JP2000511004A - 離軸整列ユニットを持つリトグラフ投射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 基板整列マーク（P1）を基準(RGP)に関し整列させるための離軸整列ユニットを持つリトグラフ投射装置。このユニットは偏向素子(80-86)の構造体(WEP)を有し、該偏向素子は回折基板マークから来る異なる回折次数を持つ副ビームに異なる方向を与えるので、これらの副ビームは分離された基準回折格子に入射し、分離された検出器(DET)により検出されることができる。このユニットは非対称整列マークを非常に正確に整列させる可能性も提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 離軸整列ユニットを持つリトグラフ投射装置 本発明は、投射ビームを供給する光源と；マスク保持器と；基板保持器と；該 マスク保持器と該基板保持器との間に配置される投射システムと；を有して成り 、また上記基板保持器内に設けられる基板を上記マスク保持器内に設けられるマ スクに関して終極的に整列させる(ultimately aligning)ための整列システムを も更に有して成り、上記整列システムは上記基板上に設けられる整列マークを或 る基準に関して整列させるための離軸整列(off-axis alignment)ユニットを含む ところのリトグラフ投射装置に関する。 終極的整列(ultimate alignment)とは、第１段階では上記の整列ユニットは基 盤を基準に関し整列するために使用されるが、この整列ステップの結果は他の測 定と組み合わせて該基盤を該マスクに関して整列するために使用されることを意 味する。 リトグラフ投射装置は、拡散及びマスキング技術の手段による集積回路又はIC 製造における不可欠の構成要素である。この装置の支援により、異なるマスクパ ターンを有する多数のマスクが半導体上の同一の位置に連続的に像が作る。この 基盤は同一位置にある連続する像について好ましい物理的及び化学的変化を受け る。この目的のために、この基盤はマスクパターンの露出を受けた後に該装置か ら取り外されねばならず、且つ好ましい処理過程のステップを受けた後その基盤 は第２のマスクパターンにより露光されるために再度同一の位置に置かれねばな らず、これが連続して実施されるが、第２のマスクパターン及びそれに続くマス クパターンの像は該基盤に関し正確に位置することが保証されねばならない。こ の目的のために、該リトグラフ投射装置には基盤上の整列マークがマスク上の整 列マークに関して整列される光学的整列システムが与えられている。 リトグラフ装置はICの製造に使用されるのみではなく、１マイクロメータのオ ーダの細部の寸法を持つ他の構造物の製造にも使用される。組み合わされた、又 は完全な光学システム、又は磁区メモリの案内と検出パターン、及び液晶ディス プレーパネルの構造物が例である。また、これらの構造物の製造においてマスク パターンの像は基盤に関して非常に正確に整列されねばならない。 リトグラフ投射装置はステッピング装置又はステップ・アンド・スキャン装置 であってもよいであろう。ステッピング装置においては、マスクパターンは基盤 のICエリア上に１回のラン(run)により作像される。続いて、この基盤はマスク に関して移動させられ、後続のICエリアが該マスクパターン及び投射レンズシス テムの下に位置し、該マスクパターンが後続のICエリア上に作像されるようにす る。この過程は該基盤の全てのICエリアにマスクパターン像が与えられるまで繰 り返される。ステップ・アンド・スキャン装置においても上記のステッピング手 順が使用されるが、マスクパターンは１回のランによるのではなく走査する動作 により作像される。マスクパターンの作像の間、該基盤は投射システムの拡大率 を考慮しながら投射システム及び投射ビームに関し該マスクに同期して動かされ る。該マスクパターンの連続して露光された部分に隣接する１連の部分像が１個 のICエリア上に作像される。該マスクパターンが１個のICエリア上に作像される のが完全に終了すると、次のICエリアへ１ステップ進行する。実現可能な走査手 順は、“Semiconductors International”誌1986年５月号所載のD.A.Markleによ る論文“Sub-micron 1:1 Optical Lithography”に記述されている。 米国特許第5,243,195号は整列システムを備え且つICの製造を目的とする光学 的リトグラフ投射装置を開示している。この整列システムは離軸整列ユニットを 有し、基盤整列マークをこの離軸整列ユニットに対して整列させる。更に、この 整列ユニットは第２整列ユニットを有し、投射レンズ(TTL)を経て基盤マークを マスクマークに対して整列させる。投射レンズを経ての（軸上整列の）整列は現 世代の光学的リトグラフ投射装置において最も頻繁に使用される方法であり、且 つ基盤とマスクが相互に直接に、従って非常に正確に整列できる特長を有する。 離軸整列方法が使用される時には、米国特許第5,243,195号に記述の基線オフセ ット(baseline offset)を考慮に入れなければならない。 軸上整列(on-axis alignment)の方法は現在まで完全に満足すべき状態で動作 してきたが、IC製造に新技術が使用され且つICパターンの細部寸法又は線幅が減 少する時に、信頼性及び正確性に関しこの整列方法は問題を生じる可能性がある ことが予想されている。 基盤の単位表面エリア当たりの電子コンポーネント数の増加及びそれに起因す るこれらコンポーネントの小寸法化に関連して、集積回路が製造される時の正確 度に一層厳格な要求が課せられる。従って、連続するマスクが基盤上に像を作ら れる位置は以前にも増して一層正確に固定されねばならない。一層狭い線幅を持 つ新世代のICの製造においては、整列の正確度は改善されねばならず、換言すれ ば整列システムの解像度が向上されねばならないために一層小さい偏位を検出で きねばならない。一方、線幅が減少する場合に投射レンズシステムに要求される 一層高い開口値(Numerical Aperture:NA)のために、基盤の平滑度に一層厳格な 要求が課せられる。このシステムの焦点深度はNAの増加と共に減少する。投射レ ンズシステムの要求される可成り大きな像分野において幾らかの像分野の湾曲が 発生するために基盤の非平滑度に対しては殆ど許容余地がない。基盤の希望する 平滑度を得るために、投射装置中での異なるマスクパターンの２個の連続する露 光の間にこの基盤を化学的機械的研磨(CMP)処理の手段により、この基盤を研磨 することが提案されてきている。しかし、この研磨処理は軸上整列方法の正確度 に影響を与える。この方法においては、回折格子が基盤整列マークとして使用さ れ、且つこの回折格子により第１次で回折された副ビームが基盤マークをマスク マーク上に像を作らせるために使用される。この過程において、基盤回折格子マ ークの重心がマスク整列マークの重心に対して整列される時に、基盤はマスクに 対して正確に整列されていると想定される。その場合に、各回折格子マークに対 する重心は回折格子の幾何学的中心と一致すると仮定されてきた。しかし、上記 のCMP処理は基盤回折格子マークを非対称にするために、この整列方法は最早信 頼できない。 更に、新世代ICに対する製造過程は急速に複雑に成りつつあり、処理ステップ 数及び基盤上の処理層の数は急速に増加している。また、これらの層の幾つかは 基盤回折マークに非対称を従って整列誤差をもたらしている。 更にまた、既知の軸上整列方法が使用される時に、位相回折格子である基盤マ ークの回折格子溝の深さに厳格な要求が課せられる。 整列信号に対する上記の作用の影響を顕著に減少させ、且つ既知の整列システ ムより一層正確且つ信頼性のあるリトグラフ投射装置に対する整列システムを供 給するのが本発明の目的である。この目的のために、本発明によるシステムは、 上記整列マークが回折マークであり、また、上記整列ユニットは、０より高い種 々の異なる回折次数(diffraction orders)で上記回折マークにより回折されると ころの、少なくとも３以上の或る数の副ビームを個別に検出するのに適合してお り、各副ビームは上記基準に関する基板マークの位置についての表示を含むこと を特徴とする。 異なる回折次数を持つ少なくとも３個の副ビームを個別に検出するような整列 ユニットの採用は、３又はそれ以上の副ビームが同時に検出されねばならないこ とを意味するのではなく、該整列ユニットがこれら副ビームの全てを分離して検 出する可能性を提供することを意味する。実行上は、副ビームが検出できること もあればできないこともあり、且つ同時のこともあり同時でないこともある。 回折マークは電磁ふく射ビームを異なる回折次数の多数の副ビームに分割する マークである。そのようなマークは回折格子又は別の回折素子により構成される であろう。 本発明は、回折整列マークが軸上整列ユニットとの組み合わせでは最早使用さ れないが離軸整列ユニットとの組み合わせで使用されれば、このマークの特性を 有効に利用できるとの認識に基づいている。