(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１のアライメントマークが設けられている第１の物体を、少なくとも第２のアライメントマークが設けられている第２の物体に対して整列させるアライメント装置であって、少なくとも１本のアライメントビームを発生する放射源と、第１の物体ホルダと、第２の物体ホルダと、前記第１のアライメントマークを第２のアライメントマーク上に投影する投影装置と、第１のアライメントマーク及びこの第１のアライメントマークが投影される第２のアライメントマークからの選択したアライメントビーム部分の光路中に配置した放射感知検出装置とを具え、前記放射感知検出装置の出力信号が前記アライメントマークの相対位置の目安となるアライメント装置において、前記第１のアライメントマークと第２のアライメントマークとの間の放射光路中に、放射透過性部分が設けられている次数ダイアフラムを配置し、前記放射透過性部分が、第１のアライメントマークにより偶数次の回折光として回折されたアライメントビーム部分だけを第２のアライメントシステムに向けて通過させることを特徴とするアライメント装置。
【請求項２】
前記次数ダイアフラムに、第１のアライメントマークにより１次回折光として回折したアライメントビーム部分を通過させる放射透過性部分をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載のアライメント装置。
【請求項３】
前記アライメントビームの第２のアライメントマークと検出装置との間の放射光路中に別の次数ダイアフラムを配置し、この次数ダイアフラムに、前記第１のアライメントマークにより偶数次の回折光として回折したアライメントビーム部分及び前記第２のアライメントマークにより前記偶数次よりも低い別の次数の回折光として回折したアライメントビーム部分だけを検出装置に向けて通過させる放射透過性部分を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアライメント装置。
【請求項４】
前記第２のアライメントマークと検出装置との間に配置した次数ダイアフラムに、前記第１のアライメントマークにより１次回折光として回折したアライメントビーム部分だけを通過させる放射透過性部分をさらに設けたことを特徴とする請求項３に記載のアライメント装置。
【請求項５】
前記偶数次を４次としたことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載のアライメント装置。
【請求項６】
前記別の次数を＋２次及び−２次としたことを特徴とする請求項３、４又は５に記載のアライメント装置。
【請求項７】
前記別の次数を１次及び３次としたことを特徴とする請求項３、４又は５に記載のアライメント装置。
【請求項８】
前記第１のアライメントマークが格子周期ｐの回折格子構造を有する請求項５、６又は７に記載のアライメント装置において、前記アライメントマークが、格子周期当たり少なくとも１個の（１／８）×ｐの幅を有する格子細条を有することを特徴とするアライメント装置。
【請求項９】
前記第１のアライメントマークが格子周期当たり４個の格子細条を有し、第１の格子細条と第２の格子細条との間の相対距離及び第３の格子細条と第４の格子細条との間の相対距離を（１／４）×ｐに等しくしたことを特徴とする請求項８記載のアライメント装置。
【請求項１０】
前記第１のアライメントマークが格子周期当たり２個の格子細条を有し、これら格子細条が（８／５）×ｐだけ相互に離間することを特徴とする請求項８に記載のアライメント装置。
【請求項１１】
各アライメントマークが２個の格子部分を有し、第１の格子部分の方向が第２の格子部分の方向と直交することを特徴とする請求項８に記載のアライメント装置。
【請求項１２】
マスクに存在するマスクパターンを基板上に投影する装置であって、投影ビームを発生する放射源ユニットと、マスクホルダと、投影光学系と、基板ホルダとを順次具えると共に、さらに前記マスクを基板に対して整列させるアライメント装置が設けられている投影装置において、前記アライメント装置を請求項１から１１までのいずれか１項に記載のアライメント装置とし、前記基板及びマスクがアライメント装置に対して２個の物体を構成することを特徴とする投影装置。
【請求項１３】
前記投影ビームを電磁放射のビームとし、前記投影装置を光学レンズ系とし、前記アライメント装置の結像光学系を投影レンズ系で構成したことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
マスクに存在するマスクパターンを基板上に投影する装置であって、投影ビームを発生する放射源ユニットと、マスクホルダと、投影光学系と、基板ホルダとを順次具えると共に、前記マスクを基板に対して整列させる精密アライメント装置が設けられ、さらに基板を予備整列させる予備整列装置及び行なわれた予備整列を維持しながら投影光学系及びマスクのもとで基板を移送する移送手段が設けられている投影装置において、前記予備整列装置に請求項１から１１までのいずれか１項に記載のアライメント装置を設けたことを特徴とする投影装置。
【請求項１５】
投影レンズ系の光路中であって前記次数ダイアフラムにより選択されたアライメントビーム部分の光路中に、投影レンズ系の直径よりも相当小さい寸法を有する補正素子を配置し、各補正素子が関連するアライメントビーム部分だけを偏向し集束することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記補正素子を投影レンズ系のフーリェ変換面に配置したことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記次数ダイアフラムが、前記放射透過性部分を除いて、投影ビーム放射に対して透過性でありアライメントビーム放射に対して非透過性のダイクロイック層を有し、前記補正素子を前記放射透過性部分に配置したことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記補正素子をレンズとしたことを特徴とする請求項１５、１６又は１７に記載の装置。
【請求項１９】
選択したアライメントビーム部分の対称軸をマスクプレートの面とほぼ直交するように偏向させる放射偏向素子をマスクアライメントマークの近傍に配置し、この放射偏向素子を、前記マスクプレートの面における投影ビームの断面よりも相当小さくしたことを特徴とする請求項１２から１８までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
前記放射偏向素子を、アライメントビームに対して透明な材料の楔状体で構成したことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
第１のマスクアライメントマークを基板アライメントマークに対して整列させる装置が、第２のアライメントビームにより基板アライメントマークに対して第２のマスクアライメントマークを整列させる装置を具える請求項１５から２０までのいずれか１項に記載の装置において、前記第１のアライメント装置用の補正素子を第２のアライメント装置用の補正素子としたことを特徴とする装置。
【請求項２２】
前記第２のアライメントビームの光路中の第２のマスクアライメントマーク付近に第２の偏向素子を配置したことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１のアライメントマークを基板アライメントマークとし、前記第２のアライメントマークをマスクアライメントマークとしたことを特徴とする請求項１２から２２までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記第１のアライメントマークをマスクアライメントマークとし、第２のアライメントマークを基板アライメントマークとしたことを特徴とする請求項１２から２２までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
基板アライメントマークを位相回折格子とし、マスクアライメントマークを振幅回折格子で構成したことを特徴とする請求項１２から２４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
周期的な信号により制御される手段をアライメントビームの放射光路中に配置し、第２のアライメントマークと検出系により観測される第１のアライメントマスクのマーク上の像とを互いに周期的に変位させることを特徴とする請求項１２から２５までのいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、少なくとも第１のアライメントマークが設けられている第１の物体を、少なくとも第２のアライメントマークが設けられている第２の物体に対して整列させるアライメント装置であって、少なくとも１本のアライメントビームを発生する放射源と、第１の物体ホルダと、第２の物体ホルダと、前記第１のアライメントマークを第２のアライメントマーク上に投影する投影装置と、第１のアライメントマーク及びこの第１のアライメントマークが投影される第２のアライメントマークからの選択したアライメントビーム部分の光路中に配置した放射感知検出装置とを具え、前記放射感知検出装置の出力信号が前記アライメントマークの相対位置の目安となるアライメント装置に関するものである。
