JPH06224104A

JPH06224104A - アライメント装置

Info

Publication number: JPH06224104A
Application number: JP5012188A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Okamoto; 洋基岡本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-01-28
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 1994-08-12
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JP3275273B2

Abstract

(57)【要約】【目的】位置合わせ方向に周期的に配列された凹部よ
りなるアライメントマークに位置検出用の光を照射し
て、そのアライメントマークから発生する光を用いて位
置検出を行うアライメント装置において、その凹部の底
部の非対称性の影響を小さくする。【構成】金属膜２上に計測方向であるＸ方向にピッチ
Ｐでそれぞれ幅ｄの凹部２ａを配列することにより、ウ
エハマークＷＭを形成する。凹部２ａの幅ｄを位置検出
用の光の波長程度に設定すると共に、そのウエハマーク
ＷＭに照射される位置検出用の光の偏光状態を、凹部２
ａの周期方向であるＸ方向に垂直なＹ方向に偏光した直
線偏光にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子、液
晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等を製造する際に使用さ
れる投影露光装置のアライメント系に適用して好適なア
ライメント装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気
ヘッド等をフォトリソグラフィ技術を用いて製造する際
に、フォトマスク又はレチクル（以下、「レチクル」と
総称する）のパターンの像を投影光学系を介して感光基
板上に転写する投影露光装置が使用されている。一般に
半導体素子等は多数層のパターンから形成されているた
め、それを製造する際には感光基板上に種々のレチクル
のパターンを所定の順序で転写する必要がある。このよ
うに、既に各ショット領域にパターンが転写された感光
基板に対して別のレクチルの回路パターンを転写する際
には、その感光基板の各ショット領域と今回露光するレ
クチルのパターンとのアライメントを正確に行う必要が
ある。

【０００３】そのようなアライメントを正確に行う方法
として、例えば特開平２−２２７６０３号公報及び特開
平２−２７２３０５号公報に開示されたように、２本の
レーザービームを用いる２光束干渉方式が知られてい
る。図８に示すように、その２光束干渉方式では、感光
基板としてのウエハ１上の各ショット領域の近傍に、ア
ライメントマークとしての位相型の回折格子よりなるウ
エハマークＷＭが形成されている。位置の計測方向をＸ
方向とすると、ウエハマークＷＭはＸ方向にピッチＰで
形成されている。このウエハマークＷＭに投影光学系を
介して２本のレーザービームＬＢ１及びＬＢ２が対称に
照射される。この場合、レーザービームＬＢ１によるウ
エハマークＷＭからの＋１次回折光ＬＢ１１とレーザー
ビームＬＢ２によるウエハマークＷＭからの−１次回折
光ＬＢ２１とが互いに平行で、且つウエハ１から垂直上
方に反射されるように、ピッチＰ及びそれらレーザービ
ームＬＢ１，ＬＢ２の入射角が設定されている。

【０００４】それら回折光ＬＢ１１及びＬＢ２１を投影
光学系を介してアライメント光学系で干渉させ、干渉光
を光電変換することにより、ウエハマークＷＭの位置に
応じた信号が得られる。そして、レーザービームＬＢ１
とＬＢ２との周波数を異ならしめるヘテロダイン方式の
場合には、その干渉による信号は所定のビート周波数の
信号となり、この信号の位相と基準信号の位相とを比較
することによりＸ方向のウエハ１の位置を正確に検出す
ることができる。同様にＸ方向に直交するＹ方向にもウ
エハマークが形成され、このウエハマークによりＹ方向
の位置が検出される。また、レクチル側にもアライメン
トマークとしての振幅型の回折格子等よりなるレクチル
マークが形成され、このレクチルマークによりレクチル
の位置検出が行われる。そして、ウエハマークとレクチ
ルマークとを直接的に又は間接的に所定の位置関係に設
定することにより、アライメントが行われる。

【０００５】次に、ウエハマークＷＭの形成工程の従来
例につき説明する。図９はウエハマークＷＭの詳細な構
成を示し、この図９に示すように、ウエハマークＷＭの
形成時には、先ずウエハ１の表面上にＸ方向にピッチＰ
で凹部１ａが形成される。その後、その凹部１ａを含む
ウエハ１の表面にアルミニウム等の金属膜２をスパッタ
リング又は蒸着等により堆積することにより、凹部１ａ
に対応してそれぞれＸ方向にピッチＰで幅ｄの凹部２ａ
が形成される。図９ではその凹部２ａの幅ｄは狭く表現
されているが、従来のウエハマークではその凹部２ａの
幅ｄはピッチＰの１／２程度である。このようにＸ方向
にピッチＰで配列された凹部２ａよりウエハマークＷＭ
が形成されている。但し、隣り合う２個の凹部２ａの中
間は凸部とも言えるので、ウエハマークＷＭは、Ｘ方向
にピッチＰで配列された凸部より形成されているとも言
え、更に、ウエハマークＷＭは、凸部と凹部とを計測方
向に周期的に配列して形成されているとも言える。

【０００６】また、従来はウエハマークＷＭ上に照射さ
れるレーザービームＬＢ１及びＬＢ２の偏光状態は、共
に円偏光の状態に設定されていた。図１０は、ウエハマ
ークＷＭへのレーザービームとウエハマークＷＭからの
レーザービームとを分離するための従来の光学系（アイ
ソレータ）を示し、この図１０において、図示省略され
た合成プリズムから射出された２本のレーザービームＬ
Ｂ１，ＬＢ２が偏光ビームスプリッター５１に入射す
る。偏光ビームスプリッター５１に入射するレーザービ
ームＬＢ１，ＬＢ２の偏光状態は、図１０の紙面に平行
な方向の直線偏光、即ち偏光ビームスプリッター５１の
接合面に対してＰ偏光の直線偏光である。従って、レー
ザービームＬＢ１，ＬＢ２はそのまま偏光ビームスプリ
ッター５１の接合面を通過する。

