JPH03216519A - 測定装置、測定方法、及び露光装置、露光方法、及び回路パターンチップ - 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、回折格子を利用した高分解能の変位検出装置
に関し、特にウエハやマスク等に形成された回折格子の
位置ずれ量、あるいはマスクとウェハとのアライメント
誤差量等を検出する装置に閲するものである． 〔従来の技術］ 従来、この種の変位検出装置として、特開昭６１−２０
８２２０号公報、特開昭６１−２２８４４９号公報に開
示されているように、ウエハ等の基板に回折格子を形成
しておき、これにコヒーレントな２光束を互いに異なる
方向から照射して、回折格子のピッチ方向に並んだ干渉
縞を作り、このスタティックな干渉縞を基準として回折
格子の変位量、位置ずれ量を検出する方式が知られてい
る。さらに、上記公報には、基板上の回折格子の各格子
エレメントのエッジが非対称性を伴っている場合、予め
回折格子からの回折光のいろいろな次数について個別に
強度を求めてデータベース化しておき、実際の位置ずれ
検出時には非対称性による誤差分をデータベースに基づ
いて補正することも開示されている。

また、回折格子上に照射される干渉縞を一方向に高速に
流し、光ヘテログイン方式で、回折格子の位置ずれ量を
検出する方法も、例えば、特開昭６１−２１５９０５号
公報、特開昭６２−５６８１８号公報に開示されている
。この公報に開示された技術によれば、コヒーレントな
２光束に一定の周波数差を与え、その２光束を回折格子
上で所定の角度で交差させることによって、一方向に周
波数差に応じた速度で流れる干渉縞を作ることができる
。そして位置ずれ量の検出にあたっては、回折格子から
同一方向に発生する同一次数の回折光同志の干渉強度を
光電検出して、２光束の周波数差と等しい周波数の計測
用光電信号を得る。

方、２光東の周波数差と等しい周波数の参照信号を別途
作っておき、この参照信号に対する計測用光電信号の位
相差を検出することで、回折格子のピッチ方向の位置ず
れ量（変位）が格子の±ｌ／４ピッチ以内で計測される
． さらに、このような光ヘテロダイン方式の位置ずれ検出
装置を半導体素子製造用の投影型露光装置（ステッパー
）内のＴＴＲ　（スルー・ザ・レチクル）アライメント
系として組み込んだものが、特開昭６３−２８３１２９
号公報に開示されている。ＴＴＲアライメント系は通常
の使い方として、ウェハ上の１つのシラット領域をレチ
クルパターンの投映像と±１ｔＩｍ程度に位置合わせし
た状態で、そのショット領域の格子マークを検出して１
μｍ以下の位置ずれ量を求め、そのずれ量が補正される
ように、ウェハステージ、又はレチクルステージを微動
させるように使われる。このように、ＴＴＲアライメン
ト系では、格子マークの検出時に２光束とウェハ（格子
マーク）とは相対移動しないが、その代りに格子マーク
上の干渉縞が常に流れ続けているため、位相差計測が逐
次可能である． 〔発明が解決しようとする課題〕 非測定物としてウェハが計測される場合、露光工程にあ
るウェハは、通常全面にレジスト層が塗布されている． 従って、干渉縞を作る２光束はレジスト層を介してウェ
ハ表面の回折格子マークを照射することになる。レジス
ト層は１μｍ程度の薄膜であり、これに対して２光束は
単色性のよいレーザ光等が使われるため、薄膜干渉現象
等が起きやすく、レジスト層のわずかな厚み変化によっ
て、格子マークから生じる回折光（例えば±１次光）の
強度が極端に変化することがある。また一連のプロセス
を受けたウェハ等では、格子マーク自体のデューティ（
ライン幅とスペース幅の比）が５０％から変化すること
があり、この場合も、検出しようとする回折光（±１次
光）の強度が変化する。

また、それらレジスト層や格子デューティの両方の影響
がともに悪い方向へ働くと、検出すべき回折光（±１次
光同志の干渉光）の強度がほとんど得られないといった
欠点があった。

そこで本発明は、上述のような悪影響が生じたときでも
、回折格子の変位検出を可能にした装置を得ることを目
的とする。

〔課題を達成する為の手段〕

本発明は、従来より知られている２通りの方式、すなわ
ち、交差する２光束によって作られたスタティックな干
渉縞を基準に回折格子の変位を検出するホモダイン方式
と、２光束に周波数差を与え、参照信号との位相差で回
折格子の変位を検出するヘテロダイン方式とのいずれの
方式にも適用できるものである。

本発明の基本的な構成は従来と同様に、回折格子に２方
向から光ビームを照射する光ビーム照射手段と、回折格
子から生じる回折光同志の干渉強度を検出する光電検出
手段と、その出力信号に基づいて回折格子のピッチ方向
の変位を計測する計測手段とを設けることにある．さら
に本発明の新規な構成として、光電検出手段として第１
光電検出器と第２光電検出器との２つを設ける。

第１光電検出器は、２つのビームの照射によって回折格
子から生じる同一回折角の回折光同志の干渉強度を検出
し、第２光電検出器は回折格子から生じる異なる回折角
の回折光同志の干渉強度を検出する。

さらに本発明では計測手段として、第１計測部と第２計
測部とを設ける。第１計測部は第１光電検出器の出力信
号に基づいて回折格子（被測定物）の変位量（すなわち
、位置ずれ量）に対応した値を計測し、第２計測部は第
２光電検出器の出力信号に基づいて回折格子の変位量（
位置ずれ量）に対応した値を計測する。

そして、第１計測部の計測値と第２計測部の計測値との
いずれか一方、又は両方の平均的な値を、光電検出器の
各出力信号の大きさに応じて選択するように構成したも
のである。

〔作用〕

本発明の第１光電検出器は同一回折角の回折光同志の干
渉強度を検出するが、これは２方向から回折格子を照射
する２つの光ビームを、第１ビーム、第２ビームとした
とき、例えば第１ビームの照射によって生じる−１次回
折光と第２ビームの照射によって生じる＋１次回折光と
が同一方向に進むように、２つの光ビームの回折格子へ
の入射角と格子ピッチの関係を定めることで達成される
。

そして、この条件が達成されていると、例えば第１ビー
ムの照射によって生じる０次回折光（正反射光、又は直
進透過光）と、第２ビームの照射によって生じる＋２次
回折光とが同一方向に進むことになり、これは第２光電
検出器によって干渉強度として検出される。本発明では
、回折格子のデューティやレジスト層等の影響で１次回
折光が弱くなる条件と、２次回折光が弱くなる条件とが
全く同時に満たされる確率は極めて小さいという点に着
目し、どちらかの光電検出器に十分な光強度が得られれ
ば、その一方の出力信号を使って回折格子の変位（位置
ずれ）量を検出するものである。

従って、通常は同一次数（±１次）の回折光同志の干渉
強度に基づいて位置ずれ検出を行ない、その干渉強度が
あるレベル以下、又は全く得られないときは異なる次数
（０次、２次）の回折光同志の干渉強度に基づいて位置
ずれ検出を行なうように切り替えることで、回折格子マ
ークの検出率が確実に向上する． ここで本発明の原理を第２図、第３図を参照して説明す
る。

