JPH0878304A - アライメント方法 - Google Patents

アライメント方法

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JPH0878304A
JPH0878304A JP6208544A JP20854494A JPH0878304A JP H0878304 A JPH0878304 A JP H0878304A JP 6208544 A JP6208544 A JP 6208544A JP 20854494 A JP20854494 A JP 20854494A JP H0878304 A JPH0878304 A JP H0878304A
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JP6208544A
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Kazuya Ota
和哉 太田
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    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
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    • G03F9/7003Alignment type or strategy, e.g. leveling, global alignment
    • G03F9/7046Strategy, e.g. mark, sensor or wavelength selection
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヘテロダイン干渉方式のアライメント系を用
いてレチクルとウエハとのアライメントを行う際に、2
つのビート信号間の目標位相差がいかなる値であって
も、プリアライメントで要求される位置決め精度が、そ
の目標位相差が0である場合と変わらないようにする。 【構成】 レチクルのアライメントマークと基準マーク
との位置ずれ量Δx、及びレチクルマークと基準回折格
子マークとに対応するビート信号の位相差Δφ0から算
出した位相差ΔφT に基づいてプリアライメントを行
う。レチクルマークとウエハマークとに対応するビート
信号の位相差Δφ1 とその位相差ΔφT との差分が±1
80°の範囲内になるように補正位相差ΔφA を求め、
この補正位相差ΔφA を用いてアライメントを行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばレチクル上に形
成されたパターンをウエハ上に転写する投影光学系を備
えた投影露光装置において、レチクルとウエハとの位置
合わせ(アライメント)を行う際に使用されるアライメ
ント方法に関し、特にヘテロダイン干渉方式でアライメ
ントマークの位置を検出するアライメント系を使用する
場合に適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等の製造に
使用される投影露光装置においては、ウエハ(又はガラ
スプレート等)上に形成される多数層の回路パターン相
互の重ね合わせ精度を高く維持する必要があるため、特
にウエハ上の2層目以降に露光する際に、レチクル(又
はフォトマスク等)とウエハとを高精度に位置合わせ
(アライメント)することが重要である。そのために
は、レチクルとウエハとの位置関係を高精度に検出する
ためのアライメント系が必要である。現状で原理的に最
も高い精度が実現できるアライメント系は、投影光学系
を介してレチクルとウエハとの相対位置関係を検出し、
その結果に基づいてレチクル又はウエハの位置を調整す
るTTR(スルー・ザ・レチクル)方式である。
【0003】斯かるTTR方式のアライメント系とし
て、レチクル上の回折格子状のレチクルマーク、及びウ
エハ上のショット領域に付設された回折格子状のウエハ
マークにそれぞれ僅かに周波数が異なるコヒーレントな
2光束を交差するように照射するヘテロダイン干渉方式
のアライメント系が本出願人により提案されている(例
えば特開平2−272305号公報参照)。この方式で
は、レチクルマーク及びウエハマークからそれぞれ回折
により戻されるヘテロダインビームを光電変換してレチ
クル側のビート信号、及びウエハ側のビート信号を得、
それら2つのビート信号の位相差が検出される。そし
て、それら2つのビート信号の位相差が0°、又は或る
所定の目標位相差xになるようにレチクル又はウエハを
動かすことによりアライメントが行われる。
【0004】この場合、例えばレチクルマーク及びウエ
ハマークからの±1次回折光を使用するものとして、回
折格子状のウエハマークの計測方向へのピッチをPW
すると、それら2つのビート信号の位相差が0になる位
置に対してウエハマークが計測方向に±PW /4だけ移
動すると、その位相差は±180°変化する。また、位
相差は原理的に±180°の間、又は幅が360°の間
でしか検出できないため、2つのビート信号の目標位相
差を0°とすると、ヘテロダイン干渉方式のアライメン
ト系を用いて正確に位置合わせを行うには、別のウエハ
アライメントセンサを用いて、ウエハの当該ショット領
域のウエハマークを対応するレチクルマークに対して±
1/4ピッチの範囲内に位置決めする必要がある。そこ
で、従来は例えば、画像処理方式、又は細長いスリット
状に集光されたレーザビームでウエハマークを走査して
位置検出を行うレーザ・ステップ・アライメント方式
(LSA方式)等の周知のプリアライメントセンサによ
り、ウエハマークの位置を検出し、この結果に基づいて
ウエハのプリアライメントを行っていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来のヘ
テロダイン干渉方式のアライメント系では、2つのビー
ト信号の間の目標位相差が0°である場合には、プリア
ライメントに要求される精度は±1/4ピッチ以内とな
り、これは容易に実現できる精度であった。しかしなが
ら、実際には以下の又はの場合のように、その目標
位相差が0°以外の所定の値になることがある。
【0006】ヘテロダイン干渉方式のアライメント系
では、可干渉性のあるアライメント光の波長域が露光光
