JPH06310402A

JPH06310402A - アライメント装置

Info

Publication number: JPH06310402A
Application number: JP5094368A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-04-21
Filing date: 1993-04-21
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】空気揺らぎの影響を低減させてアライメント
精度の向上を図ること、簡素化されたアライメント装置
を提供すること。【構成】レチクル(R) 上のパターンを投影光学系(PL)
を介してウェハ(W) 上に投影する装置に設けられ、対物
光学系(11,12) を介してウェハマーク(WM)に２つのビー
ム(LB₁,LB₂) を照射する照射手段(10,11,12,20) と、ウ
ェハマークからの回折光 (LB_W1, LB_W2) 同士の干渉光(B
Tw) を光電検出する検出手段(40)とを有する。ここで、
２つのビームの交差角は、ウェハマークから発生する回
折光がレチクルマーク(RM)上で交差するように規定され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示
素子の製造のリソグラフィ工程に用いられる投影型露光
装置に好適なアライメント装置に関するものである。

【０００２】

【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(0.5μｍ程度）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、
その解像度に見合ったアライメント精度（通常、解像線
幅の１／５程度）で、マスクまたはレチクル（以下、レ
チクルと称す）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ＴＴＲ（スルー・ザ・レチク
ル）方式が従来から知られている。

【０００３】ＴＴＲ方式のアライメント装置は、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またはウェハを微動させる
ものである。そして、ＴＴＲ方式のアライメント装置の
一例として、例えば図１１に示す構成のものが考えられ
ている。この構成は、特願平3-275273号にて本件出願人
が提案した系であり、公知ではない。図１１(a),(b)
は、投影露光装置のＴＴＲ方式アライメント系の概略的
構成を示し、レチクルＲから下の投影光学系とウェハ等
の感光基板の図示は省略してある。ただし、図１１(b)
において投影光学系の光軸Ａｘのみは図示してある。図
１１(b) に示すように、レチクルＲの上方には４５°に
斜設されたダイクロイックミラー２０６が配置され、露
光用照明光（波長λ₀）は横方向からダイクロイックミ
ラー２０６に入射し、ここで垂直に反射されてレチクル
Ｒの回路パターン領域のみを照射する。このダイクロイ
ックミラー０６は、露光光ＩＬの波長λ₀に対しては９
０％以上の反射率を有し、波長λ₀よりも十分に長い波
長λ₁に対しては５０％以上の透過率を有する。また、
図１１(c) は、このＴＴＲ方式のアライメント装置に用
いられるレチクルＲを部分的に示したものである。この
図１１(c) において、レチクルＲの回路パターン領域の
周囲に設けられた遮光帯ＬＳＢの中には、回折格子で構
成されたレチクルマークＲＭ_a,ＲＭ_bと、光ビームを透
過させるレチクル窓ＲＷとが形成されている。

【０００４】この図１１(a),(b) に示すアライメント装
置においては、レチクルマークＲＭ（ＲＭ_a,ＲＭ_b）に
て回折されるアライメント光と、ウェハマークにて回折
されるアライメント光とが混入することによる検出誤差
を防止するために、レチクルマークＲＭ_a,ＲＭ_bのそれ
ぞれを照射する２本のビームＬＢr₁，ＬＢr₂と、レチク
ル窓ＲＷを通ってウェハ上に設けられたウェハマークを
照射する２本のビームＬＢw₁，ＬＢw₂とを像空間におい
て互いに分離するように構成されている。

【０００５】そのために、図１１(b) において、アライ
メント用照明光を射出する送光系２０１は、レチクルマ
ーク用の２本の送光ビームＬＢr₁，ＬＢr₂と、ウェハマ
ーク用の２本の送光ビームＬＢw₁，ＬＢw₂とを射出す
る。２本の送光ビームＬＢr₁，ＬＢr₂は、図１１(a),
(b) に示すようにビームスプリッター２０２の上半分で
反射され、レンズ系２０３、ビームスプリッター２０４
及び対物レンズ２０５を介して、アライメント系送光ビ
ームの波長でのウェハ共役面２０７で一度交差した後、
レチクルマークＲＭ_a,ＲＭ_bのそれぞれを照射する。ま
た、送光系２０１からの２本の送光ビームＬＢw₁，ＬＢ
w₂は、図１１(a),(b) の如くビームスプリッター２０２
の下半分で反射され、同様にレンズ系２０３、ビームス
プリッター２０４、対物レンズ２０５を介してウェハ共
役面２０７で一度交差した後、レクル上の窓ＲＷを通過
する。

【０００６】さて、２本の送光ビームＬＢr₁，ＬＢr₂が
レチクルマークＲＭ_a,ＲＭ_bに達すると、このレチクル
マークＲＭ_a,ＲＭ_bでは、１次回折光が発生する。これ
らの１次回折光は、送光ビームＬＢr₁，ＬＢr₂の夫々の
光路を逆進するように２本の送光ビームＬＢr₁，ＬＢr₂
の入射角が定められている。これらの１次回折光は、対
物レンズ２０５〜ビームスプリッター２０２を順次通過
して、部分反射鏡２０８にて偏向されて回折格子板２０
９上に達する。そして、これらの１次回折光は、回折格
子板２０９にて回折され、所定次数の回折光同士が重な
る。ここで、送光ビームＬＢr₁，ＬＢr₂が互いに異なる
周波数に変調されているので、ヘテロダイン干渉が生じ
る。このヘテロダイン干渉光の光強度は、時間によって
正弦波的に変化するものであって、光電検出器２１０
は、ヘテロダイン干渉光の強度変化に応じた検出信号Ｓ
Ｒｒを出力する。

【０００７】一方、２本の送光ビームＬＢw₁，ＬＢw
₂は、不図示の投影光学系を通過して、図示なきウェハ
上のウェハマークに達する。ここで、２本の送光ビーム
ＬＢw₁，ＬＢw₂は、１次回折光が垂直方向に発生する如
き角度でウェハマークに入射しているので、ウェハマー
ク上では、垂直方向にそれぞれの送光ビームＬＢw₁，Ｌ
Ｂw₂の１次回折光が発生する。そして、この２本の送光
ビームＬＢw₁，ＬＢw₂も互いに異なる周波数に変調され
ているので、ウェハマークで回折されたそれぞれの１次
回折光は、ヘテロダイン干渉を起こし、干渉ビームＢＴ
ｗとなる。この干渉ビームＢＴｗは、投影光学系を介し
てレチクル窓ＲＷの中央部を透過し、対物レンズ２０５
〜ビームスプリッター２０２までを順に介して部分反射
鏡２０８に達する。そして、干渉ビームＢＴｗは、この
部分反射鏡２０８を通過し、反射鏡２１１、レンズ系２
１２を介して光電検出器２１３に達する。この光電検出
器２１３は、干渉ビームＢＴｗの強度変化に応じた検出
信号ＳＲｗを出力する。

【０００８】ここで、送光ビームＬＢr₁，ＬＢr₂と送光
ビームＬＢw₁，ＬＢw₂とは、ビームスプリッター２０４
によって分割される。以下、この分割されたビームを参
照ビームＬＢr₁，ＬＢr₂と参照ビームＬＢw₁，ＬＢw₂と
称する。これらの参照ビームは、レンズ系２１４を介し
て参照用回折格子板２１５にて交差し、回折格子板２１
５によってヘテロダイン干渉する。この参照用回折格子
板２１５からは、参照ビームＬＢr₁，ＬＢr₂の±１次回
折光成分の干渉ビームＢＴＳｒと、参照ビームＬＢw₁，
ＬＢw₂の±１次回折光成分の干渉ビームＢＴＳｗとが光
電検出器２１６，２１７に向かう。そして、光電検出器
２１６からは、干渉ビームＢＴＳｒの強度変化に応じた
検出信号ＳＲＲが出力され、光電検出器２１７からは、
干渉ビームＢＴＳｗの強度変化に応じた検出信号ＳＲＷ
が出力される。

【０００９】そして、上述のアライメント装置において
は、検出信号ＳＲｒと検出信号ＳＲＲとの位相差によ
り、レチクルマークの位置が検出され、検出信号ＳＲｗ
と検出信号ＳＲＷとの位相差により、ウェハマークの位
置が検出される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
如きアライメント装置においては、レチクルＲの位置情
報として、レチクルマークＲＭ_a,ＲＭ_bにて回折する回
折光のそれぞれにレチクルマークＲＭ_a,ＲＭ_bの位置に
対応する位相が与えられる。そして、これらの回折光同
士が回折格子板２０９にてヘテロダイン干渉を起こす。
ここで、レチクルマークＲＭ_a,ＲＭ_bから回折格子板ま
での光路、すなわち検出される回折光が通過する光路中
で空気揺らぎが発生すると、上記回折光の位相が空気揺
らぎによって変化する。これにより、レチクルＲが移動
していないにもかかわらず、アライメント装置では、レ
チクルＲが移動しているように検出される問題点があ
る。