【０００７】偏光ビームスプリッター５１を通過したＰ
偏光のレーザビームＬＢ１，ＬＢ２は、１／４波長板５
２を通過して円偏光となり、ミラー５３で反射された
後、例えば投影光学系を介してウエハマークＷＭ上に照
射される。この際に、ウエハマークＷＭから垂直上方に
回折される回折光（図８の回折光ＬＢ１１，ＬＢ２１）
は、逆回りの円偏光であり、この逆回りの円偏光の回折
光は投影光学系及びミラー５３を経て１／４波長板５２
に入射する。従って、このように戻された回折光は１／
４波長板５２を通過することによりＳ偏光に変換され、
このＳ偏光の回折光は偏光ビームスプリッタ５１の接合
面で全部反射されて受光素子５４に入射していた。この
従来例では、偏光ビームスプリッター５１と１／４波長
板５２とを組み合わせることにより、光量損失が最小に
抑えられていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、図９に示すように、ウエハマークの各凹部
２ａの底部は計測方向（Ｘ方向）に対して一般に平行で
はなく、計測方向に対して非対称に形成されている。そ
のため、ウエハマークの凹部２ａの底部から反射されて
来る光には所定の方向性があり、その反射光を検出して
ウエハマークの位置検出を行うと、ウエハマークの実際
の位置と計測された位置との間に誤差が生じるという不
都合があった。

【０００９】このような位置検出結果の誤差を解消する
ため、本出願人は特開平４−２８４３７０号でウエハマ
ークが金属膜であるとして、それら凹部２ａの計測方向
の幅をレーザービームの波長の３倍程度以下、特に波長
程度より小さくすることを提案した。ところで、従来例
ではウエハマークに照射されるレーザビームＬＢ１，Ｌ
Ｂ２が円偏光状態であり、ウエハマークの計測方向に対
するレーザービームＬＢ１，ＬＢ２の電気ベクトル（電
場ベクトル）には、計測方向に平行な方向の偏光成分及
び計測方向に垂直な方向の偏光成分が含まれている。こ
の場合、ウエハマークの計測方向、即ち凹部２ａの周期
方向（Ｘ方向）に垂直な方向の偏光成分は凹部２ａの底
部に達するまでに吸収及び減衰があるが、凹部２ａの周
期方向に平行な偏光成分は減衰が無く、凹部２ａの底部
まで達して反射される。従って、レーザービームＬＢ
１，ＬＢ２が円偏光の状態でウエハマークに照射される
と、仮に凹部２ａの計測方向の幅をレーザービームの波
長程度に設定しても、凹部２ａの非対称性による計測誤
差が生じ得るという不都合があった。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、位置合わせ方向
に周期的に配列された凹部よりなるアライメントマーク
に位置検出用の光を照射して、そのアライメントマーク
から発生する光を用いて位置検出を行うアライメント装
置において、その凹部の底部の非対称性の影響を小さく
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によるアライメン
ト装置は、例えば図１及び図２に示す如く、被検物
（１）上に位置合わせ方向に周期的に配列された凹部
（２ａ）よりなるアライメントマーク（ＷＭ）と、アラ
イメントマーク（ＷＭ）に位置検出用の光を照射する照
射光学系（１２）と、その位置検出用の光の照射により
アライメントマーク（ＷＭ）から発生する光を受光する
受光光学系（１２）とを有し、アライメントマーク（Ｗ
Ｍ）から発生する光を用いて被検物（１）の位置を検出
するアライメント装置において、その位置検出用の光の
アライメントマーク（ＷＭ）上での偏光状態を、アライ
メントマーク（ＷＭ）の周期方向によって定まる方向の
直線偏光にしたものである。

【００１２】この場合、アライメントマーク（ＷＭ）が
金属より形成されているときに、その位置検出用の光の
アライメントマーク（ＷＭ）上での電気ベクトル（電場
ベクトル）の方向を、アライメントマーク（ＷＭ）の周
期方向に垂直にすることが望ましい。但し、そのアライ
メントマーク（ＷＭ）が金属より形成されているとき
に、その位置検出用の光のアライメントマーク（ＷＭ）
上での電気ベクトルの方向を、アライメントマーク（Ｗ
Ｍ）の周期方向にしても良い場合がある。また、そのア
ライメントマーク（ＷＭ）の凹部（２ａ）の周期方向の
幅をその位置検出用の光の波長の３倍程度以下にするこ
とが望ましい。また、その位置検出用の光のアライメン
トマーク（ＷＭ）上での直線偏光の方向を、アライメン
トマーク（ＷＭ）の周期方向によって定まる方向に設定
するための偏光状態可変手段を設けることが望ましい。

【００１３】

【作用】斯かる本発明によれば、アライメントマーク
（ＷＭ）に照射される位置検出用の光は直線偏光であ
る。その直線偏光の方向を、アライメントマーク（Ｗ
Ｍ）の周期方向に応じて定まる方向に設定することによ
り、凹部（２ａ）の底部の非対称性の影響が少なくな
り、位置検出誤差が小さくなる。

【００１４】また、アライメントマーク（ＷＭ）が金属
より形成されているときに、その位置検出用の光のアラ
イメントマーク（ＷＭ）上での電気ベクトルの方向を、
アライメントマーク（ＷＭ）の周期方向に垂直にした場
合には、以下の作用を奏する。即ち、位置検出用の光の
電気ベクトルの方向が凹部（２ａ）の内面に平行（周期
方向に垂直）になっていると、電気ベクトルの振動に応
じて凹部（２ａ）の内面の電子も振動するため、位置検
出用の光は凹部（２ａ）の中を伝播する際に指数関数的
に減衰する。従って、たとえ凹部（２ａ）の底部が非対
称であったとしても、その非対称性の影響が非常に小さ
くなり、位置検出の誤差も非常に小さくなる。

