JPH06310404A

JPH06310404A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH06310404A
Application number: JP5098019A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷; Toru Kiuchi; 徹木内
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】レチクルとウェハとを投影光学系を介して別
波長アライメントする際、レチクルマークからの検出光
にノイズ光が混入することを防止する。【構成】投影光学系の瞳面のアライメントビーム通過
位置に位相格子を設け、アライメントビームの光路のみ
について、レチクル面から一定量離れた空間中の面とウ
ェハ面とで互いに共役にする。【効果】瞳面の位相格子は、別波長アライメントビー
ムのもとでレチクル面とウェハ面とを共役にしないた
め、ウェハ面で反射した光がレチクルマークの検出光に
重畳し難い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレチクル（マスク）のパ
ターンを、投影光学系を介して感光基板上に形成された
パターンへ重ね合わせ露光する装置のアライメント（位
置合わせ）装置に関するものであり、特に露光用の照明
光と異なる波長の照明光を投影光学系を介して感光基板
上に照射するアライメント装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の投影露光装置の投影光学
系は、露光用の照明光の波長において最良の像質でレチ
クルの回路パターンを感光基板へ結像するように、色収
差とともに各種の収差が補正されている。従って、レチ
クルと感光基板とをアライメントする最も理想的な方法
は、レチクル上のアライメントマークと感光基板上のア
ライメントマークとを露光用照明光（波長３６５ｎｍ、
あるいは２４８ｎｍ等の紫外線）と同じ波長の照明光で
照射し、両方のマークをレチクルの上方に配置されたア
ライメント光学系を介して光電的に検出する方法であ
る。しかしながら、露光波長を利用したマーク検出は、
感光基板上のフォトレジスト層の影響によって必ずしも
良好なマーク検出結果が得られるとは限らない。これは
フォトレジスト層の露光波長の吸収や薄膜干渉現象等に
よって、マークを光電検出したときの信号波形等に大き
な歪みが生じることが主な原因である。

【０００３】そこで、近年のサブミクロン領域の投影露
光を可能とする投影露光装置（ステッパー）では、フォ
トレジスト層による光学的な歪みの付加を低減し、フォ
トレジストの不要な感光をさける目的で露光波長よりも
十分に長い波長、例えばＨｅ−Ｎｅレーザの赤色光を照
明光として感光基板上のマークを検出するアライメント
方式が主流となってきた。

【０００４】Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を用いたアライメント
装置は、大別して２つの方式があり、その１つはアライ
メント光学系からＨｅ−Ｎｅレーザによる照明ビームを
投影光学系のみを介して感光基板上へ投射し、感光基板
のマークからの反射光（散乱、回折光も含む）を投影光
学系のみを介してアライメント光学系で検出するＴＴＬ
（スルーザレンズ）方式である。このＴＴＬ方式は、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザの波長６３３ｎｍにおいてレチクルと感
光基板とを互いに共役にする必要がないため、投影光学
系で発生する軸上色収差や倍率色収差を考える必要がな
く、比較的容易にアライメント光学系を組むことができ
た。ただしＴＴＬ方式では、感光基板上のマークの位置
を検出するだけなので、レチクルの回路パターンの中心
点の投影位置とＴＴＬ方式のアライメント光学系のマー
ク検出位置との間の距離、所謂ベースラインを時々精密
に測定し、そのベースラインの値を管理しておかなけれ
ばならないといった問題点もある。

【０００５】Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を用いたもう１つの方
式は、投影光学系の瞳面（フーリエ変換面）の中心に径
が小さい正の単レンズ（補正レンズ）を配置すること
で、投影光学系の極めて小さい開口数の光路に関しての
み、レチクルと感光基板とをＨｅ−Ｎｅレーザ光の波長
のもとで互いに共役にし、感光基板のマークからの反射
光を投影光学系及び補正レンズを介してレチクル上に結
像させ、そこにできた感光基板のマーク像と、レチクル
上のマークとを同時にアライメント光学系で検出するＴ
ＴＲ（スルーザレチクル）方式である。

【０００６】このようなＴＴＲアライメント方式は、例
えば米国特許第５，１００，２３７号公報（以下ＵＳ
Ｐ．’２３７とする）に開示されている。さらにこの公
報には、レチクル上のマーク、感光基板上のマークとし
て１次元の回折格子を設け、これら回折格子に対称的な
入射角をもつ２本の照明ビームを照射し、レチクルの回
折格子からの干渉光と、感光基板の回折格子から発生し
て投影光学系、補正レンズを介してレチクル側へ戻って
くる干渉光とを光電検出することによって、レチクルと
感光基板とを回折格子のピッチ方向にアライメントする
方法が開示されている。

【０００７】図１は、ＵＳＰ．’２３７に開示された投
影光学系の構成とアライメント用の照明ビームの光路と
を模式的に表したものであり、図２はＵＳＰ．’２３７
に示されたレチクルＲ上のマークと感光基板（以下、ウ
ェハＷとする）上のマークとの位置関係を表す斜視図で
ある。図２（Ａ）に示すように、レチクルＲ上の回路パ
ターン領域の周辺には遮光帯（斜線部）が形成され、そ
の一部に、回折格子によるレチクルマークＲＭｘと透明
窓ＷＩとが設けられている。レチクルマークＲＭｘはＹ
方向に延びた微小ラインをＸ方向に一定ピッチで刻設し
たものであり、窓ＷＩはレチクルマークＲＭｘに対して
レチクル中心側で近接するようにＹ方向に並んで配置さ
れる。

【０００８】また図２（Ｂ）に示すように、ウェハＷ上
のショット領域とショット領域との間には幅ｙｓでスト
リートラインＳＴＬが設けられ、そのストリートライン
ＳＴＬ内にウェハマーク形成領域ＭＡが設定される。こ
の領域ＭＡ内には、Ｙ方向に延びた微小ラインをＸ方向
に一定ピッチで刻設した格子状のウェハマークＷＭｘ
が、レチクルＲ上の窓ＷＩに対応した配置で形成され
る。このウェハマークＷＭｘは、マーク形成領域ＭＡ内
でショット領域の中心側の半分の領域に形成され、他の
半分の領域はブランク領域になっている。

【０００９】さて、このようなマーク配置に対して、図
２（Ａ）、及び図１（Ａ）に示すように、レチクルマー
クＲＭｘと窓ＷＩとの両方を包含する太さ（径）を有す
る２本の可干渉性の照明ビーム（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）Ｌ
Ｂ₁、ＬＢ₂を、レチクルＲのマーク面で交差するよう
に入射する。この２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂の入射角
は、アライメント光学系の光軸ＡＸａに関して対称にな
るように定められ、かつ交差角はレチクルマークＲＭｘ
のピッチＰｇｒに対してＰｇｒ／２のピッチの干渉縞を
生成するように定められる。従ってレチクルマークＲＭ
ｘからは、ビームＬＢ₁の入射によって発生した−１次
回折光と、ビームＬＢ₂の入射によって発生した＋１次
回折光とが光軸ＡＸａと平行な方向に同軸になって進
む。この２つの１次回折光は互いに干渉した干渉光ＢＴ
ｒとなり、その強度は干渉縞とレチクルマークＲＭｘと
のＸ方向の位置関係に対応したものとなる。

【００１０】一方、レチクルＲ上の窓ＷＩを通過した２
本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂は、図１（Ａ）に示されたよ
うに、前側レンズ群ＧＡと後側レンズ群ＧＢとで構成さ
れる両側テレセントリックな投影レンズ系に入射する。
そして２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂は投影レンズ系の瞳
面ＥＰの中心に配置された補正レンズＣＬによって軸上
色収差に対応した量だけ屈折され、ウェハＷ上で交差す
る。この補正レンズＣＬは、露光時の結像光束への影響
を少なくするために、極力小さな径、例えば瞳面ＥＰの
有効径に対して１０％以下になるように定められる。
尚、補正レンズＣＬがない場合、２本のビームＬＢ₁、
ＬＢ₂は破線で示すようにウェハＷ上で交差させること
ができない。

【００１１】さて、ウェハＷ上で交差する２本のビーム
ＬＢ₁、ＬＢ₂はウェハマークＷＭｘの上に干渉縞を生
成する。ウェハマークＷＭｘのピッチをＰｇｗとする
と、ウェハ上の干渉縞のピッチはＰｇｗ／２に定められ
る。従って、ウェハマークＷＭｘからは、図２（Ｂ）に
示すようにアライメント光学系の光軸ＡＸａと平行な方
向に±１次回折光の干渉光ＢＴｗが発生する。この干渉
光ＢＴｗは投影レンズ系と補正レンズＣＬとを介してレ
チクルＲの窓ＷＩの位置まで戻り、さらにこの窓ＷＩを
通過して、干渉光ＢＴｒと平行になってアライメント光
学系へ入射する。その干渉光ＢＴｒの強度は、ウェハＷ
上の干渉縞とウェハマークＷＭｘとのピッチ方向の相対
位置に応じて変化する。

【００１２】従って、アライメント光学系を介して得ら
れる干渉光ＢＴｒとＢＴｗとをそれぞれ光電検出し、各
光電信号のレベル変化、もしくは各光電信号の位相差を
求めることによって、レチクルマークＲＭｘとウェハマ
ークＷＭｘとのＸ方向の相対位置誤差がわかる。尚、図
１（Ｂ）は、図１（Ａ）の光路を直交する方向（Ｘ方
向）から見た図であり、この方向から見ると、ウェハへ
達する２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂とウェハマークＷＭ
ｘからの干渉光ＢＴｗとは重なってみえる。また瞳面Ｅ
Ｐに単レンズＣＬを入れると、軸上色収差は補正できる
が、倍率色収差の補正は、ほとんどの場合、不十分であ
る。このためＵＳＰ．’２３７にはレチクルＲと投影レ
ンズ系との間のアライメント光路中に、倍率色収差補正
用のレンズ素子、プリズム等を付加することも開示され
ている。

【００１３】以上の図１、図２の構成で、２本の照射ビ
ームＬＢ₁、ＬＢ₂の間に一定の周波数差Δｆ（例えば
数十ＫＨｚ）を与えると、干渉光ＢＴｒ、ＢＴｗは周波
数Δｆで強度変調され、２つの光電信号はいずれも周波
数Δｆの交流信号（正弦波）となる。そのため、レチク
ルマークＲＭｘとウェハマークＷＭｘとの相対位置ずれ
量は、２つの光電信号の位相差から求めることになる。

【００１４】また本願と同一出願人により出願された特
願平４−１３６６６９号には、図１に示した補正レンズ
ＣＬの代わりに、照明ビームＬＢ₁、ＬＢ₂や干渉光Ｂ
Ｔｗが通る瞳面ＥＰ内の位置のみに位相格子を配置して
軸上色収差と倍率色収差の両方を補正する方式が開示さ
れている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、以上の従来
の技術においては、アライメント用の照明ビームや検出
ビームの光路において、軸上色収差がほぼ完全に補正さ
れているという大きな利点が得られる反面、回折格子状
のマークを２本のビームの干渉縞で照明するアライメン
ト方式にとってはその利点が逆に大きな欠点となること
が発見された。

【００１６】一般にレチクルマークＲＭｘは、レチクル
Ｒのパターン面のクロム層をエッチングして形成される
ため、透過型の回折格子にもなっている。そのため、レ
チクルマークＲＭｘからは投影レンズ系へ入射する透過
回折光（０次光，±１次回折光等）が発生する。この透
過回折光のうち少なくとも２本の０次光は、ウェハマー
クＷＭｘに達する照明ビームＬＢ₁、ＬＢ₂と同じ光路
を通り、補正レンズＣＬ（もしくは位相格子）を通って
ウェハＷ上で交差する。

【００１７】このため、ウェハＷ上のマーク形成領域内
のブランク領域には、レチクルマークＲＭｘの回折像に
対応した干渉縞が生成（結像）される。さらに、そのブ
ランク領域で正反射され、散乱、回折された反射光は、
再び投影レンズ系に入射し、補正レンズＣＬ（又は位相
格子）を通って再びレチクルＲのパターン面（マーク
面）に結像する。仮に、ウェハＷ上において２本のビー
ムＬＢ₁、ＬＢ₂を含む面がウェハ面と垂直（換言する
と、光軸ＡＸと平行）であって、倍率色収差もそれ程大
きくないものとすると、ウェハＷ上のブランク領域から
の反射光はレチクルマークＲＭｘと重畳することにな
り、レチクルマークＲＭｘから直接得られる干渉光ＢＴ
ｒには、ブランク領域からの反射光がノイズとして混入
することになる。ブランク領域がほぼ完全な反射面にな
っていればよいが、何らかの段差構造が形成されていた
りすると、それによって干渉光ＢＴｒの光電検出信号は
歪みを生じる。

【００１８】あるいは、図２（Ｂ）においてウェハＷ上
のストリートラインＳＴＬの幅ｙｓをウェハマークＷＭ
ｘの幅程度に狭くしてあった場合、レチクルマークＲＭ
ｘを透過した２本の０次光はウェハＷ上で隣りのショッ
ト内の周辺部に投射されるため、そこに形成されている
段差構造のパターンによっては、強い散乱光や回折光が
発生し、干渉光ＢＴｒに含まれるノイズ成分が多くな
る。

【００１９】以上のことから、レチクルマークＲＭｘか
らの干渉光ＢＴｒには、ウェハＷからのノイズ成分が重
畳しやすくなり、そのノイズ成分の大小によってマーク
ＲＭｘの位置検出精度が変化することになる。本来、干
渉縞を利用したアライメント方式ではナノ・メータのオ
ーダでマーク位置検出が可能とされているが、上記のノ
イズ成分の影響によって必ずしもそのオーダの検出精度
が得られなくなるのである。

【００２０】このように干渉光ＢＴｗ、ＢＴｒによっ
て、ウェハマークＷＭｘ、レチクルマークＲＭｘの位置
を計測する系においては、本来の信号光にわずかな迷光
が混入し、それが本来の信号光と干渉するものである
と、それは多かれ少なかれ信号光に歪みを与え、位相差
に基づいた位置計測、すなわちヘテロダインアライメン
ト方式ではその歪みが位相角に影響を及ぼすといった問
題を生じる。