また、本発明は、このようなアライメント装置が精密なアライメント装置又は予備アライメント装置として用いられているリソグラフィ装置にも関するものである。このような装置に用いられているマスクには少なくともマスクアライメントマークが設けられ、基板には少なくとも基板アライメントマークが設けられている。
選択されるビーム部分は、第１のアライメントマークを第２のアライメントマーク上に結像するために有効に用いられるアライメントビームの部分である。アライメントマークが回折格子の場合、選択されたアライメントビーム部分はアライメントマークにより所定の次数で回折されたビーム部分となる。
マスクパターン、例えば集積回路（ＩＣ）のパターンを同一の基板上に繰り返し縮小投影する光リソグラフィ装置は、米国特許第４７７８２７５号に記載されており、このリソグラフィ装置においてマスクパターン及び基板は２個の順次の照明間で例えば基板及びマスクパターンと平行な面内で相互に直交するする方向に沿って互いに相対的に移動する。
集積回路は拡散及びマスキング技術により製造される。種々のマスクパターンを有する多層のマスクが半導体基板の同一の位置に連続して結像される。同一の位置に連続して結像する工程間において、基板に所望の物理的及び化学的処理を行う必要がある。このため、基板をマスクパターンを用いて照明した後基板を装置から外し、所望の処理工程を行った後装置の同一の位置に再び配置して第２のマスクパターンで照明する必要があり、この間に第２のマスクパターン及び次のマスクパターンを基板に対して正確に位置決めする必要がある。
例えば、集積化された光学装置や磁気ドメインメモリのガイドパターン及び検出パターンの構造体及び液晶表示パネルの構造体のようなミクロン程度の微細な寸法を有する他の構造体の製造にも拡散及びマスキング技術を用いることができる。また、これらの構造体の製造において、マスクパターンは基板に対して極めて高精度に位置決めする必要がある。
基板の単位表面積当たり多数の電子素子が形成されこれら電子素子の寸法が微細になる観点より、集積回路を製造する際の精度に一層厳格な要件が課せられている。従って、基板上に連続的なマスクが投影される位置は一層高精度に規定する必要がある。
基板に対してマスクパターンを投影する米国特許第４７７８２７５号による装置において、１ミクロンの数１０分の１の範囲で極めて正確な位置決め精度を達成するため、この装置は基板をマスクパターンに対して整列させる装置を具え、基板に設けられているアライメントマークをマスクに設けられているアライメントマーク上に結像している。基板アライメントマークの像がマスクアライメントマークと正確に一致すると、基板はマスクパターンに対して正しく整列することになる。基板マークをマスクマークに結像する主要な素子は投影レンズ系、すなわちマスクパターンを基板上に結像する結像光学系により構成されている。
米国特許第４７７８２７５号に記載されているアライメント装置は十分満足するように作動するが、ＩＣの製造に新規な技術を用いてＩＣパターンの微細な構造すなわちライン幅を小さくすることが要請されており、アライメント装置について信頼性及び精度に関する課題が存在する。
より微小なライン幅の新世代のＩＣの製造において、ライン幅を細くするに際し、投影レンズ系の開口数（ＮＡ）が大きくなることに起因して基板の平坦性に一層厳格な要件が課せられている。ＮＡが増大するにしたがって、投影レンズ系の焦点深度が浅くなる。投影レンズ系の所望の比較的大きな結像視野にある曲率が存在すると、基板の平坦性についてほとんど余裕がなくなってしまう。基板の所望の平坦性を得るためには、２回の照明間で化学機械的なポリシング（ＣＭＰ）処理により基板を研磨することができる。この処理は、回折格子として設置されている基板アライメントマークに非対称な歪みを発生させることが判明しており、従ってアライメント誤差を生ずるおそれがある。
新世代のＩＣの製造プロセスは一層複雑であり、処理工程の数及び基板上の処理層の数は一層増大している。これらのうちの数個の層は格子状のアライメントマークに非対称性を導入し、従ってアライメント誤差を発生させてしまう。
マスクすなわちレチクルにより別のアライメント誤差が生ずるおそれがある。マスク及びアライメント装置の光学素子の反射による疑似的な反射により、アライメント放射に不所望な位相差が発生してしまう。アライメント放射が通常のＨｅＮｅレーザの放射のようにコヒーレントな場合、基板アライメントマークの所望の像がマスクアライメントマークの位置に発生するだけでなく、特別なすなわちゴースト像が発生し、マスクアライメントマークの基板の厚さが変化するとゴースト像の所望の像に対する位置が、アライメント放射の基板に入射する位置に応じて変化してしまう。この効果はＲＩＣＯ（レチクル誘導コヒーレントオフセット）と称されており、この効果によりアライメント誤差が生ずるおそれがある。
米国特許第４７７８２７５号に記載の装置のように、アライメント装置に偏光感知光学系を用いる場合、別のアライメント誤差が生ずるおそれがある。この理由は、通常のＩＣマスクの基板は複屈折性を有する水晶で構成され、マスクが微小な複屈折性を帯びるからである。この複屈折性により基板アライメントマークの像がアライメントマークに対してオフセットしてしまう。この複屈折性はマスク基板面全体にわたって一定ではなく、位置に依存して変化する。例えば、ステッメ及びスキャン装置におけるように、アライメントマークが用いるマスク表面上に広がると、これらのアライメント誤差は例えばアライメント放射の偏光状態の正確な補正によりもはや補償することができなくなってしまう。
本発明の目的は、アライメント信号に対する上述した効果による影響を相当軽減し、既知の装置よりも一層正確で信頼性の高いアライメント装置を提供することにある。この目的を達成するため、本発明によるアライメント装置は、第１のアライメントマークと第２のアライメントマークとの間の放射光路中に、放射透過性部分が設けられている次数ダイアフラムを配置し、前記放射透過性部分が、第１のアライメントマークにより偶数次の回折光として回折されたアライメントビーム部分だけを第２のアライメントシステムに向けて通過させることを特徴とする。
本発明は、アライメント誤差はアライメントマークの周期に比例すると共にこれらアライメント誤差はこの周期を小さくすることにより減少することができるという認識に基づくと共に、周期Ｐを有する周期的構造体は、この構造体によりｎ次に回折された放射部分だけを結像させることを利用することにより周期２ｎＰを有する周期的構造で置き換えることができるという別の認識に基づいている。このため、ｎ次に回折された放射部分が入射する位置にだけ透過性部分が設けられている次数ダイアフラムを用いる。この透過性部分は不透明のプレートの開口又は放射透過性材料の区域とすることができる。アライメントマークは一層小さい周期を有効に有するので、本発明によるアライメント装置は信頼性が一層高くなるだけでなく、既知のアライメント装置よりも相当精度が高くなる。
好ましくは、本発明による装置は、次数ダイアフラムに、第１のアライメントマークにより１次回折光として回折したアライメントビーム部分を通過させる放射透過性部分を設けたことを特徴とする。
回折格子及び１次ダイアフラムによるアライメントの原理が記載されている米国特許第４２５１１６０号に記載されているように、格子マークにより１次に回折した放射だけを用いる場合、格子マーク自身の周期の半分の周期を有する像が発生する。従って、アライメント精度は、零次及び高次の回折放射を用いる場合よりも２倍高くなる。本発明の装置において、１次回折した放射用の開口を次数ダイアフラムに設けることにより、新規な方法に基づく一層正確なアライメント及び既知の方法に基づくアライメントの両方について同一のアライメント装置を用いることができる。これにより、新規なアライメント装置は既知のアライメントマークに対してと互換性をもつことができる。
第１及び第２のアライメントマークにより所望の次数ではない次数で回折した放射が検出系に入射するのを回避するため、好ましくは本発明のアライメント装置は、アライメントビームの第１のアライメントマークと検出装置との間の放射光路中に別の次数ダイアフラムを配置し、この次数ダイアフラムに、前記第１のアライメントマークにより偶数次の回折光として回折したアライメントビーム部分及び前記第２のアライメントマークにより前記偶数次よりも低い次数の回折光として回折したアライメントビーム部分だけを検出装置に向けて通過させる放射透過性部分を設けたことを特徴とする。
このアライメント装置が、別の次数ダイアフラムに前記第１のアライメントマークにより１次回折光として回折したアライメントビーム部分だけを通過させる放射透過性部分を設けたことを特徴とする場合、このアライメント装置は既知のアライメントマークとの組合せで用いるのが好適である。
本発明によるアライメント装置の好適実施例は、偶数次を４次としたことを特徴とする。
第１のアライメントマークにより４次に回折したアライメントビーム部分をアライメント信号を発生させるために選択すれば、新規なアライメント装置は最適な結果が得られることが判明している。
この実施例は、さらに前記別の次数を＋２次及び−２次としたことを特徴とする。
