JPH0680625B2 - 感光基板の露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子等を製造する
露光装置に関し、特に露光装置上で半導体ウェハ等の位
置を検出するためのマーク検出系を備えた露光装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】大規模集積回路（ＬＳＩ）のパターンの
微細化は年々進行しているが、微細化に対する要求を満
たし且つ生産性の高い回路パターン焼付け装置としてマ
スク（又はレチクル）上のパターンを光学的に等倍ある
いは縮小して半導体ウェハ（以下単にウェハとする）上
に転写する各種投影型露光装置が普及している。

【０００３】ＬＳＩの製造においては数層以上のパター
ンがウェハ上に順次形成されていくが、異なる層間のパ
ターンの重ね合せ誤差（位置ズレ）を、一定値以下にし
ておかなければ、層間の導電又は絶縁状態が意図するも
のでなくなり、ＬＳＩの機能を果すことができなくな
る。例えば１μｍの最小線幅の回路に対しては、せいぜ
い0.２μｍ程度の位置ずれしか許されない。このため、
投影露光装置においては、パターンを重ね合わせる方
法、即ちマスク（レチクル）上のパターンの投影像と既
に形成されたウェハ上のパターン（チップ）とを重ね合
わせる方法（以下アライメント方法と呼ぶ）として高精
度なアライメント方法が各種提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】それらアライメント方
法の大部分は、ウェハ上に形成されたアライメント用の
キーマークを光学的に検知する方式を用いるため、アラ
イメント精度はこのウェハ上のアライメント用マークの
出来状態に左右されることが多い。特に、ウェハプロセ
スの後工程になる程アライメントマークへの各種処理工
程の影響は大きくなり、マーク形状は劣化する。このこ
とは光学的アライメントにおいて、プロセス後半の金属
（Ａｌ等）配線層等の表面での高い光学的反射率と相ま
って、マークからの光情報を光電検出したときの光電信
号には、形状劣化に伴なう歪みの増加や振幅（ピーク
値）の変動が増大することを意味する。この結果、マー
クの位置検出の精度が悪化し、アライメント精度が低下
するという問題があった。そのため、ウェハプロセスが
進むにつれて、より精密なアライメントが要求される
と、マークの形状劣化等による精度低下のため、必らず
しも良好な重ね合わせが行なわれず、不良となるチップ
が増加するという問題も生じる。

【０００５】本発明はこれらの欠点を解決し、ウェハ等
の基板上のマークを光学的に高精度に検出することによ
って、基板を露光位置に高精度にアライメントできる露
光装置を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】本発明は、マスク（レチク
ルＲ）のパターンを感光基板（ウェハＷ）上の複数の被
露光領域（チップ領域ＣＰ）の夫々に順次重ね合わせ露
光するのに先立って、被露光領域（ＣＰ）に付設された
アライメント用のマーク（Ｍａ、Ｍｂ、Ｐｃ、Ｍ₁ 、Ｍ
₂ ）をマーク検出手段（３０〜３８；４０〜４８、及び
６０〜６９）によって光電検出し、その光電信号（Ｓ
Ａ、ＳＢ、ＳＣ）に基づいて被露光領域（ＣＰ）とマス
ク（Ｒ）とを位置合わせ制御手段（３、５、６、８４〜
８６、８９、９０、１００）によって相対的にアライメ
ントする露光装置に関するものである。そして本発明に
おいては、光電信号（ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ）に対する利得
をＣＰＵ（１００）等からの制御信号に応答して調整し
た後、位置合わせ制御手段へ出力する可変利得増幅器
（ＡＧＣ８１、８３、８８）と、マーク検出の際、その
マークに対応した被露光領域の配列位置に応じて可変利
得増幅器（８１、８３、８８）へ印加すべき制御信号の
値を変更する制御信号作成手段（ＣＰＵ１００）とを設
けるようにした。

【０００７】

【作用】本発明においては、ウェハ等の基板表面の様々
の位置に形成されたアライメントマークが、プロセス等
によって、ウェハ上の場所に応じて形状変化等を起し、
得られる光電信号の大きさがウェハ上のチップ位置に応
じて極端に変化する場合であっても、予め設定された量
で利得調整した後の光電信号を使ってマーク位置計測、
アライメントを行なう。このため、ウェハ上の様々な位
置でほぼ同じ精度のマーク位置計測が可能となる。

【０００８】またアライメントマークが回折格子状であ
る場合には、マークから発生する正の次数の回折光と負
の次数の回折光とを個別に光電検出し、その個別に得ら
れた光電信号のレベルをほぼ同一に揃えるように利得調
整する。さらにこうして同一に揃えられた後の２つの光
電信号を加算して１つの光電信号波形し、その合成され
た信号波形に基づいてマーク位置の計測を行なうように
すると、回折格子マークのウェハ上の場所に応じて変化
するマーク形状の劣化に高精度に対応することができ
る。

【０００９】

【実施例】図１は本発明の実施例として好適なウェハ上
のアライメント用のマークの形状を示す部分断面拡大斜
視図である。本実施例におけるマークは２つの回折格子
状のマークＭａ、Ｍｂの一対をウェハＷ上に形成したも
のである。ここで、マークＭａ、Ｍｂは直交座標系ｘｙ
においてｘ方向の位置検出に適するように、微小な矩形
パターンＰａ、Ｐｂを夫々ｙ方向に一定ピッチで複数並
べたものである。マークＭａの矩形パターンＰａはウェ
ハＷの表面に凸状に形成されたものであり、矩形パター
ンＰａのｙ方向の幅はｄ₁ であり、ｘ方向の幅はｄ ₂ で
ある。また矩形パターンＰａ同志の間隔はｄ₃ である。
これらの幅ｄ₁ 、ｄ ₂ 、間隔ｄ₃ は、アライメント用の
光ビームの照射により効率よく回折光を発生するように
定められている。一方、マークＭａに隣接して、ウェハ
Ｗの表面には凸状の矩形領域Ｐｃが形成される。この矩
形領域Ｐｃはｙ方向に連続して伸びた段差エッジＥ₁ 、
Ｅ₂ を有し、本実施例では矩形領域Ｐｃの高さとマーク
Ｍａの矩形パターンＰａの高さとが等しいものとする。
そして矩形領域Ｐｃの内にはｙ方向に伸びたマークＭｂ
が形成される。マークＭｂはマークＭａと同様の平面形
状と、及び寸法の微小な矩形パターンＰｂの集合体であ
るが、矩形パターンＰｂ自体は凹状に形成される。この
ような凹状の格子パターンから成るマークであってもア
ライメント用の光ビームを照射することによって、マー
クＭａと同様の回折光が発生する。

