JPS63274138A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は位置合せ装置に関し、特に表面に透明な薄膜の
ついた物体を観察し、その情報を検知して位置合せする
装置に関する。この種の装置の代表として、ウェハ上に
パターンを分割露光する投影露光装置等に適用する位置
合せ装置がある。

［従来技術及び発明が解決しようとする問題点］この種
の位置合せ装置が適用される露光装置の基本的な２つの
性能といえば、解像力と重ね合せ精度である。解像力に
関しては取り扱いが非常にシンプルである。なぜなら解
像力を決定するパラメータが数少ないからで、ステッパ
と呼ばれる装置においては投影レンズの使用波長と開口
数（ＮＡ）さえわかれば、その光学系の解像力を容易に
類推することができる。また、Ｘ線露光の場合でもパラ
メータは光源の大きさによる半影ボケ等といった限られ
たものしか存在していない。

メモリーセルの１トランジスタ化が実現して以来、半導
体の高集積化の両翼を担ってきたのはりソグラフィすな
わち微細線幅焼付技術の進歩とエツチング等のプロセス
技術の進歩であった。解像力に関してはステッパのレン
ズの歴史を辿れば解るように光学系は着実に進歩してき
ている。光学方式は１μｍの壁を破り、サブミクロン時
代に対応したレンズが次々と発表されている。

一方、プロセスの方でも溝掘り方式等、低段差化、高段
差化相俟って三次元ＩＣ的な発想で新しいアイディアが
実現されている。露光装置側での解像力の進歩と、プロ
セス側での進歩は各工程のパターンの重ね合せという舞
台で最も大きな接点を見出すこととなる。その意味で重
ね合せ精度は露光装置の中で重要度をますます高めてい
るといえる。

重ね合せ精度を解像力を取り扱ったようなシンプルなパ
ラメータで表示することは難しい。それはウェハプロセ
スの多様性を物語っているが、その一方で、重ね合せの
ためのアライメントシステムの構成が多種多用であるこ
とに起因しているともいえる。ウェハプロセス要因をよ
り複雑にしているのは、この問題が１つウニ八基板だけ
に留まらず、ウェハ上に塗布されているフォトレジスト
湿食めて論する必要があるからである。現在の半導体の
明らかな方向の一つにＩＣの三次元的な構成への流れと
いうものが存在している。その中で、ウニ八表面の高段
差化は避けられないものであるが、この高段差がフォト
レジストの塗布状態に明らかな悪影響を及ぼす。またウ
ェハは６インチから８インチさらには１０インチとます
ます大型化の傾向にある。大口径のクエへにフォトレジ
ストをスピン方式で塗布した場合、中心部と周辺部でレ
ジストの塗布状況が異なるのは自明のことであり、その
差がウニ八表面の段差が大きいほど顕著にあられれるこ
とも明らかである。実際、アライメント状態がレジスト
塗布の影響を受けて変化することは公知であり、逆に均
一な塗布の仕方をどうすれば良いかという研究がなされ
ているほどである。

フォトレジストでもう一つ注意しなければならないのは
サブミクロン時代における多層化への流れである。多層
レジストプロセスやＣＥＬといった解像力向上のための
手段は必然的に幾つかの工程で採用されるので、これに
対する対策も必要である。露光装置は重ね合せという舞
台でこうした新しいウェハプロセスへの対処を迫られて
いるといえる。

一方、これに対してアライメントシステムの多様性はシ
ステム構成のフレキシビリティと困難さの証明である。

現在、提案され実現されているアライメントシステムは
一つとして同じものがなく、各システムがそれぞれ長所
と短所を合せ持っている。例えば本出願人になる特開昭
５８−２５６３８号ｒ露光装置１が一つの事例として挙
げられる。このシステムは投影光学系にレチクル及びウ
ェハ双方にテレセントリックな光学系を用いてＴＴＬｏ
ｎＡｘｉｓという思想を実現した優れた構成例の一つで
ある。投影レンズはｇ線（４３６ｎｍ　）に対して収差
補正がなされているが、同様の性能を）１ｅ−Ｃｄレー
ザの波長（４４２ｎｍ　）でも発揮するようになってい
る。この特許出願で開示した一実施例では）Ｉｅ−Ｃｄ
レーザによるレーザビーム走査法をアライメント信号検
知法として採用しており、この結果ＴＴＬ　　ｏｎ　　
Ａｘｉｓすなわちアライメントした状態で即露光動作に
入ることが可能となっている。ＴＴＬ　　ｏｎ　　Ａｘ
ｉｓシステムは露光装置として誤差要因がアライメント
信号の検知エラー唯一つであるという意味で、最もシス
テム的な誤差要因の少ない構成であり、理想のシステム
に近い。このシステムの欠点は唯一つで、それは多層レ
ジストのような露光波長近辺の波長を吸収するようなプ
ロセスに弱いということである。

一方、これに対して露光波長以外の波長、具体的にはｅ
線（５４６ｎｍ　）とかＨｅ−Ｎｅレーザ（６３３ｎｍ
）といったより長い波長を用いるシステム構成例も多数
提案されている。露光波長よりも長い波長を用いるため
多層レジストのような吸収型のプロセスに対して、この
システムは強いという利点を持っている。しかし、通常
、投影レンズの色の諸収差のためにアライメントする像
高が投影レンズに対して固定されており、アライメント
の検出を行なった後に露光位置までウニ八を移動させる
という誤差要因が入り込むことになる。露光波長以外の
光でのアライメントシステムはこのため必然的にＴＴＬ
　　ｏｆｆＡｘｉｓのシステムとなってしまうのである
。

しかしながら、近年の重ね合せ精度に対する要求はます
ます厳しくなってきており、特開昭５８−２５６３８号
に示したような理想システムにおける誤差要因であるア
ライメント信号の検知エラーすら問題となる領域にまで
きている。

アライメント信号の検知誤差成分を本願の発明者等が分
析したところによると、その誤差成分は主としてフォト
レジストの塗布問題に起因するものが大部分であること
が判明した。フォトレジストによる誤差要因は種々挙げ
られるが、そのうち最も大きいのは次の２つの要因であ
るものと考えられる。

第１はレジストの表面反射光とレジストを透過し、ウェ
ハ基板に当りて戻ってくる光との干渉効果である。特に
前述したようにフォトレジストはウェハ内で均一に塗布
されているとは限らず、中心と周辺では塗布状態が異な
っている場合が多い。ウェハ基板自体もエツチング、ス
パッタ等のウェハ内均−性の問題を抱えている。そのた
め、ウェハ内の各ショットのアライメントマークの構造
はレジストの塗布逢合めて考えた時、場所場所で異り、
従りて、干渉効果も異りている。レジスト塗布の影響で
アライメントに誤差が出るのはこの干渉による効果が最
も大きいと思われる。

第２の要因として挙げられるのは多重反射である。レジ
ストは一つの先導波路としての性格を持ている。そのた
めにウェハ基板で反射された光の一部はレジストと空気
の境界面で反射され、またウニ八に戻ってきて再反射を
受けることとなる。

この影響は基板の反射率が高いほど顕著であるし、また
この多重反射光が最終的には干渉を起こしアライメント
の精度を劣化させる要因ともなる。

レジストの要因としてはその他に屈折による像ズレ等の
要因が考えられるが、それ等はあくまで二次的なもので
あり、今ここで挙げた２つの要因特に第１の干渉効果を
除くことがアライメントの精度向上に大きく貢献するこ
とが解析の結果確かめられた。

上述のような種々の問題点を解決するため、本出願人は
、既に特願昭６１−１３４８７３号ｒ観察装置１を提案
している。これは、レチクル等の第１の物体上のパター
ンをウニ八等の第２の物体上に投影光学系を介して投影
する装置において、投影光学系に結合して第２の物体を
観察する観察光学系が配置されており、その観察光学系
が投影レンズと第２の物体との間より投影レンズを介さ
ないで与えられた照明光により第２の物体の位置を検出
する装置である。上記発明を位置合せ装置に適用するこ
とにより、レジストの影響を抑え高精度の位置合せを行
なう目途を得ている。

一方、上記発明の適用の際にも実用上の種々の問題点が
あることが判明し解決が望まれていた。

例えば、位置合せする際には、ウニ八等の物体に付され
たマークを照明して光学的に検圧し電気信号に変換し、
当該信号に基づいて位置合せしていたが、このマークか
らの反射光が干渉することにより、検出される信号が歪
み位置検出の精度を劣化させるという問題があった。

本発明の目的は、上述の従来形の問題点に鑑み、反射光
の干渉の影響を受けることなく第２の物体の観察が行な
えるようにし、これによりより高いアライメント精度を
達成するための位置合せ装置およびそれを用いた露光装
置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段および作用コ上記の目的
を達成するため、本発明は、第１の物体上に描かれたパ
ターンを第２の物体上に投影するための投影光学系と第
２の物体との間より投影光学系を介さずに第２の物体を
所定の方向から順次照明し、その照明光学系から順次出
射される照明光により第２の物体を投影光学系を介して
観察し位置合せすることとしている。このような方式を
チョッピングと呼ぶ。

これにより、反射光の干渉の影響を受けることなく第２
の物体の観察が行なえる。

なお、照明光学系から照明光を出射する際には、第２の
物体上のＸＹ座標系の各軸に沿った４方自から４回に分
けて出射したり、この４方向を２方向ずつに分けた各２
方向から交互に出射した［実施例の説明］ 前述のような投影光学系外からのウェハ照明および投影
光学系を介して受光する方法を採用し、さらにそのウェ
ハ照明光の波長として露光波長以外の光を用いた場合の
受光方法としては以下のようなものが考えられる。

（１）単純にレチクルを透過した後に受光系を置く手法 （２）レチクルと投影光学系の間に色収差補正光学系を
設け、レチクルを透過した後に受光系を置く手法 （３）レチクルと投影光学系の間にミラーを置きレチク
ルを介さず受光する方法（色収差補正光学系は付加する
） しかし、（１）の手法によれば、投影光学系の色収差補
正をしていない波長の光を通した場合に、色収差のため
レチクルに大籾な窓部を設けなければならずあるいは像
のぼけが生じる等の問題がある。

また（２）の手法によれば、色収差補正光学系の小さい
ものが考案されていないため、露光エリアの減少あるい
は色収差補正光学系の露光時逃げ機構追加という問題が
ある。

（３）の手法では、基準となるレチクルをウェハと同時
に観察出来ないため、どのように基準を取るべきかが問
題である。しかし、仮の基準を設はレチクルと仮の基準
の位置関係を知れば位置合せが行なえるという利点もあ
る。

ここで本出願人による特願昭６１−１３４８７３号「観
察装置Ｊではウェハを暗視野照明しているため、仮の基
準をどのようにして照明し観察するかが問題である。

仮の基準を照明せず観察しない手法として、検出するデ
テクタ（例えばＣＣＤの画面）を基準としてしまう手法
も考えられるが、検出するデテクタの画面サイズや精度
向上のための倍率を設定する光学系およびウェハマーク
を検出するＳ／Ｎ比向上のための躍フィルターを設ける
等の理由により、基準となるデテクタ化に光学系が種々
おかれ、その安定性がウェハと当該基準との相対位置計
測に問題となる。

以下、これらの問題点を解決する本発明の実施例につき
図面を用いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る位置合せ装置を適用
した半導体投影露光装置の全体構成の概略図である。同
図において、レチクルＬＴに描かれたパターンは、照明
系ＬＰの照明光により投影光学系Ｐｏを介し、ＸＹステ
ージＷＳに載置されているウェハＷＦ上に投影される。

この際、ウェハＷＦは予めレチクルＬＴどの位置合せが
なされ、ＸＹステージＷＳが移動することによってウェ
ハＷＦは所定の自動位置合せ（以下、ＡＡという）終了
位置に置かれ、適正な位置にて投影が行なわれることと
なる。

