JPH09232225A - 位置検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置検出誤差の少ない波長成分の検出ビーム
を用いてマークの位置検出を行なうことにより、多波長
化による効果を最大限に発揮する。 【解決手段】０Ｎ次検出法による干渉式アライメント法
により、得られる光量信号ＩＡn 、ＩＢn （ｎ＝１，
２，３）より格子マークの位置ΔＸ'nを、回路ＳＡn 及
び回路ＣＡn （ｎ＝１，２，３）により各波長毎に検出
する。また、回路ＳＡn では、光量信号ＩＡn 、ＩＢn
の相対走査に伴う変化及び格子マークの設計データに基
づいて、段差相当量δn を、段差のマーク表面近傍の入
射光ビームの各半波長に対する剰余として、各波長毎に
算出する。そして、回路ＳＳでは段差相当量δnと各波
長毎に検出した格子マークの位置ΔＸ'nに基づいて理想
的な検出波長に最も近い検出波長での格子マークの検出
位置を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出方法及び
その装置に係り、さらに詳しくは、例えば半導体素子等
を製造する際のフォトリソグラフィ工程で使用される露
光装置におけるマスクパターンと感光性基板の相対的な
位置合わせの際のマーク位置の検出に用いて好適な位置
検出方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子、液晶表示素子又は薄
膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工
程では、転写用のパターンが形成されたフォトマスク又
はレチクル（以下、まとめて「レチクル」という）の像
を、投影光学系を介した投影露光法あるいはプロキシミ
ティ露光法により、フォトレジストが塗布されたウエハ
（又はガラスプレート等の感光基板）上に転写する露光
装置が使用されている。

【０００３】このような露光装置においては、露光に先
立ってレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメン
ト）を高精度に行う必要がある。このアライメントを行
うために、ウエハ上には以前の工程で形成（露光転写）
された位置検出マーク（アライメントマ−ク）が形成さ
れており、このアライメントマ−クの位置を検出するこ
とで、ウエハ（ウエハ上の回路パターン）の正確な位置
を検出することができる。

【０００４】近年、ウエハ（又はレチクル）上のアライ
メントマークを凹凸から成る１次元、又は２次元の格子
状にし、その格子マーク上に周期方向に対称的に傾斜し
た２つのコヒーレントビームを投射し、格子マークから
同一方向に発生する２つの回折光成分を干渉させて格子
マークの周期方向の位置や位置ずれを検出する方法（以
下、「干渉式アライメント法」と称する）が、例えば
（Ａ）特開昭６１−２０８２２０号公報、（Ｂ）特開昭
６１−２１５９０５号公報等で提案された。このうち公
報（Ａ）は２つの対称的なコヒーレントビームの周波数
を同一にしたホモダイン方式を開示し、公報（Ｂ）は２
つの対称的なコヒーレントビームの間に一定の周波数差
を持たせたヘテロダイン方式を開示している。

【０００５】さらにヘテロダイン方式の位置検出装置を
縮小投影露光装置内のＴＴＲ（スルーザレチクル）アラ
イメント系やＴＴＬ（スルーザレンズ）アライメント系
に適用したものが、（Ｃ）特開平２−２２７６０２号公
報、（Ｄ）特開平３−２５０４号公報等で提案されてい
る。これら公報（Ｃ）、（Ｄ）に開示されたヘテロダイ
ン方式では、２つの音響光学変調素子（ＡＯＭ）にＨｅ
−Ｎｅレーザビームを同時に入射させ、各ＡＯＭを例え
ば２５ＫＨｚ程度の周波数差を持つ高周波駆動信号（一
方が８０ＭＨｚ、他方が７９．９７５ＭＨｚ）で駆動
し、各ＡＯＭから射出される回折ビームの間に２５ＫＨ
ｚの周波数差を与えている。そしてそれら２つの回折ビ
ームを、ウエハ上、又はレチクル上の格子マークに所定
の交差角で照射するための一対の送光ビームとしてい
る。

【０００６】また、ヘテロダイン方式では、２つの送光
ビーム間の周波数差（２５ＫＨｚ）を基準交流信号と
し、格子マークから発生した２つの回折光成分の干渉光
（ビート光）を光電検出した信号と基準交流信号との位
相差を計測し、それを格子マークの周期方向に関する基
準点からの位置ずれ量として検出している。

【０００７】干渉式アライメント法を実現する光学系と
しては、格子マークへのコヒーレントビーム（レーザビ
ーム）の入射方法から、大きく３つに分けられる。

【０００８】１つは、格子マークの周期（＝Ｐ）方向に
対して対称的な±Ｎ次方向から、２本のレーザビームを
入射し、格子マーク上に振幅の周期がＰ／Ｎの干渉縞を
形成させ、これより垂直上方に反射・回折する回折光
（両入射光の±Ｎ次回折光の合成光束：Ｎは自然数）を
受光し、その光量変化に基づいて格子マークの位置を検
出するタイプ（以下、「±Ｎ次検出法」と略称する）で
ある。

【０００９】２つめは、２本のビームを格子マークの周
期に対する±Ｎ／２次方向から対称的に入射し、格子マ
ーク上に振幅の周期が２Ｐ／Ｎの干渉縞を形成させ、一
方の（第１の）入射光の０次回折光（正反射光）と他方
の（第２の）入射光のＮ次回折光の合成光束と、第２の
入射光の０次回折光と第１の入射光のＮ次回折光の合成
光束とを独立に受光し、両光束の光量変化の各位相より
得られる、２つの検出位置の平均値を、格子マークの位
置とするタイプ（以下、「０Ｎ次検出法」と略称する）
である。

【００１０】３つめは、格子マークに対して、ビームを
１本のみ入射し、反射・回折する２つの±Ｎ次回折光を
基準格子上に結像させ、基準格子からの透過光の光量変
化より格子マークの位置を検出するタイプ（以下、「基
準格子法」と略称する）である。

【００１１】なお、これら３つの方式による格子マーク
検出位置には、原理的に全く差は生じない。ただし、±
Ｎ次検出法、０Ｎ次検出法は、ヘテロダイン、ホモダイ
ンのいずれの方式へも適応可能だが、基準格子法は入射
光束が１本であり、必然的にホモダイン方式に限定され
る。

【００１２】以上の干渉式アライメント法に於ては、一
般に検出光としてレーザ等の単色光が使用されている
が、この単色性、即ちコヒーレンス長が長いという性質
により、格子マーク（位置検出マーク）の段差（深さ）
に関する非対称性や、レジスト厚の変動によって、大き
な位置検出誤差が生じるという問題が生じていた。

【００１３】そこで、これらの影響を低減してより正確
な位置検出を可能とした干渉式アライメント法が（Ｅ）
特開平６−８２２１５号公報によって提案された。その
公報（Ｅ）には、波長が異なる複数のビーム、又は白色
ビームを用い、このビームを固定の回折格子に照射して
得られる２つの回折ビームを１段目のＡＯＭに入射し、
このＡＯＭで回折された０次ビーム、＋１次回折ビー
ム、−１次回折ビームを２段目のＡＯＭ内で交差するよ
うにリレーすることによって、例えば第１の波長による
一対の送光ビームと第２の波長による一対の送光ビーム
とを作り、それら２組の送光ビームを同時にウエハ上の
格子マークに投射する手法が開示されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術のように、位置検出に使用する照明光束を複数の
波長、又は所定の波長帯域幅を有するビームにし、格子
マークから発生する複数の波長成分を含む干渉光を同一
の光電素子で同時に受光する場合、特定のマークの条件
により、その中の１つの波長の検出結果に誤差がほとん
どない場合にも、他の波長の検出結果に大きな誤差が含
まれていると、平均化により、検出誤差の大きな波長に
よって、かえって検出精度を悪化させてしまうというお
それがあった。

【００１５】ところで、一般にウエハ等の表面に形成さ
れる位置合わせ、位置計測用のマーク（アライメントマ
ーク）は、その表面に微少な段差を持って作られるが、
半導体加工工程上のエッチングやスパッタ等のウエハプ
ロセス、あるいはフォトレジスト層の塗布ムラによっ
て、多少の非対称性を有している。その非対称性はマー
ク位置検出時の精度低下を招く。

【００１６】特に、格子マークから発生した２つの回折
光の相互干渉光を光電検出し、その光電信号を利用する
干渉式アライメント法においては、格子マークの非対称
性はマーク自体の振幅反射率の非対称性となって位置検
出精度の劣化に作用する。すなわち、格子マークを構成
するラインの溝底部の深さ（段差）等が格子周期方向に
差を持ったり、レジスト層の厚みに部分的な差があった
場合、マーク自体の振幅反射率の絶対値と位相とは、溝
底部の深さやレジスト厚の変化に応じて非対称になる。
この結果、格子マークから発生する回折光も例えば０次
光に対して右方向に発生する正の次数と左方向に発生す
る負の次数とで強度や位相が異なったものになってしま
う。このうち強度の差は位置検出精度を殆ど低下させな
いが、位相の変化は位置検出精度に大きな影響を与え
る。

【００１７】また、格子マークの振幅反射率や回折効率
は、マークの段差やレジスト厚によっても大きく変動す
る。これは、マークの段差によって、マーク上面で反射
する光と、マーク下面で反射する光との位相差が変化し
たり、レジスト厚の変化によって、レジストによる多重
干渉効果が変動するためである。特に、問題なのは、検
出光の波長が変化するとこれらの影響も大きく変動する
点である。

【００１８】かかる点においても、上記従来技術の複数
の波長成分を含む干渉光を同一の光電素子で同時に受光
する手法や、単に回折光を各波長毎に別々に受光し別々
に位置検出し、その単純平均位置を検出位置とする手法
では、どの程度適切な検出波長を用いているかが考慮さ
れていないため、必ずしも正確な位置検出ができないと
いう不都合を有している。

【００１９】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、その目的は、特に、複数の波長成分を含む検出ビー
ムを用いてマークの位置検出を行なう際に、位置検出誤
差の少ない波長成分を用いて位置検出を行なうことによ
り、多波長化による効果を最大限に発揮する高精度な位
置検出方法及びその装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】ところで、上述したマー
ク段差やレジスト厚の変動による格子マークの振幅反射
率や回折効率の変動等や、位置検出精度は、種々のマー
ク条件のもとでマーク自体の振幅反射率を想定すること
により、シミュレーションすることができる。

【００２１】ここで、このようなシミュレーション結果
の一例について図９に基づいて説明する。このシミュレ
ーション結果は、レジスト層で被覆されたウエハ上の格
子マークに対称的な２方向から一定の周波数差をもつコ
ヒーレントな送光ビームを照射する場合を想定し、格子
マークから垂直に発生した±１次回折光の相互干渉光、
すなわち干渉ビート光の状態（振幅、位相等）を観察
（計算）することで得られたものである。