第２図において反射型の回折格子ＧＡに対して、２つの
光ビームＢＭＩ　、ＢＭｉを入射角ψで対称的に照射す
る。

第１ビームＢＭ，と第２ビームＢＭ，は、同一のレーザ
光源から照射され、ともに格子ＧＡの全面を照射するだ
けの断面積をもった平行光束とする．またここでは、第
１ビームＢＭ．と第２ビームＢＭ２との周波数は等しい
ものとするが、周波数差をもたせても、以下の説明は全
く同様に適用される． 尚、その周波数差は、すなわち光ヘテロダイン方式のビ
ート周波数のことであり、ゼーマン・レーザ光源を使う
ことで容易に与えられる。また第１ビームＢＭ．と第２
ビームＢＭ．との周波数が異なるということは、かなら
ずしも波長が異なるということを意味せず、むしろ実質
的に等しいと考えてよい．本発明で扱うヘテロダイン・
ビート周波数は無線周波数よりも低１１０’〜１０’七
程度）、これは例えばＨｅ−Ｎｅレーザ光の代表的な波
長６２８ｎａ＋の絶対的な周波数（光速度／波長）約４
．７６Ｘ１０１４Ｈｚと比較すれば、実質無視できるこ
とは明らかである． さて、第２図のように、２つのビームＢＭ．、Ｂ　Ｍ　
ｚを照射すると、その交差領域内には干渉縞ＩＦが作ら
れる。干渉縞ＩＦは格子ＧＡの格子要素と平行になるよ
うに設定される。ここで２つのビームＢＭ．　、ＢＭ．
の波長をλ、格子ＧＡ（デューティ５０％）のピッチを
Ｐｇ，干渉縞ＩＦのピッチをＰｆとすると、まず次式の
関係が成り立つ。

λ Ｐｆ＝　　　　　　　・旧・・・・・（１）２ｓｉｎ　
　ψ さらに、第１ビームＢＭ，，第２ビームＢＭ．の各ｎ次
回折光を格子ＧＡの面に対して垂直に発生させるものと
すると、次式の関係が成り立つ。

ｎ　・　λ 従って式（１）、（２）より、２−ｎ−Ｐｆ＝Ｐｇとな
る．第２図ではｎ＝ｌとして図示してあり、各回折次数
の符号（正負）は、０次回折光に対して時計回りの方向
に広がっていく高次回折光を正とし、反時計回りを負と
してある。

まず第１ビームＢＭ，の照射によって生じる０次回折光
Ｂｒ　　（ｏ）は、第２ビームＢＭ，と同じ光路を逆進
する。そして第１ビームＢＭ，の照射によって生じた−
１次回折光Ｂ＋　　（−ｔ）は垂直に進み、−２次回折
光Ｂ，（−２）は第１ビームＢＭ，とほぼ同じ光路を逆
進する。さらに第１ビームＢＭ．の照射によって生じた
＋１次回折光Ｂ（＋１）は０次回折光ＢＭＩ　　（０）
がら時計回りにほぼ角度ψだけ傾いた方向に進み、−３
次回折光Ｂｌ　　（−３）は第１ビームＢＭ，がら反時
計回りにほぼ角度ψだけ傾いた方向に進む。一方、第２
ビームＢＭ．の照射によって生じた０次回折光Ｂ２　　
（０）は第１ビームＢＭ，　　と同じ光路を逆？する．
そして第２ビームＢＭ２の照射によって住じた＋１次回
折光Ｂ！　　（十Ｎは垂直に進み、＋２次回折光Ｂ■　
（＋２）は第２ビームＢ　Ｍ　ｔとほぼ同じ光路を逆進
する．さらに第２ビームＢＭ２の照射によって生じた−
１次回折光ＢＭ．（−１）はＯ次回折光Ｂ＠　（０）か
ら反時計回りにほぼ角度ψだけ傾いた方向に進み、＋３
次回折光Ｂ（＋３）は第２ビームＢＭ！から時計回りに
ほぼ角度ψだけ傾いた方向に進む。従って、±１次の回
折光Ｂｌ　　（−１）、Ｂｚ　　（−ｔ−ｔ）を同一方
向に発生させる条件にすると、０次回折光Ｂ．（０）と
＋２次回折光Ｂ！　　（＋２）とが同一方向になり、０
次回折光Ｂ．（ｏ）と−２次回折光Ｂ１（−２）とが同
一方向になる。さらに＋１次回折光Ｂ＋（＋１）と＋３
次回折光Ｂｔ　（＋３）とが同一方向になり、−１次回
折光Ｂｔ　　（−ｔ）と−３次回折光Ｂｌ　　（−３）
とが同一方向になる。

これら同一方向に進む回折光同志は互いに干渉し合い、
干渉縞ＩＦと格子ＧＡの相対移動によってその干渉強度
も正弦波状に変化する。

第３図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ２つのビームＢＭ．　
、ＢＭ．を別々に格子ＧＡに照射したときの各回折光の
発生の様子を示したもので、縦軸は回折光の相対強度を
表わし、横軸は格子ＧＡの法線方向を零基準とした各回
折光の回折角を表わす。

尚、第３図（Ａ）中の＋２次回折光Ｂ１　（＋２）、＋
３次回折光Ｂｌ　　（＋３）と、第３図（Ｂ）中の−２
次回折光ＢＺ　　（−２）、−３次回折光Ｂ２　　（−
３）は、第２図中には図示していない。

この第３図から明らかなように、第１ビームＢＭＩによ
って生じた回折光の次数と、第２ビームＢＭ，によって
生じた回折光の次数との差の絶対値が２になるもの同志
が互いに同一方向に進み、干渉し合う。すなわち±ｎ次
回折光を同一方向にする場合、差の絶対値が２ｎになる
次数の回折光同志が同一方向に進むことになる。

本発明では、差の絶対値が２ｎになる次数の回折光同志
の干渉光の複数を個別に光電検出し、その信号強度に応
じてどの出力信号を位置ずれ検出に使用するかを判断す
るようにした。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例による位置ずれ検出装置
の構成を示し、ここでは半導体ウェハＷ上に形成された
回折格子Ｇｗの変位を格子ピッチＰＨの±１７４以内で
検出する場合を考える．第１図に示す光学系の基本構成
は、例えば特開昭６３−２８３１２９号公報に開示され
たものと同等である。２つの平行なビームＢ＋　、Ｂｔ
は同一方向の直線偏光であり、周波数差Δｆ（例えば１
００ＫＨｚ以下）を有し、レンズ系ｌＯによってそれぞ
れ集光される。ビームＢｌ，Ｂｔは偏光中性のビームス
ブリッタ１２によってウェハＷに入射するビームＢ　Ｍ
　＋　、Ｂ　Ｍ　ｚと参照系に入射するビームＢｒ，　
、Ｂｒ．とに分割される。ビームＢＭ．　、ＢＭ．はさ
らに偏光ビームスブリッタｌ４をほぼ１００％透過し、
１／４波長板１６に入射してテレセントリックな対物レ
ンズ系１８を通ってウェハＷ上で平行光束となって交差
する。

レンズ系１０の後例焦点面は対物レンズ系１８の前側焦
点面、すなわち瞳面ｅｐと一致しており、２つのビーム
ＢＭ，　、ＢＭ．は瞳面ｅｐ内の光軸を挟んだ対称な点
で最小スポットに集光される。

またビームＢＭ，，ＢＭ．の主光線は瞳空間（レンズ系
１０と対物レンズ系１８との間）では光軸とほぼ平行に
なっている。従って対物レンズ系１８を射出したウェハ
Ｗへ向うビームＢＭ，　、ＢＭ２はともに平行光束にな
ると共に、互いに対称的に傾いた入射角ψになる。本実
施例では対物レンズ系１８の後例焦点面にウェハＷが一
致するように配置されるため、その焦点距離をＦとし、
瞳ｅｐ内でのビームスポットの光軸からの距離をｌとす
ると、入射角ψは、 ｔａｎ　ψ＝ｆ／Ｆ・・・・・・・・・（３）で表わさ
れる。

また偏光ビームスブリッタ１４を通ったビームＢＭ，　
、ＢＭ．は例えば直線Ｐ偏光であり、１／４波長板１６
によってウエハＷに入射するときは、同一方向に偏波面
が回転した円偏光となり、互いに干渉することになる。

