JPH1022207A

JPH1022207A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH1022207A
Application number: JP8177603A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 1998-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】多波長ＬＩＡ方式で格子状のマークの位置検
出を行う場合に、検出光を形成する複数波長の光束の強
度が互いに異なる場合であっても、正確な平均化効果に
よって高精度にそのマークの位置検出を行う。【解決手段】異なる波長の３対の光束Ｌ_1p，Ｌ_1m，Ｌ
_2p，Ｌ_2m，Ｌ_3p，Ｌ_3mを対物レンズ７等を介してウエハ
Ｗ上のアライメントマーク９に照射し、アライメントマ
ーク９から発生する±１次回折光Ｌｄを対物レンズ７等
を介して光電検出器ＰＤで受光し、光電検出器ＰＤから
出力される合成ビート信号Sig を周波数分離器２０に通
して、各波長毎のビート信号Sig1，Sig2，Sig3を分離
し、これらのビート信号Sig1，Sig2，Sig3を用いて各波
長毎にアライメントマーク９の位置を検出する。

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
方式で格子状マークの位置を検出する位置検出装置に関
し、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、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
ソグラフィ工程でマスクパターンを感光基板上に転写す
るために用いられる投影露光装置に備えられ、感光基板
上のアライメントマークの位置を検出するためのアライ
メントセンサに使用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子等を製造する際に、マ
スクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）に形成さ
れた転写用パターンの像を、投影光学系を介して感光基
板としての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）上の各ショット領域に投影する投影露
光装置が使用されている。このような投影露光装置にお
いては、露光に先立ってレチクルとウエハ上の各ショッ
ト領域との位置合わせ（アライメント）を高精度に行う
必要がある。そのため、ウエハ上の各ショット領域の近
傍にはそれまでの工程においてアライメントマーク（ウ
エハマーク）が形成されており、アライメントセンサに
よってそのアライメントマークの位置を検出すること
で、ウエハの各ショット領域（より正確には各ショット
領域内に形成されている回路パターン）の正確な位置を
検出できるようになっている。

【０００３】従来のアライメントセンサ中で、特に高精
度に位置検出を行うことができるセンサの方式として、
例えば特開平２−２２７６０２号公報で開示されている
ように、回折格子状のアライメントマークに対して可干
渉で僅かに周波数の異なる１対のレーザビームを検出光
として照射し、そのマークから同一方向に発生する１対
の回折光からなる干渉光（ヘテロダインビーム）を光電
変換して得られるビート信号の位相に基づいて、そのマ
ークの位置を検出する所謂２光束ヘテロダイン干渉方式
が知られている。以下ではその２光束ヘテロダイン干渉
方式を、「ＬＩＡ（Laser Interferometric Alignment)
方式」と呼ぶ。

【０００４】これに関して、一般にウエハの表面に形成
されるアライメントマークは段差を有する凹凸マークで
あるが、半導体加工工程のエッチングやスパッタリング
等のプロセスにより、あるいはフォトレジストの塗布む
らにより、多少の非対称性を有している。そして、この
非対称性が位置検出精度を低下させる。ＬＩＡ方式にお
いては、アライメントマークの非対称性はそのマークの
振幅反射率の非対称性として位置検出精度に悪影響を及
ぼす。即ち、アライメントマークに非対称性（中心に関
して対称な位置でのマークの深さの差、あるいはレジス
ト厚の差）があると、そのマークの振幅反射率（深さ及
びレジスト厚により絶対値及び位相が変化する）に非対
称性が生じる。この結果、そのマークより発生する回折
光も、所定方向（これを＋方向とする）に生じる＋１次
回折光と、それとは逆の方向に生じる−１次回折光とで
強度や位相が異なったものとなってしまう。この内、強
度の相違は位置検出精度に影響を及ぼさないが、位相の
相違により位置検出値に大きな誤差を生じることにな
る。

【０００５】ところで、アライメントマークの振幅反射
率はそのマークの深さ及びレジスト厚だけでなく、検出
光の波長によっても大きく変動する。そのため、ＬＩＡ
方式のアライメントセンサの検出光が単色光である場合
には、レジスト厚や、アライメントマークの段差等のマ
ーク形状によって、そのマークから発生する特定次数の
回折光からなる干渉光の強度が低下して、そのマークの
位置の検出精度が極端に悪化することがある。

【０００６】図１０は、そのように単色の検出光を用い
て、所定膜厚のフォトレジストが塗布されたウエハ上の
所定段差の回折格子状のアライメントマークの位置をＬ
ＩＡ方式で検出する場合の検出誤差のシミュレーション
結果を示し、この図１０において、横軸は検出光の波長
（μｍ）を示している。そして、点線の曲線５８Ｂは、
そのマークから垂直上方に発生する±１次回折光よりな
る干渉光（ビート周波数で強度が正弦波状に変化してい
る光束）の光量変化の振幅を示し、これに対応する図１
０の縦軸はその光量変化の振幅の相対値を表す。また、
実線の曲線５８Ａは、その干渉光の位相より検出される
マーク位置の検出誤差を示し、これに対応する図１０の
縦軸はその検出誤差（μｍ）を表している。

【０００７】なお、図１０、及び後述の図１１に示した
シミュレーション結果は、共に或る程度の非対称性を持
ったアライメントマークについての解析結果である。図
１０より分かるように、その干渉光の振幅（曲線５８
Ｂ）が小さくなると、そのマーク位置の検出誤差（曲線
５８Ａ）が大きくなる。図１０のマーク条件下では、検
出光の波長が０．６３３μｍ、即ちＨｅ−Ｎｅレーザ光
の波長であるときに、干渉光の光量変化の振幅が極端に
小さくなって、マーク位置の検出誤差が非常に大きくな
ってしまう。

【０００８】そこで、或る単一の波長で干渉光の光量変
化の振幅が極端に小さくなるようなマーク条件下での検
出精度の悪化を避けるために、検出光を複数波長化し
て、これら複数の波長毎の干渉光を同時に受光し、合成
された干渉光の光量変化に基づいてアライメントマーク
の位置を検出する所謂「多波長ＬＩＡ方式」が提案され
ている。検出光の波長を複数とすれば、各波長によって
そのマークの振幅反射率が異なり、ひいては位置検出結
果も異なったものとなる。従って、検出光の波長を複数
とし、実質的に各々より得られる位置検出値を平均化す
ることにより、より高精度の位置検出が可能となる。具
体的に、図１０のマーク条件下では、検出光を例えばＨ
ｅ−Ｎｅレーザ光（波長：０．６３３μｍ）と、波長が
０．６７０μｍの半導体レーザ光との２色とし、Ｈｅ−
Ｎｅレーザ光での干渉光の光量変化の振幅が小さい場合
には、主に半導体レーザ光よりなる干渉光に基づいて位
置検出を行うことによって、平均化効果でマーク位置を
高精度に検出することができる。

【０００９】あるいは、特定のただ１組の次数方向への
回折光のみを検出するのではなく、例えば１次回折光同
士（±１次回折光）の第１の干渉光、０次光と＋２次回
折光との第２の干渉光、及び０次光と−２次回折光との
第３の干渉光を検出し、３個の干渉光の光電変換信号の
位相に基づいてアライメントマークの位置を検出する方
式（以下、「複数次数ＬＩＡ方式」と呼ぶ）も提案され
ている。この場合の信号処理方法としては、例えば第１
の干渉光より１次回折光に基づく第１の位置検出値を求
め、第２の干渉光及び第３の干渉光より得られた２つの
位置検出値の平均値を、０次光と２次回折光とに基づく
第２の位置検出値とする。そして、第１の干渉光の光電
変換信号の振幅と、第２及び第３の干渉光の光電変換信
号の振幅の平均値とを比較し、振幅の大きい方の位置検
出値を採用すればよい。