【００１１】さて、近年では、半導体素子の高集積化に
伴い、露光光の短波長化が進んでおり、アライメント光
（送光ビーム）の波長との波長差が広がる傾向にある。
そして、露光光としてエキシマレーザ光 (例えばKrF:24
9nm,ArF:193nm)を用いる場合には、投影光学系により発
生する軸上色収差量ΔＬ_Rが数百ｍｍにも達する。この
とき、上述のアライメント装置では、レチクルＲと回折
格子板２０９との間隔を軸上色収差量ΔＬ_Rよりも大き
くしなければならない。ここで、軸上色収差量ΔＬ_Rが
大きく発生する場合には、レチクルＲから回折格子板２
０９までの光路を長くする必要があり、この光路内で空
気揺らぎが発生すると、レチクルＲの検出精度が低下す
る問題点がある。

【００１２】特に、露光中にアライメント動作を実行す
る場合には、レチクルＲが強力な露光光により暖められ
るため、アライメント装置の対物レンズ２０５とレチク
ルＲとの間の雰囲気中で空気揺らぎが発生しやすい。ま
た、上述のアライメント装置においては、レチクルＲの
位置とウェハＷの位置とを別々に検出しているため、ア
ライメント装置の光学系の複雑化を招き、光電検出器か
らの出力を処理する信号処理系の複雑化をも招く問題点
がある。

【００１３】そこで、本発明は、空気揺らぎの影響を低
減させてアライメント精度の向上を図ったアライメント
装置を提供することを第１の目的とし、簡素化されたア
ライメント装置を提供することを第２の目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明によるアライメント装置は、以下の構成を有
する。例えば図１、図４に示す如く、所定の波長域の露
光光（ＩＬ）でマスク（Ｒ）に形成されたパターンを投
影光学系（ＰＬ）を介して感光基板（Ｗ）上に投影する
装置に設けられ、そのマスクに形成された第１の回折格
子（ＲＭ）と感光基板に形成された第２の回折格子（Ｗ
Ｍ）とを露光光とは異なる波長域の照明光で光学的に検
出するアライメント装置は、コヒーレントな２つの送光
ビーム（ＬＢ₁、ＬＢ₂）を投影光学系を介して第２の
回折格子に照射する照射手段（１０、１１、１２、２
０）と、第２の回折格子から発生する所定の次数の回折
光同士（ＬＢ_W1、ＬＢ_W2）による干渉光（ＢＴｗ）を光
電検出する検出手段（４０）とを有するように構成され
る。

【００１５】そして、照射手段は、第２の回折格子から
の回折光同士が第１の回折格子上で交差するように、２
つの送光ビームを所定の交差角で照射する。

【００１６】

【作用】上述の構成の如き本発明において、最も空気揺
らぎの影響を受けやすいレチクルとアライメント用の対
物レンズとの間の雰囲気中を通過するビームは、レチク
ルとウェハとの相対的な位置情報を光強度変化として含
む干渉ビームであるため、空気揺らぎが発生しても、干
渉ビームの光強度変化は影響されない。

【００１７】また、本発明においては、レチクルの位置
とウェハの位置とを同時に、すなわちレチクルとウェハ
との相対的な位置関係を検出しているため、アライメン
ト装置の光学系及び信号処理系の簡素化を図ることがで
きる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例を
説明する。図１は、本発明によるアライメント装置を縮
小投影型露光装置（以下、ステッパーと称する）に適用
した実施例を模式的に示す図である。図１において、図
示なき照明光学系は、例えばエキシマレーザ光（Ａｒ
Ｆ：１９３ｎｍ、ＫｒＦ：２４９ｎｍ）である露光光Ｉ
Ｌを供給する。この露光光ＩＬは、コンデンサレンズ４
を介して、ダイクロイックミラーＤＭにて反射され、所
定のパターンが設けられたレチクル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ＤＭは、露光光
ＩＬの波長に対して９０％以上の反射率を有し、アライ
メント用照明光（通常、露光光よりも長波長）に対して
５０％以上の透過率を有するように構成される。

【００１９】そして、レチクルＲ上のパターンが形成さ
れているパターン領域の外側には、一定線幅の遮光帯Ｌ
ＳＢがクロム等で構成されている。この遮光帯ＬＳＢに
は、図２に示す如く、レチクルＲの位置決めを行うため
に、所定ピッチの回折格子で構成されたレチクルマーク
ＲＭ（第１の回折格子）が設けられている。また、レチ
クルマークＲＭの両側には、アライメント光を通過させ
る透明窓ＲＷ₁、ＲＷ ₂が設けられている。

【００２０】また、図１に戻って、レチクルＲは、レチ
クルステージＲＳ上に載置され、レチクルＲ上のパター
ン領域の中心点が光軸Ａｘと一致するように位置決めが
行なわれる。レチクルステージＲＳは、駆動部５３によ
り水平面内で２次元方向に移動可能に構成される。そし
て、レチクルステージＲＳの端部には、レーザ光波干渉
式測長器（以下、干渉計と称する）５１からのレーザビ
ームを反射する移動鏡５１ｍが固設されている。この干
渉計５１は、レチクルＲの２次元的に位置を例えば０．
０１μｍ程度の分解能で常時検出する。

【００２１】さて、レチクルＲのパターン領域を通過し
た露光光ＩＬは、所定の縮小倍率を有し両側テレセント
リックな投影レンズＰＬに入射する。この投影レンズＰ
Ｌによって、レチクルＲのパターン領域の縮小像は、表
面にレジスト層が形成されたウェハＷ上に形成される。
ここで、レチクルＲのパターン像を形成すべきウェハＷ
上の領域をショット領域と呼ぶ。

【００２２】投影レンズＰＬは、露光光ＩＬの波長に対
して良好に色収差補正され、その露光波長のもとでレチ
クルＲとウェハＷとが互いに共役になるように配置され
る。また、ウェハＷは、駆動部５４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Ｗ
Ｓ上に載置される。そして、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
のショット領域までステッピングされる。ウェハステー
ジＷＳには、干渉計５２からのレーザビームを反射する
移動鏡５２ｍが設けられ、この干渉計５２は、ウェハス
テージＷＳの２次元的な位置を例えば０．０１μｍ程度
の分解能で検出する。

【００２３】ここで、ウェハＷ上に形成されたショット
領域の周囲４辺には、ウェハ上のチップを切り出す際の
切りしろであるストリートラインＳＴＬが形成される。
このストリートラインＳＴＬを部分的に示す図３に示す
如く、ストリートラインＳＴＬ上には、所定ピッチの回
折格子にて構成されたウェハマーク（第２の回折格子）
がショット領域と一定の位置関係で配置されている。

【００２４】さて、ダイクロイックミラーＤＭの上方に
は、レチクルマークＲＭとウェハマークＷＭとを検出す
るためのアライメント系１００が設けられている。この
アライメント系１００は、半導体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図中矢印方向に移
動可能に設けられている。また、アライメント系１００
は、ウェハマークＷの打ち換えに対応して、図中紙面垂
直方向に移動可能に設けられている。なお、図１では、
１組のアライメント系のみを図示しているが、実際に
は、レチクルＲ上の４ヶ所にレチクルマークが設けられ
ているため、４組のアライメント系が設けられている。

【００２５】そして、アライメント系１００は、光源１
０と、２光束周波数シフター部２０と、参照信号作成部
３０と、計測信号検出部４０とで構成されている。以
下、アライメント系１００の光路を示す図４を参照し
て、アライメント系１００の構成を詳述する。なお、図
４では、説明を簡単にするために、投影対物レンズＰＬ
は、２枚の正レンズ１４、１５及び開口絞り１５のみを
示している。

【００２６】図４において、光源１０からのアライメン
ト用照明光ＬＢは、ビームスプリッタ２１によりビーム
ＬＢ₁とビームＬＢ₂とに２分割される。ここで、アラ
イメント用照明光ＬＢは、露光光ＩＬの波長とは異な
り、かつレジスト層を殆ど感光させない波長域のレーザ
ビームである。光源１０としては、例えばＨｅ−Ｎｅレ
ーザ（６３３ｎｍ）等を適用することができる。