米国特許第4,251,160号に記載のよ うに、基盤回折格子自体の半分の周期てある周期を持つ基盤回折格子の像は、基 盤整列マークとして回折格子が使用され且つ該基盤回折格子の第１次副ビームの みが対応する回折格子整列マーク上にこのマークの像を作るために使用される軸 上整列ユニット中に得られる。従って、ゼロ次副ビーム及び高次副ビームがこの 像のために協調して使用される場合には、整列の精度は２倍になる。米国特許第 4,251,160号に記載の整列ユニットにおいて、第１次副ビームは投射レンズに組 み込まれた次数絞り(order diaphragm)によって選択される。そのような絞りは 、既に複雑になっている投射レンズの設計を相当複雑にし、１より高い次数であ る高次を通過させる次数絞りを持つ投射レンズの提供は決して容易なことではな い。離軸整列ユニットに回折整列マークを供給することにより、この整列マーク の高次副ビームの選択に大きな自由度が生じる。高次が選択されれば該整列ユニ ット の解像力が強化される事実は長所として使用されるであろう。 本発明は、高次の副ビームは回折格子マークの中央ではなくその角により決定 され、且つ中央に比べてこれらの角はCMP処理又は回折格子の非対称性に影響を もたらす他の手段に対して影響を受けにくいことの認識にも基づいている。高次 の副ビームの使用により、非対称整列回折格子の問題が除去されるのみでなく、 整列ユニットの正確性も強化される。 基盤を非対称整列マークと整列するために基盤マークからの複数の高次副ビー ムを使用することは米国特許第4,828,392号から既知であることを注記する。し かし、非対称マークは回折格子溝が回折格子溝の中心線に関し非対称であるマー クである。しかし、投射レンズシステムに組み込まれなければならず、且つ大き な開口値と共に供給されねばならない、次数絞りが使用される。基盤上において 適切であるマスクパターンの像の質はこれにより疑いなく影響される。 米国特許第5,477,057号は走査リトグラフ装置に対する離軸整列ユニットも記 述している。基盤マークを装置基準に関して整列するための分離した整列センサ ヘッドが投射レンズシステムの隣にそれに対向して配置されている。離軸整列ユ ニットを使用する理由は、モノクローム投射レンズシステムでは適切に伝達でき ない広帯域整列放射を使用したいとする希望にある。上記特許は回折整列マーク を記述がなく、又は整列中における複数の高次副ビームの使用も述べていない。 米国特許第4,870,452号は、投射レンズシステムと基盤の間に平行平面板を配 置する基盤に対する離軸整列ユニットを記述している。この板は投射ビームに対 しては完全に透明であるが、整列ビームに対しては異なる反射及び透過係数を持 つ。この板は、整列ビームは基盤整列マークに対して正確な角度で入射し、且つ 反射後は、このマークにより与えられた角度で検出システム上に向けられること を保証しなければならない。基盤マークは、例えば回折格子マークであり、且つ このマークで形られる異なる回折次数を持つ副ビームのために分離された検出器 が用意されるであろう。しかし、０次、１次及び２次の副ビームのみが検出のた めに使用される。実行上、投射レンズシステムと基盤の間に平行平面板を配置し ないことが好まれると思われ、この板が異なる数次を十分な範囲まで分離できる か疑わしいであろう。 本発明による投射装置の好適な実施例は、上記基準が、用いられた回折次数に 等しい或る数の、基板整列マークと同じ形を持つ別々の基準素子の構造体で構成 され、また、上記基板マークから来て関連の回折基準素子を通過する副ビームを 電気信号に変換するために、これらの回折素子の各々に対し別個の検出器が付随 していることを更に特徴とする。 上記装置は、上記基準素子が回折格子(gratings)であることを更に特徴とする ことがある。 その時、整列検出は過去において信頼できることが明らかにされている回折格 子から回折格子への像(grating-to-grating image)に基づいている。 整列ユニットが余りに膨大になることなく、種々の異なる回折次数の副ビーム が十分に分離された方法で検出されることを達成するために、上記該装置は、基 板マークと回折基準素子との間の光通路には、第１レンズシステムと：個別の副 ビームに種々の異なる方向を与えるために上記第１レンズシステムからの副ビー ムの通路に配置される偏向素子の構造体と；該当する基準素子上に副ビームを集 中するために上記偏向素子の背後に配置される第２レンズシステムと；を順次に 取り入れることを更に特徴とするのが好適である。 この実施例は、第１レンズシステムと基板マークの平面との間の距離が第１レ ンズシステムの焦点距離に等しく、また、第２レンズシステムと基準素子の平面 との間の距離が第２レンズシステムの焦点距離に等しく、更にまた、第１レンズ システムと第２レンズシステムとの間の距離が第１レンズシステムの焦点距離と 第２レンズシステムの焦点距離との和に等しいことを更に特徴とするのが好適で ある。 ２個のレンズシステムは協調してテレセントリック(telecentric)レンズシス テムを構成し、且つ偏向素子構造体の軸位置は最早重大ではなくなる。 上記装置は、上記偏向素子の構造体が、各回折次数に対して１対の偏向素子を 有し、それによってこの回折次数で反対の回折次数符号を持つ副ビームを偏向さ せ、その偏向させ方は、第２レンズシステムがこれらの副ビームを当該の１つの 基準素子上に収束させるようにしてあることを更に特徴とするのが好適である。 この時に、基盤マークのプラス次数及びマイナス次数がこのマークをの基準素 子への作像に使用され、且つ利用可能な整列光の最適利用がなされる。 偏向素子の構造には数種類かの実施例が可能である。第１の実施例は、上記偏 向素子の構造体が、副ビームの数に等しい数の個別の光学的楔(optical wedges) を有することを特徴とする。 これらの楔は個別の素子として製造され、次いで共通の透明な担体板へと固定 されるであろう。個別の楔は光学分野で良く知られた複製技術により１回の回折 格子の加工工程で製造されるのが好ましい。鋳型として存在する楔の全体の構造 の陰型は次いで合成物質の層、例えば水晶板の上に準備される例えばUVを補正で きる材料に印刻される。 厳しい要求が、例えば同じ回折次数の＋次数(+order)及び−次数の副ビームの 偏向に使用される２個の楔の楔面の傾斜面の相互精度のために設定される。これ らの要求条件は偏向素子の構造体の第２の実施例において一層容易に満足させる ことができ、それは、上記偏向素子の構造体が多数の透明な楔型の板を有し、そ れらは副ビームの通路に前後に並べて配列され、種々の異なる楔角と、偏向しな いで光を通過させるための多数の開口部とを持ち、開口部の数とそれらの位置と は、ｎ個の板の組合せを用いて２ⁿの回折次数が２値をとるやり方で異なる方向 に偏向できるようにしてあることを特徴とする。 これらの楔は、希望する精度で比較的容易に製造できる特長を持っている。 基盤整列マークは線型回折格子であろう。そのような回折格子の設計に当たっ ては放射を異なる偏向指示間で希望する分散をすることを考慮に入れるべきであ る。 ２つの相互に垂直な方向に整列できるようにするために、上記装置は、上記基 板マークが２個の回折格子部分を有し、その第１の部分の回折格子ストリップの 方向は第２部分の回折格子ストリップの方向に垂直であり、上記偏向素子の構造 体は２次元構造であり、また上記基準は２次元の基準であることを更に特徴とす る。 上記装置は、上記離軸整列ユニットは、異なる波長のビームを供給する２個の 光源と、基板マークへの通路上で２つのビームを組み合わせるため及び上記のマ ークで反射されるビームを分割するためのビーム分割器とを有すること、並びに 偏向素子及び回折基準素子の別個の構造体がこれらのビームの各々について存在 することを更に特徴とするのが好適である。 この時に、基板マークの溝の深さに対して厳格な要求を課すことは必要としな い。 上記装置の実際の実施例は、第２の離軸整列ユニットが存在し、且つ最初に記 述した整列ユニットと、この第２の整列ユニットとは投射システムに関して正反 対の側に配置されることを更に特徴とする。 離軸整列システムは又基準に関し基板保持器上で別の整列マークを整列するの に使用できる。その場合、基板マークの整列は基板保持器マークに関して決定さ れる。 基板に関してマスクパターンの究極的な配列が実現できるようにするために、 上記装置は、整列システムが、マスクパターンに関し基板を整列させるするため に、軸上整列ユニットをも有することを更に特徴とする。 上記軸上整列ユニットは、投射ビームの波長とは異なる波長を持つビームを発 する光源を有するタイプのものであることができるが、或いはその代替案として 投射光で動作する画像センサによって構成されることもできよう。 本発明は、マスクパターンを第１の基板上に投射するための投射装置及び第２ の基板の位置を測定するための測定装置を含むリトグラフ投射装置に使用するこ ともできる。そのような装置の実施例は、測定器と投影器の間でやりとりする２ 個の基板階程を持ち、米国特許明細書第US-A4,861,162号に示される。