第１のアライメントマークにより４次に回折したビーム部分が第２のアライメントマークを通過した後、このビーム部分は、主光線が第２のアライメントマークと直交するするビームを形成する。。
変形例として、この実施例は、．前記別の次数を１次及び３次としたことを特徴とする。
第１のアライメントマークにより４次に回折したビーム部分が第２のアライメントマークを通過した後、このビーム部分もビームを形成するが、この時このビームの主光線は第２のアライメントマークに対して垂直の角度をなす。
４次で回折したアライメントビームを用い第１のアライメントマークが格子周期ｐの回折格子構造を有するアライメント装置は、アライメントマークが、格子周期当たり少なくとも１個の（１／８）×ｐの幅を有する格子細条を有することを特徴とする。
これにより、このマークに入射する放射の十分な部分が４次に回折される。
このビーム部分を増大し得られるアライメント信号を増幅するため、好ましくは、本アライメント装置は、第１のアライメントマークが格子周期当たり４個の格子細条を有し、第１の格子細条と第２の格子細条との間の相対距離及び第３の格子細条と第４の格子細条との間の相対距離を（１／４）×ｐに等しくしたことを特徴とする。
変形例として、本アライメント装置は、第１のアライメントマークが格子周期当たり２個の格子細条を有し、これら格子細条が（８／５）×ｐだけ相互に離間することを特徴とする。
このアライメントマークはアライメント放射を４次で回折するだけでなく１次にも回折するので、このアライメント装置を用いて新規な精密なアライメント及び既知のグローバルなアライメントの両方を行うことができる。
本アライメント装置が、各アライメントマークが２個の格子部分を有し、第１の格子部分の方向が第２の格子部分の方向と直交することを特徴とする場合、このアライメント装置を用いて２個の相互に直交する方向にアライメントすることができる。
本発明は、マスクに存在するマスクパターンを基板上に投影する装置であって、投影ビームを発生する放射源ユニットと、マスクホルダと、投影光学系と、基板ホルダとを順次具えると共に、さらに前記マスクを基板に対して整列させるアライメント装置が設けられている投影装置にも関するものである。この装置は、アライメント装置を上述した装置とし、基板及びマスクがアライメント装置に対して２個の物体を構成することを特徴とする。
このような装置はリソグラフィ装置とも称されており、ＩＣの製造だけでなく、集積化された、すなわちプレナ光学装置、液晶画像表示パネル、磁気ドメインメモリ等の製造にも用いることができる。
この装置の最も一般的な実施例は、投影ビームを電磁放射のビームとし、前記投影装置を光学レンズ系とし、前記アライメント装置の結像光学系を投影レンズ系で構成したことを特徴とする。
投影ビームは、イオンビーム、電子ビーム又はＸ線放射ビームのような電荷粒子ビームとすることができ、この場合投影光学系は放射の型式に適合させる。例えば、投影ビームが電子ビームの場合、投影系は電子レンズ系とする。この場合、投影系はアライメント装置用の結像装置として用いられない。
本発明は、精密なアライメント装置だけでなく基板を予備整列させる予備整列装置を具えると共に、行なわれた予備整列を維持しながら投影光学系及びマスクのもとで基板を移送する移送手段が設けられているリソグラフィ装置にも用いることができる。この装置は、予備アライメント装置に上述したアライメント装置を設けたことを特徴とする。
この用途の分野において、アライメント装置を校正手段として用いることができる。このため、アライメント装置は、１次回折したアライメント放射からのアライメント信号及び例えば４次回折したアライメントビームからのアライメント信号をこの装置を用いて得られるように構成する。これらの信号を互いに比較し、この比較結果を用いて１次回折したアライメント放射を用いて動作する精密なアライメント装置を校正することができる。
本発明による光リソグラフィ装置の好適実施例は、投影レンズ系の光路中であって前記次数ダイアフラムにより選択されたアライメントビーム部分の光路中に、投影レンズ系のの直径よりも相当小さい寸法を有する補正素子を配置し、各補正素子が関連するアライメントビーム部分だけを偏向し集束することを特徴とする。
例えば、ＵＶ放射のような短波長投影放射について最適化された投影レンズ系を用いて第１のアライメントマークを第２のアライメントマーク上に結像する場合、結像誤差すなわち倍率誤差又は焦点誤差が発生する。この理由は、アライメント放射が、例えば６３３ｎｍのような相当長い波長を有しているからである。これらの結像誤差及びこれにより発生するアライメント信号誤差は、１次ビーム部分についての補正素子に関する欧州特許出願第０３９３７７５号に記載されている前述した補正素子により除去することができる。
補正素子は投射レンズ系内の適切な高さに配置し、一方においては補正素子の面において選択した次数のアラインメントビーム部分が十分に分離してこれらの部分が個別に作用し、他方においてこれらの素子が投射ビーム及び形成されるマスク画像に影響を与えないようにする。このような状況下において、補正素子は投射ビームの放射に対して不透明にすることができる。従って、これらの素子が投射ビームに位相差を導入するのが防止される。
この装置の好適実施例は、補正素子を投影レンズ系のフーリェ変換面に配置したことを特徴とする。
投影レンズ系は、第１のレンズ群と第２のレンズ群とに配置したものと考える多数のレンズ素子を有する複合レンズ系とする。フーリェ面はこれらレンズ群の間に存在する。第１のレンズ群は物体、本例の場合アラインメントマークのフーリェ変換を構成し、第２のレンズ群はこの物体のフーリェ変換を物体の像に変換する。選択された次数のアラインメントビーム部分はフーリェ面に集束し互いに分離する。
この装置は、好ましくは次数ダイアフラムが、前記放射透過性部分を除いて、投影ビーム放射に対して透過性でありアライメントビーム放射に対して非透過性のダイクロイック層を有し、前記補正素子を前記放射透過性部分に配置したことを特徴とする。
この場合、補正素子は別の次数ダイアフラムと一体化されるので、強固で小型な組立体が得られる。
各補正素子は通過する光線の方向に作用し、つまりこれらの光線が結合される点の位置を変位させるので、これら補正素子は極めて有効である。補正素子は第２のアラインメントマークから比較的長い距離離れて配置されるので、その有効性は相当増強される。これらの素子の光学的強度は小さい範囲内に維持されるので、これらの素子は機械的及び熱的な不安定性に対して比較的影響を受けることはない。
補正素子は回折とすることができるが、好ましくは屈折性の素子で構成する。屈折性の補正素子は種々の形状を有することができるが、例えば二重光学楔で構成する。
一方、この装置の好適実施例は、補正素子をレンズとしたことを特徴とする。
このような補正レンズを用いれば、関連するアラインメントビーム部分の焦点を補正することができるだけでなく、アラインメントマークが結像される倍率を補正することもできる。
本発明による装置は別のアラインメント誤差を補正することができる。例えば、４次回折したアラインメントビーム部分を用いて基板アラインメントマークをマスクアラインメントマーク上に投影する場合、これらアラインメントビーム部分の対称軸はマスクプレートと直交しないので、アラインメントに関連しない特別な位相差及び特別な強度変化が検出装置に入射する放射中に発生するおそれがある。結果として、不正確なアラインメント信号が得られてしまう。２回回折したサブビーム部分、すなわち基板アラインメントマーク及びマスクアラインメントマークの両方で回折したサブビーム部分はマスクプレート面によりマスクアラインメントマークに向けてさらに１回反射しこのマークで反射し２回回折したサブビームの方向に回折するため、これらの特別な強度変化が発生してしまう。これらのビーム部分は３回曲げられた回折サブビームと称され、マスクプレート中の異なる光路長を進行し検出装置において相対的な位相差を生ずるので、これらのサブビーム部分は検出装置の出力信号に影響を与えることになる。
マスクプレートで反射したビーム部分がマスクアラインメントマークに再び入射しないアラインメント装置、又は回折格子以外のマークをアラインメントマークとして用いるアラインメント装置においては、上述した位相差つまり誤差のあるアラインメント信号が発生する可能性がある。
上述した位相差はマスクプレートの厚さに依存するので、同一の装置において異なる厚さのマスクプレートを用いる場合基板に対する第１のマスクプレートのアラインメントは同一基板に対する第２のマスクプレートのアラインメントとは相違する。位相差がアラインメント誤差となる程度はマスクプレートの反射係数に依存するので、同一の装置において異なる反射係数のマスクプレートを用いることにより同一基板に対する第１のマスクプレートのアラインメントと第２のマスクプレートのアラインメントとの間に差異が生ずる。
最後に、上述した位相差はマスクプレートの法線と選択したアラインメントビーム部分の対称軸との間の角度に依存し、この角度は装置毎に相違する。同一基板に対して連続した処理工程を行うために数個の装置が用いられる場合、マスクに対する基板のアラインメントは、たとえ用いたマスクプレートが同一のアラインメント及び反射係数を有していても相異することになる。このアラインメントの差は、装置自身において補正することができる。しかしながら、この補正は、用いるマスクプレートが異なる厚さ及び／又は反射係数を有する場合原理的に不可能である。
