JPH1050580A

JPH1050580A - 位置検出装置及び該装置を備えた露光装置

Info

Publication number: JPH1050580A
Application number: JP8207101A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-08-06
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 1998-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】検出対象の回折格子マークのピッチに対して
高精度に検出用の光束を整合できると共に、異なるピッ
チの回折格子マークに対してもほぼリアルタイムで迅速
に対応できるヘテロダイン干渉型の位置検出装置を提供
する。【解決手段】所定の帯域幅を有する光束Ｌ₀を音響光
学素子１７に通して±１次回折光よりなる光束Ｌ₁(1)，
Ｌ₂(-1) を得て、光束Ｌ₁(1)，Ｌ₂(-1) をリレー光学系
１８ａ，１８ｂや対物レンズ３８等を介して回折格子マ
ークＲＭ，ＷＭ上に照射し、回折格子マークＲＭ，ＷＭ
からの回折光を光電検出器３３，３６で受光する。ＡＯ
Ｍ駆動系６０から音響光学素子１７に加える高周波信号
ＳＦ₁,ＳＦ ₂の周波数ｆ₁,ｆ₂を可変として、例えば回
折格子マークＲＭ，ＷＭのピッチに応じて周波数ｆ₁,ｆ
₂の差周波数を一定とした状態で周波数ｆ₁,ｆ₂を変化
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロダイン干渉
型の位置検出装置、及びこの装置を備え、例えば半導体
素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜
磁気ヘッド等を製造するためのリソグラフィ工程で使用
される露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子等の微細パターンを形
成するために、マスクとしてのレチクル（又はフォトマ
スク等）のパターンを投影光学系を介して感光基板とし
てのウエハ（又はガラスプレート等）上に転写するステ
ッパー等の投影露光装置、又はレチクルのパターンを直
接ウエハ上に転写するプロキシミティ方式の露光装置等
の露光装置が使用されている。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所定の位置関係で積み重
ねて形成されるため、ウエハ上の２層目以降に回路パタ
ーンを転写する際には、それまでに形成されている各シ
ョット領域内の回路パターンとこれから転写するレチク
ルのパターンとの位置合わせ（アライメント）を高精度
に行う必要がある。そこで、露光装置には、レチクル及
びウエハの位置を高精度に検出するための位置検出装置
（アライメントセンサ）、及びこの検出結果に基づいて
レチクル及びウエハの位置決めを行うためのステージ機
構等からなるアライメント機構が備えられている。

【０００３】そのようにレチクル及びウエハの位置を高
精度に検出するための位置検出装置として、次の（イ）
及び（ロ）のようなヘテロダイン干渉型の装置が提案さ
れている。（イ）この位置検出装置は、白色光源からの光束（又
は複数波長のレーザ光）を例えば回折格子で２分割し、
２分割した光束を対称に第１の音響光学素子（以下、
「ＡＯＭ」と呼ぶ）に通すことによってそれぞれ０次
光、及び等方的なブラッグ回折による１次回折光を得て
いる。また、その第１のＡＯＭに対してリレー光学系を
介して第２のＡＯＭが配置され、第１のＡＯＭからの２
つの１次回折光の第２のＡＯＭにおける等方的なブラッ
グ回折による１次回折光が取り出されている。この場
合、第１及び第２のＡＯＭには所定の周波数差Δｆを有
する超音波が印加され、第２のＡＯＭから射出される２
つの１次回折光は、周波数差が２Δｆの光束（ヘテロダ
インビーム）となっている。一般にＡＯＭは駆動周波数
が高く、そのままでは得られるヘテロダインビームの周
波数差が高過ぎて信号処理系が複雑化するため、そのよ
うに２つのＡＯＭを配列することによってヘテロダイン
ビームの周波数差をビートダウンしている訳である。

【０００４】そして、その周波数差を持つ２光束をレチ
クル及びウエハ上のアライメントマークとしての各回折
格子マークに対して２方向から照射し、各回折格子マー
クからそれぞれ同一方向に発生する回折光同士を干渉さ
せ、各々の干渉光をそれぞれ光電検出器により光電変換
して２つの光ビート信号を得ている。これら２つの光ビ
ート信号の位相差は、２つの回折格子マークの位置ずれ
量に対応するため、それらの光ビート信号を用いてレチ
クルとウエハとの高精度な位置合わせが実現されてい
る。この構成によれば、ＡＯＭの段階で異なる周波数の
光束同士が混じることが無く、良好なＳＮ比の光ビート
信号が得られる。

【０００５】（ロ）この位置検出装置では、ヘテロダ
インビームを生成する光学系において、１つのＡＯＭ内
に周波数の異なる逆向きの超音波が印加されている。そ
して、所定の帯域幅を有する光束をそのＡＯＭに入射さ
せて、そのＡＯＭでの等方的なラマン−ナス回折によっ
て発生する所定の周波数差を有する±１次回折光を、所
定のリレー光学系を介してレチクル及びウエハ上の各回
折格子マークに照射している。この構成によれば、ヘテ
ロダインビームを生成する光学系を簡略化し、且つ小型
化できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術の内で、
（イ）の位置検出装置では、光束分割用の初段の回折格
子が、検出対象の回折格子マーク（アライメントマー
ク）と共役になり、その回折格子のピッチとその回折格
子マークのピッチとの比の値は所定の値になる。そのた
め、例えばプロセス等によって検出対象の回折格子マー
クのピッチが変わる場合には、予めその回折格子とその
回折格子マークとの間に倍率可変機構を組み込んでおく
必要があった。また、その回折格子とその回折格子マー
クとの間のリレー光学系に倍率誤差がある場合には、そ
のリレー光学系の倍率を調整する必要があった。

【０００７】一方、（ロ）の位置検出装置では、ＡＯＭ
の媒体中の進行波の発生部分が回折格子マークと共役に
なるため、その進行波のピッチがリレーされた後にその
回折格子マークのピッチに整合する必要がある。そし
て、従来のＡＯＭには一定周波数の超音波が印加され、
生成される進行波のピッチは一定であったため、（イ）
の位置検出装置と同様に、ピッチの異なる回折格子マー
クの位置検出を行うためには、リレー光学系中に倍率可
変機構を設ける必要があり、且つそのリレー光学系の倍
率調整を行う必要のある場合もあった。

【０００８】しかしながら、光束分割用の回折格子又は
ＡＯＭ中の進行波のピッチと検出対象の回折格子マーク
のピッチとの整合に際して必要な精度は、通常でも０．
１％以下であり、このように高精度な整合性を得るため
の倍率可変機構は複雑で、その調整にも長い時間を要す
るという不都合があった。同様に、リレー光学系の倍率
調整を行う必要のある場合にも、その調整には長い時間
を要するという不都合があった。

【０００９】更に、最近はウエハ上のレイヤに応じてピ
ッチが例えば４μｍ、６μｍ、又は８μｍ等の複数種類
の回折格子マークを順次検出対象としなければならない
場合もある。しかしながら、従来の位置検出装置では、
倍率可変機構やリレー光学系での調整の難しさから、検
出対象の回折格子マークのピッチに応じて短時間で検出
機構を切り換えることは困難であるという不都合があっ
た。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、光学系を複雑化
することなく、検出対象の回折格子マークのピッチに対
して高精度に検出用の光束を整合できるヘテロダイン干
渉型の位置検出装置を提供することを目的とする。更に
本発明は、異なるピッチの回折格子マークに対してもほ
ぼリアルタイムで迅速に対応できるヘテロダイン干渉型
の位置検出装置を提供することを目的とする。

【００１１】更に本発明は、そのような位置検出装置を
備えた露光装置を提供することをも目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、互いに周波数の異なる２光束を生成する２光束生
成手段と、この２光束生成手段からの２光束を集光して
これら２光束を被検物（１，４）上に形成された回折格
子状マーク（ＲＭ，ＷＭ）に対して所定の２方向から照
射する対物光学系（１８ａ，１８ｂ，２１，２２，２
６，２７，３７，３８，３）と、回折格子状マーク（Ｒ
Ｍ，ＷＭ）から同一方向に発生する複数の回折光同士に
よる干渉光を光電的に検出する検出器（３３，３６）
と、を有し、この検出器の出力信号に基づいて回折格子
状マーク（ＲＭ，ＷＭ）の位置を検出する位置検出装置
において、その２光束生成手段は、単色の光束又は複数
の波長の光を含む光束（Ｌ₀)を供給する光源手段（１０
〜１３）と、この光源手段からの光束の光路上に配置さ
れた１個又は複数個の音響光学素子（１７；１７Ａ，１
７Ｂ；６４，６５）と、この音響光学素子に対して周波
数が可変の超音波を加える駆動手段（６０）と、を備
え、駆動手段（６０）からその音響光学素子に対して周
波数が可変の超音波を加えることによって、その光源手
段からの光束（Ｌ₀)よりその音響光学素子を介して互い
に周波数の異なる２光束（Ｌ₁(1)，Ｌ₂(-1))を生成する
ものである。

