JPH09160261A

JPH09160261A - 位置検出方法

Info

Publication number: JPH09160261A
Application number: JP7318727A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nakayama; 繁中山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1997-06-20
Also published as: US5796483A

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＩＡ方式のアライメントセンサを用いた位
置検出を所定の許容測定時間内で高精度に行う。【解決手段】ＬＩＡ方式のアライメントセンサを用い
て連続的に基準マークの位置を時系列データとして検出
し（ステップ１０２）、その時系列データの揺らぎのパ
ワースペクトルＩ（ω）を算出し（ステップ１０３）、
異なる測定時間ΔＴ１，ΔＴ２の間で変化する平均時間
ΔＴに対して、平均化した揺らぎのパワースペクトル
Ｉ’（ω）を計算する（ステップ１０５）。その平均時
間ΔＴで平均化した時系列データの分散はパワースペク
トルＩ’（ω）の積分値と一致するので、パワースペク
トルＩ’（ω）の積分値、即ち揺らぎの分散値σが最小
になる平均時間ΔＴ_MMを求め（ステップ１０６）、この
平均時間ΔＴ_MMをアライメントセンサで得られるビート
信号に基づいた位置の測定時間とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回折格子状マーク
からの互いに周波数の異なる複数の回折光よりなる干渉
光を光電変換して得られるビート信号に基づいてその回
折格子状マークの位置を検出する位置検出方法に関し、
特に例えば半導体素子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣ
Ｄ等）、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォト
リソグラフィー工程で使用される露光装置に装着される
ＬＩＡ方式（２光束干渉方式）のアライメントセンサを
使用して位置検出する場合に使用して好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば半導体素子を製造するため
のフォトリソグラフィー工程では、マスクとしてのレチ
クル上の回路パターンを高解像度で感光基板としてのウ
エハ上の各ショット領域にステップ・アンド・リピート
方式で転写する縮小投影型露光装置（ステッパー）等の
露光装置が使用されている。ところで、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ため、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、ウエハ上の既に回路パ
ターンが形成された各ショット領域とこれから露光する
レチクルの投影パターンとの位置合わせ、即ちウエハの
位置合わせ（ウエハアライメント）が行われる。そのウ
エハアライメントを高精度に行うためには、先ずウエハ
の各ショット領域の位置を高精度に検出する必要がある
ため、従来より露光装置には、ウエハの各ショット領域
に付設されたアライメントマーク（ウエハマーク）の位
置を検出するためのアライメントセンサが備えられてい
る。

【０００３】従来より、極めて高精度にウエハマークの
位置検出を行うことができるアライメントセンサとし
て、例えば特開昭６１−２１５９０５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一定の周波
数差を持つ２つのレーザビームを異なる方向から照射
し、そのウエハマークから発生した２つの回折光よりな
る干渉光（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ＬＩＡ（Laser Interferometric Alignmen
t ）方式のアライメントセンサが知られている。ＬＩＡ
方式は２光束干渉方式とも呼ばれている。

【０００４】言い換えると、そのＬＩＡ方式では、回折
格子状のウエハマークに異なる方向から２つのレーザビ
ームを照射することによって、そのウエハマーク上に計
測方向に所定ピッチの１次元の干渉縞が形成され、この
干渉縞を使ってマーク位置が検出される。この場合、そ
のウエハマーク上の干渉縞はピッチ方向にビート周波数
で高速に流れることになり、そのウエハマークの位置は
干渉縞の高速移動に伴う時間的な要素（位相差）を基準
として求められることになる。このＬＩＡ方式のアライ
メントセンサは、複数の格子エレメントからなる回折格
子状マークを用いるため、ウエハの表面の荒れや各種の
処理プロセスによるウエハマークの崩れに対して強くな
っている。しかも、ＬＩＡ方式では、例えばウエハマー
クからの±１次回折光を使用する場合、ウエハマークか
らの干渉光の強度に応じたビート信号（正弦波）の位相
が、格子ピッチの１／２のウエハマークの位置ずれに対
して３６０°変化するため、極めて高い分解能での計測
が可能となっている。この場合、そのビート信号の位相
差は、例えばそのビート周波数と同じ周波数の基準ビー
ト信号を発生させておき、その基準ビート信号の位相と
の差として求められる。

