JPH09219354A

JPH09219354A - 位置検出装置及び該装置を備えた露光装置

Info

Publication number: JPH09219354A
Application number: JP8025327A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nakagawa; 正弘中川; Ayako Sugaya; 綾子菅谷; Masaji Tanaka; 正司田中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】オフ・アクシス方式等のアライメントセンサ
におけるベースライン変動を低減する。【解決手段】指標マーク３４が形成された指標板３５
を、第１対物レンズ３３と落射プリズム３６との間に配
置し、それらの光学系を、赤外光源２６を含む照明光学
系が設置されたセンサ本体部１１ｂから分離された指標
対物部１１ｃに設置する。可視照明光ＡＬ１及び赤外照
明光ＡＬ２をそれぞれウエハマーク３８及び指標マーク
３４に照射する。落射プリズム３６の直下のコールドミ
ラー３７で赤外照明光ＡＬ２を反射することによって、
赤外照明光ＡＬ２のもとで指標マーク３４とウエハマー
ク３８とをほぼ共役にして、ウエハマーク３８からの可
視の検出光ＬＢ１及び指標マーク３４からの赤外の検出
光ＬＢ２をそれぞれの撮像素子４１，４２により受光
し、ウエハマーク３８の指標マーク３４に対する相対位
置を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体素
子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁
気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程
で、マスクパターンを感光性の基板上に露光するために
使用される露光装置のアライメントセンサに適用して好
適な位置検出装置、及びこの位置検出装置を備えた露光
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体素子等を製造するための
フォトリソグラフィ工程で使用されるステッパー等の投
影露光装置、又はプロキシミティ方式の露光装置等の露
光装置においては、マスクとしてのレチクル上に形成さ
れた回路パターンを感光基板としてのウエハ（又はガラ
スプレート等）上のフォトレジスト層に高い重ね合わせ
精度で転写するために、レチクルとウエハの各ショット
領域とを高精度に位置合わせ（アライメント）すること
が求められている。このため、ウエハの各ショット領域
には位置合わせ用のアライメントマーク（ウエハマー
ク）が付設されている。そして、それらのアライメント
マークの位置を検出するためのアライメントセンサとし
ては、レーザ光をウエハ上のドット列状のアライメン
トマークに照射し、そのマークにより回折又は散乱され
た光を用いてそのマークの位置を検出するＬＳＡ（Lase
r Step Alignment）方式、ハロゲンランプを光源とす
る波長帯域幅の広い光で照明して撮像したアライメント
マークの画像データを画像処理して計測するＦＩＡ（Fi
eld Image Alignment)方式、あるいはウエハ上の回折
格子状のアライメントマークに、同一周波数又は周波数
を僅かに変えたレーザ光を２方向から照射し、発生した
２つの回折光を干渉させ、その位相からアライメントマ
ークの位置を計測するＬＩＡ（Laser Interferometric
Alignment ）方式等がある。

【０００３】また、従来のアライメント方式としては、
投影光学系を介してウエハ上のアライメントマークの
位置を測定するＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式、
投影光学系を介することなく直接ウエハ上のアライメン
トマークの位置を計測するオフ・アクシス方式、及び
投影光学系を介してウエハとレチクルとを同時に観察
し、両者の相対位置関係を検出するＴＴＲ（スルー・ザ
・レチクル）方式等がある。これらのアライメントセン
サを使用して、レチクルとウエハとのアライメントを行
う場合、予めアライメントセンサの計測中心とレチクル
のパターンの投影像の中心（露光中心）との間隔である
ベースライン量が求められている。そして、アライメン
トセンサによってアライメントマークの計測中心からの
ずれ量が検出され、このずれ量をベースライン量で補正
した距離だけウエハを移動することによって当該ショッ
ト領域の中心が露光中心に正確に位置合わせされる。と
ころが、露光装置を維持して使用する過程で次第にベー
スライン量が変動することがある。このようなベースラ
イン量の変動である所謂ベースライン変動が生じると、
アライメント精度（重ね合わせ精度）が低下する。従っ
て、従来は例えば定期的にアライメントセンサの計測中
心と露光中心との間隔を正確に計測するためのベースラ
インチェックが行われていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのよ
うにベースラインチェックを行っても、短期的にベース
ライン量が変動すると、アライメント精度が低下すると
いう不都合があった。そのようなアライメント精度を低
下させる短期的なベースライン変動の要因の１つは、露
光用の照明光の照射による熱変形、機械的な振動、又は
大気等の環境の変化に伴うアライメントセンサの計測中
心位置のドリフト（変位）である。このように、アライ
メントセンサの計測中心のドリフトが生じると、仮にア
ライメントセンサとウエハとが相対的に静止していて
も、その計測中心とアライメントマークとの位置ずれ量
が変化して、これがアライメント誤差となる。以下で
は、アライメントセンサの計測中心と計測対象のアライ
メントマークとの位置ずれ量が変化しにくいことをその
アライメントセンサの「ドリフト安定性」と呼ぶ。特
に、オフ・アクシス方式のアライメントセンサはウエハ
上のアライメントマークの検出に際して投影光学系を介
さないため、投影光学系を介したＴＴＬ方式等のアライ
メントセンサに比べてアライメントセンサ自体のドリフ
ト安定性を極力高めることが重要である。

【０００５】また、近年、半導体素子等の線幅の微細化
に伴い、露光用の照明光としては高い解像度が得られる
紫外光、更にはＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシ
マレーザ光のような遠紫外光等の短い波長の照明光が使
用されるようになっている。例えば、エキシマレーザ光
を露光用の照明光として使用する投影露光装置では、Ｔ
ＴＬ方式のアライメントセンサを採用する場合には様々
な技術的困難を伴うので、設計上の自由度が大きく、潜
在能力の高いオフ・アクシス方式のアライメントセンサ
の重要度が高まっている。しかしながら、このようなオ
フ・アクシス方式でアライメントを行う場合、上述のよ
うにアライメントセンサ自体のドリフト安定性が高くな
いと、ＴＴＬ方式等でアライメントを行う場合に比較し
てアライメント精度が低下する不都合がある。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑み、ドリフト安定性
に優れ被検物（位置検出マーク）の位置を高精度に検出
できる位置検出装置を提供することを目的とする。ま
た、本発明はこのような位置検出装置を備えた露光装置
を提供することをも目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、被検物（２）上に形成された位置検出マーク（３
８）からの光束（ＬＢ１）を集光する集光光学系（３
３，３９）と、この集光光学系により集光された光束を
光電変換する光電検出手段（４１）とを有し、この光電
検出手段からの検出信号に基づいてその位置検出マーク
（３８）の位置を検出する位置検出装置において、その
被検物（２）とその集光光学系（３３，３９）との間に
配置され、所定の指標マーク（３４）が形成された基準
体（３５）と、その光電検出手段（４１）を第１の光電
検出手段としたとき、その指標マーク（３４）からの光
束（ＬＢ２）をその集光光学系（３３，３９）を介して
受光して光電変換する第２の光電検出手段（４２）と、
を備え、それら第１及び第２の光電検出手段（４１，４
２）からの検出信号に基づいて、その指標マーク（３
４）に対するその位置検出マーク（３８）の相対位置を
検出するものである。

【０００８】斯かる本発明の位置検出装置によれば、位
置検出マーク（３８）からの光束（ＬＢ１）（以下、
「被検物検出光」という）及び指標マーク（３４）から
の光束（ＬＢ２）（以下「基準検出光」という）は共に
同じ集光光学系（３３，３９）を介して検出される。従
って、被検物検出光及び基準検出光は、集光光学系に対
する熱或いは機械的振動によるドリフトの影響を共に同
じように受けることになり、ドリフト安定性が向上し、
指標マーク（３４）に対する位置検出マーク（３８）の
相対位置の検出精度（検出再現性）が向上する。

【０００９】この場合、その位置検出マーク（３８）及
びその指標マーク（３４）を照明する照明光学系（２１
〜３０）と、この照明光学系によってその指標マーク
（３４）に照射され、その指標マーク（３４）を介して
その被検物（２）側に向かう光束（ＡＬ２）をその指標
マーク（３４）側に反射することによって、その指標マ
ーク（３４）の形成面とその位置検出マーク（３８）の
形成面とを実質的に共役にする反射部材（３７）と、を
有し、この反射部材によって反射された後、その集光光
学系（３３，３９）を通過した光束（ＬＢ２）をその第
２の光電検出手段（４２）で受光することが好ましい。
これにより、被検物検出光（ＬＢ１）及び基準検出光
（ＬＢ２）の光路長は実質的に同じものとなり、容易に
その集光光学系を共通に使用して、且つ第１及び第２の
光電検出手段の受光面を集光光学系からほぼ等距離に配
置することができる。

【００１０】また、その指標マーク（３４）の形成面が
その位置検出マーク（３８）の形成面に近接して配置さ
れ、その位置検出マーク（３８）及びその指標マーク
（３４）を照明する照明光学系（２１〜３０）を有し、
その照明光学系からその指標マーク（３４）に照射さ
れ、その指標マーク（３４）を介した後その集光光学系
（３３，３９）で集光された光束（ＬＢ２）をその第２
の光電検出手段（４２）で受光することが好ましい。こ
れにより、指標マーク（３４）と位置検出マーク（３
８）とが近接して配置されるため、ドリフト安定性が更
に向上する。

【００１１】また、その集光光学系の一例はその位置検
出マーク（３８）、及びその指標マーク（３４）の像を
形成する結像光学系（３３，３９）であり、その第１及
び第２の光電検出手段の一例はそれぞれその位置検出マ
ーク（３８）の像、及びその指標マーク（３４）の像を
撮像する撮像素子（４１，４２）である。また、その第
１及び第２の光電検出手段がそれぞれその位置検出マー
ク（３８）の像、及びその指標マーク（３４）の像を同
時に撮像する撮像素子（４１Ｂ）である場合に、例えば
図９（ａ）に示すように、その照明光学系内の、その反
射部材（３７）を介してその指標マーク（３４）と共役
な位置にその指標マーク（３４）に対する照明光（ＡＬ
２）を部分的に遮光するための遮光部材（４６Ｃ）を配
置することが好ましい。これにより、基準検出光（ＬＢ
２）中に混入する不要な迷光を防止することができ、撮
像素子（４１Ｂ）上での指標マーク（３４）の指標マー
ク像のコントラスト低下を防止できるので、それに対応
する検出信号のＳＮ比が向上する。なお、ウエハマーク
（３８）の検出信号に関しても同様な手法が有効であ
る。

