JP3448812B2

JP3448812B2 - マーク検知装置、及びそれを有する露光装置、及びその露光装置を用いた半導体素子又は液晶表示素子の製造方法

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Publication number: JP3448812B2
Application number: JP2002173800A
Authority: JP
Inventors: 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JP2003059826A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子、液晶表示素
子等を製造する工程で使用される各種製造装置、検査装
置に組み込まれたマーク検知装置、及びそれを有する露
光装置、及びその露光装置を用いた半導体素子又は液晶
表示素子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子等
の製造工程では、半導体素子が作り込まれるウェハ、又
は液晶表示素子が作り込まれるガラスプレートに形成さ
れたアライメント用のマークを検出して、ウェハやプレ
ートを所望の位置に精密に位置決めする技術、いわゆる
アライメント技術が重要な課題となっている。特にウェ
ハやプレート上に精密な微細パターンを重ね合わせ露光
するアライナー、ステッパー等では、全工程で十数回〜
２０回程度の重ね合わせ作業が必要であり、各重ね合わ
せ毎のアライメント精度を高めることが要求されてい
る。アライメント精度は、一般に絶対誤差と再現性とに
よって評価され、その両者がいずれも十分に小さいこと
が必要である。実際のアライナー、ステッパーではウェ
ハやプレート上にフォトレジスト（厚さ0.５〜２μｍ程
度）が塗布された状態で、そのレジスト層の下にあるマ
ークパターン（凹凸段差形状）を光学的に検出してい
る。通常、ウェハ等のプロセスにおいては下地にアルミ
ニウム層が蒸着された上にレジスト層が塗布されたり、
マークパターンの凹凸段差の程度が極めて小さくなった
りするので、光学的なマークパターンの検出系、すなわ
ちアライメント装置はウェハ上の層構造によって精度が
大きく変化することが知られている。そこでこのような
アライメント装置を組み込んだステッパーの構成を図１
を参照して説明する。

【０００３】投影レンズ１によって所定の倍率で投影す
べきパターン領域を備えたレチクル（マスク）３は、レ
チクルホルダー２により周辺部で保持される。レチクル
ホルダー２は投影レンズ１の光軸ＡＸと垂直な面内で
ｘ、ｙ方向に微動可能に設けられ、レチクル３の中心点
が光軸ＡＸと極力一致するように、レチクルアライメン
ト系ＲＡによって位置決めされる。投影レンズ１の物体
面側に位置するレチクル３のパターンは、像面側に位置
するウェハ１２上に結像投影される。このとき、露光用
のレチクル照明光はｇ線（波長４３６nm）、ｉ線（波長
３６５nm）、エキシマレーザ（波長２４８nm、１９３n
m）等の紫外線が使われる。ウェハ１２は２次元（ｘ、
ｙ方向）に移動するステージ１１上に載置され、アライ
メント時、又は露光時の夫々で所定の経路に沿って運動
する。またステージ１１上にはウェハ１２とほぼ同じ高
さで基準マーク板ＦＭが固定され、アライメント系の各
種チェックに使われる。さらにステージ１１の周辺に
は、ステージ１１のｘ方向とｙ方向との各移動量を計測
するレーザ干渉計１３からのビームを反射するための移
動鏡１０が固定されている。そしてステージ１１はモー
タ１４によって２次元に駆動される。ステージ制御ユニ
ット１７は干渉計１３による測長値に基づいてモータ１
４の駆動を制御する。

【０００４】さて、露光に先立ってレチクル３とウェハ
１２とを相対的に位置合わせする必要があるが、そのた
めにここでは、投影レンズ１を介してウェハ１２上のマ
ーク（又は基準マーク板ＦＭ上のマーク）を検出するＴ
ＴＬ・アライメント系５と、投影レンズ１の投影光路
（鏡筒）の外部に固設されたオフ・アクシス・アライメ
ント系９とが設けられている。一般に投影レンズ１は特
定の１つの波長に対してのみ収差補正されているので、
投影レンズ１を通してウェハマークを検出するＴＴＬ・
アライメント系では、アライメント用照明光としてスペ
クトル幅の狭いレーザ光源６が使われる。そのレーザ光
源６からのビームはＴＴＬ・アライメント系５内の各光
学素子を通り、レチクル３と投影レンズ１との間の空間
に斜設されたミラー５ａで偏向されて、投影レンズ１の
投影視野の周辺部に入射する。投影レンズ１が両側テレ
セントリックであるとすると、そのミラー５ａから投影
レンズ１に向うビームの主光線は光軸ＡＸと平行にな
り、さらに投影レンズ１からウェハ１２に向うビームも
光軸ＡＸと平行になる。

【０００５】さて、ウェハ１２上の特定位置にマークが
形成され、このマークをＴＴＬ・アライメント系５のレ
ーザビームが照射すると、マークからはその段差形状に
応じて散乱光や回折光が発生する。この散乱光や回折光
は投影レンズ１を介してＴＴＬ・アライメント系５へ逆
進し、送光系と受光系とを分離するビームスプリッター
で反射（又は透過）されて光電センサー（フォトマル、
シリコンフォトダイオード等）に受光される。このＴＴ
Ｌ・アライメント系５は、ウェハ上のマーク、又はその
周辺部で正規反射された光成分は遮光し、散乱光や回折
光のみを抽出する空間フィルターを含む。またここで
は、ＴＴＬ・アライメント系５からウェハ１２上に投射
されるレーザビームの断面形状は、マークの形状に合わ
せてスリット状にするが、微小円形スポットでもよい。

【０００６】ＴＴＬ・アライメント系５によるマーク位
置の検出は、レーザビームの投射点をマークが横切るよ
うに、ステージ１１をｘ方向、又はｙ方向に移動し、そ
の間に光電センサー７から出力される信号をアライメン
ト制御ユニット４内の波形メモリに記憶した後、その波
形を解析することによって行なわれる。通常、図１のよ
うなＴＴＬ・アライメント系では、先端のミラー５ａが
レチクル３のパターン領域の外側であって、かつ投影レ
ンズ１の投影視野内に位置するように固定されているた
め、レーザビームとウェハマークとが合致するマーク検
出位置と、レチクル３のパターン領域の投影像とウェハ
１２上のショット領域とが合致する露光位置とは、予め
定められた一定量（ベースライン量）だけずれている。
そのためマーク検出位置に対して、そのわずかなずれ量
分だけステージ１１を補正して位置決めすることが必要
になる。このような方式は、俗にサイト・バイ・サイト
方式（又はフィールド・バイ・フィールド方式）と呼ば
れている。

【０００７】一方、オフ・アクシス・アライメント系９
を使ったウェハアライメントも、そのベースライン量が
大きくなるだけで、基本的なシーケンスはＴＴＬ・アラ
イメント系を使ったサイト・バイ・サイト方式と同じに
なる。ところがオフ・アクシス・アライメント系９は、
投影レンズ１とは無関係に単独にウェハマークを検出す
るため、マーク検出用の照明光の波長に関する制約がな
い。そのため、図１のようにハロゲンランプ１５からの
照明光のうち、５００nm〜８００nm程度の広帯域の光
（レジストに対して非感光性）を光ファイバー１６を介
してオフ・アクシス・アライメント系９に導びき、その
広帯域の波長特性の照明光でウェハ１２を照射する。こ
のようにすると、レジスト層とウェハ面との干縞により
生ずる干渉縞による悪影響が低減されるため、結像方式
でも高精度なアライメント（マーク検出）が期待でき
る。そこでオフ・アクシス・アライメント系９は、ウェ
ハ１２上のマークを含む局所領域からの反射光を入射
し、送光系と受光系とを分離するビームスプリッタを介
して、マークの像をテレビカメラ（撮像管、又はＣＣ
Ｄ）８の撮像面上に結像する。テレビカメラ８はマーク
像のコントラストに対応した画像信号を発生するので、
その画像信号をアライメント制御ユニット４内の画像解
析回路で処理することによってマーク位置を検出する。

