JPH10141915A

JPH10141915A - 投影露光装置及び方法

Info

Publication number: JPH10141915A
Application number: JP9251156A
Authority: JP
Inventors: Takechika Nishi; 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 1998-05-29
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: JP3003646B2

Abstract

(57)【要約】【課題】エキシマレーザなどを光源とする投影露光装置
であっても、常に高精度なマスクと基板とのアライメン
トを可能とする。【解決手段】所定波長の照明光ＩＬでレチクルＲを照射
する照明光学系と、照明光の波長に関して収差補正され
た投影光学系ＰＬとを備えた投影露光装置において、投
影光学系ＰＬとは別に配置される対物光学系２７を有
し、対物光学系２７を介して第１の光をウエハＷ上に照
射する第１アライメント光学系（２１〜２５、２９〜３
４）と、対物光学系２７を介して第２の光をウエハｗ上
に照射する第２アライメント光学系（８１〜８８）とを
設け、レチクルＲのパターンをウエハＷに転写するため
に、第１アライメント光学系と第２アライメント光学系
との少なくとも一方によって検出されるウエハＷ上のマ
ークの位置に基づいて、レチクルＲとウエハＷとを相対
移動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子、液晶
素子等の製造に使われる露光装置、特にステップアンド
リピート（又はステップアンドスキャン）方式の露光装
置における被露光基板の位置合わせ装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種の露光装置では、マスク、又はレ
チクルと呼ばれる原版に描かれた回路パターンを、半導
体ウェハのレジスト層に焼き付け、それを現像すること
で所望の回路のレジストパターンを形成している。一般
に、半導体素子の製造では、数層〜十数層の回路パター
ンを重ね合わせるため、ウェハ上にすでに形成された回
路パターンと、これから露光すべき回路パターンの光像
とを正確に重ね合わせる必要がある。この重ね合わせに
必要な各種装置を、位置合わせ装置、あるいはアライメ
ント装置と呼んでいる。このアライメント装置は、上述
の重ね合わせ露光を行なう露光装置には必須のものであ
り、近年より高精度に高速処理ができるように改良され
てきている。またアライメント装置は大別して３つの要
素技術から成り立っていると言える。その１つは、ウェ
ハ上に予め形成されたアライメント用のマークを光学的
に検出し、マークのプロフィールに応じた光電信号を得
るまでのアライメント光学系であり、他の２つはその光
電信号を適当なアルゴリズムで電気的に処理して、アラ
イメントマークの本来の位置に対するずれ量を求める信
号処理系と、求めたずれ量に応じてウェハの位置、もし
くはマスク（又はレチクル）の位置を精密に位置補正す
る位置決め機構である。

【０００３】近年、これらの３つの要素技術、すなわち
光学技術としてのアライメント光学系、電子技術（情報
処理技術）としての信号処理系、そして精密機械技術と
しての位置決め機構とを有機的に高次元で組み合わせた
縮小投影型露光装置（ステッパー）が半導体製造工場で
多用されるようになった。このステッパーは、レチクル
の回路パターンの光像を高解像力の投影レンズ（開口数
０．３５〜０．５）によってウェハ上の部分領域（ショ
ット領域と呼ぶ）に結像投影するものであり、１回の露
光ショットが例えば１５×１５ｍｍ角程度であるため、
ウェハを載置するステージをｘ，ｙ方向に２次元的にス
テッピングさせてウェハ全面の露光を行っている。この
ようなステッパーの場合、それに組み込まれるアライメ
ント光学系の実用的な形態には大別して３つの方式があ
る。第１の方式は、レチクルに形成されたアライメント
マークとウェハ上のアライメントマークとを投影レンズ
を介して同時に観察（又は検出）するＴＴＲ（Ｔｈｒｏ
ｕｇｈＴｈｅＲｅｔｉｃｌｅ）方式であり、第２の
方式はレチクルのアライメントマークは全く検出しない
で投影レンズを介してウェハ上のアライメントマークだ
けを検出するＴＴＬ（ＴｈｒｏｕｇｈＴｈｅＬｅｎ
ｓ）方式であり、第３の方式は投影レンズから一定距離
だけ離して別設した顕微鏡対物レンズを介してウェハ上
のアライメントマークだけを検出するオフ・アクシス
（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ）方式である。

【０００４】上記、ＴＴＲ方式、ＴＴＬ方式では投影レ
ンズを介してウェハのマークを検出する関係上、ウェハ
マークを照明する照射光はコヒーレントなレーザビーム
（単波長）か露光に使われる水銀ランプのｇ線、又はｉ
線のスペクトル（準単色）に限られていた。これは投影
レンズの色収差に起因しており、露光光（ｇ線、又はｉ
線）に対して最も収差がよくなるように設計されている
からである。このようなＴＴＲ方式は、例えば特開昭
５７−１３８１３４号公報、特開昭５７−１４２６１
２号公報等に開示され、ＴＴＬ方式は例えば特開昭６
０−１３０７４２号公報、特開昭６１−４４４２９号
公報、特開昭６１−１２８１０６号公報等に開示され
ている。

【０００５】一方、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式では、上述の
ような投影レンズによる制限がないため、ウェハマーク
の照明光はどのようなものであってもよいが、ウェハ上
のレジスト層を感光させないものが望ましい。このよう
なＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式は、例えば特開昭５６−１０
２８２３号公報、特開昭５７−１９７２６号公報等に
開示されている。

【０００６】一般に、ＴＴＲ方式、ＴＴＬ方式では投影
レンズを介してウェハのマークを検出するので、ウェハ
上のショット配列の任意のショット領域に付随したマー
クを、ウェハステージを移動させることで比較的自由に
検出できる。これに対してＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式では、
ウェハステージの移動ストロークの関係で、ウェハ上の
予め定められたショット領域に付随したマーク（例え
ば、２〜３ヶ所マーク）のみを検出するのが普通であっ
た。そこで、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント光学
系の照明光に関する利点を生かしつつ、ウェハ上の任意
のショット領域のマークを自由に検出するためには、ウ
ェハステージの移動ストロークを大きくすればよいこと
になる。一般的なステッパーでは、ウェハステージの座
標位置をレーザ光波干渉式測長器（干渉計）で計測する
ため、移動ストロークが大きくなることはウェハステー
ジ上に固定される移動鏡（光学スコヤ）の大型化、及び
ウェハステージを載せるベース部の大型化を招くが、Ｏ
ｆｆ−Ａｘｉｓ方式の自由な照明形態によって得られる
マーク検出精度の向上の利点はすてがたいものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、Ｏｆｆ
−Ａｘｉｓ方式においてもウェハステージの移動ストロ
ークを大きくしておけば、ウェハ上の任意のショット領
域に付随したマークを検出することができるが、Ｏｆｆ
−Ａｘｉｓ方式のアライメント光学系の配置、及びその
照明形態によっては、マーク検出に時間がかかることが
ある。Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント光学系は投
影レンズのパターン投影領域からは離れているため、ウ
ェハステージがその距離分だけ余計に移動すること、す
なわち配置によって生じるスループット低下は本質的に
さけられない。そこでマーク検出時間をいかに短縮する
かが問題となるが、上述の各方式の従来技術〜、
であげたように、ウェハ上のマークをレーザビームの集
光したスポット光（スリット状）で相対走査し、マーク
のエッジからの散乱、回折光を光電検出する方式が最も
マーク検出時間を短くできる。この方式はレーザビーム
の高輝度性によって実用上十分なＳ／Ｎ比でマーク検出
できるのであるが、１つの大きな問題は、そのレーザビ
ームが一般に単波長であるため、ウェハ全面を１〜５μ
ｍの厚さで被覆しているレジスト層によって薄膜干渉
（多重干渉）等の現象が生じ、マークエッジからの散
乱、回折光の光量分布に思わぬ歪み（光電信号上の波形
歪みと同義）を与えることである。この光量分布の歪み
は、どのようなウェハでも生じるとは限らず、ウェハ下
地やレジスト層の厚みや種類によって異なり、歪みが生
じた場合でもその歪み方が様々に変化するのが普通であ
った。従って、このような単波長のレーザビーム、もし
くは準単色（水銀ランプ等の輝線スペクトル等）をＯｆ
ｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント光学系用のマーク照明
光（スポット光、あるいは均一照明光）として採用する
だけでは、従来技術〜、に対して何ら利点がな
く、ウェハステージの余計な移動に伴うスループット低
下といった不都合のみが残ってしまう。

【０００８】そこでＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のマーク照明
光として、ある帯域幅（２００ｎｍ程度）をもつブロー
ドな波長分布の光を用いると、上記レジスト層による悪
影響が激減され、マーク検出精度が向上する。そのため
Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント光学系によって、
ウェハ上の任意位置のショット領域の複数に付随したマ
ークの夫々を、ブロードバンドの照明光のもとで検出す
れば、かなり高精度なアライメントが望める。

【０００９】しかしながら先にも述べたように、単一波
長又は準単色の場合であっても、マークエッジからの光
量分布には全て歪みが生じるとは限らない点、あるいは
多少歪みがあっても、マーク位置検出のアルゴリズムに
よって影響が低減できる点等を考慮すると、全てのマー
ク検出をブロードバンド照明のＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式の
アライメント光学系にかえてしまうことは、歪みの生じ
ていないウェハ、又は歪みの影響の少ないウェハに対し
てもスループット低下を余儀なくしていることになり、
はなはだ不合理である。

【００１０】そこで本発明は、スループット低下を極力
少なくしつつ、高精度なマーク位置検出が可能な位置合
わせ装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明においては、レジ
スト層を介して基板上のアライメントマークを検出する
アライメントセンサーとして、第１のマーク位置検出手
段と第２のマーク位置検出手段との２つを設ける。第１
のマーク位置検出手段は、単波長もしくは準単色の第１
の光を基板上の第１マークに照射する送光系を含み、第
１マークの位置に関する第１位置情報（ＡＰ₁，Ａ
Ｐ₃，ＡＰ₄等）を出力する。

【００１２】第２のマーク位置検出手段は第１の光より
も広い波長分布の第２の光を基板上の第２マークに照射
する送光系を含み、第２マークの位置に関する第２位置
情報（ＡＰ₂）を出力する。ここで第１マークと第２マ
ークは基板上で同一のマークパターンを共用してもよい
し、予め所定距離だけ離れた専用のマークパターンにし
てもよい。

