JP2513301B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位置検出装置に関し、例えば半導体素子製造
用の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マス
ク」と総称する。）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位置決め
（アライメント）を行う場合に好適な位置検出装置に関
するものである。

（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。

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。

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。

第10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。

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に集光させた
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。

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をウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。

第11図は第10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。

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。

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。

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。

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。

（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、第１信号光としてのアライメント光束
に対して第２信号光としての参照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。

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。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、対向する第１物体と第２物
体に光束を照射する光源手段と、前記第１物体と第２物
体から射出する、前記第１、第２物体間の対向方向と直
交する方向に関する位置ずれと少なくとも一方の物体の
傾きとによって所定面上の入射位置が変化する第１光束
の該入射位置を検出する第１検出手段と、前記第１物体
と第２物体から出射し、かつ前記第１、第２物体間の対
向方向と直交する方向に関する位置ずれと前記一方の物
体の傾きとによって所定面上への入射位置が変化し、更
にかつ前記第１、第２物体間の対向方向と直交する方向
に関する位置ずれによる所定面上への入射位置が前記第
１光束と異なる倍率で変化する第２光束の入射位置を検
出する第２検出手段と、前記第１及び第２検出手段の検
出結果によって、前記第１物体と第２物体との対向方向
と直交する方向に関する位置ずれを検出する位置ずれ検
出手段とを有することを特徴としている。

具体的には、物理光学素子としての機能を有する第１
アライメントマークと第１参照マークを形成した第１物
体と第２物体面上に物理光学素子としての機能を有する
第２アライメントマークと第２参照マークを形成した第
２物体との相対位置を検出する際に、該第１アライメン
トマークに光束を入射させたときに生ずる回折光を該第
２アライメントマークに入射させ、該第２アライメント
マークからの回折光の位置を第１検出手段で検出し、該
第１検出手段からの信号と該第１参照マークに光束を入
射させ、該第１参照マークから生ずる回折光を該第２参
照マークに入射させ、該第２参照マークから生じた回折
光の位置を第２検出手段で検出し、該第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
との位置検出を行い、かつ該第１検出手段に入射する光
束の入射位置と該第２検出手段に入射する光束の入射位
置が、該第１物体と第２物体の位置ずれに対して互いに
異なる倍率で変位するように各要素を設定したことであ
る。

（実施例） 第１図は本発明の第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。5,3は各々第１信号光を得る為の第1,第２アライメ
ントマークであり、各々マスク１面上てウエハ２面上に
設けられている。6,4は各々第２信号光を得る為の第1,
第２参照マークであり、各々マスク１面上とウエハ２面
上の第1,第２アライメントマーク5,3に隣接して設けら
れている。第1,第２アライメントマーク3,5と第1,第２
参照マーク6,4は、例えばフレネルゾーンプレート等の
グレーティングレンズより成り、マスク１面上とウエハ
２面上のスクライブライン9,10上に設けられている。７
は第１信号光（第１光束）としてのアライメント光束
（以下、単に信号光ともいう。）、８は第２信号光（第
２光束）としての参照光束であり、これらの光束7,8は
アライメントヘッド内の光源7aから出射する。出射光束
は不図示のコリメータレンズで所定のビーム径にコリメ
ートされ光源7aと共に投光手段（光源手段）を形成して
いる。

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザ
ー、H_e-N_eレーザー、Ａ_rレーザー等のコヒーレント光束
を放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒーレント
光束を放射する光源等である。11,12は各々第１検出手
段と第２検出手段としてのセンサ（受光器）であり、ア
ライメント光束７と参照光束８を受光する例えば１次元
CCD等より成っている。１次元CCDの素子配列方向は位置
検出方向（Ｘ方向）に一致している。本実施例ではアラ
イメント光束７と参照光束８は各々マスク１面上の第１
アライメントマーク５と第１参照マーク６に所定の角度
で入射した後透過回折し、更にウエハ２面上の第２アラ
イメントマーク３と第２参照マーク４で反射回折し、セ
ンサ11,12面上に入射している。そしてセンサ11,12で該
センサ面上に入射したアライメント光束と参照光束の重
心位置を検出し、該センサ11,12からの出力信号を利用
してマスク１とウエハ２について位置合わせを行ってい
る。

