JPH1070064A

JPH1070064A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH1070064A
Application number: JP8225268A
Authority: JP
Inventors: Shinko Morita; 眞弘森田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1998-03-10
Also published as: KR19980018960A; US6339471B1

Abstract

(57)【要約】【課題】アライメント光にレーザ光を用いるアライメ
ント系の精度の低下を防止する。【解決手段】アライメント系にレーザ光のコヒーレン
ス長を可変する手段を設け、アライメント光としてコヒ
ーレンス長の短い例えばマルチモードのレーザ光を用い
ることにより、マスクや感応基板での不要な干渉を抑制
し、かつレーザ光源が受ける温度変化や経時変化、戻り
光による影響等を軽減して、アライメント系の検出信号
を安定化する。レーザ光源が半導体レーザＬＤである場
合には、半導体レーザ駆動回路にレーザ発振を高速でオ
ン、オフする高速スイッチング回路５３を設けるてマル
チモード発振させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マスクに形成され
たパターンを感応基板に露光転写する投影露光装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子の製造工程に
おいて、フォトマスクやレチクル（以下、マスクとい
う）に形成されたパターンをフォトレジスト等の感光剤
が塗布された半導体ウエハやガラスプレート等の感応基
板に投影露光するために投影露光装置が用いられる。

【０００３】投影露光装置として現在多く使用されてい
るのは、感応基板を２次元的に移動自在な基板ステージ
上に載置し、基板ステージにより感応基板をステッピン
グ移動させてマスクのパターン像を感応基板上に配列さ
れたショット領域に順次露光する動作を繰り返すステッ
プ・アンド・リピート方式の投影露光装置である。投影
露光装置には、このほかにもマスクと感応基板を同期し
て走査しながらマスクのパターン像を感応基板上に逐次
露光する走査型の投影露光装置がある。走査型の投影露
光装置には、ショット領域間の移動をステップ的に行う
ステップ・アンド・スキャン方式のものや、大型のマス
クのパターンを１枚の感応基板の全面に走査露光するタ
イプのもの等が知られている。

【０００４】いずれの投影露光装置においても、マスク
に形成されたパターンを感応基板上にすでに形成されて
いるパターンに対して高精度に位置合わせ（アライメン
ト）して露光することが求められる。このアライメント
は、マスク及び／又は感応基板上に設けられたアライメ
ントメークを投影露光装置のアライメント系で検出する
ことにより行われる。

【０００５】アライメント系としては、例えば特開昭６
０−１３０７４２号公報に記載されているように、レー
ザ光をドット列状のアライメントマークに照射し、その
マークにより回折又は散乱された光を用いてマークの位
置を検出するＬＳＡ（LaserStep Alignment）系、ハロ
ゲンランプを光源とする波長帯域幅の広い光で照射して
撮像したアライメントマークの画像データを画像処理し
て計測するＦＩＡ（Field Image Alignment）系、ある
いは回折格子状のマライメントマークにレーザ光を２方
向から照射し、アライメントマークから発生した回折光
の干渉信号からアライメントマークの位置を検出するＬ
ＩＡ（Laser Interferometric Alignment）系等があ
る。ＬＩＡ系には、例えば特開昭５９−１９２９１７号
公報に記載されているような、２方向から照射するレー
ザ光の周波数が等しいホモダイン方式と、特開平２−１
３３９１３号公報に記載されているような、２方向から
照射するレーザ光の周波数が僅かに異なるヘテロダイン
方式とがある。

【０００６】また、アライメント方式は、投影光学系を
介して感応基板の位置を測定するＴＴＬ（スルー・ザ・
レンズ）方式、投影光学系及びマスクとしてのレチクル
を介してレチクルと感応基板の位置関係を測定するＴＴ
Ｒ（スルー・ザ・レチクル）方式、及び投影光学系を介
することなく直接感応基板の位置を測定するオフ・アク
シス方式に分けられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】例えば、ＬＩＡ系は、
マスクのパターン領域周辺に設けられたアライメントマ
ークと、感応基板上の一つのショット領域周辺に設けら
れたアライメントマークとを、マスクの上方に配置した
アライメント系によって同時に検出し、両マークのずれ
を直接計測することによりマスク又は感応基板を、その
ずれ量が零になるように微動させて位置合わせする方式
である。

【０００８】この方式ではレジスト層に対して非感光な
波長域の照明光、例えば図９に示すように、自動出力制
御（ＡＰＣ）回路５２を含む駆動回路によって一定の光
出力となるように駆動されている半導体レーザＬＤの波
長６９０ｎｍの照明光をアライメント光として用いる。
マスクの上方に配置されたアライメント系は、マスク面
に投光するアライメント光と、感応基板面に投光するア
ライメント光を、半導体レーザからアライメント系の対
物レンズに至るまでを同軸で導き、対物レンズから射出
したアライメント光をマスク上に形成された回折格子状
のアライメントマーク（以下、レチクルマークという）
と感応基板上に形成された回折格子状のアライメントマ
ーク（以下、基板マークという）に照射する。そして、
２つのアライメント光の同軸性を利用して、レチクルマ
ークからの光情報と基板マークからの光情報とを同時に
光電検出する。