【０００８】アライメント制御ユニット４は、ＴＴＬ・
アライメント系５によるマーク位置検出結果、又はオフ
・アクシス・アライメント９によるマーク位置検出結果
に基づいて、ウェハステージ１１の露光時の座標位置を
各ベースライン量も加味して演算し、その演算結果をス
テージ制御ユニット１７に送る。尚、ＴＴＬ・アライメ
ント系５のベースライン量は、基準マーク板ＦＭ上の基
準マークをレチクルアライメント系ＲＡとＴＴＬ・アラ
イメント系５との夫々で検出したときのステージ１１の
座標位置の差に基づいて決定され、オフ・アクシス・ア
ライメント系９のベースライン量は基準マークをレチク
ルアライメント系ＲＡとオフ・アクシス・アライメント
系９との夫々で検出したときのステージ１１の座標位置
の差に基づいて決定される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１に示した装置で
は、ＴＴＬ・アライメント系５は投影レンズ１の投影視
野を介してウェハ１２上のマークを検出する構成である
ので、ベースライン量は極めて安定していると言える。
さらにＴＴＬ・アライメント系５は、レーザビームを照
明光として使用しているため、段差が極めて小さいマー
クであっても十分な検出能力をもつことが確かめられて
いる。一方、オフ・アクシス・アライメント系９は照明
光がブロードバンド（白色）光であるため、特にメタル
ウェハ（表面に金属層が蒸着されたウェハ）上のマーク
を検出したときに優れたアライメント精度が得られると
いう特徴がある。反面、オフ・アクシス・アライメント
系は投影レンズ１と無関係に設けられているため、ベー
スライン量は必然的にＴＴＬ・アライメント系５よりも
大きくなり、１枚のウェハをアライメントするに際し
て、ＴＴＬ・アライメント系５とオフ・アクシス・アラ
イメント系９とを併用するとなると、アライメント処理
のためのステージ１１の移動距離、移動回数が増大し、
スループットの低下を招くことになる。特にＴＴＬ・ア
ライメント系５は、投影レンズ１の投影視野内の周辺
（軸外）にマーク検出範囲（スリット状ビームの寸法範
囲）が設定されるため、そのマーク検出方向は円形の投
影視野内で放射方向に延びた線に対してほぼ直交する方
向（接線方向）に定められている。これは、ＴＴＬ・ア
ライメント系５のレーザ光源６をＨｅ−Ｎｅ等の非感光
性の波長域（６３０nm）のレーザービームにした場合、
そのビームをスリット状にしたときの方向を放射方向に
一致させて、マーク検出方向を接線方向にすることで、
投影レンズ１の色収差に起因した誤差（ビーム形状のマ
ーク検出方向に関する非対称性）を最小にするためであ
る。従ってＴＴＬ・アライメント系５でｘ方向とｙ方向
とのマーク位置検出を行なう場合、ｘ方向用のＴＴＬ・
アライメント系のマーク検出位置（スリット状ビーム）
と、ｙ方向用のＴＴＬ・アライメント系のマーク検出位
置（スリット状ビーム）とは、投影レンズ１の視野内に
ほぼ９０°の関係で互いに分けて配置されていた。すな
わち、ｘ方向とｙ方向の各マーク検出領域が、かなり離
れていたという問題点があった。

【００１０】また近年、ウェハ上のショット領域の配列
の規則性を統計的な手法で決定するエンハンスト・グロ
ーバル・アライメント（Ｅ．Ｇ．Ａ．）法が着目されて
いるが、Ｅ．Ｇ．Ａ法ではウェハ上の代表的な数個（３
〜９個）のショット領域の夫々に付随したｘ方向用、ｙ
方向用の各アライメントマークを順次検出することが行
なわれる。この場合、Ｅ．Ｇ．Ａ法で指定されるサンプ
ルアライメント・ショット（マーク検出すべきショッ
ト）領域は、ウェハ上でかなり離れたものになる。この
ためＴＴＬ・アライメント系でサンプルアライメントシ
ョット領域の各マークを検出するとなると、ｘ方向のマ
ーク検出のためのステージ１１の移動とｙ方向のマーク
検出のためのステージ１１の移動とを個別に行なわなけ
ればならず、しかもサンプルアライメントショット領域
（又はその近傍のショット領域）の各マークをオフ・ア
クシス・アライメント系９でも検出するとなると、ステ
ージ１１の移動回数はさらにその分だけ増加することに
なり、スループット的にかなり不利になるといった問題
点があった。

【００１１】本発明は、この様な問題点を考慮してなさ
れたもので、高精度、かつ高速にウェハ等の対象物に形
成されたマークを検出することを可能とし、しかもマー
ク検出のためのステージの移動回数を減らし、全体とし
てのスループット低下を防止したアライメント装置を得
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決する為の手段】請求項１に記載の発明にお
いては、基板（１２）上に形成されたマークを、マスク
（３）上のパターンを該基板上に投影する投影レンズ
（１）を介さずに検知するマーク検知装置に、その投影
光学系の投影光路の外部に設けられた光学系（ＢＳ１，
ＯＢＬ，Ｍ１）と、前記基板上のマークに対して第１波
長域（ブロードバンド）の照明光を照射して、該照射に
より前記マークから発生した光を前記光学系を介して受
光し、該受光により生じる波形信号を演算処理して前記
マークの位置情報を算出する第１検知系（ＦＩＡ系，波
形処理用プロセッサー６９）と、前記基板上のマークに
対して前記第１波長域とは波長域が異なる第２波長域
（Ｈｅ−Ｎｅ）の照明光を照射して、該照射により前記
マークから発生した回折光同士の干渉光を前記光学系を
介して受光し、該受光により生じる波形信号を演算処理
して前記マークの位置情報を算出する第２検知系（ＬＩ
Ａ系，波形処理用プロセッサー７３）と、を構成した。

【００１３】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、検出波長域の
異なるアライメント系を備えているので、検知対象マー
クに応じて最適な照明波長域を使用することができる。
例えば段差が小さいマークに対してマーク検知を行う場
合と、メタルウェハ上のマークを検知する場合など、種
々の場面に応じて最適なアライメント系を使い分けるこ
とができ、このため高精度なマーク検知が可能となる。
その上、何れもオフアクシスアライメント系としている
ので、波長の制約（投影レンズの色収差に関する制約）
が無い。このため「課題」に記載されているような問題
点（ｘ方向とｙ方向の各マークの検出領域がかなり離れ
ていたという状態）を解決でき（離さずにすみ）、この
ため高速にマーク検知可能となる。また本実施例のよう
に、対物光学系の視野内の互いに異なる領域に、検出原
理の異なる２つ以上のアライメント受光系の各検出範囲
を設定すれば、例えば同一のマークパターンを異なる検
出原理のアライメント受光系で検出する際、各検出範囲
は互いに分離してはいるが接近しているため、マークパ
ターンをそれぞれの検出範囲のもとに、わずかな移動量
でただちに移すことができる。その移動量は各検出範囲
の大きさ、マークパターンのサイズ等によっても異なる
が、基板上で大きくても５００μｍ前後であり、実用上
は１５０μｍ程度まで小さくすることもできる。

【００１４】また、対物光学系の観察視野内を、像観察
する観察系を設けた場合は、その観察領域の大きさを可
変にするようにし、各受光系の検出範囲を個別に観察し
たり、同時に観察したりすることもできる。この際、観
察系に設けられた撮像素子を１つの受光系とし、この受
光系を画像検出方式にしておくと、観察系の倍率を高め
たときは画像検出方式による受光系の検出範囲内で撮像
されたマークパターンを画像解析によって検知すること
ができるとともに、観察系の倍率を低くしたときは、画
像検出方式の受光系の検出範囲の近傍に位置する別の受
光系の検出範囲を同時に観察することができる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例においては、色収差の制約を
受けないオフ・アクシス・アライメント系に２種類のア
ライメントセンサー（マーク検出系）を持たせ、対物光
学系を各アライメントセンサーに対して共用するように
した。図２は、本発明の実施例によるアライメント装置
の全体的な構成を模式的に示す斜視図である。図２にお
いてウェハ上に形成されたマークからの反射光（散乱
光、回折光も含む）は、ミラーＭ１で反射されて対物レ
ンズＯＢＬに入射した後、ビームスプリッタＢＳ１で分
割される。ビームスプリッタＢＳ１で反射された方の光
は、上段部に配置されたＦＩＡ（フィールド・イメージ
・アライメント）系に入射し、図１に示した従来のオフ
・アクシス・アライメント系９と同様にマーク像として
テレビカメラで検出される。一方、ビームスプリッタＢ
Ｓ１を透過した方の光は、下段部に配置されたＬＩＡ
（レーザ・インターフェローメトリック・アライメン
ト）系に入射する。このＬＩＡ系は詳しくは後述する
が、ウェハ上の回折格子状マークに２本のレーザビーム
を対称的に傾斜させて照射し、回折格子状マークから同
一方向に発生する２つの回折光同志の干渉光を光電検出
する方式であり、特開昭６２−５６８１８号公報、特開
平２−１１６１１６号公報等に示された技術と同じ原理
に基づくものである。従って図２に示したＬＩＡ系の内
部にはｘ方向検出用の２本のレーザビームと、ｙ方向検
出用の２本のレーザビームとの計４本のビームを対物レ
ンズＯＢＬを介して所定の光学条件でウェハ上に投射す
るための送光系と、ｘ方向回折格子マークからの干渉光
とｙ方向回折格子マークからの干渉光とを個別に光電検
出するための受光系とが設けられている。