ＡＡ時における光線の流れを以下に説明する。

まず、ウェハ照明系ＷＬは、投影光学系ｐｏとウェハＷ
Ｆの間より、ウェハＷＦを露光する照明光の波長とは異
なる波長の光で投影光学系ＰＯを介さずにウェハＷＦを
照明する。ウェハ照明系ＷＬにより照明されたウェハＷ
Ｆの像は投影光学系ＰＯを介しミラーＭ１以降の検出光
学系に取込まれる。

検出光学系内でウェハＷＦの像は、露光波長と異なる光
が投影光学系ＰＯを介したことによる色収差を補正する
色収差補正光学系Ｏ８を介し、レチクルＬＴどの相対位
置が既知である基準マスク８Ｍ上に結像する。基準マス
ク８Ｍ以後の光学系では、基準マスク８Ｍ上のマークと
クエへの像が同時に観察できるように配慮されている。

基準マスクＢＭの基準マークの像およびウェハＷＦの像
は、対物レンズＬ１、リレーレンズＲＬを介し、ダハプ
リズムＤＰにて二分割される。さらに分割された像はそ
れぞれエレクタ−Ｅ１×。

Ｅ　Ｉ　Ｙ、　　ミラーＭ　５ｘ　１Ｍ　５ｙを介し、
瞳フィルタＦｌｘ、ＦＩＹに至る。そして、Ｘ方向の位
置検出のために像を所望の向きにするミラーＭ６ｘ　、
Ｍ７ｘ　、Ｍ８ｘおよびエレクタＥ２Ｘを介して、像走
査用ミラー（ここではポリゴンミラー）ＰＭに達する。

Ｙ方向についても同様であるが、Ｙ方向の位置検出のた
め像を所望の向きにするミラーの構成は異なる。

そして、ポリゴンミラーＰＭにより基準マスクＢＭの基
準マークとウェハＷＦの像は走査（スキャン）され、ｆ
θレンズＬ２に、Ｌ２Ｙを介しスリットＳＬｘ、ＳＬｙ
に達し、再度ここで像は結像する。スリットＳ　Ｌｘ　
、　Ｓ　Ｌ、Ｙには帯状の絞りが設けられており、その
帯状の絞りを透過した光をデテクタＤｘ、Ｄｙで検出す
る。ＩＦＭはステージの位置を検出する干渉計、ＩＭは
干渉計ミラー、ＭＯはＸＹステージ駆動系を示す。

以下、ＡＡの動作について説明する。

第２図は、ウェハＷＦ上のマークＭＫＩの位置およびウ
ェハ照明光の照明方向ＤＲを示す図である。同図（ｂ）
は同図（ａ）のウェハマーク部の拡大図で、本実施例で
はＸ方向のマークＭＫＩＸおよびＹ方向のマークＭ　Ｋ
　１　ｙそれぞれが３本づつ配置され、ウェハ照明光は
、その方向がウェハマークＭＫ１ｘ、ＭＫ１ｙに対して
直角あるいは平行となるように、４本人射している。な
お、ＤＲＩおよびＤＲ２の方向の照明光はウェハマーク
ＭＫＩＸにおいてはほとんど反射せず、またＤＲ３およ
びＤＲ４の方向の照明光はウェハマークＭＫＩＹにおい
てはほとんど反射しない、従って、ＤＲＩおよびＤＲ２
の方向の照明光はウェハマークＭ　Ｋ　１　ｖの周辺に
のみ照射し、ＤＲ３およびＤＲ４の方向の照明光はウェ
ハマークＭ　Ｋ　１　ｘの周辺にのみ照射することとし
ている。また、各ウェハ照明光はウェハＷＦに対して斜
めに照明され、その入射角は第１図に示したウェハから
の反射光を検出するための検出光学系がウェハ上で持つ
最大角に対し以下の関係を有する。

（検出光学系がウェハ上で持つ最大角＋ｌＯ°）≦（照
明光のウェハへの入射角） このように照明されたウェハマーク像は第１図の基準マ
スク８Ｍ上で結像する。

第３図は、基準マスクＢＭの照明系配置および基準マー
クＭＫとウェハマーク像の配置を表わす図である。同図
（ａ）において、ウェハマーク像は基準マスクＢＭの窓
Ｗを透過し対物レンズＬ１に入る。基準マスクＢＭの基
準マーク部は透過部例えば基準マスクＢＭに開けられた
開口であり基準マスク照明光が基準マーク部を透過し基
準マーク像となり対物レンズＬ１に入る。

これにより、Ｓ／Ｎのよい基準マーク信号が得られるこ
ととなる。

基準マーク像とウニへ像はダハプリズムにより基準マー
クＭＫＹ、　ウェハマークＭＫＩＹの像と基準マークＭ
Ｋｘ、　　ウェハマークＭＫ１ｘの像とに分離される。

そして、第１図に示すようにＸ方向に伸びた像（Ｙ方向
の位置検出用）はミラーＭ５Ｙ、Ｍ６Ｙ、Ｍ７Ｙにより
９０′″回転させられポリゴンＰＭに入射する。また、
Ｙ方向に伸びた像（Ｘ方向の位置検出用）はミラーＭ５
ｘ　、Ｍ６ｘ　、Ｍ７Ｘ　＋　Ｍ　８　Ｘにより前者と
は異なり回転することなくポリゴンＰＭに達し、それぞ
れｆθレンズＬ２ｘ、Ｌ１２を介しスリットＳ　Ｌｘ　
、　　Ｓ　Ｌｙ　ニ結像する。これらのＸ方向、Ｙ方向
の光学系において、レンズＬｌ、ＲＬは共用しており、
またエレクタＥｌ×とＥＩＹ、Ｅ２ＸとＥ２Ｙとはそれ
ぞれ同じものである。これらは各マークの像を所定の倍
率で結像させる光学系である。

以上の通り互いに直交関係に配置されたＸＹ方向のマー
クをダハプリズムＤＰにより分離し、さらに一方のマー
クを像回転光学系により光軸中心に９０°回転させるこ
とによりマークの向きを揃えているため、１つのポリゴ
ンＰＭにより走査する。

ことが可能となった。これはポリゴンを２つ用意する場
合より優位であることは明らかである。

第４図は、スリット上の基準マーク像、ウェハマーク像
、走査方向、スリット形状およびスリットを透過した光
を検出した電気信号波形を表わす図である。これは第１
図のスリットＳＬｘ、ｓＬＹをｆθレンズＬ２ｘ、Ｌ２
ｙ側から見た平面図である。

スリットＳＬ上に結像した像は、ポリゴンＰＭによりス
リットＳＬ面上を第４図の矢印のスキャン方向に走査さ
せられる。スリットｓＬＹには帯状の透過部であるスリ
ットＳ　Ｌｙｅ、　　Ｓ　ＬＹ２が設けられ、スリット
ＳＬｘには同様にスリットＳＬｘ＋が設けられている。

これらのスリットを透過した光がデテクタＤＸ、ＤＹに
検知され電気信号波形ＳＹ、Ｓｘとなる。得られた電気
信号波形により基準マークとウェハマークの相対位置を
計測する。

なお、第４図ではデテクタＤは各スリットＳ　Ｌｙｅ、
　　Ｓ　ＬＹ２の背後に１ケ、ＳＬｘ＋の背後に１ケ、
合せて２ケ配置されている。

レチクルＬＴと基準マスク（基準マーク）ＢＭとの相対
的な位置は既知である（例えば基準マスクに対してレチ
クルを予めアライメントしておく）ので、レチクルと基
準マスクの位置ずれ分だけ基準マスクからウェ八をずら
して位置合せすれば、結果的にレチクルとクエへの位置
合せができる。

次に、スリット受光方法につき説明する。

第４図において、マーク像Ｍ　Ｋｙ　、　Ｍ　Ｋ　１　
ｙに対応するスリットはそれぞれＳ　Ｌｙｅ、　Ｓ　Ｌ
Ｙ２である。そしてスリットＳＬＹ、とＳＬ、、は所定
量またけオフセットして一体の基板上に形成されている
。そしてスリットＳ　Ｌｙｅ、　　Ｓ　ＬＹ２の背後に
は両者を受光可能なデテクタＤｖが１ケ配置されている
。マーク像ＭＫｙ　、ＭＫｌｙは矢印の方向に走査され
、はじめに基準マーク像ＭＫＹの信号Ｓ１が検知され続
いてウェハマーク像ＭＫＩＹの信号Ｓ２がオフセット１
の間隔をおいて検知される。

また、マーク像ＭＫＩＸ　、ＭＫｘについては、スリッ
ト５ＬＸＩの背後にデテクタＤＸが１ケ配置されている
。マーク像Ｍ　Ｋｘ　、　Ｍ　Ｋ　１　ｘは矢印の方向
に走査され、はじめに基準マーク像ＭＫｘの信号Ｓ３が
検知され続いてウェハマーク像ＭＫ１ｘの信号Ｓ４が検
知される。

そして上記信号より両者の相対位置情報が算出される。

第４図（ａ）は、この例においてはＹ軸方向の情報であ
る。

第４図（ａ）の信号Ｓｌと５２よりマーク像ＭＫＹとＭ
ＫＩＹの相対位置が不図示のクロックパルスを基準とし
て算出され、この値と既知のスリットオフセットＬとの
差分が位置ずれ量に相当することとなる。信号処理法と
しては、平均化その他の既知の種々の手法が使用可能で
ある。

第４図（ｂ）はこの例ではＸ軸方向の情報である。

第４図（ｂ）において、位置合せ完了状態におけるマー
ク像ＭＫＩｘとＭＫｘの配置関係は予め所定間隔に定め
られている。信号Ｓ３と８４から前述と同様の処理方法
で位置が一算出され、その値と前述所定間隔との差分が
位置ずれに相等する。

以上の通りＸＹ軸各々について、離間配置された基準マ
ークとウェハマークを各軸１ヶのデテクタと１ケないし
２ケのスリットという簡単な構成で観察することにより
、高精度な位置検出が可能となる。

なお、第５図はスリット受光方法の他の例を示している
。同図において、デテクタは各スリットＳ　Ｌｘｓ、　
Ｓ　ＬＸ４．　Ｓ　ＬＹ３．　Ｓ　ＬＹ４の背後に各１
ケづつ配Ｍされている。同図（ａ）において、Ｙ方向の
位置検出用の基準マーク像ＭＫＹとウェハマーク像ＭＫ
ＩＹは矢印の方向にスキャンされ、スリット５ＬＹ３お
よび５ＬＹ４とそれぞれの背後にあるデテクタにより、
信号Ｓ５およびＳ６が検出される。コノ信号Ｓ５および
Ｓ６により基準マークＭＫｙとウェハマークＭ　Ｋ　１
　ｙとの相対位置情報力く算出される。Ｘ方向について
も同様であり、同図（ｂ）　において、基準マーク像Ｍ
Ｋｘとウェハマーク像Ｍ　Ｋ　１　ｘは矢印の方向にス
キャンされ、スリット５ＬＸ３および５ＬＸ４とそれぞ
れの背後にあるデテクタにより、信号Ｓ７およびＳ８が
検出される。なお、スリット５ＬＸ３と５ＬＸ４とは所
定の間隔で配置されており、またマーク像ＭＫＸはスリ
ット５Ｌｘ４で、マーク像Ｍ　Ｋ　１　ｘはスリット５
ＬＸ３でそれぞれ検出しその他の信号は無視する。

この信号Ｓ７およびＳ８により基準マークＭＫｘとウェ
ハマークＭ　Ｋ　１　ｘとの相対位置情報が算出される
。

第４図の受光方法と比べ第５図では信号取込は同一時間
取込みとし、マーク毎に別々のデテクタにて分離受光す
ることとしている。これにより、ポリゴン回転ムラによ
る誤差の最小化を図ることができ、また強度の異なる光
信号に対しデテクタを適材配置（精度およびコストの最
適化）することができる。

