JPH01240801A - 位置検出装置及び方法 - 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、半導体露光装置、半導体検査装置、あるいは
レーザリペア装置等における各種位置合わせに使われる
位置検出装置、及び検出方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体露光装置１！（プロキシミティ一方式、投影方式
等）のうち、近年、高い重ね合わせ精度と高いスルーブ
ツトを満す装置として、投影レンズを用いたステッパー
が実用化され、半導体デバイス（特にＲＡＭ、ＲＯＭ等
のメモリ）の製造に多用されている。この種の装置は、
レチクルに描画された回路パターンを、等倍、１１５．
１／１０等の投影レンズを介して半導体ウェハ上のレジ
スト層の各ショット領域にステップアンドリピート方式
で順次露光していくものである。このため予めウェハ上
の各ショット領域に形成された回路パターン（下地層）
と、これから投影露光すべきレチクルの回路パターン像
とが精密（例えば±０．１ｐｍ以内）に位置合わせされ
なければならない。

この位置合わせの為に必要不可欠なものが、レチクルに
形成されたアライメントマークや、ウェハ上の代表的な
位置、又はウェハ上の各ショッＢｉｉ域毎に付随して形
成されたアライメントマーク等の位置を高精度に検出す
るアライメントセンサーの技術である。この技術は、マ
スクとウェハを近接させたプロキシミティーアライナー
や、その他のウェハ検査装置、レーザリペア装置等に広
く応用できる基礎技術の１つでもある。

アライメントセンサーには古くから各種の方式が提案さ
れてきたが、いまだに完成したものはなく、多かれ少な
かれ何らかの問題点を伴っているのが現状である。特に
生産ラインで使われる装置においては、高いマーク検出
率と位置検出精度、及び処理時間の高速化の少なくとも
３点を同時に満足するアライメントセンサーを備えた装
置が要求される。もちろんマーク位置の検出再現性につ
いても十分に安定していることが望まれる。

このようなマーク検出の技術は、マークそのものが経時
的にほとんど変化しないもの、例えば光学式エンコーダ
のスリンドパターン等においては比較的容易であるが、
半導体ウェハのようにウェハ上の各層（８〜１６層程度
）毎に様々の熱的、化学的なプロセスを受けるものを対
象とする場合は、筒車ではない、特に半導体露光装置で
はウェハ上にはかならずレジスト層（０，５〜２μｍ　
ｌ！￥　）が塗布されており、このレジスト層を介して
Ｆ地のマークを検出しなければならない。このため現在
実用化されている各種光学式のアライメントセンサーで
は、レジスト層の光学特性（反射率、屈折率、吸収率等
）の影響、及びレジスト層の薄膜干渉の影響を受けて、
位置検出精度が理論値通りに得られないことが知られて
いる。

そこで現在ステッパー等で実用化されている代表的な２
つのアライメントセンサーについて第２図を参照して説
明する。

第２回は転写すべきパターン領域ＰＡを有するレチクル
Ｒと感光基板であるウェハＷとの間に両側テレセンドリ
ンクの投影レンズＰ　Ｌを配置した縮小投影露光装置の
構成を示す。レチクルＲは波長４３６ｎｍのｇ線（また
は波長３６５ｎ渭のｉ線）等の露光光ＥＬによって均一
照明され、この露光光のもとでレチクルＲとウェハＷと
は共役に配置される。第１のアライメントセンサーはレ
チクルＲの上方よりアライメント用の光ビームをウェハ
Ｗへ照射する方式であり、所謂ダイ・パイ・ダイ・オー
［アライメント系と呼ばれている。第２のアライメント
センサーはレチクルＲを介さず光ビームをウェハＷへ照
射する方式であり、所謂フィールド・パイ・フィールド
・オートアライメント系と呼ばれている。

第１のアライメントセンサーは、露光光（ｇ線）に近似
した波長（約４４０ｎｍ）のレーザビームを発生するＨ
　ｅ　−Ｃｄレーザ光源２００１ビームエクスパンダ２
０１ａ、２０１ｂ、レンズ系（あるいはシリンドリカル
レンズ）２０２、ビームスプリッタ−２０３、第２対物
レンズ２０４、ガルバノミラ−、ポリゴンミラー等のス
キャナーミラー２０５、第１対物レンズ２０６、ミラー
２０７、集光レンズ２０８、及び光電検出系２０９で構
成される。ここで第１対物レンズ２０６はテレセンドリ
ンクであり、その光軸は投影レンズＰＬの入射側及び射
出側で光軸ＡＸと平行になるように定められる。第１対
物レンズ２０６の前側焦点面はスキャナーミラー２０５
の反射面と一致し、同時に投影レンズＰＬの瞳面（絞り
位置）ＥＰとも一致するように配置される。そして光電
検出系２０９の受光面も投影レンズＰＬの瞳面ＥＰと共
役に配置される。このアライメントセンサーでは、レー
ザ光源２００からのレーザビームがレチクルＲの下面で
スポット光（微小円形、又は微小幅のスリット状）Ａと
なって収束し、レチクルＲのアライメントマーク領域を
垂直に照射する。このビームはさらに投影レンズＰＬに
よりウェハＷ上でスポット光Ａ”　として再結像される
。スキャナーミラー２０５が振動（又は回転）すること
によって、レチクルＲ上のスポット光ＡとウェハＷ上の
スポット光Ａ”は共に１次元に走査される。

この走査によって、レチクルＲのマーク領域に遮光層で
形成されたマークパターンからは回折光、散乱光、又は
正反射光が生じ、この光情報は、第１対物レンズ２０６
、スキャナーミラー２０５、第２対物レンズ２０４、ビ
ームスプリンター２゜３、集光レンズ２０日の順に進み
、光電検出系２０９に受光される。

同時にレチクルＲのマーク領域の透明部を通過したビー
ムによるスポット光Ａ°の走査により、ウェハＷ上のマ
ークパターンから回折光、散乱光、又は正反射光が生じ
る。この光情報は投影レンズＰＬ、レチクルＲの透明部
を介してアライメントセンサー内に進み、同様に光電検
出系２０９で受光される。不図示の処理回路は光電検出
系２０９からの光電信号、すなわちレチクルマークから
の情報とウェハマークからの情報とを解析して、両マー
クの相対的な位置ずれを求め、この位置ずれ量が所定の
範囲に入いるように、ウェハＷを保持するウェハステー
ジＳＴ、又はレチクルＲを保持するレチクルステージを
水平面内で２次元（χ、ｙｌ　θ）に微動させる。これ
により、レチクルＲのパターン領域ＰＡとウェハＷ上の
１つのショット領域との直接的なアライメントが達成さ
れる。

ここでスポット光Ａ１又はＡｏが走査される部分は、レ
チクルＲのパターン領域ＰＡ又はウェハＷ上のショット
領域の周囲のストリートラインと呼ばれるウェハＷ上で
５０〜１１００ｐ幅の領域である。このため、アライメ
ント後の露光時には、ミラー２０７がパターン領域ＰＡ
に達する露光光ＥＬを遮へいしないように退避する。

一方、第２のアライメントセンサーは、露光光（ｇ線）
とは異なる波長（６３２，８ｎｍ）のレーザビームを発
生するＨｅ−Ｎｅレーザ光源２２０、ビームエクスパン
ダとして機能するレンズ系２２Ｌ　２２２　（２２２は
シリンドリカルレンズでもよい）、ビームスプリッタ２
２３、対物レンズ２２４、ミラー２２５、及び光電検出
系２２６とで構成される。レーザ光源２２０からのレー
ザビームはレンズ２２１．２２２、ヒ゛−ムスブりンク
２２３を介して対物レンズ２２４に入射し、対物レンズ
２２４はビームを空間中にスポット光（微小円形、又は
スリット状）Ｂとして収束させ、このビームは投影レン
ズＰＬによってウェハＷ上でスポット光Ｂ″として再結
像される。ここで、第２のアライメントセンサーの先端
に４５°で設けられたミラー２２５は、レーザビームの
中心軸（主光線）が、投影レンズＰＬのレチクル側、又
はウェハ側で光軸ＡＸと正確に平行になるように、装置
側に固定されている。このため、ミラー２２５はレチク
ルＲのパターン領域ＰＡの最外周よりも外側で、かつ投
影レンズＰＬの視野内に配置され、露光中にミラー２２
５がパターン領域ＰＡからの光束をさえぎらないように
設定される。またレーザビームの波長が露光光よりも長
いために、色収差によってスポット光ＢはレチクルＲの
下面とは一致しない。

