JPH11233438A - 半導体装置の製造方法及び露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高精度な位置検出ができる高性能な位置検出
を提供する。 【構成】 基板上に形成され回折格子パターンの一部を
他と異なる長さとし、回折格子の検出を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は基板の位置を検出する方
法に関し、特に露光装置における被転写基板の位検出方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造装置（露光装置、リペ
ア装置、検査装置等）では、チップ回路が作り込まれる
半導体ウェハを、その装置内で高精度に位置決めするこ
とが要求されてきた。特に露光装置にあっては、レチク
ルやマスクの回路パターンをウェハ上の回路パターンと
精密に重ね合わせて露光するために、予めウェハ上の回
路パターンの位置を正確に検出する必要がある。

【０００３】回路パターンの微細化は、サブミクロン領
域にまで達し、現在では線幅ルール０．４〜０．６μｍ
程度の１６Ｍｂｉｔ Ｄ−ＲＡＭ量産用の露光装置が試
作されている。これらの露光装置では、線幅ルールに見
合った位置合わせ技術が必要であり、位置合わせ用のア
ライメントマークの検出センサー単体の精度としては、
線幅ルールの１／１０程度をクリアしなければならな
い。このような高い精度を得る１つのアライメント（マ
ーク検出）技術として、ウェハ上の回折格子パターンに
スタティックな干渉縞を照射し、この干渉縞と回折格子
パターンとを相対移動させて、回折格子パターンから生
じる干渉光の強度変化に基づいて、ウェハを位置合わせ
する方法が、例えばアメリカ特許第４，６３６，０７７
号に開示されている。この方法は基本的には、回折格子
パターンと干渉縞との相対位置変化量が干渉光の強度変
化（正弦波的なレベル変化）に一義的に対応することを
利用して変位計測を行なうアメリカ特許第３，７２６，
５９５号の技術を応用したものである。

【０００４】一方、干渉縞と回折格子パターンとを使っ
た別の位置（変位）計測方法として、特開昭６１−２１
５９０５号公報に開示されている通り、干渉縞を回折格
子パターンのピッチ方向に高速に移動させ、回折格子パ
ターンからの干渉ビート光の光電信号（交流）と、干渉
縞の移動速度に対応した参照信号（交流）との位相差か
ら回折格子パターンの位置ずれ（格子ピッチの±１／４
以内、もしくはその整数倍）を検出する技術も知られて
いる。この方法は光ビート信号を使うことからヘテロダ
イン法とも呼ばれ、前述のスタティックな干渉縞を用い
た方法は、これに対してホモダイン法と呼ばれる。ヘテ
ロダイン法では同一周波数の２つの交流信号間（計測信
号と参照信号）の位相差が回折格子パターンの変位と一
義的に対応しており、位相差の計測は簡単なフェーズ・
メータ等であっても極めて高い分解能が得られる。例え
ばウェハ上の回折格子パターンのピッチＰを２μｍ（１
μｍ幅のラインとスペース）とし、フェーズ・メータの
分解能Δθを±０．５°とすると、ある条件でのヘテロ
ダイン法では格子ピッチＰの±１／４が位相差の±１８
０°に比例するから、変位計測分解能ΔＸは、次の関係
から求まる。

【０００５】ΔＸ／Δθ＝（Ｐ／４）／１８０ 従って上記の条件ではΔＸ≒０．００１４μｍとなり、
これは極めて高い分解能である。しかも、ある一定時間
（ｍＳｅｃオーダ）の間の信号波形の平均から位相差が
求められるので高い安定性が得られる。さらに信号波形
のレベル変化ではなく、位相変化を求めればよいので、
アライメントにあたってホモダイン法のように信号強度
のばらつきに大きく依存することがない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上、従来のホモダイ
ン法、ヘテロダイン法では、基板上の回折格子パターン
のピッチＰの１／２毎に同一の位置ずれ情報が得られる
ため、Ｐ／２を１周期とすると、その整数倍の位置ずれ
があった場合には誤った位置合わせをすることになる。
この種のマーク検出法においては、年々回折格子パター
ンのピッチＰが微細化することも予想され、現在考えら
れているようにＰ＝２μｍとしても、±０．５μｍの範
囲内に回折格子パターンをプリアライメントしなければ
ならず、従来の機械的なプリアライメントのみではほと
んど達成不可能なスペックであった。

【０００７】そこで本発明は、ホモダイン、ヘテロダイ
ン法のように高分解能ではあるが、真のマーク位置ずれ
計測範囲が狭いアライメント系をもつ位置合わせ装置に
おいて、上記問題点を解決しつつ、マーク検出（アライ
メント）動作の長時間化、すなわちアライメントシーケ
ンス上でのスループット低下を極力少なくすることを目
的とする。

【０００８】また本発明は、パターンの形状を工夫する
ことにより、検出しやすい格子パターンをえることで、
スループットの向上を目的とする。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】上記問題点を解決するため
本発明では基板に形成されたマークを検出する位置検出
方法において、前記マークは、所定方向に配列された格
子マークであって、該配列方向とは異なる方向に関して
他とは長さが異なるマーク部を有し、前記異なるマーク
部を検出する工程と；前記異なるマーク部を含む格子マ
ーク全体を検出する工程とを有することとした。

【００１０】

【本発明の実施の形態】本実施例においては、２つのマ
ーク検出手段が時間的に連続してマークパターンの検出
動作を行なえるように、マークパターンの構造もしくは
配置を決めておくことで、２つのマーク検出手段を使う
ことによるスループット低下を押えるようにした。

【００１１】ここで本実施例におけるアライメント系の
原理的な構成、作用について図１を参照して説明する。
図１において、ウェハＷ上には、主マークＭ2 として回
折格子パターンが形成され、そこから一定距離だけ離れ
て副マークＭ1 が形成されている。対物光学系としての
投影レンズＰＬはウェハＷとレチクルＲとの間に配置さ
れ、露光光の波長のもとでレチクルＲとウェハＷとを互
いに共役関係にする。アライメント系は、アライメント
用対物レンズＯＢＪ、ビームスプリッタＢＳ1、ミラー
ＲＭレンズ系ＧＬ、ビームスプリッタＢＳ2 、及び光電
検出器ＰＥＤ等により構成される。投影レンズＰＬはウ
ェハＷ側がテレセントリック系になっている。このアラ
イメント系には、マーク照明光として露光光と異なる波
長の３本のビームＬＢ0 、ＬＢ1 、ＬＢ2 が入射する。
ビームＬＢ0 は、ビームスプリッタＢＳ2 で反射してレ
ンズ系ＧＬに入射し、投影レンズＰＬの瞳（入射瞳）Ｅ
Ｐと共役な面ＥＰ’の中心を通り、対物レンズＯＢＪに
よって空間中の面ＩＰに集光した後、投影レンズＰＬの
瞳ＥＰの中心を通って、ウェハＷ上で再結像する。これ
によってウェハＷ上にはビームＬＢ0 の円形、又はスリ
ット形のスポット光（第１検出領域）が照射され、この
スポット光とウェハＷ上のマークＭ1 とを相対走査する
ことにより、該マークＭ1 からは散乱光や回折光±ＤＬ
が発生する。この反射回折光は投影レンズＰＬ、対物レ
ンズＯＢＪを介してビームスプリッタＢＳ1 で反射さ
れ、正反射光以外の回折、散乱光が瞳ＥＰと共役な光電
検出器ＰＥＤの受光面上の受光素子ＰＤａ、ＰＤｂ、又
は受光素子ＰＤｃ、ＰＤｄにより検出される。以上のビ
ームＬＢ0 、ビームスプリッタＢＳ1 、ＳＢ2 、レンズ
系ＧＬ、対物レンズＯＢＪ、及び受光素子ＰＤａ、ＰＤ
ｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄが本発明の第１マーク検出手段を構
成する。