【００１２】また、その指標マーク（３４）のその集光
光学系（３３，３９）の光軸（ＡＸ１）方向（Ｚ方向）
の位置を調整する高さ調整手段（４３）と、周囲の環境
状態を計測する環境状態計測手段（ＰＧ，ＴＧ１，ＴＧ
２，６ａ）と、この環境状態計測手段によって計測され
た環境状態の変化量の検出結果に応じて、その集光光学
系（３３，３９）によるその指標マーク（３４）からの
光束（ＬＢ２）の集光位置と所定の目標値とのオフセッ
ト量を求めるオフセット演算手段（６）と、を有し、そ
のオフセット演算手段により求められたオフセット量に
基づいて、その高さ調整手段（４３）を介してその指標
マークの位置を独立に調整することが好ましい。これに
より環境変化による基準検出光の集光位置のオフセット
がなくなり、指標マーク（３４）の検出位置が安定し、
結果として位置検出マーク（３８）の検出精度が向上す
る。

【００１３】また、周囲の環境状態を計測する環境状態
計測手段（ＰＧ，ＴＧ１，ＴＧ２，６ａ）と、この環境
状態計測手段によって計測された環境状態の変化量の検
出結果に応じて、その集光光学系（３３，３９）による
その指標マーク（３４）からの光束の集光位置と所定の
目標値とのオフセット量を求めるオフセット演算手段
（６）と、このオフセット演算手段により求められたオ
フセット量に基づいて、その指標マーク（３４）に対す
るその位置検出マーク（３８）の相対位置を補正するこ
とが好ましい。これにより、指標マーク（３４）の目標
集光位置からのオフセットが補正され、位置検出マーク
（３８）の検出精度が向上する。

【００１４】次に、本発明による第１の露光装置は、本
発明の位置検出装置を備え、マスク（Ｒ）上の転写用の
パターンを感光基板（２）上に転写露光する露光装置で
あって、その感光基板（２）上の位置合わせ用マーク
（３８）をその位置検出マークとして、その位置検出装
置を介してその感光基板（２）上のその位置合わせ用マ
ーク（３８）の位置が検出され、この検出結果に基づい
てそのマスク（Ｒ）とその感光基板（２）との位置合わ
せが行われるものである。

【００１５】斯かる本発明の第１の露光装置によれば、
上記のような作用を有する本発明の位置検出装置を備え
ているため、位置合わせ用マーク（３８）の指標マーク
（３４）に対する相対位置を高精度に検出することがで
き、レチクル（Ｒ）上のパターンを感光基板（２）上に
高精度に露光することができる。また、本発明による第
２の露光装置は、本発明の位置検出装置を備え、マスク
（Ｒ）上の転写用のパターンを、第１の保持部材（１
６）に支持された投影光学系（１）を介して感光基板
（２）上に転写露光する露光装置であって、その指標マ
ーク（３４）が形成された基準体（３５）と、その集光
光学系（３３，３９）中の少なくとも１つの光学部材
（３３）とを、その集光光学系（３３，３９）中の残り
の光学部材とは独立に支持する第２の保持部材（１４）
を備え、この第２の保持部材がその第１の保持部材（１
６）のその感光基板（２）側の面に固定され、その感光
基板（２）上の位置合わせ用マーク（３８）をその位置
検出マークとして、その位置検出装置を介してその感光
基板（２）上のその位置合わせ用マーク（３８）の位置
が検出され、この検出結果に基づいてそのマスク（Ｒ）
とその感光基板（２）との位置合わせが行われるもので
ある。

【００１６】斯かる本発明の第２の露光装置によれば、
第１の露光装置と同様の効果が得られると共に、指標マ
ーク（３４）が形成された基準体と、集光光学系（３
３，３９）中の少なくとも１つの光学部材（３３）と
は、その集光光学系の残りの光学部材から独立に支持す
る第２の保持部材（１４）に支持されているため、指標
マーク（３４）に対する投影光学系（１）や第１保持部
材（１６）の例えば熱的な変形や機械的振動の影響が軽
減される。従って、位置検出装置のドリフト安定性が向
上する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の第１
の例につき図１〜図６を参照して説明する。本例はレチ
クルのパターンをウエハ上の各ショット領域に一括露光
するステッパー型の投影露光装置に備えられたオフ・ア
クシス方式で、且つＦＩＡ方式のアライメントセンサに
本発明を適用したものである。

【００１８】図１は、本例のアライメントセンサの構成
を一部断面で示し、図２は本例の投影露光装置全体の概
略構成を示す。この図１において、露光時にはレチクル
Ｒ（図２参照）のパターンが投影光学系１を介してウエ
ハ２上の各ショット領域に転写される。以下、投影光学
系１の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、このＺ軸に垂直な
平面上で図１の紙面に平行にＹ軸、図１の紙面に垂直に
Ｘ軸を取り説明する。先ず、図２は図１をＹ方向に見た
側面図であり、この図２に示すように、ウエハ２は、不
図示のウエハホルダを介してＺチルトステージ３Ｚ上に
載置されている。Ｚチルトステージ３Ｚは内部の駆動系
により光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）へのウエハ２の移動、ウ
エハ２の傾斜、及び光軸ＡＸの回りでのウエハ２の回転
を行うことできる。また、Ｚチルトステージ３Ｚは、図
１のウエハステージ駆動系５により投影光学系１に対し
てＸ方向及びＹ方向に移動可能なＸＹステージ３ＸＹ上
に載置されている。このＸＹステージ３ＸＹ及びＺチル
トステージ３Ｚによりウエハステージ３が構成されてい
る。

【００１９】図１に戻り、ウエハステージ３の端部には
外部のレーザ干渉計４ａからのレーザビームを反射する
移動鏡４ｂが固定されており、レーザ干渉計４ａ及び移
動鏡４ｂによりウエハステージ３のＸ方向、Ｙ方向の位
置及び回転角が計測されている。レーザ干渉計４ａの位
置情報は、装置全体を統轄的に制御する中央制御系６に
供給されており、中央制御系６はこの位置情報に基づ
き、ウエハステージ駆動系５を介してウエハステージ３
の位置決め動作を制御する。

【００２０】また、図２に示すようにウエハ２の表面に
向けてピンホール像、あるいはスリット像を形成するた
めの検出光を光軸ＡＸに対して斜め方向に供給する照射
光学系９ａと、その検出光のウエハ２の表面での反射光
束よりピンホール像等を振動スリット上に再結像し、そ
の振動スリットを透過した光束を受光する受光光学系９
ｂとからなる斜入射方式の焦点位置検出系（以下、「焦
点位置検出系９ａ，９ｂ」という）が設置されている。
焦点位置検出系９ａ，９ｂはウエハ２の表面の投影光学
系１の最良結像面に対するＺ方向の位置偏差に対応する
フォーカス信号を中央制御系６に供給し、中央制御系６
はこのフォーカス信号に基づいてオートフォーカス方式
でＺチルトステージ３ＺをＺ方向に駆動する。なお、本
例では結像面が零点基準となるように予め受光光学系９
ｂ内の内部に設けられた不図示の平行平板ガラス（プレ
ーンパラレル）の角度が調整され、受光光学系９ｂから
のフォーカス信号が０になるようにオートフォーカスが
行われる。

【００２１】次に、本例のオフ・アクシス方式で且つＦ
ＩＡ方式のアライメントセンサの構成について説明す
る。図１に示すように、本例のアライメントセンサ１１
は、第１の光源２１等をケーシング１２内に配置して構
成され、本例の投影露光装置が収納されたチャンバの外
部に設置されたランプハウス部１１ａと、第２の光源２
６及び撮像素子４１，４２等をケーシング１３内に配置
して構成され、投影光学系１の下方側面に固定されたセ
ンサ本体部１１ｂと、第１対物レンズ３３、指標板３４
や落射プリズム３６等をケーシング１４内に配置して構
成され、投影光学系１の−Ｙ方向の端部の下部に固定さ
れた指標対物部１１ｃとから構成されている。投影光学
系１の鏡筒１５は、所定のコラム（不図示）に固定され
た投影光学系保持部１６に固定されている。投影光学系
保持部１６はインバール等の低熱膨張率の合金等の低熱
膨張材からなり、チャンバ内部の温度変動が投影光学系
１やアライメントセンサ１１にできるだけ影響を及ぼさ
ないように配慮されている。

【００２２】センサ本体部１１ｂのケーシング１３は複
数の支持フレーム（図１ではその内支持フレーム１７
ａ，１７ｂを示す）を介して投影光学系保持部１６の側
面部分１６ａに固定されている。また、指標対物部１１
ｃのケーシング１４は、投影光学系保持部１６と同様に
低熱膨張率の合金等の低熱膨張材から形成されており、
複数の支持フレーム（図１ではその内支持フレーム１８
ａ，１８ｂを示す）を介して投影光学系保持部１６の外
周に近い裏面部分１６ｂに固定されている。この場合、
アライメントセンサ１１の計測位置をできるだけ投影光
学系１の光軸ＡＸに近づけると共に、指標対物部１１ｃ
の複数の支持フレームをＹ軸に対称に配置することが重
要である。以下、投影光学系保持部１６の側面部分１６
ａを「Ｄ面」、投影光学系保持部１６の裏面部分１６ｂ
を「Ｃ面」として説明する。また、同様に投影光学系１
の鏡筒１５の裏面傾斜部分１５ａを「Ｂ面」、投影光学
系１の中央裏面部分１ａを「Ａ面」として説明する。

【００２３】先ず、アライメントセンサ１１を構成する
ランプハウス部１１ａに設置されたハロゲンランプ等か
らなる第１の光源２１より射出された広帯域波長の照明
光は、波長制限光学フィルター２２の作用により適当な
波長幅を有する可視照明光となる。その可視照明光より
なる照明光ＡＬ１は、次に集光レンズ２３により光ファ
イバー等からなるライトガイド２４の入射端面に集光さ
れる。ライトガイド２４の他端はケーシング１２から外
部に取り出されて、センサ本体部１１ｂのケーシング１
３の外側面を経てケーシング１３の内側に設置されてい
る。ライトガイド２４の射出端面から＋Ｙ方向に射出さ
れた照明光ＡＬ１は、コンデンサレンズ２５で集光さ
れ、照明光ＡＬ１の光路に対して４５°の傾斜角をもっ
て斜設されたダイクロイックミラー２８に入射する。