さらに光電検出系２２６の受光面は投影レンズＰＬの瞳
面ＥＰと共役に定められる。

さて、アライメントの際は、スポット光Ｂ゛が静止して
いるためウェハステージＳＴを矢印ｌのように一次元走
査し、ウェハマークがスポット光Ｂ″に照射されたとき
に生しる回折光、散乱光、正反射光を光電検出系２２６
で受光する。ウェハステージＳＴの移動位置をレーザ干
渉計等で高精度にモニターし、光電検出系２２６の光電
信号が特徴的な波形となったときのステージ位置を求め
ることで、ウェハＷのスポット光Ｂ゛に対する位置が規
定される。レチクルＲが装置に対して予め高精度にアラ
イメントされて保持されているものとすれば、ウェハＷ
上の各ショット領域はパターン領域ＰＡの投影像と間接
的にアライメントされる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記第１のアライメントセンサーを用いた位置検出方法
では、直接レチクルＲとウェハＷとのずれ量が計測でき
るものの、ビームのスキャン幅を小さ（しないと、アラ
イメントマークの縮小化、高精度化、及び高速性が失な
われるため、計測レンジ（計測できるウェハ上の領域）
は必然的に小さくなってしまう、またこの方式では、レ
チクルＲのマーク領域の透明部を通してウェハＷ上へビ
ームを落しているため、ウェハＷ上のごく一部分しかみ
られないといった問題もある。すなわちウェハＷ上のマ
ークがレチクルＲのマーク領域の透明部内に位置するよ
うにプリアライメント（又はグローバルアライメント）
した後でないと、第１のアライメントセンサーを使えな
いという点である。さらにこの方式では、レーザビーム
のスポット光ＡＳＡ’　をレチクルＲとウェハＷの夫々
で結像させなければならないので、露光光の波長と近位
（又は一致）させることを余義なくされる為、レーザビ
ームをウェハＷ上へ落す際も、ウェハＷ上のショット領
域を不用意に感光させないようにしなければならない。

従ってウェハＷ上のマーク位置が大きくずれている状態
で、このマークをサーチすることは不可能であった。

一方、第２のアライメントセンサーを用いた位置検出方
法では、レチクルＲを観察していないため、レチクルＲ
とウェハＷとの位置誤差を直接計測することができない
欠点がある。しかしながら、この方式によるレーザスポ
ット光Ｂ′　は、レジスト層に対して非感光性の波長を
選ぶことができるので、ウェハ上のマーク位置が不正確
なものであっても、スキャン長（ステージ移動、量）を
大きくするだけで容易にマークサーチが可能である。

ただし、ウェハマークをスポット光Ｂ”でとらえた後、
再びレチクルＲとウェハＷ上のショット領域とが整合さ
れる位置ヘウェハステージＳＴを移動させる必要がある
。この移動中は全くウェハマークを観察していないため
に、ウェハステージＳＴの高精度な位置決め制御が必須
である。

このように、第１のアライメントセンサー、第２のアラ
イメントセンサーとも一長一短があるが、同一の露光装
置に第２図に示したように両センサーを共に装備すると
なると、全体として極めて複雑な系になるとともに、コ
ストアンプ、調整の困難さ、部品の多さといった点で問
題があった。

本発明は、この様な問題点に迄みてなされたもので、走
査ビームによるアライメントセンサーと静止ビームによ
るアライメントセンサーとの互いの特徴を生した位置検
出装置及び方法を、単純な系で低価格で実現することを
目的とする。

さらに本発明は、投影型露光装置の投影結像レンズに関
して色収差の生ずる波長のビームを用いて、走査ビーム
方式の位置検出センサーと静止ビーム方式の位置検出セ
ンサーとを効率よく組み合わせた位置検出装置及び方法
を得ることを目的とする。

さらに本発明は、走査ビーム方式七静止ビーＬ方式とで
位置ずれ計測の信号処理を共通化した位置検出装置を得
ることを目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

そこで本発明は上記問題点を解決する為に、走査ビーム
方式のアライメント光学系の送光路中に設けられた振動
ミラー、ポリゴンミラー等のビームスキャナー（走査手
段）をバイパスさせる可動光学系を設け、この可動光学
系をビーム光路中に出し入れすることによって、走査ビ
ーム方式と静止ビーム方式とを必要に応して切替えられ
るようにした。そして静止ビーム方式のときは、走査ビ
ームの走査方向と同じ方向にアライメントマーク等を有
する物体を移動させるようにしたものである。走査ビー
ム方式は静止した物体に対してビームスボンド（微小円
形又は微小幅スリット状）が移動するので、ビームスキ
ャン方式と呼び、静止ビーム方式は静止したビームスポ
ンドに対して物体（ステージ）を移動させるのでステー
ジスキャン方式七呼ぶ。

〔作　用〕

ビームスキャン方式とステージスキャン方式との切替え
はミラー群、又はプリズム等を可動にしておき、ビーム
スキャナーをバイパスさせるだけなので、アライメント
マーク検出用の他の光学部材は全く共通に使用できるた
め、両方式での光学調整は極めて容易である。またアラ
イメントシーケンスに応じて極めて短時間のうちに、マ
ークサーチ動作とファインアライメント動作を切替える
ことができる。例えば第２図に示したように、両方式に
よるアライメントセンサーがレチクルＲ上（投影レンズ
ＰＬの視野内）で異なった位置にあると、マークサーチ
（ラフ・アライメント）とファイン・アライメントとで
位置が異なるために、ウェハステージＳＴが位置を変え
なければならなかった。このためファイ〉・アライメン
ト時にマーク検出に失敗すると、別のマークのサーチ、
又は失敗したマークの再サーチを完了するまで時間がか
かっていた。本発明ではビームスキャン方式によるファ
イン・アライメントで例えマーク検出に失敗したとして
も、ただちにステージスキャン方式に切替えて、ウェハ
ステージＳＴをその位置からビームスキャン方向にサー
チ移動させるだけでよい。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例による位置検出装置を、
第２図に示したのと同様の投影型露光装置（ステンバー
）に適用した場合の構成を示す図である。第１図におい
て、第２図と同し機能の部材には同一の符号を付しであ
る。ここでも投影レンズＰＬは両側テレセンドリンク系
とし、レチクルＲは２次元（ｘ、ｙ、θ）方向に微動可
能なレチクルステージＲ３に保持され、駆動系２８によ
ってアライメントのために移動される。ウェハステージ
ＳＴは駆動系２６により、ステップアンドリピート方式
の移動、及び静止ビーム方式の際のステージスキャンが
行なわれ、Ｘ方向とＸ方向の直線移動は別個のモータで
行なわれる。ステージ測長系２５はレーザビームをウェ
ハステージＳＴ上の移動鏡に垂直に照射し、その反射光
を固定鏡からの参照光と干渉させて、フリンジの変化を
計測する干渉計で構成され、ウェハステージＳＴの２次
元の座標値（ｘ、Ｘ方向）を検出する。測長系２５は、
Ｘ方向、Ｘ方向の夫々に関してウェハステージＳＴが例
えば０．０１μｍ移動する毎にアップダウンパルスを発
生するパルスジェネレータ部と、このパルスをアップダ
ウンカウンタで計数するカウンタ部とで構成されている
。

さて、レーザ光ａ１０からのレーザビームはビームエク
スパンダ１１．１２、シリンドリカルレンズ１２ａを通
った後、スキャナーミラー１３で反射され、リレーレン
ズ１４．１５、ミラー１６、対物レンズ１７及びミラー
１８を介してレチクルＲのパターン面にスリット状のス
ポット光ＳＰとして収束する。第１図では、シリンドリ
カルレンズ１２ａとリレーレンズ１４との間の光路中に
、２枚の平行なミラー２０ａ、２０ｂを４５″で配置し
た可動ミラ一体２０が挿入されている。

このため、シリンドリカルレンズ１２ａを射出したビー
ムは、まずミラー２０ａの上半面で直角に反射された後
に、ミラー２０ｂでさらに直角に反射され、再びミラー
２０ａの下半面で直角に反射されて、リレーレンズ１４
に入射する。

従って、レチクルＲに照射されたスポット光ＳＰは、ビ
ームがスキャナーミラー１３をバイパスしたためレチク
ルＲ上で静止したものとなる。この可動ミラ一体２０は
切替駆動系２１によって光路中に進退可能に設けられて
いる。可動ミラ一体２０が光路中から退避すると、ビー
ムはスキャナーミラー１３によって振動走査され、ビー
ムスキャンモードになる。第２図と同様に、スキャンミ
ラー１３の反射面は、投影レンズＰＬの瞳ＥＰとほぼ共
役に配置され、ビームスキャン時に走査位置によらずビ
ームがレチクルＲを常に垂直に照射（所謂テレセントリ
ック照明）する。また静止ビームの場合は、レチクルＲ
の透明部中にスポット光ＳＰが静止し、投影レンズＰＬ
によってウェハＷ上にスポット光ＳＰ’　　として再結
像される。

尚、リレーレンズ１４と１５の間の共役像面ＦＰはレチ
クルＲ、ウェハＷの夫々と共役な面であり、ここにはス
ポット光ＳＰと同様のスポット光が空間内に結像してい
る。像面ＦＰには、ビームスキャン時のスキャン幅の制
限、スリット状のスポット光ＳＰの長手方向の整形等を
目的しとて、アパーチャを設けることができる。

