JPH06302504A

JPH06302504A - アライメント装置

Info

Publication number: JPH06302504A
Application number: JP6020783A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hagiwara; 茂萩原; Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1994-02-18
Publication date: 1994-10-28
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: JP3367187B2

Abstract

(57)【要約】【目的】アライメント光として単色光を用いた場合の
不都合を解消すると共に、比較的簡単な構成で投影光学
系の軸上色収差及び倍率色収差を補正する。【構成】アライメント光学系５Ａから射出される波長
λ_A の２光束Ｌａ_A 及びＬｂ_A を、レチクル２、投影光
学系３及び補正光学素子Ｇａ_A 及びＧｂ_A を介してウエ
ハ４上のウエハマークＷＭ_X に照射し、アライメント光
学系５Ａから射出される波長λ_B の２光束Ｌａ_B 及びＬ
ｂ_B を、レチクル２、投影光学系３及び補正光学素子Ｇ
ａ_B 及びＧｂ_B を介してウエハ４上のウエハマークＷＭ
_X に照射する。ウエハマークＷＭ_X から上方に回折され
る波長λ_A の光束Ｌｃ_A の色収差を補正光学素子Ｇｃ_A
で補正し、波長λ_B の光束Ｌｃ_B の色収差を補正光学素
子Ｇｃ_B で補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばレチクル上に形
成されたパターンをウエハ上に転写する投影光学系を備
えた半導体露光装置のアライメント（位置合わせ）装置
に関し、特に、レチクルのパターンをウエハ上に転写す
るための露光光とは異なる波長のアライメント光によ
り、レチクルとウエハとの相対的な位置合わせを行うア
ライメント装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の製造に使用される投影露
光装置に於いては、原版となるパターンが形成されたフ
ォトマスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称す
る）と、感光材が塗布されたウエハとのアライメントの
精度を確保することは、最も重要な課題であり、従来よ
り投影光学系を介してアライメントを行う所謂ＴＴＬ
（スルー・ザ・レンズ）方式が、原理的に最も高い精度
を期待できるものとして利用されている。

【０００３】また一般に、ＴＴＬ方式のアライメント装
置、即ち投影光学系を通してウエハ上のアライメントマ
ークを検出してレチクルとウエハとのアライメントを行
う装置、或いはＴＴＬ方式に含まれるものであるが、レ
チクル及び投影光学系の両方を介してウエハを参照する
ＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメントを
行う装置では、露光光と異なる波長のアライメント光を
用いることにより、ウエハ上に塗布された感光材（レジ
スト等）が感光しないような配慮がなされている。

【０００４】しかしながら、露光光とは異なる波長のア
ライメント光に基づいてアライメントを行う場合には、
投影光学系によりアライメント光に色収差及び倍率色収
差が発生する問題がある。そこで、特開平３−３２２４
号公報及び特公平１−４０４９０号公報等において、こ
れら色収差及び倍率色収差を補正するようにしたアライ
メント装置が提案されている。それらの内、特開平３−
３２２４号公報で開示されたアライメント装置では、ア
ライメント光として単色光を用い、投影光学系の入射瞳
の中心に色収差補正用の補正レンズを配置し、この補正
レンズを露光光に対して悪影響を及ぼさない程度に小さ
く構成していた。

【０００５】また、特公平１−４０４９０号公報に開示
されたアライメント装置では、レチクルと投影光学系と
の間の露光光路外あるいは露光光路内に補正光学系を配
置することによって、原理的に投影光学系の軸上色収差
を補正することができるようになっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
において、アライメント精度を向上させるためには、ウ
エハ上のアライメントマーク（ウエハマーク）を構成す
る回折格子のピッチをより微細にする必要があるが、ウ
エハマークとしての回折格子のピッチを小さくすればす
る程、投影光学系の入射瞳では、その回折格子からの検
出光としての±１次光の間隔が広がるようになる。その
ため、特開平３−３２２４号公報で開示されたアライメ
ント装置においては、ウエハマークとしての回折格子の
ピッチを小さくすればする程、補正レンズを大きくする
必要があり、補正レンズが露光光に対して悪影響を及ぼ
す程に大きくなってしまう。その結果、より高精度にア
ライメントを行う用途には対応できないという不都合が
ある。

【０００７】また、特公平１−４０４９０号公報に開示
されたアライメント装置では、アライメント光は露光光
よりも波長が長いため、投影光学系を介してウエハマー
クの像を見ると、投影光学系の倍率色収差によって、レ
チクル上の露光領域内にウエハマークの像が入り込んで
しまう場合がある。この場合には、レチクルと投影光学
系との間で露光光路外に設けられた傾角可変な平行平面
板により、投影光学系の倍率色収差を補正してウエハマ
ークの像を露光領域外へシフトさせることが可能であ
る。ところが、この平行平面板が露光光の一部を遮光し
てしまうため、露光光に悪影響を及ぼさずに投影光学系
の倍率色収差を補正することができないという不都合が
ある。

【０００８】更に、レチクル及び投影光学系を介してア
ライメントを行うＴＴＲ方式、あるいは投影光学系を介
してアライメントを行うＴＴＬ方式を採用する際には、
レチクルの上方あるいは下方に配置された反射鏡を介し
てウエハマークからの光を取り出している。しかしなが
ら、この際に投影光学系の倍率色収差によってレチクル
側の露光領域内側へウエハマークの像がシフトする傾向
がある場合には、上記の反射鏡等が露光光の一部を遮っ
てしまう虞があり、アライメント光学系の配置条件が厳
しくなる。

【０００９】また、投影光学系は露光光の波長に対して
は十分に色収差（軸上色収差及び倍率色収差）が補正さ
れているものの、露光光とは別波長のアライメント光に
対する色収差（軸上色収差及び倍率色収差）まで補正す
ると、投影光学系の設計及び製造がより困難なものとな
る。特に、エキシマレーザ光源からのレーザビームを露
光光とするエキシマレーザ用の投影光学系では、使用で
きる硝材が石英・蛍石等の極限られた硝材に制限され
る。しかもエキシマレーザ光源の出力が高く、色収差補
正のために、石英・蛍石等の硝材を接合することが困難
であり、露光光とは異なる波長のアライメント光に対す
る色収差まで補正することが難しく、投影光学系の設計
及び製造をより困難なものとしていた。

【００１０】また、アライメント光として単色光を使用
したアライメント装置では、ウエハマーク上のレジスト
層で、ウエハマークの凹部と凸部との間の段差やレジス
ト層の厚さ等の諸条件によってはアライメント光の回折
効率が変化して、検出光の強度が弱くなりアライメント
が困難になるという場合が有り得る。また、ウエハマー
クの非対称性に関しても、単色光ではその悪影響を受け
易いという不都合がある。

【００１１】そこで、アライメント光を多色化すること
が考えられる。このアライメント光の多色化により、た
とえ或る波長の光では検出光強度が低下しても、その波
長と異なる波長の光を用いることにより、損なわれたア
ライメント情報を補うことが可能となり、ウエハマーク
の非対称性からくる悪影響も低減できる。しかしなが
ら、アライメント光を多色化する場合には、アライメン
ト光を構成する異なる波長の光間にそれぞれの波長に応
じた倍率色収差が発生するため、それらの色収差を如何
に簡単な機構で補正するかが問題となる。

【００１２】本発明は斯かる点に鑑み、比較的簡単な構
成であるにもかかわらず、投影光学系の軸上色収差を補
正すると同時に倍率色収差を制御することにより、アラ
イメント光学系の配置を容易にしながら、投影光学系の
設計及び製造を容易にできる高性能なアライメント装置
を提供することを目的とする。更に、本発明はアライメ
ント光として単色光を用いた場合の不都合を解消できる
と共に、色収差の補正機構がそれ程複雑化しないアライ
メント装置を提供することをも目的とする。

【００１３】なお、ここで云う倍率色収差とは横方向の
色収差のことであり、これは、投影光学系を通過するこ
とによってガウス像面上で結像する露光光と同じ波長の
軸外光と、投影光学系を通過することによって上記ガウ
ス像面又はこれの前後で結像する露光光とは別波長のア
ライメント光との双方の主光線が上記ガウス像面上で交
差する各交差位置間のずれを定義するものである。そし
て、倍率色収差量（横の色収差量）ΔＴとは、投影光学
系を通過することによってガウス像面上で結像する露光
光と同じ波長の軸外光における主光線が上記ガウス像面
で交差する交差位置から、上記ガウス像面上での投影光
学系の光軸位置までの距離をδ₁ 、投影光学系を通過す
ることによって上記ガウス像面又はこれの前後で結像す
る露光光とは別波長のアライメント光における主光線が
上記ガウス像面で交差する交差位置から、上記ガウス像
面上での投影光学系の光軸位置までの距離をδ₂ とする
とき、ΔＴ＝｜δ₂-δ₁|で定義されるものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によるアライメン
ト装置は、例えば図２に示す如く、マスク（２）上に形
成された所定のパターンを露光光のもとで基板（４）上
に投影する投影光学系（３）を備えた露光装置に設けら
れ、マスク（２）と基板（４）との相対的な位置合わせ
を行うアライメント装置であって、その露光光とは異な
る波長域のアライメント光を投影光学系（３）を介して
基板（４）上に形成されたアライメントマーク（ＷＭ
_X ）に照射する光照射手段（５Ａ）と、そのアライメン
トマークからの光を投影光学系（３）を介して検出する
検出手段（５Ａ）とを有し、マスク（２）と基板（４）
との間に、そのアライメントマークに向かうアライメン
ト光よりなる照射光及びそのアライメントマークからの
アライメント光よりなる検出光に対して、それぞれ投影
光学系の軸上色収差及び倍率色収差とは反対方向の軸上
色収差及び倍率色収差を発生させる照射光用の補正光学
素子及び検出光用の補正光学素子を設けたアライメント
装置において、そのアライメント光として、その露光光
とは異なる波長域の互いに波長の異なる複数の光で多色
化された光を使用し、その照射光用の補正光学素子（Ｇ
ａ_A ，Ｇａ_B ，Ｇｂ_A ，Ｇｂ_B ）又はその検出光用の補
正光学素子（Ｇｃ_A ，Ｇｃ_B ）を、そのアライメント光
を構成する波長の異なる複数の光に対応して複数個設け
たものである。

【００１５】この場合、その照射光用の補正光学素子
を、そのアライメント光を構成する波長の異なる複数の
光に対する投影光学系（３）の倍率色収差を補正するよ
うに複数個設け、且つその検出光用の補正光学素子を、
そのアライメント光を構成する波長の異なる複数の光に
対して１個設けるようにしてもよい。また、その照射光
用の補正光学素子及びその検出光用の補正光学素子を投
影光学系（３）の瞳面内に配置することが望ましい。

【００１６】

【作用】斯かる本発明によれば、露光光とは異なる波長
域の複数の波長の光よりなるアライメント光を、投影光
学系を介して基板上のアライメントマークに照射し、そ
のアライメントマークからの光を投影光学系を介して検
出する際に、投影光学系には複数の波長の光毎にそれぞ
れ異なる量の軸上色収差及び倍率色収差が発生する。

【００１７】そこで本発明では、マスクと基板との間
に、アライメントマークに照射されるアライメント光で
ある照射光とアライメントマークからのアライメント光
である検出光との内、例えば照射光に対する軸上色収差
を補正しながら、倍率色収差を制御する照射光用の補正
光学素子と、検出光に対して必要に応じて軸上色収差を
補正しながら、倍率色収差を制御する検出光用の補正光
学素子とを独立に設けている。但し、逆に例えば検出光
に対する軸上色収差を補正しながら、倍率色収差を制御
する検出光用の補正光学素子と、照射光に対して必要に
応じて軸上色収差を補正しながら、倍率色収差を制御す
る照射光用の補正光学素子とを独立に設けても良い。ま
た、各補正光学素子はアライメント光を構成する各波長
の光にそれぞれ対応している。