【００１３】そして、第１位置情報と第２位置情報との
両方を用いて、基板の全体的な位置情報を決定する位置
決定手段（ＥＧＡ演算ユニット５０２等）を設けるよう
にした。この結果、基板上の露光すべき領域とマスク上
のパターン領域とが相対的に位置合わせされる。

【００１４】本発明では、レジスト層を通してウェハ等
の基板上のマークを検出するときに、単波長もしくは準
単色の光を照射すると、レジスト層の薄膜干渉によっ
て、マークからの反射光（散乱光、回折光、正反射光）
が光学的に歪みを受けて、マークの検出位置が微妙に変
化してしまうといった点に着目し、この干渉の影響を受
けにくい広帯域波長の照明光を用いてマーク検出を行な
うようにした。ところが、ウェハ上の全てのマーク検出
を、このような広帯域波長の照明光をもつアライメント
センサーで行なうことは、マーク検出の精度は向上する
ものの、一般にはスループット的に不利になる。特に投
影型露光装置では、投影光学系を介してウェハマークを
検出する場合、色収差のために広帯域波長の照明光は使
えず、投影光学系の外に別設したアライメントセンサー
（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式）にならざるを得ない。このた
め、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓのアライメントセンサーでマーク
検出を行なうためのウェハの移動等が必要不可欠であ
り、その分スループットの低下が生じる。本発明では、
ウェハ上の検出すべき複数のマークのうちいくつかにつ
いてのみ、第２のマーク位置検出手段を使うようにした
ので、スループット低下は小さく押えられることにな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例による投影
型露光装置の構成と、それに組み込まれる位置合わせ
（アライメント）装置の構成とを示す。露光用の照明光
（水銀ランプからのｇ線、ｉ線、あるいはエキシマレー
ザ光源からの紫外線パルス光）ＩＬはコンデンサーレン
ズＣＬを介してレチクルＲのパターン領域ＰＡを均一な
照度分布で照射する。パターン領域ＰＡを通って照明光
ＩＬは、例えば両側（片側でもよい）テレセントリック
な投影レンズＰＬに入射し、ウェハＷに達する。ここで
投影レンズＰＬは照明光ＩＬの波長に関して最良に収差
補正されており、その波長のもとでレチクルＲとウェハ
Ｗとは互いに共役になっている。また照明光ＩＬはケー
ラ照明であり、投影レンズＰＬの瞳ＥＰ内の中心に光源
像として結像されている。さて、レチクルＲは２次元に
微動可能なレチクルステージＲＳに保持され、レチクル
Ｒは、その周辺に形成されたレチクルアライメントマー
クがミラー１６、対物レンズ１７、マーク検出系１８か
ら成るレチクルアライメント系で検出されることによっ
て、投影レンズＰＬの光軸ＡＸに関して位置決めされ
る。一方、ウェハＷは、駆動系１３によって２次元移動
するウェハステージＳＴ上に載置され、ウェハステージ
ＳＴの座標値は干渉計１２により逐次計測される。ステ
ージコントローラ１４は干渉計１２からの座標計測値等
に基づいて駆動系１３を制御してウェハステージＳＴの
移動や位置決めを制御する。ウェハステージＳＴ上には
後述のベースライン計測等で使用する基準マークＦＭが
設けられる。

【００１６】そして本実施例では、第１のマーク位置検
出手段として働くＴＴＬ方式のアライメント光学系が設
けられている。レーザ光源１からのビームＬＢはＨｅ−
Ｎｅレーザ等の赤色光で、ウェハＷ上のレジスト層に対
して非感光性である。このビームＬＢはシリンドリカル
レンズ等を含むビーム整形光学系２を通り、ミラー３
ａ、レンズ系４、ミラー３ｂ、ビームスプリッタ５を介
して対物レンズ６に入射する。対物レンズ６から射出し
たビームＬＢは、レチクルＲの下方に４５°に斜設され
たミラー７で反射され、投影レンズＰＬの視野の周辺に
光軸ＡＸと平行に入射する。そして、ビームＬＢは投影
レンズＰＬの瞳ＥＰの中心を通ってウェハＷを垂直に照
射する。ここでビームＬＢはビーム整形光学系２の働き
で対物レンズ６と投影レンズＰＬとの間の光路中の空間
にスリット状のスポット光ＳＰ₀となって集光してい
る。そして投影レンズＰＬは、このスポット光ＳＰ₀を
ウェハＷ上にスポットＳＰとして再結像する。またミラ
ー７はレチクルＲのパターン領域ＰＡの周辺よりも外側
で、かつ投影レンズＰＬの視野内にあるように固定され
る。従ってウェハＷ上にできるスリット状のスポット光
ＳＰは、パターン領域ＰＡの投影像の外側に位置する。
このスポット光ＳＰによってウェハＷ上のマークを検出
するには、ウェハステージＳＴをスポット光ＳＰに対し
て水平移動させる。スポット光ＳＰがマークを相対走査
すると、マークからは正反射光、散乱光、回折光等が生
じ、マークとスポット光ＳＰの相対位置により光量が変
化していく。これらの光情報は、ビームＬＢの送光路に
沿って逆進し、投影レンズＰＬ、ミラー７、対物レンズ
６、及びビームスプリッタ５で反射されて、受光素子８
に達する。受光素子８の受光面は投影レンズＰＬの瞳Ｅ
Ｐとほぼ共役な面ＥＰ’に位置され、マークからの正反
射光に対して不感領域をもち、散乱光や回折光のみを受
光する。

【００１７】ここでウェハＷ上のマークからの光情報の
瞳ＥＰ（又は瞳像面ＥＰ’）上での分布を図２（Ｂ）に
示す。瞳ＥＰの中心にｘ方向にスリット状に伸びた正反
射光Ｄ₀の上下（ｙ方向）には、それぞれ正の１次回折
光＋Ｄ₁、２次回折光＋Ｄ₂と、負の１次回折光−
Ｄ₁、２次回折光−Ｄ₂が並び、正反射光Ｄ₀の左右
（ｘ方向）にはマークエッジからの散乱光Ｄｒが位置す
る。これは先に述べた特開昭６１−１２８１０６号公報
に詳しく述べられているので詳しい説明は省略するが、
回折光±Ｄ₁，±Ｄ₂はマークが回折格子マークのとき
にのみ生じる。そこで受光素子８は、図２（Ｃ）に示す
ように、瞳像面ＥＰ’内で４つの独立した受光面８ａ，
８ｂ，８ｃ，８ｄに分割され、受光面８ａ，８ｂが散乱
光Ｄｒを受光し、受光面８ｃ，８ｄが回折光±Ｄ₁，±
Ｄ₂を受光するように配列される。尚、投影レンズＰＬ
のウェハ側の開口数（Ｎ．Ａ．）が大きく、回折格子マ
ークから発生する３次回折光も瞳ＥＰを通る場合は、受
光面８ｃ，８ｄはその３次元も受光するような大きさに
するとよい。このような受光素子８からの各光電信号は
干渉計１２からの位置計測信号ＰＤＳとともに、ＬＳＡ
（レーザステップアライメント）演算ユニット９に入力
し、マーク位置の情報ＡＰ₁が作られる。ＬＳＡ演算ユ
ニット９は、スポット光ＳＰに対してウェハマークを走
査したときの受光素子８からの光電信号波形を位置計測
信号ＰＤＳに基づいてサンプリングして記憶し、その波
形を解析することによってマークの中心がスポット光中
心と一致したときのウェハステージＳＴの座標位置とし
て、情報ＡＰ₁を出力する。

【００１８】以上において、レーザ光源１、ビーム整形
光学系２、ミラー３ａ，３ｂ、レンズ系４、ビームスプ
リッタ５、対物レンズ６、ミラー７、受光素子８、ＬＳ
Ａ演算ユニット９、及び投影レンズＰＬが、ウェハＷに
対する第１のマーク位置検出手段を構成する。また図２
中のＴＴＬ方式のアライメント光学系の光路中に示した
実線は、ウェハＷとの結像関係を表わし、破線は瞳ＥＰ
との共役関係を表わす。

【００１９】次に、第２のマーク位置検出手段としての
Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系を説明する。ハ
ロゲンランプ２０から発生した光は、コンデンサーレン
ズ２１によってオプチカルファイバー２２の一端面に集
光される。ファイバー２２を通った光は、レジスト層の
感光波長（短波長）域と赤外波長域とをカットするフィ
ルター２３を通って、レンズ系２４を介してハーフミラ
ー２５に達する。ここで反射された照明光は、ミラー２
６でほぼ水平に反射された後、対物レンズ２７に入射
し、さらに投影レンズＰＬの鏡筒下部の周辺に投影レン
ズＰＬの視野を遮光しないように固定されたプリズム
（ミラー）２８で反射されてウェハＷを垂直に照射す
る。ここでは図示していないが、ファイバー２２の射出
端から対物レンズ２７までの光路中には、適当な照明視
野絞りが対物レンズ２７に関してウェハＷと共役な位置
に設けられる。また対物レンズ２７はテレセントリック
系とし、その開口絞り（瞳と同じ）の面２７ａには、フ
ァイバー２２の射出端の像が形成され、ケーラー照明が
行なわれる。対物レンズ２７の光軸はウェハＷ上では垂
直となるように定められ、マーク検出時に光軸の倒れに
よるマーク位置のずれが生じないようになっている。

【００２０】さて、ウェハＷからの反射光は対物レンズ
２８、ハーフミラー２５を通り、レンズ系２９によって
指標板３０に結像される。この指標板３０は対物レンズ
２７とレンズ系２９とによってウェハＷと共役に配置さ
れ、図２（Ａ）に示すように矩形の透明窓内に、ｘ方向
とｙ方向の夫々に伸びた直線状の指標マーク３０ａ，３
０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有する。従って、ウェハＷのマ
ークの像は指標板３０の透明窓内に結像され、このウェ
ハマーク像と指標マーク３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０
ｄとは、リレー系３１，３３、ミラー３２を介してＣＣ
Ｄカメラ等の撮像素子３４に結像する。撮像素子３４か
らのビデオ信号はＦＩＡ（フィールド・イメージ・アラ
イメント）演算ユニット３５に、干渉計１２からの位置
計測信号ＰＤＳとともに入力する。ＦＩＡ演算ユニット
３５は指標マーク３０ａ〜３０ｄに対するマーク像のず
れを、ビデオ信号の波形に基づいて求め、位置計測信号
ＰＤＳによって表わされるウェハステージＳＴの停止位
置から、ウェハマークの像が指標マーク３０ａ〜３０ｄ
の中心に正確に位置したときのウェハステージＳＴのマ
ーク中心検出位置に関する情報ＡＰ₂を出力する。

