JPH07208923A - 位置ずれ検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マスクとウエハとの位置ずれやウエハ面上へ
のパターンの重ね合わせ等を高精度に計測することので
きる位置ずれ検出装置を得ること。 【構成】 周波数ｆ０の単一周波数のレーザ光を放射す
るレーザと回折格子と、該回折格子に該レーザ光を入射
させる照明手段と、該回折格子からの回折光を周波数変
調する周波数変調素子と、周波数変調した回折次数の異
なる回折光を合成する合成手段と、合成した光を検出し
てビート信号を得る光電変換手段と、該ビート信号の位
相を基に該回折格子の位置ずれを検出する信号処理系と
から構成されること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置ずれ検出装置に関
し、例えば半導体素子製造用の露光装置において、２種
類以上のマスク（レチクル）等の第１物体上に形成され
ている微細な電子回路パターンをそれぞれのマスク（レ
チクル）毎にウエハなどの第２物体上に順次露光転写す
る際、マスクとウエハの相対的な位置合わせをおこなう
アライメント装置や、それぞれのマスク（レチクル）上
のパターンをウエハ上に焼き付けた後のウエハ上の焼き
付けパターンの重ね合わせ精度等を計測する装置に好適
なものである。又、その他物体上に回折格子を設けて物
体の位置ずれを検出する位置ずれ検出装置に広く応用可
能なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体素子製造用の露光装置に
おいて、マスク面上のパターンをウエハ面上に投影露光
する際にはマスクとウエハとの相対的な位置ずれを検出
して行っている。このときのマスクとウエハとの位置ず
れを検出する位置ずれ検出方法は種々と提案されてい
る。

【０００３】このうちパターンとして２つの回折格子を
用い、この２つの回折格子からの回折光をそれぞれ独立
にヘテロダイン干渉させて得られた２つのビート信号の
位相差から回折格子の位置ずれを検出する方法が、例え
ば特開昭６２−５６８１８号公報で提案されている。図
１０は同公報で示されている半導体素子製造用の露光装
置における位置ずれ検出装置の概略図である。

【０００４】図１０において、レーザ光源１１１からの
レーザ光はコリメータレンズ１２４，１２６を経てビー
ムスプリッター１１３に入射し、２つの光路に分岐され
る。分岐された各々のレーザ光は超音波変調器１１４
（１１８）で周波数△ｆ１（△ｆ２）だけシフトされミ
ラー１１５，１１６（ミラー１１９，１２０）で反射さ
れ互いに異なる方向からウエハ１０２上の回折格子列Ｍ
Ｐを照射する。

【０００５】回折格子列ＭＰは図１１に示すように、ず
れ量△ｘである２つの回折格子ＭＰａ，ＭＰｂからなり
それぞれの回折格子からの回折光はウエハ１０２に対し
垂直に回折して互いに干渉して、該干渉縞は対物レンズ
１０３、絞り１０４を介し、ハーフミラー１０５に入射
する。このうちハーフミラー１０５をとおる光は光電変
換素子列１０６に入射する。一方、反射する光は接眼鏡
１０７に入射し、干渉縞の観察用として用いている。

【０００６】回折格子ＭＰａ，ＭＰｂに対応して生じた
回折光に基づく各々の干渉光をそれぞれ光電変換素子１
０６ａ及び１０６ｂで検出している。このときの干渉光
の検出信号は回折格子ＭＰに入射する２光束の周波数が
わずかに異なるためその周波数差に対応する周波数をも
つ正弦波のビート信号になる。

【０００７】光電変換素子１０６ａ，１０６ｂからのビ
ート信号は位置ずれ検出制御回路１２５により、このビ
ート信号の位相が検出され、該ビート信号の位相と超音
波変調器１１４（１１８）に与える基準周波数の位相と
から位置ずれ量△ｘを演算している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示す位置ずれ
検出装置ではレーザ１１１からのレーザ光が回折格子Ｍ
Ｐに入射する前に超音波変調器１１４，１１８を通る。
このため透過後のビームに波面収差が発生する。従っ
て、回折格子に入射する波面は歪が生じており、このと
き回折格子のｘ方向の位置と２つの回折格子で切りとら
れるそれぞれの領域の平均値の和として２つの回折光の
干渉光の位相が決定される。すなわち、ビームスポット
（光学系）に対する回折格子マークの位置が変わると位
置ずれ検出信号である２つのビート信号の位相が異なる
量だけ変化してその結果、誤差を生じ、計測再現性の悪
化の原因になっていた。

【０００９】又、この誤差を抑えるにはマーク（回折格
子）のアライメント精度を上げる必要があり、高精度な
位置決めウエハステージや高分解能のマーク位置検出手
段などが必要となり、装置が大がかりとなり、コスト、
スループットの面で実用化には問題があった。

【００１０】又干渉法を利用した計測の為、例えば回折
格子への入射角を規定するミラー等の光学系の調整が困
難であるという問題点があった。この他、最近の半導体
素子製造用の露光装置においては、ＩＣの高集積化に伴
い、より高分解能の位置ずれ検出ができる位置ずれ検出
装置が必要となってきている。

【００１１】本発明は単一周波数のレーザ光を、位置ず
れ検出マークである２つの回折格子に波面収差を極力抑
えた状態で照射し、２つの回折格子からの±ｎ次回折光
を周波数変調し、周波数変調した±ｎ次回折光をヘテロ
ダイン干渉させ、２つの回折格子からの±ｎ次回折光の
干渉光をそれぞれ独立に光電変換して２つの電気的なビ
ート信号を生成させ、この２つのビート信号の位相差か
ら２つの回折格子の相対的な位置ずれを検出することに
より、位置ずれ量の検出精度を向上させ位置ずれ検出マ
ークと光学系との間の位置決め許容量の大きい半導体素
子製造用の露光装置等に好適な位置ずれ検出装置の提供
を目的とする。

【００１２】又本発明は、回折格子からの回折光を干渉
させて、その干渉縞を観察することにより、光学系の調
整を容易にした位置ずれ検出装置の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の位置ずれ検出装
置は、 （１−１）周波数ｆ０の単一周波数のレーザ光を放射す
るレーザと回折格子と、該回折格子に該レーザ光を入射
させる照明手段と、該回折格子からの回折光を周波数変
調する周波数変調素子と、周波数変調した回折次数の異
なる回折光を合成する合成手段と、合成した光を検出し
てビート信号を得る光電変換手段と、該ビート信号の位
相を基に該回折格子の位置ずれを検出する信号処理系と
から構成されることを特徴としている。

【００１４】（１−２）周波数ｆ０のレーザ光を放射す
るレーザと、第１，第２の回折格子の２つの回折格子
と、該２つの回折格子に該レーザ光を入射させ±ｎ次回
折光を生成する照明手段と、該２つの回折格子からのｎ
次回折光を周波数変調して周波数ｆ１の光にする少なく
とも１つの音響光学素子と、周波数変調したｎ次回折光
と−ｎ次回折光を合成する合成手段と、第１，第２の光
電変換手段の２つの光電変換手段と、該第１の回折格子
を該第１の光電変換手段の検出面に結像させ、該第２の
回折格子を該第２の光電変換手段の検出面に結像させる
結像光学系と、該第１の光電変換手段により得られる第
１のビート信号と該第２の光電変換手段により得られる
第２のビート信号の位相差を検出する位相差計とから構
成されることを特徴としている。

