JPH08321452A

JPH08321452A - アライメント結果評価方法及び該方法を使用するアライメント装置

Info

Publication number: JPH08321452A
Application number: JP7127921A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ota; 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【目的】ＬＩＡ方式のアライメントセンサで位置検出
を行う際の、ＡＯＭドライバ等のジッタによる計測結果
の再現性を、空気揺らぎや装置振動等の外部の要因によ
る再現性と区別して正確に評価する。【構成】差周波生成光学系２からの所定の周波数差を
有する２つのレーザビームＬ１及びＬ２を対物レンズ４
を介して評価用の回折格子マーク６に照射し、レーザビ
ームＬ１及びＬ２の０次回折光Ｌ１(0) 及び＋１次回折
光Ｌ２(+1)よりなる第１の干渉光と、レーザビームＬ２
及びＬ１の０次回折光Ｌ２(0) 及び−１次回折光Ｌ１(-
1)よりなる第２の干渉光とを光電検出器１４Ａ及び１４
Ｂに供給して、ビート信号ＢＳ１及びＢＳ２を得る。ビ
ート信号ＢＳ１，ＢＳ２の位相差のばらつきよりＡＯＭ
ドライバ１１Ａ，１１Ｂのジッタの影響を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子又は
液晶表示素子等を製造するための露光装置に装着される
アライメント装置のアライメントセンサによる計測結果
の再現性等を評価するための評価方法に関し、特に２光
束ヘテロダイン干渉方式のアライメントセンサの計測結
果の再現性等を評価する場合に適用して好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子はウエハ上に多数層の
回路パターンを所定の位置関係で積み重ねて形成される
ので、２層目以降の回路パターンをウエハ上に投影露光
する際には、ウエハ上で既に回路パターンが形成されて
いる各ショット領域とマスクとしてのレチクルのパター
ン像の投影位置（露光位置）との位置合わせ（アライメ
ント）を高精度に行う必要がある。そのため、レチクル
のパターンをウエハ上の各ショット領域に転写するため
に使用されるステッパー等の露光装置では、ウエハ上の
各ショット領域に付設されている位置合わせ用のアライ
メントマーク（ウエハマーク）の位置を検出するアライ
メントセンサと、その検出結果に基づいてウエハの位置
決めを行うステージ機構とからなるアライメント装置が
備えられている。

【０００３】従来のアライメントセンサ中で、特に高精
度に位置検出を行うことができるセンサとして、例えば
特開平２−２２７６０２号公報で開示されているよう
に、回折格子状のウエハマークに対して可干渉で僅かに
周波数の異なる１対のレーザビームを照射し、そのウエ
ハマークから同一方向に発生する１対の回折光からなる
ヘテロダインビームを光電変換して得られるビート信号
の位相に基づいて、そのウエハマークの位置を検出する
所謂２光束ヘテロダイン干渉方式のセンサが知られてい
る。以下ではその２光束ヘテロダイン干渉方式を、単に
２光束干渉方式、又はＬＩＡ（Laser Interferometric
Alignment)方式と呼ぶ。

【０００４】従来よりＬＩＡ方式のアライメントセンサ
では、僅かに周波数の異なる可干渉な１対のレーザビー
ムを生成する部分で主に音響光学素子が使用されてい
る。この場合、その音響光学素子を所定の駆動回路（Ａ
ＯＭドライバ）を介して所定の周波数の電気信号で駆動
することにより、その音響光学素子内に進行波が発生
し、入射するレーザビームがその進行波の回折作用によ
って周波数変調されるようになっている。また、一般に
音響光学素子の動作周波数は数１０ＭＨｚと大きく、単
に２光束の内の一方を音響光学素子で周波数変調したの
では得られるビート信号の周波数（ビート周波数）が高
くなり過ぎる傾向がある。そこで、従来は１つの手法と
して、一方のレーザビームを例えば周波数（Ｆ＋Δｆ）
（Ｆは数１０ＭＨｚ、Δｆは数１０ｋＨｚ）の電気信号
で駆動される音響光学素子で変調し、他方のレーザビー
ムを周波数Ｆの電気信号で駆動される音響光学素子で変
調することにより、ビート周波数を電気的に処理し易い
低い周波数Δｆとしていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように音響光学
素子を使用した従来のＬＩＡ方式のアライメントセンサ
では、音響光学素子が安定に駆動されている場合にはビ
ート周波数が安定化され、高精度に位置検出が行われ
る。しかしながら、実際にはＡＯＭドライバの電気的ジ
ッタ（間欠的な周波数変動）により音響光学素子内の進
行波が乱され、結果として得られるビート信号のビート
周波数が短期的に変動し、これが計測結果の再現性を悪
化させて、ひいてはアライメント誤差（重ね合わせ誤
差）を生ずるという不都合があった。

【０００６】このため、電気的ジッタが少なくより安定
なビート周波数が得られるＡＯＭドライバを選択して使
用することが望まれているが、単に例えばウエハマーク
の位置の計測結果のばらつきに基づいてビート周波数の
安定性を評価しようとしても、他の空気揺らぎや装置振
動の影響との区別がつきにくいために、正確な評価が困
難である。また、仮に１組のＡＯＭドライバの各電気的
ジッタを評価できたとしても、特に電気的ジッタが小さ
いＡＯＭドライバが無かったような場合には、アライメ
ントセンサから出力されるビート信号の処理回路側に電
気的ジッタの影響を小さくする工夫を施すことが望まれ
る。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、ＬＩＡ方式のア
ライメントセンサで回折格子状のマークの位置検出を行
う際の、アライメントセンサ内部の要因による計測結果
の再現性を、空気揺らぎや装置振動等の外部の要因によ
る再現性と区別して正確に評価できるアライメント結果
評価方法を提供することを目的とする。本発明は更に、
ＬＩＡ方式のアライメントセンサを使用した場合のアラ
イメントセンサ内部の要因による計測結果の再現性を改
善するための、そのアライメントセンサからのビート信
号の処理方法を設定できるようなアライメント結果評価
方法を提供することを目的とする。