このため回折格子ＧＷ上にはビンチＰｆの干渉縞が一定
速度で流れ、第２図で説明した通り、±１次回折光がウ
ェハＷと垂直に対物レンズ系１日の光軸に沿って戻る。

格子Ｇｗからの±１次回折光は、互いに干渉し合う干渉
光ＢＴ（±１）となって１／４波長板１６を通り、ここ
で円偏光から直線Ｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリ
ッタ１４でほぼ１００％が反射され、光電素子２０ａに
受光される。光電素子２０ａは対物レンズ系１８の瞳面
の位置又はその近傍の光軸上に配置される。ウェハＷの
格子Ｇｗからの±１次回折光はともに平行光束であるた
め、干渉光ＢＴ（±１）は光電素子２０ａの位置では最
小のスポットサイズに集光される。

同様に、格子ＧｗからビームＢＭＩ　、ＢＭＺの照射光
路を逆進する方向に生じる干渉光ＢＴ（２、Ｏ）、ＢＴ
（０、＋２）も、１／４波長板１６で円偏光からＳ偏光
に変換され、偏光ビームスプリンタ１４で反射されて、
それぞれ光電素子２０ｂ、２０ｃに受光される。光電素
子２０ｂ、２０ｃは光電素子２０ａを挟むように、対物
レンズ系１８の瞳面、又はその近傍に配置される。

一方、ビームスプリッタ１２で分割された２つのビーム
Ｂｒ＋　、Ｂｒ．は、レンズ系２２によって基準格子２
４上で交差する平行光束に変換される。レンズ系２２の
前側焦点面はレンズ系ｌＯの後例焦点面と一致しており
、レンズ系２２の後例焦点面には基準格子２４が一致し
ている。基準格子２４は透過型であり、ここから００次
光はアバーチャ２６で遮断され、同軸に進む±１次回折
光ＢＲ（±１）のみがアバーチャ２６を通って光電素子
２８に受光される。

基準格子２４で交差する２つのビームＢｒ，、Ｂｒｚは
とも、に直線Ｐ偏光であるため、互いに干渉し合い、基
準格子２４上には流れる干渉縞が作られる。この基準格
子２４は位置ずれ検出の際の装置側の基準点となるもの
であって、装置内に安定に固定される。

さて、元々のビームＢ．、Ｂオには周波数差Δｆがある
ため、基準格子２４からの干渉光ＢＲ（±１）と、格子
Ｇｗからの干渉光ＢＴ（土ｌ）、ＢＴ　（−２、Ｏ）、
ＢＴ（０、＋２）は、いずれもビート周波数Δｆで正弦
波状に強度変化する。

従って光電素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，及び２８がそ
のビート周波数Δｆに十分追従する応答性を有していれ
ば、各光電素子はそれぞれ周波数Δｆの正弦波信号Ｓａ
，Ｓｂ，Ｓｃ，ＳＲを出力する。

出力信号Ｓａは、リファレンスとしての出力信号ＳＲと
の間の位相差Δθ，を検出する位相差検出部４０と、出
力信号Ｓａの信号強度、もしくは振幅に関する値ＧＳａ
を検出する強度検出部４１とに入力する。

出力信号３ｂ，Ｓｃは出力信号ＳＲとの位相差Δθ２を
検出する位相差検出部４２と、信号ｓｂ、Ｓｃの強度、
もしくは振幅に関する値ＧＳｂ，ＧＳｃを個別に検出す
る強度検出部４３に入力する。

位相差検出部４２は、出力信号ｓｂと参照信号ＳＲとの
位相差Δθｂと、出力信号Ｓｃと参照信号ＳＲとの位相
差ΔθＣとを個別に求めた後、次式の演算で位相差Δθ
２を求める。

Δθ２＝（Δθｂ＋Δθｃ）／２・・・・・・・・・．
（４）強度判定部４４は、干渉光ＢＴ（−２、０）、（
０、＋２）の強度に関する値ＧＳｂ，ＧＳｃを入力して
、一例として次式の演算を行ない、その平均強度ＧＵを
求める。

ＧＵ＝　（ＧＳ　ｂ＋ＧＳ　Ｃ）／２−・−−−−−−
−　（５）さらに強度判定部４４は、強度値ＧＳａとＧ
Ｕとの大小関係に基づいて位置ずれ演算部４５に判定出
力Ｑ（ａ，ｂ）を出力するとともに、強度値ＧＳａ，Ｃ
，Ｕのどちらもが所定の条件を満していないときにエラ
ー信号ＥＲＲを出力する。

位置ずれ演算部４５ば位相差Δθ，、Δθ２を入力して
、次式によって回折格子Ｇｗの基準格子２４に対する位
置ずれ（変位）量ΔＸを、格子ピッチＰｇの±１７４以
内で求める。

ａ＋ｂ ２π （ただし、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１） この式（６）中の係数ａ，ｂは強度判定部４４からの判
定出力Ｑ（ａ，ｂ）によって設定されるものであり、い
くつかの判定アルゴリズムが用意されている。

そこで以下、強度判定部４４に組み込まれる代表的な３
つのアルゴリズムを例示する。

尚、式（７）においては、一π〈Δθ〈πであり、従っ
てーＰｇ／４＜ΔＸ＜Ｐｇ／４である。

予め設定した信号強度値をｇ０を用いて、ａ　＝Ｃ＋　
・ＧＳａ　，　ｂ　＝Ｃｇ　・ＧＵ　（Ｃ＋，　Ｃｚは
定数）以上、第１のアルゴリズムは、１次回折光同志の
干渉光ＢＴ（±１）の強度と２次、０次回折光の干渉光
ＢＴ　（−２、０）、（０、＋２）の平均強度とを比較
して、強度の大きい方の信号のみに基づいて位相差Δθ
、位置ずれ量ΔＸを求める方法である。第２のアルゴリ
ズムは、基本的には干渉光ＢＴ（±１）の信号Ｓａ（位
相差Δθ，）を用い、その強度値ＧＳａがあるレベルｇ
０を下回ったときのみ、信号Ｓｂ，Ｓｃ　（位相差Δθ
ｔ）を使う方法である。第３のアルゴリズムは、強度値
ＧＳａ，ＧＵに応じて位相差ΔθヨとΔθ２の夫々に比
重を持たせ、常に両方の位相差Δθ１、Δθ２を使う方
法である。これらの３つの代表的なアルゴリズムは、ウ
ェハＷ上の回折格子Ｇｗのデューティやレジスト層の厚
み等の変化によって適宜選択し、最も精度のよいものを
使用するようにする．実際には、顕微鏡目視観察、テレ
ビ観察によって格子マークの状態を予め確認したり、ウ
ェハＷをアライメントしてためし焼きを行なった結果で
その精度を確認したりする。

以上、本実施例の構成において、強度判定部４４は２つ
の干渉光（−２、０）、（０、＋２）の強度値ＧＳｂ，
ＧＳｃＯ差が極端に大きく、どちらかの強度値がほとん
ど零であるような場合で、しかも出力信号Ｓａの強度値
ＧＳａが位置ずれ検出に不十分であるような場合、エラ
ー信号ＥＲＲを出力してオペレータに警告を与える。

また強度検出部４１、４３ぱ信号の振幅を検出すること
が望ましい。例えば同一次数の回折光同志であれば、２
つの照射ビームＢＭ．，ＢＭ！　（７）強度がほぼ等し
い限り、ほぼ同一の強度となっており、従って信号振幅
の変調度は理想的には１００％になる。ところが、互い
に異なる回折光同志では、第３図に示したように理論的
に元々の強度が異なるため、信号振幅の変調度は１００
％になることはない。

第４図はそれら信号振幅の変調度の様子を模式的に表わ
したものであり、第４図（Ａ）は、例えば干渉光ＢＴ（
±１）の時間的な強度変化に対応した信号Ｓａの波形の
一例であり、第４図（Ｂ）は干渉光ＢＴ　（−２、０）
、（０、＋２）の時間的な強度変化に対応した信号Ｓｂ
（又はＳｃ）の波形の一例である。第４図（Ａ）、（Ｂ
）中で■１、Ｖ２は振幅であり、±１次回折光の干渉光
ＢＴ（±１）の場合、その変調度（振幅／平均値、又は
ＡＣ／ＤＣ）は大きく、０次と２次の干渉光の場合の変
調度は小さくなる。しかしながらこの変調度、又は振幅
の絶対値は格子マークＧｗの形状やレジスト層の影響等
によって敏感に変化する。