【０００９】図１０は、マスク１に形成されたレチクル
マークＲＭとアライメント光の関係を示す図である。通
常、マスク１に形成されるレチクルマークＲＭは、アラ
イメント光の入射側の面１Ａとは反対側の下面１Ｂに形
成されている。また、アライメント光は、レチクルマー
クＲＭに対して２方向から光束ｆ１及び光束ｆ２として
照射されている。光束ｆ１（光束ｆ２は反対の関係にな
る）はマスク１の下面１Ｂに形成されたレチクルマーク
ＲＭで反射回折後、０次光は正規の方向に戻っていく
が、０次回折光の一部はマスク１の上面１Ａで内面反射
し、それがレチクルマークＲＭで再び反射回折し多重反
射回折光となって０次回折光と同じ方向へ戻る（図１０
ではマスク１の下面１Ｂを透過する光については図示し
ていない）。さらにマスク１の上面１Ａには光束ｆ１の
正反射光があり、これが前記の多重反射回折光とも０次
回折光とも干渉し、レチクルマークＲＭから生ずる検出
信号は常に干渉し合って、光電検出器ヘ達する。

【００１０】ところでアライメント光として用いられる
レーザ光は非常に干渉性が高く、また用いる半導体レー
ザの種類によっては射出光はモードホップ現象により波
長が変動し、干渉条件が変化するという不都合があっ
た。そのため、レチクルマークからの検出信号が乱れア
ライメントの精度（再現性）を悪化させていた。

【００１１】半導体レーザのモードホップ現象は、温度
変化や経時変化、光学系を構成する光学素子の光軸に垂
直な平面での反射光がレーザ光源に戻る戻り光等の影響
によって生ずるといわれ、図１１に示すように、シング
ルモード発振による単一波長λ₁，λ₂，λ₃，‥‥が中
心波長λ₀の前後に１本ないし数本ランダムに出現し、
それらの異なる波長が０次回折光と正反射光及び多重反
射光との相互の干渉状態を不安定にするという不都合が
あった。その結果、マスクと感応基板との重ね合わせが
不正確になる場合が生じ、半導体素子等の製造における
歩留りの低下を招いていた。

【００１２】モードホップを防ぐ方法に関しては、例え
ば温度制御、すなわち半導体レーザの温度をモード安定
領域に固定する方法があり、短期的に見ればモードを安
定させることができるが、長期的には温度が一定であっ
ても時間的モードホップが生じる。また、戻り光の状態
によっては温度によらず常にモードが不安定になること
もあり、温度制御は根本的な対策とはなり得ない。

【００１３】ここでは、マスクの上下面とレチクルマー
クの間で発生する正反射光、多重反射回折光、０次回折
光の影響について説明したが、感応基板においても同様
な問題がある。感応基板でマスクの上下面に相当するの
は、感応基板表面に形成されたパターン層、あるいはレ
ジスト層の上下面である。また、ここではＬＩＡ系を例
にとって説明したが、ＬＩＡ系に限らずＬＳＡ系等、ア
ライメントマークによって散乱又は回折されたレーザ光
を利用するアライメント系は全てこのような問題を抱え
ている。

【００１４】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、アライメント光としてレー
ザ光を用いるアライメント系を採用してもアライメント
精度を低下させることのない投影露光装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、アラ
イメント系にレーザ光のコヒーレンス長を可変する手段
を設け、アライメント光としてコヒーレンス長の短い例
えばマルチモードのレーザ光を用いることにより、不要
の干渉を抑制し、かつレーザ光源が受ける温度変化や経
時変化、戻り光による影響等を軽減して、アライメント
系の検出信号を安定化することにより前記目的を達成す
る。

【００１６】すなわち、本発明は、マスクに形成された
パターンを感応基板に投影する投影光学系と、マスクと
感応基板を位置合わせするためのアライメント系とを含
む投影露光装置において、アライメント系は、レーザ光
を発生するレーザ光源と、レーザ光のコヒーレンス長を
可変する手段を備えることを特徴とするものである。本
発明は、レーザ光源が半導体レーザである場合に特に有
効であり、半導体レーザに対しては、レーザ光のコヒー
レンス長を可変する手段は、半導体レーザの発振を高速
でオン、オフする高速スイッチング回路とすることがで
きる。

【００１７】本発明は、レーザ光源と、レーザ光源から
発生された第１及び第２のレーザ光をマスク及び／又は
感応基板に設けられた格子状アライメントマークに異な
る２方向から照射する照射手段と、格子状アライメント
マークによって発生された第１のレーザ光の回折光と第
２のレーザ光の回折光の干渉信号を検出する検出手段と
を備えるアライメント系に対して特に有効である。

【００１８】誘導放出によるレーザ光はコヒーレント光
で干渉性があり、位相のそろった波形が時間的及び空間
的に十分長く保たれている光である。自然放出による通
常の光、例えば白熱電球の光はコヒーレント光ではな
く、干渉しにくい光である。この干渉の度合いを表すも
のにコヒーレンス長（可干渉距離）がある。コヒーレン
ス長は中心波長の二乗に比例し、波長幅に反比例する。
コヒーレンス長を長くすれば干渉し易くなり、長くする
には波長が一定ならば波長幅の狭い単一波長のシングル
モード一本にすればよい。またコヒーレンス長を短くす
ると干渉はしにくくなる。短くするには発振波長に広が
りのあるマルチモードとすればよい。マルチモード発振
とすると、モードホップ現象によって発振波長が不安定
になることもない。

