JPH07183187A

JPH07183187A - アライメント装置

Info

Publication number: JPH07183187A
Application number: JP5323515A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1995-07-21

Abstract

(57)【要約】【目的】大きく異なるピッチを有するウエハマークの
位置検出をそれぞれ高いＳＮ比で行う。【構成】レーザ光源３１からのレーザビームは２分割
された後、それぞれＡＯＭ３４Ａ，３４Ｂで周波数変調
されて空間フィルタ３６Ａ，３６Ｂ上の集光点３７Ａ，
３７Ｂ上に集光される。集光点３７Ａ，３７Ｂから射出
されたレーザビームＬ１，Ｌ２が、ビームスプリッタ３
８、リレーレンズ系３９，４０、及び対物レンズ４４を
経てウエハ９上のウエハマークＷＭ１上に所定の交差角
で照射され、ウエハマークＷＭ１からの１対の回折光の
干渉光が光電検出器４６により受光される。ウエハマー
クＷＭ１のピッチが変化したときには、リレーレンズ系
３９，４０の倍率を変える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所謂２光束干渉方式の
アライメント装置に関し、特に半導体素子等を製造する
ための露光装置のアライメント系に適用して好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子等の微細パターン
をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、レチクル
（又はフォトマスク）のパターンをフォトレジストが塗
布されたウエハ上に露光する露光装置が使用されてい
る。一般に半導体素子等はウエハ上に多数層の回路パタ
ーンを積み重ねて形成されると共に、パターンの集積度
が益々向上しているため、ウエハ上にそれまでに形成さ
れたチップパターンとこれから露光されるレチクルのパ
ターンとを高精度に重ね合わせるためのアライメント装
置についても、要求される重ね合わせ精度が益々高まっ
ている。

【０００３】このよう高い重ね合わせ精度が得られるア
ライメント装置として、例えば特開平３−９２０４号公
報等で開示されているように、所謂２光束干渉型のアラ
イメント装置が知られている。図４は、従来の２光束干
渉型のアライメント装置を備えた投影露光装置を示し、
この図４において、照明光学系１からの露光光により、
レチクルステージ３上のレチクル２が照明されている。
レチクルステージ３の座標及び回転角はレチクル側の干
渉計４により常時計測され、この計測結果がサーボ系５
に供給され、サーボ系５は駆動モータ６を介してレチク
ルステージ３の動作を制御する。

【０００４】レチクル２のパターン領域を通過した露光
光は、ダイクロイックミラー７及び投影光学系８を介し
てウエハステージ１０上に保持されたウエハ９上に照射
され、ウエハ９上のショット領域にレチクル２のパター
ン像が投影露光される。ウエハステージ１０は、投影光
学系８の光軸に平行なＺ方向にウエハ９の位置決めを行
う。更にウエハステージ１０は、Ｚ軸に垂直なＸＹ平面
内でステップ・アンド・リピート方式でウエハＷの位置
決めを行い、ウエハ上の１つのショット領域への露光が
終了すると、次のショット領域へステッピングを行う。
ウエハステージ１０のＸＹ平面内での座標及び回転角は
ウエハ側の干渉計１１により常時計測され、この計測結
果がサーボ系５に供給され、サーボ系５は駆動モータ１
２を介してウエハステージ１０の動作を制御する。レチ
クルステージ３及びウエハステージ１０の目標座標は、
装置全体の動作を制御する制御系１３からサーボ系５に
設定される。

【０００５】また、ウエハ９上の各ショット領域には、
Ｘ方向に所定ピッチで形成された回折格子状のアライメ
ントマーク（Ｘ軸用のウエハマーク）ＷＭ、及びＹ軸用
のウエハマーク（不図示）が付設されている。以下で
は、Ｘ軸用のウエハマークＷＭの位置検出を行うための
アライメント光学系につき説明する。このアライメント
光学系において、レーザ光源１４から射出されたレーザ
ビームは、ビームエクスパンダ１５により所定のビーム
径に拡大された後、ビームスプリッタ１６で２分割され
る。そして、ビームスプリッタ１６で反射された第１レ
ーザビームは、第１音響光学変調素子（以下、「ＡＯ
Ｍ」と略称する）１８Ａに入射し、ビームスプリッタ１
６を透過した第２レーザビームは、ミラー１７により反
射されて第２ＡＯＭ１８Ｂに入射する。

【０００６】ＡＯＭ１８Ａ及び１８Ｂは、制御系１３に
よりそれぞれ周波数ｆ₁の駆動信号ＤＳ₁、及び周波数
ｆ₂の駆動信号ＤＳ₂で駆動され、第１及び第２レーザ
ビームはそれぞれ第１ＡＯＭ１８Ａ及び第２ＡＯＭ１８
Ｂにより周波数変調を受けて、互いに異なる周波数の光
束となる。第１ＡＯＭ１８Ａ及び第２ＡＯＭ１８Ｂによ
り周波数変調を受けた第１及び第２レーザビームはそれ
ぞれリレーレンズ１９Ａ及び１９Ｂを介して集光レンズ
２０に入射し、集光レンズ２０により視野絞り２１の開
口部に所定の交差角２・θ_FSで入射する。視野絞り２１
の開口部を通過した２つのレーザビームは、ミラー２２
で反射された後、対物レンズ２３、ビームスプリッタ２
４、ダイクロイックミラー７、及び投影光学系８を介し
てウエハＷ上のウエハマークＷＭ上に、互いに異なる周
波数の２つの可干渉な光束として、投影光学系８の光軸
に関して対称な入射角±θ_WMで入射する。