従って、通常は光軸に対して対称的な回折角で発生する
同一次数の回折光同志の干渉光を使って位置ずれ検出を
行ない、その干渉光の強度変化の振幅が変調度とともに
低下したときは、異なる次数の回折光同志の干渉光ＢＴ
　（−２、０）、（０、＋２）をｉ認し、その振幅が十
分にあるときにはその干渉光を利用するように切り替え
ること、すなわち先の第２のアルゴリズムを優先するの
が望ましい。

ところで、第１図中の位相差検出部４２は、出力信号Ｓ
ｂ，Ｓｃの夫々の基準信号ＳＲに対する位相差Δθ１、
Δθ，を求め、その単純な平均値Δθ２を出力するとし
たが、実際上そのままでは不都合が生じる。

±１次回折光の干渉光ＢＴ（±１）の基準信号ＳＲに対
する位相差はΔθ１であるが、これと上述の位相差Δθ
，、Δθ，との間の位相差Δθ，、Δθ，−１に着目し
てみる。

ここで、Δθｂ−１　””Δθ，−Δθ，、Δθ，一．
＝Δθ。−Δθ１であり、これらの位相差Δθ，、Δθ
Ｃ−１はウエハＷ上の格子マークＧｗの段差、デューテ
ィ、レジスト厚等によって−１８０゜〜＋１８０゜の間
で変化し得る。しかしながら、位置ずれ検出方向（回折
光の発生方向）に格子マークＧｗの各格子要素がほぼ対
称に出来ていれば、Δθｂ−＋　Ｌ：−Δθ，−１であ
る。そこで例えば、位置ずれが零（Δθ１＝０゜）のと
きΔθ，，＝＋１７０°、Δθｃ−＋＝１７０°となる
べき格子マークがあるとする。この時、たまたま格子マ
ークの位置ずれが生じていて、Δθ，＝＋３０゜として
計測されたものとする。

第５図はその様子を表わしたベクトル図であり、同図中
時計回りを正、反時計回りを負にしてある。

この場合、位相差Δθ，、Δθ０の正しい値は、Δθｂ
＝＋２００’、Δθ。＝−１４０゜であり、Δθ２　＝
　（Δθ，＋Δθｃ　）／２＝３０’　　一Δθ，とな
る。ところが、一般に位相差は、−１８０゜〜＋１８０
１でしか検出できないため、Δθ，＝＋２００°はΔθ
ｂ”ｌ６０＠として計測されてしまう。従って、単純な
加算平均で位相差Δθ２を求めると、Δθ２−（Δθ，
＋Δθｃ）／２一（−１６０−１４０）／２−−１５０
″′となり、Δθ，＝３０”とは全く異なった値になっ
てしまう。

ところが、Δθ，一Ｉ−−Δθｃ−＋を前提として考え
れば、位相差検出部４２において補正が可能である。そ
のためには位相差検出部４２の内部構成を、例えば第６
図のようにする。第６図の構成は実際はコンピュータ等
の演算プログラムで作られているが、ここでは模式的に
回路ブロックの形で表わす。

第６図において、干渉光ＢＴ　（−２、０）の信号ｓｂ
と干渉光ＢＴ　（０、＋２）の信号Ｓｃとは夫々、位相
差計測部１００、１０２に入力し、基準信号ＳＲとの位
相差Δθ，、Δθ，が求められる。この位相差計測部１
００、１０２はハードウェア処理、又は波形メモリを使
ったソフトウェア処理のいずれでもよく、±１８０’以
内の位相差を検出する． 位相差Δθ，、Δθ，はそれぞれ減算器１０４、１０６
に送られ、減算器１０４はΔθ，とΔθ，（位相差検出
部４０の出力）との差Δθｂ−＋を求め、減算器１０６
はΔθゎとΔθ１との差Δθゎを求める。条件判別部１
０８は差Δθ，−１とΔθｃ−＋　とが、Δθ，−１！
−ｉ−Δθｃ−＋　の条件を満たしているか否かについ
て判断し、その結果に基づいてオフセット選択部１１０
の３つの出力データのいずれか１つを決定する。オフセ
ット選択部１１０は、出力データとして０゜、＋３６０
゜３６０゜の３つのオフセット値を持っており、このう
ちいずれかひとつを加算器１１２に送る。加算器１１２
は位相差Δθ１とオフセット値を加算して加算平均部１
１４に出力する．加算平均部１ｌ４は、オフセットされ
た位相差Δθ１と、位相差計測部１０２からの位相差Δ
θ，とを加算して平均値を求め、±２次回折光とＯ次回
折光との干渉光を利用したときの位相差Δθ２を出力す
る。

そこで、先に例示した数値を使って、第６図のブロック
の動作を説明する。

まず第５図のように、Δθ１＝３０゜とすると、位相差
計測部１００によって計測される位相差Δθ，は−１６
０＠　（正しくは＋２００”）であり、位相差計測部１
０２によって計測される位相差Δθ。は−１４０＠であ
る。このため減算器１０４の出力値Δθｂ−＋　は−１
９０°、減算器１０６の出力値Δθｃ−＋　は−１７０
゜となる。条件判別部１０８内には、例えばΔθ，−１
とΔθｃ−１　とを加算する機能があり、その加算値が
ほぼ零であればΔθｂ−＋　！＝ｉΔθｃ−＋が真であ
ると判別する。ここではΔθ，一．十Δθｃ−＋ζ−３
６０°となって負僅になるため、判別部１０６はオフセ
ット選択部１１０に＋３６０゜のオフセット値を出力す
るように設定する。

これによって加算器１１２は、＋３６０’（７），ｔフ
セット値と、位相差Δθ，（−１６０”）を加算して、
位相差＋２００゜という正しい値を出力する。尚、Δθ
，−１＋ΔθＣ−Ｉの計算結果がほぼ零の場合、オフセ
ット値はＯ゜であり、正値になる場合はオフセノト値は
−３６０”に選ばれる。

また加算器１１２は、位相差計測部１０２の出力側、す
なわち位相差Δθ。とオフセット値との加算としてもよ
い。その場合、Δθｃ　（−１４０゜）にオフセット値
＋３６０’が加算されて＋２２０＠になるが、加算平均
部１１４では同様にΔθ，ζ３０＠と算出される。

以上のことは、Δθ，一（Δθ，＋Δθ，）／−２にな
ることを前提とした理想的な場合である。

仮りにこのような理想的な状態がほとんどの場合に成り
立つのであれば本発明のような構成は不要てあろう。

ところが実際のウェハ処理においては、通常Δθ１≠（
Δθ，＋Δθｃ）／２であるため、第６図に示した手法
は必ずしもうまくいくとは限らない。

例えば、先の数値例で、Δθｂ（１６０゜）、Δθｃ　
（−１４０＠）はそのままで、Δθ１だけが偶発的な極
端な誤差のために−１５０″′　（正しくは＋３０゜）
と検出された場合、 Δθｂ−１−　１０＠、ΔθＣ−ｒ　＝　＋　１　０　
”　となって・ Δθｂ−１　−−ΔθＣ−１　の条件を満足してしまう
ため、正確な位置ずれ量は求められなくなる。