【０００８】また、本発明は、そのようなアライメント
結果評価方法を使用できるアライメント装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるアライメン
ト結果評価方法は、処理対象とする基板（Ｗ）上の位置
合わせ用の回折格子マーク（３８）に対して所定の光束
を照射し、その回折格子マークから発生する回折光に基
づいてその回折格子マークの位置検出を行うアライメン
ト装置の計測結果の再現性の評価方法であって、評価用
の回折格子マーク（６）に異なる２方向から所定の周波
数差を有する第１の光束（Ｌ１）、及び第２の光束（Ｌ
２）を照射し、回折格子マーク（６）からその第１の光
束のＭ次回折光（Ｍは整数）（Ｌ１(0))、及びその第２
の光束のＮ次回折光（Ｎは±Ｍ以外のの整数）（Ｌ２(+
1)）を同一方向に第１の干渉光として発生させ、且つ回
折格子マーク（６）からその第２の光束の−Ｍ次回折光
（Ｌ２(0))、及びその第１の光束の−Ｎ次回折光（Ｌ１
(-1)）を同一方向に第２の干渉光として発生させる。

【００１０】更に、その第１の干渉光を光電変換して得
られる第１のビート信号（ＢＳ１）と、その第２の干渉
光を光電変換して得られる第２のビート信号（ＢＳ２）
との位相差をｎ回（ｎは２以上の整数）続けて検出し、
このように検出されたｎ個の位相差のばらつきに基づい
て、それら第１及び第２のビート信号の少なくとも一方
より求められる評価用の回折格子マーク（６）の位置検
出結果の再現性を評価するものである。

【００１１】この場合、所定の角度θを用いて、それら
第１及び第２の光束をそれぞれ回折格子マーク（６）に
対して対称に角度θ及び−θで入射させ、且つ第１の光
束のＮ次回折光及び第２の光束の−Ｎ次回折光が、それ
ぞれ第２の光束の入射方向及び第１の光束の入射方向と
逆方向に進むように角度θを設定することが望ましい。
このとき、その第１の光束のＭ次回折光、及びその第２
の光束の−Ｍ次回折光としてはそれぞれ正反射光、即ち
０次回折光（Ｍ＝０）を使用することが望ましい。

【００１２】また、第１のビート信号（ＢＳ１）と第２
のビート信号（ＢＳ２）との位相差を検出する際のそれ
ら２つのビート信号のサンプリング時間を変えて、それ
ぞれ上述のように検出されたｎ個の位相差のばらつきを
求め、最もばらつきが小さくなるときのサンプリング時
間を決定することが望ましい。また、その評価用の回折
格子マーク（６）の段差の光路長を第１及び第２の光束
（Ｌ１，Ｌ２）の平均波長の１／２まで変化させること
により、第１のビート信号（ＢＳ１）と第２のビート信
号（ＢＳ２）との位相差を０から２πまで変化させて、
それぞれ上述のｎ個の位相差のばらつきを求め、この位
相差のばらつきが最も小さくなるときの評価用の回折格
子マーク（６）の段差を決定することが望ましい。

【００１３】また、第１のビート信号（ＢＳ１）と、第
２のビート信号（ＢＳ２）との位相差を検出する際に、
その第１のビート信号とその所定の周波数差に対応した
周波数の参照信号との位相差と、その第２のビート信号
とその参照信号との位相差との差分を求めるようにして
もよい。

【００１４】また、本発明によるアライメント装置は、
例えば図３に示すように、処理対象とする基板（Ｗ）上
の位置合わせ用の回折格子マーク（３８）に対して所定
の光束を照射し、回折格子マーク（３８）から発生する
回折光に基づいて回折格子マーク（３８）の位置検出を
行うアライメント装置において、回折格子マーク（３
８）に異なる２方向から所定の周波数差を有する第１の
光束（ＷＬ１）、及び第２の光束（ＷＬ２）を照射し
て、回折格子マーク（３８）からその第１の光束のＭ次
回折光（Ｍは整数）（ＷＬ１(0))、及びその第２の光束
のＮ次回折光（ＮはＭ以外の整数）（ＷＬ２(+2)）を同
一方向に第１の干渉光として発生させ、且つ回折格子マ
ーク（３８）からその第２の光束の−Ｍ次回折光（ＷＬ
２(0))、及びその第１の光束の−Ｎ次回折光（ＷＬ１(-
1)）を同一方向に第２の干渉光として発生させる照射光
学系（２，３，４２）と、それら第１及び第２の干渉光
を受光して光電変換することによりそれぞれ第１及び第
２のビート信号（ＷＳ１，ＷＳ２）を発生する受光光学
系（４２，３，１４Ａ，１４Ｂ）と、それら第１及び第
２のビート信号の少なくとも一方に基づいて回折格子マ
ーク（３８）の位置を検出する信号処理手段（４５ｂ）
と、第１のビート信号（ＷＳ１）と、第２のビート信号
（ＷＳ２）との位相差のばらつきより信号処理手段（４
５ｂ）で求められる回折格子マーク（３８）の位置検出
結果の再現性を評価する評価手段（４５ａ）と、を有す
るものである。

【００１５】

【作用】斯かる本発明のアライメント結果評価方法によ
れば、評価用の回折格子マーク（６）に対して例えばほ
ぼ対称に第１の光束（Ｌ１）及び第２の光束（Ｌ２）が
照射される。そして、その回折格子マーク（６）から、
その第１の光束のＭ次回折光（Ｌ１(0))、及びその第２
の光束のＮ次回折光（Ｌ２(+1)）からなる第１の干渉光
と、且つその第２の光束の−Ｍ次回折光（Ｌ２(0))、及
びその第１の光束の−Ｎ次回折光（Ｌ１(-1)）からなる
第２の干渉光とが、ほぼ対称に射出される。従って、そ
れら第１の干渉光及び第２の干渉光の光路はほぼ対称で
あるため、全ての空気揺らぎ、及び装置振動の影響を共
通に受けることとなる。そのため、第１のビート信号と
第２のビート信号との位相差を検出することで、全ての
空気揺らぎ、及び装置振動の影響による位相変動は相殺
され、アライメント装置内の電気的ジッタ等の影響に基
づく位相変動のみが正確に検出される。この位相変動よ
り、アライメント装置内の電気的ジッタ等の影響に基づ
く測定結果の再現性が正確に評価できる。