【０００７】ウエハマークＷＭに照射される２つのレー
ザビームは周波数が互いに異なっているため、ウエハマ
ークＷＭ上には流れる干渉縞が形成され、ウエハマーク
ＷＭのＸ方向のピッチ及び入射角θ_WMは、ウエハマーク
ＷＭの法線方向に±１次回折光が発生するように設定さ
れている。このようにウエハマークＷＭから垂直に発生
した１対の回折光（±１次回折光）は、投影光学系８、
ダイクロイックミラー７、ビームスプリッタ２４、対物
レンズ２６、及び空間フィルタ２７を介して、投影光学
系８の瞳面と共役な面に設けられた光電検出器２８に入
射する。ビームスプリッタ２４と対物レンズ２３との間
には、ウエハマークＷＭからの回折光を遮断するための
遮光板２５が配置されている。

【０００８】その光電検出器２８では、１対の回折光の
干渉光を光電変換して得られた計測用ビート信号Ｓ_WMを
位相検出系２９に供給する。位相検出系２９には、不図
示の参照ビート信号も供給され、位相検出系２９は、そ
の参照ビート信号と計測用ビート信号Ｓ_WMとの位相を比
較して、ウエハマークＷＭのＸ方向への位置ずれ量、ひ
いては当該ショット領域のＸ方向への位置ずれ量を検出
する。その位置ずれ量は制御系１３に供給され、制御系
１３はその位置ずれ量に基づいてウエハＷの位置決めを
行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、ＡＯＭ１８Ａ及び１８Ｂから射出された２
つのレーザビームと、それ以降のレンズ系との関係が一
意的に決定されている。そのため、計測対象とするウエ
ハマークが、図４のウエハマークＷＭのピッチと異なる
ピッチを有するマークである場合には、ウエハマークか
ら垂直に±１次回折光が発生しなくなり、ウエハマーク
の位置検出ができなくなるという不都合がある。

【００１０】これに関して、ウエハマークに照射される
２つのレーザビームの交差角を調整するために、ＡＯＭ
１８Ａ及び１８Ｂから射出されたレーザビームの間隔を
平行平板によりシフトさせて、異なるピッチのウエハマ
ークの位置検出を可能にした系がある。しかしながら、
このように平行平板によりレーザビームをシフトさせる
のでは調整範囲が狭いという不都合があった。更に、平
行平板の傾斜角によりレーザビームに非点収差が混入し
て可干渉性が低下し、得られる計測用ビート信号のＳＮ
比が低下するという不都合があった。

【００１１】本発明は、斯かる点に鑑み、大きく異なる
ピッチを有するアライメントマークの位置検出を高いＳ
Ｎ比で行うことができる２光束干渉方式のアライメント
装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【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１に示すように、被検物（９）上に
設けられた回折格子状マーク（ＷＭ１）に互いに可干渉
な１対の光束（Ｌ１，Ｌ２）を照射し、その回折格子状
マークから発生する１対の回折光の干渉光を光電変換
し、この光電変換により得られる信号に基づいて被検物
（９）の位置合わせを行うアライメント装置において、
互いに可干渉な第１光束（Ｌ１）及び第２光束（Ｌ２）
を生成し、これら第１光束及び第２光束を集光して、第
１平面（Ｐ１）上にその第１光束の第１集光点（３７
Ａ）を、第２平面（Ｐ２）上にその第２光束の第２集光
点（３７Ｂ）をそれぞれ形成する光源系（３１，３２，
３３Ａ〜３５Ａ，３３Ｂ〜３５Ｂ）を有する。

【００１３】更に本発明は、第１集光点（３７Ａ）から
の第１光束及び第２集光点（３７Ｂ）からの第２光束を
集光し、第１平面（Ｐ１）及び第２平面（Ｐ２）と共役
な第３平面（Ｐ３）上の異なる位置に第１集光点（３７
Ａ）及び第２集光点（３７Ｂ）の像を所定の結像倍率の
もとで再結像するリレー光学系（３９，４０）と、第３
平面（Ｐ３）を通過したそれら第１光束及び第２光束を
被検物（９）上の回折格子状マーク（ＷＭ１）上で交差
するように照射する集光光学系（４４）と、回折格子状
マーク（ＷＭ１）から発生する１対の回折光の干渉光を
光電変換する受光系（４４，４５，４６）と、を有し、
リレー光学系（３９，４０）は、第１平面（Ｐ１）と第
３平面（Ｐ３）との間の距離、及び第２平面（Ｐ２）と
第３平面（Ｐ３）との間の距離を一定に維持しながら、
その結像倍率を可変に構成され、回折格子状マーク（Ｗ
Ｍ１）の計測方向のピッチに応じてそのリレー光学系の
結像倍率を調整するようにしたものである。

【００１４】この場合、リレー光学系（３９，４０）を
第１平面（Ｐ１）及び第２平面（Ｐ２）と第３平面（Ｐ
３）との間で反転する反転手段（４２）を設け、この反
転手段を介してそのリレー光学系を反転することによ
り、そのリレー光学系の結像倍率を切り換えるようにし
てもよい。また、そのリレー光学系として、所定範囲で
結像倍率を連続的に変化できる変倍光学系を使用しても
よい。