【００１５】これに対して、位置検出用の光の電気ベク
トルの方向が凹部（２ａ）の内面に垂直（周期方向に平
行）になっていると、電気ベクトルが振動しても凹部
（２ａ）の内面の電子は振動せず、位置検出用の光は凹
部（２ａ）の中を伝播する際でも減衰することがなく凹
部（２ａ）の底部に達する。従って、凹部（２ａ）の底
部の非対称性の影響を受けてしまう。ところが、アライ
メントマークの凹部の幅が波長の３倍程度以下、特に波
長よりも狭くなった場合、アライメントマークの凹部
（２ａ）の底部は対称に形成されるようになる（形成さ
れていると見なせることがある）。このとき、周期方向
に平行な偏光状態の光は減衰がないので、その回折光の
強度は、周期方向に垂直な偏光の光よりも大きくなって
検出精度が向上する。また、アライメントマークによっ
ては周期方向と偏光方向とを一致させた方が、凹部（２
ａ）の溝に沿った方向と偏光方向とを一致させる場合に
比べて、Ｓ／Ｎ比の点で有利になることもある。

【００１６】なお、凹部（２ａ）の幅が波長の３倍程度
以下、特に波長以下になると、回折光の強度が低下する
という問題がある。凹部幅が波長以下になると、底部が
対称に形成される（形成されると見なせることがある）
ため、入射光の偏光方向には左右されなくなる。この場
合アライメントマーク（ＷＭ）の周期方向に垂直にする
よりも平行に入射させた方が光量が得られ易くなり、Ｓ
／Ｎ比が向上する。また、凹部（２ａ）の幅を波長の３
倍程度以下とすると、より精度が向上する。また、その
位置検出用の光のアライメントマーク（ＷＭ）上での直
線偏光の方向を、アライメントマーク（ＷＭ）の周期方
向及びアライメントマーク（ＷＭ）の材質によって定ま
る方向に設定するための偏光状態可変手段を設けた場合
には、アライメントマーク（ＷＭ）の周期方向及び材質
が変化したときでも、アライメントマーク（ＷＭ）の凹
部（２ａ）の底部に達する位置検出用の光の量を少なく
することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明によるアライメント装置の第１
実施例につき図１〜図４を参照して説明する。図２は本
例のアライメント装置を備えた投影露光装置の要部を示
し、この図２において、レチクルＲをレクチルホルダー
３上に保持し、レクチルＲに形成された回路パターンを
図示省略された照明光学系からの露光光ＩＬで照明す
る。その回路パターンが投影光学系４によって例えば５
分の１に縮小されて、レジスト等の感光材が塗布された
ウエハ１上に転写される。ウエハ１の各ショット領域の
近傍にはそれぞれ計測方向に所定ピッチでアライメント
マークとしてのウエハマークＷＭが形成されている。

【００１８】図１はウエハ１の各ショット領域の近傍に
形成されたウエハマークＷＭを示し、この図１におい
て、ウエハの基板（例えばシリコン基板）上に金属膜２
が堆積され、金属膜２上にＸ方向にピッチＰでそれぞれ
幅ｄの凹部２ａが形成されている。従って、このウエハ
マークＷＭの周期方向はＸ方向であり、このＸ方向が計
測方向（位置合わせ方向）でもある。また、本例では凹
部２ａのＸ方向の幅ｄは、位置検出用の光の波長λの３
倍程度以下、特に波長λより小さく設定されている。こ
れにより、凹部２ａ内で位置検出用の光が減衰し易くな
っている。

【００１９】図２に戻り、ウエハ１をウエハホルダー５
を介してウエハステージ６上に載置する。ウエハステー
ジ６は投影光学系４の光軸に垂直な２次元平面内でウエ
ハ１を位置決めするＸＹステージ及びその光軸方向にウ
エハ１を位置決めするＺステージ等より構成されてい
る。ウエハステージ６上には移動鏡７を設置し、レーザ
ー干渉計８のレーザービームを移動鏡７で反射すること
により、ウエハステージ６中のＸＹステージの座標を常
時計測する。また、駆動装置９を介してウエハステージ
６を動作させることにより、例えばステップ・アンド・
リピート方式でウエハ１の各ショット領域の位置決めを
行う。

【００２０】ウエハ１上の各ショット領域に既に形成さ
れているパターンとレクチルＲのパターンとは、通常は
パターンの幅寸法の５分の１程度以下の精度で位置合わ
せする必要がある。この位置合わせを行うために、ウエ
ハステージ６上のウエハ１の近傍に基準マーク１０を取
り付け、レクチルＲの上部側方に露光光ＩＬと同じ波長
の照明光の光源を備えたアライメント顕微鏡１１を配置
する。また、投影光学系４の側方にアライメント光学系
１２を配置し、ウエハ１上のウエハマークＷＭの位置を
アライメント光学系１２によって検出する（詳細は特開
平２−２７２３０５号公報等に開示されている）。

【００２１】アライメント光学系１２からは２本のレー
ザービームＬＢ１及びＬＢ２が射出され、これらレーザ
ービームは折り返しミラー１３及び投影光学系４を経て
ウエハ１上に照射される。この場合、ウエハマークＷＭ
からウエハ１に対してほぼ垂直上方に回折光ＬＢ０が発
生するように、２本のレーザービームの入射角及びウエ
ハマークＷＭのピッチＰを設定する。その回折光ＬＢ０
はレーザービームＬＢ１の＋１次回折光とレーザービー
ムＬＢ２の−１次回折光とが混合された光であり、その
回折光ＬＢ０は投影光学系４及び折り返しミラー１３を
経てアライメント光学系１２に入射する。

