JP2513282B2 - Alignment device - Google Patents

Alignment device

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JP2513282B2
JP2513282B2 JP63225808A JP22580888A JP2513282B2 JP 2513282 B2 JP2513282 B2 JP 2513282B2 JP 63225808 A JP63225808 A JP 63225808A JP 22580888 A JP22580888 A JP 22580888A JP 2513282 B2 JP2513282 B2 JP 2513282B2
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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7049Technique, e.g. interferometric

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は位置合わせ装置に関し、例えは半導体素子製
造用の露光装置において、マスクやレチクル(以下「マ
スク」という。)等の第1物体面上に形成されている微
細な電子回路パターンをウエハ等の第2物体面上に露光
転写する際にマスクとウエハとの相対的な例えば2次元
的又は3次元的な位置決め(アライメント)を行う場合
に好適な位置合わせ装置に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an alignment apparatus, for example, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor element, a first object plane such as a mask or reticle (hereinafter referred to as “mask”). When performing relative two-dimensional or three-dimensional positioning (alignment) between the mask and the wafer when exposing and transferring the fine electronic circuit pattern formed on the second object surface such as the wafer The present invention relates to a positioning device suitable for.

(従来の技術) 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスク
とウエハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重
要な一要素となっている。特に最近の露光装置における
位置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、
例えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するもの
が要求されている。
(Prior Art) Conventionally, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor, relative alignment between a mask and a wafer has been an important factor for improving performance. Especially in the alignment of the recent exposure apparatus, in order to achieve high integration of semiconductor elements,
For example, one having a positioning accuracy of submicron or less is required.

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウエハ
面上に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設
け、それらより得られる位置情報を利用して、双方のア
ライメントを行っている。このときのアライメント方法
としては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量
を画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許
第4037969号や特開昭56−157033号公報で提案されてい
るようにアライメントパターンとしてゾーンプレートを
用い該ゾーンプレートに光束を照射し、このときゾーン
プレートから射出した光束の所定面上における集光点位
置を検出すること等により行っている。
In many alignment devices, a so-called alignment pattern for alignment is provided on the mask and wafer surfaces, and the alignment of both is performed using the positional information obtained from them. As the alignment method at this time, for example, the deviation amount of both alignment patterns can be detected by performing image processing, or the alignment can be performed as proposed in U.S. Pat. No. 4037969 or JP-A-56-157033. This is performed by using a zone plate as a pattern, irradiating the zone plate with a light beam, and detecting the position of the light condensing point on a predetermined surface of the light beam emitted from the zone plate at this time.

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法
は、単なるアライメントパターンを用いた方法に比べて
アライメントパターンの欠損に影響されずに比較的高精
度のアライメントが出来る特長がある。
In general, an alignment method using a zone plate has a feature that relatively high-precision alignment can be performed without being affected by a defect in the alignment pattern, as compared with a method using a simple alignment pattern.

第11図はゾーンプレートを利用した従来の位置合わせ
装置の概略図である。
FIG. 11 is a schematic view of a conventional alignment device using a zone plate.

同図において光源72から射出した平行光束はハーフミ
ラー74を通過後、集光レンズ76で集光点78に集光された
後、マスク68面上のマスクアライメントパターン68a及
び支持台62に載置したウエハ60面上のウエハアライメン
トパターン60aを照射する。これらのアライメントパタ
ーン68a,60aは反射型のゾーンプレートより構成され、
各々集光点78を含む光軸と直交する平面上に集光点を形
成する。このときの平面上の集光点位置のずれ量を集光
レンズ76とレンズ80により検出面82上に導光して検出し
ている。
In the figure, the parallel light flux emitted from the light source 72 passes through the half mirror 74, is condensed by the condenser lens 76 at the condensing point 78, and is then placed on the mask alignment pattern 68a on the mask 68 surface and the support 62. The wafer alignment pattern 60a on the surface of the formed wafer 60 is irradiated. These alignment patterns 68a, 60a are composed of reflective zone plates,
Condensing points are formed on a plane orthogonal to the optical axis including the converging points 78. At this time, the amount of deviation of the position of the condensing point on the plane is guided by the condensing lens 76 and the lens 80 onto the detection surface 82 to be detected.

そして検出器82からの出力信号に基づいて制御回路84
により駆動回路64を駆動させてマスク68とウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。
Then, based on the output signal from the detector 82, the control circuit 84
In this way, the drive circuit 64 is driven to position the mask 68 and the wafer 60 relative to each other.

マスク68及びウエハ60上のゾーンプレート68a,60aは
焦点距離がマスク68とウエハ60との間の所定の間隔値に
等しい量だけ異なり、一般にはウエハ60上のゾーンプレ
ート60aの方が焦点距離が大きい。
The zone plates 68a, 60a on the mask 68 and the wafer 60 differ in the focal length by an amount equal to a predetermined spacing value between the mask 68 and the wafer 60, with the zone plate 60a on the wafer 60 generally having a focal length greater than the focal length. large.

第12図は第11図に示したマスクアライメントパターン
68aとウエハアライメントパターン60aからの光束の結像
関係を示した説明図である。
FIG. 12 shows the mask alignment pattern shown in FIG.
FIG. 68 is an explanatory diagram showing an imaging relationship of light fluxes from 68a and the wafer alignment pattern 60a.

同図において集光点78から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン68aよりその一部の光束が回折し、集
光点78近傍にマスク位置を示す集光点78aを形成する。
又、その他の一部の光束はマスク68を0次透過光として
透過し、波面を変えずにウエハ60面上のウエハアライメ
ントパターン60aに入射する。このとき光束はウエハア
ライメントパターン60aにより回折された後、再びマス
ク68を0次透過光として透過し、集光点78近傍に集光し
ウエハ位置をあらわす集光点78bを形成する。同図にお
いてはウエハ60により回折された光束が集光点を形成す
る際には、マスク68は単なる素通し状態としての作用を
する。
In the figure, a part of the light beam diverging from the condensing point 78 is diffracted by the mask alignment pattern 68a, and a condensing point 78a indicating the mask position is formed in the vicinity of the condensing point 78.
The other part of the light flux passes through the mask 68 as zero-order transmitted light and is incident on the wafer alignment pattern 60a on the surface of the wafer 60 without changing the wavefront. At this time, the light beam is diffracted by the wafer alignment pattern 60a, and then again passes through the mask 68 as 0th-order transmitted light and is condensed near the condensing point 78 to form a condensing point 78b representing the wafer position. In the figure, when the light beam diffracted by the wafer 60 forms a converging point, the mask 68 acts as a simple transparent state.

このようにして形成されたウエハアライメントパター
ン60aによる集光点78bの位置は、ウエハ60のマスク68に
対するずれ量Δσに応じて集光点78を含む光軸と直交す
る平面に沿って該ずれ量Δσに対応した量のずれ量Δ
σ′として形成される。
The position of the converging point 78b due to the wafer alignment pattern 60a formed in this way is determined according to the deviation amount Δσ of the wafer 60 with respect to the mask 68 along the plane orthogonal to the optical axis including the converging point 78. Deviation amount Δ corresponding to Δσ
formed as σ ′.

このような方法においては、マスク面や半導体露光装
置内のマスクホルダー面等の基準面、そして露光装置の
接地面等に対してウエハ面が傾斜しているとセンサ上に
入射する光束の重心位置が変化し、アライメント誤差と
なってくる。
In such a method, when the wafer surface is inclined with respect to the reference surface such as the mask surface or the mask holder surface in the semiconductor exposure apparatus, and the ground surface of the exposure apparatus, the center of gravity of the light flux incident on the sensor is measured. Changes and causes an alignment error.

一般にセンサ上に絶対座標系を設け、その基準原点を
設定することは他のアライメント誤差要因、例えばウエ
ハ面のそりやたわみ等を有する傾斜、レジストの塗布ム
ラによる光束の重心位置の変動、アライメント光源の発
振波長、発振出力、光束出射角の変動、センサ特性の変
動、そしてアライメントヘッド位置の繰り返しによる変
動等により、その原点の設定を高精度に行うのが大変難
しくなるという問題点があった。
In general, providing an absolute coordinate system on a sensor and setting its reference origin is due to other alignment error factors, such as inclination having a warpage or deflection of a wafer surface, fluctuation of the center of gravity of a light beam due to uneven coating of resist, alignment light source. There is a problem that it is very difficult to set the origin with high accuracy due to fluctuations in the oscillation wavelength, oscillation output, light beam emission angle, fluctuations in sensor characteristics, fluctuations due to repeated alignment head positions, and the like.

(発明が解決しようとする問題点) 本発明はマスク等の第1物体とウエハ等の第2物体の
位置合わせを行う際のずれ量検出の際の誤差要因を取り
除く手段としての、第1信号光としてのアライメント光
束に対して第2信号光としてのアライメント光束を新た
に形成し、これを利用することにより、高精度な位置合
わせを可能とした位置合わせ装置の提供を目的とする。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention provides a first signal as a means for removing an error factor in detecting a deviation amount when aligning a first object such as a mask and a second object such as a wafer. It is an object of the present invention to provide an alignment device capable of highly accurate alignment by newly forming an alignment light flux as the second signal light with respect to the alignment light flux as the light and utilizing the alignment light flux.

特に本発明では、第2信号光のウエハ面の傾斜に対す
るセンサ上での重心移動の作用がアライメント光束(第
1信号光束)と全く等しくなるようにし、又、アライメ
ントヘッドの位置の変動に対しても第2信号光がアライ
メント光束と全く等しい重心移動の作用を受けるように
設定し、これにより第2信号光とアライメント光束のセ
ンサ上での相対的な位置の変動が原理的にマスクとウエ
ハとの位置ずれのみに依存するようにし、高精度な位置
合わせを可能とした位置合わせ装置の提供を目的として
いる。
In particular, in the present invention, the action of the center of gravity movement on the sensor with respect to the inclination of the wafer surface of the second signal light is made to be completely equal to the alignment light flux (first signal light flux), and the variation of the position of the alignment head is prevented. Is set so that the second signal light is subjected to the action of movement of the center of gravity, which is exactly the same as the alignment light flux, so that the relative position fluctuations of the second signal light and the alignment light flux on the sensor are theoretically different between the mask and the wafer. It is an object of the present invention to provide a position aligning device capable of performing highly accurate position adjustment by relying only on the position deviation of.

(問題点を解決するための手段) 第1物体面上に物理光学素子としての機能を有する第
1物理光学素子を形成し、第2物体面上に物理光学素子
としての機能を有する第2物理光学素子を形成し、該第
1又は第2物理光学素子のうち一方の物理光学素子Aを
単一のマーク形状を有するレンズ素子より構成し、該第
1物理光学素子に光束を入射させたときに生ずる所定次
数の回折光を該第2物理光学素子に入射させ、該第2物
理光学素子からの所定次数の回折光の光量重心を第1検
出手段で検出し、又該第1物理光学素子に光束を入射さ
せ、該第1物理光学素子から生ずる前記次数と異なる次
数の回折光を該第2物理光学素子に入射させ、該第2物
理光学素子から生じた前記次数と異なる次数の回折光の
光量重心を第2検出手段で検出し、該第1,第2検出手段
からの信号の双方の信号を利用して、該第1物体と第2
物体との位置決めを行う際、該第1検出手段に入射する
光束の重心位置と該第2検出手段に入射する光束の重心
位置が、該第1物体と第2物体の位置ずれに対して互い
に異なる符号の倍率で変位するように各要素を設定した
ことである。
(Means for Solving Problems) A first physical optical element having a function as a physical optical element is formed on a first object surface, and a second physical element having a function as a physical optical element is formed on a second object surface. When an optical element is formed and one of the first or second physical optical element A is composed of a lens element having a single mark shape, and a light beam is incident on the first physical optical element. Incident diffracted light of a predetermined order on the second physical optical element, the light amount centroid of the diffracted light of the predetermined order from the second physical optical element is detected by the first detection means, and the first physical optical element is detected. To the second physical optical element, and diffracted light of an order different from the order generated from the first physical optical element is incident on the second physical optical element, and diffracted light of an order different from the order generated from the second physical optical element. The light amount center of gravity of the Using both the signal of the signal from the second detecting means, said first object and a second
When performing positioning with respect to the object, the barycentric position of the light beam incident on the first detection means and the barycentric position of the light beam incident on the second detection means are relative to each other with respect to the positional deviation between the first object and the second object. That is, each element is set so as to be displaced at a magnification of a different sign.