【００２１】以上の構成で、フィルター２３を通ったウ
ェハＷの照明光は、ウェハＷ上のマークを含む局所領域
（ショット領域よりも小さい）をほほ均一な照度で照明
し、波長域は２００ｎｍ程度の幅に定められる。上記、
ハロゲンランプ２０から符号順にＦＩＡ演算ユニット３
５までの部材によって、第２のマーク位置検出手段が構
成される。また、対物レンズ２７、レンズ系２９、リレ
ー系３１，３３によるテレセントリック結像光学系には
波長帯域２００ｎｍ程度の光が通るため、当然、それに
対応した色収差の補正を行なっておく必要があるが、そ
れには顕微鏡レンズの色消し技術をそのまま利用すれば
よい。

【００２２】さらに、対物レンズ２７のウェハ側の開口
数（Ｎ．Ａ．）は投影レンズＰＬの開口数よりも小さく
しておくとよい。これは対物レンズ２７、レンズ系２９
で決まる拡大倍率が比較的大きく、なおかつ色収差補正
も必要なことから、対物レンズ２７の開口数を現在の一
般的な投影レンズの開口数、約０．４５〜０．５と同
等、もしくはそれ以上にした場合に、対物レンズ２７の
作動距離（ウェハ面までの間隔）をある程度確保すると
しても、対物レンズ径が大口径になることをさけられる
点で有利である。本実施例ではプリズム２８によって、
対物レンズ２７の観察視野域を投影レンズＰＬの鏡筒下
面に一部もぐり込ませ、極力投影レンズＰＬの視野に近
づけている。一般にこの種のステッパーには、投影レン
ズＰＬの結像面とウェハＷ表面との間隔（ズレ）を精密
に検出するフォーカスセンサーと、ウェハＷ上のショッ
ト領域の面と、投影レンズＰＬの結像面との相対的な傾
きを検出するレベリングセンサーとが設けられている。
このフォーカスセンサーやレベリングセンサーは、投影
レンズＰＬの投影視野が存在するウェハＷ上に斜めから
赤外域の光束を照射し、その反射光の受光位置のずれを
求めて、フォーカスとレベリングを行なうように構成さ
れている。そこで対物レンズ２７を介してウェハＷ上の
マークを観察するとき、スループットを考慮すると、ウ
ェハＷ上のマークを対物レンズ２７の観察視野内にもた
らした時点で、フォーカスセンサーを働かせて、ピント
調整（ウェハステージＳＴに組み込まれたＺステージの
上下動）を行なうのがよい。しかしながら、フォーカス
センサーがウェハＷ表面を検出している領域と、対物レ
ンズ２７の観察視野とはずれているため、仮りにその２
つの間でウェハＷが微小な凹凸やそりをもっているもの
とすると、開口数の大きな対物レンズ２７に関しては正
確なピント調整が行われないことになる。しかしなが
ら、対物レンズ２７の開口数を投影レンズの開口数の１
／２〜２／３程度にしておくと、実用上の焦点深度は大
きくなり、ウェハの微小な凹凸やそりに対してほとんど
影響を受けずにマーク観察ができる。また開口数を小さ
くした場合は、対物レンズ２７の光軸のウェハＷとの垂
直性、所謂テレセン性が多少悪化したとしても、観察視
野内の部分的な位置（例えば中心と４隅等）の夫々で像
質が急激に変化することがない点でも有利である。

【００２３】尚、図１中の構成で、ＴＴＬ方式のアライ
メント系（１，２，３ａ，３ｂ，４，５，６，７，８）
は、１組しか示していないが紙面と直交する方向にもう
１組が設けられ、同様のスポット光が投影像面内に形成
される。これら２つのスポット光の長手方向の延長線は
光軸ＡＸに向かっている。また、図１中の構成で、Ｏｆ
ｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系の検出中心（指標板
３０の中心）は投影レンズ中心から離れているので干渉
計１２の計測位置と投影レンズ中心とを結ぶ直線、すな
わち測長軸（測長ビーム中心線）上に設けることによっ
てアッベ誤差（ステージの傾きによる軸外エラー）を最
小限に抑えている。ここでは１組しか示していないが、
例えば特開昭５６−１０２８２３号公報に示されている
ようにＸ測長軸とＹ測長軸の上にそれぞれ１組ずつのア
ライメント系が設けられている。

【００２４】但し、光学系の配置問題でアライメント系
を前記各測長軸上に設けられない場合や、１組の光学系
でｘｙ両方向のマークを観察する場合はアッベ誤差が大
きく、精度が十分に得られなくなる。そこでそのような
構成のときは、ステージＳＴの傾き（ｘｙ平面内での微
小回転）を計測するステージ傾き角計測センサー（ヨー
イングセンサー）をステージに取付けてアライメント時
のアッベ誤差を補正演算によって取除く手段を用いれば
良い。すなわちアッベ誤差を含む方向のマーク検出位置
をステージＳＴのヨーイング量に基づいて補正すればよ
い。またアライメント実行時にはウェハ組合せの為のグ
ローバルアライメントと、高精度にアライメントするフ
ァインアライメントを行う必要がある。このグローバル
アライメントに関しては例えば特開昭６０−１３０７４
２号公報に開示されているようにＴＴＬアライメント系
とＯｆｆ−Ａｘｉｓアライメント系を混用する方法があ
る。本実施例の装置では、通常は処理速度の早いＴＴＬ
アライメント系によってウェハ上の３ヶ所、又は２ヶ所
のマークを検出してグローバルアライメントを行なうシ
ーケンスを採る。しかしながらウェハ下地やレジスト層
の厚みや種類によってアライメントが正常に行なわれな
い場合（特にマーク検出がうまくいかない場合）もある
ので、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式の広帯域幅の照明波長を用
いたアライメント系を使ってグローバルアライメントを
実行するようにシーケンスを切換える手段が設けられて
いる。この場合、ＴＴＬ方式のアライメント系でグロー
バルアライメントするときのマーク検出時間、マーク検
出信号の大きさや歪み等を判定して、シーケンスを切替
える。

【００２５】次に、ＴＴＬ方式のアライメント系、Ｏｆ
ｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系、及びステージコン
トローラ１４等を統括制御する主制御系５０について説
明する。主制御系５０は干渉計１２からの位置情報ＰＤ
Ｓを常時入力しているものとする。アライメント（ＡＬ
Ｇ）データ記憶部５０１は、ＬＳＡ演算ユニット９から
のマーク位置情報ＡＰ₁と、ＦＩＡ演算ユニット３５か
らのマーク位置情報ＡＰ ₂との両方を入力可能となって
いる。

【００２６】ＥＧＡ（エンハンスメント・グローバル・
アライメント）演算ユニット５０２は、ＡＬＧデータ記
憶部５０１に記憶された各マーク位置情報に基づいて、
統計的な演算手法によりウェハ上の実際のショット配列
座標値を算出するもので、その算出結果はシーケンスコ
ントローラ５０６に送られる。詳しくは特開昭６１−４
４４２９号公報に開示されている。

【００２７】露光（ＥＸＰ）ショットマップデータ部５
０３は、ウェハ上の露光すべきショット配列座標値の設
計値を格納し、この設計値はＥＧＡ演算ユニット５０２
と、シーケンスコントローラ５０６に送られる。アライ
メント（ＡＬＧ）ショットマップデータ部５０４は、ウ
ェハ上のアライメントすべきショット配列座標値（設計
値）を格納し、この座標値はＥＧＡ演算ユニット５０２
とシーケンスコントローラ５０６へ送られる。補正デー
タ部５０５には、アライメント用の各種データ、あるい
は露光ショットに対する位置決めの補正用のデータ等が
格納され、これら補正データは、ＡＬＧデータ記憶部５
０１やシーケンスコントローラ５０６へ送られる。シー
ケンスコントローラ５０６は上記各データに基づいて、
アライメント時やステップアンドリピート方式の露光時
のウェハステージＳＴの移動を制御するための一連の手
順を決定する。

【００２８】以上、主制御系５０の動作について詳しく
は後述する。さて、図３はウェハＷ上の１つのショット
領域Ｓｎと、ウェハ上のアライメントマークＭＸｎ，Ｍ
Ｙｎとの配置関係を示す図で、１つのショット領域Ｓｎ
の４辺はスクライブラインＳＣＬで囲まれ、スクライブ
ラインＳＣＬの直交する２辺の夫々の中心部分にマーク
ＭＸｎ，ＭＹｎが形成されている。ＳＣはショット領域
Ｓｎの中心点で露光時には投影レンズＰＬの光軸ＡＸが
通る。そしてマークＭＸｎ，ＭＹｎの夫々は、中心ＳＣ
を原点にｘ方向、ｙ方向の夫々に伸びた線ＣＸ，ＣＹ上
に位置する。マークＭＸｎはｘ方向の位置検出に使わ
れ、マークＭＹｎはｙ方向の位置検出に使われ、それぞ
れ複数本の線条パターンを平行に並べたマルチマークと
なっている。

【００２９】図４（Ａ）はマークＭＸｎの拡大図であ
り、ｙ方向に伸びた５本の線条パターンＰ₁，Ｐ₂，Ｐ
₃，Ｐ₄，Ｐ₅がｘ方向にほぼ一定のピッチで配列され
ている。図４（Ｂ）はそのマークＭＸｎのｘ方向の断面
構造を示し、ここでは５本の線条パターンＰ₁〜Ｐ₅は
ウェハＷの下地から突出した凸状に形成され、その上面
はレジスト層ＰＲで被覆されている。図３にも示したよ
うに、ショット領域Ｓｎの中心ＳＣを通るｙ軸と平行な
線ＣＸは、マークＭＸｎの中央の線条パターンＰ ₃の幅
中心を通るものとする。尚、マークＭＹｎに関しても同
様で、５本の線条パターンから成り、中央の線条パター
ンの中心線が線ＣＹと一致している。