【００１９】半導体レーザの駆動電流を増加していく
と、図６のようにある電流Ｉ_sのところでレーザ発振が
開始し、光出力が出てくる。このレーザ発振開始電流Ｉ
_sを超えた領域では、光出力は半導体レーザの励起電流
に比例している。一方、半導体レーザの発振モードは、
光出力に対する依存性が高く、図７のように光出力の変
化により発振モードが変化する。図７の例では、光出力
が１ｍＷまでは半導体レーザはマルチモード発振である
が、５ｍＷ動作時にはシングルモード発振となってい
る。このように半導体レーザは通常はシングルモード発
振で、かつレーザ発振波長が時間的に不規則に振動する
性質、いわゆるモードホップ現象がある。

【００２０】ところで、半導体レーザは一般に、レーザ
発振開始から数ナノ秒の間はマルチモード発振になる。
そこで半導体レーザの駆動回路に高速スイッチング回路
を付加し、駆動電流を高速でＯＮ／ＯＦＦすることによ
り、図８に示すようなマルチモードの発振モードを得る
ことができる。マルチモード発振は各モード間の周波数
の差が等しく、一定の位相関係をもつので、アライメン
トマークを照明する半導体レーザの光出力が安定化する
とともに、多重反射回折光と０次回折光等との干渉性を
左右するコヒーレンス長が短くなって不必要な干渉は軽
減され、アライメント系の検出信号が不安定になるとい
う不都合を解消することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、ＬＩＡヘテロダイン方式
のアライメント系を備える本発明による投影露光装置の
一例を示す概略図である。

【００２２】所定のパターンと回折格子状のアライメン
トマーク（レチクルマーク）が形成されたマスク１は、
２次元移動可能なマスクステージ２に保持されている。
マスク１上のパターンは、両側テレセントリックな投影
光学系３によって露光光のもとで感応基板４上に結像さ
れる。投影光学系３は露光光に関して色収差補正されて
おり、マスク１と感応基板４とはその露光光に関して互
いに共役になるように配置されている。感応基板４上に
もマスク１に形成された回折格子マークと同様の回折格
子状のアライメントマーク（基板マーク）が形成されて
いる。

【００２３】感応基板４は、ステップ・アンド・リピー
ト方式で２次元移動する基板ステージ５上に保持され、
感応基板４の１つのショット領域に対するマスクパター
ンの露光が終了すると、次のショット位置までステッピ
ングされる。マスクステージ２には、マスク１の水平面
内でのｘ方向、ｙ方向及び回転（θ）方向の位置を検出
するためのレーザ干渉計４３のレーザビームを反射する
移動鏡６が固定されている。一方、基板ステージ５に
は、感応基板４の水平面内でのｘ方向、ｙ方向の位置を
検出するためのレーザ干渉計４５からのレーザビームを
反射する移動鏡７が固定されている。マスクステージ２
のｘ方向、ｙ方向、θ方向の移動は駆動モータ４２で行
われ、基板ステージ５の２次元移動は駆動モータ４６で
行われる。

【００２４】露光用の照明系は、水銀ランプ３０、楕円
鏡３１、集光レンズや干渉フィルター等を含む入力レン
ズ群３２、オプチカルインテグレータ３３、ミラー３
４、メインコンデンサーレンズ３５及びダイクロイック
ミラー２２等によって構成される。ダイクロイックミラ
ー２２はマスク１の上方に４５゜の角度で配置され、コ
ンデンサーレンズ３５からの露光光を垂直下方に反射
し、マスク１を均一に照射する。このダイクロイックミ
ラー２２は、露光光の波長に対しては９０％以上の反射
率を有し、アライメント光に対しては５０％以上の透過
率を有する。

【００２５】次に、アライメント系について説明する。
アライメント用の照明光は半導体レーザ光源１０から射
出され、透過型の基準回折格子を放射状に形成したラジ
アル・グレイティング１１を通り、フーリエ変換レンズ
１３を介してフーリエ面に配置された空間フィルター１
５に達する。

【００２６】図２は、半導体レーザ１０の駆動回路の模
式図である。図２において、スロースタータ５１は直流
電源のサージ（スイッチを入れたときに瞬間的に加わる
電流）から半導体レーザＬＤを保護する回路、ＡＰＣ回
路５２は半導体レーザＬＤの光出力が周囲温度の変化に
かかわらず一定出力が得られるように、フォトダイオー
ドＰＤによって半導体レーザＬＤの光出力をモニター
し、駆動電流にフィードバックをかける回路である。高
速スイッチング回路５３は半導体レーザに流す電流をス
イッチング用トランジスタでチョップして、設定した光
出力を高速（例えば数百ＭＨｚ）でＯＮ／ＯＦＦする機
能を有する回路である。このような回路構成において、
半導体レーザＬＤにモード同期（強制モード同期）をか
けることにより、すなわち高速スイッチング回路５３に
よりモード間隔に近い周波数で駆動電流をスイッチング
することにより、図８に示すようなマルチモード発振を
得ることができる。

