JP2808595B2

JP2808595B2 - 位置検出装置及び該装置を用いた投影露光装置

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Publication number: JP2808595B2
Application number: JP63036802A
Authority: JP
Inventors: 昭一谷元
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-02-19
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: JPH01212436A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はLSIのパターン転写等に使用される投影型露
光装置に関するものである。

〔従来の技術〕

縮小投影型露光装置はより集積度の高いパターンの転
写を可能とするように年々改善されつつある。最近では
エキシマレーザを光源とするデュープUV領域のステッパ
ーが発売され、0.5μｍ以下の線幅領域におけるリング
ラフィーの主力装置としての可能性が強いものとして注
目を集めている。特に、波長248nmのKVFエキシマレーザ
の発振スペクトル幅を5pm（ピコメータ）以下に狭帯化
し、投影レンズとして石英のみを光学材料に用いた形式
の装置はウェハ上での１回の露光領域が大きくとれ、LS
Iのサイズ又は複数個のサイズの確保ができるので量産
装置として早期に実用化されることを期待されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような全石英タイプの投影レンズを用いると、
パターンの焼付けに用いるスペクトルの光のみしか色収
差が補正されず、投影レンズを介したいわゆるスルーザ
レンズのアライメント系を設けようとすれば、焼付け光
も同じスペクトルの光を用いなければならなかった。と
ころで、ディープUV領域のフォトレジストは吸収が激し
いものが多く、ディープUV光ではレジストの吸収の為に
ウェハ上のアライメントマークの観測ができないという
問題がある。また、多層レジストを用い、最上層に吸収
の比較的少ないレジスト層を設けた場合でも、下層では
UV光がほとんど吸収されてしまうという問題がある。こ
のような問題を解決する試みとして、一方ではアライメ
ントマーク部のみのレジストをエキシマー光でアブレー
ション効果によりはがすことも行われているが、スルー
プットやゴミの発生等の問題が解決されていない。

従って、上記のようなディープUVステッパーにおける
アライメント方式は投影レンズを介さないオファキシス
アライメント方式が主流になると考えられてきたが、オ
ファキシス方式には次のような問題がある。

（１）レチクルの像の位置とアライメント計測位置の相
対的なオフセットが存在し、それがドリフトする。

（２）装置温度、大気圧、機械振動、露光光の一部吸収
による熱的な変化、微小な機械的歪の解消による変形等
によって生じる投影倍率やディストーションの変化、フ
ォーカスや像面湾曲の変化に対応したアライメントがで
きない。

（３）レチクルの位置を精密に位置計測しても、投影レ
ンズ自体の振動や歪等の効果により、ウェハ側の像面に
おける像位置の計測に誤差が生じる。

（４）ウェハステージに設けたフィデューＺヤルマーク
を用いた計測を行っても、ウェハ露光中に行えないの
で、速いモニターができず、スループットが低下する。

そこで本発明は以上のような従来の問題点に鑑みてな
されたもので、ウェハ等の被投影物（第２対象物）上の
パターンに対してはオファキシスのアライメント系であ
るが、オンアキシス系と同等以上の性能を有する投影露
光装置を得ることを主な目的とする。さらに本発明は、
光源等による熱的外乱による弊害を改善できる位置検出
装置及び投影露光装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

上記問題点の解決の為に、第１物体と第２物体との相
対位置ずれを検出する位置検出装置において、アライメ
ント光を射出する光源と、第１物体と第２物体との少な
くとも一方にアライメント光を導く照明光学系とを備
え、照明光学系に光導波路を含ませることとした。ま
た、第１物体上のパターンを第２物体上に投影光学系を
介して投影する投影露光装置において、アライメント光
を射出する光源と、第２物体にアライメント光を導く照
明光学系とを有し、第１物体と第２物体との相対位置ず
れ量を検出する位置検出装置と、位置ずれ量に基づいて
第１物体と前記第２物体の相対位置を調整する位置制御
装置とを備え、照明光学系に光導波路を含ませることと
した。

〔作用〕

本発明では、光源等の熱源を投影レンズ等から遠くに
離し、光ファイバー等でアライメント用の照明光学系に
導くようにしたので、光源等による熱的外乱による弊害
を改善できる位置検出装置及び投影露光装置を得ること
ができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の
全体的な構成を示す図であり、エキシマレーザを露光光
とするエキシマステッパーを想定している。波長248nm
等の狭帯化されたレーザビームを射出するKrFエキシマ
レーザ光源１は外部トリガーによって発振される。その
エキシマレーザ光は、可変アテニュエータ等の光量制御
装置２、投影領域（レチクルＲ上での照明領域）を制限
するための可変開口ブラインド３、第１コンデンサーレ
ンズ４、反射ミラー５、及び第２コンデンサーレンズ６
を介して、レチクルＲを一様の照度分布で照明する。石
英等のレチクルＲの下面にはクロム、酸化クロム等の遮
光材料でLSIの回路パターンPAや各種アライメントのた
めのマークパターンRM等が形成されている。またレチク
ルＲはレチクルステージRST上に水平に吸着固定され、
レチクルステージRSTは駆動部RSDによって、レチクルＲ
を投影レンズ系PLの光軸AXと垂直な平面内で２次元移動
させる。さて、レチクルＲのパターン領域PAの像は、投
影レンズ系PLと光学的に透明な平板状の参照部材RPを介
してウェハＷ上に結像投影される。参照部材RPの中央部
分は露光時に投影レンズ系PLとともに、レチクルＲのパ
ターン領域PAのウェハＷへの結像に寄与する。また参照
部材RPのバターン投影像の周辺部分の水面で、レチクル
ＲのマークパターンRM（基準パターン）の投影像に対応
した部分を反射面にし、ここで反射して形成された像面
（レチクルＲのパターン面と共役な面）付近にマークRM
に対応した参照パターンが設けられている。この参照部
材RPは石英等の寸法安定性の良い材料で作られており、
詳しい構成形状についきは後で述べる。尚、参照部材RP
は投影レンズ系PLと機械的な位置ずれが生じないように
取付けられている。

さて、投影レンズ系PLの光軸AXから一定間隔の位置に
は、ウェハＷ上のマークパターン等を観察するオファキ
シス方式のアライメントセンサーWAが設けられている。
アライメントセンサーWAは本実施例では参照部材RPを介
することなく直接ウェハ面を観察するものとする。また
参照部材RPを介してウェハＷに斜めに光ビームを照射す
る送光系AF1と、その光ビームのウェハ表面での反射光
を再び参照部材RPを介して受光する受光系AF2とは、投
影レンズ系PLによる最良結像面とウェハ表面との間隔を
光学的に検出するギャップセンサーであり、受光系AF2
の出力信号はウェハ表面の光軸AX方向の位置、所謂焦点
ずれを表わし、自動合焦システムに使われる。ところで
ウェハＷはウェハホルダーWH上に吸引固定され、ウェハ
ホルダーWHは、紙面と垂直な水平面内でｘ、ｙ方向に平
行移動するとともに、θ（回転）方向に微動回転し、さ
らに光軸AX方向にＺ移動するステージWSTに設けられて
いる。ステージWSTは例えば階層構造となっており、下
からＹステージ、Ｘステージ、Ｚステージ、θステージ
およびウェハホルダーWHの順に組み合わされている。各
ステージの駆動はステージ駆動部WSDによって行なわ
れ、特にxy方向の座標位置はレーザ干渉計９によって高
分解能に逐次計測されている。レーザ干渉計９からの測
長用のレーザビームの１つは固定（参照）ミラー７に垂
直に入射し、もう１つのレーザビームはステージWSTの
Ｚステージ部に固定された移動ミラー８に垂直に入射
し、レーザ干渉計９は固定ミラー７までの光路長と、移
動ミラー８までの光路長との差に基づいてステージWST
の位置を計測する。尚、第１図では一次元方向のレーザ
干渉計しか示していないが、紙面と垂直な方向に関して
も同様にレーザ干渉計が設けられる。また固定ミラー７
は参照部材RPにできるだけ近い位置、もしくは一体に設
けられている。

さて、本実施例では、より高精度、高分解能にレチク
ルＲ上のマークRMと参照部材RP上のマークとを検出する
ために、所謂光ヘテロダイン方式の位置ずれ検出系（ア
ライメント系）を採用した。以下その構成を説明する
と、各マークの照明光として、ミラー11、レーザチュー
ブ12、及びミラー14から成るアルゴンイオンレーザ光源
LSからの波長488、496、又は514nmのいずれか１つの連
続発振レーザ光を共振器内部に設けられたSHG結晶13に
よって高調波に変換したレーザ光17を用いる。レーザ光
17はモータ16によって一定速度で回転する透明円板15の
一方の面側からほぼ垂直に入射する。回転円板15のレー
ザ光17の入射点を含む円周上には、放射方向に延びた微
小格子を円周方向に配列した格子パターンが形成されて
いる。円板15の格子パターン部に入射したレーザ光17の
一部は反射方向の解折光となって光電素子18に受光され
る。この光電素子18の光電出力は円板15の回転位置をモ
ニターし、位置ずれ検出の動作タイミングを決めるため
に使われる。回転円板15の格子パターンで透過した解折
光のうち、例えば＋１次光と−１次光の夫々は集光レン
ズ19、20によって光ファイバー23、24の各端面に集光さ
れる。一方、回転円板15を透過した０次光はミラー21、
22で反射され、再び回転円板15の他の部分に入射する。
この部分に格子パターンがあると、ここでも同様に±１
次回折光が発生し、それぞれ集光レンズ25、26によって
光ファイバー27、28の各端面に集光される。光ファイバ
ー23、24、27、28は紫外域の波長に対する減衰の少ない
ものがよく、また好ましくは単一モード保存ファイバー
がよいが、必ずしもモード保存タイプである必要はな
い。ここで光ファイバー23、24で導かれる光は各マーク
のｘ方向の位置計測に使われ、光ファイバー27、28で導
かれる光はｙ方向の位置計測に使われる。そして光ファ
イバー23、24、27、28の各他端面から射出される光は、
アパーチャ板30、テレセントリックな対物レンズ31、及
びミラー32を介して、レチクルＲのマークRMを含む局所
領域を照射する。このマークRMの一部の透明部を透過し
た光は投影レンズ系PLと参照部材RPを通って参照部材RR
の下面の一部に形成された反射面に達し、ここで反射し
てさらに参照パターンに至る。レチクルＲのマークRMか
らの光情報と参照部材RRの参照パターンからの光情報と
は、再びミラー32、対物レンズ31を介して部分ミラー34
で照明光路から分岐される。部分ミラー34は対物レンズ
31の焦点位置、すなわち投影レンズ系PLの瞳共役位置に
設けられている。部分ミラー34で反射された光情報は、
レンズ系35によって部分ミラー36によって２方向に分け
られる。部分ミラー36は対物レンズ31とレンズ系35の結
像系に関してレチクルＲのマークRMあるいは参照部材RR
の参照パターンとほぼ共役な位置に設けられ、マークRM
の像と参照パターンの像とを分割し、それぞれレンズ系
42と41の方へ導く。レンズ系41を通った参照パターンか
らの光情報は光電検知器37で受光され、レンズ系42を通
ったマークRMからの光情報は光電検知器38で受光され
る。

