JP2546356B2

JP2546356B2 - 位置合わせ装置

Info

Publication number: JP2546356B2
Application number: JP63274937A
Authority: JP
Inventors: 謙治斉藤; 優和真継; 雄吉丹羽; 哲志野瀬; 実吉井; 繁幸須田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1996-10-23
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: JPH021506A

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21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面上に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。このときの平面上に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22図は第21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
せて各々基準とする位置からのずれ量を求めている。

この場合、ゾーンプレートからの直接像をそのまま評
価したのでは相対的な位置ずれ量に対する所定面上の動
きが同程度で小さい為、高精度の位置合わせを行うに
は、例えば所定面上の動きを拡大する拡大系等を必要と
した。

しかしながら仮りに拡大系を設けても、その組立精度
の影響や位置合わせにおける変動の影響により、所定面
上における光量のずれ量を高精度に検出することが難し
い等の問題があった。

（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物体との間隔量に応じて
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（回折格子、ゾーンプレート、ホログラム
等、光の波動としての性質を利用した波面変換素子）を
設け、該物理光学素子を利用することにより、所定面上
で双方の位置ずれ量が拡大するように設定すると共に双
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）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物体面上に第１物理光学素子を形成
し、該第２物体面上に第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う際、該第１物体と第２物体との
間隔をｄ、該第1,第２物理光学素子に入射する光束の有
効径を各々M,W、該第１物体から該第１物理光学素子に
よる回折光の集光位置までの距離をblaとし、F1＝bla/M
とおいたとき、該間隔ｄがｄ≦5F1・Ｗのときは、該第
１物理光学素子の屈折力と該第２物理光学素子の屈折力
が正、負、又は負、正の組み合わせとなるようにし、ｄ
＞5F1・Ｗのときは、該第１物理光学素子の屈折力を
正、該第２物理光学素子の屈折力を正、又は負となるよ
うに設定したことである。

（実施例）第１図は本発明の第１実施例の概略図である。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に設けたゾーンプレート等から
成る第１物理光学素子3aを照射している。

第１物理光学素子3aは集光作用を有しており出射光を
第１物理光学素子3aから距離b1a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に設けられているゾーンプレート等か
ら成る第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と同様に集光作用を有
しており、第２物理光学素子4aからの出射光を検出器
（センサ）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。

本実施例における第１物体１と第２物体２の位置ずれ
検出方法は、第１物理光学素子3aで形成した点像（実
像、又は虚像）を第２物理光学素子4aでb_2a/a_2aで定義
される結像倍率β２の絶対値が大きくなるようにしてセ
ンサ８に投影し、第２物理光学素子の位置ずれ量に比べ
てセンサ８上の点像を大きな移動量として検出すること
により検知分解能を向上させている。

一般には第２物理光学素子4aの有効径Ｗを大きくすれ
ばセンサ８上の点像を小さくすることができ、検知分解
能を向上させることができる。しかしながら半導体製造
装置においては、位置決め用のマーク専有領域を半導体
の高集積化の為、なるべく低減化することが要望されて
おり、マーク専有領域をあまり大きくすることはできな
い。

一方、物理光学素子は回折効果を有効に得る為、最小
線幅は位置ずれ検知に使用する光源波長、λ以上が好ま
しく、作成上からも、例えば0.4μｍ以上の可視光の波
長領域内の光束が良い。

但し、検知に必要な信号光量を増すことによりS/N比
を向上させ高精度化を図るには物理光学素子の縞数（ゾ
ーン数、線の本数）は多い程好ましい。

この為、本実施例では第１物体と第２物体との間隔ｄ
がｄ＜5F1Wのときは、第１物理光学素子の屈折力と第２
物理光学素子の屈折力との組み合わせが後述するように
正、負、又は負、正の異符号の組み合わせとなるように
している。

これにより間隔ｄ以上に第1,第２物理光学素子の焦点
距離f1,f2を長くすることができ、物理光学素子の縞数
が多くとれ、又、線幅も比較的大きくすることができ
る。

第１物理光学素子を正の屈折力、第２物理光学素子を
負の屈折力としたときの構成は第２物理光学素子の寸法
Ｗ、結像倍率｜β｜、そして点像の寸法φ、又は距離b
_2aを同一にした場合、第１物理光学素子を負の屈折力、
第２物理光学素子を正の屈折力にしたときの構成に比べ
て、若干焦点距離f1,f2を長くすることができる特長を
有している。