【００１２】一方、２本の可干渉性ビームＬＢ1 、ＬＢ
2 は、波長はビームＬＢ0 とほぼ等しい（厳密には後述
するように数十ＭＨｚ程度異なる）が、周波数が互いに
数ＫＨｚ〜数十ＫＨｚ程度の間で異なっており、ビーム
スプリッタＢＳ2 を介してレンズ系ＧＬに２方向から入
射し、瞳共役面ＥＰ’では瞳中心を挟んで点対称の関係
でスポット集光する。その後ビームＬＢ1 、ＬＢ2 は対
物レンズＯＢＪを通り、ともに平行光束となって面ＩＰ
で交差し、投影レンズＰＬに入射する。２本のビームＬ
Ｂ1 、ＬＢ2 は瞳ＥＰ内では再びスポットに集光した
後、投影レンズＰＬの光軸に関して対称的に傾いた平行
光束となってウェハＷ上で交差する。この２つのビーム
ＬＢ1 、ＬＢ2 の交差部分が第２検出領域に相当し、ウ
ェハＷ上には２つのビームＬＢ1 、ＬＢ2 の交差角に応
じたピッチの干渉縞が、周波数差に応じた速度で一方向
に流れることになる。この干渉縞の位置に主マークＭ2
が存在すると、ビームＬＢ1 の照射によって垂直に発生
する１次回折光と、ビームＬＢ2 の照射によって垂直に
発生する１次回折光とが互いに干渉し、その干渉ビーム
光ＢＴＬが投影レンズＰＬに垂直に入射する。この干渉
ビーム光ＢＴＬは対物レンズＯＢＪ、ビームスプリッタ
ＢＳ1 を介して光電検出器ＰＥＤの光軸上の受光素子Ｐ
Ｄ0 にスポット光となって集光する。以上、ビームＬＢ
1 、ＬＢ2 、ビームスプリッタＢＳ1 、ＢＳ2 、レンズ
系ＧＬ、対物レンズＯＢＪ、及び受光素子ＰＤ0 によっ
て本発明の第２マーク検出手段が構成される。 ここで
面ＩＰはレチクルＲと光軸方向にずれているが、これは
ビームＬＢ0 、ＬＢ1 、ＬＢ2 の露光波長からのずれに
起因した色収差によるものである。また主マークＭ2 は
図中、左右方向に周期的な構造を有し、回折格子要素は
紙面と垂直な方向に伸びており、ビームＬＢ1 、ＬＢ2
のスポット光は瞳ＥＰ内で主マークＭ1 の格子ピッチ方
向に並んでいる。さらにビームＬＢ0 は瞳ＥＰ内でスリ
ット状に集光するようにシリンドリカルレンズ等で成形
されて、ビームスプリッタＢＳ2 に入射する。これによ
ってウェハＷ上でのビームＬＢ0 のスポットは、瞳ＥＰ
内の長手方向と直交する方向に伸びたスリット状にな
る。この第１マーク検出手段については、例えば特開昭
６１−１２８１０６号公報に詳しく開示されている。

【００１３】以上のような第１マーク検出手段と第２マ
ーク検出手段とを用いて、第１マーク検出手段では専ら
副マークＭ1 を検出して主マークＭ2 の±Ｐ／４の整数
倍の位置ずれを特定するようにし、第２マーク検出手段
では主マークＭ2 の±Ｐ／４以内の位置ずれを検出す
る。ここで本発明では、２つのマーク検出手段の動作順
序は、どちらを先にしてもよい。このように本発明で
は、副アライメント系としての第１マーク検出手段と、
主アライメント系としての第２マーク検出手段とを組み
合わせることで、マーク検出動作を連続させることがで
き、これによってスループットの極端な低下を防止する
とともに、確実な主アライメントを達成するようにした
のである。次に本発明の実施例による位置合わせ装置の
構成を、図２〜図６を参照して説明する。図２は投影露
光装置のアライメント系を示し、レチクルＲはレチクル
ステージＲＳＴ上に固定され、予め投影レンズＰＬの光
軸ＡＸに対して正確に位置決めされているものとする。
ウェハＷは２次元移動可能なステージ１６上に載置さ
れ、このステージ１６はモータ１７、送りネジ１８等の
駆動系によって水平面内を高速移動する。ウェハステー
ジ３０の座標位置は、レーザ光源３０、ビームスプリッ
タ３１、ウェハステージ３０に固定された移動鏡３２、
投影レンズＰＬに固定された固定鏡３３、及び干渉フリ
ンジを光電検出するレシーバ３４とで構成されたレーザ
干渉式測長器（干渉計）によって逐次計測される。レシ
ーバ３４からの信号は、干渉計カウンタへ送られ、ステ
ージ１６の移動量は、例えば０．０２μｍの分解能で計
測される。

【００１４】一方、アライメント用のレーザ光源１から
のビームは、ビーム送光系ＡＢＯに入射し、第１マーク
検出系と第２マーク検出系との夫々に適した照明ビーム
ＬＢ0 、ＬＢ1 、ＬＢ2 に変換され、ビームスプリッタ
６Ｘ、対物レンズ７Ｘ、及びミラー１３を介して投影レ
ンズＰＬの軸外（投影視野の周辺部）位置に入射する。
尚、図２中、２本のビームＬＢ1 、ＬＢ0 は、ビームＬ
Ｂ0 をはさんで紙面と垂直な方向に並んでいるため、こ
こでは図示を省略してある。さて、投影レンズＰＬの瞳
ＥＰの中心を通ったビームＬＢ0 は、ウェハＷをテレセ
ントリックに照射するスリット状スポット光となる。こ
のときウェハＷ上には、例えば図３に示すようなビーム
スポット７１が形成され、スポット７１の長手方向は投
影レンズＰＬの光軸ＡＸへ向うように構成されている。

【００１５】そこでステージ１６をレーザ干渉計の計測
のもとに、ビームスポット７１の長手方向と直交する方
向に走査すると、図３のように副マークＭ1 がスポット
７１を横切るように移動させることができる。本実施例
では副マークＭ1 は、微小矩形パターンの複数をビーム
スポット７１の長手方向に一定ピッチで配列した回折格
子状にし、主マークＭ2 の回折格子パターンの回折方向
（ピッチ方向）とは直交する方向の周期構造とした。ス
ポット７１が副マークＭ1 と重なった瞬間、副マークＭ
1 からは図４に示すように格子ピッチ方向に回折光（±
１次光、±２次光……）±ＤＬが発生する。これら回折
光±ＤＬは投影レンズＰＬを介してミラー１３Ｘで反射
し、対物レンズ７Ｘを通ってビームスプリッタ６Ｘで反
射され、光電検出器８Ｘ（図１中のＰＥＤ）に達する。
光電検出器８Ｘは、図１に示したＰＥＤのように、２系
統のアライメント系の夫々に対した回折光を受けるため
に、瞳共役面で分割された複数の受光素子を備えてい
る。ここでウェハＷの共役面（図１中の面ＩＰ）は、図
２中ではミラー１３Ｘと対物レンズ７Ｘとの間に存在す
る。

