JP2546317B2 - 位置合わせ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位置合わせ装置に関し、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。

（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12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をウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。

第13図は第12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。

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
せ各々基準とする位置からのずれ量を求めている。

しかしながら、この方法は （イ）物理光学素子からの直接像そのままを評価したの
では相対的位置ずれ量に対する評価面上の動きが同程度
で小さく、精密な計測を行うには評価面上の動きを拡大
する系が必要となる。

（ロ）アライメントマークが存在するスクライブライン
幅方向にグレーティングレンズのパワーがあり、かつス
クライブライン幅方向にマスクとウエハ間の位置ずれを
検出しアライメントする場合、アライメントマークのグ
レーティングの本数が十分とれず、グレーティングレン
ズとしての性能（収差、結像性能など）が不足して必要
なアライメント精度が出せないことがあった。

（ハ）グレーティングレンズの等方向に同じレンズパワ
ーを持ち、所定の角度でアライメント光束をグレーティ
ングレンズに入射させる場合、アライメント信号光とし
て使う回折次数成分以外の不要な回折光が、マスクとウ
エハ上のグレーティングレンズのレンズ作用により発
散、或は収束光となり、結果的にアライメントセンサに
到達して散乱光量が増し、センサのアライメント信号の
S/Nが低下する等の問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は第１物体と第２物体との相対的な位置ずれ量
を検出する際に第１物体と第２物体面上に各々所定の光
学性質を有した物理光学素子を設け、該物理光学素子を
利用することにより、所定面上で位置ずれ量の検出方向
には双方の位置ずれ量が拡大するように設定すると共
に、位置ずれ量の検出方向と直交する方向には位置ずれ
量が拡大しないようにし、双方の相対的な位置ずれ量に
伴う光量の重心位置を高精度に、しかも容易に検出する
ことのできる位置合わせ装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位置合わせ装置は、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う際、該第１物体面上
に一方向にのみレンズ作用を有する第１物理光学素子を
形成し、該第２物体面上に一方向にのみレンズ作用を有
する第２物理光学素子を形成し、更に前記物理光学素子
の少なくとも１つは所定の方向に光束の偏向作用を有
し、該第１物理光学素子に光を入射させた時に生ずる回
折光を第２物理光学素子に入射させ、該第２物理光学素
子により生じる回折光の所定面上で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ったことを特徴としている。

（実施例） 第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第１実施例の概略図
である。同図（Ａ）は側面図、同図（Ｂ）は平面図であ
る。本実施例では光源10から出射された光束を投光レン
ズ系11で平行光束とし、第１物体１に設けた第１物理光
学素子3aを照射している。

第１物理光学素子3aは第２図に示すようにｘ方向の一
方向のみに集光作用を有し１次元オフアクシス型フレネ
ルゾーンプレート等のグレーティングレンズであり、か
つｙ方向には光束の偏向作用を有する出射光を第１物理
光学素子3aから距離b_1aの点Ｑに集光している。そして
点Ｑから発散した光束を距離a_2aの位置に配置した第２
物体２に設けられている第２物理光学素子4aに入射させ
ている。第２物理光学素子4aは第１物理光学素子3aと同
様に第２図に示すようにｘ方向の一方向にのみ集光作用
を有した１次元ロフアクシス型フレネルゾーンプレート
等のグレーティングレンズであり、ｙ方向には光束の偏
向作用を有する第２物理光学素子4aからの出射光を検出
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,第２物理光学素子3a,4aにより所謂凸凸系を構成し
ている。

第３図は第１実施例における光学系の基本原理を示す
説明図である。同図においては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に各々前述の構成の第1,
第２物理光学素子3,4を設けている。第１物理光学素子
３へ光束５を入射させ、それからの出射光６（6a）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からの出射光７（7a）を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、光量の重心ず
れ量Δδが生じてくる。

本実施例では同図において、点線で示す光束７による
検出面９上の光量の重心位置を基準として、実線で示す
光束7aによる検出面９上における光量の重心ずれ量Δδ
を求め、これより第１物体と第２物体２との相対的な位
置ずれ量Δσを検出している。