【００２２】なお、上記のシミュレーションで想定した
ウエハ上の格子マークの形状は、計測方向に、凸部、凹
部の各幅が４μｍ、周期Ｐ＝８μｍで並ぶものである。
格子マークの断面を図１０（１）に、その１周期分の拡
大図を、図１０（２）に示すが、マークの段差ｈ、レジ
スト厚ｄをパラメータとし、マークの凹部には傾きｔ＝
0.1％のテーパーがあるものとした。また、マークの凹
部ではレジスト表面が、０．３・ｈだけへこむものと
し、レジスト表面の形状は正弦関数（周期Ｐ）とし、ウ
エハ、レジストの屈折率は、それぞれ 3.5、1.66とし
た。なお、図１０（１）ではスペースの都合で格子マー
クの本数を５本としたが、実際の格子マークはそれより
本数が多いものが一般的である。

【００２３】また、想定した検出光学系は、検出用レー
ザビームの波長が633nm (He-Neレーザ）であり、マーク
の周期Ｐに対する±１次の方向から対称的に２本のビー
ムを入射し、垂直上方に反射・回折する光束（両入射光
の±１次回折光の合成光束）を受光し、位置検出するも
の（前述の「±１次検出法」（「±Ｎ次検出法」のＮ＝
１））とした。ただし、検出光学系として、２本のビー
ムをマークの周期Ｐに対する±０．５次の方向から対称
的に入射する「０１次検出法」や、±１次回折光を使用
する「基準格子法」であっても、前述の如く結果は全く
同じである。

【００２４】図９（１）、（２）において、横軸はレジ
スト厚ｄ［μｍ］を示し、縦軸は位置検出誤差［ｎｍ］
を示す。図９（１）には、マーク段差ｈが、50、100 、
150、200nm の場合を、図９（２）には、マーク段差ｈ
が、250 、300 、350 、400nmの場合のシミュレーショ
ン結果がそれぞれ示されている。

【００２５】検出誤差は、レジスト厚の変化によっても
変動するが、マーク段差ｈが100 及び300nm の場合に
は、変動も少なくその絶対精度も良好であることがわか
る。

【００２６】検出光の波長が 633nm、レジストの屈折率
が1.66であるから、マーク表面近傍（レジスト中）の検
出光の波長は381nm であり、従って上記のマーク段差10
0 及び300nm は、それぞれその１／４及び３／４にほぼ
等しい。また、図示は省略したが、検出光のレジスト中
波長の５／４及び７／４‥‥の段差、即ち（２ｍ＋１）
／４倍（ｍは０以上の整数）の段差のマークでの検出誤
差も、極めて小さくなることが、シミュレーションの結
果、判明した。

【００２７】また、このシミュレーション結果を逆にと
らえると、波長（レジスト中波長）が、マーク段差の４
／（２ｍ＋１）倍の検出光束を使用すれば、検出誤差を
極めて小さくできることになる。

【００２８】しかしながら、従来においては干渉式アラ
イメント法に使用するような格子マークの段差量を正確
かつ容易に測定する方法は存在せず、従って、位置検出
すべき格子マークの段差が、上記の検出光波長の（２ｍ
＋１）／４倍という条件に適合するか否かを容易に判定
する手段はなかった。

【００２９】ところで、上記のシミュレーション結果を
更に検討すると、検出精度は、段差そのものではなく、
段差が検出光のレジスト中波長の（２ｍ＋１）／４から
いくらずれているか、言替えれば、段差そのものの代わ
りに段差をレジスト中波長の２／４、すなわち１／２で
割った（除した）剰余によって大きく影響されるものと
推定される。

【００３０】本発明は、単一波長の照明光による干渉式
アライメント法において、マークの段差が、照明光の波
長の（正確には照明光のレジスト中の波長の）、（２ｍ
＋１）／４倍（ｍは０以上の整数）であると、位置検出
誤差がほとんど生じないという上記のようなシミュレー
ション上の結果に基づいて着想されたものであり、本発
明は、以下のような方法及び構成を採用する。

【００３１】請求項１に記載の発明は、微細パターンの
形成された基板上に形成された、特定の方向に周期性
（周期＝Ｐ）を持って凹部と凸部を繰り返す格子マーク
の前記周期方向の位置を検出する位置検出方法であっ
て、前記格子マーク上に、可干渉な光ビームの対を波長
の異なる複数組入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎ
は自然数）でその周期方向が格子マークの周期方向と等
しい干渉縞を形成するとともに、前記干渉縞と前記格子
マークとを前記周期方向に相対走査する第１工程と；前
記格子マークによる前記入射光ビームの反射・回折光の
うち、第１の光ビームの正反射光と第２の光ビームのＮ
次回折光との合成光束である第１の合成光束と、前記第
２の光ビームの正反射光と前記第１の光ビームのＮ次回
折光との合成光束である第２の合成光束とを、それぞ
れ、かつ、前記複数の波長毎に別々に受光する第２工程
と；前記格子マークの段差相当量を、前記各波長毎の前
記第１、第２の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴
う変化及び前記格子マークの設計データに基づいて、前
記格子マークの段差を前記格子マーク表面近傍の媒質中
での前記入射光ビームの各波長の半分で除した剰余とし
て、各波長毎に算出する第３工程と；前記算出された段
差相当量が、前記入射光ビームの前記格子マーク表面近
傍での各波長の１／４に最も近い波長を選択する第４工
程と；少なくとも前記第４工程で選択された波長での前
記第１、第２の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴
う変化に基づいて前記格子マークの位置を検出する第５
工程とを含む。

【００３２】これによれば、第１ないし第２工程で、０
Ｎ次検出法による干渉式アライメント法と同様の検出が
行なわれ、各波長毎に２つの光量信号（前記第１、第２
の合成光束の光量信号）が得られる。また、第３工程に
おいて、格子マークの段差相当量が、各波長毎の前記第
１、第２の合成光束の光量信号の相対走査に伴う変化及
び格子マークの設計データに基づいて、格子マークの段
差を前記格子マーク表面近傍の媒質中での入射光ビーム
の各波長の半分で除した剰余として、各波長毎に算出さ
れる。これは、上記シミュレーションの結果、明らかに
なった「検出精度に大きく影響を与える、段差をレジス
ト中波長の１／２で除した剰余」を段差相当量として各
波長毎に検出するものである。なお、この段差相当量と
しては、剰余としての段差、あるいはこれに相当する光
の位相量のいずれの形態で検出してもよい。これによ
り、位置検出すべき格子マークの段差が、各波長毎の検
出光のレジスト中波長の（２ｍ＋１）／４倍という条件
に適合するか否か、あるいは、検出光のレジスト中波長
が位置検出すべき格子マークの段差の４／（２ｍ＋１）
倍という条件に適合するか否かを、容易に判定すること
が可能となる。

【００３３】そして、第４工程において、算出された段
差相当量が、入射光ビームの格子マーク表面近傍での各
波長の１／４に最も近い波長を選択し、第５工程におい
て、少なくとも第４工程で選択された波長での第１、第
２の合成光束の光量信号の相対走査に伴う変化に基づい
て格子マークの位置を検出する。ここで、入射光ビーム
の格子マーク表面近傍での各波長の１／４に最も近い波
長を選択するのは、１／４倍とは、上記の（２ｍ＋１）
／４倍のｍ＝０の場合に相当するが、段差相当量は上記
の如く半波長に対する剰余なので、ｍ＞０の場合は考慮
する必要がないためである。従って、第５工程における
最終的な格子マークの検出位置は、段差の４／（２ｍ＋
１）倍に最も近い波長の検出光での検出結果となり、非
対称な位置検出マークに対しても極めて高精度な位置検
出を行なうことが可能となり、多波長化の効果を最大限
に発揮することができる。

【００３４】この場合において、第５工程における格子
マークの位置検出は、第４工程に先だって、各波長毎の
前記第１、第２の合成光束の光量信号の相対走査に伴う
変化に基づいて各波長毎に検出された格子マークの位置
検出結果に基づいて行なっても良い。

【００３５】また、第１工程において、格子マーク上
に、波長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対を波長
毎に時分割的に入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎ
は自然数）でその周期方向が格子マークの周期方向と等
しい干渉縞を各波長毎に形成するとともに、各波長毎の
干渉縞と格子マークとを周期方向にそれぞれ相対走査し
ても良い。このように波長の異なる複数組の可干渉な光
ビームの対を波長毎に時分割的に入射する場合には、反
射・回折光の受光手段や、信号処理系の構成が簡略化さ
れる。

【００３６】これらの場合において、格子マークの位置
検出は、相対走査に伴う第１の合成光束と第２の合成光
束の各光量信号変化の各位相に基づいてそれぞれ求めた
検出位置を平均することにより行なうことが望ましい。

【００３７】また、段差相当量の算出は、格子マークの
凹部と凸部の各幅の比率と、相対走査に伴う第１の合成
光束と第２の合成光束の各光量信号変化の位相差及びコ
ントラストとに基づいて行なうことができる。あるい
は、格子マークより反射・回折する０次回折光とＮ次回
折光との光量比を、入射光ビームの各波長毎に計測する
場合には、段差相当量の算出は、格子マークの凹部凸部
の各幅の比率と、相対走査に伴う第１の合成光束と第２
の合成光束の各光量信号変化の位相差と、計測した光量
比とに基づいて行なうことができる。この場合には、０
次回折光とＮ次回折光との光量比が直接的に計測されて
いるので、コントラストに基づいて光量比を算出する上
記の場合に比べて一層高精度に段差相当量を算出するこ
とができる。

【００３８】請求項７に記載の発明は、微細パターンの
形成された基板上に形成された特定の方向に周期性（周
期＝Ｐ）を持って凹部と凸部を繰り返す格子マークの前
記周期方向の位置を検出する位置検出装置であって、前
記格子マーク上に、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自
然数）でその周期方向が前記格子マークの周期方向に等
しい干渉縞を形成すべく、可干渉な光ビームの対を波長
の異なる複数組入射する送光光学系と；前記格子マーク
と前記干渉縞とを前記周期方向に相対走査する相対走査
手段と；前記格子マークによる前記入射光ビームの反射
・回折光のうち、第１の光ビームの正反射光と第２の光
ビームのＮ次回折光との合成光束である第１の合成光束
と、前記第２の光ビームの正反射光と前記第１の光ビー
ムのＮ次回折光との合成光束である第２の合成光束と
を、それぞれ、かつ、前記複数の波長毎に別々に光電変
換する受光手段と；前記格子マークの段差相当量を、前
記受光手段より得られる前記各波長毎の前記第１、第２
の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変化と前記
格子マークの設計データとに基づいて、前記格子マーク
の段差を前記格子マーク表面近傍の媒質中の前記入射光
ビームの各波長の半分で除した剰余として、各波長毎に
算出する段差検出手段と；前記格子マークの前記段差相
当量が、前記各波長毎の入射光ビームの前記格子マーク
表面近傍での波長の１／４相当量に最も近い検出波長で
の前記第１、第２の合成光束の光量信号の前記相対走査
に伴う変化に基づいて前記格子マークの位置を検出する
位置検出手段とを有する。

【００３９】これによれば、送光光学系により格子マー
ク上に、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自然数）でそ
の周期方向が前記格子マークの周期方向に等しい干渉縞
を形成すべく、可干渉な光ビームの対が波長の異なる複
数組入射され、相対走査手段によりこの干渉縞と格子マ
ークとが周期方向に相対走査される。