【００２４】ダイクロイックミラー２８は可視光を反射
し、赤外光を透過する波長選択性を有し、可視光である
照明光ＡＬ１はダイクロイックミラー２８で殆ど減光さ
れることなく下方に反射された後、視野絞り２９を均一
に照射する。なお、後述するように、ダイクロイックミ
ラー２８には、センサ本体部１１ｂ内に設置された第２
の光源２６から射出された赤外光よりなる照明光ＡＬ２
が、照明光ＡＬ１と直交する方向から入射している。視
野絞り２９を通過した照明光ＡＬ１は、リレーレンズ３
０で集光されて、照明光ＡＬ１の光路に対して４５°の
傾斜角で配設されたハーフプリズム３１に入射する。ハ
ーフプリズム３１のハーフミラー面で＋Ｙ方向に反射さ
れた照明光ＡＬ１は、次にケーシング１３の下部側面に
設けられた窓１３ａを通過した後、指標対物部１１ｃの
ケーシング１４の側面の窓１４ａを介してケーシング１
４の内部に入射する。

【００２５】次に、照明光ＡＬ１は、第１対物レンズ３
３の入射瞳面３２にライトガイド２４の射出端面の投影
像を形成した後、第１対物レンズ３３を透過して指標マ
ーク３４が形成された透明なガラス板からなる指標板３
５に入射する。指標板３５を通過した照明光ＡＬ１は、
落射プリズム３６により下方に偏向され、透明なガラス
板からなるコールドミラー３７に入射する。コールドミ
ラー３７の表面には可視光は透過するが、赤外光を反射
してしまうコールドミラー膜（以下、「ＣＭ膜」とい
う）３７ａが蒸着されており、可視光である照明光ＡＬ
１は殆ど減光されることなくコールドミラー３７を透過
する。この場合、第１対物レンズ３３、リレーレンズ３
０、及び落射プリズム３６等よりなる光学系の光軸を光
軸ＡＸ１とする。

【００２６】コールドミラー３７は、指標対物部１１ｃ
の内部に設けられた圧電素子等からなるコールドミラー
駆動素子４３により光軸ＡＸ１方向（Ｚ方向）へ微動で
きるように構成されており、コールドミラー駆動素子４
３は中央制御系６により制御されている。後述するよう
に、中央制御系６によりコールドミラー駆動素子４３を
介してコールドミラー３７の光軸ＡＸ１方向（Ｚ方向）
の位置が調整される場合がある。照明光ＡＬ１はコール
ドミラー３７を通過した後、第１対物レンズ３３の焦平
面に相当するウエハ２の表面上に配設された所定形状を
有するウエハマーク（ウエハ上のアライメントマーク）
３８にほぼ垂直に照射される。なお、ウエハ２上の照明
領域は視野絞り２９により所望の大きさに設定される。
また、ウエハマーク３８は１００μｍ角程度の大きさで
形成されており、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ数μｍの
ピッチで形成された２次元の格子状のパターン構造を持
つ。但し、ウエハマーク３８として１次元の格子状等の
パターンを使用してもよい。

【００２７】このウエハマーク３８に照射された照明光
ＡＬ１は、ウエハマーク３８で反射回折され、ウエハマ
ーク検出光ＬＢ１としてウエハ２上から光軸ＡＸ１に沿
って上方に戻っていく。ウエハマーク検出光ＬＢ１は、
再びコールドミラー３７に入射し、ＣＭ膜３７ａで殆ど
減光されることなくコールドミラー３７を透過後、落射
プリズム３６にて−Ｙ方向に偏向され、指標板３５を経
て、第１対物レンズ３３に入射する。ウエハマーク検出
光ＬＢ１により、第１対物レンズ３３の入射瞳面３２上
にはウエハマーク３８によるフラウンホーファ回折像が
形成される。指標板３５上には、ウエハマーク３８と同
程度の大きさの２次元（１次元も可）の位相格子状のパ
ターン構造を有する指標マーク３４が形成されており、
指標板３５は第１対物レンズ３３の近くに置かれてい
る。従って、ウエハマーク３８を照射する照明光ＡＬ１
及びウエハマーク３８からのウエハマーク検出光ＬＢ１
の指標板３５上における広がりは、ほぼ第１対物レンズ
３３の有効径、即ち十数ｍｍ程度である。それに対し
て、指標板３５上の指標マーク３４の大きさは１００μ
ｍ角前後と非常に小さく、面積比で言えば、１０^-4程度
である。従って、指標板３５を通過する照明光ＡＬ１は
指標マーク３４による遮光又は回折の影響を殆ど受ける
ことなく、ウエハマーク３８を均一に照射することが可
能である。また、ウエハマーク３８から戻ってくるウエ
ハマーク検出光ＬＢ１も同様に、指標板３５を通過する
際、指標マーク３４による遮光又は回折の影響を殆ど受
けないため、第１対物レンズ３３の入射瞳面３２のウエ
ハマーク３８のウエハマーク像に対する指標マーク３４
の影響は殆どない。

【００２８】第１対物レンズ３３の入射瞳面３２から射
出されたウエハマーク検出光ＬＢ１はハーフプリズム３
１を通過し、第２対物レンズ３９に入射する。第２対物
レンズ３９にて集光されたウエハマーク検出光ＬＢ１は
ダイクロイックミラー４０に入射する。ダイクロイック
ミラー４０は前述のダイクロイックミラー２８と同様に
可視光を反射し、赤外光を透過する波長選択性を有し、
ウエハマーク検出光ＬＢ１は、ダイクロイックミラー４
０で殆ど減光されることなく反射され、２次元ＣＣＤ等
からなる２次元の撮像素子４１の撮像面上にウエハマー
ク３８のウエハマーク像を形成する。なお、ウエハマー
ク３８が１次元のマークであれば、撮像素子４１も１次
元ＣＣＤ等でよい。このウエハマーク３８のウエハマー
ク像は指標マーク３４による「けられ」の影響を殆ど受
けることがなく、理想結像と見なせる。従って、そのウ
エハマーク像よりウエハマーク３８の位置が正確に検出
される。ウエハマーク３８のウエハマーク像の光強度は
撮像素子４１で電気信号に変換されて、中央制御系６に
供給される。

【００２９】一方、センサ本体部１１ｂ内の第２の光源
２６より射出された赤外光よりなる照明光ＡＬ２はコン
デンサレンズ２７で集光され、ダイクロイックミラー２
８を殆ど減光されることなく透過し、視野絞り２９を通
過してリレーレンズ３０により集光されてハーフプリズ
ム３１に入射する。光源２６は、光源２６を光軸ＡＸ１
方向（Ｚ方向）に垂直な方向へ微動できるように支持さ
れている。後述するように、光源２６の光軸ＡＸ１に垂
直な方向の位置を変化させることにより照明光ＡＬ２の
テレセントリック性が調整される。

【００３０】なお、その光源２６もセンサ本体部１１ｂ
の外部に配置して、可視光である照明光ＡＬ１と同様に
ライトガイド等を介して赤外光の照明光ＡＬ２をセンサ
本体部１１ｂに導入するようにしてもよい。ハロゲンラ
ンプ等の発熱源をセンサ本体部１１ｂの外部に配置する
ことは、高精度の位置決めを行う上で不可欠の方法であ
る。

【００３１】図３は、照明光ＡＬ２の光路を詳細に説明
するための光路図を示し、この図３に示すように、ハー
フプリズム３１に入射した照明光ＡＬ２は、ハーフプリ
ズム３１で反射され、第１対物レンズ３３の入射瞳面３
２に図１の光源２６の投影像を形成する。第１対物レン
ズ３３から射出された照明光ＡＬ２の光束の径は第１対
物レンズ３３の有効径とほぼ等しい数十ｍｍ程度であ
り、第１対物レンズ３３の直後に配置された指標板３５
上の１００μｍ前後の大きさの指標マーク３４を均一に
照射することは十分可能である。指標マーク３４のパタ
ーン構造は、ウエハマーク３８と同程度の周期性のある
凹部と凸部とで透過光の位相が１８０゜異なる２次元
（１次元も可）の位相パターンである。従って、照明光
ＡＬ２の内この指標マーク３４を照射した光束は透過回
折されて、殆どが±１次の４つ（１次元マークの場合に
は２つ）の回折光束にだけ変換された指標マーク検出光
ＬＢ２となる。

【００３２】赤外光よりなる指標マーク検出光ＬＢ２は
指標板３５を通過後、落射プリズム３６により下方に偏
向され、コールドミラー３７上に照射される。コールド
ミラー３７表面に蒸着されたＣＭ膜３７ａは、前述のよ
うに可視光は透過し、赤外光は反射する光学的性質を有
している。従って、コールドミラー３７のＣＭ膜３７ａ
で殆ど減光されることなく反射された指標マーク検出光
ＬＢ２は、再度落射プリズム３６に戻って−Ｙ方向に偏
向され、指標マーク３４に影響されることなく指標板３
５を通過し、第１対物レンズ３３に再入射する。指標マ
ーク検出光ＬＢ２によって、第１対物レンズ３３の入射
瞳面３２には指標マーク３４によるフラウンホーファ回
折像が形成される。なお、前述のようにＣＭ膜３７ａが
形成されたコールドミラー３７はコールドミラー駆動素
子４３により光軸ＡＸ１方向（Ｚ方向）の位置が調整可
能に構成されており、コールドミラー３７の光軸ＡＸ１
方向の位置を変化させることにより、実質的に指標マー
ク３４の光軸ＡＸ１方向の位置が調整される。

【００３３】この場合、指標マーク３４から落射プリズ
ム３６の反射面までの光路長をＤ₂、落射プリズム３６
の反射面からコールドミラー３７のＣＭ膜３７ａまでの
光路長をＤ₁とすれば、指標マーク３４からＣＭ膜３７
ａまでの光軸ＡＸ１に沿った光路長Ｌ₁（＝Ｄ₁＋
Ｄ₂）と、ウエハ表面からコールドミラー３７のＣＭ膜
３７ａ面までの光軸ＡＸ１に沿った光路長Ｌ₂とがほぼ
等しくなるようにコールドミラー３７や指標板３５の位
置が設定されている。従って、第１対物レンズ３３から
みれば、ウエハ表面上に指標マーク３４が存在するよう
に見える。即ち、第１対物レンズ３３にとって指標マー
ク３４は第１対物レンズ３３の焦平面上にあるのと等価
である。

【００３４】第１対物レンズ３３から射出された指標マ
ーク検出光ＬＢ２はハーフプリズム３１を通過し、第２
対物レンズ３９に入射する。第２対物レンズ３９により
集光された指標マーク検出光ＬＢ２は、ダイクロイック
ミラー４０を殆ど減光されることなく透過し、指標マー
ク３４用の２次元ＣＣＤからなる２次元の撮像素子４２
の撮像面上に指標マーク３４の指標マーク像を形成す
る。なお、指標マーク３４が１次元マークであれば、撮
像素子４２も１次元ＣＣＤ等でよい。指標マーク３４の
指標マーク像の光強度は撮像素子４２により電気信号に
変換され、中央制御系６に供給される。なお、撮像素子
４２はダイクロイックミラー４０にできるだけ近接して
配置される。また、指標マーク３４の指標マーク像の撮
像素子４２への合焦は、指標板３５、コールドミラー３
７、及び撮像素子４２等の配置を変更して行う。