【００１６】特に、それら第１及び第２の光束をそれぞ
れ回折格子マーク（６）に対して対称に角度θ及び−θ
で入射させ、且つ第１の光束のＮ次回折光及び第２の光
束の−Ｎ次回折光が、それぞれ第２の光束の入射方向及
び第１の光束の入射方向と逆方向に進むように角度θを
設定し、その第１の光束のＭ次回折光、及びその第２の
光束の−Ｍ次回折光としてはそれぞれ正反射光を使用す
る場合には、第１の干渉光及び第２の干渉光は光学的に
全く同一の光路を通る。従って、全ての空気揺らぎ、及
び装置振動の影響を完全に除去できる。

【００１７】また、第１のビート信号（ＢＳ１）と第２
のビート信号（ＢＳ２）との位相差を検出する際のそれ
ら２つのビート信号のサンプリング時間を変えて、それ
ぞれ上述のように検出されたｎ個の位相差のばらつきを
求める場合のサンプリング時間とは、例えば図２に示す
ように、２つのビート信号を所定のクロックパルス（Ｃ
Ｋ）に同期して例えばｎ×ｍ回サンプリングする期間Ｔ
１である。但し、その期間Ｔ１を細分化した期間Ｔ２内
での２つのビート信号のサンプリングデータのみを使用
する、即ちその細分化した期間Ｔ２をサンプリング時間
とみなすことも可能である。この場合、この期間Ｔ１又
はＴ２内の位相差の平均値が、２つのビート信号の１回
の位相差となる。その期間Ｔ１又はＴ２を電気的ジッタ
の周期Ｔ０に対して十分短くすることで、その期間Ｔ１
又はＴ２内では各ビート信号の周波数を一定と見なすこ
とができ、電気的ジッタによる誤差を排除できる。

【００１８】具体的に、そのサンプリング時間をＴ１又
はＴ２と設定し、それぞれ上述のように検出されたｎ個
の位相差のばらつきを求め、最もばらつきが小さくなる
ときのサンプリング時間を決定することにより、そのサ
ンプリング時間は電気的ジッタの周期Ｔ０より十分に小
さくなっている。これにより計測結果の再現性が最も高
くなる。

【００１９】また、その評価用の回折格子マーク（６）
の段差の光路長を第１及び第２の光束（Ｌ１，Ｌ２）の
平均波長の１／２まで複数段階変化させることにより、
第１のビート信号（ＢＳ１）と第２のビート信号（ＢＳ
２）との位相差は０から２πまで複数段階変化する。そ
して、それぞれの回折格子マーク（６）の段差について
求めたｎ個の位相差のばらつきが最も小さくなるときの
段差を決定することにより、最も計測結果の再現性が高
くなるように回折格子マークを最適化できる。

【００２０】また、第１のビート信号（ＢＳ１）と、第
２のビート信号（ＢＳ２）との位相差を検出する際に、
その第１のビート信号とその所定の周波数差に対応した
周波数の参照信号との位相差と、その第２のビート信号
とその参照信号との位相差との差分を求める場合、それ
ら第１及び第２のビート信号の周波数変動の絶対値をも
評価できる。

【００２１】次に、本発明のアライメント装置によれ
ば、その評価手段を用いて上述のアライメント結果評価
方法が実施できる。更に、このようにして回折格子マー
クの位置検出結果の再現性が最も高くなる条件を求めた
後、この条件のもとでその信号処理手段を用いて、その
第１及び第２のビート信号の少なくとも一方に基づいて
その回折格子マーク（３８）の位置検出を行う。これに
より位置検出結果の再現性が高くなる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の第１実施例につき図１及び図
２を参照して説明する。この実施例は、２光束干渉方式
（ＬＩＡ方式）のアライメントセンサの計測結果の再現
性を評価する場合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センサ、及びその評価装置の
概略構成図であり、この図１において、ヘテロダイン干
渉光学系１、及び２つのそれぞれフォトダイオード等か
らなる光電検出器１４Ａ，１４Ｂより評価対象のＬＩＡ
方式のアライメントセンサが構成され、評価用の回折格
子板５、位相比較処理検出系１５、及びＣＲＴディスプ
レイ２２より評価装置が構成されている。また、ヘテロ
ダイン干渉光学系１は、差周波生成光学系２、ビームス
プリッタ３及び対物レンズ４より構成され、例えばガラ
ス基板よりなる回折格子板５の表面には、図１の紙面に
平行な方向に所定ピッチＰｇで凹凸の回折格子マーク６
が形成されている。回折格子マーク６は、例えばガラス
基板上に蒸着されたクロム膜をエッチング処理すること
により容易に製造できる。

【００２３】さて、差周波生成光学系２において、例え
ばＨｅ−Ｎｅレーザ光源、又はレーザダイオード等のレ
ーザ光源７から射出されたレーザビームＬは、ビームス
プリッタ８によって２分岐され、第１のレーザビームは
第１の音響光学素子（以下、「ＡＯＭ」と略称する）１
０Ａに入射し、第２のレーザビームＬ２は反射プリズム
９を経て第２のＡＯＭ１０Ｂに入射する。２つのＡＯＭ
１０Ａ及び１０Ｂは、それぞれＡＯＭドライバ１１Ａ及
び１１Ｂにより互いに異なる周波数Ｆ１及びＦ２の駆動
信号で駆動されており、周波数Ｆ１とＦ２との周波数差
はΔｆ（Δｆは例えば数１０ｋＨｚ）である。ＡＯＭド
ライバ１１Ａ及び１１Ｂの動作は制御系１２により制御
されている。第１及び第２のレーザビームはそれぞれＡ
ＯＭ１０Ａ及び１０Ｂにより回折され、多くの回折光の
内でそれぞれの＋１次回折光（以下、単に「レーザビー
ム」と呼ぶ）Ｌ１及びＬ２のみが空間フィルタ１３Ａ及
び１３Ｂにより選択される。選択されたレーザビームＬ
１，Ｌ２の周波数はもとのレーザビームＬに対してそれ
ぞれＦ１，Ｆ２だけ高く、互いの周波数差はΔｆであ
る。