【００１３】斯かる本発明によれば、その音響光学素子
内の超音波進行波が回折格子状マーク（ＲＭ，ＷＭ）と
実質的に共役になるような構成を採り、その音響光学素
子の音響光学媒体に加える超音波の周波数を可変にす
る。この場合、周波数ｆ１の超音波をその音響光学媒体
に加えるものとして、その音響光学媒体中の進行波の波
長をΛ１、音速をＶとすると、次式が成立する。

【００１４】Λ１＝Ｖ／ｆ１（１）従って、印加する超音波の周波数を変えることにより、
（１）式に従ってその進行波の波長Λ１、即ちその進行
波のピッチを変えることができる。言い換えると、その
超音波の周波数制御によって、容易に回折格子状マーク
（ＲＭ，ＷＭ）のピッチに対してその進行波のピッチ、
ひいてはその音響光学素子を介して生成される２光束
（Ｌ₁(1)，Ｌ₂(-1))による干渉縞のピッチを整合させる
（所定の倍率比で合わせる）ことができ、高精度に位置
検出が行われる。例えばその音響光学素子と回折格子状
マーク（ＲＭ，ＷＭ）との間の対物光学系に倍率誤差が
存在する場合には、その超音波の周波数を制御するだけ
で、容易にその倍率誤差を補正するようにその進行波の
ピッチを制御できる。

【００１５】この場合、その駆動手段（６０）は一例と
して、回折格子状マーク（ＲＭ，ＷＭ）のピッチに応じ
て音響光学素子（１７；１７Ａ，１７Ｂ；６４，６５）
に加える超音波の周波数を変えるものである。これによ
って、異なるピッチの回折格子状マークに対してもほぼ
リアルタイムで迅速に対応できる。また、その音響光学
素子の少なくとも１つ（６４，６５）は、異方ブラッグ
回折を起こす媒体よりなることが望ましい。ここで、異
方ブラッグ回折につき説明する。

【００１６】先ず、図１０（ａ）は通常の等方的なブラ
ッグ回折（等方ブラッグ回折）による回折を表し、この
図１０（ａ）において、超音波進行波Ｅは縦波であり、
その波数ベクトル〈Ｋ〉は進行方向に平行である。この
場合、入射光の入射角をθｉ、回折光の回折角をθｄと
して、入射光の波数ベクトルを〈Ｋｉ〉、回折光の波数
ベクトルを〈Ｋｄ〉とすると、次の関係が成立してい
る。

【００１７】〈Ｋｄ〉＝〈Ｋｉ〉＋〈Ｋ〉（２）また、等方ブラッグ回折では、回折光の偏光方向は変化
せず、波数ベクトル〈Ｋｉ〉の絶対値Ｋｉと、波数ベク
トル〈Ｋｄ〉の絶対値Ｋｄとは等しいため、入射角θｉ
と回折角θｄとは等しい。これに対して、図１０（ｂ）
は異方ブラッグ回折による回折を表し、この図１０
（ｂ）において、超音波進行波Ａは横波であり、その波
数ベクトル〈Ｋ〉は進行方向に所定角度で交差してい
る。この場合も、入射光（直線偏光とする）の波数ベク
トル〈Ｋｉ〉、及び回折光の波数ベクトル〈Ｋｄ〉の間
に（２）式の関係が成立している。

【００１８】但し、異方ブラッグ回折では、回折光の偏
光方向が入射光の偏光方向に対して所定角度（例えば９
０°）回転していると共に、入射光の偏光方向での屈折
率ｎｉと、回折光の偏光方向での屈折率ｎｄとが異なっ
ている。そして、入射光の真空中での波長をλとして、
波数ベクトル〈Ｋｉ〉，〈Ｋｄ〉の絶対値Ｋｉ，Ｋｄは
それぞれ次のように表すことができ、両者は異なってい
る。

【００１９】Ｋｉ＝２πｎｉ／λ，Ｋｄ＝２πｎｄ／λ （３）この条件のもとで（２）式を満たすために、図１０
（ｂ）に示すように、入射角θｉと回折角θｄとは異な
っている。これが、異方ブラッグ回折である。この場
合、入射光の偏光方向が図１０（ｂ）の状態から回転し
ていると、波数ベクトル〈Ｋｉ〉の絶対値Ｋｉが変化す
ると共に、回折光の波数ベクトル〈Ｋｄ〉の絶対値Ｋｄ
も変化するために、（２）式を満たす回折光の存在が困
難となるため、入射光の偏光方向によって回折効率が大
きく変化して、回折効率に異方性が生じる。

【００２０】このように音響光学素子の回折効率に異方
性がある場合には、その音響光学素子への入射光の偏光
方向、及び入射角を例えば回折効率が最大となる方向に
設定しておくことによって、低い駆動電力で、且つ高い
回折効率で周波数変調を行うことができる。更に、その
音響光学素子で周波数変調を受ける必要のない光束につ
いては、偏光方向を回折効率が最小となる方向に設定
し、且つ入射方向も変えておくことによって、異なる周
波数の２光束が異なる方向に射出されるため、それら２
光束を後続の対物光学系を介して回折格子状マーク（Ｒ
Ｍ，ＷＭ）に容易に所望の交差角で照射できる。しか
も、本発明ではその音響光学素子に印加する超音波の周
波数が可変であるため、低い駆動電力でも、容易にその
音響光学素子内の進行波のピッチを回折格子状マーク
（ＲＭ，ＷＭ）のピッチに整合できる。また、異方ブラ
ッグ回折を利用すると、音響光学素子からの回折光の回
折角の可変範囲を広くできる（加える超音波の周波数の
可変範囲を広くできる）。

【００２１】また、本発明の位置検出装置において、そ
の音響光学素子の少なくとも１つ（１７；１７Ａ，１７
Ｂ）を、ラマン−ナス回折を起こす媒体より構成しても
よい。ラマン−ナス回折とは、例えば図６に示すよう
に、超音波（４７Ａ，４７Ｂ）の波面に平行に入射した
光束（Ｌ₀)が、０次光（Ｌ₀(0)）を中心として±１次回
折光（Ｌ₁(1)，Ｌ₂(-1))等に対称に回折される現象を言
う。また、一般に音響光学素子の駆動周波数は数１０Ｍ
Ｈｚであり、これがそのまま２光束の周波数差、即ち回
折格子マーク（ＲＭ，ＷＭ）から得られるヘテロダイン
ビームのビート周波数になると、信号処理系が複雑化す
る。そこで、ラマン−ナス回折を利用したときには、例
えば１つの音響光学素子（１７）の２箇所にそれぞれ可
変で所定の周波数差を持つ周波数の超音波を加えるのみ
で、その音響光学素子（１７）よりビートダウンされた
処理し易い周波数差を有する１対の光束を取り出すこと
ができる。

【００２２】更に、駆動手段（６０）は、その音響光学
素子の２箇所にそれぞれ周波数が可変で、且つ差周波数
が一定の超音波を加えることが望ましい。単にその音響
光学素子に印加される超音波の周波数を可変とすると、
得られる２光束の周波数差、即ちビート周波数も可変と
なってしまい、信号処理系が複雑化する。そこで、ビー
ト周波数を一定にしたまま、例えば異なるピッチの回折
格子状マーク（ＲＭ，ＷＭ）に対応するためには、１個
又は複数個の音響光学素子の２箇所にそれぞれ周波数が
可変で、且つ差周波数（ビート周波数）が一定の超音波
を加えればよい。

【００２３】具体的に、例えば図７及び図８に示すよう
に、２個の音響光学素子（１７Ａ，１７Ｂ）をタンデム
型に近接、又はリレー系を介して配置し、第１の音響光
学素子（１７Ａ）に（１）式を満たす周波数ｆ１の超音
波を加え、第２の音響光学素子（１７Ｂ）に加える超音
波の周波数をｆ２として、次式で定まる周波数差（ビー
ト周波数）Δｆを一定に保ったまま、周波数ｆ１に連動
させて周波数ｆ２を変化させる。

【００２４】Δｆ＝ｆ２−ｆ１（４）これによって、第２の音響光学素子（１７Ｂ）内に、
（１）式と同様に次式で定まるピッチΛ２の進行波が生
じる。 Λ２＝Ｖ／ｆ２（５）その際、周波数ｆ２に比べてΔｆが充分小さければｆ１
とｆ２とはほぼ等しく、従って進行波のピッチΛ１とピ
ッチΛ２とはほぼ等しくなり、ビート周波数を変えずに
進行波のピッチを変えることができる。また、このとき
信号処理がし易いようにビート周波数Δｆを小さくでき
る。

【００２５】次に、本発明による露光装置は、本発明の
位置検出装置と、各ショット領域に回折格子状マーク
（ＷＭ）が付設された感光基板（４）を移動するステー
ジ（５）と、を備え、このステージで位置決めされた感
光基板（４）上にマスクパターン（１）を転写する露光
装置であって、感光基板（４）上の回折格子状マーク
（ＷＭ）の位置をその位置検出装置で検出し、この検出
結果に基づいてステージ（５）を駆動することによって
感光基板（４）の位置合わせを行うものである。斯かる
本発明の露光装置によれば、その位置検出装置を介して
検出した回折格子状マーク（ＷＭ）の位置に基づいて感
光基板（４）の位置決めを行った後、マスクパターン
（１）が転写される。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
につき図１〜図６を参照して説明する。本例は、投影露
光装置に備えられたヘテロダイン干渉型のアライメント
センサに本発明を適用したものである。図１は本例の投
影露光装置を示し、この図１において、転写用の回路パ
ターンが形成され、その回路パターンの周辺部にアライ
メント用の回折格子マークＲＭが形成されたレチクル１
が、２次元的に移動可能なレチクルステージ２上に保持
されている。レチクル１は、投影光学系（投影対物レン
ズ）３に関してウエハ４と共役となるように配置されて
いる。以下、投影光学系３の光軸に平行にｚ軸を取り、
ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にｘ軸を、図１
の紙面に垂直にｙ軸を取って説明する。