【００２７】ラジアル・グレイティング１１はモータ１
２によってほぼ一定の速度で回転可能になっている。ラ
ジアル・グレイティング１１に入射したレーザ光は０次
光、±１次光、±２次光、‥‥のように回折し、それぞ
れ異なった回折角で広がっていく。図１では、０次光Ｌ
Ｂ₀、＋１次光＋ＬＢ₁、及び−１次光−ＬＢ₁のみを
示す。これら０次光、±１次光はレンズ系１３の作用で
共に主光線が平行になるとともに、フーリエ面に配置さ
れた空間フィルター１５上に分離して分布し、０次光は
遮断され、±１次光は透過する。空間フィルター１５を
通った±１次光は、ビームスプリッター１４で反射され
た後、瞳リレー系１７Ａを通り、ビームスプリッター２
０を透過して２焦点光学系２１に入射する。

【００２８】２焦点光学系２１は、アライメント系の
瞳、すなわち投影光学系３の瞳ＥＰと共役に配置された
複屈折物質２１ｂとテレセントリックな対物レンズ２１
ａとを一体に組み合わせたもので構成され、レーザ光の
±１次光の偏光成分（Ｐ偏光とＳ偏光）に応じて異なる
パワーを与えるものである。ここで、半導体レーザ１０
は直交直線偏光のレーザ光を発振するものとする。この
ため、２焦点光学系２１を射出した一方の偏光（例えば
Ｐ偏光）はマスク１の上方空間の焦点２６ａに結像し、
他方の偏光（例えばＳ偏光）はマスク１の下面のパター
ン面と一致した焦点２７ａに結像する。また、２焦点光
学系の他方の焦点、すなわちレーザ光源１０側で焦点２
６ａ、２７ａとそれぞれ共役な面は、ラジアル・グレイ
ティング１１と一致している。

【００２９】２焦点光学系２１の２つの焦点２６ａ、２
７ａの光軸方向の間隔はアライメント用のレーザ光の波
長における投影光学系３のマスク１側での色収差量に対
応している。この空間中の焦点面２６ａは投影光学系３
によって感応基板４の表面と一致した結像面２６ｂと共
役になり、焦点面２７ａ（マスクパターン面）は投影光
学系３によって感応基板４の表面から空間的に下方に離
れた結像面２７ｂと共役になる。結像面２６ｂと２７ｂ
の間隔は投影光学系３の感応基板４側での色収差量に対
応している。ここで、結像面２６ｂと２７ｂの間隔距離
をＤｗ、焦点面２６ａと２７ａの間隔距離をＤｒ、投影
光学系３の投影倍率を１／Ｍとすると、一般にＤｒ＝Ｍ
²・Ｄｗの関係がある。

【００３０】アライメント用のレーザ光の±１次光ＬＢ
₁（Ｓ偏光）は焦点面２７ａでマスク１のレチクルマー
ク部分に＋１次光＋ＬＢ₁と−１次光−ＬＢ₁とのなす
角度で２方向から入射し結像する。そしてマスク１のレ
チクルマークからの反射回折光はダイクロイックミラー
２２、２焦点光学系２１を介してビームスプリッタ２０
で反射された後、瞳リレー系１７Ｂを通って瞳共役面
（フーリエ面）に配置された空間フィルター２３で軸上
を進む回折光のみがフィルタリングされ、さらに集光レ
ンズ２４を通って光電検出器２５に達する。

【００３１】また、感応基板４の基板マークからの反射
回折光は投影光学系３を介してもとの光路を戻り、マス
ク１の透明部を透過してダイクロイックミラー２２、２
焦点光学系２１、ビームスプリッタ２０、瞳リレー系１
７Ｂ、空間フィルター２３、及び集光レンズ２４を通っ
て光電検出器２５に達する。空間フィルター２３はアラ
イメント光学系の瞳面と共役な位置、すなわち投影光学
系３の出射瞳と実質的に共役な位置に配置され、マスク
１又は感応基板４からの正反射光を遮断し、マスク１又
は感応基板４の基板マークに垂直（面の接線方向）に回
折される光のみを通すように定められている。そして、
光電検出器２５の前には、２焦点検出系２１、瞳リレー
系１７Ｂ、及びレンズ２４を介してマスク１、感応基板
４の夫々と共役に配置されたアパーチャ板２５’が設け
られている。

【００３２】光電検出器２５から得られる光電信号は、
マスク１又は感応基板４を２方向から照射する±１次光
ＬＢ₁によって作られた干渉縞が各回折格子マーク上で
ピッチ方向に流れるように照射されることになるので、
ラジアル・グレイティング１１の回転速度に応じた周波
数の正弦波状の交流信号となる。