ここでレンズ系41、42は対物レンズ32の焦点面（すな
わち投影レンズ系PLの瞳面）と各検知器37、38の受光面
とをほぼ共役にするように配置される。

ここでレチクルＲのマークRMと参照部材RPの参照パタ
ーンとを回折格子パターンにすると、各検知器37、38の
光電信号はともにある一定の周波数の交流信号となる。
この２つの交流信号は、マークRMと参照パターンの格子
ピッチ以内での相対的な位置ずれが、信号の位相差（例
えば±180°）に対応しているという極めて重要な性質
を持っている。そこで位相計39によって各検知器37、38
からの出力信号の位相ずれを求めることにより、レチク
ルＲと参照部材RPの相対的な位置ずれが検出される。こ
の検出された位置ずれ（もしくは位相ずれ）はメインプ
ロセッサーMCに入力する。プロセッサーMCは、レーザ干
渉計９で計測された座標値、オフ・アキシス方式のアラ
イメントセンサーWAからのアライメント情報、ギャップ
センサーの受光器AF2からのウェハ表面の高さ位置情
報、及び光電素子18からのタイミング信号等を入力す
る。さらにプロセッサーMCはステージWSTの駆動部WSD、
レチクルステージRSTの駆動部RSD、エキシマレーザ光源
１、及び光量制御装置２等へ適宜駆動情報を出力する。

またレチクルＲのパターン領域PAをはさんだ右側には
想像線40で示すように、部材30〜39、41、42と同様に構
成されるもう１組の位置ずれ検出系（アライメント系）
が設けられる。

ここで回転円板15は、所謂ラジアルグレーティングと
呼ばれるものであり、レーザ光17を横切る方向に格子パ
ターンが移動することによって、発生する回折光の正の
次数光と負の次数光の周波数に所定量だけ差を与える。
従って、例えば光ファイバー23と24の夫々から射出して
対物レンズ31を介してレチクルＲのマークRMの領域に達
した周波数の異なる２つの光は、相互に干渉してマーク
RM（又は参照パターン）上に干渉縞を形成するととも
に、その干渉縞は周波数の差（ビート）の周波数で縞と
直交する方向に流れることになる。ところで光ヘテロダ
イン法では、マークパターン（回折格子パターン）に対
してその干渉縞が高速に流れる（スキャンする）ことか
ら、位置検出すべき対象物をアライメント系に対して微
動させる必要がないといった特徴点がある。このこと
は、第１図のように露光動作中は相対位置を動かすこと
のないレチクルＲと投影レンズ系PL（参照部材RP）との
微小な位置ずれ誤差を高精度に検出するのに極めて好都
合である。

さらに光ヘテロダイン法では、得られた光電信号の位
相情報が位置ずれに対応するから、位相情報のみを高精
度に検知すればよい。そしてさらに好都合なことに、現
在の電子回路技術では、交流信号の位相差等を極めて分
解能よく検知する回路をいとも簡単に実現してしまう。
この結果回折格子パターンの格子ピッチの1/100〜1/100
0程度の位置ずれが容易に計測される。尚、光ヘテロダ
イン法を用いてウェハ上の格子パターンの位置ずれを検
出する方式としては、例えば特開昭61−215905号公報に
詳しく開示されている。

次に、第１図に示した装置の部分的な構成を順次詳細
に説明する。

第２図は、第１図に示した位置ずれ検出系のための照
明光の発生部、すなわちレーザ光源LSから各光ファイバ
ー23、24、27、28までの構成を示す斜視図である。回転
円板15には第２図に示すように円周上の２ケ所に格子パ
ターン部51、52が形成されており、その他の円周部は透
明部とされている。この格子パターン部51、52のさらに
詳しい配置は第４図の平面図に示されている。回転円板
15の矢印53の方向の回転中心Ogに関して点対称に約90°
の角度分だけ格子パターン部51と52が形成されている。
レーザ光17の０次の透過光はミラー21、22によって再び
回転円板15の他の部分に入射するレーザ光66となる。第
４図に示すようにレーザ光17の入射点とレーザ光66の入
射点は回転中心Ogからともに等しい距離で、かつ回転中
心Ogを中心に角度θ₁だけ開いているものとする。角度
θ₁は格子パターン部が点対称に２ケ所あることから、
ここでは90°〜180°の間の一定値に定められている。
さて、第２図において回転円板15の格子パターン部51、
52には、回転中心Ogを中心とする同心円に沿って一定ピ
ッチd₁で透過部と不透過部とが形成されている。この回
転円板15をモータ16によって矢印53方向に速度ｍ（rp
s）で等速回転させると、レーザ光17（又は66）の入射
点と中心Ogの距離（半径）をｒ（mm）として、格子パタ
ーン部51、52からの１次回折光＋LB、−LBには（１）式
で表わされる周波数のずれが生じる。

従って＋１次光と−次光との間の周波数差Δ∫₀は
（２）式で表わされる。

このため、第１図で示した光ファイバー24（又は28）
に入射する光の周波数は、光ファイバー23（又は27）に
入射する光の周波数よりもΔ∫₀だけ高いことになる。

このように回転円板15は１次回折光の正と負とで周波
数を異ならせる周波数シフターの機能を有するととも、
格子パターン部51、52と透明部を円周に沿って交互に設
けてレーザ光をミラー21、22で反射することで、レンズ
19、20へ入射する回折光の発生とレンズ25、26へ入射す
る回折光の発生とを時間的に交互に繰り返すスイッチン
グの機能を有する。

ところで第１図では光ファイバー23、24、27、28の４
本、１組しか示していなかったが、位置ずれ検出系が複
数ある場合は、その数に応じて各レンズ19、20、25、26
で集光された光を複数の光ファイバーへ、分配すればよ
い。第２図に示した分配器MB1、MB2、MB3、MB4の夫々
は、集光された光をそれぞれ４本の光ファイバーへ、ほ
ぼ同等の光量で分配するように構成されている。

第３図は、代表して分配器MB1とMB2の内部構成を示す
斜視図であり、分配器MB3、MB4についても同様に構成さ
れる。レンズ19で集光された＋１次光はビームスプリッ
タ54で２つに分割され、ここを透過した光はさらにビー
ムスプリッタ55で２つに分割され、それぞれ光ファイバ
ー23、56に入射する。一方ビームスプリッタ54で反射し
た光はさらにビームスプリッタ57で２つに分割され、そ
れぞれ光ファイバー58、59に入射する。分配器MB2につ
いても同様に、ビームスプリッタ60、62、63によって−
１次光を分割して光ファイバー24、61、64、65の夫々へ
入射させる。同様に分配器MB3は第２図に示すように＋
１次光を４本の光ファイバー27、71、73、74の夫々に分
割し、分配器MB4は−１次光を４本の光ファイバー28、7
7、79、80の夫々に分割する。ここで用いられる光ファ
イバーは、先にも述べたように単一モードを保存できる
タイプのものが望ましいが、偏光面は保存されない方が
望ましい。偏光面が保存される場合は、光ファイバーの
射出端から位置ずれ検出系に至る光路中に偏光素子を挿
入したり、光ファイバーを回転位置合わせする等して偏
光面を揃える必要がある。

次に第１図に示した位置ずれ検出系（アライメント
系）の構成について、第５図を参照して説明する。第５
図は第１図に示した光ファイバー23、24、27、28の射出
端から参照部材RPに形成された参照パターンRFまでの系
を概略的に示す斜視図である。

レチクルＲのマークRMはｘ方向に回折格子を配列した
Ｘ基準パターンPXと、ｙ方向に回折格子を配列したＹ基
準パターンPYとを有し、それらパターンPX、PYに隣接す
るとともに参照パターンRFと対応した位置には透明窓部
PWが設けられる。これら基準パターンPX、PY、窓部PWの
周囲は所定の大きさの遮光部で囲まれている。そしてマ
ークRMと参照パターンRFとは光ファイバーから射出され
る光の波長のもとでは、互いに共役になっている。さ
て、光ファイバー23、24の各々からの光は、アパーチャ
板30の小開口43、44の各々を通り、光路内に斜設された
透明板の中心部に部分ミラー34を形成した窓間フィルタ
ー47の透明部を通り、対物レンズ31に入射する。アパー
チャ板30の微小開口43、44はアパーチャ板30の中心（対
物レンズ31の光軸が通る点）に関してｘ方向に対称的な
位置に設けられている。さらにアパーチャ板30には光フ
ァイバー27、28の夫々からの光を通す微小開口45、46が
設けられるが、開口45、46はアパーチャ板30の中心に関
してｙ方向に対称的な位置に形成されている。このアパ
ーチャ板30は好ましくは対物レンズ31の焦点（ｆ）の位
置近傍に設けられる。また部分ミラー34は対物レンズ31
の光軸の通る位置に形成され、対物レンズ31の焦点
（ｆ）の位置、すなわち投影レンズ系PLの瞳と共役な位
置、又はその近傍に配置される。さて対物レンズ31に入
射してレチクルＲへ向う光のうち、アパーチャ板30の開
口43を通った光（光ファイバー23からの＋１次光）90a
と、開口44を通った光（光ファイバー24からの−１次
光）90bとは対物レンズ31の光軸を中心にしてｘ方向に
ほぼ同じ角度で傾いた主光線に沿ってマークRMの領域を
照射する。アパーチャ板30の開口45、46の夫々を通った
＋１次光、−１次光も同様に、対物レンズ31の光軸を中
心にしてｙ方向にほぼ角度で傾いた主光線に沿ってマー
クRMの領域を照射する。ただし第２図、第４図に示した
回転円板15のスイッチング機能によって、開口43、44を
通る±１次光と開口45、46を通る±１次光とは交互にマ
ークRMの領域を照射する。