ここで光束の重心と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強度を乗算
したものを受光面全面で積分したときに積分値が０ベク
トルになる点のことである。

別の実施例として光強度がピークとなる点の位置を検
出してもよい。

次に本発明の位置ずれ量検知方法の原理を第12図〜第
14図を用いて詳細に説明する。

第12図は本発明に係るマスク１、ウエハ２そしてセン
サ11の光学配置を示す説明図である。同図は第１光束と
しての信号光束（アライメント光束）の光路を示してい
る。

今、マスク１とウエハ２とが平行方向にΔσずれてお
り、ウエハ２からウエハ２のグレーティングレンズ３で
反射した信号光束の集光点までの距離をｂ、マスク１の
グレーティングレンズ５を通過した信号光束の集光点ま
での距離をａとすると検出面11上での集光点の重心ずれ
量Δδは となる。即ち重心ずれ量Δδは（b/a＋１）倍に拡大さ
れる。

例えば、ａ＝0.5mm、ｂ＝50mmとすれば重心ずれ量Δ
δは（ａ）式より101倍に拡大される。

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは
（ａ）式より明らかのように比例関係となる。検出器11
の分解能が0.1μｍであるとすると位置ずれ量Δσは0.0
01μｍの位置分解能となる。

このときのａの値を調整することにより第13図に示す
ように同様のグレーティングレンズ４と６を経由した参
照光束８のマスクとウエハとの位置ずれ量Δσに対する
集光点の重心ずれ量Δδの倍率を、信号光束７と異なら
せることができる。信号光束７、参照光束８のΔσとΔ
δとの関係式をそれぞれm,nを定数とし、 Δδ＝ｍ・Δσ Δδ＝ｎ・Δσ とすると、マスクとウエハとの位置ずれ量Δσに対する
信号光束７と参照光束８の検出面上での位置ずれ検出方
向に沿った集光点位置間隔の変動Ｘは Ｘ＝（ｍ−ｎ）・Δσ と表わされる。即ち信号光束７と参照光束８の入射位置
間隔が位置ずれと比例関係にあることになる。

参照光束８のセンサ12面上での位置ずれ検出方向の入
射位置（ｗ₂とする。）を基準点とし、信号光束７のセ
ンサ11面上での位置ずれ検出方法の入射位置（Ｗ₁とす
る。）を測定することによりマスク１とウエハ２との位
置ずれ量を求めている。

本実施例においては、例えば第12,第13図に示す光学
配置で決まる位置ずれ検出感度をＡ（＝ｍ−ｎ）とする
と位置ずれ量Ｘは Ｘ＝（Ｗ₂−Ｗ₁）/A となる。位置合わせにおいてはＸの値が０となるように
所定の許容範囲ε１とε２との間に入るように位置合わ
せを行なう物体のいずれか一方の物体を動かせば良い。

ただし、Ｘの値は必ずしも０に収束するように光学系
及び信号処理系を設定し、制御しなくてもよく、例えば
位置ずれ０のときＸが所定の目標値ε（有限値）に収束
するようにしてもよい。以上の手順を第14図に示す。こ
の目標値は設計値より計算で求まるが例えばマスクパタ
ーンの露光転写の後、重ね合わせ精度を評価して決定し
て、即ち試し焼により求めてもよい。

次に本実施例における第1,第２アライメントマーク5,
3と第1,第２参照マーク6,4について説明する。

アライメントマーク3,5と参照マーク6,4は各々異った
値の焦点距離を有するフレネルゾーンプレート（又はグ
レーティングレンズ）より成っている。これらのマーク
の寸法は各々スクライブライン方向に140μｍ、スクラ
イブライン幅方向（ｙ方向）に50μｍである。