【００２２】この場合、ウエハ１上に照射されるそれら
２本のレーザービームＬＢ１，ＬＢ２の位置とレクチル
Ｒとの相対位置は、ウエハステージ６上に設けられた基
準マーク１０をアライメント顕微鏡１１を用いてレクチ
ルＲ越しに観察し、且つその同じ基準マーク１０をアラ
イメント光学系１２で検出することにより知ることがで
きる。

【００２３】図３は、図２中のアライメント光学系１２
の構成を示し、この図３において、レーザー光源１４か
ら射出されたレーザービームＬＢは、２分割プリズム１
５によって２本のレーザービームＬＢ１及びＬＢ２に分
割される。一方のレーザービームＬＢ１は、第１の音響
光学変調素子（ＡＯＭ）１６及び直角プリズム１７を経
て合成プリズム２０に入射し、他方のレーザービームＬ
Ｂ２は直角プリズム１８及び第２の音響光学変調素子
（ＡＯＭ）１９を経て合成プリズム２０に入射する。音
響光学変調素子１６及び１９はそれぞれ異なる周波数ｆ
₁ 及びｆ₂ で駆動され、音響光学変調素子１６及び１９
によって回折された光の内の＋１次回折光はそれぞれの
駆動周波数ｆ₁ 及びｆ₂ の分だけ周波数が高くなる。こ
れら周波数の異なる２本の＋１次回折光（これらをもレ
ーザービームＬＢ１及びＬＢ２と呼ぶ）が合成プリズム
２０に入射する。

【００２４】合成プリズム２０を透過したレーザービー
ムＬＢ１及び合成プリズム２０で反射されたレーザービ
ームＬＢ２は、対物レンズ２１により参照格子２２上に
集束され、この参照格子２２を透過した光の内で参照格
子２２に対してほぼ垂直下方に回折される２つの回折光
が受光素子２３で混合されて検出される。一方、合成プ
リズム２０で反射されたレーザービームＬＢ１及び合成
プリズム２０を透過したレーザービームＬＢ２は、偏光
ビームスプリッター２４を透過した後に対物レンズ２５
により集束されて図２の折り返しミラー１３に入射す
る。この際、偏光ビームスプリッター２４に入射するレ
ーザービームＬＢ１，ＬＢ２は直線偏光であり、その偏
光方向（電気ベクトルの方向）は偏光ビームスプリッタ
ー２４に関してＰ偏光（偏光ビームスプリッター２４の
接合面に対する入射面に平行な方向）に設定されてい
る。

【００２５】また、図３では図示省略しているが、図３
の偏光ビームスプリッター２４と対物レンズ２５との間
に、図４に示すように、偏光方向を４５°回転させるフ
ァラデーローテータ２８及び所定の回転角に調整した１
／２波長板２９を配置する。図４において、偏光ビーム
スプリッター２４を通過したＰ偏光のレーザビームＬＢ
１，ＬＢ２はファラデーローテータ２８に入射する。フ
ァラデーローテータ２８から射出されるレーザービーム
ＬＢ１，ＬＢ２は、入射時の偏光方向から４５°回転し
た方向に偏光した直線偏光である。それらレーザービー
ムＬＢ１，ＬＢ２が更に１／２波長板２９を通過するこ
とにより、それらレーザービームＬＢ１，ＬＢ２の偏光
方向が更に＋４５°又は−４５°回転する。

【００２６】このように偏光状態が設定されたレーザー
ビームが対物レンズ２５、折り曲げミラー１３及び投影
光学系４を経て図１のウエハマークＷＭ上に照射され
る。本例では、１／２波長板２９の回転角を調整するこ
とにより、図１のウエハマークＷＭ上に照射されるレー
ザービームＬＢ１，ＬＢ２の偏光方向は、凹部２ａの周
期方向に垂直なＹ方向、周期方向であるＸ方向に設定で
きる。

【００２７】そのウエハマークＷＭからほぼ垂直上方に
回折される回折光ＬＢ０は、直線偏光を保ったまま投影
光学系４、折り曲げミラー１３及び対物レンズ２５を経
て図４の１／２波長板２９に入射する。１／２波長板２
９を透過した回折光ＬＢ０は、元のように偏光方向が４
５°回転した直線偏光ビームとなってファラデーローテ
ータ２８に入射する。ファラデーローテータ２８を透過
した回折光ＬＢ０の偏光方向は更に４５°回転してお
り、偏光ビームスプリッター２４に戻って来るまでに偏
光方向が９０°回転したことになる。従って、回折光Ｌ
Ｂ０は、Ｓ偏光のレーザービームとして偏光ビームスプ
リッター２４に入射し、偏光ビームスプリッター２４の
接合面で全て反射される。偏光ビームスプリッター２４
で反射された回折光ＬＢ０は受光素子２６に入射する。

【００２８】図３に戻り、受光素子２３からの参照信号
及び受光素子２６からのアライメント信号をそれぞれア
ライメント処理ユニット２７に供給する。受光素子２６
により回折光ＬＢ０を光電変換して得られたアライメン
ト信号は、音響光学変調素子１６及び１９のそれぞれの
駆動周波数ｆ₁ 及びｆ₂ の差の周波数Δｆを周波数とす
る正弦波であり、同様に受光素子２３から出力される参
照信号も周波数がΔｆの正弦波である。この参照信号と
アライメント信号との位相差を検出することにより、ウ
エハ１の位置ずれを知ることができる。アライメント処
理ユニット２７によって検出されたウエハの位置ずれ量
は装置全体の動作を制御するメインコンピュータへ送ら
れる。

【００２９】次に、図１を参照して本例の動作につき説
明する。図１は本例のウエハマークＷＭを示し、この図
１において、ウエハマークＷＭ上に照射されるレーザー
ビームは、従来は円形の矢印Ｐ３で示すように円偏光で
照射されていた。それに対して本例のレーザービームの
偏光状態は、矢印Ｐ１で示すようにウエハマークＷＭの
凹部２ａの周期方向（Ｘ方向）に平行な直線偏光、又は
矢印Ｐ２で示すように凹部２ａの周期方向に垂直な直線
偏光となっている。