【００１８】これにより、アライメント光が多色化され
ている場合でも、補正光学素子を配置するという比較的
簡単な構成で、各波長の光に対する投影光学系の色収差
を補正することができる。また、照射光用の補正光学素
子を、アライメント光を構成する波長の異なる複数の光
に対する投影光学系の倍率色収差を補正するように複数
個設け、且つ検出光用の補正光学素子を、アライメント
光を構成する波長の異なる複数の光に対して１個設けた
場合とは、波長の異なる複数の光の検出光に対しては、
１個の検出用の補正光学素子で色収差の補正を行うこと
を意味する。これにより、構成が簡略化される。

【００１９】そのアライメントマークとして回折格子マ
ークを用いた場合に、このように、波長の異なる複数の
光の検出光に対して、１個の検出用の補正光学素子で色
収差の補正を行うことができる条件は、その回折格子マ
ークの格子ピッチをＰ、その回折格子マークの幅をＷ、
アライメント光の中心波長をλ₀ 、アライメント光の波
長の幅をΔλとすると、次のようになる。 Δλ＞（２Ｐ／Ｗ）・λ₀

【００２０】また、照射光用の補正光学素子及び検出光
用の補正光学素子を投影光学系の瞳面内に配置した場合
には、構成が簡略である。

【００２１】

【実施例】以下、本発明によるアライメント装置の第１
実施例につき図面を参照して説明する。本例は投影露光
装置用のアライメント系に本発明を適用したものであ
る。また、本例は、アライメント光を露光光とは異なる
波長域の異なる２つの波長λ _A 及びλ_B の光で多色化
し、且つそれら２つの波長の光に対して投影光学系で発
生する色収差の全部又は一部を、投影光学系の瞳面（フ
ーリエ変換面）に配置された透明部材（ガラス基板等）
上に形成された補正光学素子で補正するものである。

【００２２】また、本例のアライメント系は２本のレー
ザービームをアライメントマークに所定の交差角で照射
するとともに、アライメント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ものであ
り、特に２本のレーザービームに所定の周波数差（例え
ば50kHz 程度）を与えるヘテロダイン法を採用したもの
である。

【００２３】図１は、この第１実施例の投影光学系の瞳
面に設けられた透明部材上に形成された位相格子等より
なる補正光学素子の配置を示し、この図１において、２
４個の小さい円形のマークが照射光及び検出光に対して
収差補正を行う補正光学素子を示す。これら２４個の補
正光学素子は、２つの波長λ_A 及びλ_B の光に対してそ
れぞれ１２個の補正光学素子が割り当てられ、以下で
は、波長λ_A に対する１２個の補正光学素子（これをＡ
群とする）に属する補正光学素子には添字Ａを付し、区
別し、波長λ_B に対する１２個の補正光学素子（これを
Ｂ群とする）に属する補正光学素子には添字Ｂを付して
両者を区別する。また、本例ではＡ群の補正光学素子で
発生する倍率色収差量と、Ｂ群の補正光学素子で発生す
る倍率色収差量とが異なっている。尚、以下では１組の
アライメント系で使用される６個の補正光学素子のみに
ついて説明する。

【００２４】図１において、Ｙ軸に対して対称に配列さ
れた補正光学素子Ｇａ_A 及びＧｂ_Aが、それぞれウエハ
上のアライメントマーク（ウエハマーク）に照射される
波長λ_A の２つのアライメント光の色収差補正を行い、
Ｙ軸上の補正光学素子Ｇｃ_Aがウエハマークからのアラ
イメント光（２つの回折光同士の干渉光）の色収差補正
を行う。また、Ｙ軸に対して対称に且つ補正光学素子Ｇ
ａ_A 及びＧｂ_A の外側に配列された補正光学素子Ｇａ_B
及びＧｂ_B が、それぞれウエハ上のアライメントマーク
（ウエハマーク）に照射される波長λ_B の２つのアライ
メント光の色収差補正を行い、Ｙ軸上の補正光学素子Ｇ
ｃ_B がウエハマークからのアライメント光の色収差補正
を行う。これら６個の補正光学素子により、ウエハ上の
１個のウエハマーク用のアライメント光に対する色収差
補正が行われる。

【００２５】本例では２４個の補正光学素子が設けられ
ているので、合計で４個のウエハマーク用のアライメン
ト光に対する色収差補正を同時に行うことができる。ま
た、同じ記号で示される３個の補正光学素子でそれぞれ
１組の補正光学素子が構成され、各組の補正光学素子が
それぞれ１つのウエハマークに対する１つの波長のアラ
イメント光に対する色収差の補正を行う。

【００２６】先ず、それら２４個の補正光学素子の機能
の説明を、１個のウエハマークの位置検出を行う場合を
例にとって説明する。図２は、本例の投影露光装置の要
部を簡略化して示し、この図２において、波長λ_A のア
ライメント光の光束を実線で示し、波長λ_B のアライメ
ント光の光束を点線で示す。図２において、レチクル２
のパターン領域２ａのパターンが図示省略された照明光
学系からの露光光のもとで、投影光学系３を介してウエ
ハ４上に投影される。レチクル２のパターン領域２ａの
４辺の近傍上にはそれぞれアライメント光学系５Ａ〜５
Ｄが配置され、各アライメント光学系５Ａ〜５Ｄがそれ
ぞれレチクル２上のアライメントマーク（レチクルマー
ク）の位置検出を行うと共に、レチクル２及び投影光学
系３を介してウエハ４上のアライメントマーク（ウエハ
マーク）の位置検出を行う。一例として、アライメント
光学系５Ａが、ウエハ４上のＸ方向用のウエハマークＷ
Ｍ_X の位置検出を行う場合につき説明する。

【００２７】また、投影光学系３の瞳面Ｐ上にガラス基
板等からなる透明部材３が配置され、この透明部材３上
に図１に示した２４個の補正光学素子が形成されてい
る。ウエハマークＷＭ_X の位置検出用には、透明部材３
上で黒く塗りつぶされた楕円で表されている６個の補正
光学素子が使用される。そして、アライメント光学系５
Ａから射出される波長λ_A の２光束のアライメント光
（照射光）Ｌａ_A 及びＬｂ _A が、それぞれ補正光学素子
Ｇａ_A 及びＧｂ_A により色収差が補正されてウエハマー
クＷＭ_X 上に照射され、ウエハマークＷＭ_X からほぼ同
一方向に発生する２光束の回折光（例えば±１次回折
光）同士のビート干渉光よりなる波長λ_A の検出光が、
補正光学素子Ｇｃ_A により色収差が補正されてアライメ
ント光学系５Ａに戻る。同様に、アライメント光学系５
Ａから射出される波長λ_B の２光束のアライメント光
（照射光）Ｌａ_B 及びＬｂ_B が、それぞれ補正光学素子
Ｇａ_B 及びＧｂ_B により色収差が補正されてウエハマー
クＷＭ_X 上に照射され、ウエハマークＷＭ_X から発生す
るビート干渉光よりなる波長λ_B の検出光が、補正光学
素子Ｇｃ_B により色収差が補正されてアライメント光学
系５Ａに戻る。

【００２８】次に、図２におけるアライメント光の傾斜
状態につき図３を参照して説明する。図３（ａ）では、
簡単のため、図２中の波長λ_A のアライメント光につい
ての光路のみを示している。図３（ａ）において、アラ
イメント光学系５Ａの下方のレチクル２のパターン領域
２ａの近傍の領域Ｃには、図３（ｄ）に示すように、ウ
エハマークに向かう照射光Ｌａ_A ，Ｌｂ_A 及びウエハマ
ークからの検出光Ｌｃ _A を透過するための窓部ＷＩと、
レチクル用のアライメントマーク（レチクルマーク）と
しての回折格子マークＲＭ_X が並列に形成されている。
但し、位置計測の方向は投影光学系３のサジタル方向で
あるとしている。同様に、他のアライメント光学系５Ｂ
〜５Ｄの下方のレチクル２上にもそれぞれ窓部及びレチ
クルマークが形成されている。

【００２９】図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢視Ａ方向か
ら見たアライメント光の傾斜状態を示し、この図３
（ｂ）に示すように、アライメント光学系５Ａから射出
されるアライメント光（照射光Ｌａ_A ，Ｌｂ_A ）及びア
ライメント光学系５Ａに向かうアライメント光（検出光
Ｌｃ_A ）は、投影光学系３のメリジオナル方向に角度θ
ｒ _1Aで傾けられている。その角度θｒ_1Aは、開口数単位
で、表示した投影光学系３の瞳面（フーリエ変換面）Ｐ
での座標（中心との距離、瞳座標と呼ばれる。）Ｍ _A
と、投射光学系３の縮小倍率αとによって、次のように
表される。

【００３０】θｒ_1A＝sin^-1(Ｍ_A ／α）また、図３（ｃ）は、図３（ａ）の矢視Ｂ方向から見た
アライメント光の傾斜状態を示し、この図３（ｃ）に示
すように、アライメント光学系５Ａから射出されるアラ
イメント光（照射光Ｌａ_A ，Ｌｂ_A ）は、投影光学系３
のサジタル方向に角度θｒ_2Aで傾けられている。そのサ
ジタル方向の傾きθｒ_2Aは、ウエハマークＷＭ_X の格子
ピッチｐ、アライメント光の波長λ_A により、次のよう
に表される。

【００３１】θｒ_2A×α＝sin^-1(λ_A ／ｐ）そして、開口数単位で表した２個の照射光用の補正光学
素子Ｇａ_A ，Ｇｂ_A の瞳面上での距離をＭ′とすると、
次の関係がある。Ｍ′／２＝sin(θｒ_2A×α）さて、図１における他の１組の１２個の補正光学素子
（Ｂ群）もその役割は上記のＡ群の補正光学素子と同じ
であるが、Ｂ群用のアライメント光の波長はＡ群用のア
ライメント光の波長とは異なる為、Ｂ群用の補正光学素
子とＡ群用の補正光学素子とは格子ピッチを変えてあ
る。結果として、図１に示すように、Ａ群の補正光学素
子（添字Ａを付したもの）とＢ群の補正光学素子（添字
Ｂを付したもの）とは瞳面上の位置を異にする。

【００３２】そのため、波長λ_B のアライメント光の光
束は波長λ_A のアライメント光の光束と異なるメリジオ
ナル方向の傾斜角θｒ_2Bを持つ。また、波長がλ_B ，λ
_A というように異なっているため、ウエハ上のアライメ
ントマークである回折格子マークにおける回折条件が異
なり、サジタル方向の傾きに関しても波長λ_B に対して
は角度θｒ_2Bで傾く。波長λ_B 及び傾斜角θｒ_2Bに関し
ても、上述のような関係が成立する。

【００３３】次に、図４を参照して、本例のアライメン
ト光学系の構成につき詳細に説明する。図４は、本例の
投影露光装置の投影光学系及び１つのアライメント光学
系を含む光学系の構成を示し、この図４において、所定
の回路パターンが形成されたレチクル２とウエハ４と
は、露光光のもとで投影光学系３に関して共役に配置さ
れており、レチクル２及びウエハ４は、不図示の２次元
的に移動可能なステージに保持されている。不図示では
あるがレチクル２の上方には、照明光学系が設けられて
おり、この照明光学系からは露光光として、例えばエキ
シマレーザ光（波長が２４９ｎｍのＫｒＦレーザ光、又
は波長が１９３ｎｍのＡｒＦレーザ光等）がレチクル２
上を均一照明し、レチクル２上の回路パターンが投影光
学系１によりウエハ４上に転写される。

【００３４】ここで、投影光学系３はレチクル側とウエ
ハ側とでテレセントリックとなるように構成されている
と共に、露光光としてのエキシマレーザ光に対して良好
に色収差が補正されている。レチクル２及びウエハ４上
には、それぞれアライメント用の回折格子マークＲＭ_X
及びＷＭ_X がそれぞれ形成されている。さて、ウエハ４
はステップアンドリピート方式で２次元移動する不図示
のステージ上に吸着され、ウエハ４上の１つのショット
領域に対するレチクル２の転写露光が終了すると、ウエ
ハ４は次のショット位置までステッピングされる。不図
示のレチクルステージの一部には、レチクル２の水平面
内でのＸ方向、Ｙ方向及び回転（θ）方向の位置を検出
するためのレーザ光波干渉式測長器（以下、「干渉計」
と言う）からのレーザビームを反射する移動鏡が固定さ
れている。この干渉計はＸ方向、Ｙ方向、θ方向の位置
を独立に検出するために３本の測長用レーザビームを有
するが、ここでは説明を簡単にするため図示を省略して
ある。レチクルステージの移動ストロークは数ｍｍ以下
であり、干渉計の検出分解能は、例えば０．０１μｍ程
度に定められている。