尚、第１図において、シリンドリカルレンズ１２ａの母
線を紙面と一致させ、スキャナーミラー１３の振動軸を
紙面と垂直にすると、像面ＦＰでのスポット光は紙面と
垂直な方向に伸びたスリット状の分布となり、紙面内の
左右方向にスキャンされる。従ってレチクルＲのスポッ
ト光ＳＰ。

ウェハＷのスポット光ＳＰ’　は共にスリット状のスポ
ット光の長手方向と直交する方向に振動スキャンされる
。

さて、レチクルＲのマーク、又はウェハＷのマークから
の光情報は、ミラー１８、対物レンズ１７、ミラー１６
、リレーレンズ１５．１４、スキャナーミラー１３（又
は可動ミラ一体２０）、シリンドリカルレンズ１２ａ、
及びレンズ１２を介して、ビームスプリッタ３０の位置
まで戻り、ここで一部反射されて、集光レンズ３１、空
間フィルター３３を介して光電素子（フォトマルチプラ
イヤ−、シリコンフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイ
オード等）３２に達する。空間フィルター３３はレンズ
１２．３１によってスキャナーミラーＩ３の反射面、す
なわち瞳ト：Ｐと共役にされ、正反射光、散乱光、回折
光（±１次、±２次、±３次程度）を分離して抽出する
。光電素？−３２は、これら正反射光、散乱光、回折光
を別個に受光して、各受光量に応じた光電信号を前処理
系２３に出力する。

前処理系２３は入力した光電信号のうち、適宜所定の光
情報に対応したものを選び、信号ゲインの最適化や信号
のミキシング等を行ない、その処理された信号（アナロ
グ）Ｓ、を位置検出系２４へ出力する。位置検出系２４
はスキャナー駆動系２２からスポット光ＳＰの単位走査
量毎に出力される計測パルス信号Ｓ２と、測長系２５か
らステージＳＴの単位移動量毎に出力される計測パルス
信号（アンプダウンパルス）Ｓ、とを入力し、いずれか
一方のパルス信号と信号Ｓｌとに基づいてウェハＷ上の
マーク、もしくはレチクルＲ上のマークの位置を検出す
る。ここで検出された位置情報は、主制御系２７に送ら
れ、レチクルステージＲ８の駆動系２８、又はウェハス
テージＳＴの駆動系２Ｇによるアライメント動作に使わ
れる。

以上、本実施例のアライメントセンサーは第１図ではレ
チクルＲ上で１ケ所しか示していないが、実際には２〜
３ケ所に同様のアシ１″メントセンサーが設けられ、レ
チクルＲやウェハＷのｘ−Ｘ方向及びθ（回転）方向の
位置ずれが検出される。

次に本実施例の動作を説明する。

レチクルＲはレチクルステージＲ５に保持された状態で
、装置に対して、ある精度内で位置決めされているもの
とする。レチクルＲには第３図に示すように矩形の回路
パターン領域ＰＡの３辺のストリートライン相当領域に
矩形状の透明窓ＲＭつ、ＲＭ、、ＲＭθがレチクルマー
クとして形成されている。これらマークＲＭ、、ＲＭ、
、ＲＳイθの各々はパターン領域ＰＡの周辺の遮光帯Ｓ
Ｓ内に設けられる。またレチクルＲの左右には、レチク
ルアライメント専用のマークＲＡ、、ＲＡｚが形成され
、これらマークＲＡ　ｌ、　ＲＡ　２及びパターン領域
ＰＡは投影レンズＰＬの視野領域ＩＦ内に位置するよう
に定められる。

一方、ステージＳＴ上のウェハＷには第４図に示すよう
に各ショット領域ＳＡ毎にアライメントマークＷＭ、、
ＷＭ、、ＷＭθが形成されており、これらマークＷＭＸ
、ＷＭ、、ＷＭθは、そのンヨノト領域ＳＡをレチクル
ＲとアライメントしたときレチクルＲのマークＲＭイ、
ＲＭ、、ＲＭθの夫々と一致するように定められている
。第５図はウェハＷ上のマークＷＭ、ｌの形状とスポッ
ト光ＳＰ’　との平面的な関係を示し、ここではマーク
ＷＭＸをＸ方向に伸びた中心線ＣＬに沿って微小な矩形
パターンを周期的に配列した回折格子にする。この場合
スポット光ＳＰ’　はＸ方向に細長いスリット状であり
、マークＷＭＸとは相対的にＸ方向に走査される。マー
クＷＭ、、ＷＭθについてはともにＸ方向に伸びたスポ
ット光によってＸ方向に相対走査される。

さて、このようなウェハＷに対してアライメントを行な
う場合、オフ・アクシス方式のアライメントセンサーに
よって例えば±１μｍ程度の精度でウェハのグロールア
ライメントを実行しておく。

この精度はもう少しゆるくてもよい。そして、レーザ光
ＦＪＩＯからのレーザビームがウェハＷ上のレジスト層
を感光させ得る波長の場合は、第１図中のシャッターＳ
Ｈをビーム光路中に入れ、可動ミラ一体２０を第１図の
ように光路中に挿入し、静止ビーム方式にする。

そしてウェハＷ上のショット領域ＳＡの設計上の配列座
標に基づいて、ウェハＷ上のいくつかのショット領域Ｓ
Ａに付随したマークＷＭ、、ＷＭ８を静止したスポット
光ＳＰ“でサンプルアライメントする。このとき位置検
出系２４は計測パルス信号Ｓ３の各パルスに応答して光
電信号Ｓ、の波形をデジタルサンプリングするモードに
切替えられる。

さて、第６図に示すように、例えばあるショット領域Ｓ
　Ａ　Ｉ　に付随したマークＷＭ工をＸ方向に伸びたス
ポット光ＳＰ工”で検出する場合、グローバルアライメ
ントの結果と設計上のショット配列座標とに基づいて、
マークＷＭＸの近傍のＸ方向にずれた位置にレチクルマ
ークＲＭ、の窓が位置するようにウェハステージＳＴを
位置決めする。静止ビーム方式にすると、スポット光Ｓ
Ｐ。

“はレチクルマークＲＭＸのほぼ中心に位置する。

ここで第１図中のンヤンターＳ　Ｈを開き、マークＷＭ
、とスポット光ＳＰ、’　とが横切るようにウェハステ
ージＳＴをＸ方向に移動させる。このとき、レチクルＲ
のマークＲＭ、を透過するＸ方向計測用のスポット光Ｓ
Ｐｙ”は、第１図中のシャンク−３Ｈと同様のンヤンタ
ーによってウェハＷ上に照射されないようになっている
。尚、第６図中のｓｃ、、ｓｃ、はショット中心を表わ
す。

第７図はスポット光ＳＦＸ’　　とマークＷＭＸとの位
置関係を示し、Ｘ方向に伸びた幅り、のスト１ノートラ
イン領域にマークＷＭＸが形成され、Ｘ方向に挟まれた
ショット領域ＳＡ、とＳＡ、の夫々に対してＸ方向にｄ
ｌ、ｄｚの間隔があけられている。スポット光ＳＰ！’
　のＸ方向の長さをり、とすると、Ｄ、　＜Ｄ＋を満足
し、グローバルアライメント等の精度を考慮して、スポ
ット光ＳＰＸ″がショット領域ＳＡ、　、、ＳＡ、にか
からないようなサイズ関係に定められている。

仮りにストリートライン領域の幅り、を５０μｍ、マー
クＷＭ、の長さ（Ｄｓ　　ｄｌ　　　ｄ２）を４０μｍ
程度とし、スポット光ＳＰ、’　のグローバルアライメ
ントあるいはビームゆらぎ等によるＸ方向の位置設定精
度を±３μｍ程度に見積もるものとすると、スポット光
ＳＰつ゛の長さり、はマークＷＭｘの長さと同程度に定
めることができる。

Ｘ方向のマークＷＭ、をスポット光ＳＰ、”で検出する
場合も同じである。

尚スポット光ＳＦＸ’　、ＳＰ、’　はマークＷＭ、、
ＷＭアの幅とほぼ等しいものとする。

以上のようにして、ウェハＷ上のいくつかのショット領
域ＳＡについて、Ｘ方向とＸ方向の各マークＷＭｘ、Ｗ
Ｍアの位置検出を行なう。この結果は主制御系２７に送
られ、計測した離散的なショット座標値と設計上のショ
ット座標値とから、ウェハＷ上の実際のショット配列の
近似式を決定する。以後、測長系２５で計測された座標
値が、近位式で決定された実際のショット配列の座標値
と一致するように順次ウェハステージＳＴをステッピン
グさせては、レチクルＲのパターン領域ＰＡの像を露光
することを繰り返す。

こうしてウェハＷ上の各ショット領域ＳＡを露光してい
く途中で、レチクルＲとショット領域ＳＡとが正しくア
ライメント（重ね合わせ）されているかを確認する必要
もある。