尚、アパーチャ板30の微小開口43、44、45、46はそれ
ぞれ光ファイバーからの光の指向性と可干渉性を向上さ
せて対物レンズ31へ入射させる働き、すなわち空間的コ
ヒーレンシイを高める働きがある。そこで以下、マーク
RMと参照パターンRFのｘ方向の位置ずれ計測について説
明する。

対物レンズ31からの２本の光90a、90bは、開口43、44
が微小であることから、それぞれほぼ平行光束に集光さ
れており、しかも光90a、90bの周波数がΔｆ₀だけ異な
ることから、レチクルＲのマークRMを含む照射領域にｘ
方向に流れる明暗の干渉縞（縞自体はｙ方向に伸びてい
る）が生じる。このときマークRM上の干渉縞のピッチは
Ｘ基準パターンPXの格子ピッチの丁度1/2になるように
設定されている。干渉縞のピッチは光90aと90bの入射角
と波長とによって決まる。ここでＸ基準パターンPXの格
子ピッチを2d₂（mm）とすると、干渉縞のｘ方向の移動
速度はd₂・Δｆ₀（mm/Sec）で表わされる。そして光ビ
ーム90a、90bの入射角をともにθｒとし、波長をλとす
ると、入射角θｒは（３）式で表わされる。

この（３）式の関係が成立するとき、Ｘ基準パターン
PXから法線（対物レンズ31の光軸）方向に対物レンズ31
へ向けて生じる干渉光90cは、レチクルＲと他の光学系
の相対位置関係が変動しない限り、周波数Δｆ₀の光ビ
ーム信号を含むようになる。

一方、マークRM内の窓部PWに生じた干渉縞は投影レン
ズ系PLの縮小率1/Mで縮小（又は等倍）され、参照パタ
ーンRF上にピッチd₂/Mの干渉縞となって結像投影され
る。従ってここで参照パターンRFがｘ方向にピッチ２・
d₂/Mで格子要素を配列した格子パターンであると、参照
パターンRFからの干渉光も投影レンズ系PL光軸と平行に
発生し、レチクルＲの窓部PWを通過して干渉光90cと同
じ光路で対物レンズ31へ向う。尚、投影レンズ系PLのウ
ェハＷ（参照パターンRF）側はテレセントリックな系で
あることを前提とし、投影レンズ系PLのレチクルＲ側も
テレセントリックな系であるときは、対物レンズ31の光
軸は投影レンズ系PLの光軸AXと平行に定められる。レチ
クルＲ側が非テレセントリックな系であるときは、対物
レンズ31の光軸を光軸AXと平行にする場合と、投影レン
ズ系PLの軸外の傾いた主光線に合わせる場合とが考えら
れる。

以上のようにしてＸ基準パターンPXから戻ってくる干
渉光90cと、参照パターンRFから戻ってくる干渉光とは
ともに対物レンズ31を介して空間フィルター47の部分ミ
ラー34に至る。対物レンズ31がテレセントリック系であ
り、さらに投影レンズ系PLのウェハＷ側がテレセントリ
ック系であることから、光軸と平行に発生した各干渉光
はともに部分ミラー34内、すなわち瞳中心部に集光さ
れ、ここで反射されて第２対物レンズ35に入射する。

第２対物レンズ35を通った干渉光によって、部分ミラ
ー36の上にＸ基準パターンPXと参照パターンRFの各像が
形成される。部分ミラー36は、光路中に斜設された透明
板に参照パターンRFの像のみを反射する反射部48を有
し、Ｘ基準パターンPXとＹ基準パターンPYの像は、透過
するように構成される。反射部48で反射された参照パタ
ーンRFからの干渉光はレンズ41（第１図参照）を介して
検知器37で受光され、反射部48の廻りを透過した基準パ
ターンPX、PYからの干渉光はレンズ42（第１図参照）を
介して検知器38で受光される。第５図に示した部分ミラ
ー36の反射部48の周囲にはＬ字形の帯状吸収部39が形成
され、参照パターンRFの像と基準パターンPX、PYの像と
の位置的な分離を完全なものとしている。

以上のようにして、Ｘ基準パターンPXと参照パターン
RFのｘ方向の相対位置ずれを検出する場合、検知器38の
出力信号に対して検知器37の出力信号の位相ずれを位相
計39で測定する。例えば位相計39で得られた位相ずれが
φｘの時、この位相ずれφｘをウェハ面上の位置ずれ量
Δｘに換算すると、となり、Δｘだけ、参照パターンRFがｘ方向にずれてい
るとみなされる。

ｙ方向についても同様のことがいえる。

次に上記レチクルマークRMと参照パターンRFの詳細な
形状の一例について第６図、第７図（ａ）、（ｂ）を参
照して説明する。第６図は周辺を遮光部（斜線部）で囲
まれたレチクルマークRMを示し、Ｘ基準パターンPXはｙ
方向に伸びたスリット状の透明の格子要素1041、1042、
1043、1044、1045がピッチ2d₂でｘ方向に配列される。
Ｙ基準パターンPYはｘ方向に伸びたスリット状の透明格
子要素1031、1032、1033、1034…がピッチ2d₂でｙ方向
に配列される。基準パターンPX、PYの格子デューティは
50％である。窓部PWはＸ基準パターンPXの上方（ｙ方
向）に隣接するとともにＹ基準パターンPYの右方（ｘ方
向）に隣接して形成される。第７図（ａ）は窓部PW内に
丁度入り込む大きさで形成された基準パターンRFの形状
を示し、ここでは、ピッチ2d₂/Mでｘ方向とｙ方向に正
方形の不透明格子要素1051、1052…をデューティ50％で
マトリックス状に配列したもので、２次元回折格子とし
て働く、第７図（ｂ）は第７図（ａ）に示した参照パタ
ーンRFの変形例であり、ピッチ2d₂/Mの不透明格子要素1
071、1072…をｘ、ｙ方向に市松模様に並べたものであ
り、同様に２次元回折格子として働く。

第６図に示したレチクルマークRMに対して、対物レン
ズ31から射出された光によってできる干渉縞は、マーク
RMの全体を覆うように形成される。ただし、回転円板15
のスイッチング機能によって、ｘ方向に伸びた干渉縞と
ｙ方向に伸びた干渉縞とは時間的にオーバーラップする
ことなくマークRMを照射する。

次に第１図に示した参照部材RPの構成について第８図
を参照して説明する。

参照部材RPは円形の２枚の石英板RPa、RPbを重ね合わ
せた構造となっており、その中心に投影レンズ系PLの光
軸AXが通るように配設されている。第８図中、中心点Os
で光軸AXと直交する２本の線lx、lyは夫々座標系xyのｘ
軸、ｙ軸と平行であり、かつ石英板RPaの上面に含まれ
た線である。光軸AXと同心に表わした円形の領域IFは石
英板RPaの上面における投影レンズ系PLの結像視野（イ
メージフィールド）であり、領域IFに円接する矩形領域
PAmはレチクルＲのパターン領域PAの像光束が通る部分
である。

ここでは、参照部材RPの光軸AXを挟んでｘ方向に対称
的に離れた位置の２ケ所に、参照パターンRFa、RFbが設
けられた場合を説明する。参照パターンRFa、RFbは石英
板RPa、RPbの間の面に形成されており、この参照パター
ンRFa、RFbの夫々を通り光軸AXと平行な垂線La、Lbは、
第１図、第５図で示した対物レンズ31の光軸と一致して
いる。参照パターンRFa、RFbの夫々は矩形のパターン像
領域PAmの外側で、かつイメージフィールドIFの内側の
収差が良好に補正された部分に設けられる。垂線La、Lb
上の点Oa、Obは線lx上の点、すなわち石英板RPaの上面
に含まれる点であり、中心Osから点Oa、Obの夫々までの
ｘ方向の距離は、本実施例では等しいものとする。

さて、参照パターンRFa、RFbの下部で石英板RPbの下
面（ウェハＷと対向する面）には反射部Ma、Mbが蒸着等
により形成されている。反射部Ma、Mbは垂線La、Laがそ
の中心を通るように、参照パターンRFa、RFbのサイズよ
りも大きな面積で形成される。ただし、パターン像領域
PAmを通る露光時の結像光束を遮光しないように設定さ
れている。

以上の構成からも明らかなように、参照パターンRF
a、RFbと反射部Ma、Mbは光軸AX方向に石英板RPbの厚み
分だけ離れている。

第９図は投影レンズ系PL、参照部材RP、及びウェハＷ
の光軸AX方向の配置を示す断面であり、石英板RPbの厚
みをG₂、石英板RPbの下面とウェハＷの間隔をG₁とし、
光軸AXと平行な主光線lmに沿った光束LexはレチクルＲ
のパターン領域PAの最外部の１点からの結像光線を表わ
し、主光線La（対物レンズ31の光軸）に沿った光束Lfr
はレチクルＲのマークRM内の１点（対物レンズ31の光軸
上）からの結像光線を表わす。エキシマレーザ光の照明
によってレチクルＲの投影レンズ系PLに関する共役面
は、参照部材RPがないとすると第９図中の面FPにでき
る。しかしながら参照部材RPの全体の厚さ、および光学
的屈折率ｎから面FPよりも所定量下方に共役面ができ、
ここにウェハＷの表面が合わされる。

さて、レチクルＲのマークRMを照明する光の波長がエ
キシマレーザ光の波長と極めて近い（又は一致する）場
合、光束Lfrの結像点は参照部材RPがないとすると面FP
と同一の面にできる。しかしながら参照部材RPの下面に
反射部Maが存在することから、光束Lfrはここで上方に
反射され、参照パターンRFaの面に結像する。尚、もう
一方の参照パターンRFbと反射部Mbの作用についても同
じである。

ここで参照パターンRFaとレチクルマークRMの結像関
係を考えてみると、一般に投影レンズ系PLの焦点深度は
±２μｍ以下で極めて浅い。そのため参照パターンRFa
を石英板RPaのみを介して直にレチクルＲ側から観察す
ると、参照パターンRFaの像は極めて大きくデーフォー
カスしている。このため第１図、第５図で示した部分ミ
ラー36の位置では、参照部材RPの反射部Maを介した参照
パターンRFaの像のみが結像する。

次に、第10図、第11図を参照して、本実施例の動作を
説明する。第10図はレチクルＲのマーク部分の様子を示
し、ここではＸ基準パターンPXと窓部PWとを示す。レチ
クルマークRMには第５図に示したように２方向から入射
角θＲの光束90a、90bが同時に照射され、一部はＸ基準
パターンPXで反射回折してレチクルＲと垂直な干渉光90
Cになる。また窓部PWをそのまま透過した光束90a、90b
は投影レンズ系PLを介して第11図のように参照パターン
RFaを表面から照射する。光束90a、90bの参照パターンR
Faへの入射角θＷは、参照部材RPの光学的屈折率をｎ、
投影レンズ系PLの縮小率を1/Mとすると、次式で与えら
れる。

