JP2518038B2

JP2518038B2 - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2518038B2
Application number: JP1036739A
Authority: JP
Inventors: 優和真継; 繁幸須田; 謙治斉藤; 直人阿部; 実吉井; 亮黒田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-02-16
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPH02167408A

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（信号光束位置）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27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。

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。

第28図は第27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、信
号光束として集光点78近傍にマスク位置を示す集光点78
a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、信号光束として再びマスク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。

同図に示す位置合わせ装置においては、相対的な位置
ずれ量を求める際にマスクとウエハ面上に設けたゾーン
プレートからの光を評価すべき所定面上に独立に結像さ
せて各々基準とする位置からのずれ量を求めている。

（発明が解決しようとする問題点）このように位置検出用のアライメントパターンにフレ
ネルゾーンプレート等の回折格子を用いた場合、該回折
格子の外周形状（開口形状）に応じて信号光束の周囲に
フラウンホーファ回折による像（サイドローブ）が生
じ、該サイドローブが位置ずれ検出用の検出面上に入射
し、検出面で信号光束の集光点を検出する際の誤差要因
となり、測定精度を低下させるという問題点があった。

本発明はマスク等の第１物体に対してウエハ等の第２
物体の位置検出を回折格子を利用して行う際の位置検出
を行う物体から生ずる位置情報を有する信号光束を検出
する受光手段にフラウンホーファ回折光が入射しないよ
うに各要素を設定し、高精度な位置検出が可能な位置検
出装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明は、対向配置した第１物体と第２物体の少なく
とも一方に回折格子を設け、投光手段からの位置検出用
光束を該第１物体と第２物体を介した後、受光手段面上
に導光し、該位置検出用光束の該受光手段面上への入射
位置を検出することにより該第１物体に対する該第２物
体の位置を検出する際、該受光手段に入射する該位置検
出用光束は該第１物体と第２物体の少なくとも一方に設
けた回折格子により全体として少なくとも２回の回折作
用を受けており、該受光手段は該第１物体と第２物体の
少なくとも一方に設けた回折格子のうち少なくとも一方
の回折格子から生ずる不要回折光が入射しない領域に配
置されていることを特徴としている。

この他本発明の特徴は各実施例において記載してい
る。

（実施例）第１図は本発明を半導体製造用の露光装置に適用した
ときの第１実施例の概略図である。第２図は第１図の部
分拡大図である。

本実施例では光源10から出射された光束をコリメータ
ーレンズ11を介し、投光レンズ系12で反射鏡13で反射さ
せた後、第１物体１（本実施例では転写すべきパターン
を有するマスク）に設けた振幅型、又は位相型のゾーン
プレート等から成る周辺形状が長方形の第１物理光学素
子３（光波の波面を変換する素子で例えばグレーティン
グレンズ、フレネルゾーンプレート）を斜め方向から照
射している。

第１物理光学素子３は集光作用を有しており出射光を
第１物理光学素子３から所定の距離の点に集光してい
る。そして点から発散した光束を所定の距離に配置した
第２物体２（本実施例ではパターンを転写すべきウエ
ハ）に設けられている位相型若しくは振幅型のゾーンプ
レート等から成る第２物理光学素子４（グレーティング
レンズ）に入射させている。第２物理光学素子４は第１
物理光学素子３と同様に集光作用を有しており、第２物
理光学素子４からの出射光を第１物理光学素子３を通過
させた後、集光レンズ14により、検出器８の検出面９上
に集光している。

即ち、本実施例では第１の物理光学素子で集光点（回
折像）を形成し、この第１回折像から出射した光束を第
２の物理光学素子で集光して、この回折像を再結像させ
ている。

このとき第１回折像から第２の物理光学素子までの距
離よりも第２の物理光学素子から再結像点までの距離を
大きくとることにより第１回折像と第２の物理光学素子
との相対移動量より、この移動量に対応する再結像回折
像の相対移動量が大きくなるようにしている。

即ち、第２の物理光学素子により回折像を拡大結像さ
せるようにしている。本実施例では凸レンズ作用を有す
る２つの物理光学素子を用いた所謂凸凸系を構成してい
る。

第２図（Ａ）は第１図に示した第１実施例における第
１物体１と第２物体２との関係を示す光路の詳細な説明
図である。同図に示すように相対的な位置ずれを評価し
たい第１物体１と第２物体２に各々ゾーンプレート等の
周辺形状が共に長方形の第1,第２物理光学素子3,4をス
クライブライン21,22に対して角度β傾けて設けてい
る。第１物理光学素子３へ光束５を入射させ、それから
の出射回折光６を第２物理光学素子４に入射させてい
る。そして第２物理光学素子４からの出射回折光７を第
１物理光学素子３を通過させCCDやポジションセンサー
等の検出器８の検出面９上に集光させている。

このとき第１物体１と第２物体２との相対的な位置ず
れ量Δσに応じて検出面９上においては、光束の重心ず
れ量Δδが生じてくる。

これを詳しく説明するとグレーティングレンズ3,4は
マスクとウエハが位置ずれを起こすと、それぞれの光軸
が相対的にずれる、所謂レンズの軸ずれ状態となる。こ
の場合グレーティングレンズ３からの出射光の主光線は
位置ずれを起こす前と後でグレーティングレンズ４上の
入射位置が異なるので出射角も変動し、よってアライメ
ント光束の集光位置が変動する。この集光位置変動量は
位置ずれ量に比例する。

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からマスク１のグレーティングレンズ４を
透過した光束の集光点までの距離をａ、ウエハ２のグレ
ーティングレンズ４で反射した光束の集光点までの距離
をｂとすると検出面９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。

従って、この重心ずれ量Δδを求めれば、第１物体と
第２物体との相対的な位置ずれ量Δσが（ａ）式より求
められることになる。

本実施例では同図において、光束７による検出面９上
の光束の重心ずれ量Δδを求め、これより第１物体１と
第２物体２との相対的な位置ずれ量Δσを検出してい
る。

ここで光束の重心とは光束受光面内において、受光面
内各点のその点からの位置ベクトルにその点の光強度の
関数として限定できる量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。

検出面上の基準位置（第１、第２物体が相対位置ずれ
のない状態のときの光束の重心位置）は以下の様にして
求めている。まず第１物理光学素子３を有する第１物体
を適当な位置に固定する。次に第２物理光学素子４を有
する、例えば第２物体を第１物体に対して適当な位置に
配置する。このとき光束を第1,第２物理光学素子に入射
して、この状態における検出面９上での光束の重心位置
を検出する。次にこの状態で例えばマスク上のパターン
をウエハ上に転写する。転写されたパターンを他の顕微
鏡等で観察しずれの量と方向を計測する。求めたずれ量
及ぶ方向が第２物理光学素子4aのずれΔσになる。従っ
て予めずれ量ΔδとΔσとの関係を求めておけば前に検
出した光束の重心位置が基準位置よりどれだけずれてい
たか、即ちずれ量Δδが求められるので、このずれ量Δ
δと検出した重心位置から基準位置を逆算する。