しかしながら、そのように極端に大きな誤差が発生する
確率はいたって低いため、第６図のような手法でΔθ，
、Δθ０に補正を加えることは有効である。

第７図は第１図の装置に２つのビームＢ，　，　Ｂ２を
供給する送光系の一例を示したものであり、ここでは直
線偏光のレーザ光源を使うものとする。

レーザ光源５０からのレーザ光ＬＢは、ビームスブリッ
タ５２でビームＬＢ，　、ＬＢ．に２分割され、ビーム
ＬＢ，はミラー５３で反射され、平行平面ガラス（プレ
ーンパラレル）５５を介して周波数シフター（音響光学
変調器：ＡＯＭ）５７に入射する。もう一方のビームＬ
Ｂ．はプレーンパラレル５４を介して周波数シフター（
ＡＯＭ）５６に入射する，ＡＯＭ５７、５６は高周波発
振器７０、周波数シンセサイザー７２等で作られた高周
波ドライブ信号で駆動され、ＡＯＭ５　７に対する駆動
周波数ｆ，は、例えば８０．０ＭＨｚであり、ＡＯＭ５
　６に対する駆動周波数ｆ２は、例えば８０．　０　５
　０　Ｍ七である。ＡＯＭ５　７、５６は入射ビームＬ
Ｂ．　、ＬＢ．のＯ次光と高次回折光とを射出するが、
そのうち１次回折光のみをビームＢ１、Ｂ２として取り
出すようにアパーチャ５８、５９が設けられる。

アパーチャ５９を透過したビームＢ，の周波数は、元の
レーザ光ＬＢの周波数をｆ０とするとｒ。十ｆ，になる
。

ここまで平行光束できたビームＢ１はレンズ系６ｌによ
って収れんされ、ブレーンパラレル６３、ビームスブリ
ッタ６５を介して瞳共役面ｅｐ’　にスポット光となっ
て集光する。一方、アパーチャ５８を透過したビームＢ
２の周波数は、ｆ．＋ｆ２になり、レンズ系６２によっ
て収れんされ、プレーンパラレル６４、ビームスブリッ
タ６５を介して瞳共役面ｅｐ’　にスポット光となって
集光する。

ここで２つのビームＢ，　、Ｂｔはビームスブリソタ６
５で同軸合成するのではなく、レンズ系６６の光軸を挟
んで対称的に、かつビームの主光線が光軸と平行に位置
するように偏芯合成する。レンズ系６６の前側焦点は瞳
共役面ｅｐ’　と一致しており、２つのビームＢ，，Ｂ
．はレンズ系６６の後側焦点に配置された平行四辺形の
アパーチャ（照明視野絞り）６７上で交差する平行光束
になる。

このアパーチャ６７の位置は、第１図中のレンズ系１０
の前側焦点と一致している。従って瞳共役面ｅｐ’　は
第１図中の瞳面ｅｐと共役になっている。ここで、２つ
のビームＢ，　、Ｂｚの周波数差は、（ｒｅ　＋ｆ２　
）　一（ｆａ　＋ｆ，　）　＝８０．０５ＭＨｚ−８０
．０ＭＨｚ−５０Ｋ七であり、これがヘテログイン方式
のビート周波数になる。以上の構成で、プレーンパラレ
ル５４、５５の傾斜を変えることで、ビームＬＢ．，Ｌ
Ｂ．のＡＯＭ５６、５７に対する入射角や入射位置を最
適に調整することができ、ブレーンパラレル６３、６４
の傾斜を変えることで、瞳共役面ｅｐ’、又は瞳面ｅｐ
における２つのビームＢ＋、Ｂｚの間隔（第１図中のｊ
２）、すなわち物体面、像面での２つのビームの交差角
、入射角を調整することができる。またアパーチャ６７
は、回折格子Ｇｗの格子ビノチ方向と直交する方向に伸
びた開ロエンジができないように平行四辺形にしてあり
、これはアパーチャ６７のエッジによる回折（フラン・
ホーファ回折）の影響が受光系にまでおよばないように
するためである。

ところで、第７図のような送光系を使う場合、ビームス
ブリッタ６５のもう一方のビーム射出面側、すなわち矢
印ＡＡの方向に第１図中のレンズ系２２、基準格子２４
、アバーチャ２６、及び光電素子２８を配置し、ビーム
スブリッタ１２を全反射鏡に代えてもよい。

以上のように、２つのＡＯＭ５　６、５７を用いてビー
ト周波数Δｆ　（ｆ＋　　　ｆｘ　）を作り出す方法は
、その周波数Δｆを自由に変えられるため、各光電素子
の応答性に合わせた最適なビート周波数が得られる。さ
らにゼーマンレーザ光源のように、周波数差をもつ２つ
のビームが同軸に存在することを避けることができるた
め、不要な迷光、クロストーク等によるノイズ成分（ビ
ート周波数をもつ交流信号）の発生が極めて小さく押え
られるといった利点がある。

次に本発明の第２の実施例を第８図に基づいて説明する
が、第８図は第７図に示した送光系の変形例である。

第８図では、第７図中のアパーチャ５８、５９、レンズ
系６１，６２、プレーンパラレル５４、５５、６３、６
４が同様に設けられているが、図示は省略してある。

直線偏光のレーザ光ＬＢは、偏波面をほぼ４５゜だけ回
転させる１／２波長板５１に入射した後、偏光ビームス
ブリッタＰＢＳ．でＰ偏光ビームとＳ偏光ビームとに分
割される。Ｐ偏光ビームはＡ０Ｍ５６で周波数ｆ１だけ
シフトされ、ビームＢオとなって合成プリズム６５Ａの
全反射面ＭＲに達する．一方、Ｓ偏光ビームはミラー５
３で反射してＡＯＭ５　７に入射し、ここで周波数ｆ２
だけシフトされてビームＢ１となって合成プリズム６５
Ａを透過する。合成プリズム６５ＡはビームＢ、Ｂｔの
主光線が所定間隔で平行になるように合成する。ビーム
Ｂ，　、Ｂｚは偏波面をほぼ４５＠だけ回す１／２波長
板６８を通って偏光ビームスプリッタＰ　Ｂ　Ｓ　ｘに
入射する。偏光ビームスプリッタＰＢＳｚは、Ｓ偏光ビ
ームＢ，をＳ偏光ビーＬ　Ｂ　ｒ　＋　とＰ偏光ビーム
ＢＭ．とにベクトル分解し、Ｐ偏光ビームＢ２をＳ偏光
ビームＢｒｘとＰ偏光ビームＢ　Ｍ　ｚとにベクトル分
解する。これらビームＢｒ＋、Ｂｒｚは参照系（第１図
中のレンズ系２２以降）の方へ進み、ビームＢＭ，　、
ＢＭ２は検出系（第１図中の偏光ビームスプリンタ１４
以降）の方へ進む。

このような送光系構成にすると、ビームの利用効率が第
７図のものよりも高まり、しかも２つのビームＢ．　、
Ｂ．の光量比を正しく１：１に調整でき、さらに参照系
へ行くビームＢｒｌ、Ｂｒｚと検出系へ行くビームＢＭ
．　、ＢＭ．との光量比が自由に設定できるといった利
点がある。

まず、ビームＢ，，Ｂ．の強度比を調整するには、１／
２波長板５１をレーザ光ＬＢと平行な軸の回りに微小回
転させればよい。このようにすると、ビームＢｒ＋、Ｂ
ｒｚの光量比、ビームＢＭ＋　、ＢＭｚの光量比も同時
に調整され、基準格子２４、回折格子Ｇｗを照射する２
つのビームの強度を正確に等しくすることができる。さ
らにｌ／２波長板６日を光軸の回りに微小回転させると
、ビームＢｒ，　、Ｂｒ．とビームＢＭ．，ＢＭｚ　と
の相対的な分割比を変えることができ、信号検出上、安
定性のよい参照系には少ない光量を送り、ウェハＷ等の
被測定物の検出系には多くの光量を送るようにするとよ
い。このように、第８図の例では、各ビームの強度調整
が簡単にできるといった効果がある． 第９図は本発明の第３の実施例による送光系と受光系と
の変形例を示し、合成プリズム６５Ａ以前の構成は第８
図と同じである。Ｐ偏光ビームＢ（ｒ，＋ｒｌ　）とＳ
偏光ヒ−ムＢｚ　　（ｆＯ　＋ｆｔ）は、偏光中性のビ
ームスブリノタＢＳ３で分割され、その一方は、Ｐ偏光
ビームＢｒ，とＳ偏光ビームＢｒｚとになってレンズ系
２２に入射し、互いに交差する平行光束に変換される。