この条件を満すとき、光束90a、90bの夫々が参照パター
ンRFaによって回折されて生じる回折光（例えば＋１光
と−１次光）は互いに垂直方向に進む干渉光90dとなっ
て投影レンズ系PLへ戻り、さらに第10図中の窓部PWを通
って対物レンズ31へ入射する。従って、第５図に示した
部分ミラー36の位置には、基準パターンPX（PY）からの
干渉光90Cによって形成された基準パターン像（暗視野
像）と、参照パターンRFaからの干渉光90cによって形成
された参照パターン像（暗視野像）とが結像する。ただ
し干渉光90c、90dは先にも説明したように光束90a、90b
の周波数差Δｆ₀をもつビート周波数で明暗を繰り返し
ている。そして部分ミラー36で分離された干渉光90c、9
0dの位相差は位相計39で計測される。位相計39で検出さ
れた位相差は、第１図に示したプロセッサーMCに送られ
る。プロセッサーMCは光電素子18からの光電出力を計測
時の同期信号として入力し、位相計39で計測された位相
差が、ｘ方向かｙ方向かを弁別する。第２図第５図の構
成、及び第６図、第７図のマーク形状からも明らかなよ
うに、光電素子18が出力信号を生じるのは、光ファイバ
ー23、24がレーザ光を射出するときであり、これはｘ方
向の位置ずれ計測のときである。従ってプロセッサーMC
は、光電素子18が出力信号を発生しているときの位相差
をｘ方向のずれ量として求め、出力信号がないときの位
相差をｙ方向のずれ量として求める。

ここで、レチクルＲが不図示のレチクルアライメント
系によって投影レンズ系PLの光軸に対して正確に位置決
めされているものとすると、位相計39で計測されたレチ
クルＲ上の２ケ所のマークRMと、２ケ所の参照パターン
RFa、RFbの夫々のｘ、ｙ方向の位置ずれはほぼ零にな
る。

しかしながら実際にはわずかな位置決め誤差等が残る
ため、各マークの位置でずれ量が計測される。

例えば第12図に示したレチクルマークRMのようにレチ
クルＲの左右にマークRMa、RMbが設けられていて、各マ
ークの位置でのずれ量がそれぞれ（ΔXa、ΔYa）、（Δ
Xb、ΔYb）だけ存在しているとする。そこで、ずれ量Δ
XaとΔXbを比較し、そのずれの方向が同方向（ｘの正、
又は負方向の１つ）である場合、プロセッサーMCはその
方向と逆方向に、レチクルステージRSTを微動する。そ
してずれ量ΔXaとΔXbのずれの符号が互いに逆のとき
は、｜ΔXa|＝｜ΔXb|となるようにレチクルステージRS
Tの位置を追い込む。ｙ方向の位置決めについても同様
であるが、ｙ方向のずれ上方からは、さらにレチクルＲ
のローテーション誤差も得られるので、ローテーション
量が許容値よりも大きい場合は、レチクルステージRST
を回転駆動させて回転ずれが零になるように追い込む。
以上のようにして、レチクルＲの参照パターンRFa、RFb
に対する位置ずれが常時検出され、何らかの原因（ステ
ッピング時の振動等）によってレチクルＲの位置ずれが
生じるようなときは、レチクルステージRSTのサーボ制
御が働き、レチクルＲと投影レンズ系PLはあたかも一体
のように振る舞う。

尚、実際の露光時には、レチクルＲのパターン中心
（又はレチクルマークRM）とオフ・アキシス方式のアラ
イメントセンサーWAの検出中心との間隔を正確に求め、
この間隔値を基準として記憶した後、ウェハＷのマーク
をアライメントセンサーWAが検出した位置と、記憶した
間隔値に基づいてウェハＷをステップ・アンド・リピー
ト方式で順次ステッピングさせていく。このステッピン
グ露光中、レチクルＲのマークRMa、RMbはパターン領域
PAの周辺から少し離れているため、第１図に示した位置
ずれ計測系の先端のミラー32は露光光を遮断することは
ない。従って露光動作中も常にレチクルＲと参照パター
ンRFa、RFbのずれがモニターされる。

以上、本実施例では位相計39で検出される位相差は、
レチクルマークRMと参照パターンRFのずれに対応してい
るが、回転円板15の格子パターンを基準としてマークRM
と参照パターンRFの夫々の位置ずれを求めてもよい。こ
の場合は、第２図に示した回転円板15の格子パターン5
1、52の内側等の全周に同一ピッチの格子パターン（ラ
ジアルグレーティング）を設け、この格子パターンにも
レーザ光17から分岐した一部のビームを照射する。そし
てこの格子パターンから生じる＋１次光と−１次光を干
渉させて光学的に基準ビート信号を作るか、又は＋１次
光と−１次光を別々に光電検出した後、電気的に基準ビ
ート信号を得るかして、基準交流信号を作り出す。この
基準交流信号と、検知器37、38の夫々からの出力信号と
の各位相差を求める。この場合位相計39はレチクルマー
クRM用と参照パターンRF用の２つが必要であり、さらに
求められた２つの位相差を比較する回路も必要となる。

尚、参照部材RPは２枚の石英板RPa、RPbを重ね合わせ
たものとしたが、参照パターンRFと反射部Ｍを表裏の夫
々に形成した１枚の石英板RFbのみにしてもよい。

また露光用のエキシマレーザ光と位置ずれ計測用の照
明光（90a、90b等）の波長について予めその差がわかっ
ているときは、石英板RPbの厚みG₂やウェハＷとの間隔G
₁等を適宜調整することによって、レチクルマークRMと
参照パターンRFの共役関係と、レチクルＲとウェハＷの
共役関係とを同時に満すことが可能である。また参照部
材RPを光軸AX方向のみに正確に上下微動させる機構とし
ておけば、レチクルＲのパターンPAの投影像の焦点位置
には何ら変化を与えることなく、レチクルマークRMと参
照パターンRFのみの焦点合わせが可能である。

次に、本発明の第２の実施例を第13図、14図、15図を
参照して説明する。第13図は参照部材RPの平面図であ
り、第14図はそれに対応したレチクルＲの平面図であ
る。第13図に示すように、参照部材RPのｘ軸上には第８
図と同様に参照パターンRFa、RFbが設けられ、その下方
には反射部Ma、Mbが形成される。さらに本実施例では、
ｙ軸上にも同じ形状、寸法の参照パターンRFc、RFdと、
反射部Mc、Mdが形成される。これら参照パターンRFa、R
Fb、RFc、RFdはともにイメージフィールドIF内の最大パ
ターン転写領域PAmの外側であって、良好に収差補正さ
れている部分に設けられる。第14図では、４ケ所の参照
パターンに対応して、それぞれマーク（基準パターン）
RMa、RMb、RMc、RMdが遮光部132、134、136、138内に形
成されている。またパターン領域PAの外周部には、レチ
クルブラインド３の開口設定精度開口エッジのボケ等で
決まる幅の遮光帯140が形成される。さらにレチクルＲ
の隅で、イメージフィールドIF外の２ケ所には、十字状
のレチクルプリアライメントマーク131a、131bが設けら
れている。このプリアライメントマーク131a、131bは装
置に設けられた基準マークとの位置合わせに使われるも
ので、例えば光電顕微鏡等を用いてマーク131a、131bと
基準マークとを検出してレチクルステージRSTを位置合
わせすれば、±１μｍ程度でプリアライメント可能であ
る。このプリアライメントのあと、参照パターンRFとレ
チクルマークRMとのファインな位置合わせが行なわれ
る。

第15図は、そのファインな位置合わせ、及び位置ずれ
計測を行う場合に好適な位置ずれ検出系の配置を示す斜
視図である。第15図に示すように、本実施例では４ケ所
に第５図に示したような位置ずれ検出系DMSa、DMSb、DM
Sc、DMSdを設け、各位置で参照パターンRFとマークRMの
２次元の位置ずれを計測する。第15図において、PA′は
レチクルＲのパターン領域PAの投影像であり、Epは投影
レンズ系PLの瞳を表わす。このように、４ケ所に同様の
位置ずれ検出系を設けておくと、レチクルＲから参照パ
ターンRFまでの結像特性をモニターすることができる。
結像特性のうち代表的なものは、投影倍率の変化、ディ
ストーション特性、及びレチクルＲの水平面からの傾き
変化等である。

従来より、この種の結像特性を計測する試みは多々な
されてきたが、いずれの方式も露光動作中にリアルタイ
ムに行なうことはできなかった。しかしながら本実施例
によれば、露光動作中においても逐次レチクルＲの位置
ずれの他に結像特性をモニターできるから、より高精度
な重ね合わせ露光が可能となる。

一般に投影レンズ系PLの倍率変化やディストーション
変化は極めて小さく、サブミクロンの計測精度が必要で
ある。第２実施例においても第１実施例と同様に光ヘテ
ロダイン方式による２重回折法を採用して４ケ所の位置
ずれの夫々を計測するとすれば、４ケ所の夫々での計測
分解能は容易に0.01μｍ程度が得られるため、倍率変
化、ディストーション変化は極めて正確に求められる。

さて、このような計測系によって、倍率変化等がリア
ルタイムに検出されると、その倍率変化等を所定値に追
い込むような補正装置の制御信号として適用することが
できる。第16図は本発明の第３の実施例による光学特性
補正装置の概略的な構成を示す。第16図において、４ケ
所の位置ずれ検出系DMSa、DMSb、DMSc、DMSdからの２次
元的なずれ情報は特性変動演算部200に入力し、ここで
所望の特性変化量が算出される。特性変化量として倍率
誤差が算出されると、その倍率誤差情報201bは圧力制御
部202、又はフィールドレンズ駆動部206へ送られる。圧
力制御部202は投影レンズ系PL内の密封された空気室
（単数、あるいは複数）の圧力を所定量だけ制御して倍
率誤差が零（又は一定のオフセット値）になるようにフ
ィードバック制御する。駆動部206の場合は投影レンズ
系PLのレチクルＲ側のフィールドレンズ部212を所定量
だけ上下動させて倍率誤差を補正する。

