JPH10270347A

JPH10270347A - 位置ずれ検出方法及びその装置

Info

Publication number: JPH10270347A
Application number: JP9088909A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上に形成された第１マークと第２マーク
との位置ずれを高精度に検出する。【解決手段】基板Ｗ上に形成された位置ずれ検出マー
クが、ほぼＸ方向に周期Ｐを有する第１マークと、該第
１マークに近接して配置されたＸ方向に周期２Ｐを有す
る第２マークとから成る。この位置ずれ検出マークに対
し一対の可干渉ビーム（Ｌｍ、Ｌp）を照射して、その
振幅分布がほぼＸ方向に周期２Ｐを有する干渉縞を生じ
させ、この干渉縞と位置ずれ検出マークとをほぼＸ方向
に相対走査すると、第１マークから正反射方向に±１次
回折光Ｄｍ、Ｄｐが生じ、第２マークからは垂直上方に
±１次回折光Ｄｏが生じる。回折光Ｄｍ、Ｄｐ、Ｄｏを
ディテクタ１７、１５、１６で受光して光電信号Ｓｉｇ
ｍ、Ｓｉｇｐ、Ｓｉｇｏの位相差に基づいて第１マーク
と第２マークとのＸ方向の位置ずれを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置ずれ検出方法
及びその装置に係り、特に、例えば半導体素子等をリソ
グラフィ工程で製造する際の各層のパターン間の重ね合
わせ計測（レジストレーション計測）に用いて好適な位
置ずれ検出方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば半導体素子、液晶表示
素子、撮像素子（ＣＣＤ）又は薄膜磁気ヘッド等のマイ
クロデバイスを製造するためのリソグラフィ工程では、
マスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）
に形成された転写用のパターンの像を、投影光学系を介
して、感光性基板（レジストが塗布されたウエハ又はガ
ラスプレート等：以下、「ウエハ」と総称する）上に投
影する投影露光装置が使用されている。

【０００３】リソグラフィ工程においては、それまでの
工程でウエハ上に形成されたパターンに対し、新たに露
光転写するパターンを正確に重ね合わせる必要がある。
また、露光されたパターンと既存のパターンとの位置関
係を正確に計測し、もし重ね合わせずれがあれば、形成
されたレジストパターンを剥離して、再度同じパターン
を露光し直す必要も生じる。この時の両パターン間の位
置関係の計測を重ね合わせ精度計測又はレジストレーシ
ョン計測といい、これに用いられる装置をレジストレー
ション計測装置という。レジストレーション計測は、半
導体素子の製造工程だけではなく、露光装置の精度評価
を目的として、露光装置の製造工程（調整時）や、メン
テナンス時にも行なわれる。

【０００４】ところで、従来のレジストレーション計測
の方法として、第１の露光工程、第２の露光工程で、そ
れぞれ大きさの異なる四角パターンをその中心をほぼ重
ね合わせてそれぞれ露光し、その後の現像工程を経てレ
ジストレーション計測マークを形成し、そのレジストレ
ーション計測マークを撮像した画像から各パターンのエ
ッジ位置を検出して位置ずれを測る方式（画像検出方
式）や、第１の露光工程、第２の露光工程でそれぞれ線
状又は格子状のパターンを近接させて露光し、その後の
現像工程を経てレジストレーション計測マークを形成
し、該マークの近傍でレーザビームを相対走査して両パ
ターンからの散乱光又は回折光を検出して両パターンの
間隔を計測する方式（レーザスキャン方式）とが主とし
て知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術のうち、画像検出方式にあっては、撮像素子等の
能力によって制限される撮像画像の解像度によって、検
出精度に限界が存在する。すなわち、撮像素子の画素配
列ピッチのせいぜい１／５程度の検出精度しか得られ
ず、十分な精度で重ね合わせずれを検出できないという
不都合があった。

【０００６】一方、レーザスキャン方式にあっては、レ
ジストレーション計測マークに対してレーザビームを相
対走査する必要があることから、レーザビームを走査す
る場合には、それに伴う振動が計測精度の低下を招き、
逆にレーザビームを固定しウエハ（被検物）の方を走査
する場合には被検物の位置計測誤差がレジストレーショ
ン計測精度の低下を招くという不都合があった。

【０００７】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、請求項１ないし４に記載の発明の目的は、基板上に
形成された第１マークと第２マークとの位置ずれを高精
度に検出することができる位置ずれ検出方法を提供する
ことにある。

【０００８】また、請求項５に記載の発明の目的は、基
板上に形成された第１マークと第２マークとの位置ずれ
を高精度に検出することができる位置ずれ検出装置を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、基板（７）上に所定の位置関係で形成された第１マ
ークと第２マークとを含む位置ずれ検出マークからの回
折光に基づいて前記第１マークと第２マークとの所定の
検出方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法であっ
て、ほぼ前記検出方向に周期Ｐの周期性を有する第１マ
ーク（Ｍ１）と、当該第１マーク（Ｍ１）の大きさ以下
に該第１マーク（Ｍ１）に近接して配置された前記検出
方向に周期２Ｐの周期性を有する第２マーク（Ｍ２）と
から成る位置ずれ検出マーク（Ｍ）が形成された基板
（７）を用意し、前記基板（７）上の前記位置ずれ検出
マーク（Ｍ）に対し一対の可干渉ビームを照射し、その
振幅分布がほぼ検出方向に所定周期を有する干渉縞を生
じさせるとともに、この干渉縞と前記位置ずれ検出マー
ク（Ｍ）とを前記検出方向に相対走査し、前記相対走査
中に前記第１マーク（Ｍ１）、第２マーク（Ｍ２）から
生ずる各回折光の光電信号の位相差に基づいて前記第１
マーク（Ｍ１）と第２マーク（Ｍ２）との所定の検出方
向の位置ずれを検出する。

