JPH032504A

JPH032504A - 位置合わせ装置

Info

Publication number: JPH032504A
Application number: JP1137176A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ota; 和哉太田; Nobutaka Umagome; 伸貴馬込; Hideo Mizutani; 英夫水谷; Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1991-01-08
Also published as: US5118953A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は物体の位置をナノ・メータ（ｎｍ）の分解能で
検出するセンサーをもつ位置合わせ装置に関し、特に半
導体素子製造用の露光装置に好適なアライメント装置に
関する。

［従来の技術］近年、リソグラフィの分野では、マスクのパタンをウェ
ハへ焼き付ける露光光が増々短波長化し、高開口数の投
影レンズの開発と相まって、解像線幅はサブミクロン（
０，５〜０．７μｍ）に達している。このような高解像
パターンの転写は、ウェハ上に作り込まれたパターンと
新たなマスクパターンとの重ね合わせ精度が、その解像
力に見合って高いときに、初めて実用性を持つことにな
る。

重ね合わせ精度を高める１つの要素として、ウェハ上の
アライメントマークの検出精度（分解能）を高めること
が考えられている。

最近、ナノ・メータの分解能でマーク位置を検出する技
術がいくつか発表された。その１つの方法として、ウェ
ハ等の基板上に一部ピッチの回折格子を形成しておき、
この回折格子に対して２方向からコヒーレントな平行ビ
ームを照射することで回折格子上に一次元の干渉縞を作
り、この干渉縞の照射によって回折格子から発生する回
折光（干渉光）の強度を光電検出する方法がある。この
際、２方向からのコヒーレントビームの周波数をわずか
に変えておき、光電検出する干渉光をビート周波数で強
度変調させるヘテロゲイン方式も知られている。

ヘテロダイン方式は、ウェハ上の回折格子マークからの
干渉ビート光の光電信号と、２本の送光ビームから別途
作成された参照用の干渉ビート光の光電信号との位相差
（±１８０°以内）を求めることで、回折格子マークの
±１／４ピッチ以内の位置ずれを検出するものである。

例えばウェハ上の回折格子マークの格子ピッチＰを２μ
ｍ（１μｍ幅のラインとスペース）とし、位相差計測の
分解能が０．５°程度だとすると、位置ずれ計測の分解
能は、Ｐ／４　・（０，５°／１８０°）　’、ｏ、ｏｏ１４
μｍ（１，４ｎｍ）になり、これはマークからの光情報
を検出するアライメントセンサーとしては極めて高分解
能である。もちろん、位相差計測の分解能、精度は現在
のエレクトロニクス技術では０．１°も十分に得られる
から、より高精度な位相差検出回路（又は演算ソフト）
を用いればさらに５倍の分解能（０，２８ｎｍ）が容易
に得られる。特に、このような干渉縞を用いた位置ずれ
検出系を、ウェハの露光装置（プロキシミティアライナ
ー、ステッパー、゛ミラ−プロジェクション、ステップ
スキャンアライナ−等）のアライメント系として組み込
むと、今までのアライメント方式と比べて１桁以上、重
ね合わせ精度が向上するものと期待されている。

ヘテロゲイン干渉縞アライメント系を投影型露光装置（
ステッパー）に組み込んだ一例としては、特開昭６３−
２８３１２９号公報に開示されたものが知られている。

ここに開示された方式ではヘテロダイン・アライメント
方式をステッパー内でより効果的に使うために様々の工
夫がなされており、主な特徴としては、（１）スルーザ
レチクル（ＴＴＲ）方式でレチクルマークとウェハマー
ク（回折格子）とを別波長で同時に検出できる、（２）
レチクルの上にダイクロイックミラーを設けることで、
露光動作中もヘテロゲイン・アライント系によって常時
マークの位置ずれがモニターできる等である。

〔発明が解決しようとする課題〕

特開昭６３−２８３１．２９号公報のように、ステッパ
ーにヘテロダイン干渉縞アライメント系を組み込む場合
、２本の可干渉性ビームの送光系の一部から、２本のビ
ームを分岐させて参照ビート光を作ると、参照ビート光
の光電信号はレーザ光源から参照用受光素子（参照回折
格子、ディテクタ等）までの光路のみを介して得られる
のに対し、ウェハ上の回折格子マークからの計測ビート
光の光電信号は、ステッパーのレチクル、投影レンズ等
を通ってウェハへ達した２本のビームの照射によって作
られる。すなわち、参照ビート光を得るための２本のビ
ームの送光路と、計測ビート光を得るための２本のビー
ムの送光路とが全く異なっていると言うことである。特
にウェハを照射する２本のビームの光路長は、参照用受
光系との分岐点から計っても、１００ｃｍ以上になるこ
とはさけられず、このため特にレチクルからウェハまで
の光路空気ゆらぎが発生すると、ウェハ上に形成される
干渉縞に影響を与えることになり、この結果位置ずれ検
出精度の低下、アライメント不良等が生じてしまう。

本発明は、この様な問題点に鑑みてなされたもので、干
渉縞を作るための２木のコヒーレントビムの発生源での
位置的ドリフト、あるいは２本のビームの送光路中での
空気のゆらぎなどによる精度低下を極力小さく押えた構
造の干渉縞式位置検出系を得ることを目的とする。

［課題を解決する為の手段］本発明では、基板上の回折格子からの干渉光を計測光と
して受光する第１受光手段の他に、２木のビームの基板
での正反射光を互いに干渉させて参照光を得るようにし
、この参照光を受光する第２受光手段を設け、第１受光
手段からの信号と第２受光手段からの信号とを比較して
、基板の位置ずれを求めるように構成した。

〔作用〕

本発明によれば、計測光を得るための２本のビムの送光
路と参照光を得るための２木のビームの送光路とがほと
んど同し光路になるため、仮に空気ゆらぎ等があったと
しても、計測光と参照光の両方にその影響が同程度に反
映されることになり、相殺することが可能となる。また
計測光と参照光の各受光系も空間的に接近して配置でき
るため、計測光、参照光自体への空気ゆらぎによる影響
も同程度にすることが可能である。

さらに回折格子からの正反射光には、本質的に回折格子
の変位情報が含まれていないため、これを参照光として
使うことができる。

〔実施例］第１図、第２図は本発明の第１の実施例による位置合わ
せ装置を組め込んだステッパーの構成を示し、第１図は
ステッパーの全体構成を表わし、第２図はアライメント
系の具体的な構成を表わす。