【００１０】図１１（ａ）及び（ｂ）は、異なる次数方
向への回折光を用いてＬＩＡ方式で位置検出を行う場合
の検出誤差のシミュレーション結果を示し、図１１
（ａ）及び（ｂ）の横軸はアライメントマークの段差
（マーク段差）（μｍ）、縦軸は検出誤差（μｍ）を示
している。そして、図１１（ａ）の点線の曲線５９Ｂ
は、そのマークから発生する±１次回折光よりなる干渉
光の光量変化の振幅（相対値）を示し、実線の曲線５９
Ａは、その干渉光より検出されるマーク位置の検出誤差
を示している。また、図１１（ｂ）の点線の曲線６０Ｂ
は、そのマークから発生する０次光及び２次回折光より
なる干渉光の光量変化の振幅（相対値）を示し、実線の
曲線６０Ａは、その干渉光より検出されるマーク位置の
検出誤差を示している。

【００１１】図１１に示すとおり、各回折次数の干渉光
の光量変化の振幅は、マーク段差等の検出対象のマーク
形状の微妙な変化により大きく変動する。例えば、図１
１（ａ）より分かるように、マーク段差が１．０８μｍ
のとき、±１次回折光よりなる干渉光の振幅（曲線５９
Ｂ）は極めて小さくなり、その結果、±１次回折光によ
る検出誤差（曲線５９Ａ）は極めて大きくなる。しか
し、同じマーク段差であっても図１１（ｂ）に示すとお
り、０次光と２次回折光との干渉光の振幅（曲線６０
Ｂ）は比較的大きく、その結果２次回折光による検出誤
差（曲線６０Ａ）も小さくなっている。従って、その複
数次数ＬＩＡ方式によれば、マーク段差等が変化しても
高精度にマーク位置を検出することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
多波長ＬＩＡ方式によれば、マーク形状の異なるアライ
メントマークに対しても平均化効果によって高精度に位
置検出を行うことができる。しかしながら、従来の多波
長ＬＩＡ方式では、複数波長の干渉光を同時に同一の光
電検出器で検出しているため、検出光を形成する複数波
長の光束の強度が互いに異なる場合に、マーク位置の検
出結果が強度の最も強い波長の光束による検出結果側に
ずれて、本来の平均化効果が得られないという不都合が
あった。

【００１３】また、従来の複数次数ＬＩＡ方式を使用す
る場合でも、更に検出光を複数波長化することによっ
て、平均化効果で検出精度が向上することが予想され
る。しかしながら、例えば０次光と＋２次回折光との干
渉光、及び０次光と−２次回折光との干渉光をそれぞれ
複数波長化して受光しようとすると、複数波長の回折光
によって干渉光の光量変化が相殺されて、全波長につい
て合成された０次光と２次回折光との干渉光の光電変換
信号の振幅が小さくなり、高精度に位置検出を行うこと
ができない場合があった。

【００１４】本発明は斯かる点に鑑み、多波長ＬＩＡ方
式で格子状のマークの位置検出を行う場合に、検出光を
形成する複数波長の光束の強度が互いに異なる場合であ
っても、正確な平均化効果によって高精度にそのマーク
の位置検出を行うことができる位置検出装置を提供する
ことを目的とする。更に本発明は、多波長ＬＩＡ方式
で、且つ複数次数ＬＩＡ方式の位置検出を行う場合に、
異なる組の次数毎にそれぞれ正確な平均化効果を得て高
精度に位置検出を行うことができる位置検出装置を提供
することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の位置
検出装置は、例えば図１及び図２に示すように、被検物
（Ｗ）上に形成された格子状の位置検出マーク（９）に
対して、それぞれ互いにコヒーレントで所定の周波数差
を有する第１及び第２の光ビームよりなり互いに波長の
異なる複数対の光ビーム（Ｌ_1p，Ｌ_1m，Ｌ_2p，Ｌ_2m，Ｌ
_3p，Ｌ_3m）を照射し、それら互いに波長の異なる複数対
の光ビームのそれぞれについて、位置検出マーク（９）
より所定の同一方向に発生する複数の回折光よりなる干
渉光（Ｌｄ）を受光し、この受光された干渉光に基づい
て位置検出マーク（９）の位置を検出する位置検出装置
において、位置検出マーク（９）に照射される複数対の
光ビームの各対を互いに異なる周波数差で変調する変調
手段（Ａ_1p，Ａ_1m，Ａ_2p，Ａ_2m，Ａ_3p，Ａ_3m）と、それ
ら互いに波長の異なる複数対の光ビームのそれぞれにつ
いて位置検出マーク（９）より発生する干渉光（Ｌｄ）
をまとめて受光する光電検出器（ＰＤ）と、この光電検
出器による光電変換信号（Sig ）よりその変調手段にお
ける互いに異なる周波数差に対応した異なる周波数の複
数の信号成分（Sig1，Sig2，Sig3）を抽出するフィルタ
手段（２０）と、を備え、このフィルタ手段からの複数
の信号成分に基づいて位置検出マーク（９）のそれら異
なる波長毎の位置を求めるものである。

【００１６】斯かる本発明によれば、互いに波長の異な
る複数対の光ビームを用いることによって、多波長ＬＩ
Ａ方式で位置検出マーク（９）の位置検出が行われる。
検出光の波長を複数とすれば、各波長によって位置検出
マーク（９）の振幅反射率が異なり、ひいては位置検出
結果も異なったものとなる。従って、複数波長の干渉光
の各々より得られる位置検出値を例えば平均化すること
により、より高精度の位置検出が可能となる。この際に
問題となるのは、位置検出マーク（９）より同一方向に
発生する干渉光より、如何にして各波長毎の信号成分
（ビート信号）を取り出すかである。例えばダイクロイ
ックミラー等の波長選択素子を用いて干渉光の段階で波
長毎に分離する方法も考えられるが、この方法では検出
光学系が複雑化し、且つ大型化してしまう。

【００１７】本発明では検出光学系を簡素化するため、
位置検出マーク（９）に照射される波長の異なる複数対
の光ビームを波長毎に異なる周波数差で周波数変調す
る。ＬＩＡ方式では、位置検出マーク（９）に照射され
る各対の光ビームは所定の周波数差を有し、この周波数
差が得られるビート信号の周波数（ビート周波数）とな
るため、本発明では波長毎のビート周波数が異なるよう
になる。従って、合成された干渉光を光電検出器（Ｐ
Ｄ）で受光し、光電検出器（ＰＤ）から出力される光電
変換信号を例えばそれぞれ異なるビート周波数の信号を
通過させる複数のバンドパスフィルタ回路に供給するこ
とによって、各波長毎のビート信号が得られ、これらの
ビート信号の位相より各波長毎の位置検出マーク（９）
の位置が求められる。その後、各波長毎の位置を例えば
平均化することで、位置検出マーク（９）の位置が高精
度に検出される。

【００１８】この場合、位置検出マーク（９）のそれら
異なる波長毎の位置に、光電検出器（９）による光電変
換信号より抽出したそれら複数の信号成分中の対応する
信号成分の振幅の大きさ、及び位置検出マーク（９）に
照射されるそれら複数対の光ビーム中の対応する光ビー
ムの強度の逆数にそれぞれ比例する重みを乗じて平均し
た加重平均をもって、位置検出マーク（９）の位置とす
ることが望ましい。

【００１９】これに関して、既に説明した通り、一般に
或る波長の干渉光の光量変化の振幅、ひいてはその波長
の信号成分の振幅が小さいと、その波長による位置検出
値は大きな誤差を含んでいる確率が高い。従って、その
波長の信号成分の振幅に比例する重みをその波長の検出
値に乗ずることで、その検出値の重み付けが行われる。
但し、その信号成分の振幅は、位置検出マーク（９）に
照射される段階でのその波長の光ビームの強度にも比例
するため、この照射段階での光ビームの強度をも計測し
ておき、この強度の逆数でその重みを補正することによ
って、より正確な重み付けが行われる。このような重み
付けを行った各波長毎の位置検出値を平均化する（加重
平均する）ことによって、上記の大きな誤差を含んでい
る確率が高い波長による位置検出値には、平均化時に自
動的な小さな重みしかかからず、最終的な位置検出マー
ク（９）の位置検出値として、より高精度な結果を得る
ことができる。