【００２７】露光時には照明光学系４０からの露光光
は、レチクル１の上方に光軸に対して４５゜の傾斜角で
斜設されたダイクロイックミラー６により下方へ反射さ
れて、レチクル１を均一な照度分布で照明する。その露
光光のもとで、レチクル１上の回路パターンの像は投影
光学系３を介してウエハ４上の各ショット領域に転写さ
れる。なお、ウエハ４上の各ショット領域には、レチク
ル１上に形成された回折格子マークＲＭと同様のアライ
メント用の回折格子マークＷＭが形成されている。

【００２８】ウエハ４は、ステップ・アンド・リピート
方式で２次元的に移動するウエハステージ５上に保持さ
れており、ウエハ上の１つのショット領域でのレチクル
パターンの転写露光が完了すると、ウエハ４は次のショ
ット位置までステッピングされる。レチクルステージ２
及びウエハステージ５におけるｘ方向、ｙ方向及び回転
方向（θ方向）の位置を独立に検出するための不図示の
干渉計が各ステージに設けられており、それらの干渉計
の計測値に基づいて不図示の駆動モータによって各ステ
ージが駆動される。

【００２９】本例では、回折格子マークＲＭ及びＷＭの
位置検出を行うためのアライメントセンサ（位置検出装
置）のアライメント光学系が、ダイクロイックミラー６
の上方に設けられている。以下、そのアライメント光学
系について説明する。図１のアライメント光学系におい
て、露光光とは異なる波長帯の光を供給するＸｅラン
プ、ハロゲンランプ等の白色光源１０からの白色光は、
口径可変な可変絞り１１及びコンデンサーレンズ１２を
介することにより平行光束に変換された後、所定の波長
域の光を抽出するバンドパスフィルタ１３を介して光束
Ｌ₀として音響光学素子（以下、「ＡＯＭ」と略称す
る。）１７に入射する。

【００３０】ＡＯＭ１７は、ＡＯＭ駆動系６０によって
それぞれ周波数ｆ₁及びｆ₂（ｆ₁＞ｆ₂とする）の高
周波信号ＳＦ₁及びＳＦ₂で逆方向から駆動されてお
り、入射した光束Ｌ₀はＡＯＭ１７によりラマン−ナス
（Raman-Nath）回折作用を受ける。本例では周波数ｆ₁
及びｆ₂は、周波数差（ｆ₁−ｆ₂)が一定であるという
条件のもとで、可変となっている。以下では、回折光の
次数は高周波信号ＳＦ₁による進行波の進行方向を基準
にして考える。

【００３１】ここで、入射する光束Ｌ₀の中心周波数を
ｆ₀とすると、その光束Ｌ₀のＡＯＭ１７による＋１次
回折光Ｌ₁(1)（以下、「光束Ｌ₁(1)」と称する。）は、
ＡＯＭ１７により実質的に（ｆ₀＋ｆ₃）（但し、ｆ₃
＝（ｆ₁−ｆ₂）／２）の周波数変調を受け、光束Ｌ₀
の−１次回折光Ｌ₂(-1)（以下、「光束Ｌ₂(-1)」と称
する。）は、ＡＯＭ１７により実質的に（ｆ₀−ｆ₃）
の周波数変調を受ける。

【００３２】その後、光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1)は、
レンズ１８ａ、反射ミラー２０、レンズ１８ｂ、レンズ
２１を介し、ビームスプリッタ２２によりそれぞれ２分
割される。なお、レンズ１８ａとレンズ１８ｂとで構成
されるリレー光学系の間には、光束Ｌ₁(1)と光束Ｌ₂(-
1)とを抽出するための空間フィルタ１９が設けられてい
る。

【００３３】ビームスプリッタ２２を透過した光束Ｌ
₁(1)及び光束Ｌ₂(-1)はレンズ２３により集光され、こ
の集光位置に設けられた参照用の回折格子２４上には、
ピッチ方向に沿って流れる干渉縞が形成される。そし
て、この回折格子２４を介した回折光が光電検出器２５
にて参照用の光ビート信号として光電検出される。光電
検出器２５から出力される信号には、本来の光ビート信
号の他に周波数ｆ₁程度の高周波成分が含まれているた
め、その高周波成分を周波数ｆ₁／２程度以下の信号の
みを通過させるローパスフィルタ回路（ＬＰＦ）５３ａ
を介して除去し、その光ビート信号のみを位相検出系５
０に供給する。

【００３４】一方、ビームスプリッタ２２で反射された
光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1)は、レンズ２６ａ，２６ｂ
よりなる第１リレー光学系２６、第２リレー光学系２
７、ビームスプリッタ２８、平行平面板３７を通過す
る。この平行平面板３７は、投影光学系３の瞳共役位置
又はその近傍に、アライメント光学系の光軸に対して傾
角可変に設けられ、テレセントリック性を維持するため
の機能を有する。なお、平行平面板３７の代わりに、厚
い粗調整用の平行平面板と、薄い微調整用の平行平面板
とを組み合わせた部材を用いて良い。

【００３５】平行平面板３７を通過した光束Ｌ₁(1)及び
光束Ｌ₂(-1)は、対物レンズ３８、ダイクロイックミラ
ー６を介して、所定の交差角を持つ２方向からレチクル
１上の回折格子マークＲＭを照明する。なお、投影光学
系３がアライメント光に対して色収差補正されていない
場合には、対物レンズ３８は、例えば特開昭６３−２８
３１２９号公報にて提案されている２焦点光学系で構成
することが望ましい。これにより、２焦点光学系に入射
する２光束は互いに直交する偏光光にそれぞれ分割さ
れ、第１焦点へ向かう一方の偏光光同士がレチクル１上
で集光し、第２焦点へ向かう他方の偏光光同士がウエハ
４上で集光する。

【００３６】さて、光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1)は、レ
チクル１上の回折格子マークＲＭを照明するが、レチク
ル１には、図２（ａ）に示す如く、回折格子マークＲＭ
と並列にアライメント光用の透過窓Ｐ₀が設けられてお
り、図２（ｂ）に示す如く、この透過窓Ｐ₀に対応する
ウエハ４上の位置に、回折格子マークＷＭが形成されて
いる。

【００３７】光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1)は、回折格子
マークＲＭ及び透過窓Ｐ₀を覆うように２方向から照明
し、これにより回折格子マークＲＭ上には、ピッチ方向
に沿って流れる干渉縞が発生する。そして、この回折格
子マークＲＭの法線方向（投影光学系３の光軸方向）に
は、光束Ｌ₁(1)の＋１次回折光、及び光束Ｌ₂(-1)の−
１次回折光がそれぞれ発生する。

【００３８】ここで、光束Ｌ₁(1)と光束Ｌ₂(-1)とが回
折格子マークＲＭを２方向から照明するときの交差角
は、回折格子マークＲＭのピッチをＰ_RM、光源１０から
供給される光の中心波長をλ₀、光束Ｌ₁(1)又は光束Ｌ
₂(-1)の回折格子マークＲＭに対する入射角をθ_RMとす
るとき、次の関係を満足するように設定されている。 sin θ_RM＝λ₀／Ｐ_RM （６）なお、その入射角θ_RMは、ＡＯＭ１７に印加される高周
波信号ＳＦ₁及びＳＦ ₂の周波数ｆ₁及びｆ₂によって
制御できる角度である。そして、本例では、ＡＯＭ１７
と回折格子マークＲＭとの間の対物光学系に倍率誤差が
存在する場合、又は回折格子マークＲＭのピッチＰ_RMが
変更された場合等には、（６）式が満たされるようにそ
の周波数ｆ₁及びｆ₂を変更する。これにより、回折格
子マークＲＭから垂直上方に平行に発生する±１次回折
光は、再びダイクロイックミラー６、対物レンズ３８、
平行平面板３７を通過した後、ビームスプリッタ２８で
反射されて、レンズ２９、ビームスプリッタ３０を介し
て、視野絞り３４に達する。

【００３９】この視野絞り３４は、レチクル１と共役な
位置に設けられており、具体的には、図３（ａ）の斜線
で示す如く、レチクル１の回折格子マークＲＭからの回
折光のみを通過させるように、回折格子マークＲＭの位
置に対応して開口部Ｓ_RMが設けられている。このため、
視野絞り３４を通過した回折格子マークＲＭからの回折
光は０次回折光をカットする空間フィルタ３５によりフ
ィルタリングされて、±１次回折光よりなる干渉光のみ
が光電検出器３６に達し、この光電検出器３６にてレチ
クル１の位置情報を含んだ光ビート信号が光電検出され
る。光電検出器３６から出力される信号も、周波数ｆ₁
／２程度以下の信号を通過させるローパスフィルタ回路
（ＬＰＦ）５３ｃを介して位相検出系５０に供給され
る。