第４図（Ａ）はこのときの第１物体１と第２物体２と
の相対的な位置ずれ量Δσと、検出面９上における光量
の重心ずれ量Δδとの関係を示す説明図である。

本実施例では以上のような基本原理を利用して第１物
体１と第２物体２との相対的な位置関係を検出してい
る。

第１図において第1,第２物理光学素子3a,4a及び検出
面９が互いに平行であるとすると、第１物体と第２物体
との位置ずれ量Δσの一般式は点線で示す光束７が集光
する検出面９上の光量の重心位置7cを位置ずれ量のない
基準状態としたとき となる。

但し、 Δσ1;第１物理光学素子3aの基準位置からの位置ずれ量 Δσ2;第２物理光学素子4aの基準位置からの位置ずれ量 ここで、今第１物理光学素子3aを基準とし、第２物理
光学素子4aが第１物理光学素子3aと平行方向にΔσずれ
ていたとすると検出面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 倍に拡大される。

例えばa_2a＝0.5mm,b_2a＝50mmとすれば重心ずれ量Δδ
は（１）式より101倍に拡大される。

尚、このときの重心ずれ量Δσと位置ずれ量Δσは
（１）式より明らかのように、例えば第４図（Ａ）に示
すような比例関係となる。検出器８の分解能が0.1μｍ
であるとすると位置ずれ量Δσは0.001μｍの位置分解
能となる。

このようにして求めた位置ずれ量Δσをもとに第２物
体を移動させれば第１物体と第２物体の位置決めを高精
度に行うことができる。

特に本実施例では第１物体と第２物体に１次元フレネ
ルゾーンプレートのグレーティングレンズより成る物理
光学素子を用いることにより、該物理光学素子から射出
される光束を効率良く第２物体面上の物理光学素子に導
光すると共に、所定面上における光量の重心位置を高精
度に検出することができるようにしている。

本実施例において位置合わせを行う手順としては、例
えば次に方法を採ることができる。

第１の方法としては２つの物体間の位置ずれ量Δσに
対する検出器８の検出面上での光量の重心ずれ信号Δσ
ｓとの関係を示す曲線を予め決めておき、重心ずれ信号
Δσｓの値から双方の物体間との位置ずれ量Δσ求め、
そのときの位置ずれ量Δσに相当する量だけ第１物体若
しくは第２物体を移動させる。

第２の方法としては検出器８からの重心ずれ信号Δδ
ｓから位置ずれ量Δσを打ち消す方向を求め、その方向
に第１物体若しくは第２物体を移動させて位置ずれ量Δ
σが許容範囲内になるまで繰り返して行う。

次に第１物理光学素子3aと第２物理光学素子4aとの間
隔が所定の位置よりずれていた場合における重心ずれ量
Δδとの関係を次に示す。

間隔のずれΔａにより距離a_2aが変化すると重心ずれ
量Δδは となる。これは第４図（Ｂ）に示すように位置ずれ量Δ
σに対し、重心ずれ量Δδは原点を通った多少ずれた直
線となる。

このことは前記位置合わせ手順における第２の方法を
用いれば原理的に間隔ずれは、位置合わせに影響されな
いことを示している。

又、前記位置合わせ手順における第１の方法において
も、位置ずれ量Δσが小さい場合は同様に影響されない
ことを示している。

例えばa_2a＝0.5mm,b_2a＝50mm,f＝0.495mmとし、間隔
ずれΔａがΔａ＝５μｍあったとする。

間隔変動がない場合の検出面９上の位置ずれ量Δσに
よる光量の重心ずれ量Δδ_０は次のようになる。

これに対して間隔変動がある場合は光量の重心ずれ量Δ
δΔａは となる。

今、Δσ＝0.01μｍの位置ずれがあったとすれば、検
出面９上では間隔ずれがあった場合となかった場合での
光量の重心ずれ量は Δδ_０ ＝101×0.01＝1.01（μｍ） ΔδΔａ＝100×0.01＝1 （μｍ） となる。即ち間隔ずれによる検出面９上での光量の重心
ずれは ｜Δδ_０−ΔδΔa|＝0.01（μｍ） となる。これを物理光学素子のずれ量に換算すれば拡大
倍率が100倍なので位置合わせ誤差は0.0001（μｍ）と
なる。同様に位置ずれ量ΔσがΔσ＝１μｍすれば位置
合わせ誤差は0.01（μｍ）となる。