【００１０】これによれば、位置ずれ検出マーク（Ｍ）
が、ほぼ検出方向に周期Ｐの周期性を有する第１マーク
（Ｍ１）と、当該第１マーク（Ｍ１）の大きさ以下に該
第１マークに近接して配置された検出方向に周期２Ｐの
周期性を有する第２マーク（Ｍ２）とから成ることか
ら、位置ずれ検出マーク（Ｍ）に対し一対の可干渉ビー
ムを照射して、その振幅分布がほぼ検出方向に所定周期
（ビームの波長と、入射角とに応じて定まる）を有する
干渉縞を生じさせるとともに、この干渉縞と位置ずれ検
出マーク（Ｍ）とをほぼ検出方向に相対走査すると、第
１マーク（Ｍ１）、第２マーク（Ｍ２）からそれぞれ回
折光が生ずるが、第１マーク（Ｍ１）、第２マーク（Ｍ
２）では各次数の回折光の発生方向が正反射光の発生方
向に対して成す角度の比が２：１となる。また、発生す
る回折光の強度は、干渉縞の走査速度に応じて変化す
る。このため、相対走査中に第１マーク（Ｍ１）、第２
マーク（Ｍ２）から生ずる各回折光、例えば強度の最も
強い１次回折光をそれぞれ受光し、これらの光電信号の
位相差に基づいて第１マーク（Ｍ１）と第２マーク（Ｍ
２）との所定の検出方向の位置ずれを検出する。

【００１１】このように、本発明では光電信号の位相差
に基づいて、第１マーク（Ｍ１）と第２マーク（Ｍ２）
との位置ずれを検出するため、前述した画像検出方式や
レーザスキャン方式に比べて格段に高精度に第１マーク
と第２マークとの位置ずれを検出することができる。ま
た、この場合において、第１マーク（Ｍ１）、第２マー
ク（Ｍ２）では各次数の回折光の発生方向が、一対の可
干渉ビームの入射方向に応じて一義的に、かつ正反射光
の発生方向に対して成す角度が２：１となる方向に定ま
るので、各マークから発生する所定次数の回折光を別々
に受光することが容易となる。

【００１２】この場合において、請求項２に記載の発明
の如く、前記第１マーク及び第２マークのうちの一方
（例えばマークＭ１ａ、Ｍ１ｂ）は、他方のマーク（Ｍ
２）のほぼ前記周期方向又はこれに直交する方向の両側
に対になって配置しても良い。かかる場合には、計測時
に基板（７）が多少回転していても、あるいは、干渉縞
と位置ずれ検出マークとの相対走査方向が検出方向に対
して多少回転していても、第１マークの位置として求め
られるのはマーク（Ｍ１ａ，Ｍ１ｂ）の平均の位置であ
るから、結果的に基板（７）の回転等が計測誤差の要因
にならないという利点がある。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の位置ずれ検出方法において、前記一対の可干渉
ビーム（Ｌｐ、Ｌｍ）は、前記干渉縞（ＬＦ）の振幅分
布の周期が前記周期２Ｐと一致するような所定の入射角
で入射され、前記干渉縞（ＬＦ）と前記位置ずれ検出マ
ーク（Ｍ）との前記検出方向の相対走査中に、前記位置
ずれ検出マーク（Ｍ）より発生する、前記周期Ｐより成
る前記第１マーク（Ｍ１）の位置情報を含む回折光と、
前記周期２Ｐより成る前記第２マーク（Ｍ２）の位置情
報を含む回折光とを受光して、それぞれの光電信号の位
相差に基づいて前記第１マーク（Ｍ１）と前記第２マー
ク（Ｍ２）との前記検出方向の位置ずれを検出すること
を特徴とする。

【００１４】この場合、干渉縞（ＬＦ）の振幅分布の周
期Ｗを周期２Ｐと一致させるには、例えば周期２Ｐを有
する第２マークに対する±１次方向から可干渉ビーム
（Ｌｐ、Ｌｍ）を照射すれば良い。周期２Ｐの干渉縞
（ＬＦ）と第１マーク（Ｍ１）、第２マーク（Ｍ２）と
が検出方向に相対走査されると、各マークより同一次数
の回折光が前記の如く、０次光に対して２：１の角度比
を成す方向に発生するので、これらの回折光の内、前記
周期Ｐより成る前記第１マーク（Ｍ１）の位置情報を含
む回折光と、前記周期２Ｐより成る前記第２マーク（Ｍ
２）の位置情報を含む回折光を受光して、それぞれの光
電信号の位相差に基づいて前記第１マーク（Ｍ１）と前
記第２マーク（Ｍ２）との前記検出方向の位置ずれを検
出する。ここで、受光する回折光としては、第１マーク
から生ずる回折光と第２マークから生ずる回折光とが重
ならない任意の方向の回折光を受光するようにすること
が望ましい。

【００１５】上記の如く、周期２Ｐを有する第２マーク
（Ｍ２）に対する±１次方向から可干渉ビーム（Ｌｐ、
Ｌｍ）を照射すると、結果的に周期Ｐを有する第１マー
ク（Ｍ１）に対しては±１／２次方向から可干渉ビーム
（Ｌｐ、Ｌｍ）が照射されるので、第２マーク（Ｍ２）
からは±１次回折光が垂直上方に発生し、第１マーク
（Ｍ１）からは一方のビームの０次光と同一方向に他方
のビームの１次回折光が発生する。