その交差位置には基準格子２４が配置されるが、ビーム
Ｂｒ’＋ｓＢｒｚが相補的な偏光であるため、干渉縞Ｉ
Ｆは生じない。基準格子２４で回折され、光軸と同一方
向に進む±１次回折光（ここでは干渉していない）は、
アバーチャ２６を通って検光子２７にすることで初めて
干渉光となり、参照信号ＳＲを出力する光電素子２８に
達する。

一方、ビームスブリッタＢＳ，を透過したＰ偏光ビーム
ＢＭ，とＳ偏光ビームＢＭｔとは、レンズ系１０、ミラ
ー１１、偏光中性のビームスブリッタＢ　Ｓ　ａを介し
て対物レンズ系１８に入射する。

対物レンズ系１８は２つのビームＢＭ．，ＢＭ，を平行
光束にしてウェハＷ上の格子Ｇｗで交差させる。ここで
もビームＢＭＩ　、ＢＭ．の偏光方向が異なるため、格
子Ｇｗ上には干渉縞が生じない。

そして格子Ｇｗから垂直に生じる±１次回折光は対物レ
ンズ系１８の光軸上に沿って戻り、ビームスプリノタＢ
Ｓ４で反射され、検光子ｌ９を介して光電素子２０ａに
達する。同様に０次、２次回折光もビームスプリ，タＢ
Ｓ．で反射され、検光子１９を芥して光電素子２０ｂ、
２０ｃに達する。

光電素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃは同一半導体基板上に
個別に形成された受光面を有し、個別に出力信号Ｓａ，
Ｓｂ，Ｓｃを出カする。その受光面は対物レンズ系１８
の瞳面と一致（又は共役）となるように配置される。こ
の受光系においても、検光子■９を設けることで±１次
回折光同志、又はＯ次、２次回折光同志を干渉させるこ
とができ、同様のビート周波数で出カ信号Ｓａ，Ｓｂ，
Ｓｃを得ることができる。

この第９図のように、２つのＡｏＭ５６、５７でＳ偏光
ビームとＰ偏光ビームとを個別に周波数シフトさせ、し
かも合成プリズム６５Ａで２つのビームを偏心合成する
ようにすれば、ゼーマン・レーザ光源を使うときのよう
に、元々２周波数の同軸ビームを２ビームに分割する場
合とくらべて、格段にＳ／Ｎ比が向上するといった利点
がある。

次に本発明の第４図の実施例を第１０図、第１１図を参
照して説明する。第４の実施例では、２つのビームＢＭ
＋　，ＢＭ，の入射角ψはそのままで、ウェハＷの回折
格子Ｇｗのピッチを第１の実施例の場合の１／２にし、
さらに参照系の基準格子２４のピッチも１／２にしてあ
る。

第１０図は、回折格子Ｇｗのピッチを１／２にしたとき
の回折光の発生の様子を模式的に示したものである。２
つのビームＢＭ＋　、ＢＭｚ　（Ｄ交差角が２ψで、入
射角が対称である場合、干渉縞■ＦのピッチＰｆは先の
式（１）で規定される通り、λ Ｐｆ　　　　　　　である。

２ｓｉｎψ 一方、回折格子ＧｗのピッチＰｇが第２図の場合の１／
２であるとする出、Ｐｇ＝Ｐｆとなる。

従って±１次回折光（ｎ＝１）のＯ次光に対する回折角
は２ψとなる。

よって、第１ビームＢＭ，の０次回折光Ｂ＋（０）を中
心として角度±２ψごとに＋１次回折光Ｂ，（＋１）、
−１次回折光Ｂ＋　　（−１）、＋２次回折光Ｂ，（＋
２）、−２次回折光Ｂ＋（１）・・・・・・・・・が発
生し、第２ビームＢＭ．の０次回折光Ｂｚ　　（ｏ）を
中心として角度±２ψごとに＋１次回折光Ｂ２　（＋１
）、−１次回折光Ｂ２　　（１）、＋２次回折光Ｂｚ　
　（＋２）、−２次回折光Ｂ．（−２）・・・・・・・
・・が発生する。干渉縞ＩＦと格子Ｇｗとのピッチが等
しい場合、第１０図に示すように、格子Ｇｗから垂直に
発生する回折光は存在せず、ビームＢＭ．と逆方向に進
むビームＢＭ２の０次回折光ＢＺ　　（ｏ）と、ビーム
ＢＭ，の照射によって生じた−１次回折光Ｂｌ　　（−
１）とが同軸になって干渉光として検出され得る。同様
に、０次回折光Ｂ．（０）と＋１次回折光ＢｔＣ＋１）
とが同軸になって進み、さらに＋１次回折光Ｂｔ　　（
＋１）と＋２次回折光Ｂｔ　　（−｝−２）とが同軸に
なり、−１次回折光Ｂｚ　　（−ｔ）と−２次回折光Ｂ
ｌ　　（−２）とが同軸になる。そのため、第１図に示
した装置にあっては、格子Ｇｗからの０次回折光Ｂ２　
　（０）と−１次回折光Ｂ．（−１）との干渉光ＢＴ（
−１、０）が光電素子２０ｂにそのまま受光され、０次
回折光Ｂｌ　　（ｏ）と＋１次回折光Ｂ．（＋ｉ）との
干渉光ＢＴ　（０、＋１）が光電素子２０ｃにそのまま
受光されることになる。

従って本実施例の場合、検出すべき光電信号はＳｂ，Ｓ
ｃの２つであり、第６図に示した回路ブロックによって
基準信号ＳＲとの位相差Δθ２を求め、その結果を格子
Ｇｗの位置ずれ量ΔＸとすればよい。

同様の考え方は、透過型の基準格子２４に対しても全く
同しにあてはまり、基準格子２４上に作られる干渉縞の
ピッチと、格子２４のピッチを等しくすると、第１１図
に示すように、ビームＢｒ１のＯ次回折光（直接透過光
）と、ビームＢ　Ｍ　ｔの照射によって生じた＋１次回
折光とが同軸になって干渉し、光電素子２８Ａに受光さ
れ、ビームＢＭｔのＯ次回折光（直接透過光）とビーム
ＢＭ１の照射によって生した−１次回折光とが同軸にな
って干渉し、光電素子２８Ｂに受光される。この場合、
基準格子２４から垂直に発生する回折光は存在しないた
め、ビームＢｒ，，Ｂｒ，の交差角が第１図と同じ場合
、基準格子２４から光電素子２８Ａ，２８Ｂまでの距離
は、第１図の場合にくらべてかなり短縮され、参照系の
構成をコンパクトにすることができる。

尚、第１１図に示した２つの光電素子２８Ａ、２８Ｂの
両出力信号は、電気的なアナログ加算（又は減算）回路
で合成して参照信号ＳＲとすればよい。

次に本発明の第５の実施例を第１２図を参照して説明す
る。第１２図は、ステップアンドリピート方式の投影型
露光装置のアライメント系（ＴＴＲ，ＴＴＬ）として本
発明の位置ずれ検出系を利用した場合の構成を示す斜視
図である。