本実施例においてはアライメント光束７と参照光束８
は、いずれもマスク１に対して入射角10°で、マスク１
面への射影成分がスクライブライン方向（ｘ方向）に直
交するように入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント
光束７と参照光束８は各々グレーティングレンズ5,6の
レンズ作用を受けて収束（又は発散）光となり、マスク
１からその主光線がマスク１の法線に対して所定角度に
なるように射出している。

そして第１アライメントマーク５と第１参照マーク６
を透過回折したアライメント光束７と参照光束８を各々
ウエハ面２の鉛直下方119.0μｍと238.0μｍの点に集光
させている。このときのアライメントマーク５と参照マ
ーク６の焦点距離は各々134μｍ、268μｍである。又、
マスク１とウエハ２との間隔は30μｍである。

アライメントマーク５で透過回折した光はウエハ２面
上の第２アライメントマーク３で凹（凸）レンズ作用を
受け、第１検出手段としてのセンサ11面上の一点に集光
している。このときセンサ11面上へは光束がアライメン
トマーク5,3の位置ずれ、即ち軸ずれが拡大された状態
となって入射し、この結果センサ11面上への入射光束の
重心位置が変動している。

本実施例ではマスク１とウエハ２の位置ずれが０のと
き、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウエハ２
上のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、ア
ライメント光束の主光線のウエハ２からの出射角が面法
線に対して５度、又、位置ずれが０のときの出射光のウ
エハ２面上への射影成分がスクライブライン幅方向（ｙ
方向）と直交し所定位置、例えばウエハ２面から20mmの
高さに位置しているセンサ11面上に集光するように設定
している。

又、第１参照マーク６で透過回折した光はウエハ２面
上の第２参照マーク４で結像点の横ずれをアライメント
光と異なる倍率で拡大して、出射角８度、ウエハ２面へ
の射影成分が位置ずれが０のときスクライブライン幅方
向と直交するように射出し、第２検出手段としてのセン
サ12面上に集光している。

次に本実施例における第1,第２アライメントマーク5,
3と第１参照マーク６（グレーティングレンズ）の製造
方法の一実施例を述べる。

まず、マスク用のマーク5,6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。

今、第１図のようにマスク１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、マスク面１の法
線方向にｚ軸をとる。マスク面１の法線に対しαの角度
で入射し、その射影成分がスクライブライン方向と直交
する平行光束がマスク用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。

主光線を角度αで入射し、マスク面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
に対しマスク上の点（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２図（Ａ）
にマスク１上の第１アライメントマーク、同図（Ｂ）に
第１参照マークを示す。

一方、ウエハ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。点光源上の各点はマスク１と
ウエハ２の露光時のギャップをｇとおくと（ｘ₁,y₁,z₁
−ｇ）で表わされる。（ｙは変数）マスク１とウエハ２
の位置合わせはｘ軸あるいはｙ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、
ウエハ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。

（２）式はウエハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマス
ク面上原点及びウエハ面上の点（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、ウ
エハ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。

第３図（Ａ）にウエハ２上の第２アライメントマー
ク、同図（Ｂ）に第２参照マークを示す。

一般にマスク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の振幅型グレーティング素子として作成されてい
る。又、ウエハ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。（１），（２）
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、マスク１上のグ
レーティングレンズでは透明部と遮光部の線幅の比が1:
1であること、ウエハ２上のグレーティングレンズでは
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。

マスク１上のグレーティングレンズはポリイミド製の
有機薄膜上に予めEB露光で形成したレチクルのレンズグ
レーティングパターンを転写して形成した。

又、ウエハ２の上マークはマスク上にウエハの露光パ
ターンを形成したのち露光転写して形成した。

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信号光と参照光である第２信号光との
関係について説明する。

本実施例においては参照光とアライメント用の信号光
はウエハ面の法線に対して各々８°,5°の角度で出射す
る。又、スクライブライン方向に対しては位置ずれが０
のときの光束7,8はウエハ面射影成分が直交する角度で
出射する。センサ11,12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。

センサ11,12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11,12
の配置されたSi基板は、その法線が位置ずれが０のとき
アライメント光出射角と参照出射角の２等分線と略平行
に配置されている。