【００３０】本実施例では、このようなマークＭＸｎ，
ＭＹｎをＴＴＬ方式のアライメント系とＯｆｆ−Ａｘｉ
ｓ方式のアライメント系とで共通に検出する。図５
（Ａ）はＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系の撮像
素子３４によって検出されるマークＭＸｎの様子を示
し、図５（Ｂ）はそのときの画像信号の波形を示す。図
５（Ａ）に示すように、検出すべきマークＭＸｎを指標
板３０の指標マーク３０ａ，３０ｂの間に位置決めし、
そのときのウェハステージＳＴの精密な位置ＸＡを求め
ておく。撮像素子３４はマークＭＸｎの５本の線条パタ
ーンＰ ₁〜Ｐ₅と指標マーク３０ａ，３０ｂとの像を走
査線ＳＬに沿って電気的に走査する。このとき、例えば
１本の走査線だけではＳ／Ｎ比の点で不利なので、破線
で示したビデオサンプリング領域ＶＳＡに入る複数の水
平走査線によって得られる画像信号のレベルを水平方向
の各画素毎に加算平均するとよい。図５（Ｂ）に示すよ
うに画像信号には、両側に指標マーク３０ａ，３０ｂの
夫々に対した立上がりと立下りの波形部分があり、これ
らの位置（画素上の位置）ＸＲ₁，ＸＲ₂を求め、その
中点位置ＸＲ₀を求める。

【００３１】一方、撮影素子３４はマークＭＸｎの明視
野像を光電検出しているため、５本の線状パターンＰ₁
〜Ｐ₅の夫々の左右の段差エッジでは光の散乱によって
対物レンズ２７へ戻る光が極端に減少する。このため、
線状パターンＰ₁〜Ｐ₅の夫々の左エッジ、右エッジは
黒い線のように撮像される。従って画像信号上の波形
は、左エッジ、右エッジに対応した位置でボトムＢ
Ｌ₁，ＢＲ₁，・・・ＢＬ₅，ＢＲ₅となる。

【００３２】ＦＩＡ演算ユニット３５は、このような波
形に基づいてマークＭＸｎ（パターンＰ₁〜Ｐ₅）の中
心（線ＣＸ）のｘ方向の位置Ｘｍを計算する。さらに詳
しく述べるなら、ＦＩＡ演算ユニット３５はパターンＰ
₁〜Ｐ₅の夫々の中心位置を左、右のエッジ位置（ボト
ムＢＬｎ，ＢＲｎ）に基づいて算出した後、５本の線状
パターンＰ₁〜Ｐ₅の各位置を加算して５で割ると、中
心となるべきｘ方向のマーク位置が検出される。

【００３３】そしてＦＩＡ演算ユニット３５は、先に求
めておいた位置ＸＲ₀とマーク計測位置Ｘｍとの差ΔＸ
＝ＸＲ₀−Ｘｍを算出し、ウェハステージＳＴが位置決
めされたときの位置ＸＡと差ΔＸとを加えた値をマーク
位置情報ＡＰ₂として出力する。ところで図１では、撮
像素子３４が１つしか示されていない。ＣＣＤ等の固体
撮像素子では水平走査方向、垂直走査方向とも同じ画素
密度にすることは可能であるが、一般的には水平走査方
向に関する画像信号を取り込んで処理することが簡単で
ある。そこで図６に示すように、指標板３０の後のリレ
ーレンズ３１から撮像素子までの光路をビームスプリッ
タ、又は切り替え（可動）ミラー３２’で２つに分け、
それぞれの光路にリレーレンズ３３ｘ，３３ｙを設け、
マークＭＸｎを指標マーク３０ａ，３０ｂとともに撮像
する撮像素子３４ｘと、マークＭＹｎを指標マーク３０
ｃ，３０ｄとともに撮像する撮像素子３４ｙとを設け
る。撮像素子３４ｘ，３４ｙの水平走査方向は互いに直
交する方向に配置される。このようにすれば、マークＭ
Ｘｎ，ＭＹｎはそれぞれ同一の分解能で検出される。も
ちろん、１つの撮像素子で、水平方向と垂直方向の走査
線の夫々からマークＭＸｎ，ＭＹｎの夫々に対応した画
像信号波形を作りだしてもよい。また単一の撮像素子の
場合に、指標板３０以後の撮像光路中にイメージローテ
ータを設け、マークＭＸｎとＭＹｎとで像を９０°回転
させてもよい。

【００３４】さらにＦＩＡ演算ユニット３５内には、マ
ークＭＸｎ，ＭＹｎに対応した画像信号波形のボトムＢ
Ｌｎ，ＢＲｎを高速に検出するため、所定のスライスレ
ベルで画素単位で２値化する回路も設けられている。例
えば図７に示すように、任意のスライスレベルＳＶ₁，
ＳＶ₂，ＳＶ₃のうちのいずれか１つを用いて、ボトム
波形ＢＬｎ，ＢＲｎを２値化し、その２値化変形の走査
方向（ｘ方向、又はｙ方向）の中心からボトム位置をＸ
Ｂｎを求める。スライスレベルＳＶ₁はボトム波形の上
方部分に合わされ、スライスレベルＳＶ₂は中腹部分に
合わされ、スライスレベルＳＶ₃は下方部分に合わされ
る。そして、どのスライスレベルを選ぶかは、ウェハプ
ロセスやウェハ下地等によって経験的に決められる。

【００３５】次にＴＴＬ方式のアライメント系のスポッ
ト光ＳＰによるマーク検出の様子を図８、図９を参照し
て説明する。図８（Ａ）はウェハ上のショット領域Ｓｎ
に付随して設けられた従来の回折格子マークＭＫとスポ
ット光ＳＰとの配置を示し、図８（Ｂ）はｙ方向に伸び
たスポット光ＳＰと、マークＭＫとを相対的にｘ方向に
走査したときの回折光の強度分布を示す。回折格子マー
クＭＫは微小な矩形パターン（凸又は凹）をデューティ
比１：１でｙ方向に一定ピッチで形成したものであり、
マークＭＫのｘ方向の幅はスポット光ＳＰの幅とほぼ等
しく定められている。スポット光ＳＰがマークＭＫと重
なると、レーザスポット光の波長と格子定数によって、
図８（Ａ）の紙面と垂直で、かつｙ方向に広がった面内
に所定の回折角で高次回折光が発生する。この回折光
は、スポット光ＳＰの照射部分内に、スポット光の長手
方向に一定ピッチの段差エッジをもつ周期構造パターン
が存在するときに発生するため、極めてＳ／Ｎ比がよ
い。従って、この回折光から得られた光電信号波形は、
スポット光ＳＰの幅方向の強度分布（例えばガウス分
布）と近似した波形となり、図８（Ｂ）のように適当な
スライスレベルＳＶ₄で２値化することで、比較的高精
度にｘ方向のマーク中心位置を特定できる。しかしなが
ら、その反面、格子要素として微小矩形パターンが採用
されるため、ウェハプロセスによる変形が生じがちであ
る。

【００３６】一方、図９（Ａ）に示すようなマルチマー
クＭＸｎを、スリット状のスポット光のＳＰで走査する
場合は、回折格子の場合と異なり、ｙ方向に伸びた線条
パターンの左右のエッジで発生する散乱光を光電検出す
ることになる。この場合、スポット光ＳＰのｘ方向の幅
は、線条パターンの幅よりも狭く、例えば１／２以下で
ある。このマルチマークＭＸｎ（ＭＹｎも同様）は、ス
ポット光ＳＰの長手方向と平行に連続して伸びたエッジ
を検出するように使うため、エッジの伸びた方向（ｙ方
向）では散乱光発生の平滑化（平均化）が行なわれる。
各エッジからの散乱光の分布は図９（Ｃ）に示すよう
に、一本の線条パターンの左右でピークＰＫ₁，Ｐ
Ｋ₁’・・・ＰＫ₅，ＰＫ₅’となり、これらピーク波
形ＰＫｎ，ＰＫｎ’のｘ方向の位置を演算上で平均化す
れば、マークＭＸｎの中心位置が求まる。ところが、こ
のようなエッジ散乱光を検出する方式では、スポット光
ＳＰがレーザ光（単波長）であることから、図９（Ｂ）
に示すように線条パターンのエッジ付近のレジスト層Ｐ
Ｒの厚みムラによって、散乱光の発生方向不均一なもの
にすること、単波長であることからレジスト層ＰＲによ
る干渉（薄膜干渉）によって散乱光の受光光量自体がみ
かけ上大きく変動を受ける等の現象が認められている。
このため図９（Ｃ）にも示すように、各エッジでのピー
ク波形は、かならずしも全てきれいに揃ったものではな
くなり、むしろ複雑な波形になることが多い。このよう
な波形の処理は必ずしも簡単ではないが、さほど難しい
ものではない。このような波形に対する問題は、上述の
ようにエッジ散乱光の発生位置がレジスト層ＰＲの厚み
ムラの影響を受けて、みかけ上計測方向にシフトしやす
いことである。このことは、マークＭＸｎの中心位置の
決定に大きな誤差をもたらす。これは、ほとんどの場
合、スポット光ＳＰを単波長にしたことによる干渉が原
因である。これに対して図５でも示したように照明光を
ブロードバンドの波長分布にすれば、レジスト層での干
渉は発生せず、段差エッジでの散乱光、正反射光の発生
は極めてすなおである。

【００３７】尚、スポット光ＳＰでマークＭＸｎ（又は
ＭＹｎ）を相対走査したときの光電信号波形は、全てが
図９（Ｃ）のように歪むとはかぎらず、プロセスの異な
るウェハでは比較的きれいな場合もあり、また同一プロ
セスのウェハでもレジスト層の厚み管理でウェハ毎に異
なることもあり、さらに同じウェハ内でも中央部と周辺
部とで波形が異なってくることもある。

【００３８】また、図８、図９に示した信号波形は、Ｌ
ＳＡ演算ユニット９内の波形メモリに、干渉計１２から
の位置計測パルス（例えば０．０２μｍ毎）に応答して
デジタルサンプリングの手法により記憶される。次に本
実施例の代表的なアライメントシーケンスを説明する。
ここでは高いスループットと、高いアライメント精度の
両立を計るエンハンスメント・グローバルアライメント
（ＥＧＡ）方式について説明するが、詳細については特
開昭６１−４４４２９号公報に開示されているので、そ
の原理についてはここでは簡単に説明する。

