JPH09246175A - 位置検出方法及びその装置並びに露光方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上の全ての微細パターンの位置をより高
精度に検出する。 【解決手段】０Ｎ次検出法による干渉式アライメント法
により、得られる光量信号ＩＡ、ＩＢより基板上の複数
箇所の格子マークの位置ΔＸjn' を、回路ＳＡ及び回路
ＣＡにより（各波長毎に）検出する。また、回路ＳＡで
は、光量信号ＩＡ、ＩＢの相対走査に伴う変化及び格子
マークの設計データに基づいて、各格子マークの段差相
当量δn を、段差のマーク表面近傍の入射光ビームの各
半波長に対する剰余として、各波長毎に算出する。そし
て、回路ＷＥＧＡで各格子マークの段差相当量に応じて
検出誤差が大きなマークの検出位置には小さな重みを、
誤差が小さなマークの検出位置には大きな重みを付けて
最小２乗法による統計処理により基板上の全ての微細パ
ターンの位置（配列座標）を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出装置及び
その装置並びに露光方法及びその装置に係り、更に詳細
には複数個の位置計測用のマークの位置を検出し、この
複数の検出位置を統計処理して基板上の微細パターン領
域の位置を算出する位置検出方法及びその装置、並びに
算出された配列座標に基づいて基板上の各微細パターン
領域を順次露光位置へ位置決めしつつ重ね焼き露光を行
なう露光方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
リソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレ
チクル等（以下、一例として「レチクル」を使用する）
のパターン像を投影光学系を介して感光材が塗布された
ウエハ上の各ショット領域に投影する投影露光装置が使
用されている。この種の投影露光装置として近年は、ウ
エハを２次元的に移動自在なステージ上に載置し、この
ステージによりウエハを歩進（ステッピング）させて、
レチクルのパターン像をウエハ上の各ショット領域に順
次露光する動作を繰り返す、所謂ステップ・アンド・リ
ピート方式の露光装置、特に、縮小投影型の露光装置
（ステッパー）が多用されている。

【０００３】例えば半導体素子はウエハ上に多数層の回
路パターンを重ねて露光することにより形成されるの
で、２層目以降の回路パターンをウエハ上に投影露光す
る際には、ウエハ上の既に回路パターンが形成された各
ショット領域とレチクルのパターン像との位置合わせ、
即ちウエハとレチクルとの位置合わせ（アライメント）
を正確に行う必要がある。このアライメントを行うため
に、ウエハ上には以前の工程で形成（露光転写）された
位置検出マーク（アライメントマ−ク）が形成されてお
り、このアライメントマ−クの位置を検出することで、
ウエハ（ウエハ上の回路パターン）の正確な位置を検出
することができる。

【０００４】近年、ウエハ（又はレチクル）上のアライ
メントマークを凹凸から成る１次元、又は２次元の格子
状にし、その格子マーク上に周期方向に対称的に傾斜し
た２つのコヒーレントビームを投射し、格子マークから
同一方向に発生する２つの回折光成分を干渉させて格子
マークの周期方向の位置や位置ずれを検出する方法（以
下、「干渉式アライメント法」と称する）が、例えば
（Ａ）特開昭６１−２０８２２０号公報、（Ｂ）特開昭
６１−２１５９０５号公報等で提案された。このうち公
報（Ａ）は２つの対称的なコヒーレントビームの周波数
を同一にしたホモダイン方式を開示し、公報（Ｂ）は２
つの対称的なコヒーレントビームの間に一定の周波数差
を持たせたヘテロダイン方式を開示している。

【０００５】またヘテロダイン方式では、２つの送光ビ
ーム間の周波数差を基準交流信号とし、格子マークから
発生した２つの回折光成分の干渉光（ビート光）を光電
検出した信号と基準交流信号との位相差を計測し、それ
を格子マークの周期方向に関する基準点からの位置ずれ
量として検出している。

【０００６】干渉式アライメント法を実現する光学系と
しては、格子マークへのコヒーレントビーム（レーザビ
ーム）の入射方法から、大きく３つに分けられる。

【０００７】１つは、格子マークの周期（＝Ｐ）方向に
対して対称的な±Ｎ次方向から、２本のレーザビームを
入射し、格子マーク上に振幅の周期がＰ／Ｎの干渉縞を
形成させ、これより垂直上方に反射・回折する回折光
（両入射光の±Ｎ次回折光の合成光束：Ｎは自然数）を
受光し、その光量変化に基づいて格子マークの位置を検
出するタイプ（以下、「±Ｎ次検出法」と略称する）で
ある。

【０００８】２つめは、２本のビームを格子マークの周
期に対する±Ｎ／２次方向から対称的に入射し、格子マ
ーク上に振幅の周期が２Ｐ／Ｎの干渉縞を形成させ、一
方の（第１の）入射光の０次回折光（正反射光）と他方
の（第２の）入射光のＮ次回折光の合成光束と、第２の
入射光の０次回折光と第１の入射光のＮ次回折光の合成
光束とを独立に受光し、両光束の光量変化の各位相より
得られる、２つの検出位置の平均値を、格子マークの位
置とするタイプ（以下、「０Ｎ次検出法」と略称する）
である。

【０００９】３つめは、格子マークに対して、ビームを
１本のみ入射し、反射・回折する２つの±Ｎ次回折光を
基準格子上に結像させ、基準格子からの透過光の光量変
化より格子マークの位置を検出するタイプ（以下、「基
準格子法」と略称する）である。

【００１０】なお、これら３つの方式による格子マーク
検出位置には、原理的に全く差は生じない。ただし、±
Ｎ次検出法、０Ｎ次検出法は、ヘテロダイン、ホモダイ
ンのいずれの方式へも適応可能だが、基準格子法は入射
光束が１本であり、必然的にホモダイン方式に限定され
る。

【００１１】また、上記の干渉式アライメント法の光源
を、波長が異なる複数のビーム、又は白色ビームとし、
光源（検出光）が単色であるための問題点、すなわち格
子マーク（位置検出マーク）の段差（深さ）に関する非
対称性や、レジスト厚の変動によって、大きな位置検出
誤差が生じるという問題を低減する方策も、（Ｃ）特開
平６−８２２１５号公報によって提案されている。

【００１２】このような位置検出マークは、以前の露光
工程にて回路パターンと同時に各ショット毎に露光転写
されたものである。従って、次の回路パターンの露光時
に、これらの１ショット毎にその中の位置検出マークを
検出し、その検出位置に基づいて新たなパターンを重ね
合わせても良いが、多数のショット（及び露光回数）毎
のマーク位置検出に要する時間がかさみ、露光装置の処
理能力（スループット）が低下する。

【００１３】そこで、露光時の位置合わせ方式として、
ステッパーでは、例えば特開昭６１−４４４２９号公報
等に開示されるような、エンハンスト・グローバル・ア
ライメント（以下、「ＥＧＡ」という）方式が一般的に
採用されている。このＥＧＡは、ウエハ上の各ショット
毎に形成されている上記位置検出マーク（アライメント
マーク）のうち、特定の１０個程度を選びそれらの位置
を検出し、得られた検出位置を統計処理して全ショット
の「配列座標系」を求め、その配列座標系に従って、重
ね合わせ露光を行なうものである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】一般にどのような種類
の位置検出センサ（例えば前述の干渉式アライメントセ
ンサ）を使用しても、その検出位置には多少の検出誤差
がつきまとう。例えば、干渉式アライメント法において
は、格子マークの非対称性や、レジスト厚の変動が検出
誤差の原因となる。

【００１５】これを更に詳述すると、一般にウエハ等の
表面に形成される位置合わせ、位置計測用のマーク（ア
ライメントマーク）は、その表面に微少な段差を持って
作られるが、半導体加工工程上のエッチングやスパッタ
等のウエハプロセス、あるいはフォトレジスト層の塗布
ムラによって、多少の非対称性を有している。その非対
称性はマーク位置検出時の精度低下を招く。

【００１６】特に、格子マークから発生した２つの回折
光の相互干渉光を光電検出し、その光電信号を利用する
干渉式アライメント法においては、格子マークの非対称
性はマーク自体の振幅反射率の非対称性となって位置検
出精度の劣化に作用する。すなわち、格子マークを構成
するラインの溝底部の深さ（段差）等が格子周期方向に
差を持ったり、レジスト層の厚みに部分的な差があった
場合、マーク自体の振幅反射率の絶対値と位相とは、溝
底部の深さやレジスト厚の変化に応じて非対称になる。
この結果、格子マークから発生する回折光も例えば０次
光に対して右方向に発生する正の次数と左方向に発生す
る負の次数とで強度や位相が異なったものになってしま
う。このうち強度の差は位置検出精度を殆ど低下させな
いが、位相の変化は位置検出精度に大きな影響を与え
る。

【００１７】また、格子マークの振幅反射率や回折効率
は、マークの段差やレジスト厚によっても大きく変動す
る。これは、マークの段差によって、マーク上面で反射
する光と、マーク下面で反射する光との位相差が変化し
たり、レジスト厚の変化によって、レジストによる多重
干渉効果が変動するためである。また、検出光の波長が
変化するとこれらの影響も大きく変動する、すなわち、
同一のマークの位置検出であっても波長が異なればマー
クの段差等の影響によって位置検出誤差が異なる。

【００１８】この点、ＥＧＡ方式によれば、これらの位
置検出誤差は平均化され低減されうるとも言えなくなく
もない。

【００１９】しかしながら、従来のＥＧＡ方式による平
均化は、各マークの検出位置に含まれる検出誤差の大小
を考慮して行なわれるものではなく、また従来の位置検
出センサには、検出誤差の大小の程度を推定する能力は
なく、従ってＥＧＡ方式の平均化効果にも自ずと限界が
あった。

【００２０】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、その目的は、基板上の全ての微細パターンの位置を
より高精度に検出することができる位置検出方法及びそ
の装置を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】ところで、上述したマー
ク段差やレジスト厚の変動による格子マークの振幅反射
率や回折効率の変動等や、位置検出精度は、種々のマー
ク条件のもとでマーク自体の振幅反射率を想定すること
により、シミュレーションすることができる。

【００２２】ここで、このような、ミュレーション結果
の一例について図８に基づいて説明する。このシミュレ
ーション結果は、レジスト層で被覆されたウエハ上の格
子マークに対称的な２方向から一定の周波数差をもつコ
ヒーレントな送光ビームを照射する場合を想定し、格子
マークから垂直に発生した±１次回折光の相互干渉光、
すなわち干渉ビート光の状態（振幅、位相等）を観察
（計算）することで得られたものである。

【００２３】なお、上記のシミュレーションで想定した
ウエハ上の格子マークの形状は、計測方向に、凸部、凹
部が各幅が４μｍ、周期Ｐ＝８μｍで並ぶものである。
格子マークの断面を図９（１）に、その１周期分の拡大
図を、図９（２）に示すが、マークの段差ｈ、レジスト
厚ｄをパラメータとし、マークの凹部には傾きｔ＝ 0.1
％のテーパーがあるものとした。また、マークの凹部で
はレジスト表面が、0.3 ・ｈだけへこむものとし、レジ
スト表面の形状は正弦関数（周期Ｐ）とし、ウエハ、レ
ジストの屈折率は、それぞれ3.5 、1.66とした。なお、
図９（１）ではスペースの都合で格子マークの本数を５
本としたが、実際の格子マークはそれより本数が多いも
のが一般的である。

【００２４】また、想定した検出光学系は、検出用レー
ザビームの波長が633nm (He-Neレーザ）であり、マーク
の周期Ｐに対する±１次の方向から対称的に２本のビー
ムを入射し、垂直上方に反射・回折する光束（両入射光
の±１次回折光の合成光束）を受光し、位置検出するも
の（前述の「±１次検出法」（「±Ｎ次検出法」のＮ＝
１））とした。ただし、検出光学系として、２本のビー
ムをマークの周期Ｐに対する±０．５次の方向から対称
的に入射する「０１次検出法」や、±１次回折光を使用
する「基準格子法」であっても、前述の如く結果は全く
同じである。

【００２５】図８（１）、（２）において、横軸はレジ
スト厚ｄ［μｍ］を示し、縦軸は位置検出誤差［μｍ］
を示す。図８（１）には、マーク段差ｈが、50、100 、
150、200nm の場合を、図８（２）には、マーク段差ｈ
が、250 、300 、350 、400nmの場合のシミュレーショ
ン結果がそれぞれ示されている。