(実施例) 第1図(A)は本発明の第1実施例の要部概略図であ
る。図中、1は第1物体で、例えばマスクである。2は
第2物体で、例えばマスク1と位置合わせされるウエハ
である。3,4は各々アライメント用の第1,第2物理光学
素子であり、各々マスク1面上とウエハ2面上に設けら
れている。
(Embodiment) FIG. 1 (A) is a schematic view of a main portion of a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a first object, for example, a mask. A second object 2 is a wafer aligned with the mask 1, for example. Reference numerals 3 and 4 denote first and second physical optical elements for alignment, which are provided on the mask 1 surface and the wafer 2 surface, respectively.

本実施例においては、光源31から出射した光束は投光
光学系(コリメータレンズ系)9を通り、平行光束とな
って第1物体1上の第1物理光学素子3に、第1物体面
の法線に対して所定の角度αで斜入射する。
In the present embodiment, the light flux emitted from the light source 31 passes through the projection optical system (collimator lens system) 9 and becomes a parallel light flux, which is reflected by the first physical optical element 3 on the first object 1 to the first object plane. The light is obliquely incident at a predetermined angle α with respect to the normal.

第1物理光学素子3は単一のマーク形状を有する振幅
型のグレーティングレンズ等のレンズ素子より成り、ア
ライメント光束の透過部と不透過部が同図に示すように
形成されている。このグレーティングレンズ3のマーク
形状(マークパターン)は、予め結像関係を指定して物
点(光源)と像点から出射される所定の光束が物理光学
素子3面で形成するホログラムパターンとパターン形状
が後述するように一致するように設定されている。
The first physical optical element 3 is composed of a lens element such as an amplitude type grating lens having a single mark shape, and a transmitting portion and an opaque portion of the alignment light beam are formed as shown in FIG. The mark shape (mark pattern) of the grating lens 3 is a hologram pattern and a pattern shape formed on the surface of the physical optical element 3 by a predetermined light beam emitted from an object point (light source) and an image point by previously specifying an imaging relationship. Are set to match as will be described later.

第1物理光学素子3で所定の次数で回折の作用を受け
た光束はレンズ作用(収束或は発散作用)を受け、例え
ば第3図に示すように+1次で回折の作用を受けた光束
は像点F1が(0,0,z1)となるように凸レンズ作用(収束
作用)を受ける。一方、−1次で回折の作用を受けた光
束は虚像点F2が(0,0,−z1)となるように凹レンズ作用
(発散作用)を受ける。
The light beam diffracted by a predetermined order in the first physical optical element 3 is subjected to a lens action (convergence or divergence action), and for example, a light beam diffracted in the + 1st order as shown in FIG. It receives a convex lens action (converging action) so that the image point F1 becomes (0,0, z 1 ). On the other hand, the light flux that has been diffracted in the −1st order is subjected to the concave lens action (divergence action) so that the virtual image point F2 becomes (0,0, −z 1 ).

このようにして発生する2つの光束、即ち収斂光束La
と発散光束Lbは所定の間隔gを隔てた第2物理光学素子
4で更に回折して、レンズ作用を受ける。
The two luminous fluxes generated in this way, namely the convergent luminous flux La
The divergent light beam Lb is further diffracted by the second physical optical element 4 which is separated by a predetermined distance g, and is subjected to a lens action.

第2物理光学素子4は複数のマーク形状を有するレン
ズ素子より成っており、例えば第2図(A)に示すよう
なパターンの2種類のグレーティングレンズ4a,4bから
成っている。
The second physical optical element 4 is composed of a lens element having a plurality of mark shapes, and is composed of, for example, two types of grating lenses 4a and 4b having a pattern as shown in FIG. 2 (A).

本実施例において第2物理光学素子4は振幅と位相の
混合型のグレーティングレンズ素子より成り、断面構造
が例えば凹凸パターンで一般的に谷と山の振幅反射率が
異なっている。第2物理光学素子4で、所定次数で回折
する光束のうち第1物理光学素子で回折作用を受けた収
斂光束が第2物理光学素子4のグレーティングレンズ4a
で1次回折し凹レンズ作用を受けて生じる光束Laを第1
アライメント信号光束として用いている。
In this embodiment, the second physical optical element 4 is composed of a mixed amplitude and phase type grating lens element, and the sectional structure is, for example, a concavo-convex pattern, and generally the valleys and the peaks have different amplitude reflectances. The convergent light beam diffracted by the first physical optical element among the light beams diffracted by the second physical optical element 4 in the predetermined order is the grating lens 4a of the second physical optical element 4.
The first luminous flux La generated by the first-order diffraction at
It is used as an alignment signal light beam.

一方、第1物理光学素子3で回折作用を受けた発散光
束が第2物理光学素子4のグレーティングレンズ4bで1
次回折し、凸レンズ作用を受けて生じる光束を第2アラ
イメント信号光束Lbとして用いている。
On the other hand, the divergent light beam diffracted by the first physical optical element 3 is reflected by the grating lens 4b of the second physical optical element 4 to be 1
A light beam which is diffracted next time and which is generated by the action of the convex lens is used as the second alignment signal light beam Lb.

第2物理光学素子4で回折作用を受けた第1,第2アラ
イメント信号光束は、第2物体面2を出射し、第1物体
1を0次で透過し、所定面上に設定されたセンサ38,39
上に入射する。
The first and second alignment signal light beams diffracted by the second physical optical element 4 are emitted from the second object plane 2, transmitted through the first object 1 in the 0th order, and are set on the predetermined plane. 38,39
Incident on.

次に第1,第2アライメント信号光束La,Lbが第1,第2
物体の位置ずれに対応してセンサ38,39上で変位する作
用について第3図を参照して説明する。
Next, the first and second alignment signal light beams La and Lb are
The action of displacement on the sensors 38, 39 corresponding to the displacement of the object will be described with reference to FIG.

第3図は第1図に示す実施例の投光光学系9からの光
束のグレーティングレンズ3,4による位置ずれ量拡大系
の要部概略図である。同図において第1物理光学素子3
に入射した平行光束は、回折作用を受けて、このうち+
1次回折光31は点F1に収束するように収斂光束Laとな
り、−1次回折光は点F2を虚像点とする発散光束Lbとな
る。
FIG. 3 is a schematic view of a main part of a system for expanding the amount of positional deviation by the grating lenses 3 and 4 of the light flux from the projection optical system 9 of the embodiment shown in FIG. In the figure, the first physical optical element 3
The parallel light beam that has entered the
The first-order diffracted light 31 becomes a convergent light beam La so as to converge on the point F1, and the −1st-order diffracted light becomes a divergent light beam Lb having a point F2 as a virtual image point.

このように符号の異なる次数の回折光を利用し、単一
のグレーティングレンズで凸レンズ作用と、凹レンズ作
用の2つの機能を有効に生じせしめている。
In this way, by using diffracted lights of different orders, a single grating lens effectively produces two functions, a convex lens action and a concave lens action.

前記収斂光束La、発散光束Lbはそれぞれ第2物理光学
素子4のグレーティングレンズ4a,4bで共に−1次の回
折作用を受け、このときそれぞれ凹レンズ作用、凸レン
ズ作用を受け、それぞれの像点F1,F2がセンサ面38,39上
へ結像される。ここに第1,第2物体の間隔をg、第2物
体4とセンサ間の距離をL、第1物理光学素子3の焦点
距離をf1(凸パワー時)、−f1(凹パワー時)、第2物
理光学素子4のグレーティングレンズ4aの焦点距離を−
f2、グレーティングレンズ4bの焦点距離をf3とし、第1,
第2物体の相対位置ずれ量を∈とすると、第1,第2アラ
イメント光束La,Lbのセンサ面の光量重心位置の位置ず
れ量0のときに対するそれぞれの変位量S1,S2は となる。
The convergent light beam La and the divergent light beam Lb are respectively subjected to the -1st-order diffracting action by the grating lenses 4a and 4b of the second physical optical element 4, respectively, and at this time, they are subjected to the concave lens action and the convex lens action, respectively, and the respective image points F1, F2 is imaged on the sensor surfaces 38, 39. Here, the distance between the first and second objects is g, the distance between the second object 4 and the sensor is L, the focal length of the first physical optical element 3 is f 1 (at convex power), −f 1 (at concave power). ), The focal length of the grating lens 4a of the second physical optical element 4
f 2 and the focal length of the grating lens 4 b are f 3 ,
When the relative displacement amount of the second object is ε, the displacement amounts S1 and S2 with respect to the displacement amount 0 of the light amount centroid position of the sensor surface of the first and second alignment light beams La and Lb are 0, respectively. Becomes

このとき変位量S1,S2の位置ずれ量拡大倍率は第1物
理光学素子の焦点距離f1,−f1、第2物体面からセンサ
面までの距離L、間隔gに依存している。
At this time, the position shift amount expansion magnification of the displacement amounts S1 and S2 depends on the focal lengths f 1 and −f 1 of the first physical optical element, the distance L from the second object surface to the sensor surface, and the interval g.

またそれぞれの拡大倍率は第1アライメント信号光束
Laが負、第2アライメント信号光束Lbが正符号となる。
尚変位量S1,S2の位置は像点F1,F2と、第2物理光学素子
4の光軸中心とを結ぶ直線が検出面と交わる位置として
幾何光学的に対応づけることができる。
In addition, each magnification is the first alignment signal light flux.
La is negative and the second alignment signal light flux Lb has a positive sign.
The positions of the displacement amounts S1 and S2 can be geometrically associated with each other as a position where a straight line connecting the image points F1 and F2 and the optical axis center of the second physical optical element 4 intersects the detection surface.

センサ38,39で第1,第2アライメント信号光束La,Lbの
光量重心位置S1,S2を検知し、点S1と点S2間の距離ΔS
=S1−S2を求めると、位置ずれ量∈に応じて距離ΔSは となる。
The sensors 38 and 39 detect the light amount centroid positions S1 and S2 of the first and second alignment signal light beams La and Lb, respectively, and detect the distance ΔS between the points S1 and S2.
= S1−S2, the distance ΔS becomes Becomes

尚、第2物理光学素子4で回折し、レンズ作用を受け
て第2物体面2を出射する光束は第2物体面法線に対し
yz面内では所定の角度βで斜出射する。
The light beam diffracted by the second physical optical element 4 and emitted from the second object plane 2 under the effect of the lens acts on the normal to the second object plane.
The light is obliquely emitted at a predetermined angle β in the yz plane.

このように第1,第2物体に対しアライメント光束を斜
入射投光し、斜出射受光するよう位置合わせ光学系中の
位置合わせ物体上の物理光学素子を設定することによ
り、投光光学系と受光光学系そしてセンサなどを一筺体
(ピックアップヘッド)中に配置、構成することを容易
にしている。
Thus, by setting the physical optical element on the alignment object in the alignment optical system so that the alignment light beam is obliquely incident on the first and second objects and obliquely emitted and received, the projection optical system This makes it easy to arrange and configure the light receiving optical system, the sensor, etc. in a single housing (pickup head).