また倍率誤差の補正にともなって焦点変化が生じる場
合は、ウェハＷのホルダーWHを上下動させるフォーカス
駆動部204に焦点変化に応じたオフセット情報201aを導
入して、受光系AF₂からの焦点信号にオフセットを与え
ればよい。さらにレチクルＲ側が非テレセントリックな
投影レンズ系の場合は、レチクルＲを誤差情報201bに応
じて上下動させても倍率補正ができる。また４ケ所の位
置ずれ計測点の夫々のｘ方向又はｙ方向のずれの傾向を
選べることで、レチクルＲの傾きを求めることもでき
る。この場合は、レチクルステージRSTにレベリング機
構を設け、傾きが零になるようにレベリング機構を駆動
すればよい。あるいはウェハステージWSTにレベリング
機構が設けられている場合は、計測されたレチクルＲの
傾きの方向と量に応じて投影像面の傾きを予測し、ウェ
ハＷの表面が、この投影像面と平行になるようにレベリ
ング機構で傾けておいてもよい。

次に本発明の第４の実施例について第17図、第18図を
参照して説明する。今まで説明した各実施例では、レチ
クルＲと投影レンズ系PL1（参照部材RP）との相対的な
アライメントは行なっていたが、ウェハＷとのアライメ
ントは不可能であった。そこで本実施例では、レチクル
マークRMの位置合わせの基準となる参照パターンRFを有
する参照部材RPの一部に、ウェハＷ上に形成されたアラ
イメントマークの位置合わせの基準となる第２の参照パ
ターンを設けるようにした。第17図はその参照部材RPの
断面を表わし、第18図は平面を表わし、今までの各実施
例で説明した石英板RPa、RPb、参照パターンRFa、RFc及
び反射部Ma、Mc等は第13図の場合と全く同様に設けられ
ている。ただし、反射部Ma、Mc（Mb、Mdも同じ）はイメ
ージフィールドIFの外側に延長して形成される。そして
反射部Ma（Mb）のｘ軸上で投影レンズ系PLの鏡筒外径よ
りも外側の位置に開口178が形成され、反射部Mc（Md）
のｙ軸上で鏡筒外径の外側の位置に開口184が形成され
る。さらに参照パターンRFaからｘ方向について一定距
離の位置に、開口178を挟むように第２の参照パターン
（第２の基準格子パターン）RGaが形成され、参照パタ
ーンRFcからｙ方向について一定距離の位置に開口184を
挟むように第２の基準格子パターンRGcが形成される。
基準格子パターンRGa、RGcは参照パターンRFa、RFcと同
一面に設けられたもので、格子パターンRGaはウェハＷ
のｘ方向の位置合わせに使用され、格子パターンRGcは
ウェハＷのｙ方向の位置合わせに使用される。また格子
パターンRGa、RGcはそれぞれ開口178、184を挟んで２分
されているが、本来同一のピッチの格子配列の中央部の
みを開口178、184に合わせて透明にしたものである。

さてウェハＷ上には、アライメントマークWMaが第17
図のように形成される。マークWMaはウェハＷのｘ方向
のアライメントのために設けられ、ｙ方向のアライメン
トのためのマークも同様に設けられている。マークWMa
は格子要素をｘ方向に一定のピッチで配列した回折格子
パターンで構成される。参照部材RPに対してウェハＷを
位置合わせ（アライメント）するとき、マークWMaは反
射部Maの開口178の直下に位置するように、ウェハステ
ージWSTの位置決めが行なわれる。このマークWMaを検出
する系は、ウェハ表面のレジストに非感光な波長のレー
ザビームを出力するHe−Neレーザ光源161、レーザビー
ムをウェハＷ上に所定径でスポット集光させるレンズ16
2、レーザビームを２方向に分割するビームスプリッタ1
63、２つの反射面166a、166bを有するプリズム166、マ
ークWMaからの光情報を取り出すミラー175、及びその光
情報を検知器177へ集光するレンズ176等で構成される。
尚、レーザ光源161等は熱的外乱となることがあるの
で、第１図、第２図で示したように参照部材RPや投影レ
ンズ系PL等から遠くに離し、単一モード保存光ファイバ
ー等でHe−Neレーザ光をレンズ162へ導くようにした方
が望ましい。

上記構成で、ビームスプリッタ163で反射した一方の
レーザビーム167は、参照部材RP内を光軸AXと平行に進
み、基準格子パターンRGaの２分された一方の格子部を
垂直に照射する。またビームスプリッタ163を透過した
他方のレーザビーム168は、プリズム166の反射面166a、
166bの順に反射された後、参照部材RP内を光軸AXと平行
に進み、格子パターンRGaの他方の格子部を垂直に照射
する。ここでビームスプリッタ163から格子パターンRGa
に至る２本のビーム167、168の光路差はHe−Neレーザビ
ームの可干渉距離よりも短くしておく必要がある。

こうして２本のビーム167、168が格子パターンRGaを
照射すると、格子パターンRGaを透過する±１次の回折
光171、172と０次光が発生する。０次光は反射部Maによ
って遮光され、±１次光171、172は開口178を透過して
ウェハＷへ達し、ここで互いに干渉してｘ方向に一定ピ
ッチで明暗縞が並んだ干渉縞が生ずる。本実施例では２
本のビーム167、168の周波数差が零であるため、ウェハ
Ｗ上に生じる干渉縞は静止している。先の実施例と同様
にその干渉縞のピッチはウェハＷのマークWMaの格子ピ
ッチの丁度1/2になるように定められている。

マークWMaの格子パターンと干渉縞が重なると、マー
クWMaの格子と干渉縞のｘ方向の位置関係に対応した強
度で、ほぼ垂直に干渉光174が発生する。この干渉光174
はウェハ上に照射される干渉縞に対してマークWMaを相
対的にｘ方向に移動させたとき、ほぼ正弦波状の強度変
化を奏する。そこで検知器177によって光強度の変化を
光電信号に変換し、その信号があるレベルになるように
ウェハＷをｘ方向に位置決めすれば、ウェハマークWMa
の基準格子パターンRGaに対するｘ方向のアライメント
が達成される。ｙ方向についても、基準格子パターンRG
cとウェハＷ上のマークとを用い、同様のマーク検出系
を使ってアライメントされる。

あるいは検知器177からの光電信号のレベル変化を、
ウェハステージWSTの位置計測を行なうレーザ干渉計９
からの計測パルス（又は位置情報）等に同期してサンプ
リングし、サンプリングされた波形を解析することによ
って、ウェハステージWSTのｘ方向の走査のみ、すなわ
ちステージWSTを停止させることなく、マークWMaの基準
格子パターンRGaに対する位置（ｘ方向）が求められ
る。

尚、第18図中の参照パターンRFcの上方と左方の反射
部Mcに含まれる部分に破線で示した領域は、それぞれレ
チクルＲの基準パターンPX、PYの投影像が位置する部分
である。レチクルマークRMと参照パターンRFを検出する
ための光90a、90bは露光光の波長に近く、レジストを感
光させるため、反射部Ma、Mc、Mb、Md等は、それら光90
a、90bがウェハＷに達しないように遮光するのに充分な
面積を持たせる必要がある。また本実施例においても、
２つに分けたビーム167、168に一定の周波数差を持たせ
て、光ヘテロダイン検出するようにしてもよい。この場
合は、格子パターンRGaからの＋１次光171と−１次光17
2とに周波数差が生じ、ウェハＷ上で干渉縞はビート周
波数（Δｆ₀）で高速に流れることになる。このように
光ヘテロダイン方式でマークWMaを検出する場合は、干
渉縞が流れるため、マークWMaを所定の精度、例えば±
１μｍ程度に追い込んで静止させたときの位相差から位
置ずれ量ΔＸを求め、静止したときのウェハステージWS
Tの座標値をレーザ干渉計９から基準位置として求め、
その両方の情報からマークWMaのxy座標系上での位置を
規定することになる。これに対し、二本のビーム167、1
68に周波数差を持たせない、所謂光ホモダイン方式では
ウェハステージWSTをことさら静止させなくてもよく、
スループットの高いマーク位置検出が可能である。

以上本実施例では、寸法の安定性が良く、温度係数の
小さい石英の平板に参照パターンRFと基準格子パターン
RGを所定の位置関係で一体に形成しておくため、検知器
177を含むオフ・アキシス方式のアライメントマーク検
出系の検出中心位置と、レチクルＲの像の投影位置との
相対的な位置変化（ドリフト等）を高精度にモニターす
ることができ、オフ・アキシス方式に特有の誤差が全て
補正可能である。

また本実施例に示したプリズム166のように、干渉さ
せるべき２本のビーム167、168の計測方向の反射回数を
互いに奇数と偶数（０を含む）の関係にすると、レーザ
ビーム（ビームスプリッタ163に入射するビーム）が位
置的、又は角度的にドリフトしても、光ホモダイン方式
の場合は基準格子パターンRGに対する干渉縞の発生位置
が計測方向に関して不変となる。

さらに、第18図の配置からも明らかなように、基準格
子パターンRGaはレーザ干渉計９のｘ方向の測長軸上に
位置し、基準格子パターンRGcはｙ方向の測長軸上に位
置するため、マークWMa等の計測時のアッベ誤差は零と
みなせる。

また、１ケ所で２次元（ｘ、ｙ両方向）のアライメン
ト（位置計測）ができるように基準格子パターンRG及び
マーク検出系を構成してもよい。

次に本発明の第５の実施例を第19図、第20図を参照し
て説明する。第19図に示した光学系は、第５図に示した
位置ずれ検出系のうち、光ファイバー23、24からレチク
ルＲまでの送光系のみを表わす。本実施例では第20図に
示すようにアパーチャ板30′に４つにスリット開口4
3′、44′、45′、46′を設けた点が異なる。光ファイ
バー23、24はレチクルマークRM、参照パターンRFのｘ方
向のずれを検出するときレーザビームを射出するが、そ
れらレーザビームはスリット開口43′、44′を照明す
る。スリット開口43′、44′はアパーチャ板30′の中心
から計測方向（ｘ方向）に対称的な位置に設けられ、計
測方向（ｘ方向）と直交する方向に細長く伸びている。
スリット開口45′、46′も同様に計測方向（ｙ方向）に
関して対称的に配置され、ｘ方向に細長く伸びている。
本実施例では、レチクルマークRM、又は参照パターンRM
を入射角θＲ又はθＷで２方向から照明する光90a、90b
の夫々は、少なくとも計測方向に関してのみ平行光束に
近づければよい、という利点を用いてスリット開口によ
る照射光量の増大をねらっている。