次に、ウェハ照明光学系（第１図のＷＬ）につき説明す
る。

ウェハ上へのレーザ光の導入は、レーザ光をミラー等に
より直接ウェハ上に導入するか、または第６図（Ｃ）に
示すようなオプティカルファイバＯＦＦにて引き回す等
の方法が考えられる。しかし、ミラー等の光学系を用い
るのはサイズが大きくなり、引き回しの自由度が制約さ
れると共にコストが大となる。また、オプティカルファ
イバを用いた場合は各素子よりの光が合成され干渉を起
し照明ムラをひきおこしてしまうという問題点がある。

本実施例では、第６図（ａ）のようにレーザ光ＬＳＲを
シングルモードファイバＳＦにてウェハＷＦ上に入射さ
せるようにしている。シングルモードファイバＳＦは、
その内部において位相変化および干渉を起さないので、
出射光は理想的なガウス分布をもち不均一な照度ムラの
ない照明を与えることが可能となる。

第６図（ｂ）は、上記のシングルモードファイノくＳＦ
の両端に屈折率分布型レンズＳＬおよびエキスパンダー
レンズＥＬを付加したものである。屈折率分布型レンズ
ＳＬは、入射光を効率よく集光してファイバーＳＦに導
入しかつ平行光として出射させるよう設計されている。

その後、エキス１＜ンダーレンズＥＬを通り所望のサイ
ズに拡大した平行光としている。屈折率分布型レンズＳ
ＬとエキスパンダーＥＬを付加することにより、強度の
高い均一な照度分布をもつ照明光学系が実現される。第
６図（ｄ）〜（ｆ）は、それぞれ同図（ａ）〜（Ｃ）の
ウェハ照明光導入方式における照度分布の概念図である
。

なお、このようなシングルモードファイ）＜ＳＦにて第
２図（ｂ）の各方向ＤＲＩ〜ＤＲ４からウェハが照明さ
れるが、このとき本実施例では対向する方向の照明が互
いに非干渉光となるように、その光路長を定めている。

すなわち、ＤＲＩとＤＲ２とはファイバＳＦの長さを変
える等により照明光の導入の光路長に差異を持たせ、互
いに非干渉光となるようにしている。ＤＲ３とＤＲ４に
ついても同様である。対向する方向の照明について非干
渉光となるようにすれば十分であるが、４方向のすべて
について光路長に差をつけて、４つの照明がそれぞれ非
干渉光となるようにすれば、効果が大である。

次に、色収差補正光学系について説明する。

本実施例のような露光波長と異なる波長の光でＴＴＬ方
式のアライメントを行なう場合には、投影光学系により
生ずる色の諸収差を良好に補正する必要がある。この際
、このような補正光学系を第１図のＯ５のような透過型
で構成すると、サイズが大きくなる欠点がある。そこで
、複数の裏面反射型ミラーを光軸に対し互いに傾むけて
配置し、色収差補正光学系とすることとした。

第７図は、第１図の透過型の色収差補正光学系Ｏ５の詳
細図である。ここでは色収差補正光学系Ｏ３は３枚の平
行平面板ＧＰＩ〜ＧＰ３を光軸に対して互いに傾けて配
置した構成となっている・第８図は、反射型の色収差補
正光学系を示す。

同図において、ウェハマーク（ＭＫＩソ他）からの反射
光は投影光学系ＰＯを介しＮ８図におけるミラーＭｌｌ
に入射する。ここでミラーＭｌｌは平行平面な裏面反射
型ミラーであり投影光学系のメリディオナール光束に対
して傾いている。その後光束はミラーＭ　１２．　Ｍ　
１３に入射する。ここでミラーＭ１２．　Ｍ１３はＭｌ
ｌと同様に裏面反射型であるが、傾き方向はミラーＭｌ
ｌと直交している。ミラーＭ１３を通った光束は表面反
射型ミラーＭ１４にて反射し基準マスク８Ｍ上に結像す
る。

以下、このような色収差補正光学系の必要性および作用
につぎ説明する。

従来より投影光学系によって投影された投影面上の状態
を観察光学系を用いて観察し位置検出する観察装置は各
種の光学機器で用いられている。

例えば半導体製造における露光装置では第１物体として
のレチクル面を投影光学系によりＮ２物体としてのウェ
ハ面上に投影し、観察光学系によりウェハ面上の状態を
観察する。そしてこの観察装置を用いてレチクル面とウ
ェハ面との位置整合、所謂アライメントを行なっている
。

このときのアライメント精度は観察装置の光学性能に大
きく依存している。このため観察装置の性能は露光装置
において重要な要素となっている。

このような観察装置を利用してアライメントを行なった
ものは従来より種々提案されている。

例えば本出願人も特開昭５８−２５６３８号公報で観察
装置を利用したアライメント系を提案している。

同公報ではウェハ面に投影露光するための投影光学系に
ｇ線（４３６ｎｍ　）の光を用い、アライメント系にＨ
ｅ−Ｃｄレーザから放射される波長（４４２ｎｍ　）の
光を用いている。このとき使用する２つの波長は略等し
いため、主に投影光学系を対象に構成することにより、
両波長の光で略等しい光学性能を得ている。そして投影
光学系をレチクル側とウェハ側の双方でテレセントリッ
クとなるように所謂両テレセントリックな光学系を構成
することにより、レチクル側よりウニへ面上を観察する
際、観察光の主光線が常にレチクル面に垂直となるとい
う特徴を利用している。これにより製造するＩＣの種類
が変わってレチクル面上でのパターン寸法が変化してア
ライメント系の観察位置を変化させてもレチクル面に入
射あるいは反射する光の角度を不変とすることができ、
この性質を利用することにより高精度なＴＴＬ　ｏｎ　
Ａｘｉｓシステムを構成している。

なお、ＴＴＬ　ｏｎ　Ａｘｉｓシステムというのは露光
する投影光学系を介して、露光する状態のままでレチク
ルとウェ八とのアライメントを行なうことである。

一般に露光波長あるいはそれと等価な波長を用いてアラ
イメントを行なうにはＴＴＬ　ｏｎ　Ａｘｉｓシステム
は精度上量も好ましい方式である。

しかしながら、投影露光とアライメントでの波長を略同
−にするとウェハ面上に塗布するレジストに多層レジス
トを用いたとき多層レジストがアライメント光を吸収し
てウェハ面上のアライメントマークからの反射光を減少
させ、Ｓ／Ｎ比を低下させアライメント精度を低下させ
る原因となってくる。このためアライメント波長と露光
波長を異ならしめてＳ／Ｎ比の向上を図りアライメント
精度を高めることが必要となってくる。

アライメント波長と露光波長を異ならびめてＴＴＬ方式
でアライメントを行なうと、投影光学系は露光波長に対
してのみ諸収差が良好に補正されているので露光波長以
外の光では色の諸収差、具体的には軸上色収差、倍率色
収差、この他色のコマ収差、非点収差、球面収差等が発
生し良好なる観察ができずにアライメント精度が低下す
る原因となってくる。

このため従来より露光波長以外の光で投影光学系を介し
てウェハ面を良好に観察する方法が種々提案されている
０例えばレチクルを介してウェハ面を観察する際、観察
波長の色収差によるピントのずれ量だけウェハ面の位置
を投影光学系の光軸方向にずらしてレチクル面とウェハ
面との共役関係を成立させたり、レチクルと投影レンズ
との間に補助光学手段を設けたりする方法が採られてい
る。

しかしながら、これらの方法はいずれも投影光学系の色
収差の補正が不十分でありたため、非対称性の収差、例
えばコマ収差、倍率色収差等が発生しない放射状パター
ンの結像、すなわちサジタル方向の結像のみを用いてい
た。

しかしながらサジタル方向の結像だけを用いていたので
はサブミクロンの時代における高解像力に伴う高精度の
アライメントが難しくなってくる。例えば、気圧の変化
に伴う投影倍率の変化といった投影光学系自体の結像状
態の変化、またウニへの部分的な歪は倍率の変化と等価
なものとして見なす事ができる。このような倍率の変化
として見なせる変化は放射状パターンを用いたのでは全
く検知することができない。

またサジタル方向の結像のみでは一点の観察で基本的に
一情報しか得られなく、２点を観察するだけで２次元的
なアライメントを達成するには情報不足となってくる。

このように従来は投影光学系の色収差の補正が不十分で
あったために、サジタル方向の結像だけを利用していた
が、今後サブミクロンの時代における高解像力化に対し
てはサジタル方向の結像だけではどうしても不十分とな
りてくる。

このため、観察波長における投影光学系の色収差を良好
に補正した高精度のアライメントが可能の観察装置が半
導体製造用の露光装置に強く要求されてきている。

そこで、投影光学系で投影に用いる波長と異った波長で
投影面の状態を観察光学系により投影光学系を介して観
察する際に投影光学系より生ずる色の諸収差を補正し良
好なる観察を可能とするため、特に半導体製造における
露光装置で露光波長と異なった波長でＴＴＬ方式のアラ
イメントを行なう際に投影光学系より生ずる色の諸収差
を良好に補正した観察光学系を用いることにより高精度
のアライメントを可能とするため、色収差補正光学系を
設けている。特に、第８図に示すように配置した３枚の
平行平面裏面反射ミラーを用いて構成すればコンパクト
である。

このうち投影光学系のメリデイオナル断面に対して傾け
た、すなわちメリデイオナル断面の結像光束に対して非
対称に斜めに配置した裏面反射ミラーＭｌｌにより投影
光学系の観察波長に対するコマ収差を補正している。こ
のとき傾ける角度は投影光学系からの収差発生量と裏面
反射ミラーＭｌｌの厚さに応じて定まる。この１枚の裏
面反射ミラーＭｌｌはコマ収差に対しては効果的である
が、その一方で、非点収差を発生させる原因となってく
る。このときの非点収差と投影光学系の観察波長での非
点収差とを合わしたものが全系の非点収差となる。そこ
で本実施例では２つの裏面反射ミラーＭ１２．　Ｍ２Ｓ
をミラーＭｌｌの傾けた平面と直交する面内で互いに傾
けて配置することにより、全系の非点収差を補正してい
る。すなわちミラーＭｌｌを観察光学系の光軸を回転軸
として９０度回転した状態の平面内で２つのミラーＭ１
２．　Ｍ２Ｓを配置している。

ミラーＭ１２．　Ｍ２Ｓは同じ厚さのと籾は線対称的な
関係で配置すれば良く、また異った厚さのときは異った
角度で傾けて配置すれば良い。そして２つのミラーＭ１
２．　Ｍ２Ｓの全体の組合せとしてコマ収差を発生させ
ないようにしている。ただしミラーＭ１２．　Ｍ２Ｓの
非点収差は相乗効果として発揮されるので非点収差は発
生するが、その発生がミラーＭ１１と９０度捩った平面
内に配置することにより互いに打ち消し合うように調整
している。例えば投影光学系の観察波長での収差発生が
コマ収差のみで非点収差が無い場合には２つのミラーＭ
　１２゜Ｍ２Ｓの厚さをミラーＭｌｌの略号とし、しか
も捩れてはいても観察光学系の光軸に対してなす角度を
３つのミラーＭｌｌ、　Ｍ１２をすべて等しくすれば投
影光学系のコマ収差と非点収差を補正した観察が可能と
なる。

また、投影光学系に観察波長で非点収差がある場合には
ミラーＭｌｌと２つのミラーＭ１２．　Ｍ２Ｓがなす角
度をその非点収差量に応じて異ならしめれば、その収差
を補正した観察が可能となる。すなわち第８図の補正光
学系では平行平面板の傾きを調整することによって補正
量を任意に制御することを可能としている。