【００１６】以上図２ではアライメント系、干渉計シス
テムは、Ｘ方向のアライメント用の一軸方向のみを示す
が、実際はＹ方向のアライメント用にも、同一のアライ
メント系と干渉系システムとが設けられている。一方、
アライメントビーム送光系ＡＢＯからの２つのビームＬ
Ｂ1 、ＬＢ2 は、図１で説明したのと同様に、ウェハＷ
上では図２中で紙面と垂直な面内で交差する平行光束と
なり、スポット７１よりも十分大きな範囲の照射領域
（第２検出領域）を形成する。本実施例では２つのビー
ムＬＢ1 、ＬＢ2 の交差照射領域のほぼ中央にスポット
７１が位置するように設定されるが、瞳ＥＰの中心にビ
ームＬＢ0 が通りさえすれば、スポット７１の位置は交
差照明領域内のどこにあってもよい。ただしその位置関
係は予め別の基準マーク（ウェハステージ上のフィデュ
シャルマーク等）を用いて計測しておく必要がある。さ
て、図５は、図２の装置におけるアライメント系をＸ−
Ｙ平面でみた配置図である。 Ｈｅ−Ｎｅ、Ａｒイオ
ン、Ｈｅ−Ｃｄ等のレーザ光源１は露光光と異なる波長
のレーザビームを発振する。このビームは微小回転可能
な１／２波長板２’によって偏光方向がほぼ４５°だけ
回転させられ、偏光ビームスプリッタ２により偏光方向
で２つに分けられる。このビームスプリッタ２を透過し
た一方の偏光ビーム（例えばＰ偏光）はシャッターＳ1
を通り、ミラー２０、ビーム成形光学系２１、シリンド
リカルレンズ２２から成る第１マーク検出系のビーム送
光系に入射する。シリンドリカルレンズ２２からのビー
ムＬＢ0 はビームスプリッタ３で振幅分割され、このビ
ームスプリッタ３を透過したビームＬＢ0 はＸ方向のア
ライメント対物系を構成するレンズ４Ｘ、ミラー５Ｘ、
ビームスプリッタ６Ｘ、対物レンズ７Ｘ、及びミラー１
３Ｘに入射する。ビームスプリッタ３で反射されたビー
ムＬＢ0 はＹ方向のアライメント対物系を構成するレン
ズ４Ｙ、ミラー５Ｙ、ビームスプリッタ６Ｙ、対物レン
ズ７Ｙ、及びミラー１３Ｙに入射する。尚、ビームＬＢ
0 についてはビームの主光線のみを示してある。ここで
ビームスプリッタ６Ｘ、６Ｙは図１中のＢＳ1 に相当
し、ウェハＷ上の副マークＭ1 、主マークＭ2 からの回
折光を光電検出器８Ｘ、８Ｙへ分岐する。さて、偏光ビ
ームスプリッタ２で反射された偏光ビーム（例えばＳ偏
光）はシャッターＳ2 を通り、ＡＯＭ（音響光学変調
器）等の２つの周波数変調器ＭＤ1 、ＭＤ2 、ビームス
プリッタＢＳ3 等で構成された第２マーク検出系のビー
ム送光系２１’に入射する。シャッターＳ2 を通ったビ
ーム送光系２１’内で２つに分割され、各ビーム路に変
調器ＭＤ1 、ＭＤ2 が配置され、周波数変調された２つ
のビームがビームスプリッタＢＳ2 で偏心して合成され
る。変調器ＭＤ1 、ＭＤ2 は、互いに異なる周波数の高
周波ドライブ信号ＳＦ1 、ＳＦ2 （数十ＭＨｚ）で駆動
され、信号ＳＦ1 とＳＦ2 の周波数差がビート周波数
（数ＫＨｚ〜数十ＫＨｚ）となる。ビームスプリッタＢ
Ｓ3 で合成された２つのビームＬＢ1 、ＬＢ2 は、ミラ
ー４６で反射され、レンズ４７、偏光板２”を通ってビ
ームスプリッタ３に入射する。ビームスプリッタ３にお
ける２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 の入射面は、ビームＬ
Ｂ0 の入射面と直交し、２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 は
偏光板２”によってビームＬＢ0 の偏光方向と合わされ
た後、ビームスプリッタ３で振幅分割されて、Ｘ方向ア
ライメント対物系とＹ方向アライメント対物系との夫々
に分岐する。尚、図５中では、ビームスプリッタ３を透
過してＹ方向アライメント対物系へ進む２つのビームＬ
Ｂ1 、ＬＢ2 の図示を省略してある。またビームＬＢ1
、ＬＢ2 は主光線のみを示し、レンズ４７からレンズ
４Ｘ（又は４Ｙ）までの間では、平行光束となって交差
し、レンズ４７と送光系２１’の間では主光線が互いに
平行となっている。従って、レンズ４７とレンズ４Ｘ
（又は４Ｙ）との間に、ウェハＷ（又は面ＩＰ）と共役
な面（交差位置）が存在し、この位置に適宜、照明領域
を制限するためのアパーチャを設けるとよい。さらにシ
ャッタＳ1 、Ｓ2 は、いずれか一方のマーク検出系を有
効とするように、ビームを択一的に遮ぎるものであり、
同時に開放されることはない。ところで、この種のヘテ
ロダイン法では、基準となる参照信号が必要であり、本
実施例では、図５中のビームスプリッタＢＳ3 から分岐
した２つのビームＬＢ1、ＬＢ2 をレンズによって平行
光束に変換するとともに、参照用基準格子板Ｒに所定の
交差角で２方向から入射させる。基準格子板ＲＧ上には
ビート周波数で流れる干渉縞ができ、光電素子ＰＤＲは
同一次数の回折光が干渉した干渉ビート光を受光して参
照信号（ビート周波数の交流信号）９Ｒを出力する。こ
の参照信号９Ｒは電気系ユニット９０に入力し、第２マ
ーク検出系によるマーク位置検出の際に使われる。電気
系ユニット９０にはプリアンプ９Ａ、９Ｂ、９Ｃ等を介
して光電検出器８Ｘ、８Ｙからの各出力信号が入力する
（８Ｘからの信号用のプリアンプは省略してある）。こ
の電気系ユニット９０はシャッターＳ1、Ｓ2 の切り換
え制御と連動して、第１マーク検出系（スポット７１を
用いたステージスキャンアライメント系）と第２マーク
検出系（干渉縞を用いたヘテロダイン・アライメント
系）とのいずれか一方を用いて副マークＭ1 又は主マー
クＭ2 の位置検出を行なう。こうして検出されたマーク
位置情報は主制御装置９１に受け渡され、ステージコン
トローラ９２を介してステージ１６の駆動系（モータ１
７）の制御に使われる。尚、電気系ユニット９０内に
は、光電検出器８Ｘ、８Ｙの中央の受光素子ＰＤ0 （図
１参照）からの信号を増幅するプリアンプ９Ａからの出
力と、参照信号９Ｒとの位相差を±１８０°の範囲内で
計測するデジタル・フェーズ・メータ（もしくはフーリ
エ変換による位相差演算ソフトウェア）等が設けれると
ともに、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂの信号を増幅するプリ
アンプ９Ｂからの信号波形、もしくは受光素子ＰＤｃ、
ＰＤｄの信号を増幅するプリアンプ９Ｃからの信号波形
を、干渉計カウンタからの計数パルス（例えばステージ
７０の０．０２μｍの移動毎に発生するパルス）に応答
してデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、その波形を
記憶するメモリ等が設けられている。

【００１７】図６は、上記の装置によってアライメント
されるウェハＷ上の副マークＭ1 と主マークＭ2 との配
置を示す。主マークＭ2 は副マークＭ1 の長手方向と同
一方向に伸びた複数本のラインとスペースとを、副マー
クＭ1 の位置検出方向と同一方向にピッチＰで並べたも
のである。主マークＭ2 の検出方向（ピッチ方向）のマ
ーク中心は、副マークＭ1 の中心からｄだけ離れている
ものとする。このような主マークＭ2 、副マークＭ1 を
一組として、ウェハＷ上の各ショット領域毎に予め形成
しておく。図６では、ビームＬＢ0 によるスポット７１
と２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 による照明領域（第２検
出領域）ＤＡとが、主マーク、副マークの右側に位置す
るように示されている。そこで図６のような位置関係か
らウェハＷを右側へ移動させる。この際、シャッターＳ
1 を開き、シャッターＳ2 を閉じて、スポット７１のみ
をウェハＷ上に照射する。こうして、副マークＭ1 がス
ポット７１を横切り、所定の光電信号波形（受光素子Ｐ
Ｄａ、ＰＤｂからの信号）が電気系ユニット９０内のメ
モリに記憶されると、直ちにシャッターＳ1 とＳ2 の開
閉状態を切りかえて、照明領域ＤＡをウェハＷ上に形成
する。この間、ウェハＷは右方向に移動を続け、スポッ
ト７１と副マークＭ1 との各中心が一致した位置からｄ
だけ移動した位置で停止する。図７は、ウェハＷが停止
した状態を示し、照明領域ＤＡと主マークＭ2 とがほぼ
±Ｐ／４以内にアライメントされる。照明領域ＤＡは、
ここではシャープな矩形をしているが、これはビームＬ
Ｂ1 、ＬＢ2 の送光路中でウェハＷと共役な位置に矩形
のアパーチャが設けられているからである。また照明領
域ＤＡはここでは主マークＭ2 の全体の大きさを包含す
るサイズに決められているが、主マークＭ2 の方は照明
領域ＤＡよりも大きくなってもよい。さらに照明領域Ｄ
Ａ内に包含される主マークＭ2 の回折格子の本数は、干
渉ビート光のＳ／Ｎ比が十分良好になる程度（例えば３
本以上）にする必要がある。