【００２４】差周波生成光学系２から射出された２つの
レーザビームＬ１，Ｌ２は、ビームスプリッタ３を透過
して対物レンズ４を介して、回折格子板５上のピッチＰ
ｇの回折格子マーク６に対称にそれぞれ入射角θ，−θ
で照射される。入射角θとピッチＰｇとは、レーザビー
ムＬ１，Ｌ２の平均波長をλとすると、以下の関係が成
り立つよう設定されている。

【００２５】

【数１】sin(２θ）＝λ／Ｐｇこの結果、レーザビームＬ１の回折格子マーク６による
０次回折光（正反射光）Ｌ１(0) と、レーザビームＬ２
の回折格子マーク６による＋１次回折光Ｌ２(+1)とは平
行に、射出角−θの方向、即ちレーザビームＬ２の入射
方向と逆方向に発生する。これと対称的に、レーザビー
ムＬ１の回折格子マーク６による−１次回折光Ｌ１(-1)
と、レーザビームＬ２の回折格子マーク６による０次回
折光Ｌ２(0) とは平行に、射出角θの方向、即ちレーザ
ビームＬ１の入射方向と逆方向に発生する。

【００２６】０次回折光Ｌ１(0) 及び＋１次回折光Ｌ２
(+1)よりなる第１の干渉光と、−１次回折光Ｌ１(-1)及
び０次回折光Ｌ２(0) よりなる第２の干渉光とは、対物
レンズ４を経てビームスプリッタ３に戻り、ビームスプ
リッタ３で反射されたその第１及び第２の干渉光がそれ
ぞれ光電検出器１４Ａ及び１４Ｂで受光される。そし
て、光電検出器１４Ａ及び１４Ｂよりそれぞれその第１
及び第２の干渉光を光電変換して得られる第１のビート
信号ＢＳ１及び第２のビート信号ＢＳ２が出力され、こ
れらのビート信号ＢＳ１及びＢＳ２は位相比較処理検出
系１５に供給される。ＡＯＭドライバ１１Ａ，１１Ｂの
電気的ジッタがない場合には、それらビート信号ＢＳ１
及びＢＳ２は、回折格子マーク６の形状等に応じた位相
差を有する周波数Δｆの正弦波である。

【００２７】位相比較検出処理系１５において、ビート
信号ＢＳ１及びＢＳ２はそれぞれアナログ／デジタル
（Ａ／Ｄ）変換器１６Ａ及び１６Ｂに供給され、Ａ／Ｄ
変換器１６Ａ及び１６Ｂでは、水晶発振器１７より供給
されるそのビート信号の周波数Δｆのｎ倍（ｎは２以上
の整数）の周波数のサンプリングクロックＣＫに同期し
て、それぞれビート信号ＢＳ１及びＢＳ２をデジタルデ
ータＤ１及びＤ２に変換する。これらのデジタルデータ
Ｄ１及びＤ２は順次それぞれデジタルメモリ１８Ａ及び
１８Ｂに記憶される。位相比較のために一度に記憶され
るデータ量は、ビート信号ＢＳ１，ＢＳ２の本来の周期
のｍ周期分（ｍは１以上の整数）であり、記憶されるデ
ジタルデータＤ１及びＤ２のデータ点数は共にｍ・ｎ点
である。

【００２８】図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれビート信
号ＢＳ１及びＢＳ２の一例を示し、ジッタ（周波数変
動）が無い本来のそれら２つのビート信号の位相差をΔ
φとしてある。また、図２（ｃ）は水晶発振器１７から
のサンプリングクロックＣＫの一例を示し、ビート信号
ＢＳ１（又はＢＳ２）の本来の１周期中にサンプリング
クロックＣＫはｎパルスが含まれるようになっている。
また、例えば１回目の比較を行うために、２つのビート
信号ＢＳ１，ＢＳ２は、時点ｔ２からそれぞれサンプリ
ングクロックＣＫのｎ・ｍパルス分に相当する期間Ｔ１
の間サンプリングされる。

【００２９】この場合、例えば時点ｔ１から図１のＡＯ
Ｍドライバ１１Ａの電気的ジッタが生じると、２つのビ
ート信号ＢＳ１及びＢＳ２の周波数は同じように変化
し、その周波数の変動量が或る程度大きくなると、それ
ら２つのビート信号の位相差Δφ’と初期の位相差Δφ
との差分は所定の許容値を超えるようになる。そこで、
本例本実施例ではその位相差のばらつきからそのジッタ
の影響を評価する。

【００３０】即ち、図１に戻り、位相比較処理検出系１
５内のコンピュータ１９の演算手段２０が、デジタルメ
モリ１８Ａ及び１８Ｂから期間Ｔ１の間に取り込まれた
ｎ・ｍ点分のデジタルデータＤ１及びＤ２を読み出す。
このように読み出されたデジタルデータＤ１を１番目か
ら順次Ｄ１₁〜Ｄ１_mnとして、デジタルデータＤ２を１
番目から順次Ｄ２₁〜Ｄ２_mnとする。また、演算手段２
０内には予め、周期ｎのsin(２πｉ／ｎ）及びcos(２π
ｉ／ｎ）（ｉ＝１〜ｎ）の値を示すテーブル、即ちsin
テーブル、及びcos テーブルが記憶されており、演算手
段２０では、それらのデジタルデータとsin テーブル、
及びcos テーブルとを次式のように逐次掛け合わすこと
により、総和Ｃ１，Ｓ１，Ｃ２，Ｓ２を求める。