【０００５】また、アライメント方式としては、投影光
学系を介してウエハマークの位置を検出するＴＴＬ（ス
ルー・ザ・レンズ）方式、投影光学系を介することなく
直接ウエハマークの位置を検出するオフ・アクシス方
式、又はウエハマークとレチクルマークとを同時に観察
し、両者の相対的な位置ずれ量を検出するＴＴＲ（スル
ー・ザ・レチクル）方式があり、ＬＩＡ方式のアライメ
ントセンサはこれらの何れの方式でも使用されている。
そして、ＬＩＡ方式のアライメントセンサをＴＴＬ方
式、又はオフ・アクシス方式で使用した場合には、上述
のようにウエハマークに対応するビート信号と基準ビー
ト信号との位相差が検出される。一方、ＬＩＡ方式のア
ライメントセンサをＴＴＲ方式で使用した場合には、ウ
エハマークに対応するビート信号とレチクルマークに対
応するビート信号との位相差が検出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く従来のＬＩ
Ａ方式のアライメントセンサによれば、高精度、且つ高
速に回折格子状のウエハマークの位置検出を行うことが
できる。しかしながら、ＬＩＡ方式では光の干渉を利用
するため、空気揺らぎや露光装置各部の振動等の影響を
受け易く、ビート信号に基づいて検出されるウエハマー
クの位置（又は２つのマークの相対的な位置ずれ量）が
所定範囲内で高速に変動するという現象がある。そのた
めウエハマークの位置を所望の測定精度で検出するため
には、ビート信号に基づいて所定のサンプリング周期で
検出される位置を平均化する動作が必要となる。この際
に、平均化する時間（測定時間）を長くすれば得られる
位置は実際の位置により近付いて、平均化効果は大きく
なる。しかしながら、その測定時間を無条件に長くする
と、測定時間が長くなって露光工程全体のスループット
（生産性）が低下するという不都合があった。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、ＬＩＡ方式のア
ライメントセンサを使用して検出対象マークの位置検出
を行う場合に、測定時間をあまり長くすることなく高精
度に位置検出を行うことができる位置検出方法を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出方
法は、例えば図２及び図３に示すように、基板（Ｗ）に
形成された回折格子状マーク（ＷＭｘ）に、異なる方向
から可干渉性を有し、且つ互いに周波数の異なる２光束
（ＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘ）を照射し、これら２光束のそれ
ぞれの回折格子状マーク（ＷＭｘ）からの回折光よりな
る干渉光（ＤＬ）を光電検出してビート信号（ＳＤ）を
発生させ、ビート信号（ＳＤ）の位相に基づいて回折格
子状マーク（ＷＭｘ）の位置を検出する位置検出方法に
おいて、ビート信号（ＳＤ）の位相に基づいて検出され
る位置の所定の平均時間の範囲（ΔＴ１〜ΔＴ２）で平
均化された計測結果の揺らぎが最小となるときの平均時
間を回折格子状マーク（ＷＭｘ）の位置の測定時間とす
るものである。

【０００９】斯かる本発明によれば、所定の平均時間内
で揺らぎが最小となるときの平均時間を測定時間とする
ので、測定時間を長くすることなく測定時間が最適化さ
れた状態で、高精度に位置検出が行われる。この場合、
ビート信号（ＳＤ）の位相に基づいて検出される位置の
揺らぎのパワースペクトルを求め、このパワースペクト
ルからその所定の平均時間の範囲内の各平均時間で平均
化された計測結果の揺らぎのパワースペクトル、及びこ
のパワースペクトルの積分値を求め、この積分値が最小
となるときの平均時間を回折格子状マーク（ＷＭｘ）の
位置の測定時間とすることが望ましい。即ち、ビート信
号（ＳＤ）の位相に基づいて所定のサンプリング周期で
検出される位置ＸＭは、例えば図３に示すように高速に
振動している。そこで、振動の周波数をｆ、角周波数を
ω（＝２π・ｆ）として、そのように時系列的に検出さ
れる位置ＸＭの揺らぎのパワースペクトルＩ（ω）を求
める。

