JPH10122816A

JPH10122816A - 位置検出装置、露光装置及び方法

Info

Publication number: JPH10122816A
Application number: JP9243250A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松; Hideo Mizutani; 英夫水谷; Nobutaka Umagome; 伸貴馬込; Kazuya Ota; 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 1998-05-15
Anticipated expiration: 2014-05-10
Also published as: JP2888233B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度な位置検出ができる高性能な位置検出
装置を提供する。【構成】レーザ光の光路中に、レーザ光の光路を調整
する光路調整手段（３５、１６a、１６b）を設け、回折
格子に入射する２光束の交差角、干渉縞の位置、方向を
調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロダイン干渉
型の位置検出装置に関するものであり、特に半導体製造
装置のウエハ、マスク等の高精度な位置合わせ装置に好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子等の微細パターンを高
分解能で半導体のウエハ上に転写する装置として、投影
型露光装置、所謂ステッパーが多用されるようになって
きている。特に、最近はこれにより製造されるＬＳＩの
高密度化が要求されてきており、より微細なパターンを
ウエハ上に転写する必要がある。これに対応するには、
より高精度な位置合わせ（アライメント）が不可欠であ
る。

【０００３】そこで、ヘテロダイン干渉法を利用して、
より高精度な位置検出行う装置として、例えば特開昭６
２−２６１００３号公報にて開示されている。この装置
は、僅かに異なる周波数のＰ偏光とＳ偏光とを含む光束
を射出するゼーマン効果を利用したゼーマンレーザーを
位置合わせ（アライメント）用の光源としており、この
ゼーマンレーザーからの光束を偏光ビームスプリッター
により、周波数ｆ1 のＰ偏光と周波数ｆ2 のＳ偏光との
光束に２分割し、この分割された各光束が各々の反射ミ
ラーを介して、レチクル（マスク）上に形成された回折
格子マークを所定の２方向で照射するように設けられて
いる。

【０００４】このマスクには、回折格子マークに隣接し
た位置に窓が設けられており、この回折格子マークを照
射する１部の光束が窓を通してウエハ上に形成された回
折格子マークを所定の２方向で照射する。各回折格子マ
ークを互いに異なる周波数を持つ光束が２方向で照射す
ることにより発生する回折光を、検出系の偏光板を通し
て互いに干渉させて、各々の干渉による２つの光ビート
信号を検出器にて光電検出している。

【０００５】そして、各信号の相対的な位相差が、回折
格子マーク上で交差する２光束と基板とのズレ量に対応
するため、検出されたいずれか一方の光ビート信号を基
準信号として、この位相差が零となるように、レチクル
とウエハとを相対的に移動させることにより高精度な位
置検出を行っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記で述べたゼーマン
レーザー光源から供給される互いに周波数の異なる直交
した２方向の偏光光をそれぞれ分離するための偏光分離
素子の１つである偏光ビームスプリッター等が、今製造
誤差等の要因により、これに入射する偏光光において、
互いに直交する偏光面の方向と偏光ビームスプリッター
の分離できる偏光面の方向とが僅かにズレているとす
る。すると、分離された各光束中には、主偏光成分に対
して垂直な方向に偏光する異なる周波数のノイズ成分を
含んでしまうことになる。

【０００７】また、製造誤差なしに上記の装置の光学系
を組み込めたとしても、偏光ビームスプリッター等の偏
光分離素子は、厳密にに言ってＰ偏光とＳ偏光とに完全
に分離できないために、図８に示す如く、分離された周
波数の異なる各々の偏光光は、上記と同様にして各々の
主偏光成分（Ｐf1’、Ｓf2’）に対して垂直方向に偏光
した異なる周波数のノイズ成分（ｓf1、ｐf2）を僅かに
含むことになる。

【０００８】このため、先に述べた特開昭６２−２６１
００３号公報に開示された装置では、上記の理由によっ
て偏光ビームスプリッターでゼーマンレーザー光源から
の光束を互いに異なる周波数の偏光光に分割した時に、
分割された各々の偏光光（Ｐf1’、Ｓf2’）が、これに
対して垂直方向に偏光する異なる周波数のノイズ成分
（ｓf2、ｐf1）を僅かに含むことになる。

【０００９】このような状況のもとで、基板上に形成さ
れた回折格子マークに２光束を２方向で照射して、この
回折格子マークからの回折光を偏光板等で、２つの回折
光の主偏光方向を揃えて干渉させると、検出器にて光電
検出される光ビート信号には大きな誤差を含んでしま
う。すなわち、偏光ビームスプリッタで分割された各光
路中に異なる周波数のノイズ成分が混在した状態で偏光
板等を介すると、主偏光成分と同方向に偏光する異なる
周波数のノイズ成分が混在して、その時点で光束自体が
ビートしてしまい大きな誤差を含んでしまう恐れがあ
る。

【００１０】さらに、直線偏光している光束は、偏光分
離素子（偏光ビームスプリッター等）、反射ミラー等の
光学部材を介すると、厳密に言って楕円偏光に変形する
という問題がある。このため、先に述べた従来の装置で
は、基板上に形成された回折格子マークを２方向で照射
するまでに、各光学部材で引き回しているが、この過程
で、図９に示す如く、例えば周波数ｆ1 の主偏光成分Ｐ
ry(f1)に対して垂直なｘ方向に周波数ｆ1 のノイズ成分
Ｐrx(f1)と、周波数ｆ2 のノイズ成分Ｎx(f2)に対して
も垂直なｙ方向に周波数ｆ2 のノイズ成分Ｎy (f2)とが
発生する。

【００１１】これにより、主偏光方向に対して垂直方向
のノイズ成分（Ｐrx(f1)、Ｎx(f2)）を除去することが
可能ではあるものの、主偏光成分Ｐry(f1)と同方向のノ
イズ成分Ｎy(f2) を除去することは不可能であるため、
回折格子マークを２方向で照射するまでに、周波数ｆ1
の主偏光成分Ｐry(f1)と、これと同方向の周波数ｆ2の
ノイズ成分Ｎy(f2)とがビートしてしまい、位置検出さ
れる光ビート信号には大きな誤差が含まれるという致命
的な問題がある。

