JPH06267821A

JPH06267821A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH06267821A
Application number: JP5052737A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishimura; 宏西村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】位置検出用の光学系で発生した非点収差を補
正して、より正確に被検物の２次元的な位置検出を行
う。【構成】レチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬを介
してウエハＷ上に露光される。投影光学系ＰＬの側面の
アライメント系４において、ウエハＷ上のウエハークＷ
Ｍからのアライメント光が、対物レンズ７、ビームスプ
リッター６、楕円ゾーンプレート８及び楕円ゾーンプレ
ート９を経て焦点板１１上にウエハマークＷＭの像を結
像し、焦点板１１上の像が結像レンズ１１を介して撮像
素子１３Ｍ及び１３Ｓで撮像される。楕円ゾーンプレー
ト８，９の絶対回転角、相対回転角又は間隔を変えるこ
とにより、対物レンズ７及びビームスプリッター６によ
り発生する非点収差を相殺する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被検物の位置検出を行
うための位置検出装置に関し、特に例えば半導体素子又
は液晶表示素子等の製造に使用される投影露光装置にお
いて、回路パターンが形成されたレチクルと、この回路
パターンが転写される感光基板とを相対的に位置合わせ
（アライメント）するためのアライメント装置に適用し
て好適な位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
リソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレ
チクル（以下、「レチクル」と総称する）のパターンを
高分解能でフォトレジストが塗布されたウエハ等の感光
基板上に転写する投影露光装置が使用されている。斯か
る投影露光装置としては、ステップ・アンド・リピート
方式の縮小投影型露光装置（所謂ステッパー）が多用さ
れている。一般に半導体素子は、ウエハ上に多数層の回
路パターンを重ね合わせて形成されるため、ステッパー
には、これから露光するレチクルのパターンの投影像
と、それまでの工程によりウエハ上にマトリックス状に
形成されている回路パターン（チップ）とを正確に重ね
合わせるためのアライメント装置が設けられている。

【０００３】このようなアライメント装置は、レチクル
に形成されたアライメントマーク（レチクルマーク）
と、それまでの工程によりウエハ上に形成されているア
ライメントマーク（ウエハマーク）との位置関係から、
レチクルとウエハの各ショット領域との位置合わせを行
うものである。従って、アライメント装置では、先ずレ
チクルマーク及びウエハマークの位置検出を行うための
アライメント系が重要な役割を果たしている。

【０００４】従来のアライメント装置として、例えば特
開昭６０−１３０７４２号公報において、ＴＴＬ（スル
ー・ザ・レンズ）方式で且つレーザ・ステップ・アライ
メント方式のアライメント装置が開示されている。レー
ザ・ステップ・アライメント方式のアライメント系は、
細長い帯状のスポット光を投影光学系を介して回折格子
状のウエハマーク上に照射し、ウエハマークから発生す
る回折光（又は散乱光）を光電検出するものである。

【０００５】従来の他のアライメント装置として、所謂
ダイバイダイ方式のアライメント装置が知られている。
この方式は、アライメント光として、主に回路パターン
を露光するときの露光波長の光又は広帯域の白色光等を
使用し、ウエハ上の各ショット領域への露光を行う前に
それぞれレチクルマークとウエハマークとを個別に又は
同時に検出するものである。ダイバイダイ方式用のアラ
イメント系としては、レーザ・ステップ・アライメント
方式と同様にウエハマーク等を光電検出するアライメン
ト系、又はレチクルマーク及びウエハマークの像をＣＣ
Ｄカメラ等で撮像し、画像データとして処理することに
より位置検出を行うＦＩＡ（field image alignment)方
式のアライメント系が使用されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
の内で、ＦＩＡ方式のアライメント系でレチクルマーク
及びウエハマークの位置検出を行う場合、通常は１次元
の撮像素子を使用してレチクルマーク及びウエハマーク
を例えばモニター受像機の画面に写し出し、この画面上
の像の状態から各マークの位置ずれを求めていた。

【０００７】ところで、検出対象はＸ座標及びＹ座標よ
りなる２次元座標での位置であるため、１次元撮像素子
を使用して２次元座標上の位置検出を行うためには、少
なくとも２本の１次元撮像素子を使用するか、１次元撮
像素子を２次元座標内で回転させる必要がある。この場
合、１次元撮像素子を回転させる方式では安定性に欠け
るため、従来は各マークからの光路を分割して１次元撮
像素子を２本使用していた。しかしながら、このように
１次元撮像素子を２本使用した場合には、位置検出用の
光学系の組み立て誤差等により発生する非点収差によ
り、２本の１次元撮像素子に対応する２つの表示画面の
内の一方又は両方の画像にボケが発生してしまい、画像
処理により正確に位置検出を行うことができないという
不都合があった。

【０００８】但し、その非点収差の量が固定している場
合には、それら２本の１次元撮像素子の撮像面の位置を
調整することにより、その非点収差の影響を除くことが
できる。しかしながら、この場合でも、温度等の外的条
件により、その非点収差の量が変化した場合には、それ
ら２本の１次元撮像素子の撮像面の位置を再び調整する
必要が生じるが、そのような再調整を行うことは困難で
ある。

【０００９】また、ＦＩＡ方式のアライメント系で例え
ばウエハマークの位置検出を行う場合に、２次元撮像素
子を用いれば光学系が単純化される。しかしながら、２
次元撮像素子を用いた場合には、２つの方向の画像を１
つの撮像面で撮像することになるため、撮像素子の位置
をずらして非点収差の補正を行うことができず、特に位
置検出用の光学系に起因する非点収差の影響が大きくな
る。更に、上述のレーザ・ステップ・アライメント方式
のアライメント系では、撮像素子による撮像は行われな
いが、より正確に位置検出を行うためには、位置検出用
の光学系における非点収差を低減することが望ましい。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、被検物上の計測
用マークからの位置検出用の光を位置検出光学系を介し
て観察面上に導き、この観察面上でのその位置検出用の
光の位置からその被検物の位置を検出する位置検出装置
において、その位置検出用の光学系で発生した非点収差
を補正してより正確に被検物の位置検出を行うことを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の位置
検出装置は、例えば図１及び図１１に示す如く、被検物
（Ｗ）上の計測用マーク（ＷＭ）からの位置検出用の光
を位置検出光学系（６，７）を介して観察面（１０）上
に導き、観察面（１０）上でのその位置検出用の光の位
置から被検物（Ｗ）の位置を検出する装置において、被
検物（Ｗ）と観察面（１０）との間のその位置検出用の
光の光路に沿って、複数の楕円状の輪帯パターン（４５
_n)より形成されると共に、それら複数の楕円状の輪帯パ
ターンの第１の方向での各パターンの間隔Ｐ_nm及びその
第１の方向に直交する第２の方向での各パターンの間隔
Ｐ_nsの内の少なくとも一方が可変のゾーンプレート（４
４）を配置し、このゾーンプレートを形成するそれら複
数の楕円状の輪帯パターンのその第１の方向での各パタ
ーンの間隔及びその第２の方向での各パターンの間隔の
内の少なくとも一方を変化させる駆動手段（４３）を設
け、そのゾーンプレートを形成するそれら複数の楕円状
の輪帯パターンのその第１の方向での各パターンの間隔
及びその第２の方向での各パターンの間隔の内の少なく
とも一方を変化させることにより、その位置検出用の光
に対してその位置検出光学系で発生する非点収差を補正
するようにしたものである。

【００１２】また、本発明による第２の位置検出装置
は、例えば図１に示す如く、被検物（Ｗ）上の計測用マ
ーク（ＷＭ）からの位置検出用の光を位置検出光学系
（６，７）を介して観察面（１０）上に導き、この観察
面上でのその位置検出用の光の位置から被検物（Ｗ）の
位置を検出する装置において、被検物（Ｗ）と観察面
（１０）との間のその位置検出用の光の光路に沿って、
それぞれ複数の楕円状の輪帯より形成された第１ゾーン
プレート（８）及び第２ゾーンプレート（９）を配置
し、それら２つのゾーンプレートの内の少なくとも一方
をこのゾーンプレートの光軸を中心に回転自在又はこの
光軸に沿って移動自在に設け、それら２つのゾーンプレ
ートの内の少なくとも一方のゾーンプレートを回転又は
移動することにより、その位置検出用の光に対して位置
検出光学系（６，７）で発生する非点収差を補正するよ
うにしたものである。