【００３５】一方、不図示のウエハステージの一部にも
ウエハ４の水平面内でのＸ方向、Ｙ方向の位置を検出す
るための干渉計からのレーザビームを反射する移動鏡が
固定されている。この干渉計もＸ方向、Ｙ方向の位置を
独立に検出するために２本の測長用レーザビームを有す
るが、ここでは説明を簡単にするため図示を省略してあ
る。レチクルステージのＸ方向、Ｙ方向、θ方向の駆動
は不図示の駆動モータで行われ、ウエハステージの２次
元移動もレチクルステージの駆動モータとは独立の駆動
モータで行われる。

【００３６】また、本例の投影光学系３の瞳面Ｐには透
明基板１が配置され、この透明基板１上に図１に示した
２４個の補正光学素子が形成されている。この図４では
説明の便宜上、その２４個の補正光学素子中のウエハマ
ークＷＭ_X 検出用のアライメント光（波長λ_A,λ_B)に対
する６個の補正光学素子を、３組の補正光学素子Ｇ_XA ₁
〜Ｇ_XA3 として図示している。例えば補正光学素子Ｇ
_XA1 は、図１の２個の補正光学素子Ｇａ_A 及びＧａ_B に
対応する。

【００３７】次に、図４で示した露光装置のアライメン
ト系について説明する。アライメント用の照明光の光源
は、露光光とは異なる波長の光を発する複数のレーザ光
源１０及び１２からなる。これらレーザ光源１０及び１
２は、例えば波長６３３ｎｍの光を発生するＨｅ−Ｎｅ
レーザ光源と、波長６５０〜７８０ｎｍの光を発生する
レーザダイオード（ＬＤ）とから成り、レーザ光源１０
及び１２からの光束はダイクロイックミラー１１により
合成された後、同一の光路を通りヘテロダインビーム発
生光学系ＨＢＧに入射する。

【００３８】ヘテロダインビーム発生光学系ＨＢＧにお
いて、入射した２本のレーザビームはそれぞれ音響光学
変調素子（以下、「ＡＯＭ」という）１３ａに入射す
る。このＡＯＭ１３ａでは、ラマン−ナス（Raman-Nat
h）回折により入射した２光束にそれぞれ回折及び周波
数変調が施され、ＡＯＭ１３ａから射出された±１次回
折光よりなる２光束が空間フィルター５０ａ及びリレー
レンズ５１ａを経てＡＯＭ１３ｂに入射する。このＡＯ
Ｍ１３ｂは、前段のＡＯＭ１３ａとは逆方向に駆動さ
れ、ＡＯＭ１３ｂでは入射した来た２光束に音響ブラッ
グ回折及び逆方向に僅かに異なる周波数変調が施され
る。即ち、ＡＯＭ１３ａ，１３ｂ内の進行波の方向によ
り回折光の次数の符号を定めると、ＡＯＭ１３ａでラマ
ン−ナス回折により射出された＋１次回折光の内の、Ａ
ＯＭ１３ｂでの音響ブラッグ回折による−１次回折光が
空間フィルター５０ｂに向かい、同様に、ＡＯＭ１３ａ
からの−１次回折光の内の、ＡＯＭ１３ｂでの＋１次回
折光が空間フィルター５０ｂに向かう。後段のＡＯＭ１
３ｂから射出された互いに周波数がΔｆだけ異なる２光
束が、空間フィルター５０ｂ及びコリメータレンズ５１
ｂを介して、平行な光束として射出される。

【００３９】前段のＡＯＭ１３ａの駆動周波数をｆ₁ 、
後段のＡＯＭ１３ｂの駆動周波数をｆ₂ とすると、それ
ら２光束の周波数の差（ビート周波数）Δｆ（例えば50
kHz程度)は、Δｆ＝２(ｆ₁-ｆ₂)で表される。ヘテロダ
インビーム発生光学系ＨＢＧのより詳細な構成について
は、例えば特願平4-187198号において開示されている。
また、ヘテロダインビーム発生光学系ＨＢＧから射出さ
れる２光束はそれぞれ波長λ_A 及びλ_B の光よりなる
が、それら２波長の光よりなる光束を光束ＬＢ₁及びＬ
Ｂ₂ と呼ぶ。

【００４０】ヘテロダインビーム発生光学系ＨＢＧから
射出されたビート周波数Δｆの２光束ＬＢ₁ ，ＬＢ₂
は、反射鏡５２で反射された後、半透過鏡１４により各
々透過光と反射光とに分割され、半透過鏡１４で反射さ
れた光束ＬＢ₁ ，ＬＢ₂ は集光レンズ１５によって集光
される。この集光位置には、図４の紙面に平行な方向に
ピッチ方向を有する参照用の基準回折格子１６上が配置
され、相対的な周波数差がΔｆとなる２つの光束ＬＢ
₁ ，ＬＢ₂ によって、回折格子１６上には流れる干渉縞
が形成される。そして、回折格子１６を介した回折光が
光電検出器１７にて光電検出される。この検出された参
照信号（基準信号）は、回折格子１６上に形成された流
れる干渉縞の明暗変化の周期に応じた正弦波状の交流信
号（光ビート信号）となる。

【００４１】一方、半透過鏡１４を通過した２つの光束
ＬＢ₁ ，ＬＢ₂ は、アライメント用対物レンズ１８及び
反射鏡１９を介して、レチクル２の露光領域外に設けら
れたレチクルマークＲＭ_X 上に集光される。このとき、
レチクルマークＲＭ_X 上には光束ＬＢ₁ ，ＬＢ₂ との周
波数差Δｆにより流れる干渉縞が形成される。レチクル
マークＲＭ_X は、図５に示す如く、レチクル２のパター
ン形成領域（露光領域）２ａの外において、Ｘ方向（計
測方向）にピッチを有する回折格子で構成されている。
また、レチクルマークＲＭ_X と隣接した位置に透過窓Ｗ
Ｉ（以下、「レチクル窓」と称する。）が形成されてい
る。

【００４２】従って、アライメント系の対物レンズ１８
によってレチクル上に集光される光束（照射光）ＬＢ
₁ ，ＬＢ₂ は、レチクルマークＲＭ_X のみならず、レチ
クル窓ＷＩも同時にカバーするように所定の交差角を持
った２方向から照明する。ところで、アライメント光の
波長が複数の場合、この交差角は波長に応じて異なる
が、その差は僅かである。そこで、簡単のため、図４及
び図６（後述）では単一波長の場合の光路で表してい
る。

【００４３】ここで、先ずレチクルマークＲＭ_X を所定
の交差角で照明する光束ＬＢ₁,ＬＢ ₂ について図６を参
照しながら説明する。光束ＬＢ₁ がレチクルマークＲＭ
_X を斜めに照射すると、光束ＬＢ₂ の光路を逆に遡る方
向（正反射方向）に光束ＬＢ ₁ の０次光ＤＢ_R1（０）が
点線で示す如く発生し、また光束ＬＢ₁ の光路を逆に遡
る方向に光束ＬＢ₁ の１次光ＤＢ_R1（＋１）が点線で示
す如く発生する。

【００４４】一方、光束ＬＢ₂ がレチクルマークＲＭ_X
を斜めに照射すると、光束ＬＢ₁ の光路を逆に遡る方向
（正反射方向）に光束ＬＢ₂ の０次光ＬＢ_R2（０）が一
点鎖線で示す如く発生し、また光束ＬＢ₂ の光路を逆に
遡る方向に光束ＬＢ₂ の−１次光ＬＢ_R2（−１）が一点
鎖線で示す如く発生する。ここで、レチクルマークＲＭ
_X のピッチＰ_R は、アライメント光の波長をλとし、照
射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ の交差角２θ_R とするとき、sin ２θ
_R ＝λ／Ｐ_R の関係を満足するように設定されている。
従って、複数の波長では、それに対応して異なった交差
角２θ_R を持つ。

【００４５】図７は、複数の波長の光束Ｌａ_A ，Ｌａ_B
及び光束Ｌｂ_A ，Ｌｂ_B がレチクル２上のレチクルマー
クＲＭ_X に照射される状態を示し、光束Ｌａ_A と光束Ｌ
ｂ_Aとの交差角は２θ_Raであり、光束Ｌａ_B と光束Ｌｂ_B
との交差角は２θ_Rbである。また、図４及び図６中で
は、０次光ＤＢ_R2（０）と＋１次光ＤＢ_R1（＋１）とを
検出光ＤＢ_R1として示し、０次光ＤＢ_R1（０）と−１次
光ＤＢ_R2（−１）とを検出光ＤＢ_R2として示している。

【００４６】再び図４に戻って、光束ＬＢ₁ の光路を逆
に遡る検出光ＤＢ_R1（１次光ＬＢ_R1（＋１）及び０次光
ＬＢ_R2（０））は、再び反射鏡１９、対物レンズ１８、
半透過鏡１４を介した後、対物レンズ１８の瞳と共役な
位置に設けられた光電検出器２０ａに達する。そして、
この光電検出器２０ａにてレチクルマークＲＭ_X からの
位置信号（光ビート信号）が検出される。これと同時
に、光束ＬＢ₂ の光路を逆に辿る検出光ＤＢ_R2（−１次
光ＤＢ_R2（−１）と０次光ＤＢ_R1（０））は、再び反射
鏡１９、対物レンズ１８、半透過鏡１４を介した後、対
物レンズ１８の瞳と共役な位置に設けられた光電検出器
２０ｂに達する。そして、この光電検出器２０ｂにてレ
チクルマークＲＭ_X からの位置信号（光ビート信号）が
検出される。

【００４７】ここで、光電検出器２０ａ，２０ｂにて検
出されたレチクル２の位置信号は、レチクルマークＲＭ
_X 上に形成された流れる干渉縞の明暗変化の周期に応じ
た正弦波状の交流信号（光ビート信号）となる。次に、
レチクルマークＲＭ_X に隣接して設けられたレチクル窓
ＷＩを所定の交差角を持った２方向から照明する光束Ｌ
Ｂ₁,ＬＢ₂ について説明する。レチクル窓ＷＩを所定の
交差角θ_R を持った２方向から照明する光束ＬＢ₁，Ｌ
Ｂ₂ は、図４に示す如く、レチクル窓ＷＩをそのまま通
過し投影光学系３に対し軸外から入射する。

【００４８】ここで、投影光学系３は露光光に対して十
分に色収差補正されているものの、露光光と異なる波長
のアライメント光に対しては色収差補正されていない。
このため、投影光学系３の瞳（入射瞳）面Ｐ上には、３
組の補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ _XA3 が形成された透明基板
１が配置されている。図８は透明基板１上の３組、即ち
６個の補正光学素子の配置を示し、この図８に示す如
く、透明基板１上で投影光学系３の光軸の中心を通る計
測方向（Ｘ方向）に沿って、それぞれ互いに異なるピッ
チを有する３つの回折格子よりなる補正光学素子Ｇａ_A
〜Ｇｃ_A 及びＧａ_B 〜Ｇｃ_B が配置されている。ここで
添字Ａ及びＢはアライメント光の異なる波長λ_A 及びλ
_B に対応している。以下では、各波長の光に共通な説明
を行う場合は、３組の補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 を用
いて説明を行う。