第１図において、コンデンサーレンズＣＬはレチクルＲ
を一様の強度分布の露光光で照射する。レチクルＲばｘ
、ｙ、θ方向に微動するレチクルステージＲ３Ｔ上に保
持される。レチクルプライメン１〜系を構成するミラー
ＭＲ，、対物レンズＯＢＪ、は、レチクル周辺のマーク
を検出して、レチクルＲを投影レンズＰ　Ｌの光軸Ａχ
に対して位置決めするのに使われる。レチクルＲ上の回
路パタンは、両側テレセントリックな投影レンズＰ　Ｉ
−を介してウェハＷ上に縮小投影される。投影レンズＰ
　Ｉ＝の瞳（入射瞳、又射出瞳）・Ｅｐには、露光光の
光源像（フライアイレンズの射出面）が結像する。ウェ
ハＷはウェハホルダＷＨに吸着され、ホルダーＷＨはモ
ータＭ　Ｔ　２により光軸ＡＸ方向に微動するＺステー
ジＷＺに保持され、ＺステージＷＺはモータＭＴ、によ
りＸ、Ｙ方向に数十ｍｍのスＩ・ローフで移動するχＹ
ステージＷＳＴＪ−に保持される。ＺステージＷＺの一
部には、つｘ／＼Ｗの表面とほぼ同じ高さで基準マーク
（フイデコーシャルマーク）板ＦＭと、レーザ干渉式測
長器用の移動鏡ＭＲ２とが固定される。レーザ測長器は
、周波数安定化レーザ光源Ｇ　Ｌ、ビームスプリ、りＢ
ＳＩ、ミラーＭＲ４、及びレシーバＲＣＶで構成され、
投影レンズＰ　Ｌの鏡筒の一部に固定された参照鏡Ｍ　
Ｒａへビームスプリ・ツタＢＳ、を介して照射されレー
ザビームの反射光と、移動鏡ＭＲ２からの反射光とのフ
リンジの変化をレシーノ＼ＲＣ■でカウントする。レシ
ーバＲＣＶでのカウント稙はＸＹステージＷＳＴの座標
位置として、主制御系ＭＣ３内のステージコントローラ
ＳＴＣに送られる。上述の構成においてｌＸは露光光の
最外側の主光線を表わし、ミラーＭＲ，はこの主光線ｌ
Ｘの外側に設けられ、露光光をさえぎらないようになっ
ている。ただし、対物レンズ○ＢＪ、ミラーＭＲ，は図
示の配置のままで、レチクルＲの透明部、と投影レンズ
ＰＬを介して投影像面」二に位置するウェハＷ、もしく
は基準マーク板ＦＭ上のマークを観察できる。

さて、本実施例ではヘテロダイン方式のアライメント系
を投影レンズＰ　Ｌのみを介したＴＴＬ方式に適用する
ようにした。そのため、レチクルＲと投影レンズＰ　Ｌ
との間で、最大有効パターン露光領域（円形の投影視野
に内接する矩形領域）の外側の位置にミラー１６χ、１
６Ｙを固設し、これを介してウェハＷ上を観察できるよ
うにした。

アライメント系の対物側は対物レンズ１５χ、１／４波
長板１４χ、偏光ビームスプリッタ１３Ｘ、等で構成さ
れる。アライメント用の２つのビームを作るためにＨｅ
−Ｎｅ、Ａｒイオン、またはＨｅ−Ｃｄ等のレーザ光源
１が設けられ、この光源１からのレーザビームは、２光
束化周波数変調ユニントＤＢＵを含む送光系ＢＴＵによ
って、所定の周波数差を有する２つの直線偏光ビームに
変換される。この２つのビームは、偏光ビームスブリッ
ク１３Ｘで反射され、１／４波長板１４Ｘ、対物レンズ
１５Ｘ、及びミラー１６Ｘを介して円偏光となって投影
レンズＰＬの瞳Ｅｐの中央を通るように投射される。

レーザ光源１からのビームの波長は、ここではレジスト
を感光させにくい長波長域にあるものとする。またウェ
ハＷとの共役面はミラー１６Ｘと対物レンズ１５Ｘとの
間にあり、その共役面で２本のビームは平行光束となっ
て所定の角度で交差する。

２本のビームの交差は、第１図中、紙面と垂直な面内に
定められている。従って２本のビームはウェハＷ上でも
所定の角度で交差し、この交差した照明領域内に回折格
子マークがあると、垂直に干渉ビート光が発生する。

この干渉ビート光は投影レンズＰＬ内を２本の送光ビー
ムの中心に沿って逆進し、ミラー１６Ｘ、対物レンズ１
５Ｘ、１／４波長板１４Ｘ、及びビームスプリッタ１３
Ｘを透過して、受光系ＢＲＵへ入射する。受光系ＢＲＵ
には、ウェハＷ上の回折格子マークからの計測用の干渉
ビート光を受ける光電素子１９Ｘと、ウェハＷからの正
反射光同志の干渉によって得られる参照用の干渉ビート
光を受ける光電素子２４Ｘとが設けられる。ここで光電
素子１９Ｘは本発明の第１受光手段であり、光電素子２
４Ｘは第２受光手段である。光電素子１９Ｘからの信号
（ビート周波数の正弦波）ＤＳＷｘと、光電素子２４Ｘ
からの信号（ビート周波数の正弦波）ＤＲ＋ｘとは主制
御系ＭＣ３内の位相差検出部ＡＬＣに入力し、両信号の
位相差が計測され、その位相差に対応した位置ずれ量の
情報が、ステージコントローラＳＴＣへ送られモータＭ
Ｔ８の制御に使われる。

ヘテロゲイン方式の場合、計測すべき回折格子マークの
位置は、べつの高制度のブリアライメントセンサーを用
いて、格子ピッチＰの±１／４のずれ内に追い込んで停
止させる必要がある。そのためのブリアラメントセンサ
ーはウェハＷ上のブリアラメントマークを検出する方式
、レーザ測長器（ＲＣＶ）を基準としてＸＹステージＷ
ＳＴを送る方式のいずれでもよい。

ところで本実施例では、送光系ＢＴＵ内で参照用干渉ビ
ート光を作り、それを参照信号として取り出すための光
電素子３５．３９も設けられている。そして主制御系Ｍ
Ｃ３内には参照信号のセレクターＳＬＣが設けられ、光
電素子２４Ｘからの参照信号Ｄ　Ｒｌ　１１、光電素子
３５からの参照信号ＤＲ２、及び光電素子３９からの参
照信号Ｄ　Ｒｓのうちいずれか１つを選んで位相差検出
部ＡＬＣに送る。

通常のアライメント動作においては、参照信号Ｄ　Ｒ＋
　ｘが使われ、その他各種の状態をチエツクするときに
、適宜参照信号ＤＲ１、ＤＲｓが使われる。

ここで第３図（Ａ）、（Ｂ）を参照して、２つの送光ビ
ームと回折格子マークからの干渉ビート光との様子を説
明する。

第３図（Ａ）は、投影レンズＰＬのウェハ前側の一部の
レンズ系ＰＧの斜視図であり、前側焦点距離ｆの位置に
瞳Ｅｐがある。２つのビームＬＢ（周波数ｒ＋）とＬＢ
２　（周波数ｒｚ、）は、瞳Ｅｐの中心を挟んだ点対称
な位置でスポットに収れんした後、そのビームの主光線
（破線で図示）が互いに平行となって、レンズ系ＰＧに
入射する。

２つのビームＬＢ、、ＬＢ２はレンズ系ＰＧからともに
平行光束となってウェハ上の格子マークＧＭで交差する
。２つのビームＬＢ、、ＬＢＺの交差した領域には、交
差角２θ、ビームの波長λで決まるピッチの干渉縞がＹ
方向に伸びて形成され、この干渉縞はピッチ方向、すな
わちＸ方向にビート周波数に対応した速度で流れる。第
３図（Ｂ）に示すように、格子マークＧＭのピッチ方向
をＸ方向に合わせ、マークＧＭのピッチをＰ、２つのビ
ームＬＢ、　、ＬＢｚのウェハへの入射角をθとすると
、ｓｉｎθ−（ただしｎ＝１．２．３・・・のいＰずれか１つ）の関係を満すように、入射角θを設定（２
つのビームＬＢ、、ＬＢ２の瞳丁２．ｐ内での中心から
の距離設定）すると、格子マークＧＭからは垂直にレン
ズ系ＰＣに戻る干渉ビート光ＢＴＬが発生ずる。ここで
ｎ−１、すなわち１次回折光同志のビートを取るものと
すると、ビート光ＢＴｌ−は、送光ビームＩ−Ｂ　、の
照射によって格子マクＧＭから発生した１次光と、送光
ビームＬ　Ｂ２の照射によって格子マークＧＭから発生
した１次光とが同軸に合成され、干渉したものとなる。