【００１０】尚、本実施例では、マークＭａのｘ方向の
中心軸とマークＭｂのｘ方向の中心軸との距離をｌ₀ と
し、マークＭａの中心軸と段差エッジＥ₂ との間隔をｌ
₁ 、マークＭｂの中心軸と段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ との間
隔をｌ₃ 、ｌ₂ とする。さて、以上のようなマークＭ
ａ、Ｍｂ、矩形領域Ｐｃ（以下総称してアライメントマ
ークと呼ぶ）は、例えばウェハＷに対する第１層（ファ
ースト・レイヤ）の露光処理とともに形成される。図２
はウェハＷ上に形成されたアライメントマークの配置を
示す平面図である。本実施例では第１層を縮小投影型露
光装置（所謂ステッパー）で露光したものとして、ウェ
ハＷ上の各チップ領域ＣＰに付随してｘ方向とｙ方向の
アライメントマークが形成される。すなわち第１層用の
レチクルは図１のようなマークを形成するためのパター
ンを有する。チップ領域ＣＰはウェハＷ上にマトリック
ス状に整列されるものであり、縮小投影型露光装置の１
回の露光フィールド（ショット）に相当する。ただしチ
ップ領域ＣＰには１つの回路パターンが入いる場合もあ
れば、同一の回路パターンが複数個入いる場合（所謂マ
ルチ・ダイ）もある。さて、チップ領域ＣＰの中心をＯ
とし、この中心Ｏを原点として座標系ｘｙを定めたと
き、ｘ方向の位置検出に用いるアライメントマークはｙ
軸上に位置し、ｙ方向の位置検出に用いるアライメント
マークはｘ軸上に位置するように形成される。そしてｘ
方向アライメントマークは図１に示したものと同様にマ
ークＭax、Ｍbx、矩形領域Ｐcxで構成され、ｙ方向アラ
イメントマークも同様にｘ方向に伸びたマークＭay、Ｍ
by、矩形領域Ｐcyで構成される。さらに本実施例では以
後の説明を簡単にするため、ｙ軸がマークＭaxとＭbxの
距離ｌ₀ を長さｘ₁ で２等分する位置を通り、ｘ軸がマ
ークＭay、Ｍbyの距離ｌ₀ を長さｙ₁ で２等分する位置
を通るように定めれているものとする。このような２つ
のアライメントマークを光電的に検出して、そのマーク
の位置を測定することによって、第２層以降の回路パタ
ーンの投影像とチップ領域ＣＰとの２次元的な重ね合わ
せが可能となる。また本実施例では同一形状、寸法で凹
凸が反転した回折格子状のマークＭａ、Ｍｂの一対をウ
ェハＷ上に形成するが、これはウェハプロセスの進行に
伴なうマーク形状の変形劣化、あるいはフォトレジスト
（感光剤）塗布時の厚みむら等により光電検出の際の光
電信号の波形歪みに起因した検出精度の低下を押えるた
めである。すなわち、同一の形状、寸法のパターンであ
っても、凸状に形成されたものと、凹状に形成されたも
のとでは、プロセス、レジスト塗布の影響の受け方が異
なるため、凸状、凹状の一方のマークが大きく変化した
としても、他方のマークの形状は保存される可能性が高
い。従って形状劣化の少ない方のマークを使うことによ
って、検出精度の低下を押えることができる。

【００１１】図３は本発明の実施例による縮小投影型露
光装置の概略的な構成を示す斜視図である。投影原版と
なるレチクルＲは、その投影中心が投影レンズ１の光軸
ＡＸを通るように装置に装着される。投影レンズ１はレ
チクルＲに描かれた回路パターン像を１／５、又は１／
１０に縮小して、ウェハＷ上に投影する。ウェハホルダ
ー２はウェハＷを真空吸着するとともにｘ方向とｙ方向
に２次元移動するステージ３に対して微小回転可能に設
けられている。またステージ３のｘ方向の移動はモータ
５の駆動によって行なわれ、ｙ方向の移動はモータ６の
駆動によって行なわれる。ステージ３の直交する２辺に
は、反射平面がｙ方向に伸びた反射ミラー７と、反射平
面がｘ方向に伸びた反射ミラー８とが各々固設されてい
る。レーザ光波干渉測長器（以下単にレーザ干渉計と呼
ぶ）９は反射ミラー８にレーザ光を投射して、ステージ
３のｙ方向の位置（又は移動量）を検出し、レーザ干渉
計１０は反射ミラー７にレーザ光を投射して、ステージ
３のｘ方向の位置（又は移動量）を検出する。

【００１２】さて、本装置は投影レンズ１を介してウェ
ハＷ上のマークを検出するレーザステップアライメント
（以下ＬＳＡと呼ぶ）光学系が設けられている。不図示
のレーザ光源から発生して、不図示のエクスパンダー、
シリンドリカルレンズ等を通ってきたレーザ光束ＬＢは
フォトレジストを感光させない波長の光で、ビームスプ
リッター３０に入射して２つの光束に分割される。その
一方のレーザ光束はミラー３１で反射され、ビームスプ
リッター３２を通過して、結像レンズ群３３で、横断面
が帯状のスポット光になるように、収束された後、レチ
クルＲと投影レンズ１との間に回路パターンの投影光路
を遮光しないように配置された第１折り返しミラー３４
に入射する。第１折り返しミラー３４はレーザ光束をレ
チクルＲに向けて上方に反射する。そのレーザ光束はレ
チクルＲの下側に設けられて、レチクルＲの表面と平行
な反射平面を有するミラー３５に入射して、投影レンズ
１の入射瞳の中心に向けて反射される。ミラー３５から
のレーザ光束は投影レンズ１によって収束され、ウェハ
Ｗ上にｘ方向に細長く伸びた帯状のスポット光ＬＹＳと
して結像される。スポット光ＬＹＳはウェハＷ上でｘ方
向に伸びた回折格子状のマークＭay、Ｍby、又は矩形領
域Ｐcyの段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ を相対的にｙ方向に走査
して、ｙ方向アライメントマークの位置を検出するため
に使われる。スポット光ＬＹＳがｙ方向アライメントマ
ークを照射すると、そのアライメントマークからは回折
光や散乱光が生じる。それら光情報は再び投影レンズ
１、ミラー３５、ミラー３４、結像レンズ群３３、及び
ビームスプリッター３２に戻り、ビームスプリッター３
２で反射された後、レンズ群３６、ミラー３７を介して
光電検出部３８に入射する。光電検出部３８は入射した
回折光の光量及び散乱光の量に応じた光電信号を夫々別
個に出力する。以上、ミラー３１、ビームスプリッター
３２、結像レンズ群３３、ミラー３４、３５、レンズ群
３６、ミラー３７、及び光電検出部３８は、ウェハＷ上
のｙ方向アライメントマークの位置を検出するスルーザ
レンズ方式のアライメント光学系（以下、Ｙ−ＬＳＡ系
と呼ぶ）を構成する。

【００１３】一方、ビームスプリッター３０で分割され
た別のレーザ光束は、ウェハＷ上のｘ方向アライメント
マークの位置を検出するスルーザレンズ方式のアライメ
ント光学系（以下、Ｘ−ＬＳＡ系と呼ぶ）に入射する。
Ｘ−ＬＳＡ系はＹ−ＬＳＡ系と全く同様に、ミラー４
１、ビームスプリッター４２、結像レンズ群４３、ミラ
ー４４、４５、レンズ群４６、ミラー４７、及び光電検
出部４８から構成され、ウェハＷ上にｙ方向に細長く伸
びた帯状のスポット光ＬＸＳを結像する。