【００１５】なお、言い換えると、そのリレー光学系
は、このリレー光学系の入射瞳及び射出瞳の位置を一定
に維持しながら、その結像倍率を変化させることが望ま
しい。

【００１６】

【作用】斯かる本発明によれば、例えば図１のような配
置で、第１平面（Ｐ１）上の第１集光点（３７Ａ）及び
第２平面（Ｐ２）上の第２集光点（３７Ｂ）の像を、リ
レー光学系（３９，４０）を介して第３平面上の集光点
（４３Ａ，４３Ｂ）に形成する。これら集光点（４３
Ａ，４３Ｂ）からの２つのレーザビーム（Ｌ１，Ｌ２）
が集光光学系（４４）を介して回折格子状マーク（ＷＭ
１）上に所定の交差角で照射され、回折格子状マーク
（ＷＭ１）から平行に射出される１対の回折光が受光系
で光電変換され、この光電変換信号に基づいて回折格子
状マーク（ＷＭ１）の位置検出が行われる。

【００１７】次に、図２に示すように、回折格子状マー
ク（ＷＭ１）と異なるピッチの回折格子状マーク（ＷＭ
２）の位置検出を行う際には、リレー光学系（３９，４
０）の結像倍率を変えて、第１平面（Ｐ１）上の第１集
光点（３７Ａ）及び第２平面（Ｐ２）上の第２集光点
（３７Ｂ）の像を、第３平面上の集光点（４３Ａ，４３
Ｂ）と異なる集光点（４３Ｃ，４３Ｄ）に形成する。こ
の集光点からの２つのレーザビーム（Ｌ１，Ｌ２）は、
集光光学系（４４）を介して回折格子状マーク（ＷＭ
２）上に所定の交差角で照射され、回折格子状マーク
（ＷＭ２）から平行に射出される１対の回折光が受光系
で光電変換され、この光電変換信号に基づいて回折格子
状マーク（ＷＭ２）の位置検出が行われる。即ち、リレ
ー光学系（３８，４０）の結像倍率を変えることによ
り、大きく異なるピッチの回折格子状マークの位置検出
をそれぞれ同じＳＮ比で行うことができる。

【００１８】また、図１において、リレー光学系（３
９，４０）の結像倍率が縮小倍率であるとすると、反転
手段（４２）により図２に示すようにリレー光学系（３
９，４０）を反転すると、その結像倍率は拡大倍率とな
る。従って、リレー光学系（３９，４０）を反転するだ
けで、２つの異なるピッチの回折格子状マークの位置検
出を行うことができる。

【００１９】次に、リレー光学系が変倍光学系である場
合には、種々のピッチの回折格子状マークの位置検出を
同じＳＮ比で行うことができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明によるアライメント装置の一実
施例につき図１及び図２を参照して説明する。本実施例
は、例えば投影露光装置の２光束ヘテロダイン干渉型の
アライメント系に本発明を適用したものである。図１
は、本実施例のアライメント装置を示し、この図１にお
いて、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源等のコヒーレントなレーザ
光源３１から射出されたレーザビームは、ビームスプリ
ッタ３２で２本のレーザビームＬ１，Ｌ２に分岐され
る。第１のレーザビームＬ１は、ミラー３３Ａを経て所
定の入射角で第１の音響光学変調素子（ＡＯＭ）３４Ａ
に入射し、第２のレーザビームＬ２は、ミラー３３Ｂを
経て所定の入射角で第２のＡＯＭ３４Ｂに入射する。

【００２１】ＡＯＭ３４Ａ及び３４Ｂには、それぞれ僅
かに異なる周波数ν₁、ν₂(ν₁＞ν₂)を持つ超音波場
が形成され、これが入射光を回折し、その＋１次回折光
は、印加された超音波の周波数で変調されて射出され
る。ＡＯＭ３４Ａ及び３４Ｂから射出されたレーザビー
ムＬ１及びＬ２は、それぞれ集光レンズ３５Ａ及び３５
Ｂにより空間フィルタ３６Ａ上の集光点３７Ａ及び空間
フィルタ３６Ｂ上の集光点３７Ｂ上に集光される。空間
フィルタ３６Ａ及び３６Ｂはそれぞれ第１平面Ｐ１及び
第２平面Ｐ２上に配置され、空間フィルタ３６Ａ及び３
６Ｂにより、それぞれＡＯＭ３４Ａ及び３４Ｂからの＋
１次回折光のみが選択される。

【００２２】集光点３７Ａを通過した＋１次回折光より
なるレーザビームＬ１は、ビームスプリッタ３８により
２分割され、ビームスプリッタ３８で反射されたレーザ
ビーム（これも「Ｌ１」とする）は第１リレーレンズ３
９に入射する。一方、集光点３７Ｂを通過した＋１次回
折光よりなるレーザビームＬ２も、ビームスプリッタ３
８により２分割され、ビームスプリッタ３８を透過した
レーザビーム（これも「Ｌ２」とする）は、レーザビー
ムＬ１と平行に第１リレーレンズ３９に入射する。第１
リレーレンズ３９に平行に入射したレーザビームＬ１及
びＬ２は、第２リレーレンズ４０を介してそれぞれ第３
平面Ｐ３上の集光点４３Ａ及び４３Ｂに集光点３７Ａ及
び３７Ｂの像を結像する。即ち、第３平面Ｐ３は、第１
平面Ｐ１及び第２平面Ｐ２と共役であり、更にその第３
平面Ｐ３は後続の対物レンズ４４の瞳面（フーリエ変換
面）となっている。