【００３５】指標マーク３４の指標マーク像は、指標マ
ーク３４自身によるけられの影響を殆ど受けることはな
く、指標マーク３４の位置情報を正確に有している。し
かし、指標マーク検出光ＬＢ２が落射プリズム３６を２
度通過することによって生じる補正不足の球面収差の影
響を受けて、やや像のコントラストが低下する。そこ
で、球面収差への対処方法として、ダイクロイックミラ
ー４０と撮像素子４２との間の光路上に球面収差の補正
用の非球面レンズ等を用いた球面収差補正手段を設けて
もよい。また、例えば図４（ａ）に示す構成により指標
マーク検出光ＬＢ２の球面収差を抑制することができ
る。

【００３６】図４（ａ）は、球面収差を補正するための
構成例を示し、この図４（ａ）の例では、落射プリズム
３６の代わりに偏向ミラー３６Ａを採用し、指標板３５
とコールドミラー３７とのガラス板の厚さをほぼ等しく
している。これによって、指標マーク検出光ＬＢ２もウ
エハマーク検出光ＬＢ１と同じ収差条件となり、撮像素
子４１，４２のそれぞれの撮像面におけるウエハマーク
３８のウエハマーク像、及び指標マーク３４の指標マー
ク像は共にほぼ理想結像となる。この場合、指標マーク
３４から偏光ミラー３６Ａの反射面までの光路長を
Ｄ₄、偏光ミラー３６Ａの反射面からコールドミラー３
７のＣＭ膜３７ａまでの光路長をＤ₃とすれば、指標マ
ーク３４からＣＭ膜３７ａまでの光軸ＡＸ１に沿った光
路長Ｌ₅（＝Ｄ₃＋Ｄ₄）と、ウエハ表面からコールド
ミラー３７のＣＭ膜３７ａ面までの光軸ＡＸ１に沿った
光路長Ｌ₃とがほぼ等しくなるようにコールドミラー３
７や指標板３５の位置を設定する。

【００３７】また、図１及び図４（ａ）の例では、指標
板３５やコールドミラー３７を用いているが、図４
（ｂ）に示す如く図１の落射プリズム３６の代わりに、
第１対物レンズ３３に対向する表面に図１の指標マーク
３４と同様の指標マーク３４Ａが形成され、ウエハマー
ク３８に対向する表面にＣＭ膜３７ａと同様のＣＭ膜３
７ｂが蒸着された落射プリズム３６Ｂを使用してもよ
い。この場合、落射プリズム３６Ｂの指標マーク３４Ａ
から反射面までの光路長をＤ₆、その反射面からＣＭ膜
３７ｂまでの光路長をＤ₅とすれば、指標マーク３４Ａ
からＣＭ膜３７ｂまでの光軸ＡＸ１に沿った光路長Ｌ₆
（＝Ｄ₅＋Ｄ₆）と、ウエハ表面からＣＭ膜３７ｂまで
の光軸ＡＸ１に沿った光路長Ｌ₄とがほぼ等しくなるよ
うに落射プリズム３６Ｂ等の大きさや位置を設定する。
この方法によれば、指標板やコールドミラー等の光学部
品が削減され、製造コストが低下するほか、光路中の境
界面の減少によりフレアの低減が期待できる。更に、熱
変動や機械的変動の影響を受ける部品が減少するため、
部品のシフト等による影響が軽減される。なお、図１及
び図４（ａ）、（ｂ）の例では、指標マーク３４，３４
Ａのパターン構造は凸部と凹部での透過光の位相が１８
０゜異なる位相パターンとしてきたが、明暗のライン・
アンド・スペースパターン等であってもよい。

【００３８】図１に戻り、中央制御系６は撮像素子４
１，４２からそれぞれ供給されたウエハマーク３８のウ
エハマーク像及び指標マーク３４の指標マーク像の各々
の電気信号、及びレーザ干渉計４ａからのウエハステー
ジ３の位置情報を演算処理することで、指標マーク３４
の指標マーク像の中心に対するウエハマーク３８のウエ
ハマーク像の中心の２次元的な位置ずれを検出する。ま
た、撮像素子４１，４２の撮像面での像とウエハ２の表
面との間の倍率は予め分かっているため、その位置ずれ
量がウエハ２上での位置ずれ量に換算される。そして、
この換算された位置ずれ量に、その計測時点でのレーザ
干渉計４ａの計測値を加算することによって、ウエハマ
ーク３８のステージ座標系（ウエハステージ３の位置を
示す座標系）での２次元の位置が算出される。この場
合、指標マーク３４の指標マーク像の中心にウエハマー
ク３８のウエハマーク像の中心が合致しているときの、
そのウエハマーク３８の中心の位置をアライメントセン
サ１１の計測中心とみなすことができる。

【００３９】ウエハ２上には複数のショット領域が形成
されており、それらの各ショット領域にはそれぞれウエ
ハマーク３８と同様のウエハマークが所定の位置に形成
されている。それらのショット領域のウエハマークが順
次アライメントセンサ１１の検出領域に入るようにウエ
ハステージ３を移動させ、指標マーク３４に対する位置
ずれ量を検出すると共に、ウエハステージ３の位置をレ
ーザ干渉計４ａで検出することにより、当該ショット領
域のウエハマークのステージ座標系での位置を検出する
ことができる。

【００４０】また、本例の投影露光装置には、図２に示
すように装置周辺の環境温度及び大気圧を測定する環境
センサが設けられている。例えばＦＩＡ方式のアライメ
ントセンサ１１の指標対物部１１ｃのケーシング１４の
周囲の温度を計測する温度センサＴＧ２やウエハ２上の
環境温度を測定する温度センサＴＧ１等の温度センサ、
及び装置周辺の大気圧を測定する気圧センサＰＧ等が設
置されており、それらの温度センサ及び気圧センサ等の
出力信号が常時信号処理装置６ａに供給されている。信
号処理装置６ａはそれらの出力信号より温度及び気圧を
求めて、中央制御系６に供給する。

【００４１】本例では、一例として露光に際しウエハ２
上から選択された所定個数のショット領域（サンプルシ
ョット）に付設されたウエハマークの座標位置をアライ
メントセンサ１１を用いて計測し、この計測結果を統計
処理してウエハ２上の各ショット領域の配列座標を算出
するエンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧ
Ａ）方式により各ショット領域のアライメントが行われ
る。また、例えばウエハステージ３上の不図示の基準マ
ーク部材を使用することによって、レチクルＲのパター
ンの投影光学系１を介した投影像の中心（露光中心）
と、アライメントセンサ１１の計測中心（指標マーク３
４の像の中心）との位置ずれ量であるベースライン量は
計測されているので、中央制御系６は各ショット領域の
配列座標をそのベースライン量で補正した座標に基づい
て、ウエハステージ３を位置決めする。以上の動作によ
り、ウエハ２の各ショット領域はそれぞれレチクルＲの
パターンの投影像に対して正確に位置決めすることがで
き、この状態で露光を行うことによって、各ショット領
域について高い重ね合わせ精度が得られる。

【００４２】次に、本例のアライメントセンサ１１の動
作について説明する。本例のアライメントセンサ１１
は、従来のＦＩＡ方式のアライメントセンサに比較して
次のような特徴を有している。先ず第１に、センサ本体
部１１ｂと指標対物部１１ｃとが分離されている。図５
（ａ）は、本例の図１のアライメントセンサ１１を裏面
側から見た構成を示し、図５（ｂ）は従来のＦＩＡ方式
のアライメントセンサを裏面側から見た構成を示す。図
５（ｂ）に示すように、従来のアライメントセンサはセ
ンサ本体部と対物部とが分離されておらず、センサ本体
部と指標対物部とが一体化されたセンサ本体５１が投影
光学系保持部１６のＤ面に支持フレーム５２ａ，５２ｂ
を介して固定されている。この場合、センサ本体５１の
熱変形がベースライン変動に大きな影響を与えるため、
センサ本体５１のケーシングは低熱膨張材で形成されて
いる。

【００４３】これに対して本例のアライメントセンサ１
１は、図５（ａ）に示すように、指標対物部１１ｃがセ
ンサ本体部１１ｂと分離されている。そして、センサ本
体部１１ｂは支持フレーム１７ａ，１７ｃを介して投影
光学系保持部１６のＤ面に固定されている。一方指標対
物部１１ｃはセンサ本体部１１ｂの＋Ｙ方向の端部から
少し離れた位置から投影光学系１の光軸ＡＸに向けて配
置されており、Ｙ軸に平行で光軸ＡＸを通る軸に対称に
配置された支持フレーム１８ａ〜１８ｄを介して投影光
学系保持部１６のＣ面に固定されている。

【００４４】第２の特徴として、図１に示すように、指
標マーク３４が第１対物レンズ３３とウエハマーク３８
との間に配置されている。そして、第３の特徴として、
指標マーク３４からの指標マーク検出光ＬＢ２と、ウエ
ハマーク３８からのウエハマーク検出光ＬＢ１とが撮像
素子４１，４２に入射する直前で分離されている。以上
の３つの特徴により以下のような作用効果が得られる。

【００４５】先ず、通常投影光学系保持部１６のＤ面１
６ａが伸縮して移動したり、センサ本体部１１ｂが移動
及び変形した場合には、ベースライン量に変動が生ず
る、所謂ベースライン変動の要因となる。しかし、本例
ではウエハマーク検出光ＬＢ１及び指標マーク検出光Ｌ
Ｂ２はセンサ本体部１１ｂのダイクロイックミラー４０
以降の光路を除き、ほぼ同一の光路を通る。従って、撮
像素子４２の撮像面における指標マーク３４の指標マー
ク像と、撮像素子４１の撮像面におけるウエハマーク３
８のウエハマーク像とは、ほぼ等しいドリフト量で変位
することになり、Ｄ面の伸縮及びセンサ本体部１１ｂの
移動や変形はベースライン変動の要因とはならない。言
い換えると、指標対物部１１ｃとウエハマーク３８とが
静止していさえすれば、指標マークの像とウエハマーク
３８の像との位置ずれ量は殆ど変化せず、「ドリフト安
定性」が極めて高くなる。