【００２０】次に、本発明による第２の位置検出装置
は、その第１の位置検出装置において、例えば図６に示
すように、その光電検出器（ＰＤ）を第１の光電検出器
とし、この第１の光電検出器（ＰＤ）の光電変換信号
（Sig)に基づいて求められる位置検出マーク（９）の位
置を第１の位置として、それら互いに波長の異なる複数
対の光ビームのそれぞれについて位置検出マーク（９）
よりその所定の同一方向とは異なる同一方向に発生する
干渉光（Ｌｄ２０）をまとめて受光する第２の光電検出
器（ＰＤ２０）を設け、この第２の光電検出器による光
電変換信号（Sig20)より抽出されたその変調手段におけ
る互いに異なる周波数差に対応した異なる周波数の複数
の信号成分に基づいて、位置検出マーク（９）のその異
なる波長毎の第２の位置を求めるものである。

【００２１】この第２の位置検出装置によれば、多波長
ＬＩＡ方式で、且つ複数次数ＬＩＡ方式で位置検出が行
われる。この際に、第１の光電検出器（ＰＤ）に向かう
干渉光（例えば±１次回折光よりなる）とは異なる方向
に発生する干渉光（Ｌｄ２０）（例えば０次光と＋２次
回折光よりなる）についても、各波長毎に異なる周波数
差で変調されているため、信号処理段階で容易に各波長
毎のビート信号に分離できる。従って、後者の干渉光に
ついても、複数波長の回折光の相殺効果でマーク位置が
検出できないという恐れは全くなくなり、正確な平均化
効果を得て高精度に位置検出を行うことができる。この
場合にも、更に各波長毎の信号成分の振幅で重み付けを
して加重平均を行うことによって、より正確に位置検出
が行われる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による位置検出装置
の第１の実施の形態につき図面を参照して説明する。本
例は、投影露光装置に備えられたオフ・アクシス方式
で、且つ多波長ＬＩＡ方式のアライメントセンサに本発
明を適用したものである。先ず、図９は本例のアライメ
ントセンサを備えたステッパー型の投影露光装置の一例
を示し、この図９において、照明光学系５１からの露光
用の照明光（水銀ランプのｉ線等の輝線、又はエキシマ
レーザ光等）ＩＬはレチクルＲの下面（パターン形成
面）のパターンを均一な照度分布で照明し、そのパター
ンが投影光学系ＰＬにより投影倍率β（βは例えば１／
５）で縮小されて、フォトレジストが塗布された半導体
ウエハ（以下、単に「ウエハ」という）Ｗ上の各ショッ
ト領域に投影される。以下では、投影光学系ＰＬの光軸
ＡＸＰに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図９
の紙面に平行にＸ軸を取り、図９の紙面に垂直にＹ軸を
取って説明する。

【００２３】レチクルＲは、このレチクルＲをＸ方向、
Ｙ方向に位置決めすると共に、所望の角度だけ回転して
固定するレチクルステージ５２上に保持されている。一
方、ウエハＷは不図示のウエハホルダを介してウエハス
テージ１０に保持されている。ウエハステージ１０は、
Ｘ方向及びＹ方向にウエハＷの位置決めを行うと共に、
ウエハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）を制御し、
且つウエハＷの傾斜角の補正を行う。また、ウエハステ
ージ１０の上面にその表面がウエハＷの表面と同じ高さ
になるように基準マーク部材５７が固定され、基準マー
ク部材５７の表面にベースライン量（レチクルＲのパタ
ーン像の中心とアライメントセンサの検出中心との間
隔）の計測等に用いられる基準マークが形成されてい
る。

【００２４】更に、ウエハステージ１０上に固定された
移動鏡１１と、対向するように配置されたレーザ干渉計
１２とによりウエハステージ１０（ウエハＷ）のＸ座
標、及びＹ座標が常時０．０１μｍ以下の分解能で計測
されている。このようにレーザ干渉計１２により計測さ
れる座標に基づいて定まる座標系を、ステージ座標系
（Ｘ，Ｙ）と呼ぶ。レーザ干渉計１２により計測された
座標は装置全体の動作を統轄制御する主制御系５３に供
給され、その供給された座標に基づいて主制御系５３
は、ウエハステージ駆動系５４を介してウエハステージ
１０の位置決め動作を制御する。具体的に、ウエハＷ上
の或るショット領域への露光が終了すると、ウエハステ
ージ１０のステッピング動作によって次のショット領域
を投影光学系ＰＬの露光フィールド内に位置決めして露
光を行うという、ステップ・アンド・リピート方式で露
光が行われる。

【００２５】また、図９の投影露光装置には、ウエハＷ
上の各ショット領域に付設された位置検出マークとして
のアライメントマーク（ウエハマーク）の座標を検出す
るための、オフ・アクシス方式で且つ多波長ＬＩＡ方式
のアライメントセンサが設けられ、このアライメントセ
ンサはアライメント光学系５５、及び信号処理系５６よ
り構成されている。このアライメントセンサの詳細な構
成については後述する。

【００２６】検出対象のアライメントマークに対するア
ライメント光学系５５からの検出信号ＤＳは、信号処理
系５６に供給され、信号処理系５６では、その検出信号
ＤＳを処理して各波長毎の位置情報を求め、この位置情
報を主制御系５３に供給する。主制御系５３ではその位
置情報に基づいて、検出対象のアライメントマークの座
標を求める。そして、主制御系５３では、例えばウエハ
Ｗ上の所定個数のショット領域（サンプルショット）に
付設されたアライメントマークの座標の計測値、及びそ
れらアライメントマークの設計上の配列座標より所謂エ
ンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）方式
で、ウエハＷ上の全部のショット領域のステージ座標系
での配列座標を算出する。

【００２７】また、アライメント光学系５５の検出中心
からレチクルＲのパターン像の中心（露光中心）までの
距離であるベースライン量は、予め基準マーク部材５７
を用いて求められて主制御系５３内の記憶装置に記憶さ
れている。従って、主制御系５３は、算出された配列座
標をそのベースライン量で補正して得られた座標に基づ
いてウエハステージ１０を駆動することにより、ウエハ
上の各ショット領域に高い重ね合わせ精度でレチクルの
パターン像を転写できる。

【００２８】次に、図１〜図５を参照して、本例の多波
長ＬＩＡ方式のアライメントセンサのアライメント光学
系５５、及び信号処理系５６の構成につき詳細に説明す
る。以下では計測方向がＸ方向（Ｘ軸に平行な方向）の
アライメントマークを検出する機構につき説明するが、
計測方向をＹ方向とするアライメントマークについても
同様の機構で検出される。