【００３０】そして、本例のようにウエハマークＷＭが
金属膜２上にＸ方向に周期的に形成された凹部２ａから
なる場合には、そのウエハマークＷＭに照射される直線
偏光のレーザービームの偏光方向（電気ベクトルの方
向）を、矢印Ｐ２で示すようにＸ方向に垂直なＹ方向に
設定する。これにより、凹部２ａ内をレーザービームが
通過する際に、電気ベクトルがＹ方向に振動するのに応
じて、凹部２ａの側面の電子もＹ方向に振動するため、
レーザービームは指数関数的に急激に減衰する。そのた
め、レーザービームは凹部２ａの底部に達する前にほと
んど減衰し、その底部からの反射光はほとんど存在する
ことがなく、凹部２ａの底部がＸ方向に非対称になって
いる場合でも、ウエハマークＷＭの位置検出結果の誤差
は極めて小さくなる。

【００３１】また、そのウエハマークＷＭが凹部２ａを
Ｙ方向に所定ピッチで形成したものである場合には、そ
のウエハマークＷＭに照射されるレーザービームの偏光
方向はＹ方向に垂直なＸ方向に設定する。これにより、
Ｙ方向の位置検出結果の誤差も小さくなる。但し、ウエ
ハマークＷＭが非導電性の物体（絶縁体等）上にＸ方向
に周期的に凹部を形成したものである場合には、必ずし
もそのレーザービームの偏光方向をＸ方向に垂直なＹ方
向に設定する必要はない。

【００３２】次に、本実施例においてウエハマークＷＭ
に入射するレーザービームの偏光方向を種々に切り換え
る手法について説明する。この場合、図４に示すよう
に、ファラデーローテータ２８によって４５°回転した
直線偏光ビームが得られるというのは上述の通りであ
る。そして、４５°回転した直線偏光ビームをウエハマ
ークＷＭの凹部２ａの周期方向に対して垂直、又は平行
な方向等に偏光させて入射させるためには、第１の手法
として、１／２波長板２９を回転させればよい。１／２
波長板２９の回転角を調整することにより、所望の方向
に直線偏光したレーザービームをウエハマークＷＭ上に
照射することができる。

【００３３】また、ウエハマークＷＭに照射されるレー
ザービームの直線偏光の方向を所望の方向に設定するた
めの第２の手法は、図４の１／２波長板２９の代わりに
ポッケルス素子を用いることである。ポッケルス素子
は、印加される電圧の大きさによって、射出されるレー
ザービームの直線偏光の角度を変えることができる素子
である。従って、４５°回転した直線偏光の入射光に対
して、ポッケルス素子に例えば±４５°回転するような
電圧を付加してやることにより、それぞれウエハマーク
ＷＭの凹部２ａの周期方向に対して垂直又は平行な方向
に偏光した直線偏光ビームを得ることができる。

【００３４】次に、本実施例のアライメント光学系１２
において、図３のレーザー光源１４としてレーザーダイ
オードを用いた場合につき図５を参照して説明する。図
５はレーザーダイオード３０を示し、この図５におい
て、レーザーダイオード３０から出力されるレーザービ
ームは、レーザーダイオード３０の電場方向の拡がりが
接合面に沿った方向の拡がりより大きくなる。従って、
レーザーダイオード３０から射出されるレーザービーム
の断面形状は楕円状となり、しかもそのレーザービーム
はその楕円状の断面の幅が短い方向に直線偏光してい
る。

【００３５】一般に、図１のウエハマークＷＭ上に照射
されるレーザービームの断面形状は平行四辺形であり、
この断面形状はウエハと共役な位置に置かれた視野スリ
ットによって形成されている。そこで、レーザーダイオ
ード３０を光源とした場合、そのレーザーダイオード３
０から射出されるレーザービームの楕円状の断面の長手
方向が、その視野スリットの長手方向と合致する様に調
整することにより、光量の損失が少なくなる。また、図
１のウエハマークＷＭ上に照射されるレーザービーム
は、断面の幅が狭い方向が一般に凹部２ａの周期方向に
垂直なＹ方向に設定されるため、図５のレーザーダイオ
ード３０を用いた場合には、ウエハマークＷＭの凹部２
ａの周期方向に垂直なＹ方向に偏光した直線偏光ビーム
を得やすいという利点がある。

【００３６】次に、本発明の第２実施例につき図６及び
図７を参照して説明する。図６は本実施例でウエハ上に
形成されるウエハマークＷＭを示し、この図６に示すよ
うに、ウエハ上に金属膜２が堆積され、この金属膜２上
にＸ方向にピッチＰ１で配列された凹部２ａ及びＹ方向
にピッチＰ２（通常はピッチＰ１に等しい）で配列され
た凹部２ｂが形成されている。凹部２ａのＸ方向の幅は
ｄ１、凹部２ｂのＹ方向の幅はｄ２であり、幅ｄ１及び
ｄ２はそれぞれ位置検出用のレーザービームの波長の３
倍程度より狭く設定されている。これらの凹部２ａ及び
２ｂよりなる２次元的な回折格子よりウエハマークＷＭ
が構成されている。本例ではこのウエハマークＷＭに対
して、Ｘ方向の位置計測用の２本のレーザービームとＹ
方向の位置計測用の２本のレーザービームとを混合して
照射することにより、ウエハマークＷＭのＸ方向及びＹ
方向の位置検出を同時に行う。