【００４６】また、ウエハマーク検出光ＬＢ１及び指標
マーク検出光ＬＢ２がほぼ同一の光路を進むことによ
り、光路中の機械的振動や空気揺らぎの影響を同等に受
けることになるため、指標マーク３４の指標マーク像及
びウエハマーク３８のウエハマーク像の撮像面上の検出
位置も同等に揺らぐことになる。従って、指標マーク３
４を基準としてウエハマーク３８の位置を検出する、所
謂両者の差分を計測する場合には、計測再現性の上で有
利である。更に、センサ本体部１１ｂのケーシング１３
を一般的に高価で加工の難しい低熱膨張合金等の低熱膨
張材で構成しなくてもよいため、コストも低く抑えるこ
とができる。

【００４７】更に、センサ本体部１１ｂに起因するベー
スライン変動の発生源が大幅に削減され、ベースライン
変動の発生要因としては、例えば指標対物部１１ｃが固
定されているＣ面（１６ｂ）の水平方向への伸縮に伴う
ウエハマーク３８に対する指標マーク３４の位置のドリ
フト、及び指標対物部１１ｃの内部変形に伴うウエハマ
ーク３８に対する指標マーク３４のドリフトが主なもの
となる。この場合、指標対物部１１ｃ自体が元々小さい
ため、指標対物部１１ｃの内部変形も小さくなる。従っ
て、指標マーク３４のドリフトも極めて小さい。その
上、指標対物部１１ｃ内において、熱変動の影響を受け
てドリフトに大きな影響を与える光学部材は落射プリズ
ム３６を支持するケーシング１４であり、このケーシン
グ１４の熱変形により、落射プリズム３６がピッチン
グ、ローリング、及びヨーイング等により変位した場合
のベースライン変動は、以下に説明するように減少す
る。この理由について図４（ｂ）の落射プリズム３６Ｂ
を使用した場合の動作を例にとり説明する。

【００４８】図６は、図４（ｂ）の落射プリズム３６Ｂ
が変位した場合のベースライン変動を説明するための図
を示し、図６（ａ）は、指標対物部１１ｃとウエハ２と
の位置関係を示す斜視図、図６（ｂ）〜図６（ｇ）は、
それぞれ落射プリズム３６Ｂのピッチング、ローリン
グ、ヨーイング、上下移動（Ｚ方向への移動）、横移動
（Ｘ方向への移動）、及び前後移動（Ｙ方向への移動）
の状態を示している。図６（ａ）において、第１対物レ
ンズ３３、指標マーク３４Ａ及びＣＭ膜３７ｂが形成さ
れた落射プリズム３６Ｂ等をケーシング１４内に含む指
標対物部１１ｃが、ウエハマーク３８が形成されたウエ
ハ２上に設置されている。ウエハマーク３８を照明する
照明光ＡＬ１及びウエハマーク検出光ＬＢ１（図１参
照）は、落射プリズム３６Ｂの底部中央に対応するケー
シング１４に設けられた開口部１４ａを通過するように
なっている。ここで落射プリズム３６Ｂにケーシング１
４の熱変形に伴う圧力が加えられた場合、矢印４５Ａ〜
４５Ｅに示すようにピッチング、ローリング、ヨーイン
グ、上下移動、横移動、及び前後移動等の現象が生じ、
指標マーク３４Ａ及びウエハマーク３８の像のドリフト
が生じる。以下、ピッチング及びローリング等により生
ずる指標マーク３４Ａ及びウエハマーク３８の像のドリ
フト量をそれぞれ、ΔＸ_TM及びΔＸ_WMとし、ウエハマー
ク３８の像のドリフト量ΔＸ_WMと指標マーク３４Ａのド
リフト量ΔＸ_TMとの差分をΔＤとして説明する。

【００４９】従来は、指標マークが第１対物レンズ３３
とウエハマーク３８との間に設置されておらず、落射プ
リズムがピッチングやローリング等で変位した場合、横
移動の場合を除き、ウエハマークの像のドリフト量ΔＸ
_WMがそのままウエハマークと指標マークとの間のドリフ
ト量ΔＤとなっていたが、本例の場合は、指標マーク３
４Ａが第１対物レンズ３３とウエハマーク３８との間に
設置されているために、以下に説明するようにウエハマ
ーク３８の像と指標マーク３４Ａとの間のドリフト量Δ
Ｄは従来に比較して減少する。

【００５０】図６（ｂ）の点線で示すように、落射プリ
ズム３６Ｂがピッチングにより変位した場合、ウエハマ
ーク３８の像のドリフト量ΔＸ_WM、と指標マーク３４Ａ
のドリフト量ΔＸ_WMとの間には次の関係式が成立する。 ΔＸ_WM＝２ΔＸ_TM， ΔＤ＝ΔＸ_WM−ΔＸ_TM＝ΔＸ_WM／２従って、ドリフト量ΔＤは従来に比較して半減する。

【００５１】また、図６（ｃ）に示すように、落射プリ
ズム３６Ｂがローリングにより変位した場合のウエハマ
ーク３８のドリフト量ΔＸ_WM、と指標マーク３４Ａのド
リフト量ΔＸ_WMとの間には次の関係式が成立する。 ΔＸ_TM＝０， ΔＤ＝ΔＸ_WM−ΔＸ_TM＝ΔＸ_WM この場合、ドリフト量ΔＤは変わらない。

【００５２】また、図６（ｄ）に示すように、落射プリ
ズム３６Ｂがヨーイングにより変位した場合、ウエハマ
ーク３８のドリフト量ΔＸ_WM、と指標マーク３４Ａのド
リフト量ΔＸ_WMとの間には次の関係式が成立する。 ΔＸ_WM＝ΔＸ_TM， ΔＤ＝ΔＸ_WM−ΔＸ_TM＝０従って、ドリフト量ΔＤは殆ど０となる。

【００５３】また、図６（ｅ）に示すように、落射プリ
ズム３６Ｂが上下移動した場合、ウエハマーク３８のド
リフト量ΔＸ_WM、と指標マーク３４Ａのドリフト量ΔＸ
_WMとの間には次の関係式が成立する。 ΔＸ_WM＝ΔＸ_TM， ΔＤ＝ΔＸ_WM−ΔＸ_TM＝０この場合、ドリフトは生じなくなる。

【００５４】また、図６（ｆ）に示すように、落射プリ
ズム３６Ｂが横移動した場合、ウエハマーク３８のドリ
フト量ΔＸ_WM、と指標マーク３４Ａのドリフト量ΔＸ_WM
との間には次の関係式が成立する。 ΔＸ_WM＝０， ΔＤ＝ΔＸ_WM−ΔＸ_TM＝−ΔＸ_TM この場合、従来はドリフトは生じていないが、本例では
ドリフトが生じる。しかし、通常の場合落射プリズム３
６Ｂの横移動は殆ど生じることがなく、これにより本例
の効果が減殺されることはない。

【００５５】また、図６（ｇ）に示すように、落射プリ
ズム３６Ｂが前後移動した場合、ウエハマーク３８のド
リフト量ΔＸ_WM、と指標マーク３４Ａのドリフト量ΔＸ
_WMとの間には次の関係式が成立する。 ΔＸ_TM＝０ ΔＤ＝ΔＸ_WM−ΔＸ_TM＝ΔＸ_WM この場合は従来と変わらない。

【００５６】以上のように、指標マーク３４Ａを第１対
物レンズ３３とウエハマーク３８との間に配置する構造
的な優位性がここにも表れていることが分かる。なお、
以上では説明の都合上、図４（ｂ）の落射プリズム３６
Ｂを例に取り説明したが、図１の構成においても同様の
結果を得ることができる。即ち、指標マーク３４が形成
された指標板３５は落射プリズム３６の極近傍に配置さ
れているため、指標板３５及び落射プリズム３６に対す
るケーシング１４の熱変形圧力の影響はほぼ同様のもの
となり、指標板３５は落射プリズム３６と同様な変位を
行う。従って、指標マーク３４とウエハマーク３８との
ドリフト量は、図４（ｂ）の場合と同様であると考えて
よい。

【００５７】以上、指標対物部１１ｃのケーシング１４
を低熱膨張材で構成しなくともベースライン変動は大幅
に減少する。しかし、本例の場合は指標対物部１１ｃの
ケーシング１４を低熱膨張材で構成しているため、ケー
シング１４の熱変形に伴うベースライン変動は殆ど生じ
ない。しかし、必要であれば指標対物部１１ｃのみに遮
風、断熱、及び空調等の対策を施せばよい。投影光学系
１の裏面のＣ面の伸縮で問題となるのは、Ｙ方向へのド
リフトのみである。指標対物部１１ｃの固定方法の対称
性から考えて、指標対物部１１ｃはＸ方向には殆どドリ
フトすることはない。そこで、投影光学系保持部１６の
裏面側の特にＣ面（１６ｂ）周辺を集中的に温調する方
法も有効である。また、本例では図２で説明したよう
に、指標対物部１１ｃの近傍に温度センサＴＧ２を設置
して、その温度センサＴＧ２によりＣ面周辺の温度を測
定している。従って、その温度変化から指標対物部１１
ｃのドリフト量を予測することができる。

【００５８】このように、アライメントセンサ１１にお
いて熱の発生に伴うドリフトの発生箇所を大幅に削減
し、かつ限定できるので、低熱膨張材の利用や部分温調
及び温度モニターによる予測制御といった手法を無駄な
く有効に用いることが可能となり、アライメントセンサ
１１において、熱変動に伴うベースライン変動量を極め
て小さくでき、アライメント精度を大幅に向上させるこ
とができる。また、ベースラインチェックを頻繁に繰り
返す必要がないため、スループット（生産性）が向上す
る利点もある。

【００５９】なお、指標マーク３４に対する照明光ＡＬ
２のテレセントリック性（以下、単に「テレセン」とい
う）の調整は非常に厳密に実施する必要がある。アライ
メントセンサ１１周辺の重要な環境変動には、熱的なも
の以外に大気圧の変化がある。顕著な大気圧変化がある
場合には、撮像素子４１，４２上でのウエハマーク３８
のウエハマーク像や指標マーク３４の指標マーク像が撮
像素子４１，４２の撮像面に対してデフォーカスする。
この場合、ウエハマーク３８のウエハマーク像や指標マ
ーク３４の指標マーク像の撮像面に対するテレセンが崩
れなければ像シフトは生じないが、テレセンずれが生じ
ていれば像シフトを生じてしまう。ウエハマーク３８に
関して言えば、ウエハマーク３８に対する照明光ＡＬ１
のテレセンが多少崩れていても、図２の気圧センサＰＧ
等により大気圧変化を検出して、ウエハマーク３８のウ
エハマーク像が撮像素子４１に対して常に焦点が合うよ
うに、ウエハマーク３８の垂直方向の位置を図２の焦点
位置検出系９ａ，９ｂにより検出して、中央制御系６に
よりＺチルトステージ３Ｚを駆動して調整すれば、大気
圧の変動に対してウエハマーク３８の像シフトがないよ
うに補正することができる。

