JPS63283129A - 位置合わせ装置，該装置を用いた投影露光装置及び投影露光方法 - 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、半導体素子等の製造に使用される投影露光装
置の位置合わせ装置に関するものであり、特に原画パタ
ーンを有するマスクと、この原画パターンが転写される
半導体ウェハ等の基板とを相対的に位置合わせする装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子等の微細パターンを高分解能で半導体
ウェハ上に転写する装置として、投影型露光装置（ステ
ッパー）が多用されるようになった。従来よりこの種の
ステッパーにおいては、レチクル（マスクと同義）とウ
ェハ上の１つのショット領域との位置合わせ、所謂アラ
イメント方式として、レチクルの回路パターン周辺に形
成されたアライメントマークと、ウェハ上のショット領
域周辺に形成されたアライメントマークとを同時検出す
るものが知られている。

このアライメント方式ではレチクル上のマークとウェハ
上のマークとをともに高精度に検出し、その相対位置ず
れ量を求め、このずれ量が補正されるようにレチクル、
又はウェハを微動させている。一般に投影型露光装置で
は、レチクルのパターンをウェハ上に高解像力で結像す
るために、投影光学系は露光用の照明光（例えば波長４
３６ｎｍのｇ線、あるいは波長３６５ｎ−のｉ線）のみ
に対して良好に色収差補正されているのが現状である。

このことは投影光学系を介してレチクルのマークとウェ
ハのマークとを検出するアライメント光学系において、
マーク照明用の光が露光光の波長と同一、もしくは極め
てそれに近い波長に制限されることを意味する。

露光工程のウェハには表面にレジスト層が形成されてお
り、アライメント時にはレジスト層を介してウェハ上の
マークを検出する。このレジスト層は、より高解像のパ
ターン形成を可能とするために、露光光に対する吸収率
が高く、透過率が低くなるような多層レジスト構造等を
採用することが考えられてきた。この場合、アライメン
ト用の照明光がウェハ上のマークに達するまでに減衰を
受けることと、マークからの反射光（正反射光、散乱光
、回折光等）も減衰を受けることによって、ウェハ上の
マークがアライメント光学系によって十分な光量で認識
されないといった問題が生じる。

そこで、このようなレジストに対して透過率の高い波長
域の光をアライメント用照明光とすることが考えられる
。その−例として、特開昭５６−１１０２３４号公報に
開示されているように、レチクルと投影光学系との間の
アライメント光路中に色収差補正用の小レンズ等を設け
、露光光とは異なる波長の光のもとでも、レチクル上の
マークとウェハ上のマークとを互いに共役にする技術が
知られている。この方式では、投影光学系に対して補正
用光学系を可動にしておくと、補正用光学系の設定時の
不安定要因からアライメント精度が極端に低下してしま
うため、専ら固定の位置関係に定められている。このた
め露光時に補正光学系が回路パターンの結像光束の一部
を遮断しないように、レチクル上のマークは回路パター
ン領域から十分に離れた位置に設けられる。一方、投影
型露光装置の中でも、ステップアンドリピート方式によ
り、ウェハ上の複数のショッＨ’Ｊｔ域の各々に対して
順次レチクルのバタージ像を重ね合わせて露光するステ
ッパーでは、ウェハ上のショット領域毎にアライメント
できることが望ましい。

ところでアライメント精度は、マーク位置の検出分解能
を高めれば、それにみあって向上するものであるが、現
在、最も高精度な検出が可能なマークとして回折格子を
用いることが注目されている。これはレチクル上にマー
クとして形成された格子と、ウェハ上にマークとして形
成された格子との各々から発生する回折光同志を相対的
に格子の配列方向に移動させることによって得られる光
電信号の位相差から、レチクルとウェハの位置ずれを検
出するものである。その−例として特公昭６１−９７３
３号公報に開示されたものが知られている。その他に、
プロキシミティ方式ではマスクの格子から発生する回折
光と、ウェハの格子から発生する回折光とを干渉させて
得られる光情報（正弦波状の強度変化）に基づいてマス
クとウェハの位置ずれを、回折格子のピンチの数分の１
〜数十分の１以下の分解能で検出する方式もある。

この場合、実験上では、回折格子を用いたアライメント
で敗れ糟程度の検出分解能を得られるとの報告もなされ
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて、従来のように補正光学系を有する投影露光方式の
場合、以下のような問題が生じる。

ウェハ上の各ショット領域の間は、通常５０〜１００μ
ｍ幅程度のスクライブ線で区画されている。仮りに、あ
るショット領域に付随したマークをスクライブ線上の回
路パターン領域から１００μｍだけ離れた位置に設ける
とした場合、投影光学系の縮小率を１７１０にしたとし
てもレチクル上のマークはレチクル上の回路パターン領
域かられずか１０００μｍ　（１１１１１）　Ｌか離れ
ず、補正光学系を小レンズで構成したとすると、回路パ
ターンの結像光路を遮断しないためには、鏡筒も含めて
直径、わずか２閣程度のレンズ系を用意しなければなら
ないことになる。このことは極めて非現実的である。そ
こでこの問題点を解決して、レチクル上のマークを回路
パターン領域から大きく離しても、ウェハ上のショット
領域に付随したマークとの共役状態が保たれるように工
夫された補正光学系の構成が特公昭５Ｂ−３０７３６号
公報に開示されている。