尚、第19図において、アパーチャ板30′はテレセント
リックな対物レンズ31の瞳面、すなわち前側焦点面にあ
るものとして示した。従ってスリット開口43′、44′等
を新たな線光源（実際にはスリット幅があるため面光
源）としてスリットの幅方向に関しては適当に広がりを
絞られた光ビーム90a、90bが対物レンズ31に入射し、レ
チクルＲに対してはｘ方向に対称的に傾いた、ほぼ平行
な２光束となる。この２光束のレチクルＲへの入射角θ
Ｒは、対物レンズ31の倍率等が一定のものとすると、対
になるスリット開口43′、44′、あるいはスリット開口
45′、46′のアパーチャ板30′の中心（光軸Laが通る
点）からの距離によって決まる。

第21図は本発明の第６の実施例による位置ずれ検出系
の送光系を示し、第５図、又は第19図に示したアパーチ
ャ板30、30′の代りに光ファイバー23、24等の射出端か
らのレーザビームを入射する球面（又は非球面）レン
ズ、又はシリンドリカルレンズ等の集光レンズ300a、30
0b等を設け、この集光レンズ300a、300bで適当なNA（開
口数）の光束に絞り、空中に円形スポット又はスリット
状スポットSPa、SPbとして一度集光させる。このスポッ
トSPa、SPbの集光点は対物レンズ31の瞳面とほぼ一致し
ている。このためアパーチャ板30、30′を設けるより
も、光90a、90b等の照射光量が増大するといった利点が
ある。またピンホール等の開口43〜46やスリット開口4
3′〜46′が存在しないため、開口エッジで不要な回折
現象が生じることなく、レチクルＲ、又は参照パターン
RFを照射する領域が比較的きれいに区画され、参照部材
RP下面の反射部Ma、Mb、Mc、Md等から照射光が不用意に
はみ出すことがないといった利点もある。

第22図は本発明の第７の実施例による位置ずれ検出系
の送光系を示す。変実施例では、レチクルＲ上のマーク
RMの形状に合わせて、照射領域を限定するための視野絞
り311を設けるようにした。第22図で、レンズ系310は第
５図、第19図でしめした対物レンズ31に相当し、２方向
に射出するほぼ平行なビームを視野絞り311に照射す
る。従って視野絞り311の位置には干渉縞が形成され
る。絞り311を所定の断面形状で透過した２光束90a、90
bは第２対物レンズ312に入射し、それぞれ対物レンズ31
の瞳面e₁にスポットSPa、SPbとなって集光した後、対物
レンズ31からほぼ平行な光束90a、90bとして２方向へ射
出してレチクルＲを照明する。ここで第２対物レンズ31
2の後側焦点面は瞳面e₁と一致し、前側焦点面は絞り311
と一致するように配置される。このため絞り311の開口
像がレチクルRMを含むように結像投影され、レチクルマ
ークRM、又は参照パターンRFを照明する干渉縞の領域が
極めてきれいに区画される。この実施例では第１対物レ
ンズ31と第２対物レンズ312との間の空間に瞳面e₁があ
ることから、ここに空間フィルターとしての部分ミラー
34を挿入して干渉光を描出する構成を極めて容易に実現
できる。

さて第23図は本発明の第８の実施例による送光系を示
す図であり、第５図、第19図、第22図に示したレチクル
用の位置ずれ検出系と第17図に示したウェハ用の位置ず
れ検出系との両方にともに使用できるものである。第１
図、第２図に示したように、２方向から入射させる２つ
のビームの周波数に差を与える方法として、回転するラ
ジアル・グレーティングを用いる代りに、周波数シフタ
ーを用いることができる。第23図において、直線偏光の
レーザビームLBは偏光ビームスプリッター320でＰ偏光
とＳ偏光の２つのビームに分けられ、それぞれ周波数シ
フター322、324に入射する。周波数シフター322、324は
ドライブ回路328からのドライブ信号S₁、S₂に応答し
て、射出するビームLB₁、LB₂の周波数をそれぞれf₁、f₂
だけ変化させる。ドライブ周波数f₁、f₂は所定の周波数
差Δｆ₀になるように設定され、ドライブ回路328は差の
周波数Δf₀の信号を基準信号S₃として出力する。基準信
号S₃は、各検知器37、38、又は177からの光電信号との
位相差を求めるのに使われる。ビームLB₁、LB₂はコーナ
ミラー326によって所定の間隔にされた後、例えば光フ
ァイバー23、24又は27、28等に入射して各検出系へ導か
れる。

本実施例では２本のビーム90a、90b、又はビーム16
7、168によって形成される干渉縞の流れるスピードは、
高周波域の周波数帯になり、受光される干渉光の明暗の
変化（ビート周波数）も高周波域になることから検出系
の回路規模は大きくなるものの、周波数が高いことから
位相差検出の分解能が高まり、位置ずれ検出分解能も高
くなるといった利点がある。

以上、本発明の各実施例においては、２重回折格子に
よる光ヘテロダイン検出法、又は光ホモダイン検出法に
よって相対的な位置ずれを検出するようにしたが、本発
明では必ずしもその必要はなく、例えば特公昭56−4625
5号公報に開示されているように、レーザスポット（又
はシートビーム）走査とパターン（マーク）エッジから
の散乱光検出とを組み合わせたものでもよい。その場
合、レチクルマークRMは単なる矩形の透明窓とし、この
透明窓内に合致するような参照部材RPの位置に参照パタ
ーンRFとして矩形マーク、又は十字マークを設けてお
く。そして投影レンズ系PLのN.A.（開口数：通常0.35〜
0.5）よりも小さなN.A.に絞ったレーザビームをレチク
ルマークの窓上と参照パターン上とに共にスポットとし
て結像させ、このスポットを１次元、又は２次元に走査
する。このとき参照パターンの上方（レチクル側）から
は大きくデフォーカスしたレーザビームが照射され、下
面の反射部Ma、Mb等で上方へ反射されたビームが参照パ
ターンの位置に結像してスポットを形成する。このとき
の様子は第９図に示した結像光束Lfrの状態と同様であ
る。参照パターンのエッジがスポットで走査されると、
エッジからの散乱光のうち下方に生じた光が反射部Ma、
Mb等で反射されて、再びレチクルの透明窓を通して検出
される。従ってレチクルの透明窓のエッジ位置と参照パ
ターンのエッジ位置との走査方向の差をモニターすれ
ば、全く同様に位置ずれ検出が可能である。またレーザ
スポットを走査する方式の場合、レチクルマークのエッ
ジあるいは参照パターンのエッジからの散乱光を、比較
的大きな開口数（N.A.）を用いて集光するような配置を
とると、レーザスポットのデフォーカスを光電信号のコ
ントラスト（波形の立上りや立下りの傾斜）変化で検出
できることから、経時的なフォーカス変化（レチクル面
と参照パターンの間の結像光路の変化）や像面の位置変
化、傾斜等が同時に測定できる。ただし、２重回折格子
を用いる各実施例の場合は、干渉縞を作るための照明光
束のN.A.がほぼ零（平行光束）に近いため、逆にデフォ
ーカスが生じたときにも良好な検出感度を維持できると
いった特徴がある。

従って対物レンズ31を介して、結像したレーザスポッ
トの走査を行なう系と、対物レンズ31を介して２重回折
格子のための平行ビームを２方向から照射する系との両
方を組み込んで、交互に位置ずれ検出に使用すると、xy
方向のずれとｚ方向のずれとが精度よく求まる。

そこで従来より使われているアライメントマークと同
じ形状の基準パターン（レチクルマークRM）と参照パタ
ーン（RF）を用いた場合の位置ずれ計測系の構成を本発
明の第９の実施例として第24図を参照して説明する。

第24図ではレチクルＲ上の１ケ所のマークRMに対する
位置ずれ計測系のみを示す。マークRMは矩形窓PWを有す
る遮光部で形成されている。さて、レーザ光源LSから射
出した露光波長に近いスペクトルのレーザビームは、ビ
ームエクスパンダー400、によって所定の光束径（平行
光束）に変換された後、ビームスプリッタ402、シリン
ドリカルレンズ404を経て、回転ポリゴン鏡406の１つの
反射面に入射する。回転ポリゴン鏡406は矢印405の方向
へ等速回転し、反射されたビームは図中の場合、紙面内
で偏向される。そのビームはミラー408で反射された
後、走査レンズ401に入射し、分割ミラー412の位置で小
さなスポット（スリット状）光に収束されるとともに、
矢印A₁の方向に直線走査される。分割ミラー412は系の
光軸に対して45°の反射面を有し、その反射面の上端が
光軸と一致するように設けられている。従ってスポット
光が光軸よりも上に位置するときは、そのまま第２対物
レンズ414へ入射し、スポット光が光軸よりも下に位置
するときは、分割ミラー412で直角に上方に折り曲げら
れてミラー416で反射させた後、第２対物レンズ418へ入
射する。第２対物レンズ414を射出したビームはほぼ平
行光束となって、２つの反射面416a、416bを有する台形
ミラー416の一方の面416aへ水平に入射し、ここで反射
したビームは平面ミラー417で反射されて他方の面416b
に入射して再び水平に射出する。この台形ミラー416と
ミラー417は一体となって、水平な光軸と一致した中心
軸416cの回りに紙面に対して45°だけ回転して設けら
れ、イメージローテータとして働く。さて、面416bで反
射したビームはビームスプリッター418を透過した後、
第１対物レンズ422に入射し、ミラー424で垂直に下方に
反射されて、レチクルＲの下面のマークRMの面にスポッ
ト光（スリット状）SPYとなって集光する。一方、分割
ミラー412で反射されたビームは、第２対物レンズ418、
ミラー420を介してビームスプリッター418に入射し、こ
こで反射した後同様に第１対物レンズ422に入射してレ
チクルＲの下面にスポット光（スリット状）SPXとなっ
て集光するとともに、矢印A₂方向に直線走査される。こ
こでイメージローテータ（416、417）を通ったビームで
形成されるスポット光SPYは紙面内で左右にスリット状
に伸びており、紙面と垂直な方向に走査され、イメージ
ローテータをバイパスしたビームによるスポット光SPX
は紙面と垂直な方向にスリット状に伸びており、紙面内
の左右方向に走査される。従って回転ポリゴン鏡406の
回転によって、スポット光SPY、SPXはレチクルマークRM
の窓PWを含む領域内を、それぞれｙ方向とｘ方向とに交
互に走査する。レチクルマークRMの窓PWの周囲の遮光部
を反射性のクロム等の金属薄幕で形成しておくと、スポ
ット光SPY、SPXが遮光部を照射したときは反射光が生じ
る。この反射光はレーザビームの送光路を逆向きに進
み、シリンドリカルレンズ404の後のビームスプリッタ4
02で反射されて、集光レンズ430、光電検出器432から成
る受光部へ分岐される。また窓PWを透過して投影レンズ
系PLを通って参照部材RPへ向うビームが参照パターンRF
を照射すると、この参照パターンRFから反射光、透過光
等の光情報が発生する。この光情報は同様に窓PWを逆進
して光電検出器432で受光される。