【００４９】図４において、補正光学素子Ｇ_XA3 は投影
光学系３の光軸Ａ_X0を通り、Ｘ軸に対して補正光学素子
Ｇ_XA1 及びＧ_XA2 と対称な線上に、補正光学素子Ｇ_XA1
及びＧ_XA2 は回折格子Ｇ_XA3 （投影光学系３の光軸）に
関して左右対称にそれぞれ設けられている。そして、補
正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 は、Ｇ_XA2 ，Ｇ_XA3 ，Ｇ_XA ₁
の順に回折格子のピッチが密となるように計測方向（Ｘ
方向）に沿って配列されている。なお、本実施例におけ
る補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 の具体的な構成及び機能
については後で詳述する。また波長λ_A 及びλ_B の光に
対して各補正光学素子が重ならないように、図８に示す
ように、補正光学素子Ｇａ_A 〜Ｇｃ_A と補正光学素子Ｇ
ａ_B 〜Ｇｃ_B とをそれぞれＸ軸に関してずらして配置す
る。これは、非計測方向であるメリジオナル方向の投影
光学系３のテレセントリック性をずらすことを意味する
が、計測精度には影響が無い。

【００５０】さて、図４において、投影光学系３に対し
て軸外から入射して、投影光学系３の瞳（入射瞳）に達
した照射光ＬＢ₁ ，ＬＢ₂ は、それぞれ照射光用の補正
光学素子Ｇ_XA1 及びＧ_XA2 により、各々の補正角θ₁ ，
θ₂ だけ補正するように偏向（回折）されて、ウエハ４
上に形成されているウエハマークＷＭ_X を所定の交差角
を持った２方向から照射する。すると、ウエハマークＷ
Ｍ_X 上には流れる干渉縞が形成される。ここで、ウエハ
マークＷＭ_X は、図９に示す如く、１ショット領域４ａ
外のストリートラインＳＬ上において、Ｘ方向（計測方
向）にピッチを有する回折格子で構成されている。

【００５１】図１０は、ウエハマークＷＭ_X 上に照射さ
れる照射光ＬＢ₁ ，ＬＢ₂ を示し、この図１０に示す如
く、照射光ＬＢ₁ ，ＬＢ₂ がウエハマークＷＭ_X を所定
の交差角を持って照射することにより、照射光ＬＢ₁ の
−１次光ＤＢ_W1（−１）と照射光ＬＢ₂ の＋１次光ＤＢ
_W2（＋１）とが、ウエハ４の表面に対して法線方向（投
影光学系３の光軸と平行な方向）に発生する。

【００５２】ここで、ウエハマークＷＭ_X のピッチＰ_W
は、アライメント光の波長をλとし、照射光ＬＢ₁ ，Ｌ
Ｂ₂ の交差角２θ_W とするとき、sin θ_W ＝λ／Ｐ_W の
関係を満足するように設定されている。なお、図４及び
図１０中では、−１次光ＤＢ _W1（−１）と＋１次光ＤＢ
_W2（＋１）とを検出光ＤＢ_W として示している。従っ
て、複数の波長では、それに対応して異なった交差角２
θ_W を持つ。

【００５３】図１１は、複数の波長の光束Ｌａ_A ，Ｌａ
_B 及び光束Ｌｂ_A ，Ｌｂ_B がウエハ４上のウエハマーク
ＷＭ_X に照射される状態を示し、光束Ｌａ_A と光束Ｌｂ
_A との交差角と、光束Ｌａ_B と光束Ｌｂ_B との交差角と
が変えられた状態で、それら光束が照射されている。こ
れは、図８で補正光学素子Ｇａ_A 及びＧｂ_B と補正光学
素子Ｇａ_B 及びＧｂ_B とがＸ方向に異なった位置にある
ことに対応する。

【００５４】図４に戻って、ウエハマークＷＭ_X の法線
方向に発生する検出光ＤＢ_W(−１次光ＬＢＷ₁(−１）及
び＋１次光ＬＢＷ₂(＋１））は、投影光学系３の主光線
の光路上を進行し、投影光学系３の瞳面Ｐの中心（Ｙ方
向から見て）に設けられた補正光学素子Ｇ_XA3 により補
正角θ₃ だけ偏向（回折）された後、再びレチクル窓Ｗ
Ｉ、反射鏡１９、対物レンズ１８、半透過鏡１４を介し
て光電検出器２１に達する。なお、光電検出器２１は、
上述した光電検出器２０ａ，２０ｂと同様に対物レンズ
１８（あるいは投影光学系３）の瞳共役な位置に設けら
れている。

【００５５】以上の如く、本発明の第１実施例における
基本構成によって、光電検出器１７にて得られた参照信
号、光電検出器２０ａ，２０ｂにて得られたレチクル２
の位置情報を含んだレチクル位置信号と、光電検出器２
１にて得られたウエハ４の位置情報を含んだウエハ位置
信号とがそれぞれ検出される。これら光電検出器は各波
長の情報を同時に検出することになる。

【００５６】そこで、レチクル２とウエハ４との相対的
な位置合わせについて説明する。光電検出器１７からの
光電信号（正弦波交流信号）を基本信号として、光電検
出器２０ａ，２０ｂにて得られるレチクルマークＲＭ_X
からの０.1次回折光同士の干渉光の光電信号（正弦波交
流信号）との位相差φ_r を不図示の位相検出系で検出す
る。同様にして、光電検出器２１にて得られるウエハマ
ークＷＭ_X からの±１次回折光同士の干渉光の光電信号
と基本信号との位相差φ_W を位相検出系にて検出する。
そして、位相差φ_r とφ_W との差を求めれば、レチクル
２とウエハ４の方向のずれ量がわかる。この検出方式は
所謂光ヘテロダイン方式と呼ばれ、レチクル２とウエハ
４とが、レチクルマークの１ピッチ以内かつウエハマー
クの１／２ピッチ以内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検出できるため、レ
チクル２のパターンをウエハ４のレジストへ露光してい
る間に微小な位置ずれが生じないようにクローズド・ル
ープの位置サーボをかけるのに好都合である。この検出
方法では、φ_r-φ_W が零（又は所定値）になるようにレ
チクル２又はウエハ４を移動させてアライメントを完了
させた後、引き続きそのアライメント位置でレチクル２
とウエハ４とが相対移動しないようにサーボ・ロックを
かけることができる。

【００５７】尚、本実施例ではステップアンドリピート
方式の露光時、ウエハ上の各ショット領域へのウエハス
テージの移動は、干渉計の計測値に基づいて行い、２つ
の光束ＬＢ₁,ＬＢ₂ の照射領域内にウエハマークＷＭ_X
が±１／２ピッチの精度で位置決めされたら、不図示の
位相検出系からの情報のみに基づいてレチクルステー
ジ、又はウエハステージを不図示のサーボ系でサーボ制
御することができる。このときレチクルステージやウエ
ハステージの駆動をＤＣモータで行い、位相差φ _r-φ_W
に対応したアナログ電圧をＤ／Ａコンバータ等で作り出
し、このアナログ電圧をＤＣモータのサーボ回路に偏差
電圧として直接印加することもできる。このサーボは、
そのショット領域の露光終了時まで行われる。

【００５８】このようにすると、干渉計の計測値に応じ
たサーボではないので、干渉計のビーム光路の空気密度
のゆらぎ等によるステージの微小ゆらぎを低減させるこ
とが可能である。そのため、不図示の位相検出系からサ
ーボ制御が可能な位相差情報が得られた時点で、ウエハ
ステージ側の干渉計の計測値をウエハステージ側のサー
ボ系から切り離してウエハステージのモータへの印加電
圧を零にし、上述のアナログ電圧をレチクルステージ側
のサーボ系に印加する。

【００５９】このようにすると露光動作中に、特にウエ
ハステージ側で発生する微小ゆらぎは押さえられ、ゆる
やかなドリフト的な微動にすることができ、レチクルス
テージを高速に追従移動させることで、レチクルとウエ
ハとの相対位置ずれをほぼ零に保つことが可能である。
このため露光されたパターンの線幅の太りや解像低下が
なく、極めて忠実な転写が達成される。

【００６０】なお、光電検出器２０ａ，２０ｂにて得ら
れる干渉ビート信号の周波数の２つの交流信号は、信号
の性質上はどちらも同じものであり、これらの内、どち
らかを不図示の位相検出系へ送ってもよい。ただし、本
実施例でのレチクルからの光情報は、光束ＬＢ₁,ＬＢ₂
の０次回折光と１次回折光との干渉で作られることか
ら、１次光と０次光の光強度（光量）が大きく異なると
位相差計測時にオフセットが生じることも考えられる。
そこで、光電検出器２０ａ，２０ｂからの２つの信号の
和（又は差）を演算するアナログ回路を通した後に、光
電検出器１７からの基準信号との間で位相差φ_r を計測
するとよい。もちろん、光電検出器２０ａ，２０ｂから
の２つの信号又は両者を合成した信号のうちのいずれか
１つを使うように切り換え式にしてもよい。

【００６１】次に本発明の第１実施例の特徴的な構成で
ある補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 の具体的な構成及び機
能について説明する。図４に示す如く、投影光学系３の
瞳位置には、回折格子よりなる補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ
_XA3 が計測方向（Ｘ方向）に沿って配列されているが、
今、回折格子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 が配列されていない場合に
ついて考える。

【００６２】投影光学系３は、露光光に対する色収差補
正はなされているものの、露光光とは別波長のレーザ光
源１０ａ，１０ｂからのアライメント光に対する色収差
補正はなされていない。そこで、ウエハマークＷＭ_X 上
の位置Ａを所定の交差角を持った２方向で照射する光束
ＬＢ₁,ＬＢ₂ の投影光学系３に対する結像関係について
説明する。

【００６３】今、アライメント光のもとで投影光学系３
によりレチクル側に逆投影されるウエハマークＷＭ_X の
位置Ａの仮想的な像を考えると、照射光束ＬＢ₁,ＬＢ₂
の光路を逆方向に進行する光線、及び照射光束ＬＢ₁,Ｌ
Ｂ₂ により得られる検出光（回折光）の光路ＤＢ_W を進
行する光線は、点線で示す如く、投影光学系３による色
収差によってレチクル２の上方の位置Ｂ₁ で交差し、こ
の交差位置にウエハマークＷＭ_X の位置Ａの仮想的な像
が形成される。

【００６４】一方、露光光のもとで投影光学系３により
レチクル側に逆投影されるウエハマークＷＭ_X の位置Ａ
の像を考えると、このウエハマークＷＭ_X の像は位置Ｂ
₀ に形成される。従って、露光光によるウエハマークＷ
Ｍ_X の像の結像位置Ｂ₀ に対して、Ｚ方向（投影光学系
３の光軸方向）には、投影光学系３の軸上色収差（以
下、単に「軸上色収差」と称する。）がΔＬだけ発生し
ており、Ｘ方向（投影光学系３の光軸Ａｘ₀ に垂直な方
向）には、投影光学系３の倍率色収差（以下、単に「倍
率色収差」と称する。）が露光領域側へΔＴだけ発生し
ている。

【００６５】但し、倍率色収差量（横の色収差量）ΔＴ
は、図４に示す如く、投影光学系３を通過することによ
ってガウス像面（レチクル２）上で結像する露光光と同
じ波長の軸外光における主光線が上記ガウス像面（レチ
クル２）で交差する交差位置Ｂ₀ から上記ガウス像面
（レチクル２）上での投影光学系３の光軸位置Ｏまでの
距離をδ₁ 、投影光学系３を通過することによって上記
ガウス像面（レチクル２）若しくはこれの前後で結像す
る露光光とは別波長のアライメント光における主光線が
上記ガウス像面（レチクル２）で交差する交差位置Ｂ₁
から上記ガウス像面（レチクル２）上での投影光学系３
の光軸位置Ｏまでの距離をδ₂ とするとき、ΔＴ＝｜δ
₂-δ₁|で定義されるものである。

【００６６】従って、軸上色収差によりアライメント光
学系の振動や傾きが大きな検出誤差となり、高精度かつ
安定したアライメントを達成することができなくなるば
かりか、レチクルマークＲＭ_X に隣接して設けられたレ
チクル窓ＷＩを大きくせざるを得なくなる。また、位置
Ｂ₁ は、倍率色収差によって位置Ｂ₀ に対して左側（露
光領域側）にΔＴだけシフトしているため、レチクル２
を真上から見た時には、交差位置Ｂ₁ はレチクルの露光
領域内に入り込んでしまう。この結果、ウエハマークＷ
Ｍ_X からのアライメント光の取り出しが困難となる。

