JPH047814A - 位置合わせ方法及び装置 - 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、半導体素子や液晶表示素子製造のりソゲラフ
イエ程に使用されるマスクのパターンを感光基板へ転写
する投影型露光装置（ステッパーアライナ−）やプロキ
シミティ一方式の露光装置等に好適なマスクと感光基板
との位置合わせ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、リソグラフィ工程では微細パターンを高分解能で
感光基板（レジスト層が形成された半導体ウェハ）上に
転写する装置として、ステップ・アンド・リピート方式
の縮小投影型露光装置（ステッパー）が多用されるよう
になっている。この種のステッパーでは半導体素子の高
集積化に伴い、露光光の短波長化や高開口数（Ｎ、Ａ、
）の投影レンズの開発が行われ、最近ではウェハ上での
解像線幅がサブ・ミクロン（０，５〜０．７％ｌ）に達
している。このような高解像パターンを転写するには、
その解像力に見合ったアライメント精度（通常、解像線
幅の１１５程度）で、レチクル（マスクと同義）のパタ
ーンとウェハ上の１つのショット領域との位置合わせを
行う必要がある。このようなステッパーのアライメント
方式としては、例えばレチクルの回路パターン周辺に形
成されたアライメントマークと、ウェハ上のショット領
域周辺に形成されたアライメントマークとを同時に検出
するＴ　Ｔ　Ｒ（Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｔｈｅ　Ｒｅｔｉｃ
ｌｅ　）方式が従来から知られている。

ＴＴＲ方式のアライメント系は、レチクル上のアライメ
ントマーク（レチクルマーク）とウェハ上のアライメン
トマーク（ウェハマーク）とを共に高精度に検出して、
その相対位置ずれ量を求め、このずれ量が補正されるよ
うにレチクル若しくはウェハを微動させる。一般にステ
ッパーを始めとする投影型露光装置では、レチクルパタ
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４３６ｎｍのｇ線、
波長３６５ｎｍのｉ線、若しくは波長２４８ｎｍのＫｒ
Ｆエキシマレーザ光等）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
してレチクルマークとウェハマークとを検出するＴＴＲ
方式のアライメント系において、マーク照明用の光が露
光光の波長と同−若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。

さて、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
ント用照明光がウェハ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、ウェハマークが
アライメント系によって十分な光量で認識されず、その
検出精度を低下させるといった問題が生じる。さらに、
アライメントのためにアライメント用照明光がウェハマ
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
せ露光の時のアライメントに使えないといった問題も生
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異なる方式）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、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６３−２８３１
２９号公報で提案されている。従来から回折格子マーク
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、その中でも回折格子マークに対して２方向か
らコヒーレントなレーザビーム（平行光束）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る。

このような干渉縞を使ったアライメント方式には、２方
向から照射される２本のレーザビームに一定の周波数差
を与えるヘテロゲイン法と、周波数差のないホモダイン
法とがある。ホモダイン法では回折格子マークと平行に
静止した干渉縞が作られ、位置検出にあたっては回折格
子マーク（物体）をそのピッチ方向に微動させる必要が
あり、格子マーク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
編方向（ピッチ方向）に高速に流れることになり、格子
マークの位置は干渉縞を基準として求めることはできず
、専ら干渉縞の高速移動に伴う時間的な要素（位相差）
を基準として求めることになる。

例えばヘテロダイン法では、格子マークからの±１次回
折光をビート周波数で強度変調させて検出した光電信号
（光ビート信号）と、２本の送光ビームから別途作成さ
れた参照用干渉光の光ビート信号との位相差（±１８０
°以内）を求め、格子ピッチＰの±Ｐ／４以内の位置ず
れを検出するものである。ここで、格子ピッチＰを２ρ
（ｌρのラインアンドスペース）とし、位相差計測の分
解能が０．５°程度であるものとすると、位置ずれ計測
の分解能は、（Ｐ／４　）・（０，５／１８０）　＝０
．００１４／ａとなる。このような方式のマーク位置検
出は極めて高分解能であるため、従来のマーク位置検出
に比べて１桁以上高いアライメント精度が得られるもの
と期待されている。

第１２図はＴＴＲ方式のアライメント系を備えたステッ
パーの概略的な構成の一例を示す斜視図であって、露光
光と異なる波長域のアライメント用照明光は２光束周波
数シフター（不図示）によって互いに周波数が異なり、
且つ共に直交した直線偏光を含む２本のレーザビームＢ
Ｍ、　、ＢＭ。

に変換される。第１２図において、レチクル７４の上方
には露光光と２本のビームＢＭ、　、ＢＭ。

との波長を分離するダイクロイックミラー７３が設けら
れる。レチクル７４のパターンはダイクロイックミラー
７３で垂直下方に反射される露光光により照射され、さ
らに両側テレセントリックな投影レンズ７０によって露
光光のものでウェハ７５上に結像される。投影レンズ７
０は露光波長（ｇ線、ｉ線等）に関して色収差補正され
、その波長に関してレチクル７４とウェハ７５とが互い
に共役になるように配置される。レチクル７４のパター
ン領域７６を囲む遮光帯の中に窓（透明部）ＲＳＴが形
成され、さらに窓Ｒ８Ｔの約半分の部分にレチクルマー
クＲＧが形成される。一方、ウェハ７５上の各ショット
領域ＳＡの周囲のストリートライン内の対応する位置に
はウエハマークＷＧが形成される。

また、対物レンズ７１は複屈折物質（水晶、方解石等）
の平凸レンズとガラスの平凹レンズの凸面、凹面を貼り
合わせた２焦点素子と、テレセントリックな対物レンズ
とを一体に組み合わせたもので構成され、ビームＢＭ、
、ＢＭ２の偏光成分（例えば、２焦点素子の結晶軸に平
行な偏光成分をｐ偏光、垂直な偏光成分をＳ偏光と定義
する）に応じて異なるパワーを与えるものである。従っ
て、対物レンズ７１を射出するビームＢＭ、、ＢＭ、は
ミラー７２で反射され、例えばビームＢＭ＋　、ＢＭ！
の夫々に含まれるｐ偏光ビームはレチクルマークＲＧ上
で結像（交差）し、Ｓ偏光ビームはレチクル７４の上方
空間の焦点面（ウェハ共役面）で−度交差した後、窓Ｒ
３Ｔ、投影レンズ７０（入射瞳７０ａ）を通ってウェハ
マークＷＧ上で結像（交差）する。尚、上記焦点面とレ
チクル７４の下面（パターン面）との間隔は、アライメ
ント用の２本のビームの波長における投影レンズ７０の
レチクル側での軸上色収差量に対応している。例えば露
光波長を２４８ｎｍ、アライメント波長を６３３ｎｍと
すると、その軸上色収差量は投影レンズ７０の光学特性
にもよるが、５００ｍｍ程度に達する。

さて、レチクルマークＲＧ、ウェハマークＷＧからはそ
れぞれ±１次回折光が発生し、その主光線はアライメン
ト系の光軸ＡＸｃと同軸に戻り、空間フィルターや視野
絞り等を介して光電検出器にて分離して受光される。光
電検出器からはレチクル側の干渉光の光電信号と、ウェ
ハ側の干渉光の光電信号（共にビート周波数）が出力さ
れ、２本の送光ビームから別途作成された参照用干渉光
のビート信号を基準とした２つの信号の波形上の位相差
を求める。そして、上記位相差が略零となるようにレチ
クル７４とウェハ７５とを相対移動させ、レチクルパタ
ーンの投影像とショット領域ＳＡとを正確に一致させて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の如き従来技術においては、半導体
素子のチップサイズに応じたレチクルマークの位置変更
に伴って、例えば特開昭５８−１５０９２４号公報に開
示されているように、対物レンズ７１と先端のミラー７
２とを一体にアフォーカルな位置でレチクル７４と平行
な平面内において（第１２図では光軸ＡＸｃに沿って）
移動させることが必要である。このため、対物レンズ７
１等の移動に伴う何等かの原因で装置が不安定になって
、例えばアライメント系の光軸ＡＸｃがレチクルマーク
ＲＧのピッチ方向（計測方向）に傾斜し得る。そこで、
第１３図を参照してアライメント系が傾く場合について
考えてみる。第１３図は光軸ＡＸｃがレチクル上方の焦
点面（ウェハ共役面）Ｗ゛内の点Ｗ。を中心としてピッ
チ方向（Ｘ方向）にεだけ傾いた様子を誇張して表して
いる。

第１３図に示すように、ウェハマークＷＧを照射する２
本のＳ偏光ビームの各主光線Ｌ１いＬ２１については、
光軸ＡＸｃが上記点Ｗ０を中心として傾いているだけな
ので、上記傾斜に伴ってウェハ上での主光線り２１、Ｌ
２１の交差位置がピッチ方向にシフトすることはない。

