JPH10172907A - 投影露光装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 別波長アライメント系を用いてレチクルとウ
エハとを精度良く位置合わせすることを目的としてい
る。 【解決手段】 第１及び第２基準マークが形成された基
準板を投影光学系の像面側に配置し、露光用照明光と波
長が異なる第１アライメント光を用いる別波長アライメ
ント系によって第１基準マークを検出すると同時に、露
光用照明光とほぼ同一波長の第２アライメント光を用い
るＴＴＲアライメント系によってレチクル上のマークと
第２基準マークとを検出し、両方の検出結果に基づいて
第１アライメント系のアライメントオフセットを決定す
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
表示素子等のリソグラフィ工程に使われる投影露光装置
に関し、詳しくは投影露光装置の投影系で発生するディ
ストーション（歪曲誤差）に起因したアライメント誤差
を低減したアライメント装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、マスク（レチクル）のパターンを
サブ・ミクロンの解像力を半導体ウェハ上に焼き付ける
装置として、高開口数の投影レンズを搭載したステッパ
ーが活躍している。この種のステッパーでは、ウェハ上
にすでに形成されたチップパターン（ショット領域）と
新たに重ね合わせ露光するレチクルパターンとを最小線
幅の数分の１以下の総合精度で位置合わせしなければな
らない。このため近年、より高精度なアライメント装置
（センサー）を搭載したステッパーが研究され、実用化
へ向けての開発が進められている。

【０００３】今後、４ＭｂｉｔＤＲＡＭ、１６Ｍｂｉｔ
ＤＲＡＭの生産に主流を成すステッパーは、レチクル上
のマークとウェハ上の各ショット領域のマークとを逐次
検出してアライメントしては焼き付けを行なう、ＴＴＲ
（スルー・ザ・レチクル）アライメント方式のダイ・バ
イ・ダイ露光モードを有することが必須と考えられてい
る。

【０００４】このＴＴＲアライメント方式には、従来よ
り各種の手法が考えられてきたが、最も有望視されてい
るのは、露光光と異なる波長の照明光を使ってレチクル
マークとウェハマークとを同時に検出する別波長ＴＴＲ
アライメント方式である。この方式では、ウェハ上のレ
ジスト層が露光を強く吸収する現象をさけることができ
るため、色素入りレジストや多層レジストのウェハに対
しても安定なマーク検出が可能であると共に、アライメ
ント時の照明によってマーク領域のレジストの感光が防
止できるといった利点がある。別波長ＴＴＲアライメン
ト方式でよく知られている典型的な技術（投影露光装
置）として、ＵＳＰ．4,2 5 1,1 6 0 （特開昭５２−１
５４３６９号）、ＵＳＰ．4,2 6 9,5 0 5 （特開昭５５
−７００２５号）、ＵＳＰ．4,4 9 2,4 5 9 （特開昭５
６−１１０２３４号）、あるいはＵＳＰ．4,4 7 3,2 9
3 （特開昭５５−１３５８３１号）等に開示されたもの
が知られている。

【０００５】しかしながら、これら典型的な投影露光装
置では、いずれもレチクルと投影レンズとの間に、別波
長のアライメント用照明光に対する色収差補正のための
補正光学系が介在している。このような補正光学系はレ
チクルマークとウェハマークとを別波長の照明光のもと
で互いに結像関係に維持するためのものであるが、アラ
イメントにあたっては、安定性に欠けたり、精度の再現
性が得られないといった本質的な問題が解決できないで
いた。

【０００６】最近になって、そのような不安定で、再現
性のない補正光学系を用いずに別波長ＴＴＲアライメン
トを可能とする方式が、特開昭６３−１５３８２０号公
報、又は特開昭６３−２８３１２９号公報で提案され
た。ここに開示されたアライメント系では、レチクルマ
ークとウェハマークを照明するビームを、２焦点化素子
と対物レンズによって２つの面の夫々に同時に結像させ
るもので、一方の面はレチクルのパターン面（マーク
面）に合致され、他方の面は投影レンズの軸上色収差量
に対応してレチクルパターン面から離れた空間中のウェ
ハ共役面に合致される。

【０００７】このような方式を採用すると、レチクルと
ウェハとの間のアライメント用光路中に投影レンズ以外
の光学素子を設ける必要がなくなり、あたかも露光光を
使ったのと同様にしてＴＴＲアライメントが可能にな
る。しかしながら最新の投影レンズは、露光光に対して
のみ良好に各種収差が補正され、露光光からずれた波長
に対しては軸上色収差と倍率色収差の両方が発生し、例
え２焦点化素子を用いて軸上色収差に対応できたとして
も、倍率色収差には必らずしも対応できず、何らかの手
法で倍率色収差に起因したアライメント誤差（オフセッ
ト）を除去しておく必要がある。そこでさらに、倍率色
収差（ディストーション）に対応するための技術が、例
えば特開昭６３−１７７４２１号公報や特開昭６３−２
８１４２７号公報において提案された。

【０００８】このうち特開昭６３−１７７４２１号公報
には、ウェハステージ上に、露光光と別波長のアライメ
ント用照明光との２つで発光する基準マークを設け、こ
の発光マークを投影レンズの像面側で移動させて、発光
マークの逆投影像をレチクル側で走査してレチクルマー
クの位置を求めることで、投影レンズ視野内のディスト
ーションマップを予め作っておく技術が開示されてい
る。一方、特開昭６３−２８１４２７号公報には、別波
長ＴＴＲアライメント系の照明ビーム送光系（スキャナ
ーミラー、２焦点化素子、対物レンズ等）に露光光をビ
ーム化して導びき、別波長の照明光ビームと露光波長の
照明光ビームとを同時に走査させて、レチクルマークと
ウェハステージ上の基準マークとの夫々からの光情報を
光電検出したときの各波長ビーム毎の位置ずれ検出量の
差異から、そのアライメントポイントでのディストーシ
ョンを知る技術が開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記倍率色収差に対応
するための従来技術では、アライメント用照明光と露光
用照明光とが投影レンズ視野内の同一位置を通るように
構成されている。すなわち、特開昭６３−１７７４２１
号公報では、同一の発光基準マークの裏側にファイバー
等を介して２種類の照明光を導く必要があり、また特開
昭６３−２８１４２７号公報では、別波長ＴＴＲアライ
メント系に露光用照明光を導びく必要がある。

【００１０】このような構造は、アライメント光学系の
構成を複雑にし、その光学素子の性能（特に色消し等）
に厳しいものが要求されるといった製造上の困難性を伴
うこともさることながら、露光用照明光のもとでの光学
系諸条件（ジグマ値、開口数、テレセン性等）と、アラ
イメント用照明光のもとでの光学系諸条件とを一致させ
ることが難しく、実用上の正確なディストーション誤差
を知ることが難しかったという問題があった。また実際
の露光装置（ステッパー）では、１／５縮小タイプでも
１５×１５ｍｍ〜２０×２０ｍｍ程度の広いフィールド
（視野）の露光に対応できるようになっている。しかし
ながらステッパーユーザが使用するレチクルパターンの
露光領域には、色々な大きさのものがあり、これに伴っ
て当然にアライメントマークの投影視野内での位置が様
々に変化する。そのアライメント位置の変化に応じて露
光用照明光のもとでの投影レンズの理想格子に対するデ
ィストーション量も変化するため、アライメント用照明
光のもとでのディストーション特性との差を、アライメ
ント位置でのみ知るだけでは、広いフィールド全体の重
ね合わせを考えたとき、不十分であるという問題点もあ
った。

【００１１】さらに、これは上記特開昭６３−２８１４
２７号公報に示された装置での固有の問題ではあるが、
露光用照明光とアライメント用照明光とをレチクル上方
に４５°で斜設したダイクロイックミラーによって波長
域で分離する方式にした場合、ダイクロイックミラーの
アライメント用照明光に対する透過率（又は反射率）を
極めて高くしてしまうと、別波長ＴＴＲアライメント系
によって検出すべき露光用照明光はほとんど透過（又は
反射）しなくなり、マーク検出が困難になってしまう。
そのため露光用照明光に対してもいくらかの透過率（又
は反射率）をもつようにダイクロイックミラーの波長特
性を選ぶと、今度は露光時に露光用照明系からレチクル
に向う光量が、その分だけ低下するといった問題点もあ
った。