【００１６】ここで、対物レンズＯＢＬを介してＦＩＡ
系、ＬＩＡ系の夫々で検出されるウェハ上の観察範囲の
一例を、図３を参照して説明する。図３において円形の
領域は対物レンズＯＢＬのウェハ上での視野領域ＩＦを
表わし、その中心点には対物レンズＯＢＬの光軸ＡＸａ
が通る。また図３では中心点を原点として座標軸Ｘ、Ｙ
を設定してある。さて、視野領域ＩＦ内には大きな矩形
領域ＰＦ１と、それよりも小さな矩形領域ＰＦ２とが仮
想的に設定される。領域ＰＦ１とＰＦ２の各中心は、い
ずれも光軸ＡＸａ上に配置され、ＦＩＡ系内部に設けら
れた変倍光学系によって領域ＰＦ１を観察する場合と領
域ＰＦ２を観察する場合とが切り替えられる。一方、Ｌ
ＩＡ系のｘ方向検出用の２本のビームの交差領域（照射
領域）ＡＬｘ、ＡＬｙは、ＦＩＡ系の小さな観察領域Ｐ
Ｆ２からＹ方向にはずれた位置で、かつＦＩＡ系の大き
な観察領域ＰＦ１の内部に設定される。一般にウェハ上
に形成されるマークは、スクライブライン（幅１００〜
５０μｍ程度）内に存在することが多く、ＬＩＡ系で検
出されるｘ方向用、ｙ方向用の各回折格子状マークも５
０〜８０μｍ角程度の面積を有する。そのためＬＩＡ系
による照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙの面積もそれと同程度の
大きさに設定される。またＦＩＡ系による小さい観察領
域ＰＦ２は、ＦＩＡ系のテレビカメラまでの拡大倍率を
高倍にしたときに得られるものであり、このときＦＩＡ
系は、領域ＰＦ２内に存在するウェハマーク（ＬＩＡ系
用の回折格子状マークでもよい）の画像信号を用いてＦ
ＩＡ系内部の指標パターンに対する位置ずれ量を検出す
る。ただし、テレビカメラによる観察範囲は領域ＰＦ２
であっても、画像信号を使った画像処理範囲は走査ライ
ン（ＣＣＤの場合は画素の一例の並び）の何本分かの範
囲、例えば６４本分の範囲に限られている。以上のこと
から、対物レンズＯＢＬのウェハ上での視野領域ＩＦの
大きさは直径で数１００μｍ〜１０００μｍ程度あれば
十分であるが、実際にはＦＩＡ系の小さい領域ＰＦ２と
ＬＩＡ系の照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙとを余裕をもって離
しておいた方が好しいので、ウェハ上での視野領域ＩＦ
は最低でも１〜５mm程度にするのが望ましい。尚、対物
レンズＯＢＬはマーク観察時にわずかなフォーカス誤差
が発生したとしても正しいマーク位置計測ができるよう
に、テレセントリック対物光学系にしておく。また、図
３ではＬＩＡ系のｙ方向検出用の照射領域ＡＬｙとｘ方
向検出用の照射領域ＡＬｘとをＹ軸をはさんでＸ方向に
並べたが、Ｘ軸をはさんでＹ方向に並べてもよく、ある
いは領域ＰＦ２をはさんで左右（Ｘ方向）又は上下（Ｙ
方向）に分けて配置してもよい。しかしながら、ＬＩＡ
系によるマーク検出範囲、すなわち照射領域ＡＬｘ、Ａ
Ｌｙの位置を極力接近させておくと、ウェハ上に形成す
べきｘ方向用、ｙ方向用の各回折格子状マークのマーク
形成領域の面積が最も小さくなるので、そのことを考慮
すると図３の配置が望ましい。

【００１７】ここで、ＬＩＡ系で検出可能なマーク形状
の一例を図４に示す。図４（Ａ）はウェハ上にマトリッ
ク状に形成された複数のショット領域ＳＡのうちの１つ
と、それに付随したＬＩＡ用マーク領域ＭＬの配置を示
し、図４（Ｂ）は各マーク領域ＭＬ内に形成されたｘ方
向用マークＭＬｘとｙ方向用マークＭＬｙとを示す。マ
ーク領域ＭＬは通常、ショット領域ＳＡの外周のスクラ
イブライン内に配置される。従って隣接するショット領
域に付随して形成されるマーク領域ＭＬとの配置的な干
渉をさけるため、図４（Ａ）では、各ショット領域毎に
Ｘ方向に伸びた一方のスクライブライン中と、Ｙ方向に
伸びた一方のスクライブライン中との夫々の中央にマー
ク領域ＭＬを配置した。ただしこれは、ショット領域Ｓ
Ａの中心点ＣＳを通りＸ軸と平行な中心線ＬＬｘ上、及
び中心点ＣＳを通りＹ軸と平行な中心線ＬＬｙ上の夫々
にマーク領域ＭＬを配置する場合であって、これらの中
心線ＬＬｘ、ＬＬｙの夫々の上、又はそれらの中心線と
平行な線上でショット領域ＳＡをはさむ対称的な位置の
２ケ所にマーク領域ＭＬを配置しなければ、１つのショ
ット領域ＳＡの４辺のスクライブライン中の夫々にマー
ク領域ＭＬを形成できる。

【００１８】尚、ＬＩＡ用のマークＭＬｘ、ＭＬｙを、
ＦＩＡ系の検出領域ＰＦ２内で同時に検出するときは、
図３に示した領域ＰＦ２はマーク領域ＭＬを包含する大
きさにする必要がある。またＦＩＡ系で検出するマーク
を専用のものとして、マークＭＬｘ、ＭＬｙと異なる形
状にするときは、そのマークもスクライブライン中に設
けておかなければならない。

【００１９】次に、図５を参照してＦＩＡ系の具体的な
構成を説明する。光ファイバー１６Ａからは非感光性の
ブロードバンド（帯域２７０nm以上）の照明光が射出さ
れ、この照明光はコンデンサーレンズ２０Ａを介してウ
ェハ用照明視野絞り板２１Ａを均一な照度で照明する。
絞り板２１Ａで制限された照明光はミラー２２Ａで反射
され、レンズ系２３Ａを通ってビームスプリッタＢＳ２
に入射する。このビームスプリッタＢＳ２で反射によっ
て分割された光ファイバー１６Ａからの照明光は、ミラ
ーＭ２で反射されてビームスプリッタＢＳ１に入射す
る。その後、照明光は対物レンズＯＢＬ、ミラーＭ１を
介してウェハ上の所定領域（例えば図３中の小さな領域
ＰＦ２内）を照明する。このウェハ用の照明送光路にお
いて、絞り板２１Ａはレンズ系２３Ａと対物レンズＯＢ
Ｌとの合成系に関してウェハと共役（結像関係）になっ
ている。従ってＦＩＡ系によるウェハに対する照明領域
は絞り板２１Ａに形成された開口形状及び寸法で一義的
に決まる。

【００２０】そして光ファイバー１６Ａからの照明光に
よって照射されたウェハからは反射光（正規反射光、散
乱光等）が発生し、この反射光はミラーＭ１、対物レン
ズＯＢＬ、ビームスプリッタＢＳ１、ミラーＭ２を介し
てビームスプリッタＢＳ２に対し、ここで反射光の一部
（約１／２）が検出光学系の方に進む。検出光学系はレ
ンズ系２４、ミラー２５、指標板２６、撮像用のリレー
レンズ系２７、３１、ミラー２８、及びビームスプリッ
タＢＳ３で構成され、ビームスプリッタＢＳ３はウェハ
からの反射光をｘ方向検出用のテレビカメラ（ＣＣＤ）
８Ｘと、ｙ方向検出用のテレビカメラ（ＣＣＤ）８Ｙと
の夫々に分け、各テレビカメラ８Ｘ、８Ｙの撮像面上に
ウェハ表面のパターンの像（マーク像）を形成する。

【００２１】ここで指標板２６は、対物レンズＯＢＬと
レンズ系２４との合成系に関してウェハと共役に配置さ
れ、さらに指標板２６と各テレビカメラ８Ｘ、８Ｙとは
リレー系２７、３１に関して互いに共役に配置される。
その指標板２６は透明板の上にクロム層等で指標パター
ンを形成したものであり、ウェハ上のマークの像が形成
される部分は透明部のままである。従ってカメラ８Ｘ、
８Ｙは指標板２６の透明部に結像したウェハマークの空
中像と、指標パターンの像とを同時に受光する。

【００２２】ところで、先の図３で示したように、ＦＩ
Ａ系には変倍機能が設けられているが、図５の系では指
標板２６とテレビカメラ８Ｘ、８Ｙとの間の結像光路中
に変倍光学系３０を挿脱可能に設けることで、それに対
応した。またリレー系２７、３１の光路中には波長フィ
ルター（特定帯域をカットするフィルター）２９も挿脱
可能に設けられているが、この波長フィルター２９はＬ
ＩＡ系を使用したときにウェハで反射してくる強いレー
ザ光の波長成分をカットするためのものである。

【００２３】さらに図５の系においては、指標板２６を
独立に照明するための照明系が設けられる。この照明系
は光ファイバー１６Ｂ、コンデンサーレンズ２０Ｂ、照
明視野絞り板２１Ｂ、ミラー２２Ｂ、及びレンズ系２３
Ｂで構成され、レンズ系２３Ｂから射出する照明光は、
ビームスプリッタＢＳ２に関してウェハ照明光路と反対
側からビームスプリッタＢＳ２に入射する。このため光
ファイバー１６Ｂからの照明光はビームスプリッタＢＳ
２で反射してレンズ系２４、ミラー２５を介して指標板
２６に達する。この系で、絞り板２１Ｂはレンズ系２３
Ｂ、２４の合成系に関して指標板２６と共役に配置さ
れ、光ファイバー１６Ｂは絞り板２１Ｂをケーラー照明
する。