【００１５】特に、前記２つの回折格子からの＋ｎ次回
折光を周波数変調する第１の音響光学素子と−ｎ次回折
光を周波数変調する第２の音響光学素子とを有している
ことを特徴としている。

【００１６】（１−３）周波数ｆ０のレーザ光を放射す
るレーザと、該レーザ光を該回折格子に入射させ±ｎ次
回折光を生成する照明手段と、該回折格子からのｎ次回
折光を周波数変調して周波数（ｆ０＋ｆ１）の光を生成
する第１の音響光学素子と、該回折格子からの−ｎ次回
折光を周波数変調して周波数（ｆ０＋ｆ２）の光を生成
する第２の音響光学素子と、該第１，第２の音響光学素
子で生成した周波数がわずかに異なる該±ｎ次回折光を
合成する合成手段と、周波数｜ｆ１−ｆ２｜のビート信
号を生成する光電変換手段と、周波数｜ｆ１−ｆ２｜の
比較信号を生成する比較ビート生成手段と該ビート信号
と該比較信号の位相差を検出する位相差計とから構成さ
れることを特徴としている。

【００１７】（１−４）物体上に回折格子を設け、該回
折格子からの回折光を利用して該物体の位置ずれを検出
する際、周波数ｆ０のレーザ光を放射するレーザと該回
折格子に該レーザ光を入射させ±ｎ次回折光を生成する
照明手段と、該回折格子からのｎ次回折光を周波数変調
して周波数（ｆ０±ｆ１）の光を生成する第１の音響光
学素子と、該回折格子からの−ｎ次回折光を周波数変調
して周波数（ｆ０±ｆ２）の光を生成する第２の音響光
学素子と、該第１，第２の音響光学素子で生成した周波
数がわずかに異なる±ｎ次回折光を合成する合成手段と
共に周波数｜ｆ１−ｆ２｜のビート信号を生成する第
１，第２の光電変換手段の２つの光電変換手段と、該第
１の光電変換手段により得られる第１のビート信号と該
第２の光電変換手段により得られる第２のビート信号の
位相差を検出する位相差計とから構成されることを特徴
としている。

【００１８】特に、前記回折格子からの周波数の等しい
回折光により生成される干渉縞を観察する干渉縞観察系
を有し、該干渉縞を利用して光学系のアライメントを行
うことを特徴としている。

【００１９】（１−５）光源からの光を照明手段を介し
て第１，第２回折格子に入射させ、該２つの回折格子か
らの±ｎ次回折光を音響光学素子を利用して周波数が僅
かに異なる２つの光に周波数変調し、該２つの周波数変
調した±ｎ次回折光を合成手段で合成して、ヘテロダイ
ン干渉のビート信号を得、このうち該第１回折格子を介
した光を第１光電変換素子に導光し、該第２回折格子を
介した光を第２光電変換素子に導光し、該第１，第２光
電変換素子より得られる第１，第２ビート信号の位相差
を位相差計より検出し、該位相差計で得られる信号を用
いて該第１回折格子と該第２回折格子との相対的な位置
ずれ量を求めるようにしたことを特徴としている。

【００２０】特に、前記第１回折格子からの＋ｎ次回折
光を第１音響光学素子で周波数変調し、前記第２回折格
子からの−ｎ次回折光を第２音響光学素子で周波数変調
していることを特徴としている。

【００２１】（１−６）周波数ｆ０のレーザ光を回折格
子に入射させ±ｎ次回折光を生成し、該回折格子からの
ｎ次回折光を第１の音響光学素子で周波数変調して周波
数（ｆ０±ｆ１）の光を生成し、該回折格子からの−ｎ
次回折光を第２の音響光学素子で周波数変調して周波数
（ｆ０±ｆ２）の光を生成し、該第１，第２の音響光学
素子で生成した周波数がわずかに異なる±ｎ次回折光を
合成し、共に周波数｜ｆ１−ｆ２｜のビート信号を生成
し、第１の光電変換手段により得られる第１のビート信
号と第２の光電変換手段により得られる第２のビート信
号の位相差を検出することにより、該回折格子の位置ず
れ情報を得ていることを特徴としている。

【００２２】このような方法を採ることにより回折格子
の位置ずれに伴う位相差の変化率をあげて２倍の位置ず
れ検出感度を得ている。

【００２３】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図は半導体素子の製造過程で用いる露光装置にお
いてウエハ面上における２層のパターンの重ね合わせ精
度を測定する場合を示している。図２は図１のウエハ面
上の回折格子パターンと入射光束の説明図、図３は図１
の光路を展開したときの摸式図である。図４は図１のエ
ッジミラー近傍の拡大説明図である。

【００２４】図１において、１は光源であり、例えばＨ
ｅ−Ｎｅレーザ若しくはコリメートされた半導体レーザ
等の単一周波数のレーザ光を放射するレーザ（以下「単
一周波数レーザ」という。）である。２はコリメータレ
ンズであり光源１からの光を平行光としている。３はミ
ラー、４は偏光ビームスプリッターであり入射光を２つ
の光に分けている。５ａ，５ｂはミラー、７ａはｎ回目
の半導体露光プロセスでウエハ６上に形成された回折格
子パターン（第１回折格子）、７ｂはｎ＋１回目の露光
プロセスでウエハ６上に形成された回折格子パターン
（第２回折格子）である。８はレンズであり、ウエハ６
面を焦点位置となるように設定している。

【００２５】９はミラー、１０，１５は各々偏光ビーム
スプリッター、１１，１２は音響光学素子であり、入射
光の周波数変調を行っている。３６はグラントムソンプ
リズム、１６はレンズ、１７はエッジミラーであり、レ
ンズ１６の焦点に位置しており光束を２方向に分離して
いる。１８，２０はレンズ、１９，２１はセンサー（第
１，第２光電変換素子）、２２は位相差計であり、セン
サー１９，２１で得られる信号（ビート信号）の位相差
を求めている。、３５はウエハステージでありウエハ６
を載置している。

【００２６】本実施例では単一周波数レーザ１から出射
した周波数ｆ０の光Ｌ１はコリメータレンズ２で平行光
となり、ミラー３を介して偏光ビームスプリッター４に
入射する。偏光ビームスプリッター４では入射光Ｌ１の
うちｐ偏光成分の光Ｌｐは透過し、その後ミラー５ｂで
偏向しウエハ６上の回折格子７ａ，７ｂを照射する。こ
のとき、＋１次回折光がウエハ６に対し垂直に反射回折
するようにミラー５ｂを設定している。

【００２７】一方、入射光Ｌ１のうちｓ偏光成分の光Ｌ
ｓは偏光ビームスプリッター４で反射し、その後ミラー
５ａで偏向し、回折格子７ａ，７ｂを照射する。このと
きー１次回折光がウエハ６に対し垂直に反射回折するよ
うにミラー４ａを設定している。又、コリメータレンズ
２によって入射ビームＬ１は絞られておりウエハ６上で
は２つの回折格子５ａ，５ｂより少し大きいスポットに
なっている（図２の光束２３）。