【００１２】本発明は、上述した各種問題点に鑑みてな
されたもので、特にディストーションに起因したアライ
メントオフセットを高精度に検知して補正することがで
きる波長ＴＴＲアライメント系を備えた投影光学装置を
提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明においては、ウェハ等の感応基板を載置する
ステージ上に固設された基準板上に、露光用照明光（第
１の波長特性の光）のもとで検出される基準マーク（第
４マーク領域）と、アライメント用照明光（第２の波長
特性の光）のもとで検出される基準マーク（第２マーク
領域）とを位置的に分離して配置するとともに、レチク
（マスク）上にも露光用照明光のもとで検出されるレチ
クルマーク（第３マーク領域）と、アライメント用照明
光のもとで検出されるレチクルマーク（第１マーク領
域）とを基準板上の対応する基準マークの分離位置に対
応させて設けるようにした。さらにアライメント用照明
光でレチクルマーク（第１マーク領域）と基準マーク
（第２マーク領域）とを検知する別波長ＴＴＲアライメ
ント系（第１マーク検出手段）と、露光用照明光でレチ
クルマーク（第３マーク領域）と基準マーク（第４マー
ク領域）とを検知する露光波長ＴＴＲアライメント系
（第２マーク検出手段）とを互いに独立の光学系とし、
かつ両方のＴＴＲアライメント系が同時に対応するマー
クを検知できるように配置した。ここで、図１は、本発
明の原理を説明するために模式的に示したステッパーの
構成を表わし、レチクルＲの回路パターン領域ＰＡは、
両側テレセントリックな投影レンズＰＬによってウェハ
（図１には図示せず）上の１つのショット領域に投影さ
れる。レチクルＲのパターン領域ＰＡの周辺には、別波
長（波長λ2 ）の照明光を用いるＴＴＲアライメント系
ＡＯ2x，ＡＯ2yによって検出されるマークＡｕ，Ａｌが
設けられている。アライメント系ＡＯ2xで検出されるマ
ークＡｕはＸ方向のアライメント用であり、アライメン
ト系ＡＯ2yで検出されるマークＡｌはＹ方向のアライメ
ント用であり、それぞれパターン領域ＰＡのＸ方向に延
びる辺部とＹ方向に延びる辺部とに形成される。また、
別波長ＴＴＲアライメント系ＡＯ2x，ＡＯ2yはＸ，Ｙ方
向にアライメント位置を移動させることができる。さら
に、レチクルＲのパターン領域ＰＡの外側で投影レンズ
ＰＬの視野内には、露光波長λ1 の照明光を用いるＴＴ
Ｒアライメント系ＡＯ1 によって検出されるマークＲＭ
ｒが形成されている。このマークＲＭｒの位置はパター
ン領域ＰＡのサイズが異なるレチクルでも常に一定のと
ころに固定配置される。そして、露光時にパターン領域
ＰＡを均一照明する露光光が、ＴＴＲアライメント系Ａ
Ｏ1 の先端部で遮光されないように定められている。従
って、パターン領域ＰＡのサイズが異なる各種レチクル
に変換する場合であっても、ＴＴＲアライメント系ＡＯ
1 は移動させる必要がなく、装置上に固定しておくこと
ができる。

【００１４】一方、投影レンズＰＬの下には、ウェハス
テージ上に固設された基準マーク板ＦＰが位置する。基
準板（フィデューシャル板）ＦＰの表面は、露光波長の
もとで投影レンズＰＬに関してレチクルＲと共役になっ
ている。基準板ＦＰの表面には、レチクルＲ上のマーク
ＲＭｒと同時に検出される基準マーク板ＦＭｒと、レチ
クルＲ上のマークＡｕ，Ａｌの夫々と同時に検出される
基準マークＦｕ，Ｆｌがクロム層のエッチング等により
形成されている。マークＦｕは、マークＡｕと対応して
いると共に、マークＡｕのレチクルＲ上での移動可能位
置全域をカバーするように広い面積で設けられている。
マークＦｌについても同様である。

【００１５】そして図１のように、マークＲＭｒ（第３
マーク領域）と基準マークＦＭｒ（第４マーク領域）と
がＴＴＲアライメント系ＡＯ1 で同時に検出されるよう
に基準板ＦＰを位置決めしたとき、例えばマークＡｕ
（第１マーク領域）と基準マークＦｕ（第２マーク領
域）とをＴＴＲアライメント系ＡＯ2xで同時に検出す
る。基準板ＦＰ上での基準マークＦＭｒとＦｕとの位置
関係とレチクルＲ上でのマークＲＭｒとＡｕとの位置関
係とは予め正確にわかっているから、別波長ＴＴＲアラ
イメント系ＡＯ2xで検出されたアライメント誤差量と、
露光波長ＴＴＲアライメント系ＡＯ1で検出されたアラ
イメント誤差量との差はマークＡｕの位置での色収差に
起因したＸ方向のフオセット量である。

【００１６】従って、このオフセット量を記憶しておけ
ば、後でＴＴＲアライメント系ＡＯ2xを用いてレチクル
Ｒとウェハとをアライメントする際に、容易に補正を行
なうことができる。このように別波長ＴＴＲアライメン
ト系と露光光ＴＴＲアライメント系とを互いに独立にし
つつ、同時にマーク検出動作を行なう構成とすることに
よって、より厳密にディストーションの影響を補正する
ことが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に本発明の好適な実施例による
ステッパーの構成について、図２〜図１１を参照して説
明する。本実施例では、先に掲げた、特開昭６３−２８
３１２９号公報で開示されたように、回折格子を用いた
２光束干渉式の別波長ＴＴＲアライメント系を用いるも
のとするが、その他の形式（像検出方式、スポットスキ
ャン方式）のものでも全く同様に適用し得る。

【００１８】図２において、レチクルＲの上方にはダイ
クロイックミラーＤＭが４５°に斜設され、投影レンズ
ＰＬの光軸ＡＸを水平に折り曲げる。ダイクロイックミ
ラーＤＭは光軸ＡＸに沿って露光用照明系（不図示）か
ら進んでくる露光光をほぼ９０％以上反射させて、レチ
クルＲのパターン領域ＰＡへ向わせる。レチクルＲは２
次元（Ｘ，Ｙ，θ方向に微小移動するレチクルステージ
ＲＳ上に保持され、レチクルステージＲＳは駆動部１に
よって位置決めされる。一方、投影レンズＰＬの下には
ウェハＷと基準板ＦＰとを保持するＸＹステージＳＴが
設けられ、モータ２によってＸ，Ｙ方向に移動され、ス
テージＳＴの座標位置はレーザ干渉計３によって逐次計
測される。ステージＳＴの位置決めは、干渉計３の計測
値をモニターしてモータ２を駆動するステージドライバ
ー回路４によって行なわれる。ドライバー回路４は主制
御装置５からの指令に基づいてステージＳＴの移動や位
置決めを制御する。この主制御装置５は、先の駆動部１
の制御も管理する。

【００１９】さて、本実施例の別波長ＴＴＲアライメン
ト系はダイクロイックミラーＤＭの上方に２〜４眼（対
物レンズの数）で構築されるが、図２ではそのうち１
眼、ここでは図１中のＡＯ2xに相当する系のみを示す。
テレセントリックな対物レンズＯＢＪｕとミラーＭ1 と
は、金物１１に保持され、駆動部１０によってＸ，Ｙ方
向に移動する。