一方、第１物理光学素子を負の屈折力、第２物理光学
素子を正の屈折力としたときの構成は、第１物理光学素
子を正の屈折力、第１物理光学素子を負の屈折力とした
ときの構成に比べて、マーク専有領域を小さくすること
が出来る特長を有している。

又、本実施例では第１物体と第２物体との間隔ｄがｄ
＞5F1Wのときには、第１物理光学素子を正の屈折力、第
２物理光学素子を正、又は負の屈折力にしている。

これにより例えば第１物理光学素子の寸法Ｍを固定し
たとき間隔ｄが長い為、第２物理光学素子の寸法Ｗが大
きくなるのを防止している。

又、第２物理光学素子の寸法Ｗを固定したとき、第１
物理光学素子の寸法Ｍが小さくなるのを防止し、充分な
回折効率が得られるようにしている。

第１物理光学素子と第２物理光学素子を共に正の屈折
力より構成したときは、第２物理光学素子の寸法Ｗと結
像倍率の絶対値｜β2|を固定したとき、第１物理光学素
子を正の屈折力、第２物理光学素子を負の屈折力とした
場合に比べて第１物理光学素子の焦点距離f1を同図に示
す2|a_2a｜分だけ短くすることができ、ゾーン数（縞
数）を増加することができ回折効率をより高めることが
できる特長を有している。

尚、本実施例において光源10が有限の距離にある場合
には、前述の値F1は光源10からの光束の第１物理光学素
子3aに入射する径をＭ、第１物体から第１物理光学素子
3aによる回折光の集光点位置までの距離をb_1aとし、F1
＝b_1a/Mより求めれば良い。

第２図は第１図に示した第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に各々ゾ
ーンプレート等の第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。

第３図はこのときの第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Δδ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物体に位相型の物理光学素子を
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Δδ
ｓとの関係を示す曲線を予め決めておき、重心ずれ信号
Δδｓ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Δδ₀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 Δδ₀＝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｜Δδ₀−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mII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mI＝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mII＝10.4となる。

即ち、第６図（Ａ），（Ｂ）に示すようなパターンと
なる。同図において（Ａ）は物理光学素子３としてのゾ
ーンプレート、同図（Ｂ）は物理光学素子４としてのゾ
ーンプレートを示している。

本実施例では第１物体及び第２物体に第６図（Ａ），
（Ｂ）に示す振幅型の代わりに同様な光学作用をする位
相型のゾーンプレートを設け、これにより所定面上にお
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。

位相型のゾーンプレートの場合は上記振幅型と同様に
各縞（ゾーン）を設定し、光の透過光量に対応した位相
差が生ずるようにする。例えば振幅型における縞と縞の
間の厚みを変えて、この部分を透過する光ビームが、前
記縞を通過するものに対し、位相がπだけずれるように
例えば第６図（Ｊ），（Ｋ）のように形成する。

次に位相型グレーティングの製造方法の一例について
説明する。

先ず、銀塩で振幅型のグレーティングをブリーチング
処理により凹凸をつける方法がある。又、フォトレジス
トによる方法も一般的である。透明レジストにより縞パ
ターンを形成し、レジストが存在する部分とない部分の
光路差をλ/2にするものがある。又、レジストを用いた
エッチング処理で、基板に凹凸をつける方法がある。更
に光路長差をつけたパターン形成が行なえればよいの
で、イオンドーピングによりドープされた領域の屈折率
を変化させることにより作成する手法もある。

位相型グレーティングの隣同志の位相差は、基本的に
隣同志はπだけ位相が異なったものとなる。このうち透
過型の場合には第６図（Ｆ）に示すように隣り合う領域
の主光線P₁,P₂は位相差Δφが次式のように表わされ、
Δφ＝πとなるように屈折率n,n₀及び厚みd₁,d₂を設定
する。

一方、反射型の場合には第６図（Ｇ）に示すように隣り
合う領域の主光線P₁,P₂は位相差Δφが次式のように表
わされ、Δφ＝πとなるように屈折率n₀，厚みｄを設定
する。

位相型グレーティングは振幅型グレーティングに比較
し、一般に約２倍の信号光を得ることができる。以下第
６図（Ｈ），（Ｉ）を用いて簡単に説明する。

各開口からの主光線のみを位相の観点から示すと振幅
型の場合は第６図（Ｈ）のように各縞の開口からの光が
回折され、集光点Ｑへ集り、このとき各縞からの光路長
差はλとなり、位相が２πずつずれる為、結局同位相と
なる。同図において縞１からの光は縞２からの光は縞ｍからの光はよってＱ点では各縞からの光が全て同位相でたし合わさ
れる即ち、素子面上の光照射領域全体の約半分の開口部分の
光が信号光に利用される。