センサ11,12のサイズは信号光用のセンサ11が幅1mm、
長さ6mm、又参照光用のセンサ12が幅1mm、長さ1mmであ
る。又、各画素のセイズは25μｍ×500μｍである。

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。

本実施例に係るマスク用のグレーティングレンズとウ
エハ用のグレーティングレンズの設計例では、マスクと
ウエハの位置ずれをアライメント光は200倍、参照光で
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、マスクとウエハ間に0.01μｍ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２μｍ、参照光は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。

本実施例において、ウエハ面２がxz面内で1mrad傾斜
したとすると、センサ11上では信号光束は約20μｍ重心
移動を起こす。一方、第２信号光としての参照光束８も
アライメント光である信号光束７と軸対称、即ちxy平面
への射影成分が信号、参照両光束のウエハへの入射点２
点を結ぶ線分の中間点を通るｙ軸に平行な直線に関し、
線対称で、且つ光路長の等しい光路を通るのでセンサ12
上では、信号光と全く等しい重心移動を起す。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、ウエハ面がxz
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。

一方、ウエハがyz面内で傾斜すると、信号光束、参照
光束ともにセンサ（１次元のCCD）の素子配列方向と直
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、参照光がなくても実効的なアライメン
ト誤差にはならない。

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、マスク−
ウエハ系に対して位置の変動を起こした場合、例えばヘ
ッドをマスクに対して５μmx方向に移動したとする。こ
のとき信号光はセンサ11上で5.0μｍの実効的重心移動
を起こし、これに対して参照光もセンサ12上で全く等し
く5.0μｍの重心移動を起こす。

同様にマスク面とヘッドとの間にｚ方向に10μｍの変
動が起こると、信号光用のセンサ11及び参照光用のセン
サ12で共に３μｍ光束の重心移動を起こす。

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち、信号光
の重心位置出力と参照光の重心位置の出力との差信号は
何ら変動しない。

又、ｙ軸方向の位置の変動は参照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。

本実施例においてマスク、ウエハ間の位置ずれ量Δσ
は、センサ上でのアライメント光としての信号光と参照
光の重心位置をそれぞれｗ₁,w₂、そのときのウエハ面の
マスク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は各々アライメント系と参照系の位置ずれ
量の拡大倍率、ｃ_i（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アライメン
ト光と参照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。

Δσ＝（ｗ₁−ｗ₂）／（ｍ−ｎ） このようにウエハ面の傾斜、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。

第４図は本発明の第２実施例の概略図である。本実施
例では第１図の第１実施例と同様に参照光束の設定手段
として、所定のグレーティングレンズより成る第１参照
マーク６と第２参照マーク14を用いている。

マスク１面上の互いに隣接するグレーティングレンズ
より成る第１アライメントマーク５と第１参照マーク６
は第１実施例と同様にマスク１面の法線に対して所定の
角度で入射した光束7,8をマスク１面の鉛直下方に各々2
38.0μｍ、119.0μｍの位置に集光するように設定され
ている。

一方、ウエハ２面上の第２アライメントマーク13はマ
ークの形成された領域の中心を通るマスク１面の法線に
対して軸対称な形状のグレーティングレンズより成り、
アライメント光用として焦点距離239.4μｍのフレネル
ゾーンプレートより成っている。又、これに隣接して第
２参照マーク14として焦点距離130.0μｍのマスク１面
の法線に対して軸対称のグレーティングレンズを形成し
ている。

本実施例においては、マスク１面の第１アライメント
マーク５を透過回折した球面波はウエハ２面上の第２ア
ライメントマーク13で反射回折した後、マスク１面上を
０次回折光として透過し、アライメント光（信号光）と
してセンサ21で検出される。

従って、マスクとウエハのアライメントが完了した時
には、信号光の主光線はウエハ面上から鉛直上方に反射
し、マスク面を０次で透過してマスク面鉛直上方のセン
サ21に到達する。

信号光及び参照光の基本光路は平行、かつ光路長が等
しいので、ウエハ面の傾斜に対しては信号光と参照光は
センサ上で全く等しい重心移動を生じる。同様にアライ
メントヘッドの位置の変動があっても重心移動は信号光
と参照光との間で相対的に起こらない。