選択したビーム部分の対称軸は仮想の軸であり物理的な軸ではない。基板厚さマークにより４次回折したアラインメントビーム部分を選択する場合、対称軸はこのビーム部分の主光線に対して対称的に位置し、例えば投影に寄与しない仮想の零次サブビームの主光線と一致する。
アラインメント放射の不所望な位相差が防止される本発明による装置の実施例は、選択したアライメントビーム部分の対称軸をマスクプレートの面とほぼ直交するように偏向させる放射偏向素子をマスクアライメントマークの近傍に配置し、この放射偏向素子を、前記マスクプレートの面における投影ビームの断面よりも相当小さくしたことを特徴とする。
二重回折したサブビームは第２のアラインメントマークに向けてさらに１回反射するので、反対方向に回折した３回折り曲げられた回折サブビームが発生することは真実である。一方、偏向素子は、最後に述べたサブビームが第２のアラインメントマークのプレート中の同一の光路長を進行し特別な位相差が生じないようにする。
対称軸が垂直に向くことは、例えば第１のアラインメントマークにより＋４次及び−４次回折したビーム部分のようなビーム部分自身が、仮想の零次サブビームの主光線に対応するこれらの部分の対称軸が第２のアラインメントマークと直交するように入射することを意味するものと理解される。
偏向素子は、細いビーム部分が上記マスクマークにおいて互いに満足するように重なり合い、従ってこの素子の表面が小さくなるようにマスクアラインメントマークにできるだけ接近して配置する。この素子は投影ビームに影響を与えることはない。さらに、この偏向素子は比較的小さい方向補正をするだけであるから、薄い厚さを有するだけが必要である。従って、この素子について機械的及び熱的に厳格な要件を課す必要はない。
別の特徴的構成として、この偏向素子はアライメントビームに対して透明な材料の楔状体で構成する。
楔状素子の代わりに、例えばミラーのような別の偏向素子を用いることができる。一方、このミラーに課せられる安定性の要件は、楔状素子に課せられる安定性の要件よりも厳格にする必要がある。
米国特許第４７７８２７５号に記載されているように、マスクパターンを基板上に結像させる装置は、好ましくは第１のマスクアラインメントマークを基板アラインメントマークに対して整列させる装置に加えて、第２のアラインメントビームにより第２のマスクアラインメントマークを基板アラインメントマークに対して整列させる同様な第２の装置を具える。この場合、マスクパターンと基板との間の相対的な角度方位を直接光学的に確立することができ、投影レンズ系がマスクパターンを基板上に結像する際の倍率を決定することができる。本発明が用いられるこの装置は、第１のアライメント装置用の補正素子を第２のアライメント装置用の補正素子としたことを特徴とする。
さらに、この装置は、第２のアライメントビームの光路中の第２のマスクアライメントマーク付近に第２の偏向素子を配置したことを特徴とする。
本発明の装置の種々の実施例があり、これらの実施例は基板アラインメントマーク及びマスクアラインメントマークが互いに及び取り得る場合には基準アラインメントマーク上に結像される点において相互に区別される。
第１の実施例は、第１のアライメントマークを基板アライメントマークとし、前記第２のアライメントマークをマスクアライメントマークとしたことを特徴とする。
第２の実施例は、第１のアライメントマークをマスクアライメントマークとし、第２のアライメントマークを基板アライメントマークとしたことを特徴とする。
この装置の好適実施例は、基板アライメントマークを位相回折格子とし、マスクアライメントマークを振幅回折格子で構成したことを特徴とする。
米国特許第４２５１１６０号に記載されているように、周期的な回折格子は他のアラインメントマークに比べて、測定位置に誤差が生じても回折格子全体にわたって平均化される利点がある。結果として、正確なアラインメントを行うことができる。基板回折格子は集積回路の全製造サイクルについて１回だけ設けられ各新たに形成される層毎に設ける必要はない。振幅回折格子に比べて、基板上の位相回折格子は良好に「見ることができる」利点がある。
本発明による装置の好適実施例は、周期的な信号により制御される手段をアライメントビームの放射光路中に配置し、第２のアライメントマークと検出系により観測される第１のアライメントマスクのマーク上の像とを互いに周期的に変位させることを特徴とする。
上述した手段は、第２のアラインメントマークを周期的に移動させる第２のアラインメントマーク用の駆動部材又は第１のアラインメントマークの像を第２のアラインメントマークに対して有効に振動させる偏光感知素子と結合された偏光変調器により構成することができる。検出装置により観測される第１のマークの像を第２のマークに対して周期的に変位させることにより、ダイナミックなアラインメント信号が得られ、本装置の精度及び感度は相当改良される。基板アラインメントマークの反射が微弱な場合、この感度は重要である。
以下に説明する実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
図面として、
図１は基板上にマスクパターンを繰り返し結像する装置の実施例を示す。
図２は２次元回折格子の形態のアラインメントマークの既知の実施例を示す。
図３は２個のアラインメント装置を具える本発明による装置の第１実施例を示す。
図４は本発明によるアラインメントビームの第１の選択を示す。
図５は同様な第２の選択を示す。
図６は
図７は
図８は本装置で用いる補正レンズの動作を示す。
図９は
図１０、１１、１２及び１３は関連する第１の格子マークの種々の実施例の光路を示す。
図１４は第２のアラインメントマークの背後に配置され１次サブビームから４次のサブビームを分離するビームスプリッタの実施例を示す。
図１５は第２のアラインメントマークと検出装置との間の放射光路の詳細な実施例を示す。
図１６はマスクプレートを通るアラインメント放射の光路を示す。
図１７はこのプレートで反射が生じた場合の光路を示す。
図１８は放射偏向素子を有する本発明による装置のマスクプレートを通るアラインメント放射の光路を示す。
図１９はこのような装置の実施例を示す。
図２０は本発明によるアラインメント装置の第２実施例を示す。
マスクパターンを基板上に繰り返し結像する装置の実施例を示す。この装置の主要な構成要素は、結像すべきマスクパターンＣが配置される投影カラム及びマスクパターンＣに対して基板を位置決めする移動可能な基板テーブルＷＴである。
この装置は、例えばキセノンフロライドレーザのようなレーザＬＡと、レンズ系ＬＳと、ミラーＲＥと、コンデンサレンズＣＯとを具える照明装置も含む。照明ユニットから発生する投影ビームＰＢは、マスクテーブルＭＴ上に配置したマスクＭＡ中に存在するマスクパターンＣを照明する。
マスクパターンＣを通るビームＰＢは、投影カラム中に配置され線図的に図示した投影レンズ系ＰＬに入射し、このレンズ系は基板Ｗ上にパターンＣの像を形成する。この投影レンズ系は、例えば倍率Ｍ＝１／５、開口数Ｎ．Ａ．＝０．４８及び直径２１ｍｍの回折限界視野を有する。これらの符号は任意的であり投影装置が新しくなる毎に相違する。
基板Ｗは、例えば空気ベアリングに支持されている基板テーブルＷＴ上に配置する。投影レンズ系ＰＬ及び基板テーブルＷＴはハウジングＨＯ内に配置され、このハウジングはその下側において例えばグラナイトのベースプレートＢＰによりその上側においてマスクテーブルＭＴにより封止する。
図１の上側角部に示すように、マスクＭＡは２個のアラインメントマークＭ1及びＭ2を有する。これらのマークは好ましくは回折格子で構成するが、別の周期的構造体で構成することができる。アラインメントマークは、好ましくは２次元、すなわち互いに直交する方向、図１においてＸ及びＹ方向に延在する。パターンＣが多数回並んで投影される例えば半導体基板のような基板Ｗは、複数のアラインメントマーク、好ましくは２次元回折格子を具え、その２個Ｐ1及びＰ2を図１に示す。マークＰ1及びＰ2は基板のパターンＣの投影が形成される領域の外部に位置する。好ましくは、回折格子Ｐ1及びＰ2は位相格子の形態とし、格子マークＭ1及びＭ2は振幅格子の形態とする。
図２は２個の同一の基板位相格子の一方の格子の実施例を拡大して示す。
この回折格子は４子の格子Ｐ1,a、Ｐ1,b、Ｐ1,c及びＰ1,dを具え、２個のサブ格子Ｐ1,b及びＰ1,ｄを用いてＸ方向の「アライメント」を行ない、別の２個のサブ格子Ｐ1,aおよびＰ1,cを用いてＹ方向のアライメントを行なう。２個のサブ格子Ｐ1,b及びＰ1,cは例えば１６μｍの格子周期を有し、サブ格子Ｐ1,a及びＰ1,bは例えば１７．６μｍの格子周期を有する。各サブ格子は、例えば２００×２００μｍの寸法を有する。これらの回折格子及び適切な光学系を用いて原理的に０．１μｍ以下のアライメント精度を達成することができる。アライメント装置の作動範囲を増大するため、互いに異なる格子周期を選択した。
図１はアライメント装置の第１の実施例、すなわち２本のアライメントビームｂ及びｂ′を用いて基板アライメントマークＰ2をマスクアライメントマークＭ2上に整列させ基板アライメントＰ1をマスクマークＭ1上に整列させる二重アライメント装置を示す。ビームｂは、例えばミラーのような反射素子３０によりプリズム２６の反射面２７に向けて反射する。面２７はビームｂを基板アライメントマークＰ2に向けて反射し、このマークＰは放射の一部をビームｂ1として関連するマスクアライメントマークＭ2に送り、ここでマークＰ2の像が形成される。マークＭ2を通過した放射を放射感知検出器１３に入射させる例えばプリズムのような反射素子をマークＭ2の上方に配置する。