【００１２】そこで、上記で述べた問題により検出器で
光電検出される２つの回折光について解析してみる。ま
ず、周波数ｆ1 の主偏光成分と、これに対し僅かに含ま
れる周波数ｆ2 のノイズ成分とを有する回折光の振幅Ｄ
1 は、

【００１３】

【数１】

【００１４】と表現でき、一方、周波数ｆ2 の主偏光成
分と、これに対し僅かに含まれるノイズと共に周波数ｆ
1 のノイズ成分を有する回折光の振幅Ｄ2 は、

【００１５】

【数２】

【００１６】と表現できる。但し、振幅Ｄ1 の回折光お
いて多く含まれる周波数ｆ1 の主偏光成分の振幅をＵ1
とし、振幅Ｄ1 の回折光において僅かに含まれる周波数
ｆ2 のノイズ成分の振幅をＶ2 、振幅Ｄ2 の回折光にお
いて多く含まれる周波数ｆ2 の主偏光成分の振幅をＵ2
とし、振幅Ｄ2 の回折光において僅かに含まれる周波数
ｆ1 のノイズ成分の振幅をＶ1 、波数をk1(=２πf1) 、
k2(=２πf1) 、周波数ｆ1 の偏光光が回折格子により回
折を受けたときに生ずる位相の変化をφ1 、周波数ｆ2
の偏光光が回折格子により回折を受けたときに生ずる位
相の変化をφ2 としている。

【００１７】上記で得られた（１）式及び（２）式によ
り検出器にて光電検出される光ビート信号の強度Ｉは以
下の如くなる。

【００１８】

【数３】

【００１９】この（３）式を展開すると、

【００２０】

【数４】

【００２１】となる。この（４）式により求められた光
ビート信号は、本来、回折格子の位置の情報を示す位相
成分φ1 ＋φ2 のみを有する訳であるが、この他にも別
の位相成分、すなわち（φ1 −φ2 ）と（−φ1 ＋φ
2）とを含んでいることが分かる。そこで、Ｕ1 、Ｕ2
に比して、Ｖ1 、Ｖ2 が十分小さいとすれば、位相成分
による誤差ｅは次式にて表現することができる。

【００２２】

【数５】

【００２３】一例として、前述の偏光ビームスプリッタ
ーにより２分割された各光束に含まれる互いに直交した
方向の偏光成分の光強度比を１：１０００（｜Ｖ2 ｜
の二乗：｜Ｕ1｜の二乗、｜Ｕ2 ｜の二乗：｜Ｖ1｜の二
乗）とし、Ｕ1 ＝Ｕ2 、Ｖ1＝Ｖ2 とすると、上式
（５）にによる位相誤差ｅは、

【００２４】

【数６】

【００２５】となり、光電検出される光ビート信号は、
無視できない程の誤差を含むことになる。基板上に形成
された回折格子マークに２方向で互いに異なる周波数を
有する２光束を照明し、これにより発生する干渉縞のピ
ッチを１／２となるように、上記の従来技術で述べた装
置は設定されているため、２つの光束と基板との相対的
なズレ量が１／２ピッチとなる毎に、回折格子マークの
位置情報含んだ光ビート信号と参照用の光ビート信号と
による位相差は、２πだけ変化する。すなわち、２つの
光束と基板との相対的なズレ量が位相差に対応し、位相
差として検出できる範囲は、２πとなる。

【００２６】そこで、基板上に形成された回折格子マー
クのピッチをＰとし、上述の位相誤差ｅを２つの光束と
基板との相対的なズレ量δに換算すると、次式にて表現
できる。

【００２７】

【数７】

【００２８】今、回折格子マーク上に形成されているピ
ッチＰを１０μm として、上述の位相誤差3.６゜をズレ
量δに換算すると、

【００２９】

【数８】

【００３０】となり、この値は、無視できない大きな誤
差となる。例えば、４メガビットの超ＬＳＩを露光する
にあたっては、0.6 〜0.7 μm 程度の線幅の焼付が必要
され、これに対応するための検出器の精度は、総合アラ
イメント誤差を考慮して、0.6 〜0.7 μm 程度の線幅の
少なくとも十分の１（0.06〜0.07μm ）が要求される
が、（８）式で求められた誤差では、明らかに４メガビ
ットの超ＬＳＩを露光する上での安定したアライメント
が難しくなる。

【００３１】以上の如く、今まで無視できたレベルの物
理的現象がアライメント精度に大きな悪影響を及ぼすた
め、位置検出するためのアライメント光学系の構成を十
分に配慮して、高精度なアライメントに対し悪影響を及
ぼす要因を全て除去することが必要である。ところで、
製造上の誤差等が起因して、基板上に形成された回折格
子マークを所定の交差角を持った２方向で照射するはず
の２光束の入射角が各々変化するという問題がある。

【００３２】また、基板上に形成された回折格子マーク
を照射する２光束の交差角が所定の値に設定されていた
としても、この回折格子マーク上で干渉して発生する明
暗の干渉縞の発生（配列）方向と回折格子の格子の配列
（ピッチ）方向とが回転方向において相対的にズレてい
るという問題もある。この両者の結果、コントラスト、
信頼性及び安定性の高い光ビート信号を得ることが困難
となり高精度なアライメントが困難となる。

【００３３】そこで、本発明は上記の問題点を全て解決
し、信頼性の高い安定した光ビート信号が得られ、高精
度な位置検出ができる高性能な位置検出装置を提供する
ことを目的としている。

【００３４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために、位置検出されるための基板上に形成さ
れた回折格子に、アライメント光学系からの互いに周波
数が異なる２光束を２方向で照射し、該２光束により発
生する回折光を干渉させて、該干渉による光ビート信号
を光電検出する位置検出装置において、前記アライメン
ト光学系は、前記回折格子を照射するための照明光束を
供給する照明光束供給手段と、該照明光束を２分割する
光束分割手段と、前記互いに周波数が異なる２光束を得
るために前記２分割された各光束の周波数を所定の値だ
け変調させる光変調手段と、前記変調した２光束が前記
アライメント光学系の光軸を挟んで進行するようにする
光路調整手段とを有するようにしたものである。