そのよう な装置はその処理量、即ち１時間に処理できるウエファー数が投射器のみを有し 測定器を持たない類似の装置のそれよりは可成り大きい利点を有する。 本発明が実施されている２重の機器から構成されるリトグラフ投射装置は、測 定器が上記のように離軸整列ユニットを有することを特徴とする。 本発明のこれら及び他の様相は後記の実施例から明らかであり、且つそれを参 照して解明されるであろう。 図において： 図１はステップ・アンド・スキャン投射装置の実施例を各種の測定システムと 共に示し； 図２は基板整列マークの実施例を示し； 図３はマスクマーク及び基板マークを相互に関連の上整列させる２重整列ユニ ットの実施例を示し； 図４は本発明に準拠の離軸整列ユニットの実施例を示し； 図５はこの発明に使用される回折格子に関するプレートを示し； 図６はこの発明における楔素子による偏向を示し； 図７は整列ユニット中の第１及び第２レンズシステムの好ましい配置を示し； 図８は整列ユニットの第２の実施例における偏向素子の構造体として使用され る一連の楔型板を示し； 図９は一連のものが副ビームを偏向させる方法を示し； 図10は２個の波長を持つ光が使用される整列ユニットの実施例におけるこの板 の平面における副ビームの位置を示し； 図11は２個の波長が使用される整列ユニットの実施例を示し； 図12はこの実施例に使用されるための好ましいビーム分割器を示し； 図13は投射レンズ及び基板に関連して整列ユニットの位置を示し；且つ 図14はイメージセンサユニット及び投射装置の焦点合わせとレベリングのユニ ットに関連して２重整列ユニットのサブユニットの位置を示す。 本発明の一層明確な理解のために、本発明が使用されるであろう軸上整列ユニ ット及び他の測定システムが備えられる既知の光学的リトグラフ投射装置を先ず 説明する。 図１は基板上へのステップ・アンド・スキャンによるマスクパターンの像の作 成のためのその種の装置の実施例の光学的素子を輪郭的に示す。この装置は、そ の主となる素子として、投射システムPLを組み込んだ投射柱(projection column ）を有する。このシステムの上部に像を作るべきマスクパターンＣがそこに用意 されるマスクMAのためのマスク保持器MHが存在する。マスク保持器はマスク階程 MTの一部分である。基板階程WTは投射レンズシステムPLの下方に配置される。こ のテーブルは感光性の層を備えた基板Ｗのための基板保持器WHを有する。マスク パターンＣは感光性の層において毎回異なるエリアであるICエリアW_dに像を多数 の回数作らねばならない。基板テーブルはＸ及びＹ方向に移動が可能で第１の ICエリアにマスクパターンの像を作成後、続くICエリアをマスクパターンの下に 位置させることができる。 該装置には、更に例えばフッ化クリプトン(Krypton-Fluoride)エキシマレーザ 又は水銀灯である光源LA，レンズシステムLS，鏡RE，及び集光レンズCOが備えら れている。照明システムにより供給される投射ビームPBはマスクパターンＣを照 明する。このパターンは投射レンズシステムPLにより基板ＷのICエリア上に像と なる。該投射レンズシステムは、例えば拡大率Ｍ＝1/4,開口率NA＝0.6,及び直径 22mmの回折制限の(diffraction-limited)イメージ視野を持っている。 該装置には更に多数の測定システムが備えられ、それらはXY平面においてマス クMAと基板Ｗを相互の関連において整列するシステム、基板保持器従って基板の 位置と方向を決定する干渉計システム、及び投射レンズシステムPLの焦点又は像 の面と基板Ｗの表面の間の差を決定する焦点誤差検出システムである。これらの 測定システムは、該測定システムにより供給される信号を参照して基板の位置と 方向及び焦点が補正される電子的信号処理制御回路及び駆動器又はアクチュエイ タ(actuator)を有するサーボシステムの部分である。 整列システムは図１の右上端に示されるマスクMA内の２個の整列マークＭ₁と Ｍ₂とを使用する。図２に示すように、これらのマークは回折格子から構成され るのが好ましいが、しかし別の方法として、その周辺から光学的に識別できる正 方形又は線条のような他のマークによって構成されてもよい。整列マークは２次 元、即ち図１のＸとＹ方向のような２個の相互に垂直な方向に伸びるのが好まし い。例えば半導体基板のような基板Ｗは、少なくとも２個の整列マーク、出来れ ば図１のＰ₁とＰ₂でその２個を示すような２次元の回折格子を持つ。Ｐ₁とＰ₂の マークは基板Ｗ上でICエリア外に位置する。回折格子マークのＰ₁とＰ₂はフェー ズ回折格子として実施することが好ましく、且つ回折格子マークのＭ₁とＭ₂は振 幅回折格子として実施することが好ましい。 図１は軸上整列ユニットの特別な実施例を示すが、それは２個の整列ビームｂ 及びｂ’が基板整列マークＰ₂をマスク整列マークＭ₂上に整列するため並びに基 板整列マークＰ₁をマスク整列マークＭ₁上に整列するためにそれぞれ使用される ２重整列ユニットである。ビームｂは例えば鏡である反射素子30によりプリ ズム26の反射面27に向けて反射される。反射面27は、マークＰ₂の像が作られる それに関連するマスクマークＭ₂に対して光の一部をビームb₁として送出する基 板整列マークＰ₂に向けて、ビームｂを反射する。マークＭ₂の上部には例えばプ リズムである反射素子11が存在し、マークＭ₂を通過した光を光に感応する検出 器13に向かわせる。 第２の整列ビームｂ’は投射レンズシステムPL中の反射器29に向けて鏡31によ り反射される。この反射器は、ビームb'を、その表面がビームb'を基板整列マー クＰ_l上に向けるプリズム26の第２の反射面へ送り込む。このマークは、ビーム ｂ’の光の一部を、マークＰ₁の像が作られるマスク整列マークＭ₁に向けて、ビ ームb'₁として、反射する。マークＭ₁を通過するビームb'₁の光は、光に感応す る検出器13’に向けて反射器11’により送出される。 図２は位相回折格子の型による２個の同一の基板マークの内の１個の実施例を 拡大した寸法で示す。そのような回折格子は４個の副回折格子Ｐ_1.a，Ｐ_1.b，Ｐ_1.c 及びＰ_1.dで構成され、その内の２個のＰ_1.bとＰ_1.dはＸ方向の整列に使用さ れ、他の２個のＰ_1.aとＰ_1.cはＹ方向の整列に使用される。２個の副回折格子Ｐ_1.b とＰ_1.cは例えば16μｍの回折格子周期を持ち、副回折格子P_1.aとＰ_1.dは例 えば17.6μｍの回折格子周期を持つ。各副回折格子は、例えば200×200μｍの寸 法を持っているであろう。原則として0.1μｍより小さい整列精度は、この回折 格子マーク及び適切な光学的システムにより達成できる。異なる回折格子周期を 選択することにより、整列ユニットの捕捉できる領域を拡大できる。例えば、こ の領域は40μｍである。 図３は僅かに修正した整列ユニットの光学的素子を一層詳細に示す。２重整列 ユニットは、投射レンズシステムPLの光軸AA’に関し対称的に配置される２個の 分離された同一の整列システムAS₁とAS₂を有する。整列システムAS₁はマスク整 列マークＭ₂に関係し、整列システムAS₂はマスク整列マークＭ₁に関係する。２ 個の整列システムの対応する素子は同一の参照番号で表示されシステムAS₂のは 、それらをシステムAS₁のそれらから区別するためにプライム符号が付されてい る。 システムAS₁の構造及びマスクマークＭ₂及び例えば基板マークＰ₂の相対位 置がこのシステムにより決定される方法を記述する。 整列システムAS₁は整列ビームｂを放つ例えばヘリユーム・ネオン・レーザの ような光源１を有する。このビームは、ビーム分割器２により基板Ｗにより反射 される。該ビーム分割器は半透明の鏡又は半透明のプリズムから構成されるであ ろうが、λがビームｂの波長である時にλ/4板３に前置される偏光に敏感な分割 プリズム２により構成されるのが好ましい。投射レンズシステムPLは、ビームｂ を1mmオーダの直径を持つ基板Ｗ上の小さな光スポットＶに焦点を合わせる。こ の基板はビームの一部をビームb₁としてマスクMAに向けて反射する。該ビームb₁ は、光スポットＶをマスク上に像を作る投射レンズシステムを通過する。基板を 投射装置に対応させる前に、光スポットＶが基板マークＰ₂上に位置するように 、例えばEP特許出願第0 164 165号に記述される機器のような事前整列機器にお いて該装置に事前整列されている。次いで、このマークは、ビームb₁によりマス クマークＭ₂上に結像される。投射レンズシステムの拡大率Ｍを考慮して、マー クＰ₂及びマークＭ₂が正確に相対的に位置した時にマークＰ₂の像がマークＭ₂に 正確に一致するように、マスクマークＭ₂の寸法が基板マークＰ₂のそれに適応さ れる。 基板Ｗ向け及びそれからの通路において、ビームｂとｂ’は、光源１から来る 直線偏光されたビームｂの偏光の方向に対して光軸が45°の角度であるλ/4板３ を２度通過する。その時、λ/4板を通過するビームb₁は、ビームb₁が偏光分割プ リズムを通過できるようにビームｂに関して90°回転している偏光の方向を持つ 。λ/4板と組み合わせて偏光分割プリズムを使用することは、整列ビームを整列 システムの光通路に結合させる時に、最小の光損失になる長所を提供する。 