しかしながら、先の特開昭５６−１１０２３４号公報に
しても、この特公昭５８−３０７３６号公報にしても、
ウェハ上のショット領域の大きさくすなわちレチクル上
の回路パターンの大きさ）が変化することには対応でき
ず、結局、補正光学系（もしくはその一部）を動かす構
成を採用するか、又はアライメント時と露光時とでレチ
クルとウェハの相対位置が予め決った量だけオフセット
したサイトアライメント方式を採用するかのいずれかを
選択せざるを得なかった。

一方、回折格子を用いたアライメント方式では高分解能
なマーク位置検出が可能ではあるが、先の特公昭６１−
９７３３号公報に開示された技術においても、レチクル
と投影光学系との間のアライメント光路中に光学的変調
器等を設けることから、補正光学系を設けた場合とまっ
たく同じ問題が生じてしまう、このように、回折格子の
周期構造によって一義的に決まる周期的な光情報を直接
利用するアライメント方式は高精度になることが知られ
てはいるものの、投影型露光装置、特にステッパーに適
用するための実用的な構造については、いまだに考えら
れていなかった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、回折格子を用いた位置合わせ方式を投影型露
光装置に通用する際に生じる種々の問題点を解決し、装
置としての安定性とアライメント精度の向上とを同時に
満足するためになされたものである。

本発明におていは、例えば転写用の照明光の波長成分と
は異なる波長成分のアライメント用照明光が用いられる
。アライメント用照明光はレジストに対して非怒光性の
波長、すなわちレジストに対して透過率の高い波長に定
めることが望ましい。

そしてマスク（レチクル）に形成された回折格子と、基
板（ウェハ等）に形成された回折格子とに結像光学系（
投影レンズ）を介してアライメント用照明光を照射する
ように構成する。このアライメント用照明光の光源とマ
スクとの間には、アライメント用照明光の波長に対して
生じる結像光学系の色収差量に対応して光軸方向の収差
を補正した検出光学系が設けられる。この検出光学系は
代表的には２焦点光学系で構成され、この２焦点光学系
の一方の焦点位置はマスクの回折格子が形成された面と
一致し、他方の焦点位置は結像光学系を介して基板の回
折格子が形成された面と一致する（共役になる）ように
定められる。そして２焦点光学系を介してアライメント
用照明光をマスクに向けて射出する際、互いに異なる方
向から、それぞれの回折格子が照明されるようにアライ
メント用照明光の配向を制御する配向制御手段を設ける
。

〔作用〕

本発明においては、アライメント光学系の照明光送光路
中に２焦点光学系等の検出光学系を設け、照明光自体を
色収差量に対応して２重焦点化（色消し）することによ
って、マスク（レチクル）と投影光学系との間に補正光
学系を設けることを不要とした。従って露光光とは異な
る波長の光でマーク（回折格子）を検出するにもかかわ
らず、従来のような補正光学系に起因する各種問題が一
掃され、掻めて安定した位置合わせが可能となる。

さらにマスク上の格子と基板上の格子との相対的な位置
ずれを検出するために、各格子の配列方向に関して異な
った２方向からアライメント用照明光が照射されるよう
に、２焦点光学系（検出光学系）に入射するアライメン
ト用照明光の配向特性を制御するようにした。このため
各格子から発生する正反射光と回折光（±１次光、±２
次光等）とが明瞭に分離されることになり、回折光を用
いた格子間の位置ずれが高精度に求められる。また、回
折格子に２方向から照明光を入射することによって、一
方の方向からの照射により発生す、る回折光と、他方の
方向からの照射により発生する回折光とを同一の光路に
して干渉させることができるため、所謂光ヘテロゲイン
法を容易に採用することができ、位置ずれ計測の分解能
は十分に高精度になり、計測再現生、安定性とも十分に
向上する。

〔実施例〕

次に本発明の実施例による位置合わせ装置の構成を第１
図に参照して説明する。所定の回路パターンとアライメ
ント用の回折格子マークとを有スルレチクル１は２次元
移動可能なレチクルステージ２に保持される。レチクル
１上の各パターンは両側テレセントリックな投影レンズ
３によって露光光のもとでウェハ４上に結像される。た
だしこの投影レンズ３は露光用の照明光波長（ｇ線、ｌ
線等）に関して良好に色収差補正されており、その露光
用の波長に関してレチクル１とウェハ４とが互いに共役
になるように配置される。またウェハ４上にもレチクル
１に形成された格子マークと同様の回折格子マークが形
成されている。さて、ウェハ４はステップアンドリピー
ト方式で２次元移動するステージ５上に吸着され、ウェ
ハ４上の１つのシッット領域に対するレチクル１の転写
露光が終了すると、次のショット位置までステッピング
される。レチクルステージ２の一部には、レチクル１の
水平面内でのＸ方向、Ｘ方向及び回転（θ）方向の位置
を検出するためのレーザ光波干渉式測長器（以下、干渉
計とする）４３からのレーザビームを反射する移動ａ６
が固定されている。この干渉計４３はＸ方向、Ｘ方向、
θ方向の位置を独立に検出するために３本の測長用レー
ザビームを有するが、ここでは説明を簡単にするため図
示を一部省略しである。レチクルステージ２の移動スト
ロークは数ミリメートル以下であり、干渉計４３の検出
分解能は、例えば０．０１μｍ程度に定められている。