【００１８】照明領域ＤＡ内には、回折格子の長手方向
と一致して伸びた明暗の干渉縞が、格子ピッチ方向にＰ
／２の間隔で交互に形成され、この干渉縞が図７に矢印
で示すように一方向に流れている。干渉縞のピッチを格
子ピッチＰの１／２にしたのは、干渉ビート光を最もレ
ベルの強い±１次回折光同志の干渉として取り出すため
であり、２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 のウェハＷへの入
射角θを、ｓｉｎθ＝λ／Ｐとすることで達成される。

【００１９】干渉ビート光は光電検出器の中央の受光素
子ＰＤ0 に受光され、ビート周波数の交流信号を計測信
号として発生する。電気系ユニット９０は、この計測信
号と参照信号９Ｒとの位相差（±１８０°）を検出し、
これによって所定の基準点に対する主マークＭ2 の±Ｐ
／４以内の位置ずれ量を求める。この所定の基準点は、
本実施例では参照回折格子ＲＧに相当し、位相差が零の
ときは参照格子ＲＧと主マークＭ2 とが正確に一致した
ことになる。図８は、ウェハＷ上の１つのショット領域
ＣＰに付随したストリートライン上のマークを、Ｘ、Ｙ
方向に関して計測する際のステージ１６の移動の様子を
示す図である。ウェハＷ上の各ショット領域ＣＰには、
ショット中心ＣＣを原点とする直交座標軸の夫々の上
に、Ｘ方向用の主マークＭ2xとＹ方向用の主マークＭ2y
とが形成される。主マークＭ2xのＸ方向の両側にはｄだ
け離れて副マークＭ1xが形成され、主マークＭ2yのＹ方
向の両側にはｄだけ離れて副マークＭ1yが形成される。
副マークＭ1x、Ｍ1yを主マークの両側に設けたのは、マ
ーク検出時のステージ１６の移動方向の正負（ピッチ方
向の正負）を任意に選べるようにするためである。もち
ろん、図６に示すように主マークに対して副マークを１
つにしてもよい。一方、投影レンズＰＬを介したレチク
ルＲの投影像は、通常光軸ＡＸを中心とした矩形の領域
ＲＳＡであり、当然投影レンズＰＬの円形の視野ＩＦ内
に包含される。ここで光軸ＡＸを原点としてＸＹ座標系
を定めると、Ｘ軸とＹ軸はステージ１６のレーザ干渉計
の測長軸（レーザビーム中心線）と一致しており、２本
のビームＬＢ1 、ＬＢ2 によるＸ方向用の照明領域ＤＡ
ｘはＹ軸上で視野ＩＦの周辺部に位置し、Ｙ方向用の照
明領域ＤＡｙはＸ軸上で視野ＩＦの周辺部に位置する。
まず、図８に示すような関係で視野ＩＦとショット領域
ＣＰとが位置するものとすると、主マークＭ2yの中心点
が位置Ｐ1aを通って位置Ｐ1b（照明領域ＤＡｙの中心）
で停止するようにレーザ干渉計に従ってステージ１６を
移動させる。位置Ｐ1aでは図６のような位置関係にな
り、ここからＹ方向に位置Ｐ1bまで移動させると、図７
のような位置関係になる。このとき、主マークＭ2xの方
は、位置Ｐ2a、Ｐ2bの軌跡に沿って移動し、ショット中
心ＣＣは位置Ｐ3a、Ｐ3bの軌跡に沿って進む。そして照
明領域ＤＡｙ内で主マークＭ2yのＹ方向の位置ずれ量
（±Ｐ／４以内）が求まると、次に主マークＭ2xが位置
Ｐ2bから位置Ｐ2cを通ってＰ2d（照明領域ＤＡｘの中
心）で停止するようにステージ１６を移動させる。位置
Ｐ2cでは主マークＭ2x、副マークＭ1xが図６の位置関係
にあり、ここからＸ方向に位置Ｐ2dまで移動させると、
図７の位置関係になる。

【００２０】そして、位置Ｐ2dで主マークＭ2xのＸ方向
の位置ずれ量を求める。こうして１つのショット領域Ｃ
ＰのＸ、Ｙ方向の位置が特定されると、同様に次のショ
ット領域ＣＰの位置計測のためにステージ１６が移動す
る。もし、そのショット領域ＣＰをただちに露光する場
合は、主マークＭ2xの照明領域ＤＡｘ内でのＸ方向の位
置ずれ量が求まった時点で、そのずれ量が所定の許容範
囲内に納まるようにステージ１６をＸ方向に微動（±Ｐ
／４以内）させるとともに、ステージ１６をＹ方向に一
定量だけ送り込む。

【００２１】この動作の直前で、ショット中心ＣＣは位
置Ｐ3cを通って位置Ｐ3dにあり、主マークＭ2xがＸ方向
に正確にアライメントされると、位置Ｐ3dのショット中
心ＣＣはＹ軸上に位置することになる。従って、Ｘ方向
のアライメント後、ステージ１６をレーザ干渉計に従っ
てＹ方向に一定量だけ送り込めば、ショット中心ＣＣと
光軸ＡＸ（投影領域ＰＳＡの中心）とが正確に一致する
ことになり、その後露光を行なえばよい。

【００２２】尚、Ｙ方向への送り込み量は、主マークＭ
2yが停止した位置Ｐ1bでのステージ１６のＹ座標値をＹ
ａ、計測された±Ｐ／４以内の位置ずれ量をΔＹ、そし
て主マークＭ2xが停止した位置Ｐ2dでのステージ１６の
Ｙ座標値（位置Ｐ1dのＹ座標値と同一）をＹｂとする
と、Ｙｂ−（Ｙａ−ΔＹ）で求めることができる。図９
は、図８におけるマーク位置検出動作をステージ１６の
移動速度と時間の関係で表わしたグラフである。時刻０
でステージ１６がある位置に停止していたとすると、こ
こから目標となる主マークＭ2 （又は副マークＭ1 ）の
方向へ加速し、副マークＭ1 の信号波形の取り込み開始
位置ｘ1 の手前で、ある一定速度に減速し、取り込み終
了位置ｘ2 までの間に、電気系ユニット９０内のメモリ
に、副マークＭ1 の信号波形を記憶する。取り込み開始
位置ｘ1 、終了位置ｘ2 は、ウェハのグローバルアライ
メント（プリアライメント）の結果に基づいて予測され
る副マークの予測位置ｘp を基準に設定される。位置ｘ
2 を通ったステージ１６は引き続き移動し、予測位置ｘ
p からｄだけ先の停止予定位置ｘ5 で停止するべく制御
されていく。電気系ユニット９０は位置ｘ2 の通過後、
信号波形を高速演算処理し、副マークＭ1 の実際の位
置、マーク実測位置ｘ3 を演算時間のＴ1 の間に算出す
る。時間Ｔ1 はステージ１６が停止予定位置ｘ5 に達す
る前に終了するように設定されている。主制御装置９１
は、予測位置ｘp と実測位置ｘ3 との差Δｘだけ、停止
予定位置ｘ5 を修正した停止実位置ｘ6 （新たな目標
値）を求め、ステージ１６の振動を修正制御する。これ
によってステージ１６が位置ｘ6 に停止すると、主マー
クＭ2 の中心は所定の基準点に対して±Ｐ／４以内に位
置決めされる。その後、照明領域ＤＡを用いて、±Ｐ／
４以内の位置ずれ量が計測される。尚、シャッターＳ1
、Ｓ2 の切り換えは、図９の位置ｘ2 からｘ6 までの
間で行なう。また時刻０から位置ｘ1 までの時間は、例
えば図８中の位置Ｐ2bから位置Ｐ2cまで主マークＭ2xが
移動する時間であり、図９中の位置ｘ1 から位置ｘ6 ま
での時間は、図８中の位置Ｐ2cからＰ2dまで主マークＭ
2xが移動する時間である。以上のように、本実施例では
一連のステージ移動によって主アライメントと副アライ
メントのマーク検出が行なえるので、ウェハのアライメ
ントシーケンスにおける時間のロスが極めて少ないとい
った利点がある。また副マークの実測位置を求める演算
処理速度を高速にすればする程、副マークＭ1 と主マー
クＭ2 との計測方向の間隔ｄは短くでき、より一層の時
間短縮ができる。また図９では副マーク検出のためにス
テージ速度を最高速よりも低くしたが、信号波形のデジ
タル化、メモリへの記憶等のハードウェア上の処理時間
が十分追従すれば、最高速のまま副マークＭ1 の波形を
取り込めることは明らかである。