【００１３】また、本発明による第３の位置検出装置
は、例えば図１０に示す如く、マスク（Ｒ）上に形成さ
れたパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して感光基
板（Ｗ）上に投影する露光装置に設けられ、感光基板
（Ｗ）上の計測用マーク（ＷＭ）から投影光学系（Ｐ
Ｌ）を介して得られる位置検出用の光を集光し、観察面
（３５の撮像面）上に計測用マーク（ＷＭ）の像を形成
する位置検出光学系（ＰＬ，２８，２７，２９，５４，
３６，３４）と、その観察面上の計測用マーク（ＷＭ）
の像の２次元的な位置ずれ量を検出する計測手段（３
５，４１）とを有し、計測用マーク（ＷＭ）の像の位置
ずれ量から感光基板（Ｗ）の位置を検出する位置検出装
置において、投影光学系（ＰＬ）とその観察面との間の
その位置検出用の光の光路に沿ってそれぞれ複数の楕円
状の輪帯より形成される第１ゾーンプレート（８）及び
第２ゾーンプレート（９）を配置し、それら２つのゾー
ンプレートの内の少なくとも一方をこのゾーンプレート
の光軸を中心に回転自在又はこの光軸に沿って移動自在
に設け、それら２つのゾーンプレートの内の少なくとも
一方のゾーンプレートを回転又は移動することにより、
その位置検出用の光に対して投影光学系（ＰＬ）で発生
する非点収差を補正するようにしたものである。

【００１４】

【作用】斯かる本発明では、例えば図２に示すように、
非点収差を補正する補正光学系として、複数の楕円状の
輪帯パターンＺ_n(ｎ＝１，２，‥‥）より形成されるゾ
ーンプレート（以下、「楕円ゾーンプレート」という）
８が使用される。そこで、楕円ゾーンプレート８の結像
特性につき説明する。先ず、図２に示すように、楕円ゾ
ーンプレート８は光軸を含む中心の楕円盤を第１番目の
楕円状の輪帯パターン８１として、その外側に順次第２
番目の楕円状の輪帯パターン８２、第３番目の楕円状の
輪帯パターン８３、‥‥を配置して形成されている。そ
して、図２のように、奇数番目の楕円状の輪帯パターン
８１，８３，８５，‥‥を光透過性にしたものを正のゾ
ーンプレートと呼び、逆に偶数番目の楕円状の輪帯パタ
ーン８２，８４，８６，‥‥を光透過性にしたものを負
のゾーンプレートと呼ぶ。

【００１５】そして、第ｎ番目の楕円状の透明輪帯パタ
ーンＺ_n の長径方向をメリジオナル方向、短径方向をサ
ジタル方向とすると、輪帯パターンＺ_n のメリジオナル
方向の半径ｓ_nmがサジタル方向の半径ｓ_nsよりも大きく
なっている。また、この場合、各方向の半径に応じてそ
の方向の焦点距離が異なっている。即ち、メリジオナル
方向及びサジタル方向に共通に焦点距離をｆ、光の波長
をλとすると、その第ｎ番目の楕円状の透明輪帯パター
ンＺ_n のその焦点距離ｆに対応する方向の半径ｓ_n は次
のようになる。但し、正のゾーンプレートの半径をｓ
_n(+)、負のゾーンプレートの半径をｓ_n(-)としている。

【００１６】

【数１】

【００１７】また、第ｎ番目の楕円状の透明輪帯パター
ンＺ_n の、（数１）で定まる半径方向の幅Δｓ_n は次の
ようになる。但し、正のゾーンプレートの幅をΔｓ
_n(+)、負のゾーンプレートの幅をΔｓ_n(-)としている。

【００１８】

【数２】

【００１９】逆に、（数１）を焦点距離ｆについて解く
ことにより、第ｎ番目の楕円状の透明輪帯パターンＺ_n
の、（数１）で定まる半径方向の焦点距離ｆは次のよう
になる。但し、正のゾーンプレートの焦点距離をｆ(+)
、負のゾーンプレートの焦点距離をｆ(-) としてい
る。

【００２０】

【数３】

【００２１】従って、図２のように、メリジオナル方向
の半径ｓ_nmとサジタル方向の半径ｓ _nsとが異なる楕円状
の透明輪帯パターンＺ_n より構成される楕円ゾーンプレ
ート８は、メリジオナル方向の焦点距離とサジタル方向
の焦点距離とが異なるレンズとして作用する。即ち、楕
円ゾーンプレート８は非点収差を発生する光学素子とし
て作用するため、楕円ゾーンプレート８で発生する非点
収差により、他の光学系で発生する非点収差を相殺する
ことにより、光学系全体としての非点収差を低減するこ
とができる。これが本発明の基本的な原理である。

【００２２】先ず、本発明の第１の位置検出装置によれ
ば、図１１に示すように、複数の楕円状の輪帯パターン
（４５_n)の第１の方向での各パターンの間隔Ｐ_nm及びそ
の第１の方向に直交する第２の方向での各パターンの間
隔Ｐ_nsの内の少なくとも一方が可変のゾーンプレート
（４４）が配置されている。このようなゾーンプレート
は、例えば液晶表示素子で発生するパターンの形状を変
えることにより実現できる。また、そのゾーンプレート
（４４）において、例えば第１の方向の間隔又は第２の
方向の間隔を変えることにより、第１の方向の焦点距離
又は第２の方向の焦点距離が変化して、ゾーンプレート
（４４）により発生する非点収差の量が変化する。

【００２３】言い替えると、そのゾーンプレート（４
４）において、第１の方向の間隔又は第２の方向の間隔
を変えることにより、このゾーンプレート（４４）を通
過する光に所望の量の非点収差を与えることができる。
従って、その位置検出光学系で発生する非点収差を、そ
のゾーンプレート（４４）で発生する非点収差で相殺す
ることにより、計測用マーク（ＷＭ）の像の２次元的な
位置を正確に検出することができる。

【００２４】また、本発明の第２の位置検出装置におい
ては、第１及び第２光学部材を有し非点収差を補正する
補正光学系を設けており、この第１及び第２光学部材と
しては、２つの楕円状の輪帯よりなるゾーンプレート
（８，９）が使用されている。図３に示すように、一般
に１枚のゾーンプレート（８）に平行光束ＡＬが入射す
ると、ゾーンプレート（８）からは＋１次光ＡＬ(+1)、
−１次光ＡＬ(-1)、＋２次光ＡＬ(+2)、−２次光ＡＬ(-
2)、‥‥が射出される。そして、例えば＋１次光ＡＬ(+
1)のメリジオナル方向の焦点距離を＋ｆとすると、−１
次光ＡＬ(-1)のメリジオナル方向の焦点距離は−ｆとな
る。そこで、第１のゾーンプレート（８）及び第２のゾ
ーンプレート（９）の各方向の焦点距離が同じであると
して、それら２つのゾーンプレート（８，９）を近接し
て配置して、第１のゾーンプレート（８）では＋１次光
ＡＬ(+1)を用いて、第２のゾーンプレート（９）ではそ
の＋１次光ＡＬ(+1)の−１次光ＡＬ(+1,-1) を使用する
と、２枚のゾーンプレート（８，９）は屈折力が０のレ
ンズとして作用する。

【００２５】次に、屈折力が０の状態から、２枚のゾー
ンプレート（８，９）の相対回転角又は間隔を変えるこ
とにより、所望の非点収差を発生することができる。そ
こで、その位置検出光学系で生じる非点収差をそれら２
つのゾーンプレート（８，９）で発生する非点収差で相
殺することにより、計測用マーク（ＷＭ）の像の２次元
的な位置を正確に検出することができる。

【００２６】また、本発明の第３の位置検出装置におい
ても、第１及び第２光学部材を有し非点収差を補正する
補正光学系を設けており、この第１及び第２光学部材と
しては、２つのゾーンプレート（８，９）が使用されて
いる。また、本発明では、感光基板（Ｗ）上の計測用マ
ーク（ＷＭ）からの位置検出用の光は投影光学系（Ｐ
Ｌ）を介して取り出されるが、投影光学系（ＰＬ）は露
光光に対して諸収差が補正されている。従って、特に位
置検出用の光の波長が露光波長と異なる場合には、その
位置検出用の光に対して投影光学系（ＰＬ）で非点収差
が発生することがある。そこで、本発明では、それら２
つのゾーンプレートの絶対回転角、相対回転角又は間隔
を調整し、投影光学系（ＰＬ）を含むその位置検出光学
系で生じる非点収差をそれら２つのゾーンプレートで発
生する非点収差で相殺することにより、計測用マーク
（ＷＭ）の像の２次元的な位置を正確に検出し、ひいて
は感光基板（Ｗ）の位置を正確に検出することができ
る。