【００１６】従って、請求項４に記載の発明の如く、前
記第１マーク（Ｍ１）の位置情報を含む回折光として、
前記検出方向について前記一対の可干渉ビーム（Ｌｐ、
Ｌｍ）の各正反射方向の２つの回折光を受光し、前記第
２マーク（Ｍ２）の位置情報を有する回折光として、前
記検出方向について前記一対の可干渉ビーム（Ｌｐ、Ｌ
ｍ）の各正反射方向の中間の方向に発生する回折光を受
光することが望ましい。このようにすると、最も強度の
強い１次回折光に基づいて、第１マーク（Ｍ１）と第２
マーク（Ｍ２）との位置ずれを検出することができるの
で、最も精度良く、第１マーク（Ｍ１）と第２マーク
（Ｍ２）との位置ずれを検出することができるからであ
る。

【００１７】この場合において、前記一対の可干渉ビー
ム（Ｌｐ、Ｌｍ）の各正反射方向には、第１マーク（Ｍ
１）から生ずる１次回折光の他、第２マーク（Ｍ２）か
ら生ずる２次回折光（これは第１マーク（Ｍ１）から生
ずる１次回折光に比べて極めて弱い）が含まれるので、
前記第２マーク（Ｍ２）を周期方向のデューティ比が１
となるように形成することがより望ましい。このように
すると、第２マーク（Ｍ２）からの正反射方向の２次回
折光の発生を防止できるので、より一層高精度な第１マ
ーク（Ｍ１）と第２マーク（Ｍ２）との位置ずれ検出が
可能となる。

【００１８】上記各発明において、前記一対の可干渉ビ
ームは、同一振動数であっても良いが、前記一対の可干
渉ビームは、互いに僅かにその振動数（周波数）が異な
る光束であることがより一層望ましい。この場合には、
２光束の干渉により生ずる干渉縞（ＬＦ）がその振動数
差に応じた速度でマークＭ１，Ｍ２に対して相対走査さ
れるので、相対走査のために基板（７）を移動させる必
要がなく、従って基板の移動による悪影響が生じないか
らである。

【００１９】請求項５に記載の発明は、基板（７）上に
所定の位置関係で形成された第１マークと第２マークと
を含む位置ずれ検出マークからの回折光に基づいて前記
第１マークと第２マークとの所定の検出方向の位置ずれ
を検出する位置ずれ検出装置であって、前記位置ずれ検
出マーク（Ｍ）が、ほぼ前記検出方向に周期Ｐの周期性
を有する第１マーク（Ｍ１）と、当該第１マーク（Ｍ
１）の大きさ以下に該第１マーク（Ｍ１）に近接して配
置された前記検出方向に周期２Ｐの周期性を有する第２
マーク（Ｍ２）とから成り、前記位置ずれ検出マーク
（Ｍ）に対し一対の可干渉ビーム（Ｌｐ、Ｌｍ）を所定
の角度から照射して、その振幅分布がほぼ検出方向に周
期２Ｐを有する干渉縞（ＬＦ）を生じさせる照射手段
（１〜６）と；前記干渉縞（ＬＦ）を前記位置ずれ検出
マークに対しほぼ検出方向に相対走査する相対走査手段
（３）と；前記相対走査中に前記位置ずれ検出マーク
（Ｍ）より発生する、前記周期Ｐより成る前記第１マー
ク（Ｍ１）の位置情報を含む回折光（Ｄｐ、Ｄｍ）を受
光し光電変換する第１の受光手段（１５、１７）と；前
記周期２Ｐより成る前記第２マーク（Ｍ２）の位置情報
を含む回折光（Ｄｏ）を受光し光電変換する第２の受光
手段（１６）と；前記第１、第２の受光手段（１５及び
１７、１６）からの光電信号の位相差に基づいて前記第
１マーク（Ｍ１）と前記第２マーク（Ｍ２）との前記検
出方向の位置ずれを算出する算出手段（１８）とを有す
る。

【００２０】これによれば、位置ずれ検出マーク（Ｍ）
が、ほぼ検出方向に周期Ｐの周期性を有する第１マーク
（Ｍ１）と、当該第１マーク（Ｍ１）の大きさ以下に該
第１マークに近接して配置された検出方向に周期２Ｐの
周期性を有する第２マーク（Ｍ２）とから成る。照射手
段（１〜６）では、この位置ずれ検出マーク（Ｍ）に対
し一対の可干渉ビーム（Ｌｍ、Ｌｐ）を照射し、その振
幅分布がほぼ検出方向に周期２Ｐを有する干渉縞（Ｌ
Ｆ）を生じさせ、この際、相対走査手段（３）では干渉
縞（ＬＦ）と位置ずれ検出マーク（Ｍ）とをほぼ検出方
向に相対走査する。ここで、相対走査手段は、例えば、
一対の可干渉ビーム（Ｌｍ、Ｌｐ）の周波数を僅かに異
ならしめる周波数シフター（３）によって構成しても良
いが、一対の可干渉ビーム（Ｌｍ、Ｌｐ）の周波数が同
じ場合には、生じた干渉縞に対して基板を移動させる手
段によって構成しても良い。上記の相対走査中に、位置
ずれ検出マーク（Ｍ）より発生する、前記周期Ｐより成
る第１マーク（Ｍ１）の位置情報を含む回折光（Ｄｐ、
Ｄｍ）が第１の受光手段（１５、１７）で受光されて光
電変換されるとともに、前記周期２Ｐより成る第２マー
ク（Ｍ２）の位置情報を含む回折光（Ｄｏ）が第２の受
光手段（１６）で受光されて光電変換され、算出手段
（１８）では第１、第２の受光手段（１５及び１７、１
６）からの光電信号の位相差に基づいて第１マーク（Ｍ
１）と第２マーク（Ｍ２）との検出方向の位置ずれを算
出する。

【００２１】このように、本発明では光電信号の位相差
に基づいて、第１マーク（Ｍ１）と第２マーク（Ｍ２）
との位置ずれを検出するため、前述した画像検出方式や
レーザスキャン方式に比べて格段に高精度に第１マーク
と第２マークとの位置ずれを検出することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
ないし図６に基づいて説明する。