【００４０】次に、受光手段において、格子マークによ
る入射光ビームの反射・回折光のうち、第１の光ビーム
の正反射光と第２の光ビームのＮ次回折光との合成光束
である第１の合成光束と、第２の光ビームの正反射光と
第１の光ビームのＮ次回折光との合成光束である第２の
合成光束とが、それぞれ、かつ、複数の波長毎に別々に
光電変換される。また、段差検出手段では、格子マーク
の段差相当量を、受光手段より得られる各波長毎の第
１、第２の合成光束の光量信号の相対走査に伴う変化と
格子マークの設計データとに基づいて、格子マークの段
差を格子マーク表面近傍の媒質中の入射光ビームの各波
長の半分で除した剰余として、各波長毎に算出する。

【００４１】そして、位置検出手段では、格子マークの
段差相当量が、各波長毎の入射光ビームの格子マーク表
面近傍での波長の１／４相当量に最も近い検出波長での
第１、第２の合成光束の光量信号の相対走査に伴う変化
に基づいて格子マークの位置を検出する。

【００４２】従って、請求項１に記載の発明と同様に、
マーク段差の４／（２ｍ＋１）倍の検出波長（レジスト
中）に最も近い検出光束による検出位置が最終的な格子
マークの位置として検出され、非対称な位置検出マーク
に対しても極めて高精度な位置検出を行なうことが可能
となる。

【００４３】ここで、位置検出手段は、相対走査に伴う
第１の合成光束と第２の合成光束の各光量信号変化の各
位相に基づいてそれぞれ求めた検出位置の平均値を格子
マークの位置として検出するようにしても良い。

【００４４】また、段差検出手段は、格子マークの凹部
と凸部の各幅の比率と、相対走査に伴う第１の合成光束
と第２の合成光束の各光量信号変化の位相差及びコント
ラストとに基づいて段差相当量を算出するようにしても
良い。あるいは、格子マークより反射・回折する０次回
折光とＮ次回折光との光量比を、入射光ビームの各波長
毎に計測する光量比計測手段を更に有する場合には、段
差検出手段は、格子マークの凹部凸部の各幅の比率と、
相対走査に伴う第１の合成光束と第２の合成光束との各
光量信号変化の位相差と、光量比計測手段により得られ
た光量比に基づいて段差相当量を算出するようにしても
よい。後者の場合には、０次回折光とＮ次回折光との光
量比が直接的に計測されているので、コントラストに基
づいて光量比を算出する前者の場合に比べて一層高精度
に段差相当量を算出することができる。

【００４５】また、前記相対走査手段は、基板を格子マ
ークの周期方向に走査可能なステージにより構成しても
よいが、波長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対の
うち、第１の光ビームの周波数と第２の光ビームの周波
数とを僅かに異ならせ、これにより形成される干渉縞を
格子マーク上で周期方向に等速度で移動させる手段によ
り構成しても良い。後者によれば、検出中に基板が停止
したままでも、検出が可能になる。

【００４６】

【実施例】

《第１実施例》以下、本発明の第１実施例を図１ないし
図８に基づいて説明する。

【００４７】図１には第１実施例に係る位置検出装置１
００の主要部の構成が概略的に示されている。この位置
検出装置１００は、ウエハＷが搭載されたウエハステー
ジＷＳＴと、このウエハステージＷＳＴを２次元方向に
駆動する駆動系２１と、送光光学系１０２と、受光光学
系１０４とを備えている。

【００４８】この内、送光光学系１０２は、３つのレー
ザ光源ＬＳ1 、ＬＳ2 、ＬＳ3 、ミラー１、ダイクロイ
ックミラー２、３、ミラー４、回転ラジアル格子板ＲＲ
Ｇ、コリメータレンズ５、光束選択部材６、平行平板ガ
ラスで構成された調整光学系７、８、９、ビームスプリ
ッタ（ハーフミラー）１０及び対物レンズ１１等を含ん
で構成されている。ここで、この送光光学系１０２につ
いて上記構成各部の作用とともに説明する。

【００４９】前記３つのレーザ光源ＬＳ1 、ＬＳ2 、Ｌ
Ｓ3 はそれぞれ異なる波長λ1 、λ2 、λ3 のレーザビ
ームＬＢ1 、ＬＢ2 、ＬＢ3 を射出する。本実施例で
は、例えば、レーザ光源ＬＳ1 としてはλ1 ＝633nm の
Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源、光源ＬＳ2 としてはλ2 ＝690n
m の半導体レーザ光源、光源ＬＳ3 としてはλ3 ＝780n
m の半導体レーザ光源がそれぞれ用いられ、従って波長
の関係はλ1 ＜λ2 ＜λ3 に設定されているものとす
る。

【００５０】これら３本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 、ＬＢ
3 は、ミラー１、ダイクロイックミラー２、３を介して
１本の同軸のビームＬＢ0 に合成され、ミラー４で反射
されて回転ラジアル格子板ＲＲＧに入射する。この格子
板ＲＲＧは、一方向に等角速度で回転軸Ｃ0 の回りに高
速回転しており、この格子板ＲＲＧによって回折された
各次数の回折光の周波数を、角速度に応じた分だけ増減
させる作用を有する。

【００５１】図２には、この回転ラジアル格子板ＲＲＧ
の拡大斜視図が示されている。この回転ラジアル格子板
ＲＲＧは、円板状部材から成り、この格子板ＲＲＧには
円周方向に沿って所定ピッチ間隔で透過型の位相回折格
子ＲＧが３６０度に渡って形成されている。ここでは、
この格子板ＲＲＧの回転軸Ｃ0 がＸＹＺ座標系のＸ軸と
平行に設定されているものとする。ビームＬＢ0 が格子
板ＲＲＧの格子ＲＧに垂直に入射すると、０次光Ｄ0 以
外に各種の回折光が発生するが、本第１実施例では±１
次回折光を用いてヘテロダイン方式を実現するので、図
１、図２では格子板ＲＲＧからの±１次回折光のみを示
してある。

【００５２】さて、ビームＬＢ0 が格子板ＲＲＧの格子
ＲＧに垂直に入射すると、図２に示される如く、格子板
ＲＲＧの格子ＲＧからは、波長λ1 のビームＬＢ1 から
作られた１次回折ビーム±Ｄ11と、波長λ2 のビームＬ
Ｂ2 から作られた１次回折ビーム±Ｄ12と、そして波長
λ3 のビームＬＢ3 から作られた１次回折ビーム±Ｄ13
が発生する。各波長毎に１次回折ビームの回折角θは以
下のように表される。

【００５３】

【数１】sin θn ＝λn ／Ｐrg ………（１） ここで添字n は各波長の区別を表し（ｎ＝１，２，
３）、Ｐrgは格子ＲＧの周期を表す。

【００５４】一方、格子板ＲＲＧから発生した前記１次
回折ビームは波長によらず一定の周波数偏移Δｆを受け
る。すなわち、格子板ＲＲＧの格子ＲＧがビームＬＢ0
を横切る速度をＶとすると、Δｆ＝Ｖ／Ｐrgで表され、
＋１次回折ビームの周波数は０次光Ｄ0 の周波数よりΔ
ｆだけ高くなり、−１次回折ビームの周波数は０次光Ｄ
0 の周波数よりΔｆだけ低くなる。このように、回転ラ
ジアル格子板ＲＲＧは、一種の周波数シフターとして機
能する。

【００５５】上記のようにして周波数シフトされた３つ
の波長成分の＋１次回折ビーム＋Ｄ1n（ｎ＝１、２、
３）から成る送光ビーム＋ＬＦ及び−１次回折ビーム−
Ｄ1n（ｎ＝１、２、３）からなる送光ビーム−ＬＦと、
０次光Ｄ0 とは、図１に示されるように、コリメータレ
ンズ５により主光線が互いに平行になるように変換さ
れ、光束選択部材６に達する。この光束選択部材６は、
いわゆるフーリエ変換面に置かれる空間フィルタとして
機能し、ここでは０次光Ｄ0 が遮断され、１次回折光±
Ｄ1nによる送光ビーム±ＬＦが通過する。

【００５６】その後、送光ビーム±ＬＦは傾斜量が可変
な平行平板ガラスで構成された調整光学系７、８、９を
介してビームスプリッタ（ハーフミラー）１０に達す
る。

【００５７】調整光学系７は送光ビーム＋ＬＦと送光ビ
ーム−ＬＦとのフーリエ空間での間隔を変えることな
く、レンズ５の光軸に対して偏心させる機能を有し、調
整光学系８、９は送光ビーム＋ＬＦと送光ビーム−ＬＦ
との夫々の光軸に対する位置を個別に調整する機能を有
する。すなわち、調整光学系７は対物レンズ１１の光軸
を中心とした放射方向に関する送光ビーム（±ＬＦ）の
ウエハＷに対する傾きを調整し、調整光学系８、９はウ
エハＷ上での対物レンズ１１の光軸に対する送光ビーム
＋ＬＦ、−ＬＦの開き角を調整する。

【００５８】その送光ビーム±ＬＦはビームスプリッタ
１０で２つに分割され、一方（反射光）は対物レンズ１
１に入射し、それぞれ平行光束となって各波長毎に異な
る角度で、ウエハＷに入射する。

【００５９】ここで、ウエハＷ上には、図７に示される
ような断面形状を有する格子マーク（位置検出マーク）
ＭＧが予め形成されており、図１ではこの格子マーク
（位置検出マーク）ＭＧが送光ビーム±ＬＦの入射位置
に丁度位置している。

【００６０】従って、この格子マークＭＧ上には、波長
λ1 の送光ビーム±Ｄ11の干渉によって作られた干渉
縞、波長λ2 の送光ビーム±Ｄ12の干渉によって作られ
た干渉縞、及び波長λ3 の送光ビーム±Ｄ13によって作
られた干渉縞の３つが、同一周期、同一位相で重畳して
現れる。さらに、送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの間の周
波数差２・Δｆのため、その干渉縞は格子マークＭＧ上
を一方向（格子マークＭＧの周期方向）に等速度で移動
しているように観測される。そしてその移動速度は、回
転ラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの速度Ｖに比例して
いる。これより明らかなように、本第１実施例では回転
ラジアル格子板ＲＲＧによって相対走査手段が構成され
ている。

【００６１】なお、図１から明らかなように、ウエハＷ
表面（格子マークＭＧ）とラジアル格子板ＲＲＧとは、
コリメータレンズ５と対物レンズ１１との合成系によっ
て互いに共役（結像関係）になるように配置されてい
る。そのためラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの±１次
回折光による回折像が、ウエハＷの格子マークＭＧ上に
形成されるが、０次光Ｄ0 が遮へいされているため格子
ＲＧの周期の１／２の明暗像（干渉縞強度分布）が形成
される。