以上のような作用を有する物理光学素子を例えば振幅
型の１次元のゾーンプレートより構成する場合には、そ
のパターンを次のような形状より構成すれば良い。

第５図（Ａ）に示すように平行光束が焦点距離ｆのゾ
ーンプレート51に照射される場合のゾーンプレート51の
ゾーン数をmI、波長をλ、開口径をＤとすると となる。従って、第mI番目のゾーンの開口中心からの半
径D/2との関係は となる。

又、第５図（Ｂ）に示すように点光源52からの光束が
ゾーンプレート51で集光されるような第１図の第２物体
２に設けたゾーンプレートの場合には となる。従って第m II番目のゾーンの開口中心からの半
径D/2との関係は となる。

例えばＤ＝180μm,λ＝0.83μm,f＝1000μm,a＝500μ
m,b＝50000μｍとすると第１物体１に設けるゾーンプレ
ート3aのゾーン数はm I＝4.9、第２物体２に設けるゾー
ンプレート4aのゾーン数はm II＝10.4となる。

第６図（Ａ），（Ｂ）は本実施例のフレネルゾーンプ
レートの開口を180×50μｍとし、位置ずれ方向を開口1
80μｍの方向とし、25μｍの位置ずれ量を与えた場合の
検出面９上における光量分布が模式的に示した説明図で
ある。

同図（Ａ）は位置ずれがない場合、同図（Ｂ）は25μ
ｍの位置ずれがあった場合である。

同図（Ａ）より明らかのように位置ずれがない場合は
光量分布は、略矩形開口のフラウンホーファー回折像と
なり、位置ずれが生ずると同図（Ｂ）のように位置ずれ
量に応じ多少非対称のパターンに変形してくる。

本実施例では幾何光学的な主光線のずれ量を便宜上10
0倍にしているが実際にはフレネルゾーンプレートの収
差により検出面９上の光量の重心ずれ量は約96倍になっ
ている。

このように位置ずれ量が大きい場合は位置ずれ量Δσ
と検出面９上の光量の重心ずれ量Δδとは線形性がなく
なり、直線関係が多少ずれてくる。

尚、本実施例では前述のように位置ずれ量の検出方向
と直交する方向にレンズ作用のない１次元ゾーンプレー
トより成るグレーティングレンズを用いている為、検出
面９上には不要な散乱光や回折光成分がなく、位置ずれ
量検出精度は0.005μｍに、又、位置ずれ量の倍率感度
の線形性も位置ずれ量20μｍ程度まで許容することがで
きる。

一方、位置ずれ量をｙ方向（位置ずれ検出方向と直交
方向）に20μｍ与えた場合は、検出面９上では光束重心
位置が位置ずれ量と同じく20μｍの重心位置移動があ
り、倍率感度がないように構成されている。

尚、本実施例では第１物理光学素子3aに平行光束を垂
直入射させた場合を示したが、収斂光束や発散光束を入
射させても良い。この場合は第１物理光学素子3aによる
入射光束の集光点位置が検出面９と結像関係にあるよう
に第２物理光学素子4aを設定すれば良い。

又、本実施例のようにグレーティングレンズに光束の
偏向作用を持たせることにより、光検出器８上に到達す
る光束のうち、第１物体と第２物体の位置ずれ量検出用
信号光以外の不要光レベルを著しく減少させることがで
きた。

第７図，第８図は各々本発明の第2,第３実施例の要部
概略図である。第７図の第２実施例では第１物理光学素
子3bはオフアクシス型１次元ゾーンプレートより成り発
散作用を有し、第２物理光学素子4bはオフアクシス型１
次元ゾーンプレートより成り集光作用を有しており、こ
れにより所謂凹凸系を構成している。

又、２つの物理光学素子は、いずれもｙ方向には光束
の偏向作用を有する。

本実施例では第１物体１と第２物体２との基準位置か
らの位置ずれ量を各々Δσb₁,Δσb₂としたとき相対な
位置ずれ量Δσｂは Δσｂ＝Δσb₁＋Δσb₂ となる。そして位置ずれ量Δσｂに対する検出面９上の
光量の重心ずれ量Δδｂは となる。