【００６７】本実施例では以上の問題を克服するため
に、先ず照射光（ＬＢ₁,ＬＢ₂)に対する軸上色収差（Δ
Ｌ）と倍率色収差（ΔＴ）とを同時に補正する機能を有
する補正光学素子Ｇ_XA1,Ｇ_XA2 を投影光学系の瞳（入射
瞳）面の中心（光軸）に対称となる位置に設けている。
補正光学素子Ｇ_XA1,Ｇ_XA2 は、互いに異なるピッチを有
するように形成されている。従って、ウエハマークＷＭ
_X へ向かう照射光ＬＢ₁は、補正光学素子Ｇ_XA1 にて回
折されることにより補正角θ₁ だけ偏向され、同じくウ
エハマークＷＭ_X に向かう照射光ＬＢ₂ は、回折格子Ｇ
_XA2 にて回折されることにより、補正角θ₂ だけ偏向さ
れる。但し、各補正角の関係は、θ₂ ＜θ ₁ である。

【００６８】この結果、照射光ＬＢ₁ 及び照射光ＬＢ₂
の光路が補正されるため、照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ はレチク
ル窓ＷＩ上のみならずウエハマークＷＭ_X 上でも所定の
交差角が維持された状態で交差する。よって、露光光と
は別波長の照射光（ＬＢ₁,ＬＢ₂)に対しても投影光学系
３に関して見掛け上、レチクル２とウエハ４との共役関
係が維持される。

【００６９】また、ウエハマークＷＭ_X から回折した検
出光ＤＢ_W に対する倍率色収差（ΔＴ）を補正するよう
な補正光学素子Ｇ_XA3 が投影光学系３の主光線の光路上
を進行してレチクル窓ＷＩに向かうウエハマークＷＭ_X
からの検出光ＤＢ_W は補正光学素子Ｇ_XA3 にて回折され
ることによって補正角θ₃ だけ偏向される。この結果、
検出光ＤＢ_W の光路が補正されるため、検出光ＤＢ_W
は、テレセントリック性が維持された状態でレチクル窓
ＷＩに垂直に入射した後、レチクル窓ＷＩでの照射光Ｌ
Ｂ₁,ＬＢ₂ の交差位置を通過して、アライメント用対物
レンズ１９の光軸上に沿って進行し、最終的に光電検出
器２１に達する。なお、各補正角の関係は、θ₂ ＜θ₃
＜θ₁ となる。

【００７０】以上にて説明した如く、回折格子よりなる
補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 の回折作用によって、投影
光学系３の色収差（軸上色収差や倍率色収差）を良好に
補正するように各アライメント光の光路をそれぞれ所定
の角度（補正角）θ₁ ，θ₂，θ₃ だけ偏向させてい
る。これにより、投影光学系３の倍率色収差によってレ
チクル２の露光領域内に入り込んでしまう問題や軸上色
収差による問題を解消できるため、投影光学系３の設計
及び製造を容易にしながらも、アライメント光学系の配
置の自由度の格段なる向上が達成できる高性能なアライ
メント装置が実現できる。ところで、これらの補正量は
アライメント光の波長により異なるので、各波長につい
て独立した値をとることになる。従って、以下に示す補
正素子の諸量は基本的に各波長に依存するものとなる。

【００７１】ここで、回折格子よりなる補正光学素子Ｇ
_XA1 〜Ｇ_XA3 のピッチをそれぞれＰ _XA1,Ｐ_XA2,Ｐ_XA3 と
し、アライメント光の波長をλとするとき、補正角と各
回折格子のピッチとには以下の関係が成立する。Ｐ_XA1 ＝ｍλ／sin θ₁ ……（１）Ｐ_XA2 ＝ｍλ／sin θ₂ ……（２）Ｐ_XA3 ＝ｍλ／sin θ₃ ……（３）但し、ｍは回折光の次数（整数）である。

【００７２】従って、補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 によ
る補正角θ₁,θ₂,θ₃ は、図４から明らかな如く、θ₂
＜θ₃ ＜θ₁ の関係に成っており、上記（１）式〜
（３）式より、補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 のピッチ
は、Ｐ_XA2 ＞Ｐ_XA3 ＞Ｐ_XA1 の関係となっている。よっ
て本実施例では、図５に示す如く、補正光学素子Ｇ_XA2,
Ｇ_XA ₃,Ｇ_XA1 の順で格子ピッチが密となるように構成さ
れている。

【００７３】また、円板状の透明基板１上に形成される
補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 は、石英ガラス等の材質の
基板をエッチング処理して、位相型回折格子となるよう
に構成されている。このとき、アライメント光路を偏向
させるｍ次回折光の回折効率を高くするには、位相形回
折格子の段差ｄは、アライメント光の波長をλとし、ア
ライメント波長の光に対する透明基板１の屈折率をｎ、
整数をｍとすると、ｄ＝（２ｍ＋１）λ／２（ｎ−１）……（４）を満足するように構成することが望ましい。

【００７４】この場合、回折格子は、露光光に対しても
回折作用を持つので、投影光学系３の結像機能に悪影響
を及ぼす虞がある。このため、回折格子としての補正光
学素子上には、露光光を反射させて、アライメント光を
透過させる波長弁別機能を有する薄膜（ダイクロイック
膜等）を蒸着等により形成することがより好ましい。ま
た、アライメント光に対する回折効率が若干低下するも
のの、露光光に対する回折効率をほぼ零にするには、位
相形回折格子の段差ｄは、露光光の波長をλ _e とし、露
光光に対する基板の屈折率をｎ_e 、整数をｍとすると、ｄ＝λｍ／（ｎ_e−１）……（５）を満足するように構成することが望ましい。

【００７５】このように、本発明による第１実施例で
は、ウエハマークＷＭ_X を２方向から照射する照射光Ｌ
Ｂ₁,ＬＢ₂ に対し投影光学系３の軸上色収差と倍率色収
差とを補正する補正光学素子Ｇ_XA1,Ｇ_XA2 と、ウエハマ
ークＷＭ_X からの検出光ＤＢ_Wに対し投影光学系３の倍
率色収差を補正する補正光学素子Ｇ_XA3 とを投影光学系
３の瞳位置あるいはその近傍の同一平面上に独立に配置
している。

【００７６】このため、仮にウエハマークＷＭ_X の位置
を計測方向（Ｘ方向）に対して垂直方向（Ｙ方向）にず
らしてウエハマークＷＭ_X を打ち変えるために、アライ
メント光学系をＹ方向に移動させた場合、あるいは異な
る露光領域サイズのレチクルを使用することによってレ
チクル上でのレチクルマークＲＭ_X 及びレチクル窓ＷＩ
の位置が計測方向（Ｘ方向）に移動する場合にも、常に
アライメントのための照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ とウエハマー
クＷＭ_X からの検出光ＤＢ_W とが、投影光学系３の瞳
（入射瞳）位置を通過する位置を不変とすることが原理
的に可能である。よって、本実施例における補正光学素
子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 は、ウエハマークＷＭ_Xを打ち変えた
場合又は異なるサイズのレチクルを使用した場合にも、
十分に対応することが可能となる。

【００７７】また、補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 は、照
射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ と検出光ＤＢ_W とが投影光学系の瞳位
置を通過する部分だけに形成すればよい。従って、補正
光学素子としての回折格子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 は、露光光に
対する影響を殆ど無視できる程、投影光学系の瞳面にお
いて占める割合を極めて小さくすることが原理的に可能
となる。

【００７８】さらに、より高い精度のアライメントを行
うために、ウエハマークＷＭ_X(回折格子）のピッチを微
細にすると、レチクルマークＲＭ_X 及びウエハマークＷ
Ｍ_Xを２方向から照射する照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ の交差角
が大きくなるが、この場合、アライメント光学系中の対
物レンズ１８とＡＯＭ１３ａとの間の照射光ＬＢ₁ の光
路、及びアライメント光学系中の対物レンズ１８とＡＯ
Ｍ１３ｂとの間の照射光ＬＢ₂ の光路中に交差角可変手
段としての傾角可変な平行平面板を各々配置し、この平
行平面板の傾角を変化させれば、交差角を可変にするこ
とが可能となる。このとき、投影光学系３の瞳面Ｐを通
過する光束ＬＢ₁,ＬＢ₂ の位置が、図４においては計測
方向（Ｘ方向）において変化するため、これに対応でき
る補正光学素子を有する別の透明の円形基板と交換可能
に設けても良い。尚、露光光に対する影響にもよるが、
予め補正光学素子（回折格子）の形成領域を大きくして
おくだけでも良い。

【００７９】なお、本実施例では説明を簡単にするた
め、Ｘ方向をアライメントする例を示しているが、レチ
クルマークＲＭ_X とレチクル窓ＷＩとが設けられている
非露光領域と隣合った非露光領域にＹ方向にピッチを有
するレチクルマークとこれに隣接してレチクル窓とを設
け、これらの上方に第２のアライメント光学系を設けれ
ば、Ｙ方向でのアライメントができることは言うまでも
ない。このとき、回折格子よりなる補正光学素子は、Ｙ
方向に沿って上記補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ_XA3 と同様に
設ければ良い。

【００８０】さらに、本実施例では、照射光ＬＢ₁,ＬＢ
₂ と検出光ＤＢ_W とに対応する補正光学素子Ｇ_XA1 〜Ｇ
_XA3 を設けているが、各々の回折格子においてピッチ方
向に沿って次第にピッチを異ならしめて、個々の照射光
ＬＢ₁,ＬＢ₂ と検出光ＤＢ_Wとをレチクルと共役な位置
で各々集光させる構成を採用しても良い。この構成は、
以下に述べる各実施例でも採用することができる。

【００８１】次に、本発明による第２実施例を図１２及
び図１３以下を参照して説明する。この図１２及び図１
３において、図４に対応する部分には同一符号を付して
その詳細説明を省略する。図１２及び図１３でも、簡単
のため第１実施例と同様に複数の波長の光路を単一の光
路として図示してある。また、図１２（ａ）は、Ｘ方向
（メリジオナル方向）と平行なＸＺ平面側から投影光学
系３を見たときの投影光学系３を介するアライメント光
の様子を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）中の半透過
鏡１４の周辺の詳細な構成を示し、図１３は、図１２
（ａ）と垂直な方向、即ち計測方向（Ｙ方向あるいはサ
ジタル方向）と平行なＹＺ平面側から投影光学系３を見
たときの投影光学系３を介するアライメント光の様子を
示したものである。

【００８２】図１４は、第２実施例におけるレチクル２
上の回折格子のウエハマークＷＭ_Y及びこれに隣接した
レチクル窓ＷＩを示し、図１４に示すように、この第２
実施例のウエハマークＷＭ_Y 及びレチクル窓ＷＩは、第
１実施例のそれらと比べると同じく露光領域２ａ外に設
けられているものの、ウエハマークＷＭ_Y の回折格子の
配列方向（ピッチ方向）は、第１実施例と直交したＹ方
向となっている。つまり、本実施例では、Ｙ方向（投影
光学系３のメリジオナル方向）を計測方向としている例
を示している。

【００８３】図１２（ａ）において、不図示であるが、
レチクル２の上方には、レチクルマークＲＭ_Y 及びウエ
ハマークＷＭ_Y を照射及び検出するための第１実施例と
同様の構成のアライメント光学系が設けられている。ま
た、投影光学系３の瞳面Ｐには透明基板１が配置され、
この透明基板１上に多数の位相型の回折格子よりなる補
正光学素子が形成されている。なお、第２実施例でも第
１実施例と同様に、ヘテロダインビーム生成光学系ＨＢ
Ｇは、２個のＡＯＭ１３ａ，１３ｂを用いてラマン−ナ
ス回折と音響ブラッグ回折とを組み合わせて周波数の異
なる２光束を生成している。

