JPH10223528A

JPH10223528A - 投影露光装置及び位置合わせ方法

Info

Publication number: JPH10223528A
Application number: JP9343739A
Authority: JP
Inventors: Kensho Tokuda; 憲昭徳田; Kyoichi Suwa; 恭一諏訪
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】アライメントのための計測時間を短縮して、
スループットの向上を図る。【解決手段】２つの計測光学系２６，２８の内一つの
計測光学系２８が投影光学系ＰＬの光軸に直交する平面
内でＸＹ２次元方向に移動可能であることから、この移
動可能な計測光学系２８の位置調整を行って、感光基板
Ｗ上に所定間隔で配置された位置合わせ用マークの位置
関係に対応して計測光学系２６，２８間の間隔（又は位
置関係）を調整することにより、２つの位置合わせ用マ
ークを同時に計測することが可能になる。従って、位置
合わせマークを一つずつ計測していた従来の場合に比べ
てマーク計測に要する時間を短縮することが可能にな
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、投影露光装置及び
位置合せ方法に係り、更に詳しくは半導体素子（集積回
路）や液晶表示素子などの製造に使用される投影露光装
置及びその投影露光時の層間位置合わせ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、集積回路や液晶表示基板など
の製造におけるフォトリソグラフィ工程では、種々の露
光装置が使用されており、中でも一括露光方式の逐次移
動型縮小投影露光装置、例えばステップ・アンド・リピ
ート方式の縮小投影型露光装置（いわゆるステッパー）
等が主流となっている。

【０００３】このステッパーでは、露光光により投影さ
れるべきパターンが描かれているマスク、すなわちレチ
クルが照明されると、レチクル上のパターンは、縮小投
影光学系を介して感光性材料が塗布されたシリコンウエ
ハ、ガラスプレート等の基板（以下「ウエハ」と総称す
る）上に投影され、これによりウエハ上の感光性材料が
露光されパターンの縮小像が形成される。そして、ウエ
ハを保持し、その位置がレーザ干渉計等の位置計測手段
を介して制御される可動式のステージ（ウエハステー
ジ）の逐次移動を行いつつ、上記の露光を繰り返すこと
により、ウエハ上の所定領域にパターンが順次転写（投
影露光）されるようになっている。

【０００４】ところで、半導体素子などの集積回路の製
造にあっては、現在、その素子パターンを幾層にも分け
ておき、電極等のための金属層の形成とそのパターニン
グ、また絶縁のための誘電体層の形成を繰り返して積層
形成する所謂プレーナ技術が用いられることが一般的で
ある。すなわち、半導体素子を製造するには複数の層、
例えば十数層に及ぶ回路パターンを正確に重ね合わせて
形成する必要があるため、製造工程においてはすでにウ
エハ上に形成されているパターンに対し、これから形成
しようとするレチクル上のパターンの相対位置を確保し
たのちに露光する必要がある。このためレチクルパター
ン投影露光に際しては、先に形成されている層のパター
ンとの位置合わせ（以下、適宜「アライメント」と呼
ぶ）を正確に行う必要があり、また、パターン線幅は高
集積化に伴い次第に微細化していることから高い位置合
わせ精度が要求されるようになってきた。

【０００５】ウエハの位置を検出する代表的な方式とし
て、露光に先立って縮小投影露光装置に装着されたウエ
ハの位置をウエハ上の代表的なマーク位置を検出するこ
とによって決定するオフ・アクシス方式がある。このマ
ーク位置検出に使用されるオフ・アクシス方式の計測用
顕微鏡（アライメント顕微鏡）としては、例えば特開平
２−５４１０３号に開示されるような、画像取り込みと
画像処理機能を有するものが知られている。図１６に
は、投影露光装置を構成する投影光学系ＰＬと上記のよ
うなオフ・アクシス方式の計測用顕微鏡２００との位置
関係が模式的に示されている。この図１６において、距
離Ｂａ（正確には、レチクルの中心を代表する投影光学
系ＰＬの中心（光軸）と、計測顕微鏡２００の計測軸中
心との距離）は投影光学系ＰＬと計測用顕微鏡２００と
の相対距離を示しており、ベースライン長さと呼ばれ
る。

【０００６】このような計測用顕微鏡２００を使用した
アライメント工程では、例えば特開昭６１−４４４２９
号に開示されるように、予めウエハ上に形成されている
参照マーク内の幾つか（通例数個から１０個程度）の位
置を、上記計測用顕微鏡の画像処理信号とウエハステー
ジの位置をモニタする干渉計の計測値とに基づいて検出
し、この検出結果とウエハ上のショット配列の設計デー
タとを用いて最小二乗法等の統計演算を行って、露光時
の位置決めのためのウエハ上の各ショットの座標位置を
決定するいわゆるエンハンスト・グローバル・アライメ
ント（以下、適宜「ＥＧＡ」という）が用いられる。こ
の場合、位置計測中と投影露光中では、計測露光対象で
あるウエハの位置を変える必要があるので、先に述べた
ベースライン長さＢａを正確に測り、また安定に維持す
ることが重要である。

【０００７】図１７は、ウエハＷ上でのショット領域
（単位露光パターン）Ｓ（横Ｐｘ、縦Ｐｙのサイズを有
する）の配列を示した模式図であり、例えば、斜線が施
された（ハッチングが付された）露光パターンＳがＥＧ
Ａ計測の対象となるショット領域、すなわちＥＧＡショ
ットであるとする。図中のＭｘ、Ｍｙはショット領域内
に予め形成されている位置計測用のマーク（アライメン
ト参照マーク）であり、ｘ、ｙのペアで一組の位置座標
情報となる。従って、この図１７の例では、ＥＧＡショ
ットが８個、その各々に２個のマークがあるから、合計
で１６箇所、すなわち１６回の計測が行われることにな
る。

【０００８】ところで、近年集積回路の集積度が上がる
につれて、投影露光装置に要求されるアライメントの精
度も厳しくなってきているが、特にウエハの熱処理など
による変形が原因となったアライメント参照マーク（Ｍ
ｘ、Ｍｙ）の位置ズレや、投影光学系の歪曲収差（所謂
ディストーション）に起因するアライメント参照マーク
の位置ズレも、アライメント計測の精度向上の阻害要因
となってきており、このような事態に対応するため、単
位逐次露光パターン（所謂ショット領域）内に複数個の
位置計測用参照マークを用意しておき、アライメント計
測時に露光ショット内でも複数のマークを計測し、位置
合わせの際に補正値として利用する方法が、例えば特開
平６−２７５４９６号で提案されている。

【０００９】図１８は、各露光ショットＳ内に、Ｘ−Ｙ
の２組の参照マーク（Ｍｘ１／Ｍｙ１、Ｍｘ２／Ｍｙ
２）が配置されたウエハ上のショット領域の配列の模式
図が示されている。この場合ＥＧＡ計測点数は、測定対
象となる露光ショット数Ｎと、ショット内の計測点数ｎ
の積である、Ｎ×ｎ個となる。図１８の例では、８×４
＝３２点となり、３２回の計測が行われることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般に、投影露光装置
に対しては、十分に細かい線幅を露光できる高い結像
性能、高い層間アライメント精度、及び高いウエハ
の処理能力（所謂スループット）という少なくとも３つ
の重要な要請がなされている。しかしながら、アライメ
ント精度を向上させようとすると、例えばＥＧＡ計測の
計測ショット数を増やすことになって計測時間が延び、
スループットが低下するという不都合があった。特に、
図１８の例のような各ショット領域内により多くの数の
計測点を配置する場合には、その傾向が更に助長される
という不都合があった。

【００１１】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、その目的は、アライメントのための計測時間を短縮
して、スループットの向上を図ることができる投影露光
装置を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、投影露光装置のスループットを犠牲にすることなく
アラインメント精度を向上させる、投影露光装置で使用
可能な位置合せ方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、マスク上に形成されたパターンを、複数の位置合わ
せ用マークが形成された感光基板上に転写する投影露光
装置であって、投影光学系と；前記投影光学系を介さな
いで前記感光基板上に形成された位置合わせ用マークを
計測する２個以上の計測光学系とを備え、この内の少な
くとも１つが前記投影光学系の光軸に直交する平面内で
少なくとも一軸方向に移動可能であることを特徴とす
る。

【００１３】これによれば、２個以上の計測光学系の
内、少なくとも一つが投影光学系の光軸に直交する平面
内で少なくとも一軸方向に移動可能であることから、こ
の移動可能な計測光学系の位置調整を行って、感光基板
上に所定の一軸方向に沿って配置された位置合わせ用マ
ークの位置関係に対応して計測顕微鏡間の間隔（又は位
置関係）を調整することができる。これにより、少なく
とも２つの位置合わせ用マークを同時に計測することが
可能になる。この結果、位置合わせマークを一つずつ計
測していた従来の場合に比べてマーク計測に要する時間
を短縮することが可能になる。