【００３７】図７は、本例のアライメント光学系の要部
を示し、この図７において、図示省略された光学系（例
えば図３の合成プリズム２０）から射出された２本の平
行なレーザービームＬＢ１，ＬＢ２が、接合面が図７の
紙面に垂直な偏光ビームスプリッター３１に入射する。
レーザービームＬＢ１，ＬＢ２は図７の紙面に垂直な方
向から４５°傾斜した方向に直線偏光しており、それら
レーザービームの内のＳ偏光成分（図７の紙面に垂直な
偏光成分）が偏光ビームスプリッター３１の接合面で反
射され、Ｘ方向の位置計測用のレーザービームＬＢ１
Ｘ，ＬＢ２Ｘとして取り出される。一方、それらレーザ
ービームの内のＰ偏光成分（図７の紙面に平行な偏光成
分）が偏光ビームスプリッター３１の接合面を透過し
て、Ｙ方向の位置計測用のレーザービームＬＢ１Ｙ，Ｌ
Ｂ２Ｙとして取り出される。

【００３８】Ｙ方向の位置計測用のレーザビームＬＢ１
Ｙ，ＬＢ２Ｙは、ミラー３９ａ及び１／４波長板３３ｂ
を経て円偏光の状態で偏光ビームスプリッター３４ｂに
入射する。それらレーザービームＬＢ１Ｙ，ＬＢ２Ｙの
内のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッター３４ｂで反
射され、不図示の対物レンズ及び参照格子を経て受光素
子２３ｂに入射する。一方、Ｐ偏光成分は偏光ビームス
プリッター３４ｂを透過し、更に偏光ビームスプリッタ
ー３５ｂを透過した後、ファラデーローテータ３６ｂ及
びポッケルス素子３７ｂを通過する。これらファラデー
ローテータ３６ｂ及びポッケルス素子３７ｂにより、ウ
エハマークＷＭ上における偏光方向が最適な方向に調整
されたレーザービームＬＢ１Ｙ，ＬＢ２Ｙが、ミラー３
９ｂで反射されて例えば偏光ビームスプリッターよりな
る分離合成ミラー３８に入射する。

【００３９】また、Ｘ方向の位置計測用のレーザービー
ムＬＢ１Ｘ，ＬＢ２Ｘは、ウエハマークＷＭ上でＹ方向
に直交する方向に交差して照射されるように、ダブプリ
ズム３２によって光軸が９０°回転される。その後、レ
ーザビームＬＢ１Ｘ，ＬＢ２Ｘは、１／４波長板３３ａ
を経て円偏光の状態で偏光ビームスプリッター３４ａに
入射する。それらレーザービームの内のＳ偏光成分は、
偏光ビームスプリッター３４ａで反射され、不図示の対
物レンズ及び参照格子を経て受光素子２３ａに入射す
る。一方、Ｐ偏光成分は偏光ビームスプリッター３４ａ
を透過し、更に偏光ビームスプリッター３５ａを透過し
た後、ファラデーローテータ３６ａ及びポッケルス素子
３７ａを通過する。これらファラデーローテータ３６ａ
及びポッケルス素子３７ａにより、ウエハマークＷＭ上
における偏光方向が最適な方向に調整されたレーザービ
ームＬＢ１Ｘ，ＬＢ２Ｘが分離合成ミラー３８に入射す
る。

【００４０】分離合成ミラー３８で反射された４本のレ
ーザービームＬＢ１Ｘ，ＬＢ２Ｘ及びＬＢ１Ｙ，ＬＢ２
Ｙは、対物レンズ２５、折り返しミラー４０及び投影光
学系４を経て図６のウエハマークＷＭ上に照射される。
このとき、レーザービームＬＢ１Ｘ，ＬＢ２Ｘの光軸と
レーザービームＬＢ１Ｙ，ＬＢ２Ｙの光軸とは直交して
おり、偏光方向も互いに直交している。ウエハマークＷ
Ｍに照射されたレーザービームＬＢ１Ｘ，ＬＢ２Ｘ及び
レーザービームＬＢ１Ｙ，ＬＢ２Ｙにより、ウエハマー
クＷＭからそれぞれ偏光方向の直交した回折光ＬＢ０Ｘ
及びＬＢ０Ｙが発生し、これら回折光は図７の投影光学
系４、折り返しミラー４０及び対物レンズ２５を経て分
離合成ミラー３８に入射する。

【００４１】分離合成ミラー３８によって反射されたＹ
方向の位置計測用の回折光ＬＢ０Ｙは、ミラー３８ｂ、
ポッケルス素子３７ｂ、ファラデーローテータ３６ｂ及
び偏光ビームスプリッター３５ｂを経て受光素子２６ｂ
に入射する。受光素子２３ｂから出力されるＹ方向用の
参照信号及び受光素子２６ｂから出力されるＹ方向用の
アライメント信号がそれぞれアライメント処理ユニット
２７に供給される。また、分離合成ミラー３８を透過し
たＸ方向の位置計測用の回折光ＬＢ０Ｘは、ポッケルス
素子３７ａ、ファラデーローテータ３６ａ及び偏光ビー
ムスプリッター３５ａを経て受光素子２６ａに入射す
る。受光素子２３ａから出力されるＸ方向用の参照信号
及び受光素子２６ａから出力されるＸ方向用のアライメ
ント信号がそれぞれアライメント処理ユニット２７に供
給される。アライメント処理ユニット２７は、供給され
た２組の信号より図６のウエハマークＷＭのＸ方向及び
Ｙ方向の位置を検出する。

【００４２】本例において、図６のウエハマークＷＭは
金属膜２上に形成されているので、Ｘ方向の位置計測用
のレーザービーム（図７のレーザービームＬＢ１Ｘ，Ｌ
Ｂ２Ｘ）は、偏光方向がＹ方向の直線偏光としてウエハ
マークＷＭ上に照射される。また、Ｙ方向の位置計測用
のレーザービーム（図７のレーザービームＬＢ１Ｙ，Ｌ
Ｂ２Ｙ）は、偏光方向がＸ方向の直線偏光としてウエハ
マークＷＭ上に照射される。これにより、位置計測用の
レーザービームはウエハマークＷＭの凹部２ａ及び２ｂ
内で急激に減衰し、ほとんど底部に達することがない。
従って、凹部２ａ及び２ｂの底部がそれぞれ計測方向に
非対称であっても、位置検出結果の誤差が小さくなる。