ところが、レチクルマークＲＧを照射するｐ偏光ビーム
の主光線Ｌ１．、Ｌ２．については、レチクル７４上で
主光線Ｌ　ｌ＋＋、Ｌ２．が交差する位置がＸ方向にΔ
ｌ、だけシフトする。つまり、主光線Ｌ　ｌ　ｐ、Ｌ２
．の交差位置と主光線Ｌ　ＩＩ、Ｌ　２ｍの交差位置と
がピッチ方向に関してΔ１１だけずれることになる。こ
のため、上記シフト量Δ１１に応じてレチクルとウェハ
との相対的なずれ量の検出精度が悪化し、これに伴って
アライメント精度が低下するという問題点がある。

ここで、アライメント用照明光の波長のもとての投影レ
ンズのレチクル側の軸上色収差量を△Ｌとすると、シフ
トＲΔｐ、はΔ１１＝ΔＬ・ｔａｎεと表される。従っ
て、軸上色収差量ΔＬを５００ｍｍとし、アライメント
精度から考えたレチクル上での上記シフト量ΔｌＩの許
容値（最大値）を０゜０５ρとすると、アライメント系
において許される角度誤差（許容傾斜量）εは、上記式
（ｔａｎε＝Δ１．／ΔＬ）からε＝０．０２’という
非常に小さな量となる。このことはアライメント系全体
の傾斜量を０．０２’以内に抑えなければならないこと
を意味する。しかしながら、可動式のアライメント系の
安定性を考えると、振動や熱変動を最小限に抑えても系
全体で１〜２′程度の傾きは発生してしまう。従って、
レチクル上では主光線Ｌ　１ｐｓＬ　Ｒｅの交差位置が
少なくとも２．５ρ、即ちウェハ上では０．５ρ（投影
レンズの投影倍率が１１５の場合）程度シフトすること
になり、ノイズ等の影響も考慮した実用的な計測分解能
が０．０１ρ程度はある高分解能なアライメント系であ
っても実用上意味をなさなくなる。尚、アライメント系
の振動による傾斜だけでなく、例えばレーザ光源の内部
に設けられた１対の共振ミラーの位置変動等によるビー
ムＢＭ、　、ＢＭ、のドリフト等もアライメント精度の
低下の要因となり得る。

また、例えば対物レンズ７１　（テレセントリックな対
物レンズのみ）がアライメント系の光軸ＡＸｃ（又は光
軸ＡＸ’　）に対して偏心した場合も、第１４図に示す
ようにウェハ（共役面Ｗ°）上での主光線Ｌ　Ｉｓ、Ｌ
　２ｍの交差位置とレチクル上での主光線Ｌ　ｌ　ｐｑ
　Ｌ　９Ｄの交差位置とは、Ｘ方向（ピッチ方向）に関
してΔｌ、だけずれが生じ、同様にこのシフト量Δｌ、
がそのままアライメント誤差となる。従って、露光波長
と異なる波長域の照明光を用いるアライメント系では、
その光学系の傾斜や光学部材の偏心等によりアライメン
トマークの計測方向（ピッチ方向）に関してアライメン
トビームが傾くと、軸上色収差量ΔＬのためにアライメ
ント精度が著しく低下するという問題点があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、アライメ
ント系の不安定性（傾斜や光学部材の偏心等）によるア
ライメント精度の低下を防止できる露光装置に好適な位
置合わせ装置を得ることを目的としている。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決する為本発明においては、所定の波
長域の照明光ＩＬを用いてレチクルＲに形成されたパタ
ーンを投影レンズＰＬを介してウェハＷ上に結像投影す
る装置に設けられ、レチクルＲに形成された第１の回折
格子〔レチクルマークＲＭ）とウェハＷに形成された第
２の回折格子〔ウェハマークＷＭ）とを光学的に検出す
ることによりレチクルＲとウェハＷとを位置合わせする
装置において、 第１の回折格子と第２の回折格子とのいずれか一方に対
物光学系〔対物レンズ２２〕を介して照明光ＩＬと異な
る波長域のコヒーレントな２本のビームＬＢ、、、Ｌ　
Ｂ　＊　ｐを交差角２θ１で照射する照射手段〔レーザ
光源１０．２光束周波数シフター１１、視野絞り１５等
〕と； ２本のビームＬＢ、、、ＬＢ、、が交差して照射される
一方の回折格子〔ウェハマークＷＭ）からほぼ同一方向
に発生した回折光同志の干渉光ＢＴＬ、を光電検出する
第１受光手段〔第１計測信号作成部２０〕と； 一方の回折格子［ウェハマークＷＭ］とほぼ共役な面、
若しくはその近傍に配置された第３の回折格子〔基準格
子板４８〕と； 第３の回折格子に２本のビームＬＢ、、、Ｌ　Ｂ　＊　
−の他方の回折格子〔レチクルマークＲＭ）での各回折
光ＣＲＬ、、ＲＬ２）を対物光学系を介して所定の交差
角で照射し、第３の回折格子から発生した回折光を互い
に干渉させ、該干渉光を光電検出する第２受光手段〔第
２計測信号作成部１８）と； 第１受光手段と第２受光手段の各々からの信号を比較し
てレチクルＲとウェハＷとの相対変位に対応した検出信
号を出力する検出手段〔位相検出系２７〕と； この検出信号に基づいてレチクルＲとウェハＷとの相対
位置を変化させる移動手段〔レチクルステージＲ３又は
ウェハステージＷＳ）とを設けることとした。

〔作　用〕

本発明では、マスクに形成された第１の回折格子と感光
基板に形成された第２の回折格子とのいずれか一方に対
物光学系を介してコヒーレントな２つのビームを所定の
交差角で入射（結像）させ、且つその回折格子とほぼ共
役な面、若しくはその近傍に第３の回折格子を配置する
。さらに、２つのビームが交差して照射される一方の回
折格子からほぼ同一方向に発生した回折光同志の干渉光
を光電検出する第１受光手段と、第３の回折格子に対し
て２つのビームの他方の回折格子での各回折光を対物光
学系を介して照射し、第３の回折格子から発生した回折
光を互いに干渉させ、該干渉光を光電検出する第２受光
手段とを設け、第１受光手段と第２受光手段の各々から
の信号を比較してマスクと感光基板との相対変位に対応
した検出信号を得ることとした。このため、アライメン
ト系の不安定性（傾斜や光学部材の偏心等）によるアラ
イメント精度の低下を防止できる。

そこで、第１１図を参照して本発明の詳細な説明する。

第１１図はアライメント系のテレセントリックな対物光
学系（不図示）から射出される２つのビームがその後側
焦点面（感光基板とほぼ共役な面）Ｗ゛内の点Ａで一度
交差してレチクルＲｍに入射する様子を示したもので、
ここでは２つのビーム（平面波）が点Ａを中心として角
度εだけ傾いた時の主光線ＬＬ’　、ＬＲ’　を実線に
て示し、傾きが零の時の２つのビームの主光線ＬＬ。

ＬＲを点線にて示している。また、２つのビームの主光
線ＬＬ’　、　ＬＲ’　はレチクルＲｍ上の点Ｐ″、Ｑ
′　に入射し、その反射光のうち１次回折光ＬＬ、　、
ＬＲ，は焦点面Ｗ°内の点Ｂで交差している。

さて、点Ａを通ってレチクルＲｍに入射する２つのビー
ム（主光線ＬＬ’　、　ＬＲ’　）のうち紙面内左側の
主光線ＬＬ’　については、波面がレチクルＲｍ上の点
Ｐ（回折格子マーク）で回折され、再び点Ａに戻る時の
光路長をＳＬとすると、５Ｌ＝ＡＴ＋ＵＭ’　　　　　
　　・・・・・・・（１）と表される。一方、右側の主
光線ＬＲ’　についても同様に、点Ｑ（回折格子マーク
）で回折された波面が再び点Ａに戻る時の光路長Ｓ、は
、以下の（２）式のように表される。

Ｓｉ　＝ＡＲ＋ＳＬ、’　　　　　　　・・・・・・・
（２）ところで、ビームが角度εだけ傾いて回折格子マ
ークに入射すると、そのマークからの回折光も角度εだ
け傾いた方向に発生することから、ΔＡＰＴミΔＡＱＲ
より　　、’、　Ａ　Ｔ　＝　Ａ　ＲΔＡＰＭ：ΔＡＱ
Ｌより　　、’、　Ｐ　Ｍ　＝　Ｑ　ＬＱＬ＝ＳＬ’　
　、ＰＭ＝ＵＭ’ となる。以上のことから次式が求まる。

ＡＲ＋ＳＬ’　＝ＡＴ十ＵＭ’　　　・・・・・・・（
３）つまり、（１）〜（３）より、 ５Ｌ＝ＳＲ・・・・・・・（４） が成り立つ。

従って、点Ａを通ってレチクルＲｍ上に形成されるレチ
クルマーク（第１の回折格子）にて回折され、再び焦点
面Ｗ°内で交差する２つのビーム（主光線ＬＬ、ＬＲ＋
　）の光路差は傾きに依らず一定であるので、その各回
折光が焦点面Ｗ′内で作る干渉縞の位置は（焦点面Ｗ′
内では）ずれることなく不動である。