【００２６】検出誤差は、レジスト厚の変化によっても
変動するが、マーク段差ｈが100 及び300nm の場合に
は、変動も少なくその絶対精度も良好であることがわか
る。

【００２７】検出光の波長が 633nm、レジストの屈折率
が1.66であるから、マーク表面近傍（レジスト中）の検
出光の波長は381nm であり、従って上記のマーク段差10
0 及び300nm は、それぞれその１／４及び３／４にほぼ
等しい。また、図示は省略したが、検出光のレジスト中
波長の５／４及び７／４‥‥の段差、即ち（２ｍ＋１）
／４倍（ｍは０以上の整数）の段差のマークでの検出誤
差も、極めて小さくなることが、シミュレーションの結
果、判明した。

【００２８】以上のシミュレーション結果より、位置検
出マークの段差が検出光のレジスト中波長の（２ｍ＋
１）／４倍であれば、干渉式アライメントにおける検出
誤差は極めて小さいことが分かる。従って、マーク位置
の検出と同時にマーク段差量の検出ができれば、段差量
によってその検出位置が含む検出誤差の大小をある程度
正確に推定できると考えられる。

【００２９】本発明は、単一波長の照明光による干渉式
アライメント法において、マークの段差が、照明光の波
長の（正確には照明光のレジスト中の波長の）、（２ｍ
＋１）／４倍（ｍは０以上の整数）であると、位置検出
誤差がほとんど生じないという上記のようなシミュレー
ション上の結果に基づいて着想されたものであり、本発
明は以下のような方法及び構成を採用する。

【００３０】請求項１に記載の発明は、微細パターン、
及び特定の方向に周期性（周期＝Ｐ）を持って凹部と凸
部を繰り返す位置検出用の格子マークが、複数ケ所（Ｍ
個以上）にそれぞれ形成された基板に対し、前記複数ケ
所の格子マークの前記周期方向の位置を検出し、かつそ
れらの検出位置を統計処理して、前記基板全面の前記微
細パターンの位置を検出する位置検出方法であって、前
記複数ケ所の格子マーク上に、可干渉な光ビームの対を
それぞれ入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自然
数）でその周期方向が前記各格子マークの周期方向に等
しい干渉縞をそれぞれ形成するとともに、前記各干渉縞
と前記格子マークとを前記周期方向に相対走査する第１
工程と；前記複数ケ所の格子マークによる前記入射光ビ
ームの反射・回折光のうち、第１の光ビームの正反射光
と第２の光ビームのＮ次回折光との合成光束である第１
の合成光束と、前記第２の光ビームの正反射光と前記第
１の光ビームのＮ次回折光との合成光束である第２の合
成光束とを、順次かつそれぞれ別々に受光して光電変換
する第２工程と；前記第２工程で順次得られる前記第
１、第２の合成光束の各光量信号の前記相対走査に伴う
変化より、前記複数ケ所の格子マークの位置を順次検出
する第３工程と；前記複数箇所の各格子マークの段差相
当量を、前記第２工程で順次得られる第１、第２の合成
光束の各光量信号の前記相対走査に伴う変化と前記各格
子マークの設計データとに基づいて、前記各格子マーク
の段差を前記入射光ビームの当該各格子マーク表面近傍
の媒質中での波長の半分で除した剰余として、順次算出
する第４工程と；前記複数ケ所の中のｊ番目（ｊは１か
らＭ）の格子マークの前記段差相当量が、前記入射光ビ
ームの当該ｊ番目の格子マーク表面近傍での波長の１／
４に近い場合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に
大きな重みを付け、前記波長の１／４から離れている場
合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に小さな重み
を付けて前記複数箇所の格子マークの検出位置を統計処
理して前記基板全面の前記微細パターンの位置を算出す
る第５工程とを含む。

【００３１】これによれば、第１ないし第３工程で、各
格子マークのそれぞれについて０Ｎ次検出法による干渉
式アライメント法と同様の検出が行なわれ、得られる２
つの光量信号（前記第１、第２の合成光束の光量信号）
より、従来と同様に各格子マークの位置がそれぞれ検出
される。

【００３２】また、第４工程において、複数箇所の各格
子マークの段差相当量が、第２工程で順次得られる第
１、第２の合成光束の光量信号の相対走査に伴う変化及
び各格子マークの設計データに基づいて、各格子マーク
の段差を入射光ビームの格子マーク表面近傍の媒質中で
の波長の半分で除した剰余として、順次算出される。こ
れは、上記シミュレーションの結果、明らかになった
「検出精度に大きく影響を与える、段差をレジスト中波
長の１／２で除した剰余」を段差相当量として各波長毎
に検出するものである。なお、この段差相当量として
は、剰余としての段差、あるいはこれに相当する光の位
相量のいずれの形態で検出してもよい。これにより、位
置検出すべき格子マークの段差が、検出光のレジスト中
波長の（２ｍ＋１）／４倍という条件に適合するか否
か、あるいは、検出光のレジスト中波長が位置検出すべ
き格子マークの段差の４／（２ｍ＋１）倍という条件に
適合するか否かを、容易に判定することが可能となる。

【００３３】そして、第５工程において、複数ケ所の中
のｊ番目（ｊは１からＭ）の格子マークの段差相当量
が、入射光ビームの当該ｊ番目の格子マーク表面近傍で
の波長の１／４に近い場合には、該ｊ番目の格子マーク
の検出位置に大きな重みを付け、波長の１／４から離れ
ている場合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に小
さな重みを付けて、複数箇所の格子マークの検出位置を
統計処理して基板全面の微細パターンの位置を算出す
る。ここで、各波長の１／４とは、上記の（２ｍ＋１）
／４のｍ＝０の場合に相当するが、段差相当量は上記の
如く半波長に対する剰余なので、ｍ＞０の場合は考慮す
る必要がないので、段差相当量が入射光ビームの格子マ
ーク表面近傍での各波長の１／４相当量に近いとは、結
果的に段差相当量が入射光ビームの格子マーク表面近傍
での各波長の（２ｍ＋１）／４倍に近いということに他
ならない。従って、第５工程においては、段差相当量か
ら推定される検出誤差の大きいマークの検出値には小さ
な重みを、検出誤差の小さいマークの検出値には大きな
重みを付けた新規の統計処理により、基板全面の微細パ
ターンの位置が算出されることになり、従来に比べて高
精度に基板全面の微細パターンの位置（配列座標）を算
出することができる。

【００３４】この場合において、請求項２に記載の発明
の如く、第１工程において、前記複数ケ所の格子マーク
上に、可干渉な光ビームの対を波長の異なる複数組それ
ぞれ入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自然数）
でその周期方向が前記各格子マークの周期方向に等しい
干渉縞をそれぞれ形成するとともに、前記各干渉縞と前
記各格子マークとを前記周期方向にそれぞれ相対走査
し、前記第２ないし第４工程の処理を、各波長毎に行っ
て前記各格子マークの位置及び段差相当量を各波長毎に
検出し前記第５工程において、それぞれの波長での前記
格子マークの位置検出結果及び段差相当量の検出結果を
用いて、各波長毎に前記複数箇所の格子マークの検出位
置を前記重み付け統計処理を行い、前記基板全面の前記
微細パターンの位置を算出するようにしてもよい。これ
によれば、検出光束が複数波長化され、それぞれの波長
での位置検出結果及び段差相当量の検出結果を用いて、
上記の重み付けをする新規の統計処理が行なわれるの
で、さらに高精度に基板全面の微細パターンの位置（配
列座標）を算出することができる。

【００３５】請求項３に記載の発明は、感光基板上の微
細パターンが形成された所定のショット領域を露光位置
に順次位置決めしつつ、マスクに形成されたパターンを
前記各ショット領域に転写して重ね焼き露光を行なう露
光方法であって、露光開始に先だって、請求項１又は２
に記載の位置検出方法により前記感光基板上の各ショッ
ト領域の配列座標を算出後、この算出された配列座標に
従ってショット領域を露光位置に順次位置決めしつつ重
ね焼き露光を行なうことを特徴とする。

【００３６】これによれば、前記の如く、感光基板上の
ショット領域の配列座標が従来より高精度に算出され、
この算出された配列座標に従ってショット領域を露光位
置に順次位置決めしつつ重ね焼き露光が行なわれるの
で、結果的により高精度な重ね合わせが実現される。

【００３７】請求項４に記載の発明は、微細パターン、
及び特定の方向に周期性（周期＝Ｐ）を持って凹部と凸
部を繰り返す位置検出用の格子マークが、複数ケ所（Ｍ
個以上）にそれぞれ形成された基板に対し、前記複数ケ
所の格子マークの前記周期方向の位置を検出し、かつそ
れらの検出位置を統計処理して、前記基板全面の前記微
細パターンの位置を検出する位置検出装置であって、前
記複数ケ所の格子マーク上に、振幅分布の周期が２Ｐ／
Ｎ（Ｎは自然数）でその周期方向が前記各格子マークの
周期方向に等しい干渉縞をそれぞれ形成すべく、可干渉
な光ビームの対をそれぞれ入射する送光光学系と；前記
複数ケ所の格子マークによる前記入射光ビームの反射・
回折光のうち、第１の光ビームの正反射光と第２の光ビ
ームのＮ次回折光との合成光束である第１の合成光束
と、前記第２の光ビームの正反射光と前記第１の光ビー
ムのＮ次回折光との合成光束である第２の合成光束と
を、それぞれ別々に光電変換する受光手段と；前記各格
子マークと前記干渉縞とを前記周期方向に相対走査する
相対走査手段と；前記受光手段より得られる前記第１、
第２の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変化よ
り、前記複数ケ所の格子マークの位置をそれぞれ検出す
る位置検出手段と；前記複数箇所の各格子マークの段差
相当量を、前記受光手段より得られる前記第１、第２の
合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変化と前記各
格子マークの設計データとに基づいて、前記各格子マー
クの段差を前記入射光ビームの当該各格子マーク表面近
傍の媒質中での波長の半分で除した剰余として、それぞ
れ検出する段差検出手段と；前記複数ケ所の中のｊ番目
（ｊは１からＭ）の格子マークの前記段差相当量が、前
記入射光ビームの当該ｊ番目の格子マーク表面近傍での
波長の１／４に近い場合には、該ｊ番目の格子マークの
検出位置に大きな重みを付け、前記波長の１／４から離
れている場合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に
小さな重みを付けて前記複数箇所の格子マークの検出位
置を統計処理して前記基板全面の前記微細パターンの位
置を算出する演算手段とを有する。

【００３８】これによれば、送光光学系により複数箇所
の格子マーク上に、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自
然数）でその周期方向が前記格子マークの周期方向に等
しい干渉縞をそれぞれ形成すべく、可干渉な光ビームの
対がそれぞれ入射され、相対走査手段によりこれらの干
渉縞と各格子マークとが周期方向にそれぞれ相対走査さ
れる。

【００３９】次に、受光手段において、複数ケ所の格子
マークによる入射光ビームの反射・回折光のうち、第１
の光ビームの正反射光と第２の光ビームのＮ次回折光と
の合成光束である第１の合成光束と、第２の光ビームの
正反射光と第１の光ビームのＮ次回折光との合成光束で
ある第２の合成光束とが、それぞれ別々に光電変換され
る。位置検出手段では、受光手段より得られる第１、第
２の合成光束の光量信号の相対走査に伴う変化より複数
箇所の格子マークの位置をそれぞれ検出し、また、段差
検出手段では、複数箇所の各格子マークの段差相当量
を、受光手段より得られる第１、第２の合成光束の光量
信号の相対走査に伴う変化と各格子マークの設計データ
とに基づいて、各格子マークの段差を入射光ビームの当
該各格子マーク表面近傍の媒質中の波長の半分で除した
剰余として、それぞれ算出する。

【００４０】そして、演算手段では、複数ケ所の中のｊ
番目（ｊは１からＭ）の格子マークの段差相当量が、入
射光ビームの当該ｊ番目の格子マーク表面近傍での波長
の１／４に近い場合には、該ｊ番目の格子マークの検出
位置に大きな重みを付け、波長の１／４から離れている
場合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に小さな重
みを付けて複数箇所の格子マークの検出位置を統計処理
して基板全面の微細パターンの位置を算出する。