【００２７】

【実施例】以下、本発明による位置検出装置の第１実施
例につき図１〜図８を参照して説明する。本実施例は、
投影露光装置に備えられたオフ・アクシスのＦＩＡ方式
のアライメント系に本発明を適用したものである。図１
は本実施例の投影露光装置の要部を示し、この図１にお
いて、図示省略された照明光学系からの露光光によりレ
チクルＲのパターンが均一な照度で照明され、レチクル
Ｒのパターンの像が投影光学系ＰＬを介して、等倍又は
所定の倍率で縮小されてウエハＷ上の各ショット領域に
露光される。レチクルＲのパターン領域の近傍には位置
合わせ用のレチクルマークＲＭが形成され、それに対応
してウエハＷ上の各ショット領域の近傍にはそれぞれ位
置合わせ用のウエハマークＷＭが形成されている。ウエ
ハＷはウエハステージ１上に載置され、ウエハステージ
１は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１に垂直な２次元平面
（この直交座標軸をＸ軸及びＹ軸とする）でウエハＷの
位置決めを行うＸＹステージ及びその光軸ＡＸ１に平行
なＺ方向にウエハＷを位置決めするＺステージ等より構
成されている。

【００２８】レチクルＲ上にはレチクルマークＲＭの位
置検出を行うためのレチクルアライメント系用の対物レ
ンズ２が配置され、対物レンズ２とレチクルＲとの間に
光路折り曲げ用のミラー３が配置されている。レチクル
アライメント系の光軸ＡＸ２は、投影光学系ＰＬを経て
ウエハＷ側に伸びており、レチクルアライメント系で
は、対物レンズ２を介して例えばレチクルマークＲＭと
ウエハステージ１上の指標マーク（図示省略）との位置
ずれ量を検出することができる。

【００２９】また、投影光学系ＰＬの側面にオフ・アク
シスのＦＩＡ方式のアライメント系４が配置され、この
アライメント系４において、光源５から射出された位置
検出用の照明光（アライメント光）の内でビームスプリ
ッター６を透過した光が、対物レンズ７を介して、ウエ
ハＷ上のウエハマークＷＭ上に照射される。そして、ウ
エハマークＷＭで反射されたアライメント光が、対物レ
ンズ７を経てビームスプリッター６に戻り、ビームスプ
リッター６で反射されたアライメント光が、第１の楕円
ゾーンプレート８及び第２のゾーンプレート９を経て焦
点板１０上にウエハマークＷＭの像を結像する。

【００３０】焦点板１０上には指標マークＩＭが形成さ
れており、焦点板１０を透過したアライメント光が、リ
レーレンズ１１を経てハーフプリズム１２に達し、ハー
フプリズム１２を透過した光が、２次元ＣＣＤよりなる
第１撮像素子１３Ｍの撮像面にウエハマークＷＭ及び指
標マークＩＭの像を結像する。また、ハーフプリズム１
２で反射された光が、２次元ＣＣＤよりなる第２撮像素
子１３Ｓの撮像面にウエハマークＷＭ及び指標マークＩ
Ｍの像を結像する。このアライメント系４の光軸ＡＸ３
のウエハＷとの交点が、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１に
対してＸ方向にずれているものとすると、投影光学系Ｐ
Ｌのメリジオナル方向はＸ方向となり、投影光学系ＰＬ
のサジタル方向はＹ方向となる。

【００３１】本例の第１撮像素子１３Ｍは、撮像面にお
いて、メリジオナル方向と共役な方向に水平走査線の方
向が設定されており、第１撮像素子１３Ｍの撮像信号よ
り、ウエハマークＷＭの像と指標マークＩＭとのメリジ
オナル方向（本例ではＸ方向）の位置ずれ量が検出でき
る。一方、第２撮像素子１３Ｓは、撮像面において、サ
ジタル方向と共役な方向に水平走査線の方向が設定され
ており、第２撮像素子１３Ｓの撮像信号より、ウエハマ
ークＷＭの像と指標マークＩＭとのサジタル方向（本例
ではＹ方向）の位置ずれ量が検出できる。

【００３２】本例では、第１撮像素子１３Ｍ及び第２撮
像素子１３Ｓの撮像信号を処理することにより、ウエハ
Ｗ上のウエハマークＷＭの焦点板１０上の像と指標マー
クＩＭとの２次元的な位置ずれ量を求めることができ
る。そこで、予め図１のアライメント系の光軸ＡＸ３と
投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１との間隔であるベースライ
ン量を求めておき、例えばウエハステージ１を駆動し
て、そのウエハマークＷＭの像と指標マークＩＭとの位
置ずれ量を所定の範囲内に追い込んでから、そのベース
ライン量分だけウエハステージ１を移動させることによ
り、そのウエハマークＷＭが属するショット領域を投影
光学系ＰＬの露光フィールド内に設定することができ
る。

【００３３】但し、この際に対物レンズ７や光路の引き
回し用のビームスプリッター６によってアライメント光
に対して非点収差が発生すると、焦点板１０上に結像さ
れるウエハマークＷＭの像にメリジオナル方向とサジタ
ル方向とで焦点ずれが発生する。そのため、仮にウエハ
マークＷＭの像のメリジオナル方向の焦点位置を焦点板
１０上に合わせると、ウエハマークＷＭの像のサジタル
方向の焦点位置は焦点板１０から外れることになり、ウ
エハマークＷＭの像と指標マークＩＭとをメリジオナル
方向及びサジタル方向で同時に合焦することができなく
なる。従って、第１撮像素子１３Ｍ又は第２撮像素子１
３Ｓの何れか又は両方で、ウエハマークＷＭの像と指標
マークＩＭとの位置ずれ量を正確に検出できなくなる。

【００３４】そこで、本実施例では、非点収差を補正す
る補正光学系を構成する第１の楕円ゾーンプレート８
（第１光学部材）と第２の楕円ゾーンプレート９（第２
光学部材）との相対回転角又はそれら２枚の楕円ゾーン
プレートの間隔を変えることにより、それら２枚の楕円
ゾーンプレートで発生する非点収差で、対物レンズ７又
はビームスプリッター６で発生した非点収差を相殺させ
る。これにより、ウエハマークＷＭの像と指標マークＩ
Ｍとのメリジオナル方向及びサジタル方向の位置ずれ量
を、それぞれ第１撮像素子１３Ｍ及び第２撮像素子１３
Ｓの撮像信号から正確に求めることができる。

【００３５】また、本実施例では、それら２枚の楕円ゾ
ーンプレートの相対回転角及び間隔をそれぞれ所望の状
態に設定するための設定装置５０が設けられている。な
お、本例において、焦点板１０と撮像素子１３Ｍ，１３
Ｓとの間で、即ち例えばリレーレンズ１１で非点収差が
生じた場合には、撮像素子１３Ｍ，１３Ｓの光軸ＡＸ３
方向の位置をそれぞれ調整することにより合焦を行うこ
とができる。従って、焦点板１０と撮像素子１３Ｍ，１
３Ｓとの間のみで非点収差が生じた場合には、楕円ゾー
ンプレート８，９を設置する必要はない。

【００３６】次に、図４及び図５を参照して、図１の楕
円ゾーンプレート８，９の相対回転角又は両者の間隔に
より非点収差がどの程度変化するのかを定量的に説明す
る。ここでは、第１の楕円ゾーンプレート８では＋１次
光を用いることにより凸レンズとして使用し、第２の楕
円ゾーンプレート９では−１次光を用いることにより凹
レンズとして使用する。また、第１の楕円ゾーンプレー
ト８の長径方向の焦点距離をｆｍ、短径方向の焦点距離
をｆｓとして、第２の楕円ゾーンプレート９の長径方向
の焦点距離を−ｆｍ、短径方向の焦点距離を−ｆｓとす
る。

【００３７】Ａ．回転した場合の非点収差の変化先ず、図４（ａ）に示すように、光軸ＡＸ３を軸として
第２の楕円ゾーンプレート９を第１の楕円ゾーンプレー
ト８に対して角度θだけ回転した場合の非点収差量を求
める。固定の第１の楕円ゾーンプレート８の長径方向を
メリジオナル方向（Ｍ方向）として、このＭ方向に垂直
な方向（第１の楕円ゾーンプレート８の短径方向）をサ
ジタル方向（Ｓ方向）とする。ただし、第１の楕円ゾー
ンプレート８と第２の楕円ゾーンプレート９との相対的
な回転角度が０、即ち、第１の楕円ゾーンプレート８の
長径方向（又は短径方向）と第２の楕円ゾーンプレート
９の長径方向（又は短径方向）とが互いに一致している
時には、メリジオナル方向及びサジタル方向では共に合
成の屈折力が０となる。この場合、楕円ゾーンプレート
８，９の間隔をｄとすると、２枚の楕円ゾーンプレート
８，９のメリジオナル方向の合成の焦点距離Ｆ_M 及びサ
ジタル方向の合成の焦点距離Ｆ_S はそれぞれ次のように
なる。