そこで、本発明ではこの焦点面Ｗ°　とほぼ共役な面、
若しくはその近傍に第３の回折格子を配置しているので
、先に述べた如くアライメント系が傾いても第３の回折
格子上で干渉縞がその計測方向（ピッチ方向）にずれる
ことはない。一方、焦点面Ｗ′は感光基板上に形成され
るウェハマーク（第２の回折格子）ともほぼ共役となっ
ているので、同様に２つのビームにより作られる干渉縞
はウェハマーク上でその計測方向にずれることはない。

このことから、アライメント系が焦点面Ｗ。

内の点Ａを中心として傾く、つまり２つのビームが傾い
ても、マスクと感光基板とのアライメント精度が低下す
ることはない。

尚、ここでは点Ａを中心としたアライメント系の傾きの
みについて考えたが、その光学系の一部のピッチ方向へ
の平行移動についてはレチクルマーク、ウェハマークの
各々に入射する２つのビームが共に同じ量だけシフトす
るだけなので、マスクと感光基板との相対的な位置ずれ
量を検出する限りアライメント誤差とはならない。従っ
て、点Ａ以外の点を中心として傾く場合であっても、最
終的には点Ａを中心とした傾きに平行移動を組み合わせ
ことに帰着されるので、本発明の構成をとれば、任意の
点での回転、平行移動はアライメント誤差とならない。

このため、点Ａを中心とする傾きのみを考えるだけで十
分であることが分かる。

〔実　施　例〕

第１図は本発明の第１の実施例によるＴＴＲ方式のアラ
イメント系を備えたステッパーの概略的な構成を示す平
面図であって、半導体素子のチップサイズに応じたレチ
クルマークの位置変更に対応してアライメント系が移動
可能に構成されている。

第１図において、超高圧水銀ランプ、エキシマレーザ装
置等の照明光源１は、ｇ線、ｉ線或いはＫｒＦエキシマ
レーザ光等のレジスト層を感光させる波長域の露光用照
明光ＩＬを発生し、露光光ＩＬはオブチカルインテグレ
ータ（フライアイレンズ）を含む照明光学系２に入射す
る。照明光学系２により光束の一様化、スペックルの低
減化等が行われた露光光ＩＬは、ミラー３、メインコン
デンサーレンズ４を介してダイクロイックミラー５に至
る。ダイクロイックミラー５はメインコンデンサーレン
ズ４からの露光光ＩＬを垂直に下方に反射させ、レチク
ルＲを均一な照度で照明する。

ここで、ダイクロイックミラー５はレチクルＲの上方に
４５°で斜設され、露光光ＩＬの波長に対しては９０％
以上の反射率を有し、アライメント用照明光の波長（通
常、露光光よりも長波長）に対しては５０％以上の透過
率を有するものである。

レチクルＲにはパターン領域ＰＡを囲む一定幅の遮光帯
（クロム層’）ＬＳＨの中にアライメント用の透明窓Ｒ
Ｗ、、ＲＷＩが形成され、さらにその外側（レチクル周
辺側）にはレチクルＲの位置決めを行うためのレチクル
アライメントマークＲＸ、、ＲＸ、（ＲＸ、のみ図示）
が形成されている。レチクルＲはレチクルステージＲ３
上に載置され、パターン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと
一致するように位置決めが行われる。レチクルステージ
Ｒ８は駆動モータ６により水平面内で２次元移動可能に
構成され、その端部にはレーザ光波干渉式測長器（以下
、干渉計とする）７からのレーザビームを反射する移動
鏡７ｍが固定されている。

干渉計７はレチクルＲの２次元的な位置を、例えば０．
Ｏ１ρ程度の分解能で常時検出する。レチクルＲの初期
設定は、レチクル周辺のアライメントマークＲＸ２を光
電検出するレチクルアライメント系２９からのマーク検
出信号に基づいて、レチクルステージＲ８を微動するこ
とにより行われる。

さて、パターン領域ＰＡを通過した露光光ＩＬは、両側
テレセントリックな投影レンズＰＬに入射し、投影レン
ズＰＬはレチクルＲの回路パターンの投影像を、表面に
レジスト層が形成されたウェハＷ上の１つのショット領
域に重ね合わせて投影（結像）する。ウェハＷにはショ
ット領域と一定の位置関係で近傍の位置にウェハマーク
ＷＭ（第２の回折格子）が形成される。投影レンズＰＬ
は露光光ＩＬの波長（ｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレー
ザ等）に関して良好に色収差補正され、その露光波長の
もとてレチクルＲとウェハＷとは互いに共役になるよう
に配置される。また、ウェハＷは駆動モータ８によりス
テップ・アンド・リピート方式で２次元移動するウェハ
ステージＷＳに載置され、ウェハＷ上の１つのショット
領域に対するレチクルＲの転写露光が終了すると、次の
ショット位置までステッピングされる。ウェハステージ
ＷＳの２次元的な位置は干渉計９によって、例えば０．
０１７Ｊ程度の分解能で検出され、ウェハステージＷＳ
の端部には干渉計９からのレーザビームを反射する移動
鏡９ｍが固定されている。

第２図は第２層目以降の重ね合わせ露光に使用されるレ
チクルＲのパターン形状及び配置の一例を示すもので、
パターン領域ＰＡを囲む遮光帯しＳＢの中に透明窓ＲＷ
、−ＲＷ、がパターン領域ＰＡに近接して形成され、さ
らにその外側にはレチクルアライメントマークＲＸ、、
ＲＸ２、ＲＹが形成されている。レチクルアライメント
マークＲＸ、、ＲＸ、、ＲＹ、はパターン領域ＰＡの大
きさが変わっても常に一定の位置に設けられ、且つ露光
光１−Ｌの照射領域ＩＡの外側に位置するように配置さ
れる。一方、透明窓ＲＷ、　、ＲＷＩはレチクル中心Ｒ
Ｃを通りＹ軸と平行な線上で互いに対向して設けられ、
透明窓ＲＷ、　、ＲＷ、は中心ＲＣを通りＸ軸と平行な
線上で互いに対向して設けられる。また、遮光帯ＬＳＨ
の幅をウェハ上のストリートラインの幅の１／Ｍ倍（投
影レンズＰＬの投影倍率をＭとする）以上の値に設定し
、照射領域ＩＡはパターン領域ＰＡと透明窓ＲＷ、〜Ｒ
Ｗ、とを含む範囲の大きさ、即ちウェハ上で１つのショ
ット領域とその周囲４辺のストリートラインとをカバー
する大きさに設定される。

第３図はレチクルＲの透明窓ＲＷ、の具体的な構成の一
例を示すもので、透明窓ＲＷ、は矩形状の透明部Ｒ８，
とマーク領域ＭＡ、、ＭＡｇとで構成される。透明部Ｒ
８，はアライメント用のビームＬＢｌｐＳＬＢｔｐを通
過させると共に、ビームＬＢ１ｐ、ＬＢ！Ｐのウェハマ
ークＷＭ、での所定次数の回折光（干渉光ＢＴＬｗ）を
通過させる（詳細後述）。マーク領域ＭＡ、　、ＭＡｔ
は所定の間隔ΔＤＲだけ離れて設けられ、各領域内には
回折格子状のレチクルマークＲＭ１、ＲＹ２　（第１の
回折格子であって、デユーティは１：１）が共にピッチ
ＰＲで形成されている。

また、透明部Ｒ８，には遮光部ＬＳ、（クロム層）が形
成され、露光時にはこの遮光部ＬＳ、がウェハマークＷ
Ｍ、を保護する。具体的には、パターン領域ＰＡの投影
像と露光すべきウニ／％Ｗ上のショット領域とを正確に
重ね合わせた時、露光光ＩＬの波長のもとで遮光部ＬＳ
、とウェハ７−りＷＭ＋　とが結像関係（第１図中の点
線）となるように、アライメント用照明光として露光光
ＩＬと異なる波長域、例えばレジストの感光感度がほと
んどない波長５３０ｎｍ以上の単波長のレーザビームを
用い、透明部Ｒ３，やウェハマークＷＭの大きさ等に応
じて投影レンズＰＬの倍率色収差量Δβ（ここではレチ
クルＲ上での値）をある値以上に適当に定めれば良い。

この際、露光光ＩＬの波長のもとで透明部Ｒ３，の投影
像は、ウェハマークＷＭ、からショット領域へ倍率色収
差量に対応した値（Δβ・Ｍ）だけずれた位置に結像さ
れることになる。