第２のアライメントビームｂ′はミラー３１により投影レンズ系ＰＬ内の反射器２９に向けて反射する。この反射器２９はビームｂ′をプリズム２６の第２の反射面２８に送り、この反射面はビームｂ′を基板アライメントマークＰ1に入射させる。このマークはビームｂ′の放射の一部をビームｂ′1としてマスクアライメントマークＭ1に向けて反射し、このマスクアライメントマークにおいてマークＰ1の像を形成する。マークＭ1を通過するビームｂ′1の放射は反射器１１により放射感知検出器１３に入射する。
この二重アライメント装置の動作について、この装置の別の実施例を示す図３に用いてさらに説明する。
投影装置は投影レンズ系ＰＬの焦点面と基板Ｗの面との間の偏移を決定する焦点誤差検出装置を具え、この偏移は、例えば投影レンズ系をその光軸に沿って移動することにより補正することができる。この焦点誤差検出装置は、投影レンズ系に固定したホルダ（図示せず）内に配置した素子４０，４１，４２，４３，４４，４５及び４６により構成する。符号４０は、フォーカシングビームｂ3を放出する例えばダイオードレーザのような放射源を示す。このビームは、反射プリズム４２により基板に極めて小さい角度で入射する。基板で反射したビームはプリズム４３によりレトロリフレクタ４４に入射する。素子４４はビームを反射するので、このビーム（ｂ′3）はプリズム４３、基板Ｗ及びプリズム４２で反射し、同一の光路を１回以上伝播する。このビームｂ′3は、部分的反射性素子４１及び反射素子４５を経て放射感知検出装置４６に入射する。この検出装置は、例えば位置依存性検出器すなわち２個の個別の検出器を具える。このビームｂ′3によりこの検出装置に形成される放射スポットの投影レンズ系の焦点面は基板Ｗの面と一致する程度に依存する。焦点誤差検出装置の詳細な説明については米国特許第４３５６３９２を参照されたい。
基板テーブルＷＴのＸ及びＹの位置を高精度に決定するため、投影装置は多軸干渉計システムを具え、図１において単一軸のサブシステムだけを線図的に示し、このサブシステムは一例としてレーザの形態の放射源５０と、固定配置した反射素子５２と、検出装置５３とを具える。放射源５０から放射されたビームｂ4はビームスプリッタにより測定ビームｂ4,mと基準ビームｂ4,rとに分割する。測定ビームは基板の反射面の側面及び好ましくはテーブルの一部を構成し基板が強固に固定されている基板ホルダの同様な面に入射する。ビームスプリッタ51は上記面で反射した測定ビームと反射素子５２で反射した基準ビームとを合成して検出装置５３の位置に干渉パターンを形成する。この複合干渉計システムは米国特許第４２５１１６０号に記載されているように構成することができ、２本のビームのビームを用いて動作する。この２軸干渉計システムの代わりに、米国特許第４７３７８２３号に記載されている３軸システム又は欧州特許出願第０４９８４９９号に記載されている５軸干渉計システムを用いることもできる。
干渉計システムの形態の基板テーブル位置検出装置を用いることにより、アライメント中にアライメントマークＰ1とＰ2及びＭ1とＭ2の位置及び相対距離を干渉計システムにより規定される座標系に関係付けることができる。従って、投影装置のフレーム又はこのフレームの構成要素に関係つける必要がないので、例えば温度変化や機械的なクリープ等に起因するフレーム中の変化は測定にいかなる影響をも及ぼすことはない。
図３は、アライメントビームｂ及びｂ′が投影レンズ系に結合される点において図１に示す実施例とは異なる実施例に基づく二重アライメント装置の原理を示す。この装置は、投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＡ′に対して互いに対称的に配置した２個の個別の同一のアライメント装置ＳＡ、及びＡＳ2を具える。アライメント装置ＡＳ1はマスクアライメントマークＭ1と関連する。２個のアライメント装置の対応する素子は同一符号により示し、アライメント装置ＡＳ2の素子はアライメント装置ＡＳ1の素子にダッシュ符号を付して識別することにする。
アライメントＡＳ1の構造、及びマスクマークＭ2と例えば基板マークＰ2との間の相対位置を決定する方法について説明する。
アライメント装置ＡＳ1は、アライメントビームを放出する例えばヘリウム−ネオンレーザのような放射源１を具える。このビームはビームスプリッタ２により基板Ｗに向けて反射する。このビームスプリッタは部分的透過性ミラー又は部分的反射性ミラーとすることができるが、好ましくは後段に１／４波長板３が配置されている偏光感知スプリットプリズムとする。投影レンズ系ＰＬＰはビームｂを基板Ｗ上で直径が１ｍｍ程度の小さい放射スポットＶに集束する。この基板は、ビームの一部をビームｂ1としてマスクＭの方向に反射する。ビームｂ1は投影レンズ系ＰＬを通過し、このレンズ系によりマスク上に放射スポットＶを結像する。基板を照明装置中に配置する前に、放射スポットＶが基板マークＰ2上に位置するように、基板を照明装置に結合去れている予備アライメントステーション、例えば欧州特許出願第０１６４１６５号に記載されているようなアライメントステーションにより予備アライメントする。次に、このマークはビームｂ1によりマスクマークＭ2上に結像される。投影レンズ系の倍率を考慮し、マスクマークＭ2の寸法を基板マークＰ2の寸法に対して整合させ、これら２個のマークが相互に正しい態様で位置する場合マスクＰ2の像をマークＭ2に正確に一致させる。
基板Ｗに向かう光路及び基板Ｗから出射する光路上において、ビームｂ及びｂ1は光学軸が放射源１からの直線偏光したビームｂの偏光方向に対して４５°の角度をなす１／４波長板３を２回通過する。従って、１／４波長板３を通過したビームｂ1はビームｂに対して偏光方向が９０°回転しているので、ビームｂ1は偏光プリットプリズム２を透過する。偏光スプリットプリズムを１／４波長板と組み合わせて用いることにより、アライメントビームをアライメント装置の放射光路に結合する際の放射損失が最小になる利点が得られる。
アライメントマークＭ2を通過したビームｂ1はプリズム１１により反射し、例えば別の反射性プリズム１２により放射感知検出器１３に入射する。この検出器は、例えば図２に基づくサブ格子の数に対応する４個の個別の放射感知区域を有する複合フォトダイオードとする。これら検出器の出力信号は、基板マークＰ2の像に対するマークＭ2の一致の目安となる。これらの信号を電子的に処理し、マークＰ2の像がマークＭ2と一致するように駆動システム（図示せず）によりマスクを基板に対して移動させるために用いる。従って、自動アライメント装置が得られる。
例えば、複数の透明プリズムの形態のビームスプリッタ１４はプリズム１１と検出器１３との間に配置し、ビームｂ1の一部をビームｂ2として分割する。分割されたビームｂ2は、例えば２個のレンズ１５及び１６を経てテレビジョンカメラ１７に入射する。このカメラはモニタ（図示せず）に結合し、アライメントマークＰ2及びＭ2を照明装置の操作者に対して可視化する。操作者は、２個のマークが一致するか否かを確認することができ、必要な場合マニュプュレータにより基板Ｗを移動してマークを一致させることができる。
マークＭ2及びＰ2について前述したと同様に、マークＭ1とＰ2及びマークＭ1とＰ1はそれぞれ互いに整列することができる。アライメント装置ＡＳ2を用いて２個の最後に述べたアライメントを行なう。
アライメント装置作業の詳細については、米国特許第４７７８２７５号を参照されたい。
回折格子又は別の回折素子の形態のアライメントマークＰ1及びＰ2は、入射したアライメントビームを偏向されない零次サブビーム並びに複数の（偏向された）１次高次サブビームに分割する。これらサブビームのうち同一の次数のサブビームをアライメント装置において選択し、基板アライメントマークをマスクアライメントマーク上に結像する。サブビームを選択するため、投影レンズ系の異なる回折次数で回折したサブビームが十分に空間的に分離する位置に、例えば投影レンズ系のフーリェ面に次数ダイアフラムを配置する。この次数ダイアフラムは図３において符号５５として図示し、アライメント放射に対して不透明で複数の放射透過性区域又は開口を有するプレートで構成する。アライメントマークを２次元格子構造体で構成する場合、このプレートは、対応する次数で＋及び−Ｘ方向並びに＋及び−Ｙ方向に回折したサブビームのための４個の開口を有する。さらに、好ましくは所望の次数の選択を改善する付加的な次数ダイアフラム５６を、検出光路すなわちマスクアライメントから検出器１３，１３′に向かう放射光路の一部に配置する。
米国特許第４２５１１６９号及び４７７８２７５号に記載されている装置においては、１次回折したサブビームが選択されている。マスクアラインメントマークに入射するサブビームはこのマークにより異なる回折次数の光に分割されるので、多数の二重回折次数光が発生し、これらの回折光は関連する放射感知検出装置１３，１３′に入射し、互いに干渉する。この検出装置の位置において、マスクの基板に対するアラインメント誤差の発生に応じてシフトする干渉パターンが発生する。