【００４０】一方、上記レチクル１の透過窓Ｐ₀を通過
した光束Ｌ₁(1)及び光束Ｌ₂(-1)の一部は、投影光学系
３を介して、ウエハ４上の回折格子マークＷＭを所定の
交差角を持った２方向から照明し、これにより回折格子
マークＲＭ上には、ピッチ方向に沿って流れる干渉縞が
発生する。そして、この回折格子マークＷＭの法線方向
（投影光学系３の光軸方向）には、光束Ｌ₁(1)の−１次
回折光、及び光束Ｌ₂(-1)の＋１次回折光がそれぞれ発
生する。

【００４１】ここで、光束Ｌ₁(1)と光束Ｌ₂(-1)とが回
折格子マークＷＭを２方向から照明するときの交差角
は、回折格子マークＷＭのピッチをＰ_WM、光源１０から
供給される光の中心波長をλ₀、光束Ｌ₁(1)又は光束Ｌ
₂(-1)の回折格子マークＷＭに対する入射角をθ_WMとす
るとき、次の関係を満足するように設定されている。 sin θ_WM＝λ₀／Ｐ_WM （７）その入射角θ_WMも、ＡＯＭ１７に印加される高周波信号
ＳＦ₁及びＳＦ₂の周波数ｆ₁及びｆ₂によって制御で
きる角度である。そして、ウエハ４の伸縮等によって回
折格子マークＷＭのピッチが僅かに変化している場合、
リレー光学系に倍率誤差がある場合、又は回折格子マー
クＷＭのピッチＰ_WMが変更された場合等には、（７）式
が満たされるようにその周波数ｆ₁及びｆ₂が変更され
る。これにより、回折格子マークＷＭから垂直上方に平
行に発生する±１次回折光は、再び投影光学系３、透過
窓Ｐ₀、ダイクロイックミラー６、対物レンズ３８、平
行平面板３７を通過した後、ビームスプリッタ２８で反
射されて、レンズ２９、ビームスプリッタ３０を介し
て、視野絞り３１に達する。

【００４２】この視野絞り３１は、ウエハ４と共役な位
置に設けられており、具体的には、図３（ｂ）の斜線で
示す如く、ウエハ４の回折格子マークＷＭからの回折光
のみを通過させるように、回折格子マークＷＭの位置に
対応して開口部Ｓ_WMが設けられている。このため、視野
絞り３１を通過した回折格子マークＷＭからの回折光は
０次回折光をカットする空間フィルタ３２によりフィル
タリングされて、±１次回折光よりなる干渉光のみが光
電検出器３３に達し、この光電検出器３３にてウエハ４
の位置情報を含んだ光ビート信号が光電検出される。光
電検出器３３から出力される信号も、周波数ｆ₁／２程
度以下の信号を通過させるローパスフィルタ回路（ＬＰ
Ｆ）５３ｂを介して位相検出系５０に供給される。

【００４３】ここで、各空間フィルタ３２，３５はアラ
イメント光学系の瞳と略共役な位置、即ち投影光学系３
の瞳（射出瞳）と実質的に共役な位置に配置され、レチ
クル１、ウエハ４上に形成された回折格子マークＲＭ，
ＷＭからの０次回折光（正反射光）を遮断し、±１次回
折光（レチクル１、ウエハ４の回折格子マークに対して
垂直方向に発生する回折光）のみを通過させるように設
定されている。また、光電検出器３６及び３３は、対物
レンズ３８及びレンズ２９に関して、それぞれレチクル
１及びウエハ４と略共役となるように配置されている。

【００４４】この場合、回折格子マークＲＭ，ＷＭに入
射する光束Ｌ₁(1)の大部分は、ＡＯＭ１７により（ｆ₀
＋ｆ₃）の周波数変調を受け、光束Ｌ₂(-1)の大部分は
ＡＯＭ１７により（ｆ₀−ｆ₃）の周波数変調を受けて
いる。そのため、回折格子マークＲＭ，ＷＭからの±１
次回折光よりなる干渉光の大部分のビート周波数は２ｆ
₃、即ち（ｆ₁−ｆ₂）となる。但し、回折格子マーク
ＲＭ，ＷＭからの±１次回折光よりなる干渉光にはそれ
以外のビート周波数を有するノイズ成分も含まれてい
る。

【００４５】その結果、本例のアライメント光学系の各
光電検出器２５，３３，３６からそれぞれローパスフィ
ルタ回路５３ａ，５３ｂ，５３ｃを介して得られる３つ
の信号は、共に同じ周波数Δｆ（＝２ｆ₃＝ｆ₁−
ｆ₂）の正弦波状の光ビート信号を含んでおり、位相検
出系５０内の光ビート信号抽出部（フーリエ変換回路）
にて３つの光電信号からそれぞれ周波数Δｆの正弦波状
の光ビート信号を精度良く抽出する。そして、参照用の
回折格子２４、回折格子マークＲＭ、及び回折格子マー
クＷＭに対応する光ビート信号をそれぞれ参照ビート信
号、レチクルビート信号、及びウエハビート信号とする
と、位相検出系５０では例えば、レチクルビート信号と
ウエハビート信号との位相差ΔφＲＷを求め、この位相
差ΔφＲＷを装置全体の動作を統轄制御する主制御系５
１に供給する。

【００４６】今、位置合わせされていない状態でレチク
ル１、ウエハ４が任意の位置で停止しているとすると、
その位相差ΔφＲＷは、本来の値に対して所定の位相だ
けずれることになる。ここで、レチクル１及びウエハ４
からの各光ビート信号の位相差（±１８０゜）は、レチ
クル１及びウエハ４上にそれぞれ形成された回折格子マ
ークの格子ピッチの１／２以内の相対位置ずれ量に一義
的に対応している。

【００４７】このため、予め例えばサーチアライメント
によって、レチクル１とウエハ４とは格子配列方向に対
して、相対位置ずれ量が各回折格子マークＲＭ，ＷＭの
格子ピッチの１／２以下となるように位置合わせされて
おり、その状態で主制御系５１は、サーボ系５２により
位相検出系５０で得られた位相差ΔφＲＷが０又は所定
の基準値となるように、レチクルステージ２又はウエハ
ステージ５を２次元移動させて位置合わせを行う。これ
により高精度で位置合わせが行われる。

【００４８】なお、光電検出器２５により得られる参照
ビート信号を基準信号として、この基準信号とレチクル
ビート信号、及びウエハビート信号との各々の位相差が
それぞれ０又は所定の基準値となるように位置合わせを
行っても良い。また、ＡＯＭ１７を駆動する駆動信号
（高周波信号ＳＦ₁,ＳＦ₂)を基準信号として利用するこ
ともできる。この場合、高周波信号ＳＦ₁,ＳＦ₂をミキ
シングして得られる信号をその参照ビート信号の代わり
に使用できるため、図１において、レンズ２３、及び参
照用の回折格子２４を含む光学系が省略でき、アライメ
ント光学系が簡素化される。

【００４９】次に、本例において、互いに異なる周波数
の２光束を生成する部分についてより具体的な構成及び
原理を図４を参照しながら説明する。図４に示す如く、
ほぼ白色の光束Ｌ₀がＡＯＭ１７に対して垂直に入射す
ると、ＡＯＭ１７のラマン−ナス回折作用により、各波
長毎に各次数の回折光が発生する。このとき、周波数ｆ
₁及びｆ₂に比べて、差周波数（ｆ₁−ｆ₂)は小さいも
のとして、ＡＯＭ１７の法線方向に対する回折光の回折
角をφ₂、ＡＯＭ１７内の進行波の波長（ピッチ）をΛ
_G、その進行波の速度（音速）をＶ、光の中心波長を
λ、回折光の次数を１次とするとき、ほぼ以下の関係が
成立する。

【００５０】 Λ_G＝Ｖ／ｆ，（ｆ＝（ｆ₁+ｆ₂)／２）（８） sin φ₂＝λ／Λ_G （９）従って、周波数ｆ₁,ｆ₂を変化させることによって、
（８）式より進行波の波長Λ_Gが変化し、その結果
（９）式よりＡＯＭ１７からの±１次回折光の回折角φ
₂が変化する。また、本例ではＡＯＭ１７の超音波作用
領域が、レチクル１上の回折格子マークＲＭ、及びウエ
ハ４上の回折格子マークＷＭとそれぞれ実質的に共役に
なっている。従って、周波数ｆ₁,ｆ₂を変化させて、Ａ
ＯＭ１７からの±１次回折光よりなる光束Ｌ₁(1)及びＬ
₂(-1)の回折角φ₂を変化させることによって、回折格
子マークＲＭ，ＷＭ上に照射される光束Ｌ₁(1)及びＬ₂
(-1)の交差角、ひいてはそれらのマーク上に形成される
干渉縞のピッチを調整できる。