一方、ウェハステージ５の一部には、ウェハ４の水平面
内でのＸ方向、Ｘ方向の位置を検出するための干渉計４
５からのレーザビームを反射する移動鏡７が固定されて
いる。この干渉計４５もＸ方向、Ｘ方向の位置を独立に
検出するために２本の測長用レーザビームを有するが、
ここでは説明を簡単にするため図示を一部省略しである
。レチクルステージ２のＸ方向、Ｘ方向、θ方向の駆動
は駆動モータ４２で行なわれ、ウェハステージ５の２次
元移動は駆動モータ４６で行なわれる。

ところで露光用の照明系は、水銀ランプ３０、楕円鏡３
Ｌ集光レンズや干渉フィルター等を含む入力レンズ群３
２−．オブチカルインテグレータ（プライアイレンズ）
３３、ミラー３４、メインコンデンサーレンズ３５及び
グイクロイックミラー２２等によって構成される。グイ
クロイックミラー２２はレチクル１の上方に４５“で斜
設され、コンデンサーレンズ３５からの露光光を垂直に
下方に反射させ、レチクルｌを均一に照射する。

このグイクロイックミラー２２は露光光の波長に対して
は９０％以上の反射率を有し、アライメント用の照明光
の波長（露光光よりも長波長）に対しては５０％以上の
透過率を有する。

次に本実施例のアライメント系について説明する。アラ
イメント用の照明光はレーザ光源１０から射出され、透
過型の基準回折格子を放射状に形成したラジアル・グレ
イティング１１を通り、フーリエ変換レンズ１３とビー
ムスブ、りン夕１４を介してフーリエ面（アライメント
光学系の瞳面）に配置された空間フィルター１５に達す
る。

ラジアル・グレイティング１１はモータ１２によってほ
ぼ一定の速度で回転可能に構成される。

このラジアル・ダレイテイング１１に入射したレーザ光
は０次光、±１次光、±２次光・・・・・・のように、
回折し、それぞれ異なった回折角で広がっていく、第１
図では０次光ＬＢ、、＋１次光＋ＬＢ寞及び−１次光−
ＬＢ、のみを示す、これら０次光、＋１次光は空間フィ
ルター１５上で明確に分離して分布し、０次光ＬＢ、の
みが遮断され、＋１次光は透過する。空間フィルター１
５を通った＋１次光はビームスプリッタ−２０を透過し
て２焦点光学系２１に入射する。２焦点光学系２１は第
１図では簡単に示しであるが、実際には複屈折物質（水
晶、方解石等）と顕微鏡用等のテレセントリックな対物
レンズとを組み合わせたもので構成され、レーザ光の＋
１次光の偏光成分（Ｐ偏光とＳ偏光）に応じて異なるパ
ワーを与えるものである。このため２焦点光学系２１を
射出した一方の偏光（例えばＰ偏光）はレチクル１の上
方空間の焦点２６ａに結像し、他方の偏光（例えばＳ偏
光）はレチクル１の下面のパターン面と一致した焦点２
７ａに結像する。また２焦点光学系２１の他方の焦点、
すなわちレーザ光源１０側で焦点２５ａ、２７ａの夫々
と共役な面は、ラジアル・グレイティング１１と一致し
ている。ここで２焦点光学系２１０２つの焦点２６ａ、
２７ｂの光軸方向の間隔はアライメント用のレーザ光の
波長における投影レンズ３のレチクル１側での色収差量
に対応している。この焦点面２６ａは投影レンズ３によ
ってウェハ４の表面と一致した結像面２６ｂと共役にな
り、焦点面２７ａ（レチクルパターン面）は投影レンズ
３によってウェハ４の表面から空間的に下方に離れた結
像面２７ｂと共役になる。

結像面２６ｂと２７ｂの間隔は投影レンズ３のウェハ４
側での色収差量に対応している。ここで結像面２６ｂと
２７ｂの間隔距離をＤｗ、焦点面２６ａと２７ａの間隔
距離をＤや、そして投影レンズ３の投影倍率を１／Ｍ（
通常Ｍは１．２．５．５．１０）とすると、一般的にＤ
−”Ｍ”　’　Ｄｗの関係がある。アライメント用のレ
ーザ光の波長が露光光の波長から離れれば離れる程、投
影レンズ３の収差特性に応じてり。、ＤＰは大きくなる
。