第４図はウェハ上に形成された複数のショット領域（例
えば第１層目）のうちの１つの領域ＳＡを示し、１つの
ショット領域ＳＡの周囲４辺には通常５０〜１００ρ程
度の幅のストリートラインＳＴＬが形成される。ストリ
ートラインＳＴＬはウェハ上のチップを切り出す際の切
りしろであって、ここに回路パターンの一部がはみ出し
て形成されることはない。そこで、ショット領域ＳＡの
第１層目の形成の際に、ストリートラインＳＴＬ内でシ
ョット中心ＳＣを通るＹ軸と平行な線上に互いに対向し
てウェハマークＷＭ、　、ＷＭ、を形成し、中心ＳＣを
通りＸ軸と平行な線上に互いに対向してウェハマークＷ
Ｍ！　、ＷＭ、を形成しておく。ウェハマークＷＭ、　
、ＷＭ、はＸ方向の位置検出に使われ、ウェハマークＷ
Ｍ、　、ＷＭ、はＹ方向の位置検出に使われる。尚、ウ
ェハマークＷＭ、〜ＷＭ、は先に述べた倍率色収差のた
めに、ショット領域ＳＡとの間に透明部Ｒ３，−Ｒ３゜
（本実施例ではＲ８１のみ図示）の投影像Ｒ３，。

〜ＲＳ　４°が入り込むように設けられる。

ここで、第１図ではウェハマークＷＭ、と透明窓ＲＷ、
を検出するアライメント系のみ示したが、実際にはウェ
ハマークＷＭ、−ＷＭ、の各々に対応して４組のアライ
メント系が配置され、さらにレチクルアライメントマー
クＲＸ　＋、ＲＸ２、ＲＹの各々に対応して３組のレチ
クルアライメント系が配置されている。尚、第１図にお
いてアライメント系の一部（ミラー２１、対物レンズ２
２）を水平方向に移動させれば、レチクルアライメント
マーク（第２図中に示したＲＸ、）を容易に検出できる
が、レチクルＲは装置に対して精密にアライメントする
必要があるので、本実施例では専用のレチクルアライメ
ント系を固定配置した。

次に、第５図、第６図を併用して本実施例のＴＴＲ方式
のアライメント系について詳述する。第５図はアライメ
ント系の具体的な構成を示す斜視図、第６図はアライメ
ント系の主要部をさらに詳細に説明したもので、第６図
では第１図のダイクロイックミラー５、ミラー２１．及
び第５、図のミラー４４．４７を省略しである。

第５図に示すように、レーザ光源ＩＯは直線偏光のアラ
イメント用照明光ＬＢを発生し、照明光ＬＢは１／２波
長板３０を介して偏光軸を入射面に対して約４５°回転
させられて偏光ビームスプリッター３１に至り、ここで
ほぼ同一光量となるようにｐ偏光ビームＬＢｐとＳ偏光
ビームＬＢ。

とに分割される。照明光ＬＢは露光光ＩＬの波長域と異
なる波長域のレーザビームであって、例えばレジスト層
に対してほとんど感度を持たない波長６３３ｎｍのＨｅ
−Ｎｅレーザとする。

偏光ビームスプリッタ−（ＰＢＳ）３１を通過したｐ偏
光ビームＬＢ、は、ミラー３２を介して周波数シフター
としての第１音響光学変調器３３（以下、単にＡＯＭ３
３と呼ぶ）に入射すると共に、ＰＢＳ３１で反射された
Ｓ偏光ビームＬＢ。

は第２音響光学変調器３４（以下、単にＡＯＭ３４と呼
ぶ）に入射する。ＡＯＭ３３は周波数ｆの高周波信号Ｓ
Ｆ、でドライブされ、その周波数ｆ１で決まる回折角だ
け偏向された１次光をビームＬＢ、とじて出力する。ま
た、ＡＯＭ３４は周波数ｆ１であるビームＬＢ、との差
周波数がΔｆとなるように周波数ｆ、（ｆ２＝ｆｌ−Δ
ｆ）の高周波信号ＳＦ、でドライブされ、同様にその周
波数ｆ２で決まる回折角だけ偏向された１次光をビーム
ＬＢ２として出力する。

ここで、ＡＯＭ３３．３４から射出したビームのうち＋
１次光以外の射出ビームＤ０は、適当な位置に配置され
たスリット３５．３６によって遮光される。また、ドラ
イブ周波数ｆ＋、ｆ＊と差周波数Δｆとの関係は、ｆｌ
）Δｆ、ｆｔ：＞Δｆであることが望ましく、Δｆの上
限は光電検出器４６．５０．５６の応答性により適宜定
められる。

本実施例ではＡＯＭ３３．３４のドライブ周波数ｆ１、
ｆｔを、例えば８０．０００　ＭＨｚ　、　７９．９７
５ＭＨｚとし、その周波数差Δｆを２５ＫＨｚと低く設
定するため、２つのＡＯＭ３３．３４での１次回折光の
回折角は共に等しくなる。尚、ビームＬＢ、　、ＬＢ、
の周波数シフターとして、ＡＯＭの代わりに光導波路を
用いても良い。

ＡＯＭ３３により周波数ｆｌに変調されて射出したｐ偏
光ビームＬＢ、は、レンズ４０を介してアライメント系
の瞳面若しくはその近傍に配置される半面ビームスプリ
ッタ−（ＨＢＳ）４１に入射し、ＡＯＭ３４により周波
数ｆ、に変調されて射出したＳ偏光ビームＬＢｔは、１
／２波長板３７の作用によりｐ偏光に変換され、ミラー
３８、レンズ３９を介してＨＢＳ４１に入射する。図示
していないが、ＨＢＳ４１は接合面の半分に全反射ミラ
ーを蒸着したもので、ここにビームＬＢ２を入射させる
ことでほぼ１００％の光量で反射させ、ビームＬＢ、は
接合面の透明部をそのまま透過する。ＨＢＳ４１はビー
ムＬＢ、、ＬＢ２を完全に同軸に合成するのではな（、
所定量だけ間隔をあけるようにビームＬＢ＋　、ＬＢ！
を互いに平行に合成する。これによって２本のｐ偏光ビ
ームＬＢ、、ＬＢ、の主光線は互いに平行になると共に
、アライメント系の光軸ＡＸａを挟んで対称的に位置す
るようになる。尚、１／２波長板３０から符号順にＨＢ
Ｓ４１までが第１図における２光束周波数シフター１１
を構成する。

さて、ＨＢＳ４１から主光線を平行にして射出した２本
のｐ偏光ビームＬＢ、（周波数ｆ、）とＬＢ！（同ｆｇ
）とは共に、１／２波長板４２の作用により偏光方向が
約４５°回転させられ、さらにレンズ４０．３９により
アライメント系の瞳面Ｅｐ’　　（ビームウェスト位置
で、入射瞳Ｅｐとほぼ共役な面）、若しくはその近傍で
一度スポット状に集光した後（第６図）、偏光ビームス
プリッタ−（ＰＢＳ）１２に達する。ＰＢＳ　ｌ　２に
おいて、ビームＬＢ、は周波数ｆ、のｐ偏光ビームＬＢ
、、とＳ偏光ビームＬＢ、、とに分割され、ビームＬＢ
、は周波数ｆ２のｐ偏光ビームＬ　Ｂ　！−とＳ偏光ビ
ームＬＢｔ、とに分割される。

第６図にも示すように、ＰＢＳ　１２で反射される２本
のＳ偏光ビームＬＢ、、（周波数ｆｌ）とＬＢ２．（同
ｆ、）とは、瞳を像面に変換するレンズ系（逆フーリエ
変換レンズ）４３、ミラー４４、レンズ系４３の後側焦
点面に配置される参照用回折格子４５、及び光電検出器
４６で構成された参照信号作成部１３（第１図）に入射
する。２本のビームＬＢ、いＬ　Ｂ　ｔ−はレンズ系４
３を介してミラー４４で反射され、装置上で固定されて
いる参照用回折格子４５に対して異なる２方向から平行
光束となって所定の交差角で入射し結像（交差）する。

光電検出器４６は２組の受光素子（若しくは２分割受光
素子）を有し、例えば参照用回折格子４５を通過したビ
ームＬＢ、の０次光と、これと同軸に進むビームＬＢ２
．の＋１次回折光との干渉光、及びビームＬＢ、、の一
１次回折光と、これと同軸に進むビームＬＢ！、の０次
光との干渉光を、それぞれ独立に受光（光電変換）する
。それら２つの干渉光の強度に応じた正弦波状の光電信
号は不図示のアンプによって加算され、この結果得られ
る光電信号ＳＲは、ビームＬＢ、、、ＬＢ、、の差周波
数Δ−ｆに比例した周波数となり、光ビート信号となる
。ここで、参照用回折格子４５の格子ピッチは、ビーム
ＬＢ、、、ＬＢ２．によって作られる干渉縞のピッチと
等しくなるように定められている。尚、光電検出器４６
は上記２つの干渉光を同一受光面上で受光し、この受光
面上で加算された干渉光の強度に応じた光電信号を出力
するものであっても良い。以上のように構成すれば、参
照用回折格子４５と光電検出器４６との間隔を短くする
ことができるといった利点がある。