【００２４】ここで各系の機能を明確にすめため、ビー
ムスプリッタＢＳ１よりもウェハ側の対物レンズＯＢ
Ｌ、ミラーＭ１を共通対物系と呼び、ビームスプリッタ
ＢＳ１からミラーＭ２、ビームスプリッタＢＳ２、レン
ズ系２４、ミラー２５、及び指標板２６までの系をＦＩ
Ａ受光系と呼び、レンズ系２７からテレビカメラ８Ｘ、
８Ｙまでの系をＦＩＡ検出系と呼び、光ファイバー１６
ＡからビームスプリッタＢＳ２までの系をウェハ照明系
と呼び、さらに光ファイバー１６Ｂからビームスプリッ
タＢＳ２までの系を指標照明系と呼ぶことにする。これ
ら共通対物系、ＦＩＡ受光系、ＦＩＡ検出系、ウェハ照
明系、指標照明系の夫々を構成する各光学レンズは、い
ずれも同軸に配置される。

【００２５】先に図３で説明したように、テレビカメラ
８Ｘ、８Ｙは小さな検出領域ＰＦ２を観察するように高
倍率に設定されたとき、指標板２６上の指標パターンと
ウェハマーク（ＭＬｘ、ＭＬｙ）とを画像解析してｘ、
ｙ両方向の各位置ずれを検出し、大きな領域ＰＦ１を観
察するように低倍率に設定されたときは、単に目視だけ
を目的とするのでテレビカメラ８Ｘ、８Ｙのいずれか一
方だけの画像信号を表示手段（ＣＲＴ、液晶表示パネル
等）に送って表示するようにしてもよい。

【００２６】ここで指標板２６上の指標パターンの配置
例を図６を参照して説明する。指標板２６は、透明ガラ
ス板上にクロム層を蒸着してエッチングにより指標パタ
ーンを形成したものであり、図６中で斜線部、又は黒部
で示した部分がクロム層による遮光部である。テレビカ
メラ８Ｘ、８ＹはそれぞれＸ方向、Ｙ方向に水平走査線
が位置するように互いに９０°回転した関係で配置され
るので、撮像面が正方形でない限り、図６に示すように
テレビカメラ８Ｘの撮像領域ＰＦ２ｘと、テレビカメラ
８Ｙの撮像領域ＰＦ２ｙとは完全には一致しない。また
図６中の大きな観察領域ＰＦ１はテレビカメラ８Ｘによ
るものである。さて、この指標板２６上で、ウェハマー
クのＸ方向の位置ずれ検出の基準は、Ｘ方向の離れた２
ケ所に形成された指標パターン部ＲＸ１、ＲＸ２であ
り、Ｙ方向の位置ずれ検出の基準はＹ方向に離れて形成
された２ケ所の指標パターン部ＲＹ１、ＲＹ２である。
それぞれの指標パターン部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＹ１、Ｒ
Ｙ２は、いずれも同じ形状、寸法であり、かつそこには
同一形状の透明スリットパターンが形成されている。ま
た大きな観察領域ＰＦ１に切り替えたとき、ＬＩＡ系に
よる照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙの位置が指標板２６上で認
識できるように、ターゲットマークＴｘ、Ｔｙが設けら
れている。そして４ケ所の指標パターン部ＲＸ１、ＲＸ
２、ＲＹ１、ＲＹ２の内側に、図４に示したウェハマー
クＭＬｘ、ＭＬｙの領域ＭＬが位置するように、ウェハ
ステージ１１を位置決めしてから、テレビカメラ８Ｘ、
８Ｙからの画像信号が解析される。

【００２７】図７は指標パターンＲＸ１、ＲＸ２、ＲＹ
１、ＲＹ２の各拡大図であり、ウェハマークＭＬｘ、Ｍ
Ｌｙの配置例をあわせて示すものである。図７におい
て、Ｘ方向に水平走査線をもつテレビカメラ８Ｘは全水
平走査線のうち特定部分のｎ本の走査線による領域ＫＸ
内に位置する各パターン、マークに対して画像解析を行
なう。走査線領域ＫＸ内の両側にはＸ方向用の指標パタ
ーン部ＲＸ１、ＲＸ２の夫々に形成された３本の透明ス
リットが、水平走査線と直交するように配置される。ウ
ェハ上のマークＭＬｘ、ＭＬｙは図７に示すように、指
標パターン部ＲＸ１、ＲＸ２の間に位置するように設定
される。ここで走査領域ＫＸはＸ方向用のものであるの
で、ウェハマークとしてはＸ方向にピッチを有するマー
クＭＬｘが使われる。この際、Ｙ方向にピッチを有する
マークＭＬｙも走査領域ＫＸ内に位置するが、このマー
クＭＬｙに対応した画像信号波形は処理のときに無視さ
れる。同様に、Ｙ方向に水平走査線をもつテレビカメラ
８Ｙは、全走査線のうち特定部分のｎ本の走査線による
走査領域ＫＹ内に位置する指示パターン部ＲＹ１、ＲＹ
２の各透明スリットと、ウェハ上のマークＭＬｙとを画
像解析する。

【００２８】尚、画像信号を解析するコンピュータは、
各テレビカメラの解析に必要な走査線のスタート点と終
了点との設定、解析すべき走査線の本数（最大ｎ本）設
定等を予め決定している。また走査領域ＫＸのＸ方向の
位置や、走査領域ＫＹのＹ方向の位置は、ジョイスティ
ック等によって表示画面をモニターしつつマニュアルに
て変更することもできる。そのためには表示画面上に領
域ＫＸ、ＫＹの位置を表わすカーソル線、囲み枠線、範
囲指定用の矢印状表示パターン等に応じたビデオ信号を
作り出し、これを各テレビカメラ８Ｘ、８Ｙからの画像
信号とミキシングして表示するのがよい。このとき、そ
れらカーソル線、囲み枠線、矢印等はジョイスティック
操作により表示画面内で任意の位置に移動する。

【００２９】ところで、図５に示した系のうちのウェハ
照明系でウェハを照明すると、そのままだと、ウェハ表
面の反射率に依存した強度の反射光が指標パターン部Ｒ
Ｘ１、ＲＸ２、ＲＹ１、ＲＹ２に達し、その反射光の一
部が透明スリットを透過してテレビカメラ上でスリット
像となる。このため指標パターン部の下のウェハ上に複
雑なパターンがあったり、反射率が極めて小さかったり
すると、指標パターン部内のスリット像のコントラスト
が低下し、画像信号に基づいた指標パターン（スリッ
ト）の位置計測精度が悪化することがある。

【００３０】そこで図５に示したように、指標照明系
（光ファイバー１６Ｂ〜ビームスプリッタＢＳ２までの
系）を設け、指標板２６上の指標パターン部ＲＸ１、Ｒ
Ｘ２、ＲＹ１、ＲＹ２のみを別に照明するように、照明
視野絞り板２１Ｂ上の対応する位置に開口部（透明部）
を設けるようにする。図８は絞り板２１Ｂ上での透明部
の配置を示し、透明部ＱＸ１は指標パターン部ＲＸ１の
みを照明し、透明部ＱＸ２、ＱＹ１、ＱＹ２はそれぞれ
指標パターン部ＲＸ２、ＲＹ１、ＲＹ２のみを照明す
る。このとき各透明部ＱＸ１、ＱＸ２、ＱＹ１、ＱＹ２
はいずれも対応する指標パターン部の形状と相似であっ
て、かつ指標パターン部よりも若干小さい寸法になるよ
うに設定されている。

【００３１】一方、ウェハ照明系内の照明視野絞り２１
Ａは、図３、又は図６に示したように広い観察領域ＰＦ
１の全体を照明する必要があるので、領域ＰＦ１に合わ
せた単純な矩形開口（透明部）をもったものでよい。し
かしながら、指標パターン部ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＹ１、
ＲＹ２のスリット像のコントラストを一定にするため
に、ウェハ表面からの反射光が指標パターン部に達しな
いようにすることが必要なときは、視野絞り２１Ａの透
明部上に、図８の透明部ＱＸ１、ＱＸ２、ＱＹ１、ＱＹ
２の各形状寸法とその配置とを同一にした遮光部を設け
るとよい。すなわち図８の絞り板２１Ｂと相補的な関係
で遮光部と透明部とを形成した絞り板にすればよい。

【００３２】図９は図７に示した状態で、走査領域Ｋ
Ｘ、ＫＹ内の一本の走査線に対応してテレビカメラ８
Ｘ、８Ｙが出力する画像信号の波形の一例を示し、図９
（Ａ）はテレビカメラ８Ｘの画像信号波形ＶＦｘ、図９
（Ｂ）はテレビカメラ８Ｙの画像信号波形ＶＦｙを示
す。まずＸ方向検出用の走査領域ＫＸ内には図７のよう
に各パターン、マークが位置するので、信号波形ＶＦｘ
には指標パターン部ＲＸ１内の３本の透明スリット像強
度に対応した波形部分Ｖx1、ウェハマークＭＬｙの解析
格子が並ぶ方向に関する像強度に対応した波形部分Ｖm
y、ウェハマークＭＬｘの解析格子のピッチ方向に関す
る像強度に対応した波形部分Ｖmx、及び指標パターン部
ＲＸ２内の３本のスリット像強度に対応した波形部分Ｖ
x2が時系列的に含まれる。同様に信号波形ＶＦｙには、
指標パターン部ＲＹ２内の３本のスリット像に対応した
波形部分Ｖy2、ウェハマークＭＬｙの解析格子のピッチ
方向に関する像コントラストに対応した波形部分Ｖmy、
及び指標ピターン部ＲＹ１内の３本のスリット像に対応
した波形部分Ｖy1が時系列的に含まれる。