【００１４】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の投影露光装置において、前記複数の計測光学系と関連
して前記投影露光装置に配置され、前記少なくとも１つ
の移動可能な計測光学系の、前記投影光学系に対する相
対的な位置、あるいは固定の計測光学系に対する相対的
な位置を計測する相対位置計測系を更に備える。これに
よれば、感光基板上の位置合わせマークの配置が例えば
層間で異なるような場合にも、これらのマークの配列に
対応させて、移動可能な計測光学系を正確な位置へ移動
することができる。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の投影露光装置において、前記複数の計測光学系と接続
されて前記投影露光装置に配置され、露光開始に先だっ
て、前記複数の計測光学系から得られた計測データに従
って、所定の複数のショット領域に形成された位置合せ
用マークの位置を順次決定し、各ショット領域の配列座
標を算出する演算処理装置を更に備える。これによれ
ば、算出された配列座標に基づいて各ショット領域を正
確に露光位置へ位置決めすることができる。ここで、所
定の複数ショット領域に形成された位置合わせ用マーク
の位置計測に際して、演算処理装置は、アライメントマ
ークを少なくとも２つずつ同時に計測することができ
る。

【００１６】請求項４に記載の発明は、複数の位置合わ
せ用マークが形成された感光基板上の複数のショット領
域を転写位置に順次位置決めする移動型の投影露光装置
であって、マスクに形成されたパターンを前記ショット
領域に投影する投影光学系と；複数の計測光学系であっ
て、その数に応じた個数の位置合わせ用マークを計測す
る複数の計測光学系を備え、この内の少なくとも１つが
前記投影光学系の光軸に直交する平面内で少なくとも一
軸方向に移動可能であることを特徴とする。

【００１７】これによれば、２個以上の計測光学系の
内、少なくとも一つが投影光学系の光軸に直交する平面
内で少なくとも一軸方向に移動可能であることから、こ
の移動可能な計測光学系の位置調整を行って、感光基板
上の各ショット領域にそれぞれ又は同一ショット領域内
に複数、所定の一軸方向に沿って配置された位置合わせ
用マークの位置関係に対応して計測顕微鏡間の間隔（又
は位置関係）を調整することができる。これにより、異
なるショット領域間又は同一ショット領域内に存在する
少なくとも２つの位置合わせ用マークを同時に計測する
ことが可能になる。この結果、位置合わせマークを一つ
ずつ計測していた従来の場合に比べてマーク計測に要す
る時間を短縮することが可能になる。

【００１８】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
の投影露光装置において、前記複数の計測光学系と関連
して前記投影露光装置に配置され、前記少なくとも１つ
の移動可能な計測光学系の、前記投影光学系に対する相
対的な位置、あるいは固定の計測光学系に対する相対的
な位置を計測し、前記相対な位置を示す相対位置計測デ
ータを生成する相対位置計測系を更に備える。これによ
れば、感光基板上の位置合わせマークの配置が例えば層
間で異なるような場合にも、これらのマークの配列に対
応させて、移動可能な計測光学系を正確な位置へ移動す
ることができる。

【００１９】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
の投影露光装置において、前記複数の計測光学系と機能
的に接続されて前記投影露光装置に配置され、前記相対
位置計測データに応じて、前記少なくとも１つの移動可
能な計測光学系の位置を制御し、前記投影光学系に対す
る相対的な位置関係を一定に保つように制御する制御装
置を更に備える。これによれば、移動可能な計測光学系
の、投影光学系に対する相対的な位置関係を一定に保つ
ように制御する制御手段を更に有することから、位置合
わせマークの計測中に何らかの外力、例えば振動等が作
用した場合であっても、制御手段により、位置合わせマ
ークの計測中ずっと移動可能な計測光学系の投影光学系
に対する相対的な位置関係が一定に保たれる。これによ
り、外乱による位置合わせマークの計測精度の低下が防
止される。

【００２０】請求項７に記載の発明は、請求項５に記載
の投影露光装置において、前記複数の計測光学系と接続
されて前記投影露光装置に配置され、露光開始に先だっ
て、前記複数の計測光学系から得られた計測データによ
って、所定の複数のショット領域に形成された位置合せ
用マークの位置を順次決定し、各ショット領域の配列座
標を算出する演算処理装置を更に備える。これによれ
ば、算出された配列座標に基づいて各ショット領域を正
確に露光位置へ位置決めすることができる。ここで、所
定の複数ショット領域に形成された位置合わせ用マーク
の位置計測に際して、演算処理装置は、アライメントマ
ークを少なくとも２つずつ同時に計測することができ
る。

【００２１】この場合において、前記演算処理手段は、
請求項８に記載の発明のように、前記位置合わせ用マー
クの位置計測に際し、少なくとも１ショットについては
同一ショット領域内の複数マークを同時計測するように
してもよい。請求項９に記載の発明は、請求項３又は７
に記載の投影露光装置において、前記演算処理装置が、
前記計測結果と参照ショット配列データとに基づいて統
計処理により各ショット領域の配列を算出することを特
徴とする。これによれば、演算処理装置が統計処理して
各ショット領域の少なくとも配列座標を算出するので、
全ての位置合わせ用マークを計測する必要はなく、スル
ープットが向上する。

【００２２】請求項９に記載の発明は、請求項１又は４
に記載の投影露光装置において、前記移動可能な計測光
学系が、直交２軸方向に移動可能とされていることを特
徴とする。これによれば、感光基板上の位置合わせマー
クがどのような配置になっていても、移動可能な計測光
学系の位置を調整することにより、少なくとも２つの位
置合わせマークを同時に計測することが可能になる。

【００２３】請求項１０に記載の発明は、マスク上に形
成されたパターンを、複数の位置合わせ用マークが形成
された感光基板上に転写する投影露光装置であって、前
記感光基板に対する共役面上で相対的な位置関係が調整
可能な少なくとも２つの指標マークを有し、前記感光基
板上に形成された前記位置合わせ用マークを計測する画
像処理方式の計測光学系と；前記計測光学系による計測
結果に従って、前記マスク上に形成された前記パターン
を前記感光基板上に投影する投影光学系とを備える。

【００２４】これによれば、感光基板上に形成された少
なくとも２つの位置合わせマークの位置に各指標マーク
の相対的な位置関係を調整することにより、指標マーク
と位置合わせマークとを一対一で対応させることがで
き、例えば各指標マーク内に位置合わせマークが位置す
る画像を計測光学系の出力画像として得ることができ
る。従って、各指標マークと対応する位置合わせマーク
との相対位置間関係から少なくとも２つの位置合わせマ
ークの位置を同時に計測することが可能になる。

【００２５】請求項１１に記載の発明は、基板上に配列
され、マスクに形成されたパターンが転写される複数の
ショット領域それぞれを位置合せする位置合せ方法であ
って、予め選択された少なくとも１つのショット領域に
おける複数の位置合せ用マークの位置を同時に計測する
第１工程と；前記第１工程における計測結果に従って、
前記基板上に配列された前記複数のショット領域それぞ
れの静止座標系上における座標位置を算出する第２工程
と；前記第２工程での算出結果に従って、前記基板の移
動位置を制御し、前記複数のショット領域の各々を所定
の前記パターンの転写位置に位置合わせする第３工程と
を含む。これによれば、予め選択された複数のショット
領域の静止座標系上における座標位置を計測するに際し
て、複数ショット領域のほぼ同じ位置関係にある複数の
位置合わせマークの位置を同時に計測するので、計測時
間の短縮が可能である。

【００２６】請求項１３に記載の発明は、請求項１２に
記載の位置合せ方法において、前記第１工程では、前記
複数のショット領域のほぼ同じ位置関係にある複数の位
置合わせマークの位置を同時に計測することを少なくと
も２回行うことを特徴とする。これによれば、予め選択
された複数のショット領域の静止座標系上における座標
位置を計測するに際して、複数ショット領域のほぼ同じ
位置関係にある複数の位置合わせマークの位置を同時に
計測することを少なくとも２回行う。また、位置合わせ
マークは通常露光により形成されるので、本発明で同時
計測される複数ショット領域のほぼ同じ位置関係にある
複数の位置合わせマークは同形状であることから、同形
状の位置合わせ用マークを使った位置計測が複数回繰り
返されるので、検出系の機械的又は電気的なランダムな
誤差が低減される。

【００２７】請求項１４に記載の発明は、請求項１３に
記載の位置合せ方法において、前記第２工程では、前記
第１工程で計測された前記複数の位置合せ用マークの位
置を統計演算することによって、前記複数のショット領
域それぞれの座標位置を決定することを特徴とする。統
計処理して各ショット領域の少なくとも配列座標を算出
するので、全ての位置合わせ用マークを計測する必要は
なく、スループットが向上する。

【００２８】

【発明の実施の形態】

《第１の実施形態》以下、本発明の第１の実施形態につ
いて、図１ないし図１０に基づいて説明する。図１に
は、第１の実施形態に係る投影露光装置１０の概略構成
が示されている。この投影露光装置１０は、ステップ・
アンド・リピート方式で感光基板としてのウエハＷ上の
各ショット領域にマスクとしてのレチクルＲのパターン
を縮小投影する縮小投影型露光装置（ステッパ）であ
る。