一方、ウエハ上のグレーティングレンズ13,14は軸対
称であり、信号光，参照光の主光線の向きは反対称のウ
エハ面の反射の作用を受けて、再びマスク−ウエハ面に
対して垂直方向に戻る。第１実施例のようにウエハ面か
ら斜めに偏向させると共にレンズパワーを持たせたグレ
ーティング素子に比べて回折効率を高くすることができ
る。

第１実施例においてはウエハ面上のマークの回折効率
は５％であり、第２実施例では15％に向上させている。
又、信号光のセンサ面に到達するトータル光量は第１実
施例に比べて約３倍である。

この結果、センサのS/Nが向上し、重心位置測定の分
解能は0.1μｍに向上している。

又、アライメント計測時間も1/3で露光システムのト
ータルスループットをより向上させている。

第５図は本発明の第３実施例の概略図である。本実施
例では第１図の第１実施例と同様に参照光束の設定手段
として、所定のグレーティングレンズより成る第１参照
マーク６と第２参照マーク４を用いている。

マスク面上の互いに隣接するグレーティングレンズ5,
6は第１実施例と同じマスク面法線に対して所定の角度
で入射した光束をマスク面鉛直下方にそれぞれ、119.0
μｍ、238.0μｍの位置で集光するように設定されてい
る。

本実施例では第１アライメントマーク５と第１参照マ
ーク６、そして第２アライメントマーク４と第２参照マ
ーク３を各々スクライブライン10,9の幅方向（ｙ方向）
に互いに隣接させて設けている。

本実施例ではマスク１とウエハ２の位置ずれが０のと
き、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウエハ２
上のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、ア
ライメント光束の主光線のウエハ２からの出射角が５
度、又、このときの出射光のウエハ２面上への射影成分
がスクライブライン幅方向（ｙ方向）と直交し所定位
置、例えばウエハ２面から20mmの高さに位置しているセ
ンサ11面上に集光するように設定している。

又、第１参照マーク６で透過回折した光はウエハ２面
上の第２参照マーク４で結像点の横ずれをアライメント
光と異なる倍率で拡大して出射角８度、ウエハ２面への
射影成分がスクライブライン幅方向と直交するように射
出し、第２検出手段としてのセンサ12面上の一点に集光
している。

このとき参照マーク6,4を経た参照光束はマスク１と
ウエハ２との間に位置ずれがあると、第１の実施例と同
様、100倍の倍率（信号光は200倍）で拡大してセンサ12
面上で光量重心移動を起こす。

本実施例では信号光及び参照光用のセンサ11,12は、
それぞれの光束のウエハ面からの線法線に対する出射角
５°,8°の２線が成す角の２等分線に関して対称になる
ように設定した。又、センサ11,12は同一基板上に形成
し、センサの基板と２光束のウエハからの出射角の２等
分線とは直交するように（即ち、マスク（或はウエハ）
面法線に対して6.5°の角度をなすように）基板を設置
した。この結果、ウエハ面から出射する信号光と参照光
はセンサ基板に対して軸対称で、かつ光路長が等しいの
で、ウエハ面の傾斜に対しては信号光と参照光はセンサ
上で全く等しい重心移動を生じる。同様にアライメント
ヘッドの位置の変動があっても重心移動は、信号光と参
照光との間で相対的に起こらないようにしている。

信号光用のマークと5,3と参照光用の6,4のサイズは、
それぞれスクライブライン方向に280μｍ、スクライブ
ラインの幅方向に40μｍである。又、アライメントの方
向はスクライブライン方向にとっている。

第３実施例においては、マークの配列をスクライブラ
インの幅方向にとったが、この結果第1,第２実施例に比
べて次の長所を有している。

第1,第２実施例ではスクライブライン方向に信号光用
マークと参照光用マークを配列している。アライメント
マークの設定領域がスクライブライン上の一定の面積
（例えば280μｍ×80μｍ）に限られている。