【００２７】そして、ビームスプリッタ２１により分割
された一方のビームＬＢ₁は、第１音響光学素子２３
（以下、単にＡＯＭ２３と呼ぶ）に入射し、他方のビー
ムＬＢ ₂は、第２音響光学素子２４（以下、単にＡＯＭ
２４と呼ぶ）に入射する。ここで、ＡＯＭ２３は、周波
数ｆ₁の高周波信号でドライブされ、その周波数ｆ₁で
決まる回折角だけ偏向された１次回折光を出力する。ま
た、ＡＯＭ２４は、周波数ｆ₂の高周波信号でドライブ
され、ＡＯＭ２３と同様に周波数ｆ₂で決まる回折角だ
け偏向された１次回折光を出力する。ここで、周波数ｆ
₁と周波数ｆ₂との周波数差Δｆは、Δｆ＝ｆ₁−ｆ₂
である。なお、ＡＯＭ２３、２４から出力される１次回
折光成分以外の光は、図示なきスリット等により遮光さ
れる。

【００２８】次に、ＡＯＭ２３により周波数ｆ₁に変調
されて射出したビームＬＢ₁と、ＡＯＭ２４により周波
数ｆ₂に変調されて射出したビームＬＢ₂とは、第１対
物レンズ１１及び第２対物レンズ１２からなる対物レン
ズ系１１、１２へ入射し、対物レンズ系１１、１２のほ
ぼ瞳位置で交差した後、レチクルＲ面に対して垂直方向
に射出する。ここで、ビームＬＢ₁とビームＬＢ₂と
は、対物レンズ系１１、１２の瞳位置近傍でビームスポ
ットを形成する。

【００２９】また、第１対物レンズ１１と第２対物レン
ズ１２との間の光路中には、ハーフミラー１３が設けら
れており、第２対物レンズ１２から第１対物レンズ１１
へ向かうビームＬＢ₁、ＬＢ₂は、このハーフミラー１
３により２分割される。そして、ハーフミラー１３によ
る反射成分の光は、参照ビームＬＢ_r1、ＬＢ_r2となり、
参照信号作成部３０へ入射する。また、ハーフミラー１
３による透過成分の光は、上述の如く、第１対物レンズ
１１を介して平行光束となり、レチクルＲ面に対して垂
直方向に射出する。なお、本発明で言う所定の交差角と
は、第１対物レンズ１１から射出するビームＬＢ₁、Ｌ
Ｂ₂の交差角を指す。なお、本実施例の如く第１対物レ
ンズ１１からの２つのビームＬＢ₁、ＬＢ₂が平行であ
る場合には、交差角は、零である。

【００３０】さて、図２に示すレチクルＲ上には、レチ
クルマークＲＭと２つのレチクル窓ＲＷ₁、ＲＷ₂とが
設けられており、対物レンズ系１１、１２からのビーム
ＬＢ ₁、ＬＢ₂は、レチクル窓ＲＷ₁、ＲＷ₂をそれぞ
れ透過して、投影対物レンズＰＬに入射する。そして、
投影対物レンズＰＬに入射したビームＬＢ₁、ＬＢ
₂は、それぞれ開口絞り１６の位置（投影対物レンズＰ
Ｌの瞳位置）でビームスポットを形成した後、この投影
対物レンズＰＬから所定の間隔で平行光束の状態で射出
する。このビームＬＢ₁、ＬＢ₂は、図３に示す如く、
ウェハＷ上に設けられたウェハマークＷＭに対して垂直
方向から入射する。

【００３１】このウェハマークＷＭは、１次元方向に設
けられたピッチＰ_Wの回折格子で構成されている。そし
て、図示の如く、ビームＬＢ₁により＋１次回折光成分
ＬＢ ₁(+1) と、−１次回折光成分ＬＢ₁(-1) とが所定の
回折角θ_nでウェハマークＷＭから発生する。また、ビ
ームＬＢ₂により＋１次回折光成分ＬＢ₂(+1) と、−１
次回折光成分ＬＢ₂(-1) とが所定の回折角θ_nでウェハ
マークＷＭから発生する。

【００３２】上記の回折角θ_nは、アライメント用照明
光の波長をλ（ビームＬＢ₁、ＬＢ ₂の波長）、回折光
の次数をｎとするとき、

【００３３】

【数１】ｓｉｎθ_n＝ｎλ／Ｐ_W ‥‥（１）と表される。本実施例においては、±１次回折光を用い
るものとし、ビームＬＢ₁によって発生する＋１次回折
光成分ＬＢ₁(+1) をビームＬＢ_W1と呼び、ビームＬＢ₂
によって発生する−１次回折光成分ＬＢ₁(-1) をビーム
ＬＢ_W2と呼ぶ。なお、図３においては、±１次回折光成
分のみを図示している。本発明においては、±１次回折
光に限ることはなく、高次の回折光成分を用いても良
い。

【００３４】このウェハマークＷＭにて発生する回折光
成分には、ウェハマークＷＭのピッチ方向に関する位置
情報が含まれる。そして、図４に戻って、ウェハマーク
ＷＭの位置情報を含むビームＬＢ_W1、ＬＢ_W2は、再び投
影対物レンズＰＬに入射する。これらのビームＬＢ_W1、
ＬＢ_W2は、それぞれ投影対物レンズＰＬの瞳位置でビー
ムスポットを形成し、所定の交差角２Θを成して投影対
物レンズＰＬから射出する。

【００３５】ここで、所定の交差角２Θは、アライメン
ト波長λにおける投影対物レンズＰＬのレチクルＲに対
するウェハＷの倍率をＭ_Aとするとき、

【００３６】

【数２】ｓｉｎθ_n＝Ｍ_A・ｓｉｎΘ_n ‥‥（２）で表される。さて、本実施例においては、投影対物レン
ズＰＬからのビームＬＢ_W1、ＬＢ_W2は、それぞれレチク
ルＲ上に設けられたレチクルマークＲＭ上で交差するよ
うに構成されている。以下、レチクルＲからウェハＷま
での光路を示す図５を参照して構成について詳述する。

【００３７】図５において、図示なき対物レンズ系１
１、１２からのビームＬＢ₁、ＬＢ₂は、所定の間隔２
ＤでレチクルＲに対して垂直に入射する。そして、この
ビームＬＢ₁、ＬＢ₂は、間隔２ｄでウェハマークＷＭ
に対して垂直に入射する。この間隔２ｄは、

【００３８】

【数３】２Ｄ＝Ｍ_A・２ｄ ‥‥（３）で表される。そして、ウェハマークＷＭによって回折さ
れたビームＬＢ_W1、ＬＢ _W2は、（１）式で示される回折
角θ_nだけ回折された後、投影対物レンズＰＬを介して
レチクルマークＲＭ上で交差する。このとき、アライメ
ント波長λにおけるレチクルＲの共役な面１７と、ウェ
ハＷとの間隔（換言するとアライメント用照明光λでの
投影対物レンズＰＬのウェハ側の軸上色収差量（縦の色
収差量））をΔＬ_Wとすると、間隔２ｄは、

【００３９】

【数４】２ｄ＝２ΔＬ_W・ｔａｎθ_n ‥‥（４）を満足する。そして、上述の式により、間隔２Ｄが以下
の（５）式を満足するとき、ビームＬＢ_W1、ＬＢ_W2がレ
チクルマークＲＭ上で交差する。

【００４０】

【数５】２Ｄ＝２ｄ・Ｍ_A＝２ΔＬ_W・Ｍ_A・ｔａｎθ_n ‥‥（５）これにより、図中破線にて示す如く、ビームＬＢ_W1、Ｌ
Ｂ_W2は、面１７上の一点から射出するように回折され、
レチクルマークＲＭ上で交差する。上記（２）式の如
く、ビームＬＢ_W1、ＬＢ_W2が所定の交差角２Θでレチク
ルマークＲＭ上に達し、このレチクルマークＲＭで所定
の回折角だけ回折される。