この種の投影レンズの焦点深度は極めて浅く、±１μｍ
程度であり、アライメント用照明光の波長にもよるが間
隔り。は数１０μｍ程度に達することもある。尚、アラ
イメント用照明光（レーザ光）はウェハ４に塗布された
レジストに対してほとんど感度を持たない波長にするこ
とが望しいが、本発明においては必ずしも満たされるべ
き条件ではない、それは投影レンズによって露光光の波
長とアライメント用照明光の波長とで極端に大きな収差
が生じ、特にウェハ４上の回折格子マークからの光情報
自体に大きな歪みが加えられてしまうからである。この
ためその収差との兼ね合いで最適なアライメント用照明
光を定めることを優先することの方が重要である。従っ
てアライメント用照明光が長時間（例えば１分以上）レ
ジストを照射すると、感光させてしまう（現像後に薄減
りが生じる）ような弱い感度の波長になる場合もある。

さて、アライメント用のレーザ光の±１次光ＬＢ、（Ｓ
偏光）は焦点面２７ａでレチクル１の回折格子マーク部
分に、＋１次光＋ＬＢ、と一１次光−ＬＢ、との成す角
度で２方向から入射し結像する。またレチクル１の透明
部を透過した焦点面２６ａからの±１次光ＬＢ、（ｐ偏
光）は、投影レンズ３を介して焦点面２６ｂでウェハ４
の回折格子マーク部分に、＋１次光と一１次光との成す
角度で２方向から入射し結像する。そしてレチクルｌの
回折格子マークからの反射回折光はダイクロイックミラ
ー２２．２焦点光学系２１を介してビームスプリッタ２
０で反射され、空間フィルター２３でフィルタリングさ
れた後、集光レンズ２４によって光電検出器２５に達す
る。またウェハ４の回折格子マークからの反射回折光は
投影レンズ３を介して元の光路を戻り、レチクル１の透
明部を透過してダイクロイックミラー２２．２焦点光学
系２１、ビームスプリッタ２０、空間フィルター２３、
及び集光レンズ２４を通って充電検出器２５に達する。

空間フィルター２３はアライメント光学系の瞳面と共役
な位置、すなわち投影レンズ３０１！（射出瞳）と実質
共役な位置に配置され、レチクル１、又はウェハ４から
の正反射光を遮断し、レチクル１又はウェハ４の回折格
子に垂直（面の法線方向）に回折される光のみを通すよ
うに定められている。そして光電検出器２５は２焦点光
学系２１．レンズ２４を介してレチクルｌ、ウェハ４の
夫々と共役に配置されている。

さて光電検出器２５から得られる光電信号は２つの回折
格子マークの各々からの回折光同志が干渉したものとな
り、ラジアル・グレイティング１１の回転速度に応じた
正弦波状の交流信号となる。

ところでラジアル・グレイティング１１からの＋１次光
、０次光は、ビームスプリッタ１４を透過し、瞳（フー
リエ面）に配置された空間フィルター１６で０次光のみ
が遮断され、レンズ系（逆フーリエ変換レンズ）１７に
よって参照用回折格子１８上に結像する。この参照用回
折格子１８は装置上で固定されているものである。この
回折格子１８にも＋１次光＋ＬＢ、と一１次光−ＬＢ。

とが所定の角度で２方向から入射する。光電検出器１９
は参照用回折格子１８を透過した回折光（又は干渉光）
を受光して、正弦波状の光電信号を出力する０位相検出
系４０は、光電検出器２５からの光電信号と光電検出器
１９からの光電信号とを入力し、両信号の波形上の位相
差を検出する。

検出された位相差（±１８０°）はレチクル１、ウェハ
４の夫々に形成された回折格子マークの格子ピッチの１
／２内の相対位置ずれ量に一義的に対応している。制御
系４１は検出された位相差（位置ずれ量）の情報、サー
ボシステム４４を介して得られる干渉計４３．４５の各
々からの位置情報等に基づいて駆動モータ４２．４６を
制御し、レチクル１とウェハ４の相対位置合わせ（アラ
イメント）を行なう。

以上、本実施例の全体構成において、アライメント光学
系の一部、特に２焦点光学系２１はレチクル１上のアラ
イメントマークの配置に応じて任意の位置に可動とされ
、どのようなマーク配置であってもマーク検出が可能と
なっている。さらにレチクル１の上方に斜設したグイク
ロンクミラー２２によって露光光とアライメント用照明
光とを分離するため、露光動作中であってもマーク検出
が可能となる。これは露光中において何らかの外乱でレ
チクル１とウェハ４とのアライメント状態が狂った場合
も、その時点でただちに検出できることを意味する。さ
らに位相検出系４０からの位相差情報に基づいて露光動
作中であってもレチクルステージ２とウェハステージ５
との位置決めサーボをクローズド・ループで実行できる
ことをも意味する。尚、露光光の光源は水銀ランプ以外
のエキシマレーザ光源等に置きかえてもよい。