第２図（Ｂ）は第１物理光学素子３の一実施例のマー
ク図である。

以上、重心検知によるアライメント方式の例で説明し
たが本発明は回折光を利用する任意の方式で有効であ
る。

第３図は第２図の構成における信号光以外の光を説明
する為のグレーティング素子３の周辺を位置ずれ検知方
向より観察した際の説明図である。同図において５は入
射光、７は射出回折光である。

軸31はグレーティングレンズ素子３による反射の１次
回折光の方向を示すものであり、32及び33は投光光束５
の内、グレーティングレンズ素子3,4で何れにも回折効
果を受けなかった、所謂０次光の方向を示すものであ
る。尚、グレーティングレンズ素子3,4の位置ずれ量が
零の時に各光束5,7,31,32,33は同一面内に存在し、この
面は位置ずれ検知方向Ｘと直交するものである。又、容
易に想像できる様に位置ずれ量が零でない、即ち第２物
体４が位置ずれを発生したときは受光光束７の角度が変
化するが他は変化しない。

ここで、光束32及び光束33は投光光路のグレーティン
グレンズ３に対する入射傾角γを大きくとることで光検
知器８側に対する影響を回避可能である。

一方、光束31の方向はグレーティング素子３で透過の
１次回折光の方向αを０次回折光に対して定めると一義
的に反射側の光である光束31の方向も同一角αとなる。
従って、第３図に示す様に信号光路の光束５及び光束７
を設定すると必然的に不要光である光束31は光束７に接
近する方向となる。

一般にマスクでの反射の１次回折光の中心スポットに
おける光強度はマスクの材料、投光光の波長、入射角、
偏波面の状態に依存して変化するが、金やクロムでパタ
ーンを形成し、近赤外波長域の半導体レーザーを10〜20
゜程度に照射した場合、おおよそ入射光量の10^-1〜10^-2
オーダの強度となる。

それに対する信号光の光強度は、マスクを透過する１
次回折光、ウエハを反射する１次回折光、マスクを０次
で透過する光を利用する場合には、入射光強度のおおよ
そ10^-3〜10^-5オーダのものとなる。従って、マスクでの
反射の１次回折像の中心光（１次のメインローブ）から
受光光の設定を回避するだけでなく中心強度の10^-1〜10
^-2程度の強度的に大きな部分のサイドロープからも回避
することが望ましい。

しかしながら一般には、グレーティングレンズ３の外
枠で規定される、光束31を主光線とするフラウンフォー
ファ回折像が生じ、位置ずれ検知方向に平行なる２辺を
有する長方形の開口である場合は、所定のパターンの回
折光が第３図に示す面内に強度のピーク点が存在するこ
とになる。従って、グレーティングレンズ３及び４が位
置ずれ検知方向と直交する面に対称軸を有し、各々レン
ズ作用があり、且つ周辺が長方形で枠取りされており、
長方形の辺に沿った方向で位置ずれを検出するような構
成では、この中心強度に対して10^-1〜10^-2程度のサイド
ローブ光の一部が受光光路と重なり、信号光のノイズと
して精度低下の要因となってしまう。

この為、本実施例では光検出器８の中心は第２図
（Ａ）に示すようにマスク上のグレーティング素子３へ
の投射光を含み、かつ上記素子３面と直交するような入
射面内にあり、かつ素子の中心を含んで素子枠の各辺に
それぞれ垂直な面にて挟まれる空間内にあるようにして
受光光束が光検出器８の有効受光領域を移動するように
設定することにより、上述の問題点を解決している。

即ち、グレーティングレンズより生ずるメインローブ
及びそのサイドローブ（本明細書ではこの２つを「不要
回折光」と総称する。）を光検知器８に導びかないよう
にしている。

次に本発明の特徴を第２図とマスク１を上方のマスク
に平行な任意の断面より観察したきの光束の状況を示す
第４図の用いて説明する。ここでは回折光31は第１物体
（マスク）１の法線方向、即ち真上にくる。

本実施例においてマスク上に及びウエハ上に設けたグ
レーティングレンズ素子3,4の外枠形状は長方形として
いる。そして位置ずれ検知方向をＸとし、グレーティン
グレンズ3,4はＸ方向のシリンドリカルパワーを有して
いる。又、長方形の各辺はＸ軸に対し直交あるいは平行
なる方向に対し後述するようにフラウンフォーファ回折
像を回避しうるような傾角βを設定している。

この時、第２図に示した構成に対して主に変化する光
の挙動としては、周知のフラウンフォーファ回折像が第
４図に示す軸31を回転軸としてβだけ回転することにな
る。

即ち、マスク１上のグレーティングレンズより生ずる
フラウンフォーファ回折像の内、受光光束に近い方向に
出射するものは第４図に示すu,v軸上に並び、これは位
置ずれ検知方向Ｘとβだけ回転した座標系となる。従っ
て、受光光束の中心42の周辺にある光検知器８のこの断
面内への射影成分である入射瞳43に対し、Ｙ軸と重なっ
ていたｖ軸もβだけ回転する。これにより入射瞳43内に
フラウンフォーファ回折像の入射瞳43への侵入を回避し
ている。即ち、光検出部に対してマークの直線部の方向
を傾けて後述するフラウンホーファ回折ベクトルの存在
する面をずらしている。この他、多少デフォルメされた
平行四辺形でも同様の効果が得られる。

第５図，第６図は本発明の第2,第３実施例における上
方のマスク面に平行な位置断面からのフラウンホーファ
回折像の説明図である。第５図に示す第２実施例はマス
ク上のグレーティングレンズ素子を菱形形状とし、対向
する２頂点を結ぶ一方を位置ずれ検知方向Ｘとし、他方
を受光光束設定方向としたものである。

一般に頂点間を結ぶ方向に対しては、フラウンホーフ
ァ回折像の強度的に強い部分が生じない為、このときも
入射瞳43内に不要光の影響が少なくなる。

第６図に示す第３実施例は、マスク上のグレーティン
グ素子を６角形形状とした例であり、第７図はそのパタ
ーンを示す例である。この時のフラウンホーファ回折像
の内、強度的に大きなものが軸u,v,wの３方向に生じる
が、やはり頂点方向を結ぶ図中のＹ軸方向に受光光束を
設定することにより、やはり不要光からの影響を回避で
きる。

更に、この他以上の説明より明らかながら、菱形や６
角形状を例えばＸ軸方向横に連結した外枠形状において
も、同様の効果が得られる。又、グレーティングレンズ
の周辺形状を頂点なる表現で規定したが、当然のことな
がら微少領域をもって頂点を曲線化したものも本発明と
同様の効果が得られる。