【００３５】さらに、前記光路調整手段は、前記基板上
に形成された回折格子を２方向で照射する２光束の交差
角を調整する交差角調整手段と、前記干渉縞が発生する
方向を調整する干渉縞方向調整手段とを有する構成にす
ることによって、基板上に形成された回折格子マークを
照明する２光束の交差角とを調整できるとともに、回折
格子マークに形成される流れるような干渉縞の発生（配
列）方向と回折格子マークの配列（ピッチ）方向との回
転方向における相対的なズレ量を補正することができ
る。

【００３６】好ましき構成は、前記光路調整手段が、各
光路の少なくともいずれか一方に傾角可変な平行平面板
を有するようにすることが良い。〔作用〕本発明においては、アライメント光を分離し
て各光束を互いに異なる周波数に独立に変調させた後、
光路調整手段を設けることにより、互いに異なる周波数
に変調した２光束は常に分離された状態が維持されて、
アライメント光学系において分離した光路上を各光束が
進行できるように各々光路を調整できるため、検出信号
に悪影響を及ぼすノイズ成分が混在しないようにするこ
とができる。

【００３７】したがって、コントラスト及び信頼性の高
い安定した光ビート信号を得ることが保証され、より高
精度なアライメントが実現できる。しかも、この構成に
より２光束の光路が調整できるため、基板上の回折格子
マークを２方向で照明する光束の交差角を調整できるの
みならず、干渉縞の発生（配列）方向と回折格子マーク
の配列（ピッチ）方向との回転方向における相対的なズ
レ量とを調整することができるため、極めて有効であ
る。

【００３８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施例による
位置検出装置の概略的な構成を示す図であり、以下この
図を参照しながら詳述する。所定の回路パターンとアラ
イメント用の回折格子マークＲＭとを有するレチクル
（マスク）１は２次元的に移動可能なレチクルステージ
２に保持されている。レチクル上の各パターンは照明光
学系４０から供給される露光光のもとで投影対物レンズ
３によりウエハ（基板）上に結像される。また、ウエハ
上にも上記のレチクル上に形成された回折格子マークＲ
Ｍと同様の回折格子マークＷＭが形成されている。

【００３９】さて、ウエハはステップアンドリピート方
式で２次元移動するステージ上に吸着されて、ウエハ上
の１つのショット領域でのレチクル上のパターンの転写
が完了すると、次のショット位置までステッピングされ
る。レチクルステージ２及びウエハステージ５における
ｘ方向、ｙ方向及び回転（θ）方向の位置を独立に検出
するための不図示の干渉計が各ステージについて設けら
れており、各方向における各ステージの駆動は不図示の
駆動モータにより行われる。

【００４０】ところで、露光用光学系からの露光光は、
レチクル上方に４５゜に斜設されたダイクロイックミラ
ー３７等により下方へ反射され、レチクル１を均一に照
明する。そして、均一に照明されたレチクル上のパター
ンは投影レンズ３によりウエハ上にパターンの像を形成
し、転写される。一方、位置検出するためのアライメン
ト光学系（１０〜３１）については、上記のダイクロイ
ックミラーの上方に設けられており、以下アライメント
光学系について詳述する。

【００４１】上記の露光光とは異なる長波長を有するア
ライメント用の照明光は、レーザー光源１０から射出し
た後、１／４波長板１１により円偏光となる。レンズ１
２を介した光束は、偏光ビームスプリッター１３により
互いに同一の光量となるようにＰ偏光とＳ偏光との光束
にそれぞれ分割される。偏光ビームスプリッター１３を
反射したＳ偏光の光束は第１音響光変調器１５ａ（以下
単にＡＯＭ１５ａと呼ぶ。）に入射する一方、偏光ビー
ムスプリッター１３を透過したＰ偏光した光束は反射ミ
ラー１４を介して第２音響光変調器１５ｂ（以下単にＡ
ＯＭ１５ｂと呼ぶ。）に入射する。各ＡＯＭはＰ偏光と
Ｓ偏光との光束の相対的な周波数差がΔｆとなるよう
に、Ｐ偏光の光束の周波数をｆ1 、Ｓ偏光の光束の周波
数をｆ2 に周波数変調する。

【００４２】ＡＯＭ１５ａにより周波数ｆ1 に変調した
Ｓ偏光の光束は、平行平面板１６ａ、反射ミラー１７を
介して偏光ビームスプリッター１８へ到達する一方で、
ＡＯＭ１５ｂにより周波数ｆ2 に変調したＰ偏光の光束
も平行平面板１６ｂを介してビームスプリッター１８へ
到達する。ここで、各平行平面板（１６ａ、１６ｂ）は
光路調整手段として機能し、互いに異なる周波数に変調
された２光束が再びビームスプリッター１８で合成され
ないように、各々の光束の進行方向に対して傾けられて
配置され、この傾き量を調整できるように設定されてい
る。

【００４３】これにより、各ＡＯＭにより周波数変調を
受けた２光束の各光路が所定量だけシフトし、分離され
た状態で偏光ビームスプリッター１８を通過する。この
偏光ビームスプリッター１８はアライメント光学系の瞳
位置近傍に配置されている。尚、各平行平面板（１６
ａ、１６ｂ）の機能については後述する。分離された状
態で並列に進行する２光束は、１／２波長板１９により
偏光方向が４５°回転し、偏光ビームスプリッター２０
を介すると、通過方向には各光束中のＰ偏光成分が、反
射方向には各光束中のＳ偏光成分がそれぞれ進行する。

