JPH02227603A - 位置検出装置 - 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、半導体素子等の物体上に形成された回折格子
を用いた位置検出装置に関し、特にリソグラフィ用の露
光装置のアライメント時に使用され、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基板との
相対的な位置関係を検出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つのシラン）８！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、ウェハ上のシ四ット
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ＴＴＲ（スルーザレチクル）方式のアライメント系
をもつ装置が知られている。

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、波長３６５ｎ−のｉ線、あるいは波長
２４８ｎ−のＫｒＦエキシマレーザ光など）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
されず、マークの検出精度を低下させるといった問題が
生じる。

また、アライメントのためにアライメント用照明光がウ
ェハ上のマークに照射されると、その部分のレジスト層
は当然に感光してしまい、現像後に各種プロセスを通す
と、ウェハ上の当該マークが破壊されてしまい、次の層
の重ね合わせ露光のときのアライメントに使えないとい
った問題も、本質的ではないが生じてしまう。

そこで、例えば特開昭６３−１５３８２０号公報に開示
されたＴＴＲ方式の別波長アライメント系（アライメン
ト用照明光が露光光の波長と興なる方式）をベースにし
て、ウェハ、又はレチクル上に形成された１次元の回折
格子マークを光学的に検出して、そのピッチ情報からウ
ェハ、又はレチクルの位置を高分解能（ピッチの数分の
１〜数十分の１）に検出する方式が特開昭６３−２８３
１２９号公報で提案されている。

回折格子マークを用いる位置検出には様々な手法が提案
され、実用化されてきた。特開昭６３−２８３１２９号
公報に開示された手法は、そのなかでも回折格子マーク
に対して２方向からほぼ平行なレーザビームを同時に照
射して１次元の干渉縞を作り、この干渉縞を使って回折
格子マークの位置を特定しようとする方法であり、干渉
縞を使うことから干渉縞アライメント法とも呼ばれてい
る。

このような干渉縞アライメント法にも、さらに２つの方
法があり、２方向から照射されるレーザビーム（２本）
に一定の周波数差を与えるヘテロゲイン法と、周波数差
のないホモダイン法である。

ホモダイン法では、回折格子と平行に静止した干渉縞が
作られ、位置検出にあたっては回折格子（物体）をその
ピッチ方向に微動させる必要があり、回折格子の位置は
干渉縞を基準として求められる。これに対してヘテロダ
イン法では２本のレーザビームの周波数差（ビート周波
数）のために、干渉縞がそのピッチ方向にビート周波数
で高速に流れることになり、回折格子の位置は干渉縞を
基準として求めることはできず、もっばら干渉縞の高速
移動に伴なう時間的な要素（位相差）を基準にして求め
ることになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記干渉縞アライメント法を採用した位置検出系では、
実験の結果、２方向から回折格子を照射するビームの成
す交差角や、２本のビームの入射角の対称性が極めて重
要であることが明らかになった。交差角や入射角の対称
性がほんのわずかでも不安定に変動すると、干渉縞のり
ニアリテイやテレセン性等を悪化させ、もともと測定分
解能が高いこともあって、測定分解能に対する検出誤差
量の割合が大きな問題となる。測定分解能が高ければ高
い程、高精度なアライメントが可能である訳だが、検出
誤差量の割合が大きいと、結局はその誤差量の幅でアラ
イメント精度は制限されてしまい、干渉縞アライメント
法を用いたメリットがなくなってしまう。

２つのビームの交差角や対称性を狂わし、不安定にさせ
る要因は色々考えられるが、代表的には装置構造に起因
する問題と、位置検出時の物体（格子マーク）側に起因
する問題とに分けられる。

装置側の問題としては、露光装置等ではアライメント系
の対物レンズやミラー等がマーク位置の変化に対応して
可動する構造を余儀な（されていること、２本のビーム
を作るための光源から回折格子までの光路内には様々の
光学素子が介在し、それらにも多かれ少なかれ製造誤差
、組立誤差が生じること等である。

物体側の計測時の問題としては、主に入射角の対称性に
起因するが、２本のビームが交差している領域内で、計
測すべき回折格子の部分表面が、計測のたびに光軸方向
にわずかに変位することである。これはウェハ等のアラ
イメントのように、ウェハ上の複数点の回折格子マーク
を順次計測する場合、各マーク毎にサイン誤差が生じる
ことを意味する。その多くの原因はウェハ表面のフラッ
トネス（そり、湾曲等）によるものである。

従来のＴＴＲアライメント系のうち、レーザビームをス
リット状に集光し、ウェハ上のバーマーク等を相対走査
して、その散乱、回折光を光電検出する方式のものでも
、同様の問題点はかかえていたが、その影響はマークの
検出時のノイズ誤差、波形歪み等を考慮した総合検出精
度にくらべて少なく、はとんど気にならなかった。また
、レーザビームをスリット状のスポットに集光する方式
では、投影レンズやアライメント対物レンズの瞳面内で
、ウェハ上のスポットのスリット長手方向と直交する方
向にビーム断面の形状を細長くすることになる。従って
スリット状のマークの検出方向（スリット状スポットの
幅方向）については、それと直交する方向にくらべてビ
ームの開口数が大きくなる。一般にビームの開口数を大
きくすれば、それだけスポット光の径（輻）を微小にす
ることができ、検出分解能の向上が可能であるが、それ
に対応してビームウェストの光軸方向の幅は小さくなっ
てしまい、結局のところマーク検出時の安定性を欠いた
ものになってしまう、さらにビームをスポットに集光す
る方式では、ビームの波面がビームウェストの中心を挟
んで光軸方向に変化してくるため、ウェハ表面のフラッ
トネス等の影響でビームウェストに対してマークが光軸
方向に変位して走査されると、本来のシャープな光電信
号波形が得られない。

そこで本発明は、上述の問題点に鑑みてなされ、干渉縞
・アライメント法で使われる２ビ一ム干渉式位置検出装
置において２ビームの交差角と入射角の対称性とを同時
に安定に保つことを目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明では、物体上の回折格子を、対物光学系を介して
２方向から照射するビームが、対物光学系の瞳面内で所
定間隔だけ離れることに着目し、瞳面内を通る２つのビ
ーム間隔はほぼ一定に保ったまま、瞳面内でともに格子
配列方向に同量だけ変位させる第１光学部材を、ビーム
発生用の光源と対物光学系との間の光路中に設けた。

さらに、本発明では、２本のビームの瞳面内での位置を
格子配列方向に変位させて、瞳面内での２本のビームの
間隔を変化させる第２光学部材を、光源から対物光学系
までの光路中に設けた。

第１光学部材は、２本のビームの物体への入射角の対称
性を調整するものであって、物体と対物光学系との間隔
を光軸方向に変位させる１間隔調整手段と、回折格子か
ら発生した回折光（干渉光）を対物光学系を介して光電
検出したときの検出信号の位相差に応じて第１光学部材
を調整する手段とによって制御される。さらに第２光学
部材は２つのビームの物体面での交差角を調整するもの
であり、検出信号の振幅（変調度）を検出することで自
動制御が可能となっている。

〔作用〕

本発明では、従来の結像式、又はビームスポット式の位
置検出装置にくらべて、２ビ一ム干渉式の方が、光軸方
向に関する実効的な検出範囲を数倍〜数十倍以上に広げ
られる点、すなわち、実効的な検出範囲内で２本のビー
ムの交差によって作られる波面が光軸方向の各位置でほ
ぼ一定である点及び干渉縞のピッチの保存性が良好であ
る点に着目している。

そのことについて、第２図を参照して説明する。

第２図（Ａ）は２本の平行なビームＬＢ、、ＬＢ、を仮
想的な平面ＩＰ上で丁度交差するように投射、し、平面
ＩＰに１次元の回折格子ＷＰ（デユーティは１：ｌ）を
平行に配置した様子を示す、２つのビームＬＢ、、ＬＢ
、の波長をλ、回折格子ＷＰのピッチをＰ、２つのビー
ムＬＢ＋、ＬＢｍを投射する対物光学系の光軸を面ＩＰ
と垂直なＡＸａとし、ビームＬＢ、　、ＬＢｆの入射角
をそれぞれ光軸ＡＸａを挟んでθａ１θｂとすると、回
折格子ＷＰから光軸ＡＸａと平行に干渉光（回折光）Ｂ
ＴＬを発生させるためには、（１）式を満たす必要があ
る。

・・・・・・　（１） この（１）式を満たすと、２つのビームＬＢ。

、ＬＢｔが交差している空間領域内で、平面ＩＰと平行
な任意の面内にはピッチ１／２Ｐで１次元の干渉縞ＩＦ
ｗが作られる。

この干渉縞ＩＦｗの各明暗縞は、回折格子ＷＰの各格子
エレメント（バーパターン）と平行になるように設定さ
れている。

以上は、２つのビームＬＢ、％ＬＢ怠に周波数差Δｆが
ないホモダイン法の場合で説明したが、差Δｆがあるヘ
テロダイン法の場合、干渉縞ＩＦＷは速度Ｖで矢印の方
向（格子配列方向）に移動することになるが、干渉縞Ｉ
Ｆｗのピッチの保存性はホモダイン方式と全く同じであ
る。ここで速度■は、干渉縞ＩＦｗのピッチをＰ”（−
１／２Ｐ）とすると、（２）式で表わされる。