第１２図において、レチクルＲには回路パターン領域Ｐ
Ａと、ＴＴＲ　（スルーザレチクル）アライメント用の
マーク領域Ｒ　Ｍ　ｘ　，　Ｐ　Ｍ　Ｙ　，Ｒ　Ｍ　ｅ
が設けられている。レチクルＲは両側テレセントリック
な投影レンズＰＬの光軸ＡＸｏがパターン領域ＰＡの中
心を通るように配置される。レチクルＲの上方には４５
＠に斜設されたグイクロイノクミラ一〇ＣＭが配置され
、垂直方向からは露光光が透過してレチクルＲのパター
ン領域ＰＡを照射する。ＴＴＲアライメント系の３つの
対物レンズ系ＧＬａ，ＧＬｂＳＧＬｃは、ダイクロイッ
クミラ一〇ＣＭの反射によって、それぞれレチクルＲの
マーク領域ＲＭｘ，ＲＭθ、ＲＭｙを検出するように配
置される。ここでマーク領域ＲＭθ、ＲＭｙにはｙ方向
にピッチを有するレチクル格子マークＧｒが形成され、
マーク領域ＲＭｘにはＸ方向にピッチを有するレチクル
格子マークＧｒが形成される。各対物レンズ系ＧＬａＸ
ＧＬｂ，ＧＬｃには、それぞれ光軸ＡＸａ，ＡＸｂ，Ａ
Ｘｃに沿って２本のビームＢＭ．　．．ＢＭ．が入射し
、各マーク頭域ＲＭｘ，ＲＭｅ　、ＲＭｙ上で交差する
。１つのマーク領域ＲＭｘは、第１３図に示すように、
パターン領域ＰＡを囲む遮光帯ＳＢの一部に、平行四辺
形の窓として形成され、その窓内の一部にレチクル格子
マークＧｒが形成されている。平行四辺形の窓は、レチ
クル格子マークＧｒのピッチ方向（Ｘ方向）と直交する
ｙ方向に伸びたエッジが存在しないようにするためであ
る。

２本のビームＢＭ．　、ＢＭｔはマーク領域ＲＭＸの忘
全体を照射するが、その透過光は投影レンズＰＬを介し
て再びウェハＷ上で交差する。投影レンズＰＬの瞳面Ｅ
Ｓには光軸ＡＸｏに関して点対称にビームＢＭ＋　、Ｂ
Ｍｚ　＠スポット光が位置する。

さて、ウェハＷ上には複数のチップ領域ＣＰが形成され
ており、このチップ領域ＣＰにレチクルＲのパターン頷
域ＰＡの投影像を正確に重ね合せて露光する。ウェハＷ
は２次元移動するステージＳＴ上に載置され、ステージ
ＳＴ上の２辺には、レーザ干渉式測長器ＬＰＸ，ＬＰＹ
のレーザ光を反射するミラーＩＭｘＳ　ＩＭｙが固設さ
れる，方、ウェハＷ上のチップ領域ＣＰには、ウェハ格
子マークＧｗが、レチクルＲのマーク領域に対応して第
１４図のように形成されている。ウェハ格子マークＧｗ
はチップ領域ＣＰの周囲のスクライブライン内に設けら
れ、２本のビームＢＭ，　、ＢＭ！によって照射される
。第１４図中、ＲＭｘは第１３図中のマーク領域ＲＭｘ
の投影像を表わしており、レチクル格子マークＧｒとウ
ェハ格子マークＧｗとは、第１３図、第１４図の場合、
ピッチ方向と直交するｙ方向に位置がずれるように決め
られている。

このようなＴＴＲアライメント系の場合、２本のビーム
Ｂ　Ｍ　＋　、Ｂ　Ｍ　ｔの波長を露光光の波長と異な
らせ、レジスト層の吸収をさけるとなると、投影レンズ
ＰＬの色収差のために、ビームＢＭ，，ＢＭｔがレチク
ルＲ上で交差しても、ウェハＷ上では交差しない（逆に
ウェハＷ上で交差してもレチクルＲ上では交差しない）
ことが起る。そこで、特開昭６３−２８３１２９号公報
と同様に２焦点素子（複屈折素子）を対物レンズ系ＧＬ
ａ、ＧＬｂ，ＧＬｃの各瞳面（投影レンズＰＬの瞳面Ｅ
Ｓと共役）に配置し、さらにレチクル格子マークＧｒは
２本のビームＢＭ，　、ＢＭ．のうちのＰ偏光成分で照
射し、ウェハ格子マークＧｗはビームＢＭ，　、ＢＭ．
のうちのＳ偏光成分で照射するようにすれば、レチクル
格子マークＧｒからの干渉光とウェハ格子マークＧｗか
らの干渉光とを偏光分離して個別に検出することができ
る。

さらに第１２図に示すように、レチクルＲの直下に小ミ
ラーＭｄ，Ｍｅを斜設して、対物レンズ系ＧＬｄ，ＧＬ
ｅと投影レンズＰＬを介して専らウエハＷ上の格子マー
クＧｗを検出するＴＴＬ（スルーザレンズ）アライメン
ト系においても、全く同様に２本のビームＢＭ＋　、Ｂ
Ｍｚで格子マークＧｗを照射することで、格子マークＧ
ｗの位置ずれ量が求まる．尚、光軸ＡＸｄに沿ったＴＴ
Ｌアライメント系はピッチ方向がＸ方向になったウエハ
格子マークＣｙｗを検出し、光軸ＡＸｅに沿ったＴＴＬ
アライメント系は、ピッチ方向がｙ方向になったウェハ
格子マークＧｗを検出する。

これら各アライメント系の対物レンズ系ＧＬａ，ＧＬｂ
，ＧＬｃ−　ＧＬｄ．．ＧＬｅは、基本的には第１図中
に示した対物レンズ系１８と同等と考えてよい。

以上、本発明の各実施例を説明したが、格子ＧＷを照射
するビームＢＭ．，ＢＭ．は周波数差のないホモダイン
方式であっても本発明は同様に適用し得る。しかしなが
らその場合、出力信号Ｓａ、Ｓｂ，Ｓｃは一定の周波数
をもった交流信号とはならず、格子Ｇｗ（ウェハＷ）を
一次元移動させることで正弦波状（周波数はウェハＷの
移動速度に比例）に変化する直流信号になる。

第１５図は、ホモダイン方弐で位置ずれ検出、又は位置
合わせを行なう基本構成を示し、以下第６の実施例とし
て説明する。ホモダイン方式の場合は、２つのビームＢ
Ｍ．，ＢＭｔに周波数差がなく、ウェハＷ上の干渉縞が
静止しているため、ウェハＷを載置するステージＳＴを
格子Ｇｗのピッチ方向に一次元移動させる。このとき、
干渉縞と格子Ｇｗとの相対変位によって、格子Ｇｗから
垂直に発生する干渉光ＢＴ（±１）−ビームＢＭ，、Ｂ
Ｍ２と逆の光路をたどる干渉光ＢＴ　（−２、０）、Ｂ
Ｔ（０、＋２）はそれぞれ強度変化する。

各光電検出器の出力信号Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃは、ステージ
ＳＴの位置を０．０１μｍの分解能で計測するレーザ干
渉計ＬＰＸからのアンプダウンパルスに応答して信号波
形をデジタルサンプリングする波形記憶回路９０ａ、９
０ｂ、９０Ｃに入力する．各記憶回路９０ａ、９０ｂ、
９０ｃはアナログーデジタル変換器、ＲＡＭ、アドレス
カウンター等で構成される。波形解析部９２は、記憶さ
れた各信号波形に基づいて、振幅の大小関係の判定や位
置ずれ置検出等を行なう。第１６図は出力信号Ｓａの一
例を示し、横軸は時間を表わし、縦軸は相対強度値を表
わす。ステージＳＴは時刻ｔ１で一方向に移動するのを
停止するが、このとき格子ＧＷの目標位置決め点ＡＰを
わずかに通り過ぎるように定める。出力信号Ｓａの１周
期は、ここでは格子Ｇｗの１／２ピノチに対応している
．記憶回路９０ａは時刻１＋の前までに信号波形を取り
込み、解析部９２はその振幅Ｖ．を検出する．信号Ｓｂ
，Ｓｃも同様にして記憶回路９０ｂ、９０ｃに取り込ま
れ、解析部９２によって振幅が検出される．解析部９２
は時刻Ｌ１からｔ２の間（ステージ停止期間）に振幅値
によって、どの出力信号を使うかを第１の実施例と同様
に判定するとともに、使用する信号波形上の振幅のピー
ク便とボトム値とに基づいて、目標位置決め点ＡＰに対
応したレベルＶＲを決定する。その後、ステージＳＴを
微速度で逆方向に戻し、干渉計ＬＰＸの計測値によって
、位置決め点ＡＰの±１７４ピッチ以内の距離に送り込
まれ、点ＡＰを含む波形上のスロープが現われた時刻Ｌ
，で、ステージＳＴの駆動モータは、出力信号Ｓａを偏
差信号レベルｖつを目標値としたフィードバック制御に
切り替えられる。