【００２３】図１には、一実施形態に係る位置ずれ検出
装置としてのレジストレーション計測装置１００が概略
的に示されている。

【００２４】このレジストレーション計測装置１００
は、基板としてのウエハ７を保持してＸＹ２次元方向に
移動するウエハテーブル１０と、ウエハ７上に形成され
た位置ずれ検出マークとしてのレジストレーション計測
マーク（これについては後に詳述する）に対して一対の
可干渉ビームＬｍ、Ｌｐを所定角度から照射して干渉縞
を生じさせる照射手段としての照射光学系（１〜６）
と、前記一対の可干渉ビームＬｍ、Ｌｐの入射によりレ
ジストレーション計測マークより発生する回折光を受光
し光電変換する受光光学系（６、５、１５〜１７）と、
この受光光学系からの光電信号（Ｓｉｇｐ、Ｓｉｇｏ、
Ｓｉｇｍ）と所定の参照信号（Ｓｉｇｒ）とに基づいて
後述するレジストレーション計測マークを構成する第１
マークと第２マークとの検出方向の位置ずれを算出する
主制御装置１８とを備えている。

【００２５】ここで、以下の説明の便宜上から、ウエハ
７上に形成されたレジストレーション計測マークの一例
及びその形成方法について図２を参照して説明する。

【００２６】図２（Ａ）にはウエハ７上に形成する第１
のパターン（回路パターン等）と同時にウエハ７上に形
成すべき第１マークに対応するレチクルパターンＭ０１
が形成された第１レチクルＲ１が示されている。レチク
ルパターンＭ０１は、第１のパターン（回路パターン
等）とともにレチクルＲ１上に形成され、第１のパター
ンの露光時にウエハ７に転写される。レチクルパターン
Ｍ０１は、遮光性の下地に、線状の透過パターンが、特
定方向（ここでは図１（Ａ）における左右方向）に投影
倍率を考慮したウエハ７上換算値でピッチＰ（例えば６
μｍ程度）の周期で繰り返されるパターンである。

【００２７】図２（Ｂ）にはウエハ７上に形成する第２
のパターン（回路パターン等）と同時にウエハ７上に形
成すべき第２マークに対応するレチクルパターンＭ０２
が形成された第２レチクルＲ２が示されている。レチク
ルパターンＭ０２は、第２のパターン（回路パターン
等）とともにレチクルＲ２上に形成され、第２のパター
ンの露光時にウエハ７に転写される。レチクルパターン
Ｍ０２も、遮光性の下地に、線状の透過パターンが、特
定方向（図１（Ｂ）における左右方向）に投影倍率を考
慮したウエハ７上の換算値でピッチ２Ｐ（上記ピッチＰ
の２倍）の周期で繰り返されるパターンである。

【００２８】図１（Ｃ）には上記２回の露光及びその後
の現像工程を経てウエハ７上に形成されたレジスト像か
ら成るレジストレーション計測マークの一例が示されて
いる。この図１（Ｃ）に示されるように、ウエハ７上に
はレチクルパターンＭ０１，Ｍ０２のそれぞれの転写マ
ークである、第１マークＭ１と第２マークＭ２とが、そ
れぞれの周期方向と直交する方向に並んで配置される。
すなわち、本実施形態では、第１マークＭ１と第２マー
クＭ２とから成る位置ずれ検出マークとしてのレジスト
レーション計測マークＭが、検出方向（ここではＸ軸方
向とする）に、各マークＭ１、Ｍ２の周期方向をほぼ一
致させて形成されている。

【００２９】なお、本実施形態で用いられるレジストレ
ーション計測マークは上記のような構成のものに限定さ
れるわけではなく、透過地に遮光パターンを形成したも
のであっても勿論構わない。また、周期Ｐを有する第１
のマークＭ１と周期２Ｐを有する第２のマークＭ２との
ウエハ７への露光転写の順序も、どちらが先であっても
構わない。

【００３０】図１に戻り、前記ウエハ７はウエハホルダ
８上に吸着保持され、このウエハホルダ８がウエハテー
ブル１０上に載置されている。また、このウエハテーブ
ル１０は、不図示の駆動系によってＸＹ２次元方向に駆
動されるウエハステージ１１上に載置されている。ウエ
ハテーブル１０のＸＹ２次元面内での位置は、不図示の
位置計測手段、例えばリニアエンコーダやレーザ干渉計
等で計測されるようになっており、この位置計測手段の
計測値が主制御装置１８に供給されるようになってい
る。

【００３１】前記照射光学系は、光源１、ミラー２、周
波数シフター３、コリメータレンズ４、ハーフミラー
５、対物レンズ６を含んでいる。ここで、この照射光学
系の構成各部について、その作用とともに説明すると、
光源１はＨｅ−Ｎｅレーザ等のレーザであり、この光源
１より射出されるレーザ光束ＬＳをミラー２等で周波数
シフター３に導く。周波数シフター３は、入射光束ＬＳ
を２つの光束に分離し、かつそれぞれの光の振動数を僅
かに異ならせる作用を有する。この周波数シフター３
は、例えば回転する回折格子（ラジアルグレーティン
グ）によって構成したり、あるいはビームスプリッタと
２つのＡＯＭ（音響光学素子）とによって構成したりす
ることができる。また、両光束に与える振動数差ΔＦ
は、数キロから数百キロヘルツ程度とする。