■−Δｆ−Ｐ’　・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（２）ところで入射角θａ、θｂの対称性がく
ずれると、干渉光ＢＴＬの発生方向にも傾きが生じるこ
とになり、光電検出の際に不都合が生じることもある。

それは、ビームＬＢ、の照射より回折格子ＷＰから発生
する高次回折光のうちの１次光が垂直に透過、又は反射
し、ビームＬＢ８の照射により発生する高次回折光のう
ちの１次光が垂直に透過、又は反射することによって干
渉光ＢＴＬが作られるためであり、入射角θａ１θｂが
異なってくると、それら２つの１次光の同軸性が失なわ
れてしまい、極端な場合は干渉光ＢＴＬが得られなくな
る。

本発明では、２ビ一ム干渉方式が光軸方向に関して極め
て広い安定な検出範囲を有する点に着目して、２つのビ
ームＬＢ、　、ＬＢＩの入射角の対称性を掻めて高精度
に検出するものである。

さらに２つのビームＬＢ、、ＬＢｔの交差角θ（θａ十
θｂ）が変動すると、干渉縞ＩＦｗのピッチが変化する
ことになり、これは回折格子ピッチに対するリニアリテ
ィを大きく変化させるため、位置の検出精度を低下させ
る。特にホモダイン法では干渉光ＢＴＬのスタティクな
強度値を検出しているため、この影響は大きい。

このことについて第２図（Ａ）を参照して説明する。第
２図（Ａ）において、ＷＰは回折格子、ＩＦｗは速度Ｖ
で移動する干渉縞の強度分布を示し、ＩＦｗのボトム部
の光量はほぼ零である０回折格子ＷＰの各格子エレメン
トのエツジから矢印で示した回折光Ａｅが垂直に発生し
、それらエレメントのエツジの全てからの回折光Ａｅの
総量が光電検出すべき干渉光ＢＴＬの大きさ（瞬時値）
になる、第２図（Ａ）では、干渉縞ＩＦｗのピッチが回
折格子ＷＰのピッチの１／２であるという理想条件から
れずかに狂った場合（リニアリティが悪化した場合）を
示しである。このため回折光Ａｅの分布は格子配列方向
にフラツトにはならず、正弦波状に変動した分布になる
。光電検出に使われる受光素子は、各エツジからの回折
光Ａｅの総量を受光するため、理想的な条件の場合に比
べて光電信号の振幅は小さくなってしまう、第２図（Ｂ
）は理想的な条件での信号波形（信号ＤＳｒ、ＤＳｗ）
を示し、第２図（Ｃ）は理想条件から狂った場合の信号
波形を示す、第２図（Ｂ）、（Ｃ）からも明らかなよう
に、理想条件からはずれると、信号振［（Ｐ−Ｐ値）が
小さくなるとともに、直流成分のオフセットＶｏｆが加
わることになる。

これら信号振幅の減少、オフセットＶｏｆの発生は極力
小さく押える必要がある。また本発明では、さらに２つ
のビームＬＢ、　、ＢＬ、の交差角を安定に維持するよ
うにした。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例による位置検出装置を投影型露光
装置（ステッパー）に組み込んだ機械について第１図、
第３図、第４図、第５図、第６図、及び第７図を参照し
て説明するが、基本的な構成は特開昭６３−２８３１２
９号公報に開示されたものと同様である。

第１図において、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する・レチクルｌ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ドリンクな投影レンズ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（ｇｌｉ、　　
ｉ＊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はステンプアンドリピ
ート方式でｘＳＹ方向に２次元移動するとともに、Ｚ方
向に微動するステージ５に吸着され、ウェハ４上の１つ
のショット領域に対するレチクルｌの転写露洸が終了す
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ｌ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）４
３からのレーザビームを反射する移動鏡６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。

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４５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
動及びＺ軸移動は駆動モータ４６で行なわれる。

ところで露光用の照明計は、水銀ランプ３０、楕円鏡３
１、集光レンズや干渉フィルター等を含む人力レンズ群
３２、オプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）
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。ダイ
クロイックミラー２２はレチクル１の上方に４５１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１を均一に照射する。このダ
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。

次にこのステッパー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射光（ビーム）ＬＢはレーザ光源
１０から射出され、２つの音響光学変調器（ＡＯＭ）を
含む２光束周波数シフター１２に入射し、互いに周波数
が異なるとともに、共に直交した直線偏光を含む２本の
ビームＬＢ、、ＬＢＩに変換される。その周波数差は２
つのＡＯＭをドライブする高周波信号ＳＦ、　、Ｓｒ１
の周波数の差に対応している。

周波数シフター１２からの２本の平行なビームＬＢ、　
、ＬＢＩはビームスプリッタ−１４で反射された後、瞳
リレー系１７Ａを通り、ビームスプリンター２０を透過
した後、本件発明の第１光学部材としての平行平面ガラ
ス５０（傾斜可能）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、アライメント系の瞳、すな
わち投影レンズ３の瞳ＥＰと共役に配置された複屈折物
質（水晶、方解石等のレンズ）２１ｂと顕微鏡用等のテ
レセントリックな対物レンズ２１ａとを一体に組み合わ
せたもので構成され、ビームＬＢ、、ＬＢ、の偏光成分
（ダイクロイックミラー２２に対して図中で紙面と平行
な偏波面をもつ光をＰ偏光とし、それと垂直な偏波面も
つ光をＳ偏光とする）に応じて異なるパワーを与えるも
のである。

ここでレーザ光源１０は直交直線偏光のレーザ光を発振
するものとする。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）成分からなるビームＬＢ、
　、ＬＢ、はレチクルｌの上方空間の焦点２６ａで結像
（交差）し、他方の偏光（例えばＳ偏光）成分からなる
ビームＬＢ、、ＬＢ３はレチクルｌの下面のパターン面
と一致した焦点２７ａで結像（交差）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２６ａ、２７ａの夫々と共役な面は、２光束周波数
シフター１２内に存在する。ここで２焦点光学系２１の
２つの焦点２６ａ、２７ａ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ｌ側での色収差量に対応している。この空間中の焦点
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「、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のうちいずれか１つ）
とすると、−船釣にＤ　ｒ　−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Ｄｗ、Ｄｒ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、±ｌａｍ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Ｄｗは飲ｌｏｏｍ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
しまう恐れがあるからである。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。この場合は２つのビ
ームＬＢ、　、ＬＢ、の送光路中にアライメント時に開
放するシャッターを設ける。

さて、アライメント用のレーザ光のうちＰ偏光の２つビ
ームＬＢ、、ＬＢ、は焦点面２７ａでレチクル１の回折
格子マーク部分に、そのビームＬＢ、　、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Ｓ偏光の２本ビー
ムＬＢ、、ＬＢ、は、投影レンズ３を介して焦点面２６
ｂでウェハ４の回折格子マーク部分に、そのビームＬＢ
。

とＬＢ、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（干
渉光ＢＴＬ）はダイクロイックミラー２２．２焦点光学
系２１、平行平面ガラス５０を介してビームスブリック
２０で反射された後、瞳リレー系１７Ｂを通って瞳共役
面（フーリエ面）に配置された空間フィルター２３で軸
上を進む回折光（ＢＴＬ）のみがフィルタリングされ、
さらに集光レンズ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（干
渉光ＢＴＬ）は投影レンズ３を介して元の光路を戻り、
レチクルｌの透明部を透過してダイクロイックミラー２
２．２焦点光学系２１、平行平面ガラス５０、ビームス
プリッタ２０、瞳すレー系１７Ｂ、空間フィルター２３
、及び集光レンズ２４を通って光電検出器（受光素子）
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３の瞳（射
出瞳）と実質共役な位置に配置され、レチクル１１又は
ウェハ４からの正反射光（０次光）を遮断し、レチクル
ｌ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の前には、２焦点光学系２１、瞳リレー系
１７Ｂ１及びレンズ２４を介してレチクル１、ウェハ４
の夫々と共役に配置されたアパーチャ板２５が設けられ
ている。

さて光電検出器２５から得られる光電信号ＤＳ「、ＤＳ
ｗは、レチクルｌ又はウェハ４を２方向から照射するビ
ームＬＢ、　、ＬＢ、によって作られた干渉縞が各回折
格子マーク上でピッチ方向に流れるように照射されるこ
とになるので、高周波信号ＳＦ、、ＳＦの差Δｆに応じ
た周波数の正弦波状の交流信号（ビート周波数）となる
、ところで２光束周波数シフター１２からの２つのビー
ムＬＢ、　、ＬＢ、は、ビームスプリンタ１４を透過し
、瞳（フリー工面）を像面に変換するレンズ系（逆フー
リエ変換レンズ）１６によって参照用回折格子１８上に
結像（交差）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にもビームＬＢ、とビームＬＢ８とが
所定の交差角度で２方向から入射する。光電検出器（受
光素子）１９は参照用回折格子１８を透過した０次光以
外の回折光（又は干渉光）を受光して、正弦波状の光電
信号ＤＲを出力する。