次に第２図を用いてアライメント系のみの詳細な構成、
及びアライメントの原理を説明する。第２図において、
第１図中のものと同一の部材には同じ符号をつけである
。ラジアル・グレイティング（基準回折格子）１１には
レーザ光源１０から成形されたレーザ光束（はぼ平行光
束）ＬＢが入射する。このレーザ光束ＬＢの偏光方向は
、２焦点光学系２１によってＰ偏光とＳ偏光に分離され
て焦点２６ａ、２７ａに集光するとき、Ｐ偏光とＳ偏光
とでその光強度（光量）が所定の比になるように調整さ
れている０通常、ウェハ４に達する光の方が損失が多い
ので、ウェハ４への光量を増やすようにする。そのため
には、２重焦点素子を光軸の回りに回転させたり、レー
ザ光源とラジアル・グレイティング１１の間にλ／２板
を挿入し、それを光軸の回りに回転させたりする構造を
採用すればよい、すなわち、それによってレチクル１に
達する偏光とウェハ４へ達する偏光との光量比を最適な
ものに調整できる。さて、ラジアル・グレイティング１
１からの±１次光ＬＢ、は、テレセンドリンクな２焦点
光学系２１に入射し、＋１次光＋ＬＢ、は偏光成分によ
ってＰ偏光の＋ＬＢ８．とＳ偏光の＋Ｌ　Ｂ　＋　ｓと
に分離れ、２焦点光学系２１の光軸に対して回折角で決
まる角度だけ傾いてレチクル１に達する。同様に一１次
光−ＬＢ。

もＰ偏光の−ＬＢ、ＰとＳ偏光の−ＬＢ、、とに分離さ
れ、光軸をはさんで＋１次光（＋ＬＢＩＦ、＋ＬＢ１．
）と対称的な角度でレチクルｌに達する。Ｐ偏光に関し
ては焦点２７ａ１すなわちレチクル１の回折格子マーク
ＲＭの位置に結像するため、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ、、
、−ＬＢ、、は回折格子マークＲＭのところで交差（結
像）する。第２図においてマークＲＭの格子配列方向は
紙面内の左右方向であり、１次光＋Ｌ　Ｂ　１Ｐ、　Ｌ
ＢｌＦの各々の光軸からの傾き方向も第２図の紙面内に
定められる。

レチクル１には第３図（ａ）に示すように回折格子マー
クＲＭと透明な窓部Ｐ０とが形成されており、１次光子
ＬＢ、、、　　ＬＢＩＦはともにマークＲＭと窓部Ｐ０
とをカバーする大きさでレチクル１を照射する。第３図
（ａ）に示したマークＲＭはＸ方向（格子配列方向）の
位置検出に使われるものであり、ウェハ４上の回折格子
マークＷＭも第３図（ｂ）に示すように、これと対応し
ている。

マークＷＭはアライメント時（又は露光時）にレチクル
１の窓部Ｐ０の位置に整列するように定められている。

さて２焦点光学系２１を射出したＳ偏光の１次光子ＬＢ
、、、−ＬＢ、、は空間上の焦点２６ａで一度結像した
後、レチクル１の窓部Ｐ０を透過し、投影レンズ３を介
してウェハ４の回折格子マークＷＭに互いに異なる２方
向から入射するように結像される。投影レンズ３から射
出したＳ偏光の１次光＋ＬＢ、Ｓ、　ＬＢｌｓの各々は
、回折格子マークＷＭの格子配列方向に関して対称的に
傾いて入射する。ウェハ４に達したＳ偏光の１次光＋Ｌ
Ｂ、３、−ＬＢ、、の成す角度は大きくても投影レンズ
３の射出（ウェハ）側の開口数を越えることはない、尚
、ラジアル・グレイティング１１に対してレチクルｌと
ウェハ４とはそれぞれ共役に配置されるため、レーザ光
束ＬＢが平行光束であるとすると、各回折光束＋ＬＢＩ
Ｆ、−ＬＢ、、、＋ＬＢ＋ｓ、−ＬＢ、、も平行光束と
なる。

ここでＰ偏光の１次光＋ＬＢＩＰ１−ＬＢＩＦのレチク
ル１のマークＲＭに対するふるまいを第５図を用いて詳
述する。第５図はレチクル１のマークＲＭを模式的に表
わしたもので、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢｒｐが角度θでマ
ークＲＭに入射しているものとする。このとき１次光＋
ＬＢ、、のレチクル１での正反射光Ｄ　ＩＦも角度θで
反射することになる。

光束子ＬＢ□が角度θで入射することは、光束−ＬＢ、
、についても角度θで、正反射光［）＋ｒと逆向きにレ
チクル１に入射することを意味する。そこで回折格子マ
ークＲＭの格子ピッチをＰル−ザ光束ＬＢの波長をλ、
そしてｎを整数として、以下の（１）式を満たすように
ピッチＰと角度θとを定める。

λ ｓｉｎθ＝□×ｎ　　　　　　・・・・・・（１）この
（１）弐を満足すると、１次光＋ＬＢ、、、−ＬＢ、、
の照射によりマークＲＭから発生する特定次数の回折光
１０４は、レチクル１と垂直な方向、すなわち２焦点光
学系２１の光軸に沿った方向に進む。もちろんその他の
回折光ＩＱ３も発生するが、これは回折光１０４とは異
なる方向に進む。