整列マークＭ₂を通過したビームb₁は、プリズム11により反射され、且つ例え ば別の反射プリズム12によって光に敏感な検出器13に導かれる。この検出器は、 例えば図２に示される副回折格子の数に一致する４個の別々の光に敏感な領域を 持つ例えば複合フォトダイオードである。この検出器領域の出力はマークＭ₂の 基板マークＰ₂との一致の指標である。これらの信号は電子的に処理することが でき、マークＰの像がマークＭに一致するように（ここには示されていない）駆 動システムの手段によりマスクと基板を相互に関連させて動かせるのに使用され る。このようにして、自動整列システムが得られる。 例えばビームb₁の一部をビームb₂として分割する部分的に透明なプリズムの型 のビーム分割器14はプリズム11と検出器13の間に配置されるであろう。該分割ビ ームは、整列マークＰ₂及びＭ₂が投射装置の操作者に見える（ここには示されて いない）モニタに結合されるテレビジョン・カメラ17上に例えば２個のレンズ15 と16を経て入射される。その時、この操作者は２個のマークが一致しているかい なかを確認し、且つマークが一致するようにマニピュレータの手段により基板Ｗ を動かすことができる。 マークＰ₂及びＭ₂について上記に記述したのに類似して、マークＭ₁とＰ₂及び マークＭ₁とＰ₁は、相互に関連させて整列できる。整列システムAS₂は、最後に 述べた２個の整列使用される。 ２重整列システムの構造及び整列手順に関する一層の詳細は米国特許第4,778, 275号を参照されたい。 図１に示される軸上整列ユニットの実施例は、例えば248nmの短い波長を持つ 投射ビームPB及び例えば633nmの長い波長を持つ整列ビームが使用される装置に 対して特に適合している。 投射レンズシステムは投射ビームPBの波長に対して設計されているので、この システムPLを整列ビームの手段により整列マークのＰ₁とＰ₂及びＭ₁とＭ₂をそれ ぞれの上に結像させるために使用される時に違いが発生する。例えば、基板整列 マークはマスク整列マークが存在するマスクパターンの面に存在せず、投射ビー ムと整列ビームの違い及び２個の波長に対する投射レンズ素子の材料の屈折率の 違いに依存するそれからの与えられた距離に結像するであろう。もし投射ビーム が例えば248nmの波長を持ち、且つ整列ビームが633nmの波長を持てば、この距離 は2mであろう。更に、上記の波長差のために、基板整列マークは望ましい拡大率 とは異なり波長差の増加と共に増加する拡大率によりマスク整列マーク上に結像 される。 上記の差を補正するために、投射レンズシステムPLは余分のレンズである補正 レンズ25を組み込んでいる。この補正レンズは、一方では補正レンズの面におい て基板整列マークにより発生されそこから送出される副ビーム即ち整列ビームの 異なる回折次数の副ビームはこれらの副ビームに個別に影響を与えることができ るように十分に分離されていること、他方ではこの補正レンズは投射ビーム及び それにより形成されるマスクパターン像に対して無視できる程度の影響しか与え ないことを満足するような高さで投射レンズ中に配置される。この補正レンズは 投射レンズシステムのフーリエ(Fourier)面に位置するのが好ましい。もし図３ に示すように、補正レンズ25が整列ビームｂ及びｂ’の主光線が相互に交差する 面に置かれれば、この場合このレンズは両方の整列ビームを補正するために使用 できる。 もし希望すれば、回折素子のような楔又は異なる偏向素子が整列マークに隣接 する整列ビームの通路に配置できる。図３には示されないそのような偏向素子に よって、検出器13又は13’により受け取られる選択された整列ビーム部分内の意 図的でない位相差即ち基板整列マークから来る整列ビーム部分の対称軸がマスク マークに垂直でなくこの板において誤った反射が発生するような位相差に起因す る整列誤差を防げるであろう。そのような偏向素子を備えた整列ユニットはEP特 許出願第0 467 445号に記述されている。 包括的整列と称する全体の基板をマスクに関して整列するのに使用される図１ に示される包括的な整列マークＰ₁とＰ₂に加えて、基板は各ICエリアを個別にマ ークパターンに対して整列するためのICエリア毎の別の整列マークを与えられる であろう。該マークは、例えば該マークのＺ軸回りの回転を測定しこの回転を補 正するための更に別の整列マークが使用される２個以上の整列マークも有するで あろう。 投射装置は、更に投射レンズシステムPLの焦点面と基板Ｗの表面との間の偏位 を決定し、例えば該投射レンズシステムをその軸であるＺ軸に沿って移動させる ことによりこの偏位が補正できるための誤差検出システムを有する。このシステ ムは、該投射レンズシステムに固定的に接続されている（図示されていない）ホ ルダー内に用意される素子40,41,42,43,44,45,46により構成されるであろう。参 照番号40は、例えば焦点を合わせるビームｂ₂を放出するダイオードレーザであ る光源を示している。このビームは反射プリズム42により基板上へ小角度で向け られる。この基板で反射されたビームはプリズム43により逆反射器44の方向へ向 けられる。素子44はこのビームを自体内で反射するため、ビーム(b₃')は再度プ リズム43、基板Ｗ及びプリズム42上での反射を経て同一通路を通過する。 ビームb₃’は部分的に反射する素子41及び反射素子45を経て光に敏感な検知シ ステム46に達する。この検知システムは、例えば位置依存型検出器又は２個の別 々の検出器から構成される。ビームb₃’により形成される光スポットの位置は投 射レンズシステムの焦点面と基板Ｗの面との一致の度合いに依存する。焦点合わ せ誤差検知システムに関する広範な説明は米国特許第4,356,392号を参照された い。 基板保持器のＸとＹの位置を正確に決定するために、ステッピング投射装置が 多軸干渉計と共に与えられている。米国特許第4.251,160号は２個の測定軸を持 つシステムを、米国特許第4,737,283号は３個の測定軸を持つシステムを記述し ている。図１において、そのような干渉計は素子50,51,52,53の手段により輪郭 図として示されているが、ただ１個の測定軸であるＸ軸のみが示されている。光 源50からレーザの形で送出されるビームb₄はビーム分割器51により測定ビームb_{4 .m} 及び基準ビームb_4.rに分割される。測定ビームは基板保持器WHの反射側の面54 に達し、且つ反射された測定ビームは例えば角のある立方体である固定された逆 反射器により反射される基準ビームとビーム分割器51によって結合される。結合 されたビームの強度は検出器53により測定され、且つこの場合Ｘ方向である基板 保持器WHの位置のズレはこの検出器からの出力信号から得ることができ、又この 保持器の瞬時的位置が決定されることができる。 図１に概略図として示されるように、簡略化のために１個の信号S₅₃により代 表される干渉計信号及び２重整列ユニットの信号S₁₃とS'₁₃は、それによって基 板保持器が基板テーブルを介してXY面において移動するアクチュエータACに対す る制御信号S_ACへ上記の信号を処理する例えばマイクロコンピュータである信号 処理ユニットSRUへ加えられる。 図１に示すＸ測定軸のみでなくＹ測定軸及び多分第３の測定軸を持つ干渉計に より、整列マークＰ₁,Ｐ₂及びＭ₁,Ｍ₂の位置及びそれらの間の相互の距離は、マ スクと基板の相互関係の配慮の下での最初又は包括的整列中に静止している干渉 計により定義される座標システムにおいて固定できる。この干渉システムは、 ステッピング投射装置が第１のICから第２のICへ極めて正確に進むことができる ために必要である基板テーブルを極めて正確に移動させることのためにも使用さ れる。 図１に示すように、もし投射装置がマスクパターンのICエリアへの投射中にマ スクと基板が同期して移動しなければならないステップ・アンド・スキャン装置 であれば、このマスクも１方向即ち走査方向に移動しなければならない。投射レ ンズシステムの拡大率Ｍに配慮して、この移動は基板の対応する移動に同期しな ければならない。この場合、マスクと基板は投射中相互に静止していなければな らず、且つ両者は投射レンズシステム及び投射ビームに関連して移動しなければ ならない。マスクの移動を測定するために、該装置は第２の干渉計を備えねばな らない。この干渉計システムは素子50,51,52,53,54に類似の機能を有する素子60 ,61,62,63,64を有する。簡略化のために図１において信号S₆₃により代表される マスク干渉計システムからの信号は、そこでこれらの信号が基板干渉計システム からの対応する信号と比較される信号処理ユニットSPUに加えられる。その時、 マスクと基板は相互に正しい位置にあり、同期して移動しているかについて確認 できる。 もしマスクのＸ及びＹ方向の位置がX_r，Y_rにより、基板のそれらがX_w，Y_wによ り、且つＺ軸まわりの回転がφ_x.rとφ_z.wにより表されれば、マスクと基板が相 互の関係において正確に位置すれば下記の条件が満足される： X_x−M.X_r＝0 (1) Y_w−M.Y_r＝0 (2) φ_z.w−φ_x.r=0 (3) 但しＭは投射レンズシステムの拡大率である。