この光電信号ＤＲは２つのビームＬＢ１、ＬＢ！の差周
波数に比例した周波数となり、基準ビート信号となる０
位相検出系４０は、光電検出器２５からのレチクル側の
光電信号ＤＳ　ｒ、ウェハ側の光電信号ＤＳｗと光電検
出器１９からの光電信号ＤＲとを入力し、信号ＤＲを基
準とした両信号ＤＳｒ、ＤＳｗの波形上の位相差を検出
する。検出された位相差（±１８０°）はそれぞれレチ
クルｌ、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。主制御系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
系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、尚、１４１図の
説明では、２つのビームＬＢＩ　、ＬＢｔは紙面内で交
差するように示したが、実際は投影レンズ３の光軸ＡＸ
を含む平面と垂直な面内で互いに傾いている。

そして平行平面ガラス５０は、駆動制御系５２によって
２本のビームＬＢ、　、ＬＢｔが対物レンズ２１ｂの光
軸（ＡＸａ）を含む面内で同一方向に平行移動するよう
に傾斜駆動される。

以上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ｌ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−り検出が可能となっている
。そのことについては後で詳しく述べる。さらにレチク
ル１の上方に斜設したグイクロイックミラー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
動作中て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。このため露光されたレジストパタ
ーンの線幅も、わずかな像ぶれによって太ることがない
、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３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模式的に説明する。第３図に
おいて、グイクロイックミラ−２２、ビームスプリッタ
１４は簡単にするために省略してあり、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。また、第３図
中の平行平面ガラス５０の位置は第１図と異なるが、本
実施例の場合どちらでもよい、２光束周波数シフター１
２から射出して、瞳リレー系１７Ａに入射する２つのビ
ームＬＢ、　、ＬＢ、は、瞳リレー系１７Ａの内部では
平行光束となり、−度交差した後に射出する。このとき
、対物レンズ２１ａ等の光軸ＡＸａに対して射出したビ
ームＬＢ、　、ＬＢ、の各主光線ＬＡ、　、ＬＡｔは平
行になるとともに、瞳面内でスポットとして、集光する
結像光束となる。

ところでビームＬＢ＋　、ＬＢｇ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２
６ａ、２７ａに集光するとき、Ｐ偏光とＳ（ａ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２１ｂを光軸ＡＸａの回りに所定角度だけ
回転させたり、レーザ光源ｌＯと２光束周波数シックー
１２との間にλ／２板を挿入し、それを光軸の回りに所
定角度だけ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ｌに達する偏光成分とウ
ェハ４へ達する偏光成分との光量比を最適なものに調整
できる。さて、平行平面ガラス５０が光軸ＡＸａと正確
に直交するように配置されていると、２本のビームＬＢ
、　、ＬＢ、は、瞳リレー系１７Ａの作用でテレセント
リックな２焦°点光学系２１の瞳面、すなわち複屈折物
質２１ｂ内で光軸ＡＸａを挾んで点対称な２点にスポッ
トとして結像するように入射し、ビームＬＢ、は複屈折
物質２１ｂのところで偏光成分によってＰ偏光のビーム
ＬＢ、、とＳ偏光のビームＬＢ　Ｉｍとに分離され、２
焦点光学系２１の光軸ＡＸａに対する瞳面内でのスポッ
ト位１で決まる角度だけ傾いた平行光束となってレチク
ルｌに達する。

同様にビームＬＢ、もＰ偏光のビームＬＢ、、とＳ偏光
ＬＢ、、とに分離され、対物レンズ２１ａの光軸ＡＸａ
を挟んでビームＬＢＩＦ、ＬＢＩＳの夫々と対称的な角
度の平行光束となってレチクル１にたつする。Ｐ偏光に
関しては焦点２７ａと瞳リレー系１７Ａの内部の交差点
く共役像面）ＩＰ’　とが共役であるため、Ｐ偏光のビ
ームＬＢＩＰ、ＬＢ＊ｒは回折格子マークＲＭのとこで
ほぼ平行光束となって交差（結像）する、第３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
、ビームＬＢ＋ｐ、ＬＢｇｒの各々の光軸ＡＸａからの
Ｉ’１４き方向も第３図の紙面内に定められる。レチク
ルｌには第４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、ビームＬＢＩＦ
、ＬＢ□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４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４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Ｐｏ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を射出したほぼ平行なＳ偏光のビ
ームＬＢ、、、ＬＢｍｓは空間上の焦点２６ａで−度結
像（交差）した後、レチクル１の窓部Ｐ、を透過し、投
影レンズ３の瞳ＥＰで一度スポット光として集光し、そ
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。これはＳ偏光に関し
ては焦点２６ａ（ウェハ共役面）と瞳リレー系１７Ａの
内部の交差面ＩＰ’　とが共役だからである。投影レン
ズ３から射出したほぼ平行なＳ偏光のビームＬＢ、、、
ＬＢｘ−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
偏光のビームＬＢ、、、ＬＢｘ−の主光線の成す角度θ
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、瞳すレー系１７Ａ内部の交差
面ＩＰ’　に対してレチクル１とウェハ４とはそれぞれ
共役に配置されるため、交差面ＩＰ″を通るビームＬＢ
、　、ＬＢ、が平行光束であるとすると、レチクル、ウ
ェハ上の夫々で各ビームＬＢ、、、ＬＢｌ、、ＬＢ、、
ＳＬＢよ、はともに平行光束となる。

以上のようにマークＲＭ上に異なる２方向からビームＬ
　Ｂ　ＩＦ、　Ｌ　Ｂ　ｚｐが照射されると、マークＲ
Ｍ上には干渉縞が生じるが、その干渉縞はマークＲＭの
格子配列方向に２つのビームＬＢ、　、ＬＢよの差周波
数に対応して移動する（流れる）ことになる、マークＲ
Ｍから２焦点光学系、２１の光軸ＡＸａ上に沿って回折
光１０４が発生するが、干渉縞の移動によって、回折光
１０４は明暗の変化を周期的に繰り返すビート波面にな
る。よって光電検出器２５からの信号ＤＳｒ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
光のビームＬＢ、、、ＬＢｏとの関係においても全く同
様であり、マークＷＭからはビート波面をもつ回折光１
０５が垂直に発生し、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２
５に達する。

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３図に示すように、マークＲＭ、ＷＭの夫
々と共役な位置に、第４図（Ｃ）に示すようなアパーチ
ャ板２５°を設け、このアパーチャ板２５°のアパーチ
ャＡＰ　ＳＡｓ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の受光面を各
アパーチャＡｔ、Ａｓ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ｌの位置検出とマークＷＭ
によるウェハ４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偏光のビームＬ　Ｂ　ｌｐ、、Ｌ
　Ｂ　ｚｐ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偏光のビームＬＢ、、、ＬＢ
、。

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Ａ、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。

さて、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ＤＳｒ、ＤＳｗ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
した光電検出器１９からの光電信号ＤＲを参照信号とし
て、マークＲＭからの回折光１０４の光電信号ＤＳｒと
の位相差φｒを位相検出系４０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ＤＳｗと参
照信号ＤＲとの位相差φＷを検出する。そして、位相差
φｒとφＷの差を求めれば、レチクル１とウェハ４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ゲ
イン方式と呼ばれ、レチクル１とウェハ４が格子ピッチ
Ｐの１／２の位置誤差範囲（プリアライメント精度）内
であれば、静止状態であっても高分解能で位置ずれ検出
できる。そのためレチクル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しないよ
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「−φＷが零（又は所
定値）になるようにレチクルｌ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ｌ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。

次に、第５図、第６図、第７図を参照して、２光束周波
数シフター１２の構成を説明する。

第５図に示すように、レーザ光源１０からの平行なビー
ムＬＢ（直交直線偏光）はミラー７０で反射され、偏光
ビームスプリッタ７１でＰ偏光成分のビームＬＢＰとＳ
偏光成分のビームＬＢ、とに分けられる。ビームＬＢＰ
はミラー７２で反射され、ＡＯＭ　（音響光学変調器）
７３に入射し、ビームＬＢ、は偏光ビームスプリンタ７
１で反射され、ＡＯＭ７４に入射する。ＡＯＭ７３は周
波数ｆｌの高周波信号Ｓ　Ｆ　ｌでドライブされ、その
周波数ｆ１で決まる回折角だけ偏光された１次光をビー
ムＬＢ、として出力する。ＡＯＭ７４は周波数ｒｘ　　
（ｆｔ　＝ｆｔ−Δｆ）の高周波信号ＳＦ８でドライブ
され、その周波数ｆ、で決まる回折角だけ偏向された１
次光をビームＬＢ、として出力する。各ＡＯＭに対する
入射ビームのうちの０次光り、は適当な位置に配置され
たスリット等で遮光される。尚、ドライブ周波数ｆ＋、
ｆｉと差周波数Δｆとの関係は、ｆｔ　＞＞Ａｆ、ｆｔ
　＞＞Ａｆであるのが望ましく、Ａｆの上限は光電検出
器１９．２５の応答性によって決まる。

さて、ＡＯＭ７４からのビームＬＢ、はミラー７５で反
射され偏光ビームスプリフタ７６に入射し、ＡＯＭ７３
からのビームＬＢＰはそれと直交する方向から偏光ビー
ムスプリッタ７６に入射する。ここで偏光ビームスプリ
ッタ７６は、２つのビームＬＢＦ　、ＬＢ、を完全に同
軸に合成するのではなく、ある量だけ間隔をあけるよう
に互いに平行に合成する。この間隔は、本実施例の場合
、レチクルｌ、ウェハ４を照射する２本のビームＬＢ、
　、ＬＢ、の交差角θを規定することになる。