【００３９】ＥＧＡ方式では、ウェハＷ上の複数（３〜
９）個のショット領域ＳｎのマークＭＹｎ，ＭＸｎの位
置を計測し、その計測値に基づいて、ウェハＷのステー
ジＳＴの走り座標系、すなわち干渉計１２によって規定
されるｘｙ座標系内での微小回転誤差θ、ウェハ上のシ
ョット配列（又はステージＳＴの走り）の直行度ｗ、ウ
ェハの線形な微小伸縮によるスケーリング誤差Ｒｘ，Ｒ
ｙ、そして、ウェハのｘ，ｙ方向の微小位置ずれ、すな
わちオフセット誤差Ｏｘ，Ｏｙの夫々に関するパラメー
タを最小二乗近似により求める。そしてそれら各パラメ
ータを介在として設計上のショット配列座標を実際に露
光すべきショット配列座標（ウェハステージＳＴのステ
ッピング位置座標）に変換して、ウェハ上の各ショット
領域ＳｎへレチクルＲのパターン領域ＰＡの像を重ね合
わせ露光していく。

【００４０】ここで設計上のショット配列座標値を（Ｄ
ｘｎ，Ｄｙｎ）とし、実際のステッピングにより位置決
めするウェハの座標値を（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）とすると次
の（１）式の関係がある。

【００４１】

【数１】

【００４２】ここでＡ，Ｏは変換行列とよばれるもので
次の（２）、（３）式に近似して表わされる。

【００４３】

【数２】

【００４４】そして、ウェハ上の複数のショット領域の
各マークＭｘｎ，Ｍｙｎの位置計測（サンプルアライメ
ント）によって得られた、そのショット領域の位置座標
値を（ＲＦｘｎ，ＲＦｙｎ）とすると、実際の露光すべ
き座標値（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）と実測値（ＲＦｘｎ，ＲＦ
ｙｎ）との位置ずれ量、すなわちアドレス誤差（Ｅｘ
ｎ，Ｅｙｎ）＝（ＲＦｘｎ−Ｆｘｎ，ＲＦｙｎ−Ｆｙ
ｎ）が最小となるように、変換行列Ａ，Ｏの各パラメー
タの値を演算により決定する。こうして変換行列Ａ，Ｏ
の値が決まると、あとは先の式（１）に基づいて、ウェ
ハステージＳＴのステッピング位置（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）
を求めて、そこにステージＳＴを位置決めして露光して
いけばよい。

【００４５】尚、サフィックスのｎはウェハ上のショッ
トの番号とする。ここで図１に示した主制御系５０に対
応付けてみると、設計上のショット配列座標値（Ｄｘ
ｎ，Ｄｙｎ）はＥＸＰショットマップデータ部５０３に
記憶され、実測値（ＲＦｘｎ，ＲＦｙｎ）を得るための
ショット領域の座標値（設計値）はＡＬＧショットマッ
プデータ部５０４に記憶され、そして式（１）、
（２）、（３）、及び変換行列Ａ，Ｏを決定する最小二
乗近似の演算式はＥＧＡ演算ユニット５０２に記憶され
る。

【００４６】上記ＥＧＡ方式では、従来はＴＴＬ方式の
アライメント系のスポット光（単波長）のみを使ってサ
ンプルアライメントを行なっていたが、図９で説明した
ように、マーク位置計測に誤差を生じることがあるた
め、本実施例ではブロードバンドの照明光を使ったＯｆ
ｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系でもサンプルアライ
メントを実行する。そしてＥＧＡ方式の演算上のパラメ
ータθ，ｗ，Ｒｘ，Ｒｙ，Ｏｘ，Ｏｙのうちで単波長の
スポット光ＳＰの計測では精度が悪いと考えられるパラ
メータ、特にスケーリングに関するパラメータＲｘ，Ｒ
ｙをＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系を使って求
めた同様のパラメータと入れ替えるようにした。

【００４７】図１０は、ウェハＷ上のサンプルアライメ
ント用のショット領域Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄，Ｓ₅，
Ｓ₆，Ｓ₇，Ｓ₈の各配置を示し、各ショット領域Ｓ₁
〜Ｓ ₈の夫々には、図３で示したようなマークＭＸｎ，
ＭＹｎが形成されている。図１０では代表してショット
領域Ｓ₁のマークＭＸ₁，ＭＹ₁のみを示すが、他のシ
ョット領域Ｓ₂〜Ｓ₈について同じである。ここでは８
個のサンプルアライメントショットを示すが、ＥＧＡ方
式で重要なのは、それら複数のサンプルショットの配置
が同一直線上にないようにすることである。これは例え
ばサンプルショット数が３個、４個程度と少ないときに
は注意が必要である。また、図１０からも明らかなよう
に、各サンプルショットの配列座標値がｘ，ｙ方向でな
るべく重複しないように振り分けておくとよい。例えば
ショット領域Ｓ₁のｘ座標値と一致するものはショット
領域Ｓ₈のみであり、ｙ座標値と一致するものは１つも
ない。

【００４８】このようなサンプルショット領域Ｓ₁〜Ｓ
₈の座標値は、ＡＬＧショットマップデータ部５０４に
記憶されている。そこでシーケンスコントローラ５０６
は、ウェハＷが粗く（例えば±２μｍ程度）ウェハステ
ージＳＴ上にアライメントされて載置された後、ＡＬＧ
ショットマップデータ部５０４からサンプルアライメン
トのショット領域Ｓ₁〜Ｓ₈の各座標値を入力し、それ
ら座標値に基づいて、予めわかっているマークＭＸｎ，
ＭＹｎのスポット光ＳＰに対する相対走査位置へウェハ
ステージＳＴを順次移動させる。通常のアライメントモ
ードでは、ショット領域Ｓ₁のマークＭＸ₁を、ｙ方向
に伸びたスポット光ＳＰでｘ方向に相対走査し、マーク
ＭＹ₁をｘ方向に伸びたスポット光ＳＰでｙ方向に相対
走査する。そしてこの動作をショット領域Ｓ₂からＳ₈
まで時計回りに順次実行していく。このときに得られた
８組の実測値（ＲＦｘ₁，ＲＦｙ₁）〜（ＲＦｘ₈，Ｒ
Ｆｙ₈）は、情報ＡＰ₁としてＡＬＧデータ記憶部５０
１に一時的に記憶される。

【００４９】次に、シーケンスコントローラ５０６は、
Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系の指標板３０の
対物レンズ２７等による投影位置に、上述の８つのショ
ット領域Ｓ₁〜Ｓ₈の各マークＭＸｎ，ＭＹｎが位置す
るようにステージコントローラ１４を制御する。このと
き本実施例では、先にも述べたようにＥＧＡ方式で算出
すべきパラメータのうちスケーリング誤差Ｒｘ，Ｒｙに
支配的に影響するマークだけを選んで再度サンプルアラ
イメントを実行する。

【００５０】スケーリング誤差Ｒｘ，Ｒｙは、ウェハＷ
のｘ方向とｙ方向の線形伸縮（ｐｐｍオーダ）であるた
め、ここでは例えばマークＭＹ₂，ＭＹ₃，ＭＸ₄，Ｍ
Ｘ₅，ＭＹ₆，ＭＹ₇，ＭＸ₈，ＭＸ₁の８ヶ所のマー
クのみを選ぶ。すなわち図１０において、ウェハＷを上
方領域、下方領域、右方領域及び左方領域の４つのブロ
ックに分けて考えたとき、スケーリング量Ｒｘはｘ方向
の伸縮であるから、左方と右方のブロックに含まれるシ
ョット領域Ｓ₁，Ｓ₈，Ｓ₄，Ｓ₅のｘ方向のマークＭ
Ｘｎのみをサンプルアライメントし、スケーリング量Ｒ
ｙに関してはｙ方向の伸縮であるから、上方と下方のブ
ロックに含まれるショット領域Ｓ₂，Ｓ ₃，Ｓ₆，Ｓ₇
のｙ方向のマークＭＹｎのみをサンプルアライメントす
る。

【００５１】このように、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアラ
イメント系でサンプルアライメントすべき各マーク位置
の情報は、ＡＬＧショットマップデータ部５０４に予め
記憶されている。そこで、シーケンスコントローラ５０
６は、補正データ部５０５に記憶されたＴＴＬ方式のア
ライメント系のスポット光ＳＰと、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方
式のアライメント系の検出中心（指標板３０の中心）と
のウェハ面内での相対距離（ベースライン量）の値と、
先に求めたＴＴＬ方式のアライメント系によるサンプル
アライメント位置の情報とに基づいて、上記８つのマー
クを順次指標板３０の窓内に位置決めし、図５（Ａ）、
（Ｂ）に示すように位置ずれ量を求めて各マークの位置
を再計測する。このようにして計測された８個のマーク
位置の実測値ＲＦｙ₂，ＲＦｙ₂，ＲＦｙ₃，ＲＦ
ｙ₄，ＲＦｙ₅，ＲＦｙ₆，ＲＦｙ₇，ＲＦｙ₈，ＲＦ
ｘ₁は、情報ＡＰ₂としてＦＩＡ演算ユニット３５から
ＡＬＧデータ記憶部５０１に記憶される。

【００５２】次にＥＧＡ演算ユニット５０２は、上述の
式（２）、（３）に基づいて各パラメータを決定する。
ここで本実施例では２通りの演算方式が可能である。１
つは、ＴＴＬ方式によるサンプルアライメント結果のみ
に基づいてパラメータＲｘ，Ｒｙ，ｗ，θ，Ｏｘ，Ｏｙ
を求めた後、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式によるサンプルアラ
イメント結果を使ってスケーリング量Ｒｘ’，Ｒｙ’だ
けを単独に求め、先に求めたスケーリング量Ｒｘ，Ｒｙ
と入れ替える方式である。もう１つは、サンプルアライ
メント結果の実測値の段階で入れ替えを行なっておき、
パラメータＲｘ，Ｒｙ，ｗ，θ，Ｏｘ，Ｏｙをそのまま
求める方式である。すなわち後者の場合、８組の実測値
は（ＲＦｘ₁’，ＲＦｙ₁）、（ＲＦｘ₂，ＲＦ
ｙ₂’）、（ＲＦｘ₃’，ＲＦｙ₃）、（ＲＦｘ₄、Ｒ
Ｆｙ₄’）、（ＲＦｘ₅’，ＲＦｙ₅）、（ＲＦｘ₆，
ＲＦｙ₆’）、（ＲＦｘ₇，ＲＦｙ₇’）、（ＲＦ
ｘ₈’，ＲＦｙ₈’）となり、この値によってＥＧＡ方
式の演算を行なう。実際に各パラメータを求める演算
は、例えば特開昭６２−８４５１６号公報に詳しく開示
されているが、以下の式（４）、（５）で求まる。ここ
で、変換行列Ａを以下のように表す。