【００６０】一方、指標マーク３４に関しては、以下の
ように照明光ＡＬ２のテレセン調整を厳密に行って像シ
フトを防ぐようにする。先ず、光軸ＡＸ１に沿って上下
可能なウエハマーク３８に対してＺチルトステージ３Ｚ
を駆動して照明光ＡＬ１のテレセン調整を行う。次に、
上下駆動できない指標マーク３４に対してのテレセン調
整を次のように行う。先ず、ウエハマーク３８に対して
テレセン調整が完了している照明光ＡＬ１の光源像を、
第１対物レンズ３３の入射瞳面３２上で観察し、この照
明光ＡＬ１の光源像に対して赤外光である照明光ＡＬ２
の光源像を合わせ込むように、光源２６の位置を光軸Ａ
Ｘ１に対して垂直な面上で微調整する。このようにすれ
ば、照明光ＡＬ２の指標マーク３４に対するテレセンが
完全に調整されているので、大気圧変動が生じても検出
基準となる撮像素子４２上の指標マーク３４の指標マー
ク像はドリフトすることがなく、ウエハマーク３８の位
置を高精度に検出できる。なお、入射瞳面３２の共役位
置でそれらの光源像を観察してもよい。

【００６１】また、図２の気圧センサＰＧ及び図１のコ
ールドミラー駆動素子４３等を利用して、ウエハマーク
３８の場合と同じように、指標マーク３４にも大気圧変
動に対する撮像素子４１上の指標マーク像のフォーカス
の自動調整を行えば、大気圧変動に伴うテレセンのオフ
セット発生を防ぐことができる。設計値で求めた大気圧
変化に伴う指標マーク像のフォーカス変化量と気圧セン
サＰＧにより求めた大気圧変動量とに基づいて、中央制
御系６の指令により、例えばＣＭ膜３７ａが形成された
コールドミラー３７を駆動するコールドミラー駆動素子
４３を介してＣＭ膜３７ａの高さ位置（光軸に沿った方
向の位置）を調整すれば、指標マーク３４の指標マーク
像も常にベストフォーカス位置に保つことができる。ま
た、大気圧変動に伴う撮像素子４１上の指標マーク３４
の指標マーク像の位置シフトの変化率を予め計測して中
央制御系６に記憶させ、気圧センサＰＧにより求めた大
気圧変動量から指標マーク３４の像の検出位置に与える
べきオフセットを計算することで、検出基準となる指標
マーク３４の像の位置を常に気圧変化に対して補正をか
けて安定して測定することもできる。

【００６２】次に、本発明の実施の形態の第２の例につ
いて図７を参照して説明する。本例は、ウエハマーク３
８のウエハマーク像と指標マーク３４の指標マーク像と
を空間的に分離せず、時間的に分離して検出するもので
ある。基本的な構成は図１の第１の例と同様であり、図
７において図１に対応する部分には同一符号を付して、
その詳細説明を省略する。

【００６３】本例のアライメントセンサ６１では、ウエ
ハマーク３８を検出するための可視光である照明光ＡＬ
１をセンサ本体部１１ｂに供給するランプハウス部６１
ａ内のライトガイド１４の入射端手前に、回転シャッタ
ー５３及び回転シャッター５３を駆動する駆動機構５３
ａを設けている。また、ウエハマーク３８からのウエハ
マーク検出光ＬＢ１を受光するための撮像素子と指標マ
ーク３４からの指標マーク検出光を受光するための撮像
素子とを別々に設けず、１つの撮像素子４１Ａで受光す
るようになっている。他の構成は図１の第１の例と同様
である。回転シャッター５３は駆動機構５３ａを介して
中央制御系６により開閉制御されており、ウエハマーク
３８の検出が断続的に行われる。一方、指標マーク３４
を検出する赤外光よりなる照明光ＡＬ２を供給するため
にセンサ本体部１１ｂに設置された光源２６は、中央制
御系６によりオン・オフ制御されており、指標マーク３
４の検出が断続的に行われるようになっている。以下、
本例のアライメントセンサ６１の動作につき説明する。

【００６４】ウエハステージ３のステッピングに伴って
ウエハマーク３８がアライメントセンサ６１の計測領域
に到達したときには、中央制御系６は赤外の光源２６を
消灯する。中央制御系６は同時に、ランプハウス部６１
ａの駆動機構５３ａを介して回転シャッター５３を開
き、ウエハマーク３８に照明光ＡＬ１を照射して、ウエ
ハマーク検出光ＬＢ１を撮像素子４１Ａで受光する。撮
像素子４１Ａからは、ウエハマーク３８の位置に対応す
る電気信号が中央制御系６に供給される。次に、別のウ
エハマークの位置に移動するためにウエハステージ３が
ステッピングを開始するに伴って、中央制御系６は光源
２６を点灯し、同時に回転シャッター５３を閉じて、指
標マーク３４に照明光ＡＬ２を照射し、指標マーク検出
光ＬＢ２を撮像素子４１Ａで受光する。撮像素子４１Ａ
からは、指標マーク３４の位置に対応する電気信号が中
央制御系６に供給される。ＥＧＡ方式のアライメントに
おいて、この一連の動作を繰り返し行うことで、指標マ
ーク３４に対する各ショット領域（サンプルショット）
の座標位置を計測することができる。

【００６５】なお、指標マーク３４の位置の検出は、ウ
エハステージ３のステッピング毎に行わなくてもよい。
例えば、指標マーク３４の検出を最初のサンプルショッ
ト計測時と、最後のサンプルショット計測時との２回だ
け行って、２回の測定値の平均値を取るようにしてもよ
い。更には、適当なショット領域間をステッピング中の
一回だけの測定値により指標マーク３４の位置を決定し
てもよい。

【００６６】本例によれば、図１の第１の例の利点に加
えて、撮像素子や他の光学機器等の光学部品点数が削減
されコストが低減する利点がある。次に、本発明による
実施の形態の第３の例について図８（ａ）を参照して説
明する。本例は、図１の指標マーク３４と同様の指標マ
ーク３４Ｂを落射プリズム３６とウエハ２との間に設
け、その指標マーク３４Ｂをコールドミラー３７の上面
に形成すると共に、コールドミラー３７の裏面側にＣＭ
膜３７ｂを形成したものである。その他の構成は図１の
例と同様であり、図８（ａ）において、図１に対応する
部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。

【００６７】図８（ａ）は、本例の概略構成を示し、こ
の図８（ａ）において、指標マーク３４Ｂはウエハ２の
直上に配置されたコールドミラー３７の上面に形成され
ている。コールドミラー３７のウエハ２側にはＣＭ膜３
７ｂが形成されており、指標マーク３４Ｂを照射した赤
外光である照明光ＡＬ２はＣＭ膜３７ｂで反射されて、
指標マーク検出光ＬＢ２として撮像素子４２側に戻る構
成となっている。また、照明光ＡＬ２の光路中のコンデ
ンサレンズ２７とダイクロイックミラー２８との間に指
標マーク３４Ｂ用の視野絞り２９Ｂを設け、照明光ＡＬ
１の光路中のコンデンサレンズ２５とダイクロイックミ
ラー２８との間にウエハマーク３８用の視野絞り２９Ａ
を設けている。このように、指標マーク３４Ｂ用の視野
絞り２９Ｂとウエハマーク３８用の視野絞り２９Ａとを
各々別々に有することで、指標マーク３４Ｂ及びウエハ
マーク３８のみをそれぞれ赤外光である照明光ＡＬ２及
び可視光である照明光ＡＬ１により限定的に照射するこ
とができる。

【００６８】コールドミラー３７の裏面側に形成された
ＣＭ膜３７ｂから指標マーク３４Ｂまでの光路長Ｌ₅と
コールドミラー３７のＣＭ膜３７ｂからウエハマーク３
８までの光路長Ｌ₆とは同じ長さに設定されており、指
標マーク３４Ｂは第１対物レンズ３３の焦平面上にあ
る。指標マーク検出光ＬＢ２の進行方向を撮像素子４２
側へ偏向（反射）する機能は図１の例と同様にＣＭ膜３
７ｂが有している。この場合の指標マーク３４ＢとＣＭ
膜３７ｂとの光学的な距離は、指標マーク検出光ＬＢ２
をけらないだけの小さな間隔を確保すればよい。

【００６９】本例においては、指標マーク３４Ｂをウエ
ハマーク３８のできるだけ近くの直上に配置し、指標マ
ーク検出光ＬＢ２とウエハマーク検出光ＬＢ１との光路
を早めに合成して、共通化することで、指標マーク検出
光ＬＢ２とウエハマーク検出光ＬＢ１とに対する空気揺
らぎや機械的な振動の影響をできるだけ近い状態にす
る。これにより、アライメントセンサのドリフト安定性
が更に向上して、ウエハマーク３８の位置検出の計測再
現性が向上する。また、熱変動の影響の大きい落射プリ
ズム３６の変位による影響は、ウエハマーク３８と指標
マーク３４とが同時に受けることになり、落射プリズム
３６の変位による指標マーク検出光ＬＢ２とウエハマー
ク検出光ＬＢ１とのベースラインドリフトは生じない。
従って、第１の例で述べたピッチング、ローリング、ヨ
ーイング等の影響を全てなくすことができる。

【００７０】次に、第３の例のように落射プリズム３６
よりウエハ２側に指標マークを配置した、２つの変形例
について図８（ｂ）及び図８（ｃ）を参照して説明す
る。基本的な構成は図８（ａ）の例と同様である。図８
（ｂ）は、第３の例に対する第１の変形例の概略構成を
示し、この図８（ｂ）に示すように、本例においては、
指標マーク３４Ｂを照射するために赤外光を射出する専
用の光源２６を設けず、可視光を射出する光源のみで指
標マーク３４Ｂとウエハマーク３８とを照明するもので
ある。図８（ｂ）では不図示の可視光源からの可視光を
供給するライトガイド２４が示されている。ライトガイ
ド２４からの照明光はコンデンサレンズ２５を介して視
野絞り２９Ｃに入射する。視野絞り２９Ｃには２つの開
口部が設けられており、コンデンサレンズ２５からの照
明光は、指標マーク３４Ｂを照射するための照明光ＡＬ
３とウエハマーク３８を照射するための照明光ＡＬ１と
に分離される。この照明光ＡＬ３は、図８（ａ）の照明
光ＡＬ２に対応する。以下の照明光ＡＬ１及び照明光Ａ
Ｌ３の光路は図８（ａ）の照明光ＡＬ１及び照明光ＡＬ
２の場合と同様である。

