JP2730089B2

JP2730089B2 - 投影露光装置及び方法

Info

Publication number: JP2730089B2
Application number: JP63256479A
Authority: JP
Inventors: 伸貴馬込; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-10-12
Filing date: 1988-10-12
Publication date: 1998-03-25
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JPH02102517A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体素子等の製造に用いられる投影型露光
装置に関し、特にステップアンドリピート方式でレクチ
ル（マスク）のパターンをウェハのレジスト層へ順次露
光していくステッパーに関するものである。

〔従来の技術〕

この種の装置は、レチクルに形成された回路パターン
の像を投影光学系を介してウェハ等の感光基板上の複数
の被転写領域（ショット領域）に次々に露光していくも
のであり、ウェハは２次元にステッピング移動ができる
ウェハステージに載置される。この場合、ウェハ上の１
つのショット領域と回路パターンの投影像とは、２次元
的に±0.2μｍ以下の精度で正確に重ね合わせる必要が
ある。そのため、レチクルの回路パターン領域とウェハ
上の各ショット領域とは、直接、又は間接的に位置合わ
せ（アライメント）される。このアライメントは、ほと
んどのステッパーの場合、自動化が進んであり、様々の
方式が採用されている。そのうち、高い精度が得られる
ものとしては、スルーザレンズ（TTL）方式、又はスル
ーザレチクル（TTR）方式が主流となっている。

ここでTTL方式とは、実質的に投影光学系のみを介し
てウェハ上のアライメントマークを検出する光学系（ア
ライメント系）の配置のことを意味し、TTR方式とはレ
チクルと投影光学系の両方を介してウェハ上のアライメ
ントマークとレチクル上のアライメントマークとを検出
する光学系（アライメント系）の配置のことを意味す
る。

TTL方式は実質的にウェハのアライメントマークのみ
を検出するため、そのアライメント系の検出中心とレチ
クルとの位置関係を予め正確に計測し、その計測値を基
準として、ウェハマークの検出位置を規定する必要があ
る。これに対してTTR方式は、ウェハとレチクルの各ア
ライメントマークを同時、あるいは直接に検出するた
め、レチクルとウェハ（又はショット領域）の位置合わ
せは直接達成される。

従って、レチクルとウェハの理想的なアライメント方
式は、TTR方式であると言える。このようなTTR方式のア
ライメント系をもつ投影露光装置は、例えば特開昭57
−138134号公報、特開昭57−142612号公報等に開示さ
れている。

ところで、この種のステッパーの多くは1/5、1/10等
の縮小投影であり、投影光学系は、少なくとも像側（ウ
ェハ側）がテレセントリックな投影レンズを搭載してい
る。この投影レンズは、15〜30枚程度のレンズ素子から
成り、露光時に最良の解像力とディストーション特性と
が得られるように、通常は、ある１つの波長域の光に対
して色収差補正されている。現在、主に使われている投
影レンズは、水銀放電ランプ（又はXe−Hgランプ）のス
ペクトルのうちのｇ線（波長436nm）、又はｉ線（波長3
65nm）のいずれか一方を露光用照明光とし、これに対し
て最高の性能が得られるように設計されている。

このため上記、の従来技術に開示されているよう
に、実用的なTTR方式のアライメント系では、レチクル
上のマーク、ウェハ上のマークを照明する光（レーザビ
ームによるスポット、又は均一照明光）の波長は、露光
光とほぼ一致させる必要があった。また、従来の投影露
光装置のなかには、例えば第14図（Ａ）に示すように、
露光光の波長λｅとアライメント用照明光の波長λａと
をずらしておき、この２つの波長に対して色収差補正さ
れた投影レンズを搭載すること、あるいはアライメント
時に投影光路（レチクルからウェハの間）内にレチク
ル、ウェハの共役関係を維持するための補正レンズを配
置し、露光時には退避させる方式、等を採用することを
提案したものもあった。しかしながら第14図（Ａ）のよ
うに２波長で収差補正された投影レンズは、投影露光時
の性能を維持するための条件（波長のスペクトル幅、波
長シフト等）が厳しく、しかも製造が難しいといった欠
点をもち、レチクルとウェハ間に補正レンズを設ける方
式は、アライメント精度が補正レンズの機械的な不安定
さに依存して劣化するといった欠点をもつ。

このような欠点があるにもかかわらず、露光光と異な
る波長のアライメント用照明光を用いる利点は、アライ
メント時にウェハマークの領域を覆っているレジスト層
を感光させない（又は感光させにくい）こともさること
ながら、アライメント用照明光、又はウェハマークから
の反射光が露光光の場合のようにレジスト層に吸収され
にくいこと、従ってウェハマークからの反射光の光量変
化が少なく光電信号のS/N比が安定していることにあ
る。

そこで、露光光と異なる波長の非感光性のアライメン
ト用照明光を用いて、補正レンズを使うことなくTTR方
式のアライメントが可能な投影レンズの一例が特開昭
62−215230号公報に開示されている。この投影レンズの
色収差特性は第14図（Ｂ）のように３次曲線となり、短
波長側の極値を露光光の波長λｅに合わせ、長波長側の
零クロス点をアライメント用照明光の波長λａに合わせ
ることで、投影露光時の性能を維持するための条件を緩
和させることができる。

さらに、投影レンズは従来のままで、非感光性のアラ
イメント用照明光を用いて、補正レンズを使うことなく
TTR方式のアライメントを行なう他の方式の一例が、
特開昭63−153820号公報に開示されている。この方式
は、アライメント用照明光をレーザビームのスポット光
として、レチクルの上方より照射する形式において、軸
上色収差に対応した光軸方向に離れた２点の夫々にスポ
ット光を同時に結像するように２焦点化素子を設けたも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記、の従来装置においては、非感光性のアライ
メント用照明光でウェハ上のマークを検出するため、先
の、の従来技術における問題点はほとんど解決でき
る。しかしながらの従来技術に開示されている投影レ
ンズでは、専ら軸上色収差の補正を目的としており、倍
率色収差もそれと同等に補正されることを前提としてい
る。しかしながら、投影レンズの性能は年々より高いも
のが要求されるため、軸上色収差と倍率色収差の両方を
補正した投影レンズを設計し、それを安定に製造するこ
とは、極めて困難なことである。

またの従来技術のように、投影レンズの軸上色収差
に対してアライメント用ビームの２焦点化で対応する場
合は、一方のスポット光はレチクル上のアライメントマ
ークを照射したときに生じる光情報と、もう一方のスポ
ット光がウェハ上のマークを照射したときに生じる光情
報とのスポット走査位置における発生位置から、レチク
ルとウェハのずれを検出するため、投影レンズに倍率色
収差がそのまま残っていると、その色収差によってアラ
イメント誤差が生じることがあった。従っての従来技
術の場合も、その投影レンズは倍率色収差についてはあ
る範囲内に補正しておく必要があり、投影レンズの製造
を困難なものにしていた。

さらに、上記、の従来技術によれば、いずれもTT
R方式であるため、レチクル上のマークは回路パターン
領域の極近傍に設け、ウェハ上のマークはショット領域
の極近傍（例えばストリートライン内）に設け、アライ
メント位置と露光位置とを一致させたダイ・バイ・ダイ
（D/D）アライメント法が容易に採用できる。

しかしこの場合、ウェハ上のマークをアライメントす
る時には、レチクルの感光は起らないものの、露光時に
はレチクル上のマークの像がウェハ上のマーク部分のレ
ジストを感光させることになる。その結果現像後にプロ
セスを通すと、そのマークが破壊されてしまうことにな
り、次の層のレチクルとのアライメントにそのマークを
使うことができないといった問題点がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもの
で、ダイ・バイ・ダイ・アライメント法を採用したとし
てもウェハマークを破壊せずに、露光光以外の波長の光
を使ったアライメントが可能であって、さらに投影光学
系の設計、製造が容易な投影露光装置を得ることを目的
とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