の波長域と異なるため、投影光学系ではアライメント光
に対して色収差が生ずる。従って、TTR方式で正確に
アライメントを行うために、例えば投影光学系の瞳面付
近にウエハマーク用のアライメント光の光路を偏向させ
る色収差補正素子を配置する場合がある。この場合で
も、その色収差補正素子による補正量は、決してnmオ
ーダでは保証されておらず、その補正量の誤差がレチク
ルマーク上の検出位置とウエハマーク上の検出位置との
オフセット、即ち目標位相差の変動要因となる。
【0007】ウエハが種々の工程を経る間に、ウエハ
上の被膜に伸縮が生じ、これによりウエハマークの当該
ショット領域におけるチップパターンに対する位置がず
れる、即ちウエハマークの位置にオフセットが重畳され
る場合がある。このようなオフセットは、例えば経験的
に求められるものであり、そのオフセットの影響を打ち
消すには、2つのビート信号の間の目標位相差をそのオ
フセットに対応する値だけずらす必要がある。
【0008】その目標位相差が例えば+150°であっ
たならば、アライメント系で検出すべき位相差の範囲は
−30°〜+330°であるため、プリアライメントに
より、ウエハマークの位置ずれ量に換算して−1/24
ピッチ〜+11/24ピッチの精度で位置決めすること
が必要である。しかしながら、一般にプリアライメント
センサが高精度に計測できる範囲は、例えば所定の基準
マーク(又はレチクルマーク)に対して計測方向に対称
な領域であるため、プリアライメントセンサでは、実質
的に±1/24ピッチ以内の検出精度が必要になる。こ
の±1/24ピッチ以内の検出精度を得るのが容易でな
いのは言うまでもない。
【0009】更に、先に示した例では目標位相差は+1
50°であったが、実際には目標位相差は−180°〜
+180°の間の任意の値を取り得るため、例えば目標
位相差が+180°に近い場合を想定すると、実質上プ
リアライメントセンサに許される誤差はほぼ0となる
が、このようなプリアライメントセンサは現実にはあり
得ない。従って、従来のように目標位相差の値に応じて
プリアライメントセンサに要求される検出精度が異なる
方式は、特にその目標位相差が0°から大きく外れた場
合に実用的でなくなるという不都合があった。
【0010】本発明は斯かる点に鑑み、ヘテロダイン干
渉方式のアライメント系を用いてレチクルとウエハとの
アライメントを行う際に、2つのビート信号の間の目標
位相差がいかなる値であっても、プリアライメントで要
求される位置決め精度が、その目標位相差が0である場
合と変わらないようなアライメント方法を提供すること
を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明によるアライメン
ト方法は、露光用の照明光のもとでマスク(4)上のパ
ターンを感光基板(6)上に投影する投影光学系(5)
と、その感光基板をその投影光学系の光軸に垂直な平面
内で移動させる基板ステージ(8X,8Y)と、マスク
(4)上に形成された格子状の第1のアライメントマー
ク(35A)、及び感光基板(6)上に形成された格子
状の第2のアライメントマーク(48A)にそれぞれ互
いに周波数の異なる可干渉な2光束を照射し、それら2
つのアライメントマークから戻される2つのヘテロダイ
ンビームをそれぞれ光電変換して得られる2つのビート
信号(SR,SW)の位相差を検出するヘテロダイン干渉方
式のアライメント系(1,2,70)と、を有する投影
露光装置で、そのヘテロダイン干渉方式のアライメント
系により検出される位相差に基づいてマスク(4)と感
光基板(6)との相対的な位置合わせを行う方法に関す
る。
【0012】そして、本発明では、基板ステージ(8
X,8Y)上に設けられ基準パターン(44A)及び基
準回折格子状マーク(45A)が形成された基準部材
(41)と、その露光用の照明光と同じ波長域の検出光
のもとで、そのマスク上に形成された第3のアライメン
トマーク(34A)と投影光学系(5)を介した基準パ
ターン(44A)の像との相対的な位置ずれ量を検出す
る光学観察手段(39)と、を用い、光学観察手段(3
9)によりそのマスク上の第3のアライメントマーク
(34A)と基準パターン(44A)の像との相対的な
位置ずれ量Δを計測するのと並行して、そのヘテロダイ
ン干渉方式のアライメント系によりそのマスク上の第1
のアライメントマーク(35A)と基準回折格子状マー
ク(45A)とに対応する2つのビート信号の位相差Δ
φ0 を検出する第1工程(ステップ101〜103)を
有する。
【0013】更に本発明は、その相対的な位置ずれ量
Δ、及びその位相差Δφ0 より目標位相差ΔφT を算出
する第2工程(ステップ104)と、それらマスク及び
感光基板をおおまかに位置合わせした後、そのヘテロダ
イン干渉方式のアライメント系によりそのマスク上の第
1のアライメントマーク(35A)とその感光基板上の
第2のアライメントマーク(48A)とに対応する2つ
のビート信号の初期位相差Δφ1 を検出する第3工程
(ステップ105,106)と、予め定められた検出幅
θに対して、その目標位相差ΔφT に対するその初期位
相差Δφ1 のずれ量ΔφD が−θからθの範囲を超える
とき、その初期位相差Δφ1 に角度2nθ(nは整数)
を加えて得られた補正位相差ΔφA が−θからθの範囲
内に入るように整数nの値を定める第4工程(ステップ
107,108,111,112)と、その補正位相差
ΔφA がその目標位相差ΔφT に近づくようにそれらマ
スクと感光基板との相対位置を調整する第5工程(ステ
ップ109)と、を有するものである。
【0014】この場合、その検出幅θが180°である
ときには、その整数nの値は0、又は±1である。
【0015】
【作用】斯かる本発明によれば、先ず検出幅θが180
°の場合につき説明する。この場合、実際に検出される
ヘテロダイン干渉方式のアライメント系による2つのビ
ート信号の位相差Δφの検出範囲は幅で360°の範囲
である。一例としてその検出範囲を±180°(±π
[rad])の範囲内、即ち−180°<Δφ≦+18
0°(又は−180°≦Δφ<+180°)とする。
【0016】先ず、第1工程及び第2工程において、第
3のアライメントマーク(34A)と基準パターン(4
4A)との相対的な位置ずれ量Δ、及びこのときの第1
のアライメントマーク(35A)と基準回折格子マーク