【００３３】尚、マークＭＬｘのピッチ方向（Ｘ方向）
に対応した波形部分Ｖmx、マークＭＬｙのピッチ方向
（Ｙ方向）に対応した波形部分Ｖmyは、図９のように多
数のボトム点をもつ繰り返し波形になるが、これは図１
０（Ａ）に示すように各マークのピッチ方向に繰り返し
並ぶ格子のエッジ位置で対物レンズＯＢＬに戻らない反
射光が発生し、図１０（Ｂ）のようにボトム点になるた
めである。ただし、マークの格子のエッジ部の傾斜がな
だらかだったり、マークの格子を形成する材質の反射率
が下地とくらべて極端に低かったり、あるいは格子自体
の線幅が小さかったりすると、図１０（Ｃ）のようにマ
ークの格子位置でボトム点となることもある。原理的に
は、マーク格子の本数と同じ数のボトム点が得られてい
るか、マーク格子本数の約２倍の数のボトム点が得られ
ているかを波形処理上のアルゴリズムで判別するように
すれば、マークＭＬｘ、ＭＬｙの形状、光学的な特徴に
依存することなく信号波形処理が可能である。

【００３４】次に図１１を参照してＬＩＡ系の具体的な
構成を説明する。ＬＩＡ系はオフ・アクシス・アライメ
ント系のミラーＭ１、対物レンズＯＢＬ及びビームスプ
リッタＢＳ１からなる共通対物系を介して、対物レンズ
ＯＢＬの視野領域ＩＦ内に図３で示したようにレーザビ
ームの交差照明領域ＡＬｘ、ＡＬｙを形成するものであ
る。その照明領域ＡＬｘ、ＡＬｙに対してレーザビーム
を送光するために、直線偏光、又は円偏光のＨｅ−Ｎｅ
のレーザ光源６を設け、このレーザ光源６からのビーム
ＬＢをシャッター４０を介してビームスプリッタＢＳ８
で２分割する。ビームスプリッタＢＳ８を透過したビー
ムは適宜折り返しミラーを介してヘテロダイン２光束化
ユニット４１Ｘに入射する。このユニット４１Ｘ内には
入射ビームをさらに２つに分割し、分割された２つのビ
ームの夫々を、互いに異なる周波数分だけシフトさせる
２つの周波数シフター（音響光学変調器）と、各周波数
シフターから出力される２本のビームを偏心合成する合
成系とを含んでいる。その合成系によって合成された２
本のビームは、図１１に示すようにＬＢ１ｘ、ＬＢ２ｘ
となって系の光軸と平行に進み、レンズ系４２Ｘに入射
する。２本のビームＬＢ１ｘ、ＬＢ２ｘはレンズ系４２
Ｘの後側焦点面で所定の角度で交差し、その後側焦点面
に配置されたアパーチャ板４３Ｘを一様に照射する。従
ってアパーチャ板４３Ｘ上には、２つのビームＬＢ１
ｘ、ＬＢ２ｘの交差によって一次元の干渉縞が生成さ
れ、しかもヘテロダイン２光束化ユニット４１Ｘ内の１
対の周波数シフターのドライブ周波数が互いに異なるこ
とから、その周波数の差に応じた速度で、一次元の干渉
縞はピッチ方向に流れている。

【００３５】さてアパーチャ板４３Ｘによって制限され
た２本のビームは、ビームスプリッタＢＳ６で一部反射
され、レンズ系４４Ｘ、ビームスプリッタＢＳ４、ＢＳ
１を通って対物レンズＯＢＬに入射し、ウェハ上の照射
領域ＡＬｘに達する。ここでアパーチャ板４３Ｘに形成
されるアパーチャは、対物レンズＯＢＬの視野領域ＩＦ
の中で、ＬＩＡ系による照明領域ＡＬｘの位置と共役に
なるように配置されている。

【００３６】さて、ＬＩＡ系による照明領域ＡＬｘ内に
は、２本のビームＬＢ１ｘ、ＬＢ２ｘがＸ方向に関して
対称的に傾いて入射しているので、ウェハ上でも一次元
の干渉縞がＸ方向に流れている。このため照明領域ＡＬ
ｘ内にＸ方向アライメント用のウェハマークＭＬｘが存
在したものとすると、マークＭＬｘのピッチ寸法Ｐｇと
干渉縞のピッチ寸法Ｐｉとを所定の比（例えばＰｇ／Ｐ
ｉ＝２）に設定すると、マークＭＬｘから垂直方向に進
む±１次回折光が発生する。その＋１次回折光は例えば
レーザビームＬＢ１ｘの照射によって得られたものであ
り、−１次回折光はレーザビームＬＢ２ｘの照射によっ
て得られたものである。この２つの±１次回折光は偏向
方向が同一なので互いに干渉するとともに、２つの周波
数シフターによる周波数の差、すなわちビート周波数で
周期的に干渉強度が変化している。そこでマークＭＬｘ
から垂直に発生する±１次回折光を干渉ビート光と呼
ぶ。この干渉ビート光はミラーＭ１、対物レンズＯＢ
Ｌ、ビームスプリッタＢＳ１、ＢＳ４、レンズ系４４Ｘ
を通ってビームスプリッタＢＳ６に達し、ここで分割さ
れて受光用アパーチャ板４５Ｘに達する。受光用アパー
チャ板４５Ｘは、レンズ系４４Ｘと対物レンズＯＢＬと
の合成系に関してウェハと共役（結像関係）に配置さ
れ、ウェハ上の照明領域ＡＬｘからの反射光（干渉ビー
ト光）のみを透過するような開口を有する。アパーチャ
板４５Ｘを通った干渉ビート光はミラー４６Ｘ、レンズ
系４７Ｘを介して光電センサー４８Ｘに達する。この光
電センサー４８Ｘの受光面はレンズ系４７Ｘによるフー
リエ変換面と一致するように配置される。同時に光電セ
ンサー４８Ｘの受光面は対物レンズＯＢＬとレンズ系４
４Ｘとの間に存在する瞳面（絞り位置、又はウェハ面に
対してフーリエ変換の関係にある面）とも共役になって
いる。

【００３７】一方、Ｙ方向用のＬＩＡ系は、レーザ光源
６からのビームのうちビームスプリッタＢＳ８で分割さ
れた他方のビームを入射して、互いに周波数が異なる２
本のビームＬＢ１ｙ、ＬＢ２ｙを射出するヘテロダイン
２光束化ユニット４１Ｙ、２本のビームＬＢ１ｙ、ＬＢ
２ｙをそれぞれ平行光束にしてアパーチャ板４３Ｙ上で
交差させるレンズ系４２Ｙ、送受光系を分割するビーム
スプリッタＢＳ５、レンズ系４４Ｙ、受光用アパーチャ
板４５Ｙ、ミラー４６Ｙ、フーリエ変換用のレンズ系４
７Ｙ、及び光電センサー４８Ｙで構成され、各部材の光
学的な配置と機能はＸ方向用のＬＩＡ系と全く同一であ
る。ただし、Ｘ方向用ＬＩＡ系と異る点は、ウェハ上で
交差する２本のビームＬＢ１ｙ、ＬＢ２ｙをＹ方向に対
称的に傾ける必要があることから、ヘテロダイン２光束
化ユニット４１ＹをＸ方向用ＬＩＡ系のユニット４１Ｘ
に対して９０°回転させて配置すること、ウェハ上のＹ
方向用のマークＭＬｙを照明領域ＡＬｙ内で検出するよ
うに、各アパーチャ板４３Ｙ、４５Ｙの各開口を、ウェ
ハ上の照明領域ＡＬｙと互いに共役な部分に設けること
である。

【００３８】ところでヘテロダイン方式の場合、マーク
から発生した干渉ビート光はビート周波数で正弦波状に
強度変化し、光電センサー４８Ｘ、４８Ｙの各出力信号
が、正弦波状の交流信号（ビート周波数）となっている
ので、その出力信号のみからマークＭＬｘ、ＭＬｙの位
置ずれを知ることはできない。そこで図１１のようにビ
ームスプリッタＢＳ４の残りの一面側に、基準信号作成
系を設ける。図１１に示したビームスプリッタＢＳ４の
スプリット方向からも明らかなように、レンズ系４４Ｘ
を通ってきた２本の送光ビームＬＢ１ｘ、ＬＢ１ｙはそ
の一部（１／２）がビームスプリッタＢＳ４を直進して
レンズ系５０に入射する。レンズ系５０からの２本のビ
ームＬＢ１ｘ、ＬＢ２ｘは、ミラー５１、ビームスプリ
ッタＢＳ７を介して透過型回折格子板５３Ｘ、５３Ｙの
夫々の上で交差し、そこに一次元に流れる干渉縞を作成
する。その格子板５３Ｘは、レンズ系５０、４４Ｘに関
して送光用アパーチャ板４３Ｘと共役に配置され、送光
用アパーチャ板４３Ｘ上の開口部と対応した部分のみに
透過型回折格子（マークＭＬｘと相似）が形成されてい
る。そこで格子板５３Ｘ上の回折格子のピッチをＸ方向
にして干渉縞の方向と一致させておくと、格子板５３Ｘ
上の格子からはビート周波数で振幅変調された干渉ビー
ト光が発生し、それをフーリエ変換用のレンズ系５４Ｘ
を介して光電センサー５５Ｘで受光することによって、
Ｘ方向用ＬＩＡ系のための基準信号（ビート周波数の正
弦波状の交流）が作られる。