【００７１】また、本例では指標マーク検出光ＬＢ３の
撮像素子４２側への偏向（反射）手段は、図８（ａ）の
ＣＭ膜３７ｂと異なり、光吸収性を有する指標マーク３
４Ｂの形成された透明な平板ガラス３７Ｋのウエハマー
ク３８側に部分蒸着されたアルミニウム（Ａｌ）膜等の
反射部材３７ｃである。この場合も、反射部材３７ｃか
ら指標マーク３４Ｂまでの光路長Ｌ₇と平板ガラス３７
Ｋの反射部材３７ｃからウエハマーク３８までの光路長
Ｌ₈とは同じ長さに設定されており、指標マーク３４Ｂ
は第１対物レンズ３３の焦平面上にある。本例によれ
ば、図８（ａ）の例に比較して赤外光を射出する光源を
設けない分だけコストを削減できる。

【００７２】図８（ｃ）は、第３の例に対する第２の変
形例の概略構成を示し、この図８（ｃ）に示すように、
本例では指標マーク検出光ＬＢ２を撮像素子４２側へ偏
向する手段としてＣＭ膜やアルミニウム等の反射部材等
を用いない構成を有する。本例では、指標マークとして
光反射性を有する指標マーク３４Ｃを使用し、指標マー
ク３４Ｃを透明な平板ガラス３７Ｋのウエハ２側に形成
すると共に、ウエハ２表面への遮光のための酸化クロム
等の光吸収性を有する部材からなる遮光部材３７ｄを指
標マーク３４Ｃに重ねるように蒸着してある。この場
合、指標マーク３４Ｃ自体を光吸収性のものにし、遮光
部材３７ｄをアルミニウム等の反射部材で構成してもよ
い。

【００７３】なお、本例の場合、指標マーク３４Ｃは第
１対物レンズ３３の焦平面から実質的に外れ、第１対物
レンズ３３側へデフォーカスしているため、指標マーク
３４Ｃ検出用の撮像素子４２は、ウエハマーク３８検出
用の撮像素子４１より後へずらして配置する必要があ
る。この図８（ｃ）の例が図１のＣＭ膜３７ａ等の指標
マーク検出光の偏向手段（反射手段）を用いずに指標マ
ークを第１対物レンズ３３よりウエハマーク３８側へ配
置する最も単純な例である。

【００７４】その他、上述までのウエハマーク３８の照
明方法は全て落射方式によるものであったが、ウエハマ
ーク３８を透過照明するような場合にも、指標マークを
第１対物レンズ３３よりウエハマーク３８側に配置する
方式を適用することができる。更に、ウエハマーク３８
や指標マーク自身を自発的に発光する発光体で構成して
もよい。この場合には、ウエハマーク３８や指標マーク
に対する照明手段を必要としない利点がある。

【００７５】以上、図８（ａ）〜図８（ｃ）の例のよう
に、ウエハマーク３８等の位置検出すべき対象を結像し
て検出する殆どあらゆる状況に対して、検出の基準とな
る指標マークを第１対物レンズ３３等の集光手段よりも
ウエハマーク３８等の位置検出対象側に配置する位置検
出手法を適用できる。更に、第１の例で述べた、例えば
第１対物レンズ３３と指標マーク３４との独立保持等の
手法を用いることで生じる相乗効果も同様に期待でき
る。

【００７６】次に、本発明による実施の形態の第４の例
について図９及び図１０を参照して説明する。以上の例
では、図７の例を除き、ウエハマーク３８検出用の撮像
素子と、指標マーク検出用の撮像素子とを別に設けてい
るが、必ずしも２つの撮像素子を設ける必要はなく、指
標板上の指標マークの配置を適当に設定すると共に、ハ
ーフプリズム３１より光源側の照明光学系の光路中に迷
光防止用の遮光板を適当に設定することにより、１つの
撮像素子で指標マーク及びウエハマーク３８の位置を同
時に、且つ高精度に検出することができる。本例は、１
台の撮像素子で指標マークの位置を基準とするウエハマ
ーク３８の位置を検出する例を示す。撮像素子を除く基
本的な構成は図１の例と同様であり、図９及び図１０に
おいて、図１に対応する部分には同一符号を付し、その
詳細説明を省略する。

【００７７】図９（ａ）は、本例の概略構成を示し、こ
の図９（ａ）に示すように、指標マーク３４及びウエハ
マーク３８からの検出光ＬＢ１，ＬＢ２は１つの撮像素
子４１Ｂにより受光される。この場合、撮像素子４１Ｂ
上のウエハマーク３８のウエハマーク像の領域に赤外光
光源２６からの迷光が混入してウエハマーク像のコント
ラストを低下させる恐れがある。

【００７８】そこで、上記迷光によりウエハマーク３８
に対応する電気信号のＳＮ比が悪化することを防止する
には、赤外光である照明光ＡＬ２がダイクロイックミラ
ー２８に入射する手前の光路中で、且つ指標マーク３４
と共役な位置の近傍（図９（ａ）では、赤外光光源２６
とコンデンサレンズ２７との間）に指標マーク３４のパ
ターン領域外を遮光するための遮光板４６Ｂを設け、こ
の遮光板４６Ｂが指標板３４とレンズ系（２７，３０，
３３）を介してほぼ共役な関係にあるようにするとよ
い。

【００７９】図９（ｃ）は、遮光板４６Ｂ上のパターン
の様子を示し、図９（ｅ）は、指標板３５上に形成され
た指標マーク３４の状態を示す。以下で説明する図９
（ｂ）及び図９（ｄ）の場合も各遮光板上のパターンの
様子を示している。この図９（ｅ）に示すように、指標
マーク３４は、指標板３５の中心を通るＸ軸に平行な直
線に沿って所定の間隔を持って形成されたＸ方向測定用
の２つの格子状パターン３４Ｘと、指標板３５の中心を
通るＹ軸に平行な直線に沿って所定の間隔を持って形成
されたＹ方向測定用の２つの格子状パターン３４Ｙとか
ら構成されている。それに対して図９（ｃ）に示す遮光
板４６Ｂには、指標マーク３４の格子状パターン３４
Ｘ，３４Ｙに対応する位置に、格子状パターン３４Ｘ，
３４Ｙより少し大きな幅を有するＸ軸用の２つの透過部
４８Ｘ及びＹ軸用の２つの透過部４８Ｙからなる透過部
４８Ｔが設けられており、それらの透過部４８Ｔの周囲
は遮光部４８Ｄにより囲まれている。光源２６からの赤
外の照明光ＡＬ２の大部分は、この遮光部４８Ｄにより
遮光されるため、撮像素子４１Ｂ上のウエハマーク３８
のウエハマーク像への上記赤外光源からの迷光の混入を
低減でき、ウエハマーク像に対応する電気信号のＳＮ比
が向上する。

【００８０】次に、指標マーク像に対する迷光防止につ
いて考えると、撮像素子４１Ｂ上の指標マーク３４の指
標マーク像の検出領域には、ウエハマーク３８を照明す
る可視光の照明光ＡＬ１に起因する迷光があり、この迷
光を低減するには、ダイクロイックミラー２８に入射す
る照明光ＡＬ１の光路中で、且つウエハ２の表面と共役
な位置又はその近傍となる位置（図９（ａ）ではダイク
ロイックミラー２８とコンデンサレンズ２５との間の光
路中）に、指標マーク３４のパターン領域と共役な位置
を通過する光束を遮光する遮光板４６Ａを設けるとよ
い。

【００８１】図９（ｂ）は、遮光板４６Ａ上のパターン
を示し、この図９（ｂ）に示すように、遮光板４６Ａに
は、指標マーク３４の格子状パターン３４Ｘ，３４Ｙに
対応する共役位置に、格子状パターン３４Ｘ，３４Ｙよ
り少し大きな幅を有するＸ軸用の２つの遮光部４７Ｘ、
及びＹ軸用の２つの遮光部４７Ｙからなる遮光部４７が
設けられている。ウエハマーク検出用の照明光ＡＬ１の
内指標マーク３４を通過する部分が遮光されるため、撮
像素子４１Ｂ上の指標マーク３４の指標マーク像の検出
領域でウエハマーク３８からの反射光であるウエハマー
ク検出光ＬＢ１が減少し、指標マーク像に対応する電気
信号のＳＮ比が向上する。

【００８２】更に、指標マーク３４の結像に寄与しない
照明光ＡＬ２も、指標マーク検出光に対する迷光となる
場合がある。この迷光により撮像素子４１Ｂの指標マー
ク像の出力信号のＳＮ比が悪化するのを防止するには、
照明光ＡＬ２がダイクロイックミラー２８に入射するま
での光路中で、且つコールドミラー３７を介して指標マ
ーク３４と共役な位置又はその近傍（図９（ａ）では、
ダイクロイックミラー２８とコンデンサレンズ２７との
間）に遮光板４６Ｃを設けることによって撮像素子４１
Ｂ上の指標マーク像に対応する電気信号のＳＮ比を改善
することができる。

【００８３】図９（ｄ）は、遮光板４６Ｃ上のパターン
を示し、この図９（ｄ）に示すように、遮光板４６Ｃに
は、指標マーク３４の格子状パターン３４Ｘ，３４Ｙに
対応する共役位置に、図９（ｂ）と同様な格子状パター
ン３４Ｘ，３４Ｙより少し大きな幅を有するＸ軸用の２
つの遮光部４９Ｘ、及びＹ軸用の２つの遮光部４９Ｙか
らなる遮光部４９が設けられている。こうすることで、
照明光ＡＬ２による迷光が低減され、撮像素子４１Ｂの
指標マーク３４の像に対応する電気信号のＳＮ比の向上
が期待できる。

【００８４】上述のように、遮光板を設けることで迷光
を低下させ、指標マークを検出する撮像素子及びウエハ
マークを検出する撮像素子を別に設ける必要なく、一台
の撮像素子により指標マーク及びウエハマークからの結
像光を同時に受光し、コントラストの良好な撮像信号を
得ることが可能となる。なお、本発明はＦＩＡ方式のア
ライメントセンサに限らず、オフ・アクシス方式でＬＩ
Ａ方式のアライメントセンサ及びＬＳＡ方式のアライメ
ントセンサに対しても同様に適用できる。

【００８５】また、本発明はステッパー型の投影露光装
置に限らず、レチクルのパターンの一部を投影光学系を
介してウエハ上に投射した状態で、レチクルとウエハと
を同期走査してレチクルのパターンをウエハの各ショッ
ト領域に逐次転写する走査露光型の投影露光装置にも同
様に適用できる。このように、本発明は上述の実施の形
態に限定されず、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。