一方、ＰＢＳ１２を通過した２本のｐ偏光ビームＬＢ、
、（周波数ｆｌ）とＬＢ、、（同ｒｉ）とは、レンズ１
４によって所定角度だけ傾いた平行光束となり、レンズ
１４の後側焦点面（ウェハとほぼ共役な面）ＩＰ’　に
配置された視野絞り１５で一度交差した後、ビームスプ
リッタ−（ＮＢＳ）１６を介してレンズ１７から射出さ
れる。これより、第６図に示すようにビームＬＢ、、、
ＬＢ、、は、各主光線がアライメント系の光軸ＡＸａに
対してほぼ平行になり、且つ瞳面Ｅｐ”（ビームウェス
ト位置）で光軸ＡＸａを挟んでほぼ点対称な２点にスポ
ットとして集光する結像光束となる。さらに、ビームＬ
Ｂ、ｐＳＬＢｔ、はビームスプリッタ−（ＮＢＳ）１９
、ミラー２１及びテレセントリックな対物レンズ２２を
介してダイクロイックミラー５に垂直方向から投射され
、焦点面２５にて交差角２θ、（後述のウェハ上での交
差角２θ、により一義的に定まる）で−度交差した後、
レチクルＲのパターン面では分離して透明窓ＲＷｌ、即
ちレチクルマークＲＭ　＋　、ＲＭ　＊の各々を照射す
る。

尚、焦点面２５（対物レンズ２２の後側焦点面）はアラ
イメント用照明光ＬＢの波長のもとでウェハ面とほぼ共
役となり、この焦点面２５とレチクルＲのパターン面と
の間隔が投影レンズＰＬの軸上色収差量ΔＬに対応して
いる。従って、レチクルマークＲＭ、、ＲＭ２の間隔Δ
ＤＲ（第３図）は、ΔＤ、＝２・ΔＬ−ｔａｎθ、と定
められることになる。

ビームＬＢ、、１ＬＢｔ、はレチクルマークＲＭＲＭ２
を照射すると共に（第３図）、その一部は透明部Ｒ３，
を通過して投影レンズＰＬに入射し、入射瞳Ｅｐにおい
て瞳中心（光軸ＡＸ）に関してほぼ点対称となるように
一度スポット状に集光する。しかる後、ウェハマークＷ
Ｍ、のピッチ方向に関して光軸ＡＸを挟んで互いに対称
的な角度で傾いた平行光束となり、ウェハマークＷＭ、
上に異なる２方向から交差角２θ、で入射し結像（交差
）する。尚、ビームＬＢ、、、ＬＢ、、の交差角２θ、
は、大きくても投影レンズＰＬの射出（ウェハ）側の開
口数（Ｎ、Ａ、）を越えることはない。

また、ウェハ共役面ＩＰ’　に配置される視野絞り１５
は、ウェハ上でのアライメント用照明光の形状（照射領
域）を任意に設定するもので、本実施例では矩形状の開
口を形成しているが、実際にはビームＬＢ、、、ＬＢＩ
、により作られる干渉縞に対して傾いたエツジを有する
、例えば菱形成いは平行四辺形状の開口を形成すること
が望ましい。また、入射瞳Ｅｐにおいて光軸ＡＸを挟ん
でほぼ点対称となるように形成されるビームＬＢ、、、
ＬＢ８．の各スポットを結ぶ直線の方向と、ウニ／’％
マークＷＭ、のピッチ方向とはほぼ一致している。

さて、ビームＬＢ、、、ＬＢ、、が交差角２θ、でウェ
ハマークＷＭ、に入射すると、ビームＬＢ、、、ＬＢ、
、が交差している空間領域内で光軸ＡＸと垂直な任意の
面内（ウェハ面）には、ウェハマークＷＭ、のピッチＰ
、に対して１／Ｎ倍（Ｎは自然数）のピッチＰＩ　　（
本実施例ではｐｔ＝ＰＶ／２と定める）で、１次元の干
渉縞が作られることになる。この干渉縞はウェハマーク
ＷＭ、のピッチ方向（Ｘ方向）に、ビームＬ　Ｂ　＋−
１ＬＢｚ−の差周波数Δｆに対応して移動する（流れる
）ことになり、その速度Ｖは、■＝Δｆ−Ｐ、なる関係
式で表される。また、交差角２θ、はアライメント用照
明光ＬＢの波長をλとすると、以下の（５）式を満足す
るように定められている。

】 この結果、ウェハマークＷＭ、からは干渉縞の移動によ
って明暗の変化を周期的に繰り返すビート波面になる±
１次回折光が発生し、これら回折光は同軸に合成されて
入射瞳Ｅｐの中心を通るように光軸ＡＸ上に沿って逆進
する。この２つの回折光は同一偏光成分（ｐ偏光成分）
なので互いに干渉し、光ビート（干渉光）ＢＴＬｗとな
って、投影レンズＰＬ、レチクルＲの透明窓ＲＷＩ　１
ダイクロイツクミラー５、対物レンズ２２、及びミラー
２１を介してＮＢ５１９のところまで戻り、ここで反射
されてアフォーカル拡大リレー系５１．５２、空間フィ
ルター５３、ミラー５４、集光レンズ５５、及び充電検
出器５６で構成された第１計測信号作成部２０（第１図
）に入射する。

第１計測信号作成部２０において、ウェハマークＷＭ、
からの干渉光ＢＴＬｖはアフォーカル拡大リレー系５１
．５２を通り、入射瞳Ｅｐとほぼ共役に配置される空間
フィルター５３に達する。

ここでビームＬＢ、、、Ｌ　Ｂ　＊−の主光線と全く同
軸に戻る反射光のうちの０次光Ｌｏ、及びレチクルマー
クＲＭ、　、ＲＭ！からの１次回折光ＲＬＲＬ２（詳細
後述）がカットされて、干渉光ＢＴＬ、のみが抽出され
る。さらに、干渉光ＢＴＬ。

はミラー５４、集光レンズ５５を介して光電検出器５６
に受光される。光電検出器５６は干渉光ＢＴＬｗに対応
した光電信号を作り、この光電信号は干渉縞の明暗変化
の周期に応じた正弦波状の交流信号、即ち周波数差Δｆ
のビート周波数をもつ光ビート信号ＳＤｗＮとなって位
相検出系２７に出力される。尚、空間フィルター５３の
すぐ後ろに光電検出器５６を配置すれば、当然ながら集
光レンズ５５を設ける必要がなくなる。

ここで、第１計測信号作成部２０において±１次回折光
（干渉光）ＢＴＬｖ以外に、先に述べたビームＬＢ、ｐ
、ＬＢ２．の主光線と全く同軸に戻るビームＬＢ、ｐの
０次光とビームＬＢ、、の＋２次回折光との干渉光、及
びビームＬＢＩＰの一２次回折光とビームＬＢｔ、の０
次光との干渉光を、それぞれ独立に入射瞳Ｅｐとほぼ共
役な面（空間フィルター５３の表面）で光電検出器にて
受光しても良い。この場合、これら２つの干渉光の強度
に応じた正弦波状の光電信号を不図示のアンプによって
加算し、この結果得られる光電信号（光ビート信号）を
位相検出系２７に出力する。そして、この光ビート信号
を先の干渉光Ｂ　Ｔ　Ｌ　ｗの光ビート信号ＳＤ、の代
わりに用いる、若しくはこの光ビート信号と上記光ビー
ト信号ＳＤｖとを、例えばその信号振幅等に応じて使い
分けるようにしても構わない。この際、アフォーカル拡
大リレー系５１゜５２間のウェハＷとほぼ共役な位置に
視野絞りを配置し、レチクルマークＲＭ、　、ＲＭ＊か
らの１次回折光ＲＬ３、ＲＬｔをカットして上記２つの
干渉光のみを抽出する必要がある。

一方、ビームＬＢ、、、ＬＢｆｐが照射されるレチクル
マークＲＭ、、ＲＭ２の格子ピッチＰＲ（第３図）は、
焦点面２５でのビームＬＢ、ｐ、ＬＢ、。

の交差角２θ、に応じて、以下のように定められている
。但し、Ｍは投影レンズＰＬの投影倍率である。

・：・・・・・（６） 従って、レチクルマークＲＭ、から発生する１次回折光
ＲＬ、（周波数ｆｔ）とレチクルマークＲＭ、から発生
する１次回折光ＲＬ、（同ｆ、）とが、ビームＬＢ、、
、Ｌ　Ｂ　ｔ　＝の各主光線と全く同軸に、ダイクロイ
ックミラー５、対物レンズ２２、ミラー２１、ＮＢ５１
９及びレンズ１７を介してＮＢ５１６のところまで戻り
、ここで反射されてミラー４７、透過型の基準格子板４
８（本発明の第３の回折格子）、空間フィルター４９及
、び光電検出器５０で構成された第２計測信号作成部１
８（第１図）に入射する。基準格子板４８はレンズ１７
の後側焦点面（ウェハ共役面）に配置されるので、１次
回折光ＲＬ、、ＲＬ、はミラー４７を介して基準格子板
４８に異なる２方向から平行光束となって所定の交差角
で入射し結像（交差）することになる。これより、基準
格子板４８上にはその周波数差Δｆに対応して格子ピッ
チ方向に流れる１次元の干渉縞が作られることになる。