【００２１】そこで本発明は、投影光学系を介して露光
光と異なる波長のアライメント用照明ビームを、レチク
ルと感光基板とに投射する際、レチクル上のアライメン
トマークを透過して感光基板で反射した光による影響を
低減させて、より高精度なアライメントを達成する装置
を提供することを目的とする。

【００２２】

【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、基本的に図３に示すような基本構成を採
る。すなわち、転写すべきパターンが形成されたマスク
（レチクルＲ）を露光光（Ｉ₁）で照射する照明光学系
と、その露光光（Ｉ₁）のもとで最良の結像性能を有す
る投影光学系（ＰＬ）と、その露光光と異なる波長のア
ライメントビーム（ＬＢ₁、ＬＢ₂）をレチクルＲに形
成された第１格子マーク（レチクルマークＲＭｘ等）と
その近傍の透明部（窓ＷＩ）とに向けて照射するととも
に、透明部（ＷＩ）と投影光学系（ＰＬ）とを介して感
光基板（ウェハＷ）に形成された第２格子マーク（ウェ
ハマークＷＭｘ等）に照射するビーム照射手段（対物レ
ンズＯＢを含む）と、第２格子マーク（ＷＭｘ）から発
生して、投影光学系（ＰＬ）とレチクルＲの透明部（Ｗ
Ｉ）とを介して進む回折光と、第１格子マーク（ＲＭ
ｘ）から発生した回折光とを受光する光電検出器を有
し、その検出器の出力信号に基づいてレチクルＲとウェ
ハＷとの相対的な位置ずれを検出するマーク位置検出手
段とを設ける。

【００２３】そして本発明では、ビーム照射手段の一部
に、第１格子マーク（ＲＭｘ）上で交差する２本の第１
アライメントビーム（ＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂）と、第１格
子マーク（ＲＭｘ）を照射することなくレチクルＲ上の
透明部（ＷＩ）のみを通るように、レチクルＲのパター
ン面から間隔Ｄだけ離れた空間中で交差する２本の第２
アライメントビーム（ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂）とを生成す
る４ビーム生成部材（２重点素子ＤＦ等）を設ける。

【００２４】さらに本発明では、図３に示すように、投
影光学系（ＰＬ）の瞳面（ＥＰ）内で２本の第２アライ
メントビーム（ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂）の通る部分に配置
されて、２本の第２アライメントビーム（ＬＢＷ₁、Ｌ
ＢＷ₂）が投影光学系（ＰＬ）を介して第２格子マーク
（ＷＭｘ）上で交差するように偏向させる複数の光学素
子（位相格子ＧＸ₁、ＧＸ₂等）を設ける。

【００２５】そしてこれらの光学素子（ＧＸ₁、ＧＸ₂
等）によって、アライメントビームの波長（図３中の光
束Ｉ₂の波長と同一）においてレチクルＲ側で生じる本
来の軸上色収差Ｌｃを少なくとも第２アライメントビー
ム（ＬＢｗ₁、ＬＢｗ₂）の光路については間隔Ｄまで
補正することを特徴としている。

【００２６】

【作用】本発明では、図３に示すように、ウェハＷ上で
交差する２本のアライメントビーム（ＬＢＷ₁、ＬＢＷ
₂）を、瞳面ＥＰに配置した補正板（透明ガラス板）Ｐ
Ｃ上の位相格子ＧＸ₁、ＧＸ₂で回折偏向させて得るよ
うにしたが、本発明が従来の技術と本質的に異なる点
は、レチクルＲの窓ＷＩを通ってウェハＷへ向けられる
２本のビーム（ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂）のレチクルＲ側で
の交差位置を、あえて窓ＷＩの位置から光軸ＡＸ方向に
間隔Ｄだけずらし、位相格子ＧＸ₁、ＧＸ₂等の補正素
子を設けたにもかかわらず、アライメントビーム（ＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ ₂）の波長のもとで軸上色収差をＤだけ残
すようにしたのである。すなわち、ウェハマークを照射
する２本のアライメントビームの光路上では、レチクル
ＲとウェハＷとが軸上色収差量Ｄを伴って共役になるよ
うに設計された位相格子ＧＸ₁、ＧＸ₂等を設け、レチ
クルマークを照射する２本のアライメントビームはレチ
クル上で交差するように入射させる。

【００２７】このようにすると、レチクルマーク（ＲＭ
ｘ）を透過したビームは、例え位相格子ＧＸ₁、ＧＸ₂
等に入射したとしても、最早ウェハＷ上では交差しなく
なる。そのため、ウェハＷ上でさらに反射してレチクル
Ｒに戻ってくるビームは、レチクルマークＲＭｘからは
大きくずれた位置に当たる。これによって、レチクルマ
ークＲＭｘから直接発生した回折光（±１次光）に含ま
れ得るノイズ成分は大幅に低減されることになる。ま
た、ウェハＷ上で反射してレチクルＲに戻ってくる２本
のビームは、ヘテロダイン方式の場合、周波数差Δｆを
持つので、それら２本の反射ビームがレチクルＲのマー
ク位置で交差してしまうと、干渉光（ＢＴｒ）にビート
周波数と同じノイズ成分が混入することになるが、本発
明では反射ビームがレチクル上で交差しないため、その
ような不都合はない。

【００２８】

【実施例】次に本発明の各実施例を説明するが、その第
１の実施例はＵＳＰ．’２３７に開示されたような補正
レンズ（凸レンズ）ＣＬ（図１参照）を投影光学系ＰＬ
の瞳中心に配置するとともに、その補正レンズＣＬによ
る軸上色収差をレチクルＲの上方の間隔Ｄまで補正する
ようにし、さらに２焦点素子ＤＦ等を用いて、レチクル
マークＲＭｘ上で交差する２本のビームと、レチクルＲ
の上方の間隔Ｄの空間位置とウェハマークＷＭｘ上とで
交差する２本のビームとの計４本のビームを使うように
構成したことである。

【００２９】ここで間隔Ｄは、アライメントビームの波
長をλ₁、レチクルマークＲＭｘのピッチ方向の幅、も
しくはレチクルマークＲＭｘ上で交差したビームのピッ
チ方向の有効照射幅をｄｉとすると、Ｄ≧（Ｐｇｒ・ｄ
ｉ）／２λ₁の関係に定められる。図４は第１の実施例
による投影光学系ＰＬの構成とアライメント用ビームの
光路とを模式的に示した図である。後で詳しく説明する
が、レチクルマークＲＭｘやウェハマークＷＭｘを照射
する２本のビームは、いずれもほぼ平行光束である。そ
こで図４では、特にレチクルマークＲＭｘの照明ビーム
ＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の振舞いについて説明する。図４中
の面Ｐ₀はレチクルＲのパターン面から間隔Ｄだけ離れ
ており、補正レンズＣＬによってビームＬＢＲ₁、ＬＢ
Ｒ₂の波長λ ₁のもとでウェハＷの表面と共役になる面
である。従って、レチクルマークＲＭｘを入射角θｒで
斜めに照射する平行ビームＬＢＲ₂は、投影光学系ＰＬ
の前側レンズ群ＧＡによって瞳面ＥＰ内の偏心した位置
でビームウェストとなって収斂するとともに、補正レン
ズＣＬによって所定角度だけ屈折されて後側レンズ群Ｇ
Ｂに発散ビームとなって入射する。そしてビームＬＢＲ
₂は、後側レンズ群ＧＢから再び傾いた平行ビームとな
ってウェハＷに達する。そのビームＬＢＲ₂のウェハＷ
での正規反射光（反射ビーム）ＬＢＲ₂’は、投影光学
系ＰＬ内の後側レンズ群ＧＢ、補正レンズＣＬ、及び前
側レンズ群ＧＡを順に通って平行光束となってレチクル
Ｒへ戻る。反射ビームＬＢＲ₂’は、瞳面ＥＰ内では光
軸ＡＸを挟んで送光側のビームＬＢＲ₂の通過位置と対
称的な位置でビームウェストとなる。

【００３０】レチクルＲに向かう反射ビームＬＢＲ₂’
は、レチクルマークＲＭｘからＸ方向にずれたレチクル
上の部分に達し、その部分が透明であると、面Ｐ₀で送
光側のビームＬＢＲ₂と交差する。従って、送光ビーム
ＬＢＲ₂と反射ビームＬＢＲ ₂’とが面Ｐ₀内で交差す
る領域の中心位置の光軸ＡＸからのずれ量をΔＸｒとす
ると、ウェハＷ上の送光ビームＬＢＲ₂の照射領域の中
心位置が光軸ＡＸからずれる量は、−ΔＸｒ／Ｍとな
る。ここでＭは投影光学系ＰＬの縮小倍率１／Ｍに対応
し、１／５縮小投影レンズではＭ＝５である。

【００３１】一方、レチクルマークＲＭｘを照射するも
う１つの送光ビームＬＢＲ₁は、光軸ＡＸに対して送光
ビームＬＢＲ₂の光路と対称的な光路を通ってウェハＷ
へ達する。このとき送光ビームＬＢＲ₁の瞳面ＥＰ内で
の通過位置は、反射ビームＬＢＲ₂’の通過位置と同じ
になり、さらにウェハＷ上での照射領域は光軸ＡＸを挟
んで送光ビームＬＢＲ₂の照射領域と対称的に、Ｘ方向
に分離して位置する。そして送光ビームＬＢＲ₁のウェ
ハＷでの反射ビームＬＢＲ₁’は、瞳面ＥＰ内の送光ビ
ームＬＢＲ₂の通過位置と同じ位置でビームウェストと
なった後、レチクルＲを平行光束となって透過し、面Ｐ
₀で送光ビームＬＢＲ₁と交差する。

【００３２】尚、図４において、面Ｐ₀内の光軸ＡＸの
位置で交差する２本の破線は、ウェハＷ上のマークを照
射する２本の送光ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂（入射角±
θｒ）の光路を表し、この光路はウェハＷ上でも交差す
る。以上の幾何光学的な解析から明らかなように、レチ
クルマークＲＭｘの照射ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂のウ
ェハＷでの反射ビームＬＢＲ₁’、ＬＢＲ₂’は、ウェ
ハ共役面Ｐ₀ではＸ方向に２・ΔＸｒだけ中心位置が離
間するとともに、互いに部分的に交差することもない。
すなわち、面Ｐ₀はウェハ面と共役であるから、２本の
反射ビームＬＢＲ₁’、ＬＢＲ₂’が面Ｐ₀で部分的に
も交差しないと言うことは、ウェハ面上の２本の送光ビ
ームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の各照射領域が互いに重畳しな
いことを意味する。

【００３３】送光ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂に一定の周
波数差Δｆを持たせたヘテロダイン方式の場合、それら
ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂がウェハＷ上で重畳しないと
言うことは、ウェハ上のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の各
照射領域内に何らかのパターンが存在して、そこから回
折光、散乱光が発生しても、それら回折、散乱光は周波
数差Δｆのビート周波数を持たないことを意味する。す
なわち、ヘテロダイン方式の場合の検出光である干渉光
ＢＴｒ、ＢＴｗと同じビート周波数を持つノイズ光成分
もなくなると言うことである。

【００３４】また図４に示すように、２つの反射ビーム
ＬＢＲ₁’、ＬＢＲ₂’は面Ｐ₀よりも遠方の面Ｐ₀’
で交差することになるが、面Ｐ₀’のレチクルＲからの
距離は２・Ｄになる。そこで面Ｐ₀とレチクルＲとの間
隔Ｄの最小値について、さらに図５を参照して説明す
る。図５は図４中のレチクルＲよりも上方の光路の様子
を拡大して表したものである。また図５において、送光
ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂、反射ビームＬＢＲ₁’、Ｌ
ＢＲ₂’のレチクル面内、もしくは面Ｐ₀内でのＸ方向
の幅はｄｉとする。この図５から、２つの反射ビームＬ
ＢＲ₁’、ＬＢＲ₂’が面Ｐ₀内で部分的に交差し始め
るのは、反射ビームＬＢＲ₁’、ＬＢＲ₂’の面Ｐ₀内
での中心位置の光軸ＡＸａからのずれ量ΔＸｒがビーム
幅ｄｉとの関係において、ΔＸｒ≦ｄｉ／２を満たすと
きである。

【００３５】ところで２本の反射ビームＬＢＲ₁’、Ｌ
ＢＲ₂’は、投影光学系ＰＬが両側テレセントリックで
あるため、送光ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂と平行に戻っ
てくる。従って反射ビームＬＢＲ₁’、ＬＢＲ₂’の光
軸ＡＸａからの傾きも±θｒである。さらに送光ビーム
ＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の入射角θｒは、特開昭６３−２８
３１２９号公報、特開平２−１１６１１６号公報等に開
示されているように、レチクルマークＲＭｘのピッチＰ
ｇｒとビームの波長λ₁との関係から、±１次回折光を
干渉光ＢＴｒとして垂直に発生させる場合は、ｓｉｎθ
ｒ＝λ₁／Ｐｇｒで一義的に決められている。

【００３６】ここでΔＸｒ＝ｄｉ／２の限界条件を仮定
すると、２つの反射ビームＬＢＲ₁’、ＬＢＲ₂’は面
Ｐ₁よりも上方で交差し始める。面Ｐ₁は２つの送光ビ
ームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂が交差し始める高さ位置である
とともに、ΔＸｒ＝ｄｉ／２の条件のもとでウェハＷと
共役になる面でもある。このことから、間隔Ｄが最小値
をとる面は面Ｐ₁ということになる。面Ｐ₁の高さ位置
Ｄ’は、幾何光学的にｓｉｎθｒ≒（ｄｉ／２）／Ｄ’
の関係から求められる。従って、送光ビームの入射角の
条件から、λ₁／Ｐｇｒ＝（ｄｉ／２）／Ｄ’となり、
この式を変形すると、Ｄ’＝ｄｉ・Ｐｇｒ／２λ₁が導
かれる。