【００４１】従って、請求項１に記載の場合と同様に、
従来に比べて高精度に基板全面の微細パターンの位置
（配列座標）を算出することができる。

【００４２】ここで、位置検出手段は、請求項５に記載
の発明の如く、相対走査に伴う第１の合成光束と第２の
合成光束の各光量信号変化の各位相に基づいてそれぞれ
求めた検出位置の平均値を格子マークの位置として検出
するようにすることが望ましい。

【００４３】また、段差検出手段は、請求項６に記載の
発明の如く、各格子マークの凹部と凸部の各幅の比率
と、相対走査に伴う第１の合成光束と第２の合成光束の
各光量信号変化の位相差及びコントラストとに基づいて
各格子マークの段差相当量を算出するようにしても良
い。あるいは、請求項７に記載の発明の如く、格子マー
クより反射・回折する０次回折光とＮ次回折光との光量
比を計測する光量比計測手段を更に有する場合には、段
差検出手段は、各格子マークの凹部凸部の各幅の比率
と、相対走査に伴う第１の合成光束と第２の合成光束と
の各光量信号変化の位相差と、光量比計測手段により得
られた光量比とに基づいて各格子マークの段差相当量を
算出するようにしてもよい。後者の場合には、０次回折
光とＮ次回折光との光量比が直接的に計測されているの
で、コントラストに基づいて光量比を算出する前者の場
合に比べて一層高精度に段差相当量を算出することがで
きる。

【００４４】また、請求項８に記載の発明の如く、前記
送光光学系に代えて、複数ケ所の格子マーク上に、順次
振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自然数）でその周期方
向が前記各格子マークの周期方向に等しい干渉縞を形成
すべく、可干渉な光ビームの対を波長の異なる複数組入
射する送光光学系が設けられている場合には、前記受光
手段、前記位置検出手段及び前記段差検出手段は、前記
複数の異なる波長毎に前記それぞれの処理を行ない、前
記演算手段は、それぞれの波長での前記各格子マークの
位置検出結果及び段差検出結果を用いて前記統計処理を
行なうように構成してもよい。かかる場合には、請求項
２に記載の発明と同様に、検出光束が複数波長化され、
それぞれの波長での位置検出結果及び段差相当量の検出
結果を用いて、上記の重み付けをする新規の統計処理が
行なわれるので、さらに高精度に基板全面の微細パター
ンの位置（配列座標）を算出することができる。

【００４５】この場合において、送光光学系は、請求項
９に記載の発明の如く、前記複数ケ所の格子マーク上に
波長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対を波長毎に
時分割的に入射するようにしてもよい。かかる場合に
は、受光光学系や信号処理系の構成が簡略化される。こ
こで、時分割的とは、異なる波長の光ビームの対を交互
に格子マーク上に入射する場合も含まれる。

【００４６】請求項１０に記載の発明は、感光基板上の
微細パターンが形成された所定のショット領域を露光位
置に順次位置決めしつつ、マスクに形成されたパターン
を前記各ショット領域に転写して重ね焼き露光を行なう
露光装置であって、前記請求項４ないし９のいずれか一
項に記載の位置検出装置を前記感光基板上の各ショット
領域の配列座標系の検出用として備え、この検出された
配列座標系に従って重ね焼き露光を行なうことを特徴と
する。

【００４７】これによれば、請求項３に記載の発明と同
様に、感光基板上のショット領域の配列座標が従来より
高精度に算出され、この算出された配列座標に従ってシ
ョット領域を露光位置に順次位置決めしつつ重ね焼き露
光が行なわれるので、結果的により高精度な重ね合わせ
が実現される。

【００４８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図７に
基づいて説明する。

【００４９】図１には、本発明に係る位置検出装置１０
０を含んで構成された一実施例の露光装置２００の主要
部の構成が示されている。この露光装置２００は、いわ
ゆるステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光
装置（ステッパー）である。

【００５０】この露光装置２００は、光軸ＡＸ方向が鉛
直軸方向（Ｚ軸方向）とされた投影光学系ＰＬと、この
投影光学系ＰＬの上方に配置され、光軸ＡＸにほぼ直交
する水平面内にマスクとしてのレチクルＲを保持するレ
チクルステージＲＳＴと、投影光学系ＰＬの下方に配置
され、基板としてのウエハＷを保持するウエハステージ
ＷＳＴと、位置検出装置１００と、主制御装置１０６と
を備えている。

【００５１】この露光装置２００では、投影光学系ＰＬ
としては両側テレセントリックで所定の縮小倍率、例え
ば１／４の投影光学系が使用されている。

【００５２】レチクルステージＲＳＴは、不図示の駆動
系によりＸＹ２次元方向の微小移動と、光軸ＡＸ回りの
微小回転が可能に構成されている。

【００５３】ウエハステージＷＳＴは、駆動モータを含
む駆動系１６によって投影レンズＰＬの光軸ＡＸと垂直
な面（ＸＹ平面）内で２次元方向に駆動されるようにな
っている。この駆動方式は、モータによって送りネジを
回転させる方式、又はリニアモータによってステージ本
体を直接運動させる方式のいずれでもよい。このウエハ
ステージＷＳＴ上に、不図示のウエハホルダを介してウ
エハＷが吸着保持されている。このウエハステージＷＳ
Ｔの移動位置（座標位置）はレーザ干渉計１７によって
逐次計測される。このレーザ干渉計１７の計測値は主制
御装置１０６に入力され駆動系２１のフィードバック制
御に使われる。この他、レーザ干渉計１７の計測値は後
述する位置検出回路１２０にも入力されるようになって
いる。

【００５４】また、前記ウエハステージＷＳＴの一部に
は、フィデューシャルマーク（基準マーク）板ＦＰが設
けられている。このマーク板ＦＰには石英ガラスの表面
にクロム層でライン・アンド・スペースをパターニング
した基準マークＦＧ（周期は後述するウエハ上の格子マ
ークＭＧｊと同一）が形成されている（図２参照）。実
際の位置検出においては、ウエハＷ上の格子マークの位
置検出に先立って、この基準マークＦＧの位置を検出
し、装置に依存する様々な誤差を補正するが、その詳細
は後述する。

【００５５】ここで、本実施例では、ウエハホルダを介
してウエハステージＷＳＴ上に吸着保持された状態で
は、ウエハＷの表面は投影光学系ＰＬに関してレチクル
Ｒと共役面とされているものとする。このため、後述す
るように、レチクルＲとウエハＷ上のショット領域とが
アライメントされた状態では、不図示の光源からの露光
光によりレチクルＲが照明されると、レチクルＲのパタ
ーン面に形成された回路パターンが投影光学系を介して
１／４縮小倍率でウエハＷ上に投影され、ウエハＷ上の
ショット領域上に回路パターンの像が結像され、このよ
うにして、当該ショット領域上に既に形成された微細パ
ターン上にレチクルＲの回路パターンが重ね焼きされる
ようになっている。

【００５６】主制御装置１０６は、ＣＰＵ（中央演算処
理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んで構成されたミニコ
ンピュータ（又はマイクロコンピュータ）から成り、装
置全体を統括制御する。

【００５７】前記位置検出装置１００は、この露光装置
２００では、いわゆるオフアクシスアライメント光学系
を構成する位置検出機構系１１０と位置検出回路１２０
とから構成されている。以下、この位置検出装置１００
について、詳述する。

【００５８】図２には、位置検出装置１００を構成する
位置検出機構系１１０の具体的構成例がウエハステージ
ＷＳＴ等とともに拡大して示されている。この位置検出
機構系１１０は、送光光学系１０２と、受光光学系１０
４とを備えている。

【００５９】この内、送光光学系１０２は、２つの半導
体レーザ光源ＬＳ1 、ＬＳ2 、ミラー１、ダイクロイッ
クミラー２、ミラー４、回転ラジアル格子板ＲＲＧ、コ
リメータレンズ５、光束選択部材６、平行平板ガラスで
構成された調整光学系７、８、９、ビームスプリッタ
（ハーフミラー）１０及び対物レンズ１１等を含んで構
成されている。ここで、この送光光学系１０２について
上記構成各部の作用とともに説明する。

【００６０】前記２つのレーザ光源ＬＳ1 、ＬＳ2 はそ
れぞれ異なる波長λ1 、λ2 のレーザビームＬＢ1 、Ｌ
Ｂ2 を射出する。本実施例では、例えば、レーザ光源Ｌ
Ｓ1はλ1 ＝670nm を射出し、レーザ光源ＬＳ1 はλ1
＝780nm を射出するものとする。そして、これらのレー
ザ光源（以下、適宜「レーザ」という）を駆動するレー
ザ電源３は、一定の周波数で２つのレーザを交互に点灯
させるとともに、どちらのレーザが点灯しているかのレ
ーザ点灯信号Ｌ0 を発生する。なお、この交互点灯の繰
り返し周波数は、後述するビート周波数２・Δｆの１／
１００程度以下とする。

【００６１】２本のビームＬＢ1 、ＬＢ2 は、ミラー１
又はダイクロイックミラー２を介して同軸のビームＬＢ
0 としてミラー４に入射し、ここで反射されて回転ラジ
アル格子板ＲＲＧに入射する。この格子板ＲＲＧは、一
方向に等角速度で回転軸Ｃ0の回りに高速回転してお
り、この格子板ＲＲＧによって回折された各次数の回折
光の周波数を、角速度に応じた分だけ増減させる作用を
有する。

【００６２】図３には、この回転ラジアル格子板ＲＲＧ
の拡大斜視図が示されている。この回転ラジアル格子板
ＲＲＧは、円板状部材から成り、この格子板ＲＲＧには
円周方向に沿って所定ピッチ間隔で透過型の位相回折格
子ＲＧが３６０度に渡って形成されている。ここでは、
この格子板ＲＲＧの回転軸Ｃ0 がＸＹＺ座標系のＸ軸と
平行に設定されているものとする。ビームＬＢ0 が格子
板ＲＲＧの格子ＲＧに垂直に入射すると、０次光Ｄ0 以
外に各種の回折光が発生するが、本実施例では±１次回
折光を用いてヘテロダイン方式を実現するので、図２、
図３では格子板ＲＲＧからの±１次回折光のみを示して
ある。

【００６３】さて、ビームＬＢ0 が格子板ＲＲＧの格子
ＲＧに垂直に入射すると、図３にも示される如く、格子
板ＲＲＧの格子ＲＧからは、レーザＬＳ１の点灯時に
は、波長λ1 のビームＬＢ1 から作られた１次回折ビー
ム±Ｄ11（破線）が、レーザＬＳ２の点灯時には、波長
λ2 のビームＬＢ2 から作られた１次回折ビーム±Ｄ12
（２点鎖線）が発生する。各波長毎に１次回折ビームの
回折角θは以下のように表される。

【００６４】

【数１】sin θn ＝λn ／Ｐrg ………（１） ここで添字n は各波長の区別を表し（ｎ＝１，２，
３）、Ｐrgは格子ＲＧの周期を表す。

【００６５】一方、格子板ＲＲＧから発生した前記１次
回折ビームは波長によらず一定の周波数偏移Δｆを受け
る。すなわち、格子板ＲＲＧの格子ＲＧがビームＬＢ0
を横切る速度をＶとすると、Δｆ＝Ｖ／Ｐrgで表され、
＋１次回折ビームの周波数は０次光Ｄ0 の周波数よりΔ
ｆだけ高くなり、−１次回折ビームの周波数は０次光Ｄ
0 の周波数よりΔｆだけ低くなる。このように、回転ラ
ジアル格子板ＲＲＧは、一種の周波数シフターとして機
能する。

【００６６】上記のようにして周波数シフトされた２つ
の波長成分の＋１次回折ビーム＋Ｄ1n（ｎ＝１、２）か
ら成る送光ビーム＋ＬＦ及び−１次回折ビーム−Ｄ1n
（ｎ＝１、２）からなる送光ビーム−ＬＦと、０次光Ｄ
0 とは、図２に示されるように、コリメータレンズ５に
より主光線が互いに平行になるように変換され、光束選
択部材６に達する。この光束選択部材６は、いわゆるフ
ーリエ変換面に置かれる空間フィルタとして機能し、こ
こでは０次光Ｄ0 が遮断され、１次回折光±Ｄ1nによる
送光ビーム±ＬＦが通過する。