第８図の第３実施例では第１物理光学素子3cはオフア
クシス型１次元ゾーンプレートより成る集光作用を有
し、第２物理光学素子4cはオフアクシス型１次元ゾーン
プレートより成る発散作用を有しており、これにより所
謂凸凹系を構成している。本実施例では第１物体１と第
２物体２との基準位置からの位置ずれ量を各々Δσc₁,
Δσc₂としたとき相対な位置ずれ量Δσｃは Δσｃ＝Δσc₁−Δσc₂ となる。そして位置ずれ量Δσｃに対する検出面９上の
光量の重心ずれ量Δδｃは となる。

本実施例における１次元ゾーンプレートの凹レンズ、
凸レンズの区別は正の次数の回折光を用いるか、負の次
数の回折光を使うかで決めている。

第2,第３実施例においても第１実施例と同様に位置ず
れ量検出方向と直交する方向にはレンズ作用がなく、光
束の偏向作用を有するオフアクシス型アライメントマー
クを用い、これにより第１実施例と同様に検出面上で散
乱光や不要回折光のない高精度の位置ずれ検出を行って
いる。

又、位置ずれ量検出方向と直交する方向、即ち紙面垂
直方向には位置ずれに対する倍率感度がないようになさ
れている。

尚、本発明においては第１物体１と第２物体２との間
隔及び第1,第２物理光学素子の開口の大きさに応じて前
述の各実施例における光学系を選択するのが良い。

例えば、第1,第２物理光学素子の開口に比較して間隔
が大きい場合は第１図に示す凸凸系が良い。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物理光学素子が第１
物理光学素子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物理光学素子が第２物理光
学素子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４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ＭとウエハＷとのアライメントを
行う位置合わせ装置に関するものである。

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、Ｍはマスク、Ｗ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。3MはマスクＭ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、4Wはウエハ４
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。

本実施例ではアライメントパターンのレンズ作用は、
マスクＭ（或はウエハＷ）上のスクライブライン方向
（ｘ方向）にのみ有し、かつそれと直交する方向（ｙ方
向）には光束の偏向作用のみ有する。

同図において光源10から出射された光束を投光レンズ
系11で平行光束とし、ハーフミラー12を介してマスクア
ライメントパターン3Mを照射している。マスクアライメ
ントパターン3Mは入射光束をウエハＷ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4Wに入射する。ウエハアライメントパターン4W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Ｍとハーフミラー12とを通過させた後、検出面
９上に集光している。

このように本実施例ではマスク用のアライメントパタ
ーン3Mによって点Ｑに集光させた光束を更に検出面９上
に結像させている。このときのウエハＷの位置ずれ量Δ
σｗに対応する検出面９上の光量の重心ずれ量Δδｗは
前述の第１図に示す凸凸系と同様に となる。マスクＭとウエハＷとの間隔ｇをｇ＝50μｍと
し、 aw＝25μｍ bw＝10000μｍ とすれば、401倍の感度が得られる。即ち、Δσｗ＝0.1
μｍ精度で測定できれば位置ずれ量Δσｗは0.00025μ
ｍまで評価することができる。このとき直径30μｍのア
ライメントパターンを用いるとすれば最小ピッチＰは となり、最小線幅が0.83μｍとなる。

又、e^-2でスポット径の有効径を決めれば検出面９上
のスポット径Ｓは Ｓ＝1.64×λ・F_NO ＝1.64×0.83×10000/30 ＝454（μｍ） となる。

第10図は本発明の第５実施例の要部概略図である。同
図において第９図に示す要素と同一要素には同符番を付
している。

本実施例ではウエハＷ及びマスクＭ面上のアライメン
トマーク4W、3M（以下、「グレーティングレンズ」とも
いう。）は各々ウエハＷ及びマスクＭ面上のスクライブ
ライン101上に配置されている。102は不図示のアライメ
ント用ヘッド内の半導体レーザー、H_e−N_eレーザー、A_r
レーザー等の光源からのコヒーレントな光束、又は発光
ダイオード等からのインコヒーレントな光束である。

同図においては光束102がマスクＭ面上に所定の角度
で入射し、マスクＭ及びウエハＷ面上のアライメントマ
ーク3M,4Wで回折後、信号光として１次元のCCD等から成
る検出面９上に入射する主光線の光路を示している。