【００８６】

【発明の効果】本発明の位置検出装置によれば、位置検
出マークからの光束（以下、「被検物検出光」という）
及び指標マークからの光束（以下「基準検出光」とい
う）は共に同じ集光光学系を介して検出される。従っ
て、被検物検出光及び基準検出光は、集光光学系に対す
る熱或いは機械的振動によるドリフトの影響を共に同じ
ように受けるため、ドリフト安定性が向上し、位置検出
マークの位置の検出精度が向上する利点がある。特に、
本発明の位置検出装置は、高いドリフト安定性が要求さ
れるオフ・アクシス方式のアライメントセンサに有効で
ある。

【００８７】また、位置検出マーク及び指標マークを照
明する照明光学系と、この照明光学系によって指標マー
クに照射され、指標マークを介して被検物側に向かう光
束を指標マーク側に反射することによって、指標マーク
の形成面と位置検出マークの形成面とを実質的に共役に
する反射部材と、を有し、この反射部材によって反射さ
れた後、集光光学系を通過した光束を第２の光電検出手
段で受光する場合には、被検物検出光及び基準検出光の
光路長は実質的に等しくなり、位置検出マーク及び指標
マークを共通の集光光学系で容易に検出できるようにな
る。

【００８８】また、指標マークの形成面が位置検出マー
クの形成面に近接して配置され、位置検出マーク及び指
標マークを照明する照明光学系を有し、照明光学系から
指標マークに照射され、指標マークを介した後集光光学
系で集光された光束を第２の光電検出手段で受光する場
合には、指標マークと位置検出マークとが近接して配置
されるため、ドリフト安定性が更に向上する利点があ
る。

【００８９】また、集光光学系が位置検出マーク、及び
指標マークの像を形成する結像光学系であり、第１及び
第２の光電検出手段がそれぞれ位置検出マークの像、及
び指標マークの像を撮像する撮像素子である場合には、
集光光学系により結像した位置検出マーク及び指標マー
クの像をそれぞれの撮像素子で検出して位置検出マーク
の相対位置を検出することができる。

【００９０】また、第１及び第２の光電検出手段がそれ
ぞれ位置検出マークの像、及び指標マークの像を撮像す
る撮像素子であり、照明光学系内の、指標マーク、又は
位置検出マークと共役な位置に照明光を部分的に遮光す
るための遮光部材を配置する場合には、基準検出光中の
不要な光束を遮光することができ、第２の光電検出手段
での検出信号のＳＮ比が向上する利点がある。

【００９１】また、指標マーク又は指標マーク像の集光
光学系の光軸方向の位置を調整する高さ調整手段と、周
囲の環境状態を計測する環境状態計測手段と、この環境
状態計測手段によって計測された環境状態の変化量の検
出結果に応じて、集光光学系による指標マークからの光
束の集光位置と所定の目標値とのオフセット量を求める
オフセット演算手段と、を有し、オフセット演算手段に
より求められたオフセット量に基づいて、高さ調整手段
を介して指標マーク又は指標マーク像の位置を独立に調
整する場合には、環境変化による基準検出光の集光位置
のオフセットがなくなり、位置検出マークの検出精度が
向上する利点がある。

【００９２】また、周囲の環境状態を計測する環境状態
計測手段と、この環境状態計測手段によって計測された
環境状態の変化量の検出結果に応じて、集光光学系によ
る指標マークからの光束の集光位置と所定の目標値との
オフセット量を求めるオフセット演算手段と、このオフ
セット演算手段により求められたオフセット量に基づい
て、指標マークに対する位置検出マークの相対位置を補
正する場合には、指標マークの目標集光位置からのオフ
セットが補正され、位置検出マークの検出精度が向上す
る利点がある。

【００９３】また、本発明の第１の露光装置によれば、
上記のような作用を有する本発明の位置検出装置を備え
ているため、位置合わせ用マークの指標マークに対する
相対位置を高精度に検出することができ、レチクル上の
パターンを感光基板上に高精度に露光することができ
る。また、本発明による第２の露光装置によれば、第１
の露光装置と同様の効果が得られると共に、指標マーク
及び位置検出マークに対する投影光学系や第１保持部材
の例えば熱的な変形や機械的振動の影響がほぼ共通化さ
れる。従って、位置検出装置のドリフト安定性が更に向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の実施の形態の第１
の例を示す一部を切り欠いた概略構成図である。

【図２】図１の位置検出装置を備えた投影露光装置の要
部を示す概略構成図である。

【図３】図１の指標マーク３４の検出用照明光の光路を
示す図である。

【図４】図１の落射プリズム３６等を含む部分の２つの
変形例を示す構成図である。

【図５】（ａ）は図１のＦＩＡ方式のアライメントセン
サを裏面側から見た図、（ｂ）は従来のＦＩＡ方式のア
ライメントセンサを裏面側から見た図である。

【図６】図４の落射プリズム３６Ｂが変位した場合の各
種の位置ずれ量の説明図である。

【図７】本発明による実施の形態の第２の例を示す概略
構成図である。

【図８】（ａ）は本発明による実施の形態の第３の例を
示す概略構成図、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ図８
（ａ）の変形例を示す概略構成図である。

【図９】本発明による実施の形態の第４の例を示す説明
図である。

【符号の説明】

１投影光学系２ウエハ３ウエハステージ６中央制御系１１ＦＩＡ方式のアライメントセンサ１１ａランプハウス部１１ｂセンサ本体部１１ｃ指標対物部１２ケーシング（ランプハウス部）１３ケーシング（センサ本体部）１４ケーシング（指標対物部）１５鏡筒１６投影光学系保持部１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ支持フレーム２１光源（可視光）２６光源（赤外光）３３第１対物レンズ３４，３４Ａ〜３４Ｃ指標マーク３５指標板３６，３６Ｂ落射プリズム３７コールドミラー３７ａＣＭ膜３９第２対物レンズ４１，４２，４１Ａ，４１Ｂ撮像素子４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ遮光板

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｗ５２５Ｘ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物上に形成された位置検出マークか
らの光束を集光する集光光学系と、該集光光学系により
集光された光束を光電変換する光電検出手段とを有し、
該光電検出手段からの検出信号に基づいて前記位置検出
マークの位置を検出する位置検出装置において、前記被検物と前記集光光学系との間に配置され、所定の
指標マークが形成された基準体と、前記光電検出手段を第１の光電検出手段としたとき、前
記指標マークからの光束を前記集光光学系を介して受光
して光電変換する第２の光電検出手段と、を備え、前記第１及び第２の光電検出手段からの検出信号に基づ
いて、前記指標マークに対する前記位置検出マークの相
対位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の位置検出装置であって、前記位置検出マーク及び前記指標マークを照明する照明
光学系と、該照明光学系によって前記指標マークに照射され、前記
指標マークを介して前記被検物側に向かう光束を前記指
標マーク側に反射することによって、前記指標マークの
形成面と前記位置検出マークの形成面とを実質的に共役
にする反射部材と、を有し、該反射部材によって反射された後、前記集光光学系を通
過した光束を前記第２の光電検出手段で受光することを
特徴とする位置検出装置。
【請求項３】請求項１記載の位置検出装置であって、前記指標マークの形成面が前記位置検出マークの形成面
に近接して配置され、前記位置検出マーク及び前記指標マークを照明する照明
光学系を有し、前記照明光学系から前記指標マークに照射され、前記指
標マークを介した後前記集光光学系で集光された光束を
前記第２の光電検出手段で受光することを特徴とする位
置検出装置。
【請求項４】請求項１、２、又は３記載の位置検出装
置であって、前記集光光学系は前記位置検出マーク、及び前記指標マ
ークの像を形成する結像光学系であり、前記第１及び第２の光電検出手段はそれぞれ前記位置検
出マークの像、及び前記指標マークの像を撮像する撮像
素子であることを特徴とする位置検出装置。
【請求項５】請求項１、２、３、又は４記載の位置検
出装置であって、前記第１及び第２の光電検出手段はそれぞれ前記位置検
出マークの像、及び前記指標マークの像を撮像する撮像
素子であり、前記照明光学系内の、前記指標マーク、又は前記位置検
出マークと共役な位置に照明光を部分的に遮光するため
の遮光部材を配置したことを特徴とする位置検出装置。
【請求項６】請求項１〜５の何れか一項記載の位置検
出装置であって、前記指標マーク又は指標マークの像の前記集光光学系の
光軸方向の位置を調整する高さ調整手段と、周囲の環境状態を計測する環境状態計測手段と、該環境状態計測手段によって計測された環境状態の変化
量の検出結果に応じて、前記集光光学系による前記指標
マークからの光束の集光位置と所定の目標値とのオフセ
ット量を求めるオフセット演算手段と、を有し、前記オフセット演算手段により求められたオフセット量
に基づいて、前記高さ調整手段を介して前記指標マーク
又は指標マークの像の位置を独立に調整することを特徴
とする位置検出装置。
【請求項７】請求項１〜５の何れか一項記載の位置検
出装置であって、周囲の環境状態を計測する環境状態計測手段と、該環境状態計測手段によって計測された環境状態の変化
量の検出結果に応じて、前記集光光学系による前記指標
マークからの光束の集光位置と所定の目標値とのオフセ
ット量を求めるオフセット演算手段と、該オフセット演算手段により求められたオフセット量に
基づいて、前記指標マークに対する前記位置検出マーク
の相対位置を補正することを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】請求項１〜７の何れか一項記載の位置検
出装置を備え、マスク上の転写用のパターンを感光基板
上に転写露光する露光装置であって、前記感光基板上の位置合わせ用マークを前記位置検出マ
ークとして、前記位置検出装置を介して前記感光基板上
の前記位置合わせ用マークの位置が検出され、該検出結
果に基づいて前記マスクと前記感光基板との位置合わせ
が行われることを特徴とする露光装置。
【請求項９】請求項１〜７の何れか一項記載の位置検
出装置を備え、マスク上の転写用のパターンを、第１の
保持部材に支持された投影光学系を介して感光基板上に
転写露光する露光装置であって、前記指標マークが形成された基準体と、前記集光光学系
中の少なくとも１つの光学部材とを、前記集光光学系中
の残りの光学部材とは独立に支持する第２の保持部材を
備え、該第２の保持部材が前記第１の保持部材の前記感光基板
側の面に固定され、前記感光基板上の位置合わせ用マークを前記位置検出マ
ークとして、前記位置検出装置を介して前記感光基板上
の前記位置合わせ用マークの位置が検出され、該検出結果に基づいて前記マスクと前記感光基板との位
置合わせが行われることを特徴とする露光装置。