【００４３】図７のアライメント光学系のように、Ｘ方
向及びＹ方向の位置検出を同時に行うには、次のような
手法も考えられる。先ず第１の手法では、Ｘ方向とＹ方
向とで音響光学変調素子に対する駆動周波数ｆ₁ 及びｆ
₂ の差の周波数△ｆを変え、Ｘ方向用の△ｆ_x の周波数
差のアライメント信号及びＹ方向用の△ｆ_y の周波数差
のアライメント信号を１つの受光素子で受光する。そし
て、その受光素子から出力される光電変換信号を、周波
数フィルタ回路で周波数△ｆ_x の成分と周波数△ｆ_y の
成分とに分離することにより、Ｘ方向及びＹ方向の位置
計測を同時に行うことができる。

【００４４】更に、第２の手法では、図６のウエハマー
クＷＭのＸ方向のピッチＰ１及びＹ方向のピッチＰ２
（通常Ｐ１に等しい）をそれぞれ１／２にする。ウエハ
マークＷＭのピッチＰ１（Ｐ２）を半分にすると、ウエ
ハマークＷＭに照射されたレーザービームの回折角が２
倍になるため、例えば一方のレーザービームＬＢ１の入
射方向に、他方のレーザービームＬＢ２の０次回折光と
レーザービームＬＢ１の＋１次回折光とが重なって射出
される。同様に、レーザービームＬＢ２の入射方向に、
レーザービームＬＢ１の０次回折光とレーザービームＬ
Ｂ２の−１次回折光とが重なって射出される。従って、
ウエハマークＷＭの垂直上方に回折光は発生しないた
め、Ｘ方向の位置検出用の回折光とＹ方向の位置検出用
の回折光との混合が無くなる。

【００４５】以上の実施例では、アライメントマークの
凹部の幅をアライメント波長の３倍程度以下としたが、
アライメント光（直線偏光）の偏光偏光が周期方向と垂
直な方向と一致していれば、凹部の幅が波長の３倍を越
えても、凹部の非対称性の影響を低減することが可能で
ある。また、図１においてアライメントマーク（ＷＭ）
の凹部２ａの幅ｄが、例えばアライメント光の波長の３
倍程度以下、特に波長よりも狭いとき、凹部２ａの底部
は対称的に形成されていると見做せることがある。この
ような場合には、アライメントマークＷＭに照射される
レーザービームＬＢ１，ＬＢ２の偏光方向を周期方向で
あるＸ方向と一致させると良い。このとき、凹部２ａの
底部は対称なので、凹部２ａからの回折光を用いても正
確に位置検出が行われる。従って、周期方向と垂直なＹ
方向と偏光方向とが一致している場合に比べて、回折光
が凹部２ａで減衰しない分、回折光強度が大きくなる、
すなわちＳ／Ｎ比が良くなるという利点が得られる。

【００４６】さらに、アライメントマークの凹部の幅、
及び／又はその底部の非対称性の程度に応じて、アライ
メント光の偏光方向を適宜変更するように構成しておく
と良い。すなわち、偏光方向を周期方向と垂直な方向に
一致させる第１モードと、偏光方向を周期方向に一致さ
せる第２モードを用意（例えば装置全体を統括制御する
制御ユニット内に設定）しておき、アライメントマーク
の凹部の幅、及び／又はその底部の非対称性の程度に応
じて第１モードと第２モードの一方を選択し、この選択
されたモードに従って偏光方向を調整（又は確認）した
上でマーク検出を行うようにすると良い。例えば、ウエ
ハ上のアライメントマークの凹部の幅がアライメント波
長を越えている場合には第１モードを選択し、凹部の幅
が波長よりも狭い場合には第２モードを選択する。この
とき、凹部の幅が波長よりも狭くても、その低部で非対
称性が存在している場合には、偏光方向を周期方向と垂
直な方向と一致させるようにすることが望ましい。

【００４７】尚、マーク情報（凹部の幅、底部が非対称
性であるか否か等）に応じてオペレータがモードを選択
した上でキーボードを介して装置に設定するようにして
も、あるいは装置自身がウエハ、又はウエハカセットの
バーコードに記された情報（凹部の幅、底部が非対称性
であるか否か、又はウエハ名等）に従って自動的に選択
するようにしても良い。また、例えば特開平２−５４１
０３号公報、特開平４−６５６０３号公報に開示されて
いるような画像処理方式を採用したアライメントセンサ
ーを用いてアライメントマークを検出し、この検出結果
から求まる凹部の非対称性と凹部の幅とに応じてモード
選択を行うようにしても良い。尚、上記公報に開示され
たアライメントセンサーは、所定の波長幅を有する照明
光（例えば白色光）をアライメントマークに照射し、当
該マークの像をウエハと共役な面内に配置された指標板
上に結像する。さらに、リレーレンズ系によってアライ
メントマークの像と指標板上の指標マークの像とを撮像
素子の受光面上に結像して、両マークの相対的な位置ず
れ量を検出するものである。また、以上の実施例では２
光束干渉方式を採用したアライメントセンサーを例に挙
げて説明を行ったが、前述の如き画像処理方式を採用し
たアライメントセンサーに本発明を適用しても良く、上
記実施例と全く同様の効果を得ることができる。