本実施例では位置合わせをスクライブライン101方向
に設定している。

次に本実施例におけるアライメントマーク3M,4Wにつ
いて説明する。

アライメントマーク3M,4Wは所定の焦点距離を有する
所謂フレネルゾーンプレート（或はグレーティングレン
ズ）であり、このうちアライメントマーク3Mは所定の入
射角で投射されたアライメント光がグレーティングレン
ズの作用をうけて収束（或は発散）光となり、そのマス
クＭからの出射光の主光線がマスク面の法線に対して所
定の角度をなすように設定されている。

但し、本実施例ではレンズ作用はスクライブライン方
向のみで、幅方向には光束の偏向作用をもっているだけ
である。

本実施例においては、例えばアライメント光の入射角
はマスク面Ｍの法線に対して10゜、又、入射光のマスク
面Ｍへの投影成分はスクライブライン方向と直交してい
る。

アライメントパターン3Mを透過回折した光束はウエハ
Ｗ面上の鉛直下方に例えば238.0μm,20.107mmの位置で
線状に集光させている。このとき焦点距離は268μｍで
ある。

但し、このときマスクＭとウエハＷとの間隔は30μ
ｍ、アライメントマーク3M,4Wの寸法はスクライブライ
ン方向に各々280μｍ、スクライブラン軸方向に各々70
μｍとなっている。

アライメントマーク4Wはウエハ面Ｗ上の信号光用グレ
ーティングレンズで、マスク面Ｍを透過（回折）した収
束（発散）光が、ウエハ面Ｗ上のアライメントマーク4W
により更に（凹（凸））レンズ作用をうけて、センサ９
上の所定の位置に集光するように設定されている。例え
ば本実施例においては、アライメントパターン4Wのグレ
ーティングパターンはマスクＭとウエハＷの位置ずれが
０のとき、従ってアライメントマーク3M,4Wが共軸系を
なしたとき、ウエハ面Ｗ上のアライメントマーク4Wから
のアライメント光の出射角はウエハ面Ｗの法線に対し
5⁰、かつスクライブライン方向と直交し、センサ９上で
は位置ずれ検出方向に集光し、それと直交する方向には
帯状に広がったスポットがセンサの中心近傍に入るよう
に設定されている。

以上のようにマスクＭ、及びウエハＷ上のアライメン
トマーク3M,4Wは光束重心位置検出センサの位置ずれ検
出方向、即ちスクライブライン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向きを変える偏向
作用のみでレンズ作用のないグレーティング素子より構
成されている。

このようなグレーティングレンズのパターンの一実施
例を第11図（Ａ），（Ｂ）に示す。

第11図（Ａ）に示すパターンはｘ方向に所定の焦点距
離のレンズ作用をもち、ｙ方向には間隔が同じでレンズ
作用はないが、回折次数に応じて光束の進行方向を一定
の角度で偏向させる作用をもつ。

又、第11図（Ｂ）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。

第11図（Ａ）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11図（Ｂ）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。

次に本実施例におけるアライメントマーク3M,4W（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3M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。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11図（Ｂ）のようにマスクＭ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Ｍ面の法線方向にｚ軸をとる。マスク面Ｍ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アライメ
ントマーク3M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、グレーティングの輪郭位置をx,yで表わす
と y sin α＋P₁（ｘ）−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Ｍ上の原点を通
り、集光点（x₁,y,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Ｍ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。

（１）式ではマスクＭ上の点ｙを通った光は結像点で
はｙ方向に変換されない。

一方、ウエハＷ上のグレーティングレンズ4W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。線光源上の各点はマスクＭ
とウエハＷの露光時のギャップをｇとおくと（x₁,y,z₁
−ｇ）で表わされる。マスクＭとウエハＷ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、ウエハＷ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。

ここにβはｙ方向（スクライブラインと直交方向）の
偏向角（ウエハ面法線に対する出射角）を示す。

（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）、更に検出
面上の点（x₂,y,z₂）を通る光線であるとして、ウエハ
Ｗ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。

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の振幅型の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Ｍ上のグ
レーティングレンズ3M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Ｗ上のグレーティングレンズ4W
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Ｍ上のグレーティングレンズ3M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、ウエハ上の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ていた。

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）に入射する信号光と
の関係について説明する。

本実施例においてはアラインメント用の信号光はウエ
ハ面の法線に対して例えば5⁰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直交する角度
で出射する。センサ９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９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６のサイズは信号
光用の11が幅1mm、長さ6mm、又参照光用の12が幅1mm、
長さ1mmである。又、各画素のサイズは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50
mW、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3Mと
ウエハ用のグレーティングレンズ4W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。