【００２３】また、第１リレーレンズ３９及び４０は共
通の鏡筒４１内に固定されている。そして、リレーレン
ズ３９及び４０からなるリレーレンズレンズ系（これを
「リレーレンズ系３９，４０」で表す）、及び後続の対
物レンズ４４の光軸をＡＸとした場合、鏡筒４１は、反
転装置４２により、光軸ＡＸ上の所定の回転中心の回り
に１８０°回転できるように構成されている。このよう
に鏡筒４１を１８０°回転した場合でも、第１平面Ｐ１
及び第２平面Ｐ２と第３平面Ｐ３との共役関係は保たれ
るように、その回転中心の位置が設定されている。

【００２４】次に、第３平面Ｐ３上の集光点４３Ａ及び
４３Ｂを通過したレーザビームＬ１及びＬ２は、対物レ
ンズ４４により対物レンズ４４及びリレーレンズ系３
９，４０の光軸ＡＸに関して対称に、ウエハ９上のウエ
ハマークＷＭ１上に交差するように入射する。光軸ＡＸ
に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直で図１の紙面に平行な
方向にＸ軸を取り、ウエハマークＷＭ１のＸ方向のピッ
チをＰとすると、レーザビームＬ１及びＬ２の入射角±
θ_M1と、レーザビームＬ１，Ｌ２の波長λとが次の関係
を満たすようにする。

【００２５】

【数１】

【００２６】このとき、レーザビームＬ１の−１次回折
光Ｌ１(-1)、及びレーザビームＬ２の＋１次回折光Ｌ１
(+1)が、ウエハ９の露光面に対して垂直な方向に重なり
合って射出されることになる。このように重なり合って
射出される２つの回折光の干渉光は、周波数（ν₁-ν₂)
でヘテロダイン干渉を起こす。また、レーザビームＬ
１，Ｌ２の交差点とウエハマークＷＭ１とのＸ方向の相
対位置に応じて、射出される±１次回折光Ｌ１(+1)、及
びＬ１(-1)の位相が変化する。これらの位相変化に応じ
て、射出される±１次回折光の干渉光の位相が変化す
る。

【００２７】ウエハマークＷＭ１から垂直に射出される
±１次回折光Ｌ１(+1)、及びＬ１(-1)は、対物レンズ４
４と、反射面が光軸ＡＸに対して４５°に設定された受
光系分離プリズム４５とを経て、光電検出器４６に入射
する。光電検出器４６からは、±１次回折光Ｌ１(+1)、
及びＬ１(-1)の干渉光を光電変換して得られるアライメ
ント信号ＳＷが射出される。

【００２８】また、集光点３７Ａを通過した後、ビーム
スプリッタ３８により２分割されたレーザビームの内
で、ビームスプリッタ３８を透過したレーザビームＬ１
Ｒ、及び集光点３７Ｂを通過した後、ビームスプリッタ
３８により２分割されたレーザビームの内で、ビームス
プリッタ３８で反射されたレーザビームＬ２Ｒは、平行
に集光レンズ４７に入射する。集光レンズ４７により集
光されたレーザビームＬ１Ｒ及びＬ２Ｒは、固定された
参照信号用回折格子４８に所定の交差角で入射する。参
照信号用回折格子４８上に形成されている回折格子ＲＭ
のピッチ、及びレーザビームＬ１Ｒ，Ｌ２Ｒの入射角
は、回折格子ＲＭからの±１次回折光が回折格子ＲＭか
ら垂直に射出されるように定められている。

【００２９】そのように射出された±１次回折光は、平
行に参照用光電検出器４９に入射し、光電検出器４９か
らは、それら±１次回折光のヘテロダイン干渉光を光電
変換して得られる周波数（ν₁-ν₂)の参照信号ＳＲが出
力される。この参照信号ＳＲの位相が基準位相となり、
この参照信号ＳＲに対するアライメント信号ＳＷの位相
ずれから、ウエハマークＷＭ１の位置ずれ量、ひいては
ウエハ９の位置ずれ量が求められる。この位置ずれ量に
基づいてウエハ９の位置合わせが行われる。

【００３０】ここで、対物レンズ４４の焦点距離をｆ₁
として、対物レンズ４４の瞳面（即ち第３平面Ｐ３）上
での、レーザビームＬ１の集光点４３Ａとレーザビーム
Ｌ２の集光点４３Ｂとの間隔を２ｄ₁とすると、（数
１）を用いて間隔２ｄ₁は次のように表すことができ
る。

【００３１】

【数２】

【００３２】また、第１平面Ｐ１上の集光点３７Ａをビ
ームスプリッタ３８に関して折り返した点と、第２平面
Ｐ２上の集光点３７Ｂとの間隔を２Ｄとすると、リレー
レンズ系３９，４０の倍率をβとして、β＝ｄ₁／Ｄの
関係がある。これを（数２）に代入することにより、リ
レーレンズ系３９，４０の倍率βとウエハマークＷＭ１
のピッチＰ₁は次のような反比例の関係にあることが導
かれる。