(45A)とに対応するビート信号の位相差Δφ0
り、その位置ずれ量Δが所定の値になるときの位相差Δ
φ0 を目標位相差ΔφT とする。目標位相差ΔφT が±
180°の範囲内の値であると、本発明での整数nの値
は0,+1,又は−1となる。
【0017】次に、マスク(4)及び感光基板(6)の
プリアライメントを行うが、このプリアライメントはマ
スク(4)の第1のアライメントマーク(34A)と感
光基板(6)上の第2のアライメントマーク(48A)
との位置ずれ量がその目標位相差ΔφT になるように行
う。但し、プリアライメントでは位置決め精度は、位相
差にして±180°の範囲内でよいため、プリアライメ
ントの結果、第1のアライメントマーク(34A)と感
光基板(6)上の第2のアライメントマーク(48A)
との位置ずれ量は、ΔφT −180°〜ΔφT +180
°の範囲内である。例えば、目標位相差ΔφT を170
°とすると、プリアライメント後の位置ずれ量は−10
°〜350°の範囲内であるため、その位置ずれ量を位
相差にして300°であるとする。
【0018】次に、ヘテロダイン干渉方式のアライメン
ト系により、第1のアライメントマーク(34A)と第
2のアライメントマーク(48A)とに対応するビート
信号の初期位相差Δφ1 を検出すると、検出範囲は±1
80°の範囲内であるため、その300°の位相差は−
60°(=300°−360°)となる。ここで、初期
位相差Δφ1 の目標位相差ΔφT に対するずれ量は−2
30°なり、−180°を超えるため、その初期位相差
Δφ1 に360°を加算すると、値が300°となる補
正位相差ΔφA が求められる。この補正位相差Δφ
A は、プリアライメント後の位相差として仮定した位相
差に等しい。従って、この補正位相差ΔφAが目標位相
差ΔφT に近づくようにマスク(4)若しくは感光基板
(6)(又は両方)の位置を調整することにより、アラ
イメントが高精度に行われる。
【0019】また、検出幅θが180°以外の場合に
も、目標位相差ΔφT が0以外の値であっても、プリア
ライメントで要求される精度が目標値に対して±θの範
囲内であれば、高精度にアライメントが行われる。
【0020】
【実施例】以下、本発明の一実施例につき図面を参照し
て説明する。本実施例は、TTR方式で且つヘテロダイ
ン干渉方式のアライメント装置を備えた投影露光装置で
アライメントを行う場合に本発明を適用したものであ
る。図2は、本例の投影露光装置の全体の概略構成を示
し、この図2においてレチクル4はレチクルステージ9
上に保持され、ウエハ6はウエハステージ61上に保持
され、露光時には露光照明系67からの露光用の波長λ
0 の照明光がダイクロイックミラー3を介してレチクル
4に照射され、その照明光のもとでレチクル3のパター
ン像が投影光学系5を介してフォトレジストが塗布され
たウエハ6の各ショット領域に露光される。レチクルス
テージ9、及びウエハステージ61は、それぞれ投影光
学系5の光軸に垂直な平面上でレチクル4及びウエハ6
の位置決めを行う。レチクルステージ9、及びウエハス
テージ61の2次元座標はそれぞれレチクル側の干渉計
62、ウエハ側の干渉計63により検出され、検出結果
が中央制御系64に供給され、中央制御系64は、レチ
クルステージ制御系65、及びウエハステージ制御系6
6を介してそれぞれレチクルステージ65、及びウエハ
ステージ61の動作を制御する。
【0021】次に、プリアライメント用としてTTL
(スルー・ザ・レチクル)方式のプリアライメントセン
サ42が、投影光学系5の側面近傍に配置されている。
プリアライメントセンサ42は、レチクル4と投影光学
系5との間に配置されたミラー43、及び投影光学系5
を介してウエハ6上のウエハマークの近傍にスリット状
に集光されるレーザビームを照射する。この状態でウエ
ハステージ61を駆動してウエハ6を計測方向に走査す
ると、ウエハマークがそのレーザビームにかかると所定
の方向に回折光が発生し、この回折光が投影光学系5、
及びミラー43を介してプリアライメントセンサ42の
受光部に入射する。この受光部42からの光電変換信号
が中央制御系64に供給され、中央制御系64は、その
光電変換信号のレベルが最大になるときのウエハ側の干
渉計63の計測値より、そのウエハマークの2次元座標
を求め、この検出結果に基づいてウエハ6の当該ショッ
ト領域のプリアライメントを行う。即ち、本例のプリア
ライメントセンサ42はレーザ・ステップ・アライメン
ト方式であるが、撮像方式等も使用できることは言うま
でもない。
【0022】また、ウエハステージ61上には基準マー
ク等が形成された基準マーク部材41が固定され、レチ
クルアライメント時には、基準マーク部材41が投影光
学系5の露光フィールド内に移動され、基準マークが底
面側から露光用の照明光と同じ波長λ0 の照明光で照明
される。その基準マークを通過した照明光は、投影光学
系5を経てレチクル4の下面のアライメントマーク上に
基準マーク像を形成し、レチクル4の上方のレチクルア
ライメント顕微鏡39,40によりそれらアライメント
マーク、及び基準マークの像が撮像され、撮像信号が中
央制御系64に供給される。中央制御系64では、供給
された撮像信号を処理して基準マークに対するアライメ
ントマークの位置ずれ量を求める。
【0023】更に、最終的なアライメントを行うため
に、TTR方式でヘテロダイン干渉方式のアライメント
系が設けられている。このアライメント系は、レーザ制
御系69、アライメント送光系1a、ビームスプリッタ
ー26、対物レンズ2、アライメント受光系1b、及び
アライメント信号処理系70等より構成されている。ア
ライメントを行う際には、中央制御系64は、レーザ制
御系69を介してアライメント送光系1a中のレーザ光
源に発光を行わせる。アライメント送光系1a中のレー
ザ光源から射出されたレーザビームが、所定の周波数変
調を経てアライメント光としてビームスプリッター26
に向かい、ビームスプリッター26で反射されたレーザ
ビームが、対物レンズ2、ダイクロイックミラー3を透
過してレチクル4に照射され、レチクル4を透過したレ
ーザ光源が基準マーク部材41(又はウエハマーク)に
照射される。
【0024】そして、基準マーク部材41(又はウエハ
マーク)での回折により生じたヘテロダインビーム、及
びレチクルマークでの回折により生じたヘテロダインビ