その場合には、あるショット領域ＳＡを投影レンズＰＬ
の直下にステ７ピングさせた後、アライメントセンサー
の先端のミラー１８を退避位置から繰り出しておき、可
動ミラ一体２０をビーム光路中から退避させてビームス
キャンモードにした後、シャッターＳＨを開く。すると
第８図に示すように、レチクルＲのマークＲＭ、の窓の
Ｘ方向に伸びたエツジＥ　Ｉ　、Ｅ　３を横切る振幅で
Ｘ方向に伸びたスポット光ＳＰＸがＸ方向に走査され、
ウェハＷ上のマークＷＭＸに対してもスポット光ＳＰつ
゛がＸ方向に走査される。

位置検出系２４はスキャナー駆動系２２からの計測パル
ス信号Ｓ２に基づいて、前処理系２３からの信号Ｓ、の
うち、回折光に応じた光電信号Ｐ、とエツジ散乱に応じ
た光電信号Ｐ、、を波形サンプリングし、Ｘ方向の位置
Ｘ＋　、ＸＺ、Ｘ３を求める。さらに位置検出系２４は
ΔＸ＝ｘｚ　−（ｘ＋＋Ｘｆｆ）／２の演算により、相
対的なずれ量ΔＸを求める。このずれ量ΔＸは極めて小
さなもので、例えば±０．２μｍ以下である。そして、
このずれ量ΔＸが許容値以上のときは、さらにウェハス
テージＳＴ又はレチクルステージＲ３をΔＸだけ位置補
正する。その後、シャッターＳＨを閉じ、ミラー１８を
退避させて、そのショット領域に対する露光を行なうと
ともに、レチクルステージＲ３で補正しなかった場合は
以後のショット領域に対するヌテソピング位置をΔＸに
相当する量だけシフトさせておく。

このずれ量ΔＸを求めて、レチクルＲ又はウェハＷを微
動させる方式は、従来のダイ・パイ・ダイ・オートアラ
イメントと全く同様である。

また、静止ビームによるステージスキャンモードで、ウ
ェハＷ上の数ケ所のマークＷＭ、、、ＷＭ８をサンプル
・アライメントすると、そのマークを含む局所領域のレ
ジスト層が感光することになる。そこで、ステップ・ア
ンド・リピート方式で露光していく途中のあるショット
領域に対してダイ・パイ・ダイアライメントを行なうと
きは、先にサンプル・アライメントを行なったショット
領域に定めるとよい。これはマークＷＭ、　、ＷＭ。

を覆っているレジスト層の光学的な特性が、サンプル・
アライメント時の予備露光によって安定しているからで
ある。このため、スポット光ＳＰＸ″　（ＳＰｙ’）を
スキャンし始めた瞬間から、波形歪みの少ない良好な光
電信号Ｐ５を得ることができ、ダイ・パイ・ダイアライ
メント時に必要とされていた待ち時間を大幅に短縮でき
るといった１１点がある。

尚、第１図において、可動ミラ一体２０はミラー２０ａ
、２０ｂのような２つの反射面を存するプリズムにして
も同等の効果が得られる。第１図のように２つのミラー
２０ａ、２０ｂでビームをバイパスさゼると、シリンド
リカルレンズ１２ａからリレーレンズ１４まで光路長は
、可動ミラ一体２０を通る場合とスキャナーミラー１３
を通る場合とで等しくなる。ところがプリズムニ１−７
だ場合はプリズムのガラスの屈折重分だけ光路長が異な
るため、場合によっては光路長補正のための光学素子（
平行平板、ガラスプロンク等）をスキャナーミラー１３
の前、又は後に適宜設ける必要がある。

第９図は、本発明の第２の実施例によるアライメントセ
ンサーの送光系の一部を示し、特に静止ビームと走査ビ
ームの切替え部分を示す。第１図と異なる点は、静止ビ
ームにしたときにスポット光の高い停止精度が得られる
ように、可動ミラー体４０によって静止ビームをスキャ
ナーミラー１３ヘバイパスさせて走査ビームを作るよう
にしたことである。すなわち、レーザ光源１０からのビ
ームを固定ミラー２０で直角に曲げてリレーレンズ１４
の方へ導び（。この際、固定ミラー２０の反射面を高精
変に調整しておけば、静止ビームのテレセンドリンク性
（各光学系の光軸に対する平行性）を必要な精度で保存
できる。固定ミラー２０と対向する位置にはスキャナー
ミラー１３が配置され、走査ビームを得る場合は、固定
ミラー２０とほぼ平行に可動ミラ一体４０を４０°の位
置に挿入する。可動ミラ一体４０のスキャナーミラー１
３と対向する面４０ａが反射面であり、ビームは反射面
４０ａの上方部で直角に反射されてスキャナーミラー１
３に達し、ここで反射された後、再び反射面４０ａの下
方部で反射されてリレーレンズ系１４に導びかれる。

第１Ｏ図は、さらに走査ビームと静止ビームの切替え部
分を示す第３の実施例である。

第１０図では、スキャナーミラー１３をバイパスさせる
ために、可動ミラ一体２００内に４枚のミラー４２ａ、
４２ｂ、４２Ｃ１４２ｄを設け、このミラ一体２００内
でビームを偶数回（４回）反射させることにした。可動
ミラ一体２００内の４枚のミラー４２ａ〜４２ｄは互い
に平行に配置され、ミラ一体２００内では一定の精度で
固定されている。まずミラ一体２００が図中矢印ｍに沿
って上方に退避し、光路外にあるとき、レーザビームは
スキャナーミラー１３で直角方向にげられ、さらに固定
ミラー４３で水平方向に曲げられてリレーレンズ１４に
導びかれ、像面ＦＰで走査スポット光となって収束する
。ミラ一体２００が矢印ｍに沿って図中の位置までくる
と、ミラー４２ａがレンズ１２とスキャナーミラー１３
の間に４５°で挿入され、ミラー４２ｄが固定ミラー・
１３とリレーレンズ１４の間に４５″で挿入される。

このためビームは、ミラー４２ａ、４２ｂ、４２Ｃ１４
２ｄの順に各々直角に反射されてリレーレンズ１４に導
びかれる。

この実施例によれば、可動ミラ一体２００の位置設定時
に、第１０図中の紙面内でミラ一体２００が全体的に回
転したとしても、ミラー４２ｄで反射してリレーレンズ
１４に入射するビームの傾きには変化がないので、像面
ＦＰ内のスポット光には位置ずれが生じないごとになる
。従って可動ミラ一体２００の位置設定精度が悪くても
、ビーム（スポット光）の位置再現性を常に安定して得
ることができるといった利点がある。

また先の第１の実施例では、レーザ光源１０は露光光の
波長と近似した（又は一致した）波長のレーザビームを
発生するものとしたが、露光光、投影レンズＰＬの構成
等によっては、他の異なる波長のレーデビームを発生す
るものにしてもよい。

第１１図は、エキシマレーザ（波長２４９ｎｍ）等を露
光光とするステッパーの投影レンズの色収差特性を示し
、投影レンズの硝材として石英と蛍石を用いた場合に設
計可能な広帯２色色消しタイプを示す。波長λ１は露光
光の波長であり、例えば２４９ｎｍになるように収差特
性上の極値（色収差量が零）を合わせる。さらにλ１よ
り長い波長λ２において、色収差量が零になる点を作り
出し、この波長λ２に合致したレーザビームをアライメ
ントセンサー用に使用する。このようなタイプの投影レ
ンズを用いれば、レジスト層に対して非感光域にある波
長λつのレーザビームを用いて、レチクルＲのマークＲ
ＭとウェハＷのマークＷＭとを互いに共役にして、同時
にスボント光で走査することができる。このため静止ビ
ーム（ステージスキャン）方式でウェハＷ上のマークを
サーチする際、第１図中のシャンク−３Ｈが不要となり
、しかも自由に任意の位置をサーチすることができる。

また第１１図中の波長λ３、λ、にアライメントビーム
の波長を合わせざるを得ないときは、それぞれ、波長λ
１に対してΔｚ１、ΔＺ４の収差量が生じ、波長λ１の
もとて共役なレチクルＲとウェハＷは、その波長λ１、
λ４のもとでは最早共役とはならず何らかの対策が必要
である。

最も簡単な公知の手法は、アライメント時にレチクルＲ
と投影レンズＰＬとの間に、収差量ΔＺ３、又はΔｚ４
に対応して光路長を補正する補正光学系（小レンズ、反
射ミラー等）を設けることである。しかしながら、この
種の補正光学系は、グイ・パイ・グイ・アライメントを
するとなると、露光時とアライメント時とでアライメン
ト光路中に出し入れする構造を取らざるを得ない、この
ため、補正光学系の位置再現性、長期安定性（経時的な
ドリフト）等がそのままアライメント精度（マーク位置
検出精度）を左右するといった別の問題を引き起す。グ
イ・パイ・グイ・アライメントの最大の利点は、レチク
ルＲのマークとウェハＷ上のマークとを、露光時に使わ
れる投影レンズ系のみを介して検出することで、露光時
と同じ状態で直接アライメントできることである。

上記のように補正光学系を設けた場合、たとえグイ・パ
イ・グイ・アライメントができたとしてもグイ・パイ・
グイ方式本来の利点が失なわれてしまい、信頼性のない
ものになってしまう。