【００２９】この投影露光装置１０は、光源を含み露光
光を照射する照明系１２、マスクとしてのレチクルＲが
載置されるレチクルステージ１４、レチクルステージ１
４の駆動装置１６、レチクルＲに形成されたパターンの
像をウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬ、投影倍率や
ディストーション等の結像特性を補正する結像特性制御
装置２０、ウエハＷを保持して２次元平面内を移動する
ウエハステージ２２、ウエハステージ２２の駆動装置２
４、２つのオフ・アクシス方式の計測顕微鏡（アライメ
ント顕微鏡）２６，２８、座標計測回路３０及び装置全
体を統括的に制御する主制御系３２等を備えている。

【００３０】照明系１２は、レチクルＲを照射する照射
光ＩＬを発生する。詳細な図示を省略しているが、この
照明系１２は、超高圧水銀ランプ（ｉ線、ｇ線）あるい
はエキシマレーザ（ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ₂）等から成る
光源、光の光路の開閉を行うシャッタやオプチカルイン
テグレータ（フライアイレンズ）等を含む照明光学系、
照明系開口絞り、照明光の照明フィールドを決める可変
ブラインド等を含んでいる。こうした照明系は、リソグ
ラフィ技術の分野では周知のものである。前記照明光学
系では、照明光の一様化やスペックルの低減等が行われ
る。この照明系１２における水銀ランプやエキシマレー
ザなどの照明光源からの光により、次に述べるレチクル
ステージ１４上に載置されたレチクルＲが、均一かつ所
定の照明条件にて照明される。

【００３１】レチクルステージ１４上には、所定のパタ
ーンが形成されたレチクルＲが載置され、このレチクル
Ｒは不図示のレチクルホルダにより保持されている。レ
チクルステージ１４は、ベース３４上の２次元平面内で
移動及び微小回転が可能なように構成されている。レチ
クルＲがレチクルステージ１４上に載置された後、主制
御系３２によって駆動装置１６が制御され、レチクルＲ
のパターン領域の中心点（レチクルセンタ）が投影光学
系ＰＬの光軸ＡＸと一致するようにレチクルＲが位置決
めされる（この工程は、レチクルアライメント工程と称
される）ようになっている。

【００３２】投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセント
リックな光学配置になるように、共通のＺ軸方向の光軸
ＡＸを有する複数枚のレンズエレメントから構成されて
いる。この投影光学系ＰＬは所定の縮小倍率（例えば１
／５）を有している。このため、照明系１２から射出さ
れた露光光ＩＬによりレチクルＲがほぼ均一な照度で照
明されると、レチクルＲのパターンの縮小像が投影光学
系ＰＬを介してウエハＷ上の各ショット領域に投影され
る。

【００３３】本実施形態では、上述のように、この投影
光学系ＰＬに前記結像特性制御装置２０が併設されてい
る。この結像特性制御装置２０は、例えば投影光学系Ｐ
Ｌを構成するレンズエレメントの内の所定のレンズエレ
メント間の間隔を調整するか、又は所定のレンズエレメ
ントの間のレンズ室内の気体の圧力を調整することによ
り、投影光学系ＰＬの投影倍率、歪曲収差の調整を行
う。この結像特性制御装置２０は、主制御系３２による
制御の下で上記の調整を行う。

【００３４】前記ウエハステージ２２上には、表面にフ
ォトレジストが塗布されたウエハＷがウエハホルダ３６
を介して載置されている。詳細な図示を省略している
が、ウエハステージ２２は、投影光学系ＰＬの光軸に直
交するＸＹ面内でウエハＷを２次元的に位置決めするＸ
Ｙステージ、投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ方向）にウ
エハＷを位置決めするＺステージ、及びウエハＷをＺ軸
回りに微小回転させるθステージ等より構成されてい
る。こうしたウエハステージは、リソグラフィ技術の分
野では周知のものである。

【００３５】ウエハステージ２２の上面には移動鏡３８
が固定され、この移動鏡３８に対向するようにレーザー
干渉計４０が配置されている。なお、実際には、図２に
示されるように、投影光学系ＰＬの光軸に直交する面内
の直交座標系をＸ軸及びＹ軸として、移動鏡としては、
Ｘ軸に垂直な反射面を有する平面鏡３８Ｘ及びＹ軸に垂
直な反射面を有する平面鏡３８Ｙとが存在するが、図１
ではこれらが代表的に移動鏡３８として示されている。
ここで、Ｘ軸及びＹ軸は、投影光学系ＰＬの光軸に直交
する面内における直交座標系を表現する軸として定義さ
れる。これらの２つの移動鏡３８Ｘ，３８Ｙに対応して
レーザ干渉計は、Ｘ軸に沿って移動鏡３８Ｘにレーザー
ビームを照射する２個のＸ軸用のレーザー干渉計４０Ｘ
₁，４０Ｘ₂と、Ｙ軸に沿って移動鏡３８Ｙにレーザー
ビームを照射するＹ軸用のレーザー干渉計４０Ｙとが存
在するが、図１ではこれらが代表的にレーザ干渉計４０
として示されている。そして、Ｘ軸用の１個のレーザー
干渉計４０Ｘ₁及びＹ軸用のレーザー干渉計４０Ｙによ
り、ウエハステージ２２のＸ座標及びＹ座標が計測され
る。このように計測されるＸ座標及びＹ座標よりなる静
止座標系（Ｘ，Ｙ）を、以下ではステージ座標系と呼
ぶ。

【００３６】また、Ｘ軸用の２個のレーザー干渉計４０
Ｘ₁，４０Ｘ₂の計測値の差から、ウエハステージ２２
の回転角が計測される。レーザー干渉計４０により計測
されたＸ座標、Ｙ座標及び回転角の情報が座標計測回路
３０及び主制御系３２に供給され、主制御系３２は、供
給された座標をモニターしつつ駆動装置２４を介して、
ウエハステージ２２の位置決め動作を制御する。

【００３７】更に、ウエハステージ２２上面の一端部近
傍には、後述する計測顕微鏡２６、２８のベースライン
計測に用いられる基準マークを含む各種基準マークが形
成された基準板ＦＰが設けられている。この基準板ＦＰ
の厚さは、その表面がウエハＷ表面とほぼ同一高さ位置
となるように選択されている。

【００３８】なお、図示は省略したが、レチクル側にも
ウエハ側と全く同じ干渉計システムが設けられている。

【００３９】本実施形態の投影露光装置１０では、投影
光学系ＰＬの側面に、図１、図２に示されるように、２
つのオフ・アクシスアライメント方式の計測顕微鏡２
６、２８が配置されている。この内、一方の計測顕微鏡
２６は、所定の位置（図２、図７の位置）に固定されて
おり、他方の計測顕微鏡２８は、ＸＹ２次元方向に所定
のストローク範囲で移動可能に構成されている。

【００４０】図３には、計測顕微鏡２８の移動機構の一
例が示されている。この図３に示されるように、計測顕
微鏡２８は、Ｘ軸ガイド７０に沿って移動可能なＸ移動
機構７２に保持され、その光軸がＺ軸方向と平行となっ
ている。また、Ｘ軸ガイド７０の両端には、Ｘ軸方向に
所定間隔を隔てて同一ＸＹ平面上に配置された一対のＹ
ガイド７４Ａ、７４Ｂに沿って移動可能な一対のＹ移動
機構７６Ａ、７６Ｂが設けられている。すなわち、これ
らＸ移動機構７２と一対のＹ移動機構７６Ａ、７６Ｂと
によって計測顕微鏡２８をＸＹ２次元方向に駆動する移
動機構が構成されている。これらのＸ移動機構７２と一
対のＹ移動機構７６Ａ、７６Ｂの駆動源としては、例え
ばリニアモータが用いられる。なお、これらのＸ移動機
構７２と一対のＹ移動機構７６Ａ、７６Ｂも主制御系３
２によって制御されるようになっている。