ームが、ダイクロイックミラー3、対物レンズ2、ビー
ムスプリッター26を経てアライメント受光系1bに入
射し、アライメント受光系では2つのビート信号が生成
される。これらのビート信号がアライメント信号処理系
70に供給され、ここで2つのビート信号の位相差が検
出され、検出された位相差が中央制御系64に供給され
る。検出された位相差に基づいて、中央制御系64はア
ライメント時の目標位相差を求めるか、又は最終的なア
ライメントを行う。
【0025】次に、レチクルアライメント顕微鏡、及び
ヘテロダイン方式のアライメント系につき詳細に説明す
る。図3は本実施例の投影露光装置のステージ系及びア
ライメント光学系を示し、投影光学系5の光軸AXに平
行にZ軸を取り、Z軸に垂直な平面の直交座標系をX
軸、及びY軸とする。この場合、図3(a)はその投影
露光装置をY方向に見た正面図であり、図3(b)は図
3(a)の側面図であり、アライメント光学系1は、図
2のアライメント送光系1a、ビームスプリッター2
6、及びアライメント受光系1bに対応し、ウエハ6を
X方向及びY方向にそれぞれ位置決めするXステージ8
X、及びYステージ8Yが図2のウエハステージ61に
対応する。また、図3ではウエハステージとウエハ6と
の間に、ウエハ6を保持するウエハホルダが設けられて
いる。実際には、Xステージ8X上に、ウエハ6をZ方
向に位置決めするZステージが載置され、このZステー
ジ上に基準マーク部材41が設けられている。
【0026】アライメント光学系1の詳細は図8に示さ
れており、後で説明する。アライメント光学系1から
は、露光波長λ0 と異なる平均波長λ1 で周波数差Δf
(本例では50kHz)のレチクルアライメント照明光
RB1 ,RB2 、及びウエハアライメント照明光W
1 ,WB2 と、波長λ1 に近い平均波長λ2 で周波数
差Δf(=50kHz)のレチクルアライメント照明光
RB3 ,RB4 、及びウエハアライメント照明光W
3 ,WB4 とが射出される。
【0027】図3(a)に示すように、レチクルアライ
メント照明光RB1 ,RB2 は対物レンズ2によってレ
チクル4上に集光され、レチクル4の下面の回折格子状
のレチクルマーク35Aにそれぞれ入射角−θR1,θR1
で照射される。図4は、本例のレチクル4のパターン配
置を示し、この図4において、レチクル4の中央部のパ
ターン領域32の周囲に遮光帯33が形成され、遮光帯
33中のX方向に伸びた辺中にY方向にピッチPR で形
成された回折格子よりなるY軸用のレチクルマーク36
A及び36Bが形成され、Y方向に伸びた辺中にX方向
にピッチPR で形成された回折格子よりなるX軸用のレ
チクルマーク35A及び35Bが形成されている。レチ
クルマーク35A及び35Bの内側にそれぞれウエハ側
に向かうアライメント光を通過させるための透過性の窓
部(以下、「レチクル窓」と呼ぶ)37A及び37Bが
形成され、レチクルマーク36A及び36Bの内側にそ
れぞれウエハ側に向かうアライメント光を通過させるた
めのレチクル窓38A及び38Bが形成されている。更
に、遮光帯33をX方向に挟むように十字型のアライメ
ントマーク34A及び34Bが形成されている。
【0028】図11は、図4中のレチクルマーク35A
及びレチクル窓37Aの拡大図であり、レチクルマーク
35Aに照明光RB1 ,RB2 ,RB3 ,RB4 よりな
る光束50が照射され、レチクル窓37Aを照明光WB
1 ,WB2 ,WB3 ,WB4よりなる光束51が通過し
ている。図3に戻り、入射角−θR1,θR1とレチクルマ
ーク35Aの格子ピッチPR とは次式の関係にあり、照
明光RB1 の+1次回折光RB1 +1 と照明光RB2 の−
1次回折光RB2 -1 とはそれぞれ真上に発生し、アライ
メント検出光(ヘテロダインビーム)として対物レンズ
2を介してアライメント光学系1に戻る。
【0029】sin (θR1)=λ1 /PR (1) 同様に、レチクルアライメント照明光RB3 ,RB4
対物レンズ2によってレチクル4上に集光され、レチク
ル4上のレチクルマーク35Aに入射角−θR2,θR2
照射される。このとき、照明光RB3 の+1次回折光R
3 +1 と照明光RB4 の−1次回折光RB4 -1 とがそれ
ぞれ真上に発生し、対物レンズ2を介してアライメント
光学系1に戻る。
【0030】一方、ウエハアライメント照明光WB1
WB2 はレチクル4上のレチクル窓37Aを通過し、投
影光学系5中の色収差制御板10に達する。色収差制御
板10の照明光WB1 ,WB2 が通過する部分には、そ
れぞれ回折格子状の軸上色収差制御素子G1A ,G1B
(図10参照)が形成されており、照明光WB1 ,WB
2 はそれぞれ角度−θG1,θG1だけ曲げられて、回折格
子状のウエハマーク48Aに対しそれぞれ入射角−
θW1,θW1で照射される。
【0031】図5は、ウエハ6のショット配列の一部を
示し、この図5において、露光対象とするショット領域
48AをX方向に挟むようにY方向にピッチPW で形成
された回折格子よりなるY軸用のウエハマーク49A及
び49Bが形成され、ショット領域48AをY方向に挟
むようにX方向にピッチPW で形成された回折格子より
なるX軸用のウエハマーク48A及び48Bが形成され
ている。他のショット領域にもそれぞれウエハマークが
付設されている。
【0032】図3(a)に戻り、入射角−θW1,θW1
ウエハマーク48Aの格子ピッチP W とは次式の関係に
あり、照明光WB1 の+1次回折光WB1 +1 と照明光W
2の−1次回折光WB2 -1 とはそれぞれ真上に発生
し、これら2つの回折光がアライメント検出光(ヘテロ
ダインビーム)となる。 sin (θW1)=λ1 /PW (2) 同様に、ウエハアライメント照明光WB3 ,WB4 は照
明光WB1 ,WB2 に波長が近いため、色収差制御板1
0上で通過する位置は、それぞれほぼ軸上色収差制御素
子G1A ,G1B 上と見なせる。そのため、照明光WB
3 ,WB4 はそれぞれ角度−θG2,θG2だけ曲げられ
て、ウエハマーク48Aに対しそれぞれ入射角−θW2
θW2で照射される。そして、照明光WB3 の+1次回折
光WB3 +1と照明光WB4 の−1次回折光WB4 -1 とが
それぞれ真上に発生し、アライメント検出光となる。
【0033】この場合、図3(b)に示すように、色収
差制御板10の偏向作用によりウエハアライメント照明