ところでレチクル１のマークＲＭには２方向から光束±
ＬＢ、、、　ＬＢｌｐが交差するように照射され、その
両光束が同一のレーザ光源１０から射出されたものであ
ることから、マークＲＭ上には２つの光束＋ＬＢＩＦと
−Ｌ　Ｂ　Ｉ　Ｆとの干渉により、明暗の縞、所謂干渉
縞が生じる。仮りにラジアル・グレイティング１１が停
止しているものとすると、この干渉縞はマークＲＭの格
子配列方向に所定のピッチで配列する。干渉縞のピンチ
とマークＲＭの格子ピッチとは必要とされる検出分解能
に応じて適宜決定される。従って、マークＲＭからの回
折光１０４は、この干渉縞がマークＲＭを照射したこと
によって生じたものである。あるいは、一方の光束＋Ｌ
ＢＩＦの照射によってマークＲＭから生じた回折光と、
他方の光束−ＬＢ、、の照射によってマークＲＭから生
じた回折光とが同一光路（２焦点光学系２１の軸よ）を
戻ることから相互に干渉したものとも考えられる。この
ようにマークＲＭ上に異なる２方向から光束＋ＬＢ、、
、−ＬＢＩＦが照射されると、マークＲＭには干渉縞が
生じるが、ラジアル・グレイティング１１が回転してい
る場合は、その干渉縞がマークＲＭの格子配列方向に移
動する（流れる）ことになる、これはラジアル・グレイ
ティング１１の１次光＋ＬＢ。

、−ＬＢ、による暗視野像がレチクルｌのマークＲＭ上
に結像していることによる。このため、マークＲＭ上を
干渉縞（ラジアル・グレイティング１１の２焦点光学系
２１等によって投影された回折像）が走査することによ
って、回折光１０４は明暗の変化を周期的に繰り返すこ
とになる。

よって光電検出器２５がらの信号は、その明暗変化の周
期に応じた正弦波状の交流信号となる。

以上のことは、ウェハ４上の回折格子マークＷＭとＳ偏
光の光束＋ＬＢ、、、−ＬＢ、３との関係においても全
く同様であり、マークＷＭからは回折光１０５が発生し
、これは投影レンズ３の主光線に沿って進み、レチクル
１の窓部Ｐ０を介して光電検出器２５に達する。２焦点
光学系２１を射出したＳ偏光の光束＋ＬＢ＋ｓ、−ＬＢ
、、は焦点２６ａでは交差するように結像するが、レチ
クル１のマークＲＭ、窓部Ｐ０においては大きくデフォ
ーカスしてしまう。

さて、光電検出器２５は２焦点光学系２１を介してマー
クＲＭとマークＷＭの夫々と共役に配置されるとしたが
、実際には第２図に示すように、マークＲＭ、ＷＭの夫
々と共役な位置に、第３図（Ｃ）に示すようなマスク部
材２５′を設け、このマスク部材２５°のアパーチャＡ
Ｐ、Ａｓを透過した回折光１０４．１０５を光電検出す
るように構成される。ここでアパーチャＡ、は、例えば
レチクル１のマークＲＭからの回折光１０４による回折
像を取り出すものであり、アパーチャＡ。

はウェハｌのマークＷＭからの回折光１０５による回折
像を取り出すものである。従って光電検出器２５を各ア
パーチャＡＰ、Ａ３の後に別個に設けることによって、
マークＲＭによるレチクル１の位置検出とマークＷＭに
よるウェハ１の位置検出とが独立に可能となる。尚、ア
パーチャＡ、にはＰ偏光の光束＋ＬＢＩＰ、　　ＬＢＩ
Ｆによって照射されたレチクル１のマークＲＭの像がで
きるが、同時にＳ偏光の光束＋ＬＢ、５、　ＬＢ、ｓの
反射回折光もバックグラウンドノイズとして入ってくる
。

このためアパーチャＡｐにはＰ偏光を通す偏光板を設け
、アパーチャＡ、にはＳ偏光を通す偏光板を設けるとよ
い、こうすると、２つの光電検出器２５の夫々で、ウェ
ハからの光とレチクルからの光とが混在してしまうクロ
ストークは十分に低減される。

ここでラジアル・グレイティング１１が停止している場
合に、アパーチャＡＰを介してえられる回折光１０４の
光電信号について解析してみる。

先の（１）式でｎ＝±１にすると、格子ピッチＰはラジ
アル・グレイティング１１の基準格子のピッチと、レン
ズ１３．２焦点光学系２１を通した結像倍率の関係にあ
る。（同様にしてウェハ４上のマークＷＭの格子ピッチ
も、マークＲＭの格子ピッチＰと投影レンズ３の結像倍
率に関連している。）さて、マークＲＭに入射する光束
＋ＬＢ、デによって生じる回折光の振幅■８°は（２）
式で与えられ、光束−ＬＢ、、によって生じる回折光の
振幅ＶＲ−は（３）式で与えられる。