【００４１】また、Ｘ移動機構７２の上面には、Ｘ軸に
直交する反射面を有する移動鏡７８が固定され、一方の
Ｙ移動機構７６Ａの上面には、Ｙ軸に直交する反射面を
有する移動鏡８０が固定されている。他方のＹ移動機構
７６Ｂの上面にはその反射面がＺＹ平面に対して４５度
の角度を成すように反射ミラー８２が固定され、このミ
ラー８２からＹ軸に沿って所定間隔離れた位置に当該ミ
ラー８２に平行にかつその反射面がミラー８２の反射面
に対向する状態で反射ミラー８４が配置されている。移
動鏡８０のＹ軸方向の基準点からの移動距離は、これに
対向して設けられたレーザ干渉計８６Ｙによって計測さ
れ、また、移動鏡７８の基準点からの移動距離は、反射
ミラー８４、８２を介して移動鏡７８に垂直にレーザ光
を照射するレーザ干渉計８６Ｘによって計測される。こ
れらのレーザ干渉計８６Ｘ，８６Ｙの計測値も座標計測
回路３０に供給されるようになっている。座標計測回路
３０では、レーザ干渉計８６Ｙの出力に基づいて移動鏡
８０の変位、すなわち計測顕微鏡２８の基準点からのＹ
変位を演算する。また、座標計測回路３０では、レーザ
干渉計８６Ｘの出力に基づいて移動鏡７８の基準点から
の移動距離を演算し、この移動距離から上記Ｙ変位を減
じて移動鏡７８の変位、すなわち計測顕微鏡２８の基準
点からのＸ変位を演算する。ここで、前記の如く、座標
計測回路３０では、レーザ干渉計８６Ｘ、８６Ｙの出力
に基づいては基準点からの計測顕微鏡２８のＸ変位、Ｙ
変位を検出できるのみで、計測顕微鏡２８の投影光学系
ＰＬ（又は固定側の計測顕微鏡２６）に対する相対的な
位置を直接的に検出できるものではない。しかしなが
ら、基準点における計測顕微鏡２８の投影光学系ＰＬ
（又は固定側の計測顕微鏡２６）に対する相対的な位置
は、基準板ＦＰを用いたベースライン計測時に予め測定
することができるので、結果的に、レーザ干渉計８６
Ｘ、８６Ｙの出力に基づいて計測顕微鏡２８の投影光学
系ＰＬ（又は固定側の計測顕微鏡２６）に対する相対的
な位置を検出できることになる。

【００４２】このように、本実施形態では、移動鏡８
０、レーザ干渉計８６Ｙ、移動鏡７８、反射ミラー８
２、８４、レーザ干渉計８６Ｘ及び座標計測回路３０に
よって計測顕微鏡２８の投影光学系ＰＬ（又は固定側の
計測顕微鏡２６）に対する相対的な位置を計測する計測
系が構成されている。なお、計測顕微鏡２８の位置はエ
ンコーダ等の他のセンサにより検出しても良いが、測定
精度の面から本実施形態ようにレーザ干渉計を用いるこ
とが望ましい。

【００４３】次に、計測顕微鏡２６、２８の具体的な構
成等について説明する。図４には、固定式の計測顕微鏡
２６の構成が示されている。

【００４４】この計測顕微鏡２６は、光源４１、コリメ
ータレンズ４２、ビームスプリッタ４４、ミラー４６、
集光レンズ５０、指標板５２、第１リレーレンズ５４、
ビームスプリッタ５６、Ｘ軸用第２リレーレンズ５８
Ｘ、２次元ＣＣＤより成るＸ軸用撮像素子６０Ｘ、Ｙ軸
用第２リレーレンズ５８Ｙ、２次元ＣＣＤより成るＹ軸
用撮像素子６０Ｙ等を含んで構成されている。ここで、
この計測顕微鏡２６の構成各部についてその作用ととも
に説明する。

【００４５】光源４１は、ウエハ上のフォトレジストを
感光させない非感光性の光であって、ある帯域幅（例え
ば２００ｎｍ程度）をもつブロードな波長分布の光を発
する。特に、光源４１として、ハロゲンランプが好適に
採用可能である。レジスト層での薄膜干渉によるマーク
検出精度の低下を防止するため、十分にブロードな波長
幅の照明光を用いることが望ましい。特に、計測顕微鏡
２６のように画像処理方式の計測顕微鏡を用いる場合に
は、このことは重要である。

【００４６】光源４１からの照明光がコリメータレンズ
４２、ビームスプリッタ４４、ミラー４６及び対物レン
ズ４８を介してウエハＷ上のアライメントマークＭＡ又
はＭＢ（図６参照：以下、適宜「アライメントマークＭ
Ａ」と総称する）の近傍に照射される。そして、アライ
メントマークＭＡからの反射光が、対物レンズ４８、ミ
ラー４６、ビームスプリッタ４４及び集光レンズ５０を
介して指標板５２上に到達し、指標板５２上にアライメ
ントマークＭＡの像が結像される。

【００４７】指標板５２を透過した光が、第１リレーレ
ンズ５４を経てビームスプリッタ５６に向かい、ビーム
スプリッタ５６を透過した光が、Ｘ軸用第２リレーレン
ズ５８ＸによりＸ軸用撮像素子６０Ｘの撮像面上に集束
され、ビームスプリッタ５６で反射された光が、Ｙ軸用
第２リレーレンズ５８ＹによりＹ軸用撮像素子６０Ｙの
撮像面上に集束される。撮像素子６０Ｘ及び６０Ｙの撮
像面上にはそれぞれアライメントマークＭＡの像及び指
標板５２上の指標マークの像が重ねて結像される。撮像
素子６０Ｘ及び６０Ｙによって得られた撮像信号は共に
座標位置計測回路３０に供給される。

【００４８】可動式の計測顕微鏡２８も、上記計測顕微
鏡２６と同様にして構成され、Ｘ軸用撮像素子及びＹ軸
用撮像素子を有している。これらの撮像素子によって得
られた撮像信号も共に座標位置計測回路３０に供給され
るようになっている。

【００４９】図５には図４の指標板５２上のパターンの
一例が示されている。この図５において、中央部に十字
状のアライメントマークＭＡの像ＭＡＰが結像されてい
る。この像ＭＡＰの直交する直線パターン像ＭＡＸＰ及
びＭＡＹＰにそれぞれ垂直なＸＰ方向及びＹＰ方向が、
それぞれウエハステージ２２のステージ座標系のＸ方向
及びＹ方向と共役になっている。そして、アライメント
マーク像ＭＡＰをＸＰ方向に挟むように２個の指標マー
ク９０Ａ及び９０Ｂが形成され、これと同様に、アライ
メントマーク像ＭＡＰをＹＰ方向に挟むように２個の指
標マーク９２Ａ及び９２Ｂが形成されている。

【００５０】この場合、ＸＰ方向で指標マーク９０Ａ，
９０Ｂ及び直線パターン像ＭＡＸＰを囲む検出領域９４
Ｘ内の像が図４のＸ軸用撮像素子６０Ｘで撮像され、Ｙ
Ｐ方向で指標マーク９２Ａ，９２Ｂ及び直線パターン像
ＭＡＹＰを囲む検出領域９４Ｙ内の像が図４のＹ軸用撮
像素子６０Ｙで撮像される。撮像素子６０Ｘ及び６０Ｙ
では、画素がＸＰ方向及びＹＰ方向に走査され、光像に
応じた電気的な撮像信号が得られる。撮像素子６０Ｘ及
び６０Ｙから出力されたこれらの撮像信号を処理するこ
とにより、アライメントマーク像ＭＡＰと指標マーク９
０Ａ，９０ＢとのＸＰ方向についての位置ずれ量、及
び、アライメントマーク像ＭＡＰと指標マーク９２Ａ，
９２ＢとのＹＰ方向についての位置ずれ量を求める。従
って、座標計測回路３０は、ウエハＷ上のアライメント
マークＭＡの像と指標板５２上の指標マークとの位置関
係及びそのときのレーザー干渉計４０の計測結果より、
ウエハＷ上に形成されたアライメントマークＭＡのステ
ージ座標系における座標（Ｘ，Ｙ）を求める。

【００５１】次に、上述のようにして構成された本第１
の実施形態に係る投影露光装置１０におけるアライメン
ト動作及び露光動作について、図６のようなショット配
列のウエハＷの第２層露光時を例に挙げて説明する。

【００５２】まず、不図示のウエハローダから図１及び
図２に示されるウエハホルダー３６上にウエハＷが転送
される。ウエハＷの各ショット領域にはそれぞれ、前層
の露光により既に回路パターンが形成されている。更
に、図６に示されるように、ウエハＷ上の各ショット領
域Ｓ_n（ｎ＝１，２，３，……，２６）にはそれぞれ２
個の十字型のアライメントマークＭＡ_n、ＭＢ_n（ｎ＝
１，２，３，……，２６）が形成されている。ここで
は、レチクルＲのアライメントが終了しており、不図示
の干渉計によって規定される直交座標に対するレチクル
ＲのＸ，Ｙ，回転方向のずれ量はほぼ零となっているも
のとする。

【００５３】アライメントマークＭＡ_n、ＭＢ_nは、各
ショット領域の中心（基準点）に関して点対称となる位
置に形成され、設計上、各ショット領域Ｓ_nのＸ方向長
さはＰｘ、Ｙ方向の長さはＰｙであるものとする。ま
た、同一ショット内のマーク中心間のＸ方向の間隔はｐ
ｘであり、Ｙ方向の間隔はｐｙであるものとする。

【００５４】次に、主制御系３２がウエハＷの原点調整
（プリアライメント）を行う。その後、特開平６ー２７
５４９６号公報に詳細に開示されるような、ＥＧＡ（エ
ンハンスト・グローバルアライメント）計測を行うが、
本実施形態では、それに先立って主制御系３２では可動
式の計測顕微鏡２８の位置を調整する。