光は、非計測方向(Y方向)においてウエハ6に対して
角度θm だけ傾いて入射するため、上記各アライメント
検出光が色収差制御板10上で通過する位置は入射時に
通過した位置と異なる。ウエハマーク48Aからのアラ
イメント検出光は、色収差制御板10上の軸上色収差制
御素子G1C (図10参照)を通ることによって横方向
の色収差が補正されて、レチクル窓37Aに向かう。そ
の後、各検出光はレチクル窓37A、及び対物レンズ2
を介して再びアライメント光学系1へと戻る。
【0034】図10は、色収差制御板10を示し、図1
0において、ガラス基板よりなる透過性の図10上に
は、12個の軸上色収差制御素子が配置されている。そ
して、3個の軸上色収差制御素子G1A ,G1B ,G1
C が図3のアライメント光学系1のウエハアライメント
照明光、及びアライメント検出光の偏向用に使用されて
いる。実際には、他に3軸のアライメント光学系がある
ため、色収差制御板10上には全体で12(=3×4)
個の軸上色収差制御素子G1A ,G1B ,G1C〜G4
A ,G4B ,G4C が形成されている。
【0035】ここで、図8、及び図9を参照して、アラ
イメント光学系1について詳しく説明する。図8(b)
はアライメント光学系1を図3(b)と同じ方向から見
た図、図8(a)はアライメント光学系1を図3(a)
と同じ方向から見た図、図8(c)は図8(a)の底面
図であり、図9はアライメント光学系の前段部を示す斜
視図である。
【0036】図8において、例えばHe−Neレーザ光
源よりなる第1のレーザ光源11から出た波長λ1 のレ
ーザビームと、例えばレーザダイオードよりなる第2の
レーザ光源12から出た波長λ2 のレーザビームとは、
ビーム合成プリズム13によって照明光Bに合成され、
それぞれ周波数F1 で駆動されている音響光学変調素子
(以下、「AOM」と呼ぶ)14に入射する。AOMの
多くは+1次回折光の強度を高めるために光をブラッグ
角で入射させるタイプ(所謂ブラッグ型AOM)である
が、AOM14は光を垂直に入射させてラマン・ナス回
折による±1次回折光を均等に得るもの、即ちラマン・
ナス型AOMである。照明光B内の2つのレーザビーム
は波長が若干異なるため、AOM14によってそれぞれ
若干異なる角度に回折光が発生する。波長毎に異なる方
向に進む回折光を図9の実線及び破線で示す。これら+
1次、及び−1次回折光は、もとの周波数に対してそれ
ぞれ+F1 ,及び−F1 の周波数差を持っている。
【0037】図9において、AOM14から射出された
レーザビームはレンズ15を通過して空間フィルタ16
に入射し、空間フィルタ16によって±1次回折光のみ
が選択され、選択された回折光はレンズ17を経て、A
OM14に対して45°回転して配置され、且つ周波数
2 で駆動されているAOM18に交差するように入射
する。AOM18はブラッグ型AOMであり、入射角は
ブラッグ角の1/sin45°になるよう設定してある。
従って、光軸の回りに45°回転した面で見れば、回折
光の入射角はブラッグ角である。この場合、AOM14
で+F1 の周波数変調を受けたレーザビームはAOM1
8で−1次回折光が強く発生し、その−1次回折光はA
OM18で−F2 の周波数変調を受け、レーザ光源1
1,12から射出されるときに対して+(F1 −F2
の周波数変調を受けたアライメントビームB1 ,B3
なる。同様に、AOM14で−F1 の周波数変調を受け
たレーザビームはAOM18で+1次回折光が強く発生
し、その+1次回折光はAOM18で−F2 の周波数変
調を受け、レーザ光源11,12から射出されるときに
対して−(F1 −F2 )の周波数変調を受けたアライメ
ントビームB2 ,B4になる。その結果、アライメント
ビームB1 ,B3 とアライメントビームB2 ,B4 との
周波数差Δfは2(F1 −F2 )で表され、この例では
Δfは50kHzに設定されるものとする。AOM18
を通過したレーザビームは、レンズ19を経て空間フィ
ルタ20に入射し、空間フィルタ20で選択されたアラ
イメントビームB1 〜B4 は後段へと導かれる。
【0038】図8に戻り、アライメントビームB1 〜B
4 はレンズ21によって視野絞り22上に集光され、レ
チクル又はウエハ上でのビーム形状が決められた後、レ
チクル・ウエハビーム分離プリズム23によってレチク
ルアライメント照明光RB1〜RB4 、及びウエハアラ
イメント照明光WB1 〜WB4 に分けられる。その後、
アライメント照明光はレンズ24を経て直視プリズム2
5に到達する。直視プリズム25は光軸を中心に回転可
能であり、不図示のモータによって外部からの指示によ
り駆動される。直視プリズム25が回転すると波長
λ1 ,λ2 の2色の照明光は相対角度が変化し、波長λ
1 の照明光RB1,WB1,RB2,WB2 に対してそれぞれ
波長λ2 の照明光RB3,WB3,RB4,WB4 が分離され
る。このように対角度が変化した照明光は、ビームスプ
リッタ26を経て図3の対物レンズ2に向かう。相対角
度の変化により、波長λ1 ,λ2 の2色の照明光のレチ
クル及びウエハ上での照射位置の相対関係も変化する。
【0039】一方、図3のレチクルマーク37A及びウ
エハマーク48Aからのアライメント検出光は、図8の
アライメント光学系1に戻った後、ビームスプリッタ2
6により反射され、レンズ27を経てレチクル、及びウ
エハと共役な位置にある検出光分離プリズム28によっ
て、レチクル検出光とウエハ検出光とに分離される。レ
チクル検出光RB1 +1 ,RB2 -1 及びRB3 +1 ,RB4
-1 は検出光分離プリズム28を透過し、波長λ1 の光
束のみを透過させる色フィルタ29により検出光RB1
+1 ,RB2 -1 のみが選別され、光電検出素子30によ
って受光される。ウエハ検出光WB1 +1 ,WB2 -1 及び
WB3 +1 ,WB4 -1 は検出光分離プリズム28で反射さ
れて、光電検出素子31によって受光される。光電検出
素子30からレチクルマークの位置に対応するレチクル
ビート信号SR が出力され、光電検出素子31からウエ
ハマークの位置に対応するウエハビート信号SW が出力
される。
【0040】レチクルビート信号SR は検出光R
1 +1 ,RB2 -1 による周波数差Δfの正弦波状のビー
ト信号であり、ウエハビート信号SW は検出光W