そこで本発明では、露光すべき所定のパターン領域
（PA）を有するマスクを第１の波長域の光（ILe）で照
明する露光用照明光学系（２、４、６、８、10、12、1
4）と、第１の波長域の光のもとでパターン領域の像を
感応基板（Ｗ）上の所定の被転写領域に結像投影する投
影光学系（PL）とを備えた装置において、被転写領域と
一定の位置関係で感応基板に設けられたアライメントマ
ーク（WM）を、第１の波長域と異なる第２の波長域の光
（ILa、ILb、ILc）で照明するアライメント用照明光学
系（50、48、46、44、42、40、38、36、34、32、30、1
4、60、62）と、第１の波長域の光の照明のもとでアラ
イメントマークの像が投影光学系によりマスク側に投影
されるべき第１の空間位置（A2、LS1、LS2、LS3）に対
して、投影光学系の視野内で投影光学系の光軸と直交す
る方向に所定間隔だけ離れた第２の空間位置（A4、RS
1、RS2、RS3）を通る光を受光するように配置され、第
２の波長域の光の照明によりアライメントマークから生
じた光情報を、投影光学系を介して検出するマーク検出
光学系（48、46、44、42、40、38、36、34、32、30、1
4、52、54、56、58）とを有し、第１の空間位置と第２
の空間位置との間隔を、投影光学系の第２の波長域にお
ける色収差量（ΔＹ、ΔＬ）に対応させることとした。

また本発明においては、露光すべき所定のパターン領
域を有するマスクを第１の波長域の光で照明し、投影光
学系を介してパターン領域の像を感応基板上の所定の被
転写領域に結像投影する投影露光方法において、感応基
板に設けられたアライメントを第１の波長域と異なる第
２の波長域の光で照明し、第２の波長域の光の照明によ
りアライメントマークから生じた光情報を、第１の波長
域の光の照明のもとでアライメントマークの像が投影光
学系によりマスク側に投影されるべき第１の空間位置に
対して、第２の波長域の光における投影光学系の色収差
に応じた距離だけ離れた第２の空間位置を介して検出す
ることとした。

また本発明においては、露光すべき所定のパターン領
域を有するマスクを第１の波長域の光で照明する露光用
照明光学系と、第１の波長域の光のもとでパターン領域
の像を感応基板上の所定の被転写領域に結像投影する投
影光学系とを備えた装置において、被転写領域と一定の
位置関係で感応基板に設けられたアライメントマーク
を、第１の波長域と異なる第２の波長域の光で照明する
アライメント用照明光学系と、第１の波長域の光の照明
のもとで投影光学系に関してアライメントマークとほぼ
共役な第１の空間位置から所定間隔だけ離れた第２の空
間位置及び投影光学系を介して、第２の波長域の光の照
明によりアライメントマークから生じた光情報を検出す
るマーク検出光学系と、マスクと感応基板とが位置合わ
せされたときにアライメントマークが第１の波長域の光
で照明されないように第１の波長域の光を遮光すべく第
１の空間位置に配置された遮光部材とを有し、前記所定間隔は、前記第２の波長域の光における前記
投影光学系の色収差に応じて定められていることとし
た。たとえば、露光光等の第１波長の光に対しては、マ
スク（レチクル）のパターンが感応基板（ウェハ）上に
最適な結像性能で露光されるように、ほぼ無収差に補正
され、アライメント用照明光等の第２波長の光に対して
は、予め定めた値以上の倍率色収差（横の色収差）、あ
るいは軸上色収差（縦の色収差）をもつような投影光学
系を用いるようにする。この投影光学系は両片テレセン
トリック系が望ましいが、像側（ウェハ側）のみをテレ
セントリック系としたものでもよい。そして感応基板上
のショット領域に付随して設けられたアライメントマー
クを第２波長の光で照明するアライメント用照明光学系
を設け、この照明によってアライメントマークから生じ
た光情報を投影光学系を介してマスク側で検出するマー
ク検出光学系を設ける。

この際、第１波長の光のもとでアライメントマークの
像が投影光学系によりマスク側に逆投影されるべき第１
の位置と、第２の波長の光の照射によってアライメント
マークから生じた光情報が投影光学系を介してマスク側
に達する第２の位置とは、色収差の量だけ離れることに
なる。そこで本発明では、その色収差量だけ離れた第２
の位置を通るアライメントマークの光情報を検出するよ
うに、前記マーク検出光学系を配置するようにした。こ
のマーク検出光学系は、様々の検出方式のものが利用で
き、また前記アライメント用照明光学系の一部（例えば
対物レンズ）と共用した系にすることもできる。

〔作用〕

本発明においては、投影光学系のもつ色収差を利用し
てTTR方式（又はTTL方式）のアライメントを行なう構成
としたため、アライメント後の露光時に感応基板上のア
ライメントマークが露光光で照明されることを防止する
ことが可能となった。このことは特にD/Dアライメント
法を利用する際に、極めて大きな利点である。

第２図は本発明の原理を説明する投影光学系の構成を
示し、レチクルＲとウェハＷとは、露光光の波長のもと
で投影レンズ系PLに関して互いに共役に配置されてい
る。この投影レンズ系PLは両片テレセントリック（射出
瞳と入射瞳とがほど無限遠）の縮小系であって、瞳（絞
り面）EPを挟んで模式的にはレンズ群GAとレンズ群GBで
構成される。また瞳EPの中心で光軸AX₀と交差して、レ
チクルＲとウェハＷとを結ぶ線LEr、LEwは露光光におけ
る結像光束L₁の主光線を表わし、レチクルＲ側の主光線
LEr、ウェハＷ側の主光線LEwはともに投影レンズ系PLの
光軸AX₀と平行である。

さて、露光光の波長のもとでは、ウェハＷ上の軸外の
点A₁からの光束L₁は投影レンズ系PLを介してレチクルＲ
の下面（パターン面）の点A₂に結像する。ところが点A₁
からの光束L₂の波長が露光光と異なっていると、投影レ
ンズ系PLの色収差によって、光束L₂は点A₂と異なる点A₃
に結像する。A₂とA₃のずれには、投影レンズ系PLの視野
内における横方向のずれと、光軸AX₀に沿った縦方向の
ずれとがあり、横方向のずれ量を倍率色収差量ΔＹ、縦
方向のずれ量を軸上色収差量ΔＬと呼んでいる。ここで
光束L₂の主光線のうちウェハＷ側を主光線LAwとし、レ
チクルＲ側を主光線LArとすると、レチクル側での倍率
色収差量ΔＹは、主光線LErとLArの横ずれである。一般
に投影レンズ系PLは光軸AX₀を中心に点対称であるた
め、倍率色収差は光軸AX₀を中心とした放射方向の横ず
れとして規定される。さらにレチクル側の倍率色収差量
ΔＹは、ウェハ側では投影レンズ系PLの倍率分だけ縮小
され、例えば倍率が1/5であると、ウェハ側の倍率色収
差量はΔY/5になる。一方、ウェハ側での軸上色収差は
倍率の２乗分だけレチクル側に対し縮小され、ΔL/25に
なる。

ここで色収差量ΔＹをある値以上に適当に定めておく
と、レチクルＲ上の点A₂とレチクルＲ上の光束L₂が通る
点A₄とを比較的大きく分離させることができる。そこで
ウェハＷ上の点A₁にアライメントマークを設け、レチク
ルＲ上の点A₄に光束L₂が充分通過する透明窓を設け、さ
らに、レチクルＲ上のA₂の部分にウェハＷ上のアライメ
ントマークの面積よりも大きな遮光体を設けるようにす
る。そしてウェハＷ上のアライメントマークの露光光と
異なる波長の光、例えばレジストの感光感度がほとんど
ない波長580nm以上の単波長のレーザビーム等を照射す
る。

さらに、マーク検出光学系をその検出中心（アライメ
ント用対物レンズの光軸等）が主光線LArとほぼ一致す
るように配置すると、ウェハＷ上のアライメントマーク
からの光束L₂はレチクルＲの点A₄の窓を通して検出する
ことができ、レチクルＲとウェハＷとのアライメントが
可能となる。

そして例えばレチクルＲ上の窓（点A₄）とウェハＷ上
のアライメントマーク（点A₁）とが正しく整合した後レ
チクルＲに露光光を検出すると、レチクルＲの透過窓の
露光光による投影像は、ウェハＷ上の点A₁からΔY/5だ
けずれた位置に結像され、レチクルＲの点A₂に形成した
遮光体の投影像は、ウェハＷ上のアライメントマークを
覆う位置に結像される。

従って、倍率色収差量ΔＹをレチクルＲの透明窓の大
きさ、遮光体の寸法、ウェハＷのアライメントマークの
大きさ等に関連して、ある値以上に設定しておくと、ア
ライメントマークを保護することができる。