【００３１】

【数２】

【００３２】

【数３】

【００３３】そして、両ビート信号ＢＳ１，ＢＳ２間の
位相差をΔφとすると、位相差Δφは上述の総和Ｃ１，
Ｓ１，Ｃ２，Ｓ２から次のように計算される。

【００３４】

【数４】

【００３５】以上の方法により計算された１回目の位相
差ΔφをΔφ₁とする。その後、引き続き同様の方法に
より、図２に示すような２つのビート信号ＢＳ１，ＢＳ
２のサンプリング及び（数２）〜（数４）の計算を繰り
返すことにより、２回目の位相差Δφ₂、３回目の位相
差Δφ₃、…、ｑ回目の位相差Δφ_1q（ｑは２以上の整
数）を求める。そして、演算手段２０では、求められた
ｑ個の位相差Δφ₁〜Δφ_1qの分散σ（Δφ）を以下の
式によって求める。この場合、計算の途中でｑ個の位相
差の平均値〈Δφ〉が求められている。

【００３６】

【数５】

【００３７】このように求められる分散σ（Δφ）の値
は、演算手段２０からコンピュータ１９内の制御手段２
１を介して外部のＣＲＴディスプレイ２２に表示され
る。また、図１において、電気的ジッタが生じる恐れの
あるＡＯＭドライバ１１Ａ，１１Ｂを種々のタイプの複
数のドライバで置き換えて、それぞれ（数５）の位相差
の分散σ（Δφ）の値を算出し、ＣＲＴディスプレイ２
２上に使用された複数のＡＯＭドライバと対照させてそ
れぞれの位相差の分散σ（Δφ）の値を表示し、これら
の位相差の分散σ（Δφ）の値より複数のＡＯＭドライ
バの評価を行う。

【００３８】この場合、光電検出器１４Ａ及び１４Ｂに
入射する第１の干渉光及び第２の干渉光は、ビームスプ
リッタ３と回折格子板５との間で互いに同じ光路を逆方
向に進んでいるため、光電検出器１４Ａ及び１４Ｂから
出力されるビート信号ＢＳ１及びＢＳ２には、空気揺ら
ぎや装置振動の影響が共通に含まれている。従って、ビ
ート信号ＢＳ１とＢＳ２との位相差からは、空気揺らぎ
や装置振動の影響が除去され、ジッタの影響だけが現れ
ている。これは、（数５）で求められる分散σ（Δφ）
の値が小さい程、２つのビート信号ＢＳ１，ＢＳ２間の
位相差が安定でジッタの影響が少ないことを意味する。
従って、ＣＲＴディスプレイ２２上から最も位相差の分
散が小さくなるＡＯＭドライバを捜すことにより、位相
比較処理検出系１５にとって相性のよいＡＯＭドライバ
を見つけることが可能である。この場合、その位相差の
分散が小さい程、２つのビート信号ＢＳ１，ＢＳ２間の
位相差が安定で計測値の再現性が高いため、結果として
最も計測値の再現性が高くなるＡＯＭドライバを評価で
きることになる。

【００３９】更に、本例では計測対象とする回折格子マ
ークの最適化を行うために、図１の回折格子板５上に回
折格子マーク６を形成する際に、クロム膜の厚さ、より
正確には凸部と凹部との段差の光路長を、０から使用さ
れるレーザビームＬ１，Ｌ２の平均波長λの１／２まで
複数段階で変化させた複数種類の回折格子板５を用意す
る。この場合、得られる２つのビート信号ＢＳ１，ＢＳ
２の位相差は０〜２πの間の複数段階で変化するため、
各クロム膜の厚さでそれぞれ（数５）の位相差の分散σ
（Δφ）を求め、この分散が最も小さいときの厚さを求
めることにより、最もジッタの影響が少なくなる回折格
子マークを特定できる。即ち、最もジッタの影響が少な
くなるように回折格子マークを最適化できることにな
る。

【００４０】次に、本例で図２に示すビート信号ＢＳ
１，ＢＳ２のサンプリングの期間Ｔ１を最適化する方法
につき説明する。この場合、一度に図１のデジタルメモ
リ１８Ａ，１８Ｂに記憶させるデータ点数ｎ・ｍをいろ
いろ変えて、（数５）で表される位相差の分散σ（Δ
φ）の評価を行う。このとき、データ点数に比例する整
数ｍの目安として、ジッタの周期を考慮する。図２
（ａ）に示すように、時点ｔ１から周期Ｔ０のジッタが
生ずるものとして、そのジッタの周期Τ０の間に２つの
ビート信号ＢＳ１，ＢＳ２の周波数Δｆはそれぞれ±ε
ｆ変化するものとする。一連のビート信号ＢＳ１，ＢＳ
２をサンプリングしている期間Ｔ１（ｎ×ｍパルスの期
間）にその周波数Δｆが変化すると、２つのビート信号
の位相差Δφを求める上で誤差となるため、サンプリン
グしている間にそれら２つのビート信号ＢＳ１，ＢＳ２
の周波数が一定であるような条件が望ましい。

【００４１】この場合、ジッタがない状態でのビート信
号ＢＳ１，ＢＳ２の周波数はΔｆで、周期は１／Δｆで
あるため、サンプリングする期間Ｔ１はｍ／Δｆとな
る。従って、信号をサンプリングする期間ｍ／Δｆがそ
のジッタの周期Ｔ０に比べて十分に短ければよく、その
期間ｍ／Δｆが例えばジッタの周期Ｔ０の１／１０以下
となるように整数ｍの値を定めればよい。このように定
められた整数ｍの値を用いて、（数５）の分散σ（Δ
φ）を評価することにより、正確に評価が行われる。