【００３３】

【数３】

【００３４】これより、ウエハマークＷＭ１とはピッチ
Ｐが異なるウエハマークの位置検出を２光束干渉方式で
行うには、リレーレンズ系３９，４０の倍率βを変更す
ればよいことが分かる。即ち、（数３）より、例えばピ
ッチＰ′のウエハマークの位置検出を行う際には、リレ
ーレンズ系３９，４０の倍率を、β′＝（λ・ｆ₁／
Ｄ）（１／Ｐ′）が成立するような倍率β′にすればよ
いことが分かる。

【００３５】ところで、図１のアライメント装置を投影
露光装置に組み込む場合には、全体の系の安定性を保つ
ために、空間フィルタ３６Ａ，３６Ｂ及び対物レンズ４
４は固定しておくことが望ましい。そのため、リレーレ
ンズ系３９，４０では、空間フィルタ３６Ａ，３６Ｂか
ら、対物レンズ４４の瞳面までの距離、即ち第１平面Ｐ
１及び第２平面Ｐ２から第３平面Ｐ３までの距離を一定
とすることが望ましい。この場合、第１平面Ｐ１及び第
２平面Ｐ２から第３平面Ｐ３までの距離をＬ、リレーレ
ンズ３９及び４０の焦点距離をそれぞれｆ₃及びｆ₂と
して、薄肉系のレンズ公式を適用すると、次の２式のよ
うな関係がある。

【００３６】

【数４】

【００３７】つまり、ウエハマークＷＭ１のピッチＰが
定まると、リレーレンズ３９及び４０の焦点距離ｆ₃及
びｆ₂は、次のように一意的に定まる。

【００３８】

【数５】

【００３９】そこで、本実施例では、反転装置４２で鏡
筒４１を反転することにより、リレーレンズ３９及び４
０を入れ換えて、互いにピッチが異なる２つのウエハマ
ークの位置検出を行えるようにする。例えば、２つのウ
エハマークのピッチをＰ₁及びＰ₂としたとき、対物レ
ンズの焦点距離ｆ₁を適当な値に決めて、（数５）の２
つの式において、ピッチＰ₁のときの焦点距離ｆ₂と、
ピッチＰ₂のときの焦点距離ｆ₃とが等しいか、又は、
ピッチＰ₁のときの焦点距離ｆ₃と、ピッチＰ ₂のとき
の焦点距離ｆ₂とが等しくなるようにすると、リレーレ
ンズ系３９，４０の反転により２つのピッチＰ₁及びＰ
₂のウエハマークに対応できるようになる。それらの条
件が成立するためには、（数５）より次の関係が満たさ
れればよい。

【００４０】

【数６】

【００４１】この場合、図１において、例えばウエハマ
ークＷＭ１のピッチより小さいピッチを有する回折格子
よりなるウエハマークＷＭ２の位置検出を行う際には、
図２に示すように、反転装置４２を介して鏡筒４１を１
８０°回転させて、リレーレンズ系３９，４０を反転す
る。この場合、第１平面Ｐ１上の集光点３７Ａから射出
されてビームスプリッタ３８で反射されたレーザビーム
Ｌ１、及び第２平面Ｐ２上の集光点３７Ｂから射出され
てビームスプリッタ３８を透過したレーザビームＬ２
は、第２リレーレンズ４０及び第１リレーレンズ３９を
経て、それぞれ第３平面Ｐ３（対物レンズ４４の瞳面）
上の集光点４３Ｃ及び４３Ｄに集光される。図１の配置
でのリレーレンズ系３９，４０の倍率βが１より小さい
とすると、図２の配置でのリレーレンズ系４０，３９の
倍率β′（＝１／β）は１より大きくなり、集光点４３
Ｃと４３Ｄとの間隔は、図１の集光点４３Ａと４３Ｂと
の間隔より大きくなる。

【００４２】そして、図２において、第３平面Ｐ３上の
集光点４３Ａを通過したレーザビームＬ１及び集光点４
３Ｂを通過したレーザビームＬ２は、対物レンズ４４を
介してウエハ９Ａ上のウエハマークＷＭ２上に、±θ_M2
の入射角で光軸ＡＸに関して対称に交差するように入射
する。入射角θ_M2は、図１の場合の入射角θ_M1より大き
くなっており、ウエハマークＷＭ２の計測方向であるＸ
方向へのピッチ、及び入射角θ_M2は、ウエハマークＷＭ
２からのレーザビームＬ１の−１次回折光Ｌ１(-1)、及
びレーザビームＬ２の＋１次回折光Ｌ２(+1)がそれぞれ
ウエハ９Ａに対して垂直に射出されるようになってい
る。従って、それら±１次回折光Ｌ２(+1)，Ｌ１(-1)
は、対物レンズ４４及び受光系分離プリズム４５を経て
ヘテロダイン干渉光として光電検出器４６に入射し、光
電検出器４６からはウエハマークＷＭ２のＸ方向の位置
に応じて位相が変化するアライメント信号ＳＷが出力さ
れ、このアライメント信号ＳＷからウエハ９Ａの位置が
検出される。