【００４１】本実施例においては、回折光の次数をｍと
すると、レチクルマークＲＭのピッチＰ_Rが

【００４２】

【数６】ｓｉｎΘ＝ｍλ／Ｐ_R ‥‥（６）を満足する如く構成されているため、交差角２Θでレチ
クルマークＲＭに到達したビームＬＢ_W1、ＬＢ_W2は、こ
のレチクルマークＲＭにてそれぞれ回折角±Θだけ回折
する。そして、レチクルマークＲＭからは、ビームＬＢ
_W1、ＬＢ_W2の±ｍ次の回折光がそれぞれレチクルＲに対
して垂直に射出する。このとき、±ｍ次の回折光同士が
周波数差Δｆで互いに異なる周波数に変調されているた
め、±ｍ次の回折光同士は、ヘテロダイン干渉を起こ
し、所定の周期（ビート周期）で正弦波的に強度が変化
する干渉ビームＢＴｗとなる。この干渉ビームＢＴｗ
は、レチクルＲとウェハＷとの相対的な位置情報を含む
ものである。

【００４３】なお、上記式より、レチクルマークＲＭの
ピッチＰ_RとウェハマークＷのピッチＰ_Wとは、

【００４４】

【数７】Ｍ_A・ｎλ／Ｐ_W＝ｍλ／Ｐ_R ‥‥（７）を満足することが分かる。次に、図４に戻って、レチク
ルマークＲＭでヘテロダイン干渉を起こした干渉ビーム
ＢＴｗは、図中破線で示す如く、第１対物レンズ１１を
介してハーフミラー１３にて反射され、レンズ系４１、
４３と、視野絞り４２と、空間フィルター４４と、光電
検出器４５とから構成される計測信号検出部４０へ入射
する。

【００４５】そして、干渉ビームＢＴｗは、対物レンズ
系１１、１２の瞳位置でビームスポットを形成し、レン
ズ系４１により平行光束となり、視野絞り４２の開口部
を通過する。ここで、視野絞り４２は、アライメント波
長λのもとでレチクルＲと共役となる面に配置されてお
り、対物レンズ１１及びレンズ系４１によるレチクルマ
ークＲＭの像とほぼ同一な大きさの開口部を有するよう
に構成される。これにより、レチクルマークＲＭ以外の
領域から発生する光及び不要な回折光を遮光できる。

【００４６】視野絞り４２を介した干渉ビームＢＴｗ
は、レンズ系４３を介して集光され、この集光位置近傍
に配置された光電検出器４５に入射する。この光電検出
器４５は、干渉ビームＢＴｗを光電変換して、測定信号
ＳＤを出力する。さて、図２に示す如く、レチクルマー
クＲＭからは、ビームＬＢ_W1、ＬＢ_W2の回折光成分によ
る干渉ビームＢＴｗの他に、ビームＬＢ_W1、ＬＢ_W2の０
次透過光成分ＮＢ₁、ＮＢ₂が発生する。これらの０次
透過光成分ＮＢ₁、ＮＢ₂は、レチクルマークＲＭとウ
ェハマークＷＭとの相対的な位置情報を含まない。この
ため、０次透過光成分ＮＢ₁、ＮＢ₂が光電検出器４５
に入射すると、測定信号ＳＤのノイズとなる恐れがあ
る。そこで、本実施例においては、アライメント波長λ
における対物レンズ系１１、１２の瞳と共役な面に、空
間フィルター４４を配置している。これらの０次透過光
成分ＮＢ₁、ＮＢ₂は、瞳面上で空間的に分離されるた
め、この空間フィルター４４によって遮光される。この
ように、視野絞り４２と空間フィルター４４とによって
ノイズとなる光を遮光できるため、アライメント精度の
向上を図ることができる。

【００４７】さて、前述のように、２光束周波数シフタ
ー部２０からのビームＬＢ₁、ＬＢ ₂は、ハーフミラー
１３にて反射されて参照ビームＬＢ_R1、ＬＢ_R2となり、
レンズ系３１、３２と、参照用回折格子板３３と、絞り
３４と、光電検出器３５とから構成される参照信号作成
部３０へ入射する。これらの参照ビームＬＢ_R1、ＬＢ_R2
は、レンズ系３１、３２を介して対物レンズ系１１、１
２の瞳面にて交差角θ_Mで交差する。参照ビームＬ
Ｂ_R1、ＬＢ_R2の交差位置には、所定ピッチＰ_Gの回折格
子を有する回折格子板３３が配置されている。

【００４８】ここで、回折格子板３３は、

【００４９】

【数８】Ｐ_G＝λ／ｓｉｎθ_M ‥‥（８）を満足するように構成されている。これにより、参照ビ
ームＬＢ_R1、ＬＢ_R2の±１次回折光成分は、同一方向に
射出される。そして、参照ビームＬＢ_R1、ＬＢ_R2が所定
の周波数差Δｆで変調されているため、回折格子板３３
から射出する回折光成分同士は、それぞれヘテロダイン
干渉を起こす。回折格子板３３の射出側に配置された光
電検出器３５は、このヘテロダイン干渉を生じた回折光
成分の光強度変化を光電変換して、参照信号ＳＲを出力
する。なお、参照ビームＬＢ_R1、ＬＢ_R2の０次回折光
は、絞り３４により遮光される。

【００５０】そして、図１に戻って、参照信号作成部３
０からの参照信号ＳＲと、計測信号検出部４０からの計
測信号ＳＤとは、制御部５０へ出力される。そして、制
御部５０は、参照信号ＳＲと計測信号ＳＤとの位相差を
求め、この位相差からレチクルマークＲＭとウェハマー
クＷＭとの相対的な位置ずれを高精度に検出する。さ
て、本実施例においては、図１、図４に示す如く、レチ
クルマークＲＭから計測信号検出部４０の光電検出器４
５に到る光路を通過する光が干渉ビームＢＴｗであるた
め、この光路中で空気揺らぎが発生しても干渉ビームＢ
Ｔｗの強度変化には何ら影響を与えない。従って、空気
揺らぎにより、計測信号ＳＤの精度が低下しない。特
に、レチクルＲから対物レンズ系１１，１２中の光路
は、露光光ＩＬが通過するため、露光光ＩＬの熱による
空気揺らぎが発生しやすい。しかしながら、本実施例で
は、露光光による空気揺らぎの影響なしにアライメント
を実行できるため、露光中においても、高精度なアライ
メントが達成できる。

【００５１】なお、ウェハＷからレチクルＲまでの光路
中においては、投影対物レンズＰＬ内に設けられた図示
なきレンズコントローラーにより空気揺らぎが補正され
るため、この光路中での空気揺らぎを考慮する必要はな
い。さて、ウェハマークＷＭ上にて回折される回折光成
分のうち、レチクルマークＲＭ上にて交差しない回折光
成分を考える。図３において、レチクルマークＲＭ上で
交差しない回折光成分は、ビームＬＢ₁により発生する
回折光成分ＬＢ₁(-1) と、ビームＬＢ₂により発生する
回折光成分ＬＢ₂(+1) とである。ここで、ウェハマーク
ＷＭのピッチＰ_Wが一定であるので、ビームＬＢ_W1と回
折光成分ＬＢ ₂(+1) との進行する方向及びビームＬＢ_W2
と回折光成分ＬＢ₁(-1) との進行する方向がそれぞれ同
一となる。

【００５２】ここで、ビームＬＢ_W1と回折光成分ＬＢ
₂(+1) とが重なる、またはビームＬＢ _W2と回折光成分Ｌ
Ｂ₁(-1) とが重なる場合には、ウェハマークＷＭ上にて
ヘテロダイン干渉を生ずる。このヘテロダイン干渉によ
る干渉ビームには、ウェハマークＷＭの位置情報が含ま
れない。このため、上記の干渉ビームがレチクルマーク
ＲＭ上に達すると、レチクルマークＲＭからの干渉ビー
ムを検出する計測信号検出部４０における計測誤差とな
るため好ましくない。

【００５３】ここで、図５に示す如く、ウェハマークＷ
Ｍ上でのビームＬＢ₁、ＬＢ₂のビーム径φ_Wは、

【００５４】

【数９】２・ΔＬ_W・ｔａｎθ_n＝２ｄ＞φ_W ‥‥（９）を満足することが望ましい。上記（９）式は、θ_nが０
°から９０°の間では、ｓｉｎθ_n＜ｔａｎθ_nである
ため、

【００５５】

【数１０】２ｎλΔＬ_W／Ｐ_W＞φ_W ‥‥（１０）と書換えられる。次に、レチクルＲ面上でのビームＬＢ
₁、ＬＢ₂またはビームＬＢ_W1，ＬＢ_W2のビーム径φ_R
と、ビームＬＢ₁、ＬＢ₂のビーム間隔２Ｄとの関係に
ついて説明する。まず、このビーム径φ_Rは、投影対物
レンズＰＬのレチクルＲのウェハＷに対する倍率をＭ_A
とするとき、