【００３８】

【数４】

【００３９】なお、入射光束が平行光束の場合には、角
度θが０で射出光束が集束しないため、以下では、入射
光束が平行光束の平行系と入射光束が収斂光束である結
像系とに分けて説明する。

【００４０】Ａ−１．結像系の場合結像系の場合には、図４（ｂ）において、第１の楕円ゾ
ーンプレート８から物点までの距離をｘとして、第１の
楕円ゾーンプレート８と第２の楕円ゾーンプレート９と
の間の距離をｄ、第２の楕円ゾーンプレート９のメリジ
オナル方向での物点から第２の楕円ゾーンプレート９の
メリジオナル方向での像点までの距離をａ、第１の楕円
ゾーンプレート８からその第１の楕円ゾーンプレート８
のメリジオナル方向での像点までの距離をｘ＋ａ、第２
の楕円ゾーンプレート９のサジタル方向での物点から第
２の楕円ゾーンプレート９のサジタル方向での像点まで
の距離をｂ、第１の楕円ゾーンプレート８からその第１
の楕円ゾーンプレート８のサジタル方向での像点までの
距離をｘ＋ｂ、第１の楕円ゾーンプレート８のメリジオ
ナル方向（長径方向）での屈折力を１／ｆ_m、第１の楕円
ゾーンプレート８のサジタル方向（短径方向）での屈折
力を１／ｆ_s、第２の楕円ゾーンプレート９のメリジオナ
ル方向での屈折力をΦ_m、第２の楕円ゾーンプレート９の
サジタル方向での屈折力をΦ_s、第１の楕円ゾーンプレー
ト８からメリジオナル方向の結像位置までの距離を（ｘ
＋ΔＭ）、サジタル方向の結像位置までの距離を（ｘ＋
ΔＳ）とする。ΔＭ及びΔＳは、２枚の楕円ゾーンプレ
ート８，９で発生する非点収差の量である。

【００４１】まず、メリジオナル方向では結像公式によ
って以下の（数５）に示す関係が成立する。

【００４２】

【数５】

【００４３】一方、サジタル方向では、結像公式によっ
て以下の（数６）に示す関係が成立する。

【００４４】

【数６】

【００４５】となる。以上の（数５）の第１及び第２式
より、非点収差量ΔＭは次のようになる。

【００４６】

【数７】

【００４７】但し、第１の楕円ゾーンプレート８と第２
の楕円ゾーンプレート９との相対的な回転角をθ、第１
の楕円ゾーンプレート８の長径方向（メリジオナル方
向）での焦点距離をｆ_m、第１の楕円ゾーンプレート８の
短径方向（サジタル方向）での焦点距離をｆ_sとすると
き、第２の楕円ゾーンプレート９のメリジオナル方向で
の屈折力Φ_mは、次式の如くなる。

【００４８】

【数８】

【００４９】また、（数６）の第１及び第２式より、非
点収差量ΔＳは次のようになる。

【００５０】

【数９】

【００５１】但し、第１の楕円ゾーンプレート８と第２
の楕円ゾーンプレート９との相対的な回転角をθ、第１
の楕円ゾーンプレート８の長径方向（メリジオナル方
向）での焦点距離をｆ_m、第１の楕円ゾーンプレート８の
短径方向（サジタル方向）での焦点距離をｆ_sとすると
き、第２の楕円ゾーンプレート９のサジタル方向での屈
折力Φ_sは次式の如くなる。

【００５２】

【数１０】従って、メリジオナル方向の結像位置とサジタル方向の
結像位置との差である非点隔差δ_RCは、次のようにな
る。この非点隔差δ_RCが、図４（ｂ）の結像系における
非点収差を定量的に示すものである．

【００５３】

【数１１】

【００５４】Ａ−２．平行系の場合図４（ｃ）は平行系の光路図を示し、この図４（ｃ）に
示すように、平行系では２枚の楕円ゾーンプレート８，
９の後に焦点距離ｆの凸レンズ１４（結像レンズ）を配
置して、この凸レンズ１４による結像位置を考える。そ
して、第１の楕円ゾーンプレート８に光軸ＡＸ３に平行
な光束が入射するものとして、第１の楕円ゾーンプレー
ト８と第２の楕円ゾーンプレートとの間の距離をｄ，第
２の楕円ゾーンプレート９から凸レンズ１４までの距離
をｄ′とする。更に、第１の楕円ゾーンプレート８のメ
リジオナル方向（長径方向）での屈折力を１／ｆ_m、第１
の楕円ゾーンプレート８のサジタル方向（短径方向）で
の屈折力を１／ｆ_s、第２の楕円ゾーンプレート９のメリ
ジオナル方向での屈折力をΦ_m、第２の楕円ゾーンプレー
ト９のサジタル方向での屈折力をΦ_s、第１の楕円ゾーン
プレート８からその第１の楕円ゾーンプレート８のメリ
ジオナル方向での像点までの距離をα_m、第１の楕円ゾー
ンプレート８からその第１の楕円ゾーンプレート８のサ
ジタル方向での像点までの距離をα_s、第２の楕円ゾーン
プレート９からその第２の楕円ゾーンプレート９のメリ
ジオナル方向での像点までの距離をβ_m、第２の楕円ゾー
ンプレート９からその第２の楕円ゾーンプレート９のサ
ジタル方向での像点までの距離をβ_s、凸レンズ１４から
メリジオナル方向の結像位置までの距離をｃ_M 、サジタ
ル方向の結像位置までの距離をｃ_S とする。

【００５５】まず、メリジオナル方向では結像公式によ
って以下の（数１２）に示す関係が成立する。

【００５６】

【数１２】

【００５７】一方、サジタル方向では、結像公式によっ
て以下の（数１３）に示す関係が成立する。

【００５８】

【数１３】

【００５９】以上の（数１２）の第１式〜第３式より、
距離ｃ_Mは次のようになる。

【００６０】

【数１４】

【００６１】但し、第１の楕円ゾーンプレート８と第２
の楕円ゾーンプレート９との相対的な回転角をθ、第１
の楕円ゾーンプレート８の長径方向（メリジオナル方
向）での焦点距離をｆ_m、第１の楕円ゾーンプレート８の
短径方向（サジタル方向）での焦点距離をｆ_sとすると
き、第２の楕円ゾーンプレート９のメリジオナル方向で
の屈折力Φ_mは次式の如くなる。

【００６２】

【数１５】

【００６３】また、（数１３）の第１式〜だい３式よ
り、距離ｃ_sは次のようになる。

【００６４】

【数１６】

【００６５】但し、第１の楕円ゾーンプレート８と第２
の楕円ゾーンプレート９との相対的な回転角をθ、第１
の楕円ゾーンプレート８の長径方向（メリジオナル方
向）での焦点距離をｆ_m、第１の楕円ゾーンプレート８の
短径方向（サジタル方向）での焦点距離をｆ_Sとすると
き、第２の楕円ゾーンプレート９のサジタル方向での屈
折力Φ_mは次式の如くなる。

【００６６】

【数１７】

【００６７】従って、楕円ゾーンプレート８，９及び凸
レンズ１４（結像レンズ）によるメリジオナル方向の結
像位置とサジタル方向の結像位置との差である非点隔差
δ_RPは、次のようになる。

【００６８】

【数１８】

【００６９】Ｂ．間隔を変えた場合の非点収差の変化図５（ａ）に示すように、光軸ＡＸ３を軸として第１の
楕円ゾーンプレート８と第２の楕円ゾーンプレート９と
の間隔をｄに設定した場合の非点収差量を求める。楕円
ゾーンプレート８，９の長径方向が等しいものとして、
この長径方向をメリジオナル方向（Ｍ方向）、このＭ方
向に垂直な方向をサジタル方向（Ｓ方向）とする。この
場合、２枚の楕円ゾーンプレート８，９のメリジオナル
方向の合成焦点距離Ｆ_M は次のようになる。