【００２０】対物レンズＯＢＪｕはダイクロイックミラ
ーＤＭと干渉しないように、かつレチクルＲに対してそ
の光軸が垂直になるように配置される。別波長アライメ
ント用の照明光は、ヘリウム−ネオン、又はアルゴンイ
オン等のレーザ光源１２から直線偏光ビームＬＢとして
射出され、２光束化周波シフターユニット１３に入射す
る。ユニット１３内には、ビームＬＢを２つに分割し、
分割された２つのビームの夫々に高周波変調（周波数シ
フト）を加える２つのＡＯＭ（音響光学変調器）１３０
Ａ，１３０Ｂや周波数シフトされた各ビームを収れんす
る小レンズ１３１Ａ，１３１Ｂ等が設けられている。Ａ
ＯＭ１３０Ａは周波数ｆ1 （例えば８０ＭＨｚ）でドラ
イブされ、その１次回折ビームＬＢ1 が小レンズ１３１
Ａを介して取り出され、ＡＯＭ１３０Ｂは周波数ｆ2
（例えば８０．０３ＭＨｚ）でドライブされ、その１次
回折ビームＬＢ2 が小レンズ１３１Ｂを介して取り出さ
れる。２本のビームＬＢ1 ，ＬＢ2 の各主光線はアライ
メント系の光軸と平行に、かつ対称に定められ、ビーム
スプリッタ１４でともに２つに分けられる。ビームスプ
リッタ１４を通過した分割ビームＬr1，Ｌr2は、集光レ
ンズ（逆フーリエ変換レンズ）１５によって後側焦点面
で交差する平行光束に変換される。その後側焦点面には
参照格子１６が配置され、ここには２つのビームＬr1，
Ｌr2の交差角と波長とに応じたピッチの干渉縞が作られ
る。この干渉縞は２つのビームＬr1，Ｌr2の周波数差Δ
ｆ（３０ＫＨｚ）に応じた速度で参照格子１６上を一方
向に移動する。参照格子１６上には、干渉縞のピッチと
等しいピッチの透過型の回折格子が縞と平行に設けられ
ている。従って参照格子１６からは、ビームＬr1と同方
向に進むビームＬr1の０次光とビームＬr2から作られた
１次光との干渉光ＤＲ1 と、ビームＬr2と同方向に進む
ビームＬr2の０次光とビームＬr1から作られた１次光と
の干渉光ＤＲ2 とが発生し、光電素子１７はこれら干渉
光ＤＲ1 ，ＤＲ2 の光量を検出する。ここで干渉光ＤＲ
1 ，ＤＲ2 は周波数差Δｆ（３０ＫＨｚ）、すなわちビ
ート周波数で正弦波状に強度変化し、光電素子１７から
の出力信号ＳＲは３０ＫＨｚの交流信号になる。この信
号ＳＲがアライメント時の位相比較の基準信号となる。

【００２１】図３は、ビームＬＢ1 ，ＬＢ2 とレンズ１
５から光電素子１７までの各ビームの様子を詳しく示し
た光路図であり、まず２本のビームＬＢ1 ，ＬＢ2 は小
レンズ１３１Ａ，１３１Ｂの作用によって面ＥＰａでそ
れぞれ集光されてビームウエストになる。面ＥＰａはレ
ンズ１５の前側焦点面と一致したフーリエ面であり、ビ
ームＬr1，Ｌr2はレンズ１５から夫々平行光束となって
参照格子１６上で交差する。尚、ビームＬr1，Ｌr2の面
ＥＰａの内での位置は、アライメント系の光軸ＡＸａを
挟んで対称に定められ、光軸ＡＸａからの距離がビーム
Ｌr1，Ｌr2の参照格子１６に対する入射角θを決定す
る。

【００２２】ここで一般的な解析理論に従うと、波長λ
のコヒーレント光とピッチＰｇの一次元回折格子とによ
って決まる±１次回折光の０次光に対する回折角αは、
ｓｉｎα＝λ／Ｐｇによって一義的に決まる。そこでビ
ームＬr1の０次光（干渉光ＤＲ1 ）に対して１次回折光
の回折角αが丁度２θになるように参照格子１６の格子
ピッチＰｇを設定してやると、その１次回折光はビーム
Ｌr2の０次光（干渉光ＤＲ2 ）と同軸に発生する。

【００２３】このとき、参照格子１６上にできる干渉縞
のピッチは格子ピッチＰｇと等しくなる。また光電素子
１７は、２つの干渉光ＤＲ1 ，ＤＲ2 を個別に受光する
受光面１７０Ａ，１７０Ｂを有し、各受光面１７０Ａ，
１７０Ｂからの光電信号は加算器１７１によってアナロ
グ的に加算され、基準信号ＳＲとして出力される。

【００２４】さて、再び図２の説明に戻って、ビームス
プリッタ１４で反射された２本のビームＬm1，Ｌm2は、
さらにビームスプリッタ１８で反射れ、ミラーＭ1 を介
して対物レンズＯＢＪｕに入射する。対物レンズＯＢＪ
ｕは２本のビームＬm1，Ｌm2を空間中の面ＩＰで交差す
る平行光束に変換する。面ＩＰは、レチクルＲから光軸
ＡＸ方向に軸上色収差量ΔＬだけ離れており、アライメ
ント用照明ビームＬＢの波長（λ2 ）のもとではウェハ
Ｗ、又は基準板ＦＰと共役な面である。面ＩＰで交差し
た２本のビームＬm1，Ｌm2は、レチクルＲ上のマーク領
域Ａｕでは互いに分離して通り、投影レンズＰＬの瞳Ｅ
Ｐでビームウエストになった後、基準板ＦＰ（又はウェ
ハＷ）上では再び平行光束になって交差する。

【００２５】図４はビームＬm1，Ｌm2の様子を示す光路
図であり、対物レンズＯＢＪｕの前側焦点面は図３に示
した面ＥＰａと一致しており、２つのビームＬm1，Ｌm2
はそこでビームウエストになる。対物レンズＯＢＪｕか
ら射出した２本のビームＬm1，Ｌm2はともに平行光束と
なって面ＩＰ、すなわち対物レンズＯＢＪｕの後側焦点
面で交差する。その後、ビームＬm1はレチクルＲのマー
ク領域Ａｕ内のレチクル格子マークＡｕａを照射すると
ともに透明部を通過して投影レンズＰＬに入射し、再び
平行光束となって基準板ＦＰ（又はウェハＷ）上のマー
ク領域Ｆｕ内の格子を斜めに照射する。

【００２６】ビームＬm2も同様にして、レチクルＲ上の
レチクル格子マークＡｕｂを照射するとともに透明部を
通過して基準板ＦＰ（又はウェハＷ）上のマーク領域Ｆ
ｕ内の格子をビームＬm1と対称的な方向から斜めに照射
する。この図４に示したように、２本のビームＬm1，Ｌ
m2は瞳空間（対物レンズＯＢＪｕと小レンズ１３１Ａ，
１３１Ｂとの間、及び投影レンズＰＬの内部）では収れ
ん光束であると共に主光線が光軸ＡＸａと平行になり、
像空間（対物レンズＯＢＪｕと投影レンズＰＬの間、及
び投影レンズＰＬと基準板ＦＰ、又はウェハＷとの間）
では平行光束であると共に主光線が焦点面（像面）で交
差する。

【００２７】さて、基準板ＦＰ上のマーク領域Ｆｕから
は、垂直方向に干渉光ＢＴが生ずる。干渉光ＢＴは、ビ
ームＬm1の照射によりマークＦｕから垂直に発生した１
次回折光と、ビームＬm2の照射によりマークＦｕから垂
直に発生した１次回折光とが干渉したものであり、像空
間では平行光束である。この干渉光ＢＴは投影レンズＰ
Ｌの瞳ＥＰの中心でビームウエストに収れんした後、レ
チクルＲのマーク領域内の中央の透明部（マークＡｕａ
とＡｕｂの間）を平行光束となって通過し、対物レンズ
ＯＢＪｕの光軸ＡＸａに沿って逆進する。干渉光ＢＴは
対物レンズＯＢＪｕの前側焦点面、すなわち投影レンズ
ＰＬの瞳ＥＰと共役な面ＥＰａの中心で再びビームウエ
ストに収れんし、図２中のミラーＭ1 、ビームスプリッ
タ１８の順に受光系の方へ戻る。ここでレチクルＲ上の
マーク領域Ａｕの構造について図７、図８を参照して説
明する。図７のように、レチクルＲの回路パターン領域
ＰＡの外周には一定幅の遮光帯ＥＳＢが形成されるが、
その一部に透明窓を設け、そこに２つの格子マークＡｕ
ａ，Ａｕｂが遮光部ＥＳＢ’を挟んで配置される。マー
クＡｕａとＡｕｂのピッチはともに等しく、ピッチ方向
と直交する方向の幅は透明窓の約半分に定められる。遮
光部ＥＳＢ’の幅も透明窓の約半分に定められ、ウェハ
Ｗ上の格子マークＷＭｕは、アライメント用波長のもと
では、マーク領域内のＷＭｕ’の部分に位置する。２本
のビームＬm1，Ｌm2は格子マークＡｕａとＡｕｂの夫々
を矩形形状で別々に照明するが、マークＡｕａのパター
ン領域ＰＡ側に隣接した透明部を通過したビームＬm1
は、図８のようにウェハマークＷＭｕを照射し、マーク
Ａｕｂのパターン領域ＰＡ側に隣接した透明部を通過し
たビームＬm2はウェハＷＭｕを照射する。このマークＷ
Ｍｕから垂直に発生する干渉光ＢＴはレチクルＲ上では
図８中の部分ＷＭｕ’を通って対物レンズＯＢＪｕへ戻
る。