【００８４】図１５は、図１２（ａ）中の透明基板１上
に形成されている補正光学素子中のウエハマークＷＭ_Y
に対する照射光及びウエハマークＷＭ_Y からの検出光に
対する色収差の補正を行うための６個の補正光学素子の
配置を示す。この図１５において、透明基板１上には、
回折格子よりなる補正光学素子Ｇ_YA1A，Ｇ_YA2A，Ｇ_YA _3A
が波長λ_A の光に対して設けられ、補正光学素子
Ｇ_YA1B，Ｇ_YA2B，Ｇ_YA3Bが波長λ_B の光に対して設けら
れている。以下説明では、補正光学素子Ｇ_YA1A，Ｇ_YA _1B
を補正光学素子Ｇ_YA1 で、補正光学素子Ｇ_YA2A，Ｇ_YA2B
を補正光学素子Ｇ_YA2で、補正光学素子Ｇ_YA3A，Ｇ_YA3B
を補正光学素子Ｇ_YA3 で表す。

【００８５】この場合、照射光用の補正光学素子
Ｇ_YA1，Ｇ_YA2は、計測方向（Ｙ方向）に沿って、瞳中心
を挟んで互いに反対方向を向くように形成されており、
また検出光用の補正光学素子Ｇ_YA3 は、非計測方向（Ｘ
方向）にピッチを有するように瞳中心に形成されてい
る。なお、レチクルマークＲＭ_Y 及びウエハマークＷＭ
_Y へのアライメント光の照射、及びこれらからの回折光
による検出については、第１実施例と同様なので説明を
省略する。

【００８６】さて、本実施例では、図１３に示す如く、
アライメント光学系からの２つの照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂
は、所定の交差角を持った２方向からレチクル窓ＷＩに
照射されると、投影光学系３の瞳面Ｐ上の透明基板１に
形成された回折格子Ｇ_YA1,Ｇ_YA ₂ による回折作用により
互いに反対方向へ補正角θ₁ だけ偏向されて、ウエハマ
ークＷＭ_Y 上を所定の２方向から照射することになる。
ここで、ウエハマークＷＭ_Y は、図１６に示す如く、ウ
エハ上の１ショット領域４ａの外のストリートラインＳ
Ｌ上に形成されており、ウエハ４のＹ方向の位置を計測
するためにＹ方向にピッチを有している。

【００８７】ウエハマークＷＭ_Y に対して法線方向に発
生する回折光ＤＢ_W は、投影光学系３の瞳面Ｐの中心に
設けられた補正光学素子Ｇ_YA3 、レチクル窓ＷＩを介し
て、不図示ではあるが図４に示す如きアライメント光学
系の検出系に達する。一方、図１３と垂直な方向では、
図１２（ａ）に示す如く、アライメント光学系からの２
つの照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ は、同一光路上を進行するよう
に投影光学系３に対し軸外から入射し、投影光学系３の
瞳面Ｐに達する。この位置の補正光学素子Ｇ_YA1,Ｇ_YA2,
Ｇ_YA3 は、計測方向（Ｙ方向）に関して補正光学素子Ｇ
_YA1,Ｇ _YA2 と補正光学素子Ｇ_YA3 とが対称にＹ座標をず
らした状態で配列されている。従って、図１２（ａ）で
は、非計測方向に主光線に対して対称なように見える
が、照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ は、補正光学素子Ｇ_YA1,Ｇ_YA2
により補正角θ₂ だけ偏向されて、軸外に設けられたウ
エハマークＷＭ_Y を垂直に照射する。そして、ウエハマ
ークＷＭ_Y から垂直方向に発生する検出用の回折光ＤＢ
_W は、投影光学系３の瞳面の中心に設けられた補正光学
素子Ｇ_YA3 により再び補正角θ₂ だけ偏向されて、レチ
クル窓ＷＩを介して、不図示のアライメント光学系の検
出系に達する。

【００８８】このように、照射光用の補正光学素子Ｇ
_YA1,Ｇ_YA2 は、計測方向（Ｙ方向）と平行なＹＺ平面側
から見たときには、照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ を補正角θ₁ だ
け偏向させ、これと同時にＸ方向と平行なＸＺ平面側か
ら見たときには、補正角θ₂ だけ偏向させる機能を有し
ている。これを換言すれば、補正光学素子Ｇ_YA1,Ｇ_YA2
は、投影光学系３の軸上色収差量ΔＬを補正するよう
に、Ｙ方向（計測方向）側では照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂ を補
正角θ₁ だけ偏向させ、これと同時に投影レンズ３の倍
率色収差量ΔＴを補正するように、Ｘ方向では照射光Ｌ
Ｂ₁,ＬＢ₂ を補正角θ₂ だけ偏向させている。

【００８９】また、検出光用の補正光学素子Ｇ_YA3 は、
投影光学系３の倍率色収差量ΔＴを補正するように、Ｘ
方向において検出光ＤＢ_W を補正角θ₂ だけ偏向させて
いる。次に、本実施例における回折格子よりなる補正光
学素子Ｇ_YA1,Ｇ_YA2,Ｇ_YA3 の配置について説明する。本
実施例の補正光学素子Ｇ_YA1,Ｇ_YA2,Ｇ_YA3 が第１実施例
と異なる点は、先ず、これらが配列されている方向がＹ
方向であり、また照射光用の補正光学素子Ｇ_YA1,Ｇ_YA2
のピッチが等しく、両者の格子の配列方向が互いに反対
方向に傾いている点である。これは照射光ＬＢ₁,ＬＢ₂
を、Ｙ方向（計測方向）側において互いに反対方向に補
正角θ₁ だけ偏向させ、Ｘ方向側において補正角θ₂ だ
け偏向させるためである。

【００９０】ここで、補正光学素子Ｇ_YA1 〜Ｇ_YA3 のピ
ッチをそれぞれＰ_YA1,Ｐ_YA2,Ｐ_YA3とし、アライメント
光の波長をλ_A 、Ｘ方向に対する回折格子Ｇ_YA1,Ｇ_YA2
の傾きをθ₄ とするとき、補正角と各回折格子のピッチ
との間には以下の関係が成立する。 tan θ₄ ＝sin θ₂ ／sin θ₁ ……（６）Ｐ_YA1 ＝Ｐ_YA2 ＝ｍλA cos θ₄ ／sin θ₁ ……（７）Ｐ_YA3 ＝ｍλ_A ／sin θ₂ ……（８）但し、ｍは回折次数（整数）である。

【００９１】本実施例における補正光学素子Ｇ_YA1 〜Ｇ
_YA3 も、第１実施例と同様に、投影光学系３の瞳（入射
瞳）面Ｐ上に配置されているため、瞳面Ｐの大きさに対
してこれらの大きさを極めて小さくすることが可能であ
るため、露光光に対する影響を無視することができる
が、これらの格子の段差が上述の条件（４）あるいは条
件（５）を満足することが望ましい。

【００９２】以上の如く、第２実施例においても第１実
施例と同様に、投影光学系３の色収差（軸上色収差や倍
率色収差）を補正するように照射光及び検出光の光路を
独立に制御できるため、第１実施例と同様な効果を達成
することができる。なお、第２実施例では説明を簡単に
するために、Ｙ方向をアライメントする例を示している
が、レチクルマークＲＭ_Y とレチクル窓ＷＩとが設けら
れている非露光領域と隣合った非露光領域にＸ方向にピ
ッチを有するレチクルマークとこれに隣接してレチクル
窓とを設け、これらの上方に第２のアライメント光学系
を設ければ、Ｘ方向でのアライメントができることは言
うまでもない。このとき、補回折格子よりなる補正光学
素子としては、Ｘ方向に沿って上記補正光学素子Ｇ_YA ₁
〜Ｇ_YA3 と同様な回折格子を設ければ良い。

【００９３】ここで投影光学系３の瞳面Ｐ上に形成され
た軸上色収差補正光学素子の配置とメリジオナル方向の
テレセントリック性の崩し具合（以下、「ｍテレ崩し」
という。）との関係について図２１及び図２２を用いて
説明する。今、図２１に示すように、投影光学系の瞳面
Ｐの中央から補正光学素子までの距離をＬ、アライメン
ト光（プローブ光）の瞳面上での広がりの幅をｄとす
る。この場合、投影光学系の開口数をＮＡ、ウエハ上の
ウエハマークＷＭのパターン長（非計測方向）をｈ、投
影光学系３の後群３ａの焦点距離をｆとすると、次のよ
うになる。

【００９４】ＮＡ＝ｈ／（２ｆ）ここでアライメント光の波長をλとすると、アライメン
ト光の広がり量は直径で、1.22λ／ＮＡであるから、次
の関係が成立する。ｄ＞２λｆ／ｈまたＬ＞ｄ／２でなければならないから、次式が成立す
る。

【００９５】Ｌ＝λｆ／ｈ（１１）次に、図２２のようにｍテレ崩し角をαとすると、ξ＝
ｓｉｎαとして、次式が成り立つ。なお、補正光学素子
は透明基板１上に形成されている。Ｌ＝ξｆこの関係を（１１）式に代入すると、次式が成立する。

【００９６】ξｆ＞λｆ／ｈこうしてｍテレ崩しに関して次の関係式が成り立つ。 ξ＞λ／ｈ（１２）以上は、一組の単色光について検討したものであるが、
本発明の第１実施例については、複数波長に対して送光
系、受光系それぞれに対応して補正素子を配置するの
で、上記の条件とともに、アライメント光が干渉しない
ようメリジオナル方向の角度とサジタル方向の角度とを
設定する必要がある。また、第２実施例については、受
光側は共通なので、サジタル方向角のみ考慮すればよ
い。更に、高次光を用いる場合にも煩雑にはなるが、同
様の議論が成り立つ。例えば０次光と２次光とを用いる
場合で、Ｘ方向とＹ方向とが干渉する場合には、ｍテレ
崩し量を増減して（１２）式より大きくする方向で調整
する。

【００９７】ところで、第１及び第２実施例において
は、１軸のアライメント光学系に関して６個の補正光学
素子が使用されているため、例えば４軸のアライメント
光学系に関して同時に色収差の補正を行うには、そのま
までは、瞳位置の透明基板１上に２４個もの多数の補正
光学素子を配列する必要がある。そこで、以下では補正
光学素子を共通化して、全体の補正光学素子の個数を削
減する方法について説明する。

【００９８】先ず、第１実施例及び第２実施例におい
て、図４の補正光学素子Ｇ_XA3 （実際には２個の回折格
子よりなる）あるいは図１２の補正光学素子Ｇ_YA3 を共
通化する場合を考える。この場合、非計測方向に各波長
の色収差補正用の補正光学素子をずらさずに配置する必
要がある。そのためには、計測方向に図４の補正光学素
子Ｇ_XA1 とＧ_XA2 と、あるいは図１２（ａ）の補正光学
素子Ｇ_YA1 とＧ_YA2 とが、各波長での位置がある程度離
れる必要がある。以下第２実施例の場合について説明す
る。

【００９９】図１７は第２の実施例の投影光学系３を示
し、図１８は、図１５において、補正光学素子Ｇ_YA3B及
びＧ_YA3Aを共通化した場合を示す。図１７に示す様に、
投影光学系３の瞳前のレンズ３ａの焦点距離をｆ_A とす
ると、図１８に示す各波長λ _A 及びλ_B に対応する補正
光学素子Ｇ_YA1 あるいはＧ_YA2 の光軸からのＹ方向の間
隔ｙ_a 及びｙ_b はそれぞれ次のようになる。

【０１００】ｙ_a ＝ｆ_A ・λ_A ／Ｐ，ｙ_b ＝ｆ_A ・λ_B ／Ｐまた、アライメントマークの幅（＝ｗ）によって透明基
板１での各波長λ_A 及びλ_B の光束のそれぞれの広がり
φ_a 及びφ_b はそれぞれ次のようになる。 φ_a ＝２ｆ_A ・λ_A ／ｗ，φ_b ＝２ｆ_A ・λ_B ／ｗこれが分離されて、計測方向に補正光学素子Ｇ_YA1A，Ｇ
_YA1B及びＧ_YA2A，Ｇ_YA _2Bを配置するためには、次式が必
要である。