【００２８】ここで、偏光ビームスプリッター４で２つ
の偏光成分の光に分離した後、回折格子７ａ，７ｂによ
って再度合成され、同一光路をとおることになる。この
合成回折光は焦点面がウエハ６になるようにレンズ８が
設定されているため、平行光になった後、ミラー９で偏
向されて、偏光ビームスプリッター１０に入射する。こ
のとき１次回折光であるｐ偏光の光Ｌｐは偏光ビームス
プリッター１０を透過し音響光学素子１１に入射する。

【００２９】音響光学素子１１は第１の発信器（不図
示）から周波数△ｆ１の信号を送られており、音響光学
素子１１の１次回折光は＋△ｆ１だけ周波数変調され
る。一方偏光ビームスプリッター１０で反射するｓ偏光
の−１次回折光Ｌｓは音響光学素子１２に入射し、第２
の発信器（不図示）からの周波数△ｆ２の信号だけ１次
回折光は周波数シフトされる。この後ミラー１３，１４
及び偏光ビームスプリッター１５により再度合成され、
さらに、グラントムソンプリズム３６で回折格子７ａ，
７ｂからの±１次回折光は偏光方向を揃えらた後レンズ
１６を通る。レンズ１６の焦点位置にはエッジミラー１
７が設置してある。

【００３０】図３に示すように、エッジミラー１７上は
ウエハ６と共役関係にある。この為エッジミラー１７上
では、図４のようにウエハ６上の回折格子７ａ，７ｂの
像が像７ａ′，７ｂ′のように観察される。従って、回
折格子７ａからの±１次回折光はエッジミラー１７で反
射し、回折格子７ｂからの±１次回折光はエッジミラー
１７上を透過する。

【００３１】エッジミラー１７（及びウエハ６）と共役
位置にセンサー１９，２１がくるようにレンズ１８，２
０及びセンサー１９，２１を設置している。これによ
り、前述した２つの合成光はそれぞれ、センサー２１と
１９で光電変換され、ヘテロダイン干渉によるビート信
号となる。これら２つのビート信号は位相差計２２に導
入されその位相差が検出される。

【００３２】本実施例の場合、位置ずれ検出マークであ
るウエハ６面上の２つの回折格子７ａ，７ｂの位置がビ
ームスポット２３に対して変化した時も回折光の音響光
学素子１１及び１２への入射位置がほとんど変化しな
い。音響光学素子１１及び１２は、それぞれ固有の収差
を持っていると考えられ、その１次回折光はそれぞれ異
なる位相変化を受けることになるが、２つのビート信号
の間の位相差をとる段階で２つの音響光学素子の個体差
によるオフセットは除去する事ができ、更に２つのビー
ト信号の位相差はマーク位置には影響されないことにな
る。以下、回折光の位相又ビート信号の位相について説
明する。

【００３３】周波数ｆ０（角周波数：ｗ０）でｐ偏光の
光の回折格子７ａからの＋１次回折光の複素振幅表示ｕ
ａｒは、次のようにかける。

【００３４】 ｕａｒ＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ０・ｔ＋Ｔｘａ＋Ｔｐ｝ ‥‥‥（１） ここで、ｕ０は光の振幅、Ｔｘａは回折格子７ａ の光
学系の基準線からのｘ方向の位置ずれ量ｘａに伴う位相
変化であり、回折格子７ａのピッチをｐとしたとき、Ｔ
ｘａ＝２πｘａ／ｐとかける。又Ｔｐはｐ偏光の光の初
期位相である。

【００３５】一方、周波数ｆ０（角周波数：ｗ０）でｓ
偏光の回折格子７ａからの−１次回折光の複素振幅表示
ｕａｌは、次のようにかける。

【００３６】 ｕａｌ＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ０・ｔ−Ｔｘａ＋Ｔｓ｝ ‥‥‥（２） Ｔｓはｓ偏光の光の初期位相である。又、周波数ｆ０
（角周波数：ｗ０）でｐ偏光の光の回折格子７ｂからの
＋１次回折光の複素振幅表示ｕｂｒは、次のようにかけ
る。

【００３７】 ｕｂｒ＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ０・ｔ＋Ｔｘｂ＋Ｔｐ｝ ‥‥‥（３） ここで、ｕ０は光の振幅、Ｔｘｂは回折格子７ｂの光学
系の基準線からのｘ方向の位置ずれ量ｘｂに伴う位相変
化であり、回折格子７ｂのピッチをｐとしたとき、Ｔｘ
ｂ＝２πｘｂ／ｐとかける。

【００３８】一方、周波数ｆ０（角周波数：ｗ０）でｓ
偏光の光の回折格子７ｂからの−１次回折光の複素振幅
表示ｕｂｌは、次のようにかける。

【００３９】 ｕｂｌ＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ０・ｔーＴｘｂ＋Ｔｓ｝ ‥‥‥（４） （１）から（４）式で表される回折光を音響光学素子１
１，１２で周波数変調した後の複素振幅表示は、ｆ１＝
ｆ０＋△ｆ１（角周波数ｗ１），ｆ２＝ｆ０＋△ｆ２
（角周波数ｗ２）、又、Ｔ１，Ｔ２を音響光学素子１
１，１２の収差により受ける位相変化量とすると次のよ
うにかける。

【００４０】 ｕａｒ′＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ１・ｔ＋Ｔｘａ＋Ｔｐ＋Ｔ１｝‥‥‥（５） ｕａｌ′＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ２・ｔ−Ｔｘａ＋Ｔｓ＋Ｔ２｝‥‥‥（６） ｕｂｒ′＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ１・ｔ＋Ｔｘｂ＋Ｔｐ＋Ｔ１｝‥‥‥（７） ｕｂｌ′＝ｕ０ｅｘｐｉ｛ｗ２・ｔ−Ｔｘｂ＋Ｔｓ＋Ｔ２｝‥‥‥（８） （５），（６）式で表される光束をヘテロダイン干渉さ
せてセンサー２１で得られるビート信号の交流成分Ｉａ
はＩ０を振幅として次のようになる。

【００４１】 Ｉａ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２Ｔｘａ＋（Ｔｐ−Ｔｓ） ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝ ‥‥‥（９） 又、（７），（８）式で表される光束をヘテロダイン干
渉させてセンサー１９で得られるビート信号交流成分Ｉ
ｂは次のようになる。

【００４２】 Ｉｂ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２Ｔｘｂ＋（Ｔｐ−Ｔｓ） ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝‥‥‥（１０） （９），（１０）式で表せるビート信号の位相差△Ｔ
は、初期位相、収差による位相変化の項はなくなり、 △Ｔ＝２（Ｔｘａ−Ｔｘｂ） ＝２Ｔ△ｘ ‥‥‥（１１） ここで、Ｔ△ｘは回折格子７ａと７ｂのｘ方向の相対的
位置ずれ量△ｘに伴う位相変化で、 Ｔ△ｘ＝４π△ｘ／ｐ ‥‥‥（１２） である。

【００４３】従って、回折格子７ａ，７ｂの相対的な位
置ずれ量△ｘ、すなわちｎ回目の露光で焼き付けられた
回路パターンとｎ＋１回目の露光で焼き付けられた回路
パターンの位置ずれを次式により求めることができる。

【００４４】 △ｘ＝△Ｔ・ｐ／（４π） ‥‥‥（１３） 本実施例では±１次回折光を干渉させてヘテロダイン干
渉によるビート信号を得る例を示したが、他の次数の回
折光を利用しても良い。±ｎ次回折光を利用する場合、
位置ずれ量△ｘと位相差△Ｔの関係式は次のようにな
り、感度がｎ倍になる。