【００２９】図１は、本例のアライメント光学系５５の
要部の概略構成、及び信号処理系５６を示し、図２はそ
のアライメント光学系５５の光源系を示す。先ず、図２
の光源系において、互いに発振波長の異なる３つのレー
ザ光源６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃから射出された異なる波
長λ₁,λ₂,λ₃のレーザビームＬ₁₀，Ｌ₂₀，Ｌ₃₀は、そ
れぞれハーフミラーＭ１０，Ｍ２０，Ｍ３０で２分割さ
れ、ハーフミラーＭ１０，Ｍ２０，Ｍ３０を透過した光
束はそれぞれ音響光学素子（ＡＯＭ）Ａ_1m，Ａ _2m，Ａ_3m
に入射し、ハーフミラーＭ１０，Ｍ２０，Ｍ３０で反射
された光束はそれぞれミラーＭ１１，Ｍ２１，Ｍ３１を
介して音響光学素子Ａ_1p，Ａ_2p，Ａ_3pに入射する。本例
では一例として、音響光学素子Ａ_1p，Ａ_2p，Ａ_3pにそれ
ぞれ８０ＭＨｚの音響信号を印加すると共に、対応する
音響光学素子Ａ_1m，Ａ_2m，Ａ_3mにはそれぞれ（８０ＭＨ
ｚ＋Δｆ１）、（８０ＭＨｚ＋Δｆ２）、８０ＭＨｚ＋
Δｆ３）の異なる周波数（振動数）の音響信号を印加す
る。

【００３０】即ち、周波数差（振動数差）Δｆ１，Δｆ
２，Δｆ３は互いに異なる値であり、後述のようにこれ
らの周波数差Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３が各波長毎に得ら
れるビート信号の周波数（ビート周波数）となる。その
ため、検出用の光電検出器及び信号処理系の応答速度か
ら、周波数差Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３は数１００Ｈｚか
ら数１０ｋＨｚの間に設定するとよい。例えば周波数差
Δｆ１が２５ｋＨｚに設定されるときには、他の周波数
差Δｆ２，Δｆ３は２５ｋＨｚと異なる値に設定され
る。音響光学素子Ａ_1m，Ａ_2m，Ａ_3m，Ａ_1p，Ａ_2p，Ａ_3p
ではそれぞれ入射した光束を回折して射出すると共に、
回折された光束の周波数を印加された音響信号の周波数
だけシフトさせる。

【００３１】例えば音響光学素子Ａ_1p及びＡ_1mから射出
される回折光よりなる光束Ｌ_1p及びＬ_1mは、それぞれレ
ーザ光源６１Ａからの射出時に比べて周波数が８０ＭＨ
ｚ及び（８０ＭＨｚ＋Δｆ１）だけシフトしている。但
し、一般にレーザビームＬ₁₀等の光の周波数はＴＨｚの
オーダであり、音響光学素子における周波数のシフト量
は極めて僅かな値に過ぎないため、光束Ｌ_1p及びＬ_1mの
波長はほぼλ₁のままであるとみなすことができる。同
様に、音響光学素子Ａ_2p及びＡ_2mから射出される回折光
よりなる光束Ｌ_2p及びＬ_2mは、それぞれ周波数が８０Ｍ
Ｈｚ及び（８０ＭＨｚ＋Δｆ２）だけシフトし、音響光
学素子Ａ_3p及びＡ_3mから射出される回折光よりなる光束
Ｌ_3p及びＬ_3mは、それぞれ周波数が８０ＭＨｚ及び（８
０ＭＨｚ＋Δｆ３）だけシフトしている。従って、第１
の１対の光束Ｌ_1p，Ｌ_1mの周波数差Δｆ１、第２の１対
の光束Ｌ_2p，Ｌ_2mの周波数差Δｆ２、及び第３の１対の
光束Ｌ_3p，Ｌ_3mの周波数差Δｆ３は互いに異なってい
る。

【００３２】そして、第１の１対の光束Ｌ_1p，Ｌ_1mは、
波長λ₁の光束を反射するダイクロイックミラーＤＭ１
で反射された後、波長λ₁の光束を透過して波長λ₂の
光束を反射するダイクロイックミラーＤＭ２で第２の１
対の光束Ｌ_2p，Ｌ_2mと平行になる。その後、それら２対
の光束は、波長λ₁,λ₂の光束を透過して波長λ₃の光
束を反射するダイクロイックミラーＤＭ３によって第３
の１対の光束Ｌ_3p，Ｌ _3mと平行になって、図１のアライ
メント光学系５５の検出系に入射する。

【００３３】なお、レーザ光源６１Ａ〜６１Ｃとして半
導体レーザを用いる場合、各レーザ光源とハーフミラー
Ｍ１０，Ｍ２０，Ｍ３０との間に非点収差除去用の整形
光学系を用いたほうがよい。また、それ以外の場合に
も、合成後に各波長の光束の径がほぼ等しくなるよう
に、整形光学系を用いることが好ましい。ところで、図
２の構成においては、周波数シフタとして音響光学素子
を用いたが、周波数シフタとして例えば回転ラジアルグ
レーティングを用いてもよく、更には、レーザ光源６１
Ａ〜６１Ｃとしてゼーマンレーザのように周波数の異な
る１対のレーザビームを射出する光源を用いてもよい。

【００３４】図１において、図２の光源系から供給され
た第１の１対の光束Ｌ_1p，Ｌ_1m、第２の１対の光束
Ｌ_2p，Ｌ_2m、及び第３の１対の光束Ｌ_3p，Ｌ_3mは、光軸
に関してほぼ対称に調整光学系４に入射し、その後各対
の一方の光束Ｌ_1p，Ｌ_2p，Ｌ_3pは、調整光学系５を経て
ハーフミラーＨＭに入射し、各対の他方の光束Ｌ_1m，Ｌ
_2m，Ｌ_3mは調整光学系６を経てハーフミラーＨＭに入射
する。調整光学系４，５，６は、それぞれ傾斜角可変の
平行平板ガラス（ハービング）よりなり、傾斜角の調整
によって入射する光束を２次元的に横ずれさせることが
できる。

【００３５】そして、ハーフミラーＨＭで反射された３
対の光束Ｌ_1p，Ｌ_1m、光束Ｌ_2p，Ｌ _2m、及び光束Ｌ_3p，
Ｌ_3mは、それぞれ対物レンズ７によって、ウエハＷ上の
Ｘ軸のアライメントマーク９上に交差するように入射
し、アライメントマーク９上に干渉縞が形成される。ア
ライメントマーク９は、Ｘ方向にピッチＰで形成された
凹凸の回折格子状マークであり、その上に形成される干
渉縞のピッチ方向もＸ方向である。この干渉縞は、波長
λ₁,λ₂,λ₃の３色の干渉縞が合成されたものであり、
且つ各波長毎に１対の光束の周波数差がΔｆ１，Δｆ
２，Δｆ３であるため、波長λ₁,λ₂,λ₃の干渉縞の強
度分布はそれぞれ周波数差Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３に比
例した速度でアライメントマーク９上を等速度でＸ方向
に移動するように変化する。

【００３６】また、３対の光束Ｌ_1p，Ｌ_1m（波長λ₁)、
光束Ｌ_2p，Ｌ_2m（波長λ₂)、及び光束Ｌ_3p，Ｌ_3m（波長
λ₃)は、ピッチＰのアライメントマーク９に対してそれ
ぞれ±１次の回折角の方向から対称に入射している。即
ち、波長λ_n(ｎ＝１，２，３）の１対の光束Ｌ_np，Ｌ_nm
の入射角をθ_nとすると、入射角θ_nは次式を満たして
いる。

【００３７】sin θ_n ＝±λ_n ／Ｐ（１）このとき、形成される波長λ_nの干渉縞の振幅のピッチ
はアライメントマーク９のピッチＰと等しくなる。この
ような関係は従来のＬＩＡ方式の場合と同じであり、従
ってアライメントマーク９から各波長λ_n毎に、垂直方
向に両光束Ｌ_np，Ｌ_nmのそれぞれの＋１次回折光及び−
１次回折光が重なって発生する。以下、この重なりあっ
た波長λ₁,λ₂,λ₃の３対の回折光を「±１次回折光Ｌ
ｄ」と呼ぶ。