【００２３】ところで副マークＭ1 は、主マークＭ2 の
位置を±Ｐ／４以内で特定するために使われるものであ
るから、スポット７１を用いた副マークＭ1 の検出系の
精度は、それに見合ったものであればよい。例えばピッ
チＰが２μｍであれば、副マークＭ1 の位置検出精度は
余裕を見積るとしても、±０．２μｍ程度であれば十分
である。そこで副マークＭ1 を主マークＭ2 のプリアラ
イメント用に使う場合は、光電検出器８Ｘ、８Ｙの受光
素子ＰＤａ、ＰＤｂからの信号波形のデジタルサンプリ
ングを、例えばステージ１６の０．０８μｍの移動毎に
粗くしてもよい。この場合、０．０２μｍ毎の干渉計パ
ルスによるサンプリングにくらべて、ステージ１６を４
倍にスピードアップさせる（実際はステージの最高速度
で制限される）ことができる。

【００２４】また、副マークＭ1 とスポット７１の幅が
ほぼ等しいものとして、副マークＭ1 の幅が２μｍ程度
の場合、例えば０．０２μｍ毎の干渉計パルスを分周し
て０．２μｍ毎のパルスを作り、この０．２μｍ単位の
パルスの発生毎に、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂからの信号
レベルを所定のスライスレベルと比較し、信号レベルが
スライスレベルよりも大きくなっている部分のパルス列
を求め、そのパルス列の中心のパルスが得られた位置を
副マークＭ1 の位置としてもよい。

【００２５】次に本発明の第２の実施例によるアライメ
ント動作を説明する。第２の実施例はアライメント時間
をさらに短縮する方法であり、主マークＭ2 、副マーク
Ｍ2 は第１の実施例と同様の構造、配置であるものとす
る。第１の実施例では相対移動中に副アライメント結果
を算出するが、第２の実施例では、これを待たずに適当
な位置に位置決めして主アライメントをおこなう。つま
り、副アライメントの処理を行いつつ、主アライメント
動作を行い、主アライメント（±Ｐ／４以内のずれ検出
動作）が終了するまでに副アライメントの演算処理を終
わらせる。そして、主アライメントの結果に対して、副
アライメントの結果をフィードバックしてやることによ
り、主アライメントを行う照明領域ＤＡと主マークの位
置関係が±Ｐ／４以上ずれていても正しい結果が得られ
るようにする。こうすることにより、第１の実施例で副
アライメント処理速度を高めるのと同様の効果が得られ
る。

【００２６】上記のことを図１０を参照して説明する。
主制御装置９１、ステージコントローラ９２は、グロー
バルアライメントの結果から割り出した主マークＭ2 、
副マークＭ1 の位置情報に基づいて、ステージ１６を移
動させ、図９と同様に位置ｘ1 、ｘ2 の間で副マークＭ
1 の波形を取り込み、副マークＭ1 の予測位置ｘP から
間隔ｄだけ離れた主マークＭ2 の予測位置、すなわち停
止予定位置ｘ5 でステージ１６を停止させる。

【００２７】電気系ユニット９０は位置ｘ2 を通った直
後、副マークＭ1 の位置（図９中のｘ3 ）を求める演算
を開始する。一方、電気系ユニット９０内のフェーズ・
メータはステージ１６が位置ｘ5 に停止した直後から時
間Ｔ2 の間に、主マークＭ2からの干渉ビート光の光電
信号と参照信号９Ｒとの位相差、すなわち±Ｐ／４以内
の位置ずれ量を求める。この時間Ｔ2 の終了までに、副
マークＭ1 の位置を特定しておく。ここで副マークＭ1
の予測位置ｘp に対して、実測位置がΔＨだけずれてい
たとすると、主制御装置９１は、ｎを整数（零を含む）
として、

【００２８】

【数１】

【００２９】の計算を行ない、さらに主アライメント結
果である±Ｐ／４以内の位置ずれ量をΔＦとして、最終
的な位置ずれ量を、ｎ・（Ｐ／２）＋ΔＦとして算出す
る。以上、本実施例では時間Ｔ2 の終了までに副マーク
Ｍ1 の位置算出が終了しているものとしたが、時間Ｔ1
が終了する前に時間Ｔ2 が終了してしまっても一向にさ
しつかえない。ただし、次のマーク位置計測のためにス
テージ１６をスタートさせるタイミングは、主マークＭ
2 の位置特定のための位相差検出が完了する時間Ｔ2 以
降でなければならない。

【００３０】次に本発明の第３の実施例によるマーク検
出動作を説明する。先の第１、第２実施例では、副→主
アライメントの順序であったが、逆に主→副アライメン
トでも良い。つまり、図７の状態で先に主マークＭ2 に
よるアライメントを行った後、図６の状態まで副マーク
Ｍ1 を移動させて副アライメントを行う。そして、副ア
ライメントの結果を基に主アライメント時の±Ｐ／４以
上のずれを補正する。この方法だと、副アライメント処
理時間が多少長くても良い。なぜならば、Ｘ→Ｙ方向の
順でアライメントする場合、Ｘアライメント後にＹアラ
イメントの動作に移る時間、Ｙアライメント後に次のシ
ョット領域のアライメント位置へ移る時間、又は露光位
置に移る時間は、いずれも図６中の間隔ｄの移動時間よ
りも長いからである。以上のことをグラフ化したものが
図１１である。ステージ１６は主マークＭ2 の予測位置
ｘ5 、すなわち停止予定位置通りに止まる。そして時間
Ｔ2 の間で主マークＭ2 の±Ｐ／４以内の位置ずれを求
める。このとき、位置ｘ5 はウェハＷのグローバルアラ
イメントの精度に依存した位置ずれをともなうが、±２
μｍ以内に押えることは容易であり、この程度のずれで
あれば、照明領域ＤＡと主マークＭ2 とがせいぜい１ピ
ッチ分ずれるだけなので、干渉ビート光のＳ／Ｎ比（信
号振幅）はほとんど変化しない。従ってこのずれ（プリ
アライメント又はグローバルアライメント精度）を見込
んで、照明領域ＤＡに対する主マークＭ2 の全体のサイ
ズを大きめにしておけばよい。

【００３１】さて、主マークＭ2 の±Ｐ／４以内の位置
ずれが求まったら、スポット７１を照射して副マークＭ
1 をこのスポット７１の方向へ移動させ、位置ｘ1 とｘ
2 の間の加速期間中に副マークＭ1 の信号波形を取り込
み、時間Ｔ1 で副マークＭ1の位置を特定して、第２実
施例と同様に、ｎ・（Ｐ／２）＋ΔＦの演算により主マ
ークＭ2 の中心位置を正確に決定する。

【００３２】本実施例では、複数ケ所のマークを次々に
検出する場合、ステージ１６の停止期間は時間Ｔ2 のみ
でよいため、いままでの実施例のうち、最も処理時間が
短い（スループットが高い）といった利点がある。尚、
図１１では、ステージ１６の加速中に位置ｘ1 、ｘ2 の
間で信号波形の取り込みをするとしたが、第１、第２実
施例と同様にステージ１６の定速度移動中であってもよ
く、これは主マークＭ2 と副マークＭ1 との間隔ｄとス
テージ１６の運動特性（加速度、最高速度等）によるも
のである。図１２は、主マークＭ2 の検出動作の高速化
を説明する図で、図１２（Ａ）は主マークＭ2 からの干
渉ビート光の計測信号波形であり、図１２（Ｂ）は参照
信号９Ｒの波形である。照明領域ＤＡ内に主マークＭ2
が精密に停止した直後の時刻ｔ1 から一定時間後の時刻
ｔ2 までの間で、計測信号と参照信号の波形を、同一時
間軸のクロックパルスのもとでＡ／Ｄ変換器によりデジ
タルサンプリングし、メモリ内に記憶する。そして、記
憶された２つの波形を、フーリエ変換等の演算手法によ
りソフトウェアで処理して位相差Δθを求めるように構
成する。こうすると、時刻ｔ2 以降はステージ１６を移
動させることができるため、主マークＭ2 の±Ｐ／４以
内のずれ量が算出される前に、ステージ１６をスタート
させることで、スループットの向上が図れる。