【００４５】 △ｘ＝△Ｔ・ｐ／（４ｎπ） ‥‥‥（１４） 尚、検出光学系に対するマーク（回折格子パターン）の
回転成分により生じる誤差は、例えば回折格子７ａ の
焼き付けの際に同時にずれ量のない２つの回折格子から
なる基準マークをウエハ上に焼き付けておき、本検出系
であらかじめ検出しておき、その値を補正値として用い
れば光学系のオフセット値並びに回転成分により生じる
誤差を取り除くことができる。

【００４６】又、本実施例では、ｘ方向のみの場合を示
したが、ｙ方向に関しても同様にｙ方向ずれ検出用の回
折格子を焼き付けておいて、もう一組ｙ方向ずれ検出用
の光学系を設定するか、もしくはウエハステージ３５を
図１の状態から９０度回転させて位相差検出を行い、ｙ
方向の位置ずれ量△ｙを計測するようにしても良い。

【００４７】図５は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。本実施例では、実施例１と同じく半導体素子の製造
過程の露光装置でウエハ面上における２層のパターンの
重ね合わせ精度を測定する場合を示している。図１の実
施例１と同じ機能をする要素については同じ部番を付け
ている。

【００４８】図５において、１は単一周波数レーザ、２
４はミラー、７ａはｎ回目の半導体露光プロセスでウエ
ハ６上に形成された回折格子パターン、７ｂはｎ＋１回
目の露光プロセスでウエハ６上に形成された回折格子パ
ターン、１１，１２は音響光学素子であり、その焦点面
にウエハ６が位置している。２５はレンズであり、その
焦点面にウエハ６が位置している。２６はミラー、２７
はビームスプリッター、２９はレンズ、３０はＣＣＤカ
メラ、２８はレンズ、１７はエッジミラー、１８，２０
はレンズ、１９，２１はセンサー、２２は位相差計、３
５はウエハステージである。

【００４９】本実施例において、単一周波数レーザ１か
ら出射した周波数ｆ０の光Ｌ１はミラー２４で偏向され
レンズ２５をとおり、ウエハ６に垂直に入射する。レン
ズ２５の焦点位置にウエハ６が設置してあるため回折格
子７ａ，７ｂからの±１次回折光はレンズ２５を通った
後、平行光になる。＋１次回折光は音響光学素子１１で
△ｆ１だけ周波数シフトされ、その結果周波数がｆ０＋
△ｆ１（角周波数ｗ１）になり、−１次回折光は音響光
学素子１２で△ｆ２だけ周波数シフトされその結果周波
数がｆ０＋△ｆ２（角周波数ｗ２）に変調される。

【００５０】両光束はビームスプリッター２７で合成さ
れる。このうちビームスプリッター２７からの一方の光
は、レンズ２８を介して、実施例１で示したのと同様の
エッジミラー１７により、回折格子７ａからと回折格子
７ｂからの回折光に二分され、それぞれヘテロダイン干
渉ビート信号としてセンサー１９とセンサー２１で光電
検出される。又、ビームスプリッター２７で分岐される
他方の光束はレンズ２９を介してＣＣＤカメラ３０に入
射し、回折格子の像の観察用に用いている。

【００５１】センサー２１で得られるビート信号の交流
成分ＩａはＩ０を振幅として次のようになる。

【００５２】 Ｉａ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２Ｔｘａ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝ ‥‥‥（１５） 又、センサー１９で得られるビート信号の交流成分Ｉｂ
は次のようになる。

【００５３】 Ｉｂ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２Ｔｘｂ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝ ‥‥‥（１６） （１５），（１６）式で表せるビート信号の位相差△Ｔ
は、収差による位相変化の項Ｔ１，Ｔ２はなくなり、 △Ｔ＝２（Ｔｘａ−Ｔｘｂ） ＝２Ｔ△ｘ ‥‥‥（１７） ここで、Ｔ△ｘは回折格子７ａと７ｂのｘ方向の相対的
位置ずれ量△ｘに伴う位相変化で、 Ｔ△ｘ＝４π△ｘ／ｐ ‥‥‥（１８） である。

【００５４】従って、回折格子７ａ，７ｂの相対的な位
置ずれ量△ｘ、すなわちｎ回目の露光で焼き付けられた
回路パターンとｎ＋１回目の露光で焼き付けられた回路
パターンの位置ずれを次式により求めることができる。

【００５５】 △ｘ＝△Ｔ・ｐ／（４π） ‥‥‥（１９） 図６は本発明の実施例３の要部概略図である。本実施例
では実施例２と同じく半導体素子の製造過程の露光装置
でウエハ面上の２層のパターンの重ね合わせ精度を測定
する場合を示している。実施例２と同じ機能をする要素
については同じ部番を付けている。

【００５６】図６において、１は単一周波数レーザ、２
４はミラー、７ａはｎ回目の半導体露光プロセスでウエ
ハ６上に形成された回折格子パターン、７ｂはｎ＋１回
目の露光プロセスでウエハ６上に形成された回折格子パ
ターン、１１，１２は音響光学素子、２５はレンズ、２
６はミラー、２７はビームスプリッター、２９はレン
ズ、３０はＣＣＤカメラ、２８はレンズ、１７はエッジ
ミラー、１８，２０はレンズ、１９，２１はセンサー、
２２は位相差計、３５はウエハステージである。

【００５７】本実施例において、単一周波数レーザ１か
ら出射した周波数ｆ０（角周波数ｗ０）の光Ｌ１はミラ
ー２４で偏向されレンズ２５をとおり、ウエハ６に垂直
に入射する。レンズ２５の焦点位置にウエハ６が設置し
てあるため回折格子７ａ、７ｂからの±１次回折光はレ
ンズ２５を通った後、平行光になる。＋１次回折光は音
響光学素子１１で△ｆ１だけ周波数シフトされ、更に音
響光学素子１２で音響光学素子１１とは異なる符号の次
数の方向へ回折され−△ｆ２だけ周波数シフトされた結
果、周波数がｆ０＋△ｆ１−△ｆ２（角周波数ｗ１２）
に変調される。

【００５８】この光束と−１次回折光はビームスプリッ
ター２７で合成される。ビームスプリッター２７からの
一方の光は、レンズ２８を介して、実施例１で示した通
り、エッジミラー１７により、回折格子７ａからと回折
格子７ｂからの回折光に二分され、それぞれヘテロダイ
ン干渉ビート信号としてセンサー１９とセンサー２１で
光電検出される。又、ビームスプリッター２７で分岐さ
れる他方の光束はレンズ２９を介してＣＣＤカメラ３０
に入射し、回折格子の像の観察用に用いている。センサ
ー２１で得られるビート信号の交流成分ＩａはＩ０を振
幅として次のようになる。

【００５９】 Ｉａ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１２−ｗ０）ｔ＋２Ｔｘａ＋（Ｔ１＋Ｔ２）｝ ‥‥‥（２０） 又、センサー１９で得られるビート信号の交流成分Ｉｂ
は次のようになる。