２本の平行なビームＬＢ、　、ＬＢ、は、次に第６図に
示す光学系に入射する。ビームＬＢＰ　　（ｐ偏光）と
ＬＢ、（Ｓ偏光）とはΔ１だけの周波数差をもつが、本
実施例では、レチクル上に周波数差をもつ２本のＰ偏光
ビームを照射し、ウェハ上には周波数差をもつ２本のＳ
偏光ビームを照射する必要がある。すなわち第６図の系
は、周波数ｆ、の１本のＳ偏光ビームＬＢ、と周波数ｆ
、の１本のＰ偏光ビームＬＢＰとの２本から、４本ビー
ムＬＢＩＰ、　ＬＢＩＰ、ＬＢｌ！、ＬＢ、、を作り出
すものである。

２本のビームＬＢｓ　、ＬＢ、は第６図に示すような偏
光方向４５°の１／２波長板１１７、偏光ビームスプリ
ッタ１１Ｂ、１１９等で周波数ｆ。

のＰ偏光ビームＬＢ、ＰとＳ偏光ビームＬＢ０が同軸に
合成されてビームＬＢ、となり、周波数ｆ８（ｒ＋　−
Ａｆ）のＰ偏光ビームＬＢ口とＳ偏光ビームＬＢｆｆｉ
ｆｉが同軸に合成されてビームＬＢＩとなって偏光ビー
ムスプリッタ１１９を射出する。

第６図に示したように、１７２波長板１１７にｓｌ光ビ
ームＬＢ、（周波数ｆ、）が入射すると、その偏光方向
が４５°だけ回転する。このため偏光ビームスプリッタ
１１ＢではＰ偏光とビームＬＢ□とＳ偏光のビームＬＢ
ｔ、とに分けられる。１７２波長板１１７を通ったＰ偏
光のビームＬＢＰ（周波数ｆ、）についても同様に偏光
方向が４５０だけ回転するため、ビームスプリッタ１１
ＢではＰ偏光のビームＬＢＩＦとＳ偏光のビームＬＢ＋
−に分割される。各ビームは金属反射面を有する直角プ
リズム１２０．１２１を介して偏光ビームスプリフタ１
１９１合成され、再び２本の平行なビームＬＢ、、ＬＢ
Ｉ　として射出する。２本のＬＢ、、ＬＢ！はアライメ
ント光学系の光軸ＡＸａを挟んで対称に位置する。

２本のビームＬ　Ｂ’＋　、Ｌ　Ｂ　ｚは次に例えば第
７図に示すような光学系に入射する。この光学系は２本
のビームＬＢｔ、ＬＢ黛を入射して面（像共役面）ＩＰ
ｍにおいて所定の角度で交差させるプリズム１２２と、
面ＩＰｍを前側焦点面と一致させたレンズ１２３とを含
む０面ＩＰｍで交差した２本の平行ビームＬＢ、　、Ｌ
Ｂ□はレンズ１２３の後側焦点面（瞳共役面）にスポッ
トＳＰ１、ＳＰ、として集光した後発散し、瞳リレー系
１７Ａに入射する。第３図で示したようにビームＬＢ。

の主光線をＬＡｌ、ビームＬＢ、の主光線をＬＡ８とす
ると、本実施例ではレンズ１２３と瞳リレー系１７Ａと
の間においても主光ＩＬＡ、　、ＬＡ□は光軸ＡＸａと
平行になっている。そして、スポットｓｐ、　、ｓｐ、
の近傍には、平行平面ガラス５４．５５が互いに独立し
て傾斜可能に配置され、本発明の第２光学部材を構成し
ている。第７図の場合、平行平面ガラス５４．５５の回
転中心軸は紙面と直交している。

さらに、瞳リレー系１７Ａの前側焦点面をスボッ）ＳＰ
ｌ、ＳＰｘの面と一致させるため、第７図に示したスポ
ットｓｐ、　、ｓｐ□は瞳リレー系１７Ａにより第３図
で示した通り、複屈折物質２１ｂの位置する瞳面にリレ
ーされる。

平行平面ガラス５４．５５はそれぞれ２つビームＬＢ、
　、ＬＢヨの瞳空間内（ビームが収れん、発散系になっ
ている部分）に配置され、駆動制御系５６によって別々
に傾斜制御される。これによって２つのスポット光ＳＰ
、、ＳＰ、の光軸ＡＸａからの距離が夫々独立して調整
できる。尚、本実施例では２つのビームＬ　Ｂ＋　、Ｌ
　Ｂｔ　（Ｄ夫々に対して平行平面ガラス５４．５５を
設けたが、テレセン度調整用の平行平面ガラス５０があ
るため、平行平面ガラス５４．５５のうち一方のみを傾
斜可能にし、他方は固定にしたままにしておいてもよい
。

次に第８図を参照してアライメント光学系の一部を可動
にして、マーク位置の変化に対応させる構成を示す、第
１図、第３図中で説明した部材と同一のものには同じ符
号をつけである。レチクル１上のマークＲＭ　＋　、Ｒ
Ｍ　ｘはレチクルによって位置が異なるものであって、
同一レチクル内ではいずれか一方のみが形成されている
。実際のアライメント光学系では、対物レンズ２１ａ、
？Ｊ［屈折物質２１ｂによる２焦点光学系２１は水平に
配置され、対物レンズ２１ａの先端には光軸ＡＸａを垂
直に折り曲げるミラーＭ、が設けられる。このミラーＭ
１、対物レンズ２１ａ、複屈折物質２１ｂは一体に水平
な光軸ＡＸａ方向に移動するように保持金物６２に固定
され、金物６２は駆動制御系６０によって水平方向に移
動される。、そして第１図、第３図と異なる点は、複屈
折物質２１ｂと平行平面ガラス５０との間に、ミラーＭ
８とリレー系１７Ｃとを設けることにある。リレー系１
７Ｃは、複屈折物質２１ｂの位置する瞳面ＥＰ、を、平
行平面ガラス５０の近傍の面ＢＰ、ヘリレーするもので
ある。尚ＩＰｍ’　は像共役面であり、レチクル１１ウ
エハ４、及び２つのビームＬＢ、、ＬＢ、の最初の交差
面ＩＰｍとそれぞれ共役である０Ｍ：、リレー系１７Ｃ
は装置本体に固定され、複屈折物質２１ｂとリレー系１
７Ｃとの間の物理的な行路長は、マークＲＭの位置に応
じて変化するが、その間の光路がアフォーカル系になっ
ているため、リレー系１７Ｃの内部にできる像共役面Ｉ
　Ｐｍ’　は、常にレチクル１、ウェハ４と共役になる
。

さて、レチクルが変換されてマークがＲＭ、からＲＭ、
の位置（光軸ＡＸａ”）に変化すると、駆動制御系６０
は金物６２を水平移動させて、光軸ＡＸａをＡＸａ’　
と一致させる。

この場合、その−数置はあまり厳しくする必要はなく、
２つのビームＬＢ、　、ＬＢ、がマークＲＭ３と窓部Ｐ
０とをカバーする程度でよい、従って金物６２の送りは
エンコーダ、ポジションセンサー等の安価な位置モニタ
ー系を用いて制御するだけで十分である。

こうして、新たなレチクルがセットされ、アライメント
光学系の観察位置がセットされると、第９図に示すよう
にウェハステージ５の一部に、ウェハ４とほぼ同じ高さ
で設けられた基準マーク板ＦＭを、レチクルのマークＲ
Ｍ、の投影位置にもってくる。基準マーク板ＦＭには、
ウェハ４上の回折格子マークＷＭと全く同様の回折格子
マークが形成されている。そこでそのマークのことを以
降、フィデエーシャル・マークと呼ぶ。

レチクルのマークＲＭ□の中心の回折格子エレメントは
、第４図（ａ）、（ｂ）て示したように投影レンズ３の
光軸ＡＸへ向うｙ方向に線状に伸びているので、フィデ
ューシャル・マークも、それと平行になるものをマーク
ＲＭ、の直下（窓ＰＯの下）へ位置付ける。

その状態で、ウェハステージ５の少なくともＸ方向の位
置が固定されるように、干渉計４５、モータ４６等によ
ってサーボロックをかける。

次にウェハステージ５に含まれる２ステージ（不図示）
を所定の範囲内でＺ（光軸ＡＸ）方向に上下動させて、
そのとき位相検出系４０で検出される信号ＤＳｗと信号
ＤＲとの位相差φＷの変化をＺステージの２方向の微小
変位量毎にサンプリングしていく、これは主制御系４１
によって行なわれる。尚、この際、第９図には示してい
ないが、公知の斜入射光式焦点検出系、又はＺステージ
の駆動をモニターするポテンシ四メータ等によって、投
影レンズ３と基準マーク板ＦＭとの２方向の間隔をモニ
ターしていく、また第９図では、２本のビームＬＢ１．
．　ＬＢｆｆｉ、は基準マーク板ＦＭ上でアライメント
光学系の光軸ＡＸａに対して紙面内で傾斜しているが、
実際は紙面と垂直な面内で傾斜している。こうして、２
ステージの２方向の位置毎に位相差φＷをモニターして
いくと、第１θ図のような特性ＶＴ、が得られる。第１
０図で横軸は基準マーク板ＦＭの２方向の位置を表わし
、縦軸は位相差φＷを表わす、また位置Ｚ１、Ｚｌ、Ｚ
ｌ、Ｚ４の順に基準マーク板ＦＭが投影レンズ３へ近づ
（ものとする。