【００７０】

【数１９】

【００７１】また、２枚の楕円ゾーンプレート８，９の
サジタル方向の合成焦点距離ＦS は次のようになる。

【００７２】

【数２０】

【００７３】この場合も、入射光束が平行光束の場合の
平行系と入射光束が収斂光束である結像系とに分けて説
明する。

【００７４】Ｂ−１．結像系の場合結像系の場合には、図５（ｂ）において、第１の楕円ゾ
ーンプレート８から物点までの距離をｘとして、第１の
楕円ゾーンプレート８と第２の楕円ゾーンプレート９と
の間の距離をｄ、第２の楕円ゾーンプレート９のメリジ
オナル方向での物点から第２の楕円ゾーンプレート９の
メリジオナル方向での像点までの距離をａ、第１の楕円
ゾーンプレート８からその第１の楕円ゾーンプレート８
のメリジオナル方向での像点までの距離をｘ＋ａ、第２
の楕円ゾーンプレート９のサジタル方向での物点から第
２の楕円ゾーンプレート９のサジタル方向での像点まで
の距離をｂ、第１の楕円ゾーンプレート８からその第１
の楕円ゾーンプレート８のサジタル方向での像点までの
距離をｘ＋ｂ、第１の楕円ゾーンプレート８のサジタル
方向メリジオナル方向（長径方向）での屈折力を１／ｆ
_m、第１の楕円ゾーンプレート８のサジタル方向（短径方
向）での屈折力を１／ｆ_s、第２の楕円ゾーンプレート９
のメリジオナル方向での屈折力を−１／ｆ_m、第２の楕円
ゾーンプレート９のサジタル方向での屈折力を−１／ｆ
_s、第１の楕円ゾーンプレート８からメリジオナル方向の
結像位置までの距離を（ｘ＋ΔＭ）、サジタル方向の結
像位置までの距離を（ｘ＋ΔＳ）とする。ΔＭ及びΔＳ
は、２枚の楕円ゾーンプレート８，９で発生する非点収
差の量である。

【００７５】まず、メリジオナル方向では結像公式によ
って以下の（数２１）に示す関係が成立する。

【００７６】

【数２１】

【００７７】一方、サジタル方向では、結像公式によっ
て以下の（数２２）に示す関係が成立する。

【００７８】

【数２２】

【００７９】以上の（数２１）の第１及び第２式より、
非点収差量ΔＭは次のようになる。

【００８０】

【数２３】

【００８１】また、（数２２）の第１及び第２式より、
非点収差量ΔＳは次のようになる。

【００８２】

【数２４】

【００８３】従って、メリジオナル方向の結像位置とサ
ジタル方向の結像位置との差である非点隔差δ_GCは、次
のようになる。

【００８４】

【数２５】

【００８５】Ｂ−２．平行系の場合図５（ｃ）は平行系の光路図を示し、この図５（ｃ）に
示すように、平行系では２枚の楕円ゾーンプレート８，
９の後に焦点距離ｆの凸レンズ１４（結像レンズ）を配
置して、この凸レンズ１４による結像位置を考える。そ
して、第１の楕円ゾーンプレート８に光軸ＡＸ３に平行
な光束が入射するものとして、第１の楕円ゾーンプレー
ト８と第２の楕円ゾーンプレートとの間の距離をｄ，第
２の楕円ゾーンプレート９から凸レンズ１４までの距離
をｄ′とする。更に、第１の楕円ゾーンプレート８のメ
リジオナル方向（長径方向）での屈折力を１／ｆ_m、第１
の楕円ゾーンプレート８のサジタル方向（短径方向）で
の屈折力を１／ｆ_s、第２の楕円ゾーンプレート９のメリ
ジオナル方向での屈折力を−１／ｆ_m、第２の楕円ゾーン
プレート９のサジタル方向での屈折力を−１／ｆ_s、第１
の楕円ゾーンプレート８からその第１の楕円ゾーンプレ
ート８のメリジオナル方向での像点までの距離をα_m、第
１の楕円ゾーンプレート８からその第１の楕円ゾーンプ
レート８のサジタル方向での像点までの距離をα_s、第２
の楕円ゾーンプレート９からその第２楕円ゾーンプレー
ト９のメリジオナル方向での像点までの距離をΒ_m、第２
の楕円ゾーンプレート９からその第２楕円ゾーンプレー
ト９のサジタル方向での像点までの距離をΒ_s、凸レンズ
１４からメリジオナル方向の結像位置までの距離を
ｃ_M、サジタル方向の結像位置までの距離をｃ_S とす
る。

【００８６】まず、メリジオナル方向では結像公式によ
って以下の（数２６）に示す関係が成立する。

【００８７】

【数２６】

【００８８】一方、サジタル方向では、結像公式によっ
て以下の（数２７）に示す関係が成立する。

【００８９】

【数２７】

【００９０】以上の（数２６）の第１式〜第３式より、
距離ｃ_M は次のようになる。

【００９１】

【数２８】

【００９２】また、（数２７）の第１式〜第３式より、
距離ｃ_s は次のようになる。

【００９３】

【数２９】

【００９４】従って、楕円ゾーンプレート８，９及び凸
レンズ１４（結像レンズ）によるメリジオナル方向の結
像位置とサジタル方向の結像位置との差である非点隔差
δ_GPは、次のようになる。

【００９５】

【数３０】

【００９６】以上のように、本例では２枚の楕円ゾーン
プレート８，９の相対回転角又は間隔を変えることによ
り、アライメント光に対して所望の非点収差を与えるこ
とができる。従って、図１の実施例における第１及び第
２の楕円ゾーンプレート８，９は、ウエハマークＷＭか
ら反射するアライメント光が対物レンズ７により集光さ
れて収斂光束となる対物レンズ７と焦点板１０との間に
配置されているため、上述の（数１１）を満足するよう
に第１の楕円ゾーンプレート８と第２の楕円ゾーンプレ
ート９とを相対的に回転、あるいは上述の（数２５）を
満足するように第１の楕円ゾーンプレート８と第２の楕
円ゾーンプレート９との間隔を相対的に変化させること
が好ましい。これにより、アライメント系４内で発生す
る非点収差を補正することができる。

【００９７】また、図１の実施例において、２つの楕円
ゾーンプレート８，９と焦点板１０との間に、図４
（ｃ）及び図５（ｃ）の如き結像レンズ１４を配置し、
ウエハマークＷＭから反射するアライメント光を対物レ
ンズ７がほぼ平行光束に変換して２つの楕円ゾーンプレ
ート８，９へ導き、その２つの楕円ゾーンプレート８，
９を介したほぼ平行光束を結像レンズ１４が焦点板１０
上にウエハマークＷＭの像を形成する構成とすれば、上
述の（数１８）を満足するように第１の楕円ゾーンプレ
ート８と第２の楕円ゾーンプレート９とを相対的に回
転、あるいは上述の（数３０）を満足するように第１の
楕円ゾーンプレート８と第２の楕円ゾーンプレートとの
間隔を相対的に変化させることが好ましい。これによ
り、アライメント系４内で発生する非点収差を補正する
ことができる。

【００９８】次に、図１の実施例において、楕円ゾーン
プレート８，９により対物レンズ７及びビームスプリッ
ター６で発生する非点収差を補正する際の動作の一例に
つき説明する。先ず、図１の焦点板１０には、図６
（ａ）に示すように、Ｌ字型の１対のマークよりなる指
標マークＩＭが形成されているものとして、図１のウエ
ハＷ上のウエハマークＷＭの内でメリジオナル方向の位
置検出用のマークは、図６（ｂ）に示すように、メリジ
オナル方向に所定ピッチで配列されたライン・アンド・
スペースパターンよりなるマークＷＭ１であるとする。
この場合、図１の第１撮像素子１３Ｍに接続されたモニ
ター受像機の画面１３Ｍａには、図６（ｃ）に示すよう
に、指標マーク像ＩＭ′及びマーク像ＷＭ１′が重畳し
て結像される。

【００９９】図７（ａ）〜（ｃ）は、その図６（ｃ）の
画像を或る水平走査線ＬＸに沿って走査した場合に得ら
れる撮像信号を示す。また、図７（ａ）〜（ｃ）は、そ
れぞれ図１のウエハステージ１を介してウエハＷの露光
面の高さ（Ｚ方向の位置）を変えた場合に得られる撮像
信号でもあり、撮像信号５１及び５２はそれぞれ指標マ
ーク像ＩＭ′に対応する信号であり、撮像信号５３Ａ〜
５３Ｃはそれぞれマーク像ＷＭ１′に対応する信号であ
る。図７（ａ）〜（ｃ）より分かるように、ウエハＷの
露光面の高さを変えると、指標マーク像ＩＭ′のピーク
とボトムとのコントラストは常に一定であるが、マーク
像ＷＭ１′のピークとボトムとのコントラストは次第に
変化する。そして、図７（ｂ）に示すように、撮像信号
５３Ｂのコントラストが最も良好になるときが、ウエハ
ＷのウエハマークＷＭがメリジオナル方向で焦点板１０
と合焦するときであると考えられる。