第１２図は、上記補正光学系を使用せずに、色収差に対
応した本発明の第４の実施例によるアライメントセンサ
ーの光学系の一部を示すものである。その他の基本構成
は第１−のものと同じであるが、レーザ光源ｌＯは８光
光と異なる波長の直線偏光のビームを発生するもの（例
えばアルゴン・イオン・レーザ）とし、この波長のもと
て投影レンズＰＬには所定の色収差が発生しているもの
とする。本実施例では、第１図に示した対物レンズ１７
とリレーレンズ１５との間で投影レンズＰＬの瞳ＥＰと
共役（もしくはその近傍）な位置、すなわち対物レンズ
１７の前側焦点面ＥＰ’　近傍に複屈折物質（水晶、方
解石等）を用いた２焦点素子５０を設ける。この２焦点
素子５０は、正（又は負）のパワーを有する結晶光軸が
光学系の光軸と垂直になるように配置された複屈折物質
のレンズと、負（又は正）のパワーを有する通常のガラ
スレンズとを貼り合わせて、全体としてほぼ平行平板状
に構成されている。レーザ光源１０からのビームは走査
ビーム、あるいは静止ビームとなって、２焦点素子５０
にほぼ平行なビームＬＢ１として入射する。ビームＬＢ
、は直線偏光であるため、その偏光面を結晶光軸と傾け
て入射させると常光線と異常光線の２つの成分を含むこ
とになり、一方の成分、例えば常光線成分は何らパワー
を与えられずに対物レンズ１７に入射し、異常光線成分
は、わずかなパワーを与えられて対物レンズ１７に入射
する。従って対物レンズ１７！ご入射するビームＬＢ、
は直交する２つの光線、つまり常光線、異常光線に応じ
′ζわずかに収れん（又は発散）の度合が異なる。対物
レンズ１７に入射り、た常光線成分（はぼ平行ビーム）
ＬＢ、は、レチクルＲの下面のマークＲＭにスポット光
（微小円形、又はスリット状）ＳＰ、として収束し、異
常光線成分ＬＢ、はレチクルＲ上方の空間的な面Ｗ”に
スポット光（微小円形、又はスリット状）ＳＰ、として
収束する。ビームＬＢ、は、その後レチクルＲのマーク
ＲＭの位置を大きくデフォーカスした状態で透過し、投
影レンズＰＬによって再び収れんされ、ウェハＷ上でス
ポット光ＳＰ、’　として結像される。またビームＬＢ
、はレチクルＲではスポット光ＳＰ、として結像するが
投影レンズＰＩ−を通ってウェハＷに達し７たときは大
きくデフォーカスしている。

すなわち、レチクルＲの下面（Ｒ面）と空間中の面Ｗ°
　との間隔を、レーザビームの波長のもとての色収差量
に対応させるように、２焦点素子５０のパワーを定めて
おくのである。このようにすると、元のビームＬ　Ｂ　
、の直交する２つの偏光成分ＬＢ、、ＬＢ、が完全に同
軸で得られることから、Ｗ″面（すなわちウェハ面）に
できるスポット光ＳＰ、の中心と、Ｒ面にできるスポッ
ト光ＳＰ、、の中心とは、マーク検出方向に関して正確
に一敗することになる。実験の結果、２焦点素子５０の
配置誤差や傾き誤差等によるスポット光ＳＰ、とＳＰ、
の横ずれは、製造公差を考慮しても十分な精度でおさえ
られることがわかった。

第１３図（Ａ）、（Ｂ）は各々Ｗ°面とＲ面のスポット
光ＳＰ、、ＳＰ、のマーク検出方向の光量分布を表わす
。Ｗ゛面のスポット光ＳＰ、、、は、異常光線成分ＬＢ
、によるシャープなガウス分布と、デフォーカスして光
量が低下した（常光線）成分Ｌ　Ｂ　ｏによるブロード
なガウス分布とを重ね合わせたもので、スポット光ＳＰ
、のピーク値に対して、すそ野のバックグランド値は１
１５〜１／１０程度に低下する。Ｒ面のスポット光ＳＰ
。

については偏光成分が逆になるだけで、光量分布の傾向
は相似である。

以上、第１２図に示したアライメントセンサーを用いれ
ば、補正光学系がなくとも、別波長で本来の利点を備え
たグイ・パイ・ダイ・アライメントが可能であり、しか
も静止ビームによるステージスキャンの際は、レジスト
層を感光させずに任意の位置を自由にサーチすることが
できる。このため第１の実施例の場合にくらべると、露
光前のサンプル・アライメント時のマーク検出動作の時
間が大きく短縮されるといった利点がある。また本実施
例では、２焦点素子５０をアライメント用のビームの２
焦点化のために使用し、各マークからの光情報は第１図
の場合と同様に、瞳共役の光電素子３２によって光量と
して検出するだけなので、従来と全く同様のアライメン
トシーケンスをそのまま適用できるとともに、光学系と
して２焦点素子のみを対物レンズ１７に一体に加えるだ
けのシンプルな系なので、極めて安定性がよい。

ところで第１２図に示したアライメントセンサーを用い
、第１図中に示した光′電素子３２によって、レチクル
マークＲＭの両脇のエツジＥ。

、Ｅ２からの散乱光とウェハＷのマークＷＭからの回折
光とを、信号上で合成して取り込むと第１４図のような
波形が得られる。波形上のビークＰ０、Ｐｌはそれぞれ
マークＲＭのエツジＥ、　、　Ｅオからの散乱光に対応
し、ビークＰｗ、はウェハのマークＷＭからの回折光に
対応する。この波形は、第８図にくらべるとバックグラ
ウンド・ノイズＢＬが大きくなる。これは、もともとの
スポット光ＳＰ、、ＳＰ、の光量分布が第１３図のよう
になるからである。一般にウェハ上のマークからの光情
報はレジスト層等のためにコントラストが悪化しやすく
、信号のＳ／Ｎ比を確保しにくくなることがある。この
ような条件下で本質的にバンクグラウンド・ノイズＢＬ
が大きいことはアライメント精度を維持する点ではなは
だ不都合である。

そこで第１５図に示すように、受光系の焦点レンズ３１
の後に偏光ビームスプリンタ５２を設け、レチクルマー
クＲＭからの常光線の反射光はそのまま透過させて空間
フィルター３３Ｐを介して光型素子３２Ｐで受光するよ
うに構成し、ウェハマークＷＭからの異常光線の反射光
は偏光ビームスプリッタ５２で反射させて、空間フィル
ター３３３を介して光電素子３２Ｓで受光するように構
成する。ここでレーザ光源からのビームＬ　Ｂ　、は系
の瞳中心を、瞳径よりも小さな断面積で通るような開口
数に定められる。このことは第１実施例と同じである。

以上の構成によれば、第１４図に示したバック・グラウ
ンド・ノイズＢＬが格段に低減され、光電素子３２Ｐか
らは第１４図のピーク波形Ｐ□、Ｐ　ａｔのＳ／Ｎ比を
よくした光電信号が出力され、光電素子３２３からは第
１４図のピーク波形Ｐ□のＳ／Ｎ比をよくした光電信号
が出力される。

ところで、上記構成において走査ビーム方式の場合はと
もかく、静止ビーム方式の場合は、レチクルＲの透明部
を介してウェハマークのみしか検出しないため、ことさ
らレチクルＲの下面に常光線成分ＬＢ、によるスポット
光ＳＰ、を作る必要はない。

そこで第１５図に示すようにビームスプリッタ３０とレ
ーザ光源ＩＯとの間の光路中に偏光板５４を挿脱可能に
設けておき、静止ビーム方式のときは、この偏光板５４
を挿入して常光線成分ＬＢ。をカットして異常光線成分
ＬＢ、のみにしておく。このようにすると、ウェハマー
クＷＭを照射するスポット光ＳＰ、’　は異常光線のみ
のシャープなガウス分布となって、第１３図のようなす
そ野郎の発生がない。このため、第１５図の光電素子３
２３によってウェハマークＷＭからの回折光が極めてＳ
／Ｎ比よく検出される。

このようにウェハＷを照射するスポット光ＳＰ７゛の偏
光はいずれか一方に限定すれば、ウェハ表面からの反射
光の偏光面の保存性が悪い場合でも、他方のデフォーカ
スした偏光ビームによる反射光がノイズとして混入する
ことがなく、高いＳ／Ｎ比、マーク検出精度が得られる
。尚、静止ビーム方式のときは、偏光板５４の挿入によ
って異常光線成分ＬＢ、のみしか使われないので、偏光
ビームスプリッタ５２を光路中から退避させ、空間フィ
ルター３３Ｐ、光電素子３２Ｐでウェハからの回折光を
受光してもよい。こうすればウェハからの反射光に偏向
特性が保存されていなくても、全く同様にマーク検出が
できる。