【００１０】次に、この揺らぎを時間ΔＴ毎に平均化し
た時系列データのパワースペクトルＩ’（ω）は次式で
表される。

【００１１】

【数１】Ｉ’（ω）＝Ｉ（ω）｛sin(ωΔＴ／２）／
（ωΔＴ／２）｝² 一方、検出される位置ＸＭの揺らぎの時系列データの分
散σ²はパワースペクトルＩ’（ω）の積分値と一致す
る。従って、所定の測定時間の範囲内でパワースペクト
ルＩ’（ω）の積分値が最小になる平均時間ΔＴ_MMを求
め、この平均時間ΔＴ_MMをビート信号（ＳＤ）の位相か
ら時系列的に求められる位置ＸＭの測定時間（検出デー
タを平均化する時間）とすることにより、短い測定時間
で検出データの揺らぎ（分散）の小さい高精度な位置検
出が可能になる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による位置検出方法
の実施の形態の一例につき図面を参照して説明する。本
例は、レチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域
に一括露光するステッパー型の投影露光装置において、
ＴＴＬ方式で且つＬＩＡ方式のアライメントセンサを使
用してウエハのアライメントを行う場合に本発明を適用
したものである。

【００１３】図２は、本例の投影露光装置の概略構成を
示し、この図２において、光源１からウエハのフォトレ
ジスト層を感光させる波長域の照明光ＩＬが射出され
る。照明光ＩＬとしては、超高圧水銀ランプのｇ線やｉ
線、ＡｒＦエキシマレーザ光やＫｒＦエキシマレーザ光
等のエキシマレーザ光、又は銅蒸気レーザやＹＡＧレー
ザの高調波等が使用される。露光時に光源１から射出さ
れた照明光ＩＬは、オプティカル・インテグレータ（フ
ライアイレンズ）等を有する照度分布均一化光学系２に
入射する。照度分布均一化光学系２により照度分布の一
様化、スペックルの低減等が行われた照明光ＩＬは、ミ
ラー３により下方に折り曲げられた後、メインコンデン
サーレンズＣＬを介してレチクルＲのパターン領域ＰＡ
を均一な照度分布で照明する。その照明光ＩＬのもとで
そのパターン領域ＰＡ内のパターンが、両側（又は片
側）テレセントリックな投影光学系ＰＬを介して投影倍
率β（βは例えば１／５）で縮小されて、その表面が結
像面ＩＭと略々一致するように保持されたウエハＷの１
つのショット領域に反転投影される。以下、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
で図２の紙面に平行にＸ軸を、図２の紙面に垂直にＹ軸
を取って説明する。

【００１４】この場合、レチクルＲはレチクルステージ
ＲＳ上に保持され、レチクルステージＲＳは駆動部４に
よりＸ方向、Ｙ方向、及び回転方向への移動が可能に構
成されている。レチクルステージＲＳの座標はレーザ干
渉計５及びレチクルステージＲＳの端部に固定された移
動鏡５ｍによって、例えば０．０２μｍ程度の分解能で
常時検出されている。レーザ干渉計５の測定値は主制御
装置１０に供給され、主制御装置１０はその測定値に基
づき駆動部４を介してレチクルステージＲＳの位置決め
を制御する。

【００１５】一方、ウエハＷは不図示のウエハホルダ
（θテーブル）を介してウエハステージＷＳ上に載置さ
れている。ウエハステージＷＳは駆動部６によりステッ
プ・アンド・リピート方式でＸ方向、Ｙ方向に２次元移
動自在に、且つＺ方向にも微動できるように構成されて
いる。また、ウエハステージＷＳのＸ方向、Ｙ方向の座
標はレーザ干渉計７、及びウエハステージＷＳの端部に
固定された移動鏡７ｍによって例えば０．０２μｍ程度
の分解能で常時検出されている。レーザ干渉計７の測定
値は主制御装置１０に供給され、主制御装置１０はその
測定値に基づき駆動部６を介してウエハステージＷＳの
位置決めを制御する。また、レーザ干渉計７の測定値は
アライメント信号を処理するアライメント信号処理系９
にも供給されている。