本実施例では第2物理光学素子4を出射する第1,第2
アライメント信号光束La,Lbが共に−1次で回折して、
それぞれが凹レンズ作用と凸レンズ作用を受けた後、投
光光学系と同じ側に斜め出射するように第2物理光学素
子のパターン形状を例えば第2図(A)に示すように設
定している。
In this embodiment, the first and second light beams emitted from the second physical optical element 4 are emitted.
Both the alignment signal light beams La and Lb are diffracted in the -1st order,
The pattern shape of the second physical optical element is set, for example, as shown in FIG. 2A so that each of them undergoes a concave lens action and a convex lens action, and then obliquely emits to the same side as the light projecting optical system.

第2図(B)〜第2図(F)は本実施例に係る第2物
理光学素子4の配置状態を示す他の一実施例の概略図で
ある。図中、4aは第1アライメントマーク、4bは第2ア
ライメントマークでいずれもグレーティングレンズより
成っている。
2 (B) to 2 (F) are schematic views of another embodiment showing the arrangement state of the second physical optical element 4 according to the present embodiment. In the figure, 4a is a first alignment mark, and 4b is a second alignment mark, both of which are made up of a grating lens.

尚、第2図(D)は同一領域内に第1アライメントマ
ーク4aと第2アライメントマーク4bを重ね合わせて配置
した一例である。
It should be noted that FIG. 2D is an example in which the first alignment mark 4a and the second alignment mark 4b are overlapped and arranged in the same region.

次に本実施例における第1,第2物理光学素子3,4の製
造及び設定方法の一実施例を述べる。
Next, an example of a method of manufacturing and setting the first and second physical optical elements 3 and 4 in this example will be described.

まず、第1物体であるマスク用のマーク3は所定のビ
ーム径の平行光束が所定の角度で入射し、所定の位置に
集光するように設計される。一般にグレーティングレン
ズのパターンは光源(物点)と像点にそれぞれ可干渉性
の光源を置いたときのレンズ面における干渉縞パターン
となる。
First, the mask mark 3 which is the first object is designed so that a parallel light beam having a predetermined beam diameter is incident at a predetermined angle and is condensed at a predetermined position. Generally, the pattern of the grating lens is an interference fringe pattern on the lens surface when coherent light sources are placed at the light source (object point) and the image point, respectively.

今、第1図のように第1物体1面上の座標系を定め
る。ここに原点はマークの中央にあり、位置ずれ検出方
向にx軸、第1物体面上x軸と直交方向にy軸、第1物
体面1の法線方向にz軸をとる。第1物体面1の法線に
対しαの角度で入射し、その射影成分がx軸方向と直交
する平行光束が第1物体1のマークを透過回折後、集光
点(x1,y1,z1)の位置で結像するようなグレーティング
レンズの曲線群の方程式は、グレーティングレンズx,y
方向に同じパワーを有しているとき、該グレーティング
の輪郭位置をx,yで表わし ysinα+P1(x,y)−P2=mλ/2 …(1) で与えられる。ここにλはアライメント光の波長、mは
整数である。
Now, as shown in FIG. 1, a coordinate system on the surface of the first object 1 is determined. Here, the origin is at the center of the mark, and the x-axis is in the direction of displacement detection, the y-axis is in the direction orthogonal to the x-axis on the first object plane, and the z-axis is in the direction normal to the first object plane 1. A parallel light beam which is incident at an angle α with respect to the normal to the first object plane 1 and whose projection component is orthogonal to the x-axis direction is transmitted and diffracted through the mark of the first object 1 and then converged (x 1 , y 1 , z 1 ), the equation of the curve group of the grating lens that forms an image at the position of
When the grating has the same power in the directions, the contour position of the grating is represented by x, y, ysin α + P 1 (x, y) −P 2 = mλ / 2 (1) Given in. Where λ is the wavelength of the alignment light and m is an integer.

主光線を角度αで入射し、第1物体面1上の原点を通
り、集光点(x1,y1,z1)に達する光線とすると(1)式
の右辺はmの値によって主光線に対して波長のm/2倍光
路長が長い(短い)ことを示し、左辺は主光線の光路に
対し第1物体上の点(x,y,0)を通り点(x1,y1,z1)に
到達する光線の光路の長さの差を表わす。第1図に第1
物体1上の第1物理光学素子3を示す。
Assuming that the principal ray is incident at an angle α, passes through the origin on the first object plane 1 and reaches the condensing point (x 1 , y 1 , z 1 ), the right side of equation (1) depends on the value of m. m / 2 times the light path length of the wavelength longer than the light (short) indicates that the point on the first object relative to the optical path of the left principal ray (x, y, 0) the street point (x 1, y 1 , z 1 ) represents the difference in the length of the optical path of the light beam reaching. First in Figure 1
1 shows a first physical optical element 3 on an object 1.

一方、第2物体2上のグレーティングレンズは所定の
点光源から出た球面波を所定の位置(センサ面上)に集
光させるように設計される。点光源は第1物体1と第2
物体2の露光時のギャップをgとおくと(x1,y1,z1
g)で表わされ、第1物理光学素子による結像点の位置
である(yは変数)。第1物体1と第2物体2の位置合
わせはx軸方向に行なわれるとし、アライメント完了時
にセンサ面上の点(x2,y2,z2)の位置にアライメント光
が集光するものとすれば、第2物体上のグレーティング
レンズの曲線群の方程式は先に定めた座標系で と表わされる。
On the other hand, the grating lens on the second object 2 is designed to focus the spherical wave emitted from a predetermined point light source on a predetermined position (on the sensor surface). The point light sources are the first object 1 and the second
If the gap at the time of exposure of the object 2 is set as g, (x 1 , y 1 , z 1
It is represented by g) and is the position of the image forming point by the first physical optical element (y is a variable). It is assumed that the alignment of the first object 1 and the second object 2 is performed in the x-axis direction, and that the alignment light is focused on the position of the point (x 2 , y 2 , z 2 ) on the sensor surface when the alignment is completed. Then, the equation of the curve group of the grating lens on the second object is in the coordinate system defined earlier. Is represented.

(2)式は第2物体面がz=−gにあり、主光線が第
1物体面上の原点及び第2物体面上の点(0,0,−g)、
更にセンサ面上の点(x2,y2,z2)を通る光線であるとし
て、第2物体面上のグレーティング(x,y,−g)を通る
光線と主光線との光路長の差が半波長の整数倍となる条
件を満たす方程式である。
In equation (2), the second object plane is at z = -g, the chief ray is the origin on the first object plane and the point (0,0, -g) on the second object plane,
Furthermore, assuming that the ray is a ray passing through a point (x 2 , y 2 , z 2 ) on the sensor surface, the difference in optical path length between the ray passing through the grating (x, y, −g) on the second object plane and the chief ray Is an equation that satisfies the condition that is an integral multiple of a half wavelength.

第2物理光学素子4のグレーティングレンズ4a,4bの
パターンは、前述の方程式(2)を利用することにより
設計することがでる。このうちグレーティングレンズ4b
のパターンは物点(光源)と像点の位置P(0,0,z1
g),Q(X2,−Y2,Z2)で与えられる。このとき、物点の
位置Pは第1物理光学素子3で凹レンズ作用を受けた光
束の虚像点の位置であり、像点の位置Qは前記センサ面
上の点(x2,y2,z2)とXZ面に関し、対称な点となる。
The pattern of the grating lenses 4a and 4b of the second physical optical element 4 can be designed by using the above equation (2). Of these, the grating lens 4b
Pattern is the position of the object point (light source) and the image point P (0,0, z 1 +
g), Q (X 2, given by -Y 2, Z 2). At this time, the position P of the object point is the position of the virtual image point of the light flux that has undergone the concave lens action in the first physical optical element 3, and the position Q of the image point is the point (x 2 , y 2 , z on the sensor surface. 2 ) and the XZ plane are symmetrical points.

このように像点Qの座標を設定してグレーティングレ
ンズ4bを設定することにより、グレーティングレンズ4a
のパターンでアライメント信号光束Laが回折する次数と
同じ符号でありながらグレーティングレンズ4aでは第1
アライメント信号光束Laに凹レンズの作用をもたらす一
方、グレーティングレンズ4bでは凸レンズの作用を第2
アライメント信号光束Lbにもたらすことが可能となる。
By thus setting the coordinates of the image point Q and setting the grating lens 4b, the grating lens 4a
In the grating lens 4a, although the same sign as the order in which the alignment signal light beam La is diffracted in the pattern of
While giving the effect of a concave lens to the alignment signal light beam La, the grating lens 4b has a second effect of a convex lens.
It is possible to bring the alignment signal light flux Lb.

又、位置ずれ検出方向にはレンズ作用があるが、それ
と直交する方向には光束の進行方向を一定の角度で偏向
させる作用をもつようなグレーティングレンズを設定
し、アライメント用として用いても良い。
Further, a grating lens having a lens action in the misregistration detection direction, but having a function of deflecting the traveling direction of the light flux at a constant angle in the direction orthogonal thereto may be set and used for alignment.

又、第2図(H)に示すパターンはx方向、y方向と
もに同じレンズ作用をもち、かつy方向に光束の進行方
向を一定の角度で偏向させる作用をもっている。
The pattern shown in FIG. 2 (H) has the same lens action in both the x direction and the y direction, and has the action of deflecting the traveling direction of the light beam in the y direction at a constant angle.

第2図(G)に示すパターンは、x方向断面が同じ焦
点距離をもつフレネルゾーンプレートの断面と同じで、
y方向断面は等ピッチグレーティングの断面と同じとな
る。一般的に曲線の形は放物線、又は双曲線に近い形状
となる。第2図(H)のパターンは所謂オフアクシス型
フレネルゾーンプレートのパターンである。
The pattern shown in FIG. 2 (G) is the same as the cross section of the Fresnel zone plate having the same focal length in the x direction cross section,
The cross section in the y direction is the same as the cross section of the uniform pitch grating. Generally, the shape of the curve is a parabola or a shape close to a hyperbola. The pattern of FIG. 2 (H) is a so-called off-axis type Fresnel zone plate pattern.

第1物体1用のアライメントマーク3は所定のビーム
径の平行光束が所定の角度で入射し、所定の位置に線状
に集光するように設計される。
The alignment mark 3 for the first object 1 is designed so that a parallel light beam having a predetermined beam diameter is incident at a predetermined angle and is linearly condensed at a predetermined position.

一般にグレーティングレンズのパターンは光源(物
点)と像点にそれぞれ可干渉性の光源を置いたときのレ
ンズ面における干渉縞パターンとなる。今、第2図
(H)のように第1物体面上の座標系を定める。ここに
原点はスクライブライン幅の中央にあり、スクライブラ
イン方向にx軸、幅方向にy軸、第1物体面の法線方向
にz軸をとる。第1物体の法線に対しαの角度で入射
し、その射影成分がx軸方向と直交する平行光束がマス
ク用のアライメントマーク3を透過回折後、集光点
(x1,y,z1)の位置で線状に結像するようなグレーティ
ングレンズの曲線群の方程式は、グレーティングのパワ
ーがx方向のみとき、該グレーティングの輪郭位置をx,
yで表わすと ysinα+P1(x)−P2=mλ/2 …(3) で与えられる。ここにλはアライメント光の波長、mは
整数である。
Generally, the pattern of the grating lens is an interference fringe pattern on the lens surface when coherent light sources are placed at the light source (object point) and the image point, respectively. Now, the coordinate system on the first object plane is determined as shown in FIG. Here, the origin is at the center of the scribe line width, and the x axis is in the scribe line direction, the y axis is in the width direction, and the z axis is in the normal direction of the first object plane. A parallel light beam that is incident at an angle α with respect to the normal line of the first object and has a projection component orthogonal to the x-axis direction is transmitted and diffracted through the alignment mark 3 for the mask, and then converged at the focal point (x 1 , y, z 1 The equation of the curve group of the grating lens that linearly forms an image at the position of) is such that when the power of the grating is only in the x direction, the contour position of the grating is x,
Expressed as y, ysinα + P 1 (x) −P 2 = mλ / 2 (3) Given in. Where λ is the wavelength of the alignment light and m is an integer.