〔実施例〕

第１図、第３図は本発明の第１の実施例による投影型
露光装置の構成を示す図である。第１図において、第２
図に示した部材と同等のものには同じ符号を付してあ
る。第１図で、水銀放電灯（又はXe−Hgランプ）、ある
いはエキシマレーザ光源からの露光光はレンズ系２を介
して可変照明視野絞り（レチクルブラインド）４を均一
な照度分布で照明する。レチクルブラインド４はレチク
ルＲ上の照明領域を任意の大きさ、形状に区画する開口
を有し、ブラインド４を通った露光用照明光ILeはレン
ズ系６、石英等の平行平板８、反射ミラー10を介して主
コンデンサーレンズ系12に入射する。コンデンサーレン
ズ系12を射出した照明光ILeは、その主光線が光軸AX₀と
平行な主光線LErとなって、光軸AX₀に対して45゜に斜設
されたダイクロイックミラー14を通り、レチクルＲを照
射する。

ここでレチクルブラインド４はレチクルＲのパターン
面と共役（結像関係）に配置され、ダイクロイックミラ
ー14は露光用照明光ILeの波長（ｇ線、ｉ線、294nm等）
はほぼ90％以上透過させ、照明光ILeよりも長い波長
（例えば530nm以上）はほぼ90％以上反射させる特性を
有する。

さて、レチクルブラインド４によるレチクルＲ上の照
明領域IAは、レチクルＲのパターン領域PAと、このパタ
ーン領域PAの極近傍に形成されたアライメント用の透明
窓RS₁とを含む範囲の大きさに設定されている。レチク
ルＲの窓RS₁の光軸AX₀に対して反対側（レチクル周辺
側）には、遮光部LS₁がクロム層等で形成され、さらに
その外側には、レチクルＲを位置決めするためのレチク
ルアライメントマークRM₁が形成される。

このレチクルアライメントマークRM₁は、レチクルＲ
のパターン領域PAの大きさが変わっても常に一定の位置
に設けられるとともに、レチクルブラインド４による照
明領域IAの外側に位置するように配置されている。この
ようなレチクルＲはレチクルステージ16に保持され、レ
チクルステージ16はレチクルＲのパターン領域PAの中心
点が光軸AX₀と一致するようにレチクルＲを微動させて
位置決めを行なう。レチクルＲのパターン領域PAの像P
A′は、両片テレセントリックな投影レンズ系PLによっ
てウェハＷ上の１つのショット領域に重ね合わせて投影
される。ウェハＷには、ショット領域と一定の位置関係
で極近傍（ストリートライン内）の位置にアライメント
マークWM₁が形成される。

このアライメントマークWM₁は、レチクルＲのパター
ン領域PAの投影像PA′と、露光すべきウェハＷ上のショ
ット領域とを正確に重ね合わせたとき、露光光の波長の
もとでは、レチクルＲの遮光部分LS₁と結像関係になる
ように配置されている。従って、マークWM₁とショット
領域との間には、レチクルＲの窓RS₁の投影像が入り込
むだけの余白が取られている。

尚、ウェハＷはステップアンドリピート方式で露光さ
れるため、Ｘ、Ｙ方向に精密に２次元移動する干渉計付
きウェハステージ18に保持される。

さて、ウェハＷ上のマークWM₁を検出するTTR方式のア
ライメント系20は、露光光よりも長い波長の光をダイク
ロイックミラー14で反射させてレチクルＲの窓RS₁へ供
給するとともに、窓RS₁を通ってダイクロイックミラー1
4で反射したマークWM₁からの光を受光するように配置さ
れ、原理的には従来技術で開示されたものと同じであ
る。アライメント系20の先端の対物レンズ30は、その光
軸が窓RS₁を通るアライメント光束（非感光性）の主光
線LAr（又はLAw）と一致するように、ダイクロイックミ
ラー14を通る露光光の光路外（図中左側）に水平に配置
される。従って、対物レンズ30は露光動作中において
も、露光用照明光ILeを遮光することなく、ウェハＷ上
のマークWM₁を常時検出し続けることができる。

さて、本実施例では投影レンズ系PLの倍率色収差量Δ
Ｙを、ある値以上に確保しておく関係で、軸上色収差量
ΔＬも比較的大きな値になってしまう。そこで従来技術
に開示されているのと同様に、アライメント系20に
は、テレセントリックな対物レンズ30の前側焦点面（瞳
面）に複屈折物質（水晶、方解石等）による２焦点素子
32を設ける。このアライメント系20は、少なくとも３種
類の異なったマーク検出方式が可能であり、それに対応
するように系が構成されている。その第１の検出方式は
レチクルＲの窓RS₁とウェハＷのマークWM₁をレーザビー
ムのスリット状のスポット光で走査し、窓RS₁、マークW
M₁からの光情報を光電検出する方式である。そのための
系は、レーザビーム（例えば波長580nm以上）ILc、ミラ
ー50、ビームスプリッタ48、レンズ系46、スキャナーミ
ラー44、レンズ系40、ミラー（可動式、又はビームスプ
リッタ）38、レンズ系36、２焦点素子32、対物レンズ3
0、レンズ系52、及び光電検出器54で構成される。レー
ザビームILcはArイオンレーザ光源等からビームエクス
パンダ、シリンドリカルレンズ等を介してミラー50に達
し、ビームスプリッタ48、レンズ系46を通ってスキャナ
ーミラー44で偏向される。このスキャナーミラー44の振
れ原点は、レンズ系40、36によるリレー系を介して２焦
点素子32の位置、すなわち対物レンズ30の前側焦点面と
共役になるように設定される。この２焦点素子32と対物
レンズ30によって、偏向走査されたほぼ平行な直線偏光
のビームILcは、第７図に示されているように、偏光成
分（常光線IBsと異常光線IBp）のちがいによって異なる
パワーを受け、対物レンズ30の光軸方向に離れた２つの
面Pw、Pr内の夫々にスポット光SPw、SPrとして結像す
る。２焦点素子32は面Pw、Prの間隔が、投影レンズ系PL
のレチクル側での軸上色収差量ΔＬとほぼ等しくなるよ
うに設計されている。従って、面PrをレチクルＲのパタ
ーン面の窓RS₁に合わせると、もう一方の面Pwは投影レ
ンズ系PLを介してウェハＷの表面と共役になる。このた
めスポット光SPrは窓RS₁を走査し、スポット光SPwの投
影レンズ系PLにより再結像されたスポット光は、ウェハ
Ｗ上のマークWM₁を走査することになる。

さて窓RS₁（アライメントマーク）とマークWM₁の夫々
からの光情報は、再び対物レンズ30、２焦点素子32、レ
ンズ系36、40、スキャナーミラー44を介して元の光路を
もどり、ビームスプリッタ48で反射され、光電検出器54
に達する。この光電検出器54は、レンズ系46、52による
レリー系によってスキャナーミラー44の振れ原点と共役
に配置された空間フィルターと、その空間フィルターを
透過した０次光（正反射光）以外の回折、散乱光を受光
する受光素子とで構成される。この空間フィルターは、
対物レンズ30の前側焦点面（２焦点素子32の位置）が投
影レンズ系PLの瞳EPと共役になっていることから、結
局、瞳EPとも共役な関係になっている。従って受光素子
からは、各スポット光が窓RS₁、マークWM₁を照射したと
きの回折、散乱光の光量に応じたレベルの光電信号が得
られる。

また第２のマーク検出方式は、より簡単な像観察方式
であって、そのための系はビームILcと同じ波長に定め
られた照明光ILa、レンズ系60、36、ビームスプリッタ3
4、２焦点素子32、対物レンズ30、レンズ系56、及びCCD
等の撮像素子58で構成される。

ここでレンズ系60、36は２焦点素子32の位置、すなわ
ち投影レンズ系PLの瞳EPに照明光ILaの光源像を結像
し、レンズ系56は対物レンズ30と２焦点素子32を通った
窓RS₁、マークWM₁からの光束を撮像素子58の受光面に結
像する。この方式では、対物レンズ30に入射した物体か
らの光を２焦点素子32に通すことによって、レチクルＲ
のパターン面とウェハＷの表面とを撮像面上で合致させ
て同時に観察するとができる。従って撮像素子58からの
画像信号に基づいて、レチクルＲの窓RS₁とウェハＷの
マークWM₁とをアライメントすればよい。