次に本実施例におけるフラウンホーファ回折ベクトル
について第23図以下を用いて説明する。フラウンホーフ
ァ回折ベクトルとは、所定の開口形状を有する回折格子
に光束を入射させたときに発生するフラウンホーファ回
折像の、回折格子からの出射方向基準ベクトルを意味す
る。

いま、有限個の頂点を有する開口に回折格子を形成
し、回折格子の中心座標を原点とする、半径ｒが開口の
サイズ比べて充分大きい球面Ｓ（以下観察球面と称す
る）を考え、フラウンホーファ回折ベクトルとして、該
球面上で観測されるフラウンホーファ回折光分布の中心
線（後述）と上記球面上で交叉するようなベクトルを定義する。

第23図（Ａ）においてＡは開口（例として矩形）、ｏ
は原点、ｉは入射光線、Ｍは反射回折光の各次数の回折
光の中心となるフラウンホーファの中心方向として表わ
される主光線ベクトルの存在する面、は０次回折光（反射光）の主光線ベクトル、は１次回折光の主光線ベクトルは−１次回折光の主光線ベクトルを示す（便宜上±１次
までの回折光を図示した）は１次フラウンホーファ回折像の分布パターンのうち強
度集中のある領域を示す。（便宜上１次フラウンホーフ
ァ回折像のみ図示した）または後に定義する。

尚、第24図は同様に通過回折光の分布を示し、パラメ
ーターは第23図の定義に準ずる。

一般に頂点が有限個の開口内の回折格子を形成し、こ
れに光束を入射させて生じるフラウンホーファ回折光の
強度分布は、特定の方向に強度集中をもつような分布、
所謂フラウンホーファーメインロープを中心としたサイ
ドローブの広がりとなることが予想される。そこで回折
像フラウンホーファーメインローブの中心を通り、この
ような特定方向のベクトルを有する直線を、ここではフ
ラウンホーファ回折像の中心線と称することにする。

このフラウンホーファ回折像の中心線は開口形状に固
有に定まり、観察球面上では該球面と開口形状に固有に
定まる所定の平面（後述）との交線であり、フラウンホ
ーファ回折光強度分布の極大はこの曲線上に存在する。

いま、１次の反射フラウンホーファ回折光を考え、開
口がｍ本の直線部a₁,a₂,‥,a_m（ｍ＜∞）を有する場
合、a_i（ｉ＝1,‥,m）に対して中心線l₁が一つに定ま
り、上記中心線l₁を開口の設定されるマーク平面（曲面
に設定される場合は、原点で接する接平面）に射影する
と、a_iのマーク面内で定義される法線と平行な直線とな
る。但し、ｍ本の直線部のうち、ｎ組が平行であるとす
ると、上記中心線はｍ−ｎ本存在する。

第25図に示すように矩形の開口形状を有する回折格子
の所定次数のフラウンホーファ回折光分布の中心線は各
辺の法線４本のうち２組が平行となるから計２本とな
り、マーク面射影成分の方向はそれぞれの法線方向と一
致する。

このようなフラウンホーファ回折パターンは、回折格
子で回折される光束のそれぞれの回折次数ごとに存在
し、各次数のフラウンホーファ回折パターンの中心線の
本数及び方向は、回折次数によらず、開口形状によって
のみきまる。但し、各次数のフラウンホーファ回折パタ
ーンの中心位置は入射光束の主光線が、透過又は反射で
回折されて生じる対応次数の光束の主光線と観察球面と
の交点で与えられる。

従って直線部がｍ本の開口形状をあ有する回折格子の
ｉ次フラウンホーファ回折ベクトルは（ｊ＝1,2,‥,m）（β_ｊは実数ｒは観察球面の半径）で与えられ、のはる平面上に存在する。（第23図（Ｂ）に例としての関係を示す）ここにはｉ次の回折光の主光線ベクトル、はマーク面射影成分が、開口のｊ番目の直線部に立てた
法線ベクトル（マーク面内）に平行な単位ベクトルを示し、は単位マーク面法線ベクトル）で与えられる。

ここには反射回折か透過回折かによってそれぞれ異なる方向を
有する。第23図（Ａ）において、の存在する面を含む面でありとマーク面との交線は、それぞれと平行になっている。

同様にしてｍ本の直線部を有し、そのうちｎ組が平行
なる開口の場合、ｉ次のフラウンホーファ回折ベクトル
の存在する面は,m−ｎ個あり、が定義され、それぞれのマーク面との交線はと平行になる。

一方、曲線部を有し、頂点が有限個の開口内に回折格
子を形成し、これに交束を入射させて生じるフラウンホ
ーファ回折光の強度分布も、一般に特定の方向に強度集
中をもつような分布となることが予想される。

例えば『波動光学』（久保田広：岩波書店）268ペ
ージに示されるように開口形状が２つの円弧から成る図
形の場合、フラウンホーファ回折像は第26図のようにな
る。この場合、開口形状は２つの曲線部から成り、フラ
ウンホーファ回折像の強度集中の方向は２本あることが
わかる。

このような強度集中の方向は、有限個の頂点をもつ任
意開口にたいしては、開口形状をフーリエ変換して得ら
れるパターンから求めることができ、予め開口のフーリ
エ変換像を計算しておき、強度集中の方向が特定できる
場合は、その中から強度集中の大きい方向順に適宜選択
して、前式のに相当するベクトルを定義し、前式に従ってフラウンホ
ーファ回折ベクトルを求めればよい。

次に光検出器の方をフラウンホーファ回折ベクトルの
存在する面からずらした実施例を説明する。

第８図は本発明の第４実施例の要部概略図である。図
中、91は第１物体で、例えばマスクである。92は第２物
体で、例えばマスク91と位置合わせされるウエハであ
る。94,93は各々第1,第２アライメントマークであり、
各々マスク91面上とウエハ92面上に設けられている。第
1,第２アライメントマーク94,93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91面上とウエハ92面上のスクライブライン195a,195b
上に設けられている。97はアライメント光束であり、不
図示のアライメントヘッド内の光源から出射し、所定の
ビーム径にコリメートされている。

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。96は第１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97を受光
する例えば１次元CCD等より成っている。

本実施例ではアライメント光束97はマスク91面上の第
１アライメントマーク94に所定の角度で入射した後、透
過回折し、更にウエハ92面上の第２アライメントマーク
93で反射回折し、センサ96面上に入射している。そして
センサ96で該センサ面上に入射したアライメント光束の
重心位置を検出し、該センサ96からの出力信号を利用し
てマスク91とウエハ92をスクライブライン195a,195b方
向（ｘ方向）について位置合わせを行っている。