【００１４】主制御装置５０は、光電検出部３８、４８
からの光電信号とレーザ干渉系９、１０からの位置情報
とを入力して、位置検出、位置合せのための各種演算処
理を行なうとともに、モータ５、６を駆動するための指
令を出力する。この主制御装置５０はマイクロコンピュ
ータやミニコンピュータ等の演算処理部を備えており、
その演算処理部にはウェハＷに形成された複数のチップ
領域ＣＰの設計位置情報（ウェハＷ上のチップ配列座標
値等）やアライメントマークの設計寸法等が記憶されて
いる。

【００１５】図４は２つのスポット光ＬＹＳ、ＬＸＳの
配置をウェハＷ上で示す平面図であり、円形の領域は投
影レンズ１の視野（イメージフィールド）ｉｆを表わ
す。レチクルＲを装置に対して正確に位置決めすると、
レチクルＲの回路パターンの投影像は、光軸ＡＸがその
中心を通るような矩形の領域Ｐｒのようになる。領域Ｐ
ｒは最大、視野ｉｆに内接する大きさまでとることがで
きる。ここで、光軸ＡＸがステージ３の移動座標系（直
交座標）ｘｙの原点を通るように各座標軸を定めると、
スポット光ＬＸＳはｙ軸上の光軸ＡＸから距離ＹＰのと
ころに位置し、スポット光ＬＹＳはｘ軸上の光軸ＡＸか
ら距離ＸＰのところに位置する。

【００１６】図５は光電検出部３８、４８の具体的な構
成を示す図である。両光電検出部とも全く同一の構成な
ので、ここでは光電検出部４８のみを示す。ミラー４７
で反射されたｘ方向アライメントマークからの光情報に
は、マークＭax、Ｍbxで生じた回折光（±１次光、±２
次光、±３次光等）±Ｄと、段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ 、又
はマークＭax、ＭbxのエッジＥ₁ 、Ｅ₂ と平行な段差部
からの散乱光Ｄ₀ とが含まれさらに正反射光も含まれて
いる。その光情報はビームスプリッター６０で２つに分
割され、一方の光情報は投影レンズ１の入射瞳と共役に
配置された空間フィルター６１で散乱光Ｄ₀ のみが開口
６１ａを介して抽出され、集光レンズ６２を介して光電
素子６３の受光面に集光される。ビームスプリッター６
０からの他方の光情報からは、投影レンズ１の入射瞳と
共役に配置された空間フィルター６４によって、マーク
Ｍax、Ｍbxからの回折光±Ｄのみが開口６４ａ、６４ｂ
を介して抽出され、その回折光±Ｄは２つの反射面６５
ａ、６５ｂを有するプリズム状のガラスブロック６５に
至る。反射面６５ａでは回折光＋Ｄ（＋１次光、２次
光、＋３次光）が反射され、その回折光＋Ｄは集光レン
ズ６６を介して光電素子６７の受光面に集光する。一
方、反射面６５ｂでは回折光−Ｄ（−１次光、−２次
光、−３次光）が反射され、その回折光−Ｄは集光レン
ズ６８を介して光電素子６９の受光面に集光する。

【００１７】さて、図６、図７はそれぞれ空間フィルタ
ー６１と６４の形状を示す平面図である。図６において
空間フィルター６１の中心部にはスポット光ＬＸＳの正
反射光の入射瞳上での光束分布ＬＸ' を示す。この空間
フィルター６１は投影レンズ１の入射瞳と共役であり、
その光束分布ＬＸ' はレーザ光の送光系にシリンドリカ
ルレンズを使ったため、空間フィルター６１上では、ス
ポット光ＬＸＳと直交する方向に細長く伸びたものとな
る。このような帯状スポット光の伸長方向と空間フィル
ター（瞳）上での正反射光の光束分布の伸長方向との関
係は、詳しく例えば特開昭５９−１３２１２６号公報に
開示されている。さて、空間フィルター６１はその正反
射光を遮断すると共に、スポット光ＬＸＳが誤差エッジ
Ｅ₁ 、Ｅ ₂ を照射したとき等に生じる散乱光Ｄ₀ を透過
するような開口６１ａ、６１ｂを有する。この開口６１
ａ、６１ｂはスポット光ＬＸＳの長手方向の中心軸を挾
んで対称的に、すなわち光束分布ＬＸ' の長手方向の左
右に位置するように設けられる。一方、図７に示した空
間フィルター６４についても、投影レンズ１の入射瞳と
共役に配置されるため、スポット光ＬＸＳのウェハＷか
らの正反射光の光束分布ＬＸ' は、空間フィルター６４
上でスポット光ＬＸＳと直交する方向に細長く伸びたも
のとなる。空間フィルター６４はその正反射光を遮断し
て、マークＭａ、Ｍｂからの回折光±Ｄを透過するよう
な開口６４ａ、６４ｂを有する。開口６４ａはマークＭ
ａ、Ｍｂからの＋１次光（＋Ｄ１）、＋２次光（＋Ｄ
２）、及び＋３次光（＋Ｄ３）を通すような大きさ、形
状に定められ、開口６４ｂはマークＭａ、Ｍｂからの−
１次光（−Ｄ１）、−２次光（−Ｄ２）、及び−３次光
（−Ｄ３）を通すような大きさ、形状に定められてい
る。このように回折光±Ｄを正の次数光と負の次数光と
に分けて、別々の光電素子６７、６９で受光すると、両
光電素子６７、６９からの光電信号ＳＡ、ＳＢを個別に
処理することができ、回折格子パターンの変化や劣化に
よる位置検出精度の低下を押えることが可能となる。

【００１８】次に光電素子６７、６９、６３からの各光
電信号ＳＡ、ＳＢ、ＳＣを入力する処理回路の一例を図
８により説明する。この処理回路は主制御装置５０に設
けられ、マイクロコンピュータやミニコンピュータ等の
演算処理部と協同して、マークＭａ、Ｍｂ、段差エッジ
Ｅ₁ 、Ｅ₂ の位置を検出する。図８において、光電信号
ＳＡは所定の増幅率を有するプリアンプ８０によって増
幅された後、利得制御アンプ（以下ＡＧＣと呼ぶ）８１
に入力する。

【００１９】ＡＧＣ８１は予めセットされた利得で入力
信号のレベルを調整して、信号ＳＡ' を出力する。一
方、光電信号ＳＢは同様のプリアンプ８２、ＡＧＣ８３
によって信号ＳＢ' に変換される。加算回路８４は、２
つの信号ＳＡ' とＳＢ' とをアナログ的に加算した信号
ＳＤを出力する。アナログ−デジタル変換器（以下、Ａ
ＤＣと呼ぶ）８５は信号ＳＤをサンプリングして、その
大きさ（レベル）に対応したデジタル値に変換する。ラ
ンダム・アクセス・メモリ回路（以下ＲＡＭと呼ぶ）８
６はＡＤＣ８５でサンプリングされたデジタル値を指定
された番地（アドレス）に記憶する。ＡＤＣ８５のサン
プリングとＲＡＭ８６のアドレス指定は、ともにレーザ
干渉計１０からのパルス信号ＳＰによって行なわれる。
パルス信号ＳＰはステージ３がｘ方向に単位量（例えば
0.０２μｍ）移動するたびに１パルスとなるようなパル
ス列であり、その１パルスに応答してＡＤＣ８５の１回
のサンプリングが行なわれるとともに、ＲＡＭ８６のア
ドレスがひとつだけ更新される。