【００６２】本実施例では、その干渉縞のウエハＷ上で
の振幅の周期Ｐif（強度分布の周期の２倍）を、格子マ
ークＭＧの周期Ｐmgの２／Ｎ倍（Ｎは自然数）に設定す
る。このとき、上記３波長のいずれについても、一方の
（第１の）入射ビーム（例えば＋ＬＦ）の格子マークＭ
Ｇによる０次回折光（正反射光）と、他方の（第２の）
入射ビーム（例えば−ＬＦ）の格子マークＭＧによるＮ
次回折光とは、同一方向に発生し互いに干渉する第１の
合成光束となり、また第２の入射ビームの格子マークＭ
Ｇによる０次回折光と、第１の入射ビームの格子マーク
ＭＧによるＮ次回折光も、同一方向に発生し、互いに干
渉し合う第２の合成光束となる。そしてこれらの第１、
第２の合成光束は、光源である入射ビーム±ＬＦの周波
数差に応じて、周波数２・Δｆで強度変調されたビート
光となっている。

【００６３】なお、このように、各０次回折光と各Ｎ次
回折光を同一方向に発生させるためには、別の見方をす
れば対物レンズ１１の焦点距離をＦ0 として各波長毎の
送光ビーム±ＬＦのフーリエ変換面（ビ−ムスプリッタ
ー近傍）上での間隔ＤＬn を、格子マークＭＧの検出方
向について

【数２】 ＤＬn ＝±Ｎ・Ｆ0・λn／Ｐmg ………（２） に設定すればよい。このような各波長毎の間隔ＤＬn の
設定は、回転ラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの周期や
コリメータレンズ５の焦点距離を適当に定めることで調
整可能である。

【００６４】さらには、格子マークＭＧが多少デフォー
カス（光軸ＡＸ方向にずれる）した状態でもその検出位
置に誤差が生じないように、送光ビーム±ＬＦは格子マ
ークＭＧ（ウエハＷ）に等傾角で入射すること、すなわ
ちフーリエ変換面上で光軸ＡＸから格子マークＭＧの検
出方向にそれぞれ、ＤＬn ／２だけ離れた位置を通るこ
とが望ましい。

【００６５】すなわち、本第１実施例の位置検出装置１
００の構成は、従来の「０Ｎ次法」の構成に近いものと
なる。

【００６６】ところで、光学系５、１１等にわずかでも
色収差があると、ウエハＷ上に形成される干渉縞は、そ
れぞれの色で相互に位置ずれ（位相ずれ）、及び周期ず
れを起こしてしまう恐れがある。そこで、このようなず
れを補正するために、図１中の調整光学系７、８、９を
用いる。これらの光学系７、８、９は平行平板ガラスで
構成され、その材料として色分散の大きいものを用いる
と、各波長成分毎にウエハＷ上に形成される干渉縞の相
互の位置ずれや位相ずれを微小に変化させることができ
る。あるいは調整光学系７、８、９として、色分散の小
さい平行平板ガラスと色分散の大きい平行平板ガラスと
を組み合わせ、色分散の大きい平行平板ガラスの傾き調
整で各波長成分毎の干渉縞の相互の関係を補正し、その
補正によって生じる送光ビーム±ＬＦのウエハＷ上での
全体的な傾き誤差に関しては、色分散の小さい平行平板
ガラスの傾き調整で補正することができる。

【００６７】次に、前記受光光学系１０４について説明
する。この受光光学系１０４は、前記対物レンズ１１、
ダイクロイックミラー１６、１８、波長選択フィルタ１
２、集光レンズ（フーリエ変換レンズ）１３、参照格子
ＳＧ、空間フィルタ１４、受光手段としての光電変換器
（ディテクタ）１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０
ａ、２０ｂ及び基準信号発生用のディテクタ１５とを有
している。ここで、この受光光学系１０４について、上
記構成各部の作用とともに説明する。

【００６８】前述したような干渉縞によって照明された
格子マークＭＧから発生した第１、第２の合成光束は、
対物レンズ１１、ビームスプリッタ１０を通過してダイ
クロイックミラー１６に達する。これら第１、第２の合
成光束のうち波長λ1 の成分のビームＡ1 、Ｂ1 は、ダ
イクロイックミラー１６により反射され、それぞれ光電
変換器（ディテクタ）１７ａ、１７ｂに入射し、その光
量信号は電気信号ＩＡ1 、ＩＢ1 に変換される。

【００６９】第１、第２の合成光束のうち波長λ2 、λ
3 のビームは、ダイクロイックミラー１６を透過し、ダ
イクロイックミラー１８に至る。そして、第１、第２の
合成光束Ａ，Ｂのうち波長λ2 の成分のビームＡ2 、Ｂ
2 は、ダイクロイックミラー１８により反射され、それ
ぞれディテクタ１９ａ、１９ｂに入射し、光電変換され
る。一方、波長λ3 の成分のビームＡ3 、Ｂ3 は、ダイ
クロイックミラー１８を透過し、それぞれディテクタ２
０ａ、２０ｂに入射し、光電変換される。なお、使用す
る波長λ1 、λ2 、λ3 の間隔によっては、ダイクロイ
ックミラー１６、１８による波長分割が不十分なことも
あるので、各ディテクタの直前に干渉フィルタ（狭帯バ
ンドパスフィルタ）を配置してもよい。

【００７０】各ディテクタ１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１
９ｂ、２０ａ、２０ｂによる光電信号ＩＡ1 、ＩＢ1 、
ＩＡ2 、ＩＢ2 、ＩＡ3 、ＩＢ3 は、上記の干渉縞が格
子マークＭＧ部分を照射する間、いずれもビート周波数
２・Δｆと同じ周波数の正弦波となる。

【００７１】一方、コリメータレンズ５の方からビーム
スプリッタ１０を透過した光束（送光ビーム±ＬＦ）
は、波長選択フィルタ１２を介して送光ビーム±ＬＦ中
の特定の波長の１次ビーム、ここではλ2 の１次ビーム
±Ｄ12のみが選択されて集光レンズ（フーリエ変換レン
ズ）１３に入射する。そして、透過型の参照格子ＳＧ上
に重畳して照射される。ここでも参照格子ＳＧはコリメ
ータレンズ５と集光レンズ１３との合成系に関して回転
ラジアル格子板ＲＲＧと共役に配置されている。このた
め参照格子ＳＧ上にも１次ビーム±Ｄ12の２光束干渉に
よる１次元の干渉縞が形成され、それはビート周波数２
・Δｆに対応した速度で移動する。

【００７２】そこで、参照格子ＳＧの周期とその干渉縞
の周期とを適当に定めると、参照格子ＳＧから発生した
±１次回折光が同一方向に干渉ビームＢmsとなって進
み、それは空間フィルタ１４を透過してディテクタ１５
に受光される。このディテクタ１５の光電信号Ｉmsも、
ビート周波数２・Δｆと同じ周波数の正弦波となり、そ
の信号Ｉmsがヘテロダイン方式の基準信号となる。

【００７３】なお、本第１実施例では、参照格子ＳＧへ
照射する光束を、上記３波長の中の１波長としたが、こ
れは、次のような理由による。すなわち、参照格子ＳＧ
は、ガラス板上にクロム層を蒸着し、そのクロム層を透
明ラインと遮光ラインとが交互に形成されるようにエッ
チングして作られていることから、少なくともウエハＷ
上の格子マークＭＧのような非対称性、レジスト層の問
題がないほぼ理想的な格子（振幅透過率が対称的な格
子）として作られる。このため参照格子ＳＧに照射され
る一対の送光ビームは３つの波長λ1 、λ2 、λ3 のう
ちいずれか１つの波長に対応した１次ビームだけでも十
分な精度が得られるからである。

【００７４】もちろん、送光ビーム±ＬＦに含まれる３
つの１次ビーム±Ｄ11、±Ｄ12、±Ｄ13の全てを同時に
参照格子ＳＧに照射して、ウエハＷ上の格子マークＭＧ
と同様に多色干渉縞を形成するようにしてもよい。ただ
し、この場合には３波長が形成する干渉縞についても、
その位置及び周期を一致させるような調整機構を設ける
か、参照格子ＳＧ透過後の干渉ビームＢmsを、ウエハＷ
上のマークの検出と同様に、各波長毎に別々に行なう必
要がある。

【００７５】次に、ウエハステージＷＳＴについて説明
する。このウエハステージＷＳＴは、駆動モータを含む
駆動系２１によって対物レンズ１１の光軸ＡＸと垂直な
面（ＸＹ平面）内で２次元方向に駆動されるようになっ
ている。この駆動方式は、モータによって送りネジを回
転させる方式、又はリニアモータによってステージ本体
を直接運動させる方式のいずれでもよい。このウエハス
テージＷＳＴ上に、不図示のウエハホルダを介して基板
としてのウエハＷが吸着保持されている。このウエハス
テージＷＳＴの移動位置（座標位置）はレーザ干渉計２
２によって逐次計測される。このレーザ干渉計２２の計
測値は駆動系２１のフィードバック制御に使われる。

【００７６】さらに、ウエハステージＷＳＴの一部に
は、フィデューシャルマーク（基準マーク）板ＦＰが設
けられている。このマーク板ＦＰには石英ガラスの表面
にクロム層でライン・アンド・スペースをパターニング
した基準マークＦＧ（周期はウエハ上の格子マークＭＧ
と同一）が形成されている。実際の位置検出において
は、ウエハＷ上の格子マークＭＧの位置検出に先立っ
て、この基準マークＦＧの位置を検出し、装置に依存す
る様々な誤差を補正するが、その詳細は後述する。

【００７７】本第１実施例の装置では、光源として半導
体レーザを用いるが、この場合半導体レーザ（ＬＳ2 、
ＬＳ3 ）とミラー１、ダイクロイックミラー２とのそれ
ぞれの間に非点収差除去用の整形光学系（傾斜した複数
枚の平行平板ガラス等）を設け、１本に合成されたビー
ムＬＢ0 の各波長成分毎の光束成分をほぼ等しい径にす
るのが好ましい。また、光源として半導体レーザ以外を
用いる場合にも、合成後のビームＬＢ0 の径を各波長成
分毎に揃えるようなビーム整形光学系を設けるのが望ま
しい。

【００７８】図３には、位置検出装置１００を構成する
位置検出回路の一例が示されている。この位置検出回路
は、波長λn （ｎ＝１，２，３）にそれぞれ対応する３
つの位相差検出回路ＳＡn （ｎ＝１，２，３）と、これ
らの位相差検出回路ＳＡn に対応してそれぞれ設けられ
た３つの検出位置補正回路ＣＡn （ｎ＝１，２，３）
と、信号選択回路ＳＳとを含んで構成されている。ここ
で、この位置検出回路を構成する各回路の役割を簡単に
説明する。

【００７９】本第１実施例のようなヘテロダイン方式の
場合、前述の如く、上記の干渉縞が格子マークＭＧ部分
あるいは、基準マークＦＧを照射するとき、各光電信号
ＩＡ1 、ＩＢ1 、ＩＡ2 、ＩＢ2 、ＩＡ3 、ＩＢ3 及び
Ｉmsは、いずれもビート周波数２・Δｆと同じ周波数の
正弦波となる。これらの信号の一例が図４ないし図６に
示されている。