以上、第24図の光学系において第１対物レンズ422は
テレセントリックな系に定められ、後側焦点面はレチク
ルＲのマークRMの面と一致し、前側焦点面（瞳面）は第
２対物レンズ414、418の各後側焦点面と一致するように
定められる。そして第２対物レンズ414、418の各前側焦
点は分割ミラー412の頂点で一致するとともに、走査レ
ンズ410の後側焦点とも一致する。さらに走査レンズ410
の前側焦点は回転ポリゴン鏡406の反射面に一致するよ
うに定められる。

また第１対物レンズ422の前側焦点面は投影レンズ系P
Lの瞳面と共役に定められる。このため回転ポリゴン鏡4
06によるビーム偏向によって、レチクルＲには常に垂直
にレーザビームが照射された状態で走査され、所謂テレ
セントリックな照明が行なわれる。

第25図は本実施例に好適な参照部材RPとウェハＷとの
配置を示す部分断面であり、参照部材RPの上面でレチク
ルマークRMの窓PWに対向する位置には、中心に小さな矩
形窓を有する矩形（又は円形）状の遮光層による参照パ
ターンRFが形成されている。参照部材RPの下面で参照パ
ターンRFを含む所定領域には、反射部Mbが形成されてい
る。ここでは参照部材RPを一枚の石英ガラスとし、参照
パターンRFの直上には投影レンズ系PLが位置する。レチ
クルマークRMの窓PWの投影像は、露光波長のもとでは反
射部Mbを介して参照パターンRFと同一面に結像される。
ここで窓PWはレチクルＲ側からみたとき、第26図（Ａ）
に示すように参照パターンRFの外形寸法よりは小さく、
かつ参照パターンRF内の透明窓の外形寸法よりは大きく
なるように定められている。さて、第25図において、窓
PWを通ってきたレーザビームは、参照部材RPの上面では
大きくデフォーカスしており、参照パターンRFの周囲等
を透過して反射部Mbに達し、ここで反射して参照パター
ンRFの裏面にスポット光（SPX′）として結像する。レ
チクルＲ上を第26図（Ａ）のようにｘ方向に矢印A₂に沿
って走査するスポット光SPXの場合、参照パターンRFを
下面から照射するスポット光SPX′は矢印A₃′に沿って
ｘ方向に走査される。このスポット光SPX′の照射によ
って、参照パターンRFで反射されて反射部Mbへ向う反射
光は、入射光と全く同じ光路を逆向きに進み、レチクル
Ｒ下面のマークRMの窓PW内でスポットとなって再結像さ
れ、計測光学系内の光電検出器432で受光される。一
方、参照パターンRFの透明窓を上方に向けて透過したス
ポット光SPX′は比較的大きな開口数を有し、投影レン
ズ系PLによってレチクルＲ側に再結像されるが、参照部
材RPの上面はレチクルＲの下面とは共役関係になってい
ないため、マークRMの位置では窓PWの寸法よりも大きく
デフォーカスしてしまう。このため、参照パターンRFを
下方から上方へ素通りしたスポット光SPX′のビームの
うち、大部分はレチクルマークRMの窓PWの周辺で遮光さ
れ、レチクルＲの上部に進む光量、すなわち光電検出器
432に達する光量は減少する。

第26図（Ａ）はレチクルマークRMと参照パターンRFと
を整合させたときの状態を示し、スポット光SPXのｘ方
向走査とスポット光SPYのｙ方向走査とは時間的に交互
に行なわれる。さて、スポット光SPX（SPX′）がレチク
ルマークRMのエッジEa、参照パターンRFのエッジEb、E
c、及びマークRMのエッジEdの順に走査されると、光電
検出器432の光電信号SSは第26図（Ｂ）に示すようにレ
ベル変化する。まずスポット光SPXがレチクルマークRM
の窓PWの外側を走査しているときは、極めて大きな受光
量となる。スポット光SPXが窓PW内の参照パターンRFの
遮光層（反射性）部分、すなわちエッジEaからWbの間、
及びエッジEcからWdの間を走査するときは、スポット光
SPX′が参照パターンRFの遮光層部分に下方から照射さ
れることになるので、一度反射部Mbで反射された光が光
電検出器432で受光されることから、この期間の受光量
は低下する。さらにスポット光SPX′が参照パターンRF
の透明窓内、すなわちエッジEbからEcまでの間を走査す
るときは、先にも説明したようにレチクルマークRMの窓
PWを通過する光量は、大きくデォーカスしたビームのご
く一部分であることから、この期間の受光量は極端に低
下する。

そこで適当な２つのスライスレベルVR₁、VR₂を設定し
て光電信号SS上の立上り部、立下り部の位置Xa、Xb、X
c、Xdを検出する。ここでスポット光が等速直線走査さ
れる場合は、位置Xa、Xb、Xc、Xdはエッジ検出の時刻と
して計測される。こうして、検出された位置に基づい
て、レチクルマークRMと参照パターンRFのｘ方向の相対
位置ずれΔＸ₀を求める。位置ずれΔＸ₀はによって求められる。ｙ方向の計測についても全く同様
である。ただし光電検出器432は、ｘ方向、ｙ方向の計
測で共用されているため、第26図（Ｂ）のような信号波
形は時間的に繰り返し発生する。そこで適当な同期処理
によって、各信号波形処理毎に、ｘ方向のずれ計測値と
ｙ方向のずれ計測値とに交互に分けて演算していく必要
がある。その場合でも、スライスレベルVR₁、VR₂はｘ方
向用とｙ方向用とで共通でよい。

本実施例では、第１の実施例のように参照パターンRF
やレチクルマークRMとして回折格子パターンを設けなく
ともよいため、レチクルマークRMが小さくできるといっ
た利点がある。

なお、本実施例では反射光量を受光するようにした
が、各パターンのエッジEa、Eb、Ec、Edで生じるエッジ
散乱光のみを光電検出するようにしてもよい。

さて、本発明の各実施例では、エキシマレーザ光のス
ペクトルを狭帯化し、投影レンズ系の光学材料として石
英を主に用いたステッパーに適用したときに最もよい効
果が得られる。しかしながらエキシマレーザ光を用いな
い他の形式のステッパーに適用しても同等の効果が得ら
れる。例えば波長436nmのｇ線を露光光とするステッパ
ーに対しては、位置ずれ検出用のレーザ光線LSとして波
長441.6nmのレーザビームを出力するHe−Cdレーザ光
源、波長488、514nmのビームを出力するアルゴンイオン
レーザ光源、波長544nmのビームを出力するHe−Neレー
ザ光源、あるいは半導体レーザのSHC高調波等が使用で
きる。また波長365nmのｉ線を露光光とするステッパー
においては、レーザ光源LSとして波長325nmのビームを
出力するHe−Cdレーザ光源や波長365nmのビームを出力
するアルゴンイオンレーザ光源等が適している。先にも
述べたように露光光の波長とアライメント用のレーザ光
源の波長が異なる場合、両者の波長の光のもとでは色収
差のために結像位置が異なることがあるが、参照部材RP
に設けた参照パターンRFの光軸方向の位置を、アライメ
ント用の波長の光のもとでレチクルとの結像位置に一致
させるように調整しておけばよい。

また各実施例で用いたレーザ光源LSは、第１図に示し
たように、内部にSHG結晶を含むアルゴンイオンレーザ
であるため、レーザ光源自体のコストが高いといった問
題がある。しかし、出力パワーに余裕があるため、１台
のレーザ光源LSからのレーザビームを分岐させて、光フ
ァイバー等を用いて複数の露光装置にレーザビームを送
ることもできる。こうすれば露光装置１台当りのレーザ
コストが低下する。しかしながら、この方式では１台の
レーザ光源の故障（ダウン）は、複数台の露光装置の運
転停止を意味し、はなはだ不都合である。そこで予備の
レーザ光源LSを用意しておき、ミラーの移動等によって
即座に使用するレーザ光源を切替えるようにした方がよ
い。この場合、１台の露光装置に１台のレーザ光源を持
たせたときのレーザコストとくらべて、２台のレーザ光
源（１台は予備）に対して３台以上の露光装置を組み合
わせるとコスト低減の効果が得られる。

ところで各実施例等で説明したように、レチクルＲは
参照部材RPの参照パターンRFを基準として位置ずれをモ
ニターしている。特にステッパーの場合、ウェハＷ上に
マトリックス状にショット（チップ）領域を配置する基
準は、ウェハステージWSTの送り座標系、すなわちレー
ザ干渉計９の直交するｘ、ｙ測長軸によって規定される
座標系である。このため参照部材RPの少なくとも２ケ所
に設けられた参照パターンRFa、RFbを結ぶ線分が、例え
ば第８図に示したようにｘ軸と正確に平行になるように
配置されているものとすると、レチクルＲの少なくとも
２ケ所のマークRMと参照部材RPの参照パターンRFa、RFb
との位置ずれ計測によってレチクルＲがxy平面内で微小
回転していることがわかったときは、レチクルＲそのも
のを回転（θ）補正してもよいが、ウェハステージWST
上のウェハホルダーWHを計測された回転量だけ、同方向
に回転させてもよい。

ところが参照パターンRFa、RFb等の配置そのものがレ
ーザ干渉計９で規定されたxy座標系に対して微小回転
（又はｘ、ｙ方向の平行ずれ）を起していた場合は何ら
かの対応策が必要である。その１つの対応策は、例えば
第17図、第18図に示したように、参照部材RPの少なくと
も２ケ所に設けられた第２の参照パターンRGと、これを
基準として投影像面内に位置したマーク（格子パターン
WM等）を検出するオフ・アクシス方式のマーク検出系を
用いることである。この際、投影像面内に位置するマー
クとしては、ウェハステージWST上に、ウェハ表面とほ
ぼ同じ高さ位置で固定された基準マーク（フィデューシ
ャルマーク）を利用するとよい。第27図は参照部材RPの
xy座標系に対する回転ずれを検出するのに好適な参照パ
ターンRGの配置を示し、第10の実施例として説明する。