この為、一定の範囲の焦点距離の結像性能の良いレン
ズを得るのが難しくなる。例えば280μｍ×80μｍの領
域をスクライブライン方向に等分割して、140μｍ×80
μｍの領域で作成する場合と幅方向に分割して280μｍ
×40μｍの領域で作成する場合とでは、グレーティング
の本数がスクライブライン方向にグレーティング方向に
約２倍異なる。一般にゾーンプレートと結像性能（解像
度）は、グレーティングの本数が多く、最小輪帯幅が小
さいものほど良い。

この為、本実施例のようにスクライブラインの幅方向
に配列して、それと直交するスクライブライン方向のレ
ンズパワーを使ってアライメントすると、センサ上での
光束の歪が少なく高分解能化、高精度化が容易となる。

第６図は本発明の第４実施例の概略図である。同図に
おいて第１図に示す第１実施例と同一要素には同符番を
付している。

次に本実施例における第1,第２アライメントマーク5,
3と第1,第２参照マーク6,4について説明する。

アライメントマーク3,5と参照マーク6,4は各々所定の
焦点距離を有するフレネルゾーンプレート（又はグレー
ティングレンズ）より成っている。

これらのマークの寸法は各々スクライブライン方向に
140μｍ、スクライブライン幅方向（ｙ方向）に50μｍ
である。

本実施例においてはアライメント光束７と参照光束８
は、いずれもマスク１に対して入射角10°で、マスク１
面への射影成分がスクライブライン方向（ｘ方向）に直
交するように入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント
光束７と参照光束８は各々グレーティング5,6のレンズ
作用を受けて収束（又は発散）光となり、マスク１から
その主光線がマスク１の法線に対して所定角度になるよ
うに射出している。

そして第１アライメントマーク５と第１参照マーク６
を透過回折したアライメント光束７と参照光束８を各々
ウエハ面２鉛直下方238.0μｍの点に集光させている。
このときのアライメントマーク５と参照マーク６の焦点
距離は268μｍである。又、マスク１とウエハ２との間
隔は30μｍにしている。

アライメントマーク５で透過回折した光はウエハ２面
上の第２アライメントマーク３で凹（凸）レンズ作用を
受け、第１検出手段としてのセンサ11面上の一点に集光
している。このときセンサ11面上へは光束がアライメン
トマーク5,3の位置ずれ、即ち軸ずれが拡大された状態
となって入射し、この結果、入射光束の重心位置が変動
している。

本実施例ではマスク１とウエハ２の位置ずれが０のと
き、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウエハ２
上のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、ア
ライメント光束の主光線のウエハ２からの出射角が面法
線に対し５度、又、このときの出射光のウエハ２面上へ
の射影成分がスクライブライン幅方向（ｙ方向）と２°
をなし所定位置、例えばウエハ２面から20mmの高さに位
置しているセンサ11面上に集光するように設定してい
る。

又、第１参照マーク６で透過回折した光はウエハ２面
上の第２参照マーク４で結像点の横ずれをアライメント
光と異なる倍率で拡大して出射角が線法線に対し５度、
ウエハ２面への射影成分がスクライブライン幅方向と−
２°となすように射出し、第２検出手段としてのセンサ
12面上に集光している。

又、位置ずれ量を検出する１次元センサ11,12は第１
実施例と同様に同一基板上に形成し、信号光と参照光の
ウエハからの出射角の２等分線と基板の面の法線とが一
致するように設定している。

又、参照光用のマークと信号光用のマークは第１実施
例に示す式（１），（２）を用いて設定している。

この結果、ウエハ面の傾斜及びアライメントヘッドの
マスク−ウエハ系に対する位置の変動は、参照光を受光
するセンサからの重心位置の検知信号と信号光を受光す
るセンサからの重心位置の検知信号とからキャンセルす
ることができ、第１実施例と同等な位置ずれ検出性能を
得ている。