【０１０１】ｙ_a −ｙ_b ＜φ_a ，φ_b ……（９）この場合、（λ_A −λ_B ）をΔλ、（φ_a ＋φ_b ）／２
を２ｆ_A ・λ₀ ／ｗとおくと、波長λ₀ は波長λ_A 及び
λ_B の平均波長となる。そして、（９）式より、その平
均波長λ₀ に関して次の条件が必要となる。 Δλ＞２Ｐ・λ₀ ／ｗ ……（１０）これにより各波長のアライメント光に対して補正光学素
子Ｇ_YA3 を共通化することが可能で、且つ図１８に示す
ように、補正光学素子Ｇ_YA1 及びＧ_YA2 内の２個の補正
光学素子を非計測方向（Ｘ方向）にずらして配置する必
要がなくなり、好都合である。尚、図１８の如き補正光
学素子を用いるとき、波長λ_A の光と波長λ_Bの光とで
投影光学系３のメリジオナル方向のテレセン崩し量（テ
レセントリック性の崩し量）は同じとなる。

【０１０２】図１９は、そのように補正光学素子Ｇ_YA3
を共通化した補正光学素子を４軸分透明基板１上に配列
した例を示し、この図１９において、５個の補正光学素
子Ｇ _YA1B，Ｇ_YA1A，Ｇ_YA2A，Ｇ_YA2B，Ｇ_YA3 により１個
のウエハマークＷＭ_Y に関する２つの波長λ_A ，λ_B の
アライメント光に対する色収差の補正が行われる。そし
て、同様に干渉しないように配置された他の１５（＝５
×３）個の補正光学素子により他の３軸分の色収差の補
正が行われる。従って、図１９では合計で２０個の補正
光学素子が必要であるが、これは図１の２４個の補正光
学素子よりも少なくなっている。

【０１０３】なお、上述実施例では、ウエハマークから
のアライメント光（検出光）に対する複数の波長の光の
色収差補正を共通の補正光学素子で行っているが、同様
にウエハマークに向かうアライメント光（照射光）に対
する複数の波長の光の色収差補正を共通の補正光学素子
で行っても良い。

【０１０４】また、上述実施例では、ウエハマークから
の±１次回折光の干渉ビート光を用いてウエハマークの
位置検出を行っているが、ウエハマークからの０次回折
光と２次回折光との干渉ビート光をも用いて位置検出を
行う方法もある。これについて図３を参照して説明す
る。図３において、ウエハマークＷＭ_X には波長λ_A の
光束Ｌａ_A 及びＬｂ_A が照射されており、ウエハマーク
ＷＭ_X からは、光束Ｌａ_A の＋１次回折光及び光束Ｌｂ
_A の−１次回折光よりなる干渉ビート光Ｌｃ_A の他に、
光束Ｌａ_A の０次回折光及び光束Ｌｂ_A の−２次回折光
よりなる干渉ビート光Ｌｄ_A と、光束Ｌａ_Aの＋２次回
折光及び光束Ｌｂ_A の０次回折光よりなる干渉ビート光
Ｌｅ_A とが射出されている。これらの干渉ビート光Ｌｄ
_A 及びＬｅ_A もそれぞれウエハマークＷＭ_X の位置情報
を有するので、それら干渉ビート光をも利用して位置検
出を行うことにより、より高精度に位置検出を行うこと
ができる。特に、ウエハマークＷＭ_X の形状等により、
±１次回折光よりなる干渉ビート光Ｌｃ_A の強度が弱い
場合でも、干渉ビート光Ｌｄ_A 及びＬｅ_A により正確に
ウエハマークＷＭ_X の位置検出を行うことができる。

【０１０５】この場合、図３の透明基板１上には、干渉
ビート光Ｌｄ_A 及びＬｅ_A に対する色収差補正を行うた
めの補正光学素子Ｇｄ_A 及びＧｅ_A を形成する。また、
波長λ_B のアライメント光に対しても同様な補正光学素
子を形成すると、補正光学素子の配列は図２０（ａ）に
示すようになる。即ち、図２０（ａ）において、補正光
学素子Ｇｄ_A 及びＧｅ_A は、それぞれ波長λ_A の０次回
折光と２次回折光とよりなる干渉ビート光Ｌｄ_A 及びＬ
ｅ_A に対する色収差補正を行い、補正光学素子Ｇｄ_B 及
びＧｅ_B は、それぞれ波長λ_B の０次回折光と２次回折
光とよりなる干渉ビート光に対する色収差補正を行うも
のである。また、他の３軸についても、それぞれ図２０
（ａ）の１０個の補正光学素子と干渉しない位置に１軸
につき１０個の補正光学素子が形成される。

【０１０６】次に、図１８の例と同様に、図２０（ａ）
の場合も一部の補正光学素子を共通化することができ
る。具体的に、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）の２個の
補正光学素子Ｇｃ_A 及びＧｃ_B を１個の補正光学素子Ｇ
ｃで置き換えた例を示す。そして、図２０（ｂ）におい
ては、異なる波長用の補正光学素子（例えばＧａ_A 及び
Ｇａ_B ）は非計測方向であるＹ方向の位置が等しくなっ
ている。このような配列により補正光学素子の共通化を
行うことができる。

【０１０７】以上の第１、第２の実施例の装置（図４、
図１２）では２つの光源１０，１２の各々から射出した
レーザビームをダイクロイックミラー１１で同軸に合成
してＡＯＭ１３ａに入射させていた。しかしながら、例
えば特願平4-187198号に示されているように、ダイクロ
イックミラー１１とＡＯＭ１３ａとの間の光路中に、回
折格子板，空間フィルター，及びレンズ系を配置するよ
うにしても良い。この場合、光源１０からのレーザビー
ムが回折格子板に入射すると、この回折格子板からは種
々の次数の回折光が発生する。空間フィルターは回折格
子板から発生する光のうち、±１次回折光のみを透過
し、この±１次回折光はレンズ系を介してＡＯＭ１３ａ
に入射することになる。光源１２からのレーザビームも
同様にその±１次回折光がＡＯＭ１３ａに入射するが、
回折格子板での±１次回折光の回折角がわずかに異なっ
ている。

【０１０８】次に、上述の実施例では、投影光学系３の
瞳面上に形成された補正光学素子の配置に応じて、アラ
イメント光学系から投影光学系に入射する光束のメリジ
オナル方向のテレセントリック性を崩す場合がある。こ
れは特に、複数のアライメント光学系（例えば図２のア
ライメント光学系５Ａ〜５Ｄ等）を設けた際に、各アラ
イメント光学系からのアライメント光にその瞳面上で異
なる位置を通過させる場合に必要である。この場合、ア
ライメント用の光束として複数波長の光束が使用されて
いるため、そのメリジオナル方向のテレセントリック性
の崩し具合い（ｍテレ崩し）は、波長毎に独立に調整す
る必要がある。そこで、以下では複数の波長の光束につ
いて独立に投影光学系３に入射する際のｍテレ崩しを調
整するための手法の具体例につき説明する。

【０１０９】図２３は、図１２のアライメント光学系に
そのようなｍテレ崩しの機構の一例を付加した例を示
し、図２３（ａ）はメリジオナル方向（Ｘ方向）を含む
ＸＺ平面上にアライメント光を投影した様子を示し、図
２３（ｂ）は図２３（ａ）の右側面図、即ち計測方向
（Ｙ方向又はサジタル方向）を含むＹＺ平面にアライメ
ント光を投影した様子を示す。

【０１１０】これら図２３（ａ）及び（ｂ）において、
レーザ光源１０から射出された波長λ_Aの光束Ｌ_Aをダ
イクロイックミラー１１を透過させてヘテロダインビー
ム発生光学系ＨＢＧ内のＡＯＭ１３ａに入射させ、レー
ザ光源１２から射出された波長λ_Bの光束Ｌ_Bをダイク
ロイックミラー１１で反射させてＡＯＭ１３ａに入射さ
せる。この際に、ＡＯＭ１３ａ及び１３ｂにおける回折
光の発生方向をＺＹ平面（図２３（ｂ））として、図２
３（ａ）のＺＸ平面内において、ヘテロダインビーム発
生光学系ＨＢＧの光軸に対する光束Ｌ_Aの傾斜角と光束
Ｌ_Bの傾斜角とを変えておく。そして、光束Ｌ_Aと光束
Ｌ_Bとを、ＡＯＭ１３ａ内のレチクル２のパターン形成
面及びウエハの露光面と共役な面上で交差させる。他の
構成は図１２と同様である。

【０１１１】この場合、ＡＯＭ１３ｂから音響ブラッグ
回折により発生する１対の回折光からなる一方の光束Ｌ
Ｂ₁は、波長λ_Aの光束Ｌａ_A及び波長λ_Bの光束Ｌａ
_Bよりなる。そして、図２３（ａ）に示すように、光束
Ｌ_Aと光束Ｌ_Bとのヘテロダインビーム発生光学系ＨＢ
Ｇの光軸に対する傾斜角が異なることから、反射鏡５
２、半透過鏡１４、対物レンズ１８、及び反射鏡１９を
介してレチクル２のレチクル窓に入射する光束Ｌａ_A及
び光束Ｌａ_Bの、投影光学系３の光軸に対するＺＸ平面
内での傾斜角も異なっている。また、これら傾斜角は光
束Ｌ_Aと光束Ｌ_Bとのヘテロダインビーム発生光学系Ｈ
ＢＧの光軸に対する傾斜角により、それぞれ所望の値に
設定できる。即ち、この例では、光束Ｌ_A及び光束Ｌ_B
のダイクロイックミラー１１に対する入射角を、ウエハ
及びレチクルと共役な点を一種のピボット（支点）とし
て調整することにより、互いに異なる波長の光束Ｌａ_A
及び光束Ｌａ_Bのｍテレ崩しを調整するものである。

【０１１２】次に、図２４（ａ）は、図１２のアライメ
ント光学系に他のｍテレ崩しの機構を付加した例を示
し、図２４（ａ）はメリジオナル方向（Ｘ方向）を含む
ＸＺ平面上にアライメント光を投影した様子を示す。こ
の図２４（ａ）に示すように、この例ではヘテロダイン
ビーム発生光学系ＨＢＧからの２波長からなる光束ＬＢ
₁を、半透過鏡１４を介して投影光学系３の光軸に対し
てほぼ４５°の角度で傾斜したダイクロイックミラー６
１に入射させる。また、ダイクロイックミラー６１とし
ては、表面６１ａが波長λ_Bの光のみを反射させるダイ
クロイックミラー面であり、裏面６１ｂが完全な反射面
であるようなダイクロイックミラーを使用する。また、
この表面６１ａと裏面６１ｂとは平行にしておく。この
とき、波長λ_Bの光束Ｌａ_Bは、ダイクロイックミラー
６１の表面６１ａで反射されて対物レンズ１８に入射
し、波長λ_Aの光束Ｌａ_Aは、そのダイクロイックミラ
ー６１の表面６１ａを透過し裏面６１ｂで反射された
後、表面６１ａを透過して光束Ｌａ_Bとほぼ平行に対物
レンズ１８に入射する。そして、対物レンズ１８を介し
た光束Ｌａ_A及びＬａ_Bが、レチクル２の窓部を経て投
影光学系３に入射する。他の構成は図１２と同様であ
る。

【０１１３】この場合、光束Ｌａ_AとＬａ_Bとは、ダイ
クロイックミラー６１の厚さ及び屈折率に応じてＸ方向
（メリジオナル方向）で位置ずれして対物レンズ１８に
入射するため、光束Ｌａ_AとＬａ_Bとのｍテレ崩しの量
が異なっている。従って、この例では、ダイクロイック
ミラー６１の厚さ又は屈折率を変えることにより、互い
に異なる波長の光束Ｌａ_A及び光束Ｌａ_Bのｍテレ崩し
を調整できる。なお、図２４（ａ）のダイクロイックミ
ラー６１を、図２４（ｂ）に示すように、ダイクロイッ
クミラー６１Ａとミラー６１Ｂとに分けてもよい。この
場合、ダイクロイックミラー６１Ａとミラー６１Ｂとの
間隔ｄを可変にすることにより、波長毎のｍテレ崩し量
を可変にできる。