最後に、第３のマーク検出方式は、ウェハＷ上のマー
クWM₁を２次元的な広がりをもつ回折格子パターンに
し、この格子パターンの格子配列方向に互いに異なる角
度で傾いた２つの可干渉性のビームを同時に投射し、格
子パターンの上に干渉縞を平行に作り、この干渉縞に対
する格子パターンのずれ（格子配列方向のずれ）を検出
する方式である。そのための系は、ビームILcと同じ波
長の２本のビームILb、レンズ系62、ミラー、又はビー
ムスプリッタ42、レンズ系40、ミラー38、レンズ系36、
２焦点素子32、対物レンズ30等で構成される。その際の
受光系は特に図示しないが、投影レンズ系PLの瞳EPと共
役に受光素子を設ければよい。２本のビームILbは、光
路の途中の面IPにおいて、光軸を挟んで対称的な傾き角
度をもって交わるほぼ平行な光束になるように定められ
る。面IPはレチクルＲの窓RS₁、ウェハＷの表面の夫々
と共役になっている。ウェハＷの回折格子パターンから
の干渉光は、主光線LAw、LArに沿って光軸上に進み、そ
の強度を光電検出することによって、干渉縞と回折格子
パターンとの相対的な位置関係が検出できる。

ところでレチクルＲの周辺に設けたアライメントマー
クRM₁は、このマークRM₁の中心を通り、光軸AX₀と平行
な主光線LBrがアライメント系20の対物レンズ30の光軸
と一致するように、対物レンズ30、２焦点素子32等の一
部を、垂直方向に移動させれば容易に検出することもで
きる。ただし、レクチルアライメントマークRM₁は、装
置の基準位置に精密にアライメントする必要があるの
で、別の専用の顕微鏡や光電検出器等を固定配置してお
く方がよい。

ただし、アライメント系20によって、TTR方式のD/Dア
ライメント法を実行する場合は、レチクルによってパタ
ーン領域PAの大きさが変わることがあり、これにともな
って、レチクルＲの窓RS₁、遮光部分LS₁の位置も変化す
る。従って少なくとも対物レンズ30と２焦点素子32と
は、第１図中で紙面内の上下方向に可動な構成にし、さ
らにマーク配置の自由度を上げるため紙面と垂直な方向
にも可動な構成にするとよい。

また第１図では、１ヶ所のマークを検出するアライメ
ント系20しか示していないが、実際には２ヶ所以上のマ
ークを検出できるように、例えば第３図に示すような構
成にすることが望ましい。第３図は、レチクルＲ、ダイ
クロイックミラー14、及び３つのアライメント系の各対
物レンズ30x、30y、30θの配置を示す斜視図である。こ
こで光軸AX₀はレチクルＲの中心RCを通り、この中心RC
からＸ方向とＹ方向の夫々に離れたパターン領域周辺の
３ヶ所には窓RS₁、RS₂、RS₃が設けられている。そして
各窓RS₁、RS₂、RS₃の外側には遮光部分LS₁、LS₂、LS₃が
形成され、これらはパターン領域を囲む一定幅の枠形の
遮光帯LSBと一体になっている。また遮光帯LSBの外側の
３ヶ所にはレチクルアライメントマークRM₁、RM₂、RM₃
が形成される。

さて、３つのアライメント系の各対物レンズ30x、30
y、30θの先端にはミラーM₁、M₂、M₃が対物レンズと一
体に配置され、各対物レンズ30x、30y、30θは、Ｘ−Ｚ
平面と平行な光軸AX₁、AX₂、AX₃となるように配置され
る。

そして、対物レンズ30xとミラーM₁は一体に、Ｚ方向
（光軸AX₀に沿った方向）とＸ方向とに平行移動し、対
物レンズ30yとミラーM₂の組と対物レンズ30θとミラーM
₃の組も、それぞれ独立にＸ方向とＺ方向に平行移動す
るように構成される。尚、第３図では対物レンズ30x、3
0y、30θのみしか示していないが、それぞれ２焦点素子
も一体に設けられており、２焦点素子以降（アライメン
ト用照明光源側）はアフォーカル系になっている。さら
に、３つのミラーM₁、M₂、M₃もダイクロイックミラー14
の下面の空間に入り込まないように配置されている。こ
のように各対物レンズ30x、30y、30θの先端にミラー
M₁、M₂、M₃を設けておくと、レチクルＲのパターン領域
PAの大きさ、変化、すなわち各窓RS₁、RS₂、RS₃のレチ
クル中心RCに対する位置変化に対応して、各対物レンズ
30x、30y、30θによる観察位置の移動量が空間的に干渉
せず、比較的大きく取れる利点がある。

次に本実施例の動作を第４図、第５図、第６図を参照
して説明する。第４図は２層目以降の重ね合わせ露光に
使われるレチクルＲのパターン形状及びパターン配置を
示し、第５図はウェハＷ上に予め形成された複数のショ
ット領域（例えば１層目）のうちの１つの領域SAを示す
ものである。第５図において、１つのショット領域SAの
周囲４辺には、通常50〜100μｍ程度の幅のストリート
ラインSTLが形成される。このストリートラインSTLはウ
ェハＷ上のチップを切り出す際の切りしろであって、こ
こに回路パターンの一部がはみ出して形成されることは
ない。そこでショット領域SAの１層目の形成の際に、ス
トリートラインSTL内で、ショット中心SCを通るＹ軸と
平行な線上と、中心SCを通りＸ軸と平行な線上の夫々
に、マークWM₁、WM₃をいっしょに形成しておく。マーク
WM₁、WM₃は、本実施例の場合ショット領域SAに近接して
設るのではなく、ストリートライン内でショット領域SA
の境界から、倍率色収差量ΔY/5に対応した値だけ離し
て設けておく。ここでマークWM₁はＸ方向の位置検出に
使われ、マークWM₃はＹ方向の位置検出に使われる。

一方、第４図に示すように、このショット領域SAに重
ね合わせ露光されるレチクルＲには、ショット領域SAに
対して上下、左右が反転した５倍のパターン領域PA、遮
光帯LSB、レチクルアライメントマークRM₁、RM₂、RM₃が
形成される。窓RS₁はレチクル中心RCを通りＹ軸と平行
な線上でパターン領域PAに近接して設けられ、窓RS₃は
中心RCを通りＸ軸と平行な線上で、パターン領域PAに近
接して設けられる。本実施例では、遮光帯LSBの幅をウ
ェハＷ上のストリートラインSTLの幅（50〜100μｍ）の
５倍以上の値に設定し、レクチルブラインド４による照
明領域IAは、ウェハＷ上で１つのショット領域SAとそれ
を取り囲む４辺のストリートラインSTLとをカバーする
大きさに設定される。従って照明領域IAの内側であって
遮光帯LSB内に形成されたパターン（透明部）は、ウェ
ハＷ上のストリートラインSTL内に投影露光される。

尚、この遮光帯LSBのなかで、窓RS₁の外側の遮光部分
LS₁と、窓RS₃の外側の遮光部分LS₃とが、ウェハＷ上の
マークWM₁、WM₃の保護を行なう。また遮光帯LSB内の窓R
S₁、RS₃の近くには、新たなウェハマークを転写するた
めのマークパターン（５倍）WMa、WMbも形成されてい
る。このマークパターンWMa、WMbは、ウェハＷ上のマー
クWM₁、WM₃と重ならない位置であって、パターン領域PA
から倍率色収差ΔＹに対応した距離だけ離れていれば、
ストリートラインSTL内のどこに設けてもよい。新たな
ウェハマークを転写しないときは、マークパターンWM
a、WMbが不要（遮光体のままにしておく）であることは
言うまでもない。またテストパターンをウェハＷ上（特
にストリートライン内）に打ち込む場合は、遮光帯LSB
の隅にテストパターンTPを形成しておけばよい。

さてこのようなレチクルＲとショット領域SAとをアラ
イメントするにあたって、まずウェハステージ18をステ
ッピングさせて、ショット中心SCとレチクル中心RCとを
ほぼ一致させる。この場合、ウェハＷのグローバルアラ
イメントが不図示のオフ・アクシスウェハ顕微鏡等によ
り正しく行なわれているものとすると、中心SCとRCの位
置ずれはウェハＷ上で±１μｍ以下である。従って、ウ
ェハＷ上の２ヶ所のマークWM₁、WM₃は、レチクルＲの窓
RS₁、RS₃の夫々を通して観察できる位置にくる。