２つのビームＬＢ、、、ＬＢ、、の交差角θは、先に例
示した数値の場合、約９″″程度であり、ビーム径を１
１０μｍ位にした場合、２方向の検出領域の幅は、３０
０μｍもある。このため、位置２１と２４の間隔は３０
０Ｉ１ｍ程度にできる。また本実施例の場合、位相差φ
Ｗは±１８０°の範囲内では連続して検出できるため、
Ｘ方向の変位はそれに対応して±１／２ピッチの範囲内
で位置ずれ計測できる。フィデューシャル・マークの格
子ピッチを８ｐｍとし、位相検出系４０の分解能が０．
２′であるものとすると、位置ずれの計測分解能は０．
００４４μｍにもなる。実際はノイズの影響もあるため
、実用的な分解能は０．０１μｍ（位相で０．４°）程
度になる。従って、仮りに位置Ｚ、とＺ４が３００ｔＩ
ｍで、そのときの位置の位相差φＷ、とφｗ４との差Δ
φＷが０．８＠（横ずれ量では約０．０２ｐｍ）であっ
たものとすると、特性ＶＴ、の傾き、すなわち２つのビ
ームＬＢ、、とＬＢｌ、との２等分線である２ビームの
主光線の法線からの傾き（投影レンズ３の光軸ＡＸを含
む面内でのテレセン傾き）は、差ΔφＷに相当した横ず
れ量をΔＸとして、 ＡＸ／　ｌ　Ｚ＋　　Ｚｓ　ｌ　−０，０２／３００−
６．７Ｘ１０−’ と求められる。

この数値はアライメント用の２つのビームＬＢ１いＬＢ
、、の２等分線のテレセン度（光軸ＡＸと光軸ＡＸａの
ウェハ側での平行度）を表わし、小さければ小さい程、
テレセン性が良いことを示す。

また、ｚｌから２４の間で位相差φｗ、とφＷ４とが１
度１８０’　　（１／２ピッチ分）変化したものとする
と、テレセン度は、 ΔＸ／ｌＺ＋−Ｚ、ｌ　　：４／３００：１３３３Ｘｌ
Ｏ−’ となる。

以上のようにしてテレセン度が求まったら、主制御系４
１は、そのテレセン度が許容範囲内か否かを判断する。

テレセン度が悪化していた場合、主制御系４１は目標と
するテレセン度と計測したテレセン度との差に基づいて
、平行平面ガラス５０の傾斜量を算出し、その量だけ平
行平面ガラス５０を傾けるための指令を駆動制御系５２
へ出力する。

この平行平面ガラス５０の傾斜は、アライメント光学系
内及び投影レンズ３内の各瞳面にできるビームＬＢ、　
、ＬＢ、のスポット光の位置を、その間隔は一定に保っ
たまま、回折格子（又は干渉縞）のピッチ方向に同一量
だけシフトさせるように定められている。

この調整によって、投影レンズ３のウェハ側においては
、２本のビームＬＢ、いＬＢ□の物体への入射角θａと
θｂとが極めて正確に合致し、入射角の対称性が保たれ
る。

第１１図は第１図中に示した参照信号ＤＲ作成用の基準
格子板１８付近の様子を示し、第１図中のレンズ１６の
焦点位置に配置された基準格子板１８には、２つのビー
ムＬＢ、　、ＬＢ□が所定の交差角で入射し、基準格子
板１８を垂直に透過した１次回折光（ビート信号）が受
光素子１９に入射する。信号ＤＲは位相検出系４０へ送
られるとともに、スイッチＳＳを介して変調度検出系４
２０へ送られる。この変調度検出系４２０（以下ＰＰ検
出系４２０とする）はビート信号（２５に七）のピーク
・トウ・ピークの値（ｐ−ｐ値）を検出するものである
。尚、スイッチＳＳは参照信号ＤＲの他に計測信号ＤＳ
ｒ、ＤＳｗを択一的に選んで、Ｐ　−Ｐ　４１１を検出
できるように切替えるものであるが、全ての信号ＯＲ，
、ＤＳｒ、ＤＳｗの夫々に対して個別にＰ−Ｐ検出系４
２０を設け、同時に各信号のＰ−Ｐ値を検出してもよい
。

このＰ−Ｐ検出系４２０は、信号ＤＲ，ＤＳｒ。

ＤＳｗの変調度（振幅）を検出することによって、２つ
のビームＬＢ、、ＬＢ□の交差角の変動を知るために使
われる。先に第２図で説明したように、２つのビームＬ
Ｂ、、ＬＢ、の各格子上での交差角が微小変動すると、
それに伴って格子上の干渉縞のピッチも微小変化する。

そこでテレセン度調整のために平行平面ガラス５０を調
整する際、Ｐ−Ｐ検出系４２０で同時に信号ＤＳｗ　（
又はＤＳｒ）のＰ−Ｐ値をモニターし、Ｐ−Ｐ値が太き
（変化しないことを確認する。

テレセン度調整の際は、ウェハステージ上の基準マーク
板ＦＭが用いられるため、ウェハ上のマークＷＭのよう
に不安定な要因（レジスト層、マークの変形等）は存在
しない、そのため、信号ＤＳｗのＰ−Ｐ値は、レーザビ
ームＬＢ、　、、ＬＢ。

の光量が変動しない限り、長期間に渡って良好な再現性
が期待できる。そこで基準マーク板ＦＭを用いて、信号
ＤＳｗを得ている状態のとき、ＰＰ検出系４２０によっ
て信号ＤＳｗのＰ−Ｐ値を検出し、それが所定の値より
も減少している場合は、第７図に示した駆動制御系５６
を介して、平行平面ガラス５４．５５を調整して、２つ
のビームＬＢ、　、ＬＢ、の瞳面内での間隔を微小変化
させて、所定のＰ−Ｐ値が得られるように調整する。

ビームＬＢ、　、ＬＢ、の瞳面内での間隔変化は、物体
面（回折格子）上での２つのビームＬＢ、。

ＬＢ、の交差角を変化させ、干渉縞ＩＦｗのピッチを変
化させる。

この交差角の微調は、テレセン度調整とともに実行する
のが効率的である。また交差角の微調は、第２光学部材
としての平行平面ガラス５４．５５を一定の範囲で連続
的に傾斜させ、その間においてＰ−Ｐ値が最大になる点
を見つける山登り法等で簡単に実行できる。

また、Ｐ−Ｐ検出系４２０は、スイッチＳＳの切替えに
よって、ウェハのアライメント動作中は信号ＤＳｗをモ
ニターするようにし、マーク検出時のＰ−Ｐ値に基づい
て、検出されたマーク位置の信鎖性を判定するようにし
てもよい、これは、ウェハ上の複数のショット領域に付
随したマークＷＭが、ウェハ上の位置（特に周辺部）に
よっては、プロセスにより大きなダメージを受けている
ことがあり、それを未然に知る上でも有効である。

従ってウェハ上の３〜９個のショット領域のマークＷＭ
（ｘ方向用とｙ方向用）の位置を予め計測して、統計的
な手法でウェハ上の全ショット領域の位置を予め推定す
るエンハンスメント・グローバル・アライメン）（Ｄ−
Ｇ−Ａ）法においては、計測したマークＷＭのうち、検
出時のＰ−Ｐ値がある範囲内で揃ったものの位置計測値
を統計処理に用いることができる。

以上、第１図のステッパーを用いた本実施例では、アラ
イメント系はｌ＆ＩＮしか図示していないが、同様のア
ライメント系を２〜３Ａｌｌを設けることによって、レ
チクル１とウェハ４のｘ、、ｙ方向及び回転方向のアラ
イメントが可能である。また本実施例では、参照信号Ｄ
Ｒを基準に位相検出しているため、例えばウェハ４に対
する第１層の露光（ファーストプリント）時は、レチク
ルｌのマークＲＭから得られた信号ＤＳｒと信号ＤＲと
の位相差が、露光動作中に常に一定の値になるように、
レチクルステージをサーボロックしてお（こともできる
。

次に本発明の第２の実施例を、第５図、第６図とともに
第１２図を参照して説明する。

第２図は２つのビームＬＢ＋１ＬＢＩの交差角を調整す
る平行平面ガラス５４．５５の配置の変形例を示し、Ａ
ＯＭ７３とビームスプリフタ７６との間、及びＡＯＭ７
４とビームスブリフタとの間に夫々凸レンズ４００ａ、
４００ｂを設け、凸レンズ４００ａ、４００ｂとビーム
スプリッタ７６との間に平行平面ガラス５４．５５を設
ける。