【００２８】さて、図４において、ビームＬm1，Ｌm2が
それぞれレチクル格子マークＡｕａ，Ａｕｂを照射する
と、０次光Ｄ01，Ｄ02とともに高次回折光が反射してく
る。本実施例では、ビームＬm1（Ｌm2）の格子マークＡ
ｕａ（Ａｕｂ）への入射角θ’に対して１次回折光の０
次光Ｄ01（Ｄ02）に対する回折角が丁度２θ’になるよ
うに、マークＡｕａ（Ａｕｂ）のピッチを定める。それ
によって、格子マークＡｕａからはビームＬm1の光路を
そのまま逆進する１次回折光Ｄ11（周波数シフトｆ1 ）
が発生し、格子マークＡｕｂからはビームＬm2の光路を
そのまま逆進する１次回折光Ｄ12（周波数シフトｆ2 ）
が発生する。従ってこれら１次回折光Ｄ11，Ｄ12も干渉
光ＢＴとともに対物レンズＯＢＪｕを介して受光系の方
へ戻る。

【００２９】再び図２を参照すると、干渉光ＢＴと１次
回折光Ｄ11，Ｄ12はビームスプリッタ１８を透過して集
光レンズ系１９に入射する。レンズ系１９は逆フーリエ
変換レンズでもあり、干渉光ＢＴと１次回折光Ｄ11，Ｄ
12をともに平行光束に変換するとともに、その焦点面
（像共役面）でそれらを交差させる。レンズ系１９を通
った各ビームはビームスプリッタ２０で２つに分けら
れ、透過した方はレチクル用基準格子板２１に達し、反
射した方は視野絞り２２に達する。基準格子板２１と視
野絞り２２はともに面ＩＰ（基準板ＦＰ、又はウェハＷ
との共役面）と共役である。従って、基準格子板２１で
は、１次回折光Ｄ11，Ｄ12が交差し、その交差領域内に
は干渉縞ができる。この干渉縞は当然、ビート周波数Δ
ｆ（３０ＫＨｚ）で一次元に流れている。そこで図６
（Ａ）に示すように、クロム層で覆われた基準格子板２
１上に透過型の回折格子２１Ａを設け、この格子２１Ａ
から同軸に発生する回折光同志の干渉光ＢＴｒを光電素
子２３で受光する。この様子を図５で参照して詳述す
る。基準格子板２１は像共役であるため、面ＩＰ、ウェ
ハマークＷＭｕ（又は基準板ＦＰ表面）と共役であり、
干渉光ＢＴも１次回折光Ｄ11，Ｄ12とともに入射してく
る。しかしながらウェハマークＷＭｕとレチクルマーク
Ａｕａ，ＡｕｂとはＸ−Ｙ平面内で横ずれして配置され
ているため、基準格子板２１上では図６（Ａ）に示すよ
うに、２つの１次回折光Ｄ11，Ｄ12が交差する格子２１
Ａの横の部分（遮光部）２１Ｂに干渉光ＢＴが戻ってく
る。

【００３０】従って、基準格子板２１上での格子２１Ａ
の位置や大きさを、マークＡｕａ、又はＡｕｂの大きさ
と合わせておくだけで、ウェハマークＷＭｕからの干渉
光ＢＴを遮光することができる。基準格子板２１の格子
２１Ａを照明した１次回折光Ｄ11，Ｄ12の各０次光ＢＴ
ｏは光電素子２３からはずれるように進み、格子２１Ａ
から垂直に発生する１次回折光同志の干渉光ＢＴｒのみ
が光電素子２３に受光される。この方式は図４中に示し
たウェハマークＷＭｕからの干渉光ＢＴの取り方と同じ
であって、この場合、ウェハマークＷＭｕ、又は格子２
１Ａの格子ピッチは、そこの上にできる干渉縞のピッチ
の丁度２倍になっている。

【００３１】こうして光電素子２３に受光された干渉光
ＢＴｒはビート周波数Δｆ（３０ＫＨｚ）で正弦波状に
強度変化しており、光電素子２３の出力信号Ｓｍは、参
照格子１６を基準としたレチクルマークＡｕａ，Ａｕｂ
のピッチ方向の変位量に応じて基準信号ＳＲに対する位
相差がリニアに変化する交流信号となる。一方、図２に
示したビームスプリッタ２０で反射された干渉光ＢＴと
１次回折光Ｄ11，Ｄ12は視野絞り２２に達するが、この
絞り２２は図６（Ｂ）に示すように干渉光ＢＴのみを通
す開口部２２Ａが形成されていて、２つの１次回折光Ｄ
11，Ｄ12は遮光部２２Ｂで遮へいされる。

【００３２】視野絞り２２を通過した干渉光ＢＴはミラ
ー２４、集光レンズ２５を介して光電素子２６に達す
る。光電素子２６は干渉光ＢＴの強度変化に応じた出力
信号Ｓｗを発生する。この信号Ｓｗもビート周波数Δｆ
で正弦波状にレベル変化する交流信号となり、ウェハＷ
上のマークＷＭｕ、又は基準板ＦＰ上の基準マークＦｕ
の参照格子１６に対する変位量に比例して基準信号ＳＲ
に対する位相が変化する。

【００３３】以上の基準信号ＳＲ、出力信号Ｓｍ，Ｓｗ
の夫々は位相差計測ユニット２７に入力し、計測ユニッ
ト２７は基準信号ＳＲに対する出力信号Ｓｍの位相差φ
ｍと、基準信号ＳＲに対する出力信号Ｓｗの位相差φｗ
とを求め、さらにその差Δφ＝φｍ−φｗを算出する。
本実施例の場合、基準板ＦＰ（又はウェハＷ）上での回
折格子ピッチが、そこに作られる干渉縞ピッチの２倍に
なっているため、位相差Δφの１周期（±１８０°）は
回折格子ピッチの１／２（±１／４ピッチ）に対応して
いる。この位相差Δφに基づいて計測ユニット２７はウ
ェハステージＳＴ、又はレチクルステージＲＳの位置補
正量（位置ずれ量）ΔＸ，ΔＹを算出し、その値を主制
御装置５へ送る。

【００３４】以上、対物レンズＯＢＪｕを含み、駆動部
１０〜計測ユニット２７までの構成が本発明の第１のマ
ーク検出手段に相当する。さて、図２において、レチク
ルＲ上のマークＲＭｒは、ミラーＭ2 、対物レンズＯＢ
ｒ、ビームスプリッタ３０、レンズ系３１、照明視野絞
り３２、コンデンサーレンズ３３、ファイバー３４、結
像用レンズ３５、ビームスプリッタ３６、及びＣＣＤ撮
像素子３７Ａ，３７Ｂから成る露光光ＴＴＲアライメン
ト系（図１中のＡＯ1 に相当）によって検出される。フ
ァイバー３４は露光波長の照明光を射出し、コンデンサ
ーレンズ３３を介して絞り３２を一様に照射する。絞り
３２の開口を通った照明光はレンズ系３１、ビームスプ
リッタ３０を介して対物レンズＯＢｒに入射し、さらに
ミラーＭ2 で垂直に折り曲げられてレチクルＲのマーク
ＲＭｒを含む局所領域を照射する。ここで、絞り３２は
レチクルＲと共役であり、レチクルＲ上には絞り３２の
開口像が結像する。また、ビームスプリッタ３０はテレ
セントリックな対物レンズＯＢｒの前側焦点面、すなわ
ち投影レンズＰＬの瞳ＥＰと共役な面の近傍に配置さ
れ、対物レンズＯＢｒから戻ってくる光の一部を結像用
レンズ３５の方へ反射する。ＣＣＤ撮像素子３７Ａ，３
７Ｂの受光面は対物レンズＯＢｒ、結像用レンズ３５に
よってレチクルＲと共役であり、同時に投影レンズＰＬ
を介してウェハＷ、又は基準板ＦＰとも共役である。
尚、ファイバー３４の射出端は投影レンズＰＬの瞳ＥＰ
と共役に配置され、ケーラー照明が行なわれる。本実施
例の場合、対物レンズＯＢｒとビームスプリッタ３０と
の間はアフォーカル系になっており、対物レンズＯＢｒ
とミラーＭ2 とを一体にして図２中で水平方向に可動に
することで、マークＲＭｒの位置偏光に対応することも
可能であるが、ここでは系の安定性を考慮して、ミラー
Ｍ2 がレチクルＲ上で想定されるパターン領域ＰＡの最
大寸法の外側に位置するように、固定配置にする。