これに対し、位相型は第６図（Ｉ）に示すように、素
子全体の光が信号光に利用される。隣り合う領域からの
回折光は光路長差はλ/2となり、位相がπづつずれる
為、結局全て同位相となりたし合わされる。同図におい
て縞１からの光は縞１′からの光は縞２からの光は縞ｍからの光は縞ｍ′からの光はよって、Ｑ点では各縞からの光が全て同位相でたし合わ
される。

即ち、素子画面上の光照射領域全体の光が信号に利用
されることになり、振幅型に比較し、信号光強度が増大
することになる。振幅型の遮光部を位相差をつけた透過
部とすることによるノイズ発生はなく、S/N比は向上す
る。

第６図（Ｃ），（Ｄ）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（Ｃ）は位置ずれがない場合、同図（Ｄ）は25μ
ｍの位置ずれがあった場合である。

同図（Ｃ）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（Ｄ）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。

この為、位置ずれ量Δσと光量の重心ずれ量Δδとの
関係を示す、例えば第６図（Ｅ）に示す関係を予め記憶
手段等に記憶させて参照する方法をとれば広いダイナミ
ックレンズで高精度に位置ずれ量Δσを検出することが
可能となる。

尚、本実施例では第１物理光学素子3aに平行光束を入
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。

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実施例は前述の間隔ｄがｄ
≦5F1・Ｗの場合であり、第１物理光学素子3bは発散作
用を有し、第２物理光学素子4bは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。

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Δσｂはとなる。

第８図の第３実施例は前述の間隔ｄがｄ≦5F1・Ｗ及
びｄ＞5F1・Ｗのいずれの場合であっても良く第１物理
光学素子3cは集光作用を有し、第２物理光学素子4cは発
散作用を有しており、これにより所謂凹凸系を構成して
いる。

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。

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、又は第８図に示す
凸凹系が良い。又、逆に開口を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図から第12図は各々本発明の第４〜第７実施例の
概略図である。各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〜第12図において第１図に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。

第９図に示す第４実施例は所謂凸凸系の凸レンズ、凹
面鏡型に相当している。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Δσｗ
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、Δδｗ＝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図に示す第５実施例は所謂凸凸系の凹面鏡、凹面
鏡型に相当している。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
12,13を介してマスクアライメントパターン3M1を照射し
ている。マスクアライメントパターン3M1は反射型のグ
レーティングレンズで入射光束を反射し、ハーフミラー
面13で反射させて点Ｑの位置に集光している。点Ｑより
出射した光束をウエハ面Ｗ上のウエハアライメントパタ
ーン4W1で再び反射した後、ハーフミラー面13,12を介し
て検出面９上に集光している。

今、ウエハＷにマスクＭに対してΔσｗの位置ずれ量
があったとすると検出面９上での光量の重心ずれ量Δδ
ｗはとなる。

今、aw1＝0.5mm,bw1＝50mmとすればΔδｗ＝101Δσ
ｗとなる。即ち、Δδｗ＝0.1μｍ精度で測定できれば
位置ずれ量Δσｗは0.001μｍが評価できる。

又、ウエハアライメントパターン4W1の開口を100μｍ
とすれば検出面９上のスポット径φは点Ｑを点としたと
き回折効果によりλ＝0.83μｍでe^-2に光量が低下する
径まで評価すればφ＝680μｍとなる。実際はマスクア
ライメントパターン3M1による像には拡がりがあるの
で、この効果の方が大きい。

このときの拡がりを10μｍとすればφ＝1000μｍとな
る。

第11図に示す第６実施例は所謂凹凸系の凹レンズ、凹
面鏡型に相当している。マスクＭはメンブレン17に取り
付けてあり、それをアライナー本体15にマスクチャック
16を介して支持している。本体15の上部にマスク、ウエ
ハアライメントヘッド14が配置されている。マスクＭと
ウエハＷの位置合わせを行う為にマスクアライメントパ
ターン3M及びウエハアライメントパターン4Wがそれぞれ
マスクＭとウエハＷに焼き付けられている。

光源10から出射された光束は投光レンズ系11により平
行光となり、ハーフミラー12を通り、マスクアライメン
トパターン3Mへ入射する。マスクアライメントパターン
3Mは透過型のゾーンプレートより成り、点Ｑから光束が
出射したような発散光束とし、ウエハアライメントパタ
ーン4Wへ光を送る凹レンズとしての作用を持っている。
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
ト点Ｑから出る光束を検出面９上へ結像する凹面鏡の作
用を持っている。