【００１６】また、ウエハＷ上の各ショット領域にはそ
のショット領域のＸ方向の位置を検出するための回折格
子状のＸ軸のウエハマーク、及びＹ方向の位置を検出す
るための回折格子状のＹ軸のウエハマークが付設されて
いる。図２では、ウエハ上の或る１つのショット領域に
回折格子状マークとして設けられたＸ軸のウエハマーク
ＷＭｘだけを示す。ウエハマークＷＭｘは、計測方向で
あるＸ方向にピッチＰで形成された凹凸の回折格子状マ
ークである。後述するＴＴＬ方式で、且つＬＩＡ方式の
Ｘ軸のアライメントセンサ１５によりウエハマークＷＭ
ｘのＸ方向の位置が検出され、不図示のＹ軸のアライメ
ントセンサにより不図示のＹ軸のウエハマークのＹ方向
の位置が検出され、検出結果に基づいて当該ショット領
域の露光位置へのアライメントが行われる。

【００１７】また、ウエハステージＷＳ上のウエハＷの
近傍には表面がウエハＷの表面と同じ高さになるように
基準マーク部材８が固定され、基準マーク部材８の表面
にＸ軸のウエハマークＷＭｘと同じくＸ方向にピッチＰ
の回折格子状のＸ軸の基準マークＫＭｘ、及びＹ軸のウ
エハマークと同じ回折格子状のＹ軸の基準マーク（不図
示）が形成されている。これらの基準マークは通常、例
えばアライメントセンサ１５の検出中心と露光中心との
間隔（ベースライン）の計測等を行うために使用され
る。本例では、これらの基準マークは後述のように、ア
ライメントセンサ１５の検出結果を処理するための測定
時間を決定する際にも使用される。

【００１８】次に、本例のＴＴＬ方式で、且つＬＩＡ方
式のアライメントセンサ１５の構成について説明する。
図２のアライメントセンサ１５において、不図示のアラ
イメント用光源からウエハＷ上のフォトレジスト層に対
する感光性の弱い波長域のコヒーレントなアライメント
照明光が射出される。本例では、アライメント照明光と
して、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光源からの波長６３３ｎ
ｍのレーザビームＬＢを使用する。

【００１９】レーザビームＬＢは、２光束周波数シフタ
等を含むＬＩＡビーム生成光学系１６に入射し、ＬＩＡ
ビーム生成光学系１６から互いに可干渉で、且つ所定の
周波数差Δｆ（Δｆは例えば５０ｋＨｚ程度）を有する
直線偏光の２つのレーザビームＬＢ１，ＬＢ２が射出さ
れる。これらのレーザビームＬＢ１，ＬＢ２から不図示
のビームスプリッタによって不図示のＹ軸のアライメン
トセンサ用の２つのレーザビームが分離され、残された
レーザビームＬＢ１，ＬＢ２からビームスプリッタ１７
での反射によってＸ軸用のレーザビームＬＢ１ｘ，ＬＢ
２ｘが分離される。そして、ビームスプリッタ１７を透
過した２つの周波数差Δｆのレーザビームが集光レンズ
１８を介して参照回折格子１９上に集光され、参照回折
格子１９からほぼ法線方向に射出される１対の回折光よ
りなる干渉光（アライメントビーム）が、フォトダイオ
ード等からなる光電検出器２０で光電変換され、光電検
出器２０からアライメント信号処理系９に対して周波数
Δｆで正弦波状に変化する参照ビート信号ＳＲが出力さ
れる。

【００２０】また、Ｘ軸用の直線偏光のレーザビームＬ
Ｂ１ｘ，ＬＢ２ｘは、偏光ビームスプリッタ２１を透過
した後、１／４波長板２２によって円偏光に変換され
て、ミラー２３で上方に反射される。ミラー２３で反射
されたレーザビームＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘは、対物レンズ
２４を通過しミラー２５で水平方向に反射され、一度焦
点面Ｆで交差した後、レチクルステージＲＳと投影光学
系ＰＬとの間に配置されたミラー２６に左側方から入射
する。ミラー２６で下方に折り曲げられたレーザビーム
ＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘは、投影光学系ＰＬの上部左側から
投影光学系ＰＬの内部に入射し、投影光学系ＰＬ内の瞳
面Ｈにおいて、一度スポット状に集光した後、ウエハマ
ークＷＭｘのピッチ方向（Ｘ方向）に関して光軸ＡＸに
平行な直線を挟んで互いに対称に交差角θで傾いた平行
光束となって、ウエハマークＷＭｘ上に異なる２方向か
ら入射する。