【００４４】この偏光ビームスプリッター２０を透過し
た２光束は、レンズ２１により参照用の回折格子２２上
にピッチ方向に沿って流れる干渉縞が形成され、この回
折格子２２を介した回折光が検出器２３にて参照用の光
ビート信号として光電検出される。一方、偏光ビームス
プリッター２０を反射した２光束は、リレー系（２４
ａ、２４ｂ、２５）を介し、アライメント光学系の瞳位
置近傍に設けられたビームスプリッター２６に達する。

【００４５】そして、ビームスプリッター２６を通過し
て並列に進行する２光束は、テレセントリックを維持す
るためにアライメント光学系の光軸に対して傾角可変に
設けられた平行平面板３５を通過し、対物レンズ３６、
ダイクロイックミラー３７を介して、所定の交差角を持
つ２方向でレチクル上の回折格子マークＲＭを照明す
る。このとき、テレセントリックを維持用の平行平面板
３５は、アライメント光学系の瞳空間に配置されてお
り、特にこの瞳位置近傍に配置されることがより好まし
い。

【００４６】この平行平面板３５は、厚さの厚い粗調整
用の平行平面板と、厚さの薄い微調整用の平行平面板と
を組み合わせた構成を適用しても良い。尚、投影レンズ
３がアライメント光に対して色収差補正されていない際
には、対物レンズ３６は、本発明と同一出願人による特
開昭６３−２８３１２９号公報にて提案した２焦点光学
系で構成されることが望ましい。

【００４７】この場合、２焦点光学系に入射する偏光し
た２光束をそれぞれ２成分に分割するために、２焦点光
学系の光学軸に対して、入射光束の偏光方向が傾くよう
に配置する。すると、第１焦点に向けて進行する一方の
光束同士がレチクル上で結像し、第２焦点へ向けて進行
する他方の光束同士がレチクルから外れた位置で結像し
た後、投影レンズ３を介してウエハ上で結像する。

【００４８】さて、レチクル１には、図２（Ａ）に示す
如く、回折格子マークＲＭと並列的にアライメント光透
過用窓ＰO （以下、透過窓部と呼ぶ。）が設けられてお
り、図２（Ｂ）に示す如くこの透過窓部ＰOに対応し
て、レチクル上に形成されている回折格子マークと同ピ
ッチの回折格子マークＷＭがウエハ上に形成されてい
る。

【００４９】このため、アライメント光の一部が、レチ
クル上を所定の交差角を持った２方向でレチクル上の回
折格子マークＲＭを照明するために、回折格子のピッチ
方向に沿って流れる干渉縞が発生する。この回折格子マ
ークＲＭにより発生する±１次回折反射光が光軸方向へ
進行するように、２光束の交差角が予め設定されてい
る。

【００５０】これにより、回折格子マークＲＭから発生
する±１次回折光は、再びダイクロイックミラー３７、
対物レンズ３６を通過した後、平行平面板３６、ビーム
スプリッター２６、レンズ２７、ビームスプリッター２
８を介して、視野絞り３２へ達する。この視野絞り３２
は、レチクル１と共役な位置に設けられており、具体的
には、図２（Ｃ）の斜線に示す如く、レチクル１の回折
格子マークＲＭからの回折光のみを透過させるように、
回折格子マークＲＭの位置に対応して開口部ＳRMが設け
られている。

【００５１】このため、視野絞り３２を通過した回折格
子マークＷＭからの回折光は、０次光（正反射光）をカ
ットする空間フィルター３３によりフィルタリングされ
て検出器３４にてレチクル１の位置情報を含んだ光ビー
ト信号が光電検出される。一方、上記のレチクル上の透
過窓部ＰO を通過した１部のアライメント光束は、投影
レンズ３を介して、回折格子で形成されたウエハ上の回
折格子マークＷＭを所定の交差角を持った２方向で照明
し、このマークＷＭにより発生して光軸上に沿って進行
する±１次回折光が、投影レンズ３、ダイクロイックミ
ラー３７、対物レンズ３６、平行平面板３５、ビームス
プリッター２６、レンズ２７、ビームスプリッター２８
を介して、視野絞り２９に達する。

【００５２】この視野絞り２９は、ウエハ４と共役な位
置に設けられており、具体的には、図２（Ｄ）の斜線に
示す如く、ウエハ４の回折格子マークＷＭからの回折光
のみを透過させるように、回折格子マークＷＭの位置に
対応して開口部ＳWMが設けられている。このため、この
視野絞り２９を通過した回折格子マークＷＭからの回折
光は、０次光（正反射光）をカットする空間フィルター
３０によりフィルタリングされて検出器３１にてウエハ
４の位置情報を含んだ光ビート信号が光電検出される。

【００５３】各空間フィルター（３０、３３）は、アラ
イメント光学系の瞳面と略共役な位置、すなわち投影レ
ンズ３の瞳（射出瞳）と実質的に略共役な位置に配置さ
れ、レチクル、ウエハ上に形成された回折格子マークか
らの０次光（正反射光）を遮断し、±１次回折光（レチ
クル１、ウエハ４の回折格子に対して垂直方向に発生す
る回折光）のみを通すように設定されている。

【００５４】また、検出器（３１、３４）は、対物レン
ズ３６、レンズ２７を介して、それぞれレチクル１、ウ
エハ４と略共役となるように配置されている。さて、位
置合わせされていない状態でレチクル１、ウエハ４が任
意の位置で停止していると、以上の如き本実施例により
各検出器（２３、３１、３４）から得られる３つの光電
信号は、ともに同周波数Δｆの正弦波状の光ビート信号
となり、互いに一定の位相差だけズレている。ここで、
レチクル１及びウエハ４からの各光ビート信号の位相差
（±１８０゜）は、レチクル１及びウエハ４上のそれぞ
れに形成された回折格子マークの格子ピッチの１／２内
の相対位置ズレ量に一義的に対応している。

【００５５】レチクル１とウエハ４とが格子配列方向に
対して相対移動すると、相対位置ズレ量が各回折格子マ
ーク（ＲＭ、ＷＭ）の格子ピッチ１／２となる毎に同位
相の信号となる。このため、各回折格子マーク（ＲＭ、
ＷＭ）の格子ピッチ１／２以下の精度でプリアライメン
トし、主制御系５１は、サーボ系５２により位相差検出
系５０で得られた位相差が零となるようにレチクルステ
ージ２もしくはウエハステージ５を２次元移動させて位
置合わせを行うことにより高分解能な位置検出が達成で
きる。