【００４２】また、サンプリングの期間Ｔ１がジッタの
周期Ｔ０に比べて短くなくとも、デジタルメモリ１８
Ａ，１８Ｂに記憶されたデジタルデータから位相差を計
算する際、全てのｍｎ個のデータ中からジッタの周期に
比べて十分短い区間に細切れに分割された区間のデータ
を使用して計算しても同様の効果が得られる。例えば図
２（ｃ）において、サンプリングの期間Ｔ１がジッタの
周期Ｔ０に比べてあまり短くない場合でも、その期間Ｔ
１を区分した一部の期間Ｔ２内のデジタルデータを用い
ることにより、サンプリングの期間が実質的にジッタの
周期Ｔ０に比べて十分に短くなる。

【００４３】次に、本発明の第２実施例につき図３を参
照して説明する。本例はＬＩＡ方式のアライメントセン
サを備えたアライメント装置が、本発明によるアライメ
ント結果評価方法を実施する機能を備えたものである。
また、図３において図１に対応する部分には同一符号を
付してその詳細説明を省略する。図３は本例のアライメ
ント装置を備えた投影露光装置の要部を示し、この図３
において、転写用の回路パターンの形成されたレチクル
Ｒがレチクルステージ３２上に載置され、露光時には照
明光学系３１からの露光光によりレチクルＲのパターン
形成面が照明される。そして、そのパターン形成面の回
路パターンが、投影光学系ＰＬにより例えば１／５に縮
小されてウエハステージ３３上に載置されたウエハＷ上
のショット領域に投影される。ここで、投影光学系ＰＬ
の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で
図３に平行にＸ軸、図３に垂直にＹ軸を取る。

【００４４】ウエハステージ３３は、Ｚ方向、Ｘ方向、
Ｙ方向等にウエハＷを位置決めするステージ機構であ
り、ウエハステージ３４の上端に固定された移動鏡３
４、及び外部のレーザ干渉計３５によりウエハステージ
３３のＸ座標及びＹ座標が例えば０．０１μｍの分解能
で計測され、計測結果が中央制御系３６に供給されてい
る。中央制御系３６では供給された計測結果に基づい
て、ステージ駆動系３７を介してウエハステージ３３の
位置決め動作を制御する。即ち、予めアライメントセン
サによりウエハＷ上の各ショット領域の配列座標が計測
されているものとして、ウエハＷ上の或るショット領域
への露光が終了すると、ウエハステージ３３のステッピ
ング動作により次のショット領域が投影光学系ＰＬの露
光フィールドに設定されてレチクルＲのパターンの縮小
像の露光が行われるという、ステップ・アンド・リピー
ト動作が行われる。

【００４５】本例で使用されるアライメントセンサは、
レチクルＲと投影光学系ＰＬとの間から計測用のレーザ
ビームを投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に照射する
ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式で、且つＬＩＡ方式
のアライメントセンサ３９である。アライメントセンサ
３９において、差周波生成光学系２からは図１の実施例
と同様に周波数差がΔｆの２つのレーザビームＬ１及び
Ｌ２が射出される。レーザビームＬ１，Ｌ２の波長はウ
エハＷ上のフォトレジストに対する感光性の弱い波長
（例えばＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍ等）に設定され
ている。これらのレーザビームＬ１及びＬ２はそれぞれ
ビームスプリッタ３により、参照光学系に向かう参照ビ
ームＲＬ１及びＲＬ２と、ウエハ光学系に向かうウエハ
用計測ビームＷＬ１及びＷＬ２とに分岐する。参照光学
系では、参照ビームＲＬ１，ＲＬ２が対物レンズ４０を
介して参照回折格子板４１に第１実施例と同様の入射角
±θで入射する。参照回折格子板４１には、第１実施例
の回折格子マーク６と同様のピッチで透過型の回折格子
マークが形成され、参照回折格子板４１から直後の光電
検出器１４Ｃに対して、参照ビームＲＬ１の０次回折
光、及び参照ビームＲＬ２の＋１次回折光からなる第１
の参照干渉光と、参照ビームＲＬ１の−１次回折光、及
び参照ビームＲＬ２の０次回折光からなる第２の参照干
渉光とが入射する。これら２つの参照干渉光は光電検出
器１４Ｃによって光電変換されて参照ビート信号ＲＳと
なる。

【００４６】一方、ウエハ用計測ビームＷＬ１，ＷＬ２
はビームスプリッタ３を透過した後、対物レンズ４２、
光路折り曲げ用のミラー４３を経て一度交差した後、投
影光学系ＰＬを経てウエハＷ上に第１実施例の入射角を
投影光学系ＰＬの投影倍率で変換した入射角で計測方向
（これをＸ方向とする）にほぼ対称に入射する。その２
つのウエハ用計測ビームＷＬ１，ＷＬ２の照射領域が計
測領域であり、この計測領域に計測対象とするショット
領域に付設されたＸ軸用のウエハマークとしてのＸ方向
にピッチＰｗの回折格子マーク３８が形成されている。
そのピッチＰｗは第１実施例の回折格子マーク６のピッ
チＰｇに、投影光学系ＰＬの投影倍率を乗じた値を有す
る。

【００４７】この結果、ウエハ用計測ビームＷＬ１の回
折格子マーク３８による０次回折光ＷＬ１(0) と、ウエ
ハ用計測ビームＷＬ２の＋１次回折光ＷＬ２(+1)とは平
行に、ウエハ用計測ビームＷＬ２の入射方向と逆方向に
発生し、ウエハ用計測ビームＷＬ１の回折格子マーク３
８による−１次回折光ＷＬ１(-1)と、ウエハ用計測ビー
ムＬ２の０次回折光ＷＬ２(0) とは平行に、ウエハ用計
測ビームＷＬ１の入射方向と逆方向に発生する。そし
て、０次回折光ＷＬ１(0) 及び＋１次回折光ＷＬ２(+1)
よりなる第１のウエハ干渉光と、−１次回折光ＷＬ１(-
1)及び０次回折光ＷＬ２(0) よりなる第２のウエハ干渉
光とは、投影光学系ＰＬ、ミラー４３、対物レンズ４２
を経てビームスプリッタ３に戻り、ビームスプリッタ３
で反射されたその第１及び第２のウエハ干渉光がそれぞ
れ光電検出器１４Ａ及び１４Ｂで受光される。そして、
光電検出器１４Ａ及び１４Ｂよりそれぞれその第１及び
第２のウエハ干渉光を光電変換して得られる第１のウエ
ハビート信号ＷＳ１及び第２のウエハビート信号ＷＳ２
が出力され、これらのウエハビート信号ＷＳ１，ＷＳ２
及び参照ビート信号ＲＳはアライメント信号処理系４４
に供給される。ＡＯＭドライバの電気的ジッタがない場
合には、それらウエハビート信号ＷＳ１及びＷＳ２は、
回折格子マーク３８の形状等に応じた位相差を有する周
波数Δｆの正弦波である。