【００２１】レーザビームＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘが交差角
θでウエハマークＷＭｘ上に入射すると、レーザビーム
ＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘが交差している空間領域内で、光軸
ＡＸに垂直な任意の面内（ウエハＷの表面）には、ウエ
ハマークＷＭｘのピッチＰに対して１／２のピッチＰ’
（＝Ｐ／２）でＸ方向に１次元の干渉縞が作られること
になる。この干渉縞はウエハマークＷＭｘのピッチ方向
（Ｘ方向）に、レーザビームＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘの周波
数差Δｆに対応して移動する（流れる）ことになり、そ
の干渉縞の移動速度Ｖは、次の関係式で表される。

【００２２】

【数２】Ｖ＝Δｆ・Ｐ’ これにより、ウエハマークＷＭｘからは光軸ＡＸに平行
な直線に沿って進行し、その干渉縞の移動によって明暗
の変化を周期的に繰り返すビート波面を有する±１次回
折光よりなる干渉光（ヘテロダインビーム）ＤＬが発生
する。この干渉光ＤＬは投影光学系ＰＬを通過した後、
ミラー２６で水平方向に反射されてミラー２５に入射
し、ミラー２５で下方に反射された後、対物レンズ２４
を通過してミラー２３で水平方向に反射される。ミラー
２３で反射された入射時と逆回りの円偏光の干渉光ＤＬ
は、１／４波長板２２を介して直線偏光に変換され、偏
光ビームスプリッタ２１で反射された後、瞳リレー系２
７を介してフォトダイオード等よりなる光電検出器２８
で光電変換される。光電検出器２８から出力されるウエ
ハビート信号ＳＤは、ウエハマークＷＭｘ上の干渉縞の
明暗変化の周期に応じて周波数（ビート周波数）Δｆで
正弦波状に変化する交流信号としてアライメント信号処
理系９に供給される。

【００２３】アライメント信号処理系９では、参照信号
である参照ビート信号ＳＲの位相を基準としてウエハビ
ート信号ＳＤの波形上の位相差Δφを検出する。この場
合、±１８０゜の範囲内の位相差Δφ［ｄｅｇ］は、ウ
エハマークＷＭｘの±Ｐ／２以内の相対位置ずれ量ΔＸ
に一義的に対応しており、その位置ずれ量ΔＸは次のよ
うに表される。また、この位置ずれ量ΔＸは、参照回折
格子１９を基準としたウエハマークＷＭｘの位置ずれ
量、又はレーザビームＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘのウエハＷ上
での交差領域の中心に対するウエハマークＷＭｘの位置
ずれ量とみなすことができる。

【００２４】

【数３】ΔＸ＝Δφ・Ｐ／３６０° ここで、ウエハマークＷＭｘのピッチＰを８μｍとし、
アライメント信号処理系９の位相検出分解能が０．２゜
であるものとすると、位置ずれ量ΔＸの計測分解能は約
０．００４４（＝０．２・８／３６０）μｍにもなる。
実際にはノイズ等の影響を受けるため、実用的な計測分
解能は０．０１μｍ（位相で０．４゜）程度になる。こ
の検出方式は所謂ヘテロダイン方式であり、ウエハＷの
位置ずれ量が±Ｐ／２の位置誤差範囲内であれば、静止
状態であっても高分解能で位置ずれ量を検出できる。

【００２５】そこで、アライメント信号処理系９では、
そのウエハビート信号ＳＤの位相差Δφを主制御装置１
０に供給し、主制御装置１０ではその位相差Δφが例え
ば０．４°以内の検出精度で所定の目標値（例えば０
°）に合致するように、サーボ方式でウエハステージＷ
ＳのＸ座標を制御する。そして、アライメント信号処理
系９では、その位相差Δφがその検出精度でその目標値
に合致している期間にレーザ干渉計７で計測されるウエ
ハステージＷＳのＸ座標をサンプリングして、そのＸ座
標をウエハマークＷＭｘのＸ方向の位置ＸＭとする。