干渉ビート光Ｂ　Ｔ　Ｌはウェハからレンズ系ＰＣまで
はほぼ平行光束であり、レンズ系ＰＣの後では瞳Ｅｐの
中心でスボソ１−とじて収れんする光束となる。この系
からも明らかなように、送光ビムＬＢ、、ＬＢ２とビー
ト光Ｂ　Ｔ　Ｉ−は、瞳空間内では互いに平行な主光線
を持つ収れん、発散光束になっており、像空間内ではレ
ンズ系の後側焦点位置で交差する主光線をもつ平行光束
になっている。

さて、送光ビームＩ−Ｂ　＋　のウェハＷでの正反射光
ＬＢ、、は、送光ビームＩ−Ｂ　２と全く同じ光路を通
り、全く同しビーム状態で送光ビームＬＢ２と逆向きに
進む。送光ビームＬＢ２のウェハＷでの正反射光ＬＢ２
０も同様に送光ビームＩ−Ｂ　、と逆向きに進む。

尚、送光ビームＬＢ、、ＬＢ２の照明領域ＤＡ内に格子
マークＧＭがあると、ビーム１．、　Ｂ　、の照射によ
って格子マークＧＭから発生した小レベルの２次光ＬＢ
、が、ビームＩ−Ｂ　、の送光方向と逆向きる進み、正
反射光ＬＢｚｏと干渉し合うこともある。同様に、ビー
ムＬ　Ｂ　ｚの照射によって発生した小レベルの２次光
ＬＢｚｚはビームＩ−Ｂ　２　と逆向きに進み、正反射
光ＬＢ＋ｏと干渉し合うこともある。

本実施例では、この２つの正反射光Ｌ　Ｂ　＋。、Ｌ８
２１Ｎを第１図中の受光系ＢＲまで戻し、参照光として
使う。

次に第２図を参照してアライメン１−系の構造を詳細に
説明する。

直線偏光ビームを射出するレーザ光′＃、（例えばＨｅ
−Ｎｅ）Ｉからのビーム（波長６３３ｎｍ）は、１／２
波長板Ｐ　Ｈによって偏光方向を４５°だけ傾け、偏光
ビームスプリッタ２に入射する。偏光ビームスプリッタ
２は、Ｓ偏光のビームＬＢｓとＰ偏光のビームＬＢｐの
２つに分割する。ビームＬＢｐはミラー３Ａで反射され
、周波数シックとしての音響光学変調器（ＡＯＭ）４Ａ
に入射し、ビームＬＢｓはＡＯＭ４Ｂに入射する。ＡＯ
Ｍ４Ａは、例えば周波数ｆ。（数十Ｍ　Ｈｚ　）の高周
波ドライブ信号ＳＦ、で変調され、ＡＯＭ４Ｂは周波数
丁。＋Δｆ　（Δｆ＝ｆ＋　　　ｒ２　）　（７）高周
波ドライブ信号Ｓ　Ｆ　２で変調される。ここで八ｆは
ヒ゛−ト周波数であり、数Ｋ　Ｈｚ〜数十Ｋ　Ｈｚ程度
である。

またＡＯＭ４Ａ、４Ｂは、周波数ｒ。で決まる回折角で
発生した１次回折ビームのみを射出するように、内部に
は０次ビームのスト・ンバーが設けられている。

さて、八〇Ｍ４Ａで変調されたＰ偏光のビームＬＢｐ＋
（周波数ｆ、）はレンズ５Ａを介して振幅分割用のビー
ムスプリンタ６の下面から垂直に入射する。ＡＯＭ４Ｂ
からのＳ偏光のビームＬＢｓｚ２周波数ｆ２）は、ミラ
ー３Ｂ、レンズ５Ａを介して、ビームスプリッタ６の側
面から垂直に入射する。そしてビームスブリック６の上
面からは、２つのビームＬＢＰ、、ＬＢ、□の主光線が
所定の間隔だけ離れて平行になるように射出しミラー、
７Ａ、７Ｂで反射して１／２波長板８に入射する。

】／２波長板８は、２つのビームＬＢｐ＋、ＬＢｓ２の
夫々の偏波面を４５°だけ傾ける。こうすると、次の偏
光ビームスプリッタ９の作用で、ビームＬＢ、、、はＳ
偏光のビームＬＢｓ＋とＰ偏光のビームＬＢｐ１とにベ
クトル的に分解され、ビームＬ１３ｓｚもＳ偏光のビー
ムＬＢＳ２とＰ偏光のビームＬＢＰ２とにベクトル的に
分解される。

偏光ビームスプリンタ９で反射されたビームＬＢｓ＋と
ＬＢＳ２はレンズＩＯＡ、ミラー１０Ｃ１照明視野絞り
（矩形アパーチャ）１１Ｃ、レンズ１ＯＢを介してビー
ムスプリッタ（ハーフミラ−）１２に達する。

レンズＩＯＡとＩＯＢはリレー系であり、２本のビーム
ＬＢｓ’＋　、ＬＢｓｚの主光線は視野絞り１１のとこ
ろで交差するが、レンズＩＯＡとＩＯＢの間は像空間で
あって、絞り１１はウェハＷと共役に配置され、２つの
ビー゛ムＬＢ、、、ＬＢ、２はともに平行光束となって
いる。

ビームスプリッタ１２は２つのビームＬＢＳ、、Ｌ　Ｂ
　Ｓ。の夫々を、Ｘ方向対物系とＹ方向対物系とに振り
分けるものである。ビームスプリッタ１２から先の構成
はＸ方向用もＹ方向も同一なので、Ｘ方向用の系みにつ
いて説明する。

ビームスプリンタ１２を透過した２つのビームＬＢＳＩ
、ＬＢＳ２は、偏光ビームスプリッタ１３Ｘでほぼ１０
０％反射され、１／４波長板１４Ｘで同一方向の円偏光
に変換され、対物レンズ１５Ｘによってミラー１６Ｘの
近傍の空間中で所定角度で交差するビームＬＢ＋　、Ｌ
Ｂ２となって投影レンズＰＬの視野周辺に入射する。２
つのビームＬＢ、、ＬＢ２は、投影レンズＰＬの光軸Ａ
Ｘと対物レンズ１５Ｘの光軸ＡＸｘとを含むＹ−Ｚ平面
に関して対称的な傾きをもって投影レンズＰＩ−に入射
し、うエバＷ上で再び所定の角度で交差する。

以上の構成で、ウェハＷの表面は投影レンズＰＬによっ
て、対物レンズ１５．Ｘの後側焦点面（ミラー１６Ｘの
近傍のビームＬＢ、　、ＬＢ２の交差点）と共役であり
、さらに対物レンズＩ５χ、レンズＩＯＢによって視野
絞り１１とも共役になっている。さらに視野絞り１１は
、レンズＩＯＡとレンズ５Ａ、５Ｂとによって、ＡＯＭ
４．Ａ、４Ｂの回折点ともほぼ共役になっている。一方
、対物レンズ１５Ｘの前側焦点面ＥＰｘは、投影レンズ
ＰＬの瞳Ｅｐと共役であり、さらにレンズ１０Ｂ１１０
’Ａによってミラー７Ａと７Ｂの間の空間中の面Ｅ　Ｔ
）　ｂとも共役である。従ってＡＯＭ４Ａ、４Ｂを射出
したビームＬＢＰ、、ＢＬ、、（ともに平行光束）の夫
々を、レンズ５Ａ、５Ｂによって面ＥＰｂ内でスポット
に集光するように定めれば、ウェハＷ上に達する２つの
ビームＬＢ、、ＬＢ２は自ずと平行光束となる。また面
ＥＰｂ内でのビームＬＢＰ、、ＬＢ、、の各スポラ１−
の間隔等を調整することで、第３図（Ｂ）に示した交差
角２・θを所定の値に設定することができる。