このような配置のもとでマスクＭに対し、ウエハＷが
Δσｗだけ位置ずれしていたとすると検出面９上の光量
の重心の位置ずれ量Δδｗはとなる。

第12図に示す第７実施例は、所謂凸凹系の凸レンズ、
凸面鏡型に相当している。

マスクＭはメンブレン17に取り付けてあり、それをア
ライナー本体15にマスクチャック16を介して支持してい
る。本体15上部にマスク−ウエハアライメントヘッド14
が配置されている。マスクＭとウエハＷの位置合わせを
行う為にマスクアライメントパターン3M及びウエハアラ
イメントパターン4MがそれぞれマスクＭとウエハＷに焼
き付けられている。

光源10から出射された光束は投光レンズ系11により平
行光となり、ハーフミラー12を通りマスクアライメント
パターン3Mへ入射する。アライメントパターン3Mは透過
型のゾーンプレートで点Ｑへ集光する凸レンズの作用を
持っている。ウエハアライメントパターン4Wは反射型の
ゾーンプレートで点Ｑへ集光する光を検出面９上へ結像
する凸面鏡の作用を持っている。

このような配置のもとでマスクＭに対し、ウエハＷが
Δσｗだけ位置ずれしているとすると、検出面９上の光
量の重心ずれ量Δδｗはとなる。

第13図は本発明の第８実施例の概略図である。

本実施例は第11図に示したウエハアライメントパター
ンである反射型のゾーンプレートの代わりに表面形状を
凹面に加工した反射型のパターン4Wを用いた場合であ
り、その作用は第11図に示した反射型のゾーンプレート
と同様である。

3Mはマスクアライメントパターンで透過型のゾーンプ
レ−トより成っている。この他の構成は第11図に示した
構成と同じである。

第14図は本発明の位置合わせ装置において、マスクと
ウエハをアライメントする場合の制御系を示す一実施例
の概略図である。

検出器８から信号検出回路24、制御装置23、ウエハス
テージコントローラ22、ウエハステージ21までの制御系
とウエハチャック20、基準マーク25、及び以下に述べる
アライメントの手順は他の実施例の説明には記載されて
いないが、いずれの実施例でも同様の形態で用いられて
いる。

同図に基づいてアライメントの手順を示す。

（１−１）まず、アライメント完了となる基準点を設定
する。基準点は検出面９上の特定の位置を適宜決めてお
けば良い。次にウエハ面Ｗ上に基準パターン25を設ける
手法について説明する。

（１）−（イ）ウエハステージ21上のウエハチャック20
上にウエハパターンと同様のグレーティングレンズから
構成される基準マーク25を設ける。

（１）−（ロ）この基準マーク25がアライメント評価位
置にくるように制御装置23よりウエハステージコントロ
ーラー22へ移動信号を出し、ウエハステージ21を動か
す。

（１）−（ハ）ここで光源10からの光束をマスクアライ
メントパターン3M及び基準パターン25に逐次通すことに
より検出面９上に光束を集光させる。

（１）−（ニ）この集光点の光量の重心位置を位置検出
回路24で求め、制御装置23へ位置信号を送り、基準位置
とする。

（１−２）次にウエハステージ21を動かし、ウエハアラ
イメントパターン4Wがアライメント評価位置にくるよう
にウエハＷを設定する。

（１−３）ここで光源10からの光束をマスクアライメン
トパターン3M及びウエハアライメントパターン4Wと逐次
通すことにより、検出面９上に導光させ、光量の重心位
置を信号検出回路24により求めウエハ位置信号を制御装
置23へ送る。

（１−４）制御装置では基準点位置とウエハ位置信号か
らウエハの位置ずれ量を評価し、位置合わせ信号をウエ
ハステージコントローラー22へ送る。

（１−５）ウエハステージコントローラー22によりウエ
ハステージ21を移動し、マスクとウエハの位置ずれを補
正する。

（１−６）そして再びマスクとウエハの位置ずれを検出
し確認する。

（１−７）必要あれば前述のステップ（１−２）〜（１
−６）を繰り返す。

以上のアライメント手順に従った制御装置23の制御方
法を第15図に示す。

第16図は本発明の第９実施例の概略図である。本実施
例は半導体素子製造用の縮少投影型の露光装置に適用し
たものである。

同図において光源10から出射した光束を投光レンズ系
11で平行光としてレチクルＬ面のレチクルアライメント
パターン3Lを照射している。このときレチクルアライメ
ントパターン3Lは通過光を点Q₀に集光させるレンズ作用
を有する透過型の物理光学素子を構成している。そして
点Q₀からの光束を縮少レンズ系18によりウエハＷから距
離awだけ離れた点Ｑに集光している。