以上のような構成によりコマ収差と非点収差を良好に補
正することによってサジタル方向だけでなくメリディオ
ナル方向を含めたあらゆる方向にわたって良好なる収差
補正を行ない、レチクル面上とウェ八面上の双方のアラ
イメントマークを同時に良好なる像として観察するのを
可能としている。そしてこれにより高精度のアライメン
トを可能としている。

さらに、第８図に示すように反射型で構成すれば、裏面
反射型ミラーであるため板厚な透過型に比し略ηですみ
、かつ補正光学系が光路引き回しの役割を兼用している
ため、コンパクトで低コスト化が可能となった。

第９図は、前実施例の一部を透過型光学系で構成したも
のである。

なお、対物レンズを移動可能にし、それに追従して色収
差補正光学系も動くようにすることもできる。これによ
り種々のショットサイズに対応して対物を動かし、それ
に応じて色収差の補正ができるので、ＡＡ後後置露光い
う流れができ、スルーブツト向上ができる。

以上で反射型色収差補正光学系の説明を終る。

次に、デテクタ感度補正につき説明する。

従来、デテクタ等の受光器の感度の経時変化に伴い、信
号強度変化による精度劣化が発生したり、最悪の場合は
検出不能となるという問題点があった。これに対し、検
出系ゲインのダイナミックレンジを広域化するという対
処方法が考えられるが、高コストとなってしまう。

そこで、本実施例では、標準光源をデテクタに入射させ
感度変化のモニタをすることとしている。これにより、
感度変化分をリファレンス（ソフト）し、ゲイン変更す
ることができ、感度変化分を検出用光源強度の変更にて
対処することができる。感度モニタは適当なタイミング
、例えばキャリヤ毎、レチクル交換毎または１日１回等
で、定期的にチェックすればよい。

このようなデテクタ感度補正を行なうことにより、■検
出系の最適設計化が可能（コスト）、■精度向上、■検
出不能の回避、■信頼性向上（トラブル自己診断）等の
効果がある。

第１０図は第１図におけるデテクタＤ（Ｄｘ。

ＤＹ）部分の詳細図である。ＬＥＤはアライメント波長
と略同−波長の光源である発光ダイオードである。これ
は特に発光ダイオードに限らず、アライメント波長と略
同−波長の光源であればよい。ここでは、波長６６０ｎ
ｍの赤色ＬＥＤ　（スタンレー社製：　Ｆ　Ｈ１０１１
）を用いている。Ｌｌｌは集光レンズ、Ｍ２１は光路折
曲げミラーである。光路折曲げミラーＭ２１はアライメ
ント位置検出光学系の有効光路外に配置されているが、
ＬＥＤから集光レンズＬｌｌを介して出射される光をデ
テクタＤに入射させるよう配置されている。

第１１図は、デテクタ感度モニタ機構の概略ブロックダ
イアグラムである。ＬＥＤは演算制御系ＡＲＭにより任
意の時期に点燈され、デテクタＤがその光を検知する。

デテクタＤの出力は演算制御系ＡＲＭに送られそこでメ
モリＭＥＭ　１等に記録された基準出力と比較され、も
しデテクタＤの感度が変化していれば、演算制御系ＡＲ
Ｍは不図示のデテクタ制御回路を制御し補正する。−例
としてはデテクタＤへの印加電圧を制御する。

次に、チョッピングおよび波形処理につき説明する。

クエへのマークのエツジからの反射光と、レジスト表面
からの反射光との干渉による影響を除くため、本実施例
では第１図に示すようにマークに対し斜め方向からビー
ムを入射する。この場合、マークの各エツジからの反射
光を得るには４方向からのビームの入射が必要である。

第１２図（ａ）は第１図におけるマークと入射ビームと
の関係を示し、同図（ｂ）はビーム１とビーム３のエツ
ジカラの反射光を示す。ビーム１によるエツジＡからの
反射光をＡ　Ｉ　、エツジＢからの反射光を８１％　ビ
ーム３によるエツジＡからの反射光をＡ３、エツジＢか
らの反射光を８３とする。ここでマークに対しビーム１
とビーム３を同時に入射すると、第１２図（ｂ）　に示
すように、エツジＡではＡ１とＡ３、エツジＢではＢ１
とＢ、の反射光による干渉が起こる。この干渉の影響を
除くには、ビームを入射させるタイミングを切り換えて
別々に各エツジからの反射光を得れば良く、この方法を
チョッピングと呼ぶ。

次に、チョッピングにより得られる干渉の影響のない反
射光から真の位置を得る方法について述べる。

チョッピングにより第１３図に示すような、各エツジか
らの反射光が得られる。同図に示す波形は、理想的なス
リットすなわち無限小の巾のスリットで各エツジの像を
スキャンした場合に得られる波形である。

チョッピングについて、より分かり易く説明するため、
ウェハとレチクル上のマークを直接位置合せする場合を
仮定する。ウェハとレチクル上のマークを第１４図（ａ
）　に示すようなマークとすると、各エツジからチョッ
ピングにより得られる信号は第１４図（ｂ）のようにな
る。なお、同図（ｂ）のビーム１の反射光を示す波形お
よびビーム３の反射光を示す波形は、ウェハ上の２つの
マークおよびレチクル上のマークのそれぞれに対応する
ピークを有していて、第１３図に示したように各マーク
の各エツジに対するピークが現われていないが、これは
実際に本実施例で行なっているマーク像のスキャンにお
いては、スリットの巾は有限巾であるため、受光する光
が両エツジからの光の和となっているためである。従っ
て、第１４図（ｂ）の波形は若干歪んでいる。

次に、各エツジから得られた信号の振幅をＡＩ、Ａ３　
として、第１４図（Ｃ）　に示すようにＡ１＝Ａ３とな
るように各信号の振幅の調整を行ない合成波を得る。そ
の合成波の振幅Ａに対して、あるスライスレベルＫを求
める。

Ｋ　＝　Ａ　Ｘ　３０７１００ このスライスレベルＫからスライス位置Ｐｌ。

Ｐ２を求め、ウェハ上のマーク位置をスライス位のよう
にして各マークの位置を決定することにより真の位置か
らのずれ量を求める。

次に、チョッピングにより得られる干渉の影響のない反
射光から真の位置を得る第２の方法について述べる。

上述したように理想的な無限小巾のスリットによって各
エツジからの光を受光するとすれば、チョッピングによ
り第１３図に示すような各エツジからの反射光が得られ
る。一方、ウェハとレチクル上のマークを第１５図（ａ
）に示すようなマークとし有限巾のスリットにて各エツ
ジからの光を受光すれば、各エツジからチョッピングに
より得られる信号は第１５図（ｂ）のようになる。

そして第１５図（Ｃ）のように、各エツジから得られた
信号の振幅をＡＩ、Ａ３とする。そして、各信号に対し
、スライスレベルに＋　　（Ｋｔ　＝Ａ＋　Ｘ３０／２
００　）　、　Ｋｓ　　（Ｋｓ　＝Ａ３　Ｘ３０／１０
０）を求める。これらのスライスレベルを各信号に用い
てスライスをかける。スライスの位置としては、第１５
図のように各信号の、立ち上り、立ち下りにおいて急峻
な側をスライス位置として用いる。すなわち、例えば振
幅Ａ、の信号に着目して、ＱｌまたはＱ２のどちらの位
置が急峻であるかを判別し、急峻な側をスライス位置と
して用いるのである。

振幅Ａ３の信号のスライス位置Ｑ３．Ｑ４についても同
様に急峻な側を用いる。そして、Ｑ、およびＱ３が急峻
である場合はスライス位置Ｐ１゜Ｐ２の中点 Ｑ、およびＱ４が急峻である場合はこれらの中点をマー
ク位置と決定する。なお、ここでは簡単のため、Ｑ、お
よびＱ３をベアで用い、Ｑ、およびＱ４をベアで用いる
こととしている。このようにして、各マークの位置を決
めることにより真の位置からのずれ量を求める。

さらに、チョッピングにより得られる干渉の影響のない
反射光から真の位置を得る第３の方法について述べる。

上述したように理想的な無限小巾のスリットによって各
エツジからの光を受光するとすれば、チョッピングによ
り第１３図に示すような各エツジからの反射光が得られ
る。一方、ウェハとレチクル上のマークを第１６図（ａ
）に示すようなマークとし有限中のスリットにて各エツ
ジからの光を受光すれば、各エツジからチョッピングに
より得られる信号は第１６図（ｂ）のようになる。

次に第１６図（Ｃ）のように、各エツジから得られた信
号の微分信号を求める。ビーム１から得られた信号に対
しては、最大ピーク位置Ｐ１を求め、ビーム３から得ら
れた信号に対しては最小ピーク位置Ｐ３を求め、ＰＩ、
Ｐ３の中点 にして、各マーク位置を決定することにより真のマーク
位置からのずれ量を求める。

これらチョッピングによりマーク位置を得る各方法から
は、得られるウェハ上のマークの波形に応じて、適宜最
適な方法を選べばよい。

以上で、チョッピングおよび波形処理の説明を終る。

次に、ウェハ照明系ＷＬから照射するレーザ光の光量補
正につき説明する。

これは高精度な位置合せを行なうために、−窓以上の信
号出力およびＳ／Ｎを確保するために行なうものである
。そのためには光源、全光学系およびデテクタの変化や
劣化は重要な問題であり、特に本実施例のような複数の
光源、光学系およびデテクタを用いて位置合せ信号を得
る場合には特に重要となる。従って、これらの変化およ
び劣化を検知し、補正することは大きな意味がある。

第１７図はレーザ光量補正を説明するための模式図であ
る。同図は、第１図を模式化した図であり、同一の記号
は同一または共通の部分を示す。

第１７図において、ＫＴＳは光量調整素子で光源ＬＰ２
が無偏光性であれば、各種のＮＤフィルタが円周上に配
置されたものまたは開口絞りである。また、光源ＬＰ２
が偏光性であれば、上記に加え偏光フィルタも使用可能
となる。ＫＴＵは光量調整素子ＫＴＳを制御駆動するユ
ニットであり、この例においては光量調整素子ＫＴＳを
回転方向に制御駆動している。ＭＥＭＩ、ＭＥＭ２はメ
モリである。これらは不揮発性であることが望ましい。

同図において、レーザ光量補正は以下のように行なわれ
る。まず、第１に前述のデテクタ感度補正が行なわれる
。すなわち、演算系ＡＲＭによりＬＥＤを点燈し、その
光をデテクタＤで検知する。デテクタＤの出力は、演算
系ＡＲＭによりメモリＭＥＭ１に記憶されている基準出
力の値と比較され５、もしデテクタＤの感度が変化して
いたら演算系ＡＲＭは不図示のデテクタ制御回路を制御
し感度補正する。

このようなデテクタ感度補正の後引き続いて、基準とな
るウェハＷＦが所定位置に装着される。

そして、光源ＬＰ２からファイバＳＦ等を介しレンズＥ
Ｌに至る照明系の内部に配置されている不図示のシャッ
タがオーブンとなり、照明光がウェハＷＦを照明する。

前述の通り、ウェ八面より反射または回折光が投影レン
ズＰＯを介してデテクタＤに検知され、演算系ＡＲＭに
データが送られる。演算系ＡＲＭは計測データとメモリ
ＭＥＭ２に格納されている基準とを比較し、光源側照度
の補正量を算出し、光量補正制御駆動ユニットＫＴＵに
指令する。その指令に基づき光量調整素子が、この例で
は回転し補正が行なわれる。必要に応じ、再度補正動作
を繰り返す。

なお、上記例においては補正の方法としてデテクタの感
度および光源照度をそれぞれ一定値に補正することとし
たが、どちらか一方を他方に対し補正することも可能で
ある。光源はレーザであることが望ましいが、他の光源
でもよい。また、光量調整素子および制御駆動方法は他
の方法でも回答差支えない。