さて、ウェハＷ上には視野絞り１１の開口像が形成され
、この開口像（照明領域）内に、格子マークＣＭが第３
図（Ａ）に示したような関係で位置すると、干渉ビート
光（±１次光）Ｂ”ＴＬが発生し、これは投影レンズＰ
Ｌの瞳Ｅｐの中心を通り、ミラー１６Ｘ、対物レンズ１
’５Ｘ及び１／４波長板Ｘを介して偏光ビームスプリ・
ブタ１３Ｘに達する。干渉ビート光ＢＴＬは投影レンズ
ＰＬがテレセンドリンクであることから、対物レンズ１
５Ｘの光軸ＡＸｘに沿って進み、１／４波長板１４χを
通ることでＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１
３Ｘをほぼ１００％透過し、ビームスプリッタ１７Ｘを
透過した後、ウェハＷからの正反射光ＬＢ、。、ＬＢ２
゜を遮光し、軸上の干渉ビート光ＢＴＬｘのみを透過さ
せる透明スリット板１８Ｘを介して光電素子１９Ｘに受
光される。

透明スリット板１８Ｘは、対物レンズ１５Ｘの前側焦点
面、すなわち瞳Ｅｐと共役な位置に配置されている。

一方、格子マークのＧＭ、もしくはウェハ表面からの正
反射光ＬＢ＋ｏ、ＬＢ２．は、ビームＬＢ。

、ＬＢ、の光路を逆進し、１／４波長板１４ＸでＰ偏光
に変換され、偏光ビームスプリンタ１　’３　Ｘを透過
し、ビームスプリッタ１７Ｘで反射されたものが、遮光
スリット板２０Ｘに達する。遮光スリット板２０’Ｘは
瞳Ｅｐと共役に配置され、軸上を進む干渉ビーム光ＢＴ
Ｌｘを遮光し、正反射光１−　Ｂ　＋ｏ、　”Ｌ　Ｂ　
ｚ。を通す。前側焦点面を遮光スリット板２０Ｘと一致
させたレンズ２１Ｘは、正反射光ＬＢ、。、ＬＢ、。を
平行光束にし、基準格子板２２ｘ上で所定の角度で交差
させる。基準格子板２２ＸにはウェハＷ上の格子マーク
ＧＭと一義的に対応した透過型回折格子力く形成されて
いる。この基準格子板２２Ｘの格子ピッチは、投影レン
ズＰＬの縮小率を１／Ｍ、対物レンズ１５Ｘとレンズ２
１Ｘで決まる像倍率をＫとすると、格子マークＣＭのピ
ッチＰに対してＭ−に倍に設定されている。

正反射光Ｌ　Ｂ　、。、ＬＢ、、ｏはともに同一偏光で
あるため、基準格子板２２　Ｘ−，１−には、ビー１−
周辺数の速度で流れる干渉縞が形成され、レンズ２１Ｘ
の光軸と同軸に進む干渉ヒ〜Ｉ・光と０次透過光とが発
生ずる。この干渉ビート光は透明スリ７＋−板２３Ｘを
介して０次透過光から分離され、光電素子２４Ｘに受光
される。本実施例では基準格子板２２Ｘを通った干渉ビ
ート光が参照光となる。

この構成において、基準格子板２２χはレンズ２１Ｘ、
対物レンズＩ−５Ｘ、及び投影レンズＰＬによって、ウ
ェハＷと共役になっている。

以上は、Ｘ方向用のアライメント系の構成であり、Ｙ方
向用のプライメン１−系についても全く同様に、ミラー
１６Ｙ、対物レンズ１５Ｙ、１／４波長板１．４　Ｙ、
偏光ビームスプリンタ１３Ｙ、ビームスプリンタ１．７
　Ｙ、透明スリント板１８Ｙ、光電素子１９Ｙ、遮光ス
リント板２０Ｙ、レンズ２１Ｙ、基準格子板２２Ｙ、透
明スリット板２３Ｙ５及び光電素子２４Ｙによって構成
される。ただし、対物レンズ１５Ｙの光軸はＡｘｙ、対
物レンズ１５Ｙの前側焦点面（瞳Ｅｐとの共役面）はＥ
Ｐｙ、ウェハＷ上のＹ方向用の格子マークＧＭからのモ
渉ビート光はＪ３　ＴＬ　ｙ、光電素子１９Ｙからの計
測用信号はＤＳＷｙ、そして光電素子２４Ｙからの参照
用信号はＤＲＩｙとする。

さて、第１図中の位相差検出部ＡＬＣは、Ｘ方向とＹ方
向用の夫々に対して独立に位相計測を行なうように、同
一回路を２組用意しておくのがよいが、アライメンＩ・
シーケンス」−３Ｘ方向とＹ方向のマーク検出が時間的
にオーバーラツプすることがない場合は、−組だけでも
よい。

位相差検出部Ａ　Ｌ、　Ｃは、Ｘ方向については信号Ｄ
Ｒ，つを基準として信号Ｄ　Ｓ　Ｗ　ｘの位相差を検出
し、Ｙ方向については信号ＤＲ，ｙを基準として信号Ｄ
ＳＷｙの位相差を検出する。

また、本実施例では送光系ＢＴＵ内でも参照光を取り出
すようにしてあり、そのうち１つは、ビームスブリック
６の側面から射出する２木のビームＬ　Ｂ　ＰＩ、　Ｌ
　Ｂ　３２を利用するものである。

ビームスプリッタ６の側面からのビームＬＢ、、、ＬＢ
、２は偏光ビームスプリッタ３０によって偏光方向によ
って２つに分離される。ここではＰ偏光のビームＬ　Ｂ
　ｒ　＋は、偏光ビームスプリッタ３０を透過し、ミラ
ー３１Ａで反射され、偏光方向を直交に変える偏光素子
３２によってＳ偏光のビーム（周波数ｒ＋）に変換され
、ビームスプリンタ３３の上面に入射する。

一方、Ｓ偏光のビームＬＢ、２は偏光ビームスプリッタ
３０で反射された後、ミラー３１Ｂで反射され、ビーム
スプリッタ３３の側面に入射する。

このビームスプリッタ３３は偏光方向の揃った２つのビ
ーム（周波数ｆ１とｆ２）を同軸に合成して干渉させる
ものである。こうして干渉したビームはレンズ３４を介
して光電素子３５で受光され、ビート周波数の参照信号
ＤＲ２が作られる。レンズ３４は、レンズ５Ａ、５Ｂに
よって収れんされた各ビームを平行光束に直すものであ
るが、各ヒムの開口数（Ｎ、Ａ、）は極めて小さいため
、レンズ３４は省略してもよい。

もう１つの参照光の取り出しは、偏光ビームスブリック
９のところで行なわれる。

偏光ビームスブリック９では、１／２波長板８を通った
２つのビームの各Ｐ偏光成分が透過するので、そのＰ偏
光のビームＬＢ、、、ＬＢＰｚをレンズ３６によって基
準格子板３７上で交差させ、透過した干渉ビート光のみ
を透明スリラミー板３８で抽出して光電素子３９で受光
することによって、ビート周波数の参照信号ＤＲ，を作
る。

次に、本実施例の動作を簡単に述べる。

第１図のステンパーは、ステップアントリビー１一方式
であるため、ウェハＷ上には多数のショット領域が形成
され、各ジョブ）６１域の夫々に付随して、回折格子マ
ークＧＭが形成されている。