1 +1 ,WB2 -1及びWB3 +1 ,WB4 -1 による周波数
差Δfの正弦波状のビート信号である。両者の位相差Δ
φ[rad]はレチクル4、及びウエハ6のX方向への
相対移動量により変化し、その移動量Δxは以下の式に
示す通りである。即ち、レチクルマーク、又はウエハマ
ークの1/2ピッチ分の相対移動量が、ビート信号の位
相差で2π[rad]、即ち360°に相当する。
【0041】 Δx(レチクル上)=PR ・Δφ/(4π) (3) Δx(ウエハ上) =PW ・Δφ/(4π) (4) なお、Y方向用のアライメント系により、Y軸用のレチ
クルマーク及びウエハークに対応するビート信号が得ら
れ、これらビート信号の位相差が求められる。図3に戻
り、本実施例のレチクル4の上方にはレチクルアライメ
ント顕微鏡39,40が配置されている。また、Xステ
ージ8X上には基準マーク部材41が配置されている。
図7に示すように、ガラス基板等からなる透過性の基準
マーク部材41の下面には、X方向に所定間隔で枠型の
基準マーク44A及び44Bが形成され、それら基準マ
ークの間にY方向に所定ピッチで回折格子状の基準回折
格子マーク46A,46Bが形成され、X方向に所定ピ
ッチで回折格子状の基準回折格子マーク45A,45B
が形成されている。基準回折格子マーク45A〜46B
のピッチは、図5のウエハマーク48A〜49Bのピッ
チと等しい。
【0042】次に、本実施例でレチクルアライメントを
行ってウエハ上にレチクルのパターンを露光する際の動
作の一例につき図1のフローチャートを参照して説明す
る。以下では簡単のため、主にX方向への位置決めにつ
いて説明する。先ず、図1のステップ101において、
図3のウエハステージを駆動して基準マーク部材41を
投影光学系5の露光フィールド内に設定する。そして、
ステップ102において、図7の基準マーク部材41の
基準マーク44A及び44Bに対して底面側から露光用
の照明光と同じ波長λ0 の照明光が照射され、基準マー
ク44A及び44Bを通過した照明光が、図3の投影光
学系5を通ってレチクルアライメント顕微鏡39,40
内のCCDカメラに、レチクル側のアライメントマーク
34A,34B、及び基準マーク44A,44Bの像を
形成する。
【0043】図6は、そのCCDカメラによって観察さ
れる基準マーク44A,44Bの像44AR,44B
R、及びレチクル上のアライメントマーク34A,34
Bを電気的に1つの画面に合成したものである。画像処
理によって基準マークの像44AR,44BRに対する
アライメントマーク34A,34Bの相対的な位置ずれ
量が検出される。2つのレチクルアライメント顕微鏡3
9、及び40によりそれぞれX方向及びY方向の1組の
相対的な位置ずれ量(Δx1 ,Δy1 )、及び(Δ
2 ,Δy2 )が計測される。位置ずれ量Δx1 の平均
値をΔxとする。
【0044】このとき同時に、ステップ103におい
て、ヘテロダイン干渉方式のアライメント系によって、
レチクルマーク35Aに対応するレチクルビート信号S
R と、基準回折格子マーク45Aに対応するウエハビー
ト信号SW との位相差(初期位相差)Δφ0 が計測され
る。既に説明したように、ヘテロダイン干渉方式のアラ
イメント系はX方向及びY方向につき各2軸ずつある
が、簡単のためここではX方向の1つの軸のみについて
説明している。
【0045】レチクルアライメント顕微鏡39,40に
より検出された計4個の位置ずれ量(Δx1 ,Δ
1 ),(Δx2 ,Δy2 )より、レチクルアライメン
ト顕微鏡39,40の位置においてレチクル4と基準マ
ーク44A,44Bとがどれくらいずれているかが計算
できる。例えば、Δy1 とΔy2 との差分より回転量が
分かるし、それらの平均値からY方向への平行ずれ量が
分かる。同様に、Δx1 とΔx2 との差分より倍率ずれ
が分かり、それらの平均値からX方向への平行ずれ量が
分かる。このうち、倍率分は不図示の投影光学系5の結
像特性の制御装置によって補正されるものとし、残りの
X軸平行成分、Y軸平行成分、及び回転成分を使ってレ
チクル4と基準マーク44A,44Bとの相対的な位置
ずれを求める。この結果求められるレチクル4と基準マ
ーク44A,44BとのX方向へのレチクル4上での相
対的な位置ずれ量をΔxとする。
【0046】次に、ステップ104において、(3)式
より位置ずれ量Δxを位相差Δφに換算する。このよう
に換算された位相差Δφを初期位相値Δφ0 より差し引
くことで、目標追い込み位相値ΔφT が決定される。こ
れは、レチクル4(正確にはアライメントマーク34
A,34B)が基準マーク44A,44Bに対してX方
向に合致しているときの、2つのビート信号SR,SW
位相差を目標追い込み位相差ΔφT とすることを意味し
ている。
【0047】図13は、2つのビート信号SR,SW の位
相差が目標追い込み位相差ΔφT に合致している状態を
示す。最終的なアライメントの終了時にも、レチクルマ
ーク及びウエハマークに対応する2つのビート信号の関
係が図13の状態になることが目標である。但し、基準
マーク44A,44Bの形成時に位置ずれが生ずること
もあり、更に各種の工程を経ることにより、ウエハ6上
のウエハマークが設計上の位置からずれてオフセットが
重畳されること等もある。このような位置ずれ、又はオ
フセットに応じてその目標追込み位相差ΔφT は補正さ
れる。また、予め基準マーク44A,44Bに対するウ
エハ6上の各ショット領域に付設されたウエハマークの
位置関係は計測されている。
【0048】その後、ステップ105において、図5に
示すウエハ6上の露光対象とするショット領域47を、
露光フィールド内にプリアライメントする。このために
図3のプリアライメントセンサ42が使用される。この
プリアライメントセンサ42により、図5のウエハマー
ク48A又は48Bの位置を計測し、ウエハマーク48
A,48BのX方向の座標の平均値に対する、図4のレ
チクルマーク35A,35BのX方向の座標の平均値の
ずれ量が、ビート信号の位相差に換算して目標追込み位
相差ΔφT になるように、Xステージ8X及びYステー
ジ8Yを駆動してウエハ6のプリアライメントを行う。
また、プリアライメントセンサ42の計測精度は、ウエ
ハマーク48A,48BのピッチPW に対して、±1/
4ピッチの範囲内である。
【0049】次に、ステップ106に移行して、ヘテロ