【００３３】ところでラジアル・グレイティング１１か
らの±１次光は、ビームスプリッタ１４を透過し、瞳
（フーリエ面）を像面に変換する逆フーリエ変換レンズ
１６によって参照用回折格子１８上に結像する。参照用
回折格子１８は装置上で固定されているものであり、光
電検出器１９は参照用回折格子１８を透過した回折光
（又は干渉光）を受光して、正弦波状の光電信号を出力
する。この光電信号はラジアル・グレイティング１１の
回転速度に比例した周波数となり、基準ビート信号とな
る。

【００３４】位相検出系４０は、光電検出器２５からの
光電信号と光電検出器１９からの光電信号とを入力し、
両信号の位相差を検出する。検出された位相差はマスク
１、感応基板４の夫々に形成されたアライメントマーク
の格子ピッチの１／２内の相対位相ずれ量に一義的に対
応している。制御系４１は、検出された位相差の情報、
サーボシステム４４を介して得られるレーザ干渉計４
３，４５からの位置情報に基づいて駆動モータ４２，４
６を制御し、マスク１と感応基板４の相対位置合わせ
（アライメント）を行う。なお、図１では、２つの光束
＋ＬＢ₁，−ＬＢ₁は紙面内で交差するように示した
が、実際には投影光学系３の光軸ＡＸを含む紙面と垂直
な面内で互いに傾いている。

【００３５】この構成によると、マスク１の上方に斜設
したダイクロイックミラー２２によって露光光とアライ
メント光とを分離したため、露光動作中であってもアラ
イメントマーク検出が可能である。これは露光中に何ら
かの外乱でマスク１と感応基板４のアライメント状態が
狂った場合も、その時点で直ちに検出できることを意味
する。さらに、位相検出系４０からの位相差情報に基づ
いて露光動作中であってもマスクステージ２と基板ステ
ージ５の位置決めサーボをクローズド・ループで実行で
きる。

【００３６】次に、図３を用いてアライメント系のみの
詳細な構成、及びアライメントの原理を模式的に説明す
る。図３において、図１に示したダイクロイックミラー
２２、空間フィルター１５、ビームスプリッタ１４、瞳
リレー系１７Ａは、説明を簡単にするため省略し、図１
のものと同一の部材には同じ符号を付してある。

【００３７】ラジアル・グレイティング（周波数シフタ
ー）１１には半導体レーザ１０から発生されたレーザ光
束（ほぼ平行光束）ＬＢが入射する。このレーザ光束Ｌ
Ｂの偏光方向は、２焦点光学系２１によってＰ偏光とＳ
偏光に分離されて焦点２６ａ，２７ａに集光するとき、
Ｐ偏光とＳ偏光でその光強度（光量）が所定の比になる
ように調整されている。通常、感応基板４に達する光の
方が損失が多いので、感応基板４への光量を増やすよう
にする。そのためには、２焦点光学素子を光軸の回りに
回転させたり、レーザ光源１０とラジアル・グレイティ
ング１１の間にλ／２板を挿入し、それを光軸の回りに
回転させる構造を採用すればよい。

【００３８】ラジアル・グレイティング１１からの±１
次光ＬＢ₁（平行光束）は、レンズ系１３の作用でテレ
セントリックな２焦点光学系２１の瞳面、すなわち複屈
折物質２１ｂ内でスポットとして集光するように入射
し、＋１次光＋ＬＢ₁は複屈折物質２１ｂのところで偏
光成分によってＰ偏光の＋ＬＢ_1PとＳ偏光の＋ＬＢ_1Sと
に分離され、２焦点光学系２１の光軸に対して回折角で
決まる角度だけ傾いた平行光束となってマスク１に達す
る。

【００３９】同様に−１次光−ＬＢ₁もＰ偏光の−ＬＢ
_1PとＳ偏光の−ＬＢ_1Sとに分離され、対物レンズ２１ａ
の光軸をはさんで＋１次光（＋ＬＢ_1P，＋ＬＢ_1S）と対
称的な角度の平行光束となってマスクに達する。Ｐ偏光
に関しては焦点２７ａとラジアル・グレイティング１１
とが共役であるため、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ_1P，−ＬＢ
_1PはレチクルマークＲＭのところでほぼ平行光束となっ
て交差（結像）する。図３においてレチクルマークＲＭ
の格子配列方向は紙面内の左右方向であり、１次光＋Ｌ
Ｂ_1P，−ＬＢ_1Pの各々の光軸からの傾き方向も図３の紙
面内に定められる。

【００４０】マスク１には、図４（ａ）に示すように、
レチクルマークＲＭと透明な窓部Ｐ₀とが形成されてお
り、１次光＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1Pはともにレチクルマーク
ＲＭと窓部Ｐ₀とをカバーする大きさでマスク１を照射
する。図４（ａ）に示したレチクルマークＲＭはｘ方向
（格子配列方向）の位置検出に使われるものであり、感
応基板４上の基板マークＷＭも図４（ｂ）に示すよう
に、これと対応している。基板マークＷＭはアライメン
ト時（又は露光時）にマスク１の窓部Ｐ₀の位置に整列
するように定められている。