【００４３】上述のように本実施例によれば、リレーレ
ンズ系３９，４０を反転することにより、第１平面Ｐ１
及び第２平面Ｐ２から第３平面Ｐ３への倍率を２段階に
切り換えるという簡単な操作で、ピッチの異なる２つの
ウエハマークＷＭ１，ＷＭ２の位置検出を行うことがで
きる。なお、図１のリレーレンズ系３９，４０は２つの
凸レンズを用いたケプラー型のリレー光学系であるが、
その代わりに凸レンズと凹レンズとを組み合わせたガリ
レオ型のリレー光学系を用いてもよい。

【００４４】また、リレーレンズ系３９，４０の複数個
の組み合わせをレボルバーに設け、このレボルバーを回
転させれば、より多くのマークピッチに対応させること
が可能となる。

【００４５】次に、本発明の他の実施例につき図３を参
照して説明する。本実施例は、図１の実施例において、
リレーレンズ系３９，４０を、特公平２−５１１６５号
公報に開示されている二重共役維持光学系よりなる変倍
リレーレンズ系に置き換えて、連続的に倍率を変化させ
るようにしたものである。図３は、本実施例の変倍リレ
ーレンズ系を示し、この図３において、第１平面Ｐ１上
の空間フィルタ３６Ａ上の集光点３７Ａ、及び第２平面
Ｐ２上の空間フィルタ３６Ｂ上の集光点３７Ｂはそれぞ
れ図１の集光点３７Ａ及び３７Ｂに対応し、図１のビー
ムスプリッタ３８は省略してある。更に、図３の第３平
面Ｐ３は、図１の第３平面Ｐ３、即ち対物レンズ４４の
瞳面に対応する。

【００４６】図３において、変倍リレーレンズ系は、第
１平面Ｐ１（又は第２平面）から第３平面Ｐ３に向けて
順に、焦点距離Ｆ₁の第１フーリエ変換レンズ系Ｇ₁、
及び焦点距離Ｆ₂の第２フーリエ変換レンズ系Ｇ₂を配
置して構成されている。また、第１フーリエ変換レンズ
系Ｇ₁は、第３平面Ｐ３に向けて順に負の屈折力を持つ
焦点距離ｆ₁(＜０）（但し、この焦点距離ｆ₁は、図１
の対物レンズ４４の焦点距離ｆ₁とは異なる）の第１レ
ンズ群Ｌ₁₁、及び正の屈折力を持つ焦点距離ｆ ₂(＞０）
の第２レンズ群Ｌ₁₂を配置して構成され、第２フーリエ
変換レンズ系Ｇ ₂は、第３平面Ｐ３に向けて順に、正の
屈折力を持つ焦点距離ｆ₃の第３レンズ群Ｌ₂₁、負の屈
折力を持つ焦点距離ｆ₄の第４レンズ群Ｌ₂₂、及び正の
屈折力を持つ焦点距離ｆ₅の第５レンズ群Ｌ₂₃を配置し
て構成され、変倍リレーレンズ系全体としては、５群構
成のレンズ系からなっている。

【００４７】ここで、第１フーリエ変換レンズ系Ｇ₁中
における各レンズ群（Ｌ₁₁，Ｌ₁₂）は、それぞれの焦点
距離（ｆ₁，ｆ₂ ）、及び各レンズ群（Ｌ₁₁，Ｌ₁₂）間
の主点間隔が後述するような関係で、変倍リレーレンズ
系の倍率に応じてそれぞれ光軸方向に移動可能に設けら
れている。なお、第１レンズ群Ｌ₁₁を正の屈折力、第２
レンズ群Ｌ₁₂を負の屈折力で構成し、双方のレンズ群
（Ｌ₁₁，Ｌ₁₂）をそれぞれ移動可能としてもよい。

【００４８】また、第２フーリエ変換レンズ系Ｇ₂中に
おける第３レンズ群Ｌ₂₁と第４レンズ群Ｌ₂₂とはアフォ
ーカル系を構成し、第３レンズ群Ｌ₂₁と第４レンズ群Ｌ
₂₂とは、第３平面Ｐ３に対して固定されている固定群の
第５レンズ群Ｌ₂₃に対して一体的に移動可能に設けられ
ている。なお、第３レンズ群Ｌ₂₁を負の屈折力、第４レ
ンズ群Ｌ₂₂を正の屈折力で構成し、双方のレンズ群（Ｌ
₂₁，Ｌ₂₂）を一体的に移動可能としてもよい。

【００４９】今、第１平面Ｐ１（又は第２平面Ｐ２）か
ら第１レンズ群Ｌ₁₁の主点までの間隔をｅ₀、第１レン
ズ群Ｌ₁₁の主点から第２レンズ群Ｌ₁₂の主点までの間隔
をｅ ₁、第２レンズ群Ｌ₁₂の主点からフーリエ変換面Ｐ
４までの間隔をｅ₂、フーリエ変換面Ｐ４から第３レン
ズ群Ｌ₂₁の主点までの間隔をｅ₃、第３レンズ群Ｌ₂₁の
主点から第４レンズ群Ｌ₂₂の主点までの間隔をｅ₄、第
４レンズ群Ｌ₂₂の主点から第５レンズ群Ｌ₂₃の主点まで
の間隔をｅ₅、第５レンズ群Ｌ₂₃の主点から第３平面Ｐ
３までの間隔をｅ₆とする。