そして、第７図中に示した平行平面ガラスを省略して、
プリズム１２２を凸レンズ４０２に変更すこれら凸レン
ズ４００ａ、４００ｂ、４０２は全て焦点距離の関係で
つながれ、ＡＯＭ７３．７４の回折点（偏向原点）は第
１２図（第７図）中の像共役面ＩＰｍとほぼ共役に設定
される。ビームスプリッタ７６から凸レンズ４０２の間
には、第６図に示した光学系が同様に配置される。また
Ｐｅは瞳共役面になり、２つのビームＬＢＦ、ＬＢｓは
凸レンズ４００ａ、４００ｂの作用により、面Ｐｅ内に
スポットとして集光している。従って凸レンズ４０２か
ら射出するビームＬＢ、　、ＬＢ、は平行光束となって
面ＩＰｍで交差する。

本実施例でも、平行平面ガラス５４．５５は瞳空間内に
配置されるため、２つのビームＬＢ、、ＬＢ、の瞳ＥＰ
、内での間隔が任意に変更され、交差角が調整できる。

尚、本実施例のように、ＡＯＭ７３．７４の回折点が像
共役面ＩＰｍと共役になっていて、第５図の配置を採用
する場合、ＡＯＭ７３．７４へのドライブ信号ＳＦ、　
、ＳＦ、の周波数を、差Δ【は一定にしたまま同じ量だ
け増減（１０％〜数十％程度）させると、２つのビーム
ｔＢｓ　、ＬＢ。

の面Ｐｅ内での位置が、同一方向に同じ量だけシフトす
ることになる。これは、平行平面ガラス５０と同様にテ
レセン度の微調整がＡＯＭ７３．７４によって可能なこ
とを意味する。従って、テレセン度調整は２つのＡＯＭ
７３．７４のドライブ信号ＳＦ、、ＳＦ、の増減によっ
て行ない、交差角調整は２つ（もしくは１つ）の平行平
面ガラス５４．５５の傾斜補正によって行なうことがで
きる。いずれの調整においても、光電検出器２５からの
信号ＤＳｗの情報（位相情報と振幅情報）が使われる。

次に本発明の第３の実施例によるステッパーの構成を第
１３図（Ａ）、ＣＢ）を用いて説明する。

第１３図（Ａ）、（Ｂ）は、第３図に示した瞳リレー系
１７Ｂの後の部分のみを示し、他の構成は第３図と同一
である０本実施例では瞳リレー系１７Ｂの後に設けられ
ていた空間フィルター２３の位置に、分割受光素子３０
０Ｒ１３００Ｗを直接配置し、系の瞳面で回折光（ビー
ト信号）１０４．１０５を受光するようにした。第１３
図（Ａ）に示すように、リレー系１７Ｂの後には、偏光
ビームスプリッタ３１０が斜設され、ウェハ４からの回
折光１０５はＳ偏光成分であるためここで反射して受光
素子３００Ｗへ達する。一方レチクルｌからの回折光１
０４はＰ偏光成分であるため、ビームスプリッタ３１０
を透過して受光素子３００Ｒへ達する。受光素子３００
Ｒ１３００Ｗは、例えば第１３図（Ｂ）のような受光面
を有し、中心部には回折光１０４又は１０５を受光する
面３００ａが形成され、これを挟んで上下（又は左右）
に０次光Ｌｏを受光する面３００ｂ、３００Ｃが形成さ
れている。これら３つの受光面３００ａ、３００ｂ、３
００ｃは電気的に絶縁されていて、それぞれ個別に光電
信号を出力する。また受光面３（１０ａ、３００ｂ、３
００ｃは、系の瞳面、すなわち投影レンズ３の瞳ＥＰと
ほぼ共役に配置されている。

従って、受光素子３００Ｒの受光面３００ａの光電信号
が信号ＤＳｒとなり、受光素子３００Ｗの受光面３００
ａの光電信号が信号ＤＳｗとなり、先の実施例と全く同
様に位相検出に使われる。

第３図に示した光路からも明らかなように、系の瞳面で
回折光１０４．１０５８　（及び０次光ＬＯ）は全て微
小なスポットに集光してしまう、そのため受光面３００
ａ、３００ｂ、３００ｃの面積は極めて小さくすること
ができ、これは受光素子としての応答性を上げるのに有
利である。また、回折光１０４．１０５の瞳面における
開口数（Ｎ。

Ａ、）はかなり小さく（例えば０．０３以下に）なって
いるので、受光面３００ａを回折光１０４．１０５の正
確なスポットサイズよりも少し大きな面積にすることに
よって、受光素子３００Ｒ，３００Ｗの光軸方向、及び
光軸と直交する方向の位置設定精度はそれ程きびしいも
のにする必要がなくなり、装置製造は簡単になる。また
、平行平面ガラス５０は、２つのビームＬＢ＋　、ＬＢ
ｘの送光路と回折光１０４．１０５の受光路とが共通し
ている部分に設けられているため、平行平面ガラス５０
がどのように傾いても、回折光１０４．１０５と受光面
３００ａとの相対位置関係は変化しない。

次に本発明の第４の実施例について、第１４図を参照し
て説明することが、ここでは本来の格子マーク検出に使
わない０次光Ｌ０を利用した例を示す。

第１４図（Ａ）はウェハのマークＷＭ（又は基準マーク
ＦＭ）から発生するＯ次ビームＬｏの様子を示す図であ
る０回折格子から垂直に反射する回折光１０５は、周波
数ｆ１のビームＬＢ、、の照射により生じる＋１次回折
光ｌ５−１と、周波数ｆ寞のビームＬＢ、、の照射によ
り生じる一１次回折光２３−１とが干渉したものである
。一方、ビームＬＢ、、と丁度逆向きに進むＯ次ビーム
ＬＯは、ビームＬＢｘｓの正反射光２Ｓ−〇と、ビーム
ＬＢ１、の照射により生じる２次回折光ｌ５−２とが干
渉したものであり、ビームＬＢｔｓと丁度逆向きに進む
Ｏ次ビームＬｏは、ビームＬＢ、、の正反射光ＩＳ−・
と、ビームＬＢｉｓの照射により生じる２次回折光２Ｓ
−８とが干渉したものである。

従って、２つのビームＬＢ、、、ＬＢ、ｓの交差領域内
に回折格子が存在する場合、θ次ビームＬＯを受光する
受光面３００ｂからの光電信号と、受光面３００ｃから
の光電信号とは、ともに第１４図（Ｂ）に示すようなビ
ート周波数をもつ交流信号となる。ところが、正反射光
と２次回折光との強度が大きく異なるため、比較的大き
なオフセットｖｏｆを伴なった波形になる。この波形は
第２図（Ｃ）に示したのと同様に、変調度が低いと考え
てよい。

そこで受光面３００ｃ、３００ｂからの光電信号を夫々
、第１１図に示した変調度検出系４２０へ人力して、Ｐ
　−Ｐ　（ａとオフセント値Ｖｏｆ（又は平均ピーク値
）とを求めれば、正反射光２Ｓ−（ＩＳ−＠）と２次回
折光ＩＳ−□　（２Ｓ−１）との光量比が推定できる。

そして２つの光電信号から判断して、その光量比が異な
っているときは、マークＷＭに何らかの不整が生じてい
ると判断することもできる。その場合、回折光１０５の
１次回折光ｌ５−１と２３−５との間でも光量差を生じ
ることが予想され、従って出力信号ＤＳｗの変調度も変
化するものと考えられる。

マークＷＭの不整を推定する場合は、より高次の回折光
を利用することが有利なので、２つのＯ次ビームＬｏを
用いるとよい。

次に本発明の第５の実施例を第１５図を参照して説明す
る１本実施例では、マスクＭｓとウェハＷとを近接させ
たプロキシミティ露光装置に通した位置検出装置（アラ
イメント系）について述べる。互いに周波数の異なり、
かつ同一偏光成分の２つの平行なビームＬＢ、　、ＬＢ
、は、それぞれレンズＬＧ、　、ＬＧ、を介して瞳共役
面に集光する。その瞳共役面の近傍には平行平面ガラス
５４．５５が傾斜可能に設けられる。この平行平面ガラ
ス５４．５５は互いに厚みが異なり、本発明の第２光学
部材として作用する。２本のビームＬＢ。

、ＬＢオはさらに直角プリズムミラーＰＭで反射して主
光線が一定間隔だけ離れて平行になるように合成され、
リレー系１７Ａに入射する。リレー系１７Ａの内Ｉ！（
像空間内）には、第６図に示したのと同様の１／２波長
板１１７と偏光ビームスプリッタ１１Ｂが配置される。