次に本実施例における第1,第２アライメントマーク9
4,93について説明する。

アライメントマーク93,94は各々同一又は異った値の
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280μｍ、スクライブ
ライン幅方向（ｙ方向）に70μｍである。

本実施例においてはアライメント光束97は、マスク91
に対して入射各10゜でマスク91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91に入射したアライメント
光束97はグレーティングレンズ94のレンズ作用を受けて
収束（又は発散）光となり、マスク91からその主光線が
マスク91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94を透過回折したアラ
イメント光束97を、ウエハ面92の鉛直下方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94
の焦点距離は各々268μｍである。又、マスク91とウエ
ハ92との間隔は30μｍにしている。

アライメントマーク94で透過回折した光はウエハ92面
上の第２アライメントマーク93で凹（凸）レンズ作用を
受け、第１検出手段としてのセンサ96面上に集光してい
る。このときセンサ96面上では入射光束の重心位置がア
ライメントマーク94,93の位置ずれ、即ち軸ずれの量に
対し、この軸ずれに対する位置変動量が拡大された状態
となって変動するようになっている。

本実施例ではマスク91とウエハ92の位置ずれが０のと
き、即ちマスク91上のアライメントマーク94とウエハ92
上のアライメントマーク93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92からの出射角が５
度、又、このときの出射光のウエハ92面飢への射影成分
がスクライブライン幅方向（ｙ方向）と４゜とマスクと
ウエハからのフラウンホーファ回折像を回避し、集光す
るように設定されている。又このときの出射光は例えば
マスク91面の中心座標を基準に中心座標が（0.98、4.
2、18.7）（単位mm）に位置しているセンサ96面上に集
光するように設定している。

即ち、出射光を受光する光検出部を積極的にフラウン
ホーファ回折ベクトルの存在する面からずらしている。

更にセンサ96の有効受光領域の素子の配列方向はＸ方
向に設定されＸ方向に長さ4.8mmの大きさを有してい
る。アライメント光束は位置ずれに伴って、この有効受
光領域上で入射位置が移動する。

本実施例におけるグレーティングレンズのパターンの
一実施例を第９図に示す。第９図に示すパターンはｘ方
向と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有して
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9
4,93（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、マスク用のアライメントマーク94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８図のようにマスク91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、軸方向にｙ軸、マスク面91
の法線方向にｚ軸をとる。マスク面91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 y sin α＋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91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。

（１）式ではマスク91面上の点ｙを通った光は結像点
ではｙ方向に変化されない。

一方、ウエハ92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91と
ウエハ92の露光時のギャップをｇとおくとマスク面上座
標系で（x₁,y₁,z₁−ｇ）で表わされる。（ｙは変数）マ
スク91とウエハ92の位置合わせはＸ軸又は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。

具体的には（１），（２）式でX₂＝−980.0μｍ、Y₂
＝4200.0μｍ、Z₂＝18700.0μｍ、X₁＝0.0μｍ、Y₁＝0.
0μｍ、Z₁＝−184.72μｍ、ｍ＝１、α＝17.5度でパタ
ーンを設計した。

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91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92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91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グレーテ
ィングレンズパターンを転写して形成した。

又、ウエハ91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
ント光である信号光について説明する。

本実施例においては位置ずれ量０のときアラインメン
ト用の信号光の主光線はウエハ面の法線に対してYZ面内
で５゜の角度で、又、スクライブライン方向に対しては
ウエハ面射影成分がXZ面内で３゜の角度で出射する。セ
ンサ96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。

本発明ではアライメントマークの開口形状から決まる
フラウンホーファ回折パターンとアライメント信号光束
とが、センサ上で重畳して、S/Nが劣化したり、干渉の
結果、信号光強度分布が変化して実効的光量重心位置が
変動することを回避するために、位置ずれ量０のときで
もアライメントマークからセンサへ到達する光線が入射
面外に偏向されるようにアライメントマークパターンの
設計、およびセンサの配置を行なっている。

センサ96のサイズは幅1mm、長さ6mmである。又、各画
素のサイズは25μｍ×500μｍである。

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。

第10図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第５実施例の要部概
略図である。同図（Ａ），（Ｂ）は各々スクライブライ
ン方向にｘ軸、マスク面法線方向をｚ軸にとったときの
アライメント光線の光路におけるyz面断面とxz面断面で
ある。

本実施例では不図示のアライメトヘッド内の半導体レ
ーザから出射し、ヘッド内の投光系を通過しアライメン
ト光束97はマスク面91上の第１アライメントマーク94に
斜め入射する。

アライメント光束97はマスク面91上の物理光学レンズ
素子94を通過後、入射面外方向即ちここでは同図のＸ方
向に偏向され、ウエハ92面の物理光学レンズ素子93で更
に光路は所定の角度アライメントヘッド方向に偏向され
る。

従ってマスク91面上の物理光学レンズ素子94とウエハ
92面上の物理光学レンズ素子93はスクライブライン方向
に相対的にずれた配置で位置合わせが完了する。同図
（Ａ）のyz面内でのアライメント光のマスク面入射角は
８゜、ウエハ面への１次回折光の主光線の入射角は０゜
（即ち垂直入射）、ウエハ面からの１次回折光の出射角
は17.5゜である。また同図（Ｂ）のxz面内でのアライメ
ント光のマスク面入射角は５゜、ウエハ面92への１次回
折光の主光線の入射角は７゜、ウエハ面92上の物理光学
レンズ素子93はyz面内では偏向作用がないとし、ウエハ
91からの１次反射回折光のxz面内の出射角は７゜、マス
ク面91からの１次透過回折光の出射角も７゜となってい
る。

第５実施例においてはマスク面上とウエハ面上物理光
学素子は第４実施例と同様に物点を所定の位置の像点に
結像させるグレーティングレンズ素子である。グレーテ
ィングレンズ系の軸ずれ、すなわちマスクとウエハ間の
位置ずれに対する倍率感度は第４実施例と同様に100
倍、露光ギャップ30μｍに対応してアライメントヘッド
内のセンサ上に結像するようにグレーティングレンズ系
のパワー配置を決めている。本実施例においてはマーク
サイズおよびグレーティングレンズ系のパワー配置は第
４実施例と同じである。

また光束の入射面外方向への偏向作用をマスク91面上
のグレーティングレンズ94およびウエハ92面上のグレー
ティングレンズ93ともに持たせることにより次のような
効果を得ている。

第１の効果としてマスク面上のグレーティングレンズ
から直接反射回折してアライメントヘッド側に戻るフラ
ウンホーファー回折パターンをアライメントヘッド内セ
ンサ位置からはずれて到達させることができ、センサの
近傍に戻る不要回折光のうち従来最も強度の高いマスク
面からの直接反射回折光が一部でもセンサに受光され、
アライメント信号光の重心位置検出の誤差要因となるこ
とを回避している。