【００３５】さて、ＣＣＤ素子３７Ａ，３７Ｂは、それ
ぞれ水平走査線がＸ方向とＹ方向になるように、互いに
９０°回わされており、十字線状のマークＲＭｒのＸ方
向の位置計測とＹ方向の位置計測とを別々に行なう。こ
れは通常のＣＣＤ素子では、水平方向と垂直方向の画素
分解能が異なるため、単一のＣＣＤ素子で水平方向と垂
直方向の両方のマーク像のずれを検出したときの分解能
の違いをさけるためである。画像処理ユニット３８は、
ＣＣＤ素子３７Ａ，３７Ｂの夫々からの画像信号（ビデ
オ信号）を入力して、基準板ＦＰ上の基準マークＦＭｒ
とレチクルＲ上のマークＲＭｒとの位置ずれ量を検出
し、この位置ずれ量の情報を主制御装置５に送る。

【００３６】以上の構成の他に、ウェハＷ上のグローバ
ルアライメントマーク、レジスト層中の潜像、あるいは
基準板ＦＰ上の各基準マークを検出するオフ・アクシス
方式のグローバルマーク検出系４０と、その処理ユニッ
ト４２とが設けられる。また、投影レンズＰＬの各種結
像特性を調整、ないしは補正するための調整ユニット５
０Ａ，５０Ｂが設けられ、主制御装置５によって統括制
御される。調整ユニット５０Ａは、例えば投影レンズＰ
Ｌ内の所定の空気室の圧力を制御することで、投影レン
ズＰＬの倍率、焦点位置、ディストーション等を変化さ
せる機能を有し、調整ユニット５０Ｂは投影レンズＰＬ
を構成する一部のレンズエレメント（例えばレチクル側
のフィールドレンズ）を光軸方向に微動させたり、傾け
たりする機能を有する。

【００３７】ところで、別波長ＴＴＲアライメント系と
露光光ＴＴＲアライメント系とは、好しくは図９に概略
的に示すように配置される。図９に示したレチクルＲの
ように、パターン領域ＰＡ周辺の遮光帯ＥＳＢの各辺に
は、図７に示したようなレチクル格子マーク領域Ａｕ，
Ａｌ，Ａｒ，Ａｄが形成される。マーク領域Ａｕ，Ａｄ
は図９中、Ｘ方向のアライメントに使われ、マーク領域
Ａｒ，ＡｌはＹ方向のアライメントに使われる。

【００３８】さらに遮光帯ＥＳＢの外側にはレチクルマ
ークＲＭｒと対称的な位置に同様のレチクルマークＲＭ
ｌが設けられる。従って、２つの露光光ＴＴＲアライメ
ント系の対物レンズＯＢｒ，ＯＢｌがダイクロイックミ
ラーＤＭの下でマークＲＭｒ，ＲＭｌを検出するように
配置され、４つの別波長ＴＴＲアライメント系の対物レ
ンズＯＢＪｕ，ＯＢＪｄ，ＯＢＪｒ，ＯＢＪｌがダイク
ロイックミラーＤＭを介してそれぞれマーク領域Ａｕ，
Ａｄ，Ａｒ，Ａｌを検出するように配置される。

【００３９】実際に別波長ＴＴＲアライメント系を使っ
てレチクルＲとウェハＷとをダイ・バイ・ダイアライメ
ントする場合、必らずしも４眼を同時に使う必要はな
く、３眼、もしくは２眼にしてもよい。これは、対応す
るウェハ上の１ショット領域分のマーク（ＷＭｕ，ＷＭ
ｄ，ＷＭｒ，ＷＭｌ）のうち欠損した部分があった場合
でも、最低限、Ｘ方向用の１眼とＹ方向用の１眼とが適
正に光電信号を出力していれば、そのショットのアライ
メントを実行することで、極力アライメントエラー（シ
ーケンスの中断）をさけることができるからである。

【００４０】次に、図９に示したレチクルＲのマーク配
置と、本実施例に好適な基準板ＦＰ上のマーク配置とを
図１０、図１１を参照して説明する。図１０は好適な一
例のレチクルＲのパターン配置であり、ここでは投影レ
ンズＰＬによって投影し得る最大寸法のパターン領域Ｐ
Ａを想定する。レチクルＲのパターン領域ＰＡの中心Ｒ
ｃｃを通りＸ軸と平行な線分上に、２つの十字状のレチ
クルマークＲＭｒ，ＲＭｌが設けられる。これらマーク
ＲＭｒ，ＲＭｌはそれぞれ対物レンズＯＢｒ，ＯＢｌの
視野のほぼ中心に設定される。また、図１０に示したレ
チクルＲでは、４ケ所のマーク領域Ａｕ，Ａｄ，Ａｒ，
Ａｌはともにレチクル中心Ｒｃｃから最も遠い位置に配
置され、図１０中に破線で示した矩形の領域Ｓｕ，Ｓ
ｄ，Ｓｒ，Ｓｌは、それぞれ別波長ＴＴＲアライメント
系の対物レンズＯＢＪｕ，ＯＢＪｄ，ＯＢＪｒ，ＯＢＪ
ｌの光軸（検出中心）の可動範囲の一例を示す。図１０
の場合、マーク領域Ａｕ，Ａｄ，Ａｒ，Ａｌはいずれも
対物レンズの可動範囲の最外位置に設けられている。

【００４１】図１０は一例であって、場合によっては対
物レンズＯＢＪｕ，ＯＢＪｄの可動範囲Ｓｕ，Ｓｄの間
に、対物レンズＯＢＪｒ，ＯＢＪｌの可動範囲Ｓｒ，Ｓ
ｌが左右から入り込んでくるようになっていてもよい。
また、図１１は基準板ＦＰ上の各マーク配置を示し、Ｘ
方向の左右に二重十字線状の基準マークＦＭｒ，ＦＭｌ
が設けられる。この２つのマークＦＭｒ，ＦＭｌの中心
間距離はレチクル上のマークＲＭｒ，ＲＭｌの中心間距
離に投影倍率（１／Ｍ）を乗じた値と等しく定められ
る。従って基準板ＦＰの中心Ｆｃｃをレチクル中心Ｒｃ
ｃの投影点と合致させると、マークＦＭｒの二重線の間
にレチクルマークＲＭｒが位置した状態で、それらが同
時に露光光ＴＴＲアライメント系の対物レンズＯＢｒに
よって観察され、マークＦＭｌの二重線の間にレチクル
マークＲＭｌが位置した状態で、それらが同時に対物レ
ンズＯＢｌによって観察される。

【００４２】さらに基準板ＦＰ上には、その中心Ｆｃｃ
とレチクル中心Ｒｃｃとを合致させたとき、レチクルＲ
上の可動範囲Ｓｕ，Ｓｄ，Ｓｒ，Ｓｌの夫々に対応した
位置、及び大きさになるように回折格子を刻線した基準
マーク領域Ｆｕ，Ｆｄ，Ｆｒ，Ｆｌが設けられる。例え
ば基準マーク領域Ｆｕには、ウェハＷ上のマークＷＭｕ
と同じに、Ｘ方向に一定ピッチで刻線された格子群が形
成され、レチクルＲ上のマーク領域ＡｕとのＸ方向の相
対位置ずれの検出に使われる。他の基準マーク領域Ｆ
ｄ，Ｆｒ，Ｆｌについても同様である。従って、レチク
ルＲが交換されてパターン領域ＰＡ（遮光帯ＥＳＢ）の
サイズが変ったとしても、レチクル上の各マーク領域Ａ
ｕ，Ａｄ，Ａｒ，Ａｌが可動範囲Ｓｕ，Ｓｄ，Ｓｒ，Ｓ
ｌの内側に存在する限り、マーク領域Ａｕと基準マーク
ＦｕのＸ方向のずれ、マーク領域Ａｄと基準マークＦｄ
のＸ方向のずれ、マーク領域Ａｒと基準マークＦｒのＹ
方向のずれ、及びマーク領域Ａｌと基準マークＦｌのＹ
方向のずれを、４眼（ＯＢＪｕ，ＯＢＪｄ，ＯＢＪｒ，
ＯＢＪｌ）で同時に検出することができる。

【００４３】また、図１１中で、左右の基準マークＦｒ
とＦｌを構成する複数の格子はＹ方向に関して一対一に
対応しており、上下の基準マークＦｕとＦｄを構成する
複数の格子はＸ方向に関して一対一に対応している。そ
して図１０に示したマーク領域ＡｕとＡｄのＸ方向の中
心間隔は、基準マークＦｕ，Ｆｄの格子ピッチの整数倍
だけ正確に離れ、マーク領域ＡｒとＡｌのＹ方向の中心
間隔は、基準マークＦｒ，Ｆｌの格子ピッチの整数倍だ
け正確に離れるように設定される。