【００３８】なお、（１）式のような入射角θ_nを実現
するためには、それぞれの対になる光束Ｌ_np，Ｌ_nm同士
の光軸からの間隔Ｄ_nを、次のように設定すればよい。
但し、ｆは対物レンズ７の焦点距離である。Ｄ_n ＝ｆ・sin θ_n ＝±ｆ・λ_n ／Ｐ（２）その各対の光束同士の光軸からの間隔Ｄ_nは、図２に示
した各対の音響光学素子の間隔、及びハーフミラーＭ１
０，Ｍ２０，Ｍ３０と、対応するミラーＭ１１，Ｍ２
１，Ｍ３１との間隔を適当に定めることで、調節可能で
ある。あるいは、図２の各音響光学素子とダイクロイッ
クミラーＤＭ１，ＤＭ２，ＤＭ３との間に平行平板ガラ
ス（ハービング）を設け、このハービングの回転により
対応する光束同士の光軸からの間隔Ｄ_nを調整すること
もできる。

【００３９】また、図１中の調整光学系４，５，６を使
用することにより、各対の光束のアライメントマーク９
への入射角を調整し、各対の光束をアライメントマーク
９に正しく対称に入射させることができる。上記のよう
にハーフミラーＨＭで反射された３対の光束Ｌ_1p，
Ｌ_1m、光束Ｌ_2p，Ｌ_2m、及び光束Ｌ_3p，Ｌ_3mを対物レン
ズ７を介してアライメントマーク９に照射することによ
って、アライメントマーク９から垂直方向に±１次回折
光Ｌｄが発生する。±１次回折光Ｌｄは、対物レンズ７
を経てハーフミラーＨＭを透過して、フォトダイオード
等の光電検出器ＰＤに入射し、この光電検出器ＰＤでの
光電変換によって光量に対応した合成ビート信号Sig に
変換されて、信号処理系５６内の周波数分離器２０に供
給される。この合成ビート信号Sig は、対になる入射光
束の周波数差Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３に応じた速度で移
動するように明暗が変化する干渉縞と、静止しているア
ライメントマーク９との相対変位により、時間と共に正
弦波状に強度が変化する３波長のビート信号の合成信号
であり、これら３波長のビート信号の周波数はΔｆ１，
Δｆ２，Δｆ３である。なお、アライメントマーク９か
らは±１次回折光Ｌｄ以外にも様々な方向へ回折光が発
生する。従って、光電検出器ＰＤに入射する光束が±１
次回折光Ｌｄのみとなるように、空間フィルタ１３が±
１次回折光Ｌｄの光路に設けられている。

【００４０】一方、調整光学系４，５，６を経てハーフ
ミラーＨＭに入射した３対の光束の内で、ハーフミラー
ＨＭを透過した各対の一方の光束Ｌ_np（ｎ＝１，２，
３）は調整光学系１４を経て集光レンズ１６に向かい、
各対の他方の光束Ｌ_nmは調整光学系１５を経て集光レン
ズ１６に向かい、集光レンズ１６によって集光された光
束Ｌ_np，Ｌ_nmは、透過率がほぼ１００％の明部と０％の
暗部とが周期的に繰り返される参照グレーティングＲＧ
上に干渉縞を形成する。調整光学系１４，１５も、傾斜
角可変の平行平板ガラス（ハービング）より形成されて
いる。そして、その干渉縞も各色毎に周波数Δｆ１，Δ
ｆ２，Δｆ３に比例する速度で移動するように明暗が変
化する。参照グレーティングＲＧの明暗のピッチは、そ
の干渉縞の明暗のピッチと等しく設定されている。この
結果、参照グレーティングＲＧによる一方の光束Ｌ_npの
＋１次回折光、及び他方の光束Ｌ_nmの−１次回折光は平
行に干渉光としてフォトダイオード等からなる光電検出
器ＲＰＤに入射し、光電検出器ＲＰＤでその干渉光を光
電変換して得られた光量信号である参照合成ビート信号
が信号処理系５６内の周波数分離器２１に供給される。
この参照合成ビート信号も周波数がそれぞれΔｆ１，Δ
ｆ２，Δｆ３の各波長毎の参照ビート信号を合成した信
号である。このとき、集光レンズ１６の色収差のため
に、波長により干渉縞のピッチずれが生じる恐れがあ
る。このピッチずれを調整光学系１４，１５を用いて補
償する。

【００４１】上記の光電検出器ＰＤから出力される合成
ビート信号Sig より、周波数分離器２０においてそれぞ
れ各波長のビート周波数Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３に等し
い周波数を有する各波長毎のビート信号Sig1〜Sig3が抽
出され、これらのビート信号Sig1〜Sig3はそれぞれ個別
に位相差検出器ＲＰ１，ＲＰ２，ＲＰ３の一方の入力部
に供給される。また、光電検出器ＲＰＤから出力される
参照合成ビート信号より、周波数分離器２１においてそ
れぞれビート周波数Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３に等しい周
波数を有する各波長毎の参照ビート信号Ref1〜Ref3が抽
出され、これらの参照ビート信号Ref1〜Ref3はそれぞれ
個別に位相差検出器ＲＰ１，ＲＰ２，ＲＰ３の他方の入
力部に供給される。即ち、位相差検出器ＲＰｎ（ｎ＝
１，２，３）にはそれぞれ、同じ周波数成分のビート信
号Sign、及び参照ビート信号Refnが供給され、位相差検
出器ＲＰｎではそれぞれ参照ビート信号Refnに対するビ
ート信号Signの位相差を検出し、この位相差をウエハス
テージ１０上でのＸ方向への位置ずれ量Ｘｎに換算して
図９の主制御系５３に供給する。

【００４２】本例においても、従来のＬＩＡ方式のアラ
イメントセンサを使用する場合と同様に、実際の位置検
出に先立ってベースライン量の計測、即ち所謂ベースラ
インチェックを行う必要がある。そのためには、例えば
図９の基準マーク部材５７上の第１の基準マークをレチ
クルＲの投影像の中心に位置決めした状態で、基準マー
ク部材５７上の第２の基準マークとしての基準回折格子
マークにアライメント光学系５５より３対の光束を照射
して、周波数分離器２０から出力されるビート信号Sig1
〜Sig3と、周波数分離器２１から出力される参照ビート
信号Ref1〜Ref3との位相関係が調べられる。具体的に、
３対の光束のアライメントマーク９への入射時の強度が
同一である場合には、例えば参照ビート信号Ref1〜Ref3
に対するビート信号Sig1〜Sig3の位相差をウエハステー
ジ１０上でのＸ方向への位置ずれ量Ｘ₁₀〜Ｘ₃₀に換算
し、この平均値（Ｘ₁₀＋Ｘ₂₀＋Ｘ₃₀）／３を求める。

【００４３】また、基準マーク部材５７上のその第１の
基準マークと第２の基準マークとのＸ方向の間隔をＢＸ
₀とすると、この間隔ＢＸ₀にその平均値（Ｘ₁₀＋Ｘ₂₀
＋Ｘ ₃₀）／３を加算して得られる間隔がＸ方向のベース
ライン量となる。その後、ウエハＷのアライメント時に
上述のように、計測対象のアライメントマークについ
て、各波長毎のＸ方向への位置ずれ量Ｘｎを検出した際
には、主制御系５３では例えばそれらの位置ずれ量の平
均値（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３）／３を求め、この平均値を相
殺するようにウエハステージ１０をＸ方向に移動する。
そして、この動作を繰り返してその位置ずれ量の平均値
が０になるときのウエハステージ１０のＸ座標をそのア
ライメントマークのＸ座標とする。その後、このＸ座標
に上述のＸ方向のベースライン量の補正を行うことによ
って、そのアライメントマークの属するショット領域を
正確に露光位置に位置決めできる。なお、Ｙ方向につい
ても同様に、予め計測されたベースライン量に基づいて
位置決めが行われる。