【００４１】２焦点光学系２１を射出したほぼ平行なＳ
偏光の１次光＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sは空間上の焦点２６ａ
で一度結像（交差）した後、マスク１の窓部Ｐ₀を透過
し、投影光学系３の瞳ＥＰで一度スポット光として集光
した後、感応基板４の基板マークＷＭに互いに異なる２
方向から入射するように結像される。これはＳ偏光に関
しては焦点２６ａ（感応基板面）とラジアル・グレイテ
ィング１１とが共役だからである。

【００４２】投影光学系３から射出したほぼ平行なＳ偏
光の１次光＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sの各々は、基板マークＷ
Ｍの格子配列方向に関して対称的に傾いて入射する。感
応基板４に達したＳ偏光の１次光＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sの
成す角度は大きくても投影光学系３の射出（感応基板）
側の開口数を越えることはない。なお、ラジアル・グレ
イティング１１に対してマスク１と感応基板４とはそれ
ぞれ共役に配置されるため、レーザ光束ＬＢが平行光束
であるとすると、各光束＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1P、＋Ｌ
Ｂ_1S、−ＬＢ_1Sも平行光束となる。

【００４３】ここでＰ偏光の１次光＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1P
のマスク１のレチクルマークＲＭに対するふるまいを図
５を用いて詳述する。図５はマスク１のレチクルマーク
ＲＭを模式的に表したもので、Ｐ偏光の１次光＋ＬＢ_1P
が角度θでレチクルマークＲＭに入射しているものとす
る。このとき１次光＋ＬＢ_1Pのマスク１での正反射光Ｄ
_1Pも角度θで反射することになる。光束＋ＬＢ_1Pが角度
θで入射することは、光束−ＬＢ_1Pについても角度θ
で、正反射光Ｄ_1Pと逆向きにマスク１に入射することを
意味する。そこでレチクルマークＲＭの格子ピッチを
Ｐ、レーザ光束ＬＢの波長をλ、そしてｎを整数とし
て、以下の〔数１〕を満たすようにピッチＰと角度θと
を定める。

【００４４】

【数１】ｓｉｎθ＝（λ／Ｐ）・ｎ

【００４５】この〔数１〕を満足すると、１次光＋ＬＢ
1P、−ＬＢ1Pの照射によりレチクルマークＲＭから発生
する特定次数の回折光１０４は、マスク１と垂直な方
向、すなわち２焦点光学系２１の光軸に沿った方向に進
む。もちろんその他の回折光１０３も発生するが、これ
は回折光１０４とは異なる方向に進む。

【００４６】ところでマスク１のレチクルマークＲＭに
は２方向から光束＋ＬＢ_1P、−ＬＢ_1Pが交差するように
照射され、その両光束が同一のレーザ光源１０から照出
された同一偏光のものであることから、レチクルマーク
ＲＭ上には２つの光束＋ＬＢ_1Pと−ＬＢ_1Pとの干渉によ
り、明暗の一次元の縞、所謂干渉縞が生じる。仮にラジ
アル・グレイティング１１が停止しているものとする
と、この干渉縞はレチクルマークＲＭの格子配列方向に
所定のピッチで配列する。ラジアル・グレイティング１
１が回転している場合は、その干渉縞はレチクルマーク
ＲＭの格子配列方向に移動する（流れる）ことになる。
これはラジアル・グレイティング１１の１次光＋Ｌ
Ｂ₁、−ＬＢ₁による暗視野像がレチクルマークＲＭ上に
結像していることによる。このためレチクルマークＲＭ
上を干渉縞が走査することによって、回折光１０４は明
暗の変化を周期的に繰り返すことになる。よって光電検
出器２５からの信号は、その明暗変化の周期に応じた正
弦波状の交流信号となる。

【００４７】以上のことは、感応基板４上の基板マーク
ＷＭとＳ偏光の光束＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sとの関係におい
ても全く同様であり、基板マークＷＭからは回折光１０
５が発生し、これは投影光学系３の主光線に沿って進
み、マスク１の窓部Ｐ₀を介して光電検出器２５に達す
る。２焦点光学系２１を射出したＳ偏光の光束＋Ｌ
Ｂ_1S，−ＬＢ_1Sは焦点２６ａでは交差するように結像す
るが、マスク１のレチクルマークＲＭ、窓部Ｐ₀におい
ては大きくデフォーカスしてしまう。

【００４８】さて、光電検出器２５は２焦点光学系２１
を介してレチクルマークＲＭと基板マークＷＭのそれぞ
れと共役に配置されるとしたが、実際には図３に示すよ
うに、マークＲＭ，ＷＭのそれぞれと共役な位置に、図
４（ｃ）に示すようなアパーチャ板２５’を設け、この
マスク部材２５’のアパーチャＡ_P，Ａ_Sを透過した回折
光１０４，１０５と光電検出するように構成される。こ
こでアパーチャＡ_Pは、例えばレチクルマークＲＭから
の回折光１０４による回折像を取り出すものであり、ア
パーチャＡ_Sは基板マークＷＭからの回折光１０５によ
る回折像を取り出すものである。従って光電検出器２５
の受光面を各アパーチャＡ_P，Ａ_Sの後に別個に設ける
ことによって、レチクルマークＲＭによるマスク１の位
置検出と基板マークＷＭによる感応基板４の位置検出と
が独立に可能となる。