ここで、本実施例では説明を簡単にするため、焦点面２
５と基準格子板４８との間の倍率を等倍（１倍）とし、
基準格子板４８の格子ピッチｐａｔをＰ。Ｒ＝Ｐ　Ｒに
設定しておくものとする。また、ウェハマークＷＭ、か
ら発生する０次光ＬＯもビームＬＢ、、、ＬＢ２ｐの主
光線と全く同軸に戻り、１次回折光ＲＬ、、ＲＬ２と共
に基準格子板４８を異なる２方向から照射し得る。しか
しながら、基準格子板４８の表面（ウェハ共役面）では
、ウェハ面上のマークＷＭ、で反射した０次光Ｌｏと１
次回折光ＲＬ、、ＲＬ２　　（干渉縞）とが像面内で空
間的に分離するので、ここでは１次回折光ＲＬ、　、Ｒ
Ｌ２による干渉縞の大きさ、位置に応じて基準格子板４
８をウェハ共役面内に配置しておけば良い。

この結果、１次回折光ＲＬ、　、ＲＬ、が基準格子板４
８に入射すると、基準格子板４８からは±１次回折光が
同軸に発生し、この干渉光ＢＴＬＲ（平行光束）は空間
フィルター４９を介して光電検出器５０に受光される。

基準格子板４８からの０次光Ｌｏ’　は空間フィルター
４９によって遮光される。光電検出器５０からの干渉光
Ｂ　Ｔ　Ｌ　Ｒに対応した光電信号は、干渉縞の明暗変
化の周期に応じた正弦波状の交流信号（ビート周波数の
光ビート信号）ＳＤＲとなって位相検出系２７に出力さ
れる。

さて、第１図に示すように位相検出系２７は、参照信号
作成部１３で作られた参照信号としての光ビート信号Ｓ
Ｒと、第１計測信号作成部２０、第２計測信号作成部１
８で作られた光ビート信号ＳＤＷ、ＳＤＲの夫々との位
相差を検出し、２つの光ビート信号ＳＤｖ、ＳＤＲ間の
相対位相差を求め、この位相差情報を主制御系２５へ出
力する。

主制御系２８は、位相検出系２７の位相差情報に基づい
てレチクルマークＲＭ、とウェハマークＷＭ１との相対
位置ずれを、格子ピッチＰｗの±ＰＷ／４の範囲内で高
精度に算出する。さらに、干渉系７．９の両方のインタ
ーフェイスを行なうサーボシステム２６、駆動モータ６
．８、及び位相検出系２７を統括的に制御する。

ところで、第１図においてアライメント系のうちのミラ
ー２１と対物レンズ２２とは、駆動制御系２３によって
左右方向に矢印Ａに沿って移動する保持金物２４内に一
体に固定されている。この金物２４の移動によって、対
物レンズ２２の観察位置は、少なくともレチクルＲ上で
その中心ＲＣを通る放射方向の線上を自由に変更するこ
とができる。ここで、対物レンズ２２の観察位置の移動
に伴い、例えば光電検出器５６の受光面でウェハマーク
ＷＭ、からの干渉光ＢＴＬＷとθ次光ＬＯとがデフォー
カスのために分離せず、一部重量し得る。そこで、本実
施例では干渉光ＢＴＬＷにθ次光Ｌｏが混入しないよう
に、対物レンズ２２（金物２４）の移動ストロークを設
定しである。

最も好ましい条件としては、金物２４が観察のための移
動ストロークの中心に位置した時、対物レンズ２２の瞳
面Ｅｐ”をビームウェスト位置、即ち空間フィルター５
３と共役にすることである。

この状態の時、空間フィルター５３の開口の丁度中心に
干渉光ＢＴＬＷのビームウェストを通すように定めれば
良い。

次に、本実施例による装置の動作を簡単に説明する。第
１図に示したステッパーでは、まずレチクルアライメン
ト系２９によりレチクルＲのアライメントを行い、装置
に対してレチクルＲを所定精度で位置決めした後、レチ
クルステージＲ８に真空吸着する。そして、対物レンズ
２２の光軸ＡＸａが透明窓ＲＷのほぼ中央にくるまで、
レチクルＲ上の透明窓ＲＷの位置に応じて金物２４　（
ミラー２１．対物レンズ２２）を駆動制御系２３により
矢印Ａに沿って移動し、アライメント系の観察位置を調
整する。次に、レチクルＲとショット領域ＳＡとをアラ
イメントするにあたって、まずウェハステージＷＳをス
テッピングさせてショット中心ＳＣとレチクル中心ＲＣ
とをほぼ一致させる。この場合、ウェハＷのグローバル
アライメントがオフアクシス方式のウェハ顕微鏡（不図
示）により正しく行なわれているものとすると、中心Ｓ
ＣとＲＣの位置ずれはウェハＷ上で±１７ｆｆｉ以下で
ある。従って、ウェハＷ上の４ケ所のマークＷＭ、−Ｗ
Ｍ、は、レチクルＲの窓Ｒ３，〜ＲＳ。

の各々を通して観察できる位置にくる、つまりビームＬ
Ｂ、、、ＬＢ、、に対して常にウェハマークＷＭが±Ｐ
Ｗ／４以内に位置決めされることになる。

次に、アライメント系によりレチクルＲ（透明窓ＲＷ、
）とウェハＷ（ウェハマークＷＭ、）との位置合わせを
実行する。ビームＬＢ、、、ＬＢ、。

を透明窓ＲＷ、に照射すると、レチクルマークＲＭ、　
、ＲＭ、から発生する１次回折光ＲＬ、、ＲＬ２が基準
格子板４８に入射し、光電検出器５０は基準格子板４８
からの干渉光ＢＴＬＲを受光して光ビート信号ＳＤＲを
位相検出系２７に出力する。これによって、位相検出系
２７は光電検出器４６からの参照信号としての光ビート
信号ＳＲに対する位相差Φ、を求めて記憶する。この際
、レチクルＲのずれ量ＸＲは次式から算出される。

一方、透明窓ＲＷ＋（透明部Ｒ３，）を通過したビーム
ＬＢ、、、ＬＢ！、はウェハマークＷＭ、を照射し、光
電検出器５６はウェハマークＷＭ、からの干渉光ＢＴＬ
、のみを抽出して受光し、その光ビート信号ＳＤＷを位
相検出系２７に出力する。

位相検出系２７は参照用の光ビート信号ＳＲに対する位
相差Φ、を求めて記憶する。この際、ウェハＷのずれ量
ＸＷは次式から算出される。

さて、位相検出系２７は先に求めた位相差ΦＲ１Φ、を
主制御系２８へ出力し、主制御系２８はこの位相差情報
に基づいて、次式からレチクルＲとウェハＷとの相対的
な位置ずれ量ΔＸを算出する。但し、ＭＡＬは投影レン
ズＰＬのアライメント波長のもとての投影倍率、ずれ量
ΔＸはウェハＷ上での値である。

ΔＸ　＝　Ｘ　ｖＭ　Ａ　Ｌ　”　Ｘ　Ｒこの結果、主
制御系２８はサーボシステム２６を用いて上記ずれ量Δ
Ｘが一定値、若しくは零となるようにレチクルステージ
Ｒ３，又はウェハステージＷＳを微動させ、レチクルＲ
のパターン領域ＰＡの投影像とショット領域ＳＡとを正
確に一致させる。従って、本実施例では金物２４の移動
に伴ってアライメント系全体が傾いてもアライメント誤
差は生じず、極めて高精度のアライメントが達成される
。この際、ずれ量ΔＸが所定の許容範囲（例えば、±０
．０６．ｃａ）以内に入った時点で、照明光学系２を介
して照明領域ＩＡ内に露光光ＩＬが照射される。また、
アライメントにあたってはサーボシステム２６を用いず
、位相検出系２７により求められる２つの光ビート信号
間の相対位相差が零となるように、レチクルステージＲ
３゜又はウェハステージＷＳをサーボ制御しても構わな
い。

尚、本実施例ではグイクロイックミラー５を設けている
ため、露光動作中も透明窓ＲＷ、とウェハマークＷＭ＋
とのずれ量ΔＸを常時検出でき、そのずれ量ΔＸが許容
範囲内にあるようにレチクルステージＲ８，又はウェハ
ステージＷＳをフィードバック制御することが可能であ
り、露光動作中に生じ得る不要な振動による像ぶれがな
くなるといった利点がある。また、第２計測信号作成部
１Ｂにおいて１次回折光ＲＬ、、ＲＬ、によって作られ
る干渉縞のピッチと基準格子板４８の格子ピッチとを等
しくなるように定め、参照信号作成部１３と同様の方式
で光ビート信号ＳＤＲを得るようにしても良い。

ここで、第７図を参照して本実施例のアライメント系の
変形例について説明する。第７図はアライメント系の主
要部のみを詳細に説明したもので、上記実施例（第６図
）と同じ機能、作用の部材には同一の符号を付しである
。尚、レーザ光源１０からレンズ１７までは先の実施例
と全く同一構成であるので、ここでは説明を省略する。