ウエハＷ上にはウエハアライメントパターン4Wが設け
られており、このウエハアライメントパターン4Wは反射
型の物理光学素子を構成し、点Ｑに集光する光束が入射
してくると、その光束を反射させハーフミラー19を介し
て検出面９上に結像させる凸面鏡の機能を有している。

検出面９上に導光された光束の光量の重心ずれ量Δδ
からレチクルＬとウエハＷとの相対的な位置ずれ量Δσ
を求めている。

このときのウエハＷから検出面９までのハーフミラー
19を経由した距離をbwとすれば光量の重心ずれ量Δδはとなる。

距離aw,bwを適当に選べばレチクルＬとウエハＷの相
対的な位置ずれ量Δσを高精度に求めることができる。

本実施例では点Ｑの位置をレチクルＬ側から見てウエ
ハＷより遠い位置とし、ウエハアライメントパターン4W
を凸面鏡型としたが、第９図及び第11図に示す実施例の
ように点Ｑの位置をウエハＷより手前とし、ウエハアラ
イメントパターン4Wを凹面鏡型としても同様な結果を得
ることができる。

第17図は本発明の第10実施例の概略図である。本実施
例は第９図に示す実施例におけるマスク及びウエハ面上
のアライメントパターンを改良したものである。マスク
アライメントパターン3M及びウエハアライメントパター
ン4Wは、いずれもスクライブライン方向及びその直交方
向に同一の屈折力を有する２次元的なグレーティングレ
ンズより成っている。

検出器８は２次元的なセンサーであり、光量の重心位
置を検出している。即ち、検出器８はマスクＭとウエハ
Ｗの位置ずれ量を２次元的にグレーティング系を介した
倍率で検出してる。このように２次元的なグレーティン
グンレンズ系と２次元的なセンサーを使うことにより、
マスクとウエハとの位置ずれの方向、及びそのずれ量を
高精度に同時に検出することを可能としている。

センサー系では第１実施例と同様に受光領域の全光量
で規格化されるように信号処理される。従って、光源の
出力が多少変動してもセンサー系から出力される測定値
は正確に重心位置を示している。

アライメント光束の入射角、グレーティングレンズの
屈折力、及び大きさを第１実施例と同じとすることによ
り、位置検出特性も第1,第２実施例と同様の結果を得て
いる。

第18図は本発明の第11実施例の概略図である。本実施
例は２つの反射鏡25,26を利用した等倍結像系の半導体
素子製造用の露光装置に適用したものである。同図にお
いてはレチクルＬ面上のパターンを反射鏡25及び26によ
りウエハＷ面上へ結像させる際、不図示の露光系により
照射された露光光束によりウエハＷ面上にレチクル面上
のパターンを焼き付けている。

これに対し、アライメント系は光源10から出射された
光束を投光レンズ11により平行光とし、レチクルＬ面上
のレチクルアライメントパターン3Lを通過後、反射鏡2
5,26を通り、ウエハアライメントパターン4Wへ照射して
いる。そしてウエハアライメントパターン4Wで反射され
ハーフミラー19で更に反射させた後、検出器８の検出面
９へ導光している。このとき、レチクルアライメントパ
ターン3L及びウエハアライメントパターン4Wは、いずれ
も本発明に係る光学性質を有した物理光学素子であり、
レチクルアライメントパターンは凸レンズの作用を有
し、一度点Q₀で集光された光束は反射鏡25,26により点
Ｑへ集光する。ウエハアライメントパターン4Wは凸面鏡
の機能を持ち点Ｑへ集光する光束を反射し、検出面９上
へ集光している。

このようにして検出される検出面９上の光量の重心ず
れ量ΔδからレチクルＬとウエハＷの位置ずれ量Δσを
前記実施例と同様に求めている。

第19図は本発明の第12実施例の概略図である。本実施
例は３つの反射鏡25a,26a,27を利用した縮少結像系の半
導体素子製造用の露光装置に適用したものである。

同図においてはレチクルＬ面上のパターンを反射鏡25
a,26a,27よりウエハＷ面上へ1/4に縮少結像している。
このとき不図示の露光系により照射された露光光束によ
りウエハＷ面上にレチクル面上のパターンを焼き付けて
いる。