【００５５】これを更に詳述すると、図６のウエハＷの
場合、サンプルショットとして斜線が施された８つのシ
ョット領域（Ｓ₁、Ｓ₄、Ｓ₅、Ｓ₈、Ｓ₁₉、Ｓ₂₂、Ｓ
₂₃、Ｓ₂₆）を選択するものとし、アライメントマークＭ
Ａ₁とＭＡ₄を同時に計測し、次にＭＢ₁とＭＢ₄とを
同時に計測し、以後ＭＡ₅とＭＡ₈を同時に計測すると
いうようにマークを２つずつ順次計測していくものとす
る。この場合、これら同時に計測される各組のアライメ
ントマークはほぼ同一のＸ軸上に位置しているので、両
顕微鏡２６、２８が図７の平面図に示されるような位置
関係にあるとき、主制御系３２では図３のＹ移動機構７
６Ａ、７６Ｂをその位置で固定し、この状態から計測顕
微鏡２８を＋Ｘ方向に駆動し、図８の平面図に示される
距離ｄ＝３Ｐｘとなるように、Ｘ移動機構７２を介して
計測顕微鏡２８の位置を調整する。ここで、図７に示さ
れる基準位置に計測顕微鏡２８があるときに、基準板Ｆ
Ｐを用いて計測顕微鏡２８の検出中心と投影光学系ＰＬ
の光軸との距離であるベースライン長さＢａ２₀の計測
を、予め固定側の計測顕微鏡２６のベースライン長さＢ
ａ１₀の計測とともに行っておけば、図７の両顕微鏡２
６、２８の間隔Ｄは既知であるので、改めてベースライ
ン長さＢａ２を計測することなく、移動後のベースライ
ン長さＢａ２を計測顕微鏡２８の位置を管理する干渉計
８６Ｘ、８６Ｙの計測値に基づいて求めることができ
る。

【００５６】上記の計測顕微鏡２８の位置調整が終了す
ると、主制御系３２では、ベースライン長さＢａ２が変
動しないように、計測顕微鏡２８の位置をサーボ制御し
ながら、ウエハステージ２２をＸＹ２次元駆動して、８
つのＥＧＡショット領域（サンプルショット領域）内の
アライメントマークＭＡ_m、ＭＢ_m（ｍ＝１，４，５，
８，１９，２２，２３，２６）のステージ座標系（Ｘ、
Ｙ）上での座標値（ＦＭ_NXn、ＦＭ_NYn）を実測する。
ここで、本実施形態では、前述したように、計測顕微鏡
２６、２８を用いて３Ｐｘ離れた２つのアライメントマ
ークＭＡ（又はＭＢ）を同時に計測することができるの
で、アライメントマークを順次一つずつ計測しなければ
ならなかった従来の場合に比べて、計測時間をおよそ１
／２に短縮することが可能になる。

【００５７】そして、上記のサンプルショットのアライ
メントマーク位置の実測が終了すると、主制御系３２で
は、この計測結果と、既知の上記選択された８個のショ
ット領域の基準点（ショットセンタ）のウエハＷ上の座
標系（α，β）上での設計上の配列座標値（Ｃ_Xn，
Ｃ_Yn）と、測定されたアライメントマークの各ショット
領域Ｓｎ上の座標系（ｘ，ｙ）での設計上の座標値（相
対座標値）（Ｓ_{NXn ,}Ｓ_NYn）とを用いて、次式の座標変
換式に基づいてウエハＷの各ショット領域Ｓ_nのステー
ジ座標系（Ｘ，Ｙ）上での計算上の座標、及びショット
領域の各誤差（ショット領域そのものの倍率誤差、回転
誤差等）を求める。

【００５８】Ｆ_Nn＝ＡＣ_n＋ＢＳ_Nn＋Ｏ ……（１）但し、式（１）の各変換行列は次のように定義される。

【００５９】

【数１】

【００６０】ここで、Γｘ＝Ｒｘ−１は、α方向のウエ
ハスケーリングＲｘを最小自乗法の適用を容易にするた
め置き換えたパラメータであり、Γｙ＝Ｒｙ−１は、β
方向のウエハスケーリングＲｙを最小自乗法の適用を容
易にするため置き換えたパラメータであり、Θはステー
ジ座標系（Ｘ，Ｙ）に対するウエハの座標系（α，β）
の残留回転誤差を示すパラメータであり、Ｗはステージ
座標系（Ｘ，Ｙ）の直交度誤差を示すパラメータであ
り、γｘはショット領域の座標系（ｘ，ｙ）上でのｘ方
向のショット領域の線形伸縮を示すパラメータであり、
γｙはショット領域の座標系（ｘ，ｙ）上でのｙ方向の
ショット領域の線形伸縮を示すパラメータであり、θは
ウエハの各ショット領域上の回路パターンの回転すなわ
ちショット領域の座標系（ｘ，ｙ）に対する回転誤差を
示すパラメータであり、ｗはウエハの各ショット領域上
の回路パターンの回転誤差を示すパラメータであり、Ｏ
_x、Ｏ_yはウエハ上の座標系のステージ座標系に対する
オフセット量を示すパラメータである。

【００６１】式（１）では、２行×１列の行列Ｆ_Nnが、
行列ＡＣ_nと、行列ＢＳ_Nnと、行列Ｏとの和で表されて
いる。式（１）の座標変換式における変換行列Ａ，Ｂ，
Ｏに含まれる１０個の誤差パラメータ（Θ，Ｗ，Γｘ
（＝Ｒｘ−１），Γｙ，Ｏ_x，Ｏ_y，θ，ｗ，γｘ（＝
ｒｘ−１），γｙ）は例えば最小自乗法により求めるこ
とができる。この誤差パラメータの求め方については、
特開平６ー２７５４９６号に詳細に開示されているの
で、ここではこれ以上の説明を省略する。

【００６２】その後、主制御系３２では式（１）の変換
行列Ｂ中の各ショット領域上の回路パターンの残存回転
誤差θを補正するように、レチクルステージ１４を介し
てレチクルＲに適当な回転を施して、ステージ座標系
（Ｘ，Ｙ）に対するショット領域Ｓ_n上の回路パターン
の回転を小さく抑える。

【００６３】次に、ウエハＷ上の座標系の直交度誤差ｗ
は、厳密な意味では補正できないが適度にレチクルＲを
回転させることで、その誤差を小さく抑えることができ
る。そこで、主制御系３２では回転誤差Θ、回転誤差θ
及び直交度誤差ｗのそれぞれの絶対値の和が最小になる
ように、レチクルＲ又はウエハＷの回転量を最適化する
ことも可能である。

【００６４】次に、主制御系３２では、式（１）の変換
行列Ｂ中の各ショット領域Ｓｎ上の回路パターンの直交
する２方向への線形伸縮（スケーリング誤差）を補正す
るように、図１の結像特性制御装置２０を介して投影光
学系ＰＬの投影倍率を調整する。すなわち、この補正処
理で、変換行列Ｂの要素を構成するショットスケーリン
グｒｘ及びｒｙに合わせて、投影光学系ＰＬの投影倍率
を調整する。

【００６５】次に、主制御系３２では、上で求めた誤差
パラメータより成る要素を含む変換行列Ａ及びＯを用い
て、次式にウエハＷ上の各ショット領域Ｓｎの基準点の
設計上の配列座標値（Ｃ_Xn，Ｃ_Yn）を代入することに
より、その基準点のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での計
算上の配列座標値（Ｇ_Xn，Ｇ_Yn）を求める。

【００６６】

【数２】

【００６７】そして、主制御系３２では、計算により得
られた配列座標（Ｇ_Xn，Ｇ_Yn）及び予め求めてあるベー
スライン長さＢａ１、Ｂａ２に基づいて、ウエハＷ上の
各ショット領域Ｓｎの基準点を投影光学系ＰＬの露光フ
ィールド内の所定の位置に位置合わせして、当該ショッ
ト領域に対してレチクルＲのパターン像を投影露光す
る。こうした位置合わせ及び投影露光が、各ショット領
域について順次実行される。そして、ウエハＷ上の全て
のショット領域への露光が終了した後に、ウエハＷの現
像が行われる。

【００６８】この場合、式（１）に示すように、変換行
列Ａ及びＯのみならず、ショット領域のローテーショ
ン、ショット領域の直交度誤差及びショットスケーリン
グのパラメータよりなる変換行列Ｂをも考慮しているの
で、各ショット領域に転写される回路パターン自体の伸
縮や回転などの影響を小さく抑え、ウエハＷ上の各ショ
ット領域の回路パターンとレチクルＲのパターンの投影
像とをより高精度に重ね合わせることができる。

【００６９】これまでの説明から明らかなように、本第
１の実施形態の装置１０では、移動可能な計測顕微鏡２
８の、投影光学系ＰＬに対する相対的な位置関係を一定
に保つように制御する制御手段、及び露光開始に先だっ
て、ウエハＷを移動しつつ計測光学系２６、２８を用い
て所定の複数ショット領域に形成されたアライメントマ
ークの位置を順次計測し、この計測結果と設計上のショ
ット配列データとに基づいて統計処理により各ショット
領域の少なくとも配列座標を算出する演算処理手段が、
主制御系３２の機能によって提供される。