第７図において、ｐ偏光ビームＬ　Ｂ　＋−１Ｌ　Ｂ　
ｔ−は視野絞り１５、レンズ１７を介してほぼ１００％
の光量が偏光ビームスプリッタ−（ＰＢＳ）６６を通過
した後、１／４波長板６０を介して対物レンズ２２に入
射する。１／４波長板６０により円偏光となった２本の
ビームＬＢ、、、ＬＢｏは焦点面２５で一度交差した後
、レチクルマークＲＭ、　、ＲＭ！を照射すると共に、
その一部は透明部Ｒ８１、投影レンズＰＬを通ってウェ
ハマークＷＭ、を照射する。

さて、ウェハマークＷＭ、から発生する干渉光ＢＴＬｖ
−レチクルマークＲＭ、、ＲＭ２の各々から発生する１
次回折光ＲＬ、　、ＲＬ、（共に円偏光）は対物レンズ
２２を介して１／４波長板６０に達し、ここでＳ偏光と
なった後、ＰＢＳ６６でほぼ１００％の光量が反射され
、アフォーカル拡大リレー系５１．５２を通って空間フ
ィルター６１に至る。空間フィルター６１（正確には開
口部６１ａ）は入射瞳Ｅｐとほぼ共役に配置されており
、ここで干渉光ＢＴＬＷのみが抽出され、ミラー５４、
集光レンズ５５を介して光電検出器５６に受光される。

一方、ビームＬＢ、、、ＬＢ、、の主光線と全く同軸に
戻るウェハマークＷＭ、からの反射光のうちのθ次光Ｌ
ｏと、レチクルマークＲＭ、、ＲＭ２からの１次回折光
ＲＬ、　、ＲＬ、とは共に、空間フィルター６１で反射
され、レンズ６２を介して視野絞り６３に入射する。視
野絞り６３はレンズ６２の後側焦点面（ウェハ共役面）
内に配置され、１次回折光ＲＬ、、ＲＬ、（干渉縞）の
大きさ、位置に対応した開口部を有しており、ここで１
次回折光ＲＬ、　、ＲＬ、のみが抽出される。さらに、
１次回折光ＲＬ、　、ＲＬ、はリレー系６４．６５によ
り平行光束となって基準格子板４８に照射され、光電検
出器５０は空間フィルター４９を介して基準格子板４８
からの干渉光Ｂ　Ｔ　Ｌ　Ｒのみを受光する。以上、上
記構成の装置ではＰＢＳ６６と１／４波長板６０とを用
いるので、ビームＬＢ、、、Ｌ　Ｂ　ｉ−の光量ロスが
少なくなるといった利点がある。また、ここでは１次回
折光ＲＬ１、ＲＬ２のみを抽出するため、視野絞り６３
とリレー系６４゜６５とを設けたが、上述の如く基準格
子板４８を視野絞り６３の位置（ウェハ共役面）に直接
配置しても良く、この場合には受光系のコンパクト化が
可能となる。

次に、第８図〜第１Ｏを参照して本発明の第２の実施例
について説明する。本実施例ではプロキシミティ方式の
露光装置（例えばＸ線露光装置）に好適なアライメント
系に本発明を適用した場合について述べる。第８図は本
実施例によるアライメント系の主要部の具体的な構成を
示すもので、放射光源（不図示）からの露光ビームによ
りマスクＭｓのパターンは所定間隔（プロキシミティ・
ギャップ）Ｇｐだけ離れたウェハＷ上に転写される。こ
のギャップＧｐが第１実施例における投影レンズＰＬの
ビームＬＢの波長での軸上色収差量ΔＬに相当する。こ
こで、第８図に示すアライメント系は第１実施例と全く
同一構成（アフォーカル拡大リレー系５１．５２がない
点を除いて）であり、ここでは第６図で示した焦点面２
５にマスクＭｓを配置している。従って、本実施例では
マスクＭｓの下面（パターン面）で２本のビームＬＢ　
ｌｐ、ＬＢ、、が交差（結像）し、ウェハＷ上にはビー
ムＬ　Ｂ　＋−１ＬＢ、、が分離して照射されることに
なるが、レチクルマーク（第１の回折格子）とウェハマ
ーク（第２の回折格子）との役割が入れ替わっただけで
本質的には第１実施例と同じである。尚、プロキシミテ
ィ・ギャップＧｐ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ｌＯ〜５
００ρの間に定められる。

第８図において、対物レンズ２２により２本のビームＬ
Ｂ、ｐ、ＬＢ、、は、格子マークＭＲに異なる２方向か
ら交差角２θ２で入射し結像（交差）する。第９図に示
すようにマスクＭｓには、遮光帯ＬＳＨの中に透明部Ｍ
Ｗ、とピッチＰＭの格子マークＭＲが形成される領域（
透明部）ＭＷ２とが形成されている。さらに、マスクＭ
ｓに照射されるビームＬＢ、ｐ、ＬＢ、ｐの一部は透明
部ＭＷを通り、第１０図に示すようにウェハＷ上では分
離して格子マークＷＭａ　、ＷＭｂ　　（共に格子ピッ
チＰｖａ）の各々を照射する。ここで、格子マークＷＭ
ａ　、ＷＭｂはストリートラインＳＴＬ内でΔＤＷだけ
離れて形成される。また、格子マークＭＲのピッチＰＭ
、格子マークＷＭａ　、ＷＭｂのピッチＰＷＧ％及び間
隔ΔＤＷは、それぞれ次式のように定められる。

λ ２・ｓｉｎθ。

ΔＤｖ＝２Ｇｐ−ｔａｎθ、　　　　　　−−−−−−
−（１２）この結果、格子マークＭＲからの±１次回折
光は同軸に合成され、光ビート（干渉光）ＢＴＬＲとな
って光軸ＡＸｂ上に沿って逆進し、対物レンズ２２、Ｎ
ＢＳ　１９を介して瞳位置、又はその共役面にある空間
フィルター５３に達する。ここで干渉光ＢＴＬ、のみが
抽出され、光電検出器５６は干渉光Ｂ　Ｔ　Ｌ　Ｒに対
応した周波数差Δｆのビート周波数をもつ光ビート信号
ＳＤｉを出力する。

一方、格子マークＷＭａ　、ＷＭｂからの１次回折光Ｗ
Ｌ、、ＷＬ、は、ビームＬ　Ｂ　＋　、、ＬＢ、、の各
主光線と全く同軸に、対物レンズ２２、ＮＢ５１９及び
レンズ１７を介してＮＢ５１６のところまで戻り、ここ
で反射されて基準格子板４８を異なる２方向から照射す
る。基準格子板４８は１次回折光ＷＬ、、ＷＬ、（干渉
縞）の大きさ、位置に応じてレンズ１７の後側焦点面内
に配置され、ここではマスクＭｓとほぼ共役となってい
る。従って、１次回折光ＷＬ、　、ＷＬ、のみが基準格
子板４８を照射することになり、光電検出器５０は空間
フィルター４９を介して基準格子板４８からの干渉光Ｂ
ＴＬＷのみを受光し、干渉光ＢＴＬｖに対応した周波数
差Δｆのビート周波数をもつ光ビート信号ＳＤＷが出力
される。

さて、位相検出系２７は参照用の光ビート信号ＳＲと、
光ビート信号ＳＤ３、ＳＤＷの各々との位相差Φ、°、
Φ、゛を求めて記憶する。この際、マスクＭｓのずれ量
ΔＸＲ’とウェハＷのずれ量ΔＸ、′とは、先の第１実
施例で示した（７）、（８）式と同等の関係式から求め
られる。主制御系２８は位相検出系２７からの位相差情
報（Φ、°、Φ、゛）に基づいて、次式からマスクＭｓ
とウェハＷとの相対的な位置ずれ量ΔＸ′を算出する。

ΔＸ’　＝ｘｖ’−ｘＲ’ しかる後、上記ずれ量ΔＸ°が一定値、若しくは零とな
るようにマスクＭｓとウェハＷとを相対的に微動させ、
レチクルＲのパターン領域ＰＡの投影像とショット領域
ＳＡとを正確に一致させる。