【００８０】この内、図４（１）は、ディテクタ１７ａ
の出力である、第１の合成光束中の波長λ1 の光束Ａ1
の光量信号ＩＡ1 を示し、同図（２）はディテクタ１７
ｂの出力である光量信号ＩＢ1 を示す。また、同図
（３）はディテクタ１５の出力である基準信号Ｉmsを示
す。これらの信号の間には基準信号Ｉmsを基準として、
ΔＡ1 、ΔＢ1 の位相差が存在する。そしてこれらの位
相差量は、格子マークＭＧの位置及び段差量に対応した
ものとなっている。

【００８１】同様に、図５（１）、（２）、（３）はそ
れぞれ波長λ2 の光量信号ＩA2、ＩB2、基準信号Ｉms
（図４（３）と同じ）を示し、図６（１）、（２）、
（３）はそれぞれ波長λ3 の光量信号ＩA3、ＩB3、基準
信号Ｉms（図４（３）と同じ）を示し、これらの図中の
位相差量も、格子マークＭＧの位置及び段差量に対応し
たものとなっている。

【００８２】図３の位置検出回路においては、位相差検
出回路ＳＡ1 、ＳＡ2 、ＳＡ3 により、まずこれらの位
相差が検出される。すなわち、各位相差検出回路ＳＡn
（ｎ＝１，２，３）では、各入力信号ＩＡn 、ＩＢn
の、参照信号Ｉmsに対する位相差（ΔＡn 、ΔＢn [ra
d] ）を検出する。この位相差を格子マークＭＧの位置
に変換するには、Ｎ・Ｐmg／（２π）倍（Ｎは前述の如
く格子マークＭＧの周期Ｐmgと格子マークＭＧ上に形成
する干渉縞の振幅の周期の比の倍）すれば良いが、従来
技術の説明の項で述べたとおり、「０Ｎ次法」では、こ
れら２つの位相差からそれぞれ求めた検出位置の平均値
が、各波長についての格子マークＭＧの検出位置である
ので、各位相差検出回路ＳＡn は平均値ΔＸnとして、

【数３】 ΔＸn＝｛ΔＡn・Ｎ・Ｐmg／（２π）＋ΔＢn・Ｎ・Ｐmg／（２π）｝／２ …………（３） を出力する。

【００８３】さらに、各位相差検出回路ＳＡn は、各入
力信号ＩＡn 、ＩＢn 、及び不図示のコンソール等から
入力した格子マークＭＧの凹部、凸部の各幅ａ，ｂに基
づいて格子マークＭＧの段差相当量δn を、真の段差を
波長λn の検出光束の格子マークＭＧの表面近傍での波
長λrnの半分λrn／２で除した剰余である光の位相量と
して算出する。格子マークＭＧの表面近傍での波長λrn
とは、例えば格子マークＭＧが、レジストやガラス（Ｐ
ＳＧ）等の透明物質で覆われている場合には、その透明
物質（媒体）中での波長を意味し、格子マークの表面が
むき出しになっている場合には、空気中の波長、すなわ
ちλn そのものを意味する。また、段差相当量δn の算
出アルゴリズムは本発明の特徴であり、その詳細につい
ては後述する。

【００８４】ところで、上記の検出位置ΔＸn とは基準
信号Ｉmsに対する位置ずれ（位相ずれ）量を検出したも
のであり、ウエハＷ上の格子マークＭＧそのものの位置
を検出したものではない。従って、基準信号Ｉmsから求
める上記位置ずれ量と、ウエハＷ上の位置を対応させる
には、ウエハＷ上又はウエハステージＷＳＴ上に位置基
準が必要である。

【００８５】前述した基準マークＦＧは、この位置基準
となるマークであり、ウエハＷ上の格子マークＭＧの位
置検出に先立って、先ず基準マークＦＧの位置を検出
し、基準信号Ｉmsから求める上記位置ずれ量と、ウエハ
ステージＷＳＴ上の位置との関係を求めておく（ベース
ラインチェック）。具体的には、先ず、レーザー干渉計
２２の出力をモニタしつつ駆動系２１により基準マーク
ＦＧが位置検出ビーム±ＬＦの照射位置に位置するよう
ウエハステージＷＳＴを移動する。そして、上記のよう
な位置検出を基準マークＦＧに対して行ない、基準信号
Ｉmsに対する基準マークＦＧの位置ΔＦＸn を求める。
各検出位置補正回路ＣＡn は、この各波長毎の検出位置
ΔＦＸn と、このときのレーザー干渉計２２の出力ＬFG
を不図示のメモリに記憶する。この場合において、各波
長での干渉縞の位置がウエハＷ（及び基準マークＦＧ）
上で完全に一致するように光学系が調整されていれば、
ΔＦＸn は各波長λn で等しくなる。

【００８６】次に、ウエハステージＷＳＴを移動し、ウ
エハＷ上の格子マークＭＧの位置検出を行なうが、各検
出位置補正回路ＣＡn は、そのステージ位置でのレーザ
ー干渉計２２の出力ＬMGと、先にメモリに記憶した基準
マークＦＧ検出位置での出力ＬFGの差に、各波長毎の検
出結果ΔＸn を加え、さらに上記ΔＦＸn を引いた値Δ
Ｘn'を、各波長λn での検出位置とする。

【００８７】以上により求まった検出位置ΔＸn'、段差
相当量δn をもとに、信号選択回路ＳＳは最終的な格子
マークＭＧの検出位置ΔＸを算出する。具体的には、作
用の項目で述べた、「検出光束のレジスト中波長の（２
ｍ＋１）／４倍のマーク段差では、検出誤差が極めて小
さくなる。」という原理に基づいて、各波長λn による
格子マークＭＧの検出位置ΔＸn'のうち、各波長λn で
の段差相当量δn が、π／２[rad] （検出光束の波長λ
n の１／４に相当（ｍ＝０：段差相当量δn は、半波長
の剰余なのでｍ＞０は考慮しなくて良い）に、最も近い
波長での検出位置ΔＸn'を最終的な格子マークＭＧの検
出位置ΔＸとする。

【００８８】この結果、最終的な格子マークＭＧの検出
位置ΔＸは、段差の４／（２ｍ＋１）倍に最も近い波長
の検出光での検出結果となるため、従来の方法に比べよ
り高精度なものとなる。

【００８９】次に、本発明の特徴である、格子マークＭ
Ｇの段差量の検出原理及び方法について説明する。

【００９０】図７には、格子マークＭＧの一例が拡大し
て示されており、凹部の幅がａ、凸部の幅がｂ、両部間
の段差はｈであるとする。なお、図７及び以下の説明で
は、簡略化のために格子マークＭＧ上にレジストは塗布
されていない、すなわちλrn＝λn となっているものと
する。また、凹部、凸部のそれぞれの波長λ（λは上記
λn （ｎ＝１，２，３）のいずれか）の検出光に対する
振幅反射率は、φa 、φb であるとする。なお、このと
きに振幅反射率φa 、φb は、深さ方向に（図７中上下
方向に）同一位置の面内での反射光の振幅を表わすもの
とする。具体的に説明すれば、この基準面を格子マーク
ＭＧの凸部の表面とすると、例えばφaは、凹部表面で
の振幅反射率に、段差ｈの往復光路差（位相差）に相当
する因子、すなわちｅｘｐ（４πｉｈ／λ）を掛けたも
のとなる。φb についても同様であるが、ここではマー
クＭＧの凸部表面を基準面として考えるので、光路差
（＝０）の因子はｅｘｐ（４πｉ０／λ）＝１となる。
従って、φa とφb の位相差が求まれば、段差量ｈを求
めることができる。

【００９１】一般に、図７中の凹部、凸部のそれぞれか
ら発生する回折光の回折方向に対する振幅分布は、ｓｉ
ｎｃ関数として表される。例えば、幅ａの凹部から発生
する回折光の振幅分布は、図７の段差パターンの周期方
向に対して、

【数４】 ψA(ｕ) ＝ φa・sin（πａｕ）／（πｕ）………（４） となる。ここでｕは、回折角Θに対し、

【数５】 ｕ ＝ sinΘ／λn ………（５） であり、同様に幅ｂの凸部から発生する回折光の振幅分
布は、

【数６】 ψB(ｕ) ＝ φb・sin（πｂｕ）／（πｕ） （６） である。これらは、ｕ＝０（０次回折光）では、それぞ
れ、ａ・φa 、ｂ・φbとなる。

【００９２】そして、凹部，凸部が、図７の如くピッチ
Ｐで周期的に並んだパターンからの回折光の振幅分布
は、

【数７】 ψ(ｕ) ＝｛ψA(ｕ) ＋ψB(ｕ)・exp（πｉＰｕ）｝×Pir（ｕ） ……（７） Pir(ｕ) ＝ sin（ｌπＰｕ）／ sin（πＰｕ） ……（８） （ｌは周期的格子マークＭＧの繰り返しの数（整数））
となる。（７）式の導出に際し、凹部の中心を回折光の
位相の基準としたが、勿論凸部の中心を基準としてもか
まわない。

【００９３】上記のPir（ｕ）は、回折格子の「周期
項」と呼ばれるものであり、格子マークＭＧの繰り返し
数ｌが大きければ、ｊ次回折光に相当する、ｕ＝ｊ／Ｐ
（ｊは整数）でのみ０でない値ｌをもち、それ以外では
ほとんど０となる。本実施例においては格子マークＭＧ
からの０次回折光とＮ次回折光のみを使用するので、Pi
r（ｕ）を一定値（ｌ）としてよい。また、（７）式中
の exp（πｉＰｕ）は、０次回折光（ｕ＝０）において
は１となり、±Ｎ次回折光（ｕ＝±Ｎ／Ｐ）においては
（−１）^N となる。これより、図７に示されるような格
子マークＭＧから発生する０次及びＮ次回折光、ψ0 、
ψN は、それぞれ、

【数８】 ψ0 ＝ａ・φa ＋ｂ・φb ………（９） ψN ＝ａ'・φa ＋（−１）^N・ｂ'・φb ………（10） ａ' ＝Ｐ・sin（Ｎπａ／Ｐ）／π ………（11） ｂ' ＝Ｐ・sin（Ｎπｂ／Ｐ）／π ………（12） となる。

【００９４】このように、回折光振幅ψ0 、ψN が、振
幅反射率φa 、φb から導出される過程を、複素数の極
座標で表示したものが図８である。なお、図８中では、
簡略化のためにφa を実数（Real軸上）としているが、
φa 、φb 間の位相差（４πｈ／λ＝ωとする）が不変
であれば、φa を複素数としても導かれる結果は変わら
ない。また図８では、簡略化のためにＮ＝１の場合のみ
が図示されているが、以下の議論は２以上のＮについて
も同様に成り立つものである。