【００３２】周波数シフター３より発生した一対の光束
Ｌｐ，Ｌｍは、コリメータレンズ４により概ね平行化さ
れ、ハーフミラー５を透過して対物レンズ６に至る。そ
して、この対物レンズ６によりウエハ７上のレジストレ
ーション計測マークＭに入射する。この時の入射角θ
は、上記レジストレーション計測マークを構成する各マ
ークＭ１，Ｍ２の周期（Ｐ及び２Ｐ）に対して、ｓｉｎθ＝λ／（２Ｐ）（ここで、λは検出光束の波
長）の関係を満たすように設定されている。この場合、光束
Ｌｐ，ＬｍはマークＭ２に対する±１次方向から入射さ
れる。この入射角度θの設定は、例えば周波数シフター
３から発生する一対の光束Ｌｐ，Ｌｍの射出角を調整し
たり、あるいはコリメータレンズ４、対物レンズ６から
成る系の焦点距離を調整することによりなされる。

【００３３】この時、ウエハ７面上のレジストレーショ
ン計測マークＭ中のマークＭ１部及びマークＭ２部の双
方の上には、図３（Ａ）、（Ｂ）に示されるような、振
幅分布の周期が２Ｐとなる干渉縞ＬＦがそれぞれ形成さ
れ、かつ、その干渉縞は前述の入射２光束Ｌｐ，Ｌｍの
振動数差ΔＦに比例した速度で右又は左に一定速度で移
動する。すなわち、本実施形態では、照射光学系を構成
する周波数シフター３によって相対走査手段が構成され
ている。

【００３４】図３（Ａ）に示されるマークＭ１の場合、
その周期がＰであり、干渉縞ＬＦの振幅分布の周期２Ｐ
のちょうど半分であるため、マークＭ１から発生する入
射光束Ｌｐの＋１次回折光Ｌ_p1（＋１）は入射光路と全
く同じ方向に発生し、入射光束Ｌｍの正反射光Ｌ
_m1（０）と重なり合って合成光束Ｄｐとなる。一方、マ
ークＭ１から発生する入射光束Ｌｍの−１次回折光Ｌ_m1
（−１）もその入射光路と同じ方向に発生し、入射光束
Ｌｐの正反射光Ｌ_p1（０）と重なりあって合成光束Ｄｍ
となる。

【００３５】一方、図３（Ｂ）に示されるマークＭ２の
場合、その周期が２Ｐであり、干渉縞ＬＦの振幅分布の
周期２Ｐと同じであるため、マークＭ２から発生する入
射光束Ｌｐの＋１次回折光Ｌ_p2（＋１）と入射光束Ｌｍ
の−１次回折光Ｌ_m2（−１）とは重なり合って、ウエハ
７面に対して垂直上方に向かって発生する合成光束Ｄｏ
となる。

【００３６】前記検出光学系は、対物レンズ６、ハーフ
ミラー５、及び３つのディテクター１５、１６、１７と
を含む。そして、上記合成光束Ｄｐ，Ｄｍは対物レンズ
６により集光された後、ハーフミラー６で反射され、第
１の受光手段としてのディテクタ１５、１７により電気
信号（強度信号）Ｓｉｇｐ，Ｓｉｇｍにそれぞれ変換さ
れる。また、合成光束Ｄｏも対物レンズ６により集光さ
れた後、ハーフミラー６で反射され、ディテクタ１６に
より電気信号（強度信号）Ｓｉｇｏに変換される。

【００３７】ここで、上記３つの合成光束Ｄｐ，Ｄｍ，
Ｄｏ中に含まれる各回折光の強度は、上記干渉縞ＬＦの
移動に伴い変動する。そしてその変動の周波数は入射す
る両光束Ｌｐ，Ｌｍの振動数差ΔＦに等しい。従って、
その強度変化の位相を検出することにより、第１マーク
Ｍ１及び第２マークＭ２の周期方向の位置を検出するこ
とができる。また、各マークからの正反射光（０次光）
そのものにはマーク位置の情報は何等含まれていないた
め、マーク位置の検出には何らの影響を与えない。従っ
て、以下の説明中では、合成光束Ｄｏのみならず、合成
光束Ｄｐ，Ｄｍをも回折光と呼ぶものとする。以下、回
折光Ｄｏ、Ｄｐ、Ｄｍを用いた第１マークＭ１と第２マ
ークＭ２との位置ずれ検出方法について具体的に説明す
る。

【００３８】図４には、各回折光の強度変化の例が示さ
れている。この内、図４（Ａ）には回折光Ｄｏの強度信
号Ｓｉｇｏが、図４（Ｂ）には回折光Ｄｐの強度信号Ｓ
ｉｇｐが、図４（Ｃ）には回折光Ｄｍの強度信号Ｓｉｇ
ｍがそれぞれ示されている。

【００３９】また、図４（Ｄ）には、参照信号Ｓｉｇｒ
が示されている。この参照信号Ｓｉｇｒは、図１中のデ
ィテクタ１４からの信号であり、これはハーフミラー５
で反射した入射光束Ｌｐ，Ｌｍを集光レンズ１２で参照
グレーティング１３上に集光し、その透過光強度を検出
したものである。ここでは、この参照信号Ｓｉｇｒを各
信号の位相検出の基準として使用する。

【００４０】例えば参照信号Ｓｉｇｒのピーク位置Ｔ
ｒを基準として、Ｓｉｇｏのピーク位置ＴｏのＴｒから
のずれを検出すると、このずれ（Ｔｏ−Ｔｒ）からマー
クＭ２の位置が、基準信号Ｓｉｇｒの想定する基準位置
に対して、Ｄ２＝（Ｔｏｒ−Ｔｒ）［秒］×ΔＦ［ヘルツ］×Ｐ ……（１）だけずれていることが判る。