さて、第１６図は、第１２図中のレチクルマークＲＭ付
近のビーム分布を示す平面図であり、レチクルマークＲ
Ｍの透明窓内には常光線成分ＬＢ。によるスリット状の
スポット光ＳＰ、が結像され、これを含むように大きく
デフォーカスした異常光線成分ＬＢ、が同軸に分布する
。

異常光線成分ＬＢ、のデフォーカスによる分布は、スリ
ット状スポット光の場合、Ｘ方向とＸ方向とでその比率
が異なる。それは第１図に示したシリンドリカルレンズ
１２ａの作用で、系の瞳面ではビームの断面形状がスポ
ット光ＳＰ、（又はｓｐ、）の長手方向（Ｘ方向）と直
交する方向（Ｘ方向）に帯状に伸びているからである。

そのため、ビームのＸ方向、すなわちマーク検出方向に
ついてはＸ方向よりも開口数が太き（なり、デフォーカ
スした位置での分布もＸ方向の方がＸ方向よりも大きな
比率で広がることになる。

走査ビーム方式の場合、デフォーカスしたビームＬＢ、
はこのマークＲＭの窓をＸ方向に走査されるが、マーク
ＲＭの透明窓は、このビームＬＢ、が十分に通過できる
ようなサイズに定められている。

しかしながら、スポット光ＳＰ２がマークＲＭのエツジ
Ｅ７、又はＥ２の位置にくると、デフォーカスしたビー
ムＬＢ、のほぼ半分が遮光されてしまうことがわかる。

従って走査ビーム方式のときにウェハＷ上のマークＷＭ
、が極端にエツジＥｌ、又はＥ２に近寄った状態では、
マークＷＭｘからの回折光量が極端に低下することにな
る。

そこでスポット光ＳＰ、がエツジＥ＋　、ＥＸと一致し
たときの光電信号のピーク波形に基づいて、エツジＥ、
とＥ２の各々からマークＲＭの中心側へ一定領域の禁止
区域Ｇ、　、Ｇ、を設定し、仮りにこの区域Ｇ１又はＧ
２内でスポット光ＳＰ、、’がマークＷＭＸを検出した
ときは、アライメント精度が保証されないものとして、
区域Ｇｌ、又はＧアからマークＷＭ、がマークＲＭの中
心の方へはずれるようにウェハＷ（又はレチクルＲ）を
微動させてから、再度ビームスキャンを行なってマーク
ＷＭ工を検出すればよい。

また本実施例のようにマークＷＭつからの回折光は、ｙ
−ｚ平面内に広がって発生し、エツジＥ１、Ｅ２からの
散乱光はＺ−ｘ平面に沿って広がって発生するため、マ
ークＷＭＸがエツジＥ。

、Ｅｚの極近傍に位置したとしても、系の瞳の位置では
マークＷＭＸとエツジＥ、　、Ｅ、とを十分に分離して
検出し得る。そこで、第１６図のように禁止区域Ｇ、　
、Ｇ、内にマークＷＭ、が位置したときは、マークＷＭ
、ｌからの光情報を受光する光電素子３２３等からの光
電信号のゲインを、デフォーカスなビームＬＢ、のマー
クＲＭによる遮光率に応じてリアルタイムに可変とすれ
ば、比較的Ｓ／Ｎ比のよい波形が得られる。

以上、レチクル上にスポントを結ぶ光線を常光線、ウェ
ハ上に結ぶ光線を異常光線として述べてきたが、二焦点
素子５０の設定により、その逆、つまりレチクル上に異
常光線、ウェハ上に常光線を結ばせることはもちろん可
能である。

第１７［Ｊは本発明の他の実施例によるアライメントセ
ンサーのビーム送光系を示す図であり、第１図のものと
同し機能の部材には同一の符号を付しである。この実施
例では走査ビームと静止ビームの切替えを第９図に示し
た方式で実現するものとした。もちろん他の方式でも同
様に実施できる。

本実施例において、レーザ光源ｔｏｂはＨｅ−−Ｃｄレ
ーザ等のように露光光（波長４３６ｎｍのｇ線）に近似
した波長のビームＬｒ３ｂを出力し、レーザ光Ｂ　１０
　ａはＨｅ−Ｎｅレーザ等のように露光光の波長から離
れた長波長（非感光性）のビー４ＬＢ、を出力する。ビ
ームＬＢ、はビームエクスパンダ１１．ａ−，１，２ｃ
によって光束径を広げられ、はぼ平行光となって波長選
択性のダイクロイックミラー１６０を通過してシリンド
リカルレンズ１２ａへ入射する。ビームＬＢ、はビーム
エクスパンダｌｌｂ、１２ｂ、　　ミラー１６１を介し
てダイクロイックミラー１６０へ入射し、ここで反射し
てビームＬＢ、と同軸になってシリンドリカルレンズ１
２ａに入射する。

２木のビームＬＢ、、ＬＢ、は固定ミラー２０、又はス
キャナーミラー１３で反射された後、リレーレンズ１４
．１５を通ってテレセントリックな対物レンズ１７０に
入射する。対物レンズ１７０はビームＬＢ、、ＬＢ、の
両波長に対して一定の色収差量が生しるように設計され
ており、ビームＬＢ、はレチクルＲの下面Ｒよりも上方
の空間面Ｗ”にスリット状スポット光ＳＰＡとなって結
像し、ビームＬＢ、はレチクルＲの面Ｒにスリット状ス
ポット光ＳＰＢとなって結像する。面Ｗ′と面Ｒとの間
隔が投影レンズＰＬの色収差量に対応している。

ビームＬＢ、によるスボント光ＳＰＢは投影レンズＰＬ
によってウェハＷ上に再結像され、同時にスボント光Ｓ
ＰＡもウェハＷ上に再結像される。

第１７図では受光系を表わしていないが、第１図に示し
たビームスプリンタ３０を、レンズ１２Ｃとダイクロイ
ックミラー１６０の間、及びレンズ１２ｂとダイクロイ
ックミラー１６０の間に設ければよい。またビームＬＢ
、とＬＢ、とを同軸Ｑこ合成する手前には、それぞれシ
ャッターＳＬ（。

、ＳＨ，が設けられ、必要に応して開閉される。

本実施例の場合、走査ビーム方式でレチクルマークとつ
二ハマークをスポット光（ＳＰＢ）でスキャンするとき
は、シャッターＳＨ，が開かれ、シャッターＳＨ，は閉
（又は開）状態にされる。

また静止ビーム方式でウェハマークのみを検出するとき
（まシャッターＳＨｂが閉しられ、シャンク−３Ｈ，が
開状態にされる。

以北のように、走査ビーム方式のアライメントと静止ビ
ーム方式のアライメントとで異なる波長のビー１、を用
いても同様の効果が得られる。

また第１７図のアライメントセンサーの場合、ウェハＷ
上にはビーＬ、　Ｌ　Ｂ　、とＬＢｂの両方のスポット
光がシャ、ターＳＨ，、ＳＨ，の操作で同時に結像し得
ることから、ウェハステージＳＴ上にマークＷＭと同じ
基準マーク（フィデューシャルマーク）を設けておき、
この基準マークをレチクルＲのマークＲＭの窓内に位置
させた状態で、両ビー、！、ＬＢ、、ＬＢ、の夫々のス
ポット光で走査して、マークの検出位置を比較すれば、
レーザ光ａ　ｌ　Ｏａ、１０ｂからの各ビームの傾きや
ずれが求まる。この検出位置のずれは、ビームＬＢ。

、ＬＢｂを合成する手前に設りた平行平板ガラス、又は
ミラー１６１を調整することで零に追い込むことも可能
だが、検出位置のずれが微小量のときはオフセットｉと
して記憶しておけばよい。

また、このような基準マークを用いると、静止ビームに
よるスポット光がレチクルマークＲＭの窓内のどの位置
にきているかを正確に求めることもできる。そこで、そ
のシーケンスを第１８図を参照して簡単に説明する。ま
ず基準マークＦＭをマークＲＭ内の適当な位置に静止さ
せて、その位置を干渉計等の測長系２５で０．０１μｍ
の精度で読み取り基準位置ＸＦとして記憶する。

次に走査ビームによるビームスキャンモードにして、レ
チクルマークＲＭの中心と基準マークＦＭとの位置関係
を検出する。このとき基準マークに対するレチクルマー
クＲＭの中心のずれをΔＸＲとする。

次に静１１ニビームによるステージスキャンモードに切
替えて、静止したスポット光Ｓ　Ｉ）。′に対して基準
マークＦＭ（ウェハステージＳＴ）を走らせて、マーク
検出位置を測長系２５で正確に求める。この位置をＸＦ
’　　とすると、静止したスポット光のレチクルマーク
ＲＭ中心に対するずれ量ΔＸｃはΔＸｃ−ΔχＲ−（Ｘ
Ｆ’　　−ＸＦ）で求められる。

従って、このずれ量ΔＸｃをオフ・セント量と（−２で
、ウェハ上の複数のショント領域の各マークをステージ
スキャン方式で順次サンプル・アライメントすれば、そ
の結果からただちにレチクルＲのパターン領域ＰＡと各
ソヨノト領域との重ね合わせ位置が正確に定められる。