【００５６】また、検出器２３より得られる参照用の光
ビート信号を基準信号として、この基準信号と各回折格
子マーク（ＲＭ、ＷＭ）からの各光ビート信号との各々
位相差が零となるように位置合わせを行なっても良い。
また、各ＡＯＭ（１５ａ、１５ｂ）をドライブさせるド
ライブ信号を基準信号として利用することも勿論可能で
ある。

【００５７】次に、光電検出される光ビート信号が誤差
を含まないよう構成した本実施例について説明する。図
３に示す如く、アライメント光源１０から供給される光
束は、１／４波長板１１を介して円偏光となり、偏光ビ
ームスプリッター１３を介すると、Ｓ偏光とＰ偏光とに
分離される訳であるが、上記の問題点でも述べたように
分離された各光束（Ｓ、Ｐ）の偏光方向に対して垂直方
向に偏光するノイズ成分（Δｐ、Δｓ）が僅かに含まれ
ているとすると、各ＡＯＭ（１５ａ、１５ｂ）を通過し
た各光束における偏光成分は、互いに同じ周波数変調を
受ける。その後、各光束（Ｓf1＋Δｐf1、Ｐf2＋Δｓf
2）は、光路調整用の平行平面板（１６ａ、１６ｂ）、
反射ミラー１７を介して、偏光ビームスプリッター１８
に達する。このとき、偏光ビームスプリッター１８は、
各主偏光成分を所定方向へ導き、各ノイズ成分（Δｐf
1、Δｓf2）の殆どが別の方向へ導くため、これを介し
た各光束は実質的に純粋な主偏光成分のみが存在する状
態になる。

【００５８】偏光ビームスプリッター１８を介した各光
束（Ｓf1’、Ｐf2’）は、１／２波長板１９を通過する
と、各光束の偏光方向が光軸中心に４５°回転し、各主
偏光方向が互いに直交するように偏光ビームスプリッタ
ー２０に達する。この偏光ビームスプリッター２０によ
り、厳密に言って、周波数ｆ1 の主偏光成分Ｓf1’は
ｘ、ｙ方向にそれぞれＰf1”とＳf1”とに分割されるだ
けでなく、分割された各光束中の垂直方向にそれぞれに
周波数ｆ1 のノイズ成分としてΔｓf1”とΔｐf1”とが
混在することになる。

【００５９】一方、周波数ｆ2 の主偏光成分Ｐf2’も同
様にしてｘ、ｙ方向にそれぞれＰf2”とＳf2”とに分割
されるだけでなく、分割された各光束中の垂直方向にそ
れぞれに周波数ｆ2 のノイズ成分としてΔｓf2”とΔｐ
f2”とが混在することになる。このように、偏光ビーム
スプリッター２０を透過した２つの光束（Ｐf1”、Ｐf
2”）中に、それぞれノイズ成分（Δｓf1”、Δｓf
2”）が混在することにはなるが、各ノイズ成分（Δｓf
1”、Δｓf2”）はこれに対応する主偏光成分（Ｐf
1”、Ｐf2”）と同周波数であるため、各光束中では光
ビートが起こることがなく、レンズ２１、参照用の回折
格子２２、検出器２３を介し参照信号として光電検出さ
れる。

【００６０】この参照用の検出器２３により得られる参
照用の光ビート信号は精度的には殆ど悪影響を及ぼす誤
差信号が含まれることなく、信頼性の高い安定した光電
信号である。一方、偏光ビームスプリッター２０を反射
した２つの光束（Ｓf1”、Ｓf2”）中においても、ノイ
ズ成分（Δｐf1”、Δｐf2”）が混在した状態で、リレ
ー系（２４、２５）、ビームスプリッター２６、平行平
面板３５、対物レンズ３６を介して、レチクル上の回折
格子マークＲＭ、及び投影レンズを介してウエハ上の回
折格子マークＷＭを２方向で照射することになる。

【００６１】しかしながら、参照信号と同様に、各光束
のノイズ成分（Δｓf1”、Δｓf2”）はこれに対応する
主偏光成分（Ｐf1”、Ｐf2”）と同周波数であるため、
各光束中ではビートが発生しないため、光電検出される
各信号はレチクル及びウエハの位置情報のみ含む信頼性
の高い安定した信号が得られる。以上の如く、ＡＯＭ等
により独立に周波数変調した各光束は、再び交わること
なくアライメント光学系の光軸を挟んで対称となるよう
に導かれて、各回折格子マーク（ＲＭ、ＷＭ）を２方向
で照射しているめ、検出誤差となる異なる周波数の光を
含むことが全くないため非常に有効である。

【００６２】また、上記の問題点でも述べたように、本
実施例のアライメント光学系中に配置された各光学部材
により、主偏光成分のみならずノイズ成分が変形して楕
円偏光となることが考えられるが、図３にて示した本実
施例の各光束中において僅かに存在するノイズ成分は、
主偏光成分に対して同周波数であるため、例えば、図４
に示す如く、周波数ｆ1 の主偏光成分Ｐry(f1)に対して
同方向の同周波数ｆ1のノイズ成分Ｎy(f1) が存在して
いても、レチクル及びウエハ上に形成された各回折格子
マーク（ＲＭ、ＷＭ）を照射する前に２光束がビートす
ることなく、各検出器（２３、３１、３４）では信頼性
の高く安定した光ビート信号が得られる。

【００６３】次に、光路調整用手段としての各平行平面
板（１６ａ、１６ｂ）の機能について説明する。平行平
面板（１６ａ、１６ｂ）は先に述べたように、送光系に
おいて誤差信号を含まないように、光束を分離した状態
を確保しているだけでなく、各平行平面板（１６ａ、１
６ｂ）の傾き量に応じて各偏光光の光路が各々シフトさ
せることができるため、この平行平面板（１６ａ、１６
ｂ）より後方に設けられたアライメント光学系の光軸を
挟んで並列的に分離された光路に調整することができ
る。