【００４１】また、Ｓｉｇｐのピーク位置Ｔｐと、Ｓ
ｉｇｍのピーク位置ＴｍのＴｒからのずれを検出する
と、Ｄ１ｐ＝（Ｔｐ−Ｔｒ）［秒］×ΔＦ［ヘルツ］×Ｐ ……（２）Ｄ１ｍ＝（Ｔｍ−Ｔｒ）［秒］×ΔＦ［ヘルツ］×Ｐ ……（３）となり、これらのずれ量はマークＭ１の位置に対応し、
その平均値、すなわちＤ１＝（Ｄ１ｐ＋Ｄ１ｍ）／２ ……（４）が、マークＭ１の基準信号Ｓｉｇｒの想定する基準位置
に対するずれに相当する。

【００４２】従って、主制御装置１８では、上記、
で説明したようにして、上記Ｄ１，Ｄ２を求め、最終的
に、その差（Ｄ２−Ｄ１）を算出することにより、両マ
ークＭ１とＭ２との位置ずれ量を求める。

【００４３】以上説明したように、本実施形態の位置ず
れ検出方法によると、検出対象が信号変化の位相である
ことから、極めてＳ／Ｎ比良く、即ち極めて高い分解能
かつ再現性で位置ずれ計測（レジストレーション計測）
を行なうことができる。また、受光する各回折光に強度
変化を与える方法、すなわち干渉縞ＬＦをマークＭ１，
Ｍ２に対して相対走査する方法として、入射ビームＬ
ｐ，Ｌｍに周波数差を与えるいわゆるヘテロダイン方式
が採用されていることから、計測中はウエハステージ１
１を移動させる必要がなく、従ってウエハステージ１１
の振動による悪影響も皆無である。但し、同一周波数の
一対の可干渉ビームにより干渉縞ＬＦを発生させ、例え
ば計測中にウエハステージ１１を走査して、干渉縞ＬＦ
に対してウエハ７（マークＭ１，Ｍ２）を走査する方式
としてもよい。この場合は、ウエハステージ１１によっ
て相対走査手段が構成される。この場合であっても、マ
ークＭ１とＭ２とを同時に検出するので、検出中の干渉
計揺らぎ等が計測精度に与える影響は殆どない。すなわ
ち、両マークＭ１，Ｍ２の位置を同時に計測可能である
ということは、第１マークＭ１と第２マークＭ２を別々
に計測する場合に生じる各計測時のウエハステージ位置
ずれ、ステージ位置の計測誤差等による誤差が全く生じ
ないというメリットがある。

【００４４】さらには、検出光束（入射光束Ｌｐ、Ｌ
ｍ）は、極めて近接した光路を通るため、いわゆるコモ
ンパスの構成となり、光路中の空気揺らぎ等の悪影響を
殆ど受けないというメリットもある。

【００４５】なお、周期ＰのマークＭ１の位置検出に際
しては、受光する回折光にはマークＭ１からの正反射光
と１次回折光だけではなく、周期２ＰのマークＭ２から
の正反射光と２次回折光も含まれている。しかしなが
ら、一般に２次回折光の強度は１次回折光に比べて極め
て弱く、マークＭ１の検出に際してのマークＭ２からの
２次回折光の影響は殆どない。また、各マークからの正
反射光そのものにはマーク位置の情報は何等含まれてお
らず、マークＭ２からの正反射光の存在もマークＭ１の
位置の検出に影響を与えるものではないことは、前述し
た通りである。

【００４６】なお、マークＭ２からの２次回折光の影響
を極限まで排除する必要がある場合には、マークＭ２を
形成するラインアンドスペースパターン（凹凸パターン
又は明暗パターン）の線幅比（デューティー比）を１と
すればよい。すなわち、図２（Ｂ），（Ｃ）中のマーク
Ｍ２（Ｍ０２）を形成する線状パターンの線幅ＷをＷ＝Ｐ＝２Ｐ／２に設定すればよい。このようにした場合には、マークＭ
２からの２次回折光の発生を全く抑えることができる。

【００４７】また、上記実施形態では、両マークＭ１、
Ｍ２の位置ずれの検出に参照信号Ｓｉｇｒを用いるもの
としたが、これを用いずに回折光Ｄｏの強度信号Ｓｉｇ
ｏの位相を基準として、回折光Ｄｐ及びＤｍの強度信号
Ｓｉｇｐ，Ｓｉｇｍの位相を検出しても同様に両マーク
の位置ずれを求めることができる。

【００４８】ところで、各回折光を受光するディテクタ
１５、１６、１７等の応答時間は必ずしも全て等しいと
は限らず、一般にはある程度のバラツキが存在してい
る。そして、この応答時間（応答遅れ）のバラツキは、
マークＭ１，Ｍ２の位置ずれ計測値に誤差を与えてしま
うおそれがある。

【００４９】そこで、実施に当たっては、レジストレー
ション計測を行なう前に、テストパターンを用いてこの
バラツキを計測し、ディテクタ１５、１６、１７をキャ
リブレーションしておくことが望ましい。テストパター
ンとしては、例えば図５に示されるようなテストパター
ンＭＲを使用することができる。このテストパターンＭ
Ｒは、線幅Ｓの線状パターンが周期２Ｐで並ぶものであ
り、線幅Ｓは例えばＰ／２程度とする。このテストパタ
ーンＭＲは、前述したレジストレーション計測マークＭ
（マークＭ１，Ｍ２）と異なり、１つの周期２Ｐのみか
らなるパターンであるが、線幅Ｓが細めに設定され、デ
ューティ比が１となっていないため、２次回折光も多く
発生する。このため、前述のレジストレーション計測マ
ークＭと同様の計測を行なった場合に、テストパターン
ＭＲから発生する回折光Ｄｐ，Ｄｍには、パターンＭＲ
自体の位置情報を持つ２次回折光が多く含まれ、この２
次回折光により上記Ｄ１の算出が可能となる。そして、
このＤ１は、パターンＭＲ自体の位置に他ならない。こ
の時にもＤ２は算出され、これらＤ１，Ｄ２の値は、共
にパターンＭＲの位置であるから、本来は完全に一致す
る筈である。従って、これらが一致しなければ、それ
は、ディテクタ１５，１６，１７等の遅延による誤差で
あると考えられるから、実際のレジストレーション計測
に際しては、その不一致量を差し引いた結果を真値とし
て採用すれば良い。