第11図に第５実施例のアライメントヘッド内のセンサ
の位置とヘッド内に到達するマスク面直接反射回折光の
分布の概略図を示す。マスク面からの直接反射回折光は
マスク面上のグレーティングレンズの開口形状がスクラ
イブライン上に収まる矩形であることからヘッド内のフ
ラウンホーファー回折パターンＦは１次元センサ96上で
マスクとウエハ間の位置ずれに対応して光束の重心移動
を検出する方向と平行に並ぶ成分とそれと直交方向に並
ぶ成分とがある。

本実施例ではスクライブライン方向の位置ずれを検出
している為にアライメント信号光がマスク上グレーティ
ングレンズに入射する角度とウエハ上グレーティングレ
ンズから出射する角度はxz面内で異なるため、たとえ一
次元センサのライン方向と平行に並ぶ回折パターンがあ
ってもセンサ96に受光されることはない。

即ち、xz断面で見るとマスク上グレーティングレンズ
で発生する不要なフラウンホーファー回折パターンの中
心位置とセンサの中心位置とはｚ方向にｄだけずれる。
（ｄはxz面内のアライメント光の入射角とアライメント
ヘッド側への出射角、およびヘッド内センサの位置等で
決まり、第１の実施例で説明したフラウンホーファー回
折ベクトルから求められる。）この様にしてフラウンホーファー回折ベクトルの存在
する面からセンサを回避させている。

又、本実施例においてはスクラインラインと直交する
方向に位置ずれがある場合、一次元センサからアライメ
ント光束がはみ出すことのないようにスクライブライン
と直交する方向にはレンズ作用がないようなグレーティ
ングレンズ素子を使うのが望ましい。

第２の効果としてはマスク面のグレーティングレンズ
にアライメント光束をyz面内で入射角と異なる角度で透
過出射させる偏向作用を持たせることにより、ウエハ面
から反射回折した光が、マスク面上グレーティングレン
ズを通過せずにマスク面を透過させることが容易にでき
る。

前述の第４実施例及び第５実施例においてはアライメ
ント信号光束はマスクを２回透過し、ウエハ面を１回反
射するが、レンズの作用を受けるのは最初にマスク面を
透過回折する際とウエハ面で反射回折されるときだけで
ある。

即ち、マスク面を２回目に透過する際は、光束がグレ
ーティングレンズ部分を通過する場合においても０次回
折光成分のみを利用する。つまり信号光としてセンサ上
の重心位置を検出するのはマスク上のグレーティングレ
ンズを１次回折透過し、ウエハ上のグレーティングレン
ズを１次反射回折したのちマスク上のグレーティングレ
ンズを０次透過（マスク面透過）すうような光束を用い
ている。

ところがもしマスク上のグレーティングレンズを０次
で透過するような光路を設定した場合は、０次回折効率
がグレーティングレンズ上で一様でなく空間的に変化し
ているためセンサ面上の光束の強度分布は変調を受け
る。これはグレーティングレンズのピッチが空間的に一
定でなく第４実施例中で示した式（１），（２）に従っ
て空間的に変調されているためである。（一般にピッチ
（回折角）が変わると回折効果も変化する。）第５実施例においてはアライメント光束が２回目にマ
スクを通過する際にグレーティングの作用を受けないよ
うにマスクとウエハ上のグレーティングレンズ素子でア
ライメント光束を入射光線とマスク面法線を含む入射面
外方向に偏向させている。

第12図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第６実施例の要部概
略図である。同図（Ａ）は第８図に示す座標系でyz面断
面、同図（Ｂ）はxz面断面であり、アライメント信号光
を実線で参照光を点線で示している。

本実施例ではアライメント光束97aと参照光束97bは各
々マスク91面上の第１アライメントマーク93aと第１参
照マーク93bに所定の角度で入射した後、透過回折し、
更にウエハ92面上の第２アライメントマーク94aと第２
参照マーク94bで反射回折し、不図示のセンサ96a,96b面
上に入射している。そしてセンサ96a,96bで該センサ面
上に入射したアライメント光束97aと参照光束97bの重心
位置を検出し、該センサ96a,96bからの出力信号を利用
してマスク91とウエハ92をスクライブライン方向（ｘ方
向）について位置合わせを行っている。

アライメントマーク93a、参照マーク93bは設計方程式
（１）を用い、アライメントマーク94aは設計方程式
（２）を用いてパターンを設計した。又、参照マーク94
bは直線格子でありレンズ作用を持たない。従って参照
光束はマスクとウエハが相対位置ずれをおこしても光束
のセンサ上への入射位置は変化しない。

本実施例においてはウエハ面上の物理光学素子94a,94
bにおいて信号光と参照光ともにxz面断面内で所定の角
度θ（＝５゜）だけ光束の進行方向が偏向している。こ
のため位置合わせ完了時にはxz面断面でみるとヘッド内
のセンサへの各光束の入射位置とマスクとウエハ上のグ
レーティングレンズの中心軸とは横ずれしている。ま
た、このときのマスク面上のスクライブライン内の位置
合わせ用マークからのフラウンホーファー回折パターン
はアライメントヘッド内のセンサ面を含む断面で第11図
に示すようになり、信号光束97aおよび参照光束97bとマ
ークの開口形状に対応したフラウンホーファー回折パタ
ーンＦとは分離され、センサ上には信号光および参照光
だけが入射する。

本実施例によれば第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
マークを介した光束を利用し、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、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
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、
即ち両光束の重心位置関係のＸ成分検出を行うことによ
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。

又、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。

このように光束２つを用いて位置検出を行なう場合に
も本発明は適用可能である。

第13図は本発明の第７実施例を説明する要部概略図で
ある。同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部
の正面図、側面図、上面図、同図（Ｄ）はセンサ96の存
在する面上の回折光とセンサ96との関係を示す説明図で
ある。

本実施例ではアライメント光束97のグレーティングレ
ンズ94へ入射角を17.5゜、出射角０゜、グレーティング
レンズ93からの出射角を13゜とし、又グレーティングレ
ンズ94への入射光と位置ずれ０のときのグレーティング
レンズ93からの出射光のxy平面への射影成分はいずれも
ｙ軸と４゜を成す様になっている。即ち位置ずれ量０の
ときアライメント光束のグレーティングレズ94への入射
光路とマスク面法線とを含む面内にグレーティングレン
ズ93からの出射光路も含まれるように設計されている。
グレーティングレンズ94の開口形状はそれぞれx,y軸に
平行な辺を有する矩形である。入射光のマスク面上への
射影成分をこの辺に対して傾ける事によりセンサ96の存
在する面上では不要回折光の各回折次数に対応するメイ
ンローブ中心と結ぶ線は、第13図（Ｄ）に示す様にｚ方
向に対して斜めにズレる。図中下からグレーティングレ
ンズ94の０次、１次、２次の回折光によるフラウンホー
ファ回折像である。矩形開口による２本の中心線上にフ
ラウンホーファ回折光のサイドローブが存在する。