主光線を角度αで入射し、第1物体面上の原点を通
り、集光点(x1,y,z1)に達する光線とすると(3)式
の右辺はmの値によって主光線に対して波長のm/2倍光
路長が長い(短い)ことを示し、左辺は主光線の光路に
対し、第1物体面上の点(x,y,0)を通り点(x1,y,z1
に到達する光線の光路の長さの差を表わす。
Assuming that the chief ray is incident at an angle α, passes through the origin on the first object plane, and reaches the focal point (x 1 , y, z 1 ), the right side of equation (3) becomes the chief ray depending on the value of m. On the other hand, it shows that the optical path length is m / 2 times the wavelength, which is long (short), and the left side passes through the point (x, y, 0) on the first object plane with respect to the optical path of the chief ray and passes through the point (x 1 , y , z 1 )
Represents the difference in the optical path lengths of the rays reaching the.

(3)式では第1物体面の点yを通った光は結像点で
はy方向に変換されない。
In the equation (3), the light passing through the point y on the first object plane is not converted in the y direction at the image forming point.

一方、第2物体面上のグレーティングレンズ4は所定
の線光源から出た円筒波を所定の位置(センサ面上)に
集光させるように設計される。線光源上の各点は第1物
体と第2物体の露光時のギャップをgとおくと(x1,y1,
z1−g)で表わされる。第1物体と第2物体の位置合わ
せはx軸方向に行なわれるとし、アライメント完了時に
センサ面9上の点(x2,y,z2)の位置にアライメント光
が集光するものとすれば、第2物体上のグレーティング
レンズの曲線群の基本方程式は先に定めた座標系で と表わされる。
On the other hand, the grating lens 4 on the second object plane is designed to focus a cylindrical wave emitted from a predetermined linear light source on a predetermined position (on the sensor surface). For each point on the linear light source, if the gap between the first object and the second object during exposure is g (x 1 , y 1 ,
z 1 -g). Assuming that the alignment of the first object and the second object is performed in the x-axis direction, and the alignment light is focused at the position of the point (x 2 , y, z 2 ) on the sensor surface 9 when the alignment is completed. , The basic equation of the curve group of the grating lens on the second object is the coordinate system defined earlier. Is represented.

ここにβはy方向の偏向角(第2物体面法線に対する
出射角)を示す。
Here, β represents a deflection angle in the y direction (emission angle with respect to the second object plane normal).

(4)式は第2物体面がz=−gにあり、主光線が第
1物体面上原点及び第2物体面上の点(0,0,−g)、更
に検出面上の点(x2,y,z2)を通る光線であるとして、
第2物体面上のグレーティング(x,y,−g)を通る光線
と主光線との光路長の差が半波長の整数倍となる条件を
満たす方程式である。
In equation (4), the second object plane is at z = -g, the principal ray is the origin on the first object plane and the point (0,0, -g) on the second object plane, and the point on the detection plane ( x 2 , y, z 2 )
It is an equation that satisfies the condition that the difference in optical path length between the ray passing through the grating (x, y, −g) on the second object plane and the principal ray is an integral multiple of half wavelength.

一般に第1物体用のゾーンプレート(グレーティング
レンズ)は、光線の透過する領域(透明部)と光線の透
過しない領域(遮光部)の2つの領域が交互に形成され
る0,1の振幅型のグレーティング素子として作成されて
いる。又、第2物体用のゾーンプレートは、例えば矩形
断面の位相格子パターンとして作成される。(3),
(4)式において主光線に対して半波長の整数倍の位置
で、グレーティングの輪郭を規定したことは、第1物体
上のグレーティングレンズ3では透明部と遮光部の線幅
の比が1:1であること、第2物体上のグレーティングレ
ンズ4では矩形格子のラインとスペースの比が1:1であ
ることを意味している。
Generally, the zone plate (grating lens) for the first object is of an amplitude type of 0, 1 in which two regions, that is, a region through which light rays are transmitted (transparent part) and a region through which light rays are not transmitted (light shielding part) are formed alternately. Created as a grating element. The zone plate for the second object is created as a phase grating pattern having a rectangular cross section, for example. (3),
In the formula (4), defining the contour of the grating at the position of an integral multiple of a half wavelength with respect to the principal ray means that in the grating lens 3 on the first object, the line width ratio of the transparent portion and the light shielding portion is 1: This means that the grating lens 4 on the second object has a line-to-space ratio of 1: 1 in the rectangular lattice.

第1物体上のグレーティングレンズ3はポリイミド製
の有機薄膜上に予めEB露光で形成したレチクルのグレー
ティングレンズパターンを転写して形成した。
The grating lens 3 on the first object was formed by transferring the grating lens pattern of the reticle previously formed by EB exposure on the organic thin film made of polyimide.

又、第2物体上のマークは第1物体と第2物体の露光
パターンを形成したのち露光転写して形成していた。
Further, the mark on the second object was formed by exposing and transferring after forming the exposure pattern of the first object and the second object.

次に本実施例における検出手段としてのセンサ(例え
ば1次元の蓄積型の1次元CCD等)に入射するアライメ
ント光である第1アライメント光と第2アライメント光
との関係について説明する。
Next, the relationship between the first alignment light and the second alignment light, which are the alignment light incident on the sensor (for example, the one-dimensional storage type one-dimensional CCD or the like) as the detection means in the present embodiment, will be described.

本実施例においては第2アライメント信号光と第1ア
ライメント信号光は第2物体面の法線に対して各々80,5
0の角度で、又、x軸方向に対しては第2物体面射影成
分が直交する角度で出射する。センサ38,39の空間的配
置は、予めアライメント完了時に光束がセンサのほぼ中
央の位置に入射するようにセッティングされている。
Each 8 first alignment signal light and the second alignment signal light to the normal of the second object plane in this embodiment 0, 5
The light is emitted at an angle of 0 and at an angle at which the second object plane projection component is orthogonal to the x-axis direction. The spatial arrangement of the sensors 38, 39 is set in advance so that the light beam is incident on the substantially central position of the sensors when the alignment is completed.

センサ38,39の中心間隔は2mmであり、約0.1μm精度
でSiの同一基板上に設定されている。又、センサ38,39
の配置されたSi基板は、その法線が第1アライメント光
出射角と第2アライメント信号光出射角の2等分線と略
平行に配置されている。
The centers of the sensors 38 and 39 are 2 mm apart, and are set on the same Si substrate with an accuracy of about 0.1 μm. Also, the sensors 38, 39
The normal line of the arranged Si substrate is arranged substantially parallel to the bisector of the first alignment light emission angle and the second alignment signal light emission angle.

センサ38,39のサイズは第1信号光用のセンサ11が幅1
mm、長さ6mm、又第2信号光用のセンサ12が幅1mm、長さ
1mmである。又、各画素のサイズは25μm×500μmであ
る。
The size of the sensors 38 and 39 is the width 1 of the sensor 11 for the first signal light.
mm, length 6 mm, and the sensor 12 for the second signal light has width 1 mm and length
It is 1 mm. The size of each pixel is 25 μm × 500 μm.

各々のセンサは入射光束の重心位置を測定し、センサ
の出力は受光領域の全光量で規格化されるように信号処
理される。これによりアライメント光源の出力が多少変
動しても、センサ系から出力される測定値は正確に重心
位置を示すように設定している。尚、センサの重心位置
の分解能はアライメント光のパワーにもよるが、例えば
50mW、波長0.83μmの半導体レーザーを用いて測定した
結果、0.2μmであった。
Each sensor measures the position of the center of gravity of the incident light beam, and the output of the sensor is signal-processed so as to be normalized by the total amount of light in the light receiving area. Thereby, even if the output of the alignment light source fluctuates to some extent, the measurement value output from the sensor system is set so as to accurately indicate the position of the center of gravity. Although the resolution of the center of gravity of the sensor depends on the power of the alignment light,
It was 0.2 μm as a result of measurement using a semiconductor laser having a wavelength of 50 mW and a wavelength of 0.83 μm.

本実施例に係る第1物体用のグレーティングレンズと
第2物体用のグレーティングレンズの設計例では、第1,
第2物体の位置ずれを第1アライメント光は−100倍、
第2信号光では100倍に拡大して信号光束がセンサ面上
で重心位置を移動する。従って、第1,第2物体間に0.01
μmの位置ずれがあったとすると、センサ面上ではアラ
イメント光は−1μm、第2信号光は1μmの実効的な
重心移動が起こり、センサ系はこれを0.2μmの分解能
で測定することができる。
In the design example of the grating lens for the first object and the grating lens for the second object according to the present embodiment, the first,
The first alignment light is -100 times the position shift of the second object,
The second signal light is magnified 100 times and the signal light flux moves on the sensor surface at the center of gravity. Therefore, 0.01 between the first and second objects
If there is a displacement of .mu.m, the effective center of gravity shifts by -1 .mu.m for the alignment light and 1 .mu.m for the second signal light on the sensor surface, and the sensor system can measure this with a resolution of 0.2 .mu.m.

本実施例において、第2物体面2がyz面内で1mrad傾
斜したとすると、センサ38上では第1信号光束は約20μ
m重心移動を起こす。一方、第2信号光もアライメント
光である第1信号光束と軸対称で、且つ光路長の等しい
光路を通るのでセンサ39上では、信号光と全く等しい重
心移動を起こす。これによりセンサ系では各々センサか
らの実効的重心位置の信号の差を出力するように信号処
理をすると、第2物体面がyz面内で傾斜してもセンサ系
からの出力信号は変わらない。
In the present embodiment, assuming that the second object plane 2 is tilted by 1 mrad in the yz plane, the first signal light flux on the sensor 38 is about 20 μm.
Move the center of gravity. On the other hand, the second signal light also passes through the optical path having the same optical path length and being axially symmetric with respect to the first signal light flux which is the alignment light, so that the center of gravity moves exactly the same as the signal light on the sensor 39. As a result, if the sensor system performs signal processing so as to output the difference between the signals of the effective barycentric positions from the sensors, the output signal from the sensor system does not change even if the second object plane is tilted in the yz plane.

一方、第2物体がyz面内で傾斜すると、第1信号光
束、第2信号光束ともにセンサの長手方向と直交する幅
方向に重心移動を起こすが、これはセンサ上で検出す
る、位置ずれに伴う光束の重心移動の方向と直交する方
向なので、第2信号光がなくても実効的なアライメント
誤差にはならない。
On the other hand, when the second object tilts in the yz plane, both the first signal light flux and the second signal light flux move the center of gravity in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the sensor. Since the direction is orthogonal to the direction in which the center of gravity of the luminous flux moves, the effective alignment error does not occur even without the second signal light.