これによって出力信号ＳａがレベルＶえと一致するよう
にステージＳＴがサーボ制御され、時刻Ｌ３以降位置決
めが達成される．尚、出力信号Ｓｂ，Ｓｃを使うときは
、両信号の位相がずれることになるので、例えば第５図
、第６図で説明した手法と同様の考え方で補正を行なう
必要がある。

ただし、ホモダイン方式の場合、位置ずれ量に関与する
情報は、出力信号波形上のレベルだけであるから、２つ
の出力信号Ｓｂ，Ｓｃのレベル（振幅）関係を補正する
とともに、記憶回路９０ｂ、９０ｃの少なくとも一方の
ＲＡＭ上で波形を移相（アドレスシフト）した後に加算
平均する等の処理が必要である。このようなホモダイン
方式は、第７図中に示した２つのＡＯＭ５　６、５７に
同一のドライブ周波数を印加することで容易に実現でき
る。ホモダイン方式はステージスキャン方式で信号波形
を取り込み、その位置ずれ量等を求めるため、ヘテログ
イン方式のように目標位置の±１７４ピッチ以内にステ
ージをブリアライメントして停止させる必要がなく、比
較的高速に位置検出ができる。ただし、ビームＢＭ．　
、ＢＭｚの強度変化、ゆらぎに対しては、そのまま誤差
となるので位置検出の直前で信号振幅のピーク値とボト
ム値を計測する必要がある。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、同一回折角の回折光同志の干渉
光と異なる回折角の回折光同志の干渉光との両方を、回
折格子の形状誤差、レジスト厚み等によって使い分ける
ことができるので、ほとんどの被測定体（ウェハ等）に
対応することができるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による位置ずれ検出装置
の構成を示す図、第２図は本発明の原理を説明するため
に回折光の発生の様子を示した図、第３図は第２図中の
回折光の回折角を示すグラフ、第４図は各光電信号の波
形を示す図、第５図は３つの干渉光の光電信号の基準信
号に対する位相シフトを説明する図、第６図は第１の実
施例で使われる位相差検出部の具体的な一例を示すブロ
ノク図、第７図は第１図の装置に適用されるビーム送光
系の構成を示す図、第８図は第１図の装置に適用される
ビーム送光系の変形例であり、本発明の第２の実施例を
示す光学図、第９図は本発明の第３の実施例による位置
ずれ検出装置の構成を示す図、第１０図、第１１図は本
発明の第４の実施例による格子形状を示す図、第１２図
は本発明の第５の実施例を示し、位置ずれ検出系がアラ
イメント系として組み込まれる投影型露光装置の様子を
示す斜視図、第１３図、第１４図は第１２図の装置で使
われるレチクル格子とウェハ格子の形状、配置を説明す
る斜視図、第１５図は本発明の第６の実施例による位置
ずれ検出装置の構成を示す図、第１６図は第１５図の装
置で得られる光電信号波形の一例を示す図である。 〔主要部分の符号の説明］ Ｗ・・・・・・ウェハ、 （ＪＷ・・・・・・回折格子、 ＢＭ．　、ＢＭ．・・・・・・交差する２本のビーム、
ＢＴ（±１）・・・・・・±１次回折光同志の干渉光、
ＢＴ（−２、Ｏ）、ＢＴ（０、＋２） ・・・・・・０次、２次回折光同志の干渉光、Ｓａ，Ｓ
ｂ，Ｓｃ・・・・・・光電出力信号、Ｒ・・・・・・参
照信号、 ８・・・・・・対物レンズ系、 Ｏ　ａ，　２　０　ｂ，　２　０　ｃ，　２　Ｂ・−・
・光電素子、４・・・・・・基準格子、 ０、４２・・・・・・位相差検出部、 １、４３・・・・・・強度検出部、 ４・・・・・・強度判定部、 ５・・・・・・位置ずれ演算部、 ０・・・・・・レーザ光源、 ６、５７・・・・・・音響光学変調器（ＡＯＭ）、５・
・・・・・ビームスプリツタ、 ０・・・・・・発振器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物に設けられた回折格子に対して互いに異
   なる２方向からほぼ等しい波長の光ビームを照射する光
   ビーム照射手段と、前記回折格子から生じる特定の回折
   光同志の干渉強度を検出する光電検出手段と、該光電検
   出手段の出力信号に基づいて前記解析格子の格子ピッチ
   方向に関する前記被測定物の変位を計測する計測手段と
   を備えた装置において、前記光電検出手段は、前記回折
   格子から同一方向に進む同一回折角を持った回折光同志
   の干渉強度を検出する第１光電検出器と、前記回折格子
   から同一方向に進む異なる回折角を持った回折光同志の
   干渉強度を検出する第２光電検出器とを備え； 前記計測手段は、前記被測定物の変位に対応した値を前
   記第１光電検出器の出力信号に基づいて計測する第１計
   測部と、前記第２光電検出器の出力信号に基づいて計測
   する第２計測部とを有し、前記第１計測部の計測値と前
   記第２計測部の計測値とのいずれか一方、又は両方の平
   均的な値を出力することを特徴とする変位検出装置。
2. （２）前記光ビーム照射手段は、前記２方向からの光ビ
   ームに所定の周波数差を与える周波数変調部材と、該周
   波数差と等しい周波数の参照信号を出力する参照信号発
   生部とを備え、それによって、前記第１光電検出器と第
   ２光電検出器の夫々は、前記所定の周波数差と等しい周
   波数の第１光電信号と第２光電信号とを出力し、さらに
   前記第１計測部は前記参照信号と前記第１光電信号との
   位相関係を前記計測値として検出する第１位相検出部を
   有し、前記第２計測部は前記参照信号と前記第２光電信
   号との位相関係を前記計測値として検出する第２位相検
   出部を有することを特徴とする請求項第１項に記載の装
   置。
3. （３）前記計測手段は、前記第１光電検出器の出力信号
   と前記第２光電検出器の出力信号の各々の振幅に関する
   値を検出する振幅検出部と、該振幅検出部の検出値に基
   づいて、前記第１計測部の計測値と前記第２計測部の計
   測値とに重み付けして平均化する平均化演算部とを含む
   ことを特徴とする請求項第１項、又は第２項に記載の装
   置。
4. 　（４）前記第１光電検出器は、前記２方向からの光ビ
   ームのうち第１ビームの照射によって前記回折格子から
   生じる＋Ｋ次の回折光と、前記２方向からの光ビームの
   うち第２ビームの照射によって前記回折格子から生じる
   −Ｋ次の回折光との干渉強度を検出する受光素子を有し
   、 前記第２光電検出器は、ｍを整数としたとき、前記第１
   ビームの照射によって前記回折格子から生じる＋（Ｋ＋
   ｍ）次の回折光と前記第２ビームの照射によって前記回
   折格子から生じる−（Ｋ−ｍ）次の回折光との干渉強度
   を検出する第１受光素子と、前記第１ビームの照射によ
   って前記回折格子から生じる＋（Ｋ−ｍ）次の回折光と
   前記第２ビームの照射によって前記回折格子から生じる
   −（Ｋ＋ｍ）次の回折光との干渉強度を検出する第２受
   光素子とを有することを特徴とする請求項第１項、第２
   項、又は第３項に記載の装置。