【００３７】従って先に述べたように、面Ｐ₀の間隔Ｄ
がＤ≧Ｄ’であれば、２つの送光ビームＬＢＲ₁、ＬＢ
Ｒ₂のウェハＷ上での各照射領域は互いに重畳する部分
がなく、分離したものとなる。ここで具体的な一例をあ
げると、波長λ₁をＨｅ−Ｎｅレーザ光の６３３ｎｍ、
レチクルマークＲＭｘのピッチＰｇｒを１０μｍ（５μ
ｍのラインとスペースによる格子）としたとき、送光ビ
ームＬＢＲ₁、ＬＢＲ ₂の入射角θｒは約３．６３°に
なる。またこのとき、レチクルマークＲＭｘのラインの
本数を２０本程度にすると、マークＲＭｘのピッチ方向
の幅は約２００μｍ程度になるため、送光ビームの幅ｄ
ｉはビーム照射位置の設定精度も考慮して最小値で約２
４０μｍ程度にする。これにより最小間隔Ｄ’は先の式
より、約１９００μｍになる。

【００３８】またウェハマークＷＭｘの格子を安定に形
成するという観点から考えたとき、ウェハマークＷＭｘ
の格子１本の線幅は２μｍ程度が望ましい。従ってウェ
ハマークＷＭｘのピッチは４μｍとなり、投影光学系Ｐ
Ｌの縮小倍率を１／５とすると、それに応じてレチクル
マークＲＭｘのピッチＰｇｒは２０μｍ、マークＲＭｘ
の幅は４００μｍ程度に設定され、送光ビームの幅ｄｉ
もそれに合わせて最小値で４４０μｍ程度になる。この
場合、最小間隔Ｄ’は先の式より約７０００μｍにな
る。

【００３９】以上の数値例から実際の間隔Ｄは、例えば
１０ｍｍ程度あれば十分である。このように、面Ｐ₀が
レチクル面から１０ｍｍ程度も離れていると、この面Ｐ
₀は最早レチクル面に対して軸上色収差が補正されてい
る範疇とは言えず、むしろ補正されていないと言うべき
ものである。従って、先の図３に示した光束Ｉ₂（波長
λ₁）の結像状態のように、ウェハＷ上の１点から発生
した波長λ₁の光束が、補正レンズＣＬや後述する位相
格子による補正を受けることなく投影光学系ＰＬによっ
てレチクルＲ側に結像する点とレチクルＲのパターン面
との間隔Ｌｃ（投影光学系ＰＬの本来の軸上色収差量）
が、設定すべき間隔Ｄよりも大きいとき、補正レンズＣ
Ｌや位相格子（ＧＸ₁、ＧＸ₂、ＧＸ₃・・・等）は、
ビームをより内側（光軸側）へ屈曲させる作用（例えば
正の屈折力）を持つ。

【００４０】逆に、送光ビームの波長λ₁が露光光の波
長λ₀と近似しているか、もしくは一致しているとき
は、本来の軸上色収差量Ｌｃが設定すべき間隔Ｄよりも
小さいため、補正レンズＣＬや位相格子（ＧＸ₁、ＧＸ
₂、ＧＸ₃・・・等）にはビームをより外側へ屈曲させ
る作用（例えば負の屈折力）を持たせることになる。次
に図３〜図５の系を実現するためのアライメント装置の
送光系について、図６〜図９を参照して説明する。本実
施例では、図３に示したような２焦点素子ＤＦによって
レチクルマークＲＭｘ用の２本の送光ビームとウェハマ
ークＷＭｘ用の２本の送光ビームとを作成する代わり
に、送光系内部で予め分離した４本の送光ビームＬＢＲ
₁、ＬＢＲ₂、ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂を作成するようにし
た。

【００４１】例えば、特開平２−２２７６０２号公報、
特開平２−２３１５０４号公報に開示されているよう
に、従来の２焦点素子ＤＦでは、それに入射する２本の
ビームＬＢ₁、ＬＢ₂を複屈折作用によって４本のビー
ムに分けている。そのため、レチクルマーク照射用の２
本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂とウェハマーク照射用の
２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂とは偏光状態が互いに
直交したものになっている。また２焦点素子ＤＦを使う
と、図２に示した各マーク配置の場合に、レチクルマー
クＲＭｘ用の２本のビームとウェハマークＷＭｘ用の２
本のビームとのレチクル上での各照射領域を完全に分離
させることが難しい。なぜなら、マークのピッチ方向に
ついては、２本のビームの入射角θｒ、ビーム幅ｄｉ、
間隔Ｄ等に基づいて容易に分離させることが可能である
が、マークの非計測方向（図２ではＹ方向）について
は、２焦点素子ＤＦに入射するビームＬＢ₁、ＬＢ₂の
夫々が、レチクルマークＲＭｘと窓ＷＩとの両方をＹ方
向にカバーするビーム幅を持っていなければならないか
らである。

【００４２】このような場合、レチクルマークＲＭｘか
らの干渉光ＢＴｒとウェハマークＷＭｘからの干渉光Ｂ
Ｔｗとは、互いに直交した偏光になるため、受光系の内
部の光電検出器までは偏光ビームスプリッタ等を介する
ことによって、逆方向の偏光成分のノイズ光をカットし
た状態で導くこともできる。しかしながら、偏光ビーム
スプリッタの偏光分離特性（消光比）を完全にすること
は難しく、数％程度の混入が生じる。

【００４３】そこで図６〜図９に示した実施例では、敢
えて２焦点素子ＤＦを用いずに、空間的にほぼ完全に分
離し得る４本の独立したビームを作るようにした。また
投影光学系ＰＬの瞳面ＥＰに配置する補正素子は、ＵＳ
Ｐ．’２３７のような単レンズでもよいし、又は本願と
同一出願人による先の出願、特願平４−１３６６６９号
に詳細に開示され、図３にも示された位相格子ＧＸ₁、
ＧＸ₂、ＧＸ₃・・・でもよい。

【００４４】さて、図６において、レチクルマークＲＭ
ｘと窓ＷＩは図２と同様の形状、配置であるものとする
と、レチクルマークＲＭｘを照射する２本のビームＬＢ
Ｒ₁、ＬＢＲ₂と、ウェハマークを照射する２本のビー
ムＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂とは、アライメント系の対物レン
ズＯＢの光軸ＡＸａと平行なＺ軸とマークＲＭｘのピッ
チ方向に延びたＸ軸とを含むＺ−Ｘ平面内で交差する。
ここで以後の説明を簡単にするため、対物レンズＯＢか
ら投影光学系ＰＬまでの空間、又はレチクルと共役な面
を空中に有する空間を便宜上像空間と呼び、投影光学系
ＰＬの前側レンズ群ＧＡから後側レンズ群ＧＢまでの空
間、又は瞳面ＥＰと共役な面を空中に有する空間を便宜
上瞳空間と呼ぶことにする。

【００４５】一方、対物レンズＯＢからレチクルＲ、投
影光学系ＰＬまでの光路を、図６（Ｂ）のようにＺ−Ｙ
平面上でみると、２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂と２
本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂とは、それぞれレチクル
マークＲＭｘと窓ＷＩとの各中心位置に対応してＹ方向
にも分離している。また４本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ
₂、ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂は、Ｚ−Ｙ平面内ではレチクル
面を垂直に通る。

【００４６】これら４本のビームは図６（Ａ）、（Ｂ）
に示したように、レーザ光源側からビームスプリッタ１
６、レンズ系１４、反射鏡１２、及びレンズ系１０を介
して対物レンズＯＢに入射する。図６において、フーリ
エ変換面ＥＰ₁は対物レンズＯＢとレンズ系１０との間
の瞳空間に形成され、投影光学系ＰＬ内の瞳面ＥＰと共
役になっている。またレンズ系１０とレンズ系１４との
間の像空間中の面Ｒ’はレチクル面と共役であって、そ
こではＺ−Ｘ平面内において２本のビームＬＢＲ₁、Ｌ
ＢＲ₂が交差する。また同じ像空間中の面Ｐ₀’は、ウ
ェハ面と面Ｐ₀の夫々と共役であって、Ｚ−Ｘ平面内に
おいて２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂が交差する。

【００４７】瞳空間に配置されたビームスプリッタ１６
は、レチクルマークＲＭｘから垂直に発生し、対物レン
ズＯＢ、レンズ系１０、反射鏡１２、及びレンズ系１４
を通ってくる干渉光ＢＴｒを受光系へ反射させるととも
に、ウェハマークＷＭｘから垂直に発生し、投影光学系
ＰＬの後側レンズ群ＧＢ、補正素子（補正レンズＣＬ、
又は位相格子の場合はＧＸ₃）、前側レンズ群ＧＡ、レ
チクルＲの窓ＷＩ、及び対物レンズＯＢ〜レンズ系１４
を通ってくる干渉光ＢＴｗを受光系へ反射させる。また
図６中のＥＰ₁’はフーリエ変換面ＥＰ₁と共役な面で
ある。

【００４８】尚、４本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂、Ｌ
ＢＷ₁、ＬＢＷ₂は、像空間ではいずれも平行光束とな
るようにリレーされてくるため、瞳空間（フーリエ変換
面）ではいずれも収斂、発散光束となる。このことは先
の図４の光路の説明から明らかである。次に、図６のよ
うなビーム光路を実現する前段の系を、図７〜図９を参
照してレーザ光源から説明する。図７に示すように、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ光源からのビームＬＢは、第１のＡＯＭ
（音響光学変調素子）５０に、ラマン・ナス（Ｒａｍａ
ｎ−Ｎａｔｈ）回折の条件を満たすように入射する。Ａ
ＯＭ５０は適当な高周波信号（例えば周波数８０ＭＨ
ｚ）で駆動され、その周波数ｆ₁に応じた回折角を持つ
±１次回折ビームＬＢａ、ＬＢｂと０次ビームＬＢ₀と
を発生する。この１次回折ビームＬＢａ、ＬＢｂはＺ−
Ｙ平面内で広がるように、ＡＯＭ５０の変調格子のピッ
チ方向（進行波の方向）が定められている。

【００４９】さて、その１次回折ビームＬＢａ、ＬＢｂ
は、０次ビームＬＢ₀や他の高次ビームをカットする空
間フィルター５２を通った後、レンズ系５４によって面
Ｐ₀₂で交差する。この面Ｐ₀₂はＡＯＭ５０の回折点が位
置する面Ｐ₀₃と共役になっている。従って、元々のビー
ムＬＢが平行光束であれば、面Ｐ₀₂に達する＋１次回折
ビームＬＢａと−１次回折ビームＬＢｂとはいずれも平
行光束である。尚、元々のビームＬＢの周波数をｆ₀と
すると、＋１次回折ビームＬＢａの周波数はｆ ₀＋ｆ₁
になり、−１次回折ビームＬＢｂの周波数はｆ₀−ｆ₁
になる。

【００５０】ところで面Ｐ₀₂には、第２のＡＯＭ５６の
回折点が位置し、２本の１次ビームＬＢａ、ＬＢｂはＡ
ＯＭ５６にブラッグ（Ｂｒａｇｇ）回折の条件を満たす
ように入射する。ただし、ＡＯＭ５６の変調格子のピッ
チ方向（進行波の方向）は、ＡＯＭ５０のそれに対して
４５°だけ光軸の回りに回転した位置に定められる。こ
のようにＡＯＭ５６を４５°だけ回転したのは、そこに
同時に入射する２本のビームＬＢａ、ＬＢｂの夫々によ
って発生する１次回折ビームと０次ビームとを空間中で
最も分離させることができるからである。すなわち、ビ
ームＬＢａ、ＬＢｂがＡＯＭ５６に入射すると、その各
０次ビームはＺ−Ｙ平面内で広がって進むことになる
が、例えばビームＬＢｂからの＋１次回折ビームとビー
ムＬＢａからの−１次回折ビームとは、Ｚ−Ｙ平面と直
交するＺ−Ｘ平面内で広がって進む。そのため、ＡＯＭ
５６からの各１次回折ビームと各０次ビームとを、レン
ズ系５８とレンズ系６２によるリレー系に通すとき、リ
レー系内のフーリエ変換面ＥＰ₃’に空間フィルター６
０を配置し、その空間フィルター６０上の光軸を挟んで
Ｘ方向に対称的な２ヶ所にアパーチャを設けておけば、
ビームＬＢｂから作られた＋１次回折ビームをビームＬ
Ｂ₁として抽出でき、ビームＬＢａから作られた−１次
回折ビームをビームＬＢ₂として抽出できる。

【００５１】そこでＡＯＭ５６のドライブ周波数をｆ₂
とすると、ビームＬＢ₁の周波数は（ｆ₀−ｆ₁）＋ｆ
₂となり、ビームＬＢ₂の周波数は（ｆ₀＋ｆ₁）−ｆ
₂となる。従って２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂の周波数
差Δｆは、２（ｆ₁−ｆ₂）になり、ｆ₁＝８０ＭＨ
ｚ、ｆ₂＝８０．０２５ＭＨｚにすると、Δｆ＝５０Ｋ
Ｈｚのビート周波数が得られる。こうして得られた２本
のビームＬＢ₁、ＬＢ₂は面Ｐ₀₁で交差するが、面Ｐ₀₁
は面Ｐ₀₂と共役であるため、面Ｐ₀₃とも共役である。た
だし、面Ｐ₀₁に物体をおいたときに生成される干渉縞
は、ビームＬＢ₁、ＬＢ₂がＺ−Ｘ平面内にあるために
Ｘ方向のピッチを有し、周波数Δｆに応じた速度でＸ方
向に流れている。これに対して、１段目のＡＯＭ５０内
の変調格子はＹ方向にピッチを有し、見掛け上、周波数
ｆ₁に応じた速度でＹ方向に流れている。