【０１００】そこで、図１において、ウエハステージ１
をＺ方向に走査して、第１撮像素子１３Ｍの撮像信号よ
り、ウエハマークＷＭがメリジオナル方向で焦点板１０
と合焦するときの、ウエハステージ１のＺ方向の高さＺ
_M を求める。同様に、図１において、ウエハステージ１
をＺ方向に走査して、第２撮像素子１３Ｓの撮像信号よ
り、ウエハマークＷＭがサジタル方向で焦点板１０と合
焦するときの、ウエハステージ１のＺ方向の高さＺ_S を
求める。サジタル方向の合焦の検出を行うには、例えば
図６に示すように、ウエハマークＷＭの内のサジタル方
向に所定ピッチで形成されたライン・アンド・スペース
パターンよりなるマークＷＭ２が使用される。この結
果、メリジオナル方向で合焦するときの高さＺ_M と、サ
ジタル方向で合焦するときの高さＺ_S との差が非点収差
の量を表すことになる。従って、図１の設定装置５０に
より、楕円ゾーンプレート８及び９の相対回転角又は間
隔を調整して、その高さＺ_M と高さＺ_S とを一致させる
ことにより、対物レンズ７及びビームスプリッター６に
起因する非点収差が完全に補正される。

【０１０１】次に本発明の第２実施例につき図９を参照
して説明する。本実施例は、ＴＴＬ（スルー・ザ・レン
ズ）方式のアライメント系に本発明を適用したものであ
る。図９は本例の投影露光装置の要部を示し、この図９
において、図示省略された照明光学系からの露光光によ
りレチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬを介してウエ
ハＷ上に露光される。また、ウエハＷ上の各ショット領
域の近傍にはそれぞれウエハマークＷＭが形成されてい
る。本例の投影光学系ＰＬの側面の上方にはＴＴＬ方式
のアライメント系１５が配置され、このアライメント系
１５において、光源１６から射出されたアライメント光
が、第１リレーレンズ１７、所定の波長の光を選択する
フィルター板１８及び第２リレーレンズ１９を経てビー
ムスプリッター２０に入射する。ビームスプリッター２
１を透過したアライメント光が、対物レンズ２１及び光
路折り曲げ用のミラー２２を経て投影光学系ＰＬに入射
し、投影光学系ＰＬから射出されたアライメント光がウ
エハマークＷＭ上に照射されている。本例のアライメン
ト光の波長は、ウエハＷ上の感光材を感光させないよう
に、露光光の波長とは異ならしめてある。

【０１０２】ウエハマークＷＭから反射されたアライメ
ント光は、投影光学系ＰＬ、折り曲げミラー２２を経
て、ウエハＷの露光面との共役面Ｒ′上にウエハマーク
ＷＭの像を結像する。その共役面Ｒ′は、露光光のもと
でウエハＷの露光面と共役な面と間隔ΔＬだけ離れてい
る。この間隔ΔＬは、露光光及びアライメント光に対す
る投影光学系ＰＬにおける色収差に起因する量である。
その共役面Ｒ′からのアライメント光は、対物レンズ２
１を経てビームスプリッター２０に戻り、ビームスプリ
ッター２０で反射されたアライメント光が、倍率色収差
補正用のプリズム２３（例えば特開平４−２２３３２６
号公報で詳細に開示されている）、第１の楕円ゾーンプ
レート８、第２の楕円ゾーンプレート９及び結像レンズ
２４を経て、２次元ＣＣＤ等よりなる２次元撮像素子２
５の撮像面上にウエハマークＷＭの像を結像する。

【０１０３】その２次元撮像素子２５の撮像面上でのウ
エハマークＷＭの像の２次元的な位置より、所定の基準
位置からのウエハマークＷＭの位置ずれ量を検出するこ
とができる。本例における第１及び第２楕円ゾーンプレ
ート８，９は、ウエハマークＷＭを反射するアライメン
ト光が投影光学系ＰＬ、ミラー２２及び対物レンズ２１
を介して集光され略平行光束となる対物レンズ２１と結
像レンズ２４との間に配置されているため、上述の（数
１８）を満足するように第１の楕円ゾーンプレート８と
第２の楕円ゾーンプレート９とを相対的に回転、あるい
は上述の（数３０）を満足するように第１の楕円ゾーン
プレート８と第２の楕円ゾーンプレート９との間隔を相
対的に変化させることが好ましい。これにより、アライ
メント系１５内で発生する非点収差を補正することがで
きる。

【０１０４】特に、本例においては、ＴＴＬ方式で露光
光とは別波長の光でアライメントを行っているため、非
点収差が主に投影光学系ＰＬで発生するが、２枚の楕円
ゾーンプレート８，９の相対回転角又は間隔を調整する
ことにより、全体として非点収差を０とすることができ
る。しかも、アライメント光に対して非点収差が投影光
学系ＰＬのみならず、折り曲げミラー２２、対物レンズ
２１、ビームスプリッター２０及び結像レンズ２４等で
発生する場合にも、２枚の楕円ゾーンプレート８，９の
相対回転角又は間隔を調整することにより、全体として
非点収差を０とすることができる。これにより、ウエハ
マークＷＭの２次元的な位置を正確に検出できる。

【０１０５】また、通常の露光時には折り曲げミラー２
２は障害になるため、投影光学系ＰＬの露光フィールド
を広くするために、露光時には折り曲げミラー２２を待
避することが望ましい。しかしながら、折り曲げミラー
２２を待避する場合には、再びウエハマークＷＭの位置
検出を行うため、その折り曲げミラー２２をレチクルＲ
と投影光学系ＰＬとの間に設定するときの位置再現性が
問題となる。即ち、折り曲げミラー２２の位置により、
アライメント光に対して発生する非点収差の量が異な
り、ウエハマークＷＭの正確な位置検出ができなくなる
ためである。

【０１０６】そこで、折り曲げミラー２２の設定位置を
計測するためのセンサーを設け、予め折り曲げミラー２
２の設定位置により非点収差の量を計測しておき、その
後折り曲げミラー２２を設定した場合には、その位置に
応じて楕円ゾーンプレート８，９の相対回転角又は間隔
を変えることにより、その折り曲げミラー２２の位置に
よる非点収差の変化量を補正すると良い。また、投影光
学系ＰＬの周囲の室温又は気圧等によっても非点収差の
量が変化するため、予め室温及び気圧による非点収差の
変化量を測定しておき、投影露光装置の使用時には、温
度センサー及び気圧センサーの測定結果に応じて楕円ゾ
ーンプレート８，９により発生する非点収差の量を調整
すると良い。

【０１０７】次に、図１０を参照して本発明の第３実施
例につき説明する。本例は、ＴＴＲ（スルー・ザ・レチ
クル）方式のアライメント系に本発明を適用したもので
ある。図１０は本例の投影露光装置の要部を示し、この
図１０において、図示省略された照明光学系からの露光
光によりレチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬを介し
てウエハＷ上に露光される。また、ウエハＷ上の各ショ
ット領域の近傍にはそれぞれウエハマークＷＭが形成さ
れている。本例のレチクルＲの上方にはＴＴＲ方式のア
ライメント系２６が配置され、このアライメント系２６
において、光源１６から射出されたアライメント光が、
第１リレーレンズ１７、所定の波長の光を選択するフィ
ルター板１８及び第２リレーレンズ１９を経てビームス
プリッター２７に入射する。ビームスプリッター２７で
反射されたアライメント光が、対物レンズ２８及びレチ
クルＲを経て投影光学系ＰＬに入射し、投影光学系ＰＬ
から射出されたアライメント光がウエハマークＷＭ上に
照射されている。本例のアライメント光の波長は、ウエ
ハＷ上の感光材を感光させないように、露光光の波長と
は異ならしめてある。

【０１０８】レチクルＲ上には位置検出用のレチクルマ
ークＲＭが形成してあり、対物レンズ２８から射出され
たアライメント光はレチクルマークＲＭにも照射されて
いる。レチクルマークＲＭからの反射光はそのまま対物
レンズ１８に戻る。一方、ウエハマークＷＭから反射さ
れたアライメント光は、投影光学系ＰＬ及びレチクルＲ
を経て、ウエハＷの露光面との共役面Ｒ′上にウエハマ
ークＷＭの像を結像する。その共役面Ｒ′は、レチクル
Ｒのパターン形成面と間隔ΔＬだけ離れている。この間
隔ΔＬは、露光光及びアライメント光に対する投影光学
系ＰＬにおける色収差に起因する量である。従って、共
通の光学系では、ウエハマークＷＭの像とレチクルマー
クＲＭの像とを同時に観察することができないため、本
例では次のようにしている。