【００５６】

【数１１】 φ_R＝φ_W・Ｍ_A ‥‥（１１）で表される。そして、ウェハＷからのビームＬＢ_W1，Ｌ
Ｂ_W2がレチクルマークＲＭのみに照射され、かつビーム
ＬＢ₁、ＬＢ₂がレチクル窓ＲＷを通過するためには、
レチクルＲ面上でのビームＬＢ₁、ＬＢ₂の間隔２Ｄ
は、

【００５７】

【数１２】Ｄ＞φ_R＝φ_W・Ｍ_A ‥‥（１２）を満足することが望ましい。ここで、上記（１２）式
は、

【００５８】

【数１３】ｎλΔＬ_WＭ_A／Ｐ_W＞φ_W・Ｍ_A ‥‥（１３）と書換えられる。また、図２の如く、レチクルマークＲ
Ｍの近傍には、透明な窓であるレチクル窓ＲＷ₁，ＲＷ
₂が設けられている。レチクルＲ上の回路パターンを露
光光ＩＬにて照明する際に、この露光光ＩＬがレチクル
窓ＲＷ₁，ＲＷ₂を通過すると、ウェハマークＷＭ上に
照射される恐れがある。ウェハマークＷＭに露光光が照
射されると、プロセスによってはウェハマークＷＭが破
壊される可能性がある。このような場合、一般的には、
ウェハマークＷＭの打ち換えを行う。

【００５９】このとき、打ち換えはウェハマークＷＭの
ピッチ方向に沿って行なわれることが多く、ウェハマー
クＷＭのピッチ方向におけるアライメント系１００の可
動範囲をＸ_R、投影対物レンズＰＬの縮小倍率をＭ_Aと
すると、ウェハＷ上で見た可動範囲Ｘ_Wは、

【００６０】

【数１４】Ｘ_R＝Ｘ_W・Ｍ_A ‥‥（１４）となり、上記打ち換えの回数をＮ回、ウェハマークＷＭ
上でのビームＬＢ₁、ＬＢ₂の間隔を２ｄ、ウェハＷ上
でのビームＬＢ₁、ＬＢ₂の直径をφ_Wとするとき、上
記可動範囲Ｘ_Wは、

【００６１】

【数１５】Ｘ_W＞２ｄ＋Ｎφ_W ‥‥（１５）を満足することが望ましい。上記の（９）式乃至（１
５）式より、測定精度の向上並びに計測位置の自由度向
上のためには、レチクルＲ面上でのビーム径φ_R又はウ
ェハＷ面上のビーム径φ_Wを小さくするほど有利になる
ことがわかる。

【００６２】しかしながら、レチクルマークＲＭ又はウ
ェハマークＷＭのピッチのばらつき等による測定精度の
劣化を防ぐためには、少なくともウェハＷ上でのビーム
径φ _WがウェハマークＷＭのピッチＰ_Wの１０倍以上で
あることが好ましい。

【００６３】

【数１６】 φ_W＞１０・Ｐ_W ‥‥（１６）これにより、ピッチのばらつき等が平均化されるため、
測定精度の低下を防止することができる。本実施例にお
いては、軸上色収差量ΔＬ_Wが図１１に示す従来のアラ
イメント装置の軸上色収差量ΔＬ_Rよりも小さくなるた
め、軸上色収差（縦の色収差）が非常に大きく発生する
場合でもアライメント光学系の大型化を招かない。以
下、図６を参照して説明する。

【００６４】図６において、図中実線で示す如く、アラ
イメント波長のもとでのレチクルＲと共役な面１７の光
軸Ax上からの光線は、レチクルＲ上で光軸Axと交差す
る。また、図中破線で示す如く、アライメント波長のも
とでのウェハ共役面２０７からの光線は、ウェハＷ上で
光軸Axと交差する。ここで、軸上色収差量ΔＬ_Wは、ウ
ェハＷと面１７との間隔で示され、軸上色収差量ΔＬ_R
は、レチクルＲと面２０７との間隔で表される。これら
の軸上色収差量ΔＬ_W、ΔＬ_Rは、アライメント波長の
もとでの投影対物レンズＰＬの倍率（レチクルＲのウェ
ハＷに対する倍率）をＭ_Aとすると、

【００６５】

【数１７】 ΔＬ_R＝Ｍ_A ²・ΔＬ_W ‥‥（１７）を満足する。例えば、投影対物レンズＰＬの倍率（レチ
クルＲのウェハＷに対する倍率）Ｍ_Aが５倍のとき、レ
チクルＲ上での色収差量ΔＬ_Rが５００ｍｍとすれば、
ウェハＷ上では色収差量ΔＬ_Wは２０ｍｍとなる。

【００６６】従って、本実施例では、投影対物レンズＰ
Ｌによる軸上色収差量が縮小されるウェハＷ側の共役面
１７を利用してアライメント光学系の光路を構成してい
るため、軸上色収差が非常に大きく発生する場合でもア
ライメント光学系の光路長を短くおさえることができ
る。さて、本実施例によるアライメント装置では、ウェ
ハＷ上のウェハマークＷＭが傾いた場合でも、ウェハマ
ークＷＭからレチクルマークＲＭまでの光路長が変化し
ない。このため、ウェハマークＷＭとレチクルマークＲ
Ｍとの相対的な位置検出に何ら影響を及ぼさない。以
下、図７を参照して詳述する。

【００６７】ここで、ウェハＷが傾いたときのレチクル
ＲからウェハＷに到る光路長の変化は、レチクルＲと面
１７とが共役関係にあるため、投影対物レンズＰＬのウ
ェハＷ側の光路での光路長変化と同等と見なせる。即
ち、レチクルＲからウェハＷまでの光路長の変化は、投
影対物レンズＰＬから射出したビームＬＢ₁、ＬＢ₂が
ウェハマークＷＭに達するときの光路長と、ビームＬＢ
_W1，ＬＢ_W2が面１７から射出すると考えたときの面１７
から投影対物レンズＰＬまでの光路長との和の変化に置
き換えることができる。

【００６８】従って、投影対物レンズＰＬのウェハＷ側
の光路での光路長変化が零であれば、レチクルＲからウ
ェハＷに到る光路長変化が零であることが示せる。図７
においては、不図示の投影対物レンズから射出される２
つのビームが面１７（アライメント波長λのもとでのレ
チクルＲと共役な面）内の点Ｍで交差するかの如く射出
する様子を示してある。そして、２つのビーム（平面
波）が点Ｃを中心として角度εだけ傾いたときの主光線
ＰＡ₁，ＱＢ₁を実線にて示し、傾きが零のときの２つ
のビームの主光線Ａ₀Ｍ，Ｂ₀Ｍを破線にて示してい
る。

【００６９】ここで、ウェハＷが傾いたときに２つのビ
ームの光路長が変化しなければ、レチクルＲからウェハ
Ｗに到る光路長変化が変化しないと言える。まず、２つ
のビームのうち紙面左側のビームについて考える。ウェ
ハの傾きが零である場合、このビームは、点Ａ₀から点
Ｍに到る光路を進行する。また、ウェハの傾きがεであ
る場合、このビームは、点Ａ₀から点Ａ₁を経由して点
Ｐに到る光路を進行する。ここで、紙面左側を進行する
ビームの光路長の変化をΔ_Lとすると、