【００５２】以上、図７の構成によって、ヘテロダイン
方式のための周波数差Δｆを持つ２本の基本的なビーム
ＬＢ₁、ＬＢ₂が得られる。この構成は従来のように２
個のＡＯＭを並列的に使う方式に対してタンデム方式と
呼ばれ、アライメントビームの多波長化の際に並列方式
にはない大きな利点がある。そのことについては後で詳
しく述べる。

【００５３】図８は、図７の後に続く４ビーム生成系を
表し、図８（Ａ）はＺ−Ｙ平面内でみた光路であり、図
８（Ｂ）はＺ−Ｘ平面内でみた光路である。図７には示
していなかったが、２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂が交差
する面Ｐ₀₁には、レチクル上、又はウェハ上でのビーム
形状や寸法（幅）を決定する視野絞り６４が配置され
る。この視野絞り６４には、レチクルマークＲＭｘ、又
はウェハマークＷＭｘの外形と相似の透明開口が形成さ
れ、その開口を通った２本のビームＬＢ₁、ＬＢ ₂は、
スプリット面をＺ−Ｘ平面と平行にしたビームスプリッ
タ６６の１つの面に斜めに入射する。これによってビー
ムスプリッタ６６からは、２本のビームＬＢ₁、ＬＢ₂
の夫々をほぼ１／２の強度で分割した４本のビームＬＢ
Ｒ₁、ＬＢＲ₂、ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂（それぞれ平行光
束）がＺ−Ｙ平面内では光軸と並行に射出する。４本の
ビームはレンズ系６８によって次段へリレーされていく
が、レンズ系６８は面Ｐ₀₁に対するフーリエ変換面ＥＰ
₂’内で４本のビームの夫々をビームウェストに収斂す
る。この図８から明らかなように、Ｚ−Ｘ平面内でみた
とき、フーリエ変換面ＥＰ₂’が存在する瞳空間では、
ビームＬＢＲ₁とＬＢＲ₂とは光軸を挟んで対称的に、
かつ互いに平行に位置する。このことはビームＬＢＷ₁
とＬＢＷ₂についても同じである。このビームＬＢ
Ｒ₁、ＬＢＲ₂とビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂とのＹ方向
の分離度は、ビームスプリッタ６６に入射する２本のビ
ームＬＢ₁、ＬＢ₂を図８（Ａ）中でＹ方向に平行移動
させることによって変えることができ、そのためには視
野絞り６４とビームスプリッタ６６との間に回転可能な
平行平板ガラスを配置し、その回転軸をＸ軸と平行にす
ればよい。

【００５４】ビームスプリッタ６６によるビームＬＢＲ
₁、ＬＢＲ₂とビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂との分離は、
図６（Ｂ）のようにレチクル上のマークＲＭｘと窓ＷＩ
とのＹ方向の間隔に対応して設定される。図９は、図８
の後に続く光路長補正系（もしくは２焦点化光学系）を
表し、レチクル用の２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の
像空間における交差位置と、ウェハ用の２本のビームＬ
ＢＷ₁、ＬＢＷ₂の像空間における交差位置とを光軸方
向に一定量（結果的にはレチクル上で間隔Ｄ）だけずら
す働きをする。図９（Ａ）は光路長補正系をＺ−Ｙ平面
内で見た図、図９（Ｂ）は主に２本のビームＬＢＷ ₁、
ＬＢＷ₂の光路をＺ−Ｘ平面内で見た図、そして図９
（Ｃ）は主に２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の光路を
Ｚ−Ｘ平面内で見た図である。

【００５５】図９（Ａ）に示すように、４本のビームＬ
ＢＲ₁、ＬＢＲ₂、ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂はレンズ系７０
を介して分割プリズム７２に入射し、２本のビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂は分割プリズム７２内の全反射面７２Ａ
で直角に反射し、ミラー７４で再び直角に曲げられて、
Ｚ−Ｙ平面内ではレンズ系７０の光軸と平行に進む。こ
の２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂は図９（Ｂ）のよう
に、Ｚ−Ｘ平面内で見たとき、レンズ系７０によって面
Ｐ_0W’で交差する。その後、ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂
は合成プリズム７６（実質上、プリズム７２と同一）を
そのまま透過してレンズ系８２に入射する。レンズ系８
２の前側焦点位置は図９（Ｂ）中の面Ｒ’であり、面
Ｒ’が面Ｐ_0W’から光軸方向にずれていることから、Ｚ
−Ｘ平面内で見たとき、レンズ系８２を通った２本のビ
ームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂は光軸に対して平行にならず、
若干の収斂傾向を持って進む。ここでレンズ系７０と８
２との間は像空間であって、面Ｐ_0W’はウェハＷの表
面、図４、又は図６中の面Ｐ₀のいずれとも共役な面で
あり、面Ｒ’はレチクルＲのパターン面と共役な面であ
る。従って、レンズ系７０から８２までの間は、ビーム
ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の夫々は平行光束となっている。

【００５６】一方、分割プリズム７２に入射したレチク
ル用の２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂は、Ｚ−Ｙ平面
内で見たとき、光軸と平行になってそのまま透過し、光
路長補正用の光学ブロック７８に入射する。このビーム
ＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂は図９（Ａ）、（Ｃ）に示すよう
に、元々面Ｐ_r0’で交差するように設定されていたが、
光学ブロック７８によって光路長が引き延ばされて、ミ
ラー８０で直角に曲げられた後、図９（Ａ）中の面Ｒ’
で交差する。ミラー８０で反射したビームＬＢＲ ₁、Ｌ
ＢＲ₂は、合成プリズム７６の全反射面７６Ａで直角に
曲げられて、光軸と平行になってレンズ系８２に入射す
る。このとき、２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂は、レ
ンズ系７０と８２との間でいずれも平行光束であり、面
Ｒ’で交差するからレンズ系８２を通った後ではいずれ
も光軸と平行に進む。

【００５７】以上のレンズ系８２を通過した４本のビー
ムは、先の図６に示した系に入射する。すなわち、図９
（Ａ）中のフーリエ変換面ＥＰ₁’が、図６（Ｂ）中の
ＥＰ ₁’と同一点となるように配置され、４本のビーム
は図６（Ｂ）中のビームスプリッタ１６、レンズ系１
４、・・・の順に送光される。図１０は、図８、図９に
示した４ビーム生成系と光路長補正系とを、１つの像空
間内でまとめて実現した変形例である。そして図１０
（Ａ）はＺ−Ｙ平面内で視野絞り６４からレンズ系８２
までの系を示したものであり、図１０（Ｂ）はその系を
Ｚ−Ｘ平面内で見たものである。

【００５８】視野絞り６４を通った２本のビームＬ
Ｂ₁、ＬＢ₂はビームスプリッタ８４によって２つに分
割され、このスプリッタ８４を水平に透過した２本のビ
ームは合成プリズム７６もそのまま透過してレンズ系８
２に入射し、ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂として図９と同
様の状態で射出する。一方、ビームスプリッタ８４で反
射された２本のビームは、ミラー８５、８６で図示の通
りに反射され、さらに合成プリズム７６の全反射面７６
Ａで反射されて、Ｚ−Ｙ平面内では光軸と平行になって
レンズ系８２に入射し、図９と同様の状態でビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂として射出する。

【００５９】この図１０の系では、ミラー８５、８６を
通る分だけ、ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の方が物理的な
光路長が長くなる。すなわち、図１０（Ｂ）において、
面Ｐ ₀₁の視野絞り６４はレチクルＲのマークＲＭｘと共
役になっているが、レンズ系８２に入射するビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂の交差点は、ミラー８５、８６による光
路の引き回しによって、面Ｐ₀₁よりもレーザ光源側の面
Ｐ₀₁’に位置する。従って面Ｐ₀₁とＰ₀₁’との間の光軸
方向の距離が図３、図６に示した間隔Ｄに対応する。

【００６０】図１０の系によれば、先の図８、図９の系
のうち、レンズ系６８、７０によるリレー系が省略され
るので、それだけアライメント装置の送光部がコンパク
トになる。尚、図１０（Ａ）に示すように、２本のビー
ムＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂が通るビームスプリッタ８４と合
成プリズム７６との間に、厚みを可変とした平行平板状
の光学ブロック８７を挿入し、ここでビームＬＢＲ₁、
ＬＢＲ₂の像空間での交差位置と、ビームＬＢＷ₁、Ｌ
ＢＷ₂の像空間での交差位置との光軸方向の間隔を微調
してもよい。

【００６１】また光路長差を大きく変えたいときは、図
１０（Ａ）において、ミラー８５、８６を一体にしてＹ
方向に平行移動させればよい。以上、図６〜図１０によ
って、本実施例のアライメント装置の送光部が構成され
るが、図６（Ａ）に表したように、対物レンズＯＢから
レンズ系１０までの瞳空間において、ウェハマーク用の
ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂はＺ−Ｘ平面内で光軸ＡＸａ
に対して傾斜したものとなり、レチクルマーク用のビー
ムＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂はＺ−Ｘ平面内で光軸ＡＸａに対
して平行になるとしたが、その関係は逆であってもよ
い。むしろ、逆の方が、マーク配置に応じた対物レンズ
ＯＢの移動（光軸ＡＸａのレチクルＲ上での位置のＸ、
Ｙ方向の移動）を考えたときに有利である。具体的に
は、対物レンズＯＢの後側焦点面を図６中の面Ｐ₀に一
致させ、系の瞳空間を通るビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ
₂を、Ｚ−Ｘ平面内では光軸を挟んで互いに平行にする
ように、ビームの送光を行えばよい。

【００６２】それについて、さらに図１１を参照して説
明する。図１１は対物レンズＯＢからフーリエ変換面
（瞳共役面）ＥＰ₁までの系を表す斜視図であり、ここ
ではレチクルＲ上のマークＲＭｘと窓ＷＩの位置が、個
々のレチクル毎に異なることに対応するために、対物レ
ンズＯＢとミラー９０とを一体にしてＹ方向（投影光学
系ＰＬの視野内で放射方向）に可動としてある。

【００６３】図１１のように、光軸ＡＸａと平行に２本
のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂がフーリエ変換面ＥＰ₁を
通過してミラー９０で直角に曲げられて対物レンズＯＢ
に入射する場合、対物レンズＯＢからレンズ系１０まで
は、２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂にとってアフォー
カル系になっていため、対物レンズＯＢとミラー９０が
一体にＹ方向移動しても、２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢ
Ｗ₂の交差位置は常に面Ｐ₀上に存在する。ところが面
ＥＰ₁を含む瞳空間で２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂
が光軸ＡＸａと平行になっていないと、対物レンズＯ
Ｂ、ミラー９０を移動する毎に、２本のビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂の交差位置が面Ｐ₀に対して上下方向に
若干移動してしまう。すなわち、共役関係の変動が生じ
る。その変動量は、瞳空間での２本のビームＬＢＷ₁、
ＬＢＷ₂の光軸ＡＸａに対する傾きに依存するが、対物
レンズＯＢがテレセントリックな系であるとすると、そ
の変動量は対物レンズＯＢの焦点距離（対物レンズＯＢ
の主面からレチクルまでの距離）Ｌｆと間隔Ｄとの比で
決まり、Ｄ／Ｌｆが小さければ対物レンズＯＢ、ミラー
９０のＹ方向の単位移動量に対する共役関係の変動量も
小さくなる。

【００６４】さて、図１１ではウェハ用のビームＬＢＷ
₁、ＬＢＷ₂に対してアフォーカル系となるようにした
ので、上述の共役関係の変動は発生しない。このことは
レチクル用のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂に関しては共役
関係が変動することを意味する。しかしながら、レチク
ル上では２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の交差角は極
めて小さい値になるので、２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢ
Ｒ₂の交差空間の光軸ＡＸａ方向の長さ（深度）は極め
て大きくなり、レチクル上での共役関係の変動量は実用
上は無視できる。

【００６５】仮に無視できないとしても、ビームＬＢＲ
₁、ＬＢＲ₂の夫々のレチクルマークＲＭｘ上での照射
領域がＸ方向（ピッチ方向）に徐々に分離して、互いに
重畳する照射領域（干渉縞が生成される範囲）のＸ方向
の幅が小さくなるだけなので、ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ
₂の断面形状がレチクル上でＸ方向に長い長方形となる
ように、視野絞り６４の開口形状を設定しておけばよ
い。それにレチクルマークＲＭｘの場合は、クロム層の
エッチングによって作られているので安定な格子性能を
得ることができることから、ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂
による干渉縞の生成範囲のＸ方向（Ｘピッチ方向）の幅
が小さくなって、その範囲内に含まれる格子線の本数が
半分程度（例えば２０本から１０本）に減少しても、比
較的良好に干渉光ＢＴｒを得ることができる。

【００６６】ところが、もしウェハ用のビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂の方で共役関係の変動が生じると、当然
にウェハマークＷＭｘ上に生成される干渉縞のピッチ方
向の全幅が減少し、干渉光ＢＴｗの発生に寄与するウェ
ハマークＷＭｘ内の格子本数も減少する。一般にウェハ
マークはレチクルマークほど安定な格子性能をもってい
ないので、なるべく多くの格子本数をとらえる方が精度
上は望ましい。以上の理由から、対物レンズＯＢに入射
するウェハ用のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂に対してアフ
ォーカル系が達成されている方が有利である。次に図１
２を参照して、図６中にも示された受光系の構成を説明
する。先にも述べたように、レチクルマークＲＭｘから
の干渉光ＢＴｒとウェハマークＷＭｘからの干渉光ＢＴ
ｗとは、本実施例ではいずれも像空間において対物レン
ズＯＢの光軸ＡＸａと平行に進み、レンズ系１０、ミラ
ー１２、レンズ系１４を介してビームスプリッタ１６に
達する。このビームスプリッタ１６で分岐された干渉光
ＢＴｒ、ＢＴｗは、図１２のようにフーリエ変換面（瞳
面ＥＰの共役面）ＥＰ’ ₄を通り、ミラー２０で反射さ
れ、レンズ系２２によって逆フーリエ変換され、ビーム
スプリッタ２３でともに２分割される。そしてビームス
プリッタ２３を透過した光路上で、面Ｐ₀、すなわちウ
ェハ面と共役な位置には視野絞り２４ｗが配置される。
この視野絞り２４ｗは、ウェハマークＷＭｘ（又はウェ
ハマーク上の干渉縞生成領域）の大きさに対応した開口
を有し、干渉光ＢＴｗのみを抽出して他の光はカットす
る。抽出された干渉光ＢＴｗは光電素子２６Ｗで受光さ
れ、ビート周波数（例えば５０ＫＨｚ）をもつ交流信号
ＳＳｗが得られる。