マスクと基板は反対の方向に移動 すると仮定した。もし、これらの素子が同一方向に移動すれば、Ｍの前のマイナ スサインはプラスサインにより置き換えるべきである。 これらの条件が満足されたのを確認するには、基板用の干渉計及びマスクのた めのそれの両者が３個の測定軸を持つことで足りる。 しかし、基板干渉計システムは５個の測定軸を持つのが好ましい。この場合、 X_w，Y_w及びφ_z.wのみでなくφ_x.w及びφ_y.wが、即ちＸ軸及びＹ軸の回り の傾斜が測定される。 マスクのそのような傾斜の測定ができるために、５軸マスク干渉計システム、 又はX_r，Y_r及びφ_z.rを決定するための３軸干渉計システム並びにφ_x.r及びφ_{y. r} 測定のためのキャパシタンス・センサのような他のセンサの組み合わせが使用 される。 もし、X_w，Y_w，φ_x.w，φ_y.w及びX_r，Y_r，φ_z.r，φ_x.r，φ_y.r、並びに焦点 誤差検知システムの援助により、Ｚ軸に沿っての基板とマスクの位置であるZ_w及 びZ_rが測定されれば、(1)、(2)及び(3)の条件のみでなく下記の条件が満足され ることを確認できる： M².Z_w−Z_r＝0 (4) M.φ_x.w−φ_x.r＝0 (5) M.φ_y.w−φ_y.r＝0 (6) マスク整列マーク及び基板整列マークを相互の関連において相互に整列するた めの、図３に記述の軸上整列ユニットは、与えられた最小値までの線幅を持つ像 が作られるステッピング及びステップ・アンド・スキャン投射装置の両者に対し て卓越して適切であることが認められた。しかし、IC製造における新技術の使用 及び像の線幅の減少は、既知の整列ユニットの精度と信頼性に関して問題に発展 することが予測される。線幅を減少させる時は、整列精度が強化されねばならな い。一時的に基板を平坦にするための上記のCMP処理を使用する時は、基板回折 格子マークに非対称が導入されるので第１次副ビームが使用される整列手順は信 頼性が失われる。更に、１個の波長を持つ整列ビームを使用する時は、満足させ ることが次第に困難になって来ている厳格な要求が、整列マークの回折格子の溝 の深さに課せられねばならない。 これらの全ての問題は、基板マークの整列に対して離軸整列ユニットの使用す ること、及び１より高い回折次数を持つ副ビームである高次副ビームを整列に使 用することにより解決できる。基板マークの整列が最早投射レンズシステムを通 じて発生しないため、一層多くの副ビーム、特に高次の副ビームを使用する一層 大きい自由度が存在するであろう。整列ユニットの解像度は副ビームの次数の増 加と共に増加するので、整列の精度は顕著に高められるであろう。特に、高次の 副ビームは基板回折格子マークの角により決定され、回折格子の中央部に比して これらの角は上記のCMP処理及び回折格子の対称性に影響を与える他の手段によ る影響が少ないため、回折格子マークにおける非対称の問題は大部分除去される 。更に、１個以上の波長を持つ整列光の使用が可能なため、回折格子の溝の深さ に課せられる要求も可成り軽減できる。 下記に詳述するように、回折次数は、本発明に準拠の整列ユニットにおいて、 電子的手段及び関連するソフトウエアではなく光学的素子により相互に分離され る。その結果、信号の振幅を測定する必要はなく、この種の技術においては一層 伝統的な位相測定が利用できる。 図４は新規の離軸整列ユニットの回路図を示す。回折格子の形状をしている基 板マークはP₁で表される。この回折格子へ入射する波長λを持つ平行整列ビーム ｂは、下記の既知の回折格子式により定義される回折格子の垂線に対して異なる （示されていない）角度α_nに広がっている多数の副ビームに分割される： Sinα_n＝N.λ／Ｐ (7) 但しNは回折次数であり、Ｐは回折格子周期である。 回折格子により反射される副ビームの通路は、該副ビームの異なる方向を平面73 上でこれら副ビームの異なる位置u_nに変換するレンズシステムL₁を取り入れてい る： u_n＝f₁.α_n (8) この面において、更に異なる副ビームに分離するための手段が用意される。この 目的のために、例えば楔の形をした偏向素子を備えた板がこの平面に配置される であろう。図４において、この楔はWEPで示される。該楔は例えば該板の裏面に 与えられる。その場合、プリズム72は該板の表側に与えられ、それにより例えば ヘリューム・ネオン・レーザである光源70から来る整列ビームは整列ユニットに 結合できる。このプリズムは０次の副ビームが検出器に到達することも防止でき る。楔の数は使用される副ビームの数に対応する。ここに示される実施例におい て、プラス次数に対し次元毎に６個の楔が存在するので、副ビームは整列に対し て７次を含むこの次数まで使用することができる。全ての楔は異なる楔角を持つ ために、異なる副ビームの光学的分離が実現する。 第２のレンズシステムL₂が楔板の背後に用意される。このレンズシステムは平 面基準板RGPの上にマークＰ₁の像を作る。楔板が無ければ、全ての副ビームは基 準面上に重なり合ったであろう。楔板を通過する異なる副ビームは異なる角度で 偏向されるので、副ビームにより形成される像は基準面上の異なる位置に到達す る。これらの位置X_nは： X_n＝f₂.γ_n (9) により与えられ、γは楔板により副ビームが偏向される角度である。 これらの位置において、基準回折格子Ｇ₉₀−Ｇ₉₆が図５に示すように与えられ る。個別の検出器90-96がこれらの基準回折格子それぞれの背後に置かれる。各 検出器の出力信号は基板回折格子Ｐ₁の像が関連する基準回折格子と一致する範 囲に依存する。従って、基板回折格子の整列の範囲、即ち基板のそれは各検出器 は90-96により測定できる。しかし、測定が実施される精度は使用される副ビー ムの次数に依存する；この次数が大きければ精度も高い。図５において、簡略化 のために全ての基準回折格子Ｇ₉₀-Ｇ₉₆は同一の回折格子周期を持つと仮定した 。しかし、実際には、各回折格子の回折格子周期は関連する副ビームの次数に適 合される。次数が大きくなるにつれて回折格子周期は小さくなり、一層少ない誤 差が検出できる。 ここまで、ただ１組の回折次数が考慮された。良く知られているように、回折 格子は＋1,＋2,＋3,等々次の副ビームに加えて回折次数が−1,−2,−3,等々次の 副ビームを形成する。プラス次及びマイナス次両者の副ビームは回折格子像の形 成に使用される。即ち、回折格子マークの第１番目の像は+1次及び-1次の副ビ− ムの共同により作られ、第２番目の像は+2次及び-2次の副ビームの共同により作 られ、等々となる。+1次及び-1次副ビームに対して、楔を使用する必要はないが 、通路長差を補償する平行平面板が楔板の平面においてこれらの副ビームの位置 に与えられる。このようにして、プラス次及びマイナス次の両者に対する６個の 楔が2〜7次のために必要となる。 図６は、図４の実施例の楔の動作を一層明瞭に示している。一層の概略図であ る図６において、第１レンズシステムＬ₁及び第２レンズシステムＬ₂は波形の線 で示されている。明確化のために、第１次の副ビームb(+1)及びb(-1)、第７ 次の副ビームb(+7)及びb(-7)、並びに他の次数の副ビームb(+i)及びb(-i)、例え ば５次の副ビーム、のみが示されている。図６が示すように、楔角即ち楔の傾斜 した面が楔板WEPの平面とで作る楔80及び80’の角度は、副ビームb(+7)及びb(-7 )は平行な方向に偏向され、且つ１個の基準回折格子Ｇ₉₆上に第２レンズシステ ムにより一点に集光するような角度である。同様に、副ビームb(+i)及びb(-i)は 、関連する楔82及び82’により平行の方向に偏向され１個の基準回折格子Ｇ₉₁上 に集光される。第１次副ビームは偏向されず第２レンズシステムにより１個の基 準回折格子Ｇ₉₃上に集光される。各回折次数のプラス次及びマイナス次の両者の 使用により、基板回折格子マークＰ₁の信頼できる像が関連する基準回折格子上 に作られ、利用可能な光が最大限利用される。 図７はマークＰ₁の平面及び基準回折格子板RGPとの関連においてレンズシステ ムＬ₁及びＬ₂の好ましい位置並びにこれらレンズシステムの焦点距離を示す。第 １レンズシステムは焦点距離f₁を持ち、且つこのシステムはマークＰ₁の平面か ら距離f₁に配置される。レンズシステムＬ₁は副ビームの主光線を光軸OO’と平 行の方向に偏向させる。第１レンズシステムと第２レンズシステムとの間の距離 は、f₂を第２レンズシステムの焦点距離とする場合に、f₁＋f₂に等しい。基準回 折格子板は第２レンズシステムから距離f₂に配置される。２個のレンズシステム の間の通路において副ビームの主光線は光軸OO’に平行であるので楔板の位置は 厳しくない。 図４の実施例において、同一回折次数のプラス及びマイナス次の副ビームは関 連する基準回折格子上に第２レンズシステムにより正確に重ね合わせられるよう に偏向されるために、２個の関連する楔の相対的品質に対し最も厳しい要求が課 せられる。これらの品質要求は楔の傾斜表面の質および楔角に関係する。 上記の要求を軽減し、且つ整列ユニットの許容誤差から開放するために、図８ に示される偏向素子の構造が好んで使用される。