【００５１】例えば、ＡＯＭ１７の音響光学媒体内での
音速Ｖを３０００ｍ／ｓとして、ＡＯＭ１７に印加され
る高周波信号ＳＦ₁の周波数ｆ₁を５０．１ＭＨｚ、高
周波信号ＳＦ₂の周波数ｆ₂を５０ＭＨｚとする。この
とき、ビート周波数Δｆは１００ｋＨｚとなり、（８）
式よりＡＯＭ１７の音響光学媒体内に生じる進行波の波
長（ピッチ）Λ_Gは６０μｍとなる。また、図１のウエ
ハ４上の回折格子マークＷＭのピッチＰ_WMが４μｍであ
るとすると、ＡＯＭ１７とレチクル１との間のリレー光
学系と、投影光学系３との合成系での縮小倍率は１／１
５であればよい。

【００５２】ところが、調整誤差等によって例えば途中
のリレー光学系で倍率誤差が生じることがある。この場
合、その倍率誤差を１％として、周波数ｆ₁,ｆ₂がそれ
までと同じとすると、そのリレー光学系及び投影光学系
３を介して回折格子マークＷＭ上に照射される光束Ｌ
₁(1)及びＬ₂(-1)による干渉縞のピッチが１％大きくな
って、回折格子マークＷＭからの±１次回折光が垂直上
方に平行に発生しなくなる。これを避けるためには、Ａ
ＯＭ１７に印加される高周波信号の周波数ｆ₁,ｆ ₂を差
周波数（ｆ₁−ｆ₂)を一定に保ってそれぞれ１％程度大
きくしてやればよい。本例の場合には、周波数ｆ₁,ｆ₂
をそれぞれ５００ｋＨｚ増加させて、周波数ｆ₁を５
０．６ＭＨｚ、周波数ｆ₂を５０．５ＭＨｚとすればよ
い。これによって、ビート周波数Δｆは１００ｋＨｚの
ままで、回折格子マークＷＭ上に形成される干渉縞のピ
ッチを１％小さくすることができ、図１の位相検出系５
０の特性等を切り換えることなく、高精度に回折格子マ
ークＷＭの位置検出が行われる。

【００５３】また、ＡＯＭ駆動系６０からＡＯＭ１７に
供給される高周波信号ＳＦ₁,ＳＦ₂の周波数ｆ₁,ｆ₂の
安定性は通常ｐｐｍオーダが容易に実現できるので、そ
れらの周波数ｆ₁,ｆ₂は極めて高精度に設定できる。な
お、周波数ｆ₁に関しては１％増しは正確には５０．６
０１ＭＨｚであるが、ビート周波数Δｆを一定にするた
めに５０．６ＭＨｚにしてある。そのときの周波数の誤
差は０．００２％なので事実上問題はない。更に、その
周波数ｆ₁,ｆ₂を最適値に設定するには、例えば光電検
出器３３（又はローパスフィルタ回路５３ｂ）からの光
ビート信号の振幅が極大になるように設定すればよい。
このように、本例では光学系に起因するアライメントマ
ーク（回折格子マークＲＭ，ＷＭ）のピッチと、計測用
の光束による干渉縞のピッチとの誤差を電気的に容易に
高精度に合わせる（整合させる）ことができる。

【００５４】次に、図１のウエハ４上の回折格子マーク
ＷＭが図５（ｂ）に示すピッチＰ１（＝４μｍとする）
の回折格子マークＷＭ１であるとして、図５（ａ）に示
すように、ＡＯＭ１７から実線で示す光路に沿って発生
する光束Ｌ₁(1)，Ｌ₂(-1)が回折格子マークＷＭ１に照
射されたときに、回折格子マークＷＭ１から垂直上方に
±１次回折光Ｌ（±１）が発生するものとする。その
後、例えばウエハ４上の別のレイヤに対して露光を行う
際に、ウエハ４上の回折格子マークが図５（ｂ）に示す
ようにピッチＰ２が６μｍの回折格子マークＷＭ２であ
るとする。

【００５５】この回折格子マークＷＭ２の位置検出を行
うためには、ＡＯＭ１７から回折格子マークＷＭ２に対
する縮小倍率が１／１５であるため、ＡＯＭ１７の音響
光学媒体内に生じる進行波の波長（ピッチ）Λ_Gを９０
μｍにすればよい。そのためには、（８）式よりＡＯＭ
１７に加える高周波信号ＳＦ₁,ＳＦ₂の周波数ｆ₁,ｆ ₂
を回折格子マークＷＭ１の位置検出を行う場合の２／３
（＝６０／９０）倍、即ちそれぞれ３３．４３３（≒５
０．１・２／３）ＭＨｚ、及び３３．３３３（≒５０・
２／３）ＭＨｚとすればよい。但し、周波数ｆ₁の３
３．４３３ＭＨｚについては、ビート周波数Δｆ（＝ｆ
₁−ｆ₂)を１００ｋＨｚにするために補正してある。こ
の場合の周波数ｆ₁の誤差も０．１％以内であるため、
実質的に（８）式の条件は満たされている。

【００５６】この結果、図５（ａ）に示すように、ＡＯ
Ｍ１７から発生する光束Ｌ₁(1)及びＬ₂(-1)の光路は、
内側の２点鎖線で示す光路６１Ａ，６１Ｂにずれて、図
５（ｂ）に示すように、回折格子マークＷＭ２に照射さ
れる際の光束Ｌ₁(1)及びＬ₂(-1)の光路も、内側の２点
鎖線で示す光路６２Ａ，６２Ｂにずれて、回折格子マー
クＷＭ２からは垂直上方に光路６３で示すように±１次
回折光が発生する。従って、ＡＯＭ１７の駆動用の信号
の周波数ｆ₁,ｆ₂を検出対象の回折格子マークのピッチ
に応じて切り換えることで、途中のリレー光学系の変更
を行うことなく、異なるピッチの回折格子マークの位置
を高精度に検出できる。

【００５７】ところで、ＡＯＭの音響光学媒体に加える
超音波の周波数をｆとすると、次式で与えられるＱパラ
メータを適切に選ぶように注意する必要がある。Ｑ＝（２πＬλｆ² ）／ｎＶ² （１０）但し、Ｌは超音波作用領域の長さ、λは使用される光束
の中心波長、ｎは音響光学媒体の屈折率、Ｖは超音波の
速度である。

【００５８】そして、Ｑの値が４π前後（≒１２．６）
ではブラッグ回折が起こり、Ｑの値が２の前後ではラマ
ン−ナス回折が起こる。例えば図４の例ではラマン−ナ
ス回折が利用されているため、Ｑの値はほぼ２に選択さ
れる。そして、そのＱの値の条件をほぼ満たす範囲で、
超音波の周波数ｆを調整することで、その音響光学媒体
内の進行波のピッチを或る程度変化させることができ
る。

【００５９】図１に戻り、本例では、光束Ｌ₁(1)及びＬ
₂(-1)として、所定の波長域を持つ光束（白色光）が使
用されている。また、（９）式より分かるように、各波
長の光束毎にＡＯＭ１７からの回折角φ₂が変化して、
回折格子マークＲＭ，ＷＭからの±１次回折光は各波長
毎にそれぞれ垂直上方に射出される。従って、所定のビ
ート周波数Δｆを有する所定の波長域（多波長光とみな
すことができる）の干渉ビート光を各光電検出器３３，
３６にてそれぞれ光電検出でき、各回折格子マークの位
置情報を含んだビート光を各波長毎にそれぞれ検出でき
ることになる。その結果、各波長のビート光の平均化効
果により、特にウエハ４上の回折格子マークＷＭの非対
称性を影響を抑え、且つフォトレジスト層での薄膜干渉
の影響（光量変化等の影響）等を抑えて、ヘテロダイン
干渉法による高精度なアライメントが達成できる。

【００６０】しかも、ＡＯＭ１７によって入射方向（光
軸方向）に対して対称に分割された所定の波長域の光束
（多波長光）は、その後のリレー光学系を対称且つ並列
的に進行するので、分割光束間には光路長差が原理的に
発生しない。このため、分割光束間の波面は位相差が０
の状態で揃っているため、高精度なアライメントが可能
となるばかりか、調整容易でコンパクトな装置が実現で
きる。

【００６１】次に、本例で使用されるＡＯＭ１７の具体
的な構成につき図６を参照して説明する。図６は、図１
中で使用されているＡＯＭ１７を示し、この図６におい
て、音響光学媒体４１Ａの一方の側面に電極板４２Ａ、
超音波発生用のトランスデューサ４３Ａ、電極板４４
Ａ、及び吸音材４６Ｂが順次固定され、電極板４２Ａ及
び４４Ａの間にＡＯＭ駆動系６０から周波数ｆ₁の高周
波信号（駆動信号）が供給され、これにより進行波４７
Ａが形成される。また、音響光学媒体４１Ａの他方の側
面に電極板４２Ｂ、超音波発生用のトランスデューサ４
３Ｂ、電極板４４Ｂ、及び吸音材４６Ａが順次固定さ
れ、電極板４２Ｂ及び４４Ｂの間にＡＯＭ駆動系６０か
ら周波数ｆ₂の高周波信号が供給され、これにより進行
波４７Ｂが形成される。吸音材４６Ａ及び４６Ｂは、そ
れぞれ対向するトランスデューサ４３Ａ及び４３Ｂから
の超音波（進行波）を吸収して、反射波の発生を防止す
る役割を果たす。