【００６７】その後、送光ビーム±ＬＦは傾斜量が可変
な平行平板ガラスで構成された調整光学系７、８、９を
介してビームスプリッタ（ハーフミラー）１０に達す
る。

【００６８】調整光学系７は送光ビーム＋ＬＦと送光ビ
ーム−ＬＦとのフーリエ空間での間隔を変えることな
く、レンズ５の光軸に対して偏心させる機能を有し、調
整光学系８、９は送光ビーム＋ＬＦと送光ビーム−ＬＦ
との夫々の光軸に対する位置を個別に調整する機能を有
する。すなわち、調整光学系７は対物レンズ１１の光軸
を中心とした放射方向に関する送光ビーム（±ＬＦ）の
ウエハＷに対する傾きを調整し、調整光学系８、９は、
ウエハＷ上での対物レンズ１１の光軸に対する送光ビー
ム＋ＬＦ、−ＬＦの開き角を調整する。

【００６９】その送光ビーム±ＬＦはビームスプリッタ
１０で２つに分割され、一方（反射光）は対物レンズ１
１に入射し、それぞれ平行光束となって各波長毎に異な
る角度で、ウエハＷに入射する。

【００７０】ここで、ウエハＷ上には、図６に示される
ような断面形状を有する複数の格子マーク（位置検出マ
ーク）ＭＧi （ｉ＝１，２，………）が予め形成されて
おり、図２では格子マーク（位置検出マーク）ＭＧｊ
（複数個のマークの中のｊ番めのマーク）が送光ビーム
±ＬＦの入射位置に丁度位置している。

【００７１】従って、この格子マークＭＧｊ上には、波
長λ1 の送光ビーム±Ｄ11の干渉によって作られた干渉
縞及び波長λ2 の送光ビーム±Ｄ12の干渉によって作ら
れた干渉縞のが、レーザＬＳ１、ＬＳ２の点灯に同期し
て、同一周期、同一位相で交互に現れる。さらに、送光
ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの間の周波数差２・Δｆのた
め、その干渉縞は格子マークＭＧｊ上を一方向（格子マ
ークＭＧの周期方向）に等速度で移動しているように観
測される。そしてその移動速度は、回転ラジアル格子板
ＲＲＧの格子ＲＧの速度Ｖに比例している。これより明
らかなように、本実施例では回転ラジアル格子板ＲＲＧ
によって相対走査手段が構成されている。

【００７２】なお、図２から明らかなように、ウエハＷ
表面（格子マークＭＧｊ）とラジアル格子板ＲＲＧと
は、コリメータレンズ５と対物レンズ１１との合成系に
よって互いに共役（結像関係）になるように配置されて
いる。そのためラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの±１
次回折光による回折像が、ウエハＷの格子マークＭＧｊ
上に形成されるが、０次光Ｄ0 が遮へいされているため
格子ＲＧの振幅分布の周期の１／２の明暗像（干渉縞強
度分布）が形成される。

【００７３】本実施例では、その干渉縞のウエハＷ上で
の振幅の周期Ｐif（強度分布の周期の２倍）を、格子マ
ークＭＧｊの周期Ｐmgの２／Ｎ倍（Ｎは自然数）に設定
する。このとき、上記２波長のいずれについても、一方
の（第１の）入射ビーム（例えば＋ＬＦ）の格子マーク
ＭＧｊによる０次回折光（正反射光）と、他方の（第２
の）入射ビーム（例えば−ＬＦ）の格子マークＭＧｊに
よるＮ次回折光とは、同一方向に発生し互いに干渉する
第１の合成光束となり、また第２の入射ビームの格子マ
ークＭＧｊによる０次回折光と、第１の入射ビームの格
子マークＭＧｊによるＮ次回折光も、同一方向に発生
し、互いに干渉し合う第２の合成光束となる。そしてこ
れらの第１、第２の合成光束は、光源である入射ビーム
±ＬＦの周波数差に応じて、周波数２・Δｆで強度変調
されたビート光となっている。

【００７４】なお、このように、各０次回折光と各Ｎ次
回折光を同一方向に発生させるためには、別の見方をす
れば対物レンズ１１の焦点距離をＦ0 として各波長毎の
送光ビーム±ＬＦのフーリエ変換面（ビ−ムスプリッタ
ー近傍）上での間隔ＤＬn を、格子マークＭＧｊの検出
方向について

【数２】 ＤＬn ＝±Ｎ・Ｆ0・λn／Ｐmg ………（２） に設定すればよい。このような各波長毎の間隔ＤＬn の
設定は、回転ラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの周期や
コリメータレンズ５の焦点距離を適当に定めることで調
整可能である。

【００７５】さらには、格子マークＭＧｊが多少デフォ
ーカス（光軸ＡＸ方向にずれる）した状態でもその検出
位置に誤差が生じないように、送光ビーム±ＬＦは格子
マークＭＧ（ウエハＷ）に等傾角で入射すること、すな
わちフーリエ変換面上で光軸ＡＸから格子マークＭＧｊ
の検出方向にそれぞれ、ＤＬn ／２だけ離れた位置を通
ることが望ましい。

【００７６】すなわち、本実施例の位置検出装置１００
の構成は、従来の「０Ｎ次法」の構成に近いものとな
る。

【００７７】ところで、光学系５、１１等にわずかでも
色収差があると、ウエハＷ上に形成される干渉縞は、そ
れぞれの色で相互に位置ずれ（位相ずれ）、及び周期ず
れを起こしてしまう恐れがある。そこで、このようなず
れを補正するために、図２中の調整光学系７、８、９を
用いる。これらの光学系７、８、９は平行平板ガラスで
構成され、その材料として色分散の大きいものを用いる
と、各波長成分毎にウエハＷ上に形成される干渉縞の相
互の位置ずれや位相ずれを微小に変化させることができ
る。あるいは調整光学系７、８、９として、色分散の小
さい平行平板ガラスと色分散の大きい平行平板ガラスと
を組み合わせ、色分散の大きい平行平板ガラスの傾き調
整で各波長成分毎の干渉縞の相互の関係を補正し、その
補正によって生じる送光ビーム±ＬＦのウエハＷ上での
全体的な傾き誤差に関しては、色分散の小さい平行平板
ガラスの傾き調整で補正することができる。

【００７８】次に、前記受光光学系１０４について説明
する。この受光光学系１０４は、前記対物レンズ１１、
集光レンズ（フーリエ変換レンズ）１２、参照格子Ｓ
Ｇ、空間フィルタ１３、受光手段としての光電変換器
（ディテクタ）１５ａ、１５ｂ及び基準信号発生用の光
電変換器１４とを有している。ここで、この受光光学系
１０４について、上記構成各部の作用とともに説明す
る。

【００７９】前述したような干渉縞によって照明された
格子マークＭＧｊから発生した第１、第２の合成光束
Ａ、Ｂは、対物レンズ１１、ビームスプリッタ１０を通
過してそれぞれ光電変換器（ディテクタ）１５ａ、１５
ｂに入射し、その光量信号は電気信号ＩＡ、ＩＢに変換
される。この光電信号ＩＡ、ＩＢは、レーザ光源ＬＳ
１、ＬＳ２の交互の点灯により、波長λ1 の光束による
信号と波長λ2 の光束による信号とが、交互に現れる。
そして各波長での信号は、上記の干渉縞が格子マークＭ
Ｇｊ部分を照射する間、いずれもビート周波数２・Δｆ
と同じ周波数で変化する正弦波となる。

【００８０】一方、コリメータレンズ５の方からビーム
スプリッタ１０を透過した光束（送光ビーム±ＬＦ）
は、集光レンズ（フーリエ変換レンズ）１２に入射す
る。そして、透過型の参照格子ＳＧ上に重畳して照射さ
れる。ここでも参照格子ＳＧはコリメータレンズ５と集
光レンズ１２との合成系に関して回転ラジアル格子板Ｒ
ＲＧと共役に配置されている。このため参照格子ＳＧ上
にも１次ビーム±ＬＦの２光束干渉による１次元の干渉
縞が形成され、それはビート周波数２・Δｆに対応した
速度で移動する。

【００８１】そこで、参照格子ＳＧの周期とその干渉縞
の周期とを適当に定めると、参照格子ＳＧから発生した
±１次回折光が同一方向に干渉ビームＢmsとなって進
み、それは空間フィルタ１３を透過してディテクタ１４
に受光される。このディテクタ１４の光電信号Ｉmsも、
ビート周波数２・Δｆと同じ周波数の正弦波となり、そ
の信号Ｉmsがヘテロダイン方式の基準信号となる。もち
ろんこの基準信号Ｉmsも、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の
交互の点灯により、交互に波長λ1 の光束による信号と
波長λ2 の光束による信号とに変化する。

【００８２】なお、以上説明した本実施例の位置検出機
構系１１０では、光源として半導体レーザを用いるが、
この場合半導体レーザ（ＬＳ1 、ＬＳ2 ）と各ミラー
１、２とのそれぞれの間に非点収差除去用の整形光学系
（傾斜した複数枚の平行平板ガラス等）を設け、１本に
合成されたビームＬＢ0 の各波長成分毎の光束成分をほ
ぼ等しい径にするのが好ましい。

【００８３】図４には、位置検出装置１００を構成する
位置検出回路１２０の一例が示されている。この位置検
出回路１２０は、位相差検出回路ＳＡと、検出位置補正
回路ＣＡと、重み付けＥＧＡ処理回路ＷＥＧＡとを含ん
で構成されている。ここで、この位置検出回路１２０を
構成する各回路の役割を簡単に説明する。

【００８４】本実施例のようなヘテロダイン方式の場
合、前述の如く、上記の干渉縞が格子マークＭＧｊ部分
あるいは、基準マークＦＧを照射するとき、各光電信号
ＩＡ、ＩＢ及びＩmsは、いずれもビート周波数２・Δｆ
と同じ周波数の正弦波となる。これらの信号の一例が図
５に示されている。

【００８５】この内、図５（１）は、ディテクタ１５ａ
の出力である、第１の合成光束中の光量信号ＩＡを示
し、同図（２）はディテクタ１５ｂの出力である光量信
号ＩＢを示す。また、同図（３）はディテクタ１４の出
力である基準信号Ｉmsを示す。これらの信号の間には基
準信号Ｉmsを基準として、ΔＡ、ΔＢの位相差が存在す
る。そしてこれらの位相差量は、格子マークＭＧｊの位
置及び段差量に対応したものとなっている。またレーザ
光源を多波長化した場合、これらの信号の位相関係（Δ
Ａ、ΔＢ）やその振幅（最大値ＡMAX,ＢMAX,最小値ＡMI
N,ＢMIN ）の値は光源波長毎に異なったものとなる。

【００８６】図４の位置検出回路１２０においては、位
相差検出回路ＳＡにより、まずこれらの位相差ΔＡ、Δ
Ｂが検出される。この位相差を格子マークＭＧｊの位置
に変換するには、Ｎ・Ｐmg／（２π）倍（Ｎは前述の如
く格子マークＭＧｊの周期Ｐmgと格子マークＭＧｊ上に
形成する干渉縞の振幅の周期の比の倍）すれば良いが、
従来技術の説明の項で述べたとおり、「０Ｎ次法」で
は、これら２つの位相差からそれぞれ求めた検出位置の
平均値が、各波長についての格子マークＭＧｊの検出位
置であるので、位相差検出回路ＳＡは平均値ΔＸnとし
て、

【数３】 ΔＸn＝｛ΔＡn・Ｎ・Ｐmg／（２π）＋ΔＢn・Ｎ・Ｐmg／（２π）｝／２ …………（３） を出力する。ここで添字ｎは、検出光の波長の区別を表
す。すなわちレーザ光源が多波長である場合には各波長
（λn ）毎にこれを検出する。具体的には、図２中のレ
ーザ電源３より発生するレーザ点灯信号Ｌ0 がレーザＬ
Ｓ1 の点灯を示す間に取り込んだ信号ＩＡ、ＩＢ、及び
Ｉmsより求めた検出位置がΔＸ1 であり、レーザＬＳ2
の点灯を示す間に取り込んだ信号ＩＡ、ＩＢ、及びＩms
より求めた検出位置がΔＸ2 である。