【００７０】次に、実際に使用できるアライメントマー
クの例につき図９を参照して説明する。まず、２次元座
標を示すアライメントマーク（２次元マーク）として
は、上記実施形態で使用している十字状のアライメント
マークＭＡ（これを図９（Ａ）にも示す）の他に、Ｌ字
状、Ｔ字状、又はハの字状のマークがある。更に、図９
（Ｂ）に示されるような２次元の格子マークや、図９
（Ｃ）に示されるような、Ｘ方向へのライン・アンド・
スペースパターンＭＤＸ及びＹ方向へのライン・アンド
・スペースパターンＭＤＹを並列に並べたアライメント
マークＭＤも２次元マークとなる。

【００７１】かかる２次元マークを１つ選択すること
は、式（１）内の１０個（又はそれ以下の個数でも可）
のパラメータを最小自乗法で求める際に採用できる、Ｘ
座標分とＹ座標分との２つのデータが得られる。このこ
とは、上記実施形態で採用された１つの十字状のアライ
メントマーク（例えばＭＡ₁）の使用と、２つの１次元
座標を示すアライメントマーク（１次元マーク）の使用
とが等価であることを意味している。但し、２次元マー
クを選択する場合でも、Ｘ座標又はＹ座標の何れか１つ
の座標データのみを利用するようにしても良い。

【００７２】また、１次元マークの内のＸ方向の座標を
示すマークとしては、図９（Ｃ）中のＭＤＸと同様のＸ
方向へ所定ピッチで配列されたライン・アンド・スペー
スパターンがあり、Ｙ方向の座標を示すマークとして
は、図９（Ｃ）中のＭＤＹと同様のＹ方向へ所定ピッチ
で配列されたライン・アンド・スペースパターンがあ
る。

【００７３】以上説明したように、本第１の実施形態に
係る投影露光装置１０によると、ウエハＷ（被処理基
板）上の複数のショット領域の基準位置全てに対して、
平均的な位置合わせの誤差が小さくなると同時に、それ
らショット領域上の回路パターン全てに対してレチクル
のパターン像との平均的な重ね合わせの誤差が小さくな
る。これにより、各ショット領域に転写される回路パタ
ーン自体の伸縮や回転などの影響を小さく抑え、ウエハ
上の各ショット領域のチップパターンとマスクのパター
ンの投影像とをより高精度に重ね合わせることができ
る。従って、１枚のウエハから取れる良品チップの数が
多くなり、半導体素子等のチップの生産性を向上するこ
とができる。

【００７４】また、ウエハ上の複数のショット領域に配
置された同じ形状のアライメントマーク（位置合わせ用
のマーク）の位置が複数回繰り返されて計測されるの
で、検出系の機械的又は電気的なランダムな誤差が低減
される利点もある。これに加え、ＥＧＡ計測において、
異なるショット領域（サンプルショット）のアライメン
トマークを２つづつ同時に計測していることから、アラ
イメントマークの計測時間を著しく短縮することができ
（最大約半分にすることができ）、その分スループット
の向上を達成できる。

【００７５】なお、上記の説明では、ほぼＸ軸方向に沿
ってほぼ一定間隔を隔てて配置された２つのアライメン
トマーク（例えば、ＭＡ₁とＭＡ₄）とを計測顕微鏡２
６、２８により同時に計測する場合について説明した
が、これに限らず、例えばＭＡ₁とＭＡ₅、ＭＢ₁とＭ
Ｂ₅等の２つのショット領域のほぼ同じ位置関係にある
２つのアライメントマークを計測顕微鏡２６、２８によ
って同時に計測するようにすることも可能である。この
場合であっても、上記と同様ＥＧＡ計測におけるアライ
メントマークの計測時間を最大従来の約半分に短縮する
ことができるので、その分スループットの向上を達成で
きる。

【００７６】また、上記第１の実施形態では、異なるシ
ョット領域内のアライメントマークを２つ同時に計測す
る場合を例示したが、２つの計測顕微鏡の先端間の間隔
を小さくすれば、同時に同一ショット領域内の別のアラ
イメントマーク（例えば、ＭＡ₁、ＭＢ₁）を計測する
ことも可能である。なお、サンプルショットの選択方法
としては、計測中に計測顕微鏡２８の位置が変動するこ
とは好ましくないので、同時計測の効率的運用のため
に、図６に示したように、常に同じ距離だけ離れた２つ
のアライメントマークを含むショット領域がペアとして
選択されるようなサンプルショットの選択の仕方が望ま
しい。

【００７７】また、上記説明では、各ショット内に２つ
の２次元アライメントマークが配置される場合を例示し
たが、ショット内回路パターンの残存回転誤差等まで補
正する必要がない場合には、各ショット内に各１つ２次
元アライメントマークを配置してもよい。また、こうし
た場合には、Ｘ方向計測に使用するための一つの１次元
マークと、Ｙ方向計測に使用するための他の一つの１次
元マークとをそれぞれ配置してもよい。さらに、上記実
施形態では、可動側の計測顕微鏡２８のみがＸＹ２次元
方向に可動とされている場合について説明したが、計測
顕微鏡２６、２８が両者ともに可動とされていても良
く、また、計測顕微鏡２８がＸ軸方向及びＹ軸方向のい
ずれか一方向にのみ、あるいはその他の一方向にのみ可
動とされていても良い。

【００７８】なお、アライメント計測では、一般に計測
位置の許容値（所謂キャップチャーレンジ）があるの
で、両顕微鏡２６、２８の間隔ｄを厳密にピッチの整数
倍にする必要はない。しかしながら、顕微鏡２８の位置
の変動はベースライン長さの変動を招くので、顕微鏡２
８の位置を上記のように調整後、ベースライン長さを正
確に計測した上で一定に保つ、または、アライメント動
作中顕微鏡２８の位置をモニタし続け、位置の誤差を計
測結果から差し引いて補正することが望ましい。

【００７９】また、計測顕微鏡の数も２本に限定される
ことはなく、例えば、図１０に示されるように、３本設
けても良い。この図１０の場合は、中央の計測顕微鏡２
６が固定で、両側の計測顕微鏡２８Ａ、２８ＢがＸ軸方
向に可動とされている場合である。この場合には、間隔
ｄ１、ｄ２が調整可能なので、例えばＸ軸方向に沿って
並んだ複数のショット領域の内の３つをサンプルショッ
トとして選択して、３つのアライメントマークを同時に
計測することができるので、より一層計測時間の短縮化
が可能である。但し、この場合には、基準板ＦＰを用い
たベースライン計測の際に、３つの計測顕微鏡２８Ａ、
２６、２８Ｂのそれぞれについてベースライン長さＢａ
１、Ｂａ２、Ｂａ３を計測する必要がある。

【００８０】また、計測顕微鏡を３本設ける場合に、顕
微鏡を必ずしも一列に配置する必要はなく、例えば各顕
微鏡が３角形の頂点位置にくるように配置することもで
きる。このようにする場合には、サンプルショットの選
択の仕方、同時計測の対象となるアライメントマークの
選択の仕方に自由度がでることは言うまでもない。

【００８１】《第２の実施形態》次に、本発明の第２の
実施形態を図１１ないし図１５に基づいて説明する。こ
こで、前述した第１の実施形態と同一の構成部分につい
ては、同一の符号を用いるとともに、その説明を簡略化
し若しくは省略するものとする。

【００８２】図１１には、この第２の実施形態に係る投
影露光装置１００の投影光学系ＰＬ及びウエハステージ
２２近傍の概略斜視図が示されている。この投影露光装
置１００は、この図１１に示されるように、計測顕微鏡
１２８が１つだけ設けられている点が、前述した第１の
実施形態の投影露光装置１０と大きく異なる点である。
この計測顕微鏡１２８は、それ全体としては固定であっ
て、主として極く近接して配置された２つのアライメン
トマーク、例えば図１３に示されるようなウエハＷ上の
同一ショット領域内のアライメントマークＭＡ、ＭＢを
同時に検出する。

【００８３】図１２には、この計測顕微鏡１２８の構成
が示されている。この計測顕微鏡１２８は、前述した図
４の計測顕微鏡２６の構成において、ビームスプッリッ
タ４４と、集光レンズ５０との間の光路上にビームスプ
リッタ１０２が配設され、このビームスプリッタ１０２
によりウエハＷ表面からの反射光が２分割される点、及
びこのビームスプリッタ１０２で反射された反射光の光
路上に、集光レンズ１０４、指標板１０６、第１リレー
レンズ１０８、ビームスプリッタ１１０、Ｘ軸用第２リ
レーレンズ１１２Ｘ、２次元ＣＣＤよりなるＸ軸用撮像
素子１１４Ｘ、Ｙ軸用第２リレーレンズ１１２Ｙ、２次
元ＣＣＤよりなるＹ軸用撮像素子１１４Ｙ等が付加され
ている。