【００６４】そこで、本実施例の平行平面板（１６ａ、
１６ｂ）による光路調整について詳述する。図５に示す
如きアライメント光学系の瞳面Ｐｕは、偏光ビームスプ
リッター１８、２０が配置されている位置に存在し、こ
の瞳面Ｐｕには送光系からの２光束のスポット（ＢＳ1
、ＢＳ1 ）が光軸を挟んで形成される。この瞳の上方
に設けられている一対の平行平面板（１６ａ、１６ｂ）
は、図示の如くｘ、ｙ軸を中心に回転するように設けら
れている。

【００６５】瞳面Ｐｕ上に形成されるビームスポット
（ＢＳ1 、ＢＳ1 ）は、各平行平面板（１６ａ、１６
ｂ）がｘ軸を中心に傾くとｙ方向へ移動し、これがｙ軸
を中心に傾くとｘ方向に移動する。このため、ウエハあ
るいはレチクル上に形成された回折格子マーク（ＷＭ、
ＲＭ）上を２方向で照射する２光束の交差角を調整する
ことができる。

【００６６】各回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）を２方向
で照射する２光束の交差角θは、この回折格子マーク
（ＷＭ、ＲＭ）上を２方向で照射する２光束の入射角
（α、β）の和であるため、レーザー光源の波長をλ、
回折格子のピッチをＰ、入射角αで回折格子を照射する
光束により発生する回折光の次数ｎ1 （ｎ1 ＞０）、入
射角βで回折格子を照射する光束により発生する回折光
の次数ｎ2 （ｎ2＜０）とすると、次式の如く、一義的
に決定される。

【００６７】

【数９】

【００６８】このため、所定の交差角θに応じて、各平
行平面板（１６ａ、１６ｂ）を、ｙ軸を中心に傾けて、
瞳面Ｐｕ上の各ビームスポット（ＢＳ1 、ＢＳ1）をｘ
方向に調整してやれば良い。したがって、単に各平行平
面板（１６ａ、１６ｂ）の傾きを変化させるだけで、異
なるピッチＰの回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）に応じて
適切な交差角に調整することが可能であるため極めて有
効である。

【００６９】しかしながら、この交差角θが調整されて
いても、図６（Ａ）に示す如く、実線で示す干渉縞ＩＦ
の発生（配列）方向と、破線で示す回折格子マーク（Ｗ
Ｍ、ＲＭ）の配列（ピッチ）方向とが回転方向において
大きくズレていると、正確な位置情報を含む高いコント
ラストの光ビート信号を得ることができない。このた
め、各方向が平行となるように、瞳面Ｐｕで形成される
ビームスポット（ＢＳ1、ＢＳ2 ）の位置を移動させ
て、干渉縞ＩＦの発生（配列）方向をさらに調整する必
要がある。

【００７０】回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）上で形成さ
れる流れる干渉縞ＩＦは、瞳面Ｐｕでの２つのビームス
ポット（ＢＳ1 、ＢＳ2 ）を結ぶ直線に対して垂直方向
に形成される。このため、例えば図６（Ｂ）に示す如
く、所定の交差角を維持しながら、２つのビームスポッ
ト（ＢＳ1 、ＢＳ2 ）を結ぶ直線に対して垂直方向が回
折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）の格子方向となるように、
平行平面板１６ａを、ｘ、ｙ軸を中心としてそれぞれ傾
けて、ビームスポットＢＳ1 をｘ方向へΔＸだけ移動さ
せるとともに、ｙ方向へΔＹだけ移動させてＢＳ1 ’の
位置に補正してやれば良い。

【００７１】また、干渉縞ＩＦの発生（配列）方向と、
回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）の配列（ピッチ）方向と
が回転方向において僅かにズレていれば、例えば図６
（Ｃ）に示す如く、１次元的に平行平面板１６ａを、ｘ
軸を中心として傾けて、ビームスポットＢＳ1 をｙ方向
へΔＹだけ移動させてＢＳ1 ”の位置に補正しても良
い。

【００７２】このように、少なくとも一方の平行平面板
（１６ａ、１６ｂ）を２次元的に傾けてやれば、所定の
交差角を維持しながら、干渉縞ＩＦの発生（配列）方向
と回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）の配列（ピッチ）方向
とを一致させることができるため有効である。これを自
動的に行うためは、交差角を合わせるための平行平面板
（１６ａ、１６ｂ）の傾きと、干渉縞の発生方向と回折
格子マークの配列方向とを合わせるための平行平面板
（１６ａ、１６ｂ）の傾きとをフィートバック制御する
ことが好ましい。

【００７３】具体的には、例えば、交差角を調整する際
には、光電検出される光ビート信号のコントラストが最
大となるように、上記の如く平行平面板（１６ａ、１６
ｂ）を傾きを制御し、干渉縞の発生方向と回折格子マー
クの配列方向を調整する際にも、光電検出される光ビー
ト信号のコントラストが最大となるように、上記の如く
平行平面板（１６ａ、１６ｂ）の傾きを制御すれば、両
者のズレを補正することができる。

【００７４】このように、本実施例では、光路調整とし
て２次元的に傾角可変な平行平面板をアライメント光学
系中に配置したが、この平行平面板を少なくともいずれ
か一方の光路中に設けても良い。また、この平行平面板
の数には制限なく、各光路中に１次元方向に対して傾角
可変な平行平面板をアライメント光学系中に複数枚設け
ても良い。

【００７５】尚、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）では２つの
ビームスポットが僅かに光軸から離れているが、検出さ
れる光ビート信号には全く影響はない。また、干渉縞Ｉ
Ｆの発生（配列）方向と回折格子マーク（ＷＭ、ＲＭ）
の配列（ピッチ）方向との回転方向におけるズレ量を補
正するために、アライメント光学系中にイメージローテ
ータを配置した構成を適用しても良い。