次に、アライメント系20によって、窓RS₁とマークWM₁
のアライメント、及び窓RS₃とマークWM₃のアライメント
を実行する。この際、アライメント系20の第１の検出方
式、すなわち２焦点化されたスポット光SPr、SPw（第７
図参照）の走査によってアライメントするものとする
と、例えば第６図のような光電信号が得られる。第６図
（Ａ）はスポット光SP、窓RS₁、マークWM₁の関係を示
し、スポット光SP（SPr、SPw）はＹ方向に細長く伸びた
スリット状であり、Ｘ方向に窓RS₁を横切る程度の振幅
で移動する。窓RS₁は矩形状に形成され、スポット光SP
と平行な両側のエッジE₁、E₂（クロム層のエッジ）がア
ライメントに使われる。またウェハ上のマークWM₁はス
ポット光SPと平行な複数本（ここでは７本）の直線状パ
ターンから成り、各直線状パターンのスポット光SPと平
行なエッジEa、Ebがアライメントに使われる。スポット
光SPが走査を行なうと、その走査位置に応じて光電検出
器54は、スポット光SPrと窓RS₁のエッジE₁、E₂とが一致
した時点でピークとなるような第６図（Ｂ）の信号波形
と、スポット光SPwとマークWM₁のエッジEa、Ebとが一致
したときにピークとなるような第６図（Ｃ）の信号波形
とを出力する。不図示の信号処理系は、第６図（Ｂ）の
信号波形からエッジE₁、E₂のＸ方向の中点Xrを求め、次
に第６図（Ｃ）の信号波形からマークWM₁全体のＸ方向
の中点Xwを求め、XrとXwのずれ量Δｘを求める。尚、光
電検出器54からの信号が第６図（Ｂ）、（Ｃ）のように
窓RS₁とマークWM₁とで分離できるのは、スポット光SP
r、SPwの偏光方向が互いに異なっていることと、スポッ
ト光SPr、SPwが比較的大きく光軸方向に離れていること
によって、窓RS₁（エッジE₁、E₂）からの光情報とマー
クWM₁からの光情報とを偏光ビームスプリッタでS/N比よ
く分離検出できるからである。

以上のような動作は、窓RS₃とマークWM₃によるＹ方向
のアライメントについても同時に実行される。こうして
レチクルＲとショット領域SAとのずれ量Δｘが求められ
ると、ウェハステージ18、又はレチクルステージ16を微
動させて、中点XrとXwとを一致させる。この中点Xr、Xw
の検出は順次繰り返し実行され、中点Xr、Xwのずれ量が
所定の許容範囲（例えば±0.06μｍ）内に入った時点で
露光用照明光学系を介して照明領域IA内に露光光が照射
される。

本実施例では、従来技術と同様のダイクロイックミ
ラー14を設けたため、露光動作中もマークWM₁（WM₃）と
窓RS₁（RS₃）の位置ずれを常時検出し、そのずれが許容
範囲内にあるようにレチクルステージ16、又はウェハス
テージ18をフィードバック制御することが可能である。
このため、露光動作中に生じ得る不要な振動による像ブ
レがなく、極めて高精度な重ね合わせが達成される。

ところで、この露光動作のとき、レチクルＲの窓R
S₁、RS₃はレチクルブラインド４の照明領域IA内にある
ため、ウェハＷ上に投影されるが、その各投影像R
S₁′、RS₃′は第５図に示すようにマークWM₁、WM₃とシ
ョット領域SAとの間のストリートラインSTL上に位置す
る。そして各マークWM₁、WM₃（マーク形成領域）はレチ
クルＲの遮光部分LS₁、LS₃によってそれぞれ遮光され、
露光は行なわれない。

また新たなウェハマークのパターンWMa、WMbの像WM
a′、WMb′は、それぞれマークWM₁、WM₃の隣りの位置に
形成される。TP′はテストパターンTPの投影像である。

以上、本実施例では、レチクル上で２ヶ所の窓RS₁、R
S₃を、第３図中の対物レンズ30x、30θの２眼で検出す
るものとしたが、窓RS₃と対向する位置の窓RS₂も用い
て、対物レンズ30x、30y、30θの３眼でマークWM₁、W
M₂、WM₃を同時検出するようにしてもよい。

また、アライメント系20の他の検出方式（撮像素子58
による像観察、２つのビームILbによる干渉縞を用いた
格子検出）を使っても全く同様の効果が得られる。

さらに、この種の投影レンズ系PLでは、露光光による
解像力、像質を最良にするため、露光光の波長以外の光
をアライメントに用いると、第２図に示した主光線LA
r、又はLAwが光軸AX₀に対して平行からずれる誤差、所
謂テレセン誤差を生じることもある。このテレセン誤差
は、アライメント系20内の光電検出器54に達する光情報
の横ずれになるため、それを補正する必要がある。その
ためには、第１図中において、スキャナーミラー44とレ
ンズ系46の間、レンズ系52と光電検出器54の間等に、傾
斜可能な平行平板ガラスを設け、テレセン誤差の補正量
に応じて光束を瞳内で横方向にシフトさせればよい。

以上本実施例では、投影レンズ系PLの軸上色収差ΔＬ
に対してはアライメント系20内の２焦点素子32で対応す
るため、投影レンズ系PLは、ある値以上の倍率色収差Δ
Ｙを積極的に確保した設計で作ることができ、設計、製
造とも極めて容易になる。また、アライメント用照明光
の波長のもとで、投影レンズ系PLのウェハ側の主光線LA
wが光軸AX₀と平行のとき、レチクル側の主光線LArもテ
レセン誤差がないようにするには、投影レンズ系PLの瞳
EPでの色収差を補正をしておけばよい。

尚、第１図の露光用照明系の光路中に示した石英板８
は、レチクルブラインド４の像がダイクロイックミラー
14の影響によってレチクルＲ上で横シフトするのを補正
するためのものであるが、石英板８の光軸AX₀に対する
角度を調整可能にしておくと、ブラインド４のレチクル
7R上での開口像（照明領域IA）の位置を微動させること
もできる。

さらに、第１図のように、レチクルＲの上方にダイク
ロイックミラー14を設けた場合は、アライメント系20に
よるマーク検出位置がレチクルＲの中心になってもよ
く、このためレチクルＲに２〜４個の同一回路パターン
をもつマルチ・ダイ・レチクルのパターン領域内部のス
トリートライン相当領域に窓RSを設けてもよい。

さて、第８図は第２図に示した原理図に対応したもの
であるが、第２図のときと異なるのは、アライメント用
照明光（露光光に対して長い波長）のもとで生ずる投影
レンズ系PLの倍率色収差ΔＹの方向が逆になる点であ
る。すなわち、点A₁が、点A₂の外側の点A₃に結像するこ
とである。このように倍率色収差ΔＹの発生方向は、投
影レンズ系PLのレンズ構成、レンズ素子の材質、照明光
の波長の選択等によってどちらにも生じ得る。

第９図（Ａ）、（Ｂ）は第８図のような投影レンズ系
PLを有するステッパーの他のアライメント系の方式を示
す第２の実施例であって、第９図（Ａ）は従来と同様に
レチクルＲの窓RSのすぐ上方に小さなミラーＭを配置し
た系を示す。ミラーＭはアライメント系の光軸AX₄を直
角に折り曲げ、窓RSからの光情報と、窓RSを通ったウェ
ハマークからの光情報とを対物レンズ30、２焦点素子32
へ導びく。本実施例では、倍率色収差量ΔＹに対応し
て、レチクルＲの窓RS内に第９図（Ｂ）のように専用の
レチクルマークRsmを設ける。レチクルマークRsmは遮光
体であり、その中心に露光光によって規定される主光線
LErが通る。窓RS内でマークRsmの下半分は透明部とさ
れ、そこに主光線LAwが通るように定められている。ウ
ェハマークの投影レンズ系PLによる像Wsm′は、窓RSの
透明部を通り、レチクルＲの上方空間の面Pwに結像す
る。