【００５３】

【数３】

【００５４】また、Ａ＝Ｒｘ、Ｂ＝−Ｒｙ（ｗ＋θ）、
Ｃ＝Ｒｙ・θ、Ｄ＝Ｒｙ、Ｅ＝Ｏｘ、Ｆ＝Ｏｙとする。

【００５５】

【数４】

【００５６】この式（４）、（５）を解いてＡ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを求める。そして、さらに、Ｒｘ＝Ａ，
Ｒｙ＝Ｄ，θ＝Ｃ／Ｄ，ｗ＝−Ｂ／Ａ−Ｃ／Ｄ，Ｏｘ＝
Ｅ，Ｏｙ＝Ｆを求めれば、各パラメータが求まる。上記
式（４）、（５）でΣＲＦｘｎの実測値を含む加算演算
項は、本実施例では８個であり、実測値を入れ替えた場
合は、その値をそのまま使う。

【００５７】また、第１の演算方式のように、パラメー
タＲｘ’，Ｒｙ’を、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式で検出した
８個の実測値で単独に求める場合は、上述の式（４）、
（５）を用いてパラメータＡ（Ｒｘ），Ｄ（Ｒｙ）を算
出すればよい。この場合、ｘ方向のマークの実測値は、
ＲＦｘ₁’，ＲＦｘ₃’，ＲＦｘ₅’，ＲＦｘ₈’の４
つであり、これらを式（４）の右辺のＲＦｘｎに代入
し、ｙ方向のマークの実測値はＲＦｙ₂’，ＲＦ
ｙ₄’，ＲＦｙ₆’，ＲＦｙ₇’の４つであり、これら
を式（５）の右辺ＲＦｙｎに代入すればよい。そしてこ
うして求めたパラメータＡ，Ｄを先にＴＴＬ方式の計測
で求めたパラメータと入れ替えればよい。

【００５８】以上のようにして、変換行列Ａ，Ｏが算出
されると、この値はＥＧＡ演算ユニット５０２内に記憶
され、さらにＥＧＡ演算ユニット５０２は式（１）に基
づいて、露光すべきショット配列位置（Ｆｘｎ，Ｆｙ
ｎ）を算出し、その値を順次シーケンスコントローラ５
０６に出力する。これによって、シーケンスコントロー
ラ５０６はステージコントローラ１４にウェハステージ
ＳＴのステッピング制御の指令を出力する。このためウ
ェハステージＳＴは、ウェハＷ上の各ショット領域Ｓｎ
が順次レチクルＲのパターン領域ＰＡの投影像と合致す
るようにステッピングされ、重ね合わせ露光が行なわれ
る。

【００５９】以上、本実施例では１枚のウェハに対して
ＴＴＬ方式Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式の両方を使うものとし
たが、一般に同一プロセスを受けた多数枚のウェハ間で
は、スケーリング量はほぼ同じ値を示すことが多い。そ
こで、１ロット（通常２５枚）分のウェハを連続して処
理する場合、はじめの数枚（３〜５枚程度）に対して
は、ＴＴＬ方式とＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式の両方を使っ
て、本実施例のようにスケーリング量の計測誤差を最小
とするＥＧＡ方式のシーケンスを採用し、それ以降のウ
ェハ処理に対しては、それまでに求めたスケーリング量
Ｒｘ，Ｒｙの平均値を固定値とし、他のパラメータ（Ｏ
ｘ，Ｏｙ，θなど）だけをＴＴＬ方式、又はＯｆｆ−Ａ
ｘｉｓ方式のいずれか一方のみを用いたサンプルアライ
メントで求めるようにしてもよい。

【００６０】さらに、あるウェハに対してＴＴＬ方式と
Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式との両方を使うことが予め決めら
れている場合は、図１０に示したサンプルアライメント
ショットＳ₁〜Ｓ₈のうち、マークＭＸ₂，ＭＸ₃，Ｍ
Ｙ₄，ＭＹ₅，ＭＸ₆，ＭＸ ₇，ＭＹ₈，ＭＹ₁はＴＴ
Ｌ方式のアライメント系でサンプルアライメントしてＥ
ＧＡのパラメータＯｘ，Ｏｙ，θ，ｗのみの決定に用
い、他のマークはＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント
系でサンプルアライメントして、パラメータＲｘ，Ｒｙ
の決定に用いるように、計測すべきマークを予め分担さ
せておいてもよい。この場合は、ＥＧＡ方式のサンプル
アライメントのトータルの計測時間はかなり短くなり、
スループットの低下が押えられる。

【００６１】次に本発明の第２の実施例を図１１を参照
して説明する。本実施例では、ＥＧＡのサンプルアライ
メントのショットの決め方とアライメント系の使い方が
第１の実施例と異なる。一般に、図１に示したＴＴＬ方
式のアライメント系とＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメ
ント系とをくらべると、レチクルＲのパターン中心の投
影点に対するスポット光ＳＰの距離（ＴＴＬ系ベースラ
イン）の微小変動の方が、レチクルＲのパターン中心の
投影点に対する指標板３０の中心（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ系
の光軸）の距離（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ系ベースライン）の
微変動よりも安定している場合が多い。

【００６２】そこで図１１に示すように、ウェハＷ上の
中心部に４ショット、上下部、左右部の夫々に２ショッ
トの計１２ショットのサンプルアライメントショットＳ
₁〜Ｓ₁₂を設定する。そして、中心部の４つのショット
領域Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄の夫々に形成されたマーク
ＭＸ₁，ＭＹ₁，ＭＸ₂，ＭＹ₂，ＭＸ₃，ＭＹ₃，Ｍ
Ｘ₄，ＭＹ₄はＴＴＬ方式のアライメント系の単波長の
スポット光で位置計測を行ない、その結果からＥＧＡ方
式のパラメータのうちオフセット誤差Ｏｘ，Ｏｙのみを
算出する。次に残りの８つのショット領域Ｓ₅〜Ｓ₁₂ま
での各マークＭＸ₅，ＭＹ₅〜ＭＸ₁₂，ＭＹ₁₂はＯｆｆ
−Ａｘｉｓ方式の白色光照明のアライメント系で位置計
測を行ない、その結果からＥＧＡ方式の残りのパラメー
タＲｘ，Ｒｙ，ｗ，θを算出する。

【００６３】このようにすれば、オフセット誤差を比較
的良好に保存し得るウェハ中心部の複数マークを、レチ
クルＲに対するベースライン変動の安定しているＴＴＬ
方式のアライメント系でサンプルアライメントするた
め、決定されたパラメータＯｘ，Ｏｙはかなり高精度な
ものになる。さらにウェハＷの周辺に位置するショット
領域Ｓ₅〜Ｓ₁₂の各マークの計測情報からは、レジスト
層の干渉によって計測誤差の生じやすいパラメータＲ
ｘ，Ｒｙ，θ，ｗを、白色光（ブロードバンド）照明の
アライメント系を用いて求めているため、干渉の影響が
なく、これらパラメータＲｘ，Ｒｙ，ｗ，θも高精度な
ものになる。

【００６４】次に、図１２を参照して本発明の第３実施
例を説明する。本実施例は、レチクルＲの上から投影レ
ンズを介してウェハ面を検出するＴＴＲ（スルーザレチ
クル）方式で、レチクルＲのマークＲＭとウェハマーク
とをスリット状のスポット光で同時に走査する形式のも
のである。図１２に示すように、レチクルＲのパターン
領域ＰＡの最外周部（ウェハ上のスクライブラインに相
当）には、透明な窓状のマークＲＭが形成されている。
このＴＴＲ方式のアライメント光学系は、全反射ミラー
６０、対物レンズ６１，２焦点素子６２、リレーレンズ
６３，６５、ミラー６４、振動ミラー６６、ミラー駆動
系６７、ビームスプリッタ６８、リレー系６９，７０、
偏光ビームスプリッタ７１、そして受光素子７２，７３
で構成される。レーザ光源１と、ビーム整形光学系２と
を通ったレーザビームＬＢは、露光波長よりも長い波長
（例えばＡｒイオンレーザ光）で２つの偏光成分を含ん
でいる。このビームＬＢは、ビームスプリッタ６８で反
射され、振動ミラー６６で往復偏向され、リレーレンズ
６５，６６を通って２焦点素子６２に入射する。この２
焦点素子６２は水晶等の結晶物質と通常の光学ガラス
（石英も可）とを貼り合わせ、常光線と異常光線の夫々
に対して異なる屈折力を与えるものである。従って２焦
点素子６２を通過したビームＬＢは偏光成分（Ｐ偏光と
Ｓ偏光）のちがいによって互いに異なった発散角（又は
収れん角）でテレセントリックな対物レンズ６１に入射
する。対物レンズ６１を水平に射出したビームはミラー
６０で投影レンズの光軸ＡＸと平行に折り曲げられ、レ
チクルＲに垂直に入射する。このときビームは偏光成分
のちがいによって、一方の偏光成分、例えばＰ偏光のビ
ームＬＢｐはレチクルＲのマークＲＭの面内にスリット
状スポット光ＳＰｒとなって結像し、他方の偏光成分、
例えばＳ偏光のビームＬＢｓはレチクルＲの上方空間の
面Ｉｗ内にスリット状スポット光ＳＰｗとなって結像す
る。ここでレチクルＲのマーク（パターン）面と面Ｉｗ
との光軸方向の間隔は、ビームＬＢの波長によって生じ
る投影レンズのレチクル側での色収差量に等しくなるよ
うに定められている。図１２で、対物レンズ６１から射
出するビームＬＢｐは実線で示し、ビームＬＢｓは破線
で示す。ここで、２焦点素子６２の貼り合わせ面は、対
物レンズ６１の前側焦点面、すなわち投影レンズＰＬの
瞳ＥＰと共役な面ＥＰ’と一致するように定められてい
る。さらに振動ミラー６６のビーム振れ原点と２焦点素
子６２（瞳共役面ＥＰ’）とはリレーレンズ６３，６５
に関して互いに共役に配置される。ところでスポット光
ＳＰｒは振動ミラー６６の作用で一次元にマークＲＭを
走査し、マークＲＭ（窓のエッジ）からの散乱光、正反
射光等は、ミラー６０、対物レンズ６１，２焦点素子６
２、リレー系６３，６５、振動ミラー６６、及びビーム
スプリッタ６８を通過して、リレー系６９，７０に達す
る。スポット光ＳＰｒはＰ偏光であるため、マークＲＭ
からの光情報も主にＰ偏光であり、偏光ビームスプリッ
タ７１でほぼ１００％が透過して受光素子７２に至る。