ＣＭＰ処理された基板を用いる場合のアラインメント誤差、すなわちマスクが不完全なことに起因する誤差を防止し、アライメント精度を一層増強するため、本発明では、検出のために基板アラインメントマークにより回折した４次のアライメント放射を用いる。この新規なアライメント方法の原理を図４に示す。アライメント放射源からのビームは反射器２７を経て基板回折格子マークＰ2に入射する。この回折格子は入射ビームを異なる次数の複数のサブビームに分割し、４次ダイアフラム５５′により４次のサブビームをマスクアラインメントマークＭ2に入射させる。４次のサブビームのうち２本のサブビームｂ（＋４）及びｂ（−４）だけを破線により主光線の形態で示す。回折格子マークＭ2に入射する放射は再び多数の回折次数光に分割する。投影レンズ系ＰＬの倍率は別にして、回折格子Ｍは回折格子Ｐ2の周期の半分の周期を有する。サブビーム（＋４）の一部、つまり回折格子Ｍ2により＋２の次数で回折した二重回折光ｂ（＋４，＋２）及びサブビーム（−４）の一部、つまり回折格子Ｍ2により−２の次数で回折した二重回折光ｂ（−４，−２）は一致し、それらの主光線はマークＭ2と直交する。検出器１３は、主光線を破線で示す二重サブビームの光路中に配置する。次数ダイアフラム５６、すなわち零次ダイアフラムを、好ましくはマスクマークＭ2と検出器１３との間に配置し、サブビームｂ（＋４，＋２）及びｂ（−４，−２）だけ検出器に入射させる。この装置の基板からの４次のサブビームだけを用いることにより、有効格子周期が物理的周期の１／８の格子マークを用いることが実証される。この結果、回折格子測定装置の解像度、すなわちアライメント誤差検出精度が、基板アライメントマークにより１次で回折したビーム部分を用いるアライメント装置に比べて４倍増大する。有効格子周期が低いことに起因して、格子周期に比例する上述した誤差のアライメント信号に対する影響が相当減少する。
図５は本発明による装置の第２実施例を示す。本例においても４次のダイアフラムを投影レンズ系に配置する。一方、検出光路の次数ダイアフラム５６″は、サブビームｂ（＋４）及び（−４）のマスクアラインメントマークＭ2により＋１次及び−１次に回折した部分並びに＋３次及び−３次に回折した部分が通過するように構成する。通過する二重回折サブビームは、一致する対ｂ（＋４，＋３）とｂ（−４，＋１）、及びｂ（−４，−３）とｂ（＋４，−１）となる。図５に示す実施例において、基板アライメントマークにより４次で回折したアライメント放射の図４に示す実施例より大きな部分を用いる。図４の次数ダイアフラム及び通過する放射は、図５のものよりも僅かに簡単である。
４次で回折したサブビームの代わりに、基板アラインメントマークにより２次で回折したサブビームｂ（＋２）及びｂ（−２）を選択することができ、この場合４次のダイアフラム５５′を２次のダイアフラムで置き換える必要がある。マスクアラインメントマークＭ2により１次で回折したサブビームの一部、つまり二重回折サブビームｂ（＋２，＋１）及びｂ（−２，−１）は同様に一致し、ダイアフラム５６″の代わりに零次ダイアフラムを用いて選択することができる。或いは、マスクアラインメントマークにより２次で回折したサブビームｂ（＋２）及びｂ（−２）、つまり二重回折サブビームｂ（＋２，＋２）及びｂ（−２，−２）の一部を用いることができる。基板アラインメントマークにより２次で回折したサブビームを用いる場合、アライメント装置の解像力は４次のサブビームを用いる場合よりも低下する。一方、２次サブビームの放射エネルギーの量は４次サブビームの量よりも増大する。
図４及び５で説明したように、既知のアライメント装置の利点は、基板アライメントマークにより１次で回折したサブビームによりアライメント信号を発生させる構成をとることにより、本発明のアライメント装置においても維持することができる。１次サブビームで動作するシステムは、図２に基づいて説明した１６μｍの周期を格子マークについて例えば４０μｍのより大きな受光範囲を有する。図４及び５の次数ダイアフラムは１次のサブビームｂ（＋）及びｂ（−）を通過させる特別な開口を形成する必要がある。同様に、図４の別の次数ダイアフラム５６′及び図５の別のダイアフラム５６″にも、例えばマスクアラインメントマークＭ2からの一致する二重回折サブビームｂ（＋１，０）及びｂ（−１，＋１）を通過させる特別の開口を設ける必要がある。
図６の左側の部分は基板アラインメントマークの４次及び１次の両方のサブビームを選択するために投影レンズ系に組み込むべき次数ダイアフラムの平面図であり、右側部分は関連する別のダイアフラム５６ａの第１実施例を示す。ダイアフラム５６ａは図４のダイアフラム５６′に対応するが、基板マークにより１次に回折したサブビーム及びマスクマークにより零次に回折したサブビーム用に特別な開口が形成されている。図６において、開口を円で示し、ダイアフラム５５″の通過した単一の回折光及びダイアフラム５６ａの二重回折光をＸ方向について示す。同様な添字をＹ方向について用いる。
基板アラインメントマークにより１次で回折したビームを用いる図５の実施例で用いる別のダイアフラムを示す。投影レンズ系に設置すべき関連するダイアフラムを図６のダイアフラム５５″と同一である。
完全なものとするため、例えば（十４，＋２）は基板あ＋４次で回折しその後マスクアラインメントマークで＋２次で回折したサブビームが通過する開口を示す。
本発明によるアラインメント装置が設けられている投影装置において、好ましくは補正素子を選択したアライメントビーム部分の光路中に配置する。この理由及び素子の機能は図３の補正レンズに基づいて最良に説明でき、このレンズは既知の装置の１次サブビームの光路中に存在する。
投影レンズ系ＰＬは投影ビームＰＢの波長用に設計され、投影ビームは所望の大きな解像力と関連してできるだけ短くなるようにするため、この投影レンズ系ＰＬを用いてアライメントビームにより互いにアラインメントマークＰ1，Ｐ2及びＭ1，Ｍ2を結像する場合偏移が生ずるおそれがある。例えば、基板アラインメントマークはアラインメントマークが位置するマスクパターンの面に結像されず、それよりも所定の距離だけ離れて結像し、この距離は投影ビームとアライメントビームとの間の波長差及びこれら２個の波長に対する投影レンズ素子の材料の屈折率間の差に依存する。投影ビームが例えば２４８ｎｍの波長を有し、アライメントビームが６３３ｎｍの波長を有する場合、この距離は２ｍになってしまう。さらに、この波長差に起因して、基板アラインメントマークがマスクアラインメントマーク上に所望の倍率から変移した倍率で投影され、この変移は波長差が増大するにしたがって増大する。
この変移を補正するため、投影レンズ系ＰＬに補正レンズ又は別の屈折素子又は回折素子を配置する。補正レンズは、一方においては基板アラインメントマークの１次サブビームがこのレンズにより支配され、他方においてはこのレンズが投影ビーム及びこれにより形成されるマスクパターンに対して無視できるほどしか作用しない投影カラムの高さに配置する。
補正レンズの効果は、補正レンズと基板アラインメントマークＰ2との間のアライメントビーム部分の放射光路の一部を示す図８に基づいて説明する。回折格子Ｐ2に入射するアライメントビームｂは、ビームｂが垂直入射する際ビームｂと同一の方向を有する零次サブビームｂ（０）、１次の２本のサブビームｂ（−１）及びｂ（＋１）並びに３次、５次等の多数のサブビームの対に分割する。これらのサブビームは投影レンズ系に向けて反射する。１次サブビームは面２４に位置する補正レンズ２５に入射する。このレンズは、１次サブビームｂ（−１）及びｂ（＋１）の方向をこれらビームの主光線がマスクアラインメントマークＭ2の面内で互いに交差するように変化させるパワーを有する。このレンズは、マークＰにより１次サブビームよりも大きな角度で偏向された高次サブビームがこのレンズを通過しないような小さい直径を有する。零次サブビームが補正レンズを通過するのを阻止する素子を補正レンズの近傍に配置する。図８の実施例において、この素子はアラインメントビームｂ及びｂ′を投影レンズ系に結合するために用いる反射プリズム２６で構成する。このプリズムにより零次サブビームは入射するアラインメントビームｂの方向に反射する。この方策により、１次サブビームだけを用いアラインメント回折格子Ｐ2がアライメント回折格子Ｍ2上に結像されるので、付加的な利点が達成される。
零次サブビームはアライメント回折格子Ｐ2の位置に関する情報を含んでいない。回折格子の形態、特に格子溝の深さ及びこれらの溝の幅と格子の中間細条との間の比に応じて、このビームは１次サブビームを抑制することにより、Ｐ2の像のコントラスを相当増強することができる。１次サブビームだけを用いる場合、あたかも回折格子Ｐ2の２次高調波が結像される。換言すれば、投影レンズ系ＰＬの倍率とは別に、Ｐ2の像は回折格子Ｐ2の周期の半分の周期を有している。回折格子Ｍ2の格子周期をＰ2の像の周期に等しくすると、すなわち回折格子Ｐ2の格子周期のＭ／２倍に等しくすると、回折格子Ｍ及びＰが整列する精度は投影用に全ビームｂを用いる場合の２倍になる。
このような状態下において、特に投影ビームＰＢとアラインメントビームｂ，ｂ′との間の波長差が小さく、しかも投影レンズ系にアクロマティックレンズを用いる場合、１次以上の回折次数のサブビームが投影レンズ系を介してマスクアラインメントマークＭ2に入射するおそれがある。これを阻止するため、１次ダイアフラムプレート５５を補正レンズ２５の面又はその近傍に配置する。このプレートの材料はダイクロイックとし、投影ビームに対して透明でアラインメント放射に対して不透明にすることができる。従って、アラインメント放射を阻止する区域が、１次以上の回折次数のアラインメントビーム部分がこのプレートに入射する位置に存在する。これらの区域は小さく投影レンズ系の瞳表面区域の高々５〜１０％を占めるにすぎないため、投影ビームに対して無視できる程度の影響しか有しない。