このような光量補正より、従来例においては単に光源側
の照度変化を検知補正する例があるが、それに比べ精度
の高い補正が可能となるとともに、信号処理回路等の低
コスト化、処理ソフトの簡単化および処理時間の高速化
が可能となった。

次に、ウェハマークの位置検出における種々の変形例を
説明する。

まず、ウェハマークを観察している位置は１ケ所に限定
されない。すなわち、１眼対物に限定されない。従って
、２眼以上持てばウェハのθ方向および倍率もＸＹ方向
と同時に計測することができる。

また、１つのショットのウェハマークだけを観察するの
ではなく、次のショットのウェハマークも同時観察する
ことができる。従って、１眼においても、スルーブツト
を低下させること無しにウェハのθ方向および倍率計測
を行なうことができる。

第１８図は、次ショットのウェハマークを同時に観察す
る例を示す、同図においては、Ｂショットウェハマーク
１０１と次のショットであるＣショットのウェハマーク
１０２を交互に配置し同時に観察する。同図（ｂ）にお
いて、ウェハマークＭ　Ｋ　１　ｙａとウェハマークＭ
ＫＩ×、ｂ＜Ｂショットのマーク、ウェハマークＭ　Ｋ
　１　、ｔＣとウェハマークＭ　Ｋ　１　ｘｃがＣショ
ットのマークである。

第１９図は、このようにマークを配置し、所定の位置に
配置されたスリット上をこれらマークの像がスキャンす
ることで得られる信号を示す。各信号とマークおよびス
リットとの対応は以下のようになる。

■信号Ｓ９・・・・・基準マークＭＫＹの像のスリット
５ＬＹＳにおける検出信号 ■信号Ｓ１１・・・・・ウェハマークＭ　Ｋ　１　ｙｃ
のスリットＳＬ、、に招ける検出信号 これらの信号Ｓ９およびＳ１１に基づいて、Ｃショット
のＹ方向の位置ずれ量が検出できる。

■信号Ｓ！Ｏ・・・・・基準マークＭＫＹの像のスリッ
ト５ＬＹＩＩにおける検出信号 ■（ｉ号ｓｔ２・・・・・ウェハマークＭ　Ｋ　Ｉ　Ｙ
ＢのスリットＳＬＹ？における検出信号 これらの信号ＳＩＯおよびＳ１２に基づいて、Ｂショッ
トのＹ方向の位置ずれ量が検出できる。

■信号Ｓ１３・・・・・基準マークＭＫｘの像のスリッ
ト５Ｌｘｓにおける検出信号 ■信号Ｓ　１５・・・・・ウェハマークＭ　Ｋ　１　ｘ
ａのスリット５Ｌｘｓにおける検出信号 これらの信号Ｓ１３および５１５に基づいて、Ｂショッ
トのＸ方向の位置ずれ量が検出できる。

■信号Ｓ１４・・・・・基準マークＭＫＸの像のスリッ
ト５Ｌｘｙにおける検出信号 ■信号５ｌｆｔ・・・・・ウェハマークＭ　Ｋ　Ｉ　Ｘ
Ｃのスリットｓｔ、ｘａにおける検出信号 これらの信号Ｓ１４および３１Ｂに基づいて、Ｃショッ
トのＸ方向の位置ずれ量が検出できる。

以上のようにＢショットおよびＣショットの基準マーク
に対する相対位置が計測できる。

従って、第１８図におけるＡショットの右側マークを計
測している時に同時にＢショットの左側マークの計測を
行ない、ざらにＢショットの右側マークを計測すると同
時にＣショットの左側マークを計測することで、ショッ
トの（ここではＢショット）のθ方向および倍率誤差を
スルーブツト低下させること無しに計測することができ
る。

次に、第１図および第３図に示した基準マスクに関する
変形例について、第２０図を参照して説明する。これは
基準マスクの照明光学＋ＢＭＬを無くして基準マスクと
ウェハの相対位置合せを行なう例である。

第２０図（ａ）は、照明光学系ＢＭＬを無くすことので
きる基準マスクＢＭの外観を示す、この基準マスクＢＭ
には、ウェハマークの像が透過できるような窓Ｗが設け
られており、窓Ｗにはウェハマークに影を作ることがで
きるような部材５ＤＷＩおよび５ＤＷ２が設けられてい
る。これにより、同図（ｂ）に示すようにウェハマーク
に影を作ることができ、スリット（第１図のＳＬｘおよ
び５Ｌｙ）面上では同図（Ｃ）のような像が得られる。

同図（Ｃ）のＳＤＷは基準マスクＢＭの部材５ＤＷ１お
よび５ＤＷ２により影となっている部分を示している。

この同図（Ｃ）の像をポリゴンにより同図（ｄ）に示す
方向に走査させ、スリットを透過させた光を検出すると
信号Ｓ２１が得られる。この信号Ｓ２１には影となって
いる部分に対応して信号強度が落ち込むところがあり、
このような信号を得ることによりウェハと基準マスクの
相対位置が計測できる。なお、この場合ウェハに付すウ
ェハマークとして、Ｘ方向の位置検出用のマークＭＫＩ
つはＸ方向に伸びた形、Ｙ方向の位置検出用のマークＭ
ＫＩＹはＹ方向に伸びた形のものを使用することとなる
。

次に、本実施例におけるチョッピングの動作について第
２１図を参照しながら説明する。

第２１図は、本実施例の概略構成図であり第１図を簡略
化した図である。クエへの位置検出に先立ち、はじめに
レチクル上の位置合せマークの位置をＭ系の光電検出系
ＤＭで電気信号に変換する。

一方、ウェハ上のマークに対してもチョッピング回路Ｃ
ＨＰでチョッピングを行ないウェハ照明系ＷＬよりレー
ザ光を照射し、投影レンズＰＯを介してＷ系光電検出系
ＤＷで電気信号に変換する。

Ｍ系光電検出器ＤＭおよびＷ系光電検出器ＤＷで電気信
号に変換されたマークのエツジからの反射光の信号は、
チョッピング回路ＣＨＰと同期を取っている信号成分検
出回路ＳＬにより信号区間が検出されたのち、Ａ／Ｄコ
ンバータＡＤＣによりデジタル量に変換され、ウエーヴ
メモリＷＢＭにストアされる。そして、全エツジからの
信号が計測されたらデジタルシグナルプロセッサＤＳＰ
によりマーク位置を決定するための信号処理が高速で行
なわれ、ＣＰＵでずれ量を求め、モータＭＯを制御しＸ
ＹステージＷＳを駆動することにより位置合せを行なう
。

第２２図は、本実施例のシステムの位置合せ時の流れ図
を示す、ステップ１０１で位置合せが開始されると、ま
ずステップ１０２でチョッピングを行なう。ステップ１
０３ではＡ／Ｄコンバータがオーバーフローしないよう
にエツジからの信号ゲインの設定を行ない、ステップ１
０４でデジタル量に変換しメモリにストアする。ステッ
プ１０５で、全エツジの信号が得られたかを調べ“Ｎ“
であればさらにチョッピングを行ない、今までの処理を
くり返す、また“Ｙ”であればステップ１０６で、メモ
リにストアされている波形信号に波形処理を行ないマー
ク位置を求め、ステップ１０７でずれ量を計測し、その
ずれ量をもとに、ステップ１０８でトレランス判定を行
ない、トレランス外であればステップ１０９でステージ
を駆動する。一方、トレランス内であれば、ステップ１
１０で位置合せは終了する。

次に、Ｈｅ−Ｎｅレーザを用いかつ画像処理によるＡＡ
につき説明する。

従来、縮小投影露光装置においてレチクルとウェハの相
対ずれ量を計測しアライメントする手段としては、Ｈｅ
−Ｃｄレーザを使用したもの、または画像処理等が考え
られる。この場合、投影レンズの制限により、レチクル
／ウェハを観察／計測するためには露光波長に近い波長
を用いる必要がある。このため、アライメントマーク近
傍のレジストは焼け、また照明光の反射光と計測に用い
る回折または反射光が干渉を起し、信号歪または干渉縞
が発生しアライメント誤差が発生する。

本実施例では、上述したように投影レンズとウェハの間
からクエへの位置検出用の照明光を与えているのでレジ
ストの影響による干渉は特に少ない、また、マーク形状
は第２図および第３図に示すように線状マークとしてい
る。

第２３図は、画像処理にてＡＡを行なう例を示す。第２
４図は、画像処理部のブロック回路図を示す。ウェハ照
明系ＷＬより照明した像はＩＴＶカメラや固体撮像素子
（本実施例ではＣＣＤ）等により電気信号に変換し、Ａ
／ＤコンバータＡＤＣによりデジタル化し、フレームメ
モリＦＭＨに画像デジタルデータとして格納する。この
画像デジタルデータを各線状マーク方向に着目して、第
２５図の投影積算ウィンドＴＳＷを用いて、必要な長さ
のみＸまたはＹ方向に投影積算したデータを得る。この
ようにして得た投影データＴＤＡの重心を求めることに
より、基準マスクのマークとウェハマークとの相対ずれ
量を算出する。本実施例では得られた像に干渉縞が無い
ため積算データの重心を求めるので十分な精度が得られ
る。従って、第２４図に示すようにＸＹ投影積算を行な
う部分以外は特別なハードウェアを必要とせず高速高精
度にずれ量を計測できる。また、さらに高精度のずれ量
計測が必要な場合には、■上記ウィンドウ内で画像信号
を２次元座標の１つの方向に関して積算し、この積算信
号の２次元座標の他の方向の各点における前後の差分を
算出し、この差分信号からノイズ成分を除去した後、そ
の差分信号の上記各点におけるモーメントを算出し、上
記各点のうちモーメントがゼロクロスする点を求めるこ
とによりマークの位置を決定する方法、または■上記ウ
ィンドウを所定の大きさで複数設定し、そのウィンドウ
内で画像信号を２次元座標の１つの方向に関して積算し
、このウィンドウ毎の積算信号に基づいてマークのウィ
ンドウ毎の中心値を算出し、上記ウィンドウ毎の中心値
に基づいてマークの位置を決定する方法、等を併せて適
用すればよい。

なお、このような画像処理を行なう場合にも、第１２図
のビーム１とビーム３とを同時に投光したときには、線
状マークがＡＩ　とＡ３の合成和およびＢ、とＢ、の合
成和となるため、ビーム１とビーム３の強度およびＡＩ
　＋　　３　＋　　Ｂｌ　、Ｂ３の各回折効率により、
Ａ　Ｉ＋　Ａ　３対Ｂｌ　＋８３がバランスしないこと
がある。

これを解決するためには第２６図のような構成とすれば
よい、同図は第２４図の回路図のフレームメモリを２つ
とし、４つのウェハ照明系ＷＬの投光制御ブロックＴＣ
Ｏを付加したものである。

このような構成により、まず第１２図のビーム１の投光
をオン、ビーム３をオフとして゛、画像データをフレー
ムメモリＦＭＥ　１に取り込み、次にビーム１の投光を
オフ、ビーム３をオンとして、画像データを別のフレー
ムメモリＦＭＥ２に取込む。そして、各フレームメモリ
に対し上記第２３〜２５図で説明した方法で重心を別々
に求め、ずれ量を求める。さらに、ビーム１の投光をオ
ンした場合とビーム３をオンした場合のデータの平均を
求めることにより、上述した問題点を解決することがで
きる。また、ピークが同じになるようにビーム１の投光
をオンした場合のデータとビーム３の投光をオンした場
合のデータを変更し、計算でビーム１をオンしたときの
データとビーム３をオンしたときのデータを加算したデ
ータに対し上記の方法を行りても同様の効果が得られる
。