【００２０】さて、光電信号ＳＣはプリアンプ８７、Ａ
ＧＣ８８によって増幅され、その信号ＳＣ' はＡＤＣ８
９によってサンプリングされた後、ＲＡＭ９０にアドレ
ス順に記憶される。ＡＤＣ８９のサンプリングとＲＡＭ
９０のアドレスの更新も、レーザ干渉計１０からのパル
ス信号ＳＰのパルスに応答して行なわれる。マイクロコ
ンピュータやミニコンピュータ等の演算処理部（以下Ｃ
ＰＵと呼ぶ）は、ＲＡＭ８６、ＲＡＭ９０からのデジタ
ル情報及びレーザ干渉計１０で読み取ったステージ３の
ｘ方向の位置情報（分解能は単位移動量で決まる）を入
力して、マークＭax、Ｍbx、段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ の位
置を検出するための演算処理をソフトウェアにより実行
する。本実施例においては、最終的にはレチクルＲの投
影像とウェハＷ上のチップＣＰとの位置合わせを行なう
ので、ＣＰＵ１００は検出したマーク位置情報とエッジ
位置情報とに基づいて、ステージ３の位置決め用のモー
タ５、６を制御する。またＣＰＵ１００は本発明におけ
る制御信号作成手段としての機能を有し、ＡＧＣ８１、
８３、８８の夫々の利得（ゲイン）を個別に可変するた
めの指令、すなわち、利得制御信号も出力する。

【００２１】以上のような構成において、ＲＡＭ８６に
はマークＭax、Ｍbx等からの回折光のｘ方向に関する強
度分布が位置に対応して記憶されることになる。またＲ
ＡＭ９０には、段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ あるいはマークＭ
ax、ＭbxのエッジＥ₁ 、Ｅ₂ と平行な段差部からの散乱
光のｘ方向に関する強度分布が位置に対応して記憶され
ることになる。尚、ＡＧＣ８８は特に精密なものを設け
る必要はないが、ウェハＷ上のレジストの影響や、その
下地の素材等によって散乱光の強度が大きく変化する場
合もあるので、例えば２〜３段階程度で利得を切替えら
れるアンプにしておくとよい。一方、ＡＧＣ８１と８３
はある程度精密な利得切替えのできるものが望ましい。
これは先にも述べたように、ウェハＷ上の回折格子パタ
ーン（マークＭａ、Ｍｂ）の変形、劣化に対処する必要
があるためである。例えばスポット光ＬＸＳの幅をマー
クＭax、Ｍbxの幅ｄ₂ と等しくして、マークＭax、Ｍbx
とスポット光ＬＸＳと相対的にｘ方向に走査したとき、
光電信号ＳＡ、ＳＢの波形は共にガウス状の波形にな
る。もし回折格子パターンに変形劣化がなければ、光電
信号ＳＡ、ＳＢのガウス波形の大きさやｘ方向に関する
位置は正確に一致するが、回折格子パターンの変形の程
度によっては、光電信号ＳＡ、ＳＢのガウス波形の大き
さが異なり、ｘ方向に関する位置も微小にずれることが
ある。（光電信号ＳＡ、ＳＢの位置ずれ）さらに両光電
信号のガウス波形の歪み具合が異なる場合もある。本実
施例のようにマークＭａ、Ｍｂが直格子パターンの場
合、あるいは特開昭５７−１９７２６号公報に開示され
たような斜め４５°の微小線要素の集合からなる斜格子
パターンの場合、光電信号ＳＡ、ＳＢの夫々のガウス波
形の大きさが異なることは、そのまま検出精度の低下を
意味する。そこで本実施例ではＡＧＣ８１と８３を設け
て、光電信号ＳＡ、ＳＢの波形の大きさが異なるような
場合、ＡＧＣ８１、８３の利得を制御して信号ＳＡ' 、
ＳＢ' の波形の大きさを揃えた上、加算回路８４で加算
合成するようにした。

【００２２】次に本実施例の動作を図９のフローチャー
ト図を参照して説明するが、ここではウェハＷの機械的
なプリアライメントとグローバルアライメントが終了し
て、各チップＣＰ毎のアライメント（イーチアライメン
ト、又はステップアライメント）を行なう段階について
説明する。まず、ＣＰＵ１００は、露光すべきチップＣ
Ｐに付随したｘ方向アライメントマークとスポット光Ｌ
ＸＳとが平行に整列するように、ステージ３の位置決め
を行なう。（ステップ２００）このときの状態を図１０
に示す。図１０において、スポット光ＬＸＳはマークＭ
axの左側に所定の間隔をあけて位置する。この段階にお
ける位置決めは、グローバルアライメントの精度に依存
するが、概ね１μｍ以下の誤差で達成される。そこでＣ
ＰＵ１００はそのときのステージ３のｘ方向の位置をレ
ーザ干渉計１０から読込、走査開始点Ｃxoとして記憶す
るとともに、ＲＡＭ８６、９０が、例えば０番地から、
デジタル値の書き込み動作を行なうような指令も出力す
る。また図１０に示したｘ方向アライメントマークは図
１に示したものと同一であり、ここでは距離ｌ₁ とｌ₂
とは共に間隔ｘ₁ で等しいものとする。従って、図２に
示したマーク配置からも明らかなように段差エッジＥ₂
の延長線はチップＣＰの中心（チップセンター）を通
る。

【００２３】次にＣＰＵ１００はスポット光ＬＸＳとｘ
方向アライメントマークとの相対的な走査を開始する。
（ステップ２０１）これは、スポット光ＬＸＳに対して
ステップ３をｘ方向に移動することによって行なわれる
ので、以下この動作をステージスキャンと呼ぶ。ステー
ジスキャンはスポット光ＬＸＳがマークＭax、段差エッ
ジＥ₂ 、マークＭbx、及び段差エッジＥ₁ を横切るのに
十分な距離だけ行なわれる。その距離はｌ₁ 、ｌ₂ 、ｌ
₃ の合計の長さによって決まるが、一例としては１００
μｍ程度である。そしてステージスキャンの間、ＡＤＣ
８５、８９は夫々信号ＳＤ、ＳＣ' のサンプリングを行
ない、その結果は夫々ＲＡＭ８６、９０に番地順に記憶
される。ステージスキャンの距離を１００μｍ、サンプ
リング間隔（単位移動量）を0.０２μｍとすると、サン
プリング点数は５０００（０〜５０００番地）になる。
こうしてステージスキャンが終了した時点で、ＲＡＭ８
６には図１１（ａ）に示すような分布波形が記憶され、
ＲＡＭ９０には図１１（ｂ）に示すような分布波形が記
憶される。図１１（ａ）、（ｂ）とも横軸は位置ｘを表
わすが、これはＲＡＭ８６、９０の番地と一義的に対応
している。また縦軸はそれぞれ回折光強度（信号ＳＤの
レベル）Ｉと散乱光強度（信号ＳＣ' のレベル）Ｊとを
表わす。図１１（ａ）からも明らかな如く、スポット光
ＬＸＳとマークＭaxが一致した走査位置Ｃ₁ において、
回折光強度Ｉはピーク（理想的にはガウス波形のピーク
点）になり、さらにスポット光ＬＸＳとマークＭbxが一
致した走査位置Ｃ₂ において回折強度Ｉはピークにな
る。マークＭax、ＭbxはそもそもウェハＷ上に存在する
凹凸パターンとの認識率を高めるために回折格子とした
ので、マーク形状の劣化が少なければ、それらピーク波
形のＳ／Ｎ比はかなり良好である。