補正レンズ２５はアラインメントサブビームをマスク面上に鮮明に結像させるだけでなく、基板アラインメントマークをマスクアラインメントマーク上に結像する際の倍率誤差を補正し、この倍率誤差は投影レンズ系がアラインメントビームの波長についてではなく投影ビームの波長について設計されることに起因して発生する。この倍率誤差補正は、多くの場合において十分なものとなる。例えば、２４８ｎｍの波長を有する深い紫外ビームを投影ビームとして用いる装置において、補正レンズ２５は倍率誤差を完全に補正できない場合がある。この場合、図３の特別なレンズを投影レンズ系ＰＬとマスクアラインメントマークとの間のアラインメントビームの光路中に配置して残留する倍率誤差を除去することができる。
基板アラインメントマークにより偶数の次数の回折光として回折されるサブビームを用いる本発明によるアラインメント装置においては、これらサブビームは１個の補正素子により補正することができない。この理由は、回折次数が増大するに従って偏向角が増大することに起因して、選択した次数の種々のサブビームが離間し、これらサブビームが投影ビームとの重なり合いが大きくなり過ぎるためであり、この理由により、本発明による装置においては選択された次数のサブビームの数に等して数の補正素子を用い、すなわち、２次元アラインメントマークの場合４個の補正素子を用いる。これらの補正素子は次数ダイアフラムの放射透過性区域の近傍又はこのダイアフラムの開口部に配置することができる。
図９は、４次のサブビームを選択したアラインメント装置に用いるられる補正素子を有するダイアフラムプレート１１０の実施例を示す。これらの補正素子は、Ｘ及びＹ方向に＋及び−の４次で回折されたビーム部分についてのサブビームｂ（＋４）X，ｂ（−４）X，ｂ（＋４）Y及びｂ（−４）Yについての小さいレンズ１１１〜１１４の形態をなし、ダイアフラムプレート１１０の開口を覆う。図９に示すように、このプレート１１０は、１次回折したサブビームを用いる場合図３のレンズ２５と同一の機能をし、レンズ１１１〜１１４よりも大きい中央レンズ１１５を含むことができる。補正素子２５と同様に、補正レンズ１１１〜１１５は、二重楔のような別の屈折性素子又は回折素子により置き換えることができる。
図２に示す基板アラインメントマークは４次のサブビームを発生させるのに最適ではない。従って、本発明の別の概念は、回折格子の形態の最適化に関係する。図１１，１２及び１３は種々の適当な回折格子の形態の一部分を示し、比較のために図１０は図２による回折格子の一部分を示す。図１０に示す回折格子構造１２０において、格子溝１２１は中間細条１２２と同一の幅を有し、この格子構造体がＰ＝１６μmの周期を有する場合共に８μmの幅とする。
図１１は４次のサブビームを発生させる特別の格子構造体１２５を示す。格子溝１２６は図１０の格子溝１２１の幅の１／４に等しい幅、すなわち本例の場合２μｍつまり格子周期Ｐの１／８の幅を有する。
４次のサブビームにより発生するアライメント信号を増強するため、図１２の格子構造体１３０が好ましく用いられる。本例では、格子周期当たり４個の格子溝１３１が存在し、本例の場合各溝は２μｍの幅とする。格子溝の２倍の幅を有する中間細条１３２が各周期の第２の溝と第３の溝との間に存在し、第１の格子溝と第２の格子溝との間の中間細条の幅及び第３の格子溝と第４の格子溝との間の中間細条の幅は格子溝の幅に等しくする。
４次の回折光の所定量の放射に加えて１次の回折光の所定量の放射が望まれる場合、図１３の回折格子構造体１３５を選択することができ、この構造体では格子周期当たり２個の格子溝１３６が存在し、中間細条１３７の幅はこれらの溝の幅の５倍に等しくする。
図１１、１２及び１３に示す全ての基板マークは、投影レンズ系は別にして、図１０のマークの周期の半分の周期に等しい周期を有すると共にこのマークの形態に等しい形態のマスクアラインメントマーク上に投影する。
上記格子周期及び格子溝の値は一例であることに注意されたい。この周期及び幅は、溝幅と周期との間の比及び周期当たりの溝の数が維持される限り、一層大きく又は小さくすることができる。
図１４は、基板アラインメントマーク入射４次で回折されたサブビームを、このマークにより１次で回折されたサブビームから検出光路で分離する方法を示す。この目的のため、例えばこれらサブビームの合成光路に、中央開口１５１を有する反射器１５０を設ける。１次サブビームｂ（＋１，０）、ｂ（−１，＋１）及びｂ（−１，０）、ｂ（＋１，−１）はこの開口を経てそれら自身の検出器１５５に入射する。４次のサブビームｂ（＋４，−３）、ｂ（＋４，−１）及びｂ（＋４，＋３）、ｂ（−４，＋１）は反射器１５０で反射し反射プリズム１５２を経てそれぞれの検出器１５６に入射する。矢印１５７は次数ダイアフラム５６″により阻止される次数を示す。
図１５は二重アライメント装置が設けられている投影装置の検出光路のより詳細な実施例を示す。符号Ｍ1及びＭ2はマスクアラインメントマークを示す。右側及び左側のアラインメント装置は同一構造を有するので、図１５の左側の部分だけについて説明する。マスクマークＭ2からの放射はプリズム系１６０により検出光路に結合し、プリズム１６１及び１６４により順次反射してビームスプリッタ１６７に入射させる。レンズ１６２及び補正プレート１６３をプリズム１６１と１６４との間に配置する。光変調器１６５及び偏光検光子１６６をビームスプリッタの前面に配置する。ビームスプリッタ１６７で反射した放射は、する。１４の反射器１５０と同様な中央開口を有する反射器１６８に入射する。反射器１６８は１次サブビームを検出器１７１に入射させ、このビームはレンズ１６９及び１７０を通過する。４次のサブビームは反射器１６８で反射し、プリズム１７３及び１７５でさらに反射して検出器１７６に入射する。別のレンズ１７４をプリズム１７３と１７５との間に配置する。ビームスプリッタ１６７を通過した放射はプリズム１８０及びレンズ１８２を介してカメラ１８３に入射するので、アライメントも装置の操作者に見られる状態で行われる。
図１及び３に示すように、ビームｂ1及びｂ1′の主光線は基板アラインメントマークＰ1及びＰ2により形成されるサブビームの対称な軸と考えられ、マスクプリズムＭＡに斜めに入射する。この回折格子の形態のアラインメントマークの位置におけるマスクプレートの一部を図１６に拡大して示す。この図面は基板アラインメントマーク（図示せず）により形成される主光線ｂ1′（＋１）及びｂ1′（−１）も示す。符号ＳＡはサブビームｂ1′（＋１）及びｂ1′（−１）の対称軸を示し、この軸の方向は例えば阻止されマークＭ1に入射しない零次サブビームｂ′（０）の方向と一致する。サブビームｂ1′（＋１）から格子マークＭ1により形成されるサブビームｂ1′（＋１，０）及びｂ1′（＋１，−１）並びにｂ1′（−１）から形成されるサブビームｂ1′（−１，０）及びｂ1′（−１，−１）が検出系（図示せず）に入射する。別の回折次数のサブビームは阻止するか又は検出系に入射しない角度で回折させることができる。
図１６に示すサブビームｂ1′（−１，０）、ｂ1′（＋１，−１）、ｂ1′（＋１，０）及びｂ1′（−１，＋１）だけが検出系の位置で互いに干渉する限り、対称軸の斜めの位置によりアライメント誤差は生じない。一方、本願人により発見され図１７に示すように、二重回折したサブビームｂ1′（＋１，０）の一部はマスクプレートＭＡの上側で反射できるので、このサブビームは格子マークＭ1に１回以上入射する。この場合、３回光路が曲げられたサブビームｂ1′（＋１，０，−１）はこの回折格子により形成され、このサブビームは二重回折したサブビームｂ1′（−１，０）及びｂ1′（＋１，−１）と同一の方向を有する。二重回折したサブビームｂ1′（−１，０）もマスクプレートの上側で反射するので、このサブビームは格子マークＭ1に１回以上入射する。これにより、二重回折したサブビームｂ1′（−１，０）及びｂ1′（＋１，−１）と同一の方向を有する光路が３回曲げられたサブビームｂ1′（−１，０，＋１）が発生する。
マークＭ1も３次、５次及び高次のビームを発生しこのマスク面で高次反射が発生するが、抑制する目的のためには、光路が２回及び３回曲げられた１次回折サブビームについて検討するだけで十分である。
サブビームｂ1′（＋１，０，−１）はマスクプレートＭＡの光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを通り、サブビームｂ1′（−１，０，＋１）は光路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄよりも短い光路Ａ，Ｅ，Ｆ，Ｇを通る。従って、光路が３回曲げられたサブビームｂ1′（＋１，０，−１）とｂ1′（−１，０，＋１）との間及びこれらのサブビームと対応する二重回折サブビームとの間に位相差が存在することになる。この位相差は主としてマスクプレートの厚さ及び対称軸ＳＡとマスクプレートの方線との間の角度φに依存し、この位相差の結果として干渉パターンが検出系に対して変位し、この変位はアライメント誤差に対して独立している。この変位の結果として、アライメント信号及び基板に対するマスクのアライメントにオフセットが発生し、このオフセットの大きさはマスクプレートの反射係数及び厚さに依存する。異なるマスクが用いられる投影装置の場合、このオフセットはマスク毎に相違し、異なる投影装置で順次用いられるマスクの場合異なる投影装置毎にオフセットが異なるものとなる。この理由は、角度φが相違するからである。