【０１１４】次に、図２５は、図１２のアライメント光
学系に更に別のｍテレ崩しの機構を付加した例におい
て、メリジオナル方向（Ｘ方向）を含むＸＺ平面上にア
ライメント光を投影した様子を示す。図２５において、
レーザ光源１０から射出された波長λ_Aの光束Ｌ_A、及
びレーザ光源１２から射出された波長λ_Bの光束Ｌ
_Bは、ダイクロイックミラー１１を経てヘテロダインビ
ーム発生光学系ＨＢＧに入射する。この図２５のヘテロ
ダインビーム発生光学系ＨＢＧは、図１２のヘテロダイ
ンビーム発生光学系ＨＢＧのコリメータレンズ５１ｂを
集光レンズ６２で置き換えたものであり、集光レンズ６
２からは、波長λ_A及びλ_Bの２波長の光からなる光束
ＬＢ₁と、波長λ_A及びλ_Bの２波長の光からなり周波
数が光束ＬＢ₁とΔｆだけ異なる光束ＬＢ２とが面６３
上で集束するように射出される。但し、この例では、光
束ＬＢ₁のみの処理系を示し、他の光束ＬＢ₂は、ミラ
ー等（不図示）により光路を折り曲げて同様に処理する
ものとする。

【０１１５】その面６３は、レチクル２のパターン形成
面、及びウエハの露光面と共役となっており、その面６
３上に分散作用のあるプリズム６４の入射面を設置す
る。プリズム６４としては、ほぼ同軸で入射する波長λ
_A及びλ_Bの光束が異なる方向に射出されるものであれ
ばどのようなものでも使用でき、例えば直視プリズムや
ドーブ・プリズム等でも使用できる。この場合、プリズ
ム６４から波長λ_Aの光束Ｌａ_A、及び波長λ_Bの光束
Ｌａ_Bが異なる方向に射出され、これらの光束Ｌａ_A、
及び光束Ｌａ_Bは、コリメータレンズ５１ｂによりほぼ
平行な光束となった後、反射鏡５２、半透過鏡１４、対
物レンズ１８、及び反射鏡１９を介してレチクル２のレ
チクル窓に入射する。

【０１１６】この際に、レチクルとの共役面である面６
３に対する光束Ｌａ_A及び光束Ｌａ _Bの射出角が異なっ
ているため、レチクル２のレチクル窓を通過して投影光
学系３に入射する際の光束Ｌａ_A及び光束Ｌａ_Bの、投
影光学系３の光軸に対するＺＸ平面内での傾斜角も異な
っている。また、これら傾斜角の差はプリズム６４にお
ける分散特性により、それぞれ所望の値に設定できる。
従ってこの例では、プリズム６４における分散特性によ
り、互いに異なる波長の光束Ｌａ_A及び光束Ｌａ_Bのｍ
テレ崩しを調整する。また、図２６（ａ）に示すよう
に、図２５のプリズム６４と同様の２枚（３枚以上も
可）のプリズム６４Ａ及び６４Ｂを組み合わせて光束Ｌ
Ｂ₁の光路Ｐに設置してもよい。この際、プリズム６４
Ａ及び６４Ｂを互いに回転させ、全体としての分散量を
可変にする。これにより、ｍテレ崩し量を波長毎に可変
にできる。

【０１１７】なお、図２５のプリズム６４の代わりに、
図２６（ｂ）の回折格子６５を使用しても、互いに異な
る波長の光束Ｌａ_A及び光束Ｌａ_Bのｍテレ崩しを調整
できる。即ち、図２６（ｂ）において、図２５のヘテロ
ダインビーム発生光学系ＨＢＧの集光レンズ６２から射
出された一方の光束ＬＢ₁が、位相型の回折格子６５に
入射する。その光束ＬＢ₁の入射点は、レチクル及びウ
エハと共役な面６３上にあり、入射した光束ＬＢ₁中の
波長λ_Aの光の回折格子６５による＋１次回折光からな
る光束Ｌａ_Aと、波長λ_Bの光の回折格子６５による＋
１次回折光からなる光束Ｌａ_Bとは、互いに異なる方向
にコリメータレンズ５１ｂに入射する。それ以降の構成
は図２５と同様である。この図２６（ｂ）の例は、回折
格子６５の分散作用により、互いに異なる波長の光束Ｌ
ａ_A及び光束Ｌａ_Bのｍテレ崩しを調整するものであ
る。この場合、回折格子６５のピッチを選ぶことにより
その分散特性を変えることが可能で、例えば分散を大き
くしたい場合は細かい格子ピッチにすればよい。

【０１１８】なお、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
ことは勿論である。

【０１１９】

【発明の効果】本発明によれば、アライメント光に対す
る投影光学系の軸上色収差を補正しながら倍率色収差の
制御が可能となるので、投影光学系ではアライメント光
に対する色収差の補正の必要性が原理的になくなり、投
影光学系の設計及び製造が格段に容易となる。しかも投
影光学系に倍率色収差が存在していてもアライメント光
路を露光光路外へ任意に偏向できるため、アライメント
光学系の配置の条件を緩和させることができる。

【０１２０】また、補正光学素子がアライメント光を構
成する各波長の光毎に設けられているため（共通化され
ている場合も含む）、多波長化されたアライメント光に
対する投影光学系の色収差を良好に補正して、基板上の
感光材による薄膜干渉等の影響を低減することができる
利点がある。また、複数波長の検出光に対する色収差補
正を１個の検出光用の補正光学素子で行うようにした場
合には、補正光学素子の面積を全体として小さくするこ
とができ、露光光に対する影響を小さくすることができ
る。

【０１２１】更に、補正光学素子を投影光学系の瞳面内
に配置した場合には、構成が簡略である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の透明基板上の補正光学素
子の配置を示す平面図である。

【図２】第１実施例の投影露光装置の概略構成を示す斜
視図である。

【図３】図２中の波長λ_A のアライメント光の光路、及
びこのアライメント光の傾斜状態を示す図である。

【図４】第１実施例の投影露光装置の詳細な構成を示す
構成図である。

【図５】第１実施例のレチクルマーク及びレチクル窓を
示す平面図である。

【図６】そのレチクルマークからの回折光を示す光路図
である。

【図７】第１実施例のレチクルマークに対して２波長の
アライメント光が入力する様子を示す光路図である。

【図８】第１実施例の透明基板上に形成された１軸分の
補正光学素子を示す平面図である。

【図９】第１実施例のウエハマークを示す要部の平面図
である。

【図１０】そのウエハマークからの回折光を示す光路図
である。

【図１１】第１実施例のウエハマークに対して２波長の
アライメント光が入力する様子を示す光路図である。

【図１２】（ａ）は本発明の第２実施例の投影露光装置
をＹ方向に見た場合を示す構成図、（ｂ）は図１２
（ａ）の半透過鏡１４の周辺の詳細な構成を示す図であ
る。

【図１３】第２実施例の投影露光装置をＸ方向に見た場
合を示す構成図である。

【図１４】第２実施例のレチクルマーク及びレチクル窓
を示す平面図である。

【図１５】第２実施例の透明基板上に形成された１軸分
の補正光学素子を示す平面図である。

【図１６】第２実施例のウエハマークを示す要部の平面
図である。

【図１７】第２実施例の投影光学系を示す構成図であ
る。

【図１８】図１５の補正光学素子Ｇ_YA3A，Ｇ_YA3Bを共通
化した場合を示す平面図である。

【図１９】補正光学素子を共通化した場合の４軸用の補
正光学素子の配列を示す平面図である。

【図２０】（ａ）は±１次回折光よりなる干渉ビート光
の他に、０次光及び２次光よりなる干渉ビート光を使用
する場合の１軸用の補正光学素子の配列を示す平面図、
（ｂ）は図２０（ａ）において２つの波長で±１次回折
光よりなる干渉ビート光に対する補正光学素子を共通化
した例を示す平面図である。

【図２１】テレセントリック性の崩し量の説明に供す
る、投影光学系の瞳面上の補正光学素子を示す図であ
る。

【図２２】（ａ）はテレセントリック性の崩し量の説明
に供する、投影光学系の側面図、（ｂ）は図２２（ａ）
中のアライメントマークの平面図である。

【図２３】（ａ）は図１２の投影露光装置にｍテレ崩し
の機構の一例を付加した場合を示すＹ方向に見た構成
図、（ｂ）は図２３（ａ）の右側面図である。

【図２４】（ａ）は図１２の投影露光装置に他のｍテレ
崩しの機構を付加した場合の要部を示すＹ方向に見た構
成図、（ｂ）はダイクロイックミラー６１をダイクロイ
ックミラーとミラーとで置き換えた場合の要部を示す構
成図である。

【図２５】図１２の投影露光装置に更に他のｍテレ崩し
の機構を付加した場合の要部を示すＹ方向に見た構成図
である。

【図２６】（ａ）は図２５のプリズム６４を２個のプリ
ズムで置き換えた場合の要部を示す構成図、（ｂ）は図
２５のプリズム６４を回折格子６５で置き換えた場合の
要部を示す構成図である。

【符号の説明】

１透明基板２レチクル３投影光学系４ウエハ５Ａ〜５Ｄアライメント光学系１０，１２レーザ光源１３ａ，１３ｂ音響光学変調素子（ＡＯＭ）１７，２０ａ，２０ｂ，２１光電検出器ＲＭ_X ，ＲＭ_Y レチクルマークＷＭ_X ，ＷＭ_Y ウエハマークＷＩレチクル窓Ｇａ_A ，Ｇｂ_A ，Ｇｃ_A ，Ｇａ_B ，Ｇｂ_B ，Ｇｃ_B 補
正光学素子Ｇ_XA1 ，Ｇ_XA2 ，Ｇ_XA3 補正光学素子の対Ｌａ_A ，Ｌｂ_A ，Ｌａ_B ，Ｌｂ_B 照射光Ｌｃ_A ，Ｌｃ_B 検出光６１ダイクロイックミラー６４プリズム６５回折格子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に形成された所定のパターンを
露光光のもとで基板上に投影する投影光学系を備えた露
光装置に設けられ、前記マスクと前記感光基板との相対
的な位置合わせを行うアライメント装置であって、前記露光光とは異なる波長域のアライメント光を前記投
影光学系を介して前記基板上に形成されたアライメント
マークに照射する光照射手段と、該アライメントマーク
からの光を前記投影光学系を介して検出する検出手段と
を有し、前記マスクと前記基板との間に、前記アライメントマー
クに向かうアライメント光よりなる照射光及び前記アラ
イメントマークからのアライメント光よりなる検出光に
対して、それぞれ投影光学系の軸上色収差及び倍率色収
差とは反対方向の軸上色収差及び倍率色収差を発生させ
る照射光用の補正光学素子及び検出光用の補正光学素子
を設けたアライメント装置において、前記アライメント光として、前記露光光とは異なる波長
域の互いに波長の異なる複数の光で多色化された光を使
用し、前記照射光用の補正光学素子又は前記検出光用の補正光
学素子を、前記アライメント光を構成する前記波長の異
なる複数の光に対応して複数個設けたことを特徴とする
アライメント装置。
【請求項２】前記照射光用の補正光学素子を、前記ア
ライメント光を構成する前記波長の異なる複数の光に対
する前記投影光学系の倍率色収差を補正するように複数
個設け、且つ前記検出光用の補正光学素子を、前記アラ
イメント光を構成する前記波長の異なる複数の光に対し
て１個設けたことを特徴とする請求項１記載のアライメ
ント装置。
【請求項３】前記照射光用の補正光学素子及び前記検
出光用の補正光学素子を前記投影光学系の瞳面内に配置
したことを特徴とする請求項１又は２記載のアライメン
ト装置。