【００４８】なお、上述の実施例のアライメント系はヘ
テロダイン方式を採用しているものとしたが、例えばホ
モダイン方式、あるいは偏光方向が異なる２光束をアラ
イメントマークに照射し、マークからの回折光を検光子
等を介して干渉させて受光する方式等に対しても、本発
明を適用して全く同様の効果を得ることができる。ま
た、アライメントマークからの回折光の位相を検出する
方式のみならず、例えば所謂レーザー・ステップ・アラ
イメント方式で位置検出を行う場合、又は撮像素子を用
いた画像処理方式のアライメント装置に対しても、本発
明を適用して全く同様の効果を得ることができる。例え
ば、レーザー・ステップ・アライメント方式の場合に
は、アライメントマークとスリット状のプローブ光とを
相対的に走査し、そのプローブ光によりそのアライメン
トマークから所定の方向に射出される回折光の強度変化
を検出することにより、位置検出が行われる。

【００４９】また、実際のプロセスでは、例えば図１の
金属膜２上に所定の膜厚（１μｍ程度）のフォトレジス
ト層が形成されるが、本発明はそのようなフォトレジス
ト層の有無に関係なく、アライメントマークの凹部の底
部の非対称に対して有効なものである。このように、本
発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で種々の構成を取り得る。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、アライメントマークに
照射される位置検出用の光の偏光状態が直線偏光であ
る。その位置検出用の光の偏光方向を、そのアライメン
トマークの凹部内でその位置検出用の光が減衰される方
向に設定することにより、その凹部の底部の非対称性の
影響を小さくすることができる。従って、アライメント
マークの位置検出の誤差を小さくできる利点がある。

【００５１】また、アライメントマークが金属より形成
されているときに、位置検出用の光のそのアライメント
マーク上での電気ベクトルの方向を、そのアライメント
マークの周期方向に垂直にした場合、そのアライメント
マークの凹部の周期方向の幅を例えばその位置検出用の
光の波長程度に狭くしたときに、その凹部内でその位置
検出用の光が急激に減衰する。従って、その凹部の底部
の非対称性の影響が小さくなる。但し、アライメントマ
ークの凹部の底部がほぼ対称であるような場合には、そ
の位置検出光のアライメントマーク上での電気ベクトル
の方向をその周期方向にすることで、検出信号のＳ／Ｎ
比を高めることができる。

【００５２】特に、アライメントマークの凹部の幅を位
置検出光の波長の３倍程度以下、特に波長以下にする
と、凹部の底部が対称に形成される。このとき、位置検
出用の光のアライメントマーク上での電気ベクトルの方
向を、そのアライメントマークの周期方向に平行にする
と、凹部での減衰がないので回折光の強度が保たれる。
また、位置検出用の光のアライメントマーク上での直線
偏光の方向を、そのアライメントマークの周期方向によ
って定まる方向に設定するための偏光状態可変手段を設
けた場合には、アライメントマークの周期方向及び材質
が変化したときでも、そのアライメントマークの凹部の
底部の非対称性の影響を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアライメント装置の第１実施例で
位置検出の対象とされるウエハマークを示す拡大平面図
である。

【図２】第１実施例のアライメント装置が装着された投
影露光装置の要部を示す構成図である。

【図３】図２中のアライメント光学系を示す一部を省略
した構成図である。

【図４】図３のアライメント光学系において、ウエハマ
ークへのレーザービームとウエハマークからのレーザー
ビームとを分離するための光学系を示す構成図である。

【図５】レーザー光源の他の例としてのレーザーダイオ
ードを示す斜視図である。

【図６】本発明の第２実施例で位置検出の対象とされる
ウエハマークを示す拡大平面図である。

【図７】第２実施例のアライメント光学系の要部を示す
構成図である。

【図８】従来のウエハマークの位置検出の原理の説明に
供する側面図である。

【図９】従来のウエハマークの製造工程の説明に供する
断面図である。

【図１０】従来のアライメント光学系において、ウエハ
マークへのレーザービームとウエハマークからのレーザ
ービームとを分離するための光学系を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

Ｒレチクル１ウエハ２金属膜２ａ凹部４投影光学系１０基準マーク１１アライメント顕微鏡１２アライメント光学系１４レーザー光源１６，１９音響光学変調素子２２参照格子２３，２６受光素子２４偏光ビームスプリッター２７アライメント処理ユニット２８ファラデーローテータ２９１／２波長板３２ダブプリズム３６ａ，３６ｂファラデーローテータ３７ａ，３７ｂポッケルス素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物上に位置合わせ方向に周期的に配
列された凹部よりなるアライメントマークと、該アライ
メントマークに位置検出用の光を照射する照射光学系
と、前記位置検出用の光の照射により前記アライメント
マークから発生する光を受光する受光光学系とを有し、
前記アライメントマークから発生する光を用いて前記被
検物の位置を検出するアライメント装置において、前記位置検出用の光の前記アライメントマーク上での偏
光状態を、前記アライメントマークの周期方向によって
定まる方向の直線偏光にした事を特徴とするアライメン
ト装置。
【請求項２】前記アライメントマークが金属より形成
されているときに、前記位置検出用の光の前記アライメ
ントマーク上での電気ベクトルの方向を、前記アライメ
ントマークの周期方向に垂直にした事を特徴とする請求
項１記載のアライメント装置。
【請求項３】前記アライメントマークが金属より形成
されているときに、前記位置検出用の光の前記アライメ
ントマーク上での電気ベクトルの方向を、前記アライメ
ントマークの周期方向にした事を特徴とする請求項１記
載のアライメント装置。
【請求項４】前記アライメントマークは、前記周期方
向に関する前記凹部の幅が前記位置検出用の光の波長の
３倍程度以下に定められている事を特徴とする請求項
１、２、又は３記載のアライメント装置。
【請求項５】前記位置検出用の光の前記アライメント
マーク上での直線偏光の方向を、前記アライメントマー
クの周期方向によって定まる方向に設定するための偏光
状態可変手段を設けた事を特徴とする請求項１記載のア
ライメント装置。