【００８７】さらに、位相差検出回路ＳＡは、各入力信
号ＩＡ、ＩＢ、及び不図示のコンソール等から入力した
格子マークＭＧｊの凹部、凸部の各幅ａ，ｂに基づいて
格子マークＭＧｊの段差相当量δn を、真の段差を波長
λn の検出光束の格子マークＭＧｊの表面近傍での波長
λrnの半分λrn／２で除した剰余である光の位相量とし
て算出する。格子マークＭＧｊの表面近傍での波長λrn
とは、例えば格子マークＭＧｊが、レジストやガラス
（ＰＳＧ）等の透明物質で覆われている場合には、その
透明物質（媒体）中での波長を意味し、格子マークの表
面がむき出しになっている場合には、空気中の波長、す
なわちλn そのものを意味する。また、段差相当量δn
の算出アルゴリズムは本発明（実施例）の特徴であり、
その詳細については後述する。

【００８８】ところで、上記の検出位置ΔＸn とは基準
信号Ｉmsに対する位置ずれ（位相ずれ）量を検出したも
のであり、ウエハＷ上の格子マークＭＧｊそのものの位
置を検出したものではない。従って、基準信号Ｉmsから
求める上記位置ずれ量と、ウエハＷ上の位置を対応させ
るには、ウエハＷ上又はウエハステージＷＳＴ上に位置
基準が必要である。

【００８９】前述した基準マークＦＧは、この位置基準
となるマークであり、ウエハＷ上の格子マークＭＧｊの
位置検出に先立って、先ず基準マークＦＧの位置を検出
し、基準信号Ｉmsから求める上記位置ずれ量と、ウエハ
ステージＷＳＴ上の位置との関係を求めておく（ベース
ラインチェック）。具体的には、先ず、基準マークＦＧ
が位置検出ビーム±ＬＦ照射位置に位置するようウエハ
ステージＷＳＴを移動する。このウエハステージＷＳＴ
の移動は、主制御装置１０６によりレーザー干渉計１７
の出力をモニタしつつ駆動系１６を介して行なわれる。

【００９０】そして、位相差検出回路ＳＡでは上記のよ
うな位置検出を基準マークＦＧに対して行ない、基準信
号Ｉmsに対する基準マークＦＧの位置ΔＦＸn を求め
る。検出位置補正回路ＣＡは、この各波長毎の検出位置
ΔＦＸn と、このときのレーザー干渉計１７の出力ＬFG
を不図示のメモリに記憶する。この場合において、各波
長での干渉縞の位置がウエハＷ（及び基準マークＦＧ）
上で完全に一致するように光学系が調整されていれば、
ΔＦＸn は各波長λn で等しくなる。

【００９１】次に、主制御装置１０６により格子マーク
ＭＧｊの各設計座標値（Ｘｊ，Ｙｊ）に基づいてウエハ
ステージＷＳＴが移動され、ウエハＷ上のＭ個の格子マ
ークＭＧｊの位置検出が順次行なわれるが、検出位置補
正回路ＣＡは、そのステージ位置でのレーザー干渉計１
７の出力ＬMGj と、メモリに記憶した基準マークＦＧ検
出位置での出力ＬFGの差に、各波長毎の検出結果ΔＸn
を加え、さらに上記ΔＦＸn を引いた値Ｘjn'を、ｊ番
目の格子マークＭＧｊの各波長λn での検出位置 とし
て出力する。また、上記の段差相当量δn についても、
ｊ番目の格子マークＭＧｊの各波長λn での検出段差相
当量δjnとして出力する。

【００９２】以上により求まった検出位置ΔＸjn' 、段
差相当量δjnをもとに、重み付けＥＧＡ処理回路ＷＥＧ
Ａは、ウエハＷ上のＭ個の格子マークＭＧｊの「配列座
標系」を算出する。この配列座標系とは、従来のＥＧＡ
と同様、６個のパラメータＳx ，Ｓy ，Ｒx ，Ｒy ，Ｏ
x ，Ｏy により表される座標変換系であるが、その算出
方法の詳細は後述する。

【００９３】なお、これまでの説明では、説明の簡略化
のために、検出方向がＸ方向の各格子マークＭＧｊにつ
いて、Ｘ方向についてのみ位置検出を行なうものとした
が、一般にアライメント装置は、２次元の位置検出が必
要であり、実際には、露光装置２００では上記と同様の
位置検出装置（不図示）がＹ方向用としても設けられて
おり、当然ながらこの位置検出装置を用いてＹ方向の位
置についてもＹ方向の格子マークの位置検出を行なうよ
うになっている。

【００９４】次に、本実施例の特徴である、格子マーク
ＭＧｊの段差量の検出原理及び方法について説明する。

【００９５】図６には、格子マークＭＧｊの一例が拡大
して示されており、凹部の幅がａ、凸部の幅がｂ、両部
間の段差はｈであるとする。なお、図６及び以下の説明
では、簡略化のために格子マークＭＧｊ上にレジストは
塗布されていない、すなわちλrn＝λn となっているも
のとする。また、凹部、凸部のそれぞれの波長λ（λは
上記λn （ｎ＝１，２）のいずれか）の検出光に対する
振幅反射率は、φa 、φb であるとする。なお、このと
きに振幅反射率φa 、φb は、深さ方向に（図６中上下
方向に）同一位置の面内での反射光の振幅を表わすもの
とする。具体的に説明すれば、この基準面を格子マーク
ＭＧｊの凸部の表面とすると、例えばφa は、凹部表面
での振幅反射率に、段差ｈの往復光路差（位相差）に相
当する因子、すなわちｅｘｐ（４πｉｈ／λ）を掛けた
ものとなる。φb についても同様であるが、ここではマ
ークＭＧｊの凸部表面を基準面としているので、光路差
（＝０）の因子はｅｘｐ（４πｉ０／λ）＝１となる。
従って、φa とφb の位相差が求まれば、段差量ｈを求
めることができる。

【００９６】一般に、図６中の凹部、凸部のそれぞれか
ら発生する回折光の回折方向に対する振幅分布は、ｓｉ
ｎｃ関数として表される。例えば、幅ａの凹部から発生
する回折光の振幅分布は、図６の段差パターンの周期方
向に対して、

【数４】 ψA(ｕ) ＝ φa・sin（πａｕ）／（πｕ）………（４） となる。ここでｕは、回折角Θに対し、

【数５】 ｕ ＝ sinΘ／λn ………（５） であり、同様に幅ｂの凸部から発生する回折光の振幅分
布は、

【数６】 ψB(ｕ) ＝ φb・sin（πｂｕ）／（πｕ） （６） である。これらは、ｕ＝０（０次回折光）では、それぞ
れ、ａ・φa 、ｂ・φbとなる。

【００９７】そして、凹部，凸部が、図７の如くピッチ
Ｐで周期的に並んだパターンからの回折光の振幅分布
は、

【数７】 ψ(ｕ) ＝｛ψA(ｕ) ＋ψB(ｕ)・exp（πｉＰｕ）｝×Pir（ｕ） ……（７） Pir(ｕ) ＝ sin（ｌπＰｕ）／ sin（πＰｕ） ……（８） （ｌは周期的格子マークＭＧｊの繰り返しの数（整
数））となる。（７）式の導出に際し、凹部の中心を回
折光の位相の基準としたが、勿論凸部の中心を基準とし
てもかまわない。

【００９８】上記のPir（ｕ）は、回折格子の「周期
項」と呼ばれるものであり、格子マークＭＧｊの繰り返
し数ｌが大きければ、Ｋ次回折光に相当する、ｕ＝Ｋ／
Ｐ（Ｋは整数）でのみ０でない値ｌをもち、それ以外で
はほとんど０となる。本実施例においては格子マークＭ
Ｇｊからの０次回折光とＮ次回折光のみを使用するの
で、Pir（ｕ）を一定値（ｌ）としてよい。また、
（７）式中の exp（πｉＰｕ）は、０次回折光（ｕ＝
０）に於ては１となり、±Ｎ次回折光（ｕ＝±Ｎ／Ｐ）
に於ては（−１）^N となる。これより、図６に示される
ような格子マークＭＧｊから発生する０次及びＮ次回折
光、ψ0 、ψN は、それぞれ、

【数８】 ψ0 ＝ａ・φa ＋ｂ・φb ………（９） ψN ＝ａ'・φa ＋（−１）^N・ｂ'・φb ………（10） ａ' ＝Ｐ・sin（Ｎπａ／Ｐ）／π ………（11） ｂ' ＝Ｐ・sin（Ｎπｂ／Ｐ）／π ………（12） となる。

【００９９】このように、回折光振幅ψ0 、ψN が、振
幅反射率φa 、φb から導出される過程を、複素数の極
座標で表示したものが図７である。なお、図７中では、
簡略化のためにφa を実数（Real軸上）としているが、
φa 、φb 間の位相差（４πｈ／λ＝ωとする）が不変
であれば、φa を複素数としても導かれる結果は変わら
ない。また図７では、簡略化のためにＮ＝１の場合のみ
が図示されているが、以下の議論は２以上のＮについて
も同様に成り立つものである。

【０１００】図７（１）は、振幅反射率φa 、φb よ
り、０次回折光振幅ψ0 が決定されることを表し、図７
（２）は、振幅反射率φa 、φb より、１次回折光振幅
ψ1 が決定されることを表す。前述の如く振幅反射率φ
a と振幅反射率φb の間の位相差はωであるとしてい
る。図７（３）は、同図（１）、（２）より得られたψ
0,ψ1 を同一の極座標上に書き表したものであり、図中
のψ0 とψ1 の位相差（０次回折光と１次回折光の位相
差）Δは、図５の合成光束Ａ、Ｂの光量信号ＩＡ、ＩＢ
の「位相差」（すなわちΔＢ−ΔＡ）の半分の量に等し
い。すなわち、光量信号ＩＡn 、ＩＢn から測定できる
量である。もちろん、これはＮ＝１の場合のみに限った
ことではなく、任意のＮ（ψN ）で正しい。

【０１０１】また、ψN とψ0 の大きさの比（｜ψN
｜：｜ψ0 ｜）についても上記の合成光束の光量信号Ｉ
Ａn ，ＩＢn から測定することが可能である。両信号Ｉ
Ａn 、ＩＢn の最大値ＡMAXn、ＢMAXnは、ψ0 とψN が
同位相で振幅加算された状態での強度であり、最小値Ａ
MINn、ＢMINnは、ψ0 とψN が逆位相で振幅加算された
状態での強度であるから、

【数９】 ＡMAXn≒ＢMAXn≒（｜ψ0 ｜＋｜ψN ｜）² ………（13） ＡMINn≒ＢMINn≒（｜ψ0 ｜−｜ψN ｜）² ………（14） となる。また、両信号のコントラストγは、

【数１０】 γ＝（ＡMAXn−ＡMINn）／（ＡMAXn＋ＡMINn） ＝２・｜ψ0 ｜・｜ψN ｜／（｜ψ0 ｜² ＋｜ψN ｜² ）……（15） であるから、コントラストγを計測すれば、（15）式よ
り、

【数１１】 ｜ψN ｜＝β・｜ψ0 ｜ ………（16） β＝｛１±√（１−γ² ）｝／γ ………（17） となって、比βが求まる。式（17）中の±は、一義的に
は決定できないが、一般にＮ次回折光の強度は０次回折
光よりも弱いので、−（マイナス）の方を採用する。そ
して、これによりψN を、

【数１２】 ψN ＝β・ψ0 ・exp（ｉΔ） ………（18） と表すことが可能となる。

【０１０２】以上のΔ及びβが求まると、上記の、振幅
反射率から回折光振幅を導出した過程を逆にたどり、回
折光振幅ψ0 、ψN から、格子マークＭＧｊの振幅反射
率φa 、φb を求めることができる。具体的には、既知
となったパラメータをもとに、式（９）、（10）からな
る連立方程式を解けばよい。

【０１０３】一般に半導体集積回路の加工において、パ
ターン線幅の制御性は優れている。従って、格子マーク
ＭＧｊの凹部、凸部の幅ａ、ｂは、ほぼ設計値通りとな
っており、即ち既知である。そして、凹部、凸部の幅
ａ、ｂより算出されるａ',ｂ'も同じく既知である。こ
のため、式（９）、（10）からなる連立方程式中で、未
知の変数（計測されていない変数）はφa 、φb のみで
あり、従って連立方程式をφa 、φb について解くこと
ができる。その結果、