ＶＲ”−ａ−ｓｉｎ（φ＋２　ｒｔ　−）　＝−（２）
ＶＲ−−ａ’・ｓ　ｉｎ（φ−２ｚ　−）　−（３）こ
こでＰはマークＲＭの格子ピッチであり、ＸはマークＲ
Ｍの格子配列方向の変位量である。これら２つの回折光
ＶＲ”、ＶＲ−が互いに干渉したものが光電検出される
から、光電信号の変化（回折光１０４の振幅）は（４）
式のように表わされｌＶＲ”＋ＶＲ−１”　　− ａ”　＋ａ”＋２・ａ　　−ａ’−Ｃ０３（４π）　　
−（４）ここでａ”　＋ａ”は信号のバイアス（直流成
分）であり、２ａ−ａ’が信号変化の振幅成分である。

この（４）式から明らかなように、光電信号はラジアル
・グレイティング１１とマークＲＭとが格子配列方向に
相対的に変位すると正弦波状に変化する。その相対変位
量Ｘが、ｘ＝Ｐ／２（格子ピッチの半分）になるたびに
、信号幅幅は１周期だけ変化する。一方、ウェハ４のマ
ークＷＭからの回折光１０５についても全く同様で、（
４）式のように表わされる。そこでこの２つの光電信号
の位相関係を合致させるように、レチクル１又はウェハ
４を移動させることによってアライメントが完了する。

ただしく４）式からもわかるように各信号は正弦波状で
あり、検出できる位相差も±１８０１の範囲内であるた
め、レチクル１とウェハ４とは予めマークＲＭＳＷＭの
格子ピッチＰの１／２以下の精度でプリアライメントさ
れている必要がある。このようにラジアル・グレイティ
ング１１が停止している場合は、得られる光電信号の振
幅レベルはレチクル１又はウェハ４を移動させることに
よってはじめて正弦波状に変化する。

ところでラジアル・グレイティング１１が回転している
と、回折光１０４．１０５は周期的（正弦波状）な明暗
情報となり、得られる光電信号は、レチクル１又はウェ
ハ４が静止していたとしても、正弦波状の交流信号とな
る。従ってこの場合は、第１図中に示した光電検出ｎ１
９からの光電信号（正弦波交流信号）を基本信号として
、マークＲＭからの回折光１０４の光電信号（正弦波交
流信号）との位相差φ、を位相検出系で検出する。同様
にして、マークＷＭからの回折光１０５の光電信号と基
本信号との位相差φ。を検出する。そして、位相差φ７
とφ１の差を求めれば、レチクルｌとウェハＷのＸ方向
のずれ量がわかる。この検出方式は所謂光ヘテロダイン
方式と呼ばれ、レチクル１とウェハ４が格子とンチＰの
１／２の位置誤差範囲内であれば、静止状態であっても
検出高分解能で位置ずれ検出できるため、レチクル１の
パターンをウェハ４のレジストへ露光している間に微小
な位置ずれが生じないようにクローズド・ループの位置
サーボをかけるのに好都合である。

この検出方式では、φ、−φ、が零（又は所定値）にな
るようにレチクル１又はウェハ４を移動させてアライメ
ントを完了させた後、引き続きそのアライメント位置で
レチクル１とウェハ４とが相対移動しないようにサーボ
・ロックをかけることができる。

以上本実施例では、アライメント光学系をＸ方向の位置
ずれ検出用に１組だけ設けて説明したが、実際には２組
、又は３組が必要であり、Ｘ方向、Ｘ方向のアライメン
ト、あるいはＸ方向、Ｘ方向、θ方向のアライメントが
行なわれる。３組のアライメント光学系を配置する場合
、ウェハ上のマーク配置は１例として第４図に示すもの
が考えられる。第４図はウェハ上の１つのショット領域
ＳＡに付随した３ケ所の回折格子状マークＷＭＭ　、Ｗ
Ｍ、　、ＷＭθを表わし、？−”ＷＭθ、ＷＭ、はショ
ット領域の両端に設けられ、ともにＸ方向のずれ検出に
使われる。マークＷＭ、　、ＷＭθのずれ量の差からシ
ョット毎にレチクル１との相対回転誤差が求められる。