【００６７】一方、ビームスプリッタ２３を反射した方
向の光路上で、レチクル面（マーク面）と共役な位置に
は視野絞り２４Ｒが配置される。この視野絞り２４Ｒは
レチクルマークＲＭｘ（又はレチクルマークＲＭｘ上の
干渉縞生成領域）の大きさに対応した開口を有し、干渉
光ＢＴｒのみを抽出して他の光はカットする。抽出され
た干渉光ＢＴｒは光電素子２６Ｒで受光され、ビート周
波数（例えば５０ＫＨｚ）をもつ交流信号ＳＳｒが得ら
れる。

【００６８】従って、２つの交流信号（検出信号）ＳＳ
ｗ、ＳＳｒの間の位相差を計測すれば、レチクルマーク
ＲＭｘとウェハマークＷＭｘとのＸ方向（ピッチ方向）
の相対的な位置ずれ量がマークピッチの±１／４の範囲
内で求められる。例えば、レチクルマークＲＭｘのピッ
チを１０μｍ、縮小倍率１／Ｍを１／５、そしてウェハ
マークＷＭｘのピッチを２μｍとし、位相差変化の±１
８０°を約２°の分解能で検出できるものとすると、ウ
ェハ上では±０．５μｍが±１８０°に対応するので、
位相差の２°の変化は０．５（２／１８０）≒０．００
５６μｍの位置ずれ量に相当する。

【００６９】周波数が等しい２つの交流信号（正弦波）
ＳＳｒ、ＳＳｗの位相差の計測には、２つの信号波形を
その周波数よりも十分に高い周波数のクロックに応答し
て同一タイミングでデジタルサンプリングして波形メモ
リに取り込んだ後、コンピュータ（プロセッサー）によ
ってフーリエ変換、又はフーリエ積分を行うのが望まし
い。この場合、波形メモリに取り込んでフーリエ演算に
使われる周期数（波の数）が多ければ多い程、ランダム
ノイズ等の低減効果によって計測精度は向上するが、そ
れだけ演算時間が長くなる。

【００７０】一般にフーリエ演算の場合、演算過程で基
準周波数（ここではビーム周波数）のサイン波とコサイ
ン波とを利用し、基準周波数に対する信号ＳＳｒの位相
成分と基準周波数に対する信号ＳＳｗの位相成分とを個
別に算出した後、両方の位相成分の差から信号ＳＳｒ、
ＳＳｗの位相差を求めている。そこでその基準周波数に
対する信号ＳＳｒの位相成分を求める際は、レチクルマ
ークＲＭｘが安定した格子性能をもつことから、演算に
使う信号ＳＳｒの周期数を所定の精度が得られる範囲内
で少なくしておき、基準周波数に対する信号ＳＳｗの位
相成分を求める際は、ウェハマークＷＭｘの形状劣化、
段差（凹凸）の程度、表面の粗さ、反射率の低下等に応
じて、演算に使う信号ＳＳｗの周期数を可変としてお
く。このようにすると、ウェハマークＷＭｘが良好に形
成されていれば、演算時間を短くすることができ、かつ
ウェハマークＷＭｘの格子性能が低下している場合は演
算時間が長くなるものの計測精度をそれ程落とすことが
ないといった利点が得られる。

【００７１】またそのようなウェハマークの格子性能の
低下は、光電素子２６Ｗからの信号ＳＳｗを波形メモリ
に取り込む際、その振幅を求めることでも予想されるの
で、振幅が小さくなっていたらフーリエ演算に使う信号
ＳＳｗの周期数を増せばよい。さらにウェハマークＷＭ
はウェハＷ上の各ショット領域毎に設けられているた
め、マークＷＭのウェハＷ上での位置によっても格子性
能が変化し得る。従って信号ＳＳｗの振幅によって演算
に使う周期数を増減させることは、マーク位置の計測精
度がウェハ上の位置によらずほぼ同じにできるのみなら
ず、複数のショットのマークＷＭの夫々を予め順次計測
するグローバルアライメント（ＥＧＡ）方式では、高い
計測精度を保ちつつ処理時間も短縮できるという利点が
ある。

【００７２】さて、以上のようなＴＴＲ方式のアライメ
ント装置は、一例としては特開平４−４５５１２号公報
に開示されているようなステップアンドリピート方式の
投影露光装置、あるいは特開平４−３０７７２０号公報
に開示されているようなステップアンドスキャン方式の
走査型投影露光装置に組み込まれる。このような装置に
組み込む場合はシステムの都合上、レチクルＲ単体、又
はウェハＷ単体の位置計測が必要になることもある。

【００７３】その場合は、特開平４−４５５１２号公報
にも開示されているように、図６〜図１０中に示された
送光ビームＬＢ₁、ＬＢ₂の２本、送光ビームＬＢ
Ｒ₁、ＬＢＲ₂の２本、あるいは送光ビームＬＢＷ₁、
ＬＢＷ₂の２本の少なくとも１組を、送光路からビーム
スプリッターで分岐させて基準格子板上で交差させ、そ
の基準格子板から発生する干渉光（±１次回折光）を光
電素子で受光して、基準信号（ビート周波数）を得るよ
うにする。そしてこの基準信号と信号ＳＳｒとの位相差
を求めれば、レチクルマークＲＭｘの基準格子板に対す
る位置ずれ量がわかり、レチクル単体の基準格子板との
アライメントが可能になる。ウェハ側についても同様
に、基準格子板に対する単体のアライメントが可能にな
る。

【００７４】ところで、図３、図６等では、レチクル上
のマーク、ウェハ上のマークともＸ方向用のみを例示し
たが、実際はレチクルＲの周辺の複数ヶ所、及びそれに
対応したウェハＷ上のショット領域の周辺の位置に、Ｘ
方向用とＹ方向用の各マークが設けられている。この場
合、ウェハ上のＸ方向用のウェハマークＷＭｘとＹ方向
用のウェハマークＷＭｙとの各ピッチは互いに直交する
方向に設定される。

【００７５】図１３はそれらマークＷＭｘ、ＷＭｙの配
置と各ビームの瞳面ＥＰでの通り方とを模式的に表した
斜視図である。図１３に示すように、ウェハ上のショッ
ト領域ＳＡの互いに直交する辺の各ストリートライン上
には、Ｘ方向用のマークＷＭｘとＹ方向用のマークＷＭ
ｙとが形成されている。そしてショット領域の中心を投
影光学系ＰＬの光軸ＡＸ上に位置させたとき、マークＷ
Ｍｘはショット中心を原点とするＸＹ座標系のＹ軸上に
位置し、マークＷＭｙはＹ軸上に位置するものとする。
このとき、マークＷＭｘを照射する２本の送光ビームＬ
ＢＷ_1x、ＬＢｗ _2xが、像空間（ここでは後側レンズ群Ｇ
Ｂとウェハとの間）においてＺ−Ｘ平面と平行であるも
のとすると、送光ビームＬＢＷ_1x、ＬＢｗ_2xは、瞳面Ｅ
Ｐ内において、瞳中心を通るＸ軸と平行な線Ｌｐｘ上に
対称に位置する。

【００７６】一方、マークＷＭｙを照射する２本の送光
ビームＬＢＷ_1y、ＬＢｗ_2yは、像空間においてＺ−Ｙ平
面と平行に進み、瞳面ＥＰ内では瞳中心を通るＹ軸と平
行な線ＬＰｙ上に対称に位置する。さらにウェハマーク
ＷＭｘ、ＷＭｙの夫々から垂直に発生した干渉光ＢＴｗ
ｘ、ＢＴｗｙは、瞳面ＥＰ内ではいずれも瞳中心（光軸
ＡＸの位置）を通ることになる。

【００７７】しかしながら、投影光学系ＰＬの色収差補
正された波長とアライメント用ビームの波長とが比較的
大きく離れていると、干渉光ＢＴｗｘ、ＢＴｗｙはいず
れも厳密には瞳中心をわずかにはずれて通ることにな
る。このため補正素子として位相格子ＧＸ₁、ＧＸ₂、
ＧＸ₃等を設ける場合、瞳面ＥＰ上では干渉光ＢＴｗ
ｘ、ＢＴｗｙの夫々が通る位置に、屈折方向（回折方
向）が互いに直交する位相格子を個別に配置する必要が
ある。換言すれば、投影光学系ＰＬ上の色収差が比較的
小さければ、干渉光ＢＴｗｘ、ＢＴｗｙはいずれも瞳中
心を通るので、そこにあえて位相格子を設けておかなく
てもよいことになる。

【００７８】ところが実際の装置上では、露光波長がｉ
線（３６５ｎｍ）やエキシマレーザの２４８ｎｍ等の紫
外域であり、アライメントビームの波長がＨｅ−Ｎｅレ
ーザの６３３ｎｍであるため、軸上色収差、倍率色収差
の両方が比較的大きく発生する。このことは逆に、瞳中
心近傍を通る干渉光ＢＴｗｘ、ＢＴｗｙは、瞳面ＥＰ内
で分離したとしても大きく分離することがなく、むしろ
極端に接近することを意味し、そのままでは干渉光ＢＴ
ｗｘ、ＢＴｗｙのそれぞれを通す位相格子ＧＸ _3x、ＧＸ
_3yを個別に配置することが難しくなってしまう。

【００７９】ここで、干渉光ＢＴｗｘ、ＢＴｗｙの夫々
を個別に通す位相格子ＧＸ_3x、ＧＸ _3yの配置と、各送光
ビームを通す位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2x、ＧＸ_1y、ＧＸ_2y
の配置とを基礎となる図１４を参照して説明する。尚、
このような位相格子の配置とアライメントビームの入射
方式については、基本的には特開平５−５５１１２号公
報等に詳細に説明されている。

【００８０】図１４はＸ方向用のレチクルマークＲＭ
ｘ、ウェハマークＷＭｘを検出するＴＴＲアライメント
系のビーム送光路を示し、レチクルマークＲＭｘを照射
する２本のビームＬＢＲ_1x、ＬＢＲ_2xと、レチクル上の
窓ＷＩｘを介してウェハマークＷＭｘを照射する２本の
ビームＬＢＷ_1x、ＬＢＷ_2xは、レチクルＲと対物レンズ
ＯＢの間の像空間では、対物レンズＯＢの光軸ＡＸａ
（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとは平行）に対していずれ
もＹ方向（非計測方向）に若干傾いている。このよう
に、投影光学系ＰＬの視野内で送光ビームの主軸を、光
軸ＡＸを中心とする放射方向、すなわちメリジオナル方
向に傾けることをＭ方向傾斜方式と呼ぶ。まず、レチク
ル用の２本のビームＬＢＲ_1x、ＬＢＲ_2xはレチクルマー
クＲＭｘ上で交差し、そこで反射された正規反射ビーム
と干渉光（±１次回折光）ＢＴｒｘとは、ビームＬＢＲ
_1x、ＬＢＲ_2xのレチクルに対するＭ方向の傾斜角（入射
角）と同じ角度をもって進み、対物レンズＯＢへ戻る。
一方、ウェハ用の２本のビームＬＢＷ_1x、ＬＢＷ_2xはＹ
方向に傾いて窓ＷＩｘを通過して投影光学系ＰＬに入射
する。このとき、面Ｐ₀内で２本のビームＬＢＷ_1x、Ｌ
ＢＷ_2xが交差する領域の中心を通り、かつレチクルＲを
垂直に通る線Ｋ₁を考えてみると、この線Ｋ₁は像空間
において投影光学系の光軸ＰＬとも平行になるため、瞳
面ＥＰでは瞳中心（光軸ＡＸの位置）を通る。

【００８１】さて、投影光学系ＰＬに入射した２本のビ
ームＬＢＷ_1x、ＬＢＷ_2xは、瞳面ＥＰに配置された補正
板（石英等）ＰＣ上の位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2xで所定方
向に所定量だけ偏向（実際は回折によって生ずる１次回
折光ビームの回折角）され、ウェハマークＷＭｘに達す
る。このときウェハマークＷＭｘに達する２本のビーム
ＬＢＷ_1x、ＬＢＷ_2xはウェハ上における線Ｋ₁に対して
Ｍ方向（ここではＹ方向）に傾斜している。従ってウェ
ハマークＷＭｘから発生する干渉光ＢＴｗｘは、投影光
学系ＰＬ内では線Ｋ₁に関して送光ビームＬＢＷ_1x、Ｌ
ＢＷ_2xと対称的な光路を進み、補正板ＰＣの位相格子Ｇ
Ｘ_3xで偏向され、レチクルＲ上の窓ＷＩｘ内を通って面
Ｐ₀内で送光ビームＬＢＷ_1x、ＬＢＷ_2xと交差して対物
レンズＯＢへ戻る。