偏光ビームスプリッタ１１Ｂで反射したＳ偏光のビーム
ＬＢ、ｌ、ＬＢ口は、それぞれ平行光束となって基準格
子板１８に所定の交差角で入射する。受光素子１９は基
準格子板１８を透過した±１次回折光（ＩＳ−１２Ｓ−
、）のビート信号を受光し、Ｏ次ビームＬｏは受光しな
いように配置される。偏光ビームスプリッタ１１８を透
過したＰ偏光のビームＬＢＩＰ％　ＬＢｔＰはそれぞれ
平行光束となって像共役面ＩＰｍで交差した後、リレー
系１７Ａから射出し、ビームスプリッタ２０で反射され
、テレセン度調整用の平行平面ガラス５０（第１光学部
材）を介してアライメント用のテレセントリックな対物
レンズ２１ａに入射する。この際、ビームＬＢ、Ｐ、Ｌ
Ｂｔｐは対物レンズ２１ａの瞳面ＥＰ、　、もしくはそ
の近傍でスポット光（ビームウェスト位置）となり、対
物レンズ２１ａからは平行な光束となってマスクＭｓへ
進む、対物レンズ２１ａを射出したビームＬＢＩＰ、Ｌ
Ｂ□の各主光線は、本実施例ではマスクＭｓとウェハＷ
とのプロキシミティ・ギャップのほぼ中間で交差するよ
うに定められている。プロキシミティ・ギャップは露光
装置の光源の種類、露光エネルギーの照射系等によって
も異なるが、−船釣に１０μｍ〜５００μｍの間に定め
ることが知られている。ギャップが狭い場合は、２つの
ビームＬＢ１ｐ、ＬＢ□の交差ｆｉＪｆ域（光軸方向）
内にマスクＭｓの格子マークＲＭとウェハＷの格子マー
クＷＭとが確実に存在するためあまり問題にはならない
が、ギャップを広く取る場合、その交差領域内にマーク
ＲＭとマークＷＭとが確実に存在するか否かが問題にな
る。ところが、このことは、マスクＭｓに達するビーム
ＬＢＩＰ、ＬＢｔｐの径を大きくするだけで容易に解決
し、交差領域の光軸方向の長さは比較的自由に設定する
ことができる。ここでも、マークＲＭとマークＷＭの位
置関係は第４図に示したものと同様にしておき、なおか
つ両マークの格子ピッチは同一にしてお（。

さて、マークＲＭ、ＷＭからの回折光（ビート信号）１
０４．１０５は対物レンズ２１ａ、平行平面ガラス５０
．ビームスプリッタ２０．リレー系１７Ｂを介して瞳共
役の空間フィルター２３に達する。ここでＯ次ビームＬ
ｏが遮光され、回折光１０４．１０５のみがレンズ系（
逆フーリエ変換レンズ）２４を通ってビームスプリッタ
ＢＳに入射する。ここで回折光１０４、ｌＯ５は２つに
光量分割され、第３図に示したのと同様に、それぞれ視
野絞りとしてのアパーチャ板２５Ａ″、２５Ｂ’　を介
して受光素子２５Ａ、２５Ｂに達する。

ここでアパーチャ板２５Ａ°はマスクＭｓのマークＲＭ
と共役に配置され、マークＲＭの像のみを透過し、アパ
ーチャ板２５Ｂ°はウェハＷのマークＷＭと共役に配置
され、マークＷＭの像のみを透過する。このように、マ
スクＭｓとウェハＷについてアパーチャ板２５を２つに
分けたのは、マスクＭｓとウェハＷとのギャップが大き
く、対物レンズの拡大倍率が大きい場合に、対物レンズ
２１ａ単体の焦点深度では両マークの像を同一結像面に
することが難しいからである。もちろん、第１図、第３
図のように２焦点光学系を採用すれば、両７−りの像を
同一面に結像させることができる。またギャップがわず
かな場合はアパーチャ板２５Ａ″、２５Ｂ’　を共通に
してもよい。

本実施例においても、テレセン度調整はマスクＭｓ又は
ウェハＷの代りに基準マーク板ＦＭを用いて先の実施例
と全く同様に実行できる。しかじながら、基準マーク板
ＦＭを使わずに、マスクＭＳのマークＲＭを用いること
も可能である。そのためにはマスクＭｓを保持するマス
クホルダーをＺ軸方向に上下動させればよい。

さらに２つのビームＬＢＩＦ、ＬＢｔｒの交差角を微調
するために、平行平面ガラス５４．５５の傾きを適宜調
整すればよい。この場合、厚みの大きい平行平面ガラス
５４を粗調に使い、薄い平行平面ガラス５４を微調に使
うとよい。

ところで、平行平面ガラス５０は、プリズムミラーＰＭ
とリレー系１７Ａとの間に設けてもよい。

その場合でも、平行平面ガラス５０はレンズ系ＬＧ、　
、ＬＧｘとリレー系１７Ａとの間の瞳空間内に設けたこ
とになるので、同様の効果が得られる。

このことは第１図、第３図の場合にも同様にあてはまる
。しかも、受光素子２５Ａ、２５Ｂはほぼ像共役に配置
されているため、送光ビームＬＢ、、。

ＬＢ□と回折光１０４．１０５の共通光路内に平行平面
ガラス５０を設けなくても、受光素子２５Ａ、２５Ｂに
達する回折光１０４．１０５の横ずれは全く生じない。

尚、平行平面ガラス５０は、第１図の場合でも同様であ
るが、極力瞳共役面、もしくはそれに近い位置に配置す
ることが望ましい、また本実施例の場合も第８図に示し
た例と同様に、マークＲＭ、ＷＭの観察位置の変化に応
じて対物レンズ２１ａがアフォーカル系のところで、先
端の反射ミラーとともに光軸方向に可動な構成にできる
ことは言うまでもない。

次に本発明の第６の実施例を第１６図を参照して説明す
る０本実施例では、回折格子に入射する２つのビームＬ
Ｂ、　、ＬＢＩの交差角を周波数シフター１２内の２つ
のＡＯＭ７３．７４を用いて微調するように構成した。

第１６図（Ａ）でＡＯＭ７３．７４等の基本的な配置は
、先の第５図と同様であるが、ここではＡＯＭ７３とＡ
ＯＭ７４をＺ軸と平行な中心線ｊ！ｃの回りに１８０”
回転させた関係に配置する。従ってＡＯＭ？３．７４へ
のドライブ信号ＳＦ、　、ＳＦ、の周波数がほぼ同一で
あるとすると、０次光Ｄｏに対して１次光（ビームＬＢ
Ｐ　、ＬＢｓ　）は、第１６図（Ａ）中でｘ−ｚ面内で
中心線１ｃに関して対称的な回折角で偏向される。

そしてＡＯＭ７３．７４から射出したビームは、それぞ
れレンズ系４００ａ、４００ｂを通り、空間フィルター
４１０ａ、４１０ｂに達する。レンズ系４００ａ、４０
０ｂの前側焦点はそれぞれＡＯＭ７３．７４内の回折点
（偏向点）とほぼ一致しており、またレンズ４００ａ、
４００ｂの光軸ＡＸａ（その後の合成によって対物レン
ズ系２１の光軸と合致する）は、０次光Ｄｏと一敗する
ように定められている。さらに空間フィルター４１Ｏａ
、４１０ｂはそれぞれレンズ系４００ａ、４００ｂの後
側焦点面（第１２図面Ｐｅに相当）に配置され、θ次光
Ｄｏを遮光して１次光であるビームＬＢｐ、ＬＢｓのみ
を透過する。レンズ系４００ａ；　４００ｂの後では、
ビームＬＢ、、ＬＢ、の主光線は光軸ＡＸａと平行にな
り、空間フィルター４１０ａ、４１０ｂの各々の開口部
にはビームＬＢ、、ＬＢ、のビームウェストが位置する
。

従って空間フィルター４１０ａ、４１０ｂを対物レンズ
系２１の瞳ＥＰ、とほぼ共役、もしくは２つのビームＬ
Ｂ、　、ＬＢ、の光学理論上のウェスト位置と共役にす
れば、回折格子に達する２つのビームＬＢ、、ＬＢ、を
実質的に平行光束にすることができる。また空間フィル
ター４１０ａ、４ｔｏｂの開口部は、ビームＬＢ、、　
ＬＢｔの主光線と光軸ＡＸａとの各間隔ｄｐ、ｄｓがわ
ずかに変化してもよいように、Ｘ方向に少し暢をもたせ
である。

さて、第１６図（Ｂ）はドライブ信号ＳＦ、、ＳＦＩの
発生回路の一例を模式的に表わしたブロック図である。

ドライブ信号ＳＦ、　、ＳＦ、は、水晶発振器Ｃｘを用
いた周波数シンセサイザ一部４１１．４１２で作られる
。出力周波数の設定は分周比等をセットするカウンタ４
１４．４１６で行なわれ、設定値ＣＮ、、ＣＮＩは主制
御系４１（第１図）等から与えられる。設定値ＣＮ、　
、ＣＮ８は信号ＳＦ、　、ＳＦ、の周波数差が２５に豫
になるように定められている。そこでドライブ信号ＳＦ
、、ＳＦｔとして、それぞれ８０．０００　Ｍ七、８０
．０２５　Ｍ七の高周波をＡＯＭ７３．７４に印加する
と、間隔ａｐとｄｓはともに同じ設計値になる。ところ
が、ドライブ信号ＳＦ、　、ＳＦ８の周波数をともに数
％〜数十％程度（場合によっては２倍程度）だけ増減さ
せると、間隔ｄｐ、ｄｓは設計値に対してともに同じ量
だけ光軸ＡＸａから逆方向に変化する。従ってアライメ
ント系、又は投影レンズ３内の瞳面上で、２つのビーム
ＬＢ、　、ＬＢｓの主光線が平行を保ったまま、光軸を
中心に対称的に位置変化し、その結果マークＲＭＳＷＭ
に達する２つのビームＬ　Ｂ　ｌｓ％Ｌ　Ｂ　茸ｓ、又
はビームＬＢ□、ＬＢ□の入射角が対称的に変化して交
差角の微調整ができる。