そこでレーザ干測長器（ＲＣＶ）による制御のも七でＸ
ＹステージＷＳＴを移動させて、格子マークＧＭのピッ
チＰの±１／４以内に位置決めする。位相差検出部Ａ　
Ｌ　Ｃは参照信号ＤＲ，Ｘ（ＤＩ”１ｙ）と計測信号Ｄ
　Ｓ　Ｗ　ｘ　（Ｄ　Ｓ　Ｗ　ｙ　）との位相差を計測
し、ＸＹステージＷＳＴの停止現在位置と真のアライメ
ント位置との偏差（±Ｐ／４以内）を求める。以上の動
作をウヱハＷ上の全ショット領域、あるいは代表的ない
くつかのショット領域の夫々について行ない、ウェハＷ
上のショット領域の配列座標系と、レーザ干渉測長器で
規定されるＸＹステージＷＳＴの移動座標系との対応付
けを行ないつつ、レチクルＲのパターンをウェハＷ上の
各ショット領域に重ね合わせ露光していく。

以上が基本的なマーク検出動作であるが、従来と同様に
参照信号ＤＲ，、ＤＲ３のいずれかをリファレンスとし
て用いることもできる。これはセレクタＳＬＣの切り換
えだけでよい。

例えばウェハＷ上の格子マークＧＭと同じピンチサイズ
の格子マークを基準マーク板ＦＭ上に形成しておき、こ
の基準格子マークを投影レンズＰＬの直下に位置決めし
、計測信号ＤＳＷ、参照信号ＤＲ＋　、ＤＲ２（又はＤ
Ｒ，）の各信号波形を一定時間の間だけ波形メモリに取
り込む。そして計測信号ＤＳＷと参照信号ＤＲ，との位
相差Δφ、と、計測信号ＤＳＷと参照信号ＤＲ，との位
相差Δφ２とを求める。この２つの位相差は本来−致し
ているはずであるが、空気ゆらぎの影響が異なること、
光学系中の素子構造が異なること、偏波面の保存性が異
なること等によって、わずかに異なった値を示す。

そこでΔφ１−Δφ２の値をオフセット量として記憶し
ておき、実デバイスの格子マーク計測時には参照信号Ｄ
Ｒ，（又はＤＲ，）をリファレンスとして使用し、位相
差検出時に記憶しであるオフセット量を加味して位置ず
れを求めることもできる。

さらに、アライメント光学系の光路（ウェハＷからレー
ザ光源１まで、もしくはウェハＷから各光電素子まで）
の安定性を基準マーク板ＦＭを用いてチエツクすること
もできる。例えば、テストレチクル等を装着した状態で
、露光光を連続、または断続的に照射し、投影レンズＰ
Ｌに露光光（パターン投影光）が通るようにする。そし
て同時に、基準マーク板ＦＭ上のマークのない反射面部
分を２つのビームＬＢ＋　、ＬＢ２の照明領域ＤＡ内に
もってきて、長時間の間、参照信号ＤＲと参照信号ＤＲ
，（又はＤＲ３）との位相差をチエツクし、その位相差
の変化を時間とともにプロットする。このよ′うにする
と、実露光に近い状態でアライメント光路（特にビーム
スプリッタ１３からウェハＷまで）の熱的な安定性がチ
エツクできる。

ところで、２本のビームの送光系ＢＴＵの構成、及び参
照信号を得る系としては、第４図に示すものも同様に使
用できる。

第４図で１”は互いに直交した偏光の２周波数のビーム
Ｌ　Ｂ　Ｐ　Ｓを発振するゼーマンレーザ光源である。

このビームＬＢＰｓはビームスプリッタ５０で分割され
、透過した一部のビームＬＢ、ｓは位相板５１を介して
干渉ビート光に変換され、光電素子３５で受光され、２
周波数の差周波数の参照信号ＤＲ２を得る。

一方、ビームスプリッタ５０で反射したビームＬＢＰ３
はウォラストン・プリズム５２に入射し、偏光方向のち
がいによって異なった方向に分離するビームＬＢｓ＋、
ＬＢＰ２に分けられる。このウォラストン・プリズム５
２はウェハＷと共役に配置され、ウォラストン・プリズ
ム５２での分離角度が、格子マークＧＭ上での２つのビ
ームＬＢ、、ＬＢ２の交差角に対応する。２つのビーム
ＬＢｓ＋、ＬＢＰ２はレンズ５３によって互いに主光線
が平行になるように屈折され、ミラー５５Ａを介して偏
光ビームスプリッタ５４に入射し、Ｓ偏光のビームＬＢ
ＳＩ（周波数ｆ、）はここで反射し、ミラー５５、Ｂを
介してビームスブリック（ハーフミラ−）５７に入射す
る。

偏光ビームスプリッタ５４を透過したＰ偏光のビームＬ
Ｂ’Ｐ２（周波数ｒｚ）はミラー５５．Ｃ１１／２波長
“板５６を介してビームスプリッタ５７に入射する。

１７２波長板５６の作用によって、ビームＬ’Ｂ２□は
Ｓ偏光のビーＬ’ＢＳ２に変換され、さらにビームスプ
リッタは５７での偏心合成Ｇこよって、２つのビームＬ
Ｂｓ＋、ｌ−８３２は互いに平行な主光線の状態でレン
ズ１０Ａ（第２図）に入射する。またビームスプリッタ
５７の他の面からは互いに平行に合成されたビームＬＢ
、、、ＬＢ、２が射出するので、これを第２図中のレン
ズ３Ｇ、基準格子３７、透明スリット板３８、光電素子
３９から成る参照受光系に導く。

この実施例によれば、ΔＯＭ等を用いずに２つの周波数
のビームを作れるため、送光系のＢ　Ｔ　Ｕの構成が簡
単になる。といった利点がある。またゼーマンレーザ光
源１゛による２周波数の差は比較的大きく（Ｍ［ＩＺ程
度）取れるため、位相差計測の精度を高めることもでき
る。

また、この第４図ではウォラス）・ン・プリズム５２に
よって２つのビームＬＢ、、ｌ、Ｂ２の交差角が一義的
に決まってしまうので、第２図の場合にくらべて言周整
（２つのビーム１．、Ｂ、、ＬＢ２の交差角やテレセン
性の調整）の自由度は低い。さらにウォラス１−ン・プ
リズム５２の代わりに透過型の格子板を用い、０次透過
光を遮へいして±１次光のみを２つのビームとして使っ
てもよい。この場合も、２つのビームの交差角は格子板
のピッチで一義的に決まってしまうので、調整の自由度
は低い。

次に本発明の他のマーク検出について、第５図を参照し
て説明する。ここでは第２図、第４図のいずれの構成で
もよいが、第２図中に示した正反射光を利用した参照光
受光系中の基準格子２２Ｘ、２２Ｙを第５図（Ｂ）のよ
うな構造にしておく。

すなわち基準格子２２”のように、格子部分をピッチ（
計測）方向と直交する方向で２つに分けた半分のみに設
けておき、残りの半分は遮光部にしておく。そしてウェ
ハ部上の格子マークＧＭを検出する際は、第５図で（Ａ
）に示すように、視野絞り１１のウェハ部上での像１１
”が格子マークＣＭと、その周囲の反射部とを半々に含
むように格子ピッチ方向と直交する方向に少しずらして
お（。このようにすると、基準格子板２２′はウェハＷ
と共役になっているので、ウェハＷからの正反射光Ｌ　
Ｂ　＋　ｎ、ＬＢ２ｏのうち、格子マークＣＭからの光
は全て基準格子板２２゛の遮光部でカットされ、ウェハ
部上のマークＣＡＭの周囲の反射面からの正反射光Ｌ　
Ｂ　＋　ｏ、　Ｉ−Ｂ　２０のみが基準格子板２２゛の
格子部で交差する。そして基準格子板２２”の格子部上
には、正反射光１．、　Ｂ　、。、ＬＢ２．の干渉によ
る干渉縞が一方向に流れる。この干渉縞のピッチは基準
格子板２２”の格子ビ・ンチの丁度半分である。