これに対し、アライメント系は光源10から出射された
光束を投光レンズ11により平行光とし、レチクルＬ上に
あるレチクルアライメントパターン3Lを通過後、反射鏡
25a,26a,27を通り、ウエハアライメントパターン4Wへ照
射している。そしてウエハアライメントパターン4Wで反
射されハーフミラー19で更に反射させた後、検出器８の
検出面９へ導光している。このとき、レチクルアライメ
ントパターン3L及びウエハアライメントパターン4Wは、
いずれも本発明に係る前述の光学性質を有した物理光学
素子であり、レチクルアライメントパターン3Lは凸レン
ズの作用を有し、一時点Q⁰で集光された光束は反射鏡25
a,26a,27により点Ｑへ集光する。ウエハアライメントパ
ターン4Wは凸面鏡の機能を持ち点Ｑへ集光する光束を反
射し、検出面９上へ集光している。

第20図は本発明の第13実施例の概略図である。本実施
例は半導体素子製造用の縮少投影型の電子照射装置に適
用したものである。

同図においてはエレクトロンガン32から出射した電子
ビームはブランキングプレート33を通り、第１コンデン
サーレンズ34、第２コンデンサーレンズ35及び第３コン
デンサーレンズ36により平行ビームとなり、レチクルＬ
に照射される。レチクルＬ上は金属箔に図形状の孔があ
いたパターンから構成され、それを通過した電子線は第
１プロジェクションレンズ37、及び開口アライメントコ
イル38、及び第２プロジェクションレンズ39によりウエ
ハＷ面上にマスク図形の1/10縮小像を結像する。

一方、アライメント光学系は次のように設定されてい
る。即ち、アライメント用の光源10から出射した光束を
投光レンズ11により平行光とし、ミラー28によりレチク
ルＬ上のアライメントパターン3Lを照射する。アライメ
ントパターン3Lにより平行光束は集光作用を受け点Q₀へ
ミラー29で一度反射した後、集光する。その後、ミラー
30で方向を変換し、レンズ18により再び集光光束となり
ハーフミラー19及びミラー31により方向を変換しながら
点Ｑへ集光する。ウエハＷ上に設けられたアライメント
パターン4Wは点Ｑへ集光する光を反射し、ミラー31及び
ハーフミラー19を通り検出器８上の検出面９へ集光す
る。

このときレチクルアライメントパターンはレンズ18に
より10:1の縮小投影関係となるように設定されており、
電子線露光系と同倍率になっている。この為、レチクル
上の図形とレチクルアライメントパターン3Lの横ずれは
1:1に対応している。

（発明の効果）本発明によれば第１物体と第２物体の間隔量に応じて
前述の光学的性質を有する、第1,第２物理光学素子を各
々位置合わせを行う第1,第２物体に設け、第１物理光学
素子により変換された波面を第２物理光学素子で更に変
換した後、検出面に導光することにより、サブミクロン
以下の精度で第１物体と第２物体の位置合わせが行なえ
る位置合わせ装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略図、第２図，第３図
は各々第１図の光学作用の原理を示す説明図、第４図
（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
明における物理光学素子の光学作用を示す説明図、第６
図（Ａ），（Ｂ），（Ｊ），（Ｋ），（Ｃ），（Ｄ），
（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ），（Ｉ）は本発明に係
る物理光学素子に関する説明図、第７図〜第13図は各々
本発明の第２実施例〜第８実施例の概略図、第14図，第
15図は本発明の位置合わせ装置における制御系とブロッ
ク図を示す一実施例の概略図、第16図〜第20図は本発明
の第９実施例〜第13実施例の概略図、第21図，第22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はマスクアライメントパターン、4Wはウエハア
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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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物体面上に第１物理光学素
子を形成し、該第２物体面上に第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う際、該第１物体と第２物
体との間隔をｄ、該第1,第２物理光学素子に入射する光
束の有効径を各々M,W、該第１物体から該第１物理光学
素子による回折光の集光位置までの距離をblaとし、F1
＝bla/Mとおいたとき、該間隔ｄがｄ≦5F1・Ｗのとき
は、該第１物理光学素子の屈折力と該第２物理光学素子
の屈折力が正、負、又は負、正の組み合わせとなるよう
にし、ｄ＞5F1・Ｗのときは、該第１物理光学素子の屈
折力を正、該第２物理光学素子の屈折力を正、又は負と
なるように設定したことを特徴とする位置合わせ装置。