【００２４】次にＣＰＵ１００は、ＲＡＭ８６に記憶さ
れた分布波形を読み込んで、位置Ｃ ₁ とＣ₂ を検出す
る。（ステップ２０２）これは例えば、図１１（ａ）に
示した分布波形を一定のスライスレベルで切り、ピーク
波形の幅の２等分点を位置Ｃ₁ 、Ｃ₂ として検出する方
法、分布波形を一時微分して微分波形上のゼロクロス点
を位置Ｃ₁ 、Ｃ₂ として検出する方法、あるいは分布波
形中のピーク波形部分を積分して、ピーク波形の重心を
位置Ｃ₁ 、Ｃ₂ として検出する方法等によって適宜求め
られる。その方法自体は特に限定されるものではない。

【００２５】次にＣＰＵ１００はマークＭax、Ｍbxがプ
ロセスによって変形、劣化している層（レイヤ）なのか
歪かを判断する。（ステップ２０３）この判断はオペレ
ーターが経験的に知り得たことを予めＣＰＵ１００に記
憶しておくことによって自動的に行なわれる。例えば第
２層、第３層についてはプロセスによるマーク変形がほ
とんどなく、工程が進むにつれてマークＭax（凸状パタ
ーン）のみの変形が目立ち、最終層の工程のときには、
マークＭaxは著しく劣化し、マークＭbx（凹状パター
ン）の方も変形が目立つ、というような場合、ＣＰＵ１
００には一例として第２層、第３層についてはマークＭ
ax、Ｍbxの両マークのみを使い、それ以降の層について
はマークＭbxのみを使い、最終層については、散乱光情
報や加味してマークＭbx以外に段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ も
使うような判断情報が記憶される。また、マークＭax、
Ｍbxの変形、劣化が予測できないような場合は、図３中
のアライメント光学系を介して各マークの状態をテレビ
カメラ等で観察し、オペレーターが適宜ＣＰＵ１００に
どのような処理を行なうかの指令を与えるという方法で
も同様である。

【００２６】さて、ステップ２０３でプロセスによる影
響が少なく、マークＭax、又はＭbxからの回折光信号の
歪みが極めて少ないと判断されたときは、さらにマーク
Ｍax、Ｍbxの両方を使うか片方を使うかを判断する。
（ステップ２０４）もともと回折光の光電信号はＳ／Ｎ
比が良好であるため、変形、劣化がなければ高い位置検
出精度が得られる。そこで、２つのマークＭax、Ｍbxが
ともに変形していなければ、この２つのマークのみを使
ってｘ方向アライメントマークのｘ方向の位置Ｘｅを検
出する。（ステップ２０５）すなわち、スポット光ＬＸ
ＳがマークＭaxとＭbxとの丁度中心に位置したとき、チ
ップセンターと光軸ＡＸとがｘ方向の位置に関して一致
することになるので、ＣＰＵ１００はこのステップ２０
５において、以下の式に基づいて位置Ｘｅを算出する。

【００２７】Ｘｅ＝Ｃ₁ ＋Ｃ₂ ／２ またマークＭaxの変形は著しいが、マークＭbxには目立
った変形が見られない場合（逆の場合もあり得る）、変
形のないマークＭbxのみを使って位置Ｘｅを検出する。
（ステップ２０６）マークＭbxは、チップセンターを通
るｙ軸と平行な線からｘ方向に＋ｘ₁ （ｌ₂ ）だけシフ
トしているので、この場合位置Ｘｅは以下の式に基づい
て算出される。

【００２８】Ｘｅ＝Ｃ₂ −ｘ₁ さて、ステップ２０３で散乱光情報も使うと判断された
場合、ＣＰＵ１００は回折光強度の分布波形から求めた
マークＭax、Ｍbxの位置Ｃ₁ 、Ｃ₂ と、マークＭax、Ｍ
bxから段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ までの各距離に関する設計
値とに基づいて、散乱光強度の分布波形中で段差エッジ
Ｅ₁ 、Ｅ₂ によって生じたピーク点に対応する走査位置
Ｃ₅ 、Ｃ₈ を検出する。（ステップ２０７）図１１
（ｂ）に示すように、散乱光はウェハＷ上に何らかの凹
凸段差が存在しさえすれば、かならず発生する。

【００２９】換言すればウェハＷ上の段差検出に関して
感度がよいことを意味する。このためマークＭax、Ｍbx
のｙ方向に微小に伸びた段差エッジ部の集合からの散乱
光によって、位置Ｃ₃ 、Ｃ₄ と位置Ｃ₆ 、Ｃ₇ とにマー
クＭax、Ｍbxに対応したピーク波形も得られる。さらに
ウェハＷの表面が粗くなっていた場合も、小さなピーク
波形が得られる。特にマークＭax、Ｍbxが変形、劣化す
るほどのプロセスの影響があると、散乱光強度Ｉの分布
波形は、図１１（ｂ）のようにＳ／Ｎ比のよい形では得
られず、全体的にピークのレベルが低くなり、かつノイ
ズとなるピークが多数現われることになる。これは本実
施例において段差エッジ部からの正反射光束の近傍の散
乱光を検出する構成にしたため、散乱光信号の強度が段
差エッジの斜面の傾きに大きく依存するからである。こ
のためプロセスの影響で斜面の傾きが変化すると、段差
エッジＥ₁ 、Ｅ₂ によるピーク波形が小さくなり、ノイ
ズとなるピーク波形の中にうもれてしまうこともある。
このように散乱光情報そのものはウェハＷの表面の凹凸
状態を高感度に反映したものとなり、散乱光情報のみで
様々に変化するウェハ表面上の段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ の
位置Ｃ₅ 、Ｃ₈ を誤りなく検出することは、ハードウェ
アあるいはソフトウェアを駆使したとしてもかなり難し
いことである。そこで本実施例では、ステップ２０７に
おいて、ＣＰＵ１００はまずマークＭax、又はＭbxの位
置Ｃ₁ 、Ｃ₂ に対する段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ の設計上の
位置を算定する。例えば段差エッジＥ₂ は位置（Ｃ₁ ＋
ｌ₁ ）、又は（Ｃ₂ −ｌ₂ ）の近傍に存在するはずだ
し、段差エッジＥ₁ は位置（Ｃ₂ ＋ｌ₃ ）又は（Ｃ₁ ＋
ｌ₁ ＋ｌ₂ ＋ｌ₃ ）の近傍に存在するはずである。次に
ＣＰＵ１００はその算定した位置、ここでは説明を簡単
にするためエッジＥ₂ については位置（Ｃ₂ −ｌ₂ ）、
エッジＥ₁ については位置（Ｃ₂ ＋ｌ₃ ）を用い、その
算定位置を中心に前後の微小区間±Δｘについて図１１
（ｂ）に示した散乱光強度の分布波形を調べる。すなわ
ち、この微小区間±Δｘ内に何らかのピークが存在すれ
ばそれはエッジＥ₁ 、Ｅ₂ によって生じたものと判断さ
れ、そのピーク点をエッジＥ₁ 、Ｅ₂ の位置Ｃ₅ 、Ｃ₈
として検出する。このように、回折光情報に基づいて検
出した位置Ｃ₁ 、Ｃ₂ を使って散乱光情報の分布波形の
調査範囲を制限（ゲート）することによって、Ｓ／Ｎ比
の悪い散乱光情報であっても正確に、かつ高速にエッジ
Ｅ ₁ 、Ｅ₂ の位置が検出できる。尚、微小区間±Δｘ
は、例えばスポット光ＬＸＳのｘ方向の幅程度にするこ
とが望ましい。