従って、２焦点素子32を介して撮像素子等で窓RS全体
を拡大観察すると、レチクルマークRsmとウェハマーク
像Wsm′とは、撮像視野内でΔＹだけ離れて同時に検出
される。そこでマークRsmとマーク像Wsm′との横ずれを
画像信号に基づいて検出することで、TTR方式のアライ
メントができる。その後、ミラーＭを退避させて露光を
行なうと、レチクルマークRsmの投影像は、ウェハマー
クWsmの上に正確に重ね合わされることになり、マークW
smは保護される。

本実施例は、倍率色収差量ΔＹが比較的小さい時に有
利であり、レチクルマーク自体がウェハマークに対する
遮光体になるため、窓RSが小さくて済むといった利点も
ある。

第10図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第３の実施例による
マーク配置を示すもので、第10図（Ａ）はウェハＷ上で
Ｘ方向に並んだ３つのショット領域SAl、SAc、SArの配
置を示す。第10図（Ａ）において、各ショット領域のＸ
方向の両側のストリートライン上と、下側のストリート
ライン上には、ウェハマークWM₃、WM₂、WM₁が形成され
ている。そこで、中央のショット領域SAcに着目してみ
ると、左右のWM₂、WM₃はショット中心SCを通るｘ軸上に
設けられるため、第６図（Ａ）のようなマーク構造だ
と、ストリートライン上に隣りのショット領域SAl、SAr
に付随したマーク（WM₂、WM₃）と平行に並んでしまい、
ストリートラインの幅以上の余裕が必要となってしま
う。

すなわち、ショット領域SAcの左側のストリートライ
ンについてみてみると、ショット領域SAcに付随したマ
ークWM₂とショット領域SAlに付随したマークWM₃との２
つが専有する幅と、レチクルＲ上の窓RS₂、RS₃の各像RS
₂′、RS₃′が専有する幅との合計値が必要となる。この
ためマークWM₂、WM₃の各形成領域の幅を30μｍ、窓R
S₂、RS₃の像RS₂′、RS₃′の幅を35μｍ、倍率色収差量
ΔＹを35μｍ程度に設定すると、ストリートラインの幅
として130μｍ以上は必要となる。

そこで少しでもストリートライン幅を狭くするため、
ストリートライン内に形成される２つのマークWM₂、WM₃
を、第10図（Ｂ）に示すようにそれぞれ４本の直線状パ
ターンMPl、MPrを交互にＹ方向に配列したものにする。
ここで４本の直線状パターンMPlは、着目するショット
領域SAc左側に付随して形成され、４本の直線状パター
ンMPrは着目するショット領域SAcの右側に付随して形成
される。このようにすると、ストリートライン内でのマ
ーク形成領域の専有面積は、第６図（Ａ）の場合とほと
んど変わることがない。そして、このような直線状パタ
ーンMPl、MPrをもつレチクルを使ってウェハＷ上に露光
を行なうとき、Ｘ方向のステッピングピッチは、第10図
（Ａ）に示すように、マークWM₂とWM₃の距離STPと同じ
にしておけばよい。

またマークWM₂、WM₃の検出の際、ショット領域SAcを
アライメントしているときは、左のマークWM₂内の４本
の直線状パターンMPlと、右のマークWM₃内の４本の直線
状パターンMPrとを、光電信号上の波形から弁別して検
出すればよい。

これらマークWM₂、WM₃はＹ方向には大きくできること
から、第10図（Ｂ）の各直線状パターンMPl、MPrはＹ方
向に入れ子状態にして、さらに本数を増すことができ
る。

以上、本実施例によれば、ストリートライン上に設け
るマークWM₂、WM₃を、１つのマーク専有領域内に共存さ
せることができるので、ストリートラインの幅は100μ
ｍ程度に押えられるといった利点がある。尚、本実施例
では第２図に示した投影レンズ系PLを使用するものとし
たので、ウェハＷ上の各マークWM₂、WM₃とショット領域
SAとの間に、窓RS₂、RS₃の各投影像RS₂′、RS₃′が位置
することになる。

ところが、第８図に示した投影レンズ系PLを使うとき
は、倍率色収差の発生方向が反転するので、第11図に示
すように左右のマークWM₂、WM₃はストリートライン上で
個別に分け、左右の窓RS₂、RS₃の投影像RS₂′、RS₃′を
同じ位置に投影するようにするとよい。すなわち、第11
図でショット領域SAlの右側のマークWM₃はショット領域
SAcに近いところに形成し、ショット領域SAcの左側のマ
ークWM₂はショット領域SAlに近いところに形成し、ショ
ット領域SAcの左側のマークWM₂はショット領域SAlに近
いところに形成し、そしてマークWM₂とWM₃の間の共通位
置に窓の投影像RS₂′とRS₃′が露光されるようにする。
この場合、ショット中心SCを通るｘ軸上に約30μｍ幅の
マークWM₂、WM₃が２つ並び、さらに約35μｍ幅の投影像
RS₂′、RS₃′が１つ並ぶため、ストリートラインの幅は
約95μｍあればよいことになる。

ところで以上の説明では、ウェハＷ上のマークWM₁、W
M₂、WM₃がレチクルＲ上の遮光部分LS₁、LS₂、LS₃によっ
て露光中に遮光されている必要があり、窓RS₁、RS₂、RS
₃の各像がマークWM₁、WM₂、WM₃と重ならない程度の倍率
色収差量が必要である。ところが倍率色収差量は、投影
レンズ系の視野内で光軸AX₀を零として、像高点が変化
すると、それに応じて絶対量も変化する。このことはレ
チクルＲのパターン領域PAの大きさがデバイスサイズに
よって変わる際に問題になる。そこで第12図により、そ
のことを説明する。第12図は投影レンズ系PLで起り得る
代表的な３つの倍率色収差特性CV₁、CV₂、CV₃を模式的
に表わしたグラフである。第12図で横軸は像高位置（光
軸からの距離）を表わし、像高点Fmは視野領域の最外周
点を表わす。

第12図中、色収差量ΔYmはウェハＷ上のマークWMの形
成領域の大きさ、窓RSの大きさ等に基づいて定まる必要
最小限の値であり、色収差量がΔYmより小さい像高点で
は、窓の像RS′の投影によりウェハＷ上のマークWMの保
護が不可能であることを意味する。

特性CV₁は、像高点F₁でΔYm以上になった後、最大ΔY
m＋ds1の収差量の極値となり、像高点Fmで再び収差量Δ
Ym程度になっている。特性CV₂は、像高点F₂（F₂＞F₁）
でΔYm以上になってから極値ds2となり、その後、急激
に低下して像高点F₄でΔYm以下となり、さらに像高点Fm
では収差の方向が反転している。そして特性CV₃は、像
高Fmに向けて収差量が単調に増加し、像高点F₃（F₃＞
F₂）でΔYm以上になった後、像高点Fmでは最大の収差量
（ΔYm＋ds3）となる。ここでレチクルＲの窓RS（又は
ウェハのマークWM）の最大の像高点がF₄までであるとす
ると、マーク保護が可能な最小マーク位置は、各特性CV
₁、CV₂、CV₃の順に像高点F₁、F₂、F₃となり、特性CV₁の
場合に、マーク位置変化、すなわちパターン領域PA（シ
ョット領域SA）のサイズ変化により大きく対応できるこ
とになる。

ところが特性CV₃は像高点F₃からF₄にかけて収差量が
大きく変化するため、像高点F₄でのマークWMと窓RSとの
横ずれ量が大きく、このことはマークWMと窓の像RS′と
の間隔が広くなること、遮光部分LSの幅を広く必要とす
ること等、ストリートラインの幅を広げざるを得ないこ
とを意味する。またレチクルＲのパターン領域PAの大き
さ変化に応じて、窓RSとマークWMとの位置関係を変化さ
せて設計しておく必要も起り得る。これに対して特性CV
₂の場合は、ΔYmから増加する収差量はds2（ds2＜ds1）
と最も小さいため、像高点F₂からF₄に渡って、ストリー
トラインの幅をそれほど増やさずにマーク保護が可能で
ある。