【００６０】 Ｉｂ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１２−ｗ０）ｔ＋２Ｔｘｂ＋（Ｔ１＋Ｔ２）｝ ‥‥‥（２１） （２０），（２１）式で表せるビート信号の位相差△Ｔ
は、収差による位相変化の項Ｔ１，Ｔ２はなくなり、 △Ｔ＝２（Ｔｘａ−Ｔｘｂ） ＝２Ｔ△ｘ ‥‥‥（２２） ここで、Ｔ△ｘは回折格子７ａと７ｂのｘ方向の相対的
位置ずれ量△ｘに伴う位相変化で、 Ｔ△ｘ＝４π△ｘ／ｐ ‥‥‥（２３） である。従って、回折格子７ａ，７ｂの相対的な位置ず
れ量△ｘ、すなわちｎ回目の露光で焼き付けられた回路
パターンとｎ＋１回目の露光で焼き付けられた回路パタ
ーンの位置ずれを次式により求めることができる。

【００６１】 △ｘ＝△Ｔ・ｐ／（４π） ‥‥‥（２４） 図７は本発明の実施例４の要部概略図である。本実施例
では、半導体素子の製造過程の露光装置でウエハ面上の
２層のパターンの重ね合わせ精度を測定する場合を示し
ている。実施例３と同じ機能をする要素については同じ
部番を付けている。

【００６２】図７において、１は単一周波数レーザ、３
１はビームスプリッター、２４はミラー、７ａはｎ回目
の半導体露光プロセスでウエハ６上に形成された回折格
子パターン、７ｂはｎ＋１回目の露光プロセスでウエハ
６上に形成された回折格子パターン、１１，１２は音響
光学素子、２５はレンズ、２６はミラー、２７はビーム
スプリッター、２９はレンズ、３０はＣＣＤカメラ、２
８はレンズ、１７はエッジミラー、１８，２０はレン
ズ、１９，２１はセンサー、２２は位相差計、３５はウ
エハステージである。

【００６３】本実施例において、単一周波数レーザ１か
ら出射した周波数ｆ０（角周波数ｗ０）の光Ｌ１はビー
ムスプリッター３１で２つの光束に分割している。この
うち反射光Ｌ２はレンズ２５をとおり、ウエハ６に所定
角度（入射角α）で入射する。

【００６４】一方、ビームスプリッター３１を透過した
光Ｌ３はミラー２４で偏向されｚ軸に関して対称な入射
角（−α）でウエハ６に入射する。レンズ２５の焦点位
置にウエハ６が設置してあるため回折格子７ａ，７ｂか
らの±１次回折光はレンズ２５を通った後、平行光にな
る。ミラー２４で偏向された側の入射光Ｌ３の＋１次回
折光は音響光学素子１１で△ｆ１だけ周波数シフトされ
る（周波数がｆ１に角周波数はｗ１）。又、他方の入射
光Ｌ２の−１次回折光は音響光学素子１２で−△ｆ２周
波数シフトされ結果、周波数がｆ０＋△ｆ２（周波数が
ｆ１で角周波数ｗ２）に変調される。

【００６５】これら２光束はビームスプリッター２７で
合成される。ビームスプリッター２７からの一方の光は
レンズ２８を介して、実施例１で示した通り、エッジミ
ラー１７により、回折格子７ａからと回折格子７ｂから
の回折光に二分され、それぞれヘテロダイン干渉ビート
信号としてセンサー１９とセンサー２１で光電検出され
る。又、ビームスプリッター２７で分岐される他方の光
束はレンズ２９を介してＣＣＤカメラ３０に入射し、回
折格子の像の観察用に用いている。

【００６６】センサー２１で得られるビート信号の交流
成分ＩａはＩ０を振幅として次のようになる。

【００６７】 Ｉａ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２Ｔｘａ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝ ‥‥‥（２５） 又、センサー１９で得られるビート信号の交流成分Ｉｂ
は次のようになる。

【００６８】 Ｉｂ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２Ｔｘｂ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝ ‥‥‥（２６） （２５），（２６）式で表せるビート信号の位相差△Ｔ
は、収差による位相変化の項Ｔ１，Ｔ２はなくなり、 △Ｔ＝２（Ｔｘａ−Ｔｘｂ） ＝２Ｔ△ｘ ‥‥‥（２７） ここで、Ｔ△ｘは回折格子７ａと７ｂのｘ方向の相対的
位置ずれ量△ｘに伴う位相変化で、 Ｔ△ｘ＝４π△ｘ／ｐ ‥‥‥（２８） である。従って、回折格子７ａ ，７ｂの相対的な位置
ずれ量△ｘ、すなわちｎ回目の露光で焼き付けられた回
路パターンとｎ＋１回目の露光で焼き付けられた回路パ
ターンの位置ずれを次式により求めることができる。

【００６９】 △ｘ＝△Ｔ・ｐ／（４π） ‥‥‥（２９） 尚、本実施例は先の実施例２，３に比べてレンズ２５の
ＮＡ(Numerical Aperture)を小さくする事ができ、収差
をより少なくすることが可能になるという利点がある。

【００７０】図８は本発明の実施例５の要部概略図であ
る。本実施例はＸ線を用いた半導体素子製造用の露光装
置に適用した場合を示している。図５の実施例２と同じ
機能をする要素については同じ部番を付けている。

【００７１】又、図９は本実施例におけるマスク４０上
のアライメントマークである回折格子４１とウエハ６上
のアライメントマークである回折格子７と入射光スポッ
ト４２との関係を示した説明図である。本実施例では、
マスク４０とウエハ６の間にはＺ方向に１０から３０μ
ｍのギャップがあり、又回折格子４１と回折格子７はＹ
方向にわずかにずれており重なっていない。

【００７２】図８において、１は単一周波数レーザ、２
４はミラー、４１はマスク４０上の反射型回折格子、７
はウエハ６上に形成された回折格子、１１，１２は音響
光学素子、２５はレンズ、２６はミラー、２７はビーム
スプリッター、２９はレンズ、３０はＣＣＤカメラ、２
８はレンズ、１７はエッジミラー、１８，２０はレン
ズ、１９，２１はセンサー、２２は位相差計、３５はウ
エハステージ、４２はマスク制御系、４３ウエハステー
ジ制御系、４４は中央信号処理制御部ある。

【００７３】本実施例において、単一周波数レーザ１か
ら出射した周波数ｆ０の光はミラー２４で偏向されレン
ズ２５をとおり、マスク４０及びウエハ６に垂直に入射
する。レンズ２５の焦点位置近傍にマスク４０とウエハ
６が設置してあるため回折格子４１，７からの±１次回
折光はレンズ２５を通った後、平行光になる。＋１次回
折光は音響光学素子１１で△ｆ１だけ周波数シフトさ
れ、その結果周波数がｆ０＋△ｆ１（角周波数ｗ１）に
なり、−１次回折光は音響光学素子１２で△ｆ２だけ周
波数シフトされその結果周波数がｆ０＋△ｆ２（角周波
数ｗ２）に変調される。

【００７４】両光束はビームスプリッター２７で合成さ
れる。ビームスプリッター２７からの一方の光はレンズ
２８を介して、実施例１で示した通り、エッジミラー１
７により、回折格子４１からと回折格子７からの回折光
に二分され、それぞれヘテロダイン干渉ビート信号とし
てセンサー１９とセンサー２１で光電検出される。又、
ビームスプリッター２７で分岐される他方の光束はレン
ズ２９を介してＣＣＤカメラ３０に入射し、回折格子の
像の観察用に用いている。センサー２１で得られるビー
ト信号の交流成分ＩａはＩ０を振幅として次のようにな
る。