【００７０】

【数１８】 Δ_L＝（Ａ₀Ａ₁）＋（Ａ₁Ｐ）−（Ａ₀Ｍ）＝（Ａ₀Ａ₁）＋（Ａ₁Ｎ）−（ＰＮ）−（Ａ₀Ｍ） ‥‥（１８）で示される。そして、

【００７１】

【数１９】Ａ₀Ａ₁＝ＣＳ＝ＣＡ₀・ｔａｎε ＝ΔＬ_W・ｔａｎε・ｔａｎθ_n ‥‥（１９）である。

【００７２】ここで、ウェハがε傾いた場合、点Ａ₁に
入射する紙面左側のビームの入射角は、εとなる。ここ
で、点Ａ₁での回折角θ_naは、

【００７３】

【数２０】ｓｉｎε＋ｓｉｎθ_na＝ｎλ／Ｐ_W ‥‥（２０）で表される。そして、錯角により、∠ＰＮＳ＝θ_na＋ε
が成立するため、

【００７４】

【数２１】ＳＮ＝Ａ₁Ｓ／ｔａｎ（θ_na＋ε）＝ΔＬ_W・ｔａｎθ_n／ｔａｎ（θ_na＋ε） ‥‥（２１）となり、これより、

【００７５】

【数２２】Ａ₁Ｎ＝ＳＮ／ｃｏｓ（θ_na＋ε）＝ΔＬ_W・ｔａｎθ_n／ｓｉｎ（θ_na＋ε） ‥‥（２２）となる。また、

【００７６】

【数２３】ＳＭ＝ＣＭ−ＣＳ＝ΔＬ_W−ΔＬ_W・ｔａｎε・ｔａｎθ_n ‥‥（２３）であり、

【００７７】

【数２４】ＰＮ＝ＭＮ・ｃｏｓ（θ_na＋ε）＝（ＳＮ−ＳＭ）・ｃｏｓ（θ_na＋ε）＝ΔＬ_W｛ｔａｎθ_n／ｔａｎ（θ_na＋ε） −（１−ｔａｎε・ｔａｎθ_n）｝・ｃｏｓ（θ_na＋ε） ‥‥（２４）となる。また、

【００７８】

【数２５】Ａ₀Ｍ＝ＣＭ／ｃｏｓθ_n ＝ΔＬ_W／ｃｏｓθ_n ‥‥（２５）である。ここで、上記（１７）式乃至（２４）式より、

【００７９】

【数２６】 Δ_L＝（Ａ₀Ａ₁）＋（Ａ₁Ｍ）−（Ａ₀Ｍ）＝（Ａ₀Ａ₁）＋（Ａ₁Ｐ）−（ＰＮ）−（Ａ₀Ｍ）＝ΔＬ_W〔ｔａｎθ_n・ｓｉｎ（θ_na＋ε）＋（１＋ｔａｎθ_n・ｔａｎε）・ｃｏｓ（θ_na＋ε） −ｔａｎθ_n・ｔａｎε−１／ｃｏｓθ_n〕 ‥‥（２６）となる。

【００８０】次に、紙面右側を進行するビームについて
考える。ウェハの傾きが零のときには、このビームは、
点Ｂ₀から点Ｍに到る光路を進行する。また、ウェハの
傾きがεであるときには、このビームは、点Ｂ₁から点
Ｑに到る光路を進行する。このビームの光路長の変化を
Δ_Rとすると、

【００８１】

【数２７】 Δ_R＝（Ｂ₁Ｑ）−（Ｂ₁Ｂ₀）−（Ｂ₀Ｍ）＝（Ｂ₁Ｏ）＋（ＯＱ）−（Ｂ₁Ｂ₀）−（Ｂ₀Ｍ） ‥‥（２７）で示される。そして、上記の左側のビームと同様に、

【００８２】

【数２８】Ｂ₀Ｍ＝ΔＬ_W／ｃｏｓθ_n ‥‥（２８）

【００８３】

【数２９】Ｂ₁Ｂ₀＝ΔＬ_W・ｔａｎθ_n・ｔａｎε ‥‥（２９）が成立する。ここで、点Ｂ₁における回折角をθ_nbとす
ると、

【００８４】

【数３０】 −ｓｉｎε＋ｓｉｎθ_nb＝ｎλ／Ｐ ‥‥（３０）で表される。ここで、∠ＳＯＢ₁＝θ_nb−εであるの
で、

【００８５】

【数３１】Ｂ₁Ｏ＝ＴＢ₁／ｓｉｎ（θ_nb−ε）＝ＣＢ₀／ｓｉｎ（θ_nb−ε）＝ＣＭ・ｔａｎθ_n／ｓｉｎ（θ_nb−ε）＝ΔＬ_W・ｔａｎθ_n／ｓｉｎ（θ_nb−ε） ‥‥（３１）と示され、

【００８６】

【数３２】ＯＱ＝ＯＭ・ｓｉｎ（θ_nb−ε）＝（ＴＭ−ＴＯ）・ｓｉｎ（θ_nb−ε）＝｛（ΔＬ_W＋ΔＬ_W・ｔａｎθ_n・ｔａｎε） −（ΔＬ_W・ｔａｎθ_n／ｔａｎ（θ_nb−ε）｝・ｓｉｎ（θ_nb−ε） ‥‥（３２）と示される。

【００８７】従って、紙面右側を進行するビームの光路
長の変化Δ_Rは、

【００８８】

【数３３】 Δ_R＝ΔＬ_W｛ｔａｎθ_n・ｓｉｎ（θ_nb−ε）＋（１＋ｔａｎθ_n・ｔａｎε）・ｃｏｓ（θ_nb−ε） −ｔａｎθ_nｔａｎε−１／ｃｏｓθ_n｝ ‥‥（３３）そして、レチクルマークＲＭ上にて、光路長の変化Δ_L
のビームと光路長の変化Δ_Rのビームとが干渉するた
め、ウェハＷの傾きによる光路長の変化は、Δ_L−Δ_R
を考慮すれば良い。上記（２６）、（３３）式よりΔ_L
−Δ_Rは、

【００８９】

【数３４】 Δ_L−Δ_R＝ΔＬ_W〔ｔａｎθ_n｛ｓｉｎ（θ_na＋ε）−ｓｉｎ（θ_nb−ε）｝＋（１＋ｔａｎθ_n・ｔａｎε）・｛ｃｏｓ（θ_na＋ε） −ｃｏｓ（θ_nb−ε）｝ ‥‥（３４）となる。

【００９０】ここで、εが十分に小さいときには、θ_na
はθ_n−εと見なせることができ、θ_nbはθ_n＋εと見
なすことができるため、

【００９１】

【数３５】ｓｉｎ（θ_na＋ε）−ｓｉｎ（θ_nb−ε）≒０ ‥‥（３５）

【００９２】

【数３６】ｃｏｓ（θ_na＋ε）−ｃｏｓ（θ_nb−ε）≒０ ‥‥（３６）と示される。これより、ウェハＷがε傾いたときの光路
長の変化Δ_L−Δ_Rは、

【００９３】

【数３７】 Δ_L−Δ_R＝ΔＬ_W〔ｔａｎθ_n｛ｓｉｎ（θ_na＋ε）−ｓｉｎ（θ_nb−ε）｝＋（１＋ｔａｎθ_n・ｔａｎε）・｛ｃｏｓ（θ_na＋ε） −ｃｏｓ（θ_nb−ε）｝ ≒０ ‥‥（３７）となる。

【００９４】この（３７）式より、本実施例によるアラ
イメント装置では、ウェハが傾いた場合でもウェハマー
クＷＭからレチクルマークＲＭまでの光路長が変化しな
いことが分かる。即ち、本実施例によるアライメント装
置では、ウェハＷが傾いた場合でもウェハマークＷＭと
レチクルマークＲＭとの相対的な位置検出に何ら影響を
及ぼさず、高精度な位置検出が可能となる。これによ
り、例えばウェハマークがプロセスの都合で段差部分に
設けられる場合であっても、ウェハマークの段差に影響
されずにアライメントを実行できる利点がある。

【００９５】本実施例においては、アライメント系１０
０の対物レンズ系１１，１２に入射する干渉ビームが対
物レンズ系１１，１２の光軸に沿って入射するため、対
物レンズ系１１，１２の開口数を大きくする必要がな
い。従って、対物レンズ系１１，１２の小口径化を図る
ことができる。ここで、本実施例の如きＴＴＲ方式のア
ライメント装置においては、半導体素子のチップサイズ
（またはレチクル上での照明視野）やウェハマークの位
置変更に対応して、アライメントマークの計測位置を変
更するために、アライメント系１００の対物レンズ系１
１，１２が移動可能に構成されている。このような構成
において、複数のアライメント系を設けた場合でも、ア
ライメント系の対物レンズ同士の機械的な干渉が生じに
くいため、アライメント系の移動範囲を大きく設定する
ことができる。すなわち、本実施例によるアライメント
装置は、アライメントマークの位置の自由度が高い利点
がある。