ダイン干渉方式のアライメント系により、レチクル4上
のレチクルマーク37A、及びショット領域47に付設
されているウエハマーク48Aに対応するレチクルビー
ト信号SR 、及びウエハビート信号SW を生成し、図2
のアライメント信号処理系70においてそれら2つのビ
ート信号の位相差Δφ1 を計測する。また、別のX軸用
のアライメント系により、他方のレチクルマーク37
B、及びウエハマーク48Bに対応する2つのビート信
号の位相差も計測され、この位相差と先の位相差Δφ1
との平均値を改めて位相差Δφ1 とおく。
【0050】そして、ステップ107において、差分
(Δφ1 −ΔφT )を計算し、図14に示すようにその
差分が+180°(π[rad])より大きければ、位
相差Δφ1 から360°を差し引いた結果を補正位相差
ΔφA とする(ステップ108)。一方、ステップ10
7において、差分が180°以下であれば、ステップ1
11へ移行して差分(Δφ1 −ΔφT )を−180°と
比較し、その差分が−180°以下であれば、位相差Δ
φ1 に360°を加算した結果を補正位相差Δφ A とす
る(ステップ112)。また、ステップ111で差分が
−180°より大きいとき、即ち、−180°<(Δφ
1 −ΔφT )≦+180° であれば、ステップ113
に移行して位相差Δφ1 をそのまま補正位相差ΔφA
する。その後、ステップ108、ステップ112、又は
ステップ113からステップ109に移行して、補正位
相差ΔφA に基づいてアライメントを行う。即ち、補正
位相差ΔφA が目標追込み位相差ΔφT に近づく方向
に、レチクルステージ9又はウエハ側のXステージ8X
を駆動し、その補正位相差ΔφA が所定の許容誤差範囲
内で目標追い込み位相差ΔφT に合致するまでステージ
の駆動を続ける。
【0051】その後、ステップ110において、ショッ
ト領域47にレチクル4のパターンが露光される。実際
には、露光中にも、振動等によりアライメント誤差が発
生しないように、その補正位相差ΔφA が目標追い込み
位相差ΔφT に合致するようにステージの制御が行われ
ている。上述のように本例によれば、図1のステップ1
07〜113で示すように、2つのビート信号の位相差
Δφ1 から目標追い込み位相差ΔφT を差し引いて得ら
れる差分が±180°の範囲内に入るように補正を行っ
ているため、目標追い込み位相差ΔφT が0°以外の
値、例えば+180°に近いような値であっても正確に
アライメントを行うことができる。
【0052】なお、上述実施例では、差分(Δφ1 −Δ
φT )を±180°と比較しているが、差分(Δφ1
ΔφT )を±θと比較して(θ<180°)、補正位相
差ΔφA と目標追い込み位相差ΔφT との差分が±θの
範囲内に収まるように、位相差Δφ1 に2nθ(nは整
数)を加算してその補正位相差ΔφA を定めてやればよ
い場合もある。但し、この場合には、プリアライメント
センサ42の検出精度が位相換算で±θ以内である必要
がある。
【0053】また、上述実施例はダイ・バイ・ダイ方式
で各ショット領域への露光を行う毎にアライメントを行
う場合に本発明を適用したものである。しかしながら、
本発明は、例えば予めウエハ6上の多数のショット領域
から選択されたショット領域(サンプルショット)につ
いてウエハマークの位置計測を行って、その計測結果を
統計処理して得られる座標に基づいて各ショット領域の
位置決めを行う所謂エンハンスト・グローバル・アライ
メント方式において、サンプルショットのウエハマーク
の計測座標の補正を行う際等にも適用できる。
【0054】このように、本発明は上述実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得る。
【0055】
【発明の効果】本発明によれば、検出幅θに対して、ヘ
テロダイン干渉方式のアライメント系によって得られる
2つのビート信号の初期位相差Δφ1 と目標位相差Δφ
T とのずれ量が±θの範囲を超えるときには、その初期
位相差Δφ1 を補正した補正位相差ΔφA を算出し、こ
の補正位相差ΔφA に基づいてアライメントを行うた
め、目標位相差ΔφT が0°以外のいかなる値であって
も、プリアライメント時に要求される精度は±θ以内、
即ち目標位相差ΔφT が0°の場合と全く同じである。
従って、プリアライメント時の位置決め精度に常に余裕
があり、実用的である利点がある。言い換えると、感光
基板上のマークの位置にオフセットが生じているような
場合に、プリアライメントセンサの精度を変えることな
く目標位相差ΔφT を0°以外の所望の値に設定できる
利点がある。
【0056】また、検出幅θが180°である場合に
は、プリアライメント時の位置決め精度が緩くて済む利
点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアライメント方法の一実施例を示
すフローチャートである。
【図2】本発明の実施例で使用される投影露光装置の全
体を示す概略構成図である。
【図3】(a)は実施例で使用される投影露光装置の主
にステージ系及びアライメント光学系を示す正面図、
(b)は図3(a)の側面図である。
【図4】図3中のレチクル4のパターン配置を示す平面
図である。
【図5】図3中のウエハ6のショット領域及びウエハマ
ークを示す拡大平面図である。
【図6】図3中のレチクルアライメント顕微鏡39,4
0で観察される像を示す図である。
【図7】図3中の基準マーク部材41上のマーク配置を
示す拡大平面図である。
【図8】(a)は図3中のアライメント光学系1の構成
を示す正面図、(b)は図8(a)の側面図、(c)は
図8(a)の底面図である。
【図9】図8のAOM14から空間フィルタ20までの
構成を示す斜視図である。
【図10】図3中の色収差制御板10上の軸上色収差制
御素子の配置を示す平面図である。従来例及び本発明に
よる第1実施例のウエハマークを示す図である。
【図11】レチクルマーク35A及びレチクル窓37A
を示す拡大平面図である。
【図12】ウエハマーク48Aを示す拡大平面図であ
る。
【図13】実施例のヘテロダイン干渉方式のアライメン
ト系で得られる2つのビート信号の最終追い込み後の位
相関係を示す波形図である。
【図14】実施例のヘテロダイン干渉方式のアライメン
ト系で得られる2つのビート信号のウエハアライメント