更に、アライメント用光源、及び投光用レンズ系及び
センサなどを内蔵するアライメントヘッドが、第1物体
−第2物体系に対して位置の移動を起こした場合、例え
ばヘッドを第1物体に対して5μm、y方向に移動した
とする。このとき第1信号光はセンサ38上で5μmの実
効的重心移動を起こし、これに対して第2信号光もセン
サ39上で全く等しく5μmの重心移動を起こす。
Furthermore, when the alignment head including the alignment light source, the projection lens system, the sensor, and the like causes a position shift with respect to the first object-second object system, for example, the head is moved relative to the first object. It is assumed that it has moved in the y direction by 5 μm. At this time, the first signal light causes an effective center-of-gravity shift of 5 μm on the sensor 38, while the second signal light also causes a uniform center-of-gravity shift of 5 μm on the sensor 39.

同様に第1物体面とヘッドとの間にz方向に10μmの
変動が起こると、第1信号光用のセンサ38及び第2信号
光用のセンサ39で共に10μm光束の重心移動を起こす。
Similarly, when a variation of 10 μm occurs in the z direction between the first object surface and the head, both the first signal light sensor 38 and the second signal light sensor 39 move the center of gravity of the 10 μm light flux.

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち、第1信
号光の重心位置出力と第2信号光の重心位置の出力との
差信号は何ら変動しない。
Therefore, the final output from the sensor system, that is, the difference signal between the barycentric position output of the first signal light and the barycentric position output of the second signal light does not fluctuate at all.

又、x軸方向の位置の変動は第2信号光束がなくても
本質的なアライメント誤差にはならないことがわかる。
Further, it can be seen that the fluctuation of the position in the x-axis direction does not become an essential alignment error even without the second signal light beam.

本実施例において第1,第2物体間の位置ずれ量xは、
センサ上でのアライメント光としての第1信号光と第2
信号光の重心位置をそれぞれw1,w2、そのときの第2物
体面の第1物体面に対する傾斜角をΔθ、アライメント
ヘッドの位置の変動量をΔ1r=(Δx,Δy,Δz)とおく
と w1=m・x+c1(Δθ,Δ1r) w2=n・x+c2(Δθ,Δ1r) ここに、m,nは各々第1アライメント系と第2アライメ
ント系の位置ずれ量の拡大倍率、ci(Δθ,Δ1r)は、
Δθ,Δ1rによっておこるセンサ上での光束の重心移動
量で第1アライメント信号光と第2信号光がセンサ面法
線に関して軸対称であり、光路長が等しい場合は c1(Δθ,Δ1r)=c2(Δθ,Δ1r) となり、結局センサ上の2つの光の相対的な重心位置か
ら位置ずれ量が次のように求まる。
In this embodiment, the positional displacement amount x between the first and second objects is
First signal light and second light as alignment light on the sensor
The barycentric position of the signal light is set to w 1 and w 2 , respectively, the inclination angle of the second object plane with respect to the first object plane at that time is Δθ, and the variation amount of the alignment head position is set to Δ1r = (Δx, Δy, Δz). And w 1 = m · x + c 1 (Δθ, Δ1r) w 2 = n · x + c 2 (Δθ, Δ1r) where m and n are magnifications of the positional deviation amounts of the first alignment system and the second alignment system, respectively. c i (Δθ, Δ1r) is
If the first alignment signal light and the second signal light are axially symmetric with respect to the sensor surface normal and the optical path lengths are equal due to the shift of the center of gravity of the light beam on the sensor caused by Δθ and Δ1r, c 1 (Δθ, Δ1r) = It becomes c 2 (Δθ, Δ1r), and after all, the amount of displacement can be obtained from the relative center of gravity of the two lights on the sensor as follows.

x=(w1−w2)/(m−n) このように第2物体面の傾斜、アライメントヘッドの
位置変動等のアライメント光束の重心位置測定の際の誤
差要因を除去して、正確に位置ずれ量を検出することが
できる。
x = (w 1 −w 2 ) / (m−n) Thus, the error factors at the time of measuring the barycentric position of the alignment light flux such as the inclination of the second object surface and the position variation of the alignment head are removed, and The amount of displacement can be detected.

また、本実施例では第1物理光学素子の焦点距離f1
217μm、間隔gを30μm、第2物理光学素子からセン
サまでの距離Lを18.7μmとした結果、第1,第2アライ
メント信号光束の位置ずれ量拡大倍率m1,m2はそれぞ
れ、m1=−99.0、m2=73.7085となり、両光束のセンサ
面上での位置検知方向距離ΔSを求めることにより位置
ずれ量の|m1|+|m2|倍、即ち175.7085倍の倍率感度を得
ることができる。尚、第2物理光学素子4a,4bの焦点距
離はセンサ面上でのアライメント光束の径が約200μm
以下となるように設定した。
In addition, in this embodiment, the focal length f 1 of the first physical optical element is
217 μm, the distance g is 30 μm, and the distance L from the second physical optical element to the sensor is 18.7 μm. As a result, the positional deviation amount expansion magnifications m 1 and m 2 of the first and second alignment signal light beams are respectively m 1 = −99.0, m 2 = 73.7085, and by obtaining the position detection direction distance ΔS of both light fluxes on the sensor surface, obtain the magnification sensitivity of | m 1 | + | m 2 | times the displacement amount, that is, 175.70885 times. You can The focal length of the second physical optical elements 4a, 4b is such that the diameter of the alignment light beam on the sensor surface is about 200 μm.
It was set as follows.

本実施例に係る第1物体と第2物体の位置合わせ(横
ずれ検知、制御)の基本アルゴリズムは以下のとおりで
ある。
The basic algorithm for positioning (lateral deviation detection, control) of the first object and the second object according to the present embodiment is as follows.

(イ)まずセンサ38上の第1位置ずれ信号光束の光量分
布を測定したのち、先に定義した光量重心位置XSを求め
る。
(A) First, after measuring the light amount distribution of the first positional deviation signal light beam on the sensor 38, the light amount centroid position X S defined previously is obtained.

(ロ)このときセンサ39上の第2位置ずれ信号光束の光
量分布から該光束の光量重心位置XRを求める。
(B) At this time, the light amount barycentric position X R of the light beam is obtained from the light amount distribution of the second positional deviation signal light beam on the sensor 39.

(ハ)XSとXRの差Δδを求め(C)式に示す倍率から
第1物体と第2物体間の相対位置ずれ量Δσを求め
る。
(C) The difference Δδ S between X S and X R is obtained, and the relative positional deviation amount Δσ 1 between the first object and the second object is obtained from the magnification shown in equation (C).

(ニ)第1物体、または第2物体を相対位置ずれ量Δσ
だけ駆動ステージにより動かし、位置ずれを補正す
る。
(D) Relative displacement amount Δσ of the first object or the second object
Move only 1 by the drive stage to correct the positional deviation.

(ホ)ステップ(イ)〜(ハ)の動作を行なって第1物
体と第2物体間の相対位置ずれ量Δσが許容値範囲内
かどうか判定する。
(E) The operations of steps (a) to (c) are performed to determine whether the relative positional deviation amount Δσ 2 between the first object and the second object is within the allowable value range.

(ヘ)Δσが許容値範囲内になるまでステップ(イ)
〜(ホ)を繰り返す。
(F) Step (a) until Δσ 2 is within the allowable value range
Repeat (e).

上記の手続の概要を第1図(E)にフローチャートと
して示す。
An outline of the above procedure is shown as a flowchart in FIG.

尚、第1図(B)〜(D)は第1図(A)に示す第1
実施例を半導体製造用の露光装置に適用したときの要部
概略図である。同図(B)は横から見たとき、同図
(C)はアライメントピックアップ装置部を抽出して示
したものであり、同図(D)はステージ部及びステージ
コントローラ部の概略図である。
Incidentally, FIGS. 1 (B) to (D) are the same as those shown in FIG. 1 (A).
It is a principal part schematic diagram when an Example is applied to the exposure apparatus for semiconductor manufacture. When viewed from the side, FIG. 6B shows the alignment pickup device section extracted and FIG. 6D is a schematic view of the stage section and the stage controller section.

本実施例では横ずれ検知系として、デュアルパワーグ
レーティングレンズ法及び間隔計測系としてマスクレン
ズA2F法を用いている。これらの手法について簡単に述
べると次のようになる。
In this embodiment, the dual power grating lens method is used as the lateral deviation detection system, and the mask lens A 2 F method is used as the interval measurement system. A brief description of these methods is as follows.

デュアルパワーグレーティング法、フレネルゾーンプ
レートに代表されるようなグレーティングレンズ素子を
使う位置合わせ方法の一種であり、マスク上グレーティ
ングレンズとウエハ上グレーティング間に光束を通し、
そのときにマスクおよびウエハ上のグレーティングレン
ズ系が位置ずれ量を所定の倍率で拡大して、光束を偏向
させ、センサ上での光束の重心位置から位置ずれ量を検
出する方法である。
It is a type of alignment method that uses a grating lens element such as a dual power grating method or a Fresnel zone plate, and passes a light beam between the grating lens on the mask and the grating on the wafer.
At this time, the mask lens and the grating lens system on the wafer enlarge the displacement amount by a predetermined magnification to deflect the light beam, and detect the displacement amount from the barycentric position of the light beam on the sensor.

ここで光束の光量重心としては光束断面内において、
断面内各点のその点からの位置ベクトルにその点の光量
を乗算したものを断面全面で積分したときに積分値が0
ベクトルになる点をとってもよいし、代表点として光強
度がピークとなる点の位置をとっても良い。
Here, as the center of gravity of the luminous flux,
When the position vector of each point in the cross section is multiplied by the amount of light at that point, the integrated value becomes 0 when integrated over the entire cross section.
The point that becomes a vector may be taken, or the position of the point where the light intensity peaks may be taken as the representative point.

また光源としてはHe−Neレーザ、半導体レーザ(LD)
等のコヒーレンシーの高い光源を用いてもよいし、発光
ダイオード(LED)、Xe−ランプ、水銀灯などコヒーレ
ンシーの低い光源を用いてもよい。
As the light source H e -N e laser, a semiconductor laser (LD)
A light source having a high coherency such as, for example, may be used, or a light source having a low coherency such as a light emitting diode (LED), an X e -lamp, or a mercury lamp may be used.

この方法は位置ずれ量をグレーティングレンズ系の倍
率で拡大して検出するのでより高精度で高分解能な位置
ずれ検知が可能である。
In this method, since the amount of positional deviation is detected by magnifying it with the magnification of the grating lens system, it is possible to detect the positional deviation with higher accuracy and higher resolution.

第1図(F)にグレーティングレンズ系で位置ずれ量
を拡大して検知する系の配置の模式図を示す。同図にお
いては便宜上第1物体へ光束を垂直入射したときを示し
ている。
FIG. 1 (F) shows a schematic view of the arrangement of a system for magnifying and detecting the positional deviation amount in the grating lens system. In the figure, for convenience, a case where a light beam is vertically incident on the first object is shown.

第1物体1はメンブレン97に取り付けてあり、それを
アライナー本体95にチャック96を介して支持されてい
る。本体95上部に第1,第2物体のアライメントヘッド94
が配置されている。第1物体1と第2物体2の位置合わ
せを行う為にアライメントマーク3及び4がそれぞれ第
1物体と第2物体2に焼き付けられている。
The first object 1 is attached to the membrane 97, and is supported by the aligner body 95 via the chuck 96. Alignment head 94 for the first and second objects on top of main body 95
Is arranged. In order to align the first object 1 and the second object 2, alignment marks 3 and 4 are printed on the first object 2 and the second object 2, respectively.