前述の光路の状態でセンサ96の位置を第13図（Ｄ）の
様に各次数の回折光のメインローブを避ける位置に配置
してサイドローブも避ける様にしている。

第14図は本発明の第８実施例を説明する要部概略図で
ある。同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部
の正面図、側面図、上面図、同図（Ｄ）はセンサ96cの
存在する面上の回折光とセンサ96cとの位置関係を示す
説明図である。

本実施例ではアライメントマーク94cはｘ方向にのみ
レンズ作用を有するシリンドリカルなグレーティングレ
ズ（リニアゾーンプレート）でマスク面上に形成され、
xz面内の焦点距離はマスク91とウエハ92とのアライメン
ト時の設定間隔に略等しい。アライメントマーク93cは
ウエハ面上に形成され矩形格子がｙ方向に等ピッチに配
列された回折格子が形成されている。リニアゾーンプレ
ートのパワーのある方向、即ちｘ方向がアライメント検
出方向で平行投射ビームがこのゾーンプレートにマーク
の中心における法線及びアライメント方向と直交する線
を含む平面内で該法線に対しある角度φで入射し、ゾー
ンプレートによりウエハ面上に線状に集光する。回折格
子93cがこの線状集光部に来た時に回折格子93cから出射
する特定次数の回折光を受光する位置にセンサ96cが配
置されている。ここではyz面内の所定の方向に出射する
回折光を受光する様にセンサ96cの中心はグレーティン
グレンズ94cの中心を含むyz面内に位置する。

回折格子93cとグレーティングレンズ94cとがｘ方向に
ずれていれば回折格子93cより発生する回折光が減少
し、センサ96cで検出される光量も減少する。線状集光
部によって回折格子93cを操作し、このときセンサ96cで
光量変化を検出することによりマスクとウエハとのｘ方
向の位置ずれを検出する。

このときグレーティングレンズ94cからは第14図
（Ｂ）の破線矢印で示した様な方向に０次反射回折光が
飛び、それを中心にしてセンサ96cの存在面上にフラウ
ンホーファ回折像が発生する。このときのサイドローブ
がセンサ96cに入射すると、サイドローブの入射による
光量変化が光量検出による位置ずれ検出精度に悪影響を
及ぼす。

そこで本実施例は第６図の実施例同様、マーク形状を
６角形にしてサイドローブの飛ぶ中心線の方向を第14図
（Ｄ）の様にすることによって不要回折光がセンサ96c
に入射しない様にしている。本実施例の様な検出方法に
おいて本発明を実施する場合、マーク形状はこれに限ら
ず例えば前述の他の実施例の様にしても良く、又マーク
形状は矩形にして前述の様に受光する出射光の方向、或
はマークに入射する光束の方向を調整しても良い。

前述の実施例では第２物体側の回折格子は反射回折を
行なうものであったが第２物体が光透過性のものである
場合、第２物体の回折格子が透過回折を行なう為のもの
であっても良い。

第15図は本発明の第９実施例の要部概略図である。同
図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面
図、側面図、上面図、同図（Ｄ）はセンサ96を含む面上
での回折光とセンサ96との関係を示す説明図である。

本実施例においてグレーティングレンズ93,94はいず
れも矩形形状であり、アライメント光束はこの矩形の一
辺（ｘ軸方向）に対し垂直を成す方向から入射する。グ
レーティングレンズ93,94により透過回折させてレンズ
作用を受けた光束をアライメント光束としてセンサ96面
上の信号検出領域96dへ入射させる。この光束のセンサ9
6面上への入射位置から第1,第２物体間の対向方向に垂
直な方向への位置ずれが検出される。この時、グレーテ
ィングレンズ94からの出射光束はｘ軸方向の辺に対し傾
きを持って出射する。この出射光束を受光するためのセ
ンサ96とノイズとなるグレーティングレンズ94によるフ
ラウンホーファ回折像Ｆとの関係は第15図（Ｄ）に示す
通りである。図中では下よりグレーティングレンズ94の
０次と１次の回折光のフラウンホーファ回折像を示して
いる。

本実施例は第８図の実施例と同様にアライメント光束
の出射方向を傾けてセンサ96の位置をサイドローブから
ずらしている。図では１次の回折光のサイドローブがセ
ンサ96に１部重なる様な位置関係になっているが、例え
ば信号処理の段階で実際に位置ずれ検出の為に使用する
領域（信号検出領域）をサイドローブからずらす事によ
って本発明の効果を達成し得る。

以上の実施例では第１物体（マスク）と第２物体（ウ
エハ）との対向方向に垂直な方向に沿った位置ずれを検
出する装置について述べたが、第１物体と第２物体との
対向方向に沿った位置関係、即ち間隔を測定する位置に
ついても本発明は適用できる。以下その実施例を説明す
る。

第16図は本発明の第10実施例の要部概略図である。第
16図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面
図、側面図、上面図、同図（Ｄ）は受光手段を含む面上
での受光手段と回折光との関係を説明する図である。

同図において101は半導体レーザーLDからの光束であ
る。半導体レーザーLDば、例えばH_e−N_eレーザー等に換
えてもよい。102は第１物体で例えばマスク、103は第２
物体で例えばウエハである。104,105は各々マスク102面
上の一部に設けた第1,第２物理光学素子で、これらの物
理光学素子104,105は例えば回折格子やゾーンプレート
等から成っている。

108は受光手段でラインセンサーやPSD等から成り、入
射光束の重心位置を検出している。109は信号処理回路
であり、受光手段108からの信号を用いて受光手段108上
に入射した光束の重心位置を求め、後述するようにマス
ク２とウエハ３との間隔d₀を演算し求めている。

マスク２とウエハ３は最初に図に示す様に基準となる
間隔d₀を隔てて対向配置されている。このときのd₀の値
は例えばTM−230N（商品名：キャノン株式会社製）等の
装置を用いて測定している。

本実施例においては半導体レーザーLDからの光束101
は（波長λ＝830nm）をマスク102面上の第１フレネルゾ
ーンプレート（以下FZPと略記する）104面上の点に垂直
に入射させている。そして第１のFZP104からの角度θ１
で回折する所定次数の回折光をウエハ103面上の点Ｂ
（Ｃ）で反射させている。このうち反射光131はウエハ1
03がマスク102との間隔d₀の位置P₁に位置しているとき
の反射光、反射光132はウエハ103が位置P₁から距離d_Gだ
け変位して、位置P₂にあるときの反射光である。