【００７５】 Ｉａ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２ＴｘＭ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝ ‥‥‥（３０） 又、センサー１９で得られるビート信号の交流成分Ｉｂ
は次のようになる。

【００７６】 Ｉｂ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２ＴｘＷ＋（Ｔ１−Ｔ２）｝ ‥‥‥（３１） ここで、ＴｘＭ ，ＴｘＷはそれぞれ回折格子４１と回
折格子７の光学系の基準線からのずれ量ｘＭ，ｘＷに伴
う位相変化で、回折格子のピッチをｐとするとそれぞれ
ＴｘＭ＝４πｘＭ／ｐ，ＴｘＷ＝４πｘＷ／ｐとなる。

【００７７】（３０），（３１）式で表せるビート信号
の位相差△Ｔは、収差による位相変化の項Ｔ１，Ｔ２は
なくなり、 △Ｔ＝２（ＴｘＭ−ＴｘＷ） ＝２Ｔ△ｘ ‥‥‥（３２） ここで、Ｔ△ｘは回折格子４１と７のｘ方向の相対的位
置ずれ量△ｘに伴う位相変化で、 Ｔ△ｘ＝４π△ｘ／ｐ ‥‥‥（３３） である。

【００７８】従って、回折格子４１、７の相対的な位置
ずれ量△ｘ、マスクとウエハの相対的ずれ量を次式によ
り求めることができる。

【００７９】 △ｘ＝△Ｔ・ｐ／（４π） ‥‥‥（３４） このΔＸに相当する量だけ中央信号処理制御部４４によ
りマスク制御系４２およびウエハステージ制御系４３に
駆動命令を送りマスクとウエハのアライメントを行う。

【００８０】従来、音響光学素子の収差により生じる誤
差を除くためにアライメント光学系に関してマスク（あ
るいはウエハ）を高精度に位置決めする必要があった
が、本方式を用いるとアライメント光学系に対するマス
クとウエハの位置決めの許容値が広がることになる。

【００８１】図１２は本発明の実施例６の要部概略図で
ある。同図は半導体素子製造用の露光装置において装置
本体とウエハの位置ずれを検出するウエハアライメント
装置の概略図を示している。

【００８２】図１２において１は単一周波数レーザ、２
はコリメータレンズ、３はミラー、４は偏光ビームスプ
リッター、５ａ，５ｂはミラー、７は半導体露光プロセ
スでウエハ６上に形成され、アライメントマークとして
の回折格子パターン、５ａ，５ｂはミラー、９はミラ
ー、８はレンズ、１０，１５は偏光ビームスプリッタ
ー、１１，１２は音響光学素子、５２，５６はグラント
ムソンプリズム、５３，５５はレンズ、２１はセンサ
ー、２２は位相差計、５７はＣＣＤカメラ、３５はウエ
ハステージ、５８はステージ制御ユニットである。

【００８３】単一周波数レーザ１から出射した周波数ｆ
０の光はコリメータレンズ２を通り、偏光ビームスプリ
ッター４に入射する。このうちｐ偏光成分の光は透過
し、その後ミラー５ｂで偏向し、ウエハ６上の回折格子
７に照射する。このとき＋１次回折光がウエハ６に対
し、垂直に回折するようにミラー５ｂを設定する。

【００８４】一方、レーザ１から出射したｓ偏光成分の
光は偏光ビームスプリッター４で反射し、その後ミラー
５ａで偏向し、回折格子に照射する。このとき−１次回
折光がウエハ６に対し垂直に回折するようにミラー４ａ
を設定している。又図１５に示すようにコリメータレン
ズ２によって入射ビームは絞られており、ウエハ６上で
は回折格子７より少し大きいスポットになっている。

【００８５】ここで偏光ビームスプリッター４で２つの
偏光成分の光に分離した後、回折格子によって再度合成
され、同一光路を通ることになる。この合成回折光は焦
点面がウエハ６になるようにレンズ８が設定されてお
り、平行光になった後、偏光ビームスプリッター１０に
入射する。このとき１次回折光であるｐ偏光の光は偏光
ビームスプリッター１０を透過し、音響光学素子１１に
入射する。

【００８６】音響光学素子１１は図示しない発信器から
周波数ｆ１の信号を送られており、音響光学素子１１の
１次回折光は＋ｆ１だけ周波数変調される。一方偏光ビ
ームスプリッター１０で反射するｓ偏光の−１次回折光
は音響光学素子１２に入射し、図示しない第２の発信器
からの周波数ｆ２の信号だけ１次回折光は周波数シフト
される。ミラー１３，１４及び偏光ビームスプリッター
１５により再度合成され、更にグラントムソンプリズム
５２で回折格子７からの±１次回折光は偏光方向を揃え
られた後、レンズ５３を通る。レンズ５３の焦点位置に
センサー２１を設置している。前述した合成光はセンサ
ー２１で光電変換され、ヘテロダインビート信号とな
る。このビート信号と、前述した２つの発信器の周波数
差（Δｆ１−Δｆ２）の周波数をもつ基準信号を位相差
計２２に導入し、その位相差を検出する。

【００８７】以下、回折光の位相又はビート信号の位相
について説明していく。周波数ｆ０（角周波数：ｗ０）
でｐ偏光の光の回折格子７からの＋１次回折光の複素振
幅表示ｕａｒは次のように書ける。

【００８８】 ｕａｒ＝ｕ０ｅｘｐ［ｉ｛ｗ０・ｔ＋Ｔｘ＋Ｔｐ｝］ ‥‥‥（３５） ここで、ｕ０は光の振幅、Ｔｘは回折格子７の光学系の
基準線からのｘ方向の位置ずれ量ｘに伴う位相変化であ
り、回折格子７のピッチをｐとしたとき Ｔｘ＝２πｘ／ｐ とかける。またＴｐはｐ偏光の光の初期位相である。

【００８９】一方、周波数ｆ０（角周波数：ｗ０）でｓ
偏光の回折格子７からの−１次回折光の複素振幅表示ｕ
ａｌは次のようにかける。

【００９０】 ｕａｌ＝ｕ０ｅｘｐ［ｉ｛ｗ０・ｔ−Ｔｘ＋Ｔｓ｝］ ‥‥‥（３６） Ｔｓはｓ偏光の光の初期位相である。（３５），（３
６）式で表される回折光を音響光学素子１１，１２で周
波数変調した後の複素振幅表示はｆ１＝ｆ０＋Δｆ１
（角周波数ｗ１），ｆ２＝ｆ０＋Δｆ２（角周波数ｗ
２） ｕａｒ′＝ｕ０ｅｘｐ［ｉ｛ｗ１・ｔ＋Ｔｘ＋Ｔｐ｝］‥‥‥（３７） ｕａｌ′＝ｕ０ｅｘｐ［ｉ｛ｗ２・ｔ−Ｔｘ＋Ｔｓ｝］‥‥‥（３８） （３７），（３８）式で表される光束をテヘロダイン干
渉させてセンサー２１で得られるビート信号の交流成分
ＩはＩ０を振幅として次のようになる。