第27図において、参照部材RPはxy座標系に対して微小
角度Δθだけ回転しているものとする。第２の参照パタ
ーンとしての基準格子パターンRGa、RGbはともにｘ方向
とｙ方向の位置ずれ検出用に適するように設けられてい
る。また格子パターンRGa、RGbの参照部材RPの中心CCか
らの各距離は等しいものとし、点対称の関係に設けられ
ている。ウェハステージWST上にはフィデューシャルマ
ークFMが設けられ、その上面にはウェハマークWMと同等
の回折格子マークFmx、Fmyが形成されている。マークFm
xはｘ方向の位置計測に使われ、マークFmyはｙ方向の位
置計測に使われる。

このような構成で、まずマークFmx、Fmyの夫々が格子
パターンRGaと重なり合うようにウェハステージWSTを位
置決めした後、第17図に示したオフ・アキシス方式のマ
ーク検出系を用いて、格子パターンRGaのｙ方向の格子
配置とマークFmyとが所定の整合状態でｙ方向にアライ
メントされるようにウェハステージWSTをｙ方向に微動
させる。そしてこのアライメントが完了した時点で、ウ
ェハステージWSTのｙ方向の座標値Yaをレーザ干渉計９
から読み取る。次に座標値Yaを保ったままウェハステー
ジWSTを一定距離（パターンRGaとRGbの間隔分）SLだけ
ｘ方向に送り、そこで格子パターンRGbのｙ方向の格子
列とマークFmyとの位置ずれΔＹを、第17図のようなマ
ーク検出系で読み取る。角度Δθは通常１°以下の微小
量であることから、Δθ≒ΔY/SLによって求められる。
あるいは、ｘ方向に送った後、マーク検出系で検出され
た格子パターンRGbとマークFmyのｙ方向のずれが零とな
るようにウェハステージWSTをｙ方向に微動させ、完了
したときのウェハステージWSTの位置を座標値Ybとして
読み取る。従ってこの場合、Δθ≒（Ya−Yb）/SLで求
められる。本実施例のように回折格子を用いて第２の参
照パターンRGとフィデューシャルマークFMとをアライメ
ントする場合、パターンRGaとRGbの２ケ所でのｙ方向の
相対ずれはマークFmyの格子ピッチ分の範囲内であるこ
とが望ましい。通常ウェハ上に形成する格子パターン又
はマークFmyのピッチは数ミクロン以上であるため、予
めこのような精度内に角度Δθを追い込んで製造するこ
とは比較的容易である。

また回折格子の参照パターンRGの代り、又は別の位置
に、専用のスリットマーク等を形成しておき、これらス
リットマークを同時に参照部材RPの上から顕微鏡等で観
察してもよい。この際、参照部材RPに形成されるスリッ
トマークとフィデューシャルマークとは光軸AXの方向に
ある間隔で離れているため、マーク観察用顕微鏡の対物
レンズと接眼レンズ（又はリレー系）との間に複屈折素
子を用いた２焦点素子（水晶レンズ等）を設け、光軸方
向に離間したスリットマークを同一結像面で検出すると
よい。またはフィデューシャルマークを開口スリットに
して、この開口スリットをウェハステージWSTの内側か
ら照明し、参照パターンRGとの整合状態を参照部材RPの
上方で光電検出することによって、少なくとも２ケ所の
参照パターンRGの座標位置を計測してもよい。

なお、いずれの場合も、第２の参照パターンRGa、RGb
に対する参照パターンRFa、RFbの位置関係は予め精密に
求められているため、参照パターンRFa、RFaのxy座標系
での位置も正確に求められる。

また、参照パターンRFa、RFb、RFc、RFdの夫々とレチ
クルマークRMa、FMb、RMc、RMdの夫々との位置関係、あ
るいは参照パターンRGa、RGb、RGc、RGdの配置等は露光
装置やレチクルＲの種類、レチクルＲのマーク配置等に
よって異なるので、所定のあるべき位置関係は露光装置
に記憶しておく必要がある。

上記各実施例において、ウェハステージWSTの位置計
測用のレーザ干渉計９の参照ミラー（固定ミラー）は、
参照部材RPの参照パターンRF付近にほぼ一体に固定され
るため、レチクルパターンの投影像の位置変化を正確に
モニターできるといった効果が得られる。

また第２図、第４図、第５図に示した光ヘテロダイン
方式の送光系は、本発明の各実施例に示された使用方法
以外に、単独で他の位置検出装置等に流用できる。すな
わち２次元（ｘ、ｙ方向）の位置ずれを検出すべき物体
に、２次元の回折格子パターンが形成されていれば、第
２図のような極めて簡単な送光系によってｘ、ｙ方向に
ついて交互に光ヘテロダイン方式の検出が可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明では、光源等の熱源を投影レンズ
等から遠くに離し、光ファイバー等でアライメント用の
照明光学系に導くようにしたので、光源等による熱的外
乱による弊害を改善できる位置検出装置及び投影露光装
置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の構
成を示す図、第２図は位置ずれ検出系のための照明光を
発生する送光系の一部の構成を示す斜視図、第３図は照
明光を複数に分割する分配器の構造を示す斜視図、第４
図は送光系中の回転円板（ラジアル・グレーティング）
の構造を示す平面図、第５図は位置ずれ検出系の構成を
示す斜視図、第６図はレチクル上のマークの形状を示す
平面図、第７図（ａ）、（ｂ）は参照部材に形成された
参照パターンの形状を示す平面図、第８図は参照部材の
構造を示す斜視図、第９図は投影レンズ、参照部材、ウ
ェハの配置における結像関係を示す断面図、第10図はレ
チクルマークを通る照明光と、レチクルマークから生じ
る干渉光の様子を示す断面図、第11図は参照パターンで
生じる干渉光の様子を示す断面図、第12図はレチクル上
の２ケ所のマーク配置を示す平面図、第13図は本発明の
第２の実施例による参照部材の構成を示す平面図、第14
図は第２の実施例に好適なレチクルのマーク配置を示す
平面図、第15図は第２の実施例における位置ずれ検出系
の配置を示す斜視図、第16図は本発明の第３の実施例に
よる光学特性の調整機構を示す図、第17図は本発明の第
４の実施例による参照部材の構造とマーク検出系の構成
とを示す部分断面図、第18図は第17図の参照部材の各パ
ターンの配置を示す部分平面図、第19図は本発明の第５
の実施例による位置ずれ検出系の一部の構成を示す図、
第20図は第19図に示したアパーチャ板の構造を示す平面
図、第21図は本発明の第６の実施例による位置ずれ検出
系の一部を示す図、第22図は本発明の第７の実施例によ
る位置ずれ検出系の一部の構成を示す図、第23図は本発
明の第８の実施例による送光系の構成を示す図、第24図
は本発明の第９の実施例による位置ずれ計測系の構成を
示す図、第25図は第24図の装置に好適な参照部材の構成
を示す部分断面図、第26図は第24図の装置による位置ず
れ計測の様子を示す平面図、第27図は本発明の第10の実
施例による参照部材とフィデューシャルマークとの配置
を示す平面図である。〔主要部分の符号の説明〕１……エキシマレーザ光源、15……回転円板、23、24、
27、28……光ファイバー、30、30′……アパーチャ板、
31……対物レンズ、34……部分ミラー、37、38……光検
知器、39……位相計、LS……レーザ光源、Ｒ……レチク
ル、PL……投影レンズ系、RP……参照部材、Ｗ……ウェ
ハ、RM、RMa、RMb、RMc、RMd……レチクルマーク（基準
パターン）、RF、RFa、RFb、RFc、RFd……参照パター
ン、Ma、Mb、Mc、Md……反射部、RPa、RPb……石英板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物体と第２物体との相対位置ずれを検
出する位置検出装置において、アライメント光を射出する光源と；前記アライメント光を２分割する分割光学部材と；前記分割光学部材からの２光束を送光する光導波路と；前記第１物体と前記第２物体との少なくとも一方に設け
られた回折マークに、前記２光束を互いに異なる方向か
ら照射するための照明光学系と；前記回折マークからの光情報を受光する受光素子を有す
ることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記光導波路は、前記２光束を各々独立に
送光する２つの光導波路を含むことを特徴とする請求項
１記載の位置検出装置。
【請求項３】前記光導波路は光ファイバーであることを
特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項４】前記光ファイバーは単一モード保存光ファ
イバーであることを特徴とする請求項３記載の位置検出
装置。
【請求項５】前記受光素子は、前記回折マークからの同
一方向に進行する複数の回折光の干渉光を受光すること
を特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の位
置検出装置。
【請求項６】前記分割光学部材は、前記２光束に異なる
周波数差を与える変調光学部材を含むことを特徴とする
請求項１または５のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項７】前記光導波路は、射出端側に前記２光束の
各々のコヒーレンシイを向上させるアパーチャ板を有す
ることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載
の位置検出装置。
【請求項８】第１物体上のパターンを第２物体上に投影
系を介して露光する投影露光装置において、アライメント光を射出する光源と；前記アライメント光を２分割する分割光学部材と；前記分割光学部材からの２光束を各々独立に送光する２
つの光導波路と；前記第１物体と前記第２物体との少なくとも一方に設け
られた回折マークに、前記２光束を互いに異なる方向か
ら照射するための照明光学系と；前記回折マークからの光情報を受光する受光素子と；前記受光素子からの信号に基づいて、前記第１物体と前
記第２物体の相対位置を調整する位置制御装置とを有す
ることを特徴とする投影露光装置。
【請求項９】照明光学系は前記投影系を介して前記２光
束を前記第２物体に照射することを特徴とする請求項８
載の投影露光装置。
【請求項１０】照明光学系は前記投影系を介さずに前記
２光束を前記第２物体に照射することを特徴とする請求
項８載の投影露光装置。
【請求項１１】基板上に設けられたマークにアライメン
ト光を照射し、該マークからの光情報を検出する基板の
位置検出装置において、前記アライメント光を射出する光源；前記光源からのアライメント光を分割する分割光学素子
と；前記分割光学素子で分割された２つのアライメント光に
周波数差を与える少なくとも２つの周波数変調器と；前記２つの周波数変調器から射出されたアライメント光
を入射し、前記基板に向けて射出する光学素子と；前記基板からの光情報を受光する受光素子とを有するこ
とを特徴とする位置検出装置。
【請求項１２】前記分割された２つのアライメント光を
所定の間隔をあけて、ほぼ平行となるように合成する合
成光学系を有することを特徴とする請求項11に記載の位
置検出装置。