そこで第１６図（Ａ）の構成の場合は、第１１図に示し
た変調度検出系４２０と、第１６図（Ｂ）に示したドラ
イブ回路とを組み合わせて、基準マーク板ＦＭ、レチク
ルのマークＲＭ等を用いて、２つのビームＬＢ、　、ｔ
、ａｍの交差角の自動調整（又はセルフチエツク）を行
なうようにするとよい。

この場合、機械的な調整ではなく、単にドライブ信号Ｓ
Ｆ、　、ＳＦ、の周波数を変化させる電気的な調整であ
るため、極めて安定、かつ高速である。

以上のように本実施例では、周波数シフター１２内のＡ
ＯＭ７３．７４が本発明の第２光学部材として機能する
。そして、ＡＯＭ７３．７４を用いて交差角の微調を行
なうので、ＡＯＭ７３．７４の発熱や経時変化に伴なう
回折特性の変動にも容易に対応することができる。

〔その他の変形例〕

（１）　　回折格子マークＲＭ、又はＷＭを照射する２
つノビームＬＢ、、ＬＢＩは偏光方向が異なっていても
よい０例えばビームＬＢ、を左回りの円偏光、ビームＬ
Ｂ、を右回りの円偏光にすると、格子マーク上では干渉
縞が発生しないが、受光素子１９．２５．３００の前に
複屈折素子等を入れると同様にビーム信号が得られる。

（２）ビームＬＢ、　、ＬＢ、の周波数差を得るために
、レーザ光源１０をゼーマンレーザにしてもよい。

（３）ビームＬＢ、とＬＢ、の周波数差を零にしたホモ
ダイン方式の場合であっても、同様にテレセン度調整と
交差角調整とができる。

（４）ＡＯＭを用いると、ドライブ信号の周波数を変え
るだけでホモダイン方式とヘテロゲイン方式とをドライ
ブ信号の周波数差の有無によって簡単に切替えられるの
で、ホモダイン方式にしてウェハステージ５をスキャン
するアライメントシーケンスと、ヘテロゲイン方式によ
る露光中のウェハステージのサーボロックとを選択的に
高速に切り替えて処理できる。

（５）ＴＴＲ，ＴＴＬ方式のアライメント系では、２つ
のビームＬＢ＋、ＬＢｍの波長を露光光の波長に近位さ
せて、２焦点素子（ｌｊ［屈折物質）２１ａを省略して
もよい。

その場合は、ビームＬＢ、　、ＬＢＩの送光路中の像共
役面に照明視野絞りを配置して、ウェハ上のレジスト層
の照射領域をマークＷＭの部分に制限する。

（６）　　第１６図の構成においては、ＡＯＭ７３．７
４の発熱によってビームの回折角がドリフトする場合、
その発熱を温度センサーでモニターし、温度上昇にとも
なってドライブ信号ＳＦ、、ＳＦ□の周波数を自動調整
してビームＬＢ、　、ＬＢ。

の交差角を一定に保つようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば２つのビームを回折格子上で交差
するように照射するアライメント光学系等において対物
光学系（投影光学系）の瞳面で２つのビームの位置を格
子配列方向に同量だけシフトさせる第１光学部材を設け
たので、２つのビームのテレセン度が調整でき、さらに
２つのビームの瞳面での間隔を変化させる第２光学部材
を設けたので、２つのビームの回折格子上での交差角を
最適なものに調整できる。

従って、回折格子と干渉縞を用いた位置検出の精度が、
ホゾの高分解能であることの利点を保ったまま安定に得
、られるといった効果がある。

また干渉縞と回折格子とが相対的に光軸方向に大きく変
位しても、極めて高いテレセン性を維持しているため、
何ら位置検出の障害にならないといった格別な効果も得
られる。

このため従来のステッパー等で実行されていたアライメ
ント時のフォーカス合わせ（ＡＦ）動作が省略できるの
で、Ｅ−Ｇ−Ａ法を併用したシーケンスではスルーブツ
トが向上するといった利点もある。またギャップの設定
精度や光源とマスクとの間隔設定精度が比較的低いプロ
キシミティ露光装置（例えばＳＯＲを用いたＸ線ステッ
パー等）では、はとんど機械的にマスクとウェハとをセ
ットするだけで、ただちにアライメント、露光といった
動作に移行でき、同様にスルーブツトの向上が期待でき
る。

また第１光学部材と第２光学部材は、１つの検出信号（
例えばＤＳｗ）に基づいて調整することができるため、
それぞれテレセン度計測と交差角計測とに別々の検出系
を備えておく必要がなく、極めて簡便である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例によるステッパーの構成
を示す図、第２図（Ａ）は干渉縞と回折格子の様子を説
明する本発明の原理図、第２図（Ｂ）、（Ｃ）は信号波
形の一例を示す原理図、第３図は第１図に示した光学系
の主要部をさらに詳細に説明した図、第４図は第３図中
の回折格子マークとアパーチャ板の関係を示す平面図、
第５図、第６図、第７図は第１図中の周波数シフターの
詳細な構成を示す図、第８図は第１図中のアライメント
系の実用的な構造を示す図、第９図は投影レンズの像面
側でのテレセン度の計測方法を説明する図、第１０図は
テレセン性の計測値を表わすグラフ、第１１図は変調度
検出系の接続方式を示す図、第１２図は本発明の第２の
実施例による光学系を示す図、第１３図（Ａ）、第１３
図（Ｂ）は本発明の第３の実施例による受光系の構成を
示す図、第１４図（Ａ）、第１４図（Ｂ）は本発明の第
４の実施例の原理説明であって、回折光の発生の様子と
、０次ビームのビート信号の波形を示す図、第１５図は
第５の実施例によるアライメント装置の構成を示す図、
第１６図（Ａ）は第６の実施例による周波数シフターの
構成を示す斜視図、第１６図（Ｂ）は第１６図（Ａ）の
構成に好適なドライブ回路の一例を示すブロック図であ
る。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・レチクル、３・・・投影レンズ、４．Ｗ・・・
ウェハ、５・・・ウェハステージ、１０・・・レーザ光
源、１２・・・周波数シフター １７Ａ、、１７Ｂ・・・リレー系、１８・・・基準格子
板、１９・・・受光素子、２１ａ・・・対物レンズ、２
１ｂ・・・複屈折物質、２３・・・空間フィルター２５
．２５Ａ、２５Ｂ・・・受光素子、４０・・・位相検出
系、４１・・・主制御系、５０．５４．５５・・・平行
平面ガラス、ＷＰ、ＲＭ、ＷＭ・・・回折格子マーク、
１０４．１０５・・・マークＲＭ、ＷＭからの干渉ビー
ト光（回折光）、 ７３．７４・・・音響光学変調器（ＡＯＭ）、３００．
３０ＯＲ，３００Ｗ・・・受光素子、４２０・・・変調
度検出系、ＬＢ・・・レーザビーム、ＬＢ、・・・Ｐ偏
光ビーム、ＬＢ、・・・Ｓ偏光ビーム、Ｌ　Ｂ　Ｉ　・
・・周波数ｆ、のビーム、ＬＢ、・・・周波数ｆ３のビ
ーム、 ＥＰ、ＥＰ、・・・瞳面、 ＳＦ、、ｓｉ；’ｘ・・・ＡＯＭドライブ信号、ＤＲ・
・・参照信号、ＤＳｗ、ＤＳｒ・・・計測信号、ＡＸａ
・・・アライメント系の光軸、ＩＦｗ・・・干渉縞、Ｉ
Ｐ’、ＩＰｍ・・・像共役面、ＦＭ・・・基準マーク板
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）物体上に形成された回折格子を所定の交差角で２
   方向から照射するための２つのビームを造り出すビーム
   発生手段と、該２つのビームを瞳面内で所定間隔だけ離
   して通すことによって、前記物体に所定の交差角で照射
   する対物光学系と、前記回折格子からの回折光を該対物
   光学系を介して受光する光電検出器とを備え、該光電検
   出器からの検出信号に基づいて前記物体の位置を検出す
   る装置において、 前記ビーム発生手段に含まれる光源から前記物体までの
   光路中に配置され、前記瞳面内での２つのビームの間隔
   はほぼ一定に保ったまま、該２つのビームを前記瞳面内
   でともに前記回折格子の格子配列方向に変位させる第１
   光学部材と；前記光源から前記対物光学系までの光路中
   に配置され、前記瞳面内での２つのビームの間隔を変化
   させる第２光学部材とを備え、 前記検出信号の状態に応じて、前記第１光学部材と前記
   第２光学部材とを調整することを特徴とする位置検出装
   置。
2. （２）前記ビーム発生手段は、前記２つのビームを作る
   ための２つの音響光学変調器を備え、該２つの音響光学
   変調器を前記第１光学部材と第２光学部材のいずれか一
   方として使用するとともに、該２つの音響光学変調器の
   偏向原点を前記対物光学系に関して前記物体とほぼ共役
   に配置したことを特徴とする請求項第１項に記載の装置
   。
3. （３）前記２つの音響光学変調器から射出するビームの
   偏向面を同一面内に揃えるとともに、該２つの音響光学
   変調器の夫々に印加するドライブ信号の周波数をほぼ同
   じ量だけ増減させるドライブ回路を備えたことを特徴と
   する請求項第２項に記載の装置。