【００６２】この場合、音響光学媒体４１Ａとしては、
通常のガラスの他に、２酸化テルル（ＴｅＯ₂)の単結
晶、水晶、石英、モリブデン酸鉛単結晶等が使用でき
る。また、吸音材４６Ａ，４６Ｂとしては、音響インピ
ーダンスが音響光学媒体４１Ａのそれと近く、且つ音波
を吸収し易い材料が使用できる。音響インピーダンスと
は、密度と音速との積である。具体的に、吸音材４６
Ａ，４６Ｂとしては、鉛、又はアルミニウム等の金属膜
が使用できる。また、トランスデューサ４３Ａ，４３Ｂ
としては、リチウムナイオベイト（ＬｉＮｂＯ₃)の単結
晶、ＬｉＩＯ₃ の単結晶、Ｂａ₃ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅の単結
晶等が使用できる。

【００６３】また、トランスデューサ４３Ａ及び４３Ｂ
により挟まれた領域が１つの幅Ｄ１の超音波作用領域４
８Ａを形成しており、超音波作用領域４８Ａ内に実質的
に周波数ｆ₃(＝（ｆ₁−ｆ₂)／２）の進行波が形成され
る。従って、光束Ｌ₀は、実際にはその周波数ｆ₃の進
行波により回折されて＋１次回折光（光束）Ｌ₁(1)及び
−１次回折光（光束）Ｌ₂(-1)となる。概念的には、光
束Ｌ₀中の光束Ｌ_0Aの進行波４７Ａによる＋１次回折光
Ｌ_0A(1) 、及び光束Ｌ_0Bの進行波４７Ｂによる＋１次回
折光Ｌ_0B(1) の混合波が光束Ｌ₁(1)を形成し、同様に、
光束Ｌ_0Aの進行波４７Ａによる−１次回折光Ｌ_0A(-1)、
及び光束Ｌ_0Bの進行波４７Ｂによる−１次回折光Ｌ_0B(-
1)の混合波が光束Ｌ₂(-1)を形成するものとみなすこと
ができる。そして、光束Ｌ₁(1)の周波数の変化分はｆ₃
であり、光束Ｌ₂の周波数の変化分は−ｆ₃である。更
に、光束Ｌ₀の０次光Ｌ₀(0)は、図１の空間フィルタ１
９により完全に除去できる。

【００６４】次に、図６のＡＯＭ１７の変形例につき図
７を参照して説明する。この変形例は、１つのＡＯＭ１
７の代わりに２つのＡＯＭを用いて入射する光束Ｌ₀を
２つの光束Ｌ₁(1)，Ｌ₂(-1)に分割するものである。図
７は、図１中の１つのＡＯＭ１７の代わりに使用できる
２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂを示し、この図７の第１の
ＡＯＭ１７Ａにおいて、音響光学媒体４１Ａの一方の側
面に電極板４２Ａ、超音波発生用のトランスデューサ４
３Ａ、及び電極板４４Ａが順次固定され、他方の側面に
吸音材４６Ａが固定され、電極板４２Ａ及び４４Ａの間
にＡＯＭ駆動系６０から可変の周波数ｆ₁の高周波信号
が供給され、これにより進行波４７Ａが形成される。ま
た、第２のＡＯＭ１７Ｂにおいて、音響光学媒体４１Ｂ
の他方の側面に電極板４２Ｂ、超音波発生用のトランス
デューサ４３Ｂ、及び電極板４４Ｂが順次固定され、一
方の側面に吸音材４６Ｂが固定され、電極板４２Ｂ及び
４４Ｂの間にＡＯＭ駆動系６０から可変の周波数ｆ₂の
高周波信号が供給され、これにより第１のＡＯＭ１７Ａ
内の進行波４７Ａと逆方向に進行する進行波４７Ｂが形
成される。

【００６５】また、トランスデューサ４３Ａと吸音材４
６Ａとにより挟まれた領域が第１の超音波作用領域を形
成し、トランスデューサ４３Ｂと吸音材４６Ｂとにより
挟まれた領域が第２の超音波作用領域を形成している。
そして、入射する光束Ｌ₀の内で、ＡＯＭ１７Ａ内の進
行波４７Ａによる＋１次回折光Ｌ₀(1)、及びＡＯＭ１７
Ｂ内の進行波４７Ｂによる＋１次回折光Ｌ_A(1)の混合光
が光束Ｌ₁(1)となり、進行波４７Ａによる−１次回折光
Ｌ₀(-1) 、及び進行波４７Ｂによる−１次回折光Ｌ_A(-
1) の混合光が光束Ｌ₂(-1) となっている。そして、光
束Ｌ₁(1)の周波数の変化分は実質的に（ｆ₁-ｆ₂)／２で
あり、光束Ｌ₂の周波数の変化分は実質的に−（ｆ₁-ｆ
₂)／２である。更に、ＡＯＭ１７Ａ内の超音波作用領域
の中心とＡＯＭ１７Ｂ内の超音波作用領域の中心との空
気長に換算した間隔ｓは、２つの光束Ｌ₁(1)，Ｌ₂(-1)
の干渉光の光電変換信号（光ビート信号）のコントラス
トが最大となるように設定されている。

【００６６】そして、この図７の変形例においても、Ａ
ＯＭ駆動系６０からＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂに供給する高
周波信号の周波数ｆ₁,ｆ₂を変化させることによって、
リレー光学系の倍率誤差に対応できると共に、種々のピ
ッチの回折格子マークＲＭ，ＷＭの検出を行うことがで
きる。なお、その２つのＡＯＭ１７Ａ，１７Ｂの間隔ｓ
はできれば０となるのが望ましいが、図７のように隣接
して配置するときには、間隔ｓは０にはなり得ない。そ
こで、実質的に間隔ｓを０にするには、２つのＡＯＭの
間にリレーレンズ系を配置すればよい。

【００６７】図８は、そのようにリレーレンズ系を配置
した変形例を示し、この図８において、第１のＡＯＭ１
７Ａと第２のＡＯＭ１７Ｂとの間に、２枚のレンズ５４
Ａ及び５４Ｂよりなるリレーレンズ系が配置されてい
る。図８の第１のＡＯＭ１７Ａは、図７の第１のＡＯＭ
１７Ａを上下反転して進行波の方向を逆にしたものであ
る。また、レンズ５４Ａ及び５４Ｂの焦点距離をＦＤ₁
及びＦＤ₂として、ＡＯＭ１７Ａの超音波作用領域の中
心Ｐをレンズ５４Ａの前側焦点に配置し、２枚のレンズ
５４Ａ及び５４Ｂの間隔を（ＦＤ₁＋ＦＤ₂）に設定
し、レンズ５４Ｂの後側焦点にＡＯＭ１７Ｂの超音波作
用領域の中心Ｑを配置する。即ち、そのリレーレンズ系
により、ＡＯＭ１７Ａの超音波作用領域の中心Ｐと、Ａ
ＯＭ１７Ｂの超音波作用領域の中心Ｑとが共役となって
いる。この場合、レンズ５４Ａ，５４Ｂよりなるリレー
レンズ系は両側テレセントリックであることが望まし
い。また、１回のリレーにより、２つのＡＯＭ１７Ａ，
１７Ｂ内の進行波の方向は同じ方向に設定されている。

【００６８】この変形例では、入射する光束Ｌ₀による
ＡＯＭ１７Ａ内の中心Ｐからの−１次回折光Ｌ₀(-1) 、
＋１次回折光Ｌ_A(1)、及び０次光Ｌ_Aは、それぞれリレ
ーレンズ系を介してＡＯＭ１７Ｂ内の中心Ｑで交差す
る。従って、その中心Ｑからは、その０次光Ｌ_Aによる
ＡＯＭ１７Ｂからの＋１次回折光Ｌ_A(1)と、＋１次回折
光Ｌ₀(1)とがほぼ完全に重なった状態で射出され、その
０次光Ｌ_AによるＡＯＭ１７Ｂからの−１次回折光Ｌ
_A(-1) と、−１次回折光Ｌ₀(-1) とがほぼ完全に重なっ
た状態で射出される。従って、アライメント用の光束の
利用効率が高くなり、且つ得られる光ビート信号のコン
トラストが高くなる利点がある。

【００６９】次に、本発明の第２の実施の形態につき図
９、及び図１１を参照して説明する。本例でも基本的に
図１に示す投影露光装置を使用するが、ヘテロダイン干
渉型のアライメントセンサ中の２光束生成手段として異
方ブラッグ回折を行う音響光学素子を使用する点が異な
っている。以下では、本例の２光束生成手段につき説明
する。