【００２６】ところが、実際には空気の屈折率の揺らぎ
や装置の振動等によって、ウエハビート信号ＳＤの位相
等は高速に振動しているため、ウエハビート信号ＳＤの
位相差Δφがその検出精度でその目標値に合致している
期間に、レーザ干渉計７の計測値を所定のサンプリング
周期で時系列的にサンプリングして、ウエハマークＷＭ
ｘのＸ方向の位置ＸＭを求めると、この位置ＸＭの時系
列的なデータは高速に振動している。

【００２７】図３は、そのようにして求められるウエハ
マークＷＭｘのＸ方向の位置ＸＭの変化を示し、この図
３の横軸は時間ｔ、縦軸は計測される位置ＸＭであり、
黒丸３１に続く一連の点列が一定のサンプリング周期で
計測される位置ＸＭのデータを示している。図３で示す
ように、時系列的に計測される位置ＸＭのデータは高速
に振動しているため、例えば或る時点ｔ_iから平均時間
ΔＴの間の位置ＸＭのデータを平均化した値をウエハマ
ークＷＭｘの位置とみなすようにすればよい。一見する
と、その平均時間ΔＴを長くする程、ウエハマークＷＭ
ｘの位置を高精度に検出できるように思われるが、実際
には位置ＸＭのデータの振動の周期等によって必ずしも
ウエハマークＷＭｘの位置検出精度は平均時間ΔＴの増
加に対して単調に向上するわけではない。

【００２８】また、平均時間ΔＴを位置ＸＭのデータの
振動の平均的な周期に比べてかなり長くすれば、ウエハ
マークＷＭｘの位置を高精度に検出できるが、それでは
計測時間が長くなって、露光工程、又はアライメント工
程のスループットが低下する。そこで、本例では以下の
ようにして、所定の許容計測時間内でウエハマークＷＭ
ｘの位置を最も高精度に検出できるように、そのウエハ
マークＷＭｘの時系列的に計測される位置ＸＭのデータ
の平均時間ΔＴを最適化する。

【００２９】図１は、本例において所定の許容計測時間
内でその平均時間ΔＴを最適化する方法の一例を示し、
先ず図１のステップ１０１で図２の主制御装置１０から
の指令により、アライメントセンサ１５からのレーザビ
ームＬＢ１ｘ，ＬＢ２ｘの照射領域（検出範囲）内に基
準マーク部材８上のＸ軸の基準マークＫＭｘが位置する
ようにウエハステージＷＳを移動し、ステップ１０２に
おいてウエハステージＷＳを静止した状態でアライメン
トセンサ１５により、参照ビート信号ＳＲの位相を基準
として、基準マークＫＭｘに対応するウエハビート信号
ＳＤの位相差Δφを検出して主制御装置１０に供給す
る。

【００３０】そして、主制御装置１０ではその位相差Δ
φが所定の目標値に合致した状態を維持するように、サ
ーボ方式でウエハステージＷＳの位置を制御する。この
動作と並行して、アライメント信号処理系９ではウエハ
ビート信号ＳＤの位相差Δφが所定の検出精度でその目
標値に合致している期間に、レーザ干渉計７により計測
されるウエハステージＷＳのＸ座標を所定のサンプリン
グ周期で取り込むことによって、時系列的に基準マーク
ＫＭｘのＸ方向の位置ＸＭを検出する。この結果、ウエ
ハマークの場合の図３の時系列データと同様に時間ｔに
対して変動する（揺らぐ）位置ＸＭの時系列データが得
られる。この時系列データが、ＬＩＡ方式のアライメン
トセンサ１５の揺らぎの測定値として主制御装置１０に
供給される。

【００３１】次に、ステップ１０３において、主制御装
置１０はステップ１０２で得られた揺らぎの測定値を離
散フーリエ変換して、揺らぎのパワースペクトルＩ
（ω）を算出する。但し、ωは角周波数（＝２πｆ）で
あり、ｆは周波数である。この場合、例えば図３の位置
ＸＭの時系列データを基準マークＫＭｘに関する時系列
データであるとみなして、その時系列データを結ぶ曲線
３２に対応する関数を次のように表す。