本実施例ではスクライブライン方向にレンズパワーを
もたせた結果、グレーティングの数が多くとれるのでグ
レーティングレンズとしての結像性能は波面収差が少な
くなり、スクライブラインの幅方向にレンズパワーをも
たせて位置ずれ検出に使う場合に比べて向上させること
ができる。この結果、位置ずれ検出精度もライン幅方向
のレンズ作用を使う場合に比べて約0.02μｍ向上させる
ことが可能である。

又、位置ずれ量の検出方向と直交方向にはレンズ作用
がなく光束の偏向作用だけを持つアライメントマークを
用いることによりセンサ上で散乱、不要回折光成分が少
なくなり、良好な位置ずれ検出特性を得ている。更に位
置ずれ検出方向と直交する方向には倍率感度がないよう
に設定している。

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
を以って位置ずれ量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９図の第４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。第１図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＝0.83
μｍ）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。

（発明の効果） 本発明によれば第１物体と第２物体面上に双方の位置
ずれ検出方向にのみレンズ作用があり、所定の方向には
光束の偏向作用を有するグレーティングレンズ素子を位
置ずれ検出用のアライメントマークとして設けることに
より、位置ずれ量検出方向と直交方向に位置ずれ成分が
ある場合、センサからアライメント用光束が外れて位置
ずれ量が検出できなくなるのを防止し、又、アライメン
ト信号光以外の不要な回折光や散乱光成分が少なくな
り、この結果、高精度の位置合わせが可能となる位置合
わせ装置を達成することができる。

０次反射、又は透過光等の不要な回折光の影響を除
き、センサ上でS/N良く、位置合わせ信号光を検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第１実施例の光学系の
概略図、第２図は第１図の一部分の説明図、第３図は第
１図の動作説明図、第４図は（Ａ），（Ｂ）は本発明に
おける位置ずれ量と重心ずれ量との関係を示す説明図、
第５図（Ａ），（Ｂ）は本発明に係る物理光学素子の光
学作用を示す説明図、第６図（Ａ），（Ｂ）は本発明に
係る物理光学素子に関する説明図、第７〜第10図は本発
明の第２〜第５実施例の要部概略図、第11図は第10図の
一部分の説明図、第12,第13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は投影レンズ系、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、８は検出器、９は検出面、Ｍはマスク、Ｗはウエ
ハ、3Mはマスク用のアライメントパターン、4Wはウエハ
用のアライメントパターン、Ｌはレチクル、3Lはレチク
ルアライメントパターンである。

フロントページの続き (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 (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 (72)発明者 須田 繁幸 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56−157033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−143632（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−194523（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１物体と第２物体とを対向させて相対的
   な位置決めを行う際、該第１物体面上に一方向にのみレ
   ンズ作用を有する第１物理光学素子を形成し、該第２物
   体面上に一方向にのみレンズ作用を有する第２物理光学
   素子を形成し、更に前記物理光学素子の少なくとも１つ
   は所定の方向に光束の偏光作用を有し、該第１物理光学
   素子に光を入射させた時に生ずる回折光を第２物理光学
   素子に入射させ、該第２物理光学素子により生じる回折
   光の所定面上で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
   めを行ったことを特徴とする位置合わせ装置。
2. 【請求項２】第１物体と第２物体とを対向させて相対的
   な位置決めを行う際、該第１物体面上に位置合わせ用の
   第１物理光学素子を形成し、該第２物体面上に位置合わ
   せ用の第２物理光学素子を形成し、投光手段からの光束
   が、前記物理光学素子の少なくとも１つで一定方向にの
   みレンズ作用を受け、且つ前記物理光学素子を正反射、
   又は透過する光束の主光線方向に対して偏光作用を受
   け、該光束を所定面上に導光してセンサで検出すること
   におり、相対的な位置決めを行ったことを特徴とする位
   置合わせ装置。
3. 【請求項３】位置決めするべき物体面上に形成され、投
   光手段から入射した光束を正反射、又は透過する光束の
   主光線方向に対して偏向作用を与え、かつ一定方向にレ
   ンズ作用を与えて出射させ、該光束を所定面上に導光し
   てセンサで検出することにより相対的な位置決めを行え
   るようにしたことを特徴とする位置合わせ用マーク。