【００９５】図８（１）は、振幅反射率φa 、φb よ
り、０次回折光振幅ψ0 が決定されることを表し、図８
（２）は、振幅反射率φa 、φb より、１次回折光振幅
ψ1 が決定されることを表す。前述の如く振幅反射率φ
a と振幅反射率φb の間の位相差はωであるとしてい
る。図８（３）は、同図（１）、（２）より得られたψ
0,ψ1 を同一の極座標上に書き表したものであり、図中
のψ0 とψ1 の位相差（０次回折光と１次回折光の位相
差）Δは、図４ないし図６の合成光束Ａn 、Ｂn の光量
信号ＩＡn 、ＩＢn の「位相差」（すなわちΔＢn−Δ
Ａn）の半分の量に等しい。すなわち、光量信号ＩＡn
、ＩＢn から測定できる量である。もちろん、これは
Ｎ＝１の場合のみに限ったことではなく、任意のＮ（ψ
N ）で正しい。

【００９６】また、ψN とψ0 の大きさの比（｜ψN
｜：｜ψ0 ｜）についても上記の合成光束の光量信号Ｉ
Ａn ，ＩＢn から測定することが可能である。両信号Ｉ
Ａn 、ＩＢn の最大値ＡMAXn、ＢMAXnは、ψ0 とψN が
同位相で振幅加算された状態での強度であり、最小値Ａ
MINn、ＢMINnは、ψ0 とψN が逆位相で振幅加算された
状態での強度であるから、

【数９】 ＡMAXn≒ＢMAXn≒（｜ψ0 ｜＋｜ψN ｜）² ………（13） ＡMINn≒ＢMINn≒（｜ψ0 ｜−｜ψN ｜）² ………（14） となる。また、両信号のコントラストγは、

【数１０】 γ＝（ＡMAXn−ＡMINn）／（ＡMAXn＋ＡMINn） ＝２・｜ψ0 ｜・｜ψN ｜／（｜ψ0 ｜² ＋｜ψN ｜² ）……（15） であるから、コントラストγを計測すれば、（15）式よ
り、

【数１１】 ｜ψN ｜＝β・｜ψ0 ｜ ………（16） β＝｛１±√（１−γ² ）｝／γ ………（17） となって、比βが求まる。式（17）中の±は、一義的に
は決定できないが、一般にＮ次回折光の強度は０次回折
光よりも弱いので、−（マイナス）の方を採用する。そ
して、これによりψN を、

【数１２】 ψN ＝β・ψ0 ・exp（ｉΔ） ………（18） と表すことが可能となる。

【００９７】以上のΔ及びβが求まると、上記の、振幅
反射率から回折光振幅を導出した過程を逆にたどり、回
折光振幅ψ0 、ψN から、周期的段差パターンの振幅反
射率φa 、φb を求めることができる。具体的には、既
知となったパラメータをもとに、式（９）、（１０）か
らなる連立方程式を解けばよい。

【００９８】一般に半導体集積回路の加工において、パ
ターン線幅の制御性は優れている。従って、格子マーク
ＭＧの凹部、凸部の幅ａ、ｂは、ほぼ設計値通りとなっ
ており、即ち既知である。そして、凹部、凸部の幅ａ、
ｂより算出されるａ',ｂ' も同じく既知である。このた
め、式（９）、（１０）からなる連立方程式中で、未知
の変数（計測されていない変数）はφa 、φb のみであ
り、従って連立方程式をφa 、φb について解くことが
できる。その結果、

【数１３】 φa ＝｛ｂ'・ψ0 −（−１）^N・ｂ・ψN ｝ ／Ｃ ………（19） φb ＝（ａ'・ψ0 −ａ・ψN ）／Ｃ ………（20） （Ｃ＝ａ・ｂ' −（−１）^N・ａ'・ｂ）を得る。（ψN
には、式（18）が代入される。） 式（19）、（20）中で、ψ0 の位相は既知ではないが、
最終結果としてφa とφb の位相差（＝ω）が分かれば
良いので、ψ0 の位相（Real軸とのなす角）は任意の値
であって構わない。

【００９９】以上により、式（19）、（20）から、φa
、φb の値（複素数）が求まる。そして、φa 、φbの
実数部、虚数部から両者それぞれの位相（ωa、ωb）が
求まる。即ち、

【数１４】 ωa ＝ tan^-1｛Im(φa)／Re(φa)｝ ………（21） ωb ＝ tan^-1｛Im(φb)／Re(φb)｝ ………（22） である。そして、両者の差ωb −ωa ＝ωとして、φa
、φb の位相差ωが求まる。位相差ωは、その絶対値
として最大で４π[rad] までの値をとり得るが、三角関
数（tan^-1 ）の周期性から、ωの値が２πを越える場
合、ω−２πをωとし、ωの値が負であるときには、ω
が正になるまで２πを加えたものをωとする。

【０１００】この位相差ωは、前述の如く段差ｈの往復
光路差（位相差）に相当するものであり、

【数１５】ω＝４πｈ／λ、すなわち、 ｈ＝ω・λ／（４π） ………（23） の関係より、最終的に段差ｈを求めることができる。但
し、ここでの段差ｈは、上記のωの決定方法より、０か
らλ／２の範囲となる。すなわち、真の段差に対して、
検出光束の半波長で剰余をとったもの（以下、「ｈ’」
とする）となる。

【０１０１】なお、以上の説明は図７の如くレジストに
覆われていないマークに対するものであったが、レジス
トやガラス（ＰＳＧ）等の透明膜に覆われたマークにつ
いても上記論理はほとんどそのまま適用できる。但し、
上記論理中で振幅反射率φa、φb は、透明膜とマーク
表面との多重干渉を考慮したものとし、（23）式中の波
長λは、透明膜中の波長（空気中の波長を透明膜の屈折
率で割った値）であるとすれば良い。

【０１０２】本実施例においては、以上の原理により、
格子マークＭＧの段差量を計測する。すなわち、図３中
の各位相差検出回路ＳＡ1 、ＳＡ2 、ＳＡ3 は、まず前
述の位置検出時に求めた各光量信号ＩＡn 、ＩＢn の基
準信号Ｉmsとの位相差ΔＡn、ΔＢn の差の半分の量Δ
を算出する。次に、各位相差検出回路ＳＡ1 、ＳＡ2、
ＳＡ3 では内部の不図示のピークホールド回路及びボト
ムホールド回路により、両信号の最大値ＡMAX 、ＢMAX
n、及び最小値ＡMINn、ＢMINnを検出し、これよりそれ
ぞれの信号のコントラストγを算出する。なお、両信号
のコントラストは段差パターンによほどの非対称性がな
い限り等しいが、もし異なる場合はその平均値を採用す
る。

【０１０３】各位相差検出回路ＳＡn は、さらにコント
ラストγと式（17）からψN とψ0の大きさの比βを求
め、このβと上記位相差Δと式（18）からψN とψ0 の
正確な（複素数としての）関係を求める。

【０１０４】そして、各位相差検出回路ＳＡn は、例え
ばコンソール（不示図）からオペレーターが入力する等
の手段により与えられた、格子マークＭＧの凹部、凸部
の各幅ａ、ｂ及び周期Ｐの値と式（11）、（12）とを用
いてａ'、ｂ' の値を算出し、これを式（19）、（20）
に代入し、φa 、φb の値（複素数）を算出する。そし
て、さらに式（21）、（22）より、φa 、φb のそれぞ
れの位相ωa 、ωb を求め、その差ωを前述の如く算出
する。

【０１０５】この位相差ωより、前述の如く（23）式か
ら、段差ｈ’を求めることももちろん可能である。しか
し、信号選択回路ＳＳにおいては、各位相差検出回路Ｓ
Ａnによる各波長毎の検出位置ΔＸn の選択を、段差量
そのものではなく、段差量の各検出波長に対する位相量
に基づいて行なうので、各位相差検出回路ＳＡn からの
出力値は、段差ｈ’よりも、その位相量である方が好ま
しい。その位相量δとは、段差ｈの往復の位相量ωの半
分（δ＝ω／２）である。この位相量δも真の位相量に
対して、検出光の半波長相当の位相差（π）で剰余をと
ったものとなる。

【０１０６】もちろん、信号選択回路ＳＳにおいて、上
記検出位置ΔＸn の選択を段差量そのものに基づいて行
なってもよく、その場合には各位相差検出回路ＳＡn の
出力値を、段差ｈ’とすればよい。しかし、（23）式か
ら求まる段差ｈ’は、格子マークＭＧがレジスト等で覆
われていると、レジスト等の屈折率（格子マーク近傍で
の屈折率）の影響を受けるが、δ＝ω／２の関係は、レ
ジストの屈折率の影響を受けないので、上記選択は、位
相量δに基づいて行なった方がよい。

【０１０７】ただし（23）式による段差ｈ’の算出時
に、波長λとして真空中の波長を使用するなら、ｈ’は
段差量としては正確な値ではないが、位相量δと同じく
レジストの屈折率の影響を受けなくなる。この時信号選
択回路ＳＳは、各波長λn による検出段差量ｈ’の値が
λn ／４に最も近い波長による検出位置を選択する。

【０１０８】なお、上記段差検出においては、格子マー
クＭＧの例として、図７の如く、凹部と凸部の境界（側
壁）が垂直なマークの段差相当量の検出を行なう場合を
例示したが、側壁にテーパーのあるようなマークであっ
ても、もちろん高精度な位置検出（段差検出）が可能で
ある。この場合、入力する凹部、凸部の各幅ａ，ｂは、
ａ＋ｂ＝Ｐではなくなるが、上記と同様これらａ，ｂの
値に基づいてマーク段差を算出すれば良い。

【０１０９】これまでの説明から明かなように、本第１
実施例では、位相差検出回路ＳＡnによって段差検出手
段が構成され、位相差検出回路ＳＡn とこれに対応する
それぞれの検出位置補正回路ＣＡn によって位置検出手
段が構成され、信号選択回路ＳＳによって演算手段が構
成されている。

【０１１０】以上詳細に説明したように、本第１実施例
に係る位置検出方法及びその装置によると、干渉式アラ
イメント方式として「０Ｎ次検出法」を採用するととも
に、得られる２つの光量信号（第１、第２の合成光束Ａ
n 、Ｂn の光量信号）に基づいて従来と同様に格子マー
クの位置が検出できるのみではなく、その格子マークの
段差（深さ）、より正確には検出精度に大きな影響を与
える段差相当量をも、入射光ビームの波長（レジスト中
の波長）の半分、に対する剰余として算出することがで
き、これにより、検出光のレジスト中波長の（２ｍ＋
１）／４倍という条件に適合するか否か、あるいは、検
出光のレジスト中波長が位置検出すべき格子マークの段
差の４／（２ｍ＋１）倍という条件に適合するか否か
を、容易に判定することが可能となる。

【０１１１】このため、検出光束を複数の波長とし、上
記の位置検出と段差（剰余）の算出を各波長毎に行な
い、算出された段差が波長（レジスト中）の１／４倍に
近い波長について、干渉式アライメント法により位置検
出を行なうことにより、非対称な位置検出マークに対し
ても極めて高精度な位置検出を行なうことが可能とな
る。