各副ビームに対して１個の独立 した楔の代わりに全ての副ビームに共通の多数の例えば３個の楔板190,191,192 が使用される。図８は概念図を、図９は楔板の側面図を示す。楔角、即ち板の上 面と下面との間の角度、板192に対しては面192aと面192bの間の角度、は３個の これらの板は図８ではその一部しか示されていないが多数の開口部200を持つ。 これらの開口部は副ビームが関連する板に入射する位置に配置される。しかし、 そのような全ての位置に開口部が存在するのではない。副ビームが板の開口部に 入射すれば、それはこの板では偏向されない。 副ビームは板を通過する時に、０、１又は２個の開口部に遭遇するであろう。 第１次副ビームのみがゼロ開口に遭遇し、何れの板によっても偏向されない。図 ９には、副ビームの１個が板を通過する通路が示される。このビームは第１の板 190により右に偏向される。最後に、このビームは板192の開口部200を通過し、 これ以上の偏向は発生しない。副ビームのそれぞれに対し、開口部の数及びその ような開口部の存在する板の順序も他の副ビームに対するものとは異なるために 、全ての副ビームは異なる方向へ偏向される。３個の板の組み合わせにより、２³ ＝８の異なる偏向方向が実現できることは明らかである。同一回折次数の１対 の副ビームは同一楔板で偏向されるので、これらの副ビームが平行方向に偏向さ れない危険を最小にできる。 図４及び図５の実施例において、次数が１から７までの副ビームが使用される ため、７個の基準回折格子Ｇ₉₀‐Ｇ₉₆がＸ方向の整列に必要となる。Ｙ方向の整 列については図５に示すように７個の別の基準回折格子Ｇ₉₃‐Ｇ₁₀₄と共に７個 の副ビームが又必要になるでろう。その場合、２組目の12個の楔が図４の実施例 のＹ方向に楔面上に配置される。図８の実施例において、２組目の板は副ビーム をＹ方向に偏向させる２組目の３個の楔板が副ビームの通路において１組目の楔 板の前方又は後方に配置される。基板マークは図２に示めすマークであろう。第 １次副ビームに対しては、図５に示されるように２個は8.0μｍの回折格子周期 を持ち他の２個は8.8μｍの回折格子周期を持つ４個の回折格子部分を有する類 似の基準回折格子が使用される。他の基準回折格子は、基板回折格子Ｐ₁の16μ ｍの周期を持つ回折格子部分の関連する回折次数に対応するただ１個の回折格子 周期を持つ。この時、図２の回折格子マークＰ₁に関連する44μｍの捕捉範囲は 維持される。 図４及び５の実施例において、最高の次数を持つ副ビームは最大角度で偏向素 子により偏向される。しかし、これは必要でない。実際の状況下では、この順序 は、例えば回折格子像における光学的収差を最小にするために修正されるであろ う。これは、図５に示されるように増加する次数を持つ副ビームが正の角度と負 の角度に交互に楔により偏向される理由でもある。 基板マークＰ₁の与えられた非対称性において十分に正確な方法で整列するこ とが検出されねばならない最小数の回折次数は、コンピュータ・シミュレーショ ンの手段により決定できる。そのようなシミュレーションは、例えば第１次副ビ ームを使用すれば150nm残存する整列誤差が、第５次副ビームが使用されれば20n mに減少できることを証明した。 原則として、検知できる最大の次数は検出可能な最低の照度及びレンズシステ ムＬ₁，Ｌ₂の開口値により決定される。既知のように、回折格子により作られる 副ビームの照度はこの副ビームの次数の増加と共に急速に減少し、副ビームの照 度はこの副ビームの次数の２乗に反比例する。第７次副ビームに対して、照度は 第１次副ビームのそれの約1/50である。しかし、離軸整列ユニットを通過する整 列ビームの反射による照度損失は軸上整列ユニットを通過する時に比して可成り 小さい。後者のユニットにおいて、整列ビームは例えばそこで反射損失が発生す るであろう約100個の面に遭遇するが、前者のユニットでは例えばただ20個のこ れらの面に遭遇するに過ぎない。総反射損失が、離軸整列ユニットで４の約数で あれば、７次整列副ビームは軸上整列ユニットにおける第１次整列ユニットと同 等の照度を持つであろう。 回折次数がＮの副ビームを通過させるために光学的システムＬ₁，Ｌ₂が持たな ければならない開口の数値NA_nは： NA_n＝Sin(N.λ／Ｐ) (10) により与えられる。回折格子周期p＝16μｍ及び波長λ＝544nmの７次副ビームに 対して、好ましい開口の数値は約0.24であり、これは非常に受け入れ易い値であ る。 十分に安定なシステムを保証するために、種々の基準回折格子が水晶で構成さ れるのが好ましい単一板RGP上に与えられる。この板の寸法、従って第２レンズ システムの像フイールドは基準回折格子の寸法d₁及びそれら相互の距離d₂により 決定される。この距離及び寸法は、例えば、両者ともに0.2mmであるためには、 板RGPのＸ及びＹ方向の寸法d_x及びd_yは2.8mmであり、且つ好ましいフィー ルドの直径は約3mmである。 図４の実施例の個別の楔はガラス又は水晶で作られ水晶板に固定されるであろ う。この構造は高度の安定性を示す。楔は透明な合成物質から、例えばUV硬化プ ラスチック等から製造されてもよいであろう。この場合は、例えば水晶基板に塗 布されるこの材料の薄い層内に１回のランでモールドの手段により全楔構造をプ リントするために、それ自体は光学の分野て既知の複製技術の使用が好ましい。 既に述べたように、個別の楔の代わりに、開口部を有する楔板の使用が好ましい 。個別の楔又は楔板の代わりに、ただ１個の数次のみが使用される回折格子のよ うな他の偏向素子も他の手段として使用されるであろう。更に、例えばイオン移 植の手段により作成される板の材料中において屈折率が変化するパターンで構成 される偏向構造体の使用も可能である。 基板マークの溝の深さに対し厳し過ぎる要求を課する必要をなくするために、 例えば633nm及び532nmの２個の波長を持つ整列光を使用することが好ましい。整 列回折格子が副ビームを偏向させる角度及びレンズシステムＬ₁の後方焦点面に おけるこれらのビームが占める位置は、式(7)及び式(8)から明白なように、波長 に依存する事実が適用される。原理的に、異なる波長に対する次数は相互に識別 できる。しかし、別の手段がなくとも、与えられた次数、例えば第１波長(633nm )の第２次は例えば第２波長(532nm)の第２次と第３次の間に来るであろう。異な る波長の次数を相互に良好に分離するために、異なる波長のビームは基板回折格 子Ｐ₁上へ異なる角度で入力することが保証される。７個の回折次数が使用され る場合、図10に示されるような状況はレンズシステムＬ₁の後方焦点面に創り出 されるであろう。さて、第１の波長の異なる次数に対する第１の交差パターンの 位置110〜137、及び第２波長の異なる次数に対する第２の交差パターンの位置13 8〜165が存在する。図６の中央に２重矢印の手段により示されるように、これら のパターンは相互の関係においてオフセットされているが、それは異なる波長を 持つ整列ビームの入射の異なる角度に起因する。これらの角度は、焦点外れに起 因して発生する整列誤差を防止するために、可能な限り最小に維持されるべきで ある。２個の波長を使用する時、回折素子を有する板は勿論図10に示される状態 に適合しなければならないが、これは24個の分離した楔の代わりに48個の 楔が使用されねばならないこと、又は６個の楔型の板の代わりに12個のそのよう な板が使用されねばならないことを特に意味する。 ２個の波長を持つ整列に対する一層優れた他の方法は図11に示される。この図 において、参照番号160は偏光に敏感なビーム分割器を示す。このビーム分割器 は例えばHe-Neレーザから633nmである第１波長λ₁を持ち且つ偏光の第１方向を 持つ第１整列ビームｂを受け取り、且つこのビームを基板回折格子マークＰ₁へ 通す。このビーム分割器への入射に、例えば532nmの第２波長を持ち周波数２倍 器に先行するYAGレーザから来る第２整列ビームb₅がある。ビームb₅は、ビームb₅ が基板マークＰ₁へ反射されるようにビームｂの偏光に垂直な偏光方向を有する 。ビームｂ及びb₅の主光線は１個のビームとしてマークP₁へ通されるようにこれ らのビームはビーム分割器により統合される。該マークによる反射後、ビームｂ 及びb₅はビーム分割器により再度分割される。分離された整列ユニット170,180 はこれらのビームのそれぞれに対して存在する。これらユニットのそれぞれは整 列ビームを発し基板マークから来る異なる回折次数の副ビームを、ビーム分割器 を経て、受け取る。これらのユニットのそれぞれにおいて、基板マークの像は、 図４を参照して記述されたように、異なる基準回折格子上に異なる副ビームで形 成される。この目的のために、各ユニットには、レンズシステムＬ₁，Ｌ₂(L₁'， L₂')、楔板WEP(WEP')と図８又は１連の楔型板、基準回折格子RGP(RGP_')を持つ板 、多数の検出器90〜96(90'〜96')、及びそのビームが結合プリズム72(72')を経 て該システムに結合されている光源、が与えられる。 