【００９１】 Ｉ＝Ｉ０ｃｏｓ｛（ｗ１−ｗ２）ｔ＋２Ｔｘ＋（Ｔｐ−Ｔｓ）｝ ＝Ｉ０ｃｏｓ｛２π（ｆ１−ｆ２）ｔ＋２Ｔｘ＋（Ｔｐ−Ｔｓ）｝ ‥‥‥（３９） 従って位相差計２２で検出できる位相差ΔＴはＴ０をオ
フセット量として ΔＴ＝２Ｔｘ＋Ｔ０ ＝４πｘ／ｐ＋Ｔ０ ‥‥‥（４０） となる。（４０）式より位相差からウエハの位置ずれを
求めることができる。オフセットＴ０は本発明の実施例
１で示した重ね合わせ精度測定装置等を用いて取り除く
ことができる。

【００９２】又本実施例では回折格子７からの±１次回
折光のうち音響光学素子１１，１２を透過した光を干渉
させてＣＣＤカメラ５７で干渉縞をみることができる。
尚、音響光学素子１１，１２を透過する光なので周波数
はｆ０のままであり、静止した干渉縞を観察できる。こ
の干渉縞をみながら光学系、特にミラー５ａ，５ｂ，１
３，１４或は偏光ビームスプリッター４，１０，１５の
調整を行うことができる。

【００９３】図１３はこのときの干渉縞の例を示してお
り、図（Ａ）はミラー５ａ，５ｂの設定不良で回折格子
への入射角で適切でなく、±１次回折光の回折方向がｘ
ｚ面内でずれている場合である。

【００９４】このときビート信号の振幅が小さくなり、
Ｓ／Ｎが悪くなる。更に図（Ｂ）では回折格子の格子配
列方向と入射方向がωｚ方向にもずれている場合であ
る。この干渉縞を見ながら図（Ｃ）のように干渉縞が１
本以下になり、かつ干渉縞の方向と格子の刻線方向が一
致するように調整すれば良い。音響光学素子１１と１２
で周波数変調された光を偏光ビームスプリッターで合成
した後のビームずれ量、交差角度は次のようになる。音
響光学素子１１，１２の透過光と１次の変調光の分離角
θは以下のようにかける。

【００９５】θ＝λｆｓ／２ｖ ‥‥‥（４１） ここで、λは波長、ｆｓは超音波周波数、ｖは超音波速
度である。通常、分離角θは１０〜２０ｍｒａｄであ
り、今、音響光学素子１１に与える周波数ｆ１を９０．
１ＭＨｚ、音響光学素子１２に与える周波数ｆ１を９０
ＭＨｚとすると、音響光学素子１１と１２の分離角の差
は０．０１１〜０．０１２ｍｒａｄとなり、偏光ビーム
スプリッター１５で合成後はこの値が交差角となる。偏
光ビームスプリッター１５からセンサー２１までの距離
を１００ｍｍとするとビームずれ量は約２μｍとなり少
ない。従って音響光学素子の透過光を利用して光学系の
調整をすれば、ビート信号を形成する周波数変調された
２光束の調整が同時に行えることになる。

【００９６】本実施例ではｘ方向の位置ずれ検出につい
て説明したが、９０度回転させたマークをウエハに形成
しておき、それを本光学系を９０度回転した系により同
様にｙ方向の位置ずれを検出することができる。

【００９７】図１４は本発明の実施例７の要部概略図で
ある。同図は半導体素子製造用の露光装置において装置
本体とウエハの位置ずれを検出するウエハアライメント
装置部の概略図を示している。

【００９８】本実施例は実施例６に比べ２倍の位置ずれ
計測分解能を達成させるものである。実施例６ではウエ
ハの位置ずれに依存しない基準信号（比較信号）とウエ
ハ上の回折格子の±１次回折光を変調したのち干渉させ
て得られるビート信号の位相差を計測しているのに対
し、本実施例ではウエハの±１次回折光を周波数変調し
た後ビート信号の位相がウエハの位置ずれに対し互いに
反対の方向に変化するように２つのビート信号を形成
し、その２つのビート信号の位相差を計測している。

【００９９】図１４においてセンサー２１ａで検出され
るビート信号は実施例６においてセンサー２１で検出さ
れる信号と同じであり、（３９）式から Ｉ１＝Ｉ０ｃｏｓ｛２π（Δｆ１−Δｆ２）ｔ＋２Ｔｘ＋（Ｔｐ−Ｔｓ）｝ ‥‥‥（４２） となる。

【０１００】音響光学素子１１に入射するとΔｆ１の周
波数変調を受ける光とは透過光に対して対称な方向に−
Δｆ１の周波数変調を受ける光も出射する。同じく音響
光学素子１２に入射するとΔｆ２の周波数変調を受ける
光とは透過光に対し対称な方向に−Δｆ２の周波数変調
を受ける光も出射する。回折光を音響光学素子１１，１
２で−Δｆ１，−Δｆ２周波数変調した後の複素振幅表
示は、ｆ１＝ｆ０−Δｆ１（角周波数ｗ１）、ｆ２＝ｆ
０−Δｆ２（角周波数ｗ２）、 ｕｐ＝ｕ０ｅｘｐ［ｉ｛２π（ｆ０−Δｆ１）ｔ＋Ｔｘ＋Ｔｐ｝］ ‥‥‥（４３） ｕｓ＝ｕ０ｅｘｐ［ｉ｛２π（ｆ０−Δｆ２）ｔ−Ｔｘ＋Ｔｓ｝］ ‥‥‥（４４） となる。この両光束を合成してセンサー２１ｂで得られ
るビート信号は Ｉ２＝Ｉ０ｃｏｓ｛２π（Δｆ１−Δｆ２）ｔ−２Ｔｘ＋（Ｔｓ−Ｔｐ）｝ ‥‥‥（４５） で表される。ここで（４２）式，（４５）式のビート信
号の位相差Δφは、 Δφ＝４Ｔｘ＋２（Ｔｐ−Ｔｓ） ＝８πｘ／ｐ＋２（Ｔｐ−Ｔｓ） ‥‥‥（４６） となる。

【０１０１】（４６）式より位相差からウエハの位置ず
れを求めることができる。（４６）式では（４０）式と
比べるとウエハの位置ずれｘに対し、位相変化が２倍の
感度を有することが分かり、同じ位相差計（例えばロッ
クインアンプ）を用いた場合に２倍の分解能を達成でき
る。更に分解能を上げたい場合は公知の分解能向上方
法、例えば回折格子で回折させる回数を増やしたり、回
折次数の大きい回折光を使う等と併用することも可能で
ある。尚オフセットの２（Ｔｐ−Ｔｓ）は本発明の実施
例１で示した重ね合わせ精度測定装置等を用いて取り除
くことができる。

【０１０２】尚、本発明の各実施例ではマスクとウエハ
が近接している等倍の露光装置で説明したが、縮小投影
露光装置にも同様に応用可能である。

【０１０３】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、単一周波
数レーザからのレーザ光を、位置ずれ検出マークである
２つの回折格子に波面収差を極力抑えた状態で照射し、
２つの回折格子からの±ｎ次回折光を周波数変調し、周
波数変調した±ｎ次回折光をヘテロダイン干渉させ、２
つの回折格子からの±ｎ次回折光の干渉光をそれぞれ独
立に光電変換して２つの電気的なビート信号を生成さ
せ、この２つのビート信号の位相差から２つの回折格子
の相対的な位置ずれを検出することにより、位置ずれ量
の検出精度を向上させ位置ずれ検出マークと光学系との
間の位置決め許容量の大きい半導体素子製造用の露光装
置等に好適な位置ずれ検出装置を達成することができ
る。