尚、第４図においてマークＷＭｘ　、ＷＭ、　、ＷＭθ
はショット領域内に設けたが、スクライブライン（スト
リートライン）ＳＬ上に設けるようにしてもよい。

以上、本実施例においては、グイクロイックミラー２２
で露光光とアライメント用照明光とを分離し、アライメ
ント光学系は露光中においてもレジストを感光させにく
い照明光によってレチクルとウェハとを同時観察できる
ようにしである。しかも２焦点光学系を用いて投影レン
ズの色収差量に対応するようにアライメント用照明光を
２焦点化するため、レチクルとウェハとの間のアライメ
ント光路中には、従来のように補正光学系を設ける必要
かなく、レチクル上のマークとウェハ上のマークとを直
接検出して高精度なアライメントが可能となる。さらに
アライメント用のマークは高分解能で位置ずれ検出ので
きる回折格子とし、この回折格子の周期構造に応じて発
生する回折光の正弦波状のレベル変化をとらえるように
したため、レジストに対して透明な波長の照明光（非感
光光）を用いることと相まって、極めて安定で高精度の
位置ずれ検出が可能となる。また本実施例では、ラジア
ル・グレイティングを回転させて、回折格子マークを２
方向から照明する２つの光束子Ｌ　ＢｌＰ、　　Ｌ　Ｂ
ＩＦ　（又は＋ＬＢ＋ｓ、−Ｌ　Ｂ　、、）に位相差を
与えることによって、光ヘテロゲイン方式の位置ずれ検
出を行なうようにしたが、レーザ光束ＬＢをゼーマンレ
ーザにして固定の基準回折格子に入射させて２つの光束
を得たり、又は超音波光変調器（ＡＯＭ）等を用いて互
いに周波数がわずかに異なる２つのレーザ光束を得たり
することによっても、同様に光ヘテロゲイン方式の計測
ができる。特に超音波光変調器等を用いると、ラジアル
・グレイティングのような機械的可動部がいらないこと
、変調による周波数差がラジアル・グレイティングの場
合よりも数段大きくとれることから、位相差検出の分解
能が上げられることなどの利点がある。

また本実施例では、露光光とアライメント光とで波長が
異なり、その色収差量が大きいために２焦点素子を用い
た検出光学系を用いた。しかし投影レンズ自体が上記２
つの波長に対して収差補正されている場合は、２焦点素
子は必要なく、２つの波長で色消しされたテレセントリ
ックな対物レンズがあればよい。この場合でも、検出系
の受光面ではウェハからの信号とレチクルからの信号と
を分離して受光することができる。これはウェハ、レチ
クル、受光面の夫々がアライメント光の波長のもとでも
共役になるからである。

さらに露光光とアライメント光との波長を近似させても
よい、この場合は投影レンズによって大きな色収差量は
発生しないものの、実質的に光源が異なることからアラ
イメント精度に影響を与える程度の収差が残存すること
もあり、検出光学系として色消しされたテレセントリッ
クな対物レンズを用いる。このようなときに、露光光の
波長に近いアライメント光を発生する光源が存在しない
場合は、非線形結晶にレーザ光を入射させ、この結晶か
ら高調波を発生させ、それを利用することもできる。特
にエキシマレーザを用いた露光装置の場合、露光波長に
近い波長で連続発振するレーザが存在しないことがあり
、このようなときに非線形結晶を用いて所望のアライメ
ント光を取り出すようにするとよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、回折格子を用いてマスク
（レチクル）と基牟反とをアライメントする際、露光光
等の第１波長と実質的に異なる第２波長の光を使用する
ため、レジスト等の影響により検出された信号の微弱化
が防止され、Ｓ／Ｎ比のよい光電検出が可能となる。ま
た、２焦点光学系を用いて、投影光学系の色収差を補正
するため、ＴＴＲ（スルーザレチクル）方式の０ｎ−Ａ
ｘｉＳアライメント系が構成でき、投影光学系を介した
マスクと基板（ウェハ等）との直接的なアライメントが
高精度に達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による投影露光装置の全体的な
構成を示す図、第２図はアライメント系のみの構成を示
す図、第３図（ａ）はレチクル上の回折格子マークの形
状を示す平面図、第３図（ｂ）はウェハ上の回折格子マ
ークの形状を示す平面図、第３図（ｃ）は光電検出系に
設けられたマスク部材の形状を示す平面図、第４図はウ
ェハ上のマーク配置を示す平面図、第５図はレーザ光束
の入射の様子を示す図である。 各図中において、 １・・・レチクル ３・・・投影レンズ ４・・・ウェハ １０・・・レーザ光源 １１・・・ラジアル・グレイティング ２１・・・２焦点光学系 ２５・・・光電検出器 ２５゛・・・マスク部材 ３０・・・水銀ランプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、第１の波長成分の光に関して結像光学系を挟ん
   でマスクと基板とをほぼ共役に配置し、前記マスクに形
   成された位置合わせ用の第１回折格子と前記基板に形成
   された位置合わせ用の第２回折格子との各々からの回折
   光を検出することにより、前記マスクと基板とを相対的
   に位置合わせする装置において、 前記第１波長成分とは実質的に異なる第２の波長成分の
   光を前記第１回折格子と 前記第２回折格子とに照射するための照明光源と；該照
   明光源と前記マスクとの間に設けられるとともに、前記
   第２波長成分の光に対して生じる前記結像光学系の色収
   差量に対応して光軸方向の収差を補正した検出光学系と
   ； 該検出光学系を介して前記第２波長成分の光を射出させ
   る際、互いに異なる方向から前記第１回折格子、又は第
   ２回折格子が照明されるように前記第２波長成分の光の
   配向を制御する配向制御手段とを備えたことを特徴とす
   る位置合わせ装置。
2. （２）、前記配向制御手段は、前記検出光学系を介して
   前記第１回折格子と第２回折格子との各々とほぼ共役に
   配置された基準回折格子で構成され、前記照明光源から
   の第２波長成分の光を該基準回折格子に入射し、ここで
   得られる０次光以外の正の次数光と負の次数光とを前記
   検出光学系に入射させることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の装置。