【００７０】図９は、本例のアライメントセンサの２光
束生成手段を示し、この図９において、入射する所定の
帯域幅の光束Ｌ₀の光路に沿って２つのＡＯＭ（音響光
学素子）６４及び６５が配置されている。そして、第１
のＡＯＭ６４は、例えば２酸化テルル（ＴｅＯ₂)、石
英、又はモリブデン酸鉛（ＰｂＭｏＯ₄)等の音響光学媒
体６４ａに、圧電素子等のトランスデューサ６４ｂを被
着したものであり（電極、及び吸音材は省略してい
る）、トランスデューサ６４ｂ（実際にはこれを挟む電
極）に図１のＡＯＭ駆動系６０から周波数ｆ₁の高周波
信号ＳＦ₁が印加されている。同様に、ＡＯＭ６５も、
音響光学媒体６５ａにトランスデューサ６５ｂを被着し
たものであり、トランスデューサ６５ｂにＡＯＭ駆動系
６０から周波数ｆ₂の高周波信号ＳＦ₂が印加されてい
る。但し、トランスデューサ６５ｂはトランスデューサ
６４ｂとは反対側に被着されている。

【００７１】この場合、入射する光束Ｌ₀の進行方向を
＋ｚ方向として、図９の紙面内でｚ方向に直交する方向
をｘ方向とすると、トランスデューサ６４ｂによって音
響光学媒体６４ａ内に、ｘｚ平面（図９の紙面に平行な
平面）内でｚ軸に対して所定角度で交差する方向に横波
の超音波進行波Ａが供給され、この超音波進行波Ａによ
って光束Ｌ₀の一部が異方ブラッグ回折を受ける。同様
に、トランスデューサ６５ｂによって音響光学媒体６５
ａ内に、ｘｚ平面内でｚ軸に対して超音波進行波Ａと対
称に交差する方向に横波の超音波進行波Ｂが供給され、
この超音波進行波ＢによってＡＯＭ６４からの光束の一
部が異方ブラッグ回折を受ける。

【００７２】本例の異方ブラッグ回折では、超音波進行
波Ａ（又はＢ）の進行方向、及び入射光束の入射方向を
含む平面（ｘｚ平面）に平行な方向に偏光した光束のみ
が１次のブラッグ回折を受けると共に、０次光の偏光状
態は変化せず、１次回折光の偏光方向は入射時に対して
直交する方向に回転する。また、その０次光は周波数変
調を受けないが、１次回折光はｆ₁(又はｆ₂)の周波数変
調を受ける。従って、図９において、入射する光束Ｌ₀
はｘ方向に偏光させておく。これによって、光束Ｌ₀の
ＡＯＭ６４による０次光Ｌ_AはそのままＡＯＭ６５に向
かい、光束Ｌ₀のＡＯＭ６４による１次回折光Ｌ₁は、
周波数ｆ₁の変調を受けて、且つ偏光方向が図９の紙面
に垂直な方向となってＡＯＭ６５に向かう。この場合、
第１のＡＯＭ６４では、０次光Ｌ_Aと１次回折光Ｌ₁と
がほぼ等しい強度となるように超音波進行波Ａの強度が
調整されている。これによって、０次光及び１次回折光
以外は極めて弱くなる。

【００７３】一方、第２のＡＯＭ６５では、＋ｚ方向に
入射すると共にｘｚ平面に平行な方向に偏光する光束を
ほぼ１００％１次回折光として回折するように超音波進
行波Ｂの強度等が調整されている。また、第１のＡＯＭ
６４からの１次回折光Ｌ₁は、第２のＡＯＭ６５におい
ては入射角の点でもブラッグ回折を受けにくい角度とな
っている。従って、０次光Ｌ_AはＡＯＭ６５でほぼ１０
０％が回折されて、周波数ｆ₂の変調を受けた１次回折
光Ｌ_A1となり、１次回折光Ｌ₁はＡＯＭ６５をほぼその
まま透過して０次光Ｌ₁₀となる。また、１次回折光Ｌ_A1
はＡＯＭ６５での回折によって偏光方向が図９の紙面に
垂直な方向に回転しており、０次光Ｌ₁₀の偏光方向も同
じである。従って、１次回折光Ｌ_A1と０次光Ｌ₁₀とを干
渉させると、周波数（ｆ₁−ｆ₂)のヘテロダインビーム
が得られる。また、０次光Ｌ_AのＡＯＭ６５による０次
光Ｌ_A0も僅かに発生することがあるが、この０次光Ｌ_A0
は図１の空間フィルタ１９と同様の空間フィルタで遮光
される。

【００７４】本例ではそれら１次回折光Ｌ_A1、及び０次
光Ｌ₁₀をそれぞれ図１の光束Ｌ₂(-1)及び光束Ｌ₁(1)の
代わりに使用することによって、回折格子マークＲＭ，
ＷＭの位置検出が行われる。この場合、ＡＯＭ６４，６
５に入射した光束Ｌ₀のほぼ５０％がｆ₁の周波数変調
を受けた光束Ｌ₁₀となり、残りのほぼ全部がｆ₂の周波
数変調を受けた光束Ｌ_A1となるため、回折効率が極めて
高くなっている。更に、本例でも、図１のＡＯＭ駆動系
６０からＡＯＭ６４，６５に供給する高周波信号の周波
数ｆ₁,ｆ₂を変化させることによって、リレー光学系の
倍率誤差に対応できると共に、種々のピッチの回折格子
マークＲＭ，ＷＭの検出を行うことができる。この際
に、異方ブラッグ回折を利用しているため、ＡＯＭ６
４，６５からの回折光の回折角の可変範囲（周波数ｆ₁,
ｆ₂の可変範囲）を、図４のようにラマン−ナス回折を
利用する場合に比べて例えば２倍程度に広くできる。従
って、検出できる回折格子マークＲＭ，ＷＭのピッチの
範囲も図４のＡＯＭ１７を使用する場合に比べて２倍程
度に広くできる利点がある。

【００７５】ここで、図９の音響光学媒体６４ａ，６５
ａに二酸化テルルの結晶を用いた場合について消費電力
を見積もってみる。アライメントマークとしてのウエハ
４上の回折格子マークＷＭのピッチを８μｍ、この回折
格子マークＷＭの大きさを１００μｍ角として、ＡＯＭ
６４，６５に印加される超音波の周波数ｆ₁,ｆ₂を約４
０ＭＨｚ、音速を６４０ｍ／ｓとすると、超音波作用領
域の大きさは約２００μｍ角となる。この場合にＡＯＭ
６４，６５の音響光学媒体に印加される超音波パワーは
それぞれ約１０ｍＷ程度以下であり、２個の媒体で合計
約２０ｍＷ程度以下でよいことになる。

【００７６】これに対して、等方的なブラッグ回折を使
った音響光学素子を例えば２個直列に並べた方式では、
超音波パワーは合計で約２〜３Ｗ程度必要であるため、
本例のように異方ブラッグ回折を利用する音響光学素子
を使用することによって音響光学素子における消費電力
が約１／１００程度で済むことになる。これによって、
アライメント光学系における熱変形等が減少するため、
位置検出精度が向上する。また、ＡＯＭ６４，６５にお
ける発熱も大幅に減少するため、光束Ｌ₀の周波数変調
を安定に連続して行うことができる。

【００７７】また、本例では２個のＡＯＭ６４，６５を
近接して配置しているために、２光束生成手段を小型化
し、且つ簡素化できる。しかしながら、図９に示すよう
に２個のＡＯＭ６４，６５を近接させて配置した構成で
は、ＡＯＭ６４の超音波作用領域の中心ＣＡと、ＡＯＭ
６５の超音波作用領域の中心ＣＢとは光軸方向にずれて
いる。そのため、光束Ｌ_A1及びＬ₁₀が広帯域（又は複数
波長）のときには、それら２光束の交点が部分波長域
（又は波長）毎に光軸と垂直な方向にずれることにな
る。その対策としては、例えば回折格子マークからの干
渉光を受光する際に所定の狭い波長域毎に（又は波長毎
に）異なる光電検出器で受光すればよい。それ以外に、
直視プリズムのような分散体によりその２光束の交点の
波長によるずれを補正してもよい。

【００７８】また、この図９の実施の形態においても、
２つのＡＯＭ６４及び６５の超音波作用領域ＣＡ，ＣＢ
の間隔を実質的に０にするために、２つのＡＯＭ６４，
６５の間にリレー光学系を配置してもよい。図１１は、
そのように２つの異方ブラッグ回折を行うＡＯＭの間に
リレー光学系を配置した変形例を示し、この図１１にお
いて、ＡＯＭ６４の音響光学媒体６４ａ内の超音波作用
領域の中心（回折点）ＣＡと、ＡＯＭ６５の音響光学媒
体６５ａ内の超音波作用領域の中心（回折点）ＣＢとは
リレー光学系１８に関して共役となっている。従って、
ＡＯＭ６５における高周波信号ＳＦ₂の印加方向は、図
９の場合と逆になっている。

【００７９】そして、光束Ｌ₀は図１１の紙面に平行な
方向に偏光してＡＯＭ６４に入射し、ＡＯＭ６４からの
１次回折光Ｌ₁、及び０次光Ｌ_Aは、リレー光学系１８
を介して、ＡＯＭ６５の音響光学媒体６５ａ内の超音波
作用領域の中心ＣＢで交差するようにそのＡＯＭ６５に
入射する。そして、０次光Ｌ_AはＡＯＭ６５の超音波進
行波Ｂによってほぼ１００％が回折されて、ｆ₂の周波
数変調を受けた１次回折光Ｌ_A1となり、１次回折光Ｌ₁
はＡＯＭ６５をほぼそのまま透過して０次光Ｌ ₁₀とな
る。従って、１次回折光Ｌ_A1と０次光Ｌ₁₀とを位置検出
用の光束として使用できる。