【００４４】次に、本実施例の動作、すなわちディスト
ーョンを考慮した露光光ＴＴＲアライメント系と別波長
ＴＴＲアライメント系とのベースライン計測を説明す
る。まず始めに、任意のレチクル（例えば図１０）をレ
チクルステージＲＳ上にセットし、露光光ＴＴＲアライ
メント系のＣＣＤ素子３７Ａ，３７Ｂを用いて、レチク
ルマークＲＭｒ，ＲＭｌと基準板ＦＰのマークＦＭｒ，
ＦＭｌを撮像することで、レチクルアライメントを行な
う。

【００４５】次に、４つの別波長ＴＴＲアライメント系
の対物レンズＯＢＪｕ，ＯＢＪｄ，ＯＢＪｒ，ＯＢＪｌ
（金物１１）を、各マーク領域Ａｕ，Ａｄ，Ａｒ，Ａｌ
の夫々に対応した位置にセットした後、基準板ＦＰ上の
各基準マークＦｕ，Ｆｄ，Ｆｒ，Ｆｌを用いて各方向で
の２つのビームＬm1，Ｌm2の照射位置のずれや、２つの
ビームＬm1，Ｌm2のテレセン誤差をチェックする。その
チェックが終了すると、その位置で４つの別波長ＴＴＲ
アライメント系の夫々がレチクルＲと基準板ＦＰとの相
対位置ずれ量を求める。すなわち基準マークＦｕ（及び
Ｆｄ）とレチクルマークＡｕ（及びＡｄ）とのＸ方向の
ずれ量と、基準マークＦｒ（及びＦｌ）とレチクルマー
クＡｒ（及びＡｌ）とのＹ方向のずれ量を計測ユニット
２７を介して検出する。主制御装置５は、検出されたず
れ量に基づいて駆動部１、又はステージドライバー４を
制御して、レチクルステージＲＳ、又はウェハステージ
ＳＴをサーボ駆動する。本実施例の別波長ＴＴＲアライ
メント系は、レチクルマークと基準マークとが静止した
状態であっても、その相対位置ずれ量が逐次計測できる
ヘテロダイン方式であるため、計測ユニット２７は逐
次、位置ずれ量に応じた情報（Ｘ方向、Ｙ方向のシフ
ト、回転方向のずれ量）を出力し続ける。従って、４つ
の別波長ＴＴＲアライメント系の計測ユニット２７によ
って計測された全ての位相差Δφが零（又は一定値）に
なるように、レチクルＲと基準板ＦＰとがアライメント
され続ける。この別波長ＴＴＲアライメントの間、露光
光ＴＴＲアライメント系の画像処理ユニット３８はレチ
クルマークＲＭｒと基準マークＦＭｒとのＸ，Ｙ方向の
位置ずれ量（ΔＸｒ，ΔＹｒ）と、レチクルマークＲＭ
ｌと基準マークＦＭｌとのＸ，Ｙ方向の位置ずれ量（Δ
Ｘｌ，ΔＹｌ）とを逐次（一定の時間間隔で）出力し続
ける。ただし、ディストーションが大きい場合は、設計
値でそれによるずれ量を予めオフセット量として加えて
おく。こうして露光光ＴＴＲアライメント系で求められ
るずれ量（ΔＸｒ，ΔＹｒ）、（ΔＸｌ，ΔＹｌ）は、
別波長と露光光波長とのアライメント位置（マークＡ
ｕ，Ａｄ，Ａｒ，Ａｌ）でのディストーション差の平均
に相当する。ここで、さらに具体的に述べると、計測ユ
ニット２７によってレチクルマークＡｕ（基準マークＦ
ｕ）とＡｄ（基準マークＦｄ）の２つを検出した結果、
それらの位相差Δφがともに零になっていたとき、画像
処理ユニット３８が検出した位置ずれ量（ΔＸｒ，ΔＹ
ｒ）、（ΔＸｌ，ΔＹｌ）を記憶することを複数回行な
い、その記憶した結果を平均化することでレチクルＲと
基準板ＦＰとのディストーション差による総合的なアラ
イメント誤差（Ｘ，Ｙ，θ方向）が求められる。本実施
例の場合、別波長ＴＴＲアライメント系の４眼で同時に
レチクルＲと基準板ＦＰとをアライメントするため、ア
ライメントの結果として、レチクルＲと基準板ＦＰと
は、別波長による投影レンズＰＬのディストーション特
性に応じて、わずかにＸ方向、Ｙ方向、θ方向の誤差を
もつ。この誤差はレチクルマークＡｕ，Ａｄ，Ａｒ，Ａ
ｌの位置が変わらない限り、一定のオフセットと考えて
よい。そこで露光光ＴＴＲアライメント系でマークＲＭ
ｒ，ＲＭｌと基準マークＦＭｒ，ＦＭｌとのずれ量を検
出すると、そのずれ量には、露光光のもとでの投影レン
ズのマークＲＭｒ，ＲＭｌの位置におけるディストーシ
ョン量を含んだＸ，Ｙ，θ方向のオフセット量が計測さ
れることになる。

【００４６】従って、以後実際に別波長ＴＴＲアライメ
ント系でウェハＷ上のショットをアライメントするとき
には、そのオフセット量だけずれた位置が真のアライメ
ント達成位置になるように、レチクルステージＲＳ、又
はウェハステージＳＴを制御すればよい。上記Ｘ，Ｙ，
θ（回転）方向のディストーション差によるオフセット
量は主制御装置５内でユニット３８からのずれ量情報に
基づいて算出され、そのレチクルＲが再アライメントさ
れたり、交換されたりするまで記憶される。

【００４７】尚、投影レンズＰＬにおける別波長と露光
波長とのディストーション差は、調整ユニット５０Ｂを
駆動した時にも変化し得るので、ユニット５０Ｂを大き
く駆動した直後等に、基準板ＦＰを使って再度、オフセ
ット量を計測するのが望ましい。以上、本実施例によれ
ば、レチクルＲ上の４辺に別波長ＴＴＲアライメント用
のマーク領域Ａｕ，Ａｄ，Ａｒ，Ａｌを設け、基準板Ｆ
Ｐ上の対応する基準マークＦｕ，Ｆｄ，Ｆｒ，Ｆｌを同
時に検出しているため、別波長によるディストーション
の影響に起因したＴＴＲでの総合アライメント誤差が正
確に求められる。さらに本実施例では投影レンズＰＬを
介して、別波長ＴＴＲアライメント系と露光光ＴＴＲア
ライメント系とを同時に動作させると共に、ウェハステ
ージＳＴの干渉計３での計測値を全く使わないので、干
渉計３で問題となる雰囲気中の空気ゆらぎによる誤差が
介在せず、極めて高精度なオフセット量計測が可能とな
る。

【００４８】また、本実施例では、極めて高分解能のヘ
テロダイン方式の別波長ＴＴＲアライメント系を用いる
ため、例えば基準板ＦＰ上の回折格子のピッチを４μｍ
程度とすると、位相差検出範囲（±１８°）は±１μｍ
になり、ノイズ等を考慮した実用的な位相計測分解能を
±２°とすると、位置ずれ検出分解能は約±０．０１μ
ｍにもなる。

【００４９】従って、ヘテロダイン方式の別波長ＴＴＲ
アライメント系を使ってレチクルＲと基準板ＦＰとをア
ライメントサーボすると、極めて安定な位置決めが達成
される。ところで、本実施例の投影レンズＰＬは両側テ
レセントリックとしたが、これはもちろん片側テレセン
トリックでもよい。両側テレセントリックの投影レンズ
の場合、露光光ＴＴＲアライメント系の対物レンズの光
軸は、レチクル面と垂直になるとともに、投影レンズＰ
Ｌの瞳中心点を通る主光線とも一致する。このため、レ
チクル上のマークパターンが反射性のクロム層で作られ
ていると、このパターンからの正反射光がＣＣＤ素子に
よって強く検出されることがあり、レチクルマークＲＭ
ｒ，ＲＭｌと基準マークＦＭｒ，ＦＭｌとの両方が明る
くなることがある。また、石英ガラス等による基準板Ｆ
Ｐ全面をクロム層で覆い、基準マークＦＭｒ，ＦＭｌを
エッチング等で抜きパターンにした場合、基準マークＦ
Ｍｒ，ＦＭｌは黒く見えるが、その周囲は全て明るくな
ることがあり、レチクルマークＲＭｒ，ＲＭｌ自体のコ
ントラストが極めて低下することがある。このような場
合は、露光光ＴＴＲアライメント系の照明光路中、例え
ば図２中のビームスプリッタ３０とレンズ系３１との間
の瞳共役面に、輪帯状開口部を有する開口絞り（空間フ
ィルター）を設け、レチクルＲを暗視野照明するように
してもよい。この際、ＣＣＤ素子上には、レチクルマー
クＲＭｒ，ＲＭｌ、基準マークＦＭｒ，ＦＭｌの各エッ
ジのみが明るく輝く暗視野像が結像する。尚、その瞳共
役面に設ける空間フィルターは、同心で輪帯状にパター
ニングした液晶やエレクトロ・クロミック（ＥＣ）等で
構成し、暗視野照明や明視野照明を切り替えたり、照明
光の開口数を可変にしたりすることもできる。