【００４４】なお、本例においては、複数波長の検出光
と複数の位相差検出器ＲＰｎとを使用するが、上記のよ
うに調整光学系４，５，６，１４，１５を用いて各波長
での色収差を補償しておけば、ベースラインチェックは
何れか１つの波長の検出光の位相差検出器（ＲＰ１〜Ｒ
Ｐ３の何れか）だけの検出結果により行うこともでき
る。あるいは、ベースラインチェックを検出光の波長毎
に波長の数だけ行ってもよい。この場合、装置はベース
ライン量を波長の数だけ管理（保管）することになる
が、アライメントマーク９上あるいは参照グレーティン
グＲＧ上の干渉縞の位置が波長毎に異なっていてもよい
ため、上記の調整光学系４，５，６，１４，１５による
干渉縞の位置関係の調整が容易になるという利点があ
る。

【００４５】また、本例において、３波長の各対の光束
Ｌ_1p，Ｌ_1m、光束Ｌ_2p，Ｌ_2m、及び光束Ｌ_3p，Ｌ_3mの強
度が異なるときには、強度が小さい光束程、検出結果の
信頼性が低下することになる。そこで、３波長の各対の
光束の強度が異なるときには、ベースラインチェック時
に各波長の光束Ｌ_np，Ｌ_nm（ｎ＝１，２，３）の強度Ｐ
１〜Ｐ３を検出する必要がある。なお、強度Ｐ１〜Ｐ３
の代わりに強度比を検出してもよい。

【００４６】この強度Ｐ１〜Ｐ３は、ベースラインチェ
ック時に基準マーク部材５７上の基準回折格子マーク
（第２の基準マーク）からの各周波数毎の、即ち各波長
毎のビート信号Sig1〜Sig3の振幅を求めることで検出す
ることができる。本例における基準回折格子マークとし
ては、従来例と同様に、例えば石英ガラスプレートより
なる基準マーク部材５７上にクロム薄膜をパターニング
した「強度格子」を使用する。一般に、ウエハＷ上のア
ライメントマーク９が凹凸のパターンよりなる「位相格
子」であるのに対し、「強度格子」である基準回折格子
マークの回折効率は検出光の波長に依存しない。また、
クロムの反射率も位置検出に使用する波長帯（一般には
０．５μｍから０．８μｍ程度）では殆ど変化しない。
このため、基準回折格子マークからの各波長毎のビート
信号Sig1〜Sig3の振幅を検出することで、各波長の検出
光の強度Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を検出することができる。ま
た、これらの強度Ｐ１〜Ｐ３より強度比を求めることも
できる。そのようにして求めた強度Ｐ１〜Ｐ３は、実際
のアライメントマーク９の位置検出を行う場合の各波長
毎の光束のアライメントマーク９に対する入射時の強度
とみなすことができる。

【００４７】図３（ａ）〜（ｃ）は、ウエハＷ上のアラ
イメントマーク９の位置検出時に得られる各波長毎のビ
ート信号Sig1〜Sig3、及び参照ビート信号Ref1〜Ref3の
一例をそれぞれ示し、図３（ａ）〜（ｃ）の横軸は時間
ｔ、縦軸は信号レベルを表している。この場合、参照ビ
ート信号Ref1〜Ref3、及びビート信号Sig1〜Sig3の周波
数は、波長毎に異なっている。そして、各波長毎のアラ
イメントマーク９の位置ずれ量Ｘ１〜Ｘ３は、例えば各
波長毎の参照ビート信号Ref1〜Ref3とそれぞれ対応する
ビート信号Sig1〜Sig3との位相差ｄｐ１〜ｄｐ３に、そ
れぞれ所定の係数を乗ずることによって求めることがで
きる。

【００４８】本例においては、更に図１の信号処理系５
６内の周波数分離器２０において、各波長毎のビート信
号Sig1〜Sig3の振幅ａ１〜ａ３をも求め、これらの振幅
ａ１〜ａ３を図９の主制御系５３に供給する。そして、
主制御系５３では、求められた上記の値より最終的なア
ライメントマーク９の位置ずれ量Ｘ_WMを、次式より算出
する。

【００４９】Ｘ_WM＝（Ｘ１×ａ１／Ｐ１＋Ｘ２×ａ２／Ｐ２＋Ｘ３×ａ３／Ｐ３）／（ａ１／Ｐ１＋ａ２／Ｐ２＋ａ３／Ｐ３）（３）この位置ずれ量Ｘ_WMに、上述のように予め求めてあるＸ
方向のベースライン量を加算した値が露光位置となる。
次に本発明の第２の実施の形態につき図４を参照して説
明する。本例はＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式で、
且つ多波長ＬＩＡ方式のアライメントセンサに本発明を
適用したものである。また、本例のアライメントセンサ
のアライメント光学系は、図１のアライメント光学系５
５において、対物レンズ７を図９の投影光学系ＰＬとし
た構成とほぼ等価であり、図４において図１及び図９に
対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略
する。

【００５０】図４は、本例のアライメントセンサのアラ
イメント光学系６２の要部を示し、この図４において、
対物レンズ７の代わりの投影光学系ＰＬとハーフミラー
ＨＭとの間に光路折り曲げ用のミラーＭを設け、このミ
ラーＭを投影露光装置のレチクルＲと投影光学系ＰＬと
の間に配置し、投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上のア
ライメントマーク９を検出する。このときの光源系は、
図２に示したものと同じでよい。但し、光源系より射出
される３対の光束Ｌ_np，Ｌ_nm（ｎ＝１，２，３）よりな
る平行光束ＬＳが投影光学系ＰＬを介してアライメント
マーク９上に集光されるように、補正レンズ１６を加え
る。また、図１中に示した如き調整光学系４，５，６を
本例においても使用してもよい。アライメントマーク９
からの±１次回折光よりなる３色の干渉光は、投影光学
系ＰＬ、ミラーＭ、ハーフミラーＨＭ、及び空間フィル
タ１３を介して光電検出器ＰＤに入射し、光電検出器Ｐ
Ｄからの合成ビート信号Sig が図１の周波数分離器２０
に供給されている。そして、合成ビート信号Sig は、周
波数別（波長別）のビート信号に分離される。

【００５１】また、図４では不図示であるが、平行光束
ＬＳの内でハーフミラーＨＭで反射された光束が、参照
グレーティングＲＧを介して光電検出器に入射し、この
光電検出器より合成参照ビート信号が出力されている。
その他の構成は図１の実施の形態と同様であり、合成ビ
ート信号Sig 及び合成参照ビート信号に基づいて位置検
出が行われる。

【００５２】次に、本発明による第３の実施の形態につ
き図５を参照して説明する。本例は、投影光学系のみな
らずレチクルをも介してウエハ上のアライメントマーク
の位置を検出するＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式
で、且つ多波長ＬＩＡ方式のアライメントセンサに本発
明を適用したものである。また、図５において図１及び
図９に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明
を省略する。

【００５３】図５は、本例のアライメントセンサの要部
の構成を示し、この図５において、投影光学系ＰＬの瞳
面（レチクルＲのパターン形成面に対する光学的フーリ
エ変換面）付近には、位置検出用の光束の波長が露光光
の波長と異なる（一般に露光光は短波長）ために生じる
色収差を制御するための色収差制御板ＰＧＰが設けられ
ている。また、図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第３の
実施の形態の投影光学系ＰＬをアライメントマーク９の
計測方向に垂直な方向及び計測方向から見た図である。