次に、レチクル位置合せにつき説明する。

レチクル上のパターンとウェハ上のパターンを位置合せ
する手段として大きく２つに分けられる。そのひとつは
直接レチクルとウェハパターンを同時にとらえて相対的
な位置合せをする方法である（以下、直接法という）、
この場合には精度保証された範囲内であればレチクルの
位置がどこであれ、レチクル上のパターンとウェハ上の
パターンとの相対的な位置さえ合っていれば良いことに
なる。従って、レチクルの高精度な位置合せは必要がな
い。

位置合せ手段の第２の方法は、まず装置上の位置合せ基
準に対してレチクルの位置を正確に合わせておき、次に
予め位置関係の保証された装置上の位置合せ基準に対し
てウェハパターンを合せることによりレチクルとウェハ
パターンとの位置合せを行なう方法である（以下、間接
法という）。

この場合には、レチクルの装置上の基準に対しての位置
合せ誤差が、そのままレチクルとウェハとの位置合せ誤
差として加わることになる。すなわち、レチクルを基準
に対して高精度に位置合せしなくてはならない。

従来、レチクルを本体上にセットするためのしチクルア
ライメント（以下、ＲＡと呼ぶ）は、レーザスキャン方
式で行なわれていた。レーザスキャン方式とは、レーザ
光を等速に走査しオートアライメントマーク（以下、Ａ
Ａマークと呼ぶ）のエツジ部からの反射回折光をＡＡマ
ークのフーリエ変換面で受光し、そこから相対位置ずれ
を高精度に検出および補正する方法である。

直接法を行なう際には、このようなＲＡの後、レチクル
とウェハを一つの光学系を通して見て直接この二物体の
位置合せを行なう。

一方、この間に本体上の位置合せ基準が介在するような
位置合せを行なう場合、言換えればＲＡにレーザスキャ
ン方式を用いて間接法を実施する際には、以下の問題点
が実現を妨げる要因となる（第２７図参照）。

■レーザ（コヒーレント光）のスペックルによるノイズ
の発生 ■レチクルパターンの反射回折光を信号としているため
、パターンが低反射の材質で描画されていたりすると信
号出力が落ちる。そのため信号を検出しにくくなる。

■現在レチクル側マークと本体上のＡＡマークはある一
定のギャップ量を保ちアライメントを行なっている。こ
のギャップが変動することにより、信号光の光路長が変
化し干渉が生じる（波形ひずみ発生）そのため信号出力
が変化する。

これらのうち特にレーザ光を利用しているため干渉の影
響が避けられず、更に高精度なレチクルアライメントの
実現が困難となっている。

以上のような点を考慮したＲＡにつき、以下図面を用い
て説明する。

第２８図は、間接法を適用したレチクル位置合せ検出系
の一例である。この検出系は第１図の基準マークＢＭと
相対位置関係が保証されている。照明系ＬＰ３がハーフ
ミラ−ＨＭを介しレチクル位置合の不図示の位置合せマ
ークを照明する。対物レンズＬ３１が結像レンズＬ３２
を協同してデテクタＤｌ上に位置合せマークを結像する
。デテクタＤ１はＣＣＤまたは撮像管のような画像デテ
クタであり、レチクル位置合せの位置基準となる。予め
基準マークＢＭとＣＣＤとの相対位置関係が保証される
ようにしであるので、レチクルＬＴはＣＣＤに合せ、ウ
ェハＷＦは基準マークＢＭに合せることとなる。しかし
、このような構成としてもコントラストが悪い等の問題
点がある。

次に、第２９図を参照して本実施例で採用しているＲＡ
方式を説明する。

同図において、光源には水銀ランプ１を使用する。水銀
ランプ１からの発生する光からｇ線を選択し、光ファイ
バ３を介し本体に光を導く。ファイバ３は本体側レチク
ルアライメントマーク（以下、本体側ＲＡマークと称す
）を下側から照射する光学系に光を入射するようにとり
つける。この光により本体側ＲＡマークとそれから一定
のギャップを保ち存在するレチクル側ＲＡマークを透過
照明し、各ＲＡマークをＣＣＤあるいは撮像管９に結像
させる。検出した画像はコンピュータ１３に送られ画像
処理することにより各ＲＡマークの相対的なズレを検出
する。そのデータは不図示のレチクルステージ駆動系に
転送されズレを補正し、レチクルと本体との位置合せを
行なう。

第３０図はマーク部分を透過照明している様子を示す断
面図、第３１図はアライメントマークの例である。

この方法にはレチクルアライメントの高精度化を実現し
得る利点がいくつか存在する。

■本体側ＲＡマークとレチクル側ＲＡマークとのギャッ
プが変動しても照明光がインコヒーレント光であるため
干渉はおこらない。そのため安定した信号出力が得られ
る。

■透過照明なのでマークのコントラストが良い画像が得
られる。またレチクルのパターン描画に使用する材質は
光が透過しないものならコントラストに影響を与えない
ため、レチクルを変換した際の信号出力の変化はほとん
どなくなる。

■画像処理で位置ズレを検出するので、ＲＡマークの形
状は従来マークと比べ情報量を増やす等の融通性を持た
せることができる。

以上より従来のレチクルアライメントで得た精度以上の
高精度が得られる。従って、従来より高精度のレチクル
の位置合せが可能となり、それはすなわちより高精度の
レチクルとウェハのと位置合せを実現できるということ
を意味するのである。

次に、上述した透過型照明によるＲＡにつき、さらに詳
しく説明する。

第３２図は、第２９図のＲＡ方式に係る位置検出装置の
ハードウェアの構成を示す。

同図において、２０はアナログ・デジタル変換器（以下
、Ａ／Ｄ変換器という）で、不図示の映像信号制御部よ
り送られてくるアナログ信号である映像信号（ビデオ信
号）を、２５６階調のデジタル信号に変換する。２１は
デジタル信号を記憶する二次元濃淡画像メモリ（以下、
濃淡メモリという）である。撮像装置にて撮像された位
置検出のための人力画像はＡ／Ｄ変換の後この濃淡メモ
リ２１に格納される。

まずはじめに粗検出部について説明する。同図のブロッ
クＨはヒストグラムプロセッサである。

ブロックＨにおいて、２２は濃淡メモリ２１からのデー
タを加算する換算器、２３は加算出力を格納する濃度ヒ
ストグラムメモリ（以下、ヒストグラムメモリという）
、２４は濃淡メモリ２１を複数の部分領域に分割し、各
々について濃度ヒストグラムを抽出するためにヒストグ
ラムメモリ２３のアドレスを制御するメモリ分割制御回
路である。濃淡メモリ２１の分割は、例えば第３３図に
示すように、Ｘ方向を１６領域、Ｙ方向を１６領域に分
割する。以下、このような分割を「分割数１６Ｘ１８Ｊ
と表現する。ヒストグラムプロセッサＨでは、マイクロ
プロセッサ２５からの分割数ｍｘｎの指令値によりメモ
リ分割制御回路２４にてその分割数に応じた濃淡メモリ
２１の分割が行なわれ、各々の部分領域ごとに濃度ヒス
トグラムが抽出されてヒストグラムメモリ２３に格納さ
れる。

二値化閾値計算部（マイクロプロセッサ２５）において
は、ヒストグラムプロセッサＨにて抽出された複数部分
領域ごとの濃度ヒストグラムデータの各々について判別
分析法（双峰性ヒストグラムの分散最大による２分割法
）あるいはＰ−タイル法等により二値化閾値を計算する
（判別分析法あルイはＰ−タイル法については、コロナ
社「画像認識論」長尾誠著、“４−１　二値化としきい
値処理”に詳細されている）。

ブロックＢは、二値化プロセッサである。ブロックＢに
おいて、２６は濃を炎メモリ２１からのデータを二値化
するための二値化コンパレータ、２７は二値化コンパレ
ータ２６のスライスレベル（二値化閾値）を格納する二
値化スライスレベルレジスタである。二値化閾値計算部
にて計算された部分領域ごとの二値化閾値は、この二値
化スライスレベルレジスタ２７に格納される。２８は濃
淡メモリ２１を分割し、各分割領域ごとに二値化を行な
うために二値化スライスレベルレジスタ２７を制御する
メモリ分割制御回路である。このメモリ分割制御回路２
８は、ヒストグラムプロセッサＨの分割制御回路２４を
共有している。二値化プロセッサＢにより二値化された
データは、二次元二値化メモリ（以下、二値メモリとい
う）２９に格納される。

以上述べたヒストグラムプロセッサＨ、マイクロプロセ
ッサ２５の二値化閾値計算部、二値化プロセッサＢを用
いて、部分領域ごとの二値化処理を行なうことにより、
マーク等の大きさあるいは照明の明るさ等に影響されな
い適応的な二値化が可能となる。

ブロックＳは縮小平滑プロセッサである。ブロックＳに
おいて、３０は二値メモリ２９に格納されている二値画
像データからｎｘｎ画素（例えば４×４画素）の領域を
取り出して１画素に圧縮する縮小平滑器、３１は縮小平
滑器３０の縮小閾値（後述する）を格納する縮小スライ
スレベルレジスタである。

縮小平滑プロセッサＳにおける縮小平滑機能について説
明する。第３４図は４×４画素を１画素に圧縮する場合
を示した図である。このような縮小を縮小卑属と表現す
ることとする。縮小卑属の場合、二値メモリ２９からの
入カニ値画像データにおける４Ｘ４＝１６画素のうち、
データが１である画素数Ｗをカウントし、このＷと縮小
閾値ｔとを比較して、 ｗ＞ｔならば対象の１６６画素データ１の１画素に圧縮 Ｗ≦ｔならば対象の１６６画素データＯの１画素に圧縮 する。この操作により例えば、同図に示すように５１２
　ｘ　５１２画素の二値画像データは１２１］Ｘ１２８
画素の二値画像データに縮小される。縮小閾値ｔを適当
に運ぶことにより、ノイズを除去し、対象物の形状を整
えられる。このような縮小平滑処理は、テンプレートマ
ツチング処理の前処理として以下の点において有効であ
る。すなわち、縮小平滑後の二値画像に対してテンプレ
ートマツチング処理を施す場合、 （１）画素数の少ない小型のテンプレートを使用でき、
テンプレートマツチング処理を施す範囲も小さいため、
大きなメモリ容量を必要とせずハードウェア規模も小さ
くでき、かつ処理時間も短縮できる。

（２）対象画像データ中のノイズが除去され、また対象
物の形状が整えられるために、テンプレートマツチング
処理による検出率および精度が高くなる。

という利点がある。

縮小率および縮小閾値ｔは、対象物の大きさ、入力画像
の状況により、マイクロプロセッサ２５から指定可能で
ある。縮小平滑後の二値画像データは、３２の縮小二次
元二値画像メモリ（以下、縮小メモリという）に格納さ
れる。

ブロックＴは、テンプレートマツチングプロセッサであ
る。ブロックＴにおいて３３は、３２ｘ３２画素の相関
器、３４は基準テンプレート群を格納しておくテンプレ
ートレジスタである。マイクロプロセッサ２５より指定
されたテンプレートデータと縮小メモリ３２のデータは
相関器３３にて比較照合され、相関器３３から出力され
る相関度が最も大きかった時、その相関度と縮小メモリ
３２上のアドレスが３５の最大相関度レジスタに格納さ
れる。このアドレスを縮小率の逆数倍（縮小卑属ならば
４倍）することにより、±４画素の誤差で人力画像にお
ける、対象物の位置座標が求まる。この位置を、粗検出
位置とする。

濃淡メモリ２１％二値メモリ２９および縮小メモリ３２
からなる画像メモリブロックＭとブロックＨ９Ｂ、Ｓ、
Ｔである各プロセッサは画像アドレスバス３６および画
像データバス３７により連結されており、かつブロック
Ｍ、Ｈ，Ｂ、Ｓ、Ｔはデータバス３８によりマイクロプ
ロセッサ２５と連結されている。画像メモリおよび各プ
ロセッサのレジスタは、マイクロプロセッサ２５により
読み書き可能である。