【００３０】次にＣＰＵ１００は検出した位置Ｃ₅ 、Ｃ
₈ に基づいて、矩形パターンＰcxのｘ方向の中心位置Ｘ
ｇを次の式により求める。（ステップ２０８） Ｘｇ＝Ｃ₅ ＋Ｃ₈ ／２ もし、段差エッジＥ₁ とマークＭbxとの距離ｌ₃ を距離
ｌ₂ と等しく定めたのなら、位置ＸｇはマークＭbxの位
置Ｃ₂ でもある。ただし、位置Ｃ₂ はマークＭbxの変
形、劣化が著しく回折光強度の分布波形上、ピークが小
さく、歪みが多い場合は必らずしもマークＭbxの正確な
中心位置とは一致していない。ところが段差エッジ
Ｅ₁ 、Ｅ₂ の中心を求める方法で検出した位置Ｘｇはマ
ークＭbxの中心位置とよく一致する。これはスポット光
ＬＸＳが帯状に細長いことと、連続した直線的な段差エ
ッジＥ₁ 、Ｅ₂がプロセスによって大きな変形を受けな
いことに起因している。このことを図１２を用いて説明
する。プロセスの影響でマークＭax、Ｍbxの微小矩形パ
ターンＰａ、Ｐｂが変形し、矩形パターンＰcxの段差エ
ッジＥ₁ 、Ｅ₂ が微小な不整を伴なって変形したものと
する。ただし段差エッジＥ ₁ 、Ｅ₂ については本来の位
置から共に微小量Δαだけ内側にやせ細ったものとす
る。このような現象はウェハプロセスにおいてたびたび
見られ、特別な現象ではない。この場合、回折光強度Ｉ
の分布波形上でマークＭax、Ｍbxに対応するピーク波形
はレベルも小さく、歪みを含んでいる。このため検出さ
れるマークＭax、Ｍbxの位置は設計上の位置に対して微
小量Δβ、Δβ' だけシフトしてしまう。一方、エッジ
Ｅ₁ 、Ｅ₂ については微小な不整が伴なうものの、スポ
ット光ＬＸＳがｙ方向に細長いため、その不整を平均化
した位置として検出されることになる。すなわち帯状ス
ポット光による平滑化効果によって、エッジの位置検出
精度はそれ程低下しない。従ってエッジＥ₁ 、Ｅ₂ の検
出位置の中心を求めることによって、両エッジの細りΔ
αの誤差分が相殺され、極めて精密に矩形パターンＰcx
の位置Ｘｇが求められる。

【００３１】以上のようにして位置Ｘｇが求まったら、
ＣＰＵ１００はｘ方向アライメントマークの位置Ｘｅを
次の式によって算出する。（ステップ２０８） Ｘｅ＝Ｘｇ−ｌ₂ 以上、いくつかの方法でｘ方向アライメントマークの位
置Ｘｅを検出したが、その結果はＣＰＵ１００がモータ
５を制御して、ステージ３のｘ方向の位置決めを行なう
ために使われる。具体的には、レーザ干渉計１０から読
み込んだ位置が位置Ｘｅと一致するまでモータ５を駆動
してステージ３を移動させる。これによってレチクルＲ
の回路パターンの投影領域Ｐｒ（図４参照）と１つのチ
ップＣＰとがｘ方向に関して精密に重なり合う。尚、ｙ
方向に関してもスポット光ＬＹＳとｙ方向アライメント
マークとを相対的に走査して、全く同様に位置検出、及
び位置合わせが行なわれる。

【００３２】本実施例の動作のように、マークＭax、Ｍ
bxの変形が少ないときは、そのマークを使って位置検出
し、変形があるときはさらに段差エッジを使って位置検
出するように選択することによって、高速処理と高精度
検出という相反する条件を高次元でバランスさせること
ができるという利点がある。次に本実施例に示したＡＧ
Ｃ８１、８３（図８参照）の動作についてさらに詳述す
る。先にも簡単に説明したように、回折格子パターンが
プロセスの影響で変形すると、光電信号ＳＡ、ＳＢのピ
ーク位置がわずかではあるがずれて、その両信号の大き
さも異なることがある。図１３は回折格子状のマーク
（直格子）の変形の一例を示す平面図である。図１３
（ａ）は変形のない理想的なマークを示し、ここでは凸
状の微小矩形パターンＰａがｙ方向に集合したものとす
る。回折光±Ｄの発生に寄与するエッジＥＰ₁ 、ＥＰ₂
はｘ方向と平行に伸びていて、このような場合、２つの
光電信号ＳＡ、ＳＢの位置ずれはない。ところが、矢印
１５０のように、プロセスの進行方向がエッジＥＰ₁ 、
ＥＰ₂ と斜めに交差する方向だと、微小矩形パターンＰ
ａは例えば図１３（ｂ）のように全体的に角がなまり、
エッジＥＰ₁ 、ＥＰ₂ もプロセスの進行方向に沿うよう
な斜めになってしまう。このように変形したマークにレ
ジストが塗布され、エッジＥＰ₁ 側とＥＰ₂ 側とでレジ
スト厚が異なった場合、スポット光で相対走査すると、
光電信号ＳＡ、ＳＢは図１４（ａ）、（ｂ）に示すよう
に位置ずれと大きさ（ピークレベル）のちがいを伴なっ
たものとなる。光電信号ＳＡはマークの本来の位置Ｘｏ
からずれた位置Ｘａにてピークとなり、そのピーク値は
Ｉａである。一方光電信号ＳＢは位置Ｘｏからわずかに
反対方向にずれた位置Ｘｂにてピークとなり、そのピー
ク値はＩａよりも大きなＩｂになる。そこで、このよう
な場合は、ＣＰＵ１００からの指令でＡＧＣ８１のゲイ
ンを高め（逆にＡＧＣ８３のゲインを低めても同様）、
光電信号ＳＡのピーク値Ｉａ' をＩｂに揃える。すなわ
ち図１４の右半分に示すように２つの光電信号の大きさ
が同一になるように調整する。光電信号ＳＡ、ＳＢの波
形はスポット光のガウス分布に従って、左右対称的な波
形となる。このように２つの波形の夫々の対称性がとも
に保存されているか、あるいは一方の波形を位置Ｘｏを
中心に裏がえしたとき他方の波形と重なり、かつピーク
レベルの大きさも揃っていれば、位置Ｘｏからのずれが
あったとしても、加算合成した信号ＳＤの波形には位置
Ｘｏを中心とした対称性が保存されることになる。とこ
ろが図１４の左半分の波形のように２つの波形のピーク
レベルが異なったまま加算合成してしまうと、信号ＳＤ
の波形は非対称になる。このような波形の非対称性は、
マークの中心位置検出の精度を低下させる大きな原因と
なる。