【００５０】この場合、先ず第１フーリエ変換レンズ群
Ｇ₁においては、第１レンズ群Ｌ₁₁及び第２レンズ群Ｌ
₁₂が独立に光軸ＡＸに沿って移動自在に構成されてい
る。そして、間隔ｅ₀ は、次式で表される。

【００５１】

【数７】

【００５２】また、第２レンズ群Ｌ₁₂からフーリエ変換
面Ｐ４までの間隔ｅ₂は次式で表される。

【００５３】

【数８】

【００５４】更に、第１フーリエ変換レンズ系Ｇ₁の焦
点距離Ｆ₁は次のようになる。

【００５５】

【数９】

【００５６】次に、第２フーリエ変換レンズ系Ｇ₂にお
いて、第３レンズ群Ｌ₂₁と第４レンズ群Ｌ₂₂とは一定の
間隔ｅ₄ （＝ｆ₃＋ｆ₄ ）で固定されたアフォーカル系
を構成し、第１平面Ｐ１（又は第２平面Ｐ２）と共役な
第３平面Ｐ３から焦点距離ｆ ₅と同じ間隔ｅ₆だけ離れ
た固定の位置に第５レンズ群Ｌ₂₃が配置され、第４レン
ズ群Ｌ₂₂から第５レンズ群Ｌ₂₃までの間隔ｅ₅が可変に
なっている。この第２フーリエ変換レンズ系Ｇ₂の焦点
距離Ｆ₂は次のようになる。

【００５７】

【数１０】

【００５８】即ち、焦点距離Ｆ₂は、間隔ｅ₅ に依らず
一定である。また、フーリエ変換面Ｐ４から第３レンズ
群Ｌ₂₁までの間隔ｅ₃は、次のように表せる。

【００５９】

【数１１】

【００６０】以上の式から、第１平面Ｐ１（又は第２平
面Ｐ２）から第３平面Ｐ３までの全長ＴＬ（＝ｅ₀＋ｅ
₁＋ｅ₂＋ｅ₃＋ｅ₄＋ｅ₅＋ｅ₆)は、次のようにな
る。

【００６１】

【数１２】

【００６２】この式より、間隔ｅ₁の値に依らず全長Ｔ
Ｌの値が一定になるには、間隔ｅ₅は次式を満たさなく
てはならないことが分かる。

【００６３】

【数１３】

【００６４】また、変倍リレーレンズ系の倍率βは、Ｆ
₂／Ｆ₁で表されるので、その倍率βを使って各間隔を
表すと下のようになる。

【００６５】

【数１４】

【００６６】

【数１５】

【００６７】以上の関係から、変倍リレーレンズ系は、
第１フーリエ変換レンズ系Ｇ₁中のレンズ群の移動によ
って倍率の変化を生じさせ、第２フーリエ変換レンズ系
Ｇ₂中のレンズ群の移動によって第１フーリエ変換レン
ズ系Ｇ₁中のレンズ群の移動に伴い生ずるフーリエ面の
位置ずれ量を補償する構成であることが理解できる。

【００６８】この場合、任意のピッチを有するウエハマ
ークの位置検出を行う場合には、先ずそのウエハマーク
のピッチＰを（数３）に代入して対応する倍率βを求め
る。その後、（数１４）及び（数１５）より図３の変倍
リレーレンズ系の各間隔ｅ₁〜ｅ₆を求め、これらの間
隔になるように図３の第１レンズ群Ｌ₁₁、第２レンズ群
Ｌ₁₂、及び第３レンズ群Ｌ₂₁と第４レンズ群Ｌ₂₂とから
なる１組のレンズ群を移動させる。これにより、その任
意のピッチのウエハマークの位置検出を２光束干渉方式
で高精度に行うことができる。

【００６９】また、本実施例においては、検出対象とす
るウエハマークのピッチが連続的に変化した場合でも対
応できるため、半導体プロセス等によりウエハ等の感光
基板が伸縮してウエハマーク等のアライメントマークが
伸縮した場合にも、それに合わせて正確に位置検出を行
うことができる。従って、位置合わせ精度も高精度に保
つことができる。

【００７０】なお、上述実施例においては、図１におい
て光源として単一のレーザ光源３１が使用され、レーザ
ビームＬ１，Ｌ２よりなるアライメント光も単一波長で
ある。しかしながら、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光源及び
半導体レーザ素子等を組み合わせて複数波長の光束を生
成し、これら複数波長の光束からそれぞれ１対のヘテロ
ダインビーム（周波数が僅かに異なる光束）を生成し、
これら複数対のヘテロダインビームを異なる入射角でウ
エハマーク上に照射するようにしてもよい。このように
複数波長のアライメント光を使用することにより、ウエ
ハ上に塗布されているフォトレジストの薄膜干渉の影響
等が軽減され、より安定且つ高精度に位置検出が行われ
る。

【００７１】そして、このように複数波長のアライメン
ト光を使用する場合には、図１において、第１平面Ｐ１
上の集光点３７Ａの近傍及び第２平面Ｐ２上の集光点３
７Ｂの近傍で、それぞれ波長毎に異なる集光点にアライ
メント光が集光され、第３平面Ｐ３上でもアライメント
光は波長毎に異なる集光点に集光される。この場合、例
えばリレーレンズ系３９，４０には、それら複数波長の
アライメント光の色収差の補正を行う機能を持たせて、
各波長のアライメント光毎に、上述の（数１）〜（数
３）の関係が成立するように構成する。これにより、複
数波長のアライメント光を使用する場合でも、異なるピ
ッチのウエハマークの位置を安定且つ高精度に検出でき
る。