【００３９】尚、格子板５３Ｘ上には、Ｙ方向用のＬＩ
Ａ系からの２本のビームＬＢ１ｙ、ＬＢ２ｙの一部が同
時に交差していることになるが、格子板５３上でビーム
ＬＢ１ｙ、ＬＢ２ｙが交差する投射領域内は単なる遮光
部（平面）なので、ただちにカットされてしまう。Ｙ方
向用ＬＩＡ系の基準信号作成系も同様の部材で構成さ
れ、ビームスプリッタＢＳ７を透過したビームＬＢ１
ｙ、ＬＢ２ｙはＹ方向にピッチを有する透過型回折格子
板５３Ｙ上の格子部分で交差し、その格子部分から発生
する干渉ビート光がフーリエ変換用のレンズ系５４Ｙを
介して光電センサー５５Ｙで受光される。ここでも格子
板５３Ｙ上にはＸ方向用の２本のビームＬＢ１ｘ、ＬＢ
２ｘが交差するが、その部分は単なる遮光部となってい
るため、ただちにカットされ、Ｙ方向用の基準信号の作
成にノイズとなることが防止される。

【００４０】以上のＬＩＡ系の構成のうち、ヘテロダイ
ン２光束化ユニット４１Ｘ、４１Ｙは、例えば特開平２
−２３１５０４号公報に開示されたものがそのまま使え
る。図１２（Ａ）、（Ｂ）はＬＩＡ系のビーム送光路を
模式的に示したものであり、部分的に部材の配置を変更
したり、説明に不要な部材を省略したりしてある。図１
２（Ａ）はアライメント系の光軸ＡＸａとＸ軸とを含む
面内での送光路を示し、図１２（Ｂ）は光軸ＡＸａとＹ
軸とを含む面内での送光路を示す。まずＹ方向用のＬＩ
Ａ系では、送光用アパーチャ板４３Ｙに２本のビーム
（平行光束）ＬＢ１ｙ、ＬＢ２ｙが図１２（Ｂ）の紙面
内で対称的に傾斜して入射する。このアパーチャ板４３
Ｙの矩形状開口を通った２本のビームＬＢ１ｙ、ＬＢ２
ｙはレンズ系４４Ｙを通って瞳面ＥＰで集光（実際はビ
ームウエストになる）した後、対物レンズＯＢＬを介し
て再び２本の交差するビーム（平行光束）となってマー
クＭＬｙを照明する。２本のビームＬＢ１ｙ、ＬＢ２ｙ
は図１２（Ｂ）では瞳面ＥＰ上で光軸ＡＸａをＹ方向に
はさんだ対称的な位置にスポットとして一度集光され
る。しかしながら図１２（Ａ）の方向からみると、２本
のビームＬＢ１ｙ、ＬＢ２ｙは瞳面ＥＰの中央（光軸Ａ
Ｘａが通る点）でスポットとなって集光しているように
見える。この種の２光束干渉方式のアライメント系で
は、ウェハマークＭＬｘ、ＭＬｙの格子ピッチ方向、す
なわち計測方向に関しては２本のビームを対称的に傾け
るが、非計測方向（ピッチ方向と直交する方向）に関し
ては傾けない、すなわち対物レンズＯＢＬとウェハとの
間では光軸ＡＸａと平行にしておくのである。このこと
から、図１２（Ａ）、（Ｂ）によれば、マークＭＬｙか
ら垂直に発生する干渉ビート光も平行光束となり、それ
は瞳面ＥＰ上の光軸ＡＸａが通る点でスポットになって
集光する。

【００４１】同様にＸ方向用のＬＩＡ系では２本のビー
ムＬＢ１ｘ、ＬＢ２ｘが平行光束となって所定の交差角
で送光用アパーチャ板４３Ｘに入射する。このとき２本
のビームＬＢ１ｘ、ＬＢ２ｘはマークＭＬｘのピッチ方
向に合わせて、図１２（Ａ）の紙面内で対称的に傾いて
いる。従ってマークＭＬｘから垂直に発生する干渉ビー
ト光も対物レンズＯＢＬまでは平行光束となって光軸Ａ
Ｘａと平行に進み、瞳面ＥＰ上では光軸ＡＸａの通る点
でスポットになって集光する。

【００４２】このため、マークＭＬｙ、ＭＬｘの夫々か
らの干渉ビート光を瞳面ＥＰと共役な光電センサー４８
Ｙ、４８Ｘで検出するときは、そのままでは両方の干渉
ビート光が混在してしまうので、ウェハと共役な面に受
光用アパーチャ板４５Ｙ、４５Ｘを配置し、両方の干渉
ビート光が像面内では分離していることを利用して択一
的に抽出するようにしたのである。

【００４３】図１３は、以上のようなＦＩＡ系、ＬＩＡ
系の各信号処理回路を模式的に示したもので、図１に示
したアライメント制御ユニット内に設けられる。図１３
において、ＦＩＡ系のテレビカメラ（ＣＣＤ）８Ｘ、８
Ｙはそれぞれ独立した駆動制御回路６０Ｘ、６０Ｙによ
ってドライブされ、コンポジットビデオ信号を出力す
る。このビデオ信号はそれぞれ同期分離回路６１Ｘ、６
１Ｙに入力し、水平同期信号ＨＳと垂直同期信号ＶＳと
が抽出される。さらに同期分離回路６１Ｘ、６１Ｙの夫
々から抽出されたビデオ信号はプログラマブル・ゲイン
・コントロール回路（ゲインコントローラ）６２Ｘ、６
２Ｙによって所定のゲインが与えられた後、アナログ−
デジタル変換器とメモリ（Ｖ−ＲＡＭ）とを含むデジタ
ル波形記憶部６３Ｘ、６３Ｙに入力する。

【００４４】一方、同期分離回路６１Ｘ、６１Ｙの夫々
からの信号ＨＳ、ＶＳはサンプリング・クロック生成回
路６４Ｘ、６４Ｙに入力し、ここでデジタル波形記憶部
６３Ｘ、６３Ｙに対するデジタル変換やメモリアクセス
等のタイミング・クロックが生成される。このクロック
は、例えばＣＣＤの１本の水平走査期間中に得られるビ
デオ信号を１０２４画素相当分に分割するように定めら
れ、記憶部６３Ｘ、６３Ｙには、撮像画面内でｎ本の水
平走査線分のビデオ波形が取り込まれる。ここでは最大
６４本分のビデオ波形が記憶できるものとする。また１
画面内でのビデオ波形の取り込み位置（水平走査線の垂
直方向の位置）を指定するために、取り込み制御回路６
５が設けられ、ここでは信号ＨＳ、ＶＳに基づいて取り
込み開始点となる水平走査線がきたとき、生成回路６４
Ｘ、６４Ｙの夫々にタイミング・クロックを記憶部６３
Ｘ、６３Ｙへ出力するように指示する。その取り込み開
始点の指定は主制御回路６６から送られてくるが、オペ
レータによる目視設定、又はビデオ波形を解析した自動
設定が可能である。

【００４５】ところで、テレビカメラ８Ｘ、８Ｙからの
コンポジットビデオ信号はビデオ・コントローラ６７で
ミキシング（画面合成）され、テレビモニター（ＣＲ
Ｔ）６８にて表示される。このとき、画面表示上でどの
ようにミキシングするかは主制御回路６６からの指示に
よって行なわれ、ＦＩＡ系によるＸ方向マーク検出とＹ
方向マーク検出とを同時にモニターするときは、テレビ
画面を２分割し、分割された夫々に各方向のマーク検出
時の画像を適当にトリミング、又はシフトして表示す
る。またテレビカメラ８Ｘ、８Ｙのいずれか一方の画像
しか表示しないように切り替えることもできる。さらに
取り込み制御回路６５は主制御回路６６から指定された
取り込み開始点の位置情報に基づいて、テレビモニター
６８上にその位置を表わすカーソル線（又は矢印等）に
対応したビデオ信号を作り、これをビデオ・コントロー
ラ６７に送出してＣＣＤからのビデオ信号と合成する。