【００３３】本実施例のようなＡＧＣ８１、８３によっ
て光電信号ＳＡ、ＳＢのレベルを揃えることによって、
変形したマークに対しても高精度な位置検出が可能とな
る。また、１枚のウェハＷ上においても、そのウェハ内
のマークの位置や方向によってプロセスの影響の受け方
が異なる場合もあるので、ウェハＷ上のチップの配列座
標位置に対応付けてＡＧＣ８１、８３の各ゲインをＣＰ
Ｕ１００で調整するようにすれば、ウェハＷ上の各チッ
プ毎のアライメントが極めて正確になるという利点があ
る。そのためには予めＣＰＵ１００にチップの配列座標
に対するゲイン設定量を記憶させておくことが望まし
い。

【００３４】以上、本発明の実施例を説明したが、次に
本発明の他の実施例を説明する。アライメントマークと
スポット光とは相対的に走査させればよいので、ガンバ
ノミラー、振動ミラーあるいは回転ポリゴンミラー等に
よってスポット光をアライメントマークに対して往復走
査、あるいは直線走査するようにしてもよい。またウェ
ハＷ上のアライメントマークを投影レンズ１を介するこ
となく、別設した専用の顕微鏡で検出するような場合も
全く同様である。さらに図５に示した散乱光を受光する
光電素子６３は好ましくは空間フィルター６１の２つの
開口６１ａと６１ｂに対応して２つに分離するとよい。
具体的には図５に示した空間フィルター６１の後に、図
１５に示すように、プリズム６５と同様の反射プリズム
７０を配置し、開口６１ａを通ってきた散乱光Ｄ₀ を集
光するレンズ７１ａと受光素子６３ａを設け、開口６１
ｂを通ってきた散乱光Ｄ₀ を集光するレンズ７１ｂと受
光素子６３ｂを設ける。そして両受光素子６３ａ、６３
ｂの各光電信号ＳＣａ：ＳＣｂを増幅した後、別々にア
ナログ−デジタル変換器でデジタル値に変換して、別々
のメモリに記憶する。そしてＣＰＵ１００で段差エッジ
Ｅ₁ の位置を検出するときは、例えば受光素子６３ａか
らの光電信号の波形を使い、段差エッジＥ₂ の位置を検
出するときは受光素子６３ｂからの光電信号の波形を使
う。このようにすると、段差エッジの位置検出精度の向
上が期待できる。

【００３５】ところで回折光検出用の光電素子６７、６
９の代りに、図１６（ａ）に示すように、同一の半導体
基板上に回折光＋Ｄと−Ｄとを別々に受けるような２つ
の受光面７５ａと７５ｂを形成したデュアル・タイプの
光電素子７５を、空間フィルター６４の位置に配置して
も同様の効果が得られる。この光電素子７５は受光面７
５ａと７５ｂの間にスポット光ＬＸＳのウェハＷからの
正反射光の光束分布ＬＸ' が位置するように、投影レン
ズ１の入射瞳と共役に配置される。

【００３６】また、図５に示したプリズム６０に入射す
る光情報には回折光と散乱光とが空間的に分離して含ま
れている。そこで図１６（ｂ）に示すように同一の半導
体基板上に回折光＋Ｄと−Ｄとを夫々別々に受ける受光
面７６ａ、７６ｂを形成し、散乱光Ｄ₀ を受ける２つの
受光面７６ｃ、７６ｄ（図１５の受光素子６３ａ、６３
ｂに相当する）を形成したクォード・タイプの光電素子
７６をプリズム６０の代りに投影レンズ１の入射瞳と共
役に配置してもよい。このようにすると、複数の光電素
子間の電気的な特性が揃っているので、経時的な誤差が
少なく、安定した光電検出ができる。

【００３７】また、散乱光検出用の光電素子は投影レン
ズ、又は顕微鏡対物レンズを通ってきた散乱光を受光す
るのではなく、例えば特公昭５６−２５９６４号公報に
開示されているように、それらレンズの周辺に複数に分
離して配置してもよい。尚、回折光検出用の光電素子６
７、６９（又は受光面７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６
ｂ）からの各光電信号ＳＡ、ＳＢは加算回路８４でアナ
ログ的に合成したが、合成しない方法もある。それは光
電信号ＳＡ、ＳＢの波形を別々のメモリに記憶した後、
両メモリ上で２つの波形（図１４と同等）の各ピーク位
置（又は重心位置）を検出し、その両位置の平均値（中
点）を取ることによって、回折格子状のマークの中心位
置が求められる。もちろん、両メモリ上で波形のピーク
レベルを揃えるように規格化した後、デジタル的に加算
すれば、加算回路８４、ＡＧＣ８１、８３の機能をその
ままソフトウェアで実現したことになる。

【００３８】先にも述べたように振動ミラー等を使っ
て、スポット光を微小振幅で単振動させる場合は、レー
ザ走査型光電顕微鏡のように光電信号を同期検波するこ
とによって回折格子マーク、又は段差エッジを検出する
こともできる。その場合、光電素子６７、６９から（又
は受光面７５ａ、７５ｂ、７６ａ、７６ｂ）の光電信号
ＳＡ、ＳＢの処理回路の一例は図１７のようになる。

【００３９】プリアンプ８０、８２は図８と同様に変調
された光電信号ＳＡ、ＳＢを一定量だけ増幅する。増幅
された光電信号ＳＡはＡＧＣ８１、８３、８８等と同等
の電圧制御増幅器（以下、ＶＣＡと呼ぶ）１６０に入力
する。一方、増幅された光電信号ＳＢはさらにアンプ１
６１に入力する。ＶＣＡ１６０の出力信号とアンプ１６
１の出力信号とは夫々アナログ加算器１６２に入力して
加算された後、位相同期検波回路（以下、ＰＳＤと呼
ぶ）に出力される。またＶＣＡ１６０の出力信号とアン
プ１６１の出力信号とは共に交流信号があるので、それ
ぞれピーク・ピーク検出回路（以下Ｐ−Ｐ回路と呼ぶ）
１６３と１６４に入力する。Ｐ−Ｐ回路１６３、１６４
は夫々交流波形上の最大値と最小値との差の絶対値に応
じたアナログ電圧を出力する。差動アンプ１６５はＰ−
Ｐ回路１６３、１６４からのアナログ電圧の差分に応じ
た電圧を制御信号としてＶＣＡ１６０に出力する。尚、
差動アンプ１６５はＰ−Ｐ回路１６３、１６４からの２
つのアナログ電圧が等しくなるように、ＶＣＡ１６０の
増幅率を調整するための制御信号（電圧）を出力するよ
うに構成される。