３９はモニタＴＶ上に画像メモリのデータを表示する時
、または、各プロセッサの動作中（画像処理動作中）に
画像メモリのデータを読み出す時のアドレスを発生する
リードアドレスカウンタ、４゜はＡ／Ｄ変換器２ＧでＡ
／Ｄ変換されたデジタル画像データを濃淡メモリ２１に
書き込む時、または画像処理動作中に画像メモリに画像
データを書き込む時のアドレスを発生するライトアドレ
スカウンタである。

４１は画像メモリブロックＭに格納されているデジタル
画像データをモニタＴＶ上に表示するためにアナログ映
像信号に変換するデジタルアナログ変換器、４２は基準
クロック発生回路、４３は基準クロック発生回路４２の
基準クロックを基にＴＶの水平同期信号、垂直同期信号
、ブランキング信号等を発生させるＴＶ同期信号発生回
路である。

以上が、粗検出部並びに本発明の一実施例に係るハード
ウェアの構成である。

次に、精密検出部について説明する。

再二値化閾値計算部（マイクロプロセッサ２５）では、
粗検出処理で分割した部分領域の中から粗検出位置を基
に粗検出位置近辺の部分領域を取り出し、粗検出処理中
に計算したそれら領域の二値化閾値から、内挿法により
それら領域をさらに分割した場合の細分割部分領域の二
値化閾値をマイクロプロセッサ２５にて近似的に計算す
る。このときの粗検出位置近辺から取り出す範囲の大き
さは、目標とする対象物（マーク等）の大きさにより決
定される。

第３５図は、このような内挿法による再二値化閾値を計
算する様子を示している。同図は、粗検出位置近辺とし
て４×４領域を取り出した場合を示しており、実線にて
囲まれた４×４個の領域Ｅは、粗検出処理で分割した部
分領域の１領域である。また、領域Ｅをさらに４分割し
た破線と実線にて囲まれた領域ｅが精密検出処理におけ
る細分割部分領域の１領域である。同図において、ｔ＋
、ｔ２．ｔｓ、ｔ４は粗検出処理での各領域の二値化閾
値である。これらを各領域の中心における二値化閾値と
し、これらから、精密検出処理での各領域の二値化閾値
ａ、ｂ、ｃ、ｄを内挿法により近似計算する。例えばａ
は、次式にて表わされる０以上のような近似計算にて、
精密検出処理におけるすべての分割部分領域の二値化閾
値を計算し、粗検出処理に比べさらに細分した分割部分
ごとに二値化して精密検出処理における位置計測精度を
向上させる。二値化処理は、粗検出と同様に二値化プロ
セッサにて行なわれる。

第３６図は、本実施例にて用いた位置検出用マークの一
つが精密検出処理にて二値化された様子を示す。例えば
マークの部分が１、その他の部分がＯにて表現される０
重心計算部では、マイクロプロセッサ２５にて対象物の
構成要素ごとの重心を計算する。本実施例においては、
例えば同図のようなマークの線分要素の重心を計算する
。まず、粗検出位置を基に、マークの線成分を含むよう
なａ、ｂ、ｃなる領域を設定できる。それぞれの領域内
において線成分の重心を求め（ａｘ、ａｙ）　。

（ｂｘ、ｂｙ）　、　　（ｃｘ、ｃｙ）とする。そして
、マーク中心のｙ座ｍＹ、を次式で与える。

Ｙ＋ｍ　＝　　−（ａｙ＋２ｂｙ＋ｃｙ）マーク中心の
Ｘ座標は、Ｘ座標の場合と同様に、Ｘ方向の領域を設定
して求める。

以上が重心計算部の処理である。粗検出位置近辺の再二
値化および重心計算処理からなるＭ密検出処理部により
、位置検出精度は士局画素と向上し、粗検出処理部によ
る検出精度を補う。

第３７図に以上説明した本発明の一実施例における処理
動作フロー図を示す。

なお、第２４図のＸＹ投影積算部を持ち第２５図のよう
にマーク方向に投影積算したデータの重心を用いること
により（すなわち第２３〜２６図により説明した手法に
より）、精密検出処理中の重心計算を、濃ン炎メモリの
データに対して行なうこととすれば、再二値化処理は不
要となり、また、重心計算も明るさ方向（濃度）を含め
て３次元方向について行なうため、位置計測精度が向上
する。

次に、画像入力系の幾何学的歪の補正について説明する
。

上述したようなＲＡに用いた画像人力系においては、光
学系レンズディストーション、ＣＯＤカメラ等の撮像装
置の図形歪およびビデオ信号Ａ／Ｄ変換時の標本化誤差
等が要因となって、人力画像に幾何学的な歪が生ずる。

そこで精度の良い計測結果を得るために、これら歪を補
正する必要がある。

まず、撮像系の幾何学的歪の補正法について説明する。

第３８図はＥＢにてレチクル上に描画された絶対格子で
あり、その描画精度は充分に高い。

補正はこの格子を撮像して得られる格子画像と実際の格
子との間の変換（−次変換式）を求めることにより行な
う。

実際の格子（以下、実格子とする）から格子画像への変
換を局所的な一次変換で近似する。格子画像上において
格子の交点、または格子にて囲まれる部分の中心点を重
心計算にて位置計測し、その位置を（ｘ’　、ｙ’　）
とする。これに対応する実格子上の位置を（ｘ、ｙ）と
して、 とする。

と表わすこととすると０式は Ｘ’　＝ＡＸ＋Ｅ となる、よって Ｘ’　−Ａ−’　（Ｘ’　−Ｅ） である。

第３９図は、実格子とそれを撮像した格子画像である。

ＸＩ’、　　Ｘ２’、　　Ｘｓ’を計測し、連立方程式
％式％ を解くことにより、Ｅｌと一時変１ｍ　Ａ　Ｉが求まる
。以後、点Ｘ　ｒ’、Ｘ　２’、　　Ｘ　ｓ’で囲まれ
る領域（Ｘ　＋’、　　Ｘ　２’、　　Ｘ　ｓ’　）内
で計測サレタ位置Ｘ′はＡ、、Ｅ、により、 Ｘ’　＝Ａ＋−’　　（Ｘ’　−Ｅ）　　　”・・＠と
補正する０次に、Ｘ４’を計測しＸｓ’、　　Ｘ２’Ｘ
４′からＡ２．Ｅ３を求める。

以後、画像内金域において、Ｘ１′、・・・・・・、ｘ
、ｌ’を計測することにより、第４０図のように各々局
所領域に対応するＡ　Ｉ　＊　　Ｅ　ｌが求まる。これ
を撮像系歪補正地図（以下、補正マツプ（補正ＭＡＰ　
）と呼ぶ）という。

補正マツプにて、画像内計測位置を０式にて補正するこ
とにより、精度の良い位置計測が可能となる。補正マツ
プは撮像系の個性として一度作成すればよいが経時的に
変化する場合は、その周期に合わせて定期的に作成し直
す。

また、さらに高精度が要求される場合は、高次の変換に
て近似し、反対にそれほど精度が要求されない場合は、
Ｘ１′、・・・・・・、ｘ、’の計測点を間引けばよい
、補正マツプ作成のフローを第４１図に示す。

ところで、レチクル上にＥＢ描画された絶対格子の欠陥
、レチクルの傷、レチクル上のゴミ等により、上記のよ
うに計測されたＸｌ′値は必ずしも正しい値とは限らな
い。そこでＸＩ′計測後まずＸｌ′に対する異常値チェ
ックを行なう。異常値チェックについては後述する。異
常値の個数ｍがあらかじめ設定しである異常値個数の上
限Ｍを越えた場合には、視野を変更して、異常値の少な
い部分にてＸ＋’を計測し直す、視野を変更して計測を
し直し、正確な補正マツプを得る手法は、後述する０Ｍ
の値は例えばｘｌ′の全計測数の１０％というように決
める。

Ｘ、′が異常と判定された場合にはｘｊ′の値を周辺８
方向のＸ１′から補間する。第４２図はその異常値補間
の方法を示している。

ｘ、′が異常であり、すぐ周辺のｘｌ′〜ｘ６′が適正
であった場合、 ｄ＝　　Ｉ　Ｘ４’−ＸＪ　　Ｉ−Ｉ　ＸＪ　−ｘｓ’
ｌ＋　ｌ　Ｘ２’−ＸＪ　　ｌ　−Ｉ　ＸＪ　−Ｘｙ’
　Ｉ＋　Ｉ　Ｘｓ’−ＸｊＩ　−Ｉ　ＸＪ　−Ｘｓ’　
１＋　Ｉ　ＸＩ’−ＸＪ　　Ｉ　−ｌ　ＸＪ　−ｘａ’
１・・・・・・■ が最小となるようにＸＪ’を決定する。さらにｘｊ′の
周辺が全て適正とは限らない。そのような場合は、各方
向で最も近い適正なＸＩ′とその位置関係を用いてｄを
計算する０例えばＸ、′も異常でそこから１格子離れた
Ｘ１′が適正であったなら、ｄ計算上■の部分を とすればよい、つまりｄは ｄ＝　　ｋｌＸａ’−ＸＪ’１−ｋｚｌＸｊ’−Ｘｂ’
ｌ＋ｋｓｌＸａ’−Ｘｊ’ｌ−に４１Ｘｊ’−Ｘｄ’ｌ
＋ｋｓｌＸ＊’−Ｘｊ’１−ｋａｌＸｊ’−Ｘｒ’ｌ＋
　ｋｙｌＸｇ’−Ｘｊ’１−ｋａｌＸ、＋’−Ｘ　＋’
１となり、Ｘａ’＊　Ｘｂ”・・””ＸＩ′はＸ　、’
（７）　８方向で最も近い適正値、ｋｌ　、に、、・・
・・・・、に、はそれらの実格子上の位置関係を表わす
係数である。

異常値補間後、Ａ　Ｉ　＋　Ｅ　ｌを計算し補正マツプ
を作成する。

次に、異常値チェックについて説明する。

異常値ｘｊ＋を含んだ計測値にて求めたＡ、、Ｅ。

をもとに補正を行なった場合、計測精度を反対に悪化さ
せるおそれがあるため、そのような異常値Ｘ、′を見つ
けるのが異常値チェックである。このチェックは局所的
でなく全体的に行なう。

実格子点ＸＩ、Ｘ２　、・・・・・・Ｘｎをｄ、とし、
局所的でなく全体の一次変換を与え変換後の格子点をｄ
＋’とする。全体の一次変換は次のように与える。

θ：傾き β：倍率　　　　ｘ、ｙは各方向 Ｓ：シフト量 ここで、格子画像上の格子点の計測値Ｘ１′。

Ｘ２′、・・・・・・Ｘｎ′を１１とし、、１−ΣＩＨ
ＩＩ”（ただしＨ＋＝ｄ五′−ＡＩ）σ＝Ｖ−ｎｎ−１ σにて異常値を判定する。つまり、全体を一律に一次変
換した変換格子のうち最も計測値１１に近い格子ｄ、ｌ
を最小２乗法にて求め、その時のｌｄ、’−ｘｌ＋のバ
ラツキにて１１が異常値であるかどうか判定する。

異常値が１つの場合、すなわちある１つの１１が異常の
場合は以下のように求めることができる。

すなわち、第４３図（説明の都合でずれ量および格子交
点位置とも１次元で表わす）のように、ｎ格子交点の計
測値のうち１格子交点のみが他と大きく異なるずれ方を
していた場合、これを見つける方法は ｒ／σ〉Ｋ で行なう（ｒ、　　σは第４３図中の値、Ｋは一定値と
する）。