【００７２】また、図１の実施例はオフ・アクシス方式
で表現されているが、本発明は投影光学系を介して検出
を行うＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式、又はＴＴＲ
（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメント系にも同
様に適用できることは言うまでもない。更に、本発明は
ヘテロダイン方式のみならず、ホモダイン方式の２光束
干渉型のアライメント系にも適用できる。

【００７３】このように本発明は上述実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得る。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、第１平面及び第２平面
から第３平面Ｐ３までの距離を一定に維持しながら結像
倍率が可変のリレー光学系により、第１光束及び第２光
束を集光光学系の瞳面と等しいその第３平面にリレーし
ているため、回折格子状マーク（アライメントマーク）
のピッチに応じてその結像倍率を変えることにより、大
きく異なるピッチを有する回折格子状マークの位置をそ
れぞれ高精度に、且つ高いＳＮ比で検出できる利点があ
る。

【００７５】従って、本発明のアライメント装置を露光
装置に適用した場合には、同一の露光装置で、複数種類
のピッチが異なるアライメントマークが形成されたウエ
ハ等の基板のアライメントを行うことができ、装置の汎
用性が増すという利点がある。また、リレー光学系を反
転して倍率を切り換えるようにした場合には、リレー光
学系のレンズ構成を変えることなく、容易に２種類のピ
ッチの回折格子状マークの位置検出を行える利点があ
る。

【００７６】更に、リレー光学系が変倍光学系である場
合には、種々のピッチの回折格子状マークの位置検出を
行える利点があると共に、例えば半導体プロセス等によ
り被検物が伸縮して、回折格子状マークのピッチが連続
的に僅かに変化したような場合でも、それに応じて正確
な位置検出精度を保つことができる。また、リレー光学
系が、このリレー光学系の入射瞳及び射出瞳の位置を一
定に維持しながら、その結像倍率を変化させる場合に
は、結果として第１平面及び第２平面から第３平面Ｐ３
までの距離を一定に維持しながら結像倍率が可変にでき
ることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアライメント装置の一実施例を示
す一部断面図を含む構成図である。

【図２】図１の実施例において、リレーレンズ系３９，
４０を反転した状態を示す一部断面図を含む要部の構成
図である。

【図３】本発明の他の実施例の変倍リレーレンズ系を示
すレンズ構成図である。

【図４】従来のアライメント装置を備えた投影露光装置
を示す構成図である。

【符号の説明】

９，９ＡウエハＷＭ１，ＷＭ２ウエハマーク３１レーザ光源３３Ａ，３３Ｂ音響光学変調素子（ＡＯＭ）３５Ａ，３５Ｂ集光レンズ３６Ａ，３６Ｂ空間フィルタ３８ビームスプリッタ３９，４０リレーレンズ４０鏡筒４１反転装置４４対物レンズ４５受光系分離プリズム４６光電検出器４７集光レンズ４８参照信号用回折格子４９参照光電検出器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 27/42 Ｇ０３Ｆ 7/20 ５２１ 9/00 Ｈ 7352−4ＭＨ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｌ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物上に設けられた回折格子状マーク
に互いに可干渉な１対の光束を照射し、前記回折格子状
マークから発生する１対の回折光の干渉光を光電変換
し、該光電変換により得られる信号に基づいて前記被検
物の位置合わせを行うアライメント装置において、互いに可干渉な第１光束及び第２光束を生成し、該第１
光束及び第２光束を集光して、第１平面上に前記第１光
束の第１集光点を、第２平面上に前記第２光束の第２集
光点をそれぞれ形成する光源系と、前記第１集光点からの前記第１光束及び前記第２集光点
からの前記第２光束を集光し、前記第１平面及び第２平
面と共役な第３平面上の異なる位置に前記第１集光点及
び第２集光点の像を所定の結像倍率のもとで再結像する
リレー光学系と、前記第３平面を通過した前記第１光束及び第２光束を前
記被検物上の前記回折格子状マーク上で交差するように
照射する集光光学系と、前記回折格子状マークから発生する１対の回折光の干渉
光を光電変換する受光系と、を有し、前記リレー光学系は、前記第１平面と前記第３平面との
間の距離、及び前記第２平面と前記第３平面との間の距
離を一定に維持しながら、前記結像倍率を可変に構成さ
れ、前記回折格子状マークの計測方向のピッチに応じて前記
リレー光学系の結像倍率を調整することを特徴とするア
ライメント装置。
【請求項２】前記リレー光学系を前記第１平面及び第
２平面と前記第３平面との間で反転する反転手段を設
け、該反転手段を介して前記リレー光学系を反転することに
より、前記リレー光学系の結像倍率を切り換えるように
し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】前記リレー光学系は、所定範囲で前記結
像倍率を連続的に変化できる変倍光学系であることを特
徴とする請求項１記載のアライメント装置。
【請求項４】前記リレー光学系は、該リレー光学系の
入射瞳及び射出瞳の位置を一定に維持しながら、前記結
像倍率を変化させることを特徴とする請求項１〜３の何
れか一項記載のアライメント装置。