【００３２】

【数４】ＸＭ＝ｇ（ｔ）このとき、関数ｇ（ｔ）のフーリエ変換（実際には離散
フーリエ変換）をＦ｛ｇ（ｔ）｝で表すと、パワースペ
クトルＩ（ω）は｜Ｆ｛ｇ（ｔ）｝｜²で表される。

【００３３】図４は、ステップ１０３で得られた揺らぎ
のパワースペクトルＩ（ω）の一例を示し、この図４に
おいて横軸は周波数ｆ（Ｈｚ）、縦軸はパワースペクト
ルＩ（ω）を表している。なお、周波数ｆの最大値を２
００Ｈｚとして、周波数ｆが０から２００Ｈｚまでのパ
ワースペクトルＩ（ω）の積分値が１になるように、そ
のパワースペクトルを規格化している。この図４に示す
ように、パワースペクトルＩ（ω）は、周波数ｆが４５
Ｈｚ、５５Ｈｚ、１００Ｈｚ、及び１０５Ｈｚ近辺でパ
ルス状に立ち上がり、特に１００Ｈｚ付近で大きな値と
なっている。

【００３４】次に、ステップ１０４において、主制御装
置１０では、所定の許容測定時間内で異なる２つの測定
時間ΔＴ１，ΔＴ２（ΔＴ１＜ΔＴ２）を設定し、次の
ステップ１０５において次の（数５）を用いて、２つの
測定時間ΔＴ１，ΔＴ２の間で所定ステップで変化する
平均時間ΔＴ内で時系列データを平均化して得られる揺
らぎのパワースペクトルＩ’（ω）を計算する。

【００３５】

【数５】Ｉ’（ω）＝Ｉ（ω）｛sin(ωΔＴ／２）／
（ωΔＴ／２）｝² また、平均化した時系列データの分散σ²は、その平均
化した時系列データの揺らぎのパワースペクトルＩ’
（ω）の積分値と一致する。そのため、次のステップ１
０６において、主制御装置１０では、２つの測定時間Δ
Ｔ１，ΔＴ２の間の平均時間ΔＴに対して平均化した揺
らぎのパワースペクトルＩ’（ω）の積分値Ｊ（ΔＴ）
を計算する。即ち、周波数ｆの最大値をｆ_max(ここでは
２００Ｈｚ）として、積分値Ｊ（ΔＴ）は次式で表され
る。なお、以下の式では、平均化した揺らぎのパワース
ペクトルをＩ’（２πｆ）で表している。

【００３６】

【数６】

【００３７】図５は、平均化した揺らぎのパワースペク
トルＩ’（ω）の積分値の計算結果の一例を示し、この
図５において、横軸は平均時間（測定時間）ΔＴ、縦軸
はそのパワースペクトルＩ’（ω）の積分値、即ち基準
マークＫＭｘの計測された位置ＸＭの平均時間ΔＴで平
均化された時系列データの分散σ²を表す。また、図５
の例では上述の測定時間ΔＴ１及びΔＴ２はそれぞれ
０．０１５ｓ及び０．０３５ｓに設定されており、許容
測定時間はほぼ０．０３５ｓとなっている。この図５の
曲線３３に示すように、平均時間（測定時間）ΔＴが
０．０１５ｓ〜０．０２ｓの間に急速に分散σ²が小さ
くなり、平均時間ΔＴが０．０２ｓで、分散σ²が約
０．０２になった後は、平均時間ΔＴに対して分散σ²
はなだらかに変化する傾向を示している。

【００３８】図５の計算結果から、分散σ²が最小にな
るときの平均時間ΔＴの値ΔＴ_MMは約０．０２９ｓとな
り、主制御装置１０ではその分散σ²を最小とする平均
時間ΔＴ_MMを求めて記憶する。この結果に基づいて、ス
テップ１０７において主制御装置１０は、その平均時間
ΔＴ_MMをアライメントセンサ１５によって時系列的に計
測される位置ＸＭのデータの平均時間、即ち位置測定時
間として決定し、この位置測定時間ΔＴ_MMをアライメン
ト信号処理系９に設定する。その後、アライメント信号
処理系９では、測定対象のウエハマークに対して得られ
る位置ＸＭの時系列データをその位置測定時間ΔＴ_MMの
間平均した結果を、その測定対象のウエハマークの位置
として主制御装置１０に供給する。これによって、測定
時間が最適化された状態で、スループットを低下させる
ことなく、位置測定結果の分散が最小となる高精度な位
置検出が可能になる。