【００５０】この場合において、テストパターンＭＲ
は、例えば図３のウエハテーブル１０上に設けられた基
準マーク板９上に形成しておけば良い。なお、テストパ
ターンとして、例えば図２（Ｃ）に示されるレジストレ
ーション計測マークＭと同一形状のパターンを使用する
こともできる。ただし、パターンが複雑化するとテスト
パターン形成時の描画誤差等の悪影響が生じるので、テ
ストパターンは図５中のＭＲの如くなるべくシンプルな
構造のものが良い。

【００５１】また、上記実施形態では、簡略化のために
１次元方向のみの計測について説明したが、照射光学系
及び検出光学系を２組、ウエハ７上方から見て９０度回
転して配置することで、２次元方向のレジストレーショ
ン計測が可能となることは言うまでもない。

【００５２】次に、本実施形態に係るレジストレーショ
ン計測装置１００を用いて前述と同様にして重ね合わせ
ずれの検出を行なうのに好適な他の位置ずれ検出マーク
の例について、図６を参照して説明する。

【００５３】図６（Ａ）には、周期Ｐの第１マークを検
出方向（周期方向：図６（Ａ）における左右方向）と直
交する方向に２分割してマークＭ１ａ，Ｍ１ｂとし、こ
れらのマークＭ１ａ，Ｍ１ｂを周期２Ｐの第２マークＭ
２の上下に対称に配置した例が示されている。この場
合、分割した第１マークＭ１ａ，Ｍ１ｂの検出方向の位
置関係は、正確に一致させておく必要がある。

【００５４】この場合にも、前述と同様にして計測を行
なえば、分割した第１マークＭ１ａ，Ｍ１ｂからの１次
回折光はディテクタ１５、１７に受光され、前述したレ
ジストレーション計測マークＭと同様にレジストレーシ
ョン計測が可能である。また、図６（Ａ）の如きマーク
では、計測時にウエハ７が多少回転していても、あるい
は、入射ビーム（Ｌｐ，Ｌｍ）により形成される干渉縞
ＬＦが検出方向に対して多少回転していても、第１マー
クの位置として求められるのは第１マークＭ１ａ，Ｍ１
ｂの平均の位置であるから、結果的にウエハ７の回転等
が計測誤差の要因にならないというメリットがある。

【００５５】図６（Ｂ）には、第１マークを検出方向
（周期方向：図６（Ｂ）における左右方向）に分割して
マークＭ１ｃ，Ｍ１ｄとし、これらのマークＭ１ｃ，Ｍ
１ｄを第２マークの左右に対称に配置した例が示されて
いる。この場合も、上記のウエハ７又は干渉縞ＬＦの回
転ずれに影響されないというメリットが得られる。この
場合、分割した第１マークＭ１ｃとＭ１ｄの双方の最も
内側の線状パターンの中心間隔が周期Ｐの整数倍（ｎ
Ｐ）になるように設定する必要がある。すなわち、ピッ
チＰの１つのラインアンドスペースパターンの中央の一
部を除去したものが、第１マークＭ１ｃ、Ｍ１ｄとなる
ようにする必要があるということである。さもなくば、
得られる回折光の強度が弱くなるからである。

【００５６】あるいは、第１マークと第２マークとを検
出方向に並べて配置することもできる。この場合、例え
ばウエハ７が回転した場合には、その回転により誤差が
生ずるが、この誤差はいわゆるコサイン誤差であるか
ら、その値が小さいため、結果的に上記と同様ウエハ７
又は干渉縞ＬＦの回転ずれに殆ど影響されないというメ
リットが得られる。

【００５７】なお、上記レジストレーション計測装置１
００を、投影露光装置に組み込むことも可能である。こ
の場合、投影露光装置には、通常ウエハホルダ８，ウエ
ハテーブル１０，ウエハステージ１１は組み込まれてい
るので、照射光学系（１〜６），検出系（１２〜１８）
を組み込むのみでよい。また、一部の投影露光装置で
は、ＬＩＡ（レーザ干渉式アライメント）と呼ばれるア
ライメント光学系（位置検出光学系）が組み込まれてい
るが、かかるＬＩＡ型のアライメント光学系を装備した
投影露光装置に対しては、例えば上記実施形態の主制御
装置１８内のソフトウェアを変更する程度で、レジスト
レーション計測装置１００と同等の装置を構成すること
ができる。このように、検出した回折光の光量信号を処
理する演算部の交換のみで、従来のＬＩＡ型のアライメ
ント光学系を装備した投影露光装置に搭載できることも
本発明に係る位置ずれ検出装置の利点である。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし４
に記載の発明によれば、検出対象が信号変化の位相であ
ることから、Ｓ／Ｎ比良く、すなわち極めて高い分解能
かつ再現性で基板上に形成された第１マークと第２マー
クとの位置ずれを検出することができるという優れた効
果がある。

【００５９】また、請求項１ないし４に記載の発明によ
れば、相互に位置ずれを計測する第１マークと第２マー
クの周期性を異ならしめ、かつそれぞれのマーク位置に
対応する異なる回折光を別々に検出することとしたた
め、両マークの位置を、相互に影響されること無く正確
に検出し、ひいては相互の位置ずれを正確に検出するこ
とが可能となる。