【０１０４】特に、従来音響光学素子の波面収差の影響
で、位置ずれ検出マークである２つの回折格子を光学系
（位置ずれ検出装置）に対して高精度な位置決めが必要
であったが、本発明によれば、位置ずれ検出装置に対し
ての位置決め許容量が広がり、それぞれの回折格子の装
置本体に対する位置決めの必要がなくなり、高精度化、
低コスト化、高スループット化がはかれる等の効果があ
る。

【０１０５】又、本発明によれば干渉縞をみて、光学系
の微調整が行えるので光学系の調整が容易になる。更に
検出感度を２倍に上げることができ、位置ずれ検出分解
能を上げることができる、等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の要部概略図

【図２】図１の一部分の拡大説明図

【図３】図１の光路を展開した説明図

【図４】図１の一部分の拡大説明図

【図５】本発明の実施例２の要部概略図

【図６】本発明の実施例３の要部概略図

【図７】本発明の実施例４の要部概略図

【図８】本発明の実施例５の要部概略図

【図９】図８の一部分の拡大説明図

【図１０】従来の位置ずれ検出装置の要部概略図

【図１１】図１０の一部分の拡大説明図

【図１２】本発明の実施例６の要部概略図

【図１３】図１２における干渉縞の説明図

【図１４】本発明の実施例７の要部概略図

【図１５】本発明の実施例６，７におけるウエハ上の回
折格子と入射ビームスポットとの関係を示す説明図

【符号の説明】

１ 単一周波数レーザ ２，８，１６，１８，２０，２５，２９，５３，５９
レンズ ６ ウエハ ７，７ａ，７ｂ，７ａ，４１ 回折格子 ４，１０，１５ 偏光ビームスプリッター ３，５ａ，５ｂ，９，１３，１４ ミラー １１，１２ 音響光学素子 １７ エッジミラー １９，２１ センサー ２２ 位相差計 ３５ ウエハステージ ３６，５２，５３ａ，５３ｂ，５６ グラントムソン
プリズム ２７ ビームスプリッター ４０ マスク ５７ ＣＣＤカメラ ５８ ステージ制御系

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波数ｆ０の単一周波数のレーザ光を放
   射するレーザと回折格子と、該回折格子に該レーザ光を
   入射させる照明手段と、該回折格子からの回折光を周波
   数変調する周波数変調素子と、周波数変調した回折次数
   の異なる回折光を合成する合成手段と、合成した光を検
   出してビート信号を得る光電変換手段と、該ビート信号
   の位相を基に該回折格子の位置ずれを検出する信号処理
   系とから構成されることを特徴とする位置ずれ検出装
   置。
2. 【請求項２】 周波数ｆ０のレーザ光を放射するレーザ
   と、第１，第２の回折格子の２つの回折格子と、該２つ
   の回折格子に該レーザ光を入射させ±ｎ次回折光を生成
   する照明手段と、該２つの回折格子からのｎ次回折光を
   周波数変調して周波数ｆ１の光にする少なくとも１つの
   音響光学素子と、周波数変調したｎ次回折光と−ｎ次回
   折光を合成する合成手段と、第１，第２の光電変換手段
   の２つの光電変換手段と、該第１の回折格子を該第１の
   光電変換手段の検出面に結像させ、該第２の回折格子を
   該第２の光電変換手段の検出面に結像させる結像光学系
   と、該第１の光電変換手段により得られる第１のビート
   信号と該第２の光電変換手段により得られる第２のビー
   ト信号の位相差を検出する位相差計とから構成されるこ
   とを特徴とする位置ずれ検出装置。
3. 【請求項３】 前記２つの回折格子からの＋ｎ次回折光
   を周波数変調する第１の音響光学素子と−ｎ次回折光を
   周波数変調する第２の音響光学素子とを有していること
   を特徴とする請求項２の位置ずれ検出装置。
4. 【請求項４】 周波数ｆ０のレーザ光を放射するレーザ
   と、該レーザ光を該回折格子に入射させ±ｎ次回折光を
   生成する照明手段と、該回折格子からのｎ次回折光を周
   波数変調して周波数（ｆ０＋ｆ１）の光を生成する第１
   の音響光学素子と、該回折格子からの−ｎ次回折光を周
   波数変調して周波数（ｆ０＋ｆ２）の光を生成する第２
   の音響光学素子と、該第１，第２の音響光学素子で生成
   した周波数がわずかに異なる該±ｎ次回折光を合成する
   合成手段と、周波数｜ｆ１−ｆ２｜のビート信号を生成
   する光電変換手段と、周波数｜ｆ１−ｆ２｜の比較信号
   を生成する比較ビート生成手段と該ビート信号と該比較
   信号の位相差を検出する位相差計とから構成されること
   を特徴とする位置ずれ検出装置。
5. 【請求項５】 物体上に回折格子を設け、該回折格子か
   らの回折光を利用して該物体の位置ずれを検出する際、
   周波数ｆ０のレーザ光を放射するレーザと該回折格子に
   該レーザ光を入射させ±ｎ次回折光を生成する照明手段
   と、該回折格子からのｎ次回折光を周波数変調して周波
   数（ｆ０±ｆ１）の光を生成する第１の音響光学素子
   と、該回折格子からの−ｎ次回折光を周波数変調して周
   波数（ｆ０±ｆ２）の光を生成する第２の音響光学素子
   と、該第１，第２の音響光学素子で生成した周波数がわ
   ずかに異なる±ｎ次回折光を合成する合成手段と共に周
   波数｜ｆ１−ｆ２｜のビート信号を生成する第１，第２
   の光電変換手段の２つの光電変換手段と、該第１の光電
   変換手段により得られる第１のビート信号と該第２の光
   電変換手段により得られる第２のビート信号の位相差を
   検出する位相差計とから構成されることを特徴とする位
   置ずれ検出装置。
6. 【請求項６】 前記回折格子からの周波数の等しい回折
   光により生成される干渉縞を観察する干渉縞観察系を有
   し、該干渉縞を利用して光学系のアライメントを行うこ
   とを特徴とする請求項１，２，４又は５の位置ずれ検出
   装置。
7. 【請求項７】 光源からの光を照明手段を介して第１，
   第２回折格子に入射させ、該２つの回折格子からの±ｎ
   次回折光を音響光学素子を利用して周波数が僅かに異な
   る２つの光に周波数変調し、該２つの周波数変調した±
   ｎ次回折光を合成手段で合成して、ヘテロダイン干渉の
   ビート信号を得、このうち該第１回折格子を介した光を
   第１光電変換素子に導光し、該第２回折格子を介した光
   を第２光電変換素子に導光し、該第１，第２光電変換素
   子より得られる第１，第２ビート信号の位相差を位相差
   計より検出し、該位相差計で得られる信号を用いて該第
   １回折格子と該第２回折格子との相対的な位置ずれ量を
   求めるようにしたことを特徴とする位置ずれ検出装置。
8. 【請求項８】 前記第１回折格子からの＋ｎ次回折光を
   第１音響光学素子で周波数変調し、前記第２回折格子か
   らの−ｎ次回折光を第２音響光学素子で周波数変調して
   いることを特徴とする請求項７の位置ずれ検出装置。