【０１０９】即ち、ウエハマークＷＭからのアライメン
ト光及びレチクルマークＲＭからのアライメント光は、
対物レンズ２８を経てビームスプリッター２７に戻る。
このビームスプリッター２７を透過したアライメント光
の内で、更にビームスプリッター２９及びミラー３０で
反射された光が、平行平板ガラス３１、結像レンズ３２
及びミラー３３を経てビームスプリッター３４に至る。
このビームスプリッター３４で反射された光が、２次元
ＣＣＤ等よりなる２次元撮像素子３５の撮像面上にレチ
クルマークＲＭの像を結像する。

【０１１０】一方、ビームスプリッター２７を透過した
後、ビームスプリッター２９を透過したアライメント光
が、平行平板ガラス５４、第１の楕円ゾーンプレート
８、第２の楕円ゾーンプレート９及び結像レンズ３６を
経てビームスプリッター３４に達し、ビームスプリッタ
ー３４を透過した光が、２次元撮像素子３５の撮像面上
にウエハマークＷＭの像を結像する。この際に、結像レ
ンズ３２による光束中にはウエハマークＷＭからの光が
混入しているが、２次元撮像素子３５の撮像面ではその
ウエハマークＷＭの像はデフォーカスされている。同様
に、結像レンズ３６による光束中にはレチクルマークＲ
Ｍからの光が混入しているが、２次元撮像素子３５の撮
像面ではそのレチクルマークＲＭの像はデフォーカスさ
れている。従って、２次元撮像素子３５の撮像面には、
レチクルマークＲＭの像とウエハマークＷＭの像とが重
畳して鮮明に結像される。２次元撮像素子３５の撮像信
号が信号処理装置４１に供給され、信号処理装置４１で
求められたウエハマークＷＭ及びレチクルマークＲＭの
位置情報が、装置全体の動作を制御する主制御系３８に
供給されている。

【０１１１】信号処理装置４１では、その２次元撮像素
子３５の撮像面上でのウエハマークＷＭの像とレチクル
マークＲＭの像との２次元的な位置ずれより、レチクル
ＲとウエハＷの当該ショット領域との位置ずれ量を検出
する。本例における第１及び第２の楕円ゾーンプレート
８，９は、ウエハマークＷＭを反射するアライメント光
が投影光学系ＰＬ及び対物レンズ２８を介して集光され
て略平行光束となる対物レンズ２８と結像レンズ３６と
の間に配置されているため、上述（数１８）を満足する
ように第１の楕円ゾーンプレート８と第２の楕円ゾーン
プレート９とを相対的に回転、あるいは上述の（数３
０）を満足するように第１の楕円ゾーンプレート８と第
２の楕円ゾーンプレート９との間隔を相対的に変化させ
ることが好ましい。これにより、アライメント系１５内
で発生する非点収差を補正することができる。

【０１１２】特に、本例においては、ＴＴＲ方式で露光
光とは別波長の光でアライメントを行っているため、非
点収差が主に投影光学系ＰＬで発生するが、２枚の楕円
ゾーンプレート８，９の相対回転角又は間隔を調整する
ことにより、全体として非点収差を０とすることができ
る。しかも、アライメント光に対して非点収差が投影光
学系ＰＬのみならず、対物レンズ２８、ビームスプリッ
ター２７及び２９、結像レンズ３６、ビームスプリッタ
ー３４等で発生する場合にも、２枚の楕円ゾーンプレー
ト８，９の相対回転角又は間隔を調整することにより、
全体として非点収差を０とすることができる。これによ
り、ウエハマークＷＭのレチクルマークＲＭに対する２
次元的な位置ずれ量を正確に検出できる。本例では２枚
の楕円ゾーンプレート８，９の相対回転角又は間隔を調
整するための駆動装置３７が設けられ、駆動装置３７
は、装置全体の動作を制御する主制御系３８の指令に基
づいて動作する。

【０１１３】ところで、レチクルサイズが変わった場合
やアライメントマークの位置が打ち変えられた場合に
は、アライメント系２６を投影光学系ＰＬの光軸Ａｘ１
と直交する方向へ移動させて、アライメントを行わなけ
ればならない。しかしながら、投影光学系ＰＬの光軸Ａ
ｘ１に対するアライメントマーク（レチクルマークＲ
Ｍ、ウエハマークＷＭ）の位置が変わる毎に、投影光学
系ＰＬにて発生する非点収差量が変化する問題がある。

【０１１４】そこで、本例では、アライメント系駆動装
置５０によりアライメント系２６が投影光学系ＰＬの光
軸Ａｘ１と直交する方向（レチクルＲと平行な方向）へ
移動可能に設けられ、このアライメント系駆動装置５０
は主制御系３８にて制御されている。そして、この主制
御系３８の内部のメモリー部には、投影光学系ＰＬの光
軸Ａｘ１に対するアライメントマーク（レチクルマーク
ＲＭ、ウエハマークＷＭ）の位置に応じた非点収差量、
換言すれば、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１に対する像高
に応じた非点収差量の情報が予めメモリーされている。

【０１１５】ここで、レチクルサイズが変わった場合や
アライメントマークの位置が打ち変えられた場合には、
主制御系３８は、アライメント系駆動装置５０によって
アライメント系２６を投影光学系ＰＬの光軸Ａｘ１と直
交する方向へ移動させて所定位置に設定し、その後、投
影光学系ＰＬの光軸Ａｘ１に対するアライメント系２６
の光軸位置に応じた非点収差量をメモリー部内の情報に
基づいて求める。そして、主制御系３８は、この求めら
れた非点収差量に基づいて、駆動装置３７を駆動させ
て、２枚の楕円ゾーンプレート８，９の相対回転角又は
間隔を調整することにより、非点収差が全体として零に
なるように補正することができる。

【０１１６】以上の如く、本例によれば、レチクルサイ
ズが変わった場合やアライメントマークの位置を打ち変
えた場合にも投影光学系ＰＬにて発生する非点収差を補
正でき、ウエハマークＷＭとレチクルマークＲＭとの２
次元的な位置を正確に検出することができる。なお、本
例の如き構成を図９に示すＴＴＬ方式の第２実施例の装
置に付加すれば、レチクルサイズが変わった場合やウエ
ハマークＷＭの位置を打ち変えた場合にも投影光学系Ｐ
Ｌにて発生する非点収差を補正できることは言うまでも
ない。

【０１１７】また、投影光学系ＰＬの周囲の室温や大気
圧等により、投影光学系ＰＬの投影倍率や歪曲収差等の
結像特性が変化することが分かっている。従って、レチ
クルＲのパターン像をより高精度にウエハＷ上に露光す
るためには、投影光学系ＰＬの結像特性を補正する機構
が必要である。そこで、本例の投影光学系ＰＬには投影
光学系ＰＬの倍率誤差等の結像特性を所定の範囲内で調
整するための結像特性補正装置３９が設けられている。
結像特性補正装置３９は、一例として、投影光学系ＰＬ
を構成する多数のレンズ間の空間（レンズ室）の内、所
定のレンズ室内の気体の圧力が可変になっており、その
レンズ室の気体の圧力を変えることにより、投影光学系
ＰＬの倍率誤差等の結像特性を所定の範囲内で変えるこ
とができる。

【０１１８】主制御系３８には、室温や大気圧を測定す
るための環境センサー４０が接続され、主制御系３８
は、その環境センサー４０の計測結果に応じて結像特性
補正装置３９を介して投影光学系ＰＬの結像特性を補正
する。また、室温や大気圧により投影光学系ＰＬ及びそ
の他の光学部材における非点収差の量が変化することが
考えられる。そこで、予め環境センサー４０による計測
結果とそれら光学部材における非点収差の変化量との関
係を計測しておき、主制御系３８は、結像特性補正装置
３９を介して投影光学系ＰＬの結像特性を補正するのと
並行して、駆動装置３７を介して２枚の楕円ゾーンプレ
ート８，９の相対回転角又は間隔を調整する。これによ
り、環境により変化した非点収差を２枚の楕円ゾーンプ
レート８，９での非点収差の変化量で相殺することがで
きる。

【０１１９】また、通常の露光時にはアライメント系２
６は障害になるため、露光時にはアライメント系２６を
待避できるようになっている。しかしながら、アライメ
ント系２６を待避する場合には、再びウエハマークＷＭ
及びレチクルマークＲＭの位置検出を行うため、そのア
ライメント系２６をレチクルＲ上に設定するときの位置
再現性が問題となる。即ち、アライメント系２６の位置
により、アライメント光に対して発生する非点収差の量
が異なり、ウエハマークＷＭの正確な位置検出ができな
くなるためである。

【０１２０】そこで、アライメント系２６の設定位置を
計測するためのセンサーを設け、予めアライメント系２
６の設定位置に対する非点収差の量を計測しておき、そ
の後アライメント系２６を設定した場合には、その位置
に応じてシリンドリカルレンズ９，８の相対回転角又は
間隔を変えることにより、そのアライメント系２６の位
置による非点収差の変化量を補正する。