このときのａは第４３図（ａ）の異常値候補を含んだデ
ータで得たａ。でなく、第４３図（ｂ）の異常値候補を
除いたｏｎ−１を用いた方がσ自体が異常値のために悪
化することを防げ、異常値をはっきり識別できる。これ
は第４４図のように、異常な計測値Ｘ＋’、Ｘ２’、・
・・・・・ｘｎ′は正常なランダム誤差以外の要因によ
り発生したもので異常値を除いた分布Ｎ　（ｍ、　σ１
ｌ−１）に従う値でないと考えた判定である。そこで、
異常値の判定は下式となる。

く異常値判定法〉 ｒ／σ〉Ｋのとき、ｉ番目の計測が異常とするただし、 Ｋ＝一定値（現状３．０） β８．β２．θ８．θ、、Ｓ、、Ｓ、、Ｖはｉ番目の格
子交点を除いて求めたもの ｄ＋、Ｐ＋はｉ番目の格子交点の位置 ・・・・・・■ この判定法■はσでそのプロセスのランダム誤差の大き
さを予想し、その値をもとに異常値を判定するので、プ
ロセスによらない異常値判定が期待できる。

ｎ格子交点のうち１つの異常格子交点を見つけるために
は０式の判定をｎ回行なわなければならないが、（ｉ　
＝　１−　ｎ　）　、これは計算量が多く実用的でない
。そこで実際にはｎ格子交点のうち、もっと異常らしい
候補を１格子交点を見つけ、その格子交点について０式
で異常と判定された場合、それを異常値として除くこと
にする。

異常値の候補となる格子交点は、ｎ格子交点全体で補正
したときの格子から最も離れている格子交点である。

一方、異常値が複数の場合、すなわち異常値格子交点が
２格子交点以上あった場合には、０式のｉが１つではな
いため、ｒｌｌｏは求まらない。

また、何らかの方法でｎ格子交点のうちのあるｍ格子交
点の組が異常値であると判定したとしても、その組合せ
は。Ｃｌｌ１通りにもなり、計算量が大きすぎる。

さらに、ｍの値がいくつであるかの判定も難かしい。そ
こで、異常格子交点が多数ある場合、前記の異常値が１
つのときの方法で１格子交点抜き、さらに残りのｎ−１
格子交点から、同じ方法で次の１格子交点を抜き、とい
う要領でｍ格子交点抜きを行なう。

このとき第４５図のように２格子交点の異常値がある場
合、１格子交点目を抜いてもまだ残り格子交点のσが大
きいためｒ／σは大きくならない。

もう１＃ｒ子交点抜くと異常値がなくなるためσは小さ
くなり、ｒ／σは大きくなる。

このようなｒ／σの値の変化は第４６図に示すような形
となり、第４５図のように２格子女点の異常値がある場
合、第４６図（ｃ）のように２格子女点抜いたときのｒ
／σがピークを示すようになる。そこで１格子女点ずつ
抜きながら、ｒ　／　ａの値を記録していき、ｒ　／　
ｏの最大値がＫを越える場合、そこまでの格子交点を異
常値として捨て、最大値がＫを越えなければ異常はなし
ということになる。

実際に異常候補を次々抜くと、σは小さい値に向かりて
いき、残り３格子女点になればａ＝０で、ｒ１０＝■と
なってしまう、また、もともとの格子交点数に対してあ
まり多くの格子交点を抜いてしまうのは無意味なことで
あるので、抜ける格子交点数に上限Ｍを設ける。

最終的に異常値を見つけるアルゴリズムは、異常値が１
格子女点／多格子交点を問わず第４７図のフローチャー
トのようになる。

次に、視野を変更し計測を行なうことにより正確な補正
マツプを得る手法につき説明する。

第４８図（ａ）は、計測した補正マツプおよび該異常値
チェックにより異常値でないデータが連続した領域■、
■および■を示す、同図の各点は撮像したレチクル上の
絶対格子の各格子交点を示す。

この状態において、撮像手段に対しレチクルを相対的に
動かす。本実施例では対物光学系をＸＹ方向に不図示の
モータにより駆動することにより、視野に対し対象とな
る像を動かし、再度語手段と同様に処理し、補正マツプ
を得る。同図（ｂ）では、同図（ａ）の補正マツプを得
た後、視野を右へ２格子分ずらし再計測することにより
、■〜■および■′〜■′の正常な補正マツプ情報が得
られていることを示している。これを補正データ中の異
常値がなくなる、または上限Ｍを超えない範囲となるよ
う繰返すことにより、マークの欠陥、傷およびゴミ等に
影響を受けない正確な補正マツプを得ることができる。

次に、レチクル位置のモニタにつき説明する。

本実施例のＡＡ方式ではレチクルとウェハとを同一位置
で観察していない、そのため、それぞれの検出系は相対
位置関係がずれないことが前提となる。さらに、レチク
ルが位置合せの後、ウェハの位置合せ動作中にずれては
意味がない、そこで、高精度な合せ精度を達成するため
に、レチクルの位置を常に検出（モニタ）することは大
きな意味がある。

第４９図において、ＬＴＳはレチクルＬＴをＸＹθ方向
に８助可能なステージ、ＷＳはウェハＷＦをＸＹθ方向
に８動可能なステージ、Ｍｌ、ＢＭ、Ｄは前述のウェハ
位置検出系、ＯＢＩ、ＯＢ２は第２９図のレチクルを位
置合せするための検出系である。なお、これらの検出系
は模式的に示し第１図および第２９図に示した種々の部
材は省略しである。また、ＭＯ，ＭＯＬはそれぞれのＸ
ＹθステージＷＳ、ＬＴＳを駆動し位置決めする駆動系
、ＡＲＭはウェハ位置検出系およびレチクル位置検出系
からの信号に基づき各々の位置誤差を演算し各々の駆動
系の動作を制御する演算制御系である。なお、ウェハス
テージＷＳには第１図に示した干渉測長針ＩＦＭが含ま
れているがここでは省略している。干渉測長計ＩＦＭの
位置情報も演算制御系に入力されている。

従来の位置検出装置においては、レチクルは位置合せ後
、固定されているものとしたが、何等かの事情で移動し
てしまうことがある。本実施例によれば、ウェハの位置
合せ動作中同時にレチクルの位置を検出系ＯＢＩ、ＯＢ
２によりモニタし、常に所定位置を保つよう演算制御系
ＡＲＴが駆動系ＭＯＬにフィードバックをかけている。

すなわち、レチクル位置をモニタして、所定位置からず
れた場合にレチクルを駆動する。これにより、常にレチ
クルの位置が保証される。

なお、レチクルを駆動する代わりにウェハ側にレチクル
の位置ずれ量を反映させてもよい。すなわち、上述と同
様常にレチクル位置をモニタし所定位置からずれた場合
は、演算制御系がウェハの位置合せ指令値にフィードバ
ックすることとしてもよい。

さらに、レチクルとクエへの両者を駆動し相対位置関係
が所定位置となるようにすることもできる。

また、モニタおよび補正は、必要に応じ任意のタイミン
グで行なうことも当然可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、第２の物体を照明
する光を幾つかの所定の方向に分けて順次出射すること
としているので、反射光の干渉の影響を受けることなく
第２の物体の観察を行なうことができ、これにより精度
の良い位置合せを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る位置合せ装置の構成
図、 第２図は、ウェハ上のマークの位置およびウェハ照明光
の照゛明方向を示す図、 第３図は、基準マスクの照明系配置および基準マークと
ウェハマーク像の配置を表わす図、第４図および第５図
は、スリット受光方法を説明するための概念図、 第６図は、ウェハ照明光の導入法および照度分布を示す
概念図、 第７図ないし第９図は、色収差補正光学系の構成図、 第１０図および第１１図は、ディテクタ感度モニタ機構
の構成図および概略ブロックダイヤグラム、第１２図な
いし第１６図は、チョッピングおよび波形処理を説明す
るための概念図、 第１７図は、レーザ光量補正を説明するための模式図、 第１８図は、次ショットのウェハマークを同時に観察す
る例を示す図、 第１９図は、第１８図の場合のスリット受光方法のを示
す図、 第２０図は、影マークを基準マークとした基準マスクを
示す図、 第２１図は、第１図の装置の概略構成図、第２２図は、
本実施例のシステムの位置合せ動作時の流れ図、 第２３図および３４２４図は、画像処理にてＡＡを行な
う場合の構成図およびブロック回路図、第２５図は、投
影積算ウィンドウおよびデータを示す図、 第２６図は、画像処理にてＡＡを行なう他の例を示す図
、 第２７図は、従来のレチクルアライメントを示す模式図
、 第２８図は、間接法を適用したレチクル位置合せ検出系
を示す図、 第２９図は、本実施例のレチクル位置合せ検出系を示す
図、 第３０図は、マーク部分を透過照明している様子を示す
断面図、 第３１図は、アライメントマークの例を示す図、第３２
図は、位置合せ装置のハードウェア構成図、 第３３図は、二値化における複数部分領域の一例を示す
図、 第３４図は、縮小平滑処理を説明する図、第３５図は、
二値化閾値の内挿法を説明する図、第３６図は、重心計
算を説明する図、 第３７図は、処理動作フロー図、 第３８図は、レチクル上に描かれた絶対格子を示す図、 第３９図および第４０図は、実格子とそれを撮像した格
子画像を示す図および補正地図を示す図、第４１図は、
補正地図作成のフローチャート、第４２図は、異常値補
間の方法を示す模式図、第４３図ないし第４７図は、異
常値判定法を説明するためのグラフおよびフローチャー
ト、第４８図は、視野を変更して再計測して補正マツプ
を作成する際の視野を示す模式図、 第４９図は、レチクルモニタを行なう機構の構成図であ
る。 ＬＰ：照明系、ＬＴニレチクル、ＰＯ：投影光学系、Ｗ
Ｌ：ウェハ照明系、ＷＳ：ウェハステージ、０８２色収
差補正光学系、ＢＭ：基準マスク、ＤＰ：ダハプリズム
、ＰＭ：ポリゴンミラー％　Ｄｘ・　ＤＹ　＝ディテク
タ。 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　也 代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄 第６図 第２図 （ｂ） Ｃ） 塚 イ言　号 因 （ｂ） 第　１２　図　　　　　ビーム３ ヒ′−ム１によろエワヅかうの反有すで。 第１３図 （Ｑ） （ｂ） （ｃ） 第１４図 （ｂ） 第１５図 （Ｑ） （ｃ） 第１６図 第１７図 第２２図 第２３図 第２４図 第２５図 第２７図 第３０図 第３１図 第３３図 第３４図 第３５図 第３６図 第３７図 第３９図　　　第４０図 第４１図 の−１の−１ １木シ子交唐、の異常イ直≠り定法 ｗ＆４４図 多発子女、セ、の異常イ直。 第４５図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（ｃ）　
　　　　　　　　　　　　　　　（ｄ）多格子女后、め
異常イ′直ザ１１定 第４６図 配列界′帛格子女熱積出アわ丁すス゛ム第４７図 （ａ） （ｂ） 第４８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の物体上に描かれたパターンを第２の物体上に
   投影光学系を介して投影する装置における該第１の物体
   と該第２の物体との位置合せ装置であって、上記投影光
   学系と上記第２の物体との間より上記投影光学系を介さ
   ずに上記第２の物体を所定の方向から順次照明する照明
   光学系と、上記照明光学系から順次出射される照明光に
   より上記第２の物体を上記投影光学系を介して観察し位
   置検出する手段とを具備することを特徴とする位置合せ
   装置。 ２、前記照明光学系からの照明光が、前記第２の物体上
   のＸＹ座標系の各軸に沿った４方向から順次出射される
   特許請求の範囲第１項記載の位置合せ装置。 ３、前記照明光学系からの照明光が、前記第２の物体上
   のＸＹ座標系の各軸に沿った４方向を２方向ずつに分け
   た各２方向から交互に出射される特許請求の範囲第１項
   記載の位置合せ装置。