開始時の位相関係を示す波形図である。
【符号の説明】
1 アライメント光学系 2 対物レンズ 3 ダイクロイックミラー 4 レチクル 5 投影光学系 6 ウエハ 7 ウエハホルダ 8X Xステージ 8Y Yステージ 9 レチクルステージ 10 色収差制御板 11,12 レーザ光源 14,18 音響光学変調素子(AOM) 22 視野絞り 23 レチクル・ウエハビーム分離プリズム 25 直視プリズム 26 ビームスプリッタ 29 色フィルタ 30,31 光電検出素子 34A,34B レチクル側のアライメントマーク 35A,35B,36A,36B レチクルマーク 39,40 レチクルアライメント顕微鏡 48A,48B,49A,49B ウエハマーク 41 基準マーク部材 42 プリアライメントセンサ 44A,44B 基準マーク 45A,45B,46A,46B 基準回折格子マーク
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年9月21日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0025
【補正方法】変更
【補正内容】
【0025】次に、レチクルアライメント顕微鏡、及び
ヘテロダイン方式のアライメント系につき詳細に説明す
る。図3は本実施例の投影露光装置のステージ系及びア
ライメント光学系を示し、投影光学系5の光軸AXに平
行にZ軸を取り、Z軸に垂直な平面の直交座標系をX
軸、及びY軸とする。この場合、図3(a)はその投影
露光装置をY方向に見た正面図であり、図3(b)は図
3(a)の側面図であり、アライメント光学系1は、図
2のアライメント送光系1a、ビームスプリッター2
6、及びアライメント受光系1bに対応し、ウエハ6を
X方向及びY方向にそれぞれ位置決めするXステージ8
X、及びYステージ8Yが図2のウエハステージ61に
対応する。また、図3ではウエハステージとウエハ6と
の間に、ウエハ6を保持するウエハホルダが設けられ
ている。実際には、Xステージ8X上に、ウエハ6をZ
方向に位置決めするZステージが載置され、このZステ
ージ上に基準マーク部材41が設けられている。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0031
【補正方法】変更
【補正内容】
【0031】図5は、ウエハ6のショット配列の一部を
示し、この図5において、露光対象とするショット領域
47をX方向に挟むようにY方向にピッチPW で形成さ
れた回折格子よりなるY軸用のウエハマーク49A及び
49Bが形成され、ショット領域47をY方向に挟むよ
うにX方向にピッチPW で形成された回折格子よりなる
X軸用のウエハマーク48A及び48Bが形成されてい
る。他のショット領域にもそれぞれウエハマークが付設
されている。なお、ウエハマーク48Aの拡大図、及び
このウエハマーク48A上で交差する光束51が、図1
2に示されている。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図10
【補正方法】変更
【補正内容】
【図10】図3中の色収差制御板10上の軸上色収差制
御素子の配置を示す平面図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 露光用の照明光のもとでマスク上のパタ
    ーンを感光基板上に投影する投影光学系と;前記感光基
    板を前記投影光学系の光軸に垂直な平面内で移動させる
    基板ステージと;前記マスク上に形成された格子状の第
    1のアライメントマーク、及び前記感光基板上に形成さ
    れた格子状の第2のアライメントマークにそれぞれ互い
    に周波数の異なる可干渉な2光束を照射し、前記2つの
    アライメントマークから戻される2つのヘテロダインビ
    ームをそれぞれ光電変換して得られる2つのビート信号
    の位相差を検出するヘテロダイン干渉方式のアライメン
    ト系と;を有する投影露光装置で、前記ヘテロダイン干
    渉方式のアライメント系により検出される位相差に基づ
    いて前記マスクと前記感光基板との相対的な位置合わせ
    を行う方法において、 前記基板ステージ上に設けられ基準パターン及び基準回
    折格子状マークが形成された基準部材と、 前記露光用の照明光と同じ波長域の検出光のもとで、前
    記マスク上に形成された第3のアライメントマークと前
    記投影光学系を介した前記基準パターンの像との相対的
    な位置ずれ量を検出する光学観察手段と、を用い、 前記光学観察手段により前記マスク上の前記第3のアラ
    イメントマークと前記基準パターンの像との相対的な位
    置ずれ量Δを計測するのと並行して、前記ヘテロダイン
    干渉方式のアライメント系により前記マスク上の前記第
    1のアライメントマークと前記基準回折格子状マークと
    に対応する2つのビート信号の位相差Δφ0 を検出する
    第1工程と;前記相対的な位置ずれ量Δ、及び前記位相
    差Δφ0 より目標位相差ΔφT を算出する第2工程と;
    前記マスク及び前記感光基板をおおまかに位置合わせし
    た後、前記ヘテロダイン干渉方式のアライメント系によ
    り前記マスク上の前記第1のアライメントマークと前記
    感光基板上の前記第2のアライメントマークとに対応す
    る2つのビート信号の初期位相差Δφ1 を検出する第3
    工程と;予め定められた検出幅θに対して、前記目標位
    相差ΔφT に対する前記初期位相差Δφ1 のずれ量Δφ
    D が−θからθの範囲を超えるとき、前記初期位相差Δ
    φ1 に角度2nθ(nは整数)を加えて得られた補正位
    相差ΔφA が−θからθの範囲内に入るように整数nの
    値を定める第4工程と;前記補正位相差ΔφA が前記目
    標位相差ΔφT に近づくように前記マスクと前記感光基
    板との相対位置を調整する第5工程と;を有することを
    特徴とするアライメント方法。
  2. 【請求項2】 前記検出幅θは180°であり、前記整
    数nの値は0、又は±1であることを特徴とする請求項
    1記載のアライメント方法。
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