【００８２】以上のように、ウェハ用の２本のビームＬ
ＢＷ_1x、ＬＢＷ_2xをＭ方向傾斜方式にすると、送光用の
位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2xと受光用の位相格子ＧＸ_3xとを
Ｍ方向傾斜の程度に応じた量だけ瞳中心からほぼ対称的
にＹ方向に分離させることができる。このような補正板
ＰＣ上の位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2x、ＧＸ_3xの平面配置は
図１５に示すようになる。図１５において補正板ＰＣの
中心で直交する線Ｌｐｘ、Ｌｐｙは図１３中のものと同
じ意味のものであり、線Ｌｐｘ、Ｌｐｙの交点が瞳中心
点である。そして送光用の位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2xは線
Ｌｐｙを挟んでＸ方向に対称的に配置され、受光用の位
相格子ＧＸ_3xは線Ｌｐｙ上に配置される。さらに位相格
子ＧＸ_1x、ＧＸ_2xを結ぶ線は線ＬｐｘからＹ方向に−Δ
Ｙｐだけ離れて線Ｌｐｘと平行になり、位相格子ＧＸ_3x
は線ＬｐｘからＹ方向に＋ΔＹｐだけ離れて位置する。
その間隔ΔＹｐは、おおよそ送光ビームＬＢＷ_1x、ＬＢ
Ｗ _2xのＭ方向傾斜量に応じて決まるが、さらに倍率色収
差による影響分も考慮して決められる。

【００８３】このような３つの位相格子ＧＸ_1x、Ｇ
Ｘ_2x、ＧＸ_3xは、図１５中の線Ｌｐｙ上の点Ｏ₁を中心
とする円形フレネルレンズＦＬｙの一部として形成され
る。点Ｏ ₁は瞳面ＥＰ上で光軸ＡＸに対してＹ方向に偏
心しており、このことによって、送光ビームや受光ビー
ムに横シフトを与えることによって、それらのビームに
対する倍率色収差が制御される。円形フレネルレンズＦ
Ｌｙの屈折力をどの程度のものにし、かつ点Ｏ₁の偏心
量をどの程度のものにするかは、２本の送光ビームＬＢ
Ｗ_1x、ＬＢＷ_2x、又は受光ビーム（干渉光）ＢＴｗｘに
対する軸上色収差の補正量（図３中のＬｃ−Ｄ）と、倍
率色収差の制御量によって一義的に決定される。

【００８４】倍率色収差とは、先の特願平４−１３６６
６９号にも開示したように、レチクルＲ上で像高値（光
軸ＡＸからの距離）Ｓｏに位置する物点を露光光と異な
る波長の光でウェハＷ上に投影したとき、露光光のもと
で決まる倍率値に応じたウェハＷ上での像高値Ｓｏ’か
らのずれ量として表される。例えば投影光学系ＰＬの露
光光の波長における倍率を１／Ｍとすると、レチクルＲ
上で像高値Ｓｏにある物点は、露光光のもとではウェハ
Ｗ上で像高値Ｓｏ’＝Ｓｏ／Ｍの位置に投影されるが、
露光光の波長と異なる波長を用いたとき、その関係が例
えばＳｏ’＝Ｓｏ／Ｍ＋ｆ（Ｓｏ）のようになる。ここ
で関数ｆ（Ｓｏ）で決まる値が倍率色収差であり、一般
に像高値に応じてその量も変化する特性をもつ。

【００８５】さて、図１５に示したように、送光用の位
相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2xと受光用の位相格子ＧＸ_3xとは、
補正板ＰＣ上で互いに分離して形成することができるの
で、送光用の２本のビームに対する倍率色収差の制御量
と、受光用の１本のビームに対する倍率色収差の制御量
とを変えるように、位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2xの屈折力
（回折角）と位相格子ＧＸ_3xの屈折力（回折角）とを変
えてもよい。さらに位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2xと位相格子
ＧＸ_3xとのフレネル・レンズとしての中心点Ｏ₁は、か
ならずしも一致している必要はなく、線Ｌｐｙ上でずれ
ていてもよい。

【００８６】以上、Ｘ方向用の１軸のアライメント系に
対する位相格子ＧＸの配置をふまえると、Ｙ方向用の１
軸のアライメント系に対する位相格子は、図１５中の３
個の位相格子全体を瞳中心の回りに９０°回転させれば
よいことがわかる。図１６は、Ｘ方向用のアライメント
系の送受光ビームと、Ｙ方向用のアライメント系の送受
光ビームとの夫々に対する補正板ＰＣ上の位相格子の配
置例を示す。位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2x、ＧＸ_3xの配置は
図１５に示した通りであり、Ｙ方向アライメント系の送
光ビーム用の位相格子ＧＸ_1y、ＧＸ_2yは、線Ｌｐｘを挟
んでＹ方向に対称的に配置され、かつそれら２つの格子
ＧＸ_1y、ＧＸ_2yを結ぶ線は線ＬｐｙからＸ方向に−ΔＸ
ｐだけ離間して平行になっている。さらに位相格子ＧＸ
_3yは線ＬｐｙからＸ方向に＋ΔＸｐだけ離れた線Ｌｐｘ
上に配置される。

【００８７】Ｙ方向用の位相格子ＧＸ_1y、ＧＸ_2y、ＧＸ
_3yは、線Ｌｐｘ上で−Ｘ方向に偏心した位置に中心Ｏ₁
を有する円形フレネル・レンズＦＬｘの一部を構成する
ように、その格子のピッチ方向や格子間隔が決められて
いる。位相格子は、補正板ＰＣを所定の深さだけエッチ
ングした凹ライン部（格子）をフレネル・レンズの径方
向に所定のピッチで複数本形成したものから成り、その
フレネル・レンズの中心からの距離に応じて格子ピッチ
が変わるものである。また、それらの位相格子の凹ライ
ン部の深さ（凹凸の段差量）は、送光ビームの波長（例
えばＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍ）においては凹ライ
ン部と凸ライン部との夫々を通るビームの位相がπの奇
数倍に近くなるように定められ、かつ露光光の波長（３
６５ｎｍ、あるいは２４８ｎｍ）に対しては位相格子全
体が透明部となるように、すなわち凹ライン部と凸ライ
ン部との夫々を通る露光光の位相がπのほぼ偶数倍とな
るように定められている。尚、位相格子を露光光に対し
て遮光性とするときは、凹ライン部と凸ライン部との夫
々を通る露光光の位相をπの奇数倍となるように定めれ
ばよい。

【００８８】ところで、レチクルマークＲＭ、ウェハマ
ークＷＭは、図１３に示すように１つのショット領域Ｓ
Ａに対してＸ方向用に１ヶ所、Ｙ方向用に１ヶ所の計２
ヶ所に設ければ、レチクルＲとショット領域ＳＡとの
Ｘ，Ｙ方向のアライメントが可能であるが、それだけで
はレチクルＲとショット領域ＳＡとの相対的な回転誤差
を検出することが難しい。そこで、ショット領域ＳＡ周
囲の４辺の夫々にＸ方向用のマークとＹ方向用のマーク
とを配置することが望ましい。この場合、レチクルＲ上
のマークＲＭもそれに対応して４ヶ所に配置される。そ
のようなマーク配置の一例は、例えば特開平４−４５５
１２号公報に開示されている通りである。

【００８９】このように、レチクルＲのパターン領域の
周辺の４ヶ所、及びショット領域ＳＡの周辺の４ヶ所に
マークが配置されていると、それに応じてＴＴＲ方式の
アライメント系も４組設けられることになる。図１７
は、ＴＴＲ方式のアライメント系（図６〜図１２）を４
組用いたときの補正板ＰＣ上の位相格子の配置例を示
す。基本的には、送光ビーム用の２個の位相格子と受光
ビーム用の１個の位相格子とを１組として、瞳面ＥＰ内
で０°、９０°、１８０°、２７０°の各回転角度位置
の夫々に図１６と同様のルールで、計４組を配置する。

【００９０】ただし、図１７に示した補正板ＰＣは、投
影光学系ＰＬの瞳面ＥＰよりも若干レチクルＲ側に配置
することを前提にしたため、図１４中の送受光ビームの
光路からも明らかなように、受光用ビーム（干渉光ＢＴ
ｗ）用の位相格子ＧＸ₃は若干瞳中心の方に位置し、送
光ビーム用の位相格子ＧＸ₁、ＧＸ₂は瞳中心から若干
離れるように位置する。

【００９１】また図１７では、各位相格子に対する符号
をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで表し、位相格子Ａ１、Ａ２、Ａ３
は、それぞれ図１６中のＧＸ_1x、ＧＸ_2x、ＧＸ_3xに相当
し、位相格子Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はそれぞれ図１６中のＧ
Ｘ_1y、ＧＸ_2y、ＧＸ_3yに相当している。そして位相格子
Ｃ１、Ｃ２は、Ｘ方向アライメント用のもう１組のＴＴ
Ｒアライメント系からの送光ビーム用に設けられ、位相
格子Ｃ３はその受光ビーム用に設けられる。さらに位相
格子Ｄ１、Ｄ２はＹ方向アライメント用のもう１組のＴ
ＴＲアライメント系からの送光ビーム用に設けられ、位
相格子Ｄ３はその受光ビーム用に設けられる。

【００９２】図１７において、受光ビーム用の位相格子
Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３の夫々は、その全体形状を数ｍ
ｍ程度の直径の円形領域とし、その円形領域内で放射方
向にピッチを有する。ただしそのピッチは各位相格子の
内部である範囲にわたって連続的に変化している。一
方、送光ビーム用の位相格子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、
Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２の夫々は、その全体形状が数ｍ
ｍ角程度でＭ（メリジオナル）方向に若干長い長方形領
域となっている。このように受光ビーム用の位相格子Ａ
３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３を円形としたのは、一般にウェハ
マークＷＭからの干渉光ＢＴｗが、ウェハマークでの不
規則な散乱成分も含むことによってビーム径が若干大き
くなることに対応するためである。

【００９３】また送光ビーム用の位相格子の夫々の外形
を長方形としたのは、レチクルマークＲＭやウェハマー
クＷＭ上のビーム照射領域を長方形にしたことによるも
のであり、さらには送光ビームＬＢの波長を多波長化す
る際、その各波長毎に微妙に色収差量が異なることに起
因して、各波長の送光ビーム毎に瞳面内での通過位置が
わずかにずれることに対応するためである。このとき、
多波長化といっても極端に波長の異なる複数の送光ビー
ムを同時に送るのではなく、例えば波長６３３ｎｍのＨ
ｅ−Ｎｅレーザと、波長６７０〜７１０ｎｍに発振スペ
クトルを有する半導体レーザ（ＬＤ）とを使って、波長
が４０〜８０ｎｍ程度離れた少なくとも２つの波長を使
うのである。多波長化のためには、先の図７に示した
１段面のＡＯＭ５０に入射するビームＬＢを、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザ光源からの平行ビーム（６３３ｎｍ）と半導体
レーザ光源からの平行ビーム（例えば６９０ｎｍ）とを
ダイクロイックミラー，ビームスプリッタ等により同軸
に合成したものにするだけでよい。このようにすると、
レチクルマークＲＭ、又はウェハマークＷＭに入射する
２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂、あるいはＬＢＷ₁、
ＬＢＷ₂はいずれも２波長化され、干渉縞を作るための
２本のビームの交差角を波長差（６９０−６３３ｎｍ）
に応じた量だけ異ならせることができる。尚、異なるレ
ーザ光源からのビームは、時間的コヒーレンシィ、空間
的コヒーレンシィが全くないので互いに干渉することが
なく、Ｈｅ−Ｎｅレーザのビームと半導体レーザのビー
ムとの交差による干渉縞は発生しない。

【００９４】次に、多波長化のときのウェハマークＷＭ
ｘに対するビームの送光について図１８を参照して説明
する。図１８において、Ｘ方向にピッチを有するマーク
ＷＭｘに対しては、波長λ₁（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）の２
本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ ₂が入射角±θ₁で入射す
るとともに、波長λ₂（半導体レーザ）の２本のビーム
ＬＢＷ₁’、ＬＢＷ₂’が入射角±θ₂で入射する。こ
れらの入射角θ₁、θ ₂は、原始点には１段目のＡＯＭ
５０での変調格子のピッチ（回折角）を基準として決ま
ってくるため、入射角±θ₁の２本のビームＬＢＷ₁、
ＬＢＷ₂の交差によって生成される干渉縞と、入射角±
θ₂の２本のビームＬＢＷ₁’、ＬＢＷ ₂’の交差によ
って生成される干渉縞とは、全く同一のピッチで位相差
が零の状態で重畳している。

【００９５】従って２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の
照射によってウェハマークＷＭｘから発生する干渉ビー
ト光ＢＴｗと、２本のビームＬＢＷ₁’、ＬＢＷ₂’の
照射によってウェハマークＷＭｘから発生する干渉ビー
ト光ＢＴｗ’とは、互いに同軸となって垂直方向に進
み、図１２中の光電素子２６Ｗで同時に光電検出され
る。このとき光電素子２６Ｗからの信号ＳＳｗは、ビー
ト周波数をもつ単一の交流波形となる。

【００９６】以上のように、少なくともウェハマークＷ
Ｍｘを照射する２本のビームを多波長化することによっ
て、ウェハＷ上にほぼ一様の厚み（１μｍ程度）で塗布
されたフォトレジスト層における薄膜干渉の影響による
位相計測誤差が低減される。また多波長化は、所定の帯
域幅（例えば４０〜１００ｎｍ）内にブロードな強度分
布を有する光源からのビームを用いてもよく、このよう
なブロードなバンド幅のビームを、図７中の１段目のＡ
ＯＭ５０に平行光束として入射させれば、ウェハマーク
ＷＭｘ上では例えば図１８中の入射角θ₁からθ₂の間
に連続的に入射ビームが存在する。ただしこの場合もウ
ェハ上には、ウェハマークＷＭｘのピッチに対応した１
つの干渉縞しか生成されない。

【００９７】以上の多波長化を実施する場合、その波長
範囲（バンド幅）に対応して軸上色収差（もしくは倍率
色収差）が若干異なってくること、及び波長に応じて２
本のビームの交差角が異なってくることにより、ウェハ
マークＷＭを照射する２本のビームの補正板ＰＣ上での
径（サイズ）、又は間隔は波長範囲に応じた広がりを持
つことになる。