【数１３】 φa ＝｛ｂ'・ψ0 −（−１）^N・ｂ・ψN ｝ ／Ｃ ………（19） φb ＝（ａ'・ψ0 −ａ・ψN ）／Ｃ ………（20） （Ｃ＝ａ・ｂ' −（−１）^N・ａ'・ｂ）を得る。（ψN
には、式（18）が代入される。） 式（19）、（20）中で、ψ0 の位相は既知ではないが、
最終結果としてφa とφb の位相差（＝ω）が分かれば
良いので、ψ0 の位相（Real軸とのなす角）は任意の値
であって構わない。

【０１０４】以上により、式（19）、（20）から、φa
、φb の値（複素数）が求まる。そして、φa 、φbの
実数部、虚数部から両者それぞれの位相（ωa、ωb）が
求まる。即ち、

【数１４】 ωa ＝ tan^-1｛Im(φa)／Re(φa)｝ ………（21） ωb ＝ tan^-1｛Im(φb)／Re(φb)｝ ………（22） である。そして、両者の差ωb −ωa ＝ωとして、φa
、φb の位相差ωが求まる。位相差ωは、その絶対値
として最大で４π[rad] までの値をとり得るが、三角関
数（tan^-1 ）の周期性から、ωの値が２πを越える場
合、ω−２πをωとし、ωの値が負であるときには、ω
が正になるまで２πを加えたものをωとする。

【０１０５】この位相差ωは、前述の如く段差ｈの往復
光路差（位相差）に相当するものであり、

【数１５】ω＝４πｈ／λ、すなわち、 ｈ＝ω・λ／（４π） ………（23） の関係より、最終的に段差ｈを求めることができる。但
し、ここでの段差ｈは、上記のωの決定方法より、０か
らλ／２の範囲となる。すなわち、真の段差に対して、
検出光束の半波長で剰余をとったもの（以下、「ｈ’」
とする）となる。

【０１０６】なお、以上の説明は図６の如くレジストに
覆われていないマークに対するものであったが、レジス
トやガラス（ＰＳＧ）等の透明膜に覆われたマークにつ
いても上記論理はほとんどそのまま適用できる。但し、
上記論理中で振幅反射率はφa 、φb は、透明膜とマー
ク表面との多重干渉を考慮したものとし、（23）式中の
波長λは、透明膜中の波長（空気中の波長を透明膜の屈
折率で割った値）であるとすれば良い。

【０１０７】本実施例においては、以上の原理により、
格子マークＭＧｊの段差量を計測する。すなわち、図４
中の位相差検出回路ＳＡは、まず前述の位置検出時に求
めた各光量信号ＩＡ、ＩＢの基準信号Ｉmsとの位相差Δ
Ａ、ΔＢの差の半分の量Δを算出する。次に、位相差検
出回路ＳＡでは内部の不図示のピークホールド回路及び
ボトムホールド回路により、両信号の最大値ＡMAXn、Ｂ
MAXn、及び最小値ＡMINn、ＢMINnを検出し、これよりそ
れぞれの信号のコントラストγを算出する。なお、両信
号のコントラストは段差パターンによほどの非対称性が
ない限り等しいが、もし異なる場合はその平均値を採用
する。

【０１０８】位相差検出回路ＳＡは、さらにコントラス
トγと式（17）からψN とψ0 の大きさの比βを求め、
このβと上記位相差Δと式（18）からψN とψ0 の正確
な（複素数としての）関係を求める。

【０１０９】そして、位相差検出回路ＳＡは、例えばコ
ンソール（不示図）からオペレーターが入力する等の手
段により与えられた、格子マークＭＧｊの凹部、凸部の
各幅ａ、ｂ及び周期Ｐの値と式（11）、（12）とを用い
てａ'、ｂ' の値を算出し、これを式（19）、（20）に
代入し、φa 、φb の値（複素数）を算出する。そし
て、さらに式（21）、（22）より、φa 、φb のそれぞ
れの位相ωa 、ωb を求め、その差ωを前述の如く算出
する。なお、一般にはウエハ上の複数個の格子マークＭ
Ｇｊの凹部、凸部の各幅ａ，ｂは、すべてのマークで等
しい値である。

【０１１０】この位相差ωより、前述の如く（23）式か
ら、段差ｈ’を求めることももちろん可能である。しか
し、重み付けＥＧＡ回路ＷＥＧＡにおいては、検出位置
補正回路ＣＡによる各格子マークＭＧｊの（あるいはさ
らに各波長毎の）検出位置ΔＸjn' に対する重み付け
を、段差量そのものではなく、段差量の各検出波長に対
する位相量に基づいて行なうので、位相差検出回路ＳＡ
からの出力値は、段差ｈ’よりも、その位相量である方
が好ましい。その位相量δn とは、段差ｈの往復の位相
量ωの半分（δn ＝ω／２）である。この位相量δn も
真の位相量に対して、検出光の半波長相当の位相差
（π）で剰余をとったものとなる。

【０１１１】もちろん、重み付けＥＧＡ回路ＷＥＧＡに
おいて、上記検出位置ΔＸjn' に対する重み付けを、段
差量そのものに基づいて行なってもよく、その場合には
位相差検出回路ＳＡの出力値を、段差ｈ’とすればよ
い。しかし、（23）式から求まる段差ｈ’は、格子マー
クＭＧがレジスト等で覆われていると、レジスト等の屈
折率（格子マーク近傍での屈折率）の影響を受けるが、
δ＝ω／２の関係は、レジストの屈折率の影響を受けな
いので、上記選択は、位相量δn に基づいて行なった方
がよい。

【０１１２】但し、（23）式による段差ｈ’の算出時
に、波長λとして真空中の波長を使用するなら、ｈ’は
段差量としては正確な値ではないが、位相量δn と同じ
くレジストの屈折率の影響を受けなくなる。

【０１１３】以上の説明では、格子マークＭＧｊの例と
して、図６の如く、凹部と凸部の境界（側壁）が垂直な
マークについて段差相当量を検出する場合について説明
したが、側壁にテーパーのあるようなマークであって
も、もちろん高精度な段差検出が可能である。この場
合、入力する凹部、凸部の各幅ａ、ｂは、ａ＋ｂ＝Ｐで
はなくなるが、上記と同様これらａ、ｂの値に基づいて
マーク段差を算出すれば良い。

【０１１４】次に、本実施例の重み付けＥＧＡ処理回路
ＷＥＧＡについて説明する。

【０１１５】この重み付けＥＧＡ処理回路ＷＥＧＡは、
上で説明した格子マークＭＧｊの検出位置ΔＸjn'、段
差相当量δjnをもとに、ウエハＷ上のＭ個の格子マーク
ＭＧｊの「配列座標系」を算出する。なお、従来のＥＧ
Ａにおいても同様であるが、一般にウエハ上にステッパ
−等を用いて露光形成された微細パターンの各ショット
領域の配列精度は極めて良好であり、Ｍ個の格子マーク
の配列座標系すなわち、このＭ個の格子マークＭＧｊ
（ｊ＝１，２，………，Ｍ）を含むＭショットの配列座
標系は、全ショットの配列座標系とほとんど等価である
と考えてよい。

【０１１６】本実施例の重み付けＥＧＡ処理回路ＷＥＧ
Ａは、各格子マークＭＧｊの上記各検出位置ΔＸjn' 及
び各設計座標値（Ｘj ，Ｙj ）の統計処理において、各
検出位置Ｘjn' に含まれると推定される検出誤差に、逆
比例するような重み付けを行なう。検出誤差の推定は、
前述した「検出光束のレジスト中波長の（２ｍ＋１）／
４倍のマーク段差では、検出誤差が極めて小さくな
る。」という原理に基づいたもので、格子マークＭＧｊ
の各波長λn による検出段差相当量δjnが、π／２[ra
d] （検出光束の波長λn の１／４に相当（ｍ＝０：段
差相当量δjnは、半波長の剰余なのでｍ＞０は考慮しな
くて良い）に近いか否かによって行ない、その格子マー
クＭＧｊでの重み量を決定する。

【０１１７】この結果、最終的な配列座標系には、より
検出誤差の少ないマークの（及び波長での）検出位置が
より大きく反映され、検出誤差の大きなマークの（及び
波長での）検出位置（検出誤差）はあまり影響を及ぼさ
なくなるため、従来の重み付けを行なわない方法により
得られた配列座標系に比べより高精度なものとなる。

【０１１８】上記重みＷjn（ｊ番めのマークの波長λn
での位置検出結果Ｘjn' に対する重み）としては、例え
ば

【数１６】 Ｗjn＝ｃｏｓ（δjn−π／２） …………（24） や、

【数１７】 Ｗjn＝［１＋ｃｏｓ｛２・（δjn−π／２）｝］／２ …………（25） を使用する。もちろんウェイトＷjnは、上記以外にもδ
jnがπ／２近傍で大きく、π／２から離れる程小さくな
るものであればどのようなものであっても良い。

【０１１９】一般に、ＥＧＡでは、前述の如きｊ番めの
Ｘ方向計測用の格子マークＭＧｊの設計位置（Ｘj ，Yj
）、及びそのＸ方向の検出位置をＸjn'との間に、

【数１８】 Ｘjn' ＝Ｓx・Ｘj＋Ｒx・Ｙj＋Ｏx＋ΔＸjn …………（26） なる線型な関係を当てはめ、この時の残差ΔＸjnの２乗
和（ｊ及びｎについての和）が、最小になるように（最
小２乗法）、パラメータＳx，Ｒx，Ｏxの各値を決定す
る。また、同様にｋ番めのＹ方向計測用の格子マークＭ
Ｇｋの設計位置を（Ｘk ，Ｙk ）、そのＹ方向の検出位
置をＹkn' として、これらの間の関係、

【数１９】 Ｙkn' ＝Ｒy・Ｘk＋Ｓy・Ｙk＋Ｏy＋ΔＹkn …………（27） から、残差ΔＹknの２乗和が最小となるようにパラメー
タＳy，Ｒy，Ｏyの各値を決定する。ここで、Ｓx 、Ｓy
はそれぞれＸ、Ｙ方向へのマーク位置の（すなわちウ
エハの）伸縮量であり、Ｒx、Ｒyは、マーク位置の（す
なわちウエハの）回転量である。この回転量Ｒx、Ｒy
は、厳密に言えば、ＥＧＡに先立って行なわれるレチク
ルＲとウエハＷのグローバルアライメント（回転位置合
わせ）時の残存回転量と、ウエハ配列座標系の直交度誤
差と、上記Ｓx 、Ｓy との関数であるが、ここでは、説
明の簡略化のため、回転量Ｒx、Ｒyとする（このように
考えても結果的な差異はない）。

【０１２０】以前（前層）の露光工程でのパターンニン
グ（露光転写）は、回路パターンもマークも、もちろん
設計値通りに行なわれている。しかし、露光後の熱プロ
セス等により、ウエハに伸縮などが発生したり、前述し
たグローバルアライメントの精度等に起因してこれらの
線型誤差が生じるわけである。

【０１２１】残差ΔＸjnの２乗和とは、

【数２０】 ΣΔＸjn² ＝Σ（Ｘjn'−Ｓx・Ｘj−Ｒx・Ｙj−Ｏx）² …………（28） であり、これを最小とするパラメータＳx，Ｒx，Ｏx
は、

【数２１】 ∂ΣΔＸjn² ／∂Ｓx ＝０ …………（29） ∂ΣΔＸjn² ／∂Ｒx ＝０ …………（30） ∂ΣΔＸjn² ／∂Ｏx ＝０ …………（31） （偏微分値が０、即ち極小値）より、求めることができ
る。同様にして、（27）式で表されたＹ側のパラメータ
Ｓy，Ｒy，Ｏyも求めることができる。

【０１２２】従来のＥＧＡではこれらのパラメータの決
定に際し、各マークの検出誤差を考慮するようなことは
なかったが、本実施例においては前述のマークの段差相
当量δjnにより決まる重みＷjnにより、各マークの検出
誤差を考慮（重み付け）して各パラメータの決定を行な
う。具体的には（28）式の代わりに、