【００４８】アライメント信号処理系４４において、参
照ビート信号ＲＳ、及びウエハビート信号ＷＳ１，ＢＷ
２はそれぞれＡ／Ｄ変換器１６Ｃ、及びＡ／Ｄ変換器１
６Ａ，１６Ｂに供給され、Ａ／Ｄ変換器１６Ａ〜１６Ｃ
では、水晶発振器１７より供給されるサンプリングクロ
ックＣＫに同期して、それぞれ供給されたビートをデジ
タルデータに変換する。これらのデジタルデータは順次
それぞれデジタルメモリ１８Ａ〜１８Ｃに記憶される。
そして、アライメント信号処理系４４内には、これらの
デジタルメモリ１８Ａ〜１８Ｃ内のデジタルデータを読
み出して各種の処理を行うコンピュータ４５が配置され
ている。

【００４９】コンピュータ４５内には大きく分けて、差
周波生成光学系２内の電気的ジッタによる影響を評価し
たり、最適な信号処理方法を求めるための第１の演算手
段４５ａと、ウエハＷのアライメントを行うための第２
の演算手段４５ｂとが設けられている。演算手段４５ａ
及び４５ｂは、それぞれデジタルメモリ１８Ａ〜１８Ｃ
内の任意のデジタルデータを読み出して所定の処理を行
う。即ち、電気的ジッタによる影響を評価したり、最適
な信号処理方法を求める場合には、第１の演算手段４５
ａが第１実施例と同様に２つのウエハビート信号ＷＳ
１，ＷＳ２間の位相差を検出し、更にその位相差の分散
を算出し、算出結果を中央制御系３６に供給する。

【００５０】一方、ウエハＷのアライメントを行うとき
には、第２の演算手段４５ｂが、参照ビート信号ＲＳに
対するウエハビート信号ＷＳ１，ＷＳ２の位相差Δ
φ_W1，Δφ_W2をそれぞれ求める。その後、次式のように
２つの位相差の平均値Δφ_Wを以って、参照回折格子板
４１を基準としたウエハＷ上の回折格子マーク３８のＸ
方向への位置ずれΔｘを求める。

【００５１】

【数６】Δｘ＝｛Δφ_W/（２π)}Ｐ_W、但しΔφ_W＝
（Δφ_W1＋Δφ_W2）／２この場合、本実施例によれば、アライメント信号処理系
４４内のコンピュータ４５の第１の演算手段４５ａが第
１実施例と同様にジッタの影響を評価できるため、予め
ジッタの影響が少ないＡＯＭドライバ１１Ａ，１１Ｂ
（図１参照）を使用し、且つジッタの影響が少ないよう
なサンプリングの期間を定めることができる。これによ
り、ジッタの影響を低減させて、より高精度に位置合わ
せを行うことができる。

【００５２】なお、この第２実施例において、ジッタの
影響を評価する際にも、参照ビート信号ＲＳに対するウ
エハビート信号ＷＳ１，ＷＳ２のそれぞれの位相差Δφ
_W1，Δφ_W2を求め、両者の差を求めてもよい。この方法
でも、第１実施例のように２つのビート信号の位相差を
直接比較するのと同様の情報が得られる。更に、このよ
うにそれぞれの位相差Δφ_W1，Δφ_W2を求める場合に
は、空気揺らぎの影響の程度等も評価できる利点もあ
る。

【００５３】また、上述実施例では差周波生成光学系２
において、音響光学素子を用いて所定の周波数差を有す
るレーザビームを生成しているが、例えばゼーマン効果
を利用するなど他の方法により所定の周波数差を有する
２つのレーザビームを生成する場合においても、ジッタ
が発生することは十分考えられる。発明はこのような場
合においても、当然のことながら有効である。

【００５４】また、上述実施例では０次回折光と１次回
折光との干渉を利用したが、１次でなくとも何次の回折
光であってもよい。それは例えば回折格子マークのピッ
チＰｇ等を変えることによって変更できるものである。
また、第２実施例でジッタ評価とアライメントとを同じ
ピッチの回折格子マーク（ウエハマーク）を用いて行っ
たが、ジッタの評価時とアライメント時とで回折格子マ
ークのピッチを変えることは本発明の有効性を変えるこ
とではない。従って、別ピッチの格子を使っても問題な
い。

【００５５】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。

【００５６】

【発明の効果】本発明のアライメント結果評価方法によ
れば、ほぼ同一の光路を通る２つの干渉光を光電変換し
て得られる２つのビート信号の位相差のばらつきに基づ
いて、位置検出結果の再現性を評価している。従って、
ＬＩＡ方式のアライメントセンサで回折格子状のマーク
の位置検出を行う際の、アライメントセンサ内部の例え
ばＡＯＭドライバの電気的ジッタ等の要因による再現性
を、空気揺らぎや装置振動等の外部の要因による再現性
と区別して正確に評価できる利点がある。

【００５７】また、本発明による評価方法は、通常のア
ライメント装置に容易に適応できるため、特別な評価装
置を作る必要の無い利点もある。次に、第１のビート信
号と第２のビート信号との位相差を検出する際の２つの
ビート信号のサンプリング時間を変えて、それぞれ検出
されたｎ個の位相差のばらつきを求め、最もばらつきが
小さくなるときのサンプリング時間を決定する場合に
は、ＬＩＡ方式のアライメントセンサを使用した場合の
アライメントセンサ内部の要因による計測結果の再現性
を改善するための、そのアライメントセンサからのビー
ト信号の処理方法を設定できる利点がある。