【００３９】なお、本例では基準マーク部材８上の基準
マークＫＭｘの位置をアライメントセンサ１５を用いて
検出したが、ウエハＷ上の各ショット領域に付設された
ウエハマークに対してそれぞれ上述の動作で最適な測定
時間を設定し、ショット領域毎に最適な測定時間でアラ
イメントを行うようにしてもよい。これにより、ウエハ
ステージＷＳの位置による装置各部の振動や空気揺らぎ
の状態の変化を補正できる効果がある。

【００４０】また、本発明はＬＩＡ方式のアライメント
センサをオフ・アクシス方式や、ＴＴＲ方式で使用する
場合にも適用される。更に、本発明はステッパー型の投
影露光装置に限らず、レチクルのパターンの一部をウエ
ハ上に投影した状態でレチクルとウエハとを同期走査し
てレチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域に逐
次転写するステップ・アンド・スキャン方式等の走査型
露光装置にも同様に適用できる。このように、本発明は
上述の実施の形態に限定されず、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。

【００４１】

【発明の効果】本発明の位置検出方法によれば、位置検
出結果の揺らぎが最小になるときの平均時間を測定時間
としているため、ＬＩＡ方式で測定時間をあまり長くす
ることなく高精度に計測対象マークの位置検出を行うこ
とができる利点がある。これによって、アライメント工
程ひいては露光工程のスループットを高く維持した状態
で、重ね合わせ精度を向上できる。

【００４２】また、ビート信号の位相に基づいて検出さ
れる位置の揺らぎのパワースペクトルを求め、このパワ
ースペクトルから所定の平均時間内で時間平均された揺
らぎのパワースペクトル及びこのパワースペクトルの積
分値を求め、この積分値が最小となるときのその平均時
間を回折格子状マークの位置の測定時間とする場合に
は、所定の平均時間内で揺らぎ（分散）が最小となると
きの平均時間を容易に求めることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出方法の実施の形態の一例
を示すフローチャートである。

【図２】本発明の実施の形態で使用される投影露光装置
の一例を示す概略構成図である。

【図３】図２のＬＩＡ方式のアライメントセンサ１５を
用いて検出されるウエハマークの位置の時系列データの
一例を示す図である。

【図４】図２のアライメントセンサ１５を用いて検出さ
れる位置の揺らぎのパワースペクトルの一例を示す図で
ある。

【図５】図２のアライメントセンサ１５を用いて検出さ
れる位置を平均時間ΔＴ毎に平均化した時系列データの
パワースペクトルを積分した結果の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１光源ＲレチクルＲＳレチクルステージ５レーザ干渉計（レチクル用）ＰＬ投影光学系ＷウエハＷＳウエハステージ７レーザ干渉計（ウエハ用）ＷＭｘウエハマーク８基準マーク部材ＫＭｘ基準マーク９アライメント信号処理系１０主制御装置１５アライメントセンサ２０，２８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Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｆ５２５Ｎ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に形成された回折格子状マークに、
異なる方向から可干渉性を有し、且つ互いに周波数の異
なる２光束を照射し、該２光束のそれぞれの前記回折格
子状マークからの回折光よりなる干渉光を光電検出して
ビート信号を発生させ、該ビート信号の位相に基づいて
前記回折格子状マークの位置を検出する位置検出方法に
おいて、前記ビート信号の位相に基づいて検出される位置の所定
の平均時間の範囲で平均化された計測結果の揺らぎが最
小となるときの平均時間を前記回折格子状マークの位置
の測定時間とすることを特徴とする位置検出方法。
【請求項２】請求項１記載の位置検出方法であって、前記ビート信号の位相に基づいて検出される位置の揺ら
ぎのパワースペクトルを求め、該パワースペクトルから
前記所定の平均時間の範囲内の各平均時間で平均化され
た計測結果の揺らぎのパワースペクトル及び該パワース
ペクトルの積分値を求め、該積分値が最小となるときの
平均時間を前記回折格子状マークの位置の測定時間とす
ることを特徴とする位置検出方法。