尚、本発明においてはマスク上のアライメントマーク
の真下にウエハ上のアライメントマークが位置した状態
を以て位置ずれ量０と判定するようなアライメントマー
クの配列を行っているが、位置ずれ量の検出方向に対し
て、直交方向にマスク上のアライメントマークとウエハ
上のアライメントマークの配列をずらしても良い。例え
ば第５図の第３実施例のようにマスク上のスクライブラ
イン方向にマスク、ウエハ間の位置ずれ量を検出する場
合は、ウエハ上のアライメントマークをその短手方向を
ｙ方向にずらす。ここにスクライブライン方向はｘ方向
である。このようにウエハ上のアライメントマークの位
置を設けるとアライメントヘッドからマスク面に入射さ
せる光束の入射角を小さくすることができ、グレーティ
ングの間隔をアライメント光の波長（λ＝0.83μｍ）以
上にすることができ、アライメントマークの製作が容易
になる。

又、センサも第１〜第４の実施例のように１次元的に
位置ずれ量を検出するようなものである必要はなく、２
次元の重心位置検出用のセンサ、例えば２次元CCDでも
良い。

尚、本発明においては第１物体と第２物体２との間隔
及び第1,第２アライメントマーク、又は第1,第２参照マ
ークの開口の大きさに応じて各マークの屈折力を選択す
るのが良い。

例えば、第1,第２アライメントマークの開口に比較し
て間隔が大きい場合は凸凸系が良い。又、逆に開口に比
較して間隔が小さい場合は第７図に示す凹凸系、又は第
８図に示す凸凹系が良い。

更に第7,第８図に示すように第２アライメントマーク
が第１アライメントマークよりも開口を大きくとれる場
合は第７図に示す凹凸系が良く、逆に第１アライメント
マークが第２アライメントマークよりも開口を大きくと
れる場合は第８図に示す凸凹系が良い。

以上の第7,第８図に示す各実施例においては、透過型
の物理光学素子について示したが反射型の物理光学素子
を用いても同様に本発明の目的を達成することができ
る。

第９図は本発明の第５実施例の概略図である。本実施
例は所謂プロキシミティー法による半導体製造用の露光
装置において、マスクとウエハとのアライメントを行う
位置合わせ装置に関し、特にそのうちのアライメント光
のみを示すものである。

第９図において第１図で示した要素と同一要素には同
一符番を付してある。図中、１はマスク、２はウエハで
あり各々相対的な位置合わせを行う第１物体と第２物体
に相当している。５はマスク面上のマスクアライメント
パターンで第１物理光学素子に相当し、３はウエハ２面
上のウエハアライメントパターンで反射型の第２物理光
学素子に相当している。

同図において光源91から出射された光束を投光レンズ
系92で平行光束とし、ハーフミラー93を介してマスク用
のアライメントパターン５を照射している。マスクアラ
イメントパターン５は入射光束をウエハの前方の点Ｑで
集光させるゾーンプレートより成っている。点Ｑに集光
した光束はその後発散し、ウエハ用のアライメントパタ
ーン３に入射する。アライメントパターン３は反射型の
ゾーンプレートより成っており、入射光束を反射させマ
スクとハーフミラー93とを通過させた後、検出面11上に
集光している。

これによりアライメント信号を得ている。尚、参照光
による参照信号も同様の方法で得ている。このときの参
照光束も前記実施例と同様マスクとウエハとの位置ずれ
に対するセンサ上での重心位置変動がアライメント光束
と異なる倍率になるようにしている。

（発明の効果） 本考案によれば前述の光学的性質を有する第1,第２ア
ライメントマークと第1,第２参照マークを各々第1,第２
物体面上に設け、各々のマークを介して光束を利用し、
例えば第１物体としてのマスクと第２物体としてのウエ
ハの位置合わせを行う際、次のような効果が得られる。

（イ） 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参
照信号光とアライメント信号光と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。

（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参照信号光とアライメント信号光
と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ずに正確にマスク−ウ
エハ間の位置ずれを検出することができる。