【００３３】ここで２つの信号波形の周波数（ビート周
波数）を２０ＫＨｚ程度にして、サンプリングする波形
上の周期数を２０〜４０程度にすると、時刻ｔ1 からｔ
2 までの時間は、１〜２ｍＳｅｃと極めて短くなる。も
ちろんその後のソフト演算には、高速演算プロセッサー
を用いても５〜１０ｍＳｅｃ程度が必要であるが、その
時間はステージ１６の移動と並行させることができるた
め、見かけ上５〜１０ｍＳｅｃの待ち時間は表に現われ
ない。

【００３４】次に本発明の第４の実施例によるマーク構
造と光電検出の様子を、図１３、図１４、図１５を参照
して説明する。 図１３（Ａ）は、主マークＭ2 と副マ
ークＭ1 とを、主マークＭ2 の格子ピッチＰと同程度に
接近させ、副マークＭ1 そのものを、主マークＭ2 の１
本の格子として形成したものである。この場合、副マー
クＭ1 の計測方向の幅を、主マークＭ2 の格子幅と同一
にしておく。このようにすると、副マークＭ1 も干渉ビ
ート光の発生に寄与し得る。図１３（Ｂ）は副マークＭ
1 を主マークＭ2 の中央の格子として配置したもので、
副マークＭ1 の中心と主マークＭ2 の中心とは一致して
いる。ここでも副マークＭ1 は干渉ビート光の発生に寄
与するようなピッチ関係、線幅に設定されている。

【００３５】図１４は、副マークＭ1 を回折格子にする
代わりに、単純な線条にした変形例を示す。図１４
（Ａ）は、図６に示したものと同じマーク配置であり、
図１４（Ｂ）は図１３（Ａ）と、図１４（Ｃ）は図１３
（Ｂ）とそれぞれ同じマーク配置である。ここでは、副
マークＭ1 の線幅を、主マークＭ2 の１本の格子幅と同
一にしてあり、主マークＭ2 の１本の格子として働く。

【００３６】以上、図１３（Ａ）、（Ｂ）、及び図１４
（Ｂ）、（Ｃ）の構造によれば、アライメントマークと
してウェハ上に占める面積が少なくて済むといった利点
がある。また図１３（Ｂ）、図１４（Ｃ）のマーク構造
では、主マークＭ2 の中心が目視観察時に見つけ易いと
いった利点もある。ところで図１３（Ｂ）の構造では、
スポット７１が照明領域ＤＡの中央にあるため、副マー
クＭ1 がスポット７１の下を通過した後、逆方向にステ
ージ１６を移動させて副アライメントの結果からステー
ジ１６を±Ｐ／４以内に停止させる必要がある。

【００３７】また、図１４のマーク構造の場合、副マー
クＭ1 とスポット７１が相対移動すると、副マークＭ1
の両側の直線エッジから散乱光が発生するので、これを
先の図１中に示した受光素子ＰＤｃ、ＰＤｄで検出し、
ステージ１６の移動に伴って干渉計パルスでデジタル・
サンプリングすればよい。さて、図１５は光電検出器８
Ｘ、８Ｙでの光電検出の様子を示し、図１５（Ａ）は各
受光素子ＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄの配置を示
す。受光素子ＰＤ0は瞳共役面上の中心（光軸上）に位
置し、主マークＭ2 の格子ピッチ方向には受光素子ＰＤ
0 を挾んで２つの受光素子ＰＤｃ、ＰＤｄが配置され
る。そして、受光素子ＰＤａ、ＰＤｂは３つの受光素子
ＰＤｃ、ＰＤｄ、ＰＤ0 を、ピッチ方向と直交する方向
で挾み込むように配置される。

【００３８】図１５（Ｂ）は、副マークＭ1 の検出のた
めにビームＬＢ0 のみをウェハ上に照射したとき、スポ
ット７１の照射領域内に副マークＭ1 や他のパターンエ
ッジが存在しなかった場合の受光素子上での反射光の分
布を示す。この場合、ビームＬＢ0 は系の瞳中心を通し
てウェハＷの反射面へテレセントリックに照射されるた
めに、０次光１００のみが光電検出器の中央へ戻ってく
る。

【００３９】ところがスポット７１と、図６、又は図１
３中の副マークＭ1 とが重なると、図１５（Ｃ）のよう
に０次光１００の両脇に１次光±ＤＬ1 、２次光±ＤＬ
2 、３次光±ＤＬ3 等の高次回折光が戻ってくる。これ
ら高次光は受光素子ＰＤａ、ＰＤｂによって受光され
る。また図１４中の副マークＭ1 、あるいは主マークＭ
2 内の格子がスポット７１と重なると、図１５（ｄ）の
ように、０次光１００の長手方向に広がるエッジ散乱光
１０１ａ、１０１ｂが戻ってくる。この散乱光１０１
ａ、１０１ｂは受光素子ＰＤｃ、ＰＤｄで受光される。

【００４０】一方、２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 による
照明領域ＤＡ内に主マークＭ2 が存在せず、単なる反射
面になっていると、２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 の各正
反射光（０次光）ＢＬ0 が、図１５（Ｅ）に示すように
受光素子ＰＤｃ、ＰＤｄに戻ってくる。そして照明領域
ＤＡ内に主マークＭ2 が位置すると、図１５（Ｆ）に示
すように受光素子ＰＤ0 の位置に干渉ビート光ＢＴＬが
戻ってくる。これら受光素子ＰＤ0 、ＰＤａ、ＰＤｂ、
ＰＤｃ、ＰＤｄは同一半導体基板上に絶縁層を介して独
立に形成されたフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオ
ード等である。

【００４１】尚、ビームＬＢ1 、ＬＢ2 の正反射光ＢＬ
0 は、受光素子ＰＤｃ、ＰＤｄの位置に戻ってくるとし
たが、これは必ずしも必要なことではない。次に本発明
のいくつかのウェハアライメントシーケンスについて、
図１６を参照して説明するが、このシーケンスのための
マーク構造、マーク検出（ステージスキャン）動作は、
前述の実施例のいずれを用いてもよい。

【００４２】この種のステッパーでは、ウェハＷ上の複
数のショット領域ＣＰｎに対して順次ステッピングを行
なって露光を繰り返していく。そして露光動作の前には
必ずウェハのアライメントを実行する。このアライメン
トのシーケンスには大きく分けて、各ショット毎にマー
ク位置を検出するダイ・バイ・ダイ（又はフィールド・
バイ・フィールド）アライメント方式と、ウェハ上の代
表的な数ケ所のショットのマーク位置を検出するグロー
バルアライメント方式との２種類がある。

【００４３】ダイ・バイ・ダイアライメント方式、グロ
ーバルアライメント方式のいずれの方式にしても、主マ
ークＭ2 を用いたマーク位置検出が適用できるが、この
場合、副マークＭ1 を用いた副アライメント（±Ｐ／４
以内への位置決め）動作も２種類考えられる。１つは副
アライメント手段（第１検出手段）のみを使ってウェハ
上の複数ケ所のマークの位置をまとめて計測しておく方
法であり、もう１つは主アライメントすべきショット毎
に副アライメントを行なう方法である。前者の方法は、
言ってみればグローバルアライメント的な方法であり、
後者はダイ・バイ・ダイアライメント的な方法である。
従って主アライメント手段と副アライメント手段との２
つ持つステッパーでは、組み合わせとして４通りのシー
ケンスが考えられる。図１６（Ａ）は主アライメント、
副アライメントともグローバル方式のシーケンスを表わ
し、副マークＭ1 を用いた副アライメント（マーク位置
検出）はウェハ上の●印の４ショットＣＰ1 、ＣＰ2 、
ＣＰ3 、ＣＰ4 で行ない、主マークＭ2を用いた主アラ
イメントはウェハ上の○印の８ショットＣＰ1 〜ＣＰ8
で行なう。ここでショットＣＰ1 、ＣＰ2 、ＣＰ3 、Ｃ
Ｐ4 は直交座標系の軸上のウェハ周辺に位置したもので
あり、同時に８つのショットＣＰ1 〜ＣＰ8 はウェハ中
心からほぼ等しい距離に位置している。これら各ショッ
トへのステージの移動は、実線と破線の各矢印で表わさ
れ、まず初めにオリフラに近いショットＣＰ1 、左端の
ショットＣＰ2 、上端のショットＣＰ3 、及び右端のシ
ョットＣＰ4 の順に、Ｘ、Ｙ方向の各副マークＭ1x、Ｍ
1yの位置を計測する。その後、その計測結果に基づいて
ウェハ上のショット配列座標とステージの移動座標系と
が、ウェハ上のどの点でも±Ｐ／４以下の精度で対応付
けられるような統計演算処理を行なう。そして、引き続
き、もしくはその演算処理と並行して、副アライメント
の最後のショットＣＰ4 からＣＰ5 、ＣＰ3 、ＣＰ6 …
…ＣＰ1、ＣＰ6 の順に反時計回りに主マークＭ2 を用
いた主アライメントを行なう。