【００５４】図５において、不図示の光源系からの位置
検出用の各波長毎の１対の光束Ｌ_np，Ｌ_nm（ｎ＝１，
２，３）は、対物レンズ１７及びミラーＭを経て仮想面
ＣＦで一度交差した後、レチクルＲに設けられた透過窓
ＲＷに入射する。そして、透過窓ＲＷを通過した光束
は、投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上のアライメント
マーク９に達し、アライメントマーク９からの±１次回
折光Ｌｄは、投影光学系ＰＬ、レチクルＲの透過窓Ｒ
Ｗ、ミラーＭ、及び対物レンズ１７を介して光電検出器
（不図示）に達する。色収差制御板ＰＧＰ上には部分的
に位相型の回折格子よりなる色収差制御素子ＰＧ１，Ｐ
Ｇ２，ＰＧ３が設けられており、位置検出用の光束
Ｌ_np，Ｌ_nm及び±１次回折光Ｌｄは、それぞれ対応する
色収差制御素子ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ３を透過する際に
回折されて、特に進行方向は図５中の破線から実線へと
偏向される。この偏向作用はレンズによる屈折作用と等
価であるため、光束Ｌ_np，Ｌ_nm及び±１次回折光Ｌｄの
色収差が制御されて、光束Ｌ_np，Ｌ_nmはウエハＷ上のア
ライメントマーク９上で交差すると共に、±１次回折光
Ｌｄは透過窓ＲＷを通過することとなる。即ち、検出用
の光束のもとで、仮想面ＣＦとウエハＷの表面とが共役
となる。

【００５５】なお、図５の第３の実施の形態の光束
Ｌ_np，Ｌ_nmの光源系も図２に示したものでよい。但し、
位相型回折格子よりなる色収差制御素子ＰＧ１〜ＰＧ３
による回折作用は検出光束の波長λ₁,λ₂,λ₃により
異なるので、その光源系にこの波長による差を補償する
調整部材を加えてもよい。即ち、各波長の検出光に対し
て回折作用の差分だけの方向差及び位置差を調整部材に
より与えておき、結果としてウエハＷ（アライメントマ
ーク９）上での色収差を補償することができる。また、
アライメントマーク９からの回折光を受光する光電検出
器及び周波数分離器、位相差検出器についても、上記第
１及び第２の実施の形態と同様に構成すればよい。

【００５６】次に、本発明の第４の実施の形態につき、
図６を参照して説明する。本例は図１の実施の形態と同
様にオフ・アクシス方式で、且つ多波長ＬＩＡ方式のア
ライメントセンサに本発明を適用したものであるが、本
例では更に検出する回折光の次数方向を３方向とし、±
１次回折光のみならず、０次光と＋２次回折光との干渉
光、及び０次光と−２次回折光との干渉光をも検出する
複数次数方式としている。

【００５７】前述の如く、単色の検出光においては、こ
のように複数の次数方向の回折光を検出する試みはなさ
れていたが、特に０次光と±２次回折光との干渉光を検
出する場合、検出光を多色化することは難しかった。な
ぜなら、０次光と例えば＋２次回折光との干渉光のビー
ト信号は、波長によりその位相が大きく異なったものと
なってしまうためである。即ち、検出光を多色化する
と、これらの各波長毎のビート信号の相殺効果により全
体としてのビート信号の振幅が極めて小さくなってしま
うためである。本例においては、０次光と±２次回折光
との干渉光についても、各波長のビート周波数の違いに
よって波長毎にビート信号を分離して検出するため、上
記の信号の相殺は全くない。

【００５８】図６は、本例のアライメント光学系を示
し、この図６において、第１の実施の形態と同様に波長
別の３対の光束Ｌ_1p，Ｌ_1m、光束Ｌ_2p，Ｌ_2m、及び光束
Ｌ_3p，Ｌ_3mは、対物レンズ７を介してウエハＷ上のアラ
イメントマーク９上に照射され、アライメントマーク９
から垂直上方に±１次回折光Ｌｄが発生し、この±１次
回折光Ｌｄは光電検出器ＰＤによって合成ビート信号Si
g に変換され、この合成ビート信号Sig は図１の周波数
分離器２０と同じ周波数分離器によって各波長毎のビー
ト信号Sig1〜Sig3に分離される。また、光電検出器ＲＰ
Ｄから出力される合成参照ビート信号SigRも、波長λ₁,
λ₂,λ₃毎の参照ビート信号Ref1〜Ref3に分離される。

【００５９】更に本例では、アライメントマーク９から
発生する光束Ｌ_1p，Ｌ_2p，Ｌ_3pの０次光と光束Ｌ_1m，Ｌ
_2m，Ｌ_3mの−２次回折光とからなる干渉光（以下、「２
次成分の回折光」と呼ぶ）Ｌｄ０２を対物レンズ７、及
びハーフミラーＨＭを介して光電検出器ＰＤ０２で受光
し、光電検出器ＰＤ０２から合成ビート信号Sig02 を取
り出す。そして、この合成ビート信号Sig02 を不図示の
周波数分離器に通して、周波数Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３
毎（波長λ₁,λ₂,λ₃毎）のビート信号Sig021，Sig02
2，Sig023に分離する。また、アライメントマーク９か
ら発生する光束Ｌ _1m，Ｌ_2m，Ｌ_3mの０次光と光束Ｌ_1p，
Ｌ_2p，Ｌ_3pの＋２次回折光とからなる干渉光（２次成分
の回折光）Ｌｄ２０を対物レンズ７、及びハーフミラー
ＨＭを介して光電検出器ＰＤ２０で受光し、光電検出器
ＰＤ２０から合成ビート信号Sig20を取り出す。そし
て、この合成ビート信号Sig20 を不図示の周波数分離器
に通して、波長λ₁,λ₂,λ₃毎のビート信号Sig201，Si
g202，Sig203に分離する。これらの２次成分の回折光Ｌ
ｄ０２，Ｌｄ２０を用いた位置検出方法は、±１次回折
光Ｌｄを使用する場合とは異なり、次のようになる。

【００６０】即ち、図７（ａ）〜（ｃ）は、２次成分の
回折光Ｌｄ０２より得られる波長λ ₁,λ₂,λ₃毎のビー
ト信号Sig021〜Sig023、及び参照ビート信号Ref1〜Ref3
の例をそれぞれ示し、図８（ａ）〜（ｃ）は、２次成分
の回折光Ｌｄ２０より得られる各波長毎のビート信号Si
g201〜Sig203、及び参照ビート信号Ref1〜Ref3の例をそ
れぞれ示し、図７及び図８の横軸は時間ｔ、縦軸は信号
レベルを表している。ここでも、アライメントマーク９
の位置は、これらのビート信号と参照ビート信号との位
相差より直接求められるのではなく、先ず図７につい
て、各波長毎にビート信号Sig02n（ｎ＝１，２，３）と
参照ビート信号Refnとの位相差ｄｐ０２ｎを求め、図８
について、各波長毎にビート信号Sig20n（ｎ＝１，２，
３）と参照ビート信号Refnとの位相差ｄｐ２０ｎを求め
る。

【００６１】そして、２次成分の回折光Ｌｄ０２及び回
折光Ｌｄ２０の各波長毎の位相差の平均値（ｄｐ０２ｎ
＋ｄｐ２０ｎ）／２を算出し、この平均値を２次成分の
回折光の各波長毎の位相差値とする。この平均化は、所
謂「平均化効果」による精度向上を目的としたものでは
なく、０次光と±２次回折光との干渉光を検出する場合
に原理的に必ず行う必要がある。

【００６２】その後、各波長毎に位相差値（ｄｐ０２ｎ
＋ｄｐ２０ｎ）／２に所定係数を乗ずることによって、
それぞれＸ方向への位置ずれ量Ｘ２ｎ（ｎ＝１，２，
３）が算出される。以上のように、２次成分の回折光か
らも使用する波長の数だけの位置ずれ量（位置検出値）
が得られる。そして、やはりこれを各波長毎の信号強度
の振幅、及び各波長毎のアライメントマーク９への照明
強度の逆数に応じた重みを掛けて加重平均することで、
２次成分の回折光を利用した場合の最終的な位置ずれ量
が得られる。