【００４６】さて、デジタル波形記憶部６３Ｘ、６３Ｙ
の夫々に記憶された各ビデオ波形は高速波形処理用のプ
ロセッサー６９によって演算処理され、Ｘ方向に関する
ウェハマークＭＬｘの指標パターン中心に対する位置ず
れ量、Ｙ方向に関するウェハマークＭＬｙの指標パター
ン中心に対する位置ずれ量が求められる。これら位置ず
れ量の情報は主制御回路６６を介してアライメント処理
制御部７０に送られ、ウェハ上のショット位置と対応づ
けたアライメントデータとして使われる。またプロセッ
サー６９は指標パターン中心の位置（水平走査方向の位
置）を個別に演算により算出し、その結果を主制御回路
６６を介して取り込み制御回路６５へ送る。これによっ
て制御回路６５は、テレビモニター６８上でウェハマー
クＭＬｘ、又はＭＬｙがアライメントされるべき中心位
置に対応したカーソル線のビデオ信号を作り、ビデオ・
コントローラ６７へ送出する。これはテレビモニター６
８を観察しながらウェハステージ１１をマニュアルで微
動させて、マークＭＬｘ、又はＭＬｙを指標パターンに
対してアライメントするときに便利である。もちろん指
標板２６上に指標パターン中心を表わす線やマーカーを
付設しておいてもよいが、それらはマークＭＬｘ、ＭＬ
ｙの上、又はその極近傍に配置しないと意味がなく、し
かも信号波形処理範囲内に存在させてはならないことか
ら、そのマーカーの配置には自ずと制約が生じる。

【００４７】尚、アライメント処理制御部７０は図１に
示したステージ制御ユニット１７へウェハステージ１１
の位置決め目標値を出力するが、これは、レーザ干渉計
１３にて計測されるステージ１１の停止位置座標値を取
り込み、ステージ１１が停止した状態でＦＩＡ系にて計
測された位置ずれ量とそのときのステージ停止位置座標
値とに基づいて演算によって求められる。

【００４８】一方、ＬＩＡ系の信号処理系は、Ｘ方向の
基準信号を出力する光電センサー５５Ｘと、ウェハマー
クＭＬｘからの干渉ビート光の受光によって計測信号を
出力する光電センサー４８Ｘとの両信号を入力するデジ
タル波形記憶部７１Ｘ、Ｙ方向用の光電センサー５５Ｙ
からの基準信号とウェハマークＭＬｙからの干渉ビート
光を受光する光電センサー４８Ｙの計測信号とを入力す
るデジタル波形記憶部７１Ｙ、クロック作成回路７２、
及び高速波形処理用プロセッサー７３とで構成される。
波形記憶部７１Ｘ、７１Ｙは、それぞれ基準信号と計測
信号とを個別にデジタル変換し、その波形（いずれも正
弦波状）をメモリ（ＲＡＭ）内に所定周期分だけ記憶す
る。波形記憶部７１Ｘ、７１Ｙでのデジタル波形サンプ
リングのタイミングは、クロック作成回路７２からのパ
ルスに応答して行なわれ、基準信号と計測信号とのサン
プリングは全く同一のタイミングで行なわれる。ただ
し、Ｘ方向用の記憶部７１ＸとＹ方向用の記憶部７１Ｙ
との間でのサンプリング開始は必ずしも一致している必
要はない。そしてプロセッサー７３は各記憶部に記憶さ
れた基準信号波形と計測信号波形とをフーリエ積分を用
いてベクトル演算し、両波形の位相差（±１８０°以
内）を求める。ＬＩＡ方式では、ウェハ上に生成された
干渉縞のピッチＰｉに対してウェハマークＭＬｘ、ＭＬ
ｙのピッチＰｇを２倍にした場合、算出された位相差±
Δφはピッチ方向の位置ずれ量±ΔＸ（又は±ΔＹ）に
対して４・ΔＸ／Ｐｇ＝Δφ／１８０（又は４・ΔＹ／
Ｐｇ＝Δφ／１８０）の関係にある。

【００４９】このことから、プロセッサー７３は位相差
±Δφを求めるとただちに位置ずれ量ΔＸ、ΔＹを算出
して、それをアライメント処理制御部７０へアライメン
トデータとして送出する。次に以上で説明したＦＩＡ系
とＬＩＡ系の使い方について簡単に述べる。まず先の図
５に示したように、ＦＩＡ系の観察光学系の光路内にレ
ーザカットフィルター２９を配置して低倍状態にする
と、テレビカメラ８Ｘ（又は８Ｙ）による観察領域は、
図３、あるいは図６に示したＰＦ１になる。このときＬ
ＩＡ系からのビームが領域ＡＬｘ、ＡＬｙの夫々を照射
しているとすると、テレビモニター６８上ではその領域
ＡＬｘ、ＡＬｙも明るく観察される。一般に、ＬＩＡ系
で用いるビームのウェハ上での照度は、ＦＩＡ系による
照明光の照度にくらべて格段に強いため、フィルター２
９を挿入しておくことで、テレビモニター６８上、すな
わちテレビカメラ８Ｘ、８Ｙの撮像面上ではハレーショ
ンを起すことなく良好なコントラストでＬＩＡ系のビー
ム照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙが広い領域ＰＦ１内で同一に
観察できる。ＬＩＡ系のレーザ光源６がＨｅ−Ｎｅであ
るとすると、その照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙは赤色が強く
なるので、テレビカメラ８Ｘ、８Ｙ、テレビモニター６
８がいずれもカラーであるときは、モニター画面内で赤
味が強くなって観察される。

【００５０】さらにＬＩＡ系のレーザ光源６からのビー
ムは、図１１に示すようにシャッター４０によって遮へ
い可能となっているので、ＦＩＡ系によるマーク検出時
あるいはマニュアルによる目視観察時等にウェハが長時
間同一位置に滞在するような場合、シャッター４０を閉
じて強いレーザビームの照射によって領域ＡＬｘ、ＡＬ
ｙ内のレジストが感光するのを防止する。Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザ等のような赤色光では、ウェハ上での照度が極めて
小さければ、ほとんど問題はないが、照度が高くなって
くると、その赤色光に対する感度が完全に零でない限
り、多かれ少なかれ時間とともに感光が進む。そこで図
１に示したステージ制御ユニット１７内にウェハステー
ジ１１が停止してからの時間を計時するタイマーを設
け、さらにＬＩＡ系の照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙがステー
ジ停止時にウェハ上に存在するときに、そのタイマーを
起動させ、一定時間経過してもステージ１１が移動しな
いときは、図１１中のシャッター４０を閉じるようにす
るとよい。その場合、シャッター４０の開放は次にウェ
ハステージ１１が移動した後に行なわれる。

【００５１】また、ＦＩＡ系によりマークを画像検出し
て自動アライメントする場合は、図５に示したフィルタ
ー２９の代りに変倍光学系３０を光路中に挿入して高倍
率の観察系にすることで、テレビカメラ８Ｘ（又は８
Ｙ）の観察領域を図３、図６に示したような小さな領域
ＰＦ２に切りかえる。この際、テレビカメラ８Ｘ、８Ｙ
にはＦＩＡ系の光ファイバー１６Ａ、１６Ｂからの照明
光の広い波長帯域の全てを使った上質なマーク像が形成
されるので、ビデオ信号を用いた画像処理は極めて良好
に行なわれる。さらにテレビカメラ８Ｘ、８Ｙによる観
察領域ＰＦ２内には、ＬＩＡ系の照射領域ＡＬｘ、ＡＬ
ｙが存在しないため、画像処理系に何ら影響を与えな
い。またＦＩＡ系の観察領域をＰＦ２にして、ウェハマ
ークＭＬｘ、ＭＬｙの位置を図７に示した状態で計測し
た後、ＬＩＡ系でそのウェハマークＭＬｘ、ＭＬｙを引
き続いて計測する場合は、ウェハステージ１１をＹ方向
にわずかに平行移動させて、ＬＩＡ系の照射領域ＡＬ
ｘ、ＡＬｙの夫々の直下にマークＭＬｘ、ＭＬｙを位置
決めすればよい。この場合、テレビカメラ８Ｘ、８Ｙに
よる小さな観察領域ＰＦ２内からはマークＭＬｘ、ＭＬ
ｙが出てしまい、テレビモニター６８上で観察できない
といった不都合もある。そこで、ＦＩＡ系の小さな観察
領域ＰＦ２内でビデオ信号波形を取り込んで記憶部６３
Ｘ、６３Ｙに記憶し終ると同時に、変倍光学系３０とフ
ィルター２９とを切り替えるとともに、ウェハステージ
１１をＹ方向に移動させるとよい。このときのステージ
１１の移動量は多くても５００μｍ前後である。またテ
レビカメラによってはレーザビームの強い照射領域ＡＬ
ｘ、ＡＬｙの像を一瞬でも受けると、撮像面に残像とし
て焼き付くこともあるので、変倍光学系３０を光路から
はずすとき（低倍にするとき）は、直前にフィルター２
９が挿入されるような構成にするとよい。