【００９６】次に、図１、図４を参照して、本実施例に
よるアライメント装置の動作を簡単に説明する。図１に
示した露光装置では、まず、レチクルアライメント系６
１、６２によりレチクルＲのアライメントを行ない、レ
チクルＲを装置に対して所定精度で位置決めした後、レ
チクルステージＲＳに真空吸着する。そして、対物レン
ズ系１１，１２の光軸がレチクルマークＲＭのほぼ中央
にくるまで、アライメント系１００をアライメント駆動
部５５により図中矢印方向に沿って移動させ、アライメ
ント系１００の観察位置を調整する。次に、レチクルＲ
とウェハＷ上のショット領域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とレチクル中心とをほぼ一致させ
る。ここで、図示なきオフアクシス方式のウェハ顕微鏡
にてウェハＷのグローバルアライメントが行われる。こ
れにより、ウェハＷ上でのショット中心とレチクル中心
との位置ずれが±Ｐ_W／４となる。従って、ビームＬＢ
₁、ＬＢ₂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。

【００９７】その後、アライメント系１００により、レ
チクル（レチクルマークＲＭ）とウェハＷ（ウェハマー
クＷＭ）との位置合わせを実行する。図４の如く、ビー
ムＬＢ₁、ＬＢ₂をウェハマークＷＭに照射すると、ウ
ェハマークＷＭから発生する回折光成分ＬＢ_W1，ＬＢ_W2
は、投影対物レンズＰＬを介してレチクルマークＲＭ上
に達して互いにヘテロダイン干渉を起こす。このヘテロ
ダイン干渉による干渉ビームＢＴｗは、対物レンズ系１
１，１２を介して計測信号検出部４０へ入射する。そし
て、計測信号検出部４０中の光電検出器４５は、干渉ビ
ームＢＴｗを光電変換して、計測信号ＳＤを制御部５０
へ出力する。

【００９８】また、参照信号作成部３０中の光電検出器
３５は、２光束周波数シフター部にて変調された光によ
る参照信号ＳＲを制御部５０へ出力する。そして、制御
部５０は、計測信号ＳＤと参照信号ＳＲとに基づいて、
レチクルＲとウェハＷとの相対的な位置ずれ量を算出す
る。その後、制御部５０は、この位置ずれ量が一定値、
もしくは零となるように、レチクルステージ駆動部５３
又はウェハステージ駆動部５４を駆動して、レチクルス
テージＲＳまたはウェハステージＷＳを微動させる。こ
れにより、レチクルＲの回路パターンの投影像とウェハ
Ｗ上のショット領域とが正確に一致する。この際、上記
位置ずれ量が所定の許容範囲以内に入った時点で、図示
なき照明光学系を介してレチクルＲのパターン領域に対
して露光光ＩＬが照射される。

【００９９】このように、本実施例によるアライメント
装置においては、空気揺らぎの影響なしにアライメント
を実行できる利点の他に、ウェハマークＷＭが傾いた場
合でもアライメント精度を低下させない利点がある。従
って、極めて高精度なアライメントを実行できる。とこ
ろで、エキシマレーザ光等の短波長の露光光を用いる投
影対物レンズにおいては、露光光の波長域での投影倍率
と、アライメント用照明光の波長域での投影倍率とが異
なる場合がある。このとき、レチクルマークのピッチと
ウェハマークのピッチとが前述の（７）式を満足せず、
アライメント用照明光の波長域での投影倍率により一義
的に定まる。ここで、アライメント用照明光の波長域で
の投影倍率は、投影対物レンズの種類により変化するた
め、この種類によりレチクルマークのピッチとウェハマ
ークのピッチとの関係が異なる場合が生じる。このよう
な場合においては、投影対物レンズの種類ごとにレチク
ルマークのピッチを変える必要があるため、レチクルの
互換性が悪くなる問題点がある。

【０１００】そこで、本発明の第２実施例によるアライ
メント装置では、ウェハマークへのビームの入射角をウ
ェハ面の法線方向に対して傾ける構成としている。以
下、本発明による第２実施例の構成及び光路を示す図８
を参照して説明する。なお、第２実施例は、図１に示す
ステッパーのアライメント装置として適用した例を示
す。また、図８においては、説明を簡単にするために、
図１及び図４に示す第１実施例と同様の機能を有する部
材には、同一の符号を付してある。

【０１０１】図８においては、第１実施例の対物レンズ
系１１、１２がアフォーカル系（無限遠系）で構成され
ているのに対し、第２実施例の対物レンズ系１８、１９
は、有限系で構成されている。このため、２光束周波数
シフター部２０を介した光源１０からのビームＬＢ₁，
ＬＢ₂は、対物レンズ系１８、１９からレチクルＲの法
線に対して所定の角度で射出される。そして、このビー
ムＬＢ₁，ＬＢ₂は、レチクルＲの透明窓ＲＷ₁，ＲＷ
₂を通過して投影対物レンズＰＬに入射する。ここで、
ビームＬＢ₁、ＬＢ₂の入射角がレチクルＲに対して垂
直でないため、投影対物レンズＰＬから射出するビーム
ＬＢ₁、ＬＢ₂は、それぞれウェハＷ上のウェハマーク
ＷＭに対して所定の入射角ψで入射する。このウェハマ
ークＷＭは、第１実施例と同一のピッチＰ_Wで構成され
る。なお、本実施例においては、同一ピッチのウェハマ
ークＷＭが２ヶ所に設けられる構成となっている。この
とき、ウェハマークＷＭは第１実施例と同様に１ヶ所に
設けられても良い。

【０１０２】そして、ビームＬＢ₁、ＬＢ₂がウェハマ
ークＷＭにて回折され、ウェハマークＷＭの位置情報を
含むビームＬＢ_W1，ＬＢ_W2となる。このとき、ビームＬ
Ｂ_W1，ＬＢ_W2は、アライメント波長でのレチクル共役面
１７の中の一点から射出するように回折される。このビ
ームＬＢ_W1，ＬＢ_W2は、投影対物レンズＰＬを介してレ
チクルマークＲＭ上にて交差角２Θで交差する。このレ
チクルマークＲＭは、第１実施例と同様にピッチＰ_Rで
構成されるため、ビームＬＢ_W1，ＬＢ_W2の±ｍ次回折光
成分は、レチクルＲに対して垂直に進行し、互いにヘテ
ロダイン干渉を起こす。

【０１０３】次に、レチクルマークＲＭ上でビームＬＢ
_W1，ＬＢ_W2が交差するような入射角ψの決め方を図９を
参照して説明する。図９は、第２実施例におけるウェハ
マークＷＭでのビームの様子を模式的に示す図である。
図９において、図示なき投影対物レンズＰＬからのビー
ムＬＢ₁は、ウェハマークＷＭに対して入射角ψで入射
する。このとき、ウェハマークＷＭからは、ビームＬＢ
₁の０次反射光成分ＬＢ₁(0)と、＋１次回折光成分ＬＢ
₁(+1) （ビームＬＢ_W1）とが発生する。尚、図９では、
＋２次以上及び−１次以下の回折光成分を図示省略して
いる。

【０１０４】ここで、ｎを回折次数とするとき、ウェハ
マークＷＭのピッチＰ_Wは、

【０１０５】

【数３８】ｓｉｎψ−ｓｉｎ（θ_n−ψ）＝ｎλ／Ｐ_W ‥‥（３８）を満足する。そして、ビームＬＢ_W1（＋１次回折光成分
ＬＢ₁(+1) ）は、レチクルマークＲＭの法線に対して角
Θを為すため、投影対物レンズＰＬのレチクルＲに対す
るウェハＷのアライメント波長での倍率をＭ_Aとすると
き、

【０１０６】

【数３９】ｓｉｎΘ・Ｍ_A＝ｓｉｎ（θ_n−ψ） ‥‥（３９）が成立する。従って、ｍをレチクルマークＲＭでの回折
次数、ｎをウェハマークＷＭでの回折次数とするとき、
ウェハマークＷＭにおいては、

【０１０７】

【数４０】ｓｉｎψ＋Ｍ_A・ｍλ／Ｐ_R＝ｎλ／Ｐ_W ‥‥（４０）が成り立つ。例えば、それぞれの回折次数を＋１、投影
対物レンズＰＬの露光光ＩＬの波長での投影倍率（縮小
倍率）をＭ_Pとするとき、レチクルマークＲＭのピッチ
Ｐ_RとウェハマークＷＭのピッチＰ_Wとが、

【０１０８】

【数４１】Ｐ_R＝Ｍ_P・Ｐ_W ‥‥（４１）を満足する場合を考える。このとき、上記（４０）式、
（４１）式より、

【０１０９】

【数４２】ｓｉｎψ＝λ（１−Ｍ_A／Ｍ_P）／Ｐ_W ‥‥（４２）となる。これより、ウェハマークＷＭへの入射角ψは、
投影対物レンズＰＬのアライメント光での投影倍率Ｍ_A
と露光光での投影倍率Ｍ_Pとにより一義的に規定できる
ことが分かる。