【０１２１】なお、上述実施例では、２枚の楕円ゾーン
プレート８，９の内の少なくとも一方を光軸を中心とし
て回転させて相対回転角を、又は２枚の楕円ゾーンプレ
ート８，９の内の少なくとも一方を移動させて相対的な
間隔を変えることにより非点収差量を調整しているが、
２枚の楕円ゾーンプレート８，９を一体として光軸の回
りに回転しても非点収差の状態を或る程度変えることが
できる。従って、２枚の楕円ゾーンプレート８，９の一
体としての回転角（以下、「絶対回転角」という）を変
えることにより、位置検出用の光学系で発生する非点収
差を補正するようにしても良い。また、それら楕円ゾー
ンプレート８，９の配置位置は任意であり、例えば図１
の例であれば、ウエハＷと焦点板１０との間のどこに配
置しても良い。

【０１２２】また、上述実施例では、明部と暗部とより
なる楕円ゾーンプレート８，９が使用されているが、ガ
ラス基板上に凹凸のパターンで楕円状のパターンを形成
することにより形成した位相型の楕円ゾーンプレートを
使用しても良い。位相型の楕円ゾーンプレートを使用し
た場合には、例えば±１次光のみを効率的に取り出すこ
とができ、アライメント光の利用効率を高めることがで
きる。

【０１２３】次に、図１１を参照して本発明の第４実施
例につき説明する。本例は例えば図１の２つの楕円ゾー
ンプレート８，９の代わりに使用できる非点収差発生装
置に本発明を適用したものである。図１１は本例の非点
収差発生装置を示し、この図１１において、液晶表示基
板４２にパターン発生装置４３が接続されている。パタ
ーン発生装置４３は液晶表示基板４２の透明の背景中に
任意の暗いパターンを発生するものである。そして、本
例では、液晶表示基板４２中に複数の楕円状の輪帯パタ
ーンよりなる楕円ゾーンプレートパターン４４を形成す
る。この楕円ゾーンプレートパターン４４内の第ｎ番目
の透明輪帯４５_n と第（ｎ＋１）番目の透明輪帯４５
_n+1 との、長径方向（メリジオナル方向）の間隔Ｐ
_nmと、短径方向（サジタル方向）の間隔Ｐ_nsとは、任意
の値に設定することができる。

【０１２４】本例の液晶表示基板４２により、メリジオ
ナル方向の焦点距離とサジタル方向の焦点距離とをそれ
ぞれ所望の値に設定することができ、ひいては所望の非
点収差を発生することができる。従って、その液晶表示
基板４２を図１の楕円ゾーンプレート８，９の代わりに
設定することにより、他の光学系で発生する非点収差を
相殺することができる。

【０１２５】なお、上述実施例ではウエハマークＷＭの
像を画像処理しているが、それ以外に、レーザ・ステッ
プ・アライメント方式のアライメント系のように、ウエ
ハマークＷＭからの光を全体として光電変換する場合で
も、本発明のように楕円ゾーンプレートを用いて非点収
差を補正することにより、より正確にウエハマークＷＭ
の位置検出を行うことができる。

【０１２６】更に、本発明は半導体素子等の製造用の露
光装置のみならず、顕微鏡等にも適用できることは言う
までもない。このように、本発明は上述実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得る。

【０１２７】

【発明の効果】本発明の第１、第２又は第３の位置検出
装置によれば、それぞれ位置検出用の光学系（例えば対
物レンズ、光路折り曲げ用のミラー等）又は投影光学系
で発生した非点収差を光学部材の交換を行うことなく補
正でき、被検物の２次元的な位置検出をより高精度に行
うことができる利点がある。また、被検物としての基板
等に化学処理などにより反りやうねりなどが存在した場
合に、位置検出用の光学系の作動距離が変化しても、対
応できるという利点もある。

【０１２８】また、第１の位置検出装置では、１枚のゾ
ーンプレートで非点収差の補正を行うことができるた
め、構成が簡略である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の第１実施例が適用
された投影露光装置の要部を示す構成図である。

【図２】楕円ゾーンプレートの一例を示す図である。

【図３】２枚の楕円ゾーンプレートで結像を行う場合の
原理説明図である。

【図４】（ａ）は第１実施例において２枚の楕円ゾーン
プレートの回転角を変える場合を示す斜視図、（ｂ）は
結像系を示す光路図、（ｃ）は平行系を示す光路図であ
る。

【図５】（ａ）は第１実施例において２枚の楕円ゾーン
プレートの間隔を変える場合を示す斜視図、（ｂ）は結
像系を示す光路図、（ｃ）は平行系を示す光路図であ
る。

【図６】（ａ）は指標マークＩＭを示す拡大図、（ｂ）
はメリジオナル方向用のウエハマークを示す拡大図、
（ｃ）は撮像素子により撮像された画像を示す図であ
る。

【図７】第１実施例において、ウエハＷの露光面の高さ
を次第に変えた場合の撮像信号の変化を示す波形図であ
る。

【図８】第１実施例におけるサジタル方向用のウエハマ
ークを示す拡大図である。

【図９】本発明の第２実施例が適用された投影露光装置
の要部を示す構成図である。

【図１０】本発明の第３実施例が適用された投影露光装
置の要部を示す構成図である。

【図１１】本発明の第４実施例の非点収差発生装置を示
す構成図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系ＷウエハＷＭウエハマークＩＭ指標マーク１ウエハステージ４アライメント系６ビームスプリッター７対物レンズ８，９楕円ゾーンプレート１０焦点板１１結像レンズ１３Ｍ，１３Ｓ撮像素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物上の計測用マークからの位置検出
用の光を位置検出光学系を介して観察面上に導き、該観
察面上での前記位置検出用の光の位置から前記被検物の
位置を検出する装置において、前記被検物と前記観察面との間の前記位置検出用の光の
光路に沿って、複数の楕円状の輪帯パターンより形成さ
れると共に、前記複数の楕円状の輪帯パターンの第１の
方向での各パターンの間隔及び前記第１の方向に直交す
る第２の方向での各パターンの間隔の内の少なくとも一
方が可変のゾーンプレートを配置し、該ゾーンプレートを形成する前記複数の楕円状の輪帯パ
ターンの前記第１の方向での各パターンの間隔及び前記
第２の方向での各パターンの間隔の内の少なくとも一方
を変化させる駆動手段を設け、前記ゾーンプレートを形成する前記複数の楕円状の輪帯
パターンの前記第１の方向での各パターンの間隔及び前
記第２の方向での各パターンの間隔の内の少なくとも一
方を変化させることにより、前記位置検出用の光に対し
て前記位置検出光学系で発生する非点収差を補正するよ
うにしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】被検物上の計測用マークからの位置検出
用の光を位置検出光学系を介して観察面上に導き、該観
察面上での前記位置検出用の光の位置から前記被検物の
位置を検出する装置において、前記被検物と前記観察面との間の前記位置検出用の光の
光路に沿って、それぞれ複数の楕円状の輪帯より形成さ
れた第１ゾーンプレート及び第２ゾーンプレートを配置
し、前記２つのゾーンプレートの内の少なくとも一方を
該ゾーンプレートの光軸を中心に回転自在又は該光軸に
沿って移動自在に設け、前記２つのゾーンプレートの内の少なくとも一方のゾー
ンプレートを回転又は移動することにより、前記位置検
出用の光に対して前記位置検出光学系で発生する非点収
差を補正するようにしたことを特徴とする位置検出装
置。
【請求項３】マスク上に形成されたパターンの像を投
影光学系を介して感光基板上に投影する露光装置に設け
られ、前記感光基板上の計測用マークから前記投影光学
系を介して得られる位置検出用の光を集光し、観察面上
に前記計測用マークの像を形成する位置検出光学系と、
前記観察面上の前記計測用マークの像の２次元的な位置
ずれ量を検出する計測手段とを有し、前記計測用マーク
の像の位置ずれ量から前記感光基板の位置を検出する位
置検出装置において、前記投影光学系と前記観察面との間の前記位置検出用の
光の光路に沿ってそれぞれ複数の楕円状の輪帯より形成
される第１ゾーンプレート及び第２ゾーンプレートを配
置し、前記２つのゾーンプレートの内の少なくとも一方
を該ゾーンプレートの光軸を中心に回転自在又は該光軸
に沿って移動自在に設け、前記２つのゾーンプレートの内の少なくとも一方のゾー
ンプレートを回転又は移動することにより、前記位置検
出用の光に対して前記投影光学系で発生する非点収差を
補正するようにしたことを特徴とする位置検出装置。