【００７６】次に、本実施例の変形例について図７を参
照しながら説明する。本実施例において先に図１と同様
な部材には同じ符合を付してある。レーザー光源１０か
ら射出した光束は、１／４波長板１１、レンズ１２を介
して偏光ビームスプリッター１３ににより各々２分割さ
れ、各ＡＯＭ（１５ａ、１５ｂ）により互いに異なる周
波数に変調される。

【００７７】ＡＯＭ１５ａを介し周波数ｆ1 に変調した
Ｓ偏光光は、反射ミラー１７を介して、プリズム６１に
達する。一方、ＡＯＭ１５ｂを介し周波数ｆ2 に変調し
たＰ偏光光、１／２波長板６０によりＳ偏光光となり、
プリズム６０に達する。このプリズム６１は瞳位置近傍
に配置され、ＡＯＭ１５ａを介し周波数ｆ1 の光束を透
過させる部分透過面６１ｂと、ＡＯＭ１５ｂを介し周波
数ｆ2のＳ偏光光を反射させるような蒸着等で構成され
る部分反射面６１ａとを有するように構成されている。

【００７８】そして、このプリズム６１を介した互いに
異なる周波数の各々のＳ偏光光は、１／２波長板１９を
通過する。このとき、各光束の偏光方向は揃っているた
め、この１／２波長板１９を回転させれば、偏光ビーム
スプリッター２０により、参照信号検出系とレチクル１
とウエハ４を照射する送光系とに供給される各々の光束
の光量を調節することができる。

【００７９】このとき、検出器２３で光電検出するため
の参照光として必要とされる光量はそれぼど多くなくて
も十分であるため、１／２波長板１９の回転量を調整し
て、多くの光量を有する光束を各回折格子マーク（Ｒ
Ｍ、ＷＭ）に供給することができる。また、偏光ビーム
スプリッター１３の代わりにビームスプリッターを配置
し、プリズム６１の部分反射面６１ａを金属膜で構成す
れば、このプリズム６１に入射する光束の偏光面は揃っ
ているため、１／２波長板を６０を不要とすることがで
きる。

【００８０】このとき、このビームスプリッターはレー
ザー光源１０からの光束を２分割して、これにより分割
された各光束を各ＡＯＭ（１５ａ、１５ｂ）により独立
に周波数変調しているため、互いに異なる周波数の各光
束中に同周波数の偏光成分が混在していても光電検出さ
れる光ビート信号に悪影響を及ぼすことはない。つま
り、各光束は、異なる周波数を有する光束成分を含まず
分離された状態を維持されているため、ビートすること
なく各回折格子マーク（ＲＭ、ＷＭ）を２方向で照射す
ることができる。

【００８１】尚、本発明は上記で述べた実施例に限るも
のではなく、本発明と同一出願人による特開昭６０−１
３０７４２号公報にて提案した如く、レチクルを介さず
に投影レンズを通してアライメント光をウエハ上の回折
格子マークに２方向で照射できるような構成を適用して
も良く、またプロミキシティ方式にも適用することがで
きる。

【００８２】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、互いに異
なる周波数に変調された各々の光束中に別の周波数の光
束成分を含まないような構成としているので、各光束を
レチクル及びウエハ上に形成された回折格子マークに送
光する過程で、光がビートする要因を除去することが達
成できる。これにより、光電検出される光ビート信号
は、純粋にレチクル及びウエハの位置の情報のみを有し
ているため、常に高精度なアライメントが保証される。

【００８３】しかも、回折格子マークを２方向で照射す
る２光束の交差角を調整できるのみならず、この２光束
により発生する干渉縞の縞方向と回折格子の格子方向と
の回転方向におけるズレを補正できるため、コントラス
ト、安定性、信頼性の高い光ビート信号を検出できるた
め、高精度な位置検出が実現できる。また、ＡＯＭ等を
利用して各回折格子マークを２方向で照明する２光束に
大きな周波数差を与えることができるため、スループッ
トの向上が図れるとともに、高分解能な位置検出が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の実施例による投影露光装置の概略的な
構成を示す図、

【図２】（Ａ）はレチクル上の回折格子マークＲＭの形
状を示す平面図、（Ｂ）はウエハ上の回折格子マークＷ
Ｍの形状を示す平面図、（Ｃ）はレチクル上の回折格子
マークＲＭからの回折光を得るための視野絞りの平面
図、（Ｄ）はウエハ上の回折格子マークＷＭからの回折
光を得るための視野絞りの平面図、

【図３】はアライメント光学系のみを示す図、

【図４】は主偏光成分とこれと同周波数のノイズ成分と
が楕円偏光している様子を示す図、

【図５】は光路調整手段の機能を模式的に示す図、

【図６】（Ａ）は干渉縞と各回折格子マークとが大きく
ズレている様子を示す図、（Ｂ）は干渉縞と各回折格子
マークとの方向が補正されて一致している様子を示す
図、（Ｃ）は僅かにズレていた干渉縞と各回折格子マー
クとの方向を補正した様子を示す図、