【００５０】次に、図２の装置を用いた重ね合わせ精度
向上方法、特に号機間マッチングの向上方法について説
明する。図１２は投影レンズＰＬの露光波長のもとでの
ディストーション特性（破線）と、別波長（アライメン
ト光波長）のもとでのディストーション特性（一点鎖
線）とを、理想格子（実線）を基準として誇張して表わ
したものである。

【００５１】このようなディストーションマップは、例
えばテストレチクルを用いて試し焼きを行なって作るこ
とができる。ただし、別波長でのディストーションマッ
プは試し焼きでは作れず、先に述べた実施例と同様の手
法を併用することで作ることができる。まず始めに、パ
ターン領域内の理想格子点の夫々に重ね合わせ計測用の
バーニアマークを有するテストレチクルを用意し、この
テストレチクルを露光光ＴＴＲアライメント系によって
アライメントする。そして、露光用照明系内部のレチク
ルブラインドを全開にして、テストレチクルをダミーウ
ェハ（感光レジスト層やフォトクロミック層、光磁気媒
体等を塗布したベア・シリコンウェハ）上に露光する。

【００５２】次にテストレチクルの中心に設けられたバ
ーニアマークのみが照明されるようにレチクルブライン
ドを閉め、ウェハステージＳＴを理想格子点のピッチで
ステッピングさせては、先に露光されたテストレチクル
のバーニアマークの潜像と重ね合わせ露光する。この場
合、ウェハステージＳＴのステッピングは理想格子の分
割ピッチと一致していると考えられるので、初めに露光
された各バーニアマークの潜像と、２回目に重ね焼きし
たバーニアマークの潜像との重ね精度を計測することに
よって、理想格子を基準とした露光波長でのディストー
ション特性が求まる。この計測において、ダミーウェハ
上のバーニアマークの潜像は、図２に示したオフ・アク
シス方式のグローバルマーク検出系４０で検出してもよ
いし、バーニアマークの形状を工夫して、露光光ＴＴＲ
アライメント系で検出してもよい。また、通常のフォト
レジスト層を使ったダミーウェハの場合は、一度現像を
行なって、バーニアマークのレジスト像を作った後に、
別波長ＴＴＲアライメント系等で計測を行なってもよ
い。

【００５３】以上のようにして、理想格子点の夫々での
重ね合わせ誤差量を求め、各誤差量を最小２乗法で統計
処理して、Ｘ方向、Ｙ方向、θ方向の各オフセットを求
める。さらにそのオフセットから、図１２中に破線で示
したレチクルマークＲＭｒ、ＲＭｌの露光波長での像Ｒ
Ｍｒ’，ＲＭｌ’の理想位置（実線）からのずれ量（Δ
ＯＦx1, ΔＯＦy1）、（ΔＯＦx2, ΔＯＦy2）がシステ
ムオフセットとして推定できる。

【００５４】従って、レチクルマークＲＭｒ，ＲＭｌを
露光光ＴＴＲアライメント系でアライメントするとき、
そのシステムオフセットを加味することで、理想格子と
最も誤差の少ないディストーションマップ上で常に露光
ができることになる。さらに、露光波長のディストーシ
ョンと別波長のディストーションとの差分は、先の第１
実施例によって求めることができるから、その差分をさ
らに加味（補正）すれば、別波長ＴＴＲアライメント系
を使ったダイ・バイ・ダイアライメントであっても、理
想格子に最も近い状態でレチクルのパターンがウェハ上
のショット領域に重ね合わせ露光される。このことは、
１つの半導体製造ラインを構成する複数台のステッパー
の号機間のマッチングを理想格子基準にできることを意
味し、そのライン内でのマッチング精度が向上すること
になる。

【００５５】以上の実施例においては、図２に示したス
テッパーを用いることを前提としているため、露光光Ｔ
ＴＲアライメント系の検出中心は投影レンズの視野内で
固定された位置にある。そこで、図１２で説明したよう
に、予め露光波長でのディストーションマップが理想格
子と最も近時するように、レチクルアライメント時のシ
ステムオフセット（ΔＯＦx1, ΔＯＦy1）、（ΔＯＦx
2, ΔＯＦy2）を求めて補正した後に、別波長ＴＴＲア
ライメント系を用いてアライメント位置での別波長のデ
ィストーション誤差を求めるようにしてもよい。

【００５６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、別波長Ｔ
ＴＲアライメント系と露光光ＴＴＲアライメント系とを
分離し、投影光学系の像面に配置された基準マーク群を
同時に検出するように構成したため、別波長を使ったと
きのディストーション差を正確に計測することが可能と
なる。すなわち投影光学系を介した露光波長のアライメ
ント光と別波長のアライメント光とが時間的に全く同時
に各ＴＴＲアライメント系で検出されるため、光路内の
微妙な空気ゆらぎ、温度分布のゆらぎ等による計測誤差
を共通に含むことになり、相殺することが可能になる。
また、ウェハステージ等を走らせながら、レーザ干渉計
計を頼りに計測する方法ではないので、レーザ干渉計自
体の計測精度（再現性）に左右されないといった利点も
ある。

【００５７】また本発明においては、基準マーク群を使
って複数本のＴＴＲアライメント系を同時に働かせるこ
とができるので、ＴＴＲアライメント系の対物レンズの
移動の際のビーム位置決めや、テレセンチェック、フォ
ーカスチェックも同時に実施でき、ＴＴＲアライメント
系の設定のスループット向上にも役立つといった利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるステッパーの原理的な構
成を示す斜視図。

【図２】本発明の実施例によるステッパーの詳細な構成
を示す図。

【図３】別波長ＴＴＲアライメント系の光学系を説明す
る図。

【図４】別波長ＴＴＲアライメント系の光学系を説明す
る図。

【図５】別波長ＴＴＲアライメント系の光学系を説明す
る図。

【図６】（Ａ）はレチクル用基準格子を示す平面図。
（Ｂ）はウェハ用視野絞りを示す平面図。

【図７】レチクル格子マークの配置を示す平面図。

【図８】ウェハ格子マークの配置を示す平面図。

【図９】別波長ＴＴＲアライメント系と露光波長ＴＴＲ
アライメント系との実用的な配置を示す斜視図。

【図１０】実用的なレチクルのパターン配置を示す平面
図。

【図１１】基準マーク板上のパターン配置を示す平面
図。

【図１２】露光光、別波長の夫々によるディストーショ
ン特性を示す図。

【符号の説明】

Ｒ・・・レチクル、ＲＭｒ，ＲＭｌ・・・レチクルマー
ク、ＰＬ・・・投影レンズ、ＯＢＪｕ，ＯＢＪｄ，ＯＢ
Ｊｒ，ＯＢＪｌ・・・別波長ＴＴＲアライメント系の対
物レンズ、Ａｕ，Ａｄ，Ａｒ，Ａｌ・・・別波長ＴＴＲ
アライメント用のレチクルマーク、ＯＢｒ，ＯＢｌ・・
・露光光ＴＴＲアライメント系の対物レンズ、ＦＰ・・
・基準板、ＳＴ・・・ウェハステージ、ＦＭｒ，ＦＭｌ
・・・露光光ＴＴＲアライメント用の基準マーク、Ｆ
ｕ，Ｆｄ，Ｆｒ，Ｆｌ・・・別波長ＴＴＲアライメント
用の基準マーク