尚、このずれ量ΔＸｃの求め方は、第１図、第１２図の
構成の場合でも全く同様に適用し得るものである。

第１９図はレチクルマークＲＭとウェハマークＷＭとの
変形例を示し、これに伴ってスポット光の相対走査の方
向性が異なっている。レチクルＲには、Ｘ、Ｘ方向に対
して４５°で傾いた２零の平行なエツジＥ＋　、Ｅｚで
規定されたスリット状の第１窓と、この第１窓に対して
９０°傾いて、ｘ、Ｘ方向に関して４５″で傾いた２本
の平行なエツジＥ、　、Ｅ、で規定されたスリット状の
第２窓とが形成され、ウェハ上には各窓内に対応するよ
うに互いに９０°の角度で回折格子状のウェハマークＷ
Ｍが位置する。

レチクルＲ上のスリット状のスポット光ＳＰ。

は、ｘ、Ｘ方向に対して４５°傾いたまま、走査ビーム
方式の場合は走査線ＳＬに沿ってＸ方向にスキャンする
。第１９図中で、実線で示したスポット光ＳＰ、、がＸ
方向にスキャンされると、エツジＥ、、Ｅ、及びこのエ
ツジＥ＋、Ｅ−の間のウェハマークＷＭ、から散乱光、
回折光が生じる。またスポット光ＳＰ、を実線から破線
のスポット光ＳＰ、のように約９０°回転させてＸ方向
にスキャンすると、エツジＥ、　、Ｅ、及びエツジＥ、
　、Ｅ、の間のウェハマークＷＭ、から散乱光、回折光
が生じる。スポット光ＳＰ、は斜め十字状になるように
実線のものと破線のものを同時に照射してもよい。

このような構成で静止ビーム方式を行なうときは、スポ
ット光ＳＰ、、がエツジＥ、とＥ２の間を通るように照
射し、スポット光ＳＰ、□が工、ジＥ３とＥ４の間を通
るように照射する。このためには、アライメントセンサ
ーの対物レンズ１７（又は１７０）の瞳面の中心を、互
いに異なる角度で通る２つのビームを作る。このように
すれば、その２つのビームの一方がスポット光Ｓ　Ｐ　
ｒ＋となり、他方がスポット光ＳＰ、、となって、レチ
クルＲ上で互いにＸ方向に離れて形成される。そして静
止ビームによるステージスキャンは、ウェハステージＳ
Ｔを走査線ＳＬに沿ってＸ方向に移動させることによっ
て同様に行なわれる。以上のように、ハの字形のマーク
を用いればスポット光の一次元の走査のみでｘ、Ｘ方向
の位置ずれが同時に検出できる。

第２０図は、第１９図に示したマーク検出方式を利用し
てステージスキャンモードでサイト・パイ・サイトアラ
イメントを行なう一例を示す図であり、ウェハＷ上にＸ
方向に並んだ代表的な３つのショット領域のＳＡ＋　、
ＳＡｚ　、ＳＡ３を示す。

各ショット領域ＳＡ、、ＳＡ！　、ＳＡ：＋の上辺と下
辺のストリートライン上にはハの字型のウェハマークＷ
Ｍ−、ＷＭｂ　、ＷＭｃ、ＷＭａが設けられでいる。

第２０図において、ショット領域Ｓ　Ａ　Ｉは、ショッ
ト中心Ｓ０１と投影レンズＰＬの光軸ＡＸとが一致して
露光動作中である。このとき、ウェハ上に形成されるハ
の字型のスポット光ＳＰ、、’、ＳＰ、、’　はそれぞ
れＸ方向の座標位置を揃えてショット領域ＳＡ、の上辺
、下辺のほぼ中央に位置している。各スポット光ＳＰ、
、、’　、ＳＰ、□′　は、投影レンズＰＬの視野領域
ＩＦ内で一定位置に静止している。ここでステップアン
ドリピート方式により、次のショット領域Ｓ　Ａ　ｔの
中心ＳＣ２を光軸ＡＸと一致させるために、ウェハＷを
矢印ＳＤの方向にステッピングさせるものとする。この
ステッピングの途中で、ステッピング方向に関して先行
して設けられたマークＷＭ、　、ＷＭｃの夫々がスポッ
ト光Ｓ　Ｐ、、’　、Ｓ　Ｐ、、’をＸ方向に横切る。

マークＷＭ、　、ＷＭｃをショット中心ＳＣに対してＸ
方向にｈＩだけずらしておけば、光軸ＡＸがショット中
心ＳＣ２、（ＳＣ，）と一致する前にマーク検出が行な
われ、スポット光ＳＰ、“、ＳＰ、、’　に対するショ
ッＮｉｌ域ＳＡ、の２次元的な相対位置が高速に演算さ
れる。そして、この演算で求めた位置、測長系２５で検
出されるウェハＷの現在位置、及びショノＩ・中心ＳＣ
７に対するマークＷＭ、とＷＭ、の設計上の配置関係等
に基づいて、ウェハステージＳＴの停止位置を決定する
。

以上のようにすれば、マークＷＭをステージスキャンで
検出する動作と、次のショット領域を露光するためのス
テッピング動作とを時間的にオーバーラツプさせること
ができ、各ショット領域毎にアライメンしくマーク検出
）を行なう際のスループントが向上する。

尚、第２０図において、ショット中心ＳＣからｈ２だけ
矢印ＳＤと逆方向に離れた２つのマークＷＭ、　、ＷＭ
、は、ステッピング方向が矢印ＳＤと逆方向になったと
きにマークＷＭｌｌ、ＷＭｃの代りに検出するために設
けたものである。

第２１図、第２２図、第２３図は本発明の他の実施例に
よるアライメントセンサ一部の構成を示す。

第２１図に示した光学系は、第１７図のアライメントセ
ンサーの一部を拡大したものであり、第１７図のリレー
レンズ１４と１５の間の像面ＦＰに、第２２図に示すよ
うなハの字型の透明スリントロ０ａ、６０ｂを有するス
リット板６０を挿脱可能に設ける。このスリット板６０
はレーザ光源１０ｂからのビームＬＢｂによる走査ビー
ム方式のときは光路中から退去し、レーザ光源１０ａか
らのビームＬＢ、を用いた静止ビーム方式のときは光路
中に挿入される。また第２１回には示していないが、静
止ビーム方式のときは、スリノ１６０を照射するレーザ
ビームＬＢ、が２本のスリット６０ａ、６０ｂをカバー
する程度にほぼ均一に広がった照明光となるように、例
えば像面ＦＰとすＩ／−レンズ１４　（第１７図参照）
との間に拡散板等が連動して挿入される。さて、ビーム
ＬＢ１は露光光に対して長波長に定められているため、
像面ＦＰに位置したスリ、・１６０．ｄ、６０ｂは、リ
レーレンズ１５と対物レンズ１７０によってレチクルＲ
上方の空間中の而Ｗ′に像として結像される。面Ｗ“　
はビーム＋−Ｂ　、の波長のもとでは、投影レンズＰＬ
を介してウェハ面と共役であり、ウェハ上には第２３図
に示すようにレチクルマークＲＭの透明部を通して２つ
のスリット像６０ａ”、６０ｂ’　が形成される。レチ
クルマークＲＭはＸ方向に長い矩形状の透明部内に遮光
層で２木のハの字型のマークパターンＲ，％１、Ｒ１□
ヲ形成したものである。スリット像６０ａ’　、６０ｂ
゛はウェハ上に形成されるハの字型のマークＷＭ、、Ｗ
〜１□と同しす・イズ、間隔になるように定められ、マ
ークパターンＲ１、Ｒ１の例えば内側に位置する。第２
３図中のハの字型のマークＦＭ、、ＦＭ！は、ウェハス
テージＳＴ上に固定されたフィデューシャルマークであ
る。

さて、本実施例の場合、走査ビーノ、によるマーク検出
は、第１７図のアライメントセンサーの場合と全く同様
にビームＬＢｂをスキャナーミラー１３で偏向し、スポ
ット光ＳＰＢを走査線ＳＬに沿って直線走査することで
行なわれる。ビームＬＢ、による静止ビーム方式の場合
は、スリット板６０を第２１図に示したように光路中に
挿入し、７、　ＩＪット板６０をビームＬＢ、によって
均一に照明する。そして２つのスリット像（ｉ０ａ’　
、６０ｂ”に対してつＪハを走査線Ｓ　Ｌに沿って一次
元移動させることで２次元的なマーク位ｉσが検出でき
る。

尚、第２１図のように像面ＦＰにス゛ノント板６０が入
いると、ウェハ上のマークＷＭ、　、ＷＭ２とスリット
像６０ａ’　、６０ｂ’　　とが合致したときに生じる
散乱光や回折光は、投影レンズＰＬ、対物レンズ］７０
、及びリレーレンズ１５を介して再びスリット板６０の
スリット６０ａ、６０ｂを透過して光電素子の方へ戻っ
て（る。