次いでウエハ103からの反射光を第１物体102面上の第
２のFZP105面上の点Ｄ（ウエハが位置P₂にあるときは
Ｅ）に入射させている。

尚、第２のFZP5は集光レンズの様に入射光束の入射位
置に応じて出射回折光の射出角を変化させる光学作用を
有している。このときのFZP5の焦点距離をf_Mとする。

そして第２のFZP5から回折した所定次数の回折光161
（ウエハがP₂にあるときは162）を受光手段108面上に導
光している。

そして、このときの受光手段108面上における入射光
束161（ウエハがP₂にあるときは162）の重心位置を用い
てマスク102とウエハ103との間隔を演算し求めている。

ここで本実施例においては、第１のFZP104は単に入射
光を折り曲げる作用をしているが、この他収束、又は発
散作用を持たせるようにしても良い。

演算の方法を以下に述べる。FZP5の焦点位置から受光
手段までの距離l_S、ウエハが位置P₁から位置P₂までギャ
ップ変化したときの受光手段108上での光束の移動量を
Ｓとすると以下の式が成り立つ。

ここで AD＝2d₀tanθ１ AE＝２（d₀＋d_G）tanθ１ ∴d_M＝DE＝AE−AD＝2d_Gtanθ１従ってとなる。l_S,f_M,θ１は前もって求めておくことが可能で
ある。よって受光手段で光束の移動量Ｓを求めれば、こ
の式より距離d_Gが求まり、これによりマスクとウエハの
間隔が検出される。この時l_S値を大きくとることで距離
d_Gの値に対するＳの値を大きくし微細なギャップ変化量
を拡大し光束移動量に変換して検出することができる。

本実施例においては第６図に示した実施例同様マーク
形状を６角形にして回折光のサイドローブの方向が受光
手段方向からずれる様にしている。第16図（Ｄ）に受光
手段108面上のフラウンホーファ回折像パターンＦ及び
信号光161を示す。入射光101が第１物体102上の入射パ
ターン104及び出射パターン105全面に照射された場合の
不要回折光分布は図の様になり受光手段108上の信号検
出領域108aは入射しないことを示す。

本実施例においてはパターン104及び105の０次回折以
外の回折光のフラウンホーファ回折像は検出領域108aか
ら大きくはずれる為、０次回折光のフラウンホーファ回
折像のみ示してある。同図でわかる様にサイドローブが
受光手段108上にかかっているが信号検出領域がこのサ
イドローブを避けて設けてあるので問題ない。

第17図は本発明の第11実施例の要部概略図で、第17図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面図、
側面図、上面図、同図（Ｄ）は受光手段を含む面上での
受光手段と回折光との関係を示す説明図である。本実施
例は第16図の装置と同様の間隔測定装置である。ただし
FZP104,105は矩形状に形成されている。更にFZP104,105
の０次回折光のフラウンホーファ回折像が受光手段108
に入射するのを回避する為にFZP105からの出射光の出射
角とこれを受光する受光手段の信号検出領域108a位置を
調整している。これによって第15図の実施例同様フラウ
ンホーファ回折像Ｆのサイドローブに対して受光手段10
8の信号検出領域108aをずらしている。この様子は第17
図（Ｄ）に示される。

第18図は本発明の第12実施例の要部概略図で、第18図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面図、
側面図、上面図、同図（Ｄ）は受光手段を含む面上での
受光手段と回折光との関係を示す説明図である。本実施
例は第17図の装置と同様の間隔測定装置である。ただし
本実施例はFZP104,105の０次回折光のフラウンホーファ
回折像が受光手段108の信号検出領域108aに入射しない
様に信号光101の入射方向を調整したものである。信号
検出領域108aはFZP104,105に対しｘ方向に沿った辺に垂
直な方向に設けられる。入射光をｘ方向に沿った辺に対
して傾きを持って入射させることにより、第18図（Ｄ）
に示す様にフラフンホーファ回折像Ｆの位置を信号検出
領域108aに対してずらすことができる。

第19図は本発明の第13実施例の要部概略図で、第19図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面図、
側面図、上面図、同図（Ｄ）は受光手段を含む面上での
受光手段と回折光との関係を示す説明図である。本実施
例は第18図の装置に対し、出射光の方向と信号検出領域
の位置も調整したものである。具体的にはマーク中心か
らみて光束の入射方向と信号検出領域中心へ向かう方向
とのマスク102面上への射影成分がｘ方向に沿ってた辺
に対して同角度傾けている。この場合のフラウンホーフ
ァ回折像Ｆと信号検出領域108aとの関係は第19図（Ｄ）
の様になる。

第20図は本発明の第14実施例の要部概略図で、第20図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面図、
側面図、上面図、同図（Ｄ）は検出来を含む面上での検
出面９と回折光との関係を示す説明図である。本実施例
は第２図に示した実施例同様矩形の物理光学素子3,4を
スクライブライン21,22に対して傾けて設けている。た
だし本実施例で入射光束５は先に物理光学素子４に入射
し、出射した１次回折光が物理光学素子３に入射して出
射回折光束７を発生している。ここで5a₀,5a₂,5a₃はそ
れぞれ物理光学素子４における０次、２次、３次反射回
折光、7a₀は物理光学素子３における非回折透過光であ
る。矩形物理光学素子3,4の各辺のスクライブライン方
向との成す角は45゜にしてある。これによりフラウンホ
ーファ回折像Ｆと検出面９上の信号検出領域9aとの位置
関係を第20図（Ｄ）に示す様にしてサイドローブが信号
検出領域9aに入射しない様にできる。図では下より物理
光学素子４による２次と３次の回折光のフラウンホーフ
ァ回折像がより検出面に近い方向に発生する不要回折光
として示してある。この様にウエハ側の回折格子に先に
入射させるものでも本願発明は適用可能である。

第21図は本発明の第15実施例の要部概略図で、第21図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面図、
側面図、上面図、同図（Ｄ）は受光手段を含む面内にお
ける受光手段と回折光の関係を示す説明図である。本実
施例は第17図の装置と同様の間隔測定装置である。ただ
し、入射光束は等ピッチの直線回折格子104aで回折され
た後、ウエハ103で反射され、再び先程と同じ直接回折
格子104aで回折されて出射する。このときの出射光束16
1は受光手段108上でマスク、ウエハギャップ量変化に応
じて移動する。この光束位置を検出してギャップ量測定
を行なう。図中101a₀,101a₁は入射光束101により格子10
4aで生じた、それぞれ０次、１次の反射回折光であり、
131a₀ウエハ103からの反射光束131により格子104aで生
じた非回折透過光（０次透過回折光）である。格子104a
はx,y両方向に沿った辺を有する矩形状であり、入射光1
01はyz面内に光路を有する。受光手段108の信号検出領
域108aは格子104aからyz面に含まれない方向に出射する
出射光束161を受光する様に配置され、これにより第21
図（Ｄ）の様にサイドローブが信号検出領域108a上に来
ない様にできる。この様に回折格子１個の場合も本願は
適用可能である。