【数２２】 ΣΔＸjn² ＝Σ｛Ｗjn・（Ｘjn'−Ｓx・Ｘj−Ｒx・Ｙj−Ｏx）² ｝……（32） を用いて、残差ΔＸjnの重み付け２乗和を算出する。こ
れにより、重みＷjnの大きな検出値Ｘjn' は、偏微分に
よるパラメータＳx，Ｒx，Ｏx の決定に際しても大きな
「重み」を持つこととなる。パラメータＳx，Ｒx，Ｏx
は、この新たな値をもとに、（29）〜（31）式から求め
るが、その方法は従来のＥＧＡと同様である。

【０１２３】また、上記（29）〜（31）式は、以下の行
列式、

【０１２４】

【数２３】

【０１２５】と等価であるので、上記の行列式（34）を
解くことにより、パラメータＳx，Ｒx，Ｏx が求まるこ
とも従来のＥＧＡと同様である。もちろん、行列式の中
に重みＷjnが含まれる点は従来のＥＧＡとは異なる。

【０１２６】同様に、Ｙ側のパラメータＳy，Ｒy，Ｏy
についても上記と同様に重み付けした２乗和

【数２４】 ΣΔＹkn² ＝Σ｛Ｗkn・（Ｘkn'−Ｒy・Ｘk＋Ｓy・Ｙk＋Ｏy）² ｝……（35） をそれぞれ偏微分することにより決定する。

【０１２７】以上により、パラメータＳx,Ｓy,Ｒx,Ｒy,
Ｏx,Ｏy が決定され、これらのパラメータによって、ウ
エハＷ上の各露光ショットの配列が推定さる。即ち、各
ショット領域の設計位置が（Ｘe，Ｙe）であるとすると
き、（26）式、（27）式に従って、各ショット領域の実
際の位置（Ｘe'，Ｙe'）が、

【数２５】 Ｘe'＝Ｓx・Ｘe＋Ｒx・Ｙe＋Ｏx ………（36） Ｙe'＝Ｒy・Ｘe＋Ｓy・Ｙe＋Ｏy ………（37） として算出される（検出される）。

【０１２８】次に、本実施例の露光装置２００による重
ね合わせ露光時の処理の流れについて、簡単に説明す
る。

【０１２９】前提として、ウエハＷ上には、前層露光時
に所定のショット領域（微細パターン領域）及び各ショ
ット領域に付随するＸ方向位置計測用の格子マーク及び
Ｙ方向位置計測用の格子マークが既に形成され、現像等
の処理の後、ウエハステージＷＳＴ上にウエハが搭載さ
れ、前述したグローバルアライメントは完了しているも
のとする。

【０１３０】 まず、最初に、前述したベースライン
計測を行なう。ここで、ベースライン量とは、レチクル
Ｒの中心ＣＣr のウエハ側への投影点（ほぼ光軸ＡＸ上
に一致している）と、図１に示される位置検出機構系１
１０の検出中心点Ｒf4のウエハ側への投影点との間の
Ｘ、Ｙ方向の位置関係にほかならない。その位置関係
は、基準マーク板ＦＰの対応したマークＦＧと、検出中
心点Ｒf4の投影点との位置ずれ量を位置検出装置１００
で検出するとともに、その時のウエハステージＷＳＴの
座標位置をレーザ干渉計１７によって検出することで求
めることができる。

【０１３１】 次に、ウエハＷ上の複数のショット領
域の中の特定の数箇所、例えば８〜１５箇所のショット
領域にそれぞれ付設された格子マークから成るＸ方向、
Ｙ方向それぞれの位置検出用のアライメントマークの位
置及び段差相当量をＸ、Ｙ方向位置検出用の位置検出装
置１００をそれぞれ用いて、前述した如く、各波長毎に
求める。

【０１３２】 次いで、位置検出装置１００の位置検
出回路１２０では、これらの検出位置のデータ、検出段
差相当量、マークの設計値のデータ、ショット配列の設
計値のデータ等から前述した重み付けＥＧＡ処理を行な
って、ウエハ上の全てのショット領域の配列座標系を求
め、メモリに格納して置く。

【０１３３】 そして、実際の露光の際には、ステッ
プ・アンド・リピート方式でステッピングと露光を繰り
返す。このステッピングの際に、主制御装置１０６によ
り、メモリに格納されたショット配列座標に従って、レ
ーザ干渉計１７の出力をモニタしつつ駆動系１６を介し
てウエハステージＷＳＴの２次元移動が行なわれ、ウエ
ハＷ上のショット領域が順次投影光学系ＰＬのイメージ
フィールド内に位置決めされる。

【０１３４】この場合、演算された配列座標に従って、
ウエハステージＷＳＴの２次元移動を行なうだけで、各
ショットがレチクルＲとアライメントされる。そして、
各位置決め位置で不図示の露光光源からの露光光により
レチクルＲが照明されると、レチクルの回路パターンが
各ショット領域に重ね合わせ露光される。

【０１３５】これまでの説明から明かなように、本実施
例では、位相差検出回路ＳＡによって段差検出手段が構
成され、位相差検出回路ＳＡと検出位置補正回路ＣＡに
よって位置検出手段が構成され、重み付けＥＧＡ回路Ｗ
ＥＧＡによって演算手段が構成されている。

【０１３６】以上説明したように、本実施例によると、
ＥＧＡによるショット配列の算出に際し、各アライメン
トマーク（格子マーク）の位置検出の誤差の程度を、各
マークの段差相当量に基づいて推定し、この誤差の程度
に応じて重み付けをして最小２乗法を用いた統計的処理
によりショット配列の座標系を算出しているので、この
算出された配列座標系に従ってウエハステージＷＳＴの
２次元移動が行なわことにより、結果的に、従来に比べ
て高精度な重ね合わせが可能となる。

【０１３７】また、本実施例によると、複数波長のそれ
ぞれについて格子マークの位置検出、段差相当量の検出
を行なっているので、それぞれの波長での位置検出結果
及び段差検出結果を用いて、上記重み付けＥＧＡの処理
が行なわれ、この際に重み付けは、各格子マークに対す
る各波長の優劣（段差対波長の関係）に対しても行なわ
れ、より一層高精度な重ね合わせが可能となる。

【０１３８】しかしながら、本発明が必ずしも上記実施
例のような多波長レーザ光源を使用する場合に限定され
ることはなく、単一波長の光源を使用しても良い。単一
の波長による検出結果を使用する場合、重み付けは各格
子マークの検出結果そのものに対して、すなわちウエハ
面内での各格子マークの段差量の加工精度バラツキや、
レジストの塗布ムラに対して行なわれることになる。

【０１３９】なお、上記実施例では、複数の波長の光束
を交互に格子マークに照射して位置検出を行なう場合に
ついて例示したが、本発明がこれに限定されるものでは
なく、例えば、格子マークＭＧに対し、複数波長の光束
を同時に照射し、受光部においてダイクロイックミラー
を用いて第１、第２の合成光束を波長毎に分離し、各波
長毎に別々に設けたディテクタによりそれぞれ受光する
ようにしてもよい。このようにした場合には、受光光学
系や信号処理系が多少複雑になるものの、各波長につい
ての検出を同時に行なえるため、計測時間が短くて済む
というメリットがある。

【０１４０】また、上記実施例では、段差検出におい
て、ψN とψ0 の大きさの比の算出は、光量信号ＩＡn
，ＩＢn のコントラストから算出するものとしたが、
本発明がこれに限定されるものではなく、例えば、Ｎ次
回折光と０次回折光の光量比自体を測定し、その平方根
を用いてもよい。

【０１４１】Ｎ次回折光と０次回折光の光量比の検出方
法としては、例えば、図２中の光束選択部材６の近傍
に、送光ビーム±ＬＦの少なくともどちらか一方を遮光
可能なシャッタを設け、上述の位置検出の終了後、また
は開始前に、このシャッタにより±ＬＦのどちらか一方
を遮光し、このときにディテクタ１５ａ、１５ｂより得
られる光量信号ＩＡ，ＩＢの各強度比を求めればよい。
このときには、格子マークＭＧに入射するビームは、各
波長につき一本であるから、それぞれの光量信号ＩＡ，
ＩＢには、ビートはなく、ＤＣ信号となっている。そし
て、前記シャッタにより例えば送光ビーム−ＬＦを遮光
した場合、ディテクタ１５ａには、送光ビーム＋ＬＦの
格子マークＭＧによる０次回折光のみが入射し、光量信
号ＩＡは各波長での０次回折光の光量を示し、ディテク
タ１５ｂには、送光ビーム＋ＬＦの格子マークＭＧによ
る１次回折光のみが入射し、光量信号ＩＢは各波長での
Ｎ次回折光の光量を示すことになる。

【０１４２】なお、このようにどちらか一方の送光ビー
ムを遮光すると、位置検出、段差量検出はともに不可能
となる。また、一般にシャッタの開閉には、かなりの時
間を要するので、各レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の各点灯
中にシャッタを開閉するのではなく、シャッタを開きレ
ーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２を交互に点灯し、光量信号光Ｉ
Ａ，ＩＢをそれぞれ受光した後、シャッタを閉じてレー
ザを再び交互点灯し各波長毎の０次回折光とＮ次回折光
の光量を計測すると良い。

【０１４３】このように、０次回折光とＮ次回折光の光
量を直接計測する方式では、（17）式の符号の決定に関
する不確定さが残る前述のコントラストからの算出法に
比べ、ψN とψ0 の大きさの比をより正確に測定するこ
とができる。

【０１４４】なお、上記実施例では、説明を簡略化する
ために、周波数シフターとして回転ラジアル格子板ＲＲ
Ｇを用いる場合を例示したが、本発明がこれに限定され
るものではなく、周波数シフターとして２つの音響光学
変調器（ＡＯＭ）を用いたり、中心波長λ1 で発振する
第１のゼーマンレーザ光源と中心波長λ2 で発振する第
２のゼーマンレーザ光源とを光源として用いてもよい。
また、各種ダイクロイックミラーはプリズム等の分散素
子に置き換えてもよい。

【０１４５】また、上記実施例では、２つの波長の検出
光を用いる場合を例示したが、２波長に限らず任意の複
数波長の検出光を用いてもよい。

【０１４６】なお、上記実施例では、位置検出用入射ビ
ーム±ＬＦのそれぞれで周波数を異ならせるヘテロダイ
ン方式を採用した場合、換言すれば、格子マークと干渉
縞とを周期方向に相対走査する相対走査手段を、波長の
異なる複数組の可干渉な光ビームの対うちの、第１の光
ビームの周波数と第２の光ビームの周波数とを僅かに異
ならせ、これにより形成される干渉縞を格子マーク上で
周期方向に等速度で移動させる手段（回転ラジアル格子
板）により構成した場合を例示したが、本発明がこれに
限定されるものではない。例えば、入射ビーム±ＬＦの
周波数を等しくし（ホモダイン方式）、代わりに位置検
出時にウエハステージＷＳＴを検出方向に走査させる方
式を採用し、このウエハステージＷＳＴにより格子マー
クと干渉縞とを周期方向に相対走査する相対走査手段を
構成しても良い。この場合にも、各信号はウエハステー
ジＷＳＴの走査スピードに比例した等しいビート周波数
を持つ正弦波となり、上記と同様の検出が行なえる。か
かるホモダイン方式では、周波数シフター（回転ラジア
ル格子板ＲＲＧ等）が不要で、送光光学系が簡素化され
るというメリットがある。

【０１４７】一方、ヘテロダイン方式では、検出中はウ
エハステージＷＳＴを停止させて置けばよく、ヘテロダ
インによる高Ｓ／Ｎ化の他にも、ウエハステージＷＳＴ
を等速で走査させるための制御機構が不要であること、
また、検出中に、ウエハステージＷＳＴ位置をモニタす
るレーザ干渉系２２の出力（ＬFG，ＬMG）の揺らぎ（主
に空気揺らぎ）を平均化できるというメリットもある。

【０１４８】なお、上記実施例中で説明した位置検出回
路１２０及び主制御装置１０６の機能は、実際には、ソ
フトウェアにより実現可能であり、従って、単一のコン
ピュータによってこれらを構成することも勿論可能であ
る。