この構成によれば、第３図（Ｂ）で説明したように正反
射光ＬＢ＋ｏ、ＬＢｚｏの夫々に、マークＧＭからの２
次回折光Ｌ　Ｂ　２□、ＬＢ、□が混入して干渉するこ
とがないため、より高精度（ピュアー）な参照信号を得
ることができる。

次に本発明の第２の実施例を第６図を参照して説明する
。第６図は、投影レンズＰＬの外側に固定されるオフ・
アクシス・ウェハフライメンｌ−系又は、プロキシミテ
ィ方式のマスク・ウェハアライメント系に好適な例であ
り、基本構成は先の実施例のものと同一である。ただし
本実施例では、２方向から基盤上の格子マークを照射す
るビーム同志が相補的な偏光状態（例えば直交直線偏光
、あるいは互いに逆回りの円偏光）である点、及び光電
信号の作り方に差異がある。

第６回において、視野絞り１１を通った２つの平行なビ
ームＬＢ３．．ＬＢ、２ば互いに直交する直線偏光で周
波数差へｆをもっている。ビームＬＢＳ１％　Ｉ、ＢＦ
２はレンズ６０によって主光線が平行に変換されるとと
もに、対物レンズＯＢＪの瞳ＥＰ”内にスポット集光す
る。これらビームＬＢｓＩ、ＬＢ＋ｚは、さらにビーム
スプリンタ６１を通り、対物レンズＯＢＪに入射し、所
定の角度で交差する平行な２本のビームＬＢ、、ＬＢ２
　となって、ウェハ部上の格子マークＧＭを照射する。

視野絞り１１と格子マークＣＭとは共役になっており、
マーク検出には第５図（Ａ）のような位置関係にするこ
とが望ましい。さて、ビームＬ　Ｂ　＋　の照射により
格子マークＧＭから垂直に発生した１次回折光と、ビー
ムＬＢ２の照射により格子マークＧＭから垂直に発生し
た１次回折光とは、互いに偏光方向が異なるために、干
渉することなく、対物レンズＯＢＪ、ビームスプリッタ
６１を介して中央に透明スリットをもつ反射ミラー６２
に達する。

これら１次回折光ＢＴＬは、光軸に対して４５゜斜設さ
れた、反射ミラー６２の中央を通過し、レンズ６３で平
行光束に変換された後、偏波面を４５°だけ回転させる
１／２波長板６４を介して偏光ビームスプリンタ６５に
達する。偏光ビームスプリッタ６５では、１／２波長板
６４を通ったＳ偏光（ｆｌ）とＰ偏光（ｆ２）とをベク
トル的に分解して、同一偏光成分同志の干渉ビート光を
作り出す。光電素子６６’ＡはＰ偏光（ｆ２）から作ら
れたＳ偏光成分（ｆ２）と、元々のＳ偏光（ｆ）との干
渉ビート光を受光する。光電素子６６Ｂは、Ｓ偏光（ｆ
、）から作られたＰ偏光成分（ｆ、）と、元々のＰ偏光
（ｆ２）との干渉ビート光を受光する。

この１／２波長板６４と偏光ビームスプリ・ツタ６５の
使い方は第２図中の１／２波長板８、偏光ビームスプリ
ッタ９の使い方と同じである。

さて、光電素子６６Ａと６６Ｂの角光電信号は、差動ア
ンプ６７で増幅され、計測信号ＤＳＷとなる。このよう
にすると、光電素子６６Ａからの信号（周波数Δｆの交
流）と、光電素子６６Ｂからの信号（周波数Δｆの交流
）とは丁度逆相になっており、それを差動アンプ６７で
演算すると、信号振幅は２倍に、同相ノイズはキャンセ
ルされるといった大きな利点がある。

一方つエバＷからのＰ偏光の正反射光ＬＢ２ＱとＳ偏光
の正反射光ＬＢ、。とは、系の瞳面近傍に配置された反
射ミラー６２で反射され、レンズ６日で平行光束に変換
されるとともに、所定の角度で基準格子２２′　（第５
図（Ｂ）のものと同一）上で交差する。ここでも基準格
子２２”はウェハＷと共役である。基準格子２２″から
光軸上に進む１次回折光同志は、互いに干渉することは
ないが、１／２波長板６９、偏光ビームスプリッタ７０
によって、互いに干渉し合うビート光となり、Ｓ偏光の
ビート光は光電素子７１Ａで受光され、Ｐ偏光のビート
光は光電素子７１Ｂで受光される。ここでも光電素子７
１Ａ、７１Ｂの各出力信号は逆相であり、これを差動ア
ンプ７２で増幅することによって参照信号ＤＲ，を作り
出す。

以上本実施例では、格子マーク０Ｍ上に干渉縞を作るこ
となく、同様の位置ずれ検出ができる。

さらに差動アンプ６７．７２を用いて、ブ・ンシュ・プ
ル方式で信号増幅ができるため、Ｓ／Ｎ比が極めて高い
といった利点がある。従って、位相差検出部ＡＬＣでの
位相差計測も高精度化が期待できる。このように、格子
マークＧＭを照明する２つのビームＬＢ、、ＬＢ２を相
補的な偏光にする手法は、先の第１の実施例にも同様に
適用できる。

その他、本発明はレチクル（マスク）の格子マークとウ
ェハの格子マークとを用いて、直接レチクルとウェハと
をアライメントする位置合わせ系にも全く同様に適用で
きる。

この場合、第７図に示すように２焦点素子をもつ対物レ
ンズＯＢＪによって、レチクルＲ上の窓Ｒ３と投影レン
ズＰＬとを介してウェハＷ上の格子マークＧＭに２本の
ビームＬＢ、　、ＬＢ、を照射するようにし、レチクル
Ｒの上には露光光と２本のビームＬＢ、　、ＬＢ、との
波長を分離するグイクロイックミラーＤＭＲを設ける構
成にするとよい。

レチクルＲ上の回路パターン領域の周辺は、定幅の遮光
帯で囲まれており、その中に窓（透明部）Ｒ３を形成し
、さらに窓Ｒ３の半分の部分に一次元の格子マークＲＭ
を形成する。一方、ウェハＷ上の各ショット領域ＳＡの
周囲のストリートライン（幅５０〜１００μｍ程度）中
の対応する位置には、格子マーク、ＧＭが形成されてい
る。

そして２本のビームＬＢ、１ＬＢ２の送光系ＢＴ（ノ内
の視野絞り１］の開口像は、レチクルＲの窓ＲＳよりも
わずかに小さくなるように定められ、ウェハＷ上ではス
１へり−Ｉ・う・ｆン」二に開口像１１゛とじて形成さ
れる。このようにレチクルＲのマークＲＭとウェハＷの
マークＣＭとを同時に検出するＴ　Ｔ　Ｒ方式では、第
２図のアライメント系をそのまま使うにしても、系の瞳
面、瞳共役面では各マークから垂直に反則する干渉ビー
ト光が互いに重畳していて、分離することば難しい。そ
こで特開昭６３−２８３１２９号公報に開示されている
ように、対物レンス０１３　Ｊと一体に設けられた２焦
点素子（水晶レンズ）によって、レチクルＲの窓Ｒ３へ
の２つのビー１、ＬＢ、、ＬＢ２の夫々を、ともに相補
的な偏光成分にしておく。さらに受光系ＢＲＵ内にはマ
ークＲＭと共役なアパーチャとマークＧＭと共役なアパ
ーチャとを設け、マークＲＭからの干渉ビート光とマー
クＧＭからの干渉ビート光とを結像状態で分制した後に
別々に光電検出する。