従って、プロキシミティ方式の露光装置であっても、ア
ライメント系の傾斜によるアライメント誤差は生じず、
極めて高精度のアライメントが達成される。

以上の通り本発明の第１実施例では２本のビームＬ　Ｂ
　＋−１ＬＢ、、をウェハＷ上で交差（結像）させ、第
２実施例ではマスクＭｓ（レチクル）上で交差させてい
たが、第１実施例においてはビームＬＢ、、、ＬＢ２．
をレチクルＲ上で交差させ、ウェハＷ上では分離するよ
うに照射し、第２実施例においてはビームＬＢ＋、、Ｌ
Ｂ、、をマスクＭｓ上で分離し、ウェハＷ上で交差させ
るように照射しても良い。また、第１実施例においては
１次回折光ＲＬ、　、ＲＬ、がビームＬＢ、、、Ｌ　Ｂ
　２−の各主光線と同軸に戻るように格子ピッチＰＲを
定めていたが、ビームＬＢ、、、Ｌ　Ｂ　ｉ−の各主光
線と同軸に戻る回折光であれば１次回折光以外であって
も使用して構わない。例えば、レチクルマークＲＭ、Ｒ
Ｍ、の格子ピッチＰ、を、上記（６）式にて示した値の
２倍に設定する、即ちＰＲ＝λ／ｓｉｎθつとし、レチ
クルマークＲＭ、　、ＲＭ、のデユーティ比を変えると
、ビームＬ　Ｂ　１１＋、Ｌ　Ｂ　ｔ−の各主光線と同
軸に２次回折光が発生するので、この２次回折光を使っ
て光ビート信号ＳＤ、を得るようにしても良い。第２実
施例についても同様に１次回折光以外を使っても構わな
いことは言うまでもない。

要は所定次数の回折光が第１実施例であっては焦点面２
５（ウェハ共役面）、第２実施例であってはレチクルＲ
のパターン面で交差すれば良い。

また、本発明はヘテロダイン方式のアライメント系だけ
でなく、ホモダイン方式、さらには２本のビームの偏光
成分を異ならせて格子マーク上では干渉縞を作らず、格
子マークから戻ってくるｐ偏光ビームとＳ偏光ビームと
を検光子（複屈折板）により干渉光にした後に光電検出
する方式に対しても有効であることは言うまでもない。

さらに、第１の実施例ではレチクルＲ及びウェハＷに対
して同一のビームＬＢＩｐ、ＬＢ、、を照射していたが
、レチクルＲ１ウェハＷの各々に照射する２本のビーム
を異ならせても良く、先の基準格子板４８（第３の回折
格子）をレチクルＲとウェハＷとでそれぞれ独立に設け
れば、レチクルＲ、ウェハＷの各々に入射する２本のビ
ームの交差角２θア、２θ１を独立に設定することが可
能となる。但し、この場合でもレチクルＲに入射する２
本のビームのレチクルマークＲＭ、　、ＲＭ２での各回
折光が上記焦点面２５内で交差するように設定すると共
に、レチクルマークＲＭ、　、ＲＭ、の格子ピッチＰＲ
も、各回折光が２本のビームの主光線と同軸に戻るよう
に設定しておく必要がある。

このようにレチクルＲとウェハＷとの各々での２本のビ
ームの交差角２０Ｒ％２θ１を独立に設定すれば、特に
投影レンズＰＬの倍率色収差がある場合に有効である。

即ち、レチクルＲの透明窓ＲＷの位置変更に対応してア
ライメント系（金物２４）の位置を変える場合、ウェハ
Ｗに照射される２本のビームは倍率が変化するので、そ
の倍率変化に応じて２本のビームの交差角２θ１も変化
させなければならないが、レチクルＲとウェハＷの各々
での２本のビームの交差角２θ２．２θ、を独立に設定
可能としておけば、ウェハ側での交差角２θ１を変化さ
せても、レチクル側での交差角２θ、は一定にしておく
ことができるからである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、投影光学系の色収差によりマスクと感
光基板の共役面（若しくはマスクの共役面と感光基板）
とが離れている場合、或いはプロキシミティ方式の露光
装置のようにマスクと感光基板との間にギャップがある
場合であっても、振動等によるアライメント系（即ち、
アライメント用の２つのビーム）の傾きによって発生し
得るアライメント誤差を最小限（はぼ零）に抑えること
ができ、高精度のＴＴＬ方式のアライメントが可能とな
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ＴＴＲ方式のアラ
イメント系を備えたステッパーの概略的な構成を示す平
面図、第２図は第２層目以降の重ね合わせ露光に使用さ
れるレチクルのパターン形状及び配置の一例を示す図、
第３図はアライメント用の透明窓の具体的な構成を示す
図、第４図は感光基板上に予め形成された複数のショッ
ト領域（第１層目）のうちの１つの領域を示す図、第５
図は第１図中のアライメント系の具体的な構成を示す斜
視図、第６図は第１の実施例によるアライメント系の主
要部をさらに詳細に説明した図、第７図は第１の実施例
によるアライメント系の主要部の変形例の説明に供する
図、第８図はプロキシミティ方式の露光装置に好適な本
発明の第２の実施例によるアライメント系の主要部を詳
細に説明した図、第９図はマスクに形成されるアライメ
ント用の透明窓の具体的な構成を示す図、第１０図は感
光基板上に形成されたアライメント用マークの様子を説
明する図、第１１図は本発明の原理説明に供する図、第
１２図は従来のＴＴＲ方式のアライメント系を備えたス
テッパーの概略的な構成を示す斜視図、第１３図、第１
４図は従来装置の問題点の説明に供する図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ５・・・グイクロイックミラー、７．９・・・干渉計、
ｌＯ〜２２・・・アライメント系、２６・・・サーボシ
ステム、２７・・・位相検出系、２８・・・主制御系、
４８・・・基準格子板（第３の回折格子）、ＩＬ・・・
露光用照明光、Ｒ・・・レチクル、ＰＡ・・・パターン
領域、Ｒ８・・・レチクルステージ、ＲＷ、〜ＲＷ、・
・・アライメント用の透明窓、ＲＭ、　、ＲＭ２・・・
レチクルマーク（第１の回折格子）、ＰＬ・・・投影レ
ンズ、Ｅｐ・・・入射瞳、ＡＸ・・・光軸、Ｗ・・・ウ
ェハ、ＷＳ・・・ウェハステージ、ＳＡ・・・ショット
領域、ＳＴＬ・・・ストリートライン、ＷＭ、〜ＷＭ、
・・・ウェハマーク（第２の回折格子）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の波長域の照明光でマスクに形成されたパタ
   ーンを投影光学系を介して感光基板上に結像投影する装
   置に設けられ、前記マスクに形成された第１の回折格子
   と前記感光基板に形成された第２の回折格子とを光学的
   に検出することにより前記マスクと感光基板とを位置合
   わせする装置において、 前記第１の回折格子と第２の回折格子とのいずれか一方
   に対物光学系を介して前記照明光と異なる波長域のコヒ
   ーレントな２つのビームを所定の交差角で照射する照射
   手段と； 前記２つのビームが交差して照射される一方の回折格子
   からほぼ同一方向に発生した回折光同志の干渉光を光電
   検出する第１受光手段と； 前記一方の回折格子とほぼ共役な面、若しくはその近傍
   に配置された第３の回折格子と；該第３の回折格子に前
   記２つのビームの他方の回折格子での各回折光を前記対
   物光学系を介して所定の交差角で照射し、該第３の回折
   格子から発生した回折光を互いに干渉させ、該干渉光を
   光電検出する第２受光手段と； 前記第１受光手段と第２受光手段の各々からの信号を比
   較して前記マスクと感光基板との相対変位に対応した検
   出信号を出力する検出手段と；該検出信号に基づいて前
   記マスクと感光基板との相対位置を変化させる移動手段
   とを備えたことを特徴とする露光装置の位置合わせ装置
   。
2. （２）前記照射手段は、前記第２の回折格子上で前記２
   つのビームを交差させることとし、前記マスクの上方で
   前記２つのビームが交差する角度を２θ＿Ｒ、その波長
   をλ、前記第１の回折格子から発生した回折光の次数を
   Ｎ次とすると、前記第１の回折格子の格子ピッチＰ＿Ｒ
   を、 Ｐ＿Ｒ＝（Ｎ・λ）／２・ｓｉｎθ＿２ と定めたことを特徴とする請求項第１項記載の露光装置
   の位置合わせ装置。
3. （３）マスクに形成されたパターンを、該マスクと所定
   間隔あけて対向して配置される感光基板上に露光する装
   置に設けられ、前記マスクに形成された第１の回折格子
   と前記感光基板に形成された第２の回折格子とを光学的
   に検出することにより前記マスクと感光基板とを位置合
   わせする装置において、 前記第１の回折格子と第２の回折格子とのいずれか一方
   に対物光学系を介して所定波長のコヒーレントな２つの
   ビームを所定の交差角で照射する照射手段と； 前記２つのビームが交差して照射される一方の回折格子
   からほぼ同一方向に発生した回折光同志の干渉光を光電
   検出する第１受光手段と； 前記一方の回折格子とほぼ共役な面、若しくはその近傍
   に配置された第３の回折格子と；該第３の回折格子に前
   記２つのビームの他方の回折格子での各回折光を前記対
   物光学系を介して所定の交差角で照射し、該第３の回折
   格子から発生した回折光を互いに干渉させ、該干渉光を
   光電検出する第２受光手段と； 前記第１受光手段と第２受光手段の各々からの信号を比
   較して前記マスクと感光基板との相対変位に対応した検
   出信号を出力する検出手段と；該検出信号に基づいて前
   記マスクと感光基板との相対位置を変化させる移動手段
   とを備えたことを特徴とする露光装置の位置合わせ装置
   。