【０１４９】また、上記実施例では、オフアクシスアラ
イメント検出系に本発明に係る位置検出装置が適用され
る場合について説明したが、その他のスルーザレンズ
（ＴＴＬ）アライメント検出系やスルーザレチクル（Ｔ
ＴＲ）アライメント検出系にも本発明の位置検出方法及
びその装置は、同様に適用できるものである。

【０１５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
「干渉式アライメント」において、格子マークの位置の
みならず、その段差相当量をも検出することが可能とな
り、この格子マークの段差相当量に基づいて、その格子
マークの検出位置に伴う検出誤差を推定することができ
る。そして、格子マークを複数個検出し、それぞれの検
出位置にそれぞれの検出誤差に逆比例するような重みを
つけて、マーク検出位置とマーク及び微細パターンの配
列座標の設計データを用いた統計処理（重み付けＥＧ
Ａ）をすることから、基板上の全ての微細パターンの位
置（配列座標系）を従来に比べてより高精度に検出する
ことができるという効果がある。

【０１５１】特に、請求項３、請求項１０に記載の発明
では、上記の微細パターンの配列座標系の検出結果（算
出結果）に基づいて重ね合わせ露光するため、従来に比
べより高精度な重ね合わせ（アライメント）が可能とな
る。

【０１５２】さらに、請求項２、請求項８、９に記載の
発明のように、干渉式アライメントの検出光束を複数波
長化することで、さらに高精度な微細パターンの位置検
出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る露光装置の構成を示す図であ
る。

【図２】図１の位置検出装置を構成する位置検出機構系
の概略構成を示す図である。

【図３】回転ラジアル格子板による回折ビームの発生の
様子を示す斜視図である。

【図４】図１の位置検出装置を構成する位置検出回路の
一例を示すブロック図である。

【図５】（１）は図１のディテクタ１５ａの出力である
光束Ａの光量信号ＩＡを示す線図、（２）はディテクタ
１５ｂの出力である光量信号ＩＢを示す線図、（３）は
ディテクタ１４の出力である基準信号Ｉmsを示す線図で
ある。

【図６】格子マークＭＧの一例を拡大して示す図であ
る。

【図７】回折光振幅ψ0 、ψN が振幅反射率φa 、φb
から導出される過程を、複素数の極座標で表示する図で
あって、（１）は振幅反射率φa 、φb より、０次回折
光振幅ψ0 が決定されることを表す図、（２）は振幅反
射率φa 、φb より、１次回折光振幅ψ1 が決定される
ことを表す図、（３）は同図（１）、（２）より得られ
たψ0,ψ1 を同一の極座標上に書き表した図である。

【図８】本発明着想の起因となったシミュレーションの
結果の一例を示す図であって、（１）はマーク段差ｈ
が、50、100 、150 、200nm の場合の結果を横軸レジス
ト厚ｄ［μｍ］、縦軸位置検出誤差［μｍ］として示す
図、（２）はマーク段差ｈが、250 、300 、350 、400
nmの場合の結果を（１）と同様に示す図である。

【図９】（１）は図８のシミューレーション結果の前提
となる格子マークの断面を示す図、（２）はその１周期
分の拡大図である。

【符号の説明】

１５ａ、１５ｂ ディテクタ（受光手段） １００ 位置検出装置 １０２ 送光光学系 ２００ 露光装置 Ｗ ウエハ（基板） ＭＧ 格子マーク ＲＲＧ 回転ラジアル格子板（相対走査手段） ＳＡn 位相差検出回路（段差検出手段、位置検出手段
の一部） ＣＡn 検出位置補正回路（位置検出手段の一部） ＷＥＧＡ 重み付けＥＧＡ回路（演算手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｗ ５２５Ｘ ５２５Ｎ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微細パターン、及び特定の方向に周期性
   （周期＝Ｐ）を持って凹部と凸部を繰り返す位置検出用
   の格子マークが、複数ケ所（Ｍ個以上）にそれぞれ形成
   された基板に対し、前記複数ケ所の格子マークの前記周
   期方向の位置を検出し、かつそれらの検出位置を統計処
   理して、前記基板全面の前記微細パターンの位置を検出
   する位置検出方法であって、 前記複数ケ所の格子マーク上に、可干渉な光ビームの対
   をそれぞれ入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎは自
   然数）でその周期方向が前記各格子マークの周期方向に
   等しい干渉縞をそれぞれ形成するとともに、前記各干渉
   縞と前記格子マークとを前記周期方向に相対走査する第
   １工程と；前記複数ケ所の格子マークによる前記入射光
   ビームの反射・回折光のうち、第１の光ビームの正反射
   光と第２の光ビームのＮ次回折光との合成光束である第
   １の合成光束と、前記第２の光ビームの正反射光と前記
   第１の光ビームのＮ次回折光との合成光束である第２の
   合成光束とを、順次かつそれぞれ別々に受光して光電変
   換する第２工程と；前記第２工程で順次得られる前記第
   １、第２の合成光束の各光量信号の前記相対走査に伴う
   変化より、前記複数ケ所の格子マークの位置を順次検出
   する第３工程と；前記複数箇所の各格子マークの段差相
   当量を、前記第２工程で順次得られる第１、第２の合成
   光束の各光量信号の前記相対走査に伴う変化と前記各格
   子マークの設計データとに基づいて、前記各格子マーク
   の段差を前記入射光ビームの当該各格子マーク表面近傍
   の媒質中での波長の半分で除した剰余として、順次算出
   する第４工程と；前記複数ケ所の中のｊ番目（ｊは１か
   らＭ）の格子マークの前記段差相当量が、前記入射光ビ
   ームの当該ｊ番目の格子マーク表面近傍での波長の１／
   ４に近い場合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に
   大きな重みを付け、前記波長の１／４から離れている場
   合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に小さな重み
   を付けて前記複数箇所の格子マークの検出位置を統計処
   理して前記基板全面の前記微細パターンの位置を算出す
   る第５工程とを含む位置検出方法。
2. 【請求項２】 前記第１工程において、前記複数ケ所の
   格子マーク上に、可干渉な光ビームの対を波長の異なる
   複数組それぞれ入射し、振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎ
   は自然数）でその周期方向が前記各格子マークの周期方
   向に等しい干渉縞をそれぞれ形成するとともに、前記各
   干渉縞と前記各格子マークとを前記周期方向にそれぞれ
   相対走査し、 前記第２ないし第４工程の処理を、各波長毎に行って前
   記各格子マークの位置及び段差相当量を各波長毎に検出
   し、 前記第５工程において、それぞれの波長での前記格子マ
   ークの位置検出結果及び段差相当量の検出結果を用い
   て、各波長毎に前記複数箇所の格子マークの検出位置を
   前記重み付け統計処理を行い、前記基板全面の前記微細
   パターンの位置を算出することを特徴とする請求項１に
   記載の位置検出方法。
3. 【請求項３】 感光基板上の微細パターンが形成された
   所定のショット領域を露光位置に順次位置決めしつつ、
   マスクに形成されたパターンを前記各ショット領域に転
   写して重ね焼き露光を行なう露光方法であって、 露光開始に先だって、請求項１又は２に記載の位置検出
   方法により前記感光基板上の各ショット領域の配列座標
   を算出後、 この算出された配列座標に従ってショット領域を露光位
   置に順次位置決めしつつ重ね焼き露光を行なうことを特
   徴とする露光方法。
4. 【請求項４】 微細パターン、及び特定の方向に周期性
   （周期＝Ｐ）を持って凹部と凸部を繰り返す位置検出用
   の格子マークが、複数ケ所（Ｍ個以上）にそれぞれ形成
   された基板に対し、前記複数ケ所の格子マークの前記周
   期方向の位置を検出し、かつそれらの検出位置を統計処
   理して、前記基板全面の前記微細パターンの位置を検出
   する位置検出装置であって、 前記複数ケ所の格子マーク上に、振幅分布の周期が２Ｐ
   ／Ｎ（Ｎは自然数）でその周期方向が前記各格子マーク
   の周期方向に等しい干渉縞をそれぞれ形成すべく、可干
   渉な光ビームの対をそれぞれ入射する送光光学系と；前
   記複数ケ所の格子マークによる前記入射光ビームの反射
   ・回折光のうち、第１の光ビームの正反射光と第２の光
   ビームのＮ次回折光との合成光束である第１の合成光束
   と、前記第２の光ビームの正反射光と前記第１の光ビー
   ムのＮ次回折光との合成光束である第２の合成光束と
   を、それぞれ別々に光電変換する受光手段と；前記各格
   子マークと前記干渉縞とを前記周期方向に相対走査する
   相対走査手段と；前記受光手段より得られる前記第１、
   第２の合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変化よ
   り、前記複数ケ所の格子マークの位置をそれぞれ検出す
   る位置検出手段と；前記複数箇所の各格子マークの段差
   相当量を、前記受光手段より得られる前記第１、第２の
   合成光束の光量信号の前記相対走査に伴う変化と前記各
   格子マークの設計データとに基づいて、前記各格子マー
   クの段差を前記入射光ビームの当該各格子マーク表面近
   傍の媒質中での波長の半分で除した剰余として、それぞ
   れ検出する段差検出手段と；前記複数ケ所の中のｊ番目
   （ｊは１からＭ）の格子マークの前記段差相当量が、前
   記入射光ビームの当該ｊ番目の格子マーク表面近傍での
   波長の１／４に近い場合には、該ｊ番目の格子マークの
   検出位置に大きな重みを付け、前記波長の１／４から離
   れている場合には、該ｊ番目の格子マークの検出位置に
   小さな重みを付けて前記複数箇所の格子マークの検出位
   置を統計処理して前記基板全面の前記微細パターンの位
   置を算出する演算手段とを有する位置検出装置。
5. 【請求項５】 前記位置検出手段は、前記相対走査に伴
   う前記第１の合成光束と第２の合成光束の各光量信号変
   化の各位相に基づいてそれぞれ求めた検出位置の平均値
   を前記各格子マークの位置として検出することを特徴と
   する請求項４に記載の位置検出装置。
6. 【請求項６】 前記段差検出手段は、前記各格子マーク
   の前記凹部と凸部の各幅の比率と、前記相対走査に伴う
   前記第１の合成光束と前記第２の合成光束の各光量信号
   変化の位相差及びコントラストとに基づいて前記各格子
   マークの段差相当量を算出することを特徴とする請求項
   ４又は５に記載の位置検出装置。
7. 【請求項７】 前記各格子マークより反射・回折する０
   次回折光とＮ次回折光との光量比を計測する光量比計測
   手段を更に有し、 前記段差検出手段は、前記各格子マークの前記凹部凸部
   の各幅の比率と、前記相対走査に伴う前記第１の合成光
   束と前記第２の合成光束との各光量信号変化の位相差
   と、前記光量比計測手段により得られた前記光量比とに
   基づいて前記各格子マークの段差相当量を算出すること
   を特徴とする請求項４又は５に記載の位置検出装置。
8. 【請求項８】 前記送光光学系に代えて、前記複数ケ所
   の格子マーク上に、順次振幅分布の周期が２Ｐ／Ｎ（Ｎ
   は自然数）でその周期方向が前記各格子マークの周期方
   向に等しい干渉縞を形成すべく、可干渉な光ビームの対
   を波長の異なる複数組入射する送光光学系が設けられ、 前記受光手段、前記位置検出手段及び前記段差検出手段
   は、前記複数の異なる波長毎に前記それぞれの処理を行
   ない、 前記演算手段は、それぞれの波長での前記各格子マーク
   の位置検出結果及び段差検出結果を用いて前記統計処理
   を行なうことを特徴とする請求項４ないし７のいずれか
   一項に記載の位置検出装置。
9. 【請求項９】 前記送光光学系は、前記複数ケ所の格子
   マーク上に波長の異なる複数組の可干渉な光ビームの対
   を波長毎に時分割的に入射することを特徴とする請求項
   ８に記載の位置検出装置。
10. 【請求項１０】 感光基板上の微細パターンが形成され
    た所定のショット領域を露光位置に順次位置決めしつ
    つ、マスクに形成されたパターンを前記各ショット領域
    に転写して重ね焼き露光を行なう露光装置であって、 前記請求項４ないし９のいずれか一項に記載の位置検出
    装置を前記感光基板上の各ショット領域の配列座標系の
    検出用として備え、この検出された配列座標系に従って
    重ね焼き露光を行なうことを特徴とする露光装置。