【００６５】一方、レチクルＲのマークＲＭの透明窓を
通ったＳ偏光のビームＬＢｓは投影レンズＰＬによって
ウェハ上にスポット光ＳＰｗの共役像（スポット光ＳＰ
ｗ’とする）となって結像する。このときスポット光Ｓ
Ｐｗ’も振動ミラー６６の作用でウェハマークを一次元
に走査する。ウェハマークからの散乱光、正反射光、回
折光はビームＬＢｓの光路を元に戻り、マークＰＭの透
明窓を透過して、同様に偏光ビームスプリッタ７１まで
戻る。ウェハマークからの光情報は主にＳ偏光であるた
め、ほぼ１００％が偏光ビームスプリッタ７１で反射し
て受光素子７３に至る。

【００６６】振動ミラーの駆動系６７は、スポット光Ｓ
Ｐｒ，ＳＰｗ’の単位走査量毎にアップダウンパルス信
号を出力し、それをＴＴＲ演算ユニット７５に出力す
る。ＴＴＲ演算ユニット７５はそのアップダウンパルス
信号に応答して、受光素子７２，７３の夫々からの光電
信号波形をデジタルサンプリングし、その２つの信号波
形に基づいて、レチクルＲのマークＲＭとウェハマーク
（例えばＭＸｎ，ＭＹｎ，ＭＫ）との相対的な位置ずれ
量を求める。そして位置ずれ量とウェハステージＳＴの
停止位置とに基づいて、ウェハマークの実測値を求め、
それを情報ＡＰ₃として図１に示したＡＬＧデータ記憶
部５０１へ送る。

【００６７】また、ビームスプリッタ６８に入射するビ
ームＬＢをＳ偏光成分のみに制限し、振動ミラー６６を
バイパスさせてリレーレンズ６５に入射させるようにす
ると、図１で示したＴＴＬ方式のアライメント系と全く
同様のマーク検出が可能となる。すなわち、この場合
は、静止したスポット光ＳＰｗ（ＳＰｗ’）のみが作ら
れるから、このスポット光ＳＰｗ’に対してウェハを走
査し、受光素子７３からの光電信号波形を干渉計１２か
らの位置パルス信号ＰＤＳに応答してデジタルサンプリ
ングする。この場合、スポット光ＳＰｗ’とウェハマー
クの中心とが一致するウェハステージＳＴの位置が、情
報ＡＰ₃としてＡＬＧデータ記憶部５０１へ送られる。
この方式では、第１の実施例と全く同じシーケンスにな
ることは明らかである。

【００６８】尚、図１２において、受光素子７２，７３
はともに瞳共役面ＥＰ’と共役に配置され、図２（Ｃ）
に示すような受光面の構成となっている。またリレー系
６９，７０の間には、像共役面Ｆ₀が形成され、ここに
はレチクルＲのマークＲＭの像とウェハマークの像とが
同時に結像する。本実施例のようなＴＴＲ方式のアライ
メント系を設ける場合は、ＴＴＲ演算ユニット７５から
のマーク位置情報ＡＰ₃を、図１中に示したＬＳＡ演算
ユニット９からの情報ＡＰ₁の代りに使えばよい。

【００６９】以上、本実施例のＴＴＲ方式のアライメン
ト系を図１のＴＴＬ方式のアライメント系の代りに組み
込んだステッパーでは、露光すべきショット領域とレチ
クルＲのパターン領域ＰＡとをほぼ重ね合わせた状態で
アライメントするダイ・バイ・ダイ・ライメント法も使
えるとともに、白色光照明のＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のア
ライメント系と併用したＥＧＡ方式も使えるので、多様
なアライメントモードが自由に使えることになる。さら
に２焦点素子６２を瞳共役に配置して用いるため、ビー
ムＬＢは露光波長よりも長い非感光波長を選ぶことがで
きるとともに、２つのスポット光ＳＰｒ，ＳＰｗ同志の
相対的な横ずれはほとんど無視することができる。さら
に、ビームＬＢはレジスト層に対して吸収の少ない波長
を選べるため、ウェハ上でスポット光ＳＰｗ’がマーク
検出のために走査し始めた時点からのレジスト層の光学
的な特性（反射率、屈折率等）の変化がほとんど生じな
い。従ってレジスト層の光学特性の変化によるマーク位
置検出の誤差は極めて少ない。

【００７０】そこで、ダイ・バイ・ダイ方式でマーク検
出するのに先立って、ウェハ上のいくつかのショット領
域に付随したマークをＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式の白色光ア
ライメント系で検出し、次に同じマークをＴＴＲ方式の
スポット光ＳＰｗ’で検出し、その両方の検出方法で得
られるマーク信号波形、あるいはマーク位置を比較し
て、単波長のスポット光ＳＰｗ’で検出されるマーク位
置の微小なオフセット誤差を主制御系５０の補正データ
部５０５に予め記憶する。そしてＴＴＲ方式のアライメ
ント系でダイ・バイ・ダイアライメントするとき、ウェ
ハマークの位置を補正データ部５０５の記憶値分だけ補
正して位置合わせすればよい。このことは、ＴＴＬ方式
のアライメント系についても同様に適用できる。

【００７１】図１３は本発明の第４実施例によるＯｆｆ
−Ａｘｉｓ方式のアライメント系の変形例を示す。図１
に示したＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式の系では、像検出のみを
例示したが、対物レンズ２７等を共用して、レーザスポ
ットをウェハ上へ投射することもできる。そこで図１の
構成において、ミラー２６をビームスプリッタ、又はダ
イクロイックミラー８０に変更する。そしてその後にリ
レーレンズ８１、ビームスプリッタ８２、リレーレンズ
８７、受光素子８７から成る受光系と、レーザ光源８
６、シリンドリカルレンズを含むビーム整形光学系８
５、ミラー８４、レンズ系８３から成る送光系とを設け
る。ここで受光素子８７の受光面は正反射光、回折光、
散乱光を互いに独立に受光するように分割され、リレー
系８１，８７によって対物レンズ２７の絞り面（前側焦
点面）２７ａと共役になるように配置される。そしてレ
ーザ光源８６からのレーザビームは、テレセントリック
な対物レンズ２７、プリズム２８を介して実線に示す光
路に沿ってウェハＷ上にスリット状のスポット光となっ
て結像する。

【００７２】本実施例では、対物レンズ２７の軸上に静
止したスポット光が形成されるため、ウェハステージＳ
Ｔをスキャンすることで、受光素子８８からウェハマー
クＭＸｎ，ＭＹｎに対応した光電信号波形が得られる。
また、白色照明光はミラー８０を介して対物レンズ２７
へ入射するが、その使用波長帯域とレーザ光源８６から
のビームの波長とが重なっている場合は、どちらか一方
のみが点灯するようにシャッター等を設けて切り替えれ
ばよい。

【００７３】本実施例は、ステッパーのなかでも投影レ
ンズの光学性能に多大な制限を受けているエキシマステ
ッパー等のＯｆｆ−Ａｘｉｓアライメント系として適し
ている。また、スポット光によるマーク検出位置と、白
色光による指標板３０とのマーク検出位置とがほぼ一致
しているため、スループット上の低下はほとんどさけら
れるといった利点もある。もちろんスポット光の位置と
指標マーク３０ａ〜３０ｄの位置との相対的な間隔は、
予め基準マークＦＭを用いて計測しておく必要がある。

【００７４】以上、本発明の各実施例において、Ｏｆｆ
−Ａｘｉｓ方式のアライメント系に対しても、オートフ
ォーカス系を設けるようにしてもよいが、高コストにな
るため、投影レンズＰＬに対するオートフォーカス系を
用いて、ウェハ上のマーク計測領域を焦点合わせした
後、Ｚステージを固定したままＯｆｆ−Ａｘｉｓ系の対
物レンズ２７の下に送り込むようにすればよい。このと
き、図１１に示したショット配列の様に、周辺の４ヶ所
のショット領域は、互いに隣接した２つずつ（例えばシ
ョットＳ₅とＳ₆、又はショットＳ₇とＳ₈）にしてお
くと、両方のショット領域は同じフォーカスで良いので
スループットが向上する。ただし、この場合レベリング
ステージによってウェハ表面を投影像面と平行にしてお
く必要がある。また、Ｚステージの光軸方向の高さ位置
を精密に読み取るデジタルマイクロメータ等が組み込ま
れている場合は、ＴＴＬ方式、又はＴＴＲ方式のアライ
メント系でウェハ上のマークを検出する際にフォーカス
合わせを行ない、そのときのＺステージの高さ位置を記
憶し、同一のショットのマークをＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式
のアライメント系で検出するとき、記憶したＺステージ
の高さ位置を再現するようにオープン制御によりフォー
カス合わせを行なってもよい。さらに、単波長の照明光
（スポット光）の代りに、露光光と同じｇ線、ｉ線等の
準単色光をスリット板に照射し、その光によるスリット
像を投影レンズを介してウェハ上に結像投影するアライ
メント系にしても全く同様である。

【００７５】また、各実施例で示した単波長の照明光に
よるアライメント系はスリット状のスポット光としてマ
ークを検出するものとしたが、これに限られるものでは
ない。単波長の照明光によってウェハ上のマークを含む
局所領域を均一照明し、その反射光を結像させてマーク
像を作り、このマーク像を光電検出する方式でも同様で
ある。さらに、単波長の照明光による別のアライメント
方式として、２重回折格子アライメント法においても同
様に利用できる。このアライメント法は図１に示したＴ
ＴＬアライメント系、図１２に示したＴＴＲアライメン
ト系、もしくは図１３に示したＯｆｆ−Ａｘｉｓアライ
メント系に組み込むことができるもので、詳しくは図１
４に示された構成となる。