【００４９】なお、アパーチャＡ_PにはＰ偏光の光束＋
ＬＢ_1P，−ＬＢ_1Pによって照射されたレチクルマークＲ
Ｍの像ができるが、同時にＳ偏光の光束＋ＬＢ_1S，−Ｌ
Ｂ_1Sの反射回折光もバックグラウンドノイズとして入っ
てくる。このためアパーチャＡ_PにはＰ偏光を通す偏光
板を設け、アパーチャＡ_SにはＳ偏光を通す偏光板を設
けるとよい。こうすると、２つの光電検出器２５のそれ
ぞれで、感応基板からの光とマスクからの光とが混在し
てしまうクロストークは十分に低減される。

【００５０】ここでラジアル・グレイティング１１が停
止している場合に、アパーチャＡ_Pを介して得られる回
折光１０４の光電信号について解析してみる。先の〔数
１〕でｎ＝±１にすると、格子ピッチＰはラジアル・グ
レイティング１１の基準格子のピッチと、レンズ系１
３、瞳リレー系１７Ａ、２焦点光学系２１を通した結像
倍率の関係にある。同様にして基板マークＷＭの格子ピ
ッチも、レチクルマークＲＭの格子ピッチＰと投影光学
系３の結像倍率に関連している。レチクルマークＲＭに
入射する光束＋ＬＢ_1Pによって生じる回折光の振幅ＶＲ
⁺は〔数２〕で与えられ、光束−ＬＢ_1Pによって生じる
回折光の振幅ＶＲ^-は〔数３〕で与えられる。

【００５１】

【数２】ＶＲ⁺＝ａ・ｓｉｎ（φ＋２πｘ／Ｐ）

【００５２】

【数３】ＶＲ^-＝ａ’・ｓｉｎ（φ−２πｘ／Ｐ）

【００５３】ここでＰはレチクルマークＲＭの格子ピッ
チであり、ｘはレチクルマークＲＭの格子配列方向の変
位位置である。これら２つの回折光ＶＲ⁺，ＶＲ^-が互い
に干渉したものが光電検出されるから、光電信号の変化
（回折光１０４の振幅）は〔数４〕のように表される。

【００５４】

【数４】｜ＶＲ⁺＋ＶＲ^-｜²＝ａ²＋ａ'²＋２・ａ・ａ’・
ｃｏｓ（４πｘ／Ｐ）

【００５５】ここでａ²＋ａ'²は信号のバイアス（直流
成分）であり、２ａ・ａ’が信号変化の振幅成分であ
る。この〔数４〕から明らかなように、光電信号はラジ
アル・グレイティング１１とレチクルマークＲＭとが格
子配列方向に相対的に変位すると正弦波状に変化する。
その相対変位量ｘが、ｘ＝Ｐ／２（格子ピッチの半分）
になるたびに、信号振幅は１周期だけ変化する。一方、
基板マークＷＭからの回折光１０５についても全く同様
で、〔数４〕のように表される。

【００５６】そこでこの２つの光電信号の位相関係を合
致させるように、マスク１又は感応基板４を移動させる
ことによってアライメントが完了する。ただし〔数４〕
からもわかるように各信号は正弦波状であり、検出でき
る位相差も±１８０°の範囲内であるため、マスク１と
感応基板４とは予めマークＲＭ，ＷＭの格子ピッチＰの
１／２以下の精度でプリアライメントされている必要が
ある。このようにラジアル・グレイティング１１が停止
している場合は、得られる光電信号の振幅レベルはマス
ク１又は感応基板４を移動させることによってはじめて
正弦波状に変化する。

【００５７】ところでラジアル・グレイティング１１が
回転していると、回折光１０４，１０５は周期的（正弦
波状）な明暗情報となり、得られる光電信号は、マスク
１又は感応基板４が静止していたとしても、正弦波状の
交流信号となる。従ってこの場合は、図１中に示した光
電検出器１９からの光電信号（正弦波交流信号）を基準
信号として、レチクルマークＲＭからの回折光１０４の
光電信号（正弦波交流信号）との位相差φ_rを位相検出
系４０で検出する。同様にして、基板マークＷＭからの
回折光１０５の光電信号と基準信号との位相差φ_wを検
出する。そして、位相差φ_rとφ_wの差を求めれば、マス
ク１と感応基板４のｘ方向のずれ量がわかる。

【００５８】この検出方式はマスク１と感応基板４が格
子ピッチＰの１／２の位置誤差範囲内であれば、静止状
態であっても高分解能で位置ずれ検出できるため、マス
ク１のパターンを感応基板４のレジストへ露光している
間に微小な位置ずれが生じないようにクローズド・ルー
プの位置サーボをかけるのに好都合である。この検出方
式では、φ_r−φ_wが零（又は所定値）になるようにマス
ク１又は感応基板４を移動させてアライメントを完了さ
せた後、引き続きそのアライメント位置でマスク１と感
応基板４とが相対移動しないようにサーボ・ロックをか
けることができる。