【０１１２】なお、上記第１実施例においては、信号選
択回路ＳＳにより１つの波長を選択する以前に、各位相
差検出回路ＳＡn により、各波長での格子マークＭＧの
検出位置ΔＸn を求め、信号選択回路ＳＳにおいて、各
位相差検出回路ＳＡn により算出された段差相当量δn
に基づいて検出光のレジスト中波長が位置検出すべき格
子マークの４／（２ｍ＋１）倍という条件に最も近い波
長での検出位置ΔＸnを最終的な検出位置ΔＸとして選
択する場合を例示したが、本発明がこれに限定されるも
のではない。例えば、各位相差検出回路ＳＡn は、段差
相当量δのみを算出し、かつδと各入力信号の各位相Δ
An、ΔBnを、信号選択回路ＳＳに出力し、信号選択回路
ＳＳが波長λn の選択後に上記ΔAn、ΔBnに基づいて格
子マークＭＧの検出位置の算出を行なうようにする構成
も可能である。

【０１１３】なお、上記第１実施例では、複数の波長の
光束を同時に格子マークに照射して位置検出を行なう場
合について例示したが、本発明がこれに限定されるもの
ではなく、例えば、格子マークＭＧに対し、複数波長の
光束を波長毎に時間的に別々に照射することで、それぞ
れの波長の光量信号ＩＡn 、Ｂn も時間的に別々に受光
するようにしても良い。この場合、第１、第２の合成光
束を受光するディテクタを、各波長毎に別々に設ける必
要がなく、また、受光部でのダイクロイックミラー１
６、１８も省略することができ、また、位相差検出回路
ＳＡを１つだけとし、それに時分割で各波長の光量信号
を入力することで、複数波長の信号を処理することも可
能になり、受光光学系や信号処理系を簡素化することが
でき、装置構成を著しく簡略化することができるという
利点がある。

【０１１４】但し、この場合には、基準信号Ｉmsの受光
部から波長選択フィルタ１２を取り除き、基準格子ＳＧ
に全ての波長の光束を入射させる必要がある。なぜなら
ば、上記の如く、特定の１波長の光束のみの入射では、
その波長が照射されない時に（別の波長による検出時
に）、基準信号Ｉmsを得ることができないためである。
しかし、この場合、基準格子ＳＧ上での各波長の干渉縞
の位置を厳密に一致させる必要はなく、前述のベースラ
インチェックにおいて、補正量ΔＦＸn を各波長λn に
ついて求め、前述の補正を行なえば良い。なお、各光束
を時分割で照射するためには、各光源に短時間でのon-o
ffが容易な半導体レーザーを用いることが望ましい。

【０１１５】一方、上記第１実施例のように複数波長の
光束を同時に照射し、波長毎に分離して受光する方式で
は、各波長についての検出を同時に行なえるため、計測
時間が短くて済むというメリットがある。

【０１１６】また、上記第１実施例では、段差検出にお
いて、ψN とψ0 の大きさの比の算出は、光量信号ＩＡ
n ，ＩＢn のコントラストから算出するものとした
が、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば、
Ｎ次回折光と０次回折光の光量比自体を測定し、その平
方根を用いてもよい。

【０１１７】Ｎ次回折光と０次回折光の光量比の検出方
法としては、例えば、図１中の光束選択部材６の近傍
に、送光ビーム±ＬＦの少なくともどちらか一方を遮光
可能なシャッタを設け、上述の位置検出の終了後、また
は開始前にこのシャッタにより±ＬＦのどちらか一方を
遮光し、このときにディテクタ１７ａ、１７ｂ、１９
ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂより得られる光量信号ＩＡ
n ，ＩＢn の各強度比を求めればよい。このようにした
場合には、格子マークＭＧに入射するビームは、各波長
につき一本であるから、それぞれの光量信号ＩＡn 、Ｉ
Ｂn にはビートはなく、ＤＣ信号となっている。そし
て、前記シャッタにより例えば送光ビーム−ＬＦを遮光
した場合、ディテクタ１７ａ、１９ａ、２０ａには、送
光ビーム＋ＬＦの格子マークＭＧによる０次回折光のみ
が入射し、光量信号ＩＡn は各波長での０次回折光の光
量を示し、ディテクタ１７ｂ、１９ｂ、２０ｂには、送
光ビーム＋ＬＦの格子マークＭＧによる１次回折光のみ
が入射し、光量信号ＩＢn は各波長でのＮ次回折光の光
量を示すことになる。

【０１１８】従って、このように０次回折光とＮ次回折
光の光量を直接計測する方式では、（17）式の符号の決
定に関する不確定さが残る前述のコントラストからの算
出法に比べ、ψN とψ0 の大きさの比をより正確に測定
することができる。

【０１１９】なお、上記実施例では、説明を簡略化する
ために、周波数シフターとして回転ラジアル格子板ＲＲ
Ｇを用いる場合を例示したが、本発明がこれに限定され
るものではなく、周波数シフターとして２つの音響光学
変調器（ＡＯＭ）を用いたり、中心波長λ1 で発振する
第１のゼーマンレーザ光源と中心波長λ2 で発振する第
２のゼーマンレーザ光源とを光源として用いてもよい。
また、各種ダイクロイックミラーはプリズム等の分散素
子に置き換えてもよい。

【０１２０】また、上記実施例では、３つの波長の検出
光を用いる場合を例示したが、４つ以上の波長の検出光
を用いてもよい。このように波長の数をより増やす場合
には、図１中のダイクロイックミラー２、３及びダイク
ロイックミラー１６、１８の数を増やすとともにディテ
クタの数を増やすことにより容易に対応できる。

【０１２１】なお、上記第１実施例では、位置検出用入
射ビーム±ＬＦのそれぞれで周波数を異ならせるヘテロ
ダイン方式を採用した場合、換言すれば、格子マークと
干渉縞とを周期方向に相対走査する相対走査手段を、波
長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対うちの、第１
の光ビームの周波数と第２の光ビームの周波数とを僅か
に異ならせ、これにより形成される干渉縞を格子マーク
上で周期方向に等速度で移動させる手段（回転ラジアル
格子板ＲＲＧ）により構成した場合を例示したが、本発
明がこれに限定されるものではない。例えば、入射ビー
ム±ＬＦの周波数を等しくし（ホモダイン方式）、代わ
りに位置検出時にウエハステージＷＳＴを検出方向に走
査させる方式を採用し、このウエハステージＷＳＴによ
り格子マークと干渉縞とを周期方向に相対走査する相対
走査手段を構成しても良い。この場合にも、各信号はウ
エハステージＷＳＴの走査スピードに比例した等しいビ
ート周波数を持つ正弦波となり、上記と同様の検出が行
なえる。かかるホモダイン方式では、周波数シフター
（回転ラジアル格子板ＲＲＧ等）が不要で、送光光学系
が簡素化されるというメリットがある。

【０１２２】一方、ヘテロダイン方式では、検出中はウ
エハステージＷＳＴを停止させて置けばよく、ヘテロダ
インによる高Ｓ／Ｎ化の他にも、ウエハステージＷＳＴ
を等速で走査させるための制御機構が不要であること、
また、検出中に、ウエハステージＷＳＴ位置をモニタす
るレーザ干渉系２２の出力（ＬFG，ＬMG）の揺らぎ（主
に空気揺らぎ）を平均化できるというメリットもある。

【０１２３】《第２実施例》次に、本発明の第２実施例
を図１１に基づいて説明する。この第２実施例は、前述
した第１実施例の位置検出装置が、いわゆるオフアクシ
スアライメント検出系ＯＦＡとして採用された露光装置
についてのものである。

【０１２４】この第２実施例に係る露光装置は、投影光
学系ＰＬの光軸ＡＸにほぼ直交する水平面内にレチクル
Ｒを保持するレチクルステージＲＳＴと、投影光学系Ｐ
Ｌに関してレチクルＲと共役な面に前記ウエハＷを保持
するウエハステージＷＳＴとを備えている。従って、レ
チクルＲとウエハＷ上の各ショット領域とが後述するよ
うにアラインメントされた状態で光源を含む照明系ＩＯ
Ｐからの照明光によりレチクルＲが照明されると、その
レチクルＲのパターン面に形成された回路パターンが投
影光学系ＰＬを介して所定の縮小倍率（例えば１／４）
でウエハＷ上のショット領域に転写される。

【０１２５】また、この露光装置では、前述した第１実
施例の位置検出装置１００から成るオフアクシスアライ
メント検出系ＯＦＡが設けられている。このオフアクシ
スアライメント検出系ＯＦＡは、投影光学系ＰＬの光軸
ＡＸから所定距離隔てた当該光軸ＡＸに平行な面内で検
出ビームをウエハＷに照射する。

【０１２６】ここで、レチクルステージＲＳＴは、不図
示の駆動系によりＸＹ２次元方向の微小移動と、光軸Ａ
Ｘ回りの微小回転が可能に構成されており、また、ウエ
ハステージＷＳＴとしては第１実施例と同様に２次元移
動可能なものが用いられている。また、このウエハステ
ージＷＳＴの位置座標はレーザ干渉計２２（図１１では
図示せず、図１参照）により計測されるようになってい
る。

【０１２７】また、このウエハステージＷＳＴ上に不図
示のθステージ及びウエハホルダを介してウエハＷが載
置されている。

【０１２８】この露光装置では、いわゆるベースライン
計測が不可欠であり、このベースライン計測の後、ウエ
ハＷ上の複数のショット領域の中の特定の数箇所、例え
ば１０箇所のショット領域にそれぞれ付設された格子マ
ークから成るアライメントマークの位置を検出し、これ
らの検出位置のデータとマークの設計値のデータとから
いわゆる最小２乗法を用いて、マーク位置のＸＹ２次元
方向の位置ずれ、ウエハの回転、ウエハの伸縮量等を演
算し、この演算結果と各ショット領域の設計データとを
用いてショット領域の配列座標を演算し、メモリに格納
して置く。

【０１２９】そして、実際の露光の際には、ステップ・
アンド・リピート方式でステッピングと露光を繰り返
す。このステッピングの際に、各ショットが露光位置
（投影光学系ＰＬの露光フィールド内）へ位置決めされ
る。この際に、メモリに格納されたショット配列座標に
基づいてウエハステージＷＳＴの２次元移動が行なわ
れ、各露光ショットがレチクルＲとアライメントされ
る。

【０１３０】ここで、ベースライン量とは、レチクルＲ
の中心ＣＣr のウエハ側への投影点（ほぼ光軸ＡＸ上に
一致している）と、オフアクシスアライメント検出系Ｏ
ＦＡの検出中心点Ｒf4のウエハ側への投影点との間の
Ｘ、Ｙ方向の位置関係にほかならない。その位置関係
は、フィデューシャルマーク板ＦＧの対応したマーク
と、検出中心点Ｒf4の投影点との位置ずれ量をオフアク
シスアライメント検出系ＯＦＡ自体で検出するととも
に、その時のウエハステージＷＳＴの座標位置をレーザ
干渉計２２によって検出することで求めることができ
る。本第２実施例では、このベースライン計測を第１実
施例と同様にして行ない、その後のウエハＷ上の特定シ
ョットのアライメントマーク位置の検出に、第１実施例
で説明した本発明に係る位置検出方法が使用されるので
ある。