図12は、特別で且つ好ましい種類のビーム分割器160が使用されている整列ユ ニットの実施例の一部を示す。このビーム分割器は、偏光に敏感なビーム分割プ リズム210，1/4波長板211及び反射器212を有し、異なる波長を持ち、ここには示 されていない源から来るビームb₁₀及びb₁₁は太線で、回折格子マークＰ₁により 反射されるビームは細線で示されている。ビームb₁₀及びb₁₁は同一の偏光方向を 有する。第１ビームb₁₀はプリズム210内の偏光に敏感なビーム分割層213に向け て反射器215により反射される。この層はビームb₁₀を回折格子マークＰ₁に向け て反射する。回折格子マークにより反射され且つ異なる回折次数の副ビームに分 割された光は１個の単一ビーム光線b₁₅によって表現される。ビーム b₁₅は図12には示されていない偏光素子及び検出器の関連する構造体へ向けて層2 13により反射される。 第２のビームb₁₁は1/4波長板211に向けてビームを反射するビーム分割層213に 向けて反射器216により反射される。このビームb₁₁がこの板を通過後、この板の 裏面において反射層212により反射され、板211を再度通過する。板211を離れる ビームb₁₂は当初のビームb₁₁の偏光方向に関し90°以上回転している偏光方向を 有する。ビームb₁₂はビーム分割層213を通過することができて、回折格子マーク Ｐ₁に到達する。このマークにより反射される光も単一ビーム光線b₁₆により示さ れる。このビームは先ずビーム分割層213を通過し、次いで1/4波長板211を２度 横切り、最後に図12には示されていない楔及び検出器の関連する構造体に向けて 層213により反射される。図12において反射されたビームb₁₆及びb₁₇が空間的に 分離されたビームとして表現されているのは、単に明瞭化のためのみであり、実 際はこれらのビームは一致している。同じことがマークＰ₁の位置におけるビー ムb₁₀及びb₁₁についても言える。 図11及び12の実施例において、第１レンズシステムＬ₁は図12に示すようにビ ーム分割器216と回折格子マークＰ₁の間に配置されるのが好ましい。これは、異 なる波長の２個のビームに対して、ただ１個のそのようなレンズシステムを必要 とすると言う追加の利点を有する。反射されたビームに対して、図12には示され ていない別の第２のレンズシステムが必要であることは残る。 上記の種々の実施例では、検出器は、基準回折格子の背後に直接に配置される 。しかし実際は、基準回折格子の背後に一束の映像用ファイバ(imaging fibers) が用意されるであろうが、これらは各基準回折格子及び離れた位置の検出器にお ける基板回折格子マークの重ね合わされた像の像を作成するが、このことは装置 全体の設計に関し且つこの装置の性能に関し一層好都合である。例えば、異なる 回折次数の副ビームにより形成される像の間の漏話を減少することができ、信号 増幅器及び電子的処理装置から発生する熱は整列ユニット及び装置から遠ざける ことができる。光源も整列ユニットから離れた位置に配置され、それらの光も該 ユニットへファイバの照明束で導くことができる。このようにして、光源により 発生される熱は整列ユニット及び投射装置から放しておくことができる。 プリズム216と第２レンズシステムL₂の間で、ビームb₁₅及びb₁₇の１個に対し て、この装置の操作者に基板マークの可視像をモニターにより提供するカメラに 向けてこのビームの一部をスピンオフするために部分的に透過する反射器が与え られるであろう。 各種の検出信号を使用するのに色々な可能性がある。これらの副ビームに関係 する検出器の信号を処理することにより第１次副ビームの手段による整列から開 始される。引き続き、第２次副ビームに関係する検出器の信号は一層詳細な整列 に使用され、次いで第３次副ビームに関係する検出器の信号は更に詳細な整列に 使用され、この過程はさらに次へと進むであろう。これは使用される副ビームが 信頼できる方法で検出されるのに十分な照度を持つ限り継続されるであろう。 他の可能性は、ある回折次数の照度は、特定の処理層が基板上に与えられれば 他の回折次数の犠牲において増加することの認識に基づく。その場合、好ましい 次数の直接の選択は整列に対してなされる。実際の環境では、上記の可能性は組 み合わせることもできる。 一度に製造された基板をマスクパターンで照明する前、又は製造日の始めに整 列ユニットを較正することも可能である。基板マークの多数の位置に対して、各 回折次数に対して検出信号が測定される。これらの測定結果は基板マークの各位 置に対して各回折次数に対する検出信号値を示めすグラフ又は表にして蓄積され る。基板を照明している間、配置測定は例えば最初の３個の次数である低い回折 次数の比較的大きな検出信号のみを測定することにより実行できる。例えば第７ 次の高い回折次数に対して、対応する数値を補間法により決定できる。この方法 により、整列誤差を高い解像度及び大きな信号振幅で決定できる。 ここまで、基準回折格子の形をする装置基準に関連してのみの基板整列が記述 された。同一の整列ユニットにより基板保持器又はテーブルの位置も決定できる 。その目的のために、この保持器又はテーブルは基板整列マークに類似の整列マ ークが与えられる。基板保持器マークに関連しての基板マークの位置はその時に 知られる。マスクパターンと基板の相対位置が固定できるために、基板保持器又 はテーブルに関連してのマスクパターンの位置の測定である追加の測定が必要で ある。この追加の測定のために、図１，図２及び図３を参照して記述された、マ ス クマークが基板保持器のマークに関して整列される軸上整列ユニットが使用され るであろう。図３に示される２重整列ユニットのみでなく、米国特許第4,251,16 0号に記述の単一整列ユニットも使用されるであろう。 基板テーブルに関してマスクパターンを整列する他の１つの可能性は、例えば 米国特許第4,540,277号に記述のイメージセンサユニットの使用である。そのよ うなユニットにおいては、マスク整列マークは基板テーブル上の対応し且つ伝達 できる基準マーク上への投射の手段により像が作られる。このテーブル上に検出 器が基準マークを通過する光を電気信号に変換するために基準マークの背後に配 置されるであろう。第１段階で、このイメージセンサユニットは、例えば、投射 光の波長とは可成り異なる波長を持つ整列光と共に動作する軸上配置ユニットを 較正するか、又は投射レンズシステムに寄り形られる像の像品質をチェックし且 つ発生するであろう歪みと収差を測定することを意図しているが、又マスクパタ ーンを基板テーブルに関し整列するのに極めて適切である。米国特許第4,540,27 7号に記述の送信イメージセンサの代わりに、反射において動作するイメージセ ンサユニットがそれに代わってマスクマークを基板テーブルマークに関して整列 するために使用されるかもしれない。米国特許第5,144,363号に記述のそのよう なユニットは、該テーブル上の反射マークと共に動作し且つ異なる角度から該マ ークを観測し、関連するレンズシステムと共に投射レンズシステムと基板テーブ ルの間に配置されるセンサ板に供給される可成り多数の検出器を有する。 本発明に準拠の離軸整列ユニットは、又このスペースに供給されねばならない 。これは基板テーブルの中心に出来る限り接近して配置されねばならず、且つ例 えば0.3の開口を持つ円錐形の組み立てスペースを必要とする。実際には、基板 テーブルのＹ方向へスライドする長さは、そのために投射装置が設計された例え ば８インチ基板に対して102mmである基板の半径にほぼ対応するため、この方向 に整列ユニットに組み込む余地は殆どない。しかし、基板テーブルのＸ方向への スライドは例えばＹ方向へのスライドより25mm長いため、８インチ基板を取り扱 うことが可能な整列ユニットは投射レンズシステムの光軸から25mmの距離に置く ことができる。これは、投射レンズシステムPLの一部及びその光軸OO’を示す図 13に非常に概念的に図示されている。投射レンズシステムと基板との間の暗い部 分 は投射ビームに専有されるスペースを示し、ｂの記号で示される矢印は整列放射 の副ビームを表示する。整列ビームは例えば25mmの距離である軸OO’からdxの距 離にある基板上への入射である。参照記号CSは利用できるスペースの臨界位置を 表示する。この位置において、異なる回折次数を持つ副ビームが存在する円錐の 直径は、基板までの距離に開口値を２倍した値を乗じた値に等しい。開口値が0. 25で上記の直径である上記の距離が32mmの値に対して、CSの位置における要求さ れる垂直間隔は16mmである。これは実行上合理的な値である。しかし、この垂直 間隔は完全に確保できないであろう。そのような場合、相互に正反対に配置され 、且っそれぞれが基板の一部を覆うことのできる２個の離軸整列ユニットが使用 されるであろう。 図14はOAS-1及びOAS-2で表示されるこれら２個の離軸整列ユニットの測定スポ ットを示す。輪郭で示されるこの図は、基板波はＷで示される中央位置及びスポ ットOAS-1とOAS-2がその範囲内にあるW'とW"で示される２個の位置において示さ れる。これらの指定されたエリアは離軸整列ユニットの範囲内の基板のエリアを 示す。