従って、マーク保護が可能で、広い像高範囲に渡って
TTR方式のアライメントが可能で、なおかつストリート
ラインの幅を狭くできる色収差特性としては、像高点F₄
までを対称とするなら、特性CV₂が最も良い。ただし、
この場合像高点F₄より外側の領域では、収差量が急激に
ΔYm以下に低下するため、最早アライメントに使うこと
はできない。従って像高点F₄よりも外側でアライメント
を行なうことがあるときは、特性CV₁または特性CV₁とCV
₂の間の特性をもつ投影レンズ系を使うことが望まし
い。いずれにしろ、最大像高点Fmの約1/2よりも大きい
像高で収差量ΔYmよりも大きな値で極値となる３次曲線
状の収差特性をもつ投影レンズ系を用いることが望まし
い。これに対して軸上色収差量ΔＬは、アライメント系
20に２焦点素子32を用いる場合は、像高点によらずΔＬ
を中心にある範囲内に納まっていればよい。その範囲は
対物レンズ30の焦点深度、対物レンズ30を通るアライメ
ント用照明光の投影レンズ系PLの瞳EPにおける大きさ
（照明光束の開口数）等によって決まる。このような設
計は比較的容易である。

また２焦点素子32を使わない場合は、軸上色収差のみ
を、例えば第12図中の像高点F₄までの間で補正してほぼ
零にしておけばよい。

次に本発明の第４の実施例によるアライメント方式を
第13図を参照して説明する。第13図に示した投影レンズ
系PLは、いままでのものとは異なり、倍率色収差につい
ては十分に補正してあり、軸上色収差のみが補正されて
いない。このため露光用照明光の波長のもとで規定され
た点A₁と点A₂を結ぶ主光線LEw、LErと、アライメント用
照明光の波長のもとで規定された点A₁とA₂を結ぶ主光線
LAw、LArと横ずれなくほぼ合致してしまう。従って、い
ままでの説明と同じ方法では、ウェハ上のマークを保護
することができない。

そこで、マーク保護の観点から、露光光のもとでウェ
ハＷ上の点A₁を共役なレクチルＲ上の点A₂に、ウェハマ
ークの形成領域を覆う程度の遮光部分LSを形成し、その
近傍に窓RSを設け、この窓RSにアライメント用照明光を
斜めに通すようにする。すなわちアライメント系の対物
レンズ30の前側焦点面（瞳EPと共役な面）内で、照明用
のビームILc（又はILa）が偏心して通るようにする。こ
のようにすると、対物レンズ30の光軸は、レチクルＲと
垂直な主光線LErと平行に配置できるとともに、ビームI
Lcの主光線LAr′は窓RSを斜めに通すことができる。こ
の主光線LAr′は、投影レンズ系PLの光軸AX₀と窓RSの中
心点を含む平面内で傾けることが必要であり、この平面
と垂直な方向に関して傾けると、アライメント誤差が発
生する。そして主光線LAr′は投影レンズ系PLの瞳EPの
中心からはずれた点を通り、ウェハＷへ達する。このと
きウェハＷと投影レンズ系PLの間では、その主光線（LA
w′）は傾いたものとなる。また照明用のビームILcは瞳
EPで中心からずれた領域を通る。

さて、ウェハマーク（点A₁）からの光情報のうち、主
光線LAw′に沿って逆進する光は、投影レンズ系PLを介
して窓RSを通り、空間中のウェハ共役面Pw内の点A₃で結
像し、ここにウェハマークの暗視野像が形成されること
になる。この光情報は再び主光線LAr′に沿って逆進
し、対物レンズ30まで戻る。対物レンズ30がテレセント
リックで、後側焦点面が面Pw、又はレチクルＲのパター
ン面、あるいはその中間にある場合、ビームILcの瞳共
役面近傍での主光線は、対物レンズ30の光軸とほぼ平行
にすることができる。従ってウェハマークからの光情報
のうち主光線LAr′に沿って戻ってくる光の主光線は、
対物レンズ30の後の２焦点素子32を通った後、光軸とほ
ぼ平行になる。もちろん、窓RSからの光情報も、対物レ
ンズ30、２焦点素子32を介して検出される。

本実施例の場合、アライメント用照明光の主光線（LA
r′）を傾けておくことで、横ずれした位置関係にある
ウェハマーク（点A₁）と窓RSとを同時に検出することが
でき、TTRの方式のアライメントとが実行できる。しか
も露光波長のもとで、ウェハマーク（点A₁）はレチクル
の遮光部分LS（A₂）と共役であるから、同様にマーク保
護が可能である。またウェハＷ上の点A₁に形成するマー
クを、光軸AX₀に向って微小格子要素を配列した回折格
子パターンとし、これをスポット光で走査する場合は、
主光線LAw′の傾きを回折格子パターンからの２次以上
の回折光の回折角に合わせておくとよい。

次に本発明の第５の実施例を第15図（Ａ）、（Ｂ）を
参照して説明する。第15図（Ａ）は投影レンズ系PLの軸
上色収差特性を像高をパラメータとして表わした一例で
あり、各実施例で述べた投影レンズ系PLの場合、理想的
には特性CV₄のように像高点によらず一定ΔL₀であるこ
とが望ましい。ただし、実際には許容範囲±dlがあり、
この範囲内であれば２焦点素子32によって十分対応でき
る。ところが、第13図のように倍率色収差を補正した投
影レンズ系では、同時に軸上色収差量を一定に保つこと
が難しい場合が多い。その場合、軸上色収差の特性はCV
₅のようになり、中心と最外周点Fmとのほぼ中間の像高
点F₅で、色収差量ΔＬが範囲±dlがはずれ、像が大きく
なるにつれて、色収差量ΔＬも２焦点素子32で対応でき
ない程度に大きくなってしまう。これは先にも述べたよ
うに、窓RS、ウェハマークWMの位置が、レチクルＲのパ
ターン領域PAの大きさ変化によって変わるときは、はな
はだ不都合である。

そこで２焦点素子32の機能を、第15図（Ｂ）に示した
光学系で達成するようにし、２焦点の間隔を可変にする
ようにする。

まずスキャナーミラー44で偏向されたほぼ平行なビー
ムILcは、偏光ビームスプリッタPBS₁でＰ偏光とＳ偏光
に分離される。スプリッタPBS₁で反射したＳ偏光のビー
ムはレンズ系G₁、ミラーM6を介して点SPrにスポット光
（スリット状）として結像した後、レンズ系G₃を介して
再び平行光となり、Ｓ偏光をＰ偏光に変換する光学素子
PZ₁を介して偏光ビームスプリッタPBS₂を透過する。ス
プリッタPBS₂からのＰ偏光のビームはミラーM₄で反射さ
れ、テレセントリックな対物レンズ30を介して、レチク
ルＲのパターン面にスポット光として結像される。この
場合、Ｐ偏光についてレチクルＲと点SPrとが共役にな
っている。一方、スプリッタPBS₁を透過したＰ偏光のビ
ームは傾斜可能な平行平板ガラスHV₁、レンズ系G₂、及
び厚さ可変の平行平板ガラス（２枚のくさび状プリズム
を対向させたもの）HV₂を介して点SPwにスポット光（ス
リット状）として結像した後、ミラーM₅、レンズ系G₄、
及びＰ偏光をＳ偏光に変換する光学素子PZ₂を介して偏
光ビームスプリッタPBS₂に入射し、ここで反射されてほ
ぼ平行なＳ偏光のビームとなる。スプリッタPBS₂はＰ偏
光とＳ偏光の両ビームを同軸に合成し、合成されたビー
ムのうちＳ偏光のビームは対物レンズ30によって面Pw内
のスポット光として結像される。

ここでミラーM₄と対物レンズ30は一体の可動部A_0pと
して構成され、ミラー４とスプリッタPBS₂の間がアフォ
ーカル系になっている。

さて、アライメントの際に、レチクルＲ上の窓RS（ウ
ェハマークWM）の位置が像高上で変化すると、可動部A
_0pは矢印のように駆動系100によって移動される。この
とき駆動系100内には、例えば第15図（Ａ）の特性CV₅が
予め記憶されていて、移動後の像高点に対応した軸上色
収差量ΔＬに関連した値を読み出す。そして、その値に
基づいて平行平板ガラスHV₂の厚みを変化させる。これ
によって、Ｓ偏光のビームがスポット光として結像する
面Pwを上下に補正することができる。