【００５８】これは特に、ジッタがなくせない状態にお
いて、ジッタの影響を最も受けにくい信号処理方法を決
定するために有効である。また、評価用の回折格子マー
クの段差の光路長を第１及び第２の光束の平均波長の１
／２まで変化させることにより、第１のビート信号と第
２のビート信号との位相差を０から２πまで変化させ
て、それぞれｎ個の位相差のばらつきを求め、該位相差
のばらつきが最も小さくなるときのその評価用の回折格
子マークの段差を決定するときには、ジッタの影響が小
さくなるように検出対象の回折格子状のマークを最適化
できる。

【００５９】また、第１のビート信号と、第２のビート
信号との位相差を検出する際に、第１のビート信号と所
定の周波数差に対応した周波数の参照信号との位相差
と、第２のビート信号とその参照信号との位相差との差
分を求めるときにも、２つのビート信号の位相差を直接
求める場合と同様にジッタの影響を評価できる。また、
本発明のアライメント装置によれば、そのアライメント
結果評価方法が実施でき、その評価結果を使用すること
によりより高精度に位置合わせを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１実施例のＬＩＡ方式のアライ
メントセンサ、及びその評価システムを示す概略構成図
である。

【図２】第１実施例のビート信号及びサンプリングクロ
ックを示す波形図である。

【図３】本発明による第２実施例のアライメント装置が
搭載された投影露光装置の要部を示す構成図である。

【符号の説明】

１ヘテロダイン干渉光学系２差周波生成光学系３ビームスプリッタ４対物レンズ６回折格子マーク１０Ａ，１０Ｂ音響光学素子（ＡＯＭ）１１Ａ，１１ＢＡＯＭドライバ１３Ａ，１３Ｂ空間フィルタ１４Ａ，１４Ｂ光電検出器１５位相比較処理検出系１７水晶発振器１９コンピュータＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ３６中央制御系３９アライメントセンサ４４アライメント信号処理系４５コンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理対象とする基板上の位置合わせ用の
回折格子マークに対して所定の光束を照射し、前記回折
格子マークから発生する回折光に基づいて前記回折格子
マークの位置検出を行うアライメント装置の計測結果の
再現性の評価方法であって、評価用の回折格子マークに異なる２方向から所定の周波
数差を有する第１の光束、及び第２の光束を照射し、該
回折格子マークから前記第１の光束のＭ次回折光（Ｍは
整数）、及び前記第２の光束のＮ次回折光（Ｎは±Ｍ以
外の整数）を同一方向に第１の干渉光として発生させ、
且つ該回折格子マークから前記第２の光束の−Ｍ次回折
光、及び前記第１の光束の−Ｎ次回折光を同一方向に第
２の干渉光として発生させ、前記第１の干渉光を光電変換して得られる第１のビート
信号と、前記第２の干渉光を光電変換して得られる第２
のビート信号との位相差をｎ回（ｎは２以上の整数）続
けて検出し、該検出されたｎ個の位相差のばらつきに基
づいて、前記第１及び第２のビート信号の少なくとも一
方より求められる前記評価用の回折格子マークの位置検
出結果の再現性を評価することを特徴とするアライメン
ト結果評価方法。
【請求項２】請求項１記載のアライメント結果評価方
法であって、前記第１のビート信号と前記第２のビート
信号との位相差を検出する際の前記２つのビート信号の
サンプリング時間を変えて、それぞれ前記検出されたｎ
個の位相差のばらつきを求め、最もばらつきが小さくな
るときのサンプリング時間を決定することを特徴とする
アライメント結果評価方法。
【請求項３】請求項１記載のアライメント結果評価方
法であって、前記評価用の回折格子マークの段差の光路長を前記第１
及び第２の光束の平均波長の１／２まで変化させること
により、前記第１のビート信号と前記第２のビート信号
との位相差を０から２πまで変化させて、それぞれ前記
ｎ個の位相差のばらつきを求め、該位相差のばらつきが
最も小さくなるときの前記評価用の回折格子マークの段
差を決定することを特徴とするアライメント結果評価方
法。
【請求項４】請求項１、２、又は３記載のアライメン
ト結果評価方法であって、前記第１のビート信号と、前記第２のビート信号との位
相差を検出する際に、前記第１のビート信号と前記所定
の周波数差に対応した周波数の参照信号との位相差と、
前記第２のビート信号と前記参照信号との位相差との差
分を求めることを特徴とするアライメント結果評価方
法。
【請求項５】処理対象とする基板上の位置合わせ用の
回折格子マークに対して所定の光束を照射し、前記回折
格子マークから発生する回折光に基づいて前記回折格子
マークの位置検出を行うアライメント装置において、前記回折格子マークに異なる２方向から所定の周波数差
を有する第１の光束、及び第２の光束を照射して、前記
回折格子マークから前記第１の光束のＭ次回折光（Ｍは
整数）、及び前記第２の光束のＮ次回折光（Ｎは±Ｍ以
外の整数）を同一方向に第１の干渉光として発生させ、
且つ前記回折格子マークから前記第２の光束の−Ｍ次回
折光、及び前記第１の光束の−Ｎ次回折光を同一方向に
第２の干渉光として発生させる照射光学系と；前記第１
及び第２の干渉光を受光して光電変換することによりそ
れぞれ第１及び第２のビート信号を発生する受光光学系
と；前記第１及び第２のビート信号の少なくとも一方に
基づいて前記回折格子マークの位置を検出する信号処理
手段と；前記第１のビート信号と、前記第２のビート信
号との位相差のばらつきより前記信号処理手段で求めら
れる前記回折格子マークの位置検出結果の再現性を評価
する評価手段と；を有することを特徴とするアライメン
ト装置。