定になるよ
うに制御信号を出力する手段と、前記制御信号により音
響光学変調器に供給する電力を制御する手段とを備えた
ことを特徴とする請求項２または３記載の露光装置。
【請求項５】位置ずれ検出光学系は、その内部に位置
ずれ検出の基準を持ち、光ファイバが周囲の環境から受
ける外乱に対して位置ずれ検出精度の低下を防止したこ
とを特徴とする請求項４記載の露光装置。
【請求項６】位置ずれ検出光学系からウェハ上に照射
するアライメント光を投影レンズの最下面のコーティン
グ面で反射させてからウェハ上に照射するとともに、ウ
ェハ上から回折光を前記コーティング面で反射させてか
ら位置ずれ検出光学系に取り込むことを特徴とする請求
項４または５記載の露光装置。
【請求項７】第２の光ファイバの一方を画像伝送光フ
ァイバとしてウェハ上の回折格子の拡大像をアパーチャ
に結像させ、前記アパーチャの位置を制御することによ
り、前記回折格子が更新された場合にその最も新しいも
のを受光可能としたことを特徴とする請求項６記載の露
光装置。