一方、マークＲＭからの正反射光、又はマークＧＭから
の正反射光を用いた参照信号の作成にあたっては、第２
図と同様の構成でよいが、マークＲＭのみと共役なアパ
ーチャとマークＧＭのみと共役なアパーチャとを設けて
結像状態で分離した後に、正反射光ＬＢ、、、ＬＢ２．
を取り出して基準格子板２２（又は２２″）に照射する
。

このような′Ｉ″ＴＲ方式では、基本的には、レチクル
ＲのマークＲＭからの干渉ビーム光の光電信号とウェハ
ＷのマークＧＭからの干渉ビー１−光の光電信号との位
相差を計測すればよい訳であるが、レチクルからウェハ
までの光路中の空気ゆらぎの影響を低減することを考え
ると、ウェハＷがらの正反射光ＬＢｘｏ、ＬＢｚｏで参
照信号を作り、この参照信号を基準にマークＲＭと−７
−りＧＭの各位置ずれを検出する方がよいこともある。

以上本発明の各実施例では、参照信号の作り方として、
２つの送光ビームＬＢ、、ＬＢ２の送光系ＢＴＵ内で基
準格子板３７を用いる場合と、２木のビーム同志を同軸
に合成して直接ビートを取る場合との２つを掲げた。２
つのビームを同軸に合成して直接ビートを取る方法（第
２図又は第４図中の光電素子３５）では、何らかの要因
でレザ光源１からの射出ビームの位置がドリフＩ−した
場合、あるいはＡＯＭ、ＩＩＡ、４Ｂの温度特性によっ
て周波数変調されたビームの射出角が微小ドリフトシた
場合のいずれであっても、得られる参照信号ＤＲ，の位
相成分は変化しないが、光電素子１９からの計測信号Ｄ
ＳＷの位相成分は変化する。

従って、上記射出ビームのドリフＩ・によってマク位置
検出に誤差が生じることになる。

これに対して、基準格子板３７を用いた場合、参照信号
ＤＲ３ばビームのドリフトによって位相成分が変化すた
め、計測信号Ｄ　Ｓ　Ｗの位相成分の変化との相殺効果
が得られる。このため、ビームドリフトによる検出誤差
の発生は、はとんど無視できる。

従って、ウェハＷからの正反射光ＬＢ、、、ＬＢ２ｏに
ついても、直接同軸に合成して干渉させるのではなく、
基準格子板２２又は、２２゛を用いて干渉ビート光を作
り、この干渉ビート光を参照信号とした方がよい。

また２つのビームに周波数差を与える他の手法としては
、放射方向に格子を切ったラジアルダレイティングを高
速に回転させ、そこで回折された＋１次光と−１次光と
を２つのビームとして利用してもよい。

さて、第８図は本発明の他の実施例による位置ずれ検出
装置の構成を示す斜視図である。

この第８図の系では、系の構造上の垂直中心線βＣに対
して左右（Ｘ方向）に対称配置になっている。

中心線（ｌｃに対してＸ方向Ｇこ対称的に離れた２本の
ビームＬＢ、、ＬＢ２　（周波数へｆを有する）は、そ
れぞれミラーＭ、　、Ｍ２によってＸ方向に反則され、
ビームＬ　Ｂ　、はビームスプリッタＢＳａでＹ方向に
反射された後、ミラーＭ３、Ｍ４を介して、物体上の格
子ＧＭをＸ方向の斜め上方から照射する。一方、ミラー
Ｍ２からのビームＬＢ２はビームスプリ・ツタＢ’Ｓｂ
でＹ方向に反射された後、ミラーＭ５、Ｍ、、を介して
格子ＧＭをＸ方向の斜め」二方からビームＬ　Ｂ　＋　
と対称的に照射する。格子ＧＭのピッチ方向はＸ方向で
あり、ここでは格子ＣＭからの±３次光の干渉ビート光
Ｂ　Ｔ　Ｌを光電素子１９で受光して計測信号ＤＳＷを
得る。物体（格子ＧＭ）からの正反射光ＬＢｌ。

は、ビームＬＢ２と逆の光路、ずなわちミラーＭ６、Ｍ
３、ビームスプリッタＢＳｂを通り、さらにミラーＭ、
で反射されて基準格子板２２を斜めに照射する。同様に
物体からの正反射光ＬＢｚｏは、ミラーＭ４、Ｍ、ビー
ムスプリッタＢＳａを通り、さらにミラーＭＩｌで反射
されて基準格子板２２を、正反射光Ｔ−Ｂ　＋　ｏと逆
方向から照射する。正反射光ＬＢｌＯ，ＬＢ２゜と基準
格子板２２によって作られる±３次光の干渉ビート光は
光電素子２４によって受光され、参照信号ＤＲ，が得ら
れる。

本実施例では、ビームスプリッタＢＳａ、ＢＳｂ、ミラ
ーＭ３〜Ｍ６が本発明の投射光学系に相当し、ミラーＭ
、、Ｍ２に入射する２本のビームＬＢ、　、ＬＢ２は適
当な径を有する平行光束となっている。また、第８図に
示した系は、１つのボックス内に一体に固定配置され、
空気ゆらぎの影響を受けにくいようにしである。この構
造によれば、レンズ系を使わずにコンパクトなものが得
られるため、光学式リニアエンコーダ、ロータリーエン
コーダ等の読み取りヘッド等としても利用できる。

この実施例においても、２木の送光ビームＬＢ、ｌ−Ｂ
２は同一偏光状態、又は相補的偏光状態のいずれでもよ
く、相補的偏光の場合は第６図のように光電素子１９．
２４の前に位相板（４５゜方向）を設けて、ここで干渉
ビート光に変換すればよい。さらに、ビームスプリッタ
ＢＳａ、ＢＳｂの夫々とミラーＭ、、　、Ｍ、の間に、
１／４波長板を設け、ビームスブリックＢＳａ、ＢＳｂ
を偏光ビームスプリッタとして、ミラーＭ、　、Ｍ２に
入射するビームＬＢ、　、ＬＢ２を直線偏光（例えばＳ
偏光）にすれば、正反射光Ｌ　Ｂ　ｌＯ＋　ｉ−Ｂ　ｚ
ｏの偏光方向は、スプリッタＢＳａ、、ＢＳｂのところ
で元のビームＬＢ、、ＬＢ２と直交した偏光に変換され
るため、ビームの利用効率の向上、レーザ光源等へのハ
ックトークの防止等の効果がある。

尚、２つの送光ビームＬＢ１、Ｉ−Ｂｚは、半導体レー
ザと光ＩＣ化されたＡＯＭとを組み合わせて、モジモル
化した照射手段を第８図の系と一体にして供給するよう
にすれば、全体の構成は極めてコンパクトになる。

一般に半導体レーザの波長は、赤外から赤色に分布し、
仮に９００ｎｍ程度とすると、ｎ　λ ｓｉｎθ−より、ｎ＝３、λ−０，９ｐ　ｍ、として、
ビームＬＢ、、ＬＢ２の格子ＣＡＭへの入射角θは、約
２６．７４°となる。さらにｎ＝３、すなわち３次光の
干渉ビート光を使うため、計測感度（分解能）は±１次
光の干渉ビー１−光を使う場合の３倍に向上する。

つまり、格子ピンチ６μｍの±１／４（±１．５μｍ）
が位相差の±１８０″に対応したものが、さらにその１
／３の範囲（±０．５μｍ）が位相差の±１８０°に対
応することになる。従って位相差計測分解能がピであれ
ば、±０．００８３μｍの感度が得られる。