【図７】は本実施例の変形例による投影露光装置の概略
的な構成を示す図、

【図８】は偏光ビームスプリッタの機能を示す図、

【図９】は主偏光成分とこれと異なる周波数のノイズ成
分とが楕円偏光している様子を示す図である。

【符号の説明】

１０…光源１３…偏光ビームスプリッタ１５ａ…第１音響光変調器１５ｂ…第２音響光変調器１６ａ、１６ｂ…平行平面板１８…偏光ビームスプリッタ（ビームスプリッタ）

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年１０月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】位置検出装置、露光装置及び方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】また、製造誤差なしに上記の装置の光学系
を組み込めたとしても、偏光ビームスプリッター等の偏
光分離素子は、厳密に言ってＰ偏光とＳ偏光とに完全に
分離できないために、図８に示す如く、分離された周波
数の異なる各々の偏光光は、上記と同様にして各々の主
偏光成分（Ｐf1’、Ｓf2’）に対して垂直方向に偏光し
た異なる周波数のノイズ成分（ｓf1、ｐf2）を僅かに含
むことになる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】と表現できる。但し、振幅Ｄ1 の回折光に
おいて多く含まれる周波数ｆ1 の主偏光成分の振幅をＵ
1 とし、振幅Ｄ1 の回折光において僅かに含まれる周波
数ｆ2 のノイズ成分の振幅をＶ2 、振幅Ｄ2 の回折光に
おいて多く含まれる周波数ｆ2 の主偏光成分の振幅をＵ
2 とし、振幅Ｄ2 の回折光において僅かに含まれる周波
数ｆ1 のノイズ成分の振幅をＶ1 、波数をk1(=２πf1)
、k2(=２πf1) 、周波数ｆ1 の偏光光が回折格子によ
り回折を受けたときに生ずる位相の変化をφ1 、周波数
ｆ2 の偏光光が回折格子により回折を受けたときに生ず
る位相の変化をφ2 としている。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】本発明は、上記目的を達成するために、位
置検出されるための基板上に形成された回折マークに、
アライメント光学系からの互いに周波数が異なる２光束
を２方向から照射し、該２光束により発生する回折光を
干渉させて、該干渉による光ビート信号を光電検出する
位置検出装置において、回折マークを照射するための照
明光束を供給する照明光束供給手段と；照明光束を２分
割するとともに、該２分割された各光束の周波数を所定
の値だけ変調させる光変調手段と；変調した２光束をア
ライメント光学系の光軸を挟んで進行させるとともに基
板上に形成された回折マークを２方向から照射する２光
束の交差角を調整する光路調整手段とを有することとし
た。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３５】また、位置検出される基板上に形成された
回折マークに異なる２方向から２つの照明光束を照射す
るアライメント光学系と、回折マークからの回折光を受
光する受光手段とを有し、受光手段からの信号に基づい
て基板の位置を検出する位置検出装置において、２光束
の周波数を所定量だけ変調させる光変調手段と；２光束
の交差角を調整する調整手段とを有することとした。ま
た、マスクのパターンを基板上に露光する露光装置にお
いて、アライメント光を供給する光源システムと；アラ
イメント光を２つに分割するとともに、該２つのアライ
メント光の周波数を互いに異ならせる周波数変調部材
と；２つのアライメント光を異なる２方向から基板上に
形成された回折マークに照射する照射光学系と；２つの
アライメントの照射により回折マークから発生する回折
光を干渉させて、該干渉による光ビート信号を光電検出
する位置検出装置と；回折マークを照射する２つのアラ
イメント光の交差角を調整する光路調整部材とを有する
こととした。また、マスクのパターンを基板上に露光す
る露光方法において、互いに周波数の異なる２つのアラ
イメント光を異なる２方向から基板上に形成されたアラ
イメントマークに照射し、前記アライメントマークから
発生する回折光を干渉させて、該干渉による光ビート信
号を光電検出することと；回折マークを照射する２つの
アライメント光の交差角を調整することとした。また、
位置検出されるための基板上に形成された回折マークか
らの回折光を干渉させて、該回折マークを検出するマー
ク検出方法において、アライメント光学系からの２光束
を前記回折マークに２方向から照射することと；互いに
周波数の異なる２光束を得るために、２光束の各光束の
周波数を所定量だけ変調させることと；２光束を前記ア
ライメント光学系の光軸を挟んで進行させることとを有
することとした。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７７】ＡＯＭ１５ａを介し周波数ｆ1 に変調した
Ｓ偏光光は、反射ミラー１７を介して、プリズム６１に
達する。一方、ＡＯＭ１５ｂを介し周波数ｆ2 に変調し
たＰ偏光光、１／２波長板６０によりＳ偏光光となり、
プリズム６１に達する。このプリズム６１は瞳位置近傍
に配置され、ＡＯＭ１５ａを介し周波数ｆ1 の光束を透
過させる部分透過面６１ｂと、ＡＯＭ１５ｂを介し周波
数ｆ2のＳ偏光光を反射させるような蒸着等で構成され
る部分反射面６１ａとを有するように構成されている。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７９】このとき、検出器２３で光電検出するため
の参照光として必要とされる光量はそれぼど多くなくて
も十分であるため、１／２波長板１９の回転量を調整し
て、多くの光量を有する光束を各回折格子マーク（Ｒ
Ｍ、ＷＭ）に供給することができる。また、偏光ビーム
スプリッター１３の代わりにビームスプリッターを配置
し、プリズム６１の部分反射面６１ａを金属膜で構成す
れば、このプリズム６１に入射する光束の偏光面は揃っ
ているため、１／２波長板６０を不要とすることができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者太田和哉東京都品川区西大井１丁目６番３号株式会社ニコン大井製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置検出されるための基板上に形成された
回折マークに、アライメント光学系からの互いに周波数
が異なる２光束を２方向で照射し、該２光束により発生
する回折光を干渉させて、該干渉による光ビート信号を
光電検出する位置検出装置において、前記アライメント光学系は、前記回折格子を照射するた
めの照明光束を供給する照明光束供給手段と；前記照明
光束を２分割するとともに、該２分割された各光束の周
波数を所定の値だけ変調させる光変調手段と；前記変
調した２光束を前記アライメント光学系の光軸を挟んで
進行させるとともに、前記基板上に形成された回折マー
クを２方向で照射する２光束の交差角を調整する光路調
整手段とを有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記光路調整手段は、各光路の少なくとも
いずれか一方に傾角可変な平行平面板を有することを特
徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】位置検出される基板上に形成された回折マ
ークに異なる２方向から２つの照明光束を照射するアラ
イメント光学系と、前記回折マークからの回折光を受光
する受光手段とを有し、前記受光手段からの信号に基づ
いて前記基板の位置を検出する位置検出装置において、前記アライメント光学系は、前記２光束の周波数を所定
量だけ変調させる光変調手段と；前記２光束の交差角を
調整する調整手段とを有することを特徴とする位置検出
装置