光源31から出射された光ビームは投光レンズ32により
平行光となりビームスプリッター92を通り、アライメン
トマーク3へ入射される。アライメントマーク3は透過
型ゾーンプレートで、点Qへ集光する凸レンズの作用を
持つ。ウエハアライメントマーク4は反射型のゾーンプ
レートで点Qへ集光する光をセンサ38の検出面90上へ結
像する凸面鏡の作用を持つ。
The light beam emitted from the light source 31 becomes parallel light by the light projecting lens 32, passes through the beam splitter 92, and is incident on the alignment mark 3. The alignment mark 3 is a transmissive zone plate and has the function of a convex lens that focuses light on the point Q. The wafer alignment mark 4 is a reflection type zone plate and has a function of a convex mirror for forming an image of the light focused on the point Q on the detection surface 90 of the sensor 38.

このような配置のもとで、第1物体に対し第2物体が
Δδwだけ横ずれすると、検出面90上の光量重心の位置
ずれΔδは次のように表わされる。
Under such an arrangement, when the second object laterally deviates from the first object by Δδw, the positional deviation Δδ of the light amount center of gravity on the detection surface 90 is expressed as follows.

即ち、 に位置ずれ量が拡大される。 That is, The position shift amount is increased.

例えばマーク3−Q間隔aw=0.5mm、マーク4−検出
面間隔bw=50mmとすれば99倍となる。尚、この時Δσは
Δσに対し、式より明らかなように比例関係にあり、セ
ンサの分解能が0.1μmあるとすれば検出される位置ず
れ量Δσは0.001μmの位置分解能がある。このように
して求まった位置ずれ量Δσをもとに物体2を動かして
やれば物体1と物体2の位置合わせを精度良く行うこと
ができる。
For example, if the mark 3−Q interval aw = 0.5 mm and the mark 4−detection surface interval bw = 50 mm, it becomes 99 times. At this time, Δσ has a proportional relationship with Δσ as is clear from the equation, and if the sensor resolution is 0.1 μm, the detected positional deviation amount Δσ has a positional resolution of 0.001 μm. If the object 2 is moved based on the positional deviation amount Δσ obtained in this way, the positions of the object 1 and the object 2 can be accurately aligned.

第1図(D)はステージ部及びステージコントローラ
部の詳細図である。アライメントピックアップヘッド24
はスパーフラット面10を持つ支持対26上のスーパーフラ
ット面10を一定圧でスーパーフラットベースプレート23
に押しつける為のクランパー部27に取りつけられ、アラ
イメント装置本体上部にスーパーフラットベース23を介
し載せられている。クランパー部27は2次元移動ステー
ジ21上の移動支持部28と平行板バネ30を介しつながって
いる。ステージ21は、ベース部21B、x方向スライド部2
1X,y方向スライド部21Y、x,y両方向スライドをガイドす
るガイド部21G、ベース部21Bに設けられスライド部21X,
21Yをそれぞれx方向、y方向に駆動する駆動源21MX,21
MYより成る。駆動源MX,MYの動作はヘッド24を各方向に
動かして所定位置にポジショニングするようコントロー
ラ22により制御される。各ステージの移動量はそれぞれ
レーザー測長器29X,29Yにより精密に計測され、このデ
ータがコントローラ22に入力され、これに基いてコント
ローラ22がヘッド24の現在位置を検出し、所定位置にな
る様に駆動源MX,MYに指令信号を送る事で、ヘッド24の
位置が精密に制御されている。検出位置移動後、前述の
如く横ずれ及び間隔検出を実行し、この検出結果に基い
て、ウエハステージ25を横ずれ及び間隔誤差補正方向に
移動させてアライメント及び間隔制御を完了した後、ヘ
ッド24はマスク、ウエハ露光の邪魔にならない様、元の
位置にもどる。アライメントピックアップヘッド24は横
ずれ検知系、間隔検知系、投光系が組み込まれており、
光源31具体的には半導体レーザから出射された光ビーム
はコリメータレンズ32、投射用レンズ33及び投射用ミラ
ー34を介し、評価用マーク20へ投射される。マークより
出射された光ビームは検知用レンズ36により検知系へ導
かれ、ハーフミラー37により分割され、横ずれ検知用受
光素子38にはいり、それぞれの信号となる。尚、アライ
メントピックアップヘッド24の投光、受光窓35には露光
用光源からの光が通らないようなフィルターが付けられ
ている。
FIG. 1D is a detailed view of the stage unit and the stage controller unit. Alignment pickup head 24
Has a flat surface 10 on the super flat surface 10 on the support pair 26 having a super flat surface 10 at a constant pressure.
It is attached to a clamper portion 27 for pressing against and is placed on the upper part of the alignment device main body via a super flat base 23. The clamper portion 27 is connected to the movement support portion 28 on the two-dimensional movement stage 21 via a parallel leaf spring 30. The stage 21 includes a base portion 21B and an x-direction slide portion 2
1X, y-direction slide portion 21Y, slide portion 21X provided on the guide portion 21G for guiding the x, y bidirectional slide, the base portion 21B,
Drive sources 21MX and 21 that drive 21Y in the x and y directions, respectively
Composed of MY. The operation of the driving sources MX and MY is controlled by the controller 22 so that the head 24 is moved in each direction and positioned at a predetermined position. The amount of movement of each stage is precisely measured by the laser length measuring devices 29X and 29Y, and this data is input to the controller 22. Based on this data, the controller 22 detects the current position of the head 24, and the position is set to a predetermined position. The position of the head 24 is precisely controlled by sending a command signal to the drive sources MX and MY. After the detection position is moved, the lateral deviation and the interval detection are executed as described above, and based on the detection result, the wafer stage 25 is moved in the lateral deviation and the interval error correction direction to complete the alignment and the interval control, and then the head 24 is masked. , Return to the original position so as not to disturb the wafer exposure. The alignment pickup head 24 incorporates a lateral deviation detection system, a gap detection system, and a light projection system.
The light beam emitted from the light source 31, specifically, the semiconductor laser, is projected onto the evaluation mark 20 via the collimator lens 32, the projection lens 33, and the projection mirror 34. The light beam emitted from the mark is guided to the detection system by the detection lens 36, is split by the half mirror 37, enters the light receiving element 38 for lateral deviation detection, and becomes respective signals. It should be noted that the light projecting / receiving window 35 of the alignment pickup head 24 is provided with a filter through which light from the light source for exposure does not pass.

本実施例においては、投射光47は評価マーク上では平
行になるように設計されており、投射領域43の横ずれ検
知用マーク41Mと間隔測定用マーク42inとして同時に投
射される。この為、横ずれ検知と間隔測定の投光手段が
一つの系で構成されている。
In the present embodiment, the projection light 47 is designed to be parallel on the evaluation marks are projected simultaneously as lateral shift detecting mark 41M and mark interval measurement 42 in the projection area 43. For this reason, the light-projection means for lateral deviation detection and interval measurement is composed of one system.

第4図は本発明の第2実施例の要部概略図である。第
2物体上のアライメントマーク4a,4bは第2図(B)に
示すパターンより成っている。ここにアライメントマー
ク4a,4bは第1実施例と同様、それぞれ第1,第2信号光
束に対して、−1次回折光が凹レンズ作用、凸レンズ作
用を示す。
FIG. 4 is a schematic view of the essential portions of the second embodiment of the present invention. The alignment marks 4a, 4b on the second object are formed by the pattern shown in FIG. 2 (B). Similar to the first embodiment, the alignment marks 4a and 4b show that the -1st order diffracted light has a concave lens action and a convex lens action with respect to the first and second signal light beams, respectively.

本実施例においては第1物理光学素子3であるグレー
ティングレンズのパワーがシリンドリルカルではなく、
等方向、即ちxy面内で等方向にレンズ作用(光束の収
束、発散作用)を有するもの、またはX方向、Y方向で
異なるレンズパワーを持つトーリックタイプレンズ素子
などを第1物理光学素子に用い、第2物理光学素子に第
2図(B)に示すようなマーク配置に構成するのに好適
である。
In the present embodiment, the power of the grating lens that is the first physical optical element 3 is not the cylindrical laser,
The first physical optical element is one that has a lens action (convergence of light flux, divergence action) in the same direction, that is, in the xy plane, or a toric type lens element having different lens powers in the X direction and the Y direction. The second physical optical element is suitable for the mark arrangement as shown in FIG. 2 (B).

第5図は本発明の第3実施例の要部概略図である。第
1,第2物理光学素子はいずれもオフアクシス型1次元グ
レーティングレンズ(フレネルレンズ)素子であり、第
1,第2実施例と同様の第1,第2物体に対し、所定の角度
で斜入射投光し、斜出射受光することにより、投光、受
光光学系及びセンサ、そして光源等を1つの筺体中に納
めたアライメントピックアップヘッドを構成している。
FIG. 5 is a schematic view of the essential portions of a third embodiment of the present invention. First
The first and second physical optical elements are all off-axis type one-dimensional grating lens (Fresnel lens) elements.
The first and second objects similar to those in the first and second embodiments are provided with a single projecting device, a light receiving optical system, a sensor, a light source, etc. by obliquely projecting light at a predetermined angle and obliquely emitting and receiving light. An alignment pickup head is housed in the housing.

位置合わせ、および位置ずれ検知は第5図のY軸方向
に行なう。又、第1物理光学素子3は第5図に示すよう
に単一パターンのグレーティングレンズから成り、第2
物理光学素子4は2種類のグレーティングレンズパター
ン4a,4bから成り、第2図(C)に示すようなパターン
を有している。
Positioning and position shift detection are performed in the Y-axis direction in FIG. The first physical optical element 3 is composed of a single-pattern grating lens as shown in FIG.
The physical optical element 4 is composed of two types of grating lens patterns 4a and 4b, and has a pattern as shown in FIG. 2 (C).

第1,第2アライメント信号光束のYZ面内の光路断面図
は第1,第2実施例と同様に設定される。但し、同図では
相対位置ずれ量0のときの光路断面図に対応している。
The sectional views of the optical paths of the first and second alignment signal light beams in the YZ plane are set in the same manner as in the first and second embodiments. However, this figure corresponds to a sectional view of the optical path when the relative positional deviation amount is zero.

又、第1,第2実施例と同様第2物理光学素子4aは第1
物理光学素子3で回折された凸パワーの光束に対し1次
回折光が凹レンズ作用を受けるように設計され、第2物
理光学素子4bは第1物理光学素子3で回折された凹パワ
ーの光束に対し−1次回折光が凸レンズ作用を受けるよ
うに設定されている。
Also, as in the first and second embodiments, the second physical optical element 4a is the first
The first-order diffracted light is designed so that a concave lens effect is exerted on the light flux of convex power diffracted by the physical optical element 3, and the second physical optical element 4b is applied to the light flux of concave power diffracted by the first physical optical element 3. The −1st order diffracted light is set so as to undergo a convex lens action.

第6図は本発明の第4実施例の要部概略図である。同
図において第2物体2上の第2物理光学素子4は、第1
実施例で−1次回折光が凹レンズ作用を示すように設定
されたパターンと凸レンズ作用を示すように設定された
パターンを重ね合わせたパターンとなっており、第2図
(D)に示すようなパターンを有している。
FIG. 6 is a schematic view of the essential portions of the fourth embodiment of the present invention. In the figure, the second physical optical element 4 on the second object 2 is the first
In the embodiment, the -1st-order diffracted light is a pattern in which a pattern set to exhibit a concave lens action and a pattern set to exhibit a convex lens action are overlapped with each other, and a pattern as shown in FIG. have.