ガスレーザから放出されるコヒーレントなアライメント放射を用いる場合、このオフセットは比較的大きいが、エキシマレーザ、半導体レーザ又は水銀ランプから放出されるような低いコヒーレント性又はコヒーレントではないアライメント放射を用いる場合オフセットは発生するが小さい量である。
このアライメント誤差を除去するため、投影レンズ系ＰＬとマスクプレートＭＡとの間にビーム偏向素子を配置し、この素子により用いるサブビームの対称軸をマスクプレートに対して垂直にする。換言すれば、等しいが反対符号の次数のサブビームの主光線をマスクプレートに反対の等しい角度で入射させる。
図１８は、基板アライメントマークＰ1から発生した１次サブビームｂ′（−１）及びｂ′（＋１）がマスクアライメントマークＭ1に対称的に入射する状態を示す。マスクプレートの上側で反射し回折格子Ｍ1によりサブビームｂ1′（−１，０，＋１）として反射したサブビームｂ′（−１，０）の部分はこのマスクプレートを光路ＨＩＫに沿って伝播し、この光路は、マスクプレートの上側で反射したサブビームｂ′（＋１，０）の部分から形成される３回光路が曲げられたサブビームｂ′（＋１，０，−１）が伝播する光路ＨＩ′Ｋ′と等しい光路長である。従って、３回光路が曲げられたサブビームと対応する２回光路が曲げられたサブビームとの間に位相差が存在せず、これにより前述したアライメント誤差の原因が除去されることになる。
図１９は特別の偏向素子を用いる二重アライメント装置の実施例を示す。アライメントマークＭ1とＭ2との間に楔状の素子ＷＥ1及びＷＥ2を配置し、これらの素子により基板アライメントマークＰ1及びＰ2からのアライメントビームｂ1′及びｂ1の主光線をこれらの主光線がマスクプレートＭＡに垂直になるように偏向する。これらのアライメントビームは既知の態様でマークＭ1とＭ2を伝播し、反射器１１′及び１１により検出系１３′及び１３に入射する。マスク及び基板はこれらのシステムの出力信号により、例えば米国特許第４６９８５７５号に記載されている二重の矢印及び平行四辺形により記号的に図示したように、マスクテーブルＭＴを変位させることにより互いに整列させることができる。
図１９の実施例において、アラインメントビームｂ及びｂ′は、それぞれ放射源１（１′）、２個のレンズ６０，６２（６０′，６２′）及び調整可能な平衡平面板６１（６１′）を有する２個の個別の照明装置ＩＳ1及びＩＳ2から放射され、平行平面板を用いてビームｂ（ｂ′）の方向について精密な調整が行なわれる。レンズ６０及び６２により放射源１（１′）の像の品質を維持する。ビームｂ及びｂ′は、投影レンズ系の内部に存在する反射プリズム２６により基板アラインメントマークＰ1及びＰ2に向けて反射する。図面を簡明にするため、フーリェ面の下側のレンズ郡だけを投影レンズ系の１個のレンズ素子ＰＬ1により線図的に示す。
好ましくは、ビーム結合プリズム２６を投影レンズ系のフーリェ面の高さに配置する。楔により補正すべき角度φは以下の式により規定される。
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ここで、Ｍ1−Ｍ2はマスクマークＭ1とＭ2との間の距離であり、ＥＰはマスクプレートＭＡと投影レンズ系のマスク側の出射瞳ＵＰとの間の距離である。投影装置の一実施例において、マークＭ1とＭ2との間の距離は９６ｍｍであり、距離ＥＰは４００ｍｍであり、補正すべき角度は１２０ｍｒａｄである。これは、楔角φWEが高々２４０ｍｒａｄの楔を必要とする。このような楔は、高々２ｍｍの厚さの小さいガラス片で構成することができる。この楔に対して厳格な機械的及び熱的安定性の要件を課す必要はない。
軸方向において、楔はマスクプレートに対して安定な方法で
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の精度で位置決めする必要がある。ここで、Ｍは投影レンズ系の倍率であり、Δａは基板区域における許容されるアラインメント誤差である。Ｍ＝５，Δａ＝５ｍｍ及びφ＝１２０ｍｒａｄの実施例において、
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となる。米国特許第４７７８２７５号に記載されているように、この楔を用いて基板マークＰ1及びＰ2並びにマスクマークＭ1及びＭ2に対する倍率誤差の測定及び制御を行なうことができ、この測定及び制御は、マスクマークＭ1とＭ2との間の距離が図１９の距離よりも相当短い場合安定に機能する。
楔の代りに、例えばミラーやレンズのような別の素子を用いて選択された次数のサブビームの方向を補正することができる。
本発明は、二重アラインメント装置及び屈折率の補正素子２５を有する装置においてだけでなく、米国特許第４７７８２７５号に記載されている装置のような、この素子を有しない二重アラインメント装置にも用いることができる。また、本発明は、米国特許第４２５１１６０号に記載されている装置のような、補正素子２５を含み又は含まない単一アラインメント装置にも用いることができる。
図２０は、マスクアラインメントマークＭ1又はＭ2或いは基板アラインメントマークＰ1又はＰ2が投影レンズ系により結像され、入射ビームｂからマスクアラインメントマークにより形成される回折したサブビームを用いるアラインメント装置の実施例を示す。別の実施例のように、これらのサブビームは投影レンズ系を斜めに通過する。この条件のもとでビームｂをプリズム１００を介してマスクプレートＭＡに垂直に入射させる、このプレートでの特別な反射が得られるアラインメント信号に影響を及ぼさないようにするため、楔状の又は別の偏向素子ＷＥをマスクプレートの下側に配置する。基板アラインメントマークＰ1により反射し回折したサブビーム部分、すなわち２回光路が曲げられたサブビームはマークＭ1とＰ1との相対位置に関する情報を含み、このサブビームは反射器２６により検出系１０１に向けて反射する。
変形例として、図２０のアラインメント装置は二重にすることができる。
一般的に、二重アラインメントシステムは好ましいものである。この理由は、マスクパターンと基板の相対角度方位が直接的に光学的に取り出され、投影レンズ系の倍率誤差及び基板及びマスクの変形を測定できるからである。
基板アラインメントマークをマスクアライソメントマークに対して整列させることができる精度は、例えば図１，３の検出器１３及び１３′並びに２９の出力信号を固定周波数により変調することにより相当増強することができる。この目的のため、マスクＭ及び文献“ＥＰＩＥ”，Vol．470，“オプティカル  マイクログラフィ”III “Technology for the next Decade”1984，第６２〜６９頁に記載されているように、例えばマスクマークＭ2を周期的に移動させることができる。本発明によるアラインメント装置の精度を増強させることができる米国特許第４２５１１６０号に記載されているダイナミックなアラインメント信号を得る良好な変形例を図３に示す。
マークＭ2に入射する前に、ビームｂ1は偏光感知スプリットラィングプリズムを透過するので、このビームは直線偏光し所定の偏光方向を有する。従って、ビームｂ1は、光学軸がプリズム２から出射するビームの偏光方向に対して４５°の角度をなす例えば水晶のような複屈折材料のプレート８を透過する。この素子８は、サバール板又はウオルストンプリズムとすることもできる。２個の相互に直交するように偏光したビームはプレート８を出射し、この出射ビームはマスクマークＭ2の位置においてマークＭ2の幾何学的な形状により決定される距離だけ互いにシフトする。アラインメントマークとして回折格子を用いる場合、この距離は回折格子Ｍ2の格子周期の半分に等しい。偏光変調器１８及び偏光検光子１９を検出器１３の前面に配置する。例えば光電変調器のような変調器１８は発生器２０により供給される電圧ＶBにより制御する。変調器を通過するビームの偏光方向は、これにより９０°切り換えられる。検光子１９は、偏光感知スプリッティングプリズム２と同一の主方向すなわち通過方向を有するので、第１の偏光方向を有しＭ2上にシフトしていないＰ2の像を形成する第１の放射ビーム、及び第２の偏光方向を有し例えばＭ2上に格子周期の半分だけシフトしたＰ2の像を形成する第２の放射ビームは、透過して検出器１３に入射する。検出器１３の信号は増幅され、信号ＶBが供給される位相感知検出回路２１において処理される。
変調器１８及び検光子１９は、マスクアラインメントマークの前側の放射光路中に配置することもできる。
例えば、４次のサブビーム及び１次のサブビームの両方を用いるアラインメント装置においては、このプレートの厚さは、両方のサブビームがこのプレートを異なる角度で通過できるように最適にする必要がある。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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