【０１３１】従って、この第２実施例によっても、ウエ
ハＷ上のショット領域に付設された非対称な位置検出マ
ークに対しても極めて高精度な位置検出を行なうことが
でき、この検出結果を用いていわゆる最小２乗法による
統計処理により、ウエハＷ上のショット領域の配列座標
が演算され、これに基づいてレチクルＲとウエハＷ上の
各ショット領域とのアライメントが行なわれるので、ア
ライメント精度の向上を期待することができる。

【０１３２】なお、この第２実施例では、オフアクシス
アライメント検出系に第１実施例の位置検出装置が適用
される場合について説明したが、その他のスルーザレン
ズ（ＴＴＬ）アライメント検出系やスルーザレチクル
（ＴＴＲ）アライメント検出系にも本発明の位置検出方
法及びその装置は、同様に適用できるものである。

【０１３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数波長での「干渉式アライメント」において、格子マ
ークの位置のみならず、その段差相当量をも検出するこ
とが可能となる。そして、この格子マークの段差相当量
に基づいて、複数の検出波長の中で最も最適な波長の検
出光束で位置検出を行なうため、高精度な位置検出が可
能になり、これにより多波長化したことによる効果を最
大限に発揮させることができるという従来にない優れた
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る位置検出装置の概略構成を示
す図である。

【図２】回転ラジアル格子板による回折ビームの発生の
様子を示す斜視図である。

【図３】図１の装置を構成する位置検出回路の一例を示
すブロック図である。

【図４】（１）は図１のディテクタ１７ａの出力である
波長λ1 の光束Ａ1 の光量信号ＩＡ1 を示す線図、
（２）はディテクタ１７ｂの出力である光量信号ＩＢ1
を示す線図、（３）はディテクタ１５の出力である基準
信号Ｉmsを示す線図である。

【図５】（１）は図１のディテクタ１９ａの出力である
波長λ2 の光束Ａ2 の光量信号ＩＡ2 を示す線図、
（２）はディテクタ１９ｂの出力である光量信号ＩＢ2
を示す線図、（３）はディテクタ１５の出力である基準
信号Ｉmsを示す線図である。

【図６】（１）は図１のディテクタ２０ａの出力である
波長λ3 の光束Ａ3 の光量信号ＩＡ3 を示す線図、
（２）はディテクタ２０ｂの出力である光量信号ＩＢ3
を示す線図、（３）はディテクタ１５の出力である基準
信号Ｉmsを示す線図である。

【図７】格子マークＭＧの一例を拡大して示す図であ
る。

【図８】回折光振幅ψ0 、ψN が振幅反射率φa 、φb
から導出される過程を、複素数の極座標で表示する図で
あって、（１）は振幅反射率φa 、φb より、０次回折
光振幅ψ0 が決定されることを表す図、（２）は振幅反
射率φa 、φb より、１次回折光振幅ψ1 が決定される
ことを表す図、（３）は同図（１）、（２）より得られ
たψ0,ψ1 を同一の極座標上に書き表した図である。

【図９】本発明着想の起因となったシミュレーションの
結果の一例を示す図であって、（１）はマーク段差ｈ
が、50、100 、150 、200nm の場合の結果を横軸レジス
ト厚ｄ［μｍ］、縦軸位置検出誤差［μｍ］として示す
図、（２）はマーク段差ｈが、250 、300 、350 、400
nmの場合の結果を（１）と同様に示す図である。

【図１０】（１）は図１０のシミューレーション結果の
前提となる格子マークの断面を示す図、（２）はその１
周期分の拡大図である。

【図１１】第２実施例に係る露光装置の主要部の構成を
示す図である。

【符号の説明】

１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ デ
ィテクタ（受光手段） １００ 位置検出装置 １０２ 送光光学系 Ｗ ウエハ（基板） ＭＧ 格子マーク ＲＲＧ 回転ラジアル格子板（相対走査手段） ＳＡn 位相差検出回路（段差検出手段、位置検出手段
の一部） ＣＡn 検出位置補正回路（位置検出手段の一部） ＳＳ 信号選択回路（演算手段）

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微細パターンの形成された基板上に形成
   された、特定の方向に周期性（周期＝Ｐ）を持って凹部
   と凸部を繰り返す格子マークの前記周期方向の位置を検
   出する位置検出方法であって、 前記格子マーク上に、可干渉な光ビームの対を波長の異
   なる複数組入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自
   然数）でその周期方向が格子マークの周期方向と等しい
   干渉縞を形成するとともに、前記干渉縞と前記格子マー
   クとを前記周期方向に相対走査する第１工程と；前記格
   子マークによる前記入射光ビームの反射・回折光のう
   ち、第１の光ビームの正反射光と第２の光ビームのＮ次
   回折光との合成光束である第１の合成光束と、前記第２
   の光ビームの正反射光と前記第１の光ビームのＮ次回折
   光との合成光束である第２の合成光束とを、それぞれ、
   かつ、前記複数の波長毎に別々に受光する第２工程と；
   前記格子マークの段差相当量を、前記各波長毎の前記第
   １、第２の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変
   化及び前記格子マークの設計データに基づいて、前記格
   子マークの段差を前記格子マーク表面近傍の媒質中での
   前記入射光ビームの各波長の半分で除した剰余として、
   各波長毎に算出する第３工程と；前記算出された段差相
   当量が、前記入射光ビームの前記格子マーク表面近傍で
   の各波長の１／４に最も近い波長を選択する第４工程
   と；少なくとも前記第４工程で選択された波長での前記
   第１、第２の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う
   変化に基づいて前記格子マークの位置を検出する第５工
   程とを含む位置検出方法。
2. 【請求項２】前記第５工程における前記格子マークの位
   置検出は、前記第４工程に先だって、前記各波長毎の前
   記第１、第２の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴
   う変化に基づいて各波長毎に検出された前記格子マーク
   の位置検出結果に基づいて行なわれることを特徴とする
   請求項１に記載の位置検出方法。
3. 【請求項３】 前記第１工程において、前記格子マーク
   上に、波長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対を波
   長毎に時分割的に入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ
   （Ｎは自然数）でその周期方向が格子マークの周期方向
   と等しい干渉縞を各波長毎に形成するとともに、前記各
   波長毎の干渉縞と前記格子マークとを前記周期方向にそ
   れぞれ相対走査することを特徴とする請求項１又は２に
   記載の位置検出方法。
4. 【請求項４】 前記格子マークの位置検出は、前記相対
   走査に伴う前記第１の合成光束と前記第２の合成光束の
   各光量信号変化の各位相に基づいてそれぞれ求めた検出
   位置を平均することにより行なうことを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれか一項に記載の位置検出方法。
5. 【請求項５】 前記段差相当量の算出は、前記格子マー
   クの前記凹部と凸部の各幅の比率と、前記相対走査に伴
   う前記第１の合成光束と前記第２の合成光束の各光量信
   号変化の位相差及びコントラストに基づいて行なうこと
   を特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の
   位置検出方法。
6. 【請求項６】 前記格子マークより反射・回折する０次
   回折項とＮ次回折光との光量比を、前記入射光ビームの
   前記各波長毎に計測するとともに、 段差相当量の検出は、前記格子マークの前記凹部凸部の
   各幅の比率と、前記相対走査に伴う前記第１の合成光束
   と前記第２の合成光束の各光量信号変化の位相差と、前
   記計測した光量比とに基づいて行なうことを特徴とする
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の位置検出方
   法。
7. 【請求項７】 微細パターンの形成された基板上に形成
   された特定の方向に周期性（周期＝Ｐ）を持って凹部と
   凸部を繰り返す格子マークの前記周期方向の位置を検出
   する位置検出装置であって、 前記格子マーク上に、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは
   自然数）でその周期方向が前記格子マークの周期方向に
   等しい干渉縞を形成すべく、可干渉な光ビームの対を波
   長の異なる複数組入射する送光光学系と；前記格子マー
   クと前記干渉縞とを前記周期方向に相対走査する相対走
   査手段と；前記格子マークによる前記入射光ビームの反
   射・回折光のうち、第１の光ビームの正反射光と第２の
   光ビームのＮ次回折光との合成光束である第１の合成光
   束と、前記第２の光ビームの正反射光と前記第１の光ビ
   ームのＮ次回折光との合成光束である第２の合成光束と
   を、それぞれ、かつ、前記複数の波長毎に別々に光電変
   換する受光手段と；前記格子マークの段差相当量を、前
   記受光手段より得られる前記各波長毎の前記第１、第２
   の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変化と前記
   格子マークの設計データとに基づいて、前記格子マーク
   の段差を前記格子マーク表面近傍の媒質中の前記入射光
   ビームの各波長の半分で除した剰余として、各波長毎に
   算出する段差検出手段と；前記格子マークの前記段差相
   当量が、前記各波長毎の入射光ビームの前記格子マーク
   表面近傍での波長の１／４相当量に最も近い検出波長で
   の前記第１、第２の合成光束の光量信号の前記相対走査
   に伴う変化に基づいて前記格子マークの位置を検出する
   位置検出手段とを有する位置検出装置。
8. 【請求項８】 前記位置検出手段は、前記相対走査に伴
   う前記第１の合成光束と前記第２の合成光束の各光量信
   号変化の各位相に基づいてそれぞれ求めた検出位置の平
   均値を前記格子マークの位置として検出することを特徴
   とする請求項７に記載の位置検出装置。
9. 【請求項９】 前記段差検出手段は、前記格子マークの
   前記凹部と凸部の各幅の比率と、前記相対走査に伴う前
   記第１の合成光束と前記第２の合成光束の各光量信号変
   化の位相差及びコントラストとに基づいて前記段差相当
   量を算出することを特徴とする請求項７又は８に記載の
   位置検出装置。
10. 【請求項１０】 前記格子マークより反射・回折する０
    次回折光とＮ次回折光との光量比を、前記入射光ビーム
    の前記各波長毎に計測する光量比計測手段を更に有し、 前記段差検出手段は、前記格子マークの前記凹部凸部の
    各幅の比率と、前記相対走査に伴う前記第１の合成光束
    と前記第２の合成光束との各光量信号変化の位相差と、
    前記光量比計測手段により得られた前記光量比に基づい
    て前記段差相当量を算出することを特徴とする請求項７
    又は８に記載の位置検出装置。
11. 【請求項１１】 前記相対走査手段は、前記基板を前記
    格子マークの周期方向に走査可能なステージであること
    を特徴とする請求項７ないし１０のいずれか一項に記載
    の位置検出装置。
12. 【請求項１２】 前記相対走査手段は、前記波長の異な
    る複数組の可干渉な光ビームの対のうち、第１の光ビー
    ムの周波数と第２の光ビームの周波数とを僅かに異なら
    せ、これにより形成される前記干渉縞を前記格子マーク
    上で周期方向に等速度で移動させる手段であることを特
    徴とする請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の位
    置検出装置。