（ハ） 更にマスクとウエハ間のギャップが変動して、
信号光のアライメントセンサ上のアライメント検知方向
の重心位置が変動しても参照信号光とアライメント信号
光との相対的な重心位置検知を行うことにより、ギャッ
プ変動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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の概略図、第２図
（Ａ），（Ｂ）、第３図（Ａ），（Ｂ）は第１図の一部
分の説明図、第4,第5,第６図は本発明の第2,第3,第４実
施例の光学系の概略図、第7,第８図は各々第１図の一部
分の一変形を示す説明図、第９図は本発明をプロキシミ
ティー法の半導体露光装置に適用したときの一実施例の
概略図、第10,第11図は各々従来のゾーンプレートを用
いた位置合わせ装置の説明図、第12〜第14図は本発明の
位置ずれ量検知方法を示す原理説明図である。 図中、１は第１物体（マスク）,2は第２物体（ウエ
ハ）、5,3は各々第1,第２アライメントマーク、6,4は各
々第1,第２参照マーク、７はアライメント光、８は参照
光、9,10はスクライブライン、11は第１検出系（セン
サ）、12は第２検出系（センサ）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 雄吉 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 吉井 実 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 野瀬 哲志 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−70105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−73102（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−131008（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−139205（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−55823（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−55824（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−63802（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−209305（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−285804（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−159704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−159705（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向する第１物体と第２物体に光束を照射
   する光源手段と、前記第１物体と第２物体から出射す
   る、前記第１、第２物体間の対向方向と直交する方向に
   関する位置ずれと少なくとも一方の物体の傾きとによっ
   て所定面上への入射位置が変化する第１光束の該入射位
   置を検出する第１検出手段と、前記第１物体と第２物体
   から出射し、かつ前記第１、第２物体間の対向方向と直
   交する方向に関する位置ずれと前記一方の物体の傾きと
   によって所定面上への入射位置が変化し、更にかつ前記
   第１、第２物体間の対向方向と直交する方向に関する位
   置ずれによる所定面上への入射位置が前記第１光束と異
   なる倍率で変化する第２光束の入射位置を検出する第２
   検出手段と、前記第１及び第２検出手段の検出結果によ
   って、前記第１物体と第２物体との対向方向と直交する
   方向に関する位置ずれを検出する位置ずれ検出手段とを
   有することを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】対向する第１物体と第２物体に投光手段か
   ら光束を照射し、該第１物体と第２物体を介して出射し
   てくる第１光束と第２光束の２つの光束の所定面上への
   入射位置を受光手段で検出する際、該第１光束が該第１
   物体と第２物体との対向方向と直交する方向の位置ずれ
   及び該第１物体と第２物体の少なくとも一方の物体の傾
   きによって該所定面上への入射位置が変動し、該第２光
   束が該第１物体と第２物体との対向方向と直交する方向
   の位置ずれ及び該一方の物体の傾きによって該所定面上
   への入射位置が変動し、かつ前記第１、第２物体間の対
   向方向と直交する方向に関する位置ずれによる該所定面
   上への入射位置が該第１光束と異なる倍率で変化するよ
   うに各要素を設定し、該受光手段からの出力信号を利用
   し、位置ずれ検出手段により該一方の物体の傾きの影響
   を実質的に受けずに前記第１物体と第２物体との対向方
   向と直交する方向に関する位置ずれを検出するようにし
   たことを特徴とする位置検出装置。
3. 【請求項３】物理光学素子としての機能を有する第１ア
   ライメントマークと第１参照マークを形成した第１物体
   と第２物体面上に物理光学素子としての機能を有する第
   ２アライメントマークと第２参照マークを形成した第２
   物体との相対位置を検出する際に、該第１アライメント
   マークに光束を入射させたときに生ずる回折光を該第２
   アライメントマークに入射させ、該第２アライメントマ
   ークからの回折光の位置を第１検出手段で検出し、該第
   １検出手段からの信号と該第１参照マークに光束を入射
   させ、該第１参照マークから生ずる回折光を該第２参照
   マークに入射させ、該第２参照マークから生じた回折光
   の位置を第２検出手段で検出し、該第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
   の位置検出を行い、かつ該第１検出手段に入射する光束
   の入射位置と該第２検出手段に入射する光束の入射位置
   が、該第１物体と第２物体の位置ずれに対して互いに異
   なる倍率で変位するように各要素を設定したことを特徴
   とする位置検出装置。