【００４４】この主アライメントによる８つのショット
ＣＰ1 〜ＣＰ8 のＸ、Ｙ方向の各位置ずれ量（±Ｐ／４
以下）と、副アライメントによる位置計測結果とに基づ
いて、ウェハ上の全ショット領域の各中心点と投影レン
ズの光軸との相対位置関係が精密に特定され、後はレー
ザ干渉計の読み値に基づいてステージをステッピングさ
せる。この図１６（Ａ）のシーケンスはもっとも高速で
ある。また、８つのショットＣＰ1 〜ＣＰ8 の各位置は
±Ｐ／４以下で精密に求まるので、この値を用いて、特
開昭６１−４４４２９号公報に開示されたエンハンスト
・グローバル・アライメント（Ｅ．Ｇ．Ａ）法による最
小二乗近似を行ない、ショット配列の規則性を決定する
と、極めて高いアライメント精度が得られる。

【００４５】図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）と同様にウ
ェハ上の４つのショットＣＰ1 、ＣＰ2 、ＣＰ3 、ＣＰ
4 については副アライメント手段によって副マークＭ1
のみを位置計測し、その計測結果に基づいてステップア
ンドリピートの露光ショット順に主アライメントを行な
うものである。この場合、各ショット領域の主マークＭ
2 に対するステッピング精度は±Ｐ／４以内に納められ
ている必要がある。この図１６（Ｂ）は副アライメント
をグローバル式で使い、主アライメントをダイ・バイ・
ダイ方式で使ったことになる。

【００４６】図１６（Ｃ）は、露光動作前にウェハ上の
代表的な８つのショットＣＰ1 〜ＣＰ8 の各々について
副アライメントと主アライメントとを行なうものであ
る。図１６（Ｄ）は、ステップアンドリピートの露光動
作時のステッピング毎に、各ショットの副マークＭ1 と
主マークＭ2 とをともに検出する方式で、完全ダイ・バ
イ・ダイ方式である。

【００４７】以上、図１６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、
（Ｄ）に示した計測ショット数は、各ウェハプロセス
と、それに対する主アライメント手段、副アライメント
手段の各能力に応じて変えると良い。また副アライメン
ト手段はビームＬＢ0 のスポット７１を使うため、ビー
ムウェストの範囲（光軸方向の長さ）が狭いので、副ア
ライメント時には各副マークＭ1 を走査する時点でフォ
ーカス合わせ（ステージ１６内のＺステージの上下動）
を行なうのがよいが、主アライメント手段は２つのビー
ムＬＢ1 、ＬＢ2 の交差領域内であれば、どの面でもき
れいな干渉縞ができるために、比較的焦点範囲が広くと
れ、フォーカス合わせを省略することができる。

【００４８】尚、図１６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、
（Ｄ）のいずれのシーケンスソフトウェアも、主制御装
置９１内に予め記憶されており、オペレータの選択によ
り、いずれか１つを選ぶことができる。また多数枚のウ
ェハをロット管理する場合、同一ロット内の最初の数枚
のウェハと後のウェハとでは、シーケンスを変えるよう
にしてもよい。

【００４９】図１７は本発明のその他の実施例による位
置合わせ装置を組み込んだステッパーを示し、図２中の
部材と同じものは同一符号にしてある。第２のマーク検
出手段（主アライメント）は、レチクルＲの上方に配置
した対物レンズＯＢＪ1 、ミラーＲＭ、第２対物レンズ
ＯＢＪ2 、ビームスプリッタＢＳ1 、送光光学系１１
０、及び受光光学系１１２で構成されたＴＴＲ（スルー
ザレチクル）方式によっても同様の効果が得られる。こ
こで対物レンズＯＢＪ1 、ミラーＲＭは図中矢印のよう
に水平移動可能に設けられ、レチクルＲ上の窓の位置に
応じて観察位置を変えることができる。

【００５０】ＴＴＲ方式の場合、投影レンズＰＬを介し
てレチクルＲとウェハＷとを互いに共役関係にした状態
でレチクルＲの窓とウェハＷ上のマークＷＭとを同時に
観察するためには、送光光学系１１０からのアライメン
ト用ビームの波長を露光光の波長と同一、もしくは近似
させる必要がある。また、ＴＴＲ方式でも露光光と異な
る波長のアライメント用ビームを用いる場合、投影レン
ズＰＬの色収差量だけ、レチクルＲとウェハＷとの共役
関係がずれるので、送光光学系１１０の内部、又は対物
レンズＯＢＪ1 に２重焦点化部材を設け、アライメント
用ビームを２焦点化すればよい。

【００５１】また同じＴＴＲ方式でも、レチクルＲの上
方に別波長のアライメント用ビームと露光光とを分離す
るダイクロイックミラーＤＭを４５°に斜設し、対物レ
ンズＯＢＪ1 を露光光路外から光路内へのぞませる構造
でも同様に主アライメント系が構成できる。この場合、
対物レンズＯＢＪ1 は図中上下方向に平行移動可能に構
成され、露光動作中もレチクルＲのマーク（窓）とウェ
ハＷ上のマークとを検出し続けることができる。一方、
第１のマーク検出手段（副アライメント系）としては、
投影レンズＰＬに近接したオフ・アクシス方式のアライ
メント系を使うことができる。投影レンズＰＬの下端に
斜設されたミラーＰＭ、対物レンズＯＢＪ4 、ビームス
プリッタＢＳ1 、送光系１１３、及び受光系１１４によ
ってオフ・アクシス・アライメント系が構成される。送
光系１１３内には対物レンズＯＢＪ4 の瞳（開口絞り
面）に広帯域な波長分布をもつ光源像を結像する系が設
けられ、ウェハＷ上のマーク像は受光系１１４内の撮像
素子（ＣＣＤ等）によって撮像される。その画像信号は
所定の画像解析回路、ソフトウェア等によって処理さ
れ、マーク中心の位置が求められる。このようなオフ・
アクシス方式では、投影レンズＰＬを介さない系である
ため、アライメント用照明光の波長帯域は、露光域以外
のところで広く使え、レジスト層の影響を受けにくいと
いった利点がある。また、送光系１１３と対物レンズＯ
ＢＪ4 を介してウェハＷへスリット状のビームを投射す
る方式でも、そのビームを多波長化（互いに波長の異な
る赤色域の半導体レーザ、発光ダイオード等の複数個を
同時点灯）することができ、レジストの影響の少ない、
スポット走査が可能である。また以上のＴＴＲ方式、オ
フ・アクシス方式のいずれとも、副アライメント系と主
アライメント系とで対物レンズを共用させることもでき
る。 以上、本発明の各実施例では、主アライメント系
をヘテロダイン干渉アライメント方式で説明したが、ホ
モダイン干渉アライメント方式にしても同様の効果が得
られる。ホモダイン方式のためには、図５中に示した２
つの周波数シフターＭＤ1 、ＭＤ2 の各ドライブ信号Ｓ
Ｆ1 、ＳＦ2 を全く同一の周波数にするだけでよい。こ
の場合は、ウェハＷ上に静止した干渉縞が形成され、こ
の干渉縞に対してウェハ上の主マークＭ2 を±Ｐ／４の
範囲内に位置決めすることになる。さらに受光素子ＰＤ
0 から得られる光電信号は、主マークＭ2 がＰ／２移動
する毎に正弦波状に直流レベルが変化することになり、
従って、このレベルが±Ｐ／４以内のある一定値（例え
ば振幅の中心）に安定するようにウェハステージ１６を
サーボ制御することになる。