本実施例では像面ＦＰに設けたスリンｌ−６０ａ、６０
ｂの投影像６０ａ’　、６０ｂ’　が静止ビームとなる
。このため第１９図で説明したように２木のスポット光
ＳＰ、、、ＳＰ、、を２木のビームで独立に作る必要が
なく、極めて筒車である。またスリン１−仮６０は可動
に設けられているため、その位置設定精度等をきびしく
しないといけないが、先の第１８図で説明したのと同様
にスリット像６０ａ’　、６０ｂ’　　とレチクルマー
クのパターンＲ１、Ｒｍ２との相対的位置関係を８１測
しておけば、それ程きびしい精度も必要ない。

その相対位置関係は、まずビームｔ−Ｂｂによる走査ビ
ーム方式で任意の基準位置（ＸＦ、ＹＦ）におかれたフ
ィデューシャルマークＦＭ、　、ＦＭ２とレチクルマー
クのパターンＲ−１Ｒ１１２との２次元の位置ずれ（Δ
ＸＲ１ΔＹＲ）を求める。

次にスリット板６０を入れて静止ビーム方式に切替えて
、スリット像６０ａ’　、６０ｂ”に対してフィデュー
シャルマークＦＭ、、ＦＭＺをＸ方向にスキャンし、ス
リット像６０ａ’　、６０ｂ’の座標値１（ＸＦ”、Ｙ
Ｆ’　）を求める０以上より、スリット像６０ａ’　、
６０ｂ’　の中心のレチクルパターンＲゆ１、Ｒ，Ｉｔ
中心に対するずれ量（ΔＸｃ２ΔＹｉは で表わされる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、走査ビーム方式のアライメント
系と静止ビーム方式のアライメント系とをほとんど同一
の光学系、受光素子で共有化でき、光路の切換えのみで
使用するため、省スペース、コストダウンが計れる。ま
た両刃式の特長を生かし、ビームスキャンモードではマ
ーク計測９■域を狭くして高精度なアライメント用とし
て使い、ステージスキャンモードではマーク計ｉｊｌ’
ｌ　９Ｘ域を広くしてマークサーチ用として使うことが
できる。このため各種アライメントセーケンスにフレキ
シブルに対応でき、効率的なウェハ処理が可能である。

また静止ビームと走査ビームはレチクル上の同一・領域
を通るため、静止ビームの位置再現性をウエハステージ
等を大きく・肋かさなくても極めて簡単にチエツクでき
るといった利点もある。

さらに本発明はマスクと感光基板を近接させたプロキン
ミティ一方式の露光装置にも同様に適用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による位置検出装置を適
用した投影露光装置の構成を示す図、第２図は従来のオ
ートアライメント系を備えた投影露光装置の構成を示す
図、第３図は第１図の装置に使用されるレチクルの構成
を示す平面図、第４図は第１図の装置でアライメントさ
れるウェハの構成を示す平面図、第５図はウェハマーク
とスポット光の関係を示す平面図、第６図は静止ビーム
（ステージスキャン）方式におけるウェハ表面のショッ
ト領域の配列とスポット光の関係を示す平面図、第７図
は静止ビームによるウェハマークの検出の様子を示す平
面図、第８図は走査ビーム（ビームスキャン）方式にお
けるレチクルマークとウェハマークとのアライメントの
様子を示す平面図、第９図は第２の実施例によるアライ
メントセンサーのビーム切替え部分の構成を示す図、第
１０図は第３の実施例によるビーム切替え部分の構成を
示す図、第１１図は投影レンズの色収差の特性を表わす
収差特性図、第１２図は第４の実施例によるアライメン
トセンサーの一部分の構成を示す図、第１３図は第１２
図の装置によるスポット光の光量分布を模式的に表わす
図、第１４図は第１２図の構成の装置によって得られる
光電信号の波形を示す波形図、第１５図は第１２図の構
成と組み合わされる受光系の構成を示す図、第１６図は
第１２図の装置におけるＩ／チクル上のスポット光の分
布を示す平面図、第１７図は本発明の第５の実施例によ
るアライメントセンサーの構成を示す図、第１８図は静
止ビームによるスポット光どレチクルマークとの位置関
係をチエツクする様子を示す平面図、第１９図はレチク
ルマーク、ウェハマーク及びスポット光の他の形状を示
す平面図、第２０図は第１９図のマーク形状によってス
テージスキャンモードでウェハ旧の各ショット領域をア
ライメントする様子を示す平面図、第２１図は第１７図
に示した構成の一部を変形したアライメントセンサーの
構成を示す図、第２２図は第２１図中のスリット仮の構
造を示す平面図、第２３図は第２１図の装置に適用され
るレチクルマークとフィデューシャルマークの形状、配
置を示す平面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ＰＬ・・・投影レンズ、Ｒ・・・レチクル、Ｗ・・・ウ
ェハ、Ｒ３・・・レチクルステージ、ＳＴ・・・ウェハ
ステージ、１０・・・レーザ光源、　　１３・・・スキ
ャナーミラー、１７・・・対物レンズ（ビーム投射系）
、２０・・・可動ミラ一体、２２・・・スキャナー駆動
系、２４・・・位置検出系、　　２５・・・ステージ測
長系。 出願人　　日本光学工業株式会社 代理人　　　渡　ｉ２２　　隆　男 −一一一一−− ンも 枢

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）位置検出すべき物体を保持する保持手段と；検出
   用のビームを発生するビーム発生源と；該ビームを前記
   物体上に形成された検出用のパターンに収束させて投射
   するビーム投射系と；該収束されたビームの照射によっ
   て前記パターンから生じる光情報に基づいて前記物体の
   相対位置を検出する検出手段とを有する位置検出装置に
   おいて、 前記ビーム発生源と前記ビーム投射系との間に設けられ
   、前記物体上の収束ビームを少なくとも１次元に走査す
   るための走査手段と；前記ビーム発生源からのビームを
   該走査手段をバイパスさせて前記ビーム投射系へ導びき
   、前記物体上の収束ビームを静止させるための可動光学
   系と；該可動光学系の切替えによって前記収束ビームが
   静止しているときは、前記走査手段による走査方向とほ
   ぼ同じ方向に前記保持手段を移動させる移動手段とを備
   えたことを特徴とする位置検出装置。
2. （２）前記走査手段は、前記物体上の収束ビームの所定
   の単位走査量毎に第１の計測パルス信号を出力する走査
   位置モニター系を有し、 前記移動手段は、前記保持手段の所定の単位移動量毎に
   第２の計測パルス信号を出力する移動位置モニター系を
   有し、 前記検出手段は、前記可動光学系の切替えに応じて、前
   記第１計測パルス信号と第２計測パルス信号の一方と前
   記光情報とに基づいて前記物体の位置を検出するパター
   ン検出回路を有することを特徴とする請求項（１）記載
   の装置。
3. （３）前記保持手段は、光透過部と遮光部とで形成され
   た第１のパターンを備えた第１物体を保持する第１ステ
   ージと、該第１物体と空間的に対向して設けられ、前記
   第１パターンと対応した部分に第２のパターンが形成さ
   れた第２物体を保持する第２ステージとを有し、 前記可動光学系がビーム光路外に位置したときは、前記
   収束ビームが前記第１パターンと第２パターンの両方を
   一次元走査するように定められ、前記可動光学系がビー
   ム光路内に位置したときは、前記収束ビームが前記第１
   パターンの光透過部を介して前記第２パターンへ照射さ
   れるように定められていることを特徴とする請求項（１
   ）記載の装置。
4. （４）前記第１物体と第２物体との間には、第１の波長
   の光のもとで前記第１パターンと第２パターンとを互い
   に共役関係で結像する結像光学系が配置され、前記ビー
   ム発生源は前記第１波長と異なる第２波長のレーザビー
   ムを発生するレーザ光源を含み； 前記ビーム投射系は、前記結像光学系の前記第１波長と
   第２波長との間の色収差量に対応して、前記レーザビー
   ムを偏光によって２つ離れた面上に収束させる複屈折媒
   質を有し； 前記可動光学系がビーム光路外にあるときは、前記複屈
   折媒質に２つの偏光ビームを同時に入射させて、前記第
   １パターンと第２パターンの夫々に異なる偏光ビームを
   同時に収束させるとともに、前記可動光学系がビーム光
   路内にあるときは、前記複屈折媒質に一方の偏光ビーム
   を入射させて、前記第２パターンのみに該一方の偏光ビ
   ームを収束させる光学素子を設けたことを特徴とする請
   求項（３）記載の装置。
5. （５）前記可動光学系がビーム光路内にあるとき、前記
   静止した収束ビームに対して前記第２ステージを移動さ
   せて前記第２パターンをサーチし、該サーチによって検
   出された位置に前記第２ステージを位置決めした後、前
   記可動光学系をビーム光路外に動かして前記第１パター
   ンと第２パターンとの相対的位置ずれの検出を行なう請
   求項（３）又は（４）記載の方法。