基板の白色の、中央の帯及び左上部と右下部はユニットOAS-1とOAS-2の範 囲内にないため、これらのユニットと協調しなければならない基板マークは、基 板の白色エリアの外で灰色エリアの内部に与えられねばならないことは明白であ ろう。位置決定の目的のために、図14は、+Xと-X方向(IS+X,IS-X)及び+Yと-Y方 向(IS+Y,IS-Y)に対する反射イメージセンサユニットの別個のブランチ並びにLS- Q,LS+Q,LS+P及びLS-Pで表示される焦点とレベルユニットの構成要素も示す。そ のようなユニットは米国特許第5,191,200号に記載され、焦点合わせ誤差、従っ て投射レンズシステムの結像面と感光層平面との間の偏りの測定、及び基板の全 体又は部分的傾斜の測定に使用される。 反射イメージセンサIS又はそのIS-Y部分が図14の実施例から除外されれば、図 14の破線円OAS-3により示されるように、例えば距離65mmにおいて、測定スポッ トは投射システムの軸に一層近く配置されるように離軸配置を設定することが可 能となる。この場合、単一の離軸整列ユニットの範囲はウエーハ全体をカバーす るのに十分であり、ただ１個のそのようなユニットで足りる。 個々のパラメータに対する上記の数値は単に例示の方法として概要説明のため に与えたのに過ぎない。これらの数値は各種の装置において非常に違っているで あろう。 上述のように、離軸整列ユニットは、リトグラフ投射装置のマスク保持器、投 射システム及び基板保持器を有する投射柱中に配置される。一層細かな細部、従 って一層多くの素子を有する一層大型のICの要求の増加と共に、整列処理は一層 時間を消費するようになる。従ってこれらの装置の処理能力は一層の対策がなけ れば低下する。既にそのような装置に別の測定機器を付加することが既に提案さ れている。例えば、この機器では、基板のＸ，Ｙ及びＺ方向における位置は、こ のウエーハが投射柱又は投射装置に持ち込まれる以前に測定される。測定機器に おいて、基板マークは基板保持器又はテーブル上で整列マークに関し整列される ことができる。保持器と共に基板が投射システムに置かれた後、マスク整列マー クが基板保持器マークに関して整列されるのみで足り、それは短時間で実施され る。個別の測定機器と投射機器を有する装置内で、投射機器において第１の基板 が照射されている間に第２の基板が測定機器中で測定されているので、この装置 の処理能力は分離された測定機器がない装置に比して相当に大きくなる。基板マ ークを基板保持器マークに関して整列するために測定機器内で使用される整列ユ ニットは、上記のように離軸整列システムが望ましい。 本発明は、ICの製造のための基板上のマスクパターンのステップ・アンド・ス キャン作像のための装置へのその使用を参照して記述されているが、これは、そ れがこれに限定されていることを意味はしない。本発明は、他の方法として、組 み合わされたか又は全体的な光学システム、磁区メモリのためのガイダンスと検 出パターン、又は液晶ディスプレイパネル製造のための装置に使用できるであろ う。投射装置は、投射ビームが電磁ふく射であり且つ投射システムが光学的投射 システムである光学的装置のみでなく、例えば電子レンズシステムである関連す る投射システムが使用される投射ビームが電子ビーム、イオンビーム又はＸ線の ような荷電粒子ビームである装置であってもよい。一般的に、本発明は、極めて 細かな細部を持つ像が形られねばならない作像システムに使用されるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．投射ビームを供給する光源と；マスク保持器と；基板保持器と；該マスク保 持器と該基板保持器との間に配置される投射システムと；を有して成り、また 上記基板保持器内に設けられる基板を上記マスク保持器内に設けられるマスク に関して終極的に整列させるための整列システムをも更に有して成るリトグラ フ投射装置であって、上記整列システムは上記基板上に設けられる整列マーク を或る基準に関して整列させるための離軸整列ユニットを含むところのリトグ ラフ投射装置において、 上記整列マークは回折マークであり、また、上記整列ユニットは、０より高 い種々の異なる回折次数で上記回折マークにより回折されるところの、少なく とも３以上の或る数の副ビームを個別に検出するのに適合しており、各副ビー ムは上記基準に関する基板マークの位置についての表示を含むことを特徴とす るリトグラフ投射装置。 ２．請求項１に記載のリトグラフ投射装置において、上記基準は、用いられた回 折次数に等しい或る数の、基板整列マークと同じ形を持つ別々の基準素子の構 造体で構成され、また、上記基板マークから来て関連の回折基準素子を通過す る副ビームを電気信号に変換するために、これらの回折素子の各々に対し別個 の検出器が付随していることを特徴とするリトグラフ投射装置。 ３．請求項２に記載のリトグラフ投射装置において、上記基準素子は回折格子で あることを特徴とするリトグラフ投射装置。 ４．請求項２又は３に記載のリトグラフ投射装置において、基板マークと回折基 準素子との間の光通路には、第１レンズシステムと；個別の副ビームに種々の 異なる方向を与えるために上記第１レンズシステムからの副ビームの通路に配 置される偏向素子の構造体と；該当する基準素子上に副ビームを集中するため に上記偏向素子の背後に配置される第２レンズシステムと；を順次に取り入れ ることを特徴とするリトグラフ投射装置。 ５．請求項４に記載のリトグラフ投射装置において、第１レンズシステムと基板 マークの平面との間の距離は第１レンズシステムの焦点距離に等しく、また、 第２レンズシステムと基準素子の平面との間の距離は第２レンズシステムの焦 点距離に等しく、更にまた、第１レンズシステムと第２レンズシステムとの間 の距離は第１レンズシステムの焦点距離と第２レンズシステムの焦点距離との 和に等しいことを特徴とするリトグラフ投射装置。 ６．請求項４又は５に記載のリトグラフ投射装置において、上記偏向素子の構造 体は、各回折次数に対して１対の偏向素子を有し、それによってこの回折次数 で反対の回折次数符号を持つ副ビームを偏向させ、その偏向させ方は、第２レ ンズシステムがこれらの副ビームを当該の１つの基準素子上に収束させるよう にしてあることを特徴とするリトグラフ投射装置。 ７．請求項４，５又は６に記載のリトグラフ投射装置において、上記偏向素子の 構造体は、副ビームの数に等しい数の個別の光学的楔を有することを特徴とす るリトグラフ投射装置。 ８．請求項４，５又は６に記載のリトグラフ投射装置において、上記偏向素子の 構造体は多数の透明な楔型の板を有し、それらは副ビームの通路に前後に並べ て配列され、種々の異なる楔角と、偏向しないで光を通過させるための多数の 開口部とを持ち、開口部の数とそれらの位置とは、ｎ個の板の組合せを用いて ２ⁿの回折次数が２値をとるやり方で異なる方向に偏向できるようにしてある ことを特徴とするリトグラフ投射装置。 ９．請求項１ないし８のうちのいずれか１項に記載のリトグラフ投射装置におい て、上記基板マークは線形の回折格子であることを特徴とするリトグラフ投射 装置。 10．請求項９に記載のリトグラフ投射装置において、上記基板マークは２個の回 折格子部分を有し、その第１の部分の回折格子ストリップの方向は第２部分の 回折格子ストリップの方向に垂直であり、上記偏向素子の構造体は２次元構造 であり、また上記基準は２次元の基準であることを特徴とするリトグラフ投射 装置。 11．請求項１ないし10のうちのいずれか１項に記載のリトグラフ投射装置におい て、上記離軸整列ユニットは、異なる波長のビームを供給する２個の光源と、 基板マークへの通路上で２つのビームを組み合わせるため及び上記のマークで 反射されるビームを分割するためのビーム分割器とを有すること、並びに偏向 素子及び回折基準素子の別個の構造体がこれらのビームの各々について存在す ることを特徴とするリトグラフ投射装置。 12．請求項１ないし11のうちのいずれか１項に記載のリトグラフ投射装置におい て、第２の離軸整列ユニットが存在し、且つ最初に記述した整列ユニットと、 この第２の整列ユニットとは投射システムに関して正反対の側に配置されるこ とを特徴とするリトグラフ投射装置。 13．請求項１ないし12のうちのいずれか１項に記載のリトグラフ投射装置におい て、整列システムは、マスクパターンに関し基板を整列させるするために、軸 上整列ユニットをも更に有することを特徴とするリトグラフ投射装置。 14．請求項13に記載のリトグラフ投射装置において、上記軸上整列ユニットは、 投射ビームの波長とは異なる波長を持つビームを発する光源を有することを特 徴とするリトグラフ投射装置。 15．請求項13に記載のリトグラフ投射装置において、上記軸上整列ユニットは、 投射光で動作する画像センサによって構成されることを特徴とするリトグラフ 投射装置。 16．マスクパターンを第１の基板上に投射するための投射装置及び第２の基板の 位置を測定するための測定装置を含むリトグラフ投射装置において、該測定装 置は請求項１ないし12のうちのいずれか１項に記載の離軸整列ユニットを含む ことを特徴とするリトグラフ投射装置。