このように位置合わせ物体上の同一領域にアライメン
ト光束に対し作用の異なるマーク、即ち凹レンズ作用マ
ークと凸レンズ作用マークを設定、配置することによ
り、位置合わせ物体面の局所的な傾斜による位置ずれ検
知誤差を解消することができる。更に第1,第2実施例と
同様、位置ずれに対し符号の異なる位置ずれ拡大倍率を
もつ、2つのアライメント信号光束を生成することがで
き、これをセンサ上で光量重心位置検知することにより
位置ずれに対し高利得、高分解能の位置ずれが量検出が
可能となる。
In this way, by setting and arranging marks having different effects on the alignment light flux, that is, a concave lens action mark and a convex lens action mark in the same area on the alignment object, a positional deviation detection error due to a local inclination of the alignment object surface Can be resolved. Further, similarly to the first and second embodiments, it is possible to generate two alignment signal light fluxes having different magnifications of the positional deviations with respect to the positional deviations. It is possible to detect the amount of displacement with high gain and high resolution with respect to the displacement.

又、位置合わせ物体の平均的な傾斜に対しても同様に
誤差を解消することができる。
Further, it is possible to eliminate the error in the same manner even with respect to the average inclination of the alignment object.

第7図は本発明の第5実施例の要部概略図である。 FIG. 7 is a schematic view of the essential portions of the fifth embodiment of the present invention.

本実施例では第2物体上の反射型の第2物理光学素子
4に光源31を出射したアライメント光束が投光光学系を
通ったのち、第2物体面の法線に対し、所定の角度で斜
めに照射される。このときアライメント光束は第1物体
を単に透過するだけで回折作用などは受けない。
In this embodiment, after the alignment light beam emitted from the light source 31 is passed through the light projecting optical system to the reflection-type second physical optical element 4 on the second object, at a predetermined angle with respect to the normal to the second object plane. It is irradiated diagonally. At this time, the alignment light beam simply passes through the first object and is not diffracted.

第2物理光学素子4は第1実施例の第1物理光学素子
と同様のパターン形状を有する振幅位相混合型グレーテ
ィングレンズ素子である。第2物理光学素子4に入射し
た光束は、そこで+n次、−m次で回折することによ
り、それぞれ凸パワー、凹パワー光束となる。本実施例
では+1次、−1次で回折する2光束を第1,第2アライ
メント信号光束として利用している。
The second physical optical element 4 is an amplitude / phase mixed type grating lens element having the same pattern shape as the first physical optical element of the first embodiment. The light beam incident on the second physical optical element 4 is diffracted there by the + nth order and the −mth order to become a convex power beam and a concave power beam, respectively. In this embodiment, two light beams diffracted in the + 1st order and the -1st order are used as the first and second alignment signal light beams.

これら2光束は1物体上の第1物理光学素子3a,3bで
更に所定次数で回折し、レンズ作用を受けたのち、セン
サ38,39に入射して、光量重心位置が検出される。
These two light fluxes are further diffracted by the first physical optical elements 3a and 3b on one object in a predetermined order, and after being subjected to a lens action, they are incident on the sensors 38 and 39, and the light amount centroid position is detected.

本実施例では第2物理光学素子で生成した凸パワー光
束が第1物理光学素子3aで−1次で回折して凹レンズ作
用を受け、又第2物理光学素子で生成した凹パワー光束
が第1物理光学素子3bで−1次で回折して凸レンズ作用
を受けるように設定されている。
In this embodiment, the convex power light beam generated by the second physical optical element is diffracted by the first physical optical element 3a in the -1st order and is subjected to the concave lens action, and the concave power light beam generated by the second physical optical element is the first The physical optical element 3b is set to diffract in the -1st order and receive a convex lens action.

アライメント光束の位置合わせ物体に対する入出射角
は第1実施例と同様に設定している。
The entrance and exit angles of the alignment light flux with respect to the aligned object are set in the same manner as in the first embodiment.

第8図(A)は本発明の第6実施例の要部概略図であ
る。
FIG. 8 (A) is a schematic view of the essential portions of the sixth embodiment of the present invention.

本実施例では第2物理光学素子を第2図(E)に示す
ように2種類の非対称グレーティングレンズパターン4
a,4bで構成している。それぞれのパターンは第1実施例
と同じく−1次反射回折光が凹レンズ作用、凸レンズ作
用を受けるように機能している。
In the present embodiment, the second physical optical element has two types of asymmetric grating lens patterns 4 as shown in FIG.
It is composed of a and 4b. Similar to the first embodiment, each pattern functions so that the -1st-order reflected diffracted light receives the concave lens action and the convex lens action.

又、第1物理光学素子3は第1実施例と同じく第8図
(A)に示すような単一パターングレーティングレンズ
素子であり、光源から出射して投光光学系9により平行
光となって第1物体面法線に対し斜入射した後、+1次
回折光は点(0,0,−z1)に集光するように出射し、−1
次回折光は点(0,0,z1)から出射するような発散波とな
って第1物理光学素子3を出射する。
The first physical optical element 3 is a single pattern grating lens element as shown in FIG. 8 (A) as in the first embodiment, and is emitted from the light source to be collimated by the light projecting optical system 9. After being obliquely incident on the normal to the first object plane, the + 1st order diffracted light is emitted so as to be condensed at a point (0,0, −z 1 ), and −1
The second-order diffracted light becomes a divergent wave that emerges from the point (0,0, z 1 ) and emerges from the first physical optical element 3.

第2物理光学素子4a,4bの光学はxY座標系でそれぞれ
(δ1,0),(δ2,0),(δ<0,δ<g)の位置に
Z軸に平行に存在する。
The optics of the second physical optical elements 4a and 4b exist in the xY coordinate system at positions (δ 1 , 0), (δ 2 , 0), and (δ 1 <0, δ 2 <g) parallel to the Z axis. To do.

第8図(B)は同図(A)の第6実施例のグレーティ
ングレンズ系の要部パワー配置図である。第1物理光学
素子3に入射した平行光束は回折作用を受けて+1次回
折光は点F1に収束するように凸パワー(収斂)光束とな
り、−1次回折光は点F2を虚像点とする発散光、即ち凹
パワー光束である。
FIG. 8B is a power layout diagram of a main part of the grating lens system of the sixth example of FIG. The parallel light flux incident on the first physical optical element 3 is diffracted and the + 1st order diffracted light becomes a convex power (convergent) light flux so as to converge to the point F 1 , and the −1st order diffracted light sets the point F 2 as a virtual image point. It is divergent light, that is, a concave power luminous flux.

凸パワー光束、凹パワー光束はそれぞれ第2物理光学
素子4a,4bで共に−1次の回折作用を受け、それぞれの
像点F1,F2かセンサ面上の点S1,S2に光量重心位置として
結像される。点S1,S2の位置は像点F1,F2と第2物理光学
素子の光軸中心O1,O2をそれぞれ結ぶ直線が検出面と交
わる位置として幾何光学的に対応づけることができる。
The convex power light flux and the concave power light flux are respectively subjected to the -1st-order diffracting action by the second physical optical elements 4a and 4b, and the light amount is applied to the respective image points F 1 and F 2 or the points S 1 and S 2 on the sensor surface. An image is formed as the position of the center of gravity. The positions of the points S 1 and S 2 may be geometrically associated as positions where the straight lines connecting the image points F 1 and F 2 and the optical axis centers O 1 and O 2 of the second physical optical element intersect the detection surface. it can.

本実施例では第2物理光学素子4の凹レンズ素子4aの
光軸中心と、凸レンズ素子4bの光軸中心とを、第1物理
光学素子3の光軸中心位置を中心として、それぞれx軸
方向にδ1(δ<0,δ<0)ずらしたものであ
る。
In the present embodiment, the optical axis center of the concave lens element 4a of the second physical optical element 4 and the optical axis center of the convex lens element 4b are respectively centered on the optical axis center position of the first physical optical element 3 in the x-axis direction. δ 1 , δ 21 <0, δ 2 <0) are shifted.

このようにすることにより、位置ずれ量0のときのそ
れぞれのアライメント信号光束の光量重心位置の位置ず
れ検出方向距離は0とならず、所定の値となり、2つの
アライメント信号光束間の分離が容易となる。
By doing so, when the amount of misalignment is 0, the distances in the misalignment detection direction of the light amount centroid positions of the respective alignment signal light beams do not become 0 but become a predetermined value, and it is easy to separate the two alignment signal light beams. Becomes

第9図(A)は本発明の第7実施例の要部概略図であ
る。
FIG. 9 (A) is a schematic view of the essential portions of a seventh embodiment of the present invention.

本実施例では第2物理光学素子を第2図(F)に示す
ようなパターンの軸対称グレーティングレンズ4a,4bを
用いている。
In this embodiment, the second physical optical element uses axially symmetric grating lenses 4a and 4b having a pattern as shown in FIG.

グレーティングレンズ4a,4bの光軸中心は第2図
(F)に示すように第2物理光学素子4のマーク領域長
手方向の中心位置からそれぞれ+,−方向にある。本実
施例では4分割点の位置にあるように設定した。
The optical axis centers of the grating lenses 4a and 4b are respectively in the + and-directions from the center position of the second physical optical element 4 in the longitudinal direction of the mark area, as shown in FIG. In this embodiment, it is set so as to be at the position of the four division points.

第9図(B)は本実施例のグレーティングレンズによ
る位置ずれ量拡大検出系のパワー配置図である。第2物
理光学素子4の凹レンズ素子4aの光軸中心と、凸レンズ
素子4bの光軸中心とを位置ずれ量0時、第1物理光学素
子3の光軸中心位置を基準としてそれぞれx軸方向にδ
1(δ<0,δ<0)ずらしたものである。
FIG. 9B is a power arrangement diagram of the position shift amount expansion detection system by the grating lens of this embodiment. When the positional deviation amount between the optical axis center of the concave lens element 4a of the second physical optical element 4 and the optical axis center of the convex lens element 4b is 0, the optical axis center position of the first physical optical element 3 is used as a reference in the x-axis direction. δ
1 , δ 21 <0, δ 2 <0).

このように位置ずれ量0時においても位置ずれ信号光
束を第1物体への入射面外に光路をねじることにより、
入射面内で生じる不要な回折光(第1,第2物理光学素子
のフラウンホーファ回折光)とアライメント信号等との
クロストークを回避することができるばかりでなく、位
置合わせ光学系中の投光、受光光学系及びセンサの位置
と第1,第2物体系との位置の間に変動が起こっても位置
ずれ量検出誤差を解消することができる。
Thus, even when the amount of displacement is 0, the displacement signal light beam is twisted along the optical path outside the plane of incidence on the first object,
Not only is it possible to avoid crosstalk between unnecessary diffracted light (Fraunhofer diffracted light of the first and second physical optical elements) and the alignment signal, etc. that occur in the plane of incidence, but also to project light in the alignment optical system, Even if a change occurs between the positions of the light receiving optical system and the sensor and the positions of the first and second object systems, the positional deviation amount detection error can be eliminated.

第10図は本発明の第8実施例の要部概略図であり、本
実施例は半導体露光製造装置のマスク(或はレチクル)
とウエハとの位置合わせに適用したものである。同図に
おいてアライメントピックアップヘッド24から出射され
た光ビームは、マスク1及びウエハ2上のマーク20上へ
照射され、反射あるいは回折された光は再びアライメン
トピックアップヘッド24へ出射される。アライメントピ
ックアップヘッド24は第1図(C),(D)に示すよう
にステージ21へ取り付けられアライメント領域に応じて
自由に2次元的に移動できるように構成されておりステ
ージコントロール部22により制御される。このとき、ス
テージ21はスーパーフラットベースプレート23でガイド
されており、ピッチング、ヨーイングは生じないように
設計されている。ステージコントロール部22はアライメ
ント及び間隔制御開始時にステージ21を駆動させてヘッ
ド24をあらかじめ記憶されているマスク及ぶウエハの評
価用マーク20の照明及び検出の為の位置へ移動させる。
FIG. 10 is a schematic view of the essential portions of an eighth embodiment of the present invention. This embodiment is a mask (or reticle) of a semiconductor exposure manufacturing apparatus.
It is applied to the alignment between the wafer and the wafer. In the figure, the light beam emitted from the alignment pickup head 24 is irradiated onto the mark 20 on the mask 1 and the wafer 2, and the reflected or diffracted light is emitted to the alignment pickup head 24 again. The alignment pickup head 24 is attached to the stage 21 as shown in FIGS. 1 (C) and (D), and is configured to be freely two-dimensionally movable according to the alignment area, and is controlled by the stage controller 22. It At this time, the stage 21 is guided by the super flat base plate 23, and is designed so that pitching and yawing do not occur. The stage control unit 22 drives the stage 21 at the start of alignment and interval control to move the head 24 to a position for illuminating and detecting the mask and wafer evaluation mark 20 stored in advance.