【００４０】このような処理回路によれば、回折格子マ
ークが変形して、光電信号ＳＡ、ＳＢに波形上の位置ず
れとレベル差とが発生しても、スポット光がマークを振
動走査している間は、ＶＣＡ１６０の出力信号とアンプ
１６１の出力信号とが常に同じレベルになるので、ＰＳ
Ｄによる位置検出精度は一定に保たれる。また、段差エ
ッジＥ₁ Ｅ₂ からの散乱光を検出するかわりにスポット
光ＬＸＳ、（ＬＹＳ）による正反射光の量を光電検出す
る方法も有効である。この場合は図５に示した配置で、
図６のような形状の空間フィルター６１を、図１８のよ
うな空間フィルター６１' にするだけでよい。空間フィ
ルター６１' は投影レンズ１の入射瞳上におけるスポッ
ト光ＬＸＳの正反射光分布ＬＸ' に合わせた開口６１'
ａを有する。このような空間フィルター６１' を設けた
場合、光電素子６３の光電信号ＳＣは段差エッジＥ₁ 、
Ｅ₂ やその他の凹凸の段差部でレベルが極小（ボトム）
となり、その他の平面部では一定のレベルとなるような
波形になる。その波形のみを使って段差エッジＥ₁ 、Ｅ
₂ を正確に検出することは、プロセスの影響等を考慮す
るとなかなか難しいことではあるが、図９で示した処理
のように、回折光情報に基づいて正反射光情報にゲート
をかけることによって極めて容易に段差エッジＥ₁ 、Ｅ
₂ の位置を検出することができる。

【００４１】次に位置検出のために好適な他のアライメ
ントマークの形状及びスポット光の形状について説明す
る。図１に示したアライメントマークにおいて、凸状の
微小矩形パターンＰａの集合からなるマークＭａを省略
した形状としたもよい。この場合、回折格子パターンは
マークＭｂしかないので、段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ を使っ
た位置検出（図９のステップ２０７、２０８）を主に実
施することが望ましい。また段差エッジＥ₁ 、Ｅ₂ を得
るための矩形パターンＰｃのかわりに図１９に示すマー
クＭ₂ のように単純な線状マーク（バーマーク）にして
もよく、その配置も回折格子パターンの付近ならどこに
形成してもよい。さらに、その段差エッジと回折格子マ
ークとは必らずしも平行にしておく必要はなく、任意の
角度で交差するように互いに斜めにしてもよい。その一
例を図１９に示す。図１９において、マークＭ₁ はｘ、
ｙ方向に対して４５°傾いた回折格子パターンであり、
微小線要素はｘ方向に伸びている。マークＭ₂ はマーク
Ｍ₁ と９０°で交差するように形成されたバーマークで
ある。一方、このようなアライメントマークを検出する
ためのスポット光ＳＰａ、ＳＰｂは９０°で交差するよ
うな帯状スポットであり、このスポット光ＳＰａ、ＳＰ
ｂは同時にアライメントマークを走査する。その走査方
向はｘ方向と一致する。このような構成において、スポ
ット光ＳＰａ、ＳＰｂがマークＭ₁ を横切るとき、スポ
ット光ＳＰａとマークＭ₁ の方向が一致しているので回
折光±Ｄが発生する。さらに走査が進むスポット光ＳＰ
ａ、ＳＰｂがマークＭ₂ を横切るとき、スポット光ＳＰ
ｂとマークＭ₂ の方向が一致しているので、マークＭ₂
の直線エッジから散乱光Ｄ₀ が発生する。そこで先の実
施例の処理方法と同様に回折光情報に基づいて散乱光情
報をゲートすれば、同様に高精度な位置検出が可能であ
る。

【００４２】

【発明の効果】以上本発明によれば、アライメントすべ
き基板上に形成されたアライメントマークからの光情報
（回折光、散乱光、正反射光）の強度が、基板上でのマ
ーク配置に応じて大きく変化するような場合でも、マー
ク位置計測に使用する際には最適なレベルに調整されて
いるので、常に安定したマーク位置検出が可能なり、同
一基板上の複数位置のマークを検出したときの位置計測
精度の再現性が極めて良好になるといった効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するのに好適なアライメントマー
クの形状を示す部分斜視図

【図２】ウェハ上のチップとアライメントマークとの配
置関係を示す平面図

【図３】本発明の実施例による位置検出装置を用いるの
に好適な投影型露光装置の概略的な斜視図

【図４】投影レンズのイメージフィールドとスポット光
との配置関係を示す平面図

【図５】光電検出部の具体的な構成を示す配置図

【図６】散乱光検出用の空間フィルターの平面図

【図７】回折格子検出用の空間フィルターの平面図

【図８】信号処理回路の具体的な構成を示す回路ブロッ
ク図

【図９】位置検出の手順を説明するフローチャート図

【図１０】アライメントマークとスポット光との配置関
係の一例を示す平面図

【図１１】回折光の強度分布と散乱光の強度分布とを示
す波形図

【図１２】プロセスの影響を受けたアライメントマーク
の形状と、そのときの回折光の強度分布波形とを示す図

【図１３】回折格子パターンのプロセスの影響の受け方
を模式的に示す平面図

【図１４】回折光情報の光電信号ＳＡ、ＳＢのゲイン制
御の様子を説明する波形図

【図１５】散乱光情報の受光系の他の実施例を示す配置
図

【図１６（ａ）、（ｂ）】回折光情報又は散乱光情報を
受ける受光素子の他の実施例を示す平面図

【図１７】位相同期検波方式の信号処理系におけるゲイ
ン制御の一例を示す回路図

【図１８】正反射光を検出するための空間フィルターの
形状を示す平面図

【図１９】アライメントマークとスポット光との他の形
状を示す平面図

【主要部分の符号の説明】

Ｍａ、Ｍｂ、Ｍax、Ｍbx、Ｍay、Ｍby、Ｍ₁ 回折格子
マーク Ｅ₁ 、Ｅ₂ 段差エッジ ＬＸＳ、ＬＹＳ 帯状スポット光 Ｄ₀ 散乱光 ±Ｄ 回折光 ６３、６７、７９ 光電素子 ８１、８３、８８ 可変利得増幅器（ＡＧＣ） １００ 演算処理回路（ＣＰＵ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクのパターンを感光基板上の複数の
   被露光領域の夫々に順次重ね合わせ露光するのに先立っ
   て、前記被露光領域に付設されたアライメント用のマー
   クをマーク検出手段によって光電検出し、その光電信号
   に基づいて前記被露光領域と前記マスクとを位置合わせ
   制御手段によって相対的にアライメントする露光装置に
   おいて、前記光電信号に対する利得を制御信号に応答し
   て調整した後、前記位置合わせ制御手段へ出力する可変
   利得増幅器と；前記マーク検出手段によってマークを検
   出する際、該マークに対応した被露光領域の配列位置に
   応じて、前記可変利得増幅器に印加すべき前記制御信号
   の値を変更する制御信号作成手段とを備えたことを特徴
   とする感光基板の露光装置。
2. 【請求項２】 前記制御信号作成手段は、前記感光基板
   上の複数の被露光領域の各配列位置に応じて前記制御信
   号の値を予め記憶する手段を含むことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記マーク検出手段は、前記マークから
   発生した回折光の正次数と負次数とを個別に受光する少
   なくとも２つの光電素子を有し、前記可変利得増幅器は
   前記２つの光電素子の各光電信号の夫々に対して独立に
   設けられ、前記制御信号作成手段は前記２つの光電信号
   の夫々に対する利得を個別に調整するように、前記制御
   信号を作成することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記位置合わせ制御手段は、前記可変利
   得増幅器によって個別に利得調整された後の前記２つの
   光電素子からの各光電信号を加算する加算器を含むこと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の装置。