【００５２】このようなホモダイン方式であっても、静
止した干渉縞と主マークＭ2 とが合致したときのステー
ジ１６の座標位置を記憶するようにすれば、上述の各実
施例と全く同様のシーケンスが実現できる。またホモダ
イン方式の場合、静止した干渉縞に対して主マークＭ2
を移動させることによって、光電信号の正弦波状のレベ
ル変化が得られるから、ステージ１６を移動させつつ、
受光素子ＰＤ0 からの光電信号をレーザ干渉計からの計
測パルス（±０．０２μｍ毎のアップダウンパルス）に
応答してデジタル・サンプリングし、一度波形を記憶さ
せることもできる。この場合、記憶した波形のうちの特
定の一周期内で振幅中心（又はボトム、ピーク）をデジ
タル演算で求め、その振幅中心に対応したステージ１６
の位置を求めればよい。この方法だと、副マークＭ1 を
ステージ走査によって検出する副アライメントから、ス
テージを停止させることなく連続して主アライメント
（主マークＭ1 の信号波形検出）へ移行することができ
る。もちろん、その逆のシーケンスも可能であることは
図１１で説明した通りである。ところで、全ての実施例
について言えることだが、アライメント信号処理系の電
気系ユニット９０に取り込まれる受光素子ＰＤ0 からの
信号は適切なゲインをかけて処理上不都合の生じない強
度にする必要がある。先の実施例で副アライメント動作
はビームＬＢ0 のスポット７１と副マークＭ1 とを相対
移動させるため、信号強度が不適切な場合、再度同じ動
作を繰り返さなければならないが、ヘテロダイン法によ
る主アライメントは２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 の照明
領域ＤＡ内に主マークＭ2 を静止させて行う。この際、
ステージ１６を完全に静止させるためには、照明領域Ｄ
Ａと主マークＭ2 とが重なってからある程度の時間を要
する。この時間内で図１２のような計測信号の取り込み
を始め、これを基にゲインをかけることによりゲイン設
定に要する時間ロスを零にすることが可能となる。この
ことを図１８を用いて簡単に説明する。図１８はステー
ジ１６の停止時の様子を誇張して示したサーボ特性の一
例で、横軸は時間ｔ、縦軸は停止目標位置に対する偏差
を表わす。ステージ１６が目標位置に接近して、照明領
域ＤＡ内に主マークＭ2 のほぼ全体が入り込むと、受光
素子ＰＤ0 からの計測信号（交流）は、ほぼ安定した振
幅になる。そこでステージコントローラ９１は、レーザ
干渉計のカウント値が目標値に対して±数十カウント以
内になった時刻Ｔｓ1 から、電気系ユニット９０内のメ
モリに受光素子ＰＤ0 の信号波形を取り込むような指令
を出力する。そして、信号波形の数波のボトム、ピーク
の値（振幅）をチェックし、これが所定の振幅に近づく
ように、図５中のプリアンプ９Ａのゲインを切りかえ
る。このゲイン切りかえを時刻Ｔｓ2 までの間に行な
い、引き続き、位相差検出のための波形サンプリングを
行なう。ここで時刻Ｔｓ1 からＴｓ2 までは、ステージ
コントローラ９１がステージの完全な停止を確認する時
間であり、ステージによっても異なるが、十ｍＳｅｃ〜
数十ｍＳｅｃ程度必要である。

【００５３】また、この方式はホモダイン法にもそのま
ま適用できることは明らかである。ところで、ステージ
１６の静定の確認は、受光素子ＰＤ0 からの信号と受光
素子ＰＤＲからの参照信号との位相変化をチェックする
ことでも可能である。ヘテロダイン方式の場合、主マー
クＭ2 が照明領域ＤＡに対して移動すると、ドップラー
効果によって受光素子ＰＤ0 からの信号の周波数が、本
来のビート周波数からわずかに変化し、参照信号との間
で一定時間内の信号周期数に差が生じる。そこでこの周
波数の差がある範囲内に納ったことをもって、ステージ
が静定したとみなすこともできる。

【００５４】以上、本実施例によれば、検出可能範囲は
広いが、ある一瞬には基板上の１点（又は１ケ所）のみ
からの光情報（スリット状スポット内からの散乱、回折
光、ＣＣＤの１画素分の発光光）しか検出できない第１
マーク検出手段と、実効的な検出可能範囲は狭いが基板
上のマークの全体からの光情報を同時に取り込む第２マ
ーク検出手段とを組み合わせ、この２つのマーク検出手
段を一連のマーク検出動作において時系列的にあるいは
ほぼ同時に使用するようにしたので、アライメントシー
ケンス上の時間的なロスが極めて少なく、スループット
低下が少なく押えられるといった効果がある。

【００５５】

【発明の効果】以上本発明によれば、一部に他とは異な
る長さを有するマーク部を有しているため、マークの認
識が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の原理を説明する図。

【図２】第１の実施例による装置の構成を説明する図。

【図３】第１マーク検出手段によるマーク検出と副マー
クの構造を示す図。

【図４】副マークからの光情報の発生を説明する図。

【図５】第１の実施例におけるアライメント系の全体構
成を示す図。

【図６】主マークの構造と、副アライメント、主アライ
メントの様子とを説明する図。

【図７】主マークの構造と、副アライメント、主アライ
メントの様子とを説明する図。

【図８】１つのショットに対するアライメント時のステ
ージの動きを説明する図。

【図９】第１の実施例におけるステージの動きを示す速
度特性のグラフ。

【図１０】第２の実施例によるステージの動きを示す速
度特性のグラフ。

【図１１】第３の実施例によるステージの動きを示す速
度特性のグラフ。

【図１２】ヘテロダイン干渉法における位相差計測の様
子を示す波形図。

【図１３】第４の実施例によるマーク構造の変形例を示
す図。

【図１４】第４の実施例によるマーク構造の変形例を示
す図。

【図１５】図１３、図１４の各マークを検出時の光電検
出器上での受光光の様子を示す図。

【図１６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）副アライメ
ントと主アライメントとを組み合わせた代表的なウェハ
アライメントシーケンスを説明する図。

【図１７】第５の実施例による装置の構成を示す図。

【図１８】ステージの停止時の特性を模式的に表わした
グラフである。

【主要部分の符号の説明】

Ｒ・・・レチクル、Ｗ・・・ウェハ、ＰＬ・・・投影レ
ンズ、Ｍ1 ・・・副マーク、Ｍ2 ・・・主マーク、ＬＢ
0 、ＬＢ1 、ＬＢ2 ・・・ビーム、ＤＡ・・・照明領
域、ＢＴＬ・・・干渉ビート光、１・・・レーザ光源、
ＯＢＪ、ＯＢＪ1 、ＯＢＪ4 、７Ｘ、７Ｙ・・・対物レ
ンズ、ＰＥＤ、８Ｘ、８Ｙ・・・光電検出器、ＰＤ0 、
ＰＤａ、ＰＤｂ、ＰＤｃ、ＰＤｄ・・・受光素子、１６
・・・ステージ

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年１２月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】半導体装置の製造方法及び露光方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決する為の手段】上記問題点を解決するため
本発明では、半導体基板の位置を検出するために、半導
体基板上に所定方向に配列された格子マークを形成する
半導体装置の製造方法において、格子マークは、アライ
メント検出系により自動検出可能であるとともに、配列
方向と交差する方向に関する長さ、もしくは形状が異な
るマーク部分を有し、マーク部分は目視により識別可能
であることとした。また、基板上の所定方向に配列され
た格子マークを検出し、マスクのパターンを該基板上に
露光する露光方法において、格子マークは、アライメン
ト検出系により自動検出可能であるとともに、配列方向
と交差する方向に関する長さ、もしくは形状が異なるマ
ーク部分を有し、マーク部分は目視により識別可能であ
って、マーク部分を使って目視により格子マーク位置を
検出することとした。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５５】

【発明の効果】以上本発明によれば、格子マークに、他
の部分とは異なる形状もしくは大きさを有するマーク部
分を設けたため、目視によりマークの認識が容易とな
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｂ (72)発明者 小松 宏一郎 東京都品川区西大井１丁目６番３号 株式 会社ニコン大井製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板に形成されたマークを検出する位置検
   出方法において、前記マークは、所定方向に配列された
   格子マークであって、該配列方向とは異なる方向に関し
   て他とは長さが異なるマーク部を有し、前記異なるマー
   ク部を検出する工程と；前記異なるマーク部を含む格子
   マーク全体を検出する工程とを有することを特徴とする
   位置検出方法。