尚、本発明の適用は半導体製造装置の位置合わせ機構
に限定されるものではなく、例えばホログラムの露光、
再生時のホログラム素子セッティングの際の位置合わ
せ、多色印刷機械の位置合わせ、半導体チップのボンデ
ィング工程、プリント基板、回路の検査装置における位
置合わせ工程、その他、光学部品、光計測システムの調
整時の位置合わせ、間隔測定など広く適用可能である。
The application of the present invention is not limited to the alignment mechanism of a semiconductor manufacturing apparatus, and for example, hologram exposure,
When aligning hologram elements during playback, aligning multicolor printing machines, bonding semiconductor chips, aligning processes in printed circuit boards and circuit inspection equipment, and other adjustments of optical components and optical measurement systems. It is widely applicable to positioning and spacing measurement.

(発明の効果) 以上のように本発明によれば位置合わせを行なう第1,
第2物体面上の一方の物体面上に一つの素子で同時に凸
レンズ素子と凹レンズ素子として機能する単一のパター
ンを有するアライメントマークとしての第1物理光学素
子を設け、該第1物理光学素子からの符号の異なる回折
次数の光束を凸レンズ素子用のパターンと凹レンズ素子
用のパターンを他方の物体面上に形成した第2物理光学
素子を介し、又は第1,第2物理光学素子を通過する光束
の順序を逆にして用いることにより、第1物体と第2物
体との相対的な位置ずれ量に対して符号の異なる拡大倍
率でセンサ面上で光量重心位置が変位する2つのアライ
メント信号光束を生成し、その光量重心位置間距離を検
出することにより、 (イ)反斜面である位置合わせ物体のウエハ面が傾斜す
るか、或はレジストの塗布むらや、露光プロセス中に生
じるそりなどのローカルな傾き等によってアライメント
光の重心位置が変動しても2つのアライメント信号光の
相対的な重心位置検知を行うことにより、ウエハ面の傾
斜に左右されずに正確に位置ずれを検出することができ
る。
(Effect of the invention) As described above, according to the present invention,
A first physical optical element as an alignment mark having a single pattern that simultaneously functions as a convex lens element and a concave lens element with one element on one object surface on the second object surface is provided. Of light beams of different diffraction orders having different signs of through the second physical optical element on which the pattern for the convex lens element and the pattern for the concave lens element are formed on the other object plane, or the light flux passing through the first and second physical optical elements By reversing the order of, the two alignment signal light fluxes in which the light amount barycenter position is displaced on the sensor surface at the enlargement magnification with a different sign with respect to the relative positional displacement amount between the first object and the second object are used. By generating the light amount and detecting the distance between the positions of the centers of gravity, (a) the wafer surface of the alignment object, which is an anti-slope surface, is tilted, or the resist coating unevenness occurs, or during the exposure process. Even if the position of the center of gravity of the alignment light changes due to a local tilt of the warp or the like, the relative position of the center of gravity of the two alignment signal lights is detected, so that the position of the wafer is accurately shifted regardless of the tilt of the wafer surface. Can be detected.

(ロ)アライメントヘッドの位置がマスクに対して相対
的に変動した為に、アライメント信号光のセンサ上の重
心位置が変動しても2つのアライメント信号光の相対的
な重心位置検知を行うことにより、アライメントヘッド
の位置ずれに左右されない。
(B) Since the position of the alignment head changes relative to the mask, even if the position of the center of gravity of the alignment signal light on the sensor changes, the relative position of the center of gravity of the two alignment signal lights is detected. , It is not affected by misalignment of the alignment head.

(ハ)同一のアライメントマークで倍率符号の異なる2
系統の系を構成し、総合倍率をかせぐことができ、各系
統単独の場合と比較し約2倍の感度のアライメント信号
を得ることができる。
(C) 2 with the same alignment mark but different magnification code
It is possible to construct a system of lines and earn a total magnification, and it is possible to obtain an alignment signal with about twice the sensitivity as compared with the case of each line alone.

(ニ)位置合わせ物体に対し、アライメント光束を斜入
射投光、位置合わせ物体からアライメント光束を斜出射
して、これを受光するように構成することができ、位置
合わせ投光光学系及び受光光学系、センサ等を1つの筺
体中に納め位置ずれ検出系をコンパクトにすることがで
きる。更に半導体露光プロセスにおいて、位置合わせ完
了後、露光領域から上記位置ずれ検出系を退避する必要
がなく、露光プロセスのスループット向上、退避に伴う
振動等の防止を可能としている。
(D) The alignment light beam can be obliquely projected onto the alignment object, and the alignment light beam can be obliquely emitted from the alignment object to receive the alignment light beam. The system, the sensor, and the like can be housed in one housing to make the position shift detection system compact. Further, in the semiconductor exposure process, it is not necessary to evacuate the positional deviation detection system from the exposure area after the alignment is completed, and it is possible to improve the throughput of the exposure process and prevent vibrations and the like due to the evacuation.

(ホ)位置合わせマークの一方が単一パターンである
為、マーク構成がシンプルで形成も容易となる。
(E) Since one of the alignment marks has a single pattern, the mark structure is simple and easy to form.

等の特長を有した位置合わせ装置を達成することがで
きる。
It is possible to achieve a positioning device having such features.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(A)は本発明の第1実施例の要部概略図、第1
図(B),(C),(D)は本発明の第1実施例を半導
体製造用の露光装置に適用したときの要部概略図、第1
図(E)は本発明に係る位置合わせに関するフローチャ
ート図、第1図(F)は本発明に係る位置合わせ装置に
おける位置ずれ量を検出する際の模式図、第2図(A)
〜(H)は本発明に係る物理光学素子の一実施例の説明
図、第3図は第1図の一部分の光路の概略図、第4図,
第5,第6図,第7図,第8図(A),第9図(A),第
10図は順に本発明の第2〜第8実施例の要部概略図、第
8図(B),第9図(B)は第6,第7実施例の第1,第2
物理光学素子の要部パワー配置図、第11,第12図は従来
の位置合わせ装置の概略図である。 図中、1は第1物体、2は第2物体、3は第1物理光学
素子、4は第2物理光学素子、4a,4bは第1,第2アライ
メントマーク、9は投射用レンズ、31は光源、38,39は
センサである。
FIG. 1 (A) is a schematic view of a main part of a first embodiment of the present invention.
1 (B), (C) and (D) are schematic views of a main part when a first embodiment of the present invention is applied to an exposure apparatus for semiconductor manufacturing.
FIG. 1E is a flow chart diagram relating to the alignment according to the present invention, FIG. 1F is a schematic diagram for detecting a positional deviation amount in the alignment device according to the present invention, and FIG. 2A.
(H) is an explanatory view of an embodiment of the physical optical element according to the present invention, FIG. 3 is a schematic view of an optical path of a part of FIG. 1, FIG.
5, 6, 7, 7, 8 (A), 9 (A),
FIG. 10 is a schematic view of the essential parts of the second to eighth embodiments of the present invention, and FIGS. 8 (B) and 9 (B) are the first and second embodiments of the sixth and seventh embodiments.
11 and 12 are schematic layout diagrams of a conventional alignment device. In the figure, 1 is a first object, 2 is a second object, 3 is a first physical optical element, 4 is a second physical optical element, 4a and 4b are first and second alignment marks, 9 is a projection lens, 31 Is a light source, and 38 and 39 are sensors.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−233305(JP,A) 特開 平1−285804(JP,A) 特開 平1−209305(JP,A) 特開 平1−209304(JP,A) 特開 平1−207605(JP,A) 特開 昭64−106427(JP,A) 特開 昭64−63802(JP,A) 特開 昭64−55824(JP,A) 特開 昭64−55823(JP,A) 特開 昭63−247602(JP,A) 特公 平5−4603(JP,B2) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-1-233305 (JP, A) JP-A-1-285804 (JP, A) JP-A-1-209305 (JP, A) JP-A-1- 209304 (JP, A) JP-A-1-207605 (JP, A) JP-A 64-106427 (JP, A) JP-A 64-63802 (JP, A) JP-A 64-55824 (JP, A) JP-A-64-55823 (JP, A) JP-A-63-247602 (JP, A) JP-B-54603 (JP, B2)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1物体と第2物体とを対向させて相対的
な位置決めを行なう際、該第1物体面上と該第2物体面
上に各々第1,第2物理光学素子を形成し、該第1物理光
学素子に光を入射させたときに生ずる回折光を該第2物
理光学素子に入射させ、該第2物理光学素子により所定
面上に生ずる回折パターンの光束位置を検出手段により
検出することにより、該第1物体と該第2物体との相対
的な位置決めを行なう際、該第1又は第2物理光学素子
のうち一方の物理光学素子Aを単一のマーク形状を有す
るレンズ素子より構成すると共に該物理光学素子Aから
生ずる異なる次数の2つの回折光が所定面上で該第1物
体と第2物体の相対的な位置ずれ量に対し、互いに符号
の異なる倍率で変位するように構成したことを特徴とす
る位置合わせ装置。
1. When a first object and a second object are opposed to each other for relative positioning, first and second physical optical elements are formed on the first object surface and the second object surface, respectively. Then, the diffracted light generated when light is incident on the first physical optical element is incident on the second physical optical element, and the light beam position of the diffraction pattern generated on the predetermined surface by the second physical optical element is detected. When the relative positioning of the first object and the second object is performed, one of the first and second physical optical elements A has a single mark shape Two diffracted lights of different orders, which are composed of a lens element and are generated from the physical optical element A, are displaced on a predetermined surface by magnifications having mutually different signs with respect to the relative positional deviation amount of the first object and the second object. Positioning device characterized by being configured to
【請求項2】前記第1又は第2物理光学素子のうち他方
の物理光学素子Bを複数のマーク形状を有するレンズ素
子より構成し、該物理光学素子Bにより入射光束を所定
の次数で回折させることにより該2つの物理光学素子A,
Bにより各々凹レンズ作用と凸レンズ作用を有する凹凸
検出系と凸レンズ作用と凹レンズ作用を有する凸凹検出
系の2つの検出系を構成し、該2つの検出系によって生
ずる回折光を検出手段により検出し、該検出手段からの
出力信号を利用して該第1物体と第2物体との位置決め
を行っていることを特徴とする請求項1記載の位置合わ
せ装置。
2. The other physical optical element B of the first or second physical optical element is composed of a lens element having a plurality of mark shapes, and the physical optical element B diffracts an incident light beam in a predetermined order. The two physical optical elements A,
B comprises two detection systems, a concave-convex detection system having a concave lens action and a convex lens action, and a convex-concave detection system having a convex lens action and a concave lens action, respectively, and diffracted light generated by the two detection systems is detected by a detection means. The alignment apparatus according to claim 1, wherein the first object and the second object are positioned by using an output signal from the detection means.
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