【００８０】本変形例においても、異方ブラッグ回折の
利用によって回折効率が極めて高くなっている。また、
本変形例ではリレー光学系１８によって、ＡＯＭ６４，
６５内の超音波作用領域の中心ＣＡ，ＣＢが共役となっ
ているため、広帯域の光束Ｌ ₁₀及びＬ_A1のＡＯＭ６５か
ら射出された後の対称性は図９の実施の形態よりも良好
である。従って、広帯域の光束を使用しても光ビート信
号のコントラストが低下することがなく、フォトレジス
トの薄膜干渉や、回折格子マークＷＭの段差等の影響を
軽減して高精度に位置検出を行うことができる。

【００８１】さて、以上で述べた第１及び第２の実施の
形態では、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色の
光源１０、可変絞り１１及びコンデンサーレンズ１２を
光源手段として、この光源手段からのほぼ白色の光束Ｌ
₀（多波長光）をＡＯＭ１７等に入射させている。しか
しながら、図１２に示す如く、互いに異なる波長λ₁,λ
₂,λ₃の単色光を射出する複数のレーザ光源１００，１
０１，１０２からの光をそれぞれ異なる入射角で、鋸歯
状の断面を有するブレーズ型の回折格子１０３に照射
し、各レーザ光源１００，１０１，１０２からの異なる
波長の光を合成して得られる光束Ｌ₀を射出する光源系
を光源手段として使用してもよい。また、複数の波長の
異なるレーザビームをダイクロイックミラー系で同軸に
合成して使用してもよい。

【００８２】このように、本発明は上述の実施の形態に
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。

【００８３】

【発明の効果】本発明の位置検出装置によれば、駆動手
段から２光束生成手段中の音響光学素子に対して周波数
が可変の超音波を加えているため、その超音波の周波数
を調整するのみで光学系を複雑化することなく、その２
光束生成手段から発生する２光束（検出用の光束）を検
出対象の回折格子状マークに対して高精度に整合させ
て、その回折格子状マークの位置を高精度に検出できる
利点がある。

【００８４】また、その駆動手段が、その回折格子状マ
ークのピッチに応じてその音響光学素子に加える超音波
の周波数を変える場合には、複数種類のピッチを有する
回折格子状マークに対しても、その音響光学素子に加え
る超音波の周波数を切り換えるのみで対応できる。この
際に、その超音波の周波数の可変は極めて短時間に行う
ことができるので、それまでと異なるピッチの回折格子
状マークの位置検出を行う場合でも、ほぼリアルタイム
で迅速に対応できる利点がある。

【００８５】また、その音響光学素子の少なくとも１つ
が、異方ブラッグ回折を起こす媒体よりなる場合には、
異方ブラッグ回折における回折効率は理論的に１００％
程度まで可能であるため、全体の回折効率を大幅に高め
ることができる。また、異方ブラッグ回折を利用する
と、音響光学素子からの回折光の回折角の可変範囲を広
くできる（加える超音波の周波数の可変範囲を広くでき
る）ため、結果としてより広い範囲のピッチの回折格子
状マークの位置検出を行うことができる利点がある。

【００８６】更に、異方ブラッグ回折を利用すると、媒
体内の超音波の音速が等方ブラッグ回折の場合に比べて
遅く、印加する電力（パワー）が１桁程度より小さくて
済む。また、音速が小さいために相対的に超音波の波長
が小さくなり、２つの光束を干渉させた際の干渉縞ピッ
チが細かくなるので、媒体に入射させる光束の断面積を
相対的に小さくすることができる。光束の断面が小さい
と、超音波作用領域を小さくでき、結果的に印加する超
音波パワーを少なくすることができる。これらを総合し
て、音響光学素子に加える電力は、等方ブラッグ回折を
利用する場合に比べて１／１０から１／１００程度で済
むことになる。

【００８７】また、その音響光学素子の少なくとも１つ
が、ラマン−ナス回折を起こす媒体よりなる場合には、
例えば１つのラマン−ナス回折を起こす音響光学素子に
対称に異なる周波数の超音波を加えることによって、簡
単な構成で互いに周波数の異なる２光束を生成できる利
点がある。また、その駆動手段が、その音響光学素子の
２箇所にそれぞれ周波数が可変で、且つ差周波数が一定
の超音波を加える場合には、例えば異なるピッチの回折
格子状マークに対応するためにそれら超音波の周波数を
切り換えた場合でも、その回折格子状マークから得られ
る干渉光のビート周波数が一定であるため、信号処理系
が単純化できる利点がある。

【００８８】次に、本発明の位置検出装置を備えた露光
装置によれば、その位置検出装置によって感光基板上の
種々のピッチの回折格子状マークの位置検出を行うこと
ができるため、種々の感光基板に対して高い重ね合わせ
精度が得られる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のアライメントセン
サを備えた投影露光装置を示す概略構成図である。

【図２】図１の検出対象の２つの回折格子マークを示す
拡大平面図である。

【図３】図１のアライメント光学系内に設けられた２つ
の視野絞りを示す拡大図である。

【図４】第１の実施の形態における２光束生成手段（互
いに異なる周波数の２光束を生成する部分）の構成を示
す光路図である。

【図５】（ａ）はＡＯＭ１７からの回折光の回折角が変
化する様子を示す図、（ｂ）は検出対象の回折格子マー
クに応じてこのマークに照射される光束の入射角が変化
する様子を示す図である。

【図６】第１の実施の形態で使用されるＡＯＭ１７を示
す構成図である。

【図７】図４の２光束生成手段の変形例を示す構成図で
ある。

【図８】図７の２つの音響光学素子の間にリレー光学系
を配置した変形例を示す構成図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態のアライメントセン
サの２光束生成手段を示す構成図である。

【図１０】（ａ）は等方ブラッグ回折の波数ベクトルの
関係を示す図、（ｂ）は異方ブラッグ回折の波数ベクト
ルの関係を示す図である。

【図１１】図９の２つの音響光学素子の間にリレー光学
系を配置した変形例を示す構成図である。

【図１２】互いに異なる波長の光を射出する複数の光源
とブレーズ型の反射型回折格子とによって構成された光
源手段を示す構成図である。

【符号の説明】１レチクル３投影光学系４ウエハＲＭ，ＷＭ回折格子マーク１０白色の光源１１可変絞り１２コンデンサーレンズ１３バンドパスフィルタ１７，１７Ａ，１７Ｂ，６４，６５音響光学素子（Ａ
ＯＭ）１８ａ，１８ｂレンズ１９空間フィルタ２５，３３，３６光電検出器３８対物レンズ５０位相検出系５１主制御系６０ＡＯＭ駆動系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに周波数の異なる２光束を生成する
２光束生成手段と、該２光束生成手段からの２光束を集
光して該２光束を被検物上に形成された回折格子状マー
クに対して所定の２方向から照射する対物光学系と、前
記回折格子状マークから同一方向に発生する複数の回折
光同士による干渉光を光電的に検出する検出器と、を有
し、該検出器の出力信号に基づいて前記回折格子状マークの
位置を検出する位置検出装置において、前記２光束生成手段は、単色の光束又は複数の波長の光
を含む光束を供給する光源手段と、該光源手段からの光
束の光路上に配置された１個又は複数個の音響光学素子
と、該音響光学素子に対して周波数が可変の超音波を加
える駆動手段と、を備え、該駆動手段から前記音響光学素子に対して周波数が可変
の超音波を加えることによって、前記光源手段からの光
束より前記音響光学素子を介して互いに周波数の異なる
２光束を生成することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の位置検出装置であって、前記駆動手段は、前記回折格子状マークのピッチに応じ
て前記音響光学素子に加える超音波の周波数を変えるこ
とを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】請求項１、又は２記載の位置検出装置で
あって、前記音響光学素子の少なくとも１つは、異方ブラッグ回
折を起こす媒体よりなることを特徴とする請求項１及び
２記載の位置検出装置。
【請求項４】請求項１、又は２記載の位置検出装置で
あって、前記音響光学素子の少なくとも１つは、ラマン−ナス回
折を起こす媒体よりなることを特徴とする請求項１又は
２記載の位置検出装置。
【請求項５】請求項１〜４の何れか一項記載の位置検
出装置であって、前記駆動手段は、前記音響光学素子の２箇所にそれぞれ
周波数が可変で、且つ差周波数が一定の超音波を加える
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項６】請求項１〜５の何れか一項記載の位置検
出装置と、各ショット領域に回折格子状マークが付設された感光基
板を移動するステージと、を備え、該ステージで位置決
めされた前記感光基板上にマスクパターンを転写する露
光装置であって、前記感光基板上の前記回折格子状マークの位置を前記位
置検出装置で検出し、該検出結果に基づいて前記ステー
ジを駆動することによって前記感光基板の位置合わせを
行うことを特徴とする露光装置。