【００８４】ここで、この計測顕微鏡１２８の構成各部
についてその作用とともに説明する。

【００８５】光源４１からの照明光がコリメータレンズ
４２、ビームスプリッタ４４、ミラー４６及び対物レン
ズ４８を介してウエハＷ上のアライメントマークＭＡ及
びＭＢを含む領域（以下、「マーク領域Ｍ」という）に
照射される。そして、マーク領域Ｍからの反射光が、対
物レンズ４８、ミラー４６、ビームスプリッタ４４を介
してビームスプリッタ１０２に到達する。このビームス
プリッタ１０２で反射されたマーク領域Ｍからの反射光
は、集光レンズ１０４を介して指標板１０６上に照射さ
れ、指標板１０６上にマーク領域Ｍの像が結像される。

【００８６】また、指標板１０６を透過した光が、第１
リレーレンズ１０８を経てビームスプリッタ１１０に到
達する。そして、ビームスプリッタ１１０を透過した光
が、Ｘ軸用第２リレーレンズ１１２ＸによりＸ軸用撮像
素子１１２Ｘの撮像面上に集束され、ビームスプリッタ
１１０で反射された光が、Ｙ軸用第２リレーレンズ１１
２ＹによりＹ軸用撮像素子１１４Ｙの撮像面上に集束さ
れる。撮像素子１１４Ｘ及び１１４Ｙの撮像面上にはそ
れぞれマーク領域Ｍの像及び指標板１０６上の指標マー
クの像が重ねて結像される。撮像素子１１４Ｘ及び１１
４Ｙによって得られた撮像信号は共に座標位置計測回路
３０に供給される。

【００８７】一方、指標板１０２を透過したマーク領域
Ｍからの反射光は集光レンズ５０を介して指標板５２上
に照射され、その後前述したようにして撮像素子６０Ｘ
及び６０Ｙの撮像面上にはそれぞれマーク領域Ｍの像及
び指標板５２上の指標マークの像が重ねて結像される。
撮像素子６０Ｘ及び６０Ｙによって得られた撮像信号は
共に座標位置計測回路３０に供給される。

【００８８】ここで、本実施形態では、対物レンズ４８
として第１の実施形態のものよりイメージフィールドの
広いものが好適に用いられる。また、指標板１０６とし
ては、透明板上に図５に示されるような指標マーク（９
０Ａ、９０Ｂ、９２Ａ、９２Ｂ）が形成された指標板５
２と同一構成のものが用いられており、これらの指標板
５２、１０６は、ウエハＷ面と共役な面に配置されてい
る。指標板５２上の各指標マークの方向ＸＰ、ＹＰがウ
エハステージ２２のステージ座標系のＸ方向及びＹ方向
と共役になっている。同様に、指標板１０６上の指標マ
ークの方向（便宜上、ＸＱ、ＹＱとする）もウエハステ
ージ２２のステージ座標系のＸ方向及びＹ方向と共役に
なっている。なお、以下の説明では、指標板５２上の指
標マークをＰＭ１、指標板１０６上の指標マークをＰＭ
２と呼ぶ。

【００８９】また、集光レンズ５０と１０４の倍率、第
１リレーレンズ５４と１０８の倍率、Ｘ軸用第２リレー
レンズ５８Ｘと１１２Ｘの倍率、Ｙ軸用第２リレーレン
ズ５８Ｙと１１２Ｙの倍率は、それぞれ同一に設定され
る。また、新たに設けた方の指標板１０６は、水平面
（ＸＹ平面に共役な面）内で２次元方向に移動可能に構
成されており（図１２矢印Ｂ参照）、この指標板１０６
は不図示のピエゾ素子等により駆動可能となっている。

【００９０】従って、上記各レンズの倍率を、上記条件
の下、適宜調整して、図１３のショット領域Ｓ₁内のア
ライメントマークＭＡ₁、ＭＢ₁を含むマーク領域（以
下、「マーク領域Ｍ」という）を計測した結果、例え
ば、撮像素子６０Ｘ及び６０Ｙ（以下、「撮像素子６
０」という」）からの撮像信号により図１４（Ａ）に示
されるような画像が出力され、撮像素子１１４Ｘ及び１
１４Ｙ（以下、「撮像素子１１４」という）からの撮像
信号により図１４（Ｂ）に示されるような画像が出力さ
れた時、撮像素子６０と撮像素子１１４の撮像信号から
は図１４（Ｃ）のような合成画像が出力される。

【００９１】従って、図１４（Ｃ）の状態から、指標板
１０６を適当に水平面内で２次元移動することにより、
図１５に点線矢印で示されるように、指標マークＰＭ２
が移動して、この指標マークＰＭ２がアライメントマー
クＭＢ₁ を囲む画像が得られる位置に達する。この位置
に指標板１０６があるとき、撮像素子６０の撮像信号中
の指標マークＰＭ１とアライメントマークＭＡ₁との位
置関係と、撮像素子１１４の撮像信号中の指標マークＰ
Ｍ２とアライメントマークＭＢ₁との位置関係とに基づ
いて、アライメントマークＭＡ₁とＭＢ₁とを同時に位
置計測することが可能となる。

【００９２】そこで、本第２の実施形態では、上記第１
実施形態でウエハＷのプリアライメント後、計測顕微鏡
２８の位置調整を行っていた代わりに、アライメントマ
ーク位置の設計データに基づいて、指標マーク同士の位
置関係がほぼ図１５に示されるような位置関係になるよ
うに、ＥＧＡサンプルショットのアライメントマーク計
測に先立って、指標板１０６の位置を調整する。

【００９３】その後のサンプルショットのアライメント
マーク計測動作を含むアライメント動作及び露光動作等
は、上記第１の実施形態と同様である。但し、本実施形
態の場合は、同一ショット領域Ｓ_m内のアライメントマ
ークＭＡ_m、ＭＢ_m（ｍ＝１，４，５，８，１９，２
２，２３，２６）を順次同時計測して図１３に示される
サンプルショットＳ_m内のアライメントマークの計測を
行う点が上記第１の実施形態中の説明と相違する。ま
た、本実施形態においても指標マーク同士の位置関係
（又は投影光学系ＰＬに対する各指標マークの相対位置
関係）が実際のウエハＷ上のショット領域を露光位置へ
位置合わせする際に、重要な意味を持つので、基準板Ｆ
Ｐを用いたベースライン計測により、上記位置関係を把
握しておく必要がある。

【００９４】以上説明したように、本第２の実施形態に
よると、前述した第１の実施形態と同等のスループット
の向上と、高精度な重ね合わせを実現できる。なお、指
標板は必ずしも２つに限らず、３つ以上設けても良く、
このようにした場合は、各指標板の各指標マークを用い
て同一ショット領域内の３つ以上のアライメントマーク
を同時に検出することも可能である。

【００９５】また、第２実施形態では、ウエハＷ上の２
つのアライメントマークをＭＡ、ＭＢを含む領域に照射
光を照射するものとしたが、例えば光源４１とウエハＷ
との間で、ウエハＷと共役な面内に、２つのアライメン
トマークＭＡ、ＭＢにそれぞれ対応する２つの開口を有
する視野絞りを配置し、アライメントマークＭＡを含む
第１領域とアライメントマークＭＢを含む第２領域とに
別々に照明光を照射するようにしてもよい。さらに、２
つのアライメントマークの配置（位置や間隔など）が変
更されるときは、それに対応して視野絞りの開口位置を
変化させればよい。この開口位置は、例えば開口位置が
互いに異なる複数の視野絞りを用意しておき、アライメ
ントマーク配置に対応した視野絞りを選択してその照明
光路に配置することにより変更することができる。な
お、開口の位置及び形状が異なる少なくとも２つの視野
絞りを組み合わせて照明光路に配置し、それにより第１
及び第２領域に別々に照明光を照射するようにしてもよ
い。また、例えば液晶表示素子で視野絞りを構成すれ
ば、ウエハ上のアライメントマークの数や配置などに対
応して、簡単に開口の数、位置、形状、及び大きさなど
を調整することができる。

【００９６】なお、前述の第１実施形態では少なくとも
１つの計測光学系を移動させるものとしたが、その計測
光学系を移動させる代わりに、同一の計測光学系を通じ
てウエハ上に照射される複数の照明光の少なくとも１つ
の位置を変更するように構成してもよい。例えば、第２
実施形態による計測顕微鏡１２８と、複数の開口を有す
る視野絞りとによってウエハＷ上の複数のアライメント
マークに別々に照明光を照射するようにし、アライメン
トマークの位置や配置などが変更されるときは、その視
野絞りの少なくとも１つの開口の位置を変化させて、ウ
エハ上での照明光の位置を変更するようにしてもよい。

【００９７】また、上記第１、第２の実施形態では、い
わゆるステップ・アンド・リピートタイプの露光装置
（ステッパ）に本発明が適用された場合について説明し
たが、本発明はこれに限らず、例えば特開平４−１９６
５１３号、特開平４−２７７６１２号、特開平２−２２
９４２３号等に開示された、いわゆるステップ・アンド
・スキャンタイプ（レチクルとウエハとを同期して移動
しながら露光するタイプ）の露光装置（スキャニング・
ステッパ）にも好適に適用できるものである。