【００６３】この場合、各波長の信号強度の振幅として
は、回折光Ｌｄ０２より得られる図７の各波長のビート
信号Sig02n（ｎ＝１，２，３）の振幅ａ０２ｎと、回折
光Ｌｄ２０より得られる図８の各波長のビート信号Sig2
0nの振幅ａ２０ｎとを求め、これらの振幅の平均値（ａ
０２ｎ＋ａ２０ｎ）／２を採用するとよい。また、この
第４の実施の形態においては、±１次回折光Ｌｄによる
検出値と、２次成分の回折光Ｌｄ０２，Ｌｄ２０による
検出値との２つの位置ずれ量（位置検出値）が求まる。
これらの位置検出値の内のどちらを採用するかは、例え
ばオペレータにより設定可能としておくとよい。あるい
は、２つの位置検出値を平均した値、又は回折光の強度
で重み付けをして加重平均した値を最終結果として採用
してもよい。この場合、後者の重みとなる強度は、一例
として±１次回折光Ｌｄの各波長のビート信号の振幅の
和と、２次成分の回折光の各波長のビート信号の振幅
（これは前述の如く２つのビート信号Sig02n，Sig20nの
振幅の平均）の和とする。あるいは、原理的に言っても
高次の回折光の光量は少ないので、２次成分側の重みを
多少大きくしてもよい。

【００６４】なお、以上の実施の形態では、検出光束の
波長を３波長としたが、これは３波長に限るものではな
く、２波長以上を用いれば多波長による平均化効果を得
ることができる。そして、より多くの波長を使用するこ
とで、より大きな平均化効果を得ることが可能である。
このように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得
る。

【００６５】

【発明の効果】本発明の第１の位置検出装置によれば、
多波長ＬＩＡ方式で格子状の位置検出マークの位置検出
を行う場合に、各波長毎の１対の光ビームを互いに異な
る周波数差で変調し、光電検出器からの光電変換信号よ
りフィルタ手段によってその周波数差（ビート周波数）
に対応した信号成分（ビート信号）を抽出し、これらの
信号成分よりその位置検出マークの各波長毎の位置を求
めている。そして、これら各波長毎の位置を例えば平均
化することによって、検出光を形成する複数波長の光束
の強度が互いに異なる場合であっても、正確な平均化効
果によって高精度にそのマークの位置検出を行うことが
できる利点がある。

【００６６】また、各波長毎の信号成分を取り出すため
にフィルタ手段を用いているため、ダイクロイックミラ
ー等を用いて光学的に各波長毎の信号成分を取り出す方
式に比べて光学系が簡略化され、且つ小型化される利点
がある。更に本発明は、オフ・アクシス方式のみなら
ず、ＴＴＬ方式や、ＴＴＲ方式といった種々の形態の位
置検出系に対しても適用が可能である利点がある。

【００６７】また、その位置検出マークのそれら異なる
波長毎の位置に、光電検出器による光電変換信号より抽
出したそれら複数の信号成分中の対応する信号成分の振
幅の大きさ、及びその位置検出マークに照射されるそれ
ら複数対の光ビーム中の対応する光ビームの強度の逆数
にそれぞれ比例する重みを乗じて平均した加重平均をも
って、その位置検出マークの位置とする場合には、信号
成分の振幅が小さいときには検出結果の信頼性が低いこ
とが考慮されるため、より正確にその位置検出マークの
位置を検出できる利点がある。

【００６８】次に、本発明の第２の位置検出装置によれ
ば、多波長ＬＩＡ方式で、且つ複数次数ＬＩＡ方式の位
置検出が行われる。そして、異なる次数方向への干渉光
についても、第１の位置検出装置と同様にそれぞれ各波
長毎の信号成分が抽出されて、各波長毎の位置が検出さ
れる。従って、異なる組の次数毎にそれぞれ正確な平均
化効果を得て高精度に位置検出を行うことができる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の第１の実施の形態
としてのアライメントセンサの要部を示す構成図であ
る。

【図２】図１のアライメントセンサの光源系を示す構成
図である。

【図３】図１のアライメントセンサによって得られる３
つの波長成分のビート信号及び参照ビート信号を示す波
形図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態のアライメントセン
サの要部を示す構成図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態のアライメントセン
サの要部を示す構成図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態のアライメントセン
サの要部を示す構成図である。

【図７】図６のアライメントセンサによって得られる参
照ビート信号、及び２次成分の回折光Ｌｄ０２の３つの
波長成分のビート信号を示す波形図である。

【図８】図６のアライメントセンサによって得られる参
照ビート信号、及び２次成分の回折光Ｌｄ２０の３つの
波長成分のビート信号を示す波形図である。

【図９】本発明の第１の実施の形態のアライメントセン
サを備えた投影露光装置を示す概略構成図である。

【図１０】単色光を用いてＬＩＡ方式で位置検出を行う
場合の検出光の波長による検出誤差の変化を示す図であ
る。

【図１１】（ａ）は±１次回折光を用いてＬＩＡ方式で
位置検出を行う場合のアライメントマークの段差による
検出誤差の変化を示す図、（ｂ）は０次光と２次回折光
とを用いてＬＩＡ方式で位置検出を行う場合のアライメ
ントマークの段差による検出誤差の変化を示す図であ
る。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ４，５，６，１４，１５調整光学系７対物レンズ９アライメントマークＨＭハーフミラー１０ウエハステージ１３空間フィルタＡ_1m，Ａ_1p，Ａ_2m，Ａ_2p，Ａ_3m，Ａ_3p 音響光学素子ＰＤ，ＲＰＤ，ＰＤ０２，ＰＤ２０光電検出器ＲＰ１，ＲＰ２，ＲＰ３位相差検出器２０，２１周波数分離器５３主制御系５５アライメント光学系５６信号処理系６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃレーザ光源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物上に形成された格子状の位置検出
マークに対して、それぞれ互いにコヒーレントで所定の
周波数差を有する第１及び第２の光ビームよりなり互い
に波長の異なる複数対の光ビームを照射し、前記互いに波長の異なる複数対の光ビームのそれぞれに
ついて、前記位置検出マークより所定の同一方向に発生
する複数の回折光よりなる干渉光を受光し、該受光された干渉光に基づいて前記位置検出マークの位
置を検出する位置検出装置において、前記位置検出マークに照射される前記複数対の光ビーム
の各対を互いに異なる周波数差で変調する変調手段と、前記互いに波長の異なる複数対の光ビームのそれぞれに
ついて前記位置検出マークより発生する前記干渉光をま
とめて受光する光電検出器と、該光電検出器による光電変換信号より前記変調手段にお
ける互いに異なる周波数差に対応した異なる周波数の複
数の信号成分を抽出するフィルタ手段と、を備え、該フィルタ手段からの複数の信号成分に基づいて前記位
置検出マークの前記異なる波長毎の位置を求めることを
特徴とする位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の位置検出装置であって、前記位置検出マークの前記異なる波長毎の位置に、前記
光電検出器による光電変換信号より抽出した前記複数の
信号成分中の対応する信号成分の振幅の大きさ、及び前
記位置検出マークに照射される前記複数対の光ビーム中
の対応する光ビームの強度の逆数にそれぞれ比例する重
みを乗じて平均した加重平均をもって、前記位置検出マ
ークの位置とすることを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の位置検出装置であ
って、前記光電検出器を第１の光電検出器とし、該第１の光電
検出器の光電変換信号に基づいて求められる前記位置検
出マークの位置を第１の位置として、前記互いに波長の異なる複数対の光ビームのそれぞれに
ついて前記位置検出マークより前記所定の同一方向とは
異なる同一方向に発生する干渉光をまとめて受光する第
２の光電検出器を設け、該第２の光電検出器による光電変換信号より抽出された
前記変調手段における互いに異なる周波数差に対応した
異なる周波数の複数の信号成分に基づいて、前記位置検
出マークの前記異なる波長毎の第２の位置を求めること
を特徴とする位置検出装置。