以上本実施例によれば、軸上色収差量ΔL₀が像高点に
応じて大きく変化する場合でも、TTR方式のアライメン
トが全く同様に実行できる。

また本発明の各実施例では、ビーム走査方式のTTRア
ライメントについて説明したが、例えば第１図中に示し
たスキャナーミラー44を介さずに、静止したビームILc
をレチクルＲの窓RSからウェハＷ上に投射し、ウェハＷ
上に静止スポット光を照射する。そしてこのスポット光
に対してウェハマークWMが移動するようにウェハステー
ジ18をスキャンしてマークWMを検出するようにしてもよ
い。この場合は、レチクルＲの窓RSからの光情報を検出
しないTTL方式なので、予めウェハステージ18上に設け
られた基準マーク（フィデューシャルマーク）を用い
て、静止スポット光の位置とレチクルＲの窓RSの投影点
の位置との関係を計測しておく必要がある。

さらに、各アライメント系は対物レンズ30を介してア
ライメント用照明光をレチクルＲ、ウェハＷへ照射する
ものとしたが、ウェハＷ上のマークWMは投影レンズ系PL
を介さずに斜め方向から照射光を当てる構成にしても同
様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上本発明によれば、投影光学系の色収差を積極的に
用いることによって、露光光と異なる波長のアライメン
ト用照明光を使ったTTR（スルーザレチクル）、又はTTL
（スルーザレンズ）方式のアライメントが可能であると
ともに、露光中は感応基板（ウェハ）上のアライメント
マークの形成領域を非露光状態にすることができる。

また、マスク（レチクル）そのものに設けられた遮光
体を使って、感応基板上のアライメントマークの形成領
域を非露光状態とする場合は、非露光波長の光で感応基
板上のアライメントマークを検出することの利点が最大
限に得られると同時に、何ら別の遮光部材を設けなくと
も、そのアライメントマークの保護が行なわれるといっ
た利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の構
成を示す図、第２図は本発明で利用する色収差の原理を
説明する投影系を模式的に示す図、第３図は、第１図に
示した装置のアライメント系の一部を示す斜視図、第４
図は第１の実施例で使用するのに好適なレチクルのパタ
ーン形状、配置を示す平面図、第５図は第４図のレチク
ルで露光されるウェハ上のショット領域の配置を示す平
面図、第６図はレチクルとウェハのアライメントの様
子、及び各光電信号の波形を示す図、第７図は第１の実
施例で使われる２焦点化の方法を説明する図、第８図は本発明で利用する色収差の他の特性を説明する
図、第９図（Ａ）は本発明の第２の実施例によるアライ
メント系の構成を示す図、第９図（Ｂ）は第２の実施例
に好適なアライメントマークの配置を示す平面図、第10
図（Ａ）、第10図（Ｂ）は本発明の第３の実施例による
マーク構造、配置を示す平面図、第11図は第３の実施例
と関連した他のマーク配置を示す図、第12図は投影レン
ズ系の倍率色収差特性の例を示すグラフ、第13図は本発
明の第４の実施例による投影露光装置のアライメント方
式を模式的に示す図、第14図（Ａ）、第14図（Ｂ）は従
来の投影レンズ系の軸上色収差特性を示すグラフ、第15図（Ａ）は投影視野内の像高点を関数とした軸上色
収差特性の一例を示すグラフ、第15図（Ｂ）は本発明の第５の実施例によるアライメン
ト系の一部の構成を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕２、６……結像レンズ系、４……レチクルブラインド、 12……主コンデンサーレンズ、 14……ダイクロイックミラー、 20……アライメント系、 30、30x、30y、30θ……対物レンズ、 32……２焦点素子、54……光電検出器、 58……撮像素子、Ｒ……レチクル、Ｗ……ウェハ、PL……投影レンズ系、 PA……パターン領域、SA……ショット領域、 RS、RS₁、RS₂、RS₃……アライメント用の窓、 WM₁、WM₂、WM₃……アライメントマーク、 LSB……遮光帯、 LS、LS₁、LS₂、LS₃……遮光部分、 ILe……露光光、 ILa、ILb、ILc……アライメント用照明光、 ΔＹ……倍率色収差量、ΔＬ……軸上色収差量

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】露光すべき所定のパターン領域を有するマ
スクを第１の波長域の光で照明する露光用照明光学系
と、該第１の波長域の光のもとで前記パターン領域の像
を感応基板上の所定の被転写領域に結像投影する投影光
学系とを備えた装置において、前記被転写領域と一定の位置関係で前記感応基板に設け
られたアライメントマークを、前記第１の波長域と異な
る第２の波長域の光で照明するアライメント用照明光学
系と；前記第１の波長域の光の照明のもとで前記アライメント
マークの像が前記投影光学系により前記マスク側に投影
されるべき第１の空間位置に対して、前記投影光学系の
視野内で前記投影光学系の光軸と直交する方向に所定間
隔だけ離れた第２の空間位置を通る光を受光するように
配置され、前記第２の波長域の光の照明により前記アラ
イメントマークから生じた光情報を、前記投影光学系を
介して検出するマーク検出光学系とを有し、前記第１の
空間位置と第２の空間位置との間隔を、前記投影光学系
の前記第２の波長域における色収差量に対応させたこと
を特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記色収差は、軸上色収差又は倍率色収差
を含むことを特徴とする請求項第１項に記載の装置。
【請求項３】前記マスクは前記パターン領域の周辺部に
遮光体を有し、前記アライメントマークは、前記マスク
のパターン領域の像を前記感応基板の被転写領域に位置
合わせして露光するとき、前記マスクの遮光体によって
遮光される位置に形成することを特徴とする請求項１ま
たは２記載の装置。
【請求項４】前記マーク検出系は、前記マスクに前記パ
ターン領域と付随して形成された窓と前記投影光学系と
を通して、前記アライメントマークへ前記第２の波長域
の光を送るように配置されていることを特徴とする請求
項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】前記アライメント用照明光学系は、前記第
２の波長域の光を前記アライメントマークに対して２方
向から照射するように配向する配向光学系を含むことを
特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】前記露光用照明光学系は、前記第２の波長
域の光と前記第１の波長域の光とを同時に前記マスクに
向けて照射可能とするように前記マスクを覆うように斜
設されたダイクロイックミラーを含むことを特徴とする
請求項１記載の装置。
【請求項７】露光すべき所定のパターン領域を有するマ
スクを第１の波長域の光で照明し、投影光学系を介して
前記パターン領域の像を感応基板上の所定の被転写領域
に結像投影する投影露光方法において、前記感応基板に設けられたアライメントマークを前記第
１の波長域と異なる第２の波長域の光で照明し前記第２の波長域の光の照明により前記アライメントマ
ークから生じた光情報を、前記第１の波長域の光の照明
のもとで前記アライメントマークの像が前記投影光学系
により前記マスク側に投影されるべき第１の空間位置に
対して、前記第２の波長域の光における前記投影光学系
の色収差に応じた距離だけ離れた第２の空間位置を介し
て検出することを特徴とする投影露光方法。
【請求項８】前記第２の波長域の光と前記第１の波長域
の光とを同時に前記マスクに向けて照射可能とするよう
に前記マスクを覆うように斜設されたダイクロイックミ
ラーを介して前記第２の波長域の光を前記アライメント
マークに照射することを特徴とする請求項７記載の方
法。
【請求項９】露光すべき所定のパターン領域を有するマ
スクを第１の波長域の光で照明する露光用照明光学系
と、該第１の波長域の光のもとで前記パターン領域の像
を感応基板上の所定の被転写領域に結像投影する投影光
学系とを備えた装置において、前記被転写領域と一定の位置関係で前記感応基板に設け
られたアライメントマークを、前記第１の波長域と異な
る第２の波長域の光で照明するアライメント用照明光学
系と；前記第１の波長域の光の照明のもとで前記投影光学系に
関して前記アライメントマークとほぼ共役な第１の空間
位置から所定間隔だけ離れた第２の空間位置及び前記投
影光学系を介して、前記第２の波長域の光の照明により
前記アライメントマークから生じた光情報を検出するマ
ーク検出光学系と；前記マスクと前記感応基板とが位置合わせされたときに
前記アライメントマークが前記第１の波長域の光で照明
されないように前記第１の波長域の光を遮光すべく前記
第１の空間位置に配置された遮光部材とを有し、前記所定間隔は、前記第２の波長域の光における前記投
影光学系の色収差に応じて定められていることを特徴と
する投影露光装置。
【請求項１０】前記色収差は、軸上色収差又は倍率色収
差を含むことを特徴とする請求項９記載の装置。