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

【手続補正書】

【提出日】平成１０年１月７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】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】本発明は、投影光学系に起因して生じるア
ライメントオフセットを高精度に検知して補正する別波
長アライメント系を用いて、感応基板上に形成されたチ
ップパターンにマスクのパターンを精度良く重ね合わせ
て転写することができる投影露光装置及び方法を提供す
ることを目的とする。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、露光用照明光をマスク（Ｒ）に照射する
照明光学系と、露光用照明光に関して収差補正された投
影光学系（ＰＬ）とを備え、投影光学系（ＰＬ）を介し
てマスク（Ｒ）のパターンを感応基板（Ｗ）上に転写す
る投影露光装置に適用される。そして本発明では、露光
用照明光と波長が異なる第１アライメント光（Ｌｍ１、
Ｌｍ２）を基準マーク（Ｆｕ）に照射し、投影光学系
（ＰＬ）を介して第１基準マークから生じる光情報（Ｂ
Ｔ）を第１アライメント系（別波長アライメント系ＡＯ
２ｘ）で検出するとともに、露光用照明光とほぼ同一波
長の第２アライメント光（露光用照明光）を基準マーク
（ＦＭｒ）とマスク（Ｒ）上のマーク（ＲＭｒ）とに照
射し、投影光学系（ＰＬ）を介してその２つのマーク
（ＦＭｒ、ＲＭｒ）を第２アライメント系（露光光アラ
イメント系ＡＯ１）で検出する。ここで、第１アライメ
ント系（ＡＯ２ｘ）によって検出される基準マーク（Ｆ
ｕ）と、第２アライメント系（ＡＯ１）によって検出さ
れる基準マーク（ＦＭｒ）とは、その検出が同時に行わ
れるように所定の位置関係で基準板（ＦＰ）に形成して
おくことが好ましい。さらにアライメントコントローラ
（５）は、第１及び第２アライメント系から出力される
情報（ΔＸｒ）に基づいて第１アライメント系のベース
ラインを決定する。また、調整装置（５０Ａ）による投
影光学系の光学特性の調整、又は駆動部（１０）による
第１アライメント系の位置の調整後に、アライメントコ
ントローラ（５）がベースラインを決定することが好ま
しい。さらに、第１及び第２アライメント系（ＡＯ２
ｘ、ＡＯ１）でそれぞれ基準マーク（Ｆｕ、ＦＭｒ）を
検出している間は、基準板（ＦＰ）をほぼ静止させてお
くことが好ましい。ここで、本発明の第１アライメント
系、又は第１マーク検出系として別波長ＴＴＲアライメ
ント系を用いるものとし、図１を参照して本発明の原理
を説明する。図１はステッパーの構成を模式的に表し、
レチクルＲの回路パターン領域ＰＡは、両側テレセント
リックな投影レンズＰＬによってウェハ（図１には図示
せず）上の１つのショット領域に投影される。レチクル
Ｒのパターン領域ＰＡの周辺には、別波長（波長λ２）
の照明光を用いるＴＴＲアライメント系ＡＯ２ｘ、ＡＯ
２ｙによって検出されるマークＡｕ、Ａｌが設けられて
いる。アライメント系ＡＯ２ｘで検出されるマークＡｕ
はＸ方向のアライメント用であり、アライメント系ＡＯ
２ｙで検出されるマークＡｌはＹ方向のアライメント用
であり、それぞれパターン領域ＰＡのＸ方向に延びる辺
部とＹ方向に延びる辺部とに形成される。また、別波長
ＴＴＲアライメント系ＡＯ２ｘ、ＡＯ２ｙはＸ、Ｙ方向
にアライメント位置を移動させることができる。さら
に、レチクルＲのパターン領域ＰＡの外側で投影レンズ
ＰＬの視野内には、露光波長λ１の照明光を用いるＴＴ
Ｒアライメント系ＡＯ１によって検出されるマークＲＭ
ｒが形成されている。このマークＲＭｒは、パターン領
域ＰＡのサイズが異なるレチクルでも常に一定のところ
に固定配置される。そして、露光時にパターン領域ＰＡ
を均一照明する露光光が、ＴＴＲアライメント系ＡＯ１
の先端部で遮光されないように定められている。従っ
て、パターン領域ＰＡのサイズが異なるレチクルに交換
する場合であっても、ＴＴＲアライメント系ＡＯ１は移
動させる必要がなく、装置上に固定しておくことができ
る。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】そして、図１のようにマークＲＭｒと基準
マークＦＭｒとがＴＴＲアライメント系ＡＯ１で同時に
検出されるように基準板ＦＰを位置決めしたとき、例え
ばマークＡｕと基準マークＦｕとをＴＴＲアライメント
系ＡＯ２ｘで同時に検出する。基準板ＦＰ上での基準マ
ークＦＭｒ、Ｆｕの位置関係と、レチクルＲ上でのマー
クＲＭｒ、Ａｕの位置関係とは予め正確にわかっている
から、別波長ＴＴＲアライメント系ＡＯ２ｘで検出され
たアライメント誤差量と、露光波長ＴＴＲアライメント
系ＡＯ１で検出されたアライメント誤差量との差は、マ
ークＡｕの位置での色収差に起因したＸ方向のフオセッ
ト量である。

【手続補正５】

【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】従って、このオフセット量を記憶しておけ
ば、後でＴＴＲアライメント系ＡＯ２ｘを用いてレチク
ルＲとウェハＷとをアライメントする際に、容易にその
補正を行うことができる。このように別波長アライメン
ト系と露光波長アライメント系とを互いに独立にしつ
つ、同時にマーク検出動作を行う構成とすることによっ
て、より厳密にディストーションの影響を補正すること
が可能となる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、露光光と
波長が異なる照明光を使用し、投影光学系を介して感応
基板上のアライメントマークを検出する別波長アライメ
ント系であってもそのベースライン量、即ち別波長アラ
イメント系を用いたマスクと感応基板とのアライメント
時に生じるオフセット量を精度良く検出してその補正を
容易に行うことができる。特に、別波長アライメント系
と露光波長アライメント系とを分離し、投影光学系の像
面に配置された基準マークを同時に検出するように構成
するときには、別波長を使ったときのディストーション
差を正確に計測することが可能となる。即ち、投影光学
系を介した露光波長のアライメント光と別波長のアライ
メント光とが、時間的に全く同時に各アライメント系で
検出されることになる。このため、光路内の微妙な空気
ゆらぎ、温度分布のゆらぎ等による計測誤差を共通に含
むことになり、相殺することが可能になる。また、別波
長アライメント系と露光波長アライメント系とで基準マ
ークを検出している間はその基準板が静止しており、ウ
ェハステージ等を走らせながらレーザ干渉計を頼りに計
測する方法ではないので、レーザ干渉計自体の計測精度
（再現性）に左右されないといった利点もある。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５７】また、本発明においては、基準マークを使
って複数本の別波長アライメント系を同時に働かせるこ
とができるので、別波長アライメント系の対物レンズの
移動に伴うビームの位置決め、テレセンチェック、及び
フォーカスチェックも同時に実施でき、別波長アライメ
ント系の設定（調整）のスループット向上にも役立つと
いった利点がある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 露光用照明光をマスクに照射する照明光
   学系と、前記露光用照明光に関して収差補正された投影
   光学系とを備え、前記投影光学系を介して前記マスクの
   パターンを感応基板上に転写する投影露光装置におい
   て、前記露光用照明光と波長が異なる第１アライメント
   光を、前記投影光学系の像面側に配置される第１基準マ
   ークに照射するとともに、前記投影光学系を介して前記
   第１基準マークから生じる光情報を検出する第１アライ
   メント系と、前記露光用照明光とほぼ同一波長の第２ア
   ライメント光を、前記マスク上のマークと、前記投影光
   学系の像面側に配置される第２基準マークとに照射し、
   前記投影光学系を介して前記２つのマークを検出する第
   ２アライメント系と、前記第１及び第２アライメント系
   がそれぞれ前記第１及び第２基準マークを同時に検出す
   るように、前記第１及び第２基準マークが所定の位置関
   係で形成された基準板とを備えたことを特徴とする投影
   露光装置。
2. 【請求項２】 露光用照明光をマスクに照射し、投影光
   学系を介して前記マスクのパターンを感応基板上に転写
   する投影露光方法において、 第１及び第２基準マークが形成された基準板を前記投影
   光学系の像面側に配置し、前記露光用照明光と波長が異
   なる第１アライメント光を用いる第１アライメント系に
   よって、前記投影光学系を介して前記第１基準マークを
   検出すると同時に、前記露光用照明光とほぼ同一波長の
   第２アライメント光を用いる第２アライメント系によっ
   て、前記投影光学系を介して前記マスク上のマークと前
   記第２基準マークとを検出して、前記第１アライメント
   系のアライメントオフセットを決定することを特徴とす
   る投影露光方法。