ところで、露光工程においてウェハ上の格子ＧＭを検出
する場合は、通常レジスト層（１〜２μｍ厚）を介して
格子ＧＭを検出することになる。

この際、２本のビームＬＢ、、ＬＢ２は可干渉性の強い
単色のレーザ光であり、レジスト層表面からの反射光と
、ウェハ表面からの反射光との干渉や、回折光の位相変
化等の影響が現れやすい。そこで第９図（Ａ）に示すよ
うに発振波長が６００ｎｍ程度のレーザ光源ＬＤと、８
００ｎｍ程度のレーザ光源ＬＤ’　とを用意し、それぞ
れからのビームＬＢ、、ＬＢ’を２光束化周波数シフタ
ーＤＢＵ。

ＤＢＵ’　に入射する。

シフターＤＢＵは周波数差Δｆの２本のビームＬＢ、　
、ＬＢ、を作り出し、これをグイクロイックミラーＤ　
Ｍ　＋　に向けて射出する。シフターＤＢＵ゛は周波数
差へｆの２本のビームＬＢ、　　、ＬＢ２′を作り出し
、これをグイクロインクミラーＤＭ、に向けて射出し、
ビームＬＢＩ　、ＬＢｚと合成する。

さらにウェハＷ上のマークとしては、第９図（Ｂ）に示
すようにピンチが異なる２つの格子マクＧＭａ、ＧＭｂ
を−組みとして形成しておく。

このようにすると、計測用の干渉ビート光の受光を同一
の光電素子１９で行なえるとともに、格子マークＧＭａ
、ＧＭｂに対する２本のビーム＋−Ｂ、ＬＢ２の入射角
と、ビーム１．Ｂ、“、ＬＢｚの入射角とを同じにする
ことができる。

ここで、その入射角θを共通ずるとして、格子マークＧ
　Ｍ　ａのピ・ノチをＰａ、格子マークＧＭｂのピンチ
をｐｂ、ビームＬＢの波長をλｌ　（６００ｎｍ）、そ
してビームＬＢ”の波長をλ２　（８００ｒ＋ｍ）とし
、格子マークＧＭａについては波長λ（λ１〈λ２）を
用いて１次（ｎ＝１．）の回折光の干渉ビート光を検出
し、格子マークＧＭｂについては波長λ１を用いて３次
（ｎ＝３）の回折光の干渉ビート光を検出するものとす
ると、以下の関係が成り立つ。

Ｐｂ　　　　　　Ｐａ従って、−例としてλ、＝６００ｎｍ、λ２２−８００
ｎとすると、Ｐａ：Ｐｂ＝４：９となり、ピッチＰａ＝
４μｍ、ピッチＰｂ＝９μｍとすることができる。

この場合、ビームＬＢ、、ＬＢ、’　　（ＬＢ２、Ｉ、
Ｂ２“）の入射角は、約１１．５４°となる。ピッチＰ
ａ＝２μｍＰｂ４．５μｍとすると、入射角は約２３．
５８°となる。

このようにすると、格子マークＧＭａ、、ＣＭｂ。

のピッチが異なること、波長λ１、λ２が太き（異なる
こと等の理由で、レジスト層の影響が異なり、より影響
の少ない方の干渉ビート光を計測信号として使ったり、
両方の計測信号を使ったりすることで、高精度の検出が
できる。なお、２本のビームＬＢ、、ＬＢ、の照射と、
ビームＬＢＬＢ２°の照射とは時系列的に切りかえても
よいし、光電素子１９を２つ用意し、干渉ビート光をグ
イクロイックミラーで波長分離して同時に照射するよう
にしてもよい。もちろん、正反射光ＬＢ。、ＬＢ２．に
ついても２つの波長λ１、λ２の夫々は同一送光路を戻
ってくるので、基準格子板２２には第９図（Ｂ）のよう
な２種の回折格子を設け、別々に参照信号を取り出すの
がよい。

さらに第９図（Ａ）、（Ｂ）の場合、Ｐａ＝４ｇｍＰｂ
＝９１ｔｍ、＃すると、ビームＬＢ、　　　、ＬＢ２″
　（λ２）によるマークＧＭａの検出分解能は±１　μ
ｍ　（Ｐ　ａ／　４　）につき±１８０°であり、ビー
ムＬＢ１、ＬＢ２　（λ１）によるマークＧＭｂの検出
分解能は±３／４μｍ　（１／３ＸＰｂ／４）につき±
１８０°である。

〔発明の効果〕

以」二、本発明によれば、２方向から計測用の回折格子
にビームを照射する位置検出系において、計測用回折格
子、又はその周辺の面で反射した送光ビームの正反射光
を利用して参照信号を取り出すようにしたため、送光ビ
ームの光路と正反射光の光路との多（を共通にすること
ができ、空気ゆらぎ等の影響による計測誤差を低減でき
るといった効果が得られる。

また２木の送光ビームを作るためのレーザ光源等からの
ビームの射出位置がゆらいだとしても、その影響が計測
信号と参照信号の両方に同様に現われるために相殺させ
ることができるといった利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による位置合わせ装置を
投影型露光装置に適用した構成を示す図、第２図は第１
図の構成のうちのアライメント系の要部の構成を示す斜
視図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の詳細な説明する図、第
４図は送光系の変形例を示す斜視図、第５は回折格子マ
ークの検出時の様子と基準格子との関係を示す図、第６図は第２の実施例による位置検出装置の構成を示す
図、第７図は第３の実施例による投影露光装置の構成を示す
斜視図、第８図は第４の実施例による位置検出装置の構成を示す
斜視図、第９図（Ａ）は第５の実施例による位置検出装置におけ
るビーム送光系の構成を示す斜視図、第９１ｋ　（Ｂ）
は第５の実施例に好適な７−り形状を示す斜視図である
。〔主要部分の符号の説明Ｊ ■、ｉ　、Ｌ、ＤＸＬＤ’　・・・レーザ光源、４Δ、
４Ｂ・・・音響光学変調素子、１１・・・照明視野絞り、１３・・・偏光ビームスプリッタ、ＯＢ　Ｊ、１５・・・対物しメンズ、１つ・・・計測用光電素子、２２・・・基準格子板、２４・・・参照用光電素子、ＬＢ、、ＬＢ、送光ビーム、Ｌ　Ｂ　、ｏ、　Ｌ　Ｂ　２ｏ・・・正反射光、ＤＳＷ
−計測信号、ＤＰＩ　、、ＤＲ２、ＤＲ３・・・参照信
号、Ｒ・・・レチクル、Ｗ・・・ウェハ、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に形成された回折格子に投射光学系を介し
て可干渉性の２つのビームを所定の交差角で照射する照
射手段と；前記回折格子から同一方向に発生した回折光同志の干渉
光を光電検出する第１受光手段と；前記２つのビームの
前記基板での各正反射光を前記投射光学系を介して取り
出した後に互いに干渉させ、該干渉光を光電検出する第
２受光手段と；前記第１受光手段と第２受光手段の夫々からの信号を比
較して前記基板の所定の基準点に対する変位に対応した
検出信号を出力する変位検出手段と；該検出信号に基づいて前記基板と対象との相対位置を変
化させる移動手段とを備えたことを特徴とする位置合わ
せ装置。
（２）前記第２受光手段は、前記２つの正反射光を所定
の角度で交差させる光学素子と、該２つの正反射光の交
差位置に配置された基準回折格子と、該基準回折格子か
ら同一方向に発生した回折光同志の干渉光を受光する第
２受光素子とを含むことを特徴とする請求項第１項記載
の装置。
（３）前記照射手段は、前記２つのビームに所定の周波
数差を与えるために、２周波数レーザ光源を有すること
を特徴とるす請求項第１項に記載の装置。