【０１１０】図８に戻って、ビームＬＢ_W1，ＬＢ_W2によ
ってレチクルマークＲＭから発生する干渉ビームＢＴｗ
は、第１対物レンズ１８、ハーフミラー１３を介して計
測信号検出部４０へ入射する。この計測信号検出部４０
の動作は、第１実施例と同様であるので、ここでは説明
を省略する。また、２光束周波数シフター部２０からの
ビームＬＢ₁、ＬＢ₂の一部は、ハーフミラー１３にて
分割され参照信号作成部３０へ入射する。第２実施例に
おいては、第１実施例のレンズ系３１、３２の代わりに
一枚のレンズ成分３５を用いているが、その機能は実質
的に変わらないため、ここでは説明を省略する。

【０１１１】この第２実施例においても、参照信号作成
部３０と計測信号検出部４０とによる出力の位相差に基
づいて、レチクルマークＲＭとウェハマークＷＭとの相
対的な位置関係を得ることができる。このとき、空気揺
らぎの影響を受けやすいレチクルＲから光電検出器４５
までの光路中を進行する光は、位置情報を光強度変化と
して有する干渉ビームＢＴｗのみである。従って、本実
施例でも空気揺らぎの影響なしに高精度なアライメント
を実行できる。

【０１１２】さて、上記第２実施例において、アライメ
ントマークの打ち換え、またはレチクルＲに対する照明
領域の変更のため、アライメントマークの観察位置を変
更する場合がある。このとき、投影対物レンズＰＬは、
露光光ＩＬの波長域では良好に収差が補正されているた
め、像高の変化により投影倍率が変化することはない。
しかしながら、露光光ＩＬの波長とは異なるアライメン
ト光の波長域では、収差補正がなされていないことが多
いため、像高により投影倍率の変化が生じる恐れがあ
る。このため、アライメントマークの観察位置を変更す
ると、投影対物レンズＰＬに対する像高が変化するた
め、上記（４２）式で与えられる所定の入射角ψを変更
する必要が生ずる場合がある。

【０１１３】このとき、図８に示す第１対物レンズ１８
又は第２対物レンズ１９は、主平面の位置が可変な構成
とすることが望ましい。具体的には、図１０に示すよう
に、正の屈折力の第１レンズ群Ｇ₁と、負の屈折力の前
群Ｇ₂₁と正の屈折力の後群Ｇ ₂₂とを有し全体としてアフ
ォーカル系の第２レンズ群Ｇ₂と有するように第１対物
レンズ１８を構成する。そして、第１レンズ群Ｇ₁の前
側焦点位置Ｆを図８に示す対物レンズ系１８、１９の瞳
面と一致させ、第２レンズ群Ｇ₂を第１レンズ群Ｇ₁の
レチクル側に配置する。そして、第１レンズ群Ｇ₁と第
２レンズ群Ｇ₂との間隔を可変に構成する。

【０１１４】この構成により、図１０(a),(b) に実線で
示す如く、レチクルＲ側から第２レンズ群Ｇ₂へ光軸に
平行に入射した光線は、第１レンズ群Ｇ₁と第２レンズ
群Ｇ ₂との間隔によらず、常に第１レンズ群Ｇ₁の前側
焦点位置Ｆで光軸と交差する。一方、図中破線にて示す
第１レンズ群Ｇ₁へ光軸に平行に入射した光線を考え
る。図１０(a) においては、この光線は、対物レンズ系
の後側焦点面Ｆa'にて光軸と交差する。そして、図１０
(a) の状態から第１レンズ群Ｇ₁と第２レンズ群Ｇ₂と
の間隔を変更した図１０(b) においては、第２レンズ群
Ｇ₂への光線の入射高が変化するため、この光線は、図
１０(a) に示す後側焦点面Ｆa'とは異なる後側焦点位置
Ｆb'で光軸と交差する。

【０１１５】即ち、対物レンズ系全体を考えると、前側
焦点位置Ｆが第１レンズ群Ｇ₁と第２レンズ群Ｇ₂との
間隔によらず一定の位置となり、後側焦点位置Ｆa'、Ｆ
b'が第１レンズ群Ｇ₁と第２レンズ群Ｇ₂との間隔によ
って変化する。つまり、対物レンズ系１８、１９の瞳面
位置を一定に維持しつつ、レチクルＲ側へ射出する光線
の傾きを可変にできるため、ウェハマークＷＭへの入射
角ψを変化させることができる。

【０１１６】また、図１０に示す対物レンズ系を第２対
物レンズ１９に適用するには、図８において、２光束周
波数シフター部２０側に第１レンズ群Ｇ₁を配置し、第
１対物レンズ１９側に第２レンズ群Ｇ₂を配置する構成
とすれば良い。この構成により、アライメントマークの
打ち換え並びに照明領域の変更によるアライメントマー
クの観察位置を変更する際にも、アライメント光での投
影倍率の変動の影響なくアライメントを実行できる。

【０１１７】なお、上述の各実施例では、２つの送光ビ
ームに周波数差があるヘテロダイン方式のアライメント
を用いているが、本発明では、２つの送光ビームに周波
数差がないホモダイン方式のアライメントを行なっても
良い。

【０１１８】

【発明の効果】上述の如く、本発明によるアライメント
装置によれば、レチクルマークからの位置情報を含む光
が干渉光であるため、空気揺らぎに影響されることな
く、この干渉光を検出して高精度なアライメントを達成
できる。また、本発明によれば、上述の干渉光がウェハ
マークとレチクルマークの両方を介しているため、この
干渉光を検出するだけで、ウェハとレチクルとの相対的
な位置情報を同時に得ることができる。このため、アラ
イメント装置の光学系の簡素化及び信号処理系の簡素化
を図ることができる。

【０１１９】さらに、本発明によるアライメント装置で
は、アライメント精度がウェハマークの傾きに影響され
ないため、プロセスの途中で歪んでしまったウェハに対
しても精度良くアライメントを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を模式的に示す図。

【図２】第１実施例によるレチクルマークを部分的に拡
大して示す図。

【図３】第１実施例によるウェハマークを部分的に拡大
して示す図。

【図４】第１実施例の構成と光路とを示す図。

【図５】第１実施例の光路を部分的に示す図。

【図６】投影対物レンズの軸上色収差を説明する図。

【図７】ウェハの傾きによる誤差を説明する図。

【図８】本発明の第２実施例の構成と光路とを示す図。

【図９】第２実施例におけるウェハマークでの光線の状
態を示す図。

【図１０】第２実施例の対物レンズの好適な一例を示す
図。

【図１１】従来のアライメント装置の一例を示す模式
図。

【符号の説明】

１０ ‥‥ 光源、１１、１２ ‥‥ 対物レンズ系、２０ ‥‥ ２光束周波数シフター部、３０ ‥‥ 参照信号作成部、４０ ‥‥ 計測信号検出部、ＰＬ ‥‥ 投影対物レンズ、Ｗ ‥‥ ウェハ、Ｒ ‥‥ レチクル、ＷＭ ‥‥ ウェハマーク、ＲＭ ‥‥ レチクルマーク、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 6/32 9317−2ＫＧ０３Ｆ 9/00 Ｈ 7316−2Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の波長域の露光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の回折格子とを前記
露光光とは異なる波長域の照明光で光学的に検出するア
ライメント装置において、コヒーレントな２つの送光ビームを前記投影光学系を介
して前記第２の回折格子に照射する照射手段と、前記第２の回折格子から発生する所定の次数の回折光同
士による干渉光を光電検出する検出手段とを有し、前記照射手段は、前記第２の回折格子からの前記回折光
同士が前記第１の回折格子上で交差するように、前記２
つの送光ビームを所定の交差角で照射することを特徴と
するアライメント装置。
【請求項２】前記照射手段は、前記２つの送光ビームを
前記第２の回折格子に対して所定の入射角ψで入射さ
せ、該入射角ψは、前記送光ビームの波長をλ、前記第
２の回折格子のピッチをＰ_W、前記投影光学系の前記波
長λのもとでの投影倍率をＭ_A、前記投影光学系の露光
光の波長のもとでの投影倍率をＭ_Pとするとき、ｓｉｎψ＝λ（１−Ｍ_A／Ｍ_P）／Ｐ_W と定められることを特徴とする請求項１記載のアライメ
ント装置。