【００９８】図１９は、Ｘ方向用のウェハマークＷＭｘ
に対する波長６３３ｎｍの２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢ
Ｗ₂と、波長６９０ｎｍの２本のビームＬＢＷ₁’、Ｌ
ＢＷ ₂’との送光用の位相格子Ａ１、Ａ２上での分布の
一例を示す。ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂はそのビーム断
面形状がＹ方向に長い楕円となり、入射角±θ₁に対応
して瞳面ＥＰ上ではＸ方向に間隔Ｘｈで並ぶ。そしてビ
ームＬＢＷ₁’、ＬＢＷ₂’は、そのビーム断面形状が
Ｙ方向に長い楕円形となり、入射角±θ₂（θ ₂＞
θ₁）に対応して瞳面ＥＰ上ではＸ方向に間隔Ｘｄ（Ｘ
ｄ＞Ｘｈ）で並ぶ。

【００９９】このようにレーザを光源とすると、ウェハ
上での照射領域の形（図８、又は図１０中の視野絞り６
４の開口形）が長方形であると、回折の影響によって送
光用の位相格子（Ａ１、Ａ２等）上でのビーム断面（ス
ポット）はその長方形と直交した方向に長い楕円形にな
ることから、送光用の位相格子の夫々の全体形状は長方
形とされ、かつ多波長化に対応した間隔Ｘｈ，Ｘｄの差
分とスポットサイズに応じて間隔方向の幅が決定され
る。また２つの波長λ₁、λ₂の差が大きいと、瞳面Ｅ
Ｐ上での各送光ビームの間隔Ｘｈ，Ｘｄは、互いに重畳
することなく分離するので、各波長の送光ビーム毎に送
光用位相格子を設けた方がよく、この場合、各波長用の
位相格子毎にフレネル格子のピッチをわずかに変えた方
が望ましい。

【０１００】図２０は、２つの波長λ₁、λ₂によるウ
ェハマーク用の送光ビームのレチクルＲ上での入射状態
を模式的に表したものである。波長λ₁＝６３３ｎｍの
２本の送光ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の各中心線は、面
Ｐ₀よりも若干下方（レチクルＲ側）の面Ｐ_0b内で交差
し、波長λ₂＝６９０ｎｍの２本の送光ビームＬＢ
Ｗ ₁’、ＬＢＷ₂’の各中心線は、面Ｐ₀よりも若干上
方（対物レンズＯＢ側）の面Ｐ_0a内で交差するように対
物レンズＯＢから射出される。このとき面Ｐ_0a、Ｐ _0bの
レチクルパターン面との間隔Ｄａ、Ｄｂは、Ｄ＝（Ｄａ
＋Ｄｂ）／２に設定される。従って面Ｐ₀は２つの波長
６３３ｎｍと６９０ｎｍとの平均波長においてウェハ面
と共役になるので、平均共役面と呼ぶことにする。

【０１０１】このとき波長λ₁、λ₂の各送光ビームが
補正板ＰＣ上の同一の送光用位相格子を通るものとする
と、軸上色収差の補正（ウェハ面と面Ｐ₀との共役化）
は平均波長に対して設計されるから、面Ｐ_0aとＰ_0bとの
間隔（Ｄａ−Ｄｂ）は、２つの波長λ₁、λ₂の差分に
対応した色収差量となる。その差分による色収差量がレ
チクル側で十分に小さい（例えば１ｍｍ以下）のであれ
ば、波長λ₁のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の交差面Ｐ_0b
と波長λ₂のビームＬＢＷ₁’、ＬＢＷ₂’の交差面Ｐ
_0aとを平均共役面Ｐ₀に一致させてしまってもよい。た
だし、この場合はウェハ面におけるビームＬＢＷ₁、Ｌ
ＢＷ₂の交差面とビームＬＢＷ₁’、ＬＢＷ₂’の交差
面とが、レチクル側での差分色収差量に対して光軸ＡＸ
ａ方向に投影倍率（１／Ｍ）の２乗倍だけずれることに
なる。すなわち、レチクル側での差分色収差量を１ｍ
ｍ、投影倍率を１／５とすると、ウェハ側での差分色収
差量は１０００／２５＝４０μｍになる。

【０１０２】またレチクル側での差分色収差量が比較的
大きいときは、図２０のようにレチクル側で各波長の送
光ビーム毎に交差面をずらしておき、ウェハ面上ではそ
れらの交差面の共役面が一致するようにしておくのが望
ましい。尚、レチクルマークＲＭ用の送光ビームは、必
ずしも多波長化されている必要はないので、波長λ₁の
ビーム、又は波長λ₂のビームのいずれか一方を選択し
てマークＲＭへ照射するように、送光系内に色フィルタ
ー、ダイクロイックミラー等を設けてもよい。あるい
は、波長λ₁、λ₂の各ビームはレチクルマークＲＭに
同時に照射し、図１２の受光系のうちレチクルマークＲ
Ｍからの干渉光ＢＴｒを受ける光電素子２６Ｒまでの光
路中に、干渉光ＢＴｒ中の波長λ₁、λ₂のいずれか一
方を抽出するフィルターを設けてもよい。

【０１０３】また、図２０のように波長λ₁のビームＬ
ＢＷ₁、ＬＢＷ₂と波長λ₂のビームＬＢＷ₁’、ＬＢ
Ｗ₂’との各交差面Ｐ_0b、Ｐ_0aを光軸方向にずらすため
には、アライメント系の各種レンズ系、対物レンズＯＢ
に、それに見合った色収差を発生させればよい。このよ
うに波長に応じて異なる面内に結像点を有する対物レン
ズ系の一例は、例えば特開昭５９−４２５１７号公報に
開示されている。

【０１０４】さて、図２１はＸ方向用のマークＲＭｘと
窓ＷＩｘとの配置に対するウェハマークＷＭｘの位置関
係をレチクルＲ上で表したものである。図２１におい
て、レチクルＲ上の窓ＷＩｘとパターン露光領域との間
には、一定の幅でＸ方向に延設された遮光帯ＳＢが形成
される。露光用照明光は、遮光帯ＳＢの内側（光軸ＡＸ
側）の全ての領域に一様に照射されるが、このとき露光
用照明光学系内のレチクルと共役な位置に設けられた照
明視野絞り（レチクルブラインド）の開口を規定する１
辺の直線エッジは、遮光帯ＳＢ上にブラインドエッジ像
ＡＲｅとして結像される。従ってブラインドエッジ像Ａ
Ｒｅよりも外側のレチクル面上には露光用照明光が達し
ない。また、レチクルＲの上方に露光光の波長とアライ
メントビームの波長とを、反射と透過とで分離するダイ
クロイックミラーが４５°で設けられていると、レチク
ルブラインドで露光光に対して影となっているレチクル
マークＲＭｘ、窓ＷＩｘの部分でも、アライメントビー
ムの波長のもとでは観察可能となる。

【０１０５】さて、図２１はこれから露光しようとする
レチクルＲとウェハＷ上の１つのショット領域ＳＡと
が、ウェハマークＷＭｘの格子ピッチの１／２程度の誤
差内でアライメントされた状態を示し、このとき、遮光
帯ＳＢの回路パターン領域側のエッジＳＢｅは、ウェハ
Ｗ上のストリートラインＳＴＬの幅Ｙｓｔのほぼ中心に
位置する。そしてストリートラインＳＴＬとウェハ上の
パターン領域とを区画する境界エッジＳＴｅと、遮光帯
ＳＢのエッジＳＢｅとの間には、対象とするショット領
域とともに形成されたウェハマークＷＭｘが位置する。

【０１０６】ここでは、ウェハマークＷＭｘの中心を通
りＹ軸と平行な線が、レチクルＲのパターン領域の中
心、すなわち光軸ＡＸの位置を通るものとする。このと
きウェハマークＷＭｘの像高値をＨｙとする。尚、スト
リートラインＳＴＬ内でウェハマークＷＭｘの隣りに
は、遮光帯ＳＢでかくされる隣接ショット領域用のウェ
ハマークＷＭｘ’が存在する。

【０１０７】以上のような配置関係から明らかなよう
に、窓ＷＩｘとレチクルマークＲＭｘとの直下には、隣
接ショット領域内のパターンが位置することになる。そ
こで、まず多波長化されていない場合を考えると、レチ
クルマーク用の２本のビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂はマー
クＲＭｘ上で互いに交差し、Ｘ方向に長い長方形の照射
領域を生成する。この照射領域内には、Ｘ方向にピッチ
を有する干渉縞がビート周波数に応じた速度で流れてい
る。またウェハマーク用の２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢ
Ｗ₂は、窓ＷＩｘ内ではその中心位置がＸ方向に分離し
た状態で位置する。ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の断面形
状は、ウェハマークＷＭｘの全体形状に合わせてＸ方向
に長い長方形になっている。

【０１０８】その後、２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂
は投影光学系内の送光用の位相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2x（又
はＡ１、Ａ２）による補正を受けてウェハマークＷＭｘ
上で重畳する。すなわち、レチクル上でのビームＬＢＷ
₁、ＬＢＷ₂の通過位置の像高値が、ウェハマークＷＭ
ｘの像高値Ｈｙに対して倍率色収差ΔＹｍに対応した量
だけメリジオナル方向にシフトするように、送光用の位
相格子ＧＸ_1x、ＧＸ_2x（又はＡ１、Ａ２）のピッチとそ
のピッチ方向とを定めるのである。換言すれば、送光用
ビームの光路において制御された倍率色収差ΔＹｍが発
生するように位相格子を作成するのである。このことは
受光用ビームの光路に対しても同様であって、ウェハマ
ークＷＭｘからの干渉ビート光ＢＴｗｘを、ほぼ倍率色
収差ΔＹｍだけシフトさせるように受光用の位相格子Ｇ
Ｘ_3x（又はＡ３）を作成するのである。

【０１０９】このように、倍率色収差を制御された量だ
け発生させることによって、レチクルマークＲＭｘとウ
ェハマークＷＭｘとをＭ方向に大きく分離させることが
でき、同時に窓ＷＩｘを遮光帯ＳＢの外側（もしくはブ
ラインドエッジＡＲｅの外側）に配置することが可能と
なる。この場合、図２１のままでは、そのショットを露
光するとウェハマークＷＭｘの部分のレジスト層も感光
することになり、マークＷＭｘが破壊されてしまう。そ
こでマーク保護が必要なときは、遮光帯ＳＢのエッジＳ
ＢｅのうちマークＷＭｘに対応した部分のみをストリー
トラインＳＴＬのエッジＳＴｅまでＹ方向に突出させれ
ばよい。

【０１１０】尚、先の図１４で説明した通り、送光ビー
ムをＭ方向傾斜方式で入射させた場合は、窓ＷＩｘ内で
の送光ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂と受光ビームＢＴｗｘ
とのＹ方向（Ｍ方向）の位置が図２１のように若干ずれ
ることになる。またウェハマークＷＭｘのウェハ上での
寸法は、１００×７０μｍ角〜６０×３０μｍ角程度の
長方形になり、各送光ビームの断面寸法もほぼ同程度に
なっている。

【０１１１】ところで、図２１に示したマーク配置のう
ち、パターン領域、又はショット領域の大きさによっ
て、特に像高値Ｈｙが変化する。これに対応するため
に、先の図１１で示したようにアライメント系の対物レ
ンズＯＢ等を可動にするのであるが、その際、ウェハマ
ークＷＭｘの像高値Ｈｙの変化に応じて倍率色収差ΔＹ
ｍも変化し得る。一般に像高値Ｈｙが小さくなれば、倍
率色収差ΔＹｍも小さくなる傾向にある（必ずしもそう
なるとは限らない）ので、マークＷＭｘが配置可能な範
囲内で最小となる像高値Ｈｙと最大となる像高値Ｈｙと
を設定し、その範囲内で生じる倍率色収差ΔＹｍの変化
範囲を見積り、ΔＹｍの変化範囲で送光ビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂と受光ビームＢＴｗとがけられないよう
に、窓ＷＩｘのＹ方向（Ｍ方向）の幅を決定する。それ
に関連してレチクルマークＲＭｘのＹ方向（ピッチ方向
と直交する方向）の寸法も、送光ビームＬＢＷ₁、ＬＢ
Ｗ₂のＹ方向の幅と比べて十分に大きくされている。

【０１１２】図２２（Ａ）、（Ｂ）は、ウェハマークＷ
Ｍｘの像高Ｈｙの違いによる倍率色収差ΔＹｍの差を表
したものであり、図２２（Ａ）は最も小さい倍率色収差
ΔＹｍ₁のときの各ビームの配置を表し、図２２（Ｂ）
は最も大きい倍率色収差ΔＹｍ₂のときの各ビームの配
置を表している。このとき、レチクルマーク用のビーム
ＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂の照射位置とウェハマーク用のビー
ムＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の照射位置とのＹ方向の間隔Ｙｃ
は一定であるものとする。

【０１１３】このように、マークＷＭｘの像高値Ｈｙの
違いによってウェハ用のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の窓
ＷＩｘ内でのＹ方向位置を変える必要があるため、図１
１のように対物レンズＯＢ等を駆動する際、対物レンズ
ＯＢの光軸ＡＸａのレチクル上での設定位置は、そのレ
チクルの窓ＷＩｘのＹ方向の像高に応じて予め求めてお
いた倍率色収差ΔＹｍ（ΔＹｍ₁〜ΔＹｍ₂）の記憶テ
ーブルに基づいて制御される。