【００５２】また、ＬＩＡ系のみを使ってマーク検出す
る場合は、変倍光学系３０の代りにフィルター２９を光
路に挿入すれば、広い観察領域ＰＦ１内でＬＩＡ系のビ
ーム照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙと、マークＭＬｘ、ＭＬｙ
とが同時に観察できる。この際、ＦＩＡ系からの照明光
がマークＭＬｘ、ＭＬｙを同時に照明しているため、Ｌ
ＩＡ系の各光電センサー４８Ｘ、４９Ｙはそれによる反
射光も受光することになる。ところがＬＩＡ系によりマ
ークから得られる干渉ビート光は、一定のビート周波数
（数ＫHz〜数十ＫHz程度）で変調されていること、ＬＩ
Ａ系はその変調周期の位相情報のみを検出する（すなわ
ち信号の振幅に依存しない）方式であること、及びＬＩ
Ａ系の照射領域ＡＬｘ、ＡＬｙ内のレーザビーム強度に
くらべてＦＩＡ系の照明強度は格段に小さいこと等か
ら、実質的にＬＩＡ系の検出誤差要因にはならない。

【００５３】以上、本発明の実施例を説明したが、画像
解析のための観察領域ＰＦ２とレーザアライメントのた
めのビーム照射領域ＡＬｙ、ＡＬｘとは、必らずしも図
３（又は図６）に示した配置関係である必要はなく、互
いに分離している限り、大きな観察領域ＰＦ１内であれ
ばどこにあってもよい。またＦＩＡ系の指標パターン部
ＲＸ１、ＲＸ２、ＲＹ１、ＲＹ２は図７に示したように
光軸ＡＸａの位置が対称点とならないようにわずかにず
れて配置されているため、図７のようにマークＭＬｙと
ＭＬｘがＸ方向に並置されている場合以外に、図４
（Ｂ）のようにＹ方向に並置されている場合でも同様に
信号波形を検出することが可能である。

【００５４】さらに図２、図５、図１１の夫々に示した
ビームスプリッタＢＳ１は振幅分割形としたが、波面分
割形の偏光ビームスプリッタとし、ＬＩＡ系からの送光
ビーム（図１１中のビームスプリッタＢＳ４からＢＳ１
へ送出されるビーム）とＦＩＡ系からの照明光（図５中
のミラーＭ２からビームスプリッタＢＳ１へ送出される
光）との偏向方向を互いに相補的にしておくと、各アラ
イメント系の光量の利用効率が上がる。

【００５５】図１１に示したＬＩＡ系では、Ｘ方向用の
２本のビームを作成するヘテロダイン２光束化ユニット
４１Ｘ内の周波数シフターと、Ｙ方向用の２光束化ユニ
ット４１Ｙ内の周波数シフターとは、いずれも同一のド
ライブ周波数、すなわち、ビームＬＢ１ｘとビームＬＢ
１ｙの周波数は同一、ビームＬＢ２ｘとビームＬＢ２ｙ
の周波数は同一としたが、それら４本のビームの周波数
を全て異ならせ、さらにＸ方向で得られるビート周波数
とＹ方向で得られるビーム周波数とを整数倍の関係にな
いように設定するとよい。このようにすると、Ｘ方向用
のマークＭＬｘからの干渉ビート光に、Ｙ方向用の送光
ビーム、又は干渉ビート光が混入しても、信号処理（フ
ーリエ積分等）の段階ではほぼ完全に分離できる。一例
として、元々のビームＬＢの周波数をｆ0 としたとき、
ビームＬＢ１ｘをｆ0 ＋８0.０ＭHz、ビームＬＢ２ｘを
ｆ0 ＋８0.２３ＭHzにしてＸ方向のビート周波数を２３
ＫHzにし、ビームＬＢ１ｙをｆ0 ＋９0.０ＭHz、ビーム
ＬＢ２ｙをｆ0 ＋９0.４７ＭHzにしてＹ方向のビート周
波数を４７ＫHzにするとよい。

【００５６】ところで、図５に示したＦＩＡ系ではウェ
ハ照明系からの照明光と指標照明系からの照明光とは同
一の波長帯域をもつものとしたが、指標照明系の光ファ
イバー１６Ｂからの照明光は、テレビカメラまでの結像
光学系（２７、３０、３１）が色消しによって収差補正
されている範囲内であれば、ことさら同一にする必要は
ない。また共通対物光学系の対物レンズＯＢＬと結像レ
ンズ系２４の合成系も、ウェハへの照明光の波長帯域に
合わせて色消しされていることが必要である。

【００５７】さらにウェハへの照明光の強度と指標板へ
の照明光の強度とは、独立に調節可能にしておき、テレ
ビカメラ８Ｘ、８Ｙで撮像された画像信号の波形をテレ
ビモニター６８に表示する等して確認した上で、双方の
照明強度比を調節するとよい。またこのとき、図１３中
のゲイン・コントローラ６２Ｘ、６２Ｙのゲインをそれ
に応じて最適になるように設定してもよい。

【００５８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、検出波
長域の異なるアライメント系を備えているので、検知対
象マークに応じて最適な照明波長域を使用することがで
きる。例えば段差が小さいマークに対してマーク検知を
行う場合と、メタルウェハ上のマークを検知する場合な
ど、種々の場面に応じて最適なアライメント系を使い分
けることができ、このため高精度なマーク検知が可能と
なる。その上、何れもオフアクシスアライメント系とし
ているので、波長の制約（投影レンズの色収差に関する
制約）が無い。このため「課題」に記載されているよう
な問題点（ｘ方向とｙ方向の各マークの検出領域がかな
り離れていたという状態）を解決でき（離さずにす
み）、このため高速にマーク検知可能となる。また本実
施例に記載のようにアライメント用の対物光学系の視野
内で、互いに検出方式の異なる２つのアライメント系の
検出範囲が互いに分離すれば、対象物上のマークパター
ンを検出する際、それら２つの検出範囲の間で対象物を
移動させるだけで２つの異なったアライメント系を交互
に使うことができる。このため高速にマーク検出、位置
ずれ計測が可能となる。また実施例のように画像検出方
式を一方のアライメント系に組み込んだ場合は、画像観
察系による観察視野を、対物光学系の視野内で大きな領
域と小さな領域とに切り替えられるようにし、小さな領
域では画像信号を用いたオート・アライメント及び観察
を可能にするとともに、他方のアライメント系の検出範
囲が小さな領域の外に位置するように設定し、大きな領
域では他方のアライメント系によるマークパターンの検
出動作の観察及び画像アライメント系の目視アライメン
トを可能にしたので、効率よくアライメント時のマーク
観察を行なえるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の投影露光装置の構成を示す図

【図２】本発明の実施例によるアライメント装置の概略
的な構成を示す斜視図

【図３】対物光学系の視野領域と各アライメントセンサ
ーの検出範囲とを示す平面図

【図４】ウェハ上のマーク配置とマーク構造とを示す平
面図

【図５】ＦＩＡ系の構成を示す斜視図

【図６】ＦＩＡ系の指標パターンの配置を示す平面図

【図７】指標パターンとウェハマークとの配置例を示す
平面図

【図８】指標照明系の絞り板の構成を示す平面図

【図９】ＦＩＡ系によって検出される画像信号の波形を
示す図

【図１０】画像信号の波形とマーク断面の関係を示す図

【図１１】ＬＩＡ系の構成を示す斜視図

【図１２】ＬＩＡ系の送光系を模式的に示す図

【図１３】ＦＩＡ系、ＬＩＡ系の各信号処理回路の構成
を示すブロック図

【主要部分の符号の説明】

ＯＢＬ対物レンズＬＩＡレーザ・インターフェロメトリック・アライメ
ント系ＦＩＡフィールド・イメージ・アライメント系ＭＬｘ、ＭＬｙ回折格子状マークＰＦ１ＦＩＡ系の低倍時の観察領域ＰＦ２ＦＩＡ系の高倍時の観察領域ＡＬｘ、ＡＬｙＬＩＡ系のビーム照射領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成されたマークを、マスク上
のパターンを該基板上に投影する投影レンズを介さずに
検知するマーク検知装置において、前記投影光学系の投影光路の外部に設けられた光学系
と、前記基板上のマークに対して第１波長域の照明光を照射
して、該照射により前記マークから発生した光を前記光
学系を介して受光し、該受光により生じる波形信号を演
算処理して前記マークの位置情報を算出する第１検知系
と、前記基板上のマークに対して前記第１波長域とは波長域
が異なる第２波長域の照明光を照射して、該照射により
前記マークから発生した回折光同士の干渉光を前記光学
系を介して受光し、該受光により生じる波形信号を演算
処理して前記マークの位置情報を算出する第２検知系
と、を有することを特徴とするマーク検知装置。
【請求項２】前記第１、第２の検知方式において使用
される照明光はそれぞれ、前記基板上に塗布されたフォ
トレジストに対して非感光性の波長域を有することを特
徴とする請求項１に記載のマーク検知装置。
【請求項３】マスク上に形成された微細パターンを、
投影光学系を介して基板上に転写する露光装置であっ
て、請求項１又は２に記載のマーク検知装置を有し、前記マーク検知装置により得られた前記マークの位置情
報に基づいて、前記マスクと前記基板とを相対的に位置
合わせすることを特徴とする露光装置。
【請求項４】請求項３に記載の露光装置を用いて、前
記マスク上の前記微細パターンを、前記基板上に転写す
る工程を含むことを特徴とする半導体素子又は液晶表示
素子の製造方法。