【００７６】図１４は、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライ
メント系に組み込んだ場合の一例を示し、単波長の平行
なレーザビームＬＢ₀は互いに異なる直線偏光成分を含
み、周波数シフター１００に入射する。周波数シフター
１００は変調周波数２ｆの高周波信号を入力し、ビーム
ＬＢ₀の２つの直線偏光成分間に２ｆの周波数差を与え
た平行なビームＬＢ₁を射出する。このビームＬＢ₁は
ウォーラストンプリズム９０によって偏光成分により２
方向に分割され、それぞれビームＬＢｓ，ＬＢｐとなっ
てレンズ系９１に入射する。そのビームＬＢｓ，ＬＢｐ
は系の瞳（絞り）位置で一度収れんされた後レンズ系９
２（図１３中の対物レンズ２７に相当）に入射し、互い
に傾いた平行なビームとしてウェハＷ上のマークＭＸｎ
を同時に照射する。ウォーラストンプリズム９０はレン
ズ系９１，９２に関してウェハＷと共役に配置される。
ただし、そのままだと、ウェハＷ上に２方向から入射す
る２つのビームの偏光方向が異なり、ウェハＷ上で干渉
縞が生成されない。そこで等価的な２つのビームを一方
の偏光成分に揃える入／２板９７を、例えばビームＬＢ
ｐの光路中に設け、他方の偏光成分のビームＬＢｓに変
換する。このようにすると、ウェハＷ上の同一位置を２
方向から照明する２つのビームはともにＳ偏光のビーム
ＬＢｓとなり、ビームＬＢｓの波長と互いの交差角とに
応じて、ウェハＷ上のマークＭＸｎ（図４のものがその
まま使える）の線条パターンＰ₁〜Ｐ ₅の配列方向に一
次元の干渉縞が生成される。図１５は干渉縞の強度分布
の波形ＦＷとマークＭＸｎの線条パターンＰ₁，Ｐ₂の
断面形状との関係を示す。ここでは、波形ＦＷのｘ方向
のピッチは格子Ｐ₁，Ｐ₂・・・のピッチの丁度１／２
倍であるように設定する。この干渉縞は、２方向からビ
ーム間に２ｆの周波数差があるため、ｘ方向に周波数２
ｆで流れている。このため干渉縞がマークＭＸｎを照射
することから、マークＭＸｎからほぼ垂直方向に干渉光
が発生し、それはレンズ系９２を通り、軸上の小ミラー
９３で反射され、瞳リレー系９４を介して受光素子９５
に達する。受光素子９５は周波数２ｆで正弦波状に光量
変化する干渉光を受光し、それに対応した光電信号をヘ
テロダイン演算ユニット９６へ出力する。ヘテロダイン
演算ユニット１００は、変調周波数２ｆの原信号を基準
信号として入力し、周波数２ｆの光電信号の基準信号に
対する位相差（±１８０°以内）を求める。この位相差
はマークＭＸｎの基準位置に対するｘ方向の位置ずれ
量、ここでは格子パターンＰ₁，Ｐ₂・・・の±１／４
ピッチ以内の量に対応している。従ってヘテロダイン演
算ユニット１００は、ウェハＷが停止しているときのウ
ェハステージＳＴの位置情報ＰＤＳと、±１／２ピッチ
以内のずれ量とに基づいてマークＭＸｎの精密な位置情
報ＡＰ₄を出力する。この情報ＡＰ₄は単波長の光によ
るマーク位置計測値としてＡＬＧデータ記憶部５０１に
送られる。

【００７７】尚、図１４の構成をＴＴＬ方式に組み込む
場合は、図１に示した対物レンズ６をレンズ系９２と
し、図１中のスポット光ＳＰ₀の面が図１４のウェハ面
に対応するように光学系を組めばよい。さらにＴＴＲ方
式に組み込む場合は、図１２中の対物レンズ６１と２焦
点素子６２の対を、図１４中の対物レンズ９２のかわり
に設け、図１４中のウェハ面を、図１２中の空間中の面
Ｉｗに対応させればよい。また２方向からウェハを照射
する２つのビーム間に周波数差をもたせないときは、静
止した干渉縞ＦＷとなり、このときはウェハを微動させ
ることになる。

【００７８】以上のような回折格子アライメント法で
は、レーザビームの可干渉性が使われるため、レジスト
層での干渉現象も先に説明したのと全く同様に生じ得る
ものである。

【００７９】

【発明の効果】以上、本発明によれば、１枚の基板に形
成されたアライメントマークの複数を、単波長もしくは
準単色の照明光で照射して、マーク位置を検出し、さら
にブロードバンドの照明光で照射してマーク位置を検出
し、その両方の検出結果を用いて基板の位置決め、位置
合わせを行なうので、レジスト層の影響が低減され、極
めて高いアライメント精度を得ることができる。

【００８０】また、本発明は投影型露光装置に限らず、
広く他の方式、プロキシミティー、コンタクト方式の露
光装置にもまったく同様に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による投影型露光装置の
構成を示す図。

【図２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）図１の装置の各部の構
成を示す図。

【図３】ウェハ上のショット領域の配置を示す図。

【図４】（Ａ）、（Ｂ）ウェハ上のマーク形状の平面と
断面を示す図。

【図５】（Ａ）、（Ｂ）Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライ
メント系によるマーク検出の様子を示す図。

【図６】撮像素子を２つ設けたＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式の
アライメント系の構成を示す図。

【図７】画像信号のボトムを検出する様子を示す図。

【図８】（Ａ）、（Ｂ）アライメントマークとして従来
の回折格子マークをスポット光で走査したときの光電信
号波形の様子を示す図。

【図９】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）図４に示したマークを
スポット光で走査したときの光電信号波形の様子を示す
図。

【図１０】第１の実施例においてアライメントされるウ
ェハ上のショット領域の配列を示す図。

【図１１】第２の実施例におけるサンプルアライメント
ショットの配列を示す図。

【図１２】本発明の第３の実施例によるＴＴＲ方式のア
ライメント系の構成を示す図。

【図１３】本発明の第４の実施例によるＯｆｆ−Ａｘｉ
ｓ方式のアライメント系の構成を示す図。

【図１４】第５の実施例による２重回折格子アライメン
ト系の構成を示す図。

【図１５】回折格子と干渉縞の分布との様子を示す図。

【符号の説明】

Ｒ・・・レチクル、ＰＬ・・・投影レンズ、Ｗ・・・ウ
ェハ、ＥＰ・・・瞳、ＭＸｎ，ＭＹｎ・・・マーク、Ｓ
ｎ・・・ショット領域、８・・・受光素子、９・・・Ｌ
ＳＡ演算ユニット、２０・・・ハロゲンランプ、２３・
・・フィルター、２７・・・対物レンズ、３０・・・指
標板、３４・・・撮像素子、３５・・・ＦＩＡ演算ユニ
ット、ＡＰ₁，ＡＰ₂，ＡＰ₃，ＡＰ₄・・・マーク検
出位置情報、５０１・・・ＡＬＧデータ記憶部、５０２
・・・ＥＧＡ演算ユニット

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

【手続補正書】

【提出日】平成９年１０月１６日

【手続補正１】

【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２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、マスク（Ｒ）
に照明光、例えばエキシマレーザ光（ＩＬ）を照射する
照明光学系（ＣＬ）と、その照明光（ＩＬ）の波長に関
して収差補正された投影光学系（ＰＬ）とを備えた投影
露光装置に関するものであり、投影光学系（ＰＬ）とは
別に配置される対物光学系（２７）を有し、対物光学系
（２７）を介して第１の光、例えば広帯域光を基板
（Ｗ）上に照射する第１アライメント光学系（２０〜２
７、２７ａ、２８〜３４）と、対物光学系（２７）を介
して第２の光、例えば単色光、又は準単色光を基板
（Ｗ）上に照射する第２アライメント光学系（８０〜８
８）と、第１及び第２アライメント光学系の少なくとも
一方によって検出される基板（Ｗ）上のマークの位置に
基づいて、マスク（Ｒ）と基板（Ｗ）とを相対移動する
手段（ＳＴ）とを設けることとした。なお、第１の光と
第２の光の一方が基板（Ｗ）上に照射されるように第１
アライメント光学系と第２アライメント光学系とを切り
替える切替手段（シャッターなど）を設けることが好ま
しい。また、対物光学系（２７）の開口数は投影光学系
（ＰＬ）の開口数よりも小さい、例えば１／２〜２／３
程度に設定することが望ましい。ここで、基板上の複数
のマークの少なくとも１つを、第１及び第２アライメン
ト光学系で共用するようにしてもよいし、あるいは第１
及び第２アライメント光学系でそれぞれ検出されるマー
クを互いに異ならせるようにしてもよい。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】削除

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】削除

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定波長の照明光でマスクを照射する照
明光学系と、前記照明光の波長に関して収差補正された
投影光学系とを備えた投影露光装置において、前記投影光学系とは別に配置される対物光学系を有し、
該対物光学系を介して第１の光を前記基板上に照射する
第１アライメント光学系と、前記対物光学系を介して第２の光を前記基板上に照射す
る第２アライメント光学系と、前記マスクのパターンを前記基板に転写するために、前
記第１アライメント光学系と前記第２アライメント光学
系との少なくとも一方によって検出される前記基板上の
マークの位置に基づいて、前記マスクと前記基板とを相
対移動する相対移動手段とを備えたことを特徴とする投
影露光装置。
【請求項２】所定の波長域に感応するレジスト層を表
面に有する基板に、マスクのパターンを投影光学系を介
して転写する投影露光方法において、前記基板上のマークを前記投影光学系から所定距離離れ
たアライメント系で検出して前記マスクと前記基板とを
位置合わせするのに先立ち、前記投影光学系の結像面に
前記基板を位置合わせするために前記基板の高さ位置を
検出する焦点検出系で、前記マーク位置近傍の前記基板
を前記投影光学系の結像面に位置合わせした後、前記マ
ークを前記アライメント系で検出することを特徴とする
投影露光方法。
【請求項３】前記マークは複数形成され、前記複数の
マークに対して共通の前記位置の高さで前記マークを検
出することを特徴とする請求項第２項記載の方法。
【請求項４】所定の波長域に感応するレジスト層を表
面に有する基板に、マスクのパターンを投影光学系を介
して転写する投影露光方法において、前記基板上のマークを前記投影光学系から所定距離離れ
たアライメント系で検出して前記マスクと前記基板とを
位置合わせするのに先立ち、前記投影光学系の結像面に
前記基板を位置合わせするために前記基板の高さ位置を
検出する焦点検出系で求めた前記基板の高さ位置を記憶
し、前記アライメント系で前記マークを検出する時に、
前記記憶された高さ位置に基づいて前記基板の高さ位置
を調整することを特徴とする投影露光方法。