【０１１４】ところで多波長化された送光ビームを使う
ときは、図２１、図２２中のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂
の位置よりもＸ方向（ピッチ方向）の間隔が広がった別
のビームが位置することもあるため、窓ＷＩｘのＸ方向
の幅はそれにも対応するように定められる。以上、本発
明の各実施例では、レチクルマークＲＭ、ウェハマーク
ＷＭの夫々に２本の送光ビームを対称的な入射角で照射
し、各マークから垂直に発生する１本の受光ビーム（干
渉光ＢＴｒ、ＢＴｗ）を光電検出するようにしたが、１
本の送光ビームをレチクルマークＲＭに垂直に照射する
とともに、他の１本の送光ビームを瞳面ＥＰの位相格子
（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３）を介してマークＷＭに垂直
に照射し、ウェハマークから対称的な角度で発生する±
１次回折ビームの夫々を瞳面ＥＰ内の１対の位相格子
（Ａ１、Ａ２：Ｂ１、Ｂ２：Ｃ１、Ｃ２：Ｄ１、Ｄ２）
を介してレチクルの窓まで戻すように構成してもよい。
この場合、ヘテロダイン（干渉縞走査）方式が採用でき
ないため、レチクルマークＲＭからの±１次回折ビーム
をアライメント光学系内の共役面で受ける第１の基準格
子と、ウェハマークＷＭからの±１次回折ビームをアラ
イメント光学系内の共役面で受ける第２の基準格子とを
設け、第１基準格子で再回折された回折光の強度と第２
基準格子で再回折された回折光の強度とを個別に光電検
出し、そのレベルの差を求めることによってレチクルマ
ークＲＭとウェハマークＷＭとのピッチ方向の位置ずれ
を計測することになる。

【０１１５】すなわち、補正板ＰＣ上の３個で１組の位
相格子の各配置は従前のままで、送光ビームと受光ビー
ムとを入れ替えてしまうのである。要するに、各実施例
中の受光ビームとしての干渉光ＢＴｗの光路と同一位置
に窓ＷＩを介して１本の送光ビームを通し、各実施例中
の送光ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の光路と同一位置にウ
ェハマークＷＭからの±１次回折ビームを通すのであ
る。このような方式の場合、マークＷＭからの±１次回
折ビームはレチクルＲの上方空間の面Ｐ₀内で交差（結
像）することになり、一方レチクルマークＲＭを透過し
てウェハ面で反射し、再びレチクルへ戻ってくる±１次
回折ビームはレチクル上では最早交差することがない。
従って、送光ビームを１本にした方式でも本発明の効果
が同様に得られることになる。

【０１１６】図２３は、補正板ＰＣ上の位相格子の他の
配置例を示し、図１７で示した位相格子と同一機能のも
のには同じ符号を付けてある。この補正板ＰＣは、特に
２本の送光ビームが多波長化されていて、Ｍ方向傾斜方
式（Ｍテレくずし）でレチクル、ウェハに入射する場合
であって、対物レンズＯＢの観察位置をＭ方向に変える
ことに対応したものである。

【０１１７】マーク配置の異なるレチクル、ウェハをア
ライメントする際、送光ビームは像空間において像高の
異なる位置を通ることになるが、その異なる像高に対応
して、アライメントビームの波長における投影光学系Ｐ
Ｌのテレセントリシティも若干変化してくる。このよう
な像高に対するテレセントリシティの変化は露光光の波
長ではほとんど無視できる程小さいが、アライメントビ
ームの波長が露光波長と大きく離れれば、それに応じて
無視できない量になる。

【０１１８】図２４はそのテレセントリシティの変化を
誇張して表したもので、最も周辺の像高Ｈｙ₁の位置に
対物レンズＯＢが設定された場合と、最も内側の像高Ｈ
ｙ₂の位置に対物レンズＯＢが設定された場合とを示
す。対物レンズＯＢの光軸ＡＸａは、機械設計上、投影
光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行を保ってＭ方向（Ｙ方向）
に可動とされている。図２４において、面Ｐ₀内で光軸
ＡＸａと交差している線Ｌｔは主光線を表し、その延長
は投影光学系ＰＬの瞳面ＥＰの中心、すなわち図２３中
の線Ｌｐｘ、Ｌｐｙの交点を通る。主光線Ｌｔは像高Ｈ
ｙ₁、Ｈｙ₂の夫々の位置で、光軸ＡＸａ（ＡＸ）に対
するＭ方向の角度が異なっている。これがテレセントリ
シティの誤差である。露光波長の場合、主光線はどの像
高位置でも光軸ＡＸと平行になり、テレセントリックな
投影光学系として働く。

【０１１９】一方、Ｘ方向用のウェハマークＷＭｘを照
射する２本のビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂のＭ方向の傾斜
量は、対物レンズＯＢの光軸ＡＸａに対して常に一定に
設定されているため、対物レンズＯＢが像高Ｈｙ₁に位
置するときに生ずる主光線Ｌｔに対するビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂のＭ方向の傾斜量α₁と、像高Ｈｙ₂に
おける主光線Ｌｔに対するビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の
Ｍ方向の傾斜量α₂（ここではα₂＜α₁）とは異なっ
てくる。この傾斜量α₁、α₂は、図２３中では２本の
ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂の瞳面ＥＰ内での通過位置が
線ＬｐｘからＹ方向へ偏位することに対応しているか
ら、傾斜量がα₁のときとα₂のときとでその偏位量も
異なることを意味する。

【０１２０】そこで図２３のように、図２４中の２本の
ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂が通る送光用位相格子Ａ１、
Ａ２をＹ方向（Ｍ方向）に長い形状とし、それに対応し
て受光用の位相格子Ａ３もＹ方向（Ｍ方向）に長い形状
とするのである。他の３組の位相格子群についても同様
にして、それぞれＭ方向に長い面積を持たせる。以上の
ように、送光用、受光用の各位相格子をＭ方向に長い形
状としておけば、投影光学系ＰＬのテレセントリシティ
の誤差があっても、それにかかわらず任意の像高位置で
ウェハマークの検出が可能となる。ただし、各位相格子
の面積をなるべく小さくしたいときには、投影光学系Ｐ
Ｌのテレセントリシティの誤差に応じて、すなわち像高
位置に応じて送光ビームＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂自体のＭ方
向傾斜量を変えるような工夫（例えばアライメント系内
の瞳空間に傾斜角可変の平行平板ガラスを設け、そのガ
ラス板の傾き量を変えて瞳空間におけるビームＬＢ
Ｗ₁、ＬＢＷ₂の光軸ＡＸａからの偏心量を変える等）
が必要となる。このようにすると、像高位置によらず、
図２４中の傾斜量α₁、α₂を等しく保つことができ
る。

【０１２１】

【発明の効果】以上本発明によれば、投影光学系の瞳
面、もしくはその近傍に、アライメント用のビームが通
る光路における軸上色収差を制御する補正素子を設け、
マスクのパターン面（マーク面）から光軸方向に一定量
離間した面と感光基板の表面とを、そのアライメント光
路に関して互いに共役にしたので、マスク上のマーク部
分と投影光学系とを透過して感光基板で反射して再びマ
スク側へ戻ってくる光がノイズ成分となってマスクマー
クからのアライメント光に混入することが防止できる。

【０１２２】このため、特にマスクマークの検出信号の
歪みが低減され、マスクと感光基板との相対位置ずれ計
測の精度が向上するといった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の投影露光装置におけるアライメント方式
を説明する図。

【図２】レチクル上のマーク配置とウェハ上のマーク配
置とを模式的に示す斜視図。

【図３】本発明の各実施例によるアライメント方式の原
理を説明する図。

【図４】本発明の各実施例における送光ビームの光路と
その作用を説明する図。

【図５】図４の構成のうちレチクル近傍における各ビー
ムの振舞いを説明する図。

【図６】本発明の実施例におけるアライメント光学系の
うち、対物レンズを含む一部の構成を示す図。

【図７】図６のアライメント光学系に供給されるヘテロ
ダイン方式の送光ビームを作成する系を示す斜視図。

【図８】図７の系で作成された２本の送光ビームを４本
にする４ビーム化手段の系を示す図。

【図９】図８の系で作成された４本のビームをレチクル
用ビームとウェハ用ビームとで光路差を与えて図６の系
へ供給する２焦点化手段の系を示す図。

【図１０】図８と図９の系を合わせて４ビーム化と２焦
点化とを同時に行う変形例を示す図。

【図１１】アライメント光学系の対物レンズを可動とす
るときの様子を示す斜視図。

【図１２】図６中のアライメント光学系と組み合わされ
る受光光学系の構成を示す図。

【図１３】アライメントマークをＸ、Ｙ方向の夫々につ
いて設けたときの送光ビーム、受光ビームの光路を説明
する斜視図。

【図１４】送光ビームをメリジオナル方向傾斜方式で入
射させる場合の光路を説明する図。

【図１５】メリジオナル方向傾斜方式に敵した補正素子
の配置を示す図。

【図１６】図１３のマーク配置においてメリジオナル方
向傾斜方式を適用したときに好適な補正素子の配置を示
す図。

【図１７】図１３のマーク配置の他に、Ｘ、Ｙ方向用に
それぞれもう１組のマークを配置して、メリジオナル方
向傾斜方式にしたときの補正素子の配置を示す図。

【図１８】ウェハ上のマークへの送光ビームを多波長化
したときのビーム入射の様子を示す図。

【図１９】補正素子を通る多波長化された送光ビームの
配置を示す図。

【図２０】多波長化された送光ビームのレチクル上での
光路を説明する図。

【図２１】本発明の各実施例に好適なレチクル上のマー
クと窓との配置関係を示す図。

【図２２】像高位置に応じてレチクル上の窓を通す送光
ビームの位置を変化させる様子を説明する図。

【図２３】図１７の補正素子の形状、配置の変形例を示
す図。

【図２４】像高位置によってレチクル側のテレセントリ
シティが変化する様子を説明した図。

【符号の説明】

Ｒ…レチクルＰＬ…投影光学系ＥＰ…瞳面Ｗ…ウェハＲＭｘ、ＲＭｙ…レチクルマークＷＩ、ＷＩｘ…窓ＷＭｘ、ＷＭｙ…ウェハマークＰＣ…補正板ＧＸ₁、ＧＸ₂、ＧＸ₃；Ａ１、Ａ２、Ａ３…位相格子ＬＢＷ₁、ＬＢＷ₂…ウェハ用送光ビームＬＢＲ₁、ＬＢＲ₂…レチクル用送光ビームＢＴｗ…ウェハマーク干渉光ＢＴｒ…レチクルマーク干渉光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写すべきパターンが形成されたマスクを
露光光で照射する照明系と、前記マスクのパターンを感
光基板に結像投影する投影光学系と、前記露光光と異な
る波長のアライメントビームを、前記マスクに形成され
た第１格子マークとその近傍の透明部とに向けて照射す
るとともに、前記透明部と前記投影光学系とを介して前
記感光基板に形成された第２格子マークに照射するビー
ム照射手段と、前記第２格子マークから発生して前記投
影光学系と前記マスクの透明部とを介して進む回折光
と、前記第１格子マークから発生した回折光とを受光す
る光電検出器を有し、該光電検出器の出力信号に基づい
て、前記マスクと前記感光基板との相対的な位置ずれを
検出するマーク位置検出手段とを備えた投影露光装置に
おいて、前記ビーム照射手段は、前記第１格子マーク上で交差す
る２本の第１アライメントビームと、前記第２格子マー
クを照射することなく前記透明部のみを通るように、前
記マスクの面から所定の間隔Ｄだけ離れた空間中で交差
する２本の第２アライメントビームとを生成する４ビー
ム生成部材を有し；さらに前記投影光学系の瞳面、もし
くはその近傍の面内で前記２本の第２アライメントビー
ムの通る部分に配置され、前記２本の第２アライメント
ビームが前記投影光学系を介して前記第２格子マーク上
で交差するように偏向させる複数の光学素子を備え；該
複数の光学素子により、前記アライメントビームの波長
において前記マスク側で生じる前記投影光学系の本来の
軸上色収差量Ｌｃを前記間隔Ｄとほぼ等しくなるまで補
正したことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記複数の光学素子は、前記投影光学系の
瞳面、もしくはその近傍の面内に配置された透明板の表
面に形成された位相格子で構成され、該位相格子によっ
て回折された前記第２アライメントビームの回折ビーム
が前記第２格子マーク上で交差するように、該位相格子
のピッチと回折方向とを定めたことを特徴とする請求項
第１項に記載の装置。
【請求項３】前記ビーム照射手段は、可干渉性のビーム
を発生するビーム光源と、該ビームを周波数ｆ₁とｆ₂
の２本の並行したビームに変換する変調部材と、前記マ
スクの面とほぼ垂直な光軸を有し、該変調部材からの２
本のビームを入射して前記マスクの面から間隔Ｄだけ離
れた空間中の面、もしくは前記マスク上の第１格子マー
クの面で交差させる対物レンズ系とを備え、前記４ビー
ム生成部材は該対物レンズ系の前側焦点面、又はその近
傍に配置される複屈折性レンズで構成され、前記第１ア
ライメントビームと前記第２アライメントビームは、該
複屈折性レンズによって屈折作用を受ける一方の偏光成
分の２本のビームと、該複屈折性レンズによって屈折作
用を受けない他方の偏光成分の２本のビームとによって
作ることを特徴とする請求項第２項に記載の装置。
【請求項４】転写すべきパターンが形成されたマスクを
露光光で照射する照明系と、前記マスクのパターンを感
光基板に結像投影する投影光学系と、前記露光光と異な
る波長のアライメントビームを、前記マスクに形成され
た第１格子マークとその近傍の透明部とに向けて照射す
るとともに、前記透明部と前記投影光学系とを介して前
記感光基板に形成された第２格子マークに照射するビー
ム照射手段と、前記第２格子マークから発生して前記投
影光学系と前記マスクの透明部とを介して進む回折光
と、前記第１格子マークから発生した回折光とを受光す
る光電検出器を有し、該光電検出器の出力信号に基づい
て、前記マスクと前記感光基板との相対的な位置ずれを
検出するマーク位置検出手段とを備えた投影露光装置に
おいて、前記アライメントビームの波長において生じる前記投影
光学系の軸上色収差量をＬｃとしたとき、前記投影光学
系の瞳面内の前記アライメントビームが通る位置に配置
され、前記マスクの面から光軸方向に所定の間隔Ｄだけ
離れた空間面と前記感光基板とを、前記アライメントビ
ームの波長において前記投影光学系を介して互いに共役
にするために、前記軸上色収差量ＬｃをＬｃ−Ｄだけ補
正する補正光学素子を設けたことを特徴とする投影露光
装置。