【００９８】さらに本発明は、半導体素子、液晶表示素
子、撮像素子（ＣＣＤ）、又は薄膜磁気ヘッドなどのマ
イクロデバイスを製造するフォトリソグラフィ工程で使
用される投影露光装置（ミラープロジェクション・アラ
イナ、ステッパ、スキャニング・ステッパなど）に好適
なものであるが、それ以外にもそのフォトリソグラフィ
工程で使用される各種製造装置、例えば半導体ウエハ上
に形成された回路パターンのヒューズにレーザビームを
照射してそのヒューズを切断するレーザリペア装置など
にも適用することができる。

【００９９】また、例えば５〜１５ｎｍ（軟Ｘ線領域）
に発振スペクトルを有するＥＵＶ（Extreme Ultra Viol
et）光を露光用照明光とし、反射マスク上での照明領域
を円弧スリット状に規定するとともに、複数の反射光学
素子（ミラー）のみからなる縮小投影光学系を有し、縮
小投影光学系の倍率に応じた速度比で反射マスクとウエ
ハとを同期移動して反射マスクのパターンをウエハ上に
転写するＥＵＶ露光装置などにも本発明を適用すること
ができる。

【０１００】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
同時に複数の位置合わせマークを計測できるので、アラ
イメントのための計測時間を最大計測光学系（又は指標
マーク）の個数分の１に短縮することが可能であり、シ
ステム全体としてのスループットを向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る投影露光装置の構成を概
略的に示す図である。

【図２】図１の装置のウエハステージ及び投影光学系の
近傍部分を示す概略斜視図である。

【図３】可動側の計測光学系の移動機構の構成例を示す
斜視図である。

【図４】計測光学系の構成を示す図である。

【図５】図４の指標板上のアライメントマーク像及び指
標マークの配置を示す拡大図である。

【図６】第１の実施形態に係る装置の動作を説明するた
めの図であって、既に回路パターンが転写されたウエハ
の一例を示す図である。

【図７】第１の実施形態に係る装置の動作を説明するた
めの図であって、投影光学系及び計測光学系の基準点で
の配置を示す平面図である。

【図８】第１の実施形態に係る装置の動作を説明するた
めの図であって、投影光学系及び計測光学系の配置を示
す平面図である。

【図９】２次元座標を示すアライメントマークの例を示
す図である（（Ａ）〜（Ｃ））。

【図１０】計測顕微鏡が３個設けられた場合の投影光学
系及び計測光学系の基準点での配置を示す平面図であ
る。

【図１１】第２の実施形態に係る投影露光装置のウエハ
ステージ及び投影光学系の近傍部分を示す概略斜視図で
ある。

【図１２】図１１の計測顕微鏡の構成を示す図である。

【図１３】第２の実施形態に係る装置の動作を説明する
ための図であって、既に回路パターンが転写されたウエ
ハの一例を示す図である。

【図１４】（Ａ）は撮像素子６０からの撮像信号により
得られる画像を示す図、（Ｂ）は撮像素子１１４からの
撮像信号により得られる画像を示す図、（Ｃ）は撮像素
子６０と撮像素子１１４の撮像信号から得られる合成画
像を示す図である。

【図１５】指標板の位置調整を説明するための図であっ
て、指標マークが移動した後の合成画像の一例を示す図
である。

【図１６】従来の投影露光装置における投影光学系とオ
フ・アクシス方式の計測顕微鏡の配置を示す平面図であ
る。

【図１７】ウエハ上のショット領域の配列を示す模式図
である。

【図１８】各ショット領域内にＸーＹの２組の参照マー
クが配置されたウエハ上のショット領域の配列を示す模
式図である。

【符号の説明】

１０投影露光装置２６固定の計測顕微鏡（計測光学系）２８可動の計測顕微鏡（計測光学系）３０座標計測回路（相対位置計測系の一部）３２制御系（制御装置、演算処理装置）５２指標板７８、８０移動鏡（相対位置計測系の一部）８２、８４反射ミラー（相対位置計測系の一部）８６Ｘ、８６Ｙレーザ干渉計（相対位置計測系の一
部）１００投影露光装置１０６指標板１２８計測顕微鏡（計測光学系）Ｒレチクル（マスク）ＰＬ投影光学系Ｗウエハ（感光基板）ＭＡ、ＭＢアライメントマーク（位置合わせ用マー
ク）ＰＭ１、ＰＭ２指標マーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に形成されたパターンを、複数
の位置合わせ用マークが形成された感光基板上に転写す
る投影露光装置であって、投影光学系と；前記投影光学系を介さないで前記複数の
位置合わせ用マークを計測する複数の計測光学系とを備
え、この内の少なくとも１つが前記投影光学系の光軸に
直交する平面内で少なくとも一軸方向に移動可能である
ことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記複数の計測光学系に関連して前記投
影露光装置に配置され、前記少なくとも１つの移動可能
な計測光学系の、前記投影光学系に対する相対的な位
置、あるいは固定の計測光学系に対する相対的な位置を
計測する相対位置計測系を更に備える請求項１に記載の
投影露光装置。
【請求項３】前記複数の計測光学系と接続されて前記
投影露光装置に配置され、露光開始に先だって、前記複
数の計測光学系から得られた計測データに従って、所定
の複数のショット領域に形成された位置合せ用マークの
位置を順次決定し、各ショット領域の配列座標を算出す
る演算処理装置を更に備える請求項２に記載の投影露光
装置。
【請求項４】複数の位置合わせ用マークが形成された
感光基板上の複数のショット領域を転写位置に順次位置
決めする移動型の投影露光装置であって、マスクに形成されたパターンを前記ショット領域に投影
する投影光学系と；複数の計測光学系であって、その数
に応じた個数の位置合わせ用マークを計測する複数の計
測光学系とを備え、この内の少なくとも１つが前記投影
光学系の光軸に直交する平面内で少なくとも一軸方向に
移動可能であることを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】前記複数の計測光学系に関連して前記投
影露光装置に配置され、前記少なくとも１つの移動可能
な計測光学系の、前記投影光学系に対する相対的な位
置、あるいは固定の計測光学系に対する相対的な位置を
計測し、前記相対な位置を示す相対位置計測データを生
成する相対位置計測系を更に備える請求項４に記載の投
影露光装置。
【請求項６】前記複数の計測光学系と機能的に接続さ
れて前記投影露光装置に配置され、前記相対位置計測デ
ータに応じて、前記少なくとも１つの移動可能な計測光
学系の位置を制御し、前記投影光学系に対する相対的な
位置関係を一定に保つように制御する制御装置を更に備
える請求項５に記載の投影露光装置。
【請求項７】前記複数の計測光学系と接続されて前記
投影露光装置に配置され、露光開始に先だって、前記複
数の計測光学系から得られた計測データによって、所定
の複数のショット領域に形成された位置合せ用マークの
位置を順次決定し、各ショット領域の配列座標を算出す
る演算処理装置を更に備える請求項５に記載の投影露光
装置。
【請求項８】前記演算処理装置は、前記位置合わせ用
マークの位置計測に際し、少なくとも１ショットについ
ては同一ショット領域内の複数マークを同時計測するこ
とを特徴とする請求項７に記載の投影露光装置。
【請求項９】前記演算処理装置は、前記計測結果と参
照ショット配列データとに基づいて統計処理により各シ
ョット領域の配列を算出することを特徴とする請求項３
又は７に記載の投影露光装置。
【請求項１０】前記移動可能な計測光学系が、直交２
軸方向に移動可能とされていることを特徴とする請求項
１又は４に記載の投影露光装置。
【請求項１１】マスク上に形成されたパターンを、複
数の位置合わせ用マークが形成された感光基板上に転写
する投影露光装置であって、前記感光基板に対する共役面上で相対的な位置関係が調
整可能な少なくとも２つの指標マークを有し、前記感光
基板上に形成された前記位置合わせ用マークを計測する
画像処理方式の計測光学系と；前記計測光学系による計
測結果に従って、前記マスク上に形成された前記パター
ンを前記感光基板上に投影する投影光学系とを備える投
影露光装置。
【請求項１２】基板上に配列され、マスクに形成され
たパターンが転写される複数のショット領域それぞれを
位置合せする位置合せ方法であって、予め選択された少なくとも１つのショット領域における
複数の位置合せ用マークの位置を同時に計測する第１工
程と；前記第１工程における計測結果に従って、前記基
板上に配列された前記複数のショット領域それぞれの静
止座標系上における座標位置を算出する第２工程と；前
記第２工程での算出結果に従って、前記基板の移動位置
を制御し、前記複数のショット領域の各々を所定の前記
パターンの転写位置に位置合わせする第３工程とを含む
位置合せ方法。
【請求項１３】前記第１工程では、前記複数のショッ
ト領域のほぼ同じ位置関係にある複数の位置合わせマー
クの位置を同時に計測することを少なくとも２回行うこ
とを特徴とする請求項１２に記載の位置合せ方法。
【請求項１４】前記第２工程では、前記第１工程で計
測された前記複数の位置合せ用マークの位置を統計演算
することによって、前記複数のショット領域それぞれの
座標位置を決定することを特徴とする請求項１３に記載
の位置合せ方法。