【００５９】なお、この例ではステップ・アンド・リピ
ート方式の露光時、感応基板４上の各ショット領域への
基板ステージ５の移動は、干渉系４５の計測値に基づい
て行ない、２つの光束＋ＬＢ_1S、−ＬＢ_1Sの照射領域内
に基板マークＷＭが±１／２ピッチの精度で位置決めさ
れたら、位相検出系４０からの情報のみに基づいてマス
クステージ２、又は基板ステージ５をサーボ制御するこ
とができる。このときマスクステージ２や基板ステージ
５の駆動をＤＣモータで行ない、位相差φ_r−φ_wに対応
したアナログ電圧をＤ／Ａコンバータ等で作り出し、こ
のアナログ電圧をＤＣモータのサーボ回路に偏差電圧と
して直接印加するこもできる。このサーボは、そのショ
ット領域の露光終了時まで行われる。

【００６０】ここで光電検出器１９，２５からの各光電
信号の周波数はラジアル・グレイティング１１の回転速
度に比例しており、位相差検出の分解能、光電検出器１
９、２５の応答性から、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度が望
ましい。もちろん、光電検出器１９，２５に高速応答タ
イプのものを用いれば、さらに信号周波数を高められる
ので、位相差検出によるマーク位置検出をより高分解能
にすることができる。なお、ラジアル・グレイティング
の代わりに音響光学変調器を用いて一定の周波数を有す
る２つのビームを作り出してもよい。

【００６１】この実施の形態によれば、アライメント光
としてコヒーレンス長の短いレーザ光を用いることで、
従来避けられなかったマスクや感応基板での多重反射回
折光等による不要の干渉を軽減し、ＬＩＡヘテロダイン
方式のビート信号を安定化できる。また、コヒーレント
長の短いマルチモード発振のレーザ光を用いることで、
半導体レーザのシングルモード発振時の温度変化、経時
変化及び戻り光による発振モードのジャンプ、すなわち
モードホップが回避されるため、レチクルマークや基板
マークからの回折光の干渉条件が一定となり安定なアラ
イメント信号を得ることができ、アライメント精度を向
上することができる。

【００６２】ここでは、ＬＩＡヘテロダイン方式のアラ
イメント系を備える投影露光装置について説明したが、
本発明はアライメント光にレーザ光を用い、アライメン
トマークからの反射光、散乱光、回折光を用いてアライ
メントを行う他のタイプのアライメント系、例えばＬＩ
Ａホモダイン方式のアライメント系、ＬＳＡ方式のアラ
イメント系等を備える投影露光装置に対しても同様に適
用できる。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、マスクあるいは感応基
板で発生する多重反射回折光等による不要の干渉を軽減
し、また半導体レーザのモードホップを回避して、安定
なアライメント信号を得ることで、アライメント精度を
高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影光学系の一例を説明する概略
図。

【図２】半導体レーザ駆動回路の模式図。

【図３】アライメント系の構成を説明する図。

【図４】（ａ），（ｂ）はレチクルマークと基板マーク
の一例を示す平面図、（ｃ）はアライメント系内のアパ
ーチャ板の構造を示す平面図。

【図５】レチクルマークからの回折光発生の様子を示す
図。

【図６】半導体レーザの光出力−電流特性を示す図。

【図７】半導体レーザの発振波長の光出力依存性を示す
図。

【図８】半導体レーザの発振モードであるマルチモード
を示す図。

【図９】従来の半導体レーザ駆動回路のブロック図。

【図１０】マスクに形成されたレチクルマークとアライ
メント光の関係を示す図。

【図１１】半導体レーザの発振モードであるシングルモ
ードとモードホップを示す図。

【符号の説明】

１…マスク、３…投影光学系、４…感応基板、１０…半
導体レーザ、１１…ラジアル・グレイティング、１５…
空間フィルター、１７Ａ，１７Ｂ…瞳リレー系、１８…
基準格子、１９，２５…光電検出器、２１…２焦点光学
系、２２…ダイクロイックミラー、３０…露光用光源、
４０…位相検出系、５２…ＡＰＣ回路、５３…高速スイ
ッチング回路、ＲＭ…レチクルマーク、ＷＭ…基板マー
ク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成されたパターンを感応基板
に投影する投影光学系と、前記マスクと前記感応基板を
位置合わせするためのアライメント系とを含む投影露光
装置において、前記アライメント系は、レーザ光を発生するレーザ光源
と、前記レーザ光のコヒーレンス長を可変する手段を備
えることを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記レーザ光源は半導体レーザであるこ
とを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記レーザ光のコヒーレンス長を可変す
る手段は、前記半導体レーザの発振を高速でオン、オフ
する高速スイッチング回路からなることを特徴とする請
求項２記載の投影露光装置。
【請求項４】前記アライメント系は、レーザ光源と、
前記レーザ光源から発生された第１及び第２のレーザ光
を前記マスク及び／又は前記感応基板に設けられた格子
状アライメントマークに異なる２方向から照射する照射
手段と、前記格子状アライメントマークによって発生さ
れた前記第１のレーザ光の回折光と前記第２のレーザ光
の回折光の干渉信号を検出する検出手段とを備えること
を特徴とする請求項１、２又は３記載の投影露光装置。