【００６０】また、請求項５に記載の発明によれば、基
板上に形成された第１マークと第２マークとの位置ずれ
を高精度に検出することができる優れた位置ずれ検出装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態に係るレジストレーション計測装置
の構成を概略的に示す図である。

【図２】図１のウエハ上に形成されたレジストレーショ
ン計測マークの一例及びその形成方法を説明するための
図であって、（Ａ）は第１マークに対応するレチクルパ
ターンが形成された第１レチクルを示す平面図、（Ｂ）
は第２マークに対応するレチクルパターンが形成された
第２レチクルを示す平面図、（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）の
レチクルパターンの露光、現像により形成されたレジス
トレーション計測マークを示す平面図である。

【図３】（Ａ）はウエハ面上のマークＭ１部上に振幅分
布の周期２Ｐの干渉縞が形成された様子を示す図、
（Ｂ）はマークＭ２部上に振幅分布の周期２Ｐの干渉縞
が形成された様子を示す図である。

【図４】（Ａ）は回折光Ｄｏの強度信号Ｓｉｇｏを示す
図、（Ｂ）は回折光Ｄｐの強度信号Ｓｉｇｐを示す図、
（Ｃ）は回折光Ｄｍの強度信号Ｓｉｇｍを示す図、
（Ｄ）は参照信号Ｓｉｇｒを示す図である。

【図５】テストパターンの一例を示す図である。

【図６】位置ずれ検出マークの他の例を示す図である
（（Ａ）、（Ｂ））。

【符号の説明】

１光源（照射手段の一部）２ミラー（照射手段の一部）３周波数シフター（照射手段の一部、相対走査手段）４コリメータレンズ（照射手段の一部）５ハーフミラー（照射手段の一部）６対物レンズ（照射手段の一部）７ウエハ（基板）１５ディテクタ（第１の受光手段）１６ディテクタ（第２の受光手段）１７ディテクタ（第１の受光手段）１８主制御装置（算出手段）１００レジストレーション計測装置（位置ずれ検出装
置）Ｍ１第１マークＭ２第２マークＭレジストレーション計測マーク（位置ずれ検出マー
ク）Ｌｐ、Ｌｍ可干渉ビームＬＦ干渉縞Ｄｐ、Ｄｍ回折光Ｄｏ回折光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に所定の位置関係で形成された第
１マークと第２マークとを含む位置ずれ検出マークから
の回折光に基づいて前記第１マークと第２マークとの所
定の検出方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法で
あって、ほぼ前記検出方向に周期Ｐの周期性を有する第１マーク
と、当該第１マークの大きさ以下に該第１マークに近接
して配置された前記検出方向に周期２Ｐの周期性を有す
る第２マークとから成る位置ずれ検出マークが形成され
た基板を用意し、前記基板上の前記位置ずれ検出マークに対し一対の可干
渉ビームを照射し、その振幅分布がほぼ検出方向に所定
周期を有する干渉縞を生じさせるとともに、この干渉縞
と前記位置ずれ検出マークとを前記検出方向に相対走査
し、前記相対走査中に前記第１マーク、第２マークから生ず
る各回折光の光電信号の位相差に基づいて前記第１マー
クと第２マークとの所定の検出方向の位置ずれを検出す
る位置ずれ検出方法。
【請求項２】前記第１及び第２マークのうちの一方
は、他方のマークのほぼ前記周期方向又はこれに直交す
る方向の両側に対になって配置されていることを特徴と
する請求項１に記載の位置ずれ検出方法。
【請求項３】前記一対の可干渉ビームは、前記干渉縞
の振幅分布の周期が前記周期２Ｐと一致するような所定
の入射角で入射され、前記干渉縞と前記位置ずれ検出マークとの前記検出方向
の相対走査中に、前記位置ずれ検出マークより発生す
る、前記周期Ｐより成る前記第１マークの位置情報を含
む回折光と、前記周期２Ｐより成る前記第２マークの位
置情報を含む回折光とを受光して、それぞれの光電信号
の位相差に基づいて前記第１マークと前記第２マークと
の前記検出方向の位置ずれを検出することを特徴とする
請求項１又は２に記載の位置ずれ検出方法。
【請求項４】前記第１マークの位置情報を含む回折光
として、前記検出方向について前記一対の可干渉ビーム
の各正反射方向の２つの回折光を受光し、前記第２マー
クの位置情報を有する回折光として、前記検出方向につ
いて前記一対の可干渉ビームの各正反射方向の中間の方
向に発生する回折光を受光することを特徴とする請求項
３に記載の位置ずれ検出方法。
【請求項５】基板上に所定の位置関係で形成された第
１マークと第２マークとを含む位置ずれ検出マークから
の回折光に基づいて前記第１マークと第２マークとの所
定の検出方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出装置で
あって、前記位置ずれ検出マークが、ほぼ前記検出方向に周期Ｐ
の周期性を有する第１マークと、当該第１マークの大き
さ以下に該第１マークに近接して配置された前記検出方
向に周期２Ｐの周期性を有する第２マークとから成り、前記位置ずれ検出マークに対し一対の可干渉ビームを所
定の角度から照射して、その振幅分布がほぼ検出方向に
周期２Ｐを有する干渉縞を生じさせる照射手段と；前記
干渉縞を前記位置ずれ検出マークに対しほぼ検出方向に
相対走査する相対走査手段と；前記相対走査中に前記位
置ずれ検出マークより発生する、前記周期Ｐより成る前
記第１マークの位置情報を含む回折光を受光し光電変換
する第１の受光手段と；前記周期２Ｐより成る前記第２
マークの位置情報を含む回折光を受光し光電変換する第
２の受光手段と；前記第１、第２の受光手段からの光電
信号の位相差に基づいて前記第１マークと前記第２マー
クとの前記検出方向の位置ずれを算出する算出手段とを
有する位置ずれ検出装置。