第22図は本発明の第16実施例の要部概略図で、第22図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれマーク部の正面図、
側面図、上面図、同図（Ｄ）はセンサを含む面上でのセ
ンサと回折光との関係を示す説明図である。本実施例は
第８図の実施例と同様の位置ずれ検出装置である。ただ
し本実施例においてマスク91上には２つのグレーティン
グレンズ94c,94dが形成されており、アライメント光束9
7はグレーティングレンズ94cに入射し、このときの１次
回折光がアライメント97としてウエハ92上のグレーティ
ングレンズ93で更に回折し、このときの１次回折光が更
にグレーティングレンズ94dで回折して、このとき出射
する１次回折光の出射アライメント光束としてセンサ96
上に導光する。アライメント光束の光路はグレーティン
グレンズ93に入射するまでyz面内に含まれるかグレーテ
ィングレンズ93にてyz面に含まれない方向に偏向され
る。グレーティングレンズ94c,94dがx,y方向に沿った辺
を有する矩形状であり、出射光をこの様に設定し、この
出射光を受光できる様に第22図（Ｄ）で示す様なセンサ
96の信号検出領域96aの位置設定をすることにより、グ
レーティングレンズ94c,94dからの回折光のフラウンホ
ーファ回折像Ｆのサイドローブが信号検出領域に入射す
ることを阻止できる。図では下よりグレーティングレン
ズ94c,94dの０次、１次の回折光のフラウンホーファ回
折像を示してある。この様に３つ以上の回折格子を使用
する場合、あるいは３回回折した光束を位置検出に用い
る場合も本願は適用可能である。

以上述べた実施例について、信号検出部に不要回折光
が入射しない様、マークの直線部を傾けること、入射光
の入射方向、あるいは検出部の方向を傾けることはそれ
ぞれの実施例において置き換えてもかまわない。

（発明の効果）本発明によれば第１物体に対する第２物体の位置検出
を行う際、前述の如く各要素を設定することにより、各
物理光学素子の開口形状に対応するフラウンホーファー
回折パターンの分布にアライメント用の信号光束がセン
サ面上で重ならないようにすることができ、位置検出誤
差要因の一つであるフラウンホーファー回折光の影響を
取り除くことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略図、第２図（Ａ），
（Ｂ），第３図は各々第１図の光学作用の原理とグレー
ティングレンズのパターンを示す説明図、第４図は第１
図の一部分を上方から見たときの説明図、第５図，第６
図は各々本発明の第2,第３実施例の要部概略図、第７図
は第６図に示すグレーティング素子のパターンの説明
図、第８図は本発明の第４実施例の要部概略図、第９図
は第８図のアライメントパターンの一実施例の概略図、
第10図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第５実施例の要部概略
図、第11図は本発明の第５実施例におけるセンサ面上に
おける不要光との関係を示す説明図、第12図（Ａ），
（Ｂ）は本発明の第６実施例の要部概略図、第13図〜第
22図は各々本発明の第７〜第16実施例の要部概略図、第
23図〜第26図は本発明に係る回折格子の開口形状をフラ
ウンホーファー回折像との関係を示す説明図、第27図，
第28図は各々従来のゾーンプレートを用いた位置合わせ
装置の説明図である。図中、10は光源、11はコリメーターレンズ、12は投影レ
ンズ系、1,91は第１物体、2,92は第２物体、3,93は第１
物理光学素子、4,94は第２物理光学素子、８は検出器、
9,96は検出面、21,22,195a,195bはスクライブラインで
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部直人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)発明者黒田亮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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対向配置した第１物体と第２物体の少なく
とも一方に回折格子を設け、投光手段からの位置検出用
光束を該第１物体と第２物体を介した後、受光手段面上
に導光し、該位置検出用光束の該受光手段面上への入射
位置を検出することにより該第１物体に対する該第２物
体の位置を検出する際、該受光手段に入射する該位置検
出用光束は該第１物体と第２物体の少なくとも一方に設
けた回折格子により全体として少なくとも２回の回折作
用を受けており、該受光手段は該第１物体と第２物体の
少なくとも一方に設けた回折格子のうち少なくとも一方
の回折格子から生ずる不要回折光が入射しない領域に配
置されていることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】対向配置した第１物体と第２物体の少なく
とも一方に回折格子を設け、投光手段からの位置検出用
光束を該第１物体と第２物体を介した後、受光手段面上
に導光し、該位置検出用光束の該受光手段面上への入射
位置を検出することにより該第１物体に対する該第２物
体の位置を検出する際、該受光手段は該第１物体と第２
物体の少なくとも一方に設けた回折格子のうち少なくと
も一方の回折格子K1から生ずる任意の回折光束の主光線
ベクトル及び該回折格子K1によって定まる任意のフラウ
ンホーファ回折ベクトルと交叉しない領域に設けられて
いることを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】対向配置した第１物体と第２物体の少なく
とも一方に回折格子を設け、投光手段からの位置検出用
光束を該第１物体と第２物体を介した後、受光手段面上
に導光し、該位置検出用光束の該受光手段面上への入射
位置を検出することにより該第１物体に対する該第２物
体の位置を検出する際、該受光手段に入射する該位置検
出用光束は該第１物体と第２物体の少なくとも一方に設
けた回折格子により全体として少なくとも２回の回折作
用を受けており、該受光手段は該第１物体と第２物体の
少なくとも一方に設けた回折格子のうちの少なくとも一
方の回折格子K3の外周上の任意の直線の法線方向から外
れた領域の該回折格子K3から生ずる不要回折光が入射し
ない領域に配置されていることを特徴とする位置検出装
置。
【請求項４】対向配置した第１物体と第２物体の少なく
とも一方に回折格子を設け、投光手段からの位置検出用
光束を該第１物体と第２物体を介した後、受光手段面上
に導光し、該位置検出用光束の該受光手段面上への入射
位置を検出することにより該第１物体に対する該第２物
体の位置を検出する際、該受光手段に入射する該位置検
出用光束は該第１物体と第２物体の少なくとも一方に設
けた回折格子により全体として少なくとも２回の回折作
用を受けており、該受光手段は該第１物体と第２物体の
少なくとも一方に設けた回折格子のうちの少なくとも一
方の回折格子K3の外周上の任意の直線の法線方向から外
れた方向でかつ該回折格子K3から生ずる不要回折光が該
受光手段に入射しない方向より該第１物体又は第２物体
に該位置検出用光束を入射させていることを特徴とする
位置検出装置。