JP2556015B2 - 位置ずれ検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、位置ずれ検出装置にかかるものであり、特
に露光装置の投影光学系の焦点位置検出に好適な位置ず
れ検出装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来の焦点位置検出に使用される位置ずれ検出装置と
しては、例えば、特開昭56−42205号公報に開示された
ものがある。

以下、添付図面を参照しながら、かかる従来装置につ
いて説明する。第２図には、前記公報に開示された装置
の光学系の概略が示されている。

この第２図（Ａ）において、光源10から出力された焦
点位置検出用の照明光は、集光レンズ12で集光された
後、スリット14を照明する。

このスリット14を通過した照明光は、結像レンズ16に
よってウエハＷ上に結像光束として照射され、スリット
14の像14IがウエハＷ上に形成される。

次に、このウエハＷ面上で散乱、反射された光は、他
の結像レンズ18を介して、受光側スリット20に結像し、
この受光側スリット20上に像20Iが形成される。

上述した受光側スリット20を入射光軸方向から見る
と、第２図（Ｂ）に示すような形状となる。

受光側スリット20を通過したウエハＷからの反射光
は、光電変換素子22によって電気信号に変換され、焦点
位置検出信号として図示しない信号処理回路に出力され
る。

このときのウエハＷのＺ方向の変位ないし位置変化
と、光電変換素子22からの出力信号Ｉとの関係は、例え
ば第３図に示すようになる。この図に示すように、焦点
位置（Ｚ＝０）は、出力信号Ｉのピーク点に対応する。
従って、このピーク点を検出することにより、焦点位置
の検出を行うことができる。

実際の信号処理に際しては、Ｚ方向の方向性が考慮さ
れ、ウエハＷのＺ方向の位置に対してクローズドサーボ
コントロールが行なわれる。このため、上述した受光側
スリット20とその像20Iとを、検出方向に相対的に変調
する手段、例えば振動ミラーを、結像レンズ18と受光側
スリット20との間に挿入する。

そして、かかる手段によって変調された位置検出信号
を得、その変調周波数に対する同期位相検波を行うこと
によって、位置検出を行うようにする。この場合の検出
信号は、例えば第４図に示すようなＳカーブとなる。

このような方法によると、ウエハＷの位置が、焦点位
置すなわちＺ＝０の位置に対してわずかにずれたとして
も、Ｚ＝０となる位置づれ方向をそのＳカーブから知る
ことができる。すなわち、ウエハＷをいづれの方向に移
動させると焦点位置となるかという方向を、簡易に知る
ことができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、以上のような位置検出の範囲は、変調
された像20Iが、受光側スリット20をわずかでも通過で
きる範囲に限られ、第４図に図示した±Z_Aの範囲（いわ
ゆるダイナミックレンジに相当）となる。

例えば、第２図（Ａ）に破線で示すように、ウエハＷ
の表面位置がＺ＝０の合焦位置から大きくずれた場合に
は、像20Iは、受光側スリット20の位置から大きく離れ
た位置に形成されることとなる。

このような破線位置は、第４図において、位置Z_Bに対
応する。この場合は、全く検出信号を得ることができな
い。このため、焦点位置すなわちＺ＝０のウエハ移動方
向がどちらかにあるかを全く認識することができない。

従って、ウエハＷを適当に上下方向に移動させて、検
出信号を得ることができる位置を求めるというサーチ動
作が必要になる。

このような方法では、ウエハＷが±Z_Aの範囲にあって
直ちに焦点位置方向を認識できる場合と比較して、位置
ずれ検出に多大の時間を要し、スループットの点で著し
く劣るという不都合ある。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、
広いダイナミックレンジで速やかに位置ずれ検出を行っ
て、位置補正を良好に高スループットで行うことができ
る位置ずれ検出装置を提供することを、その目的とする
ものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、予め定められた方向に移動可能な物体に
対して光ビームを照射する照明手段と、前記物体の前記
方向における位置が予め定められた設定位置を含む予め
定められた範囲内にあるときに、前記物体から発生する
反射光を受光する第一の受光領域を有し、該第一の受光
領域上での前記反射光の受光位置に応じて変化する第一
の受光領域からの第一の光電信号を同期移相検波するこ
とにより、前記物体の前記方向における位置、又は前記
設定位置に対する位置ずれを検出する位置ずれ検出手段
と、前記物体の移動に伴う前記反射光の移動方向に対し
て前記第一の受光領域の外側に受光部を備え、この受光
部の前記移動方向の幅が前記第一の受光領域よりも広い
第二の受光領域を有し、該第二受光領域から出力される
該第二の受光領域上での前記反射光の受光位置に無関係
な第二の光電信号の有無に基づいて、前記設定位置に対
する前記物体の位置ずれの方向を検出するずれ方向検出
手段と、該ずれ方向検出手段により検出された位置ずれ
方向に基づいて、前記第一の受光手段から第一の受光信
号が得られるように、前記物体を前記範囲内に移動させ
るための移動手段と、を具備したことを技術的要点とす
るものである。

［作用］ この発明によれば、対象物体の設定位置に対する位置
ずれの程度が大きく、第一の受光領域に反射光が入射し
ないときでも、第二の受光領域に反射光が入射し得る。

このように反射光が第一の受光領域から外れたとき
に、第二の受光領域からの信号の有無に基づいて、ずれ
方向検出手段によって、対象物体の設定位置に対する位
置ずれ方向が検出される。

対象物体の位置ずれの修正は、この検出されたずれ方
向を考慮して行われる。即ち、物体は、ずれ方向検出手
段によって検出された位置ずれの方向に基づいて、移動
手段によって設定位置に向かう方向に移動される。そし
て、この移動後に、反射光が第一の受光領域に入射して
いれば、物体の位置、又は設定位置に対する位置ずれを
検出することによって物体の位置ずれの修正が行われ
る。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しながら詳
細に説明する。なお、上述した従来技術と同様の構成部
分には、同一の符号を用いることとする。第１図は本実
施例による位置ずれ検出装置の全体的な構成を示し、基
本的には従来のものと同一である。

第５図には、本発明にかかる第一実施例の受光体にお
ける光電変換面の構成例が示されている。この図におい
て、受光面30上には、３つの独立して光信号検出の可能
な第一の受光領域としての受光領域30Aと、第二の受光
領域としての受光領域30Bおよび30Cが各々設けられてい
る。

受光領域30Aは、中央にスリット状に設けられてお
り、これによって得られる検出信号は、第２図に示した
受光側スリット20および光電変換素子22によって得られ
る検出信号と全く同様である。

この受光領域30Aからの検出信号が、従来通りの位置
検出信号となる。

次に、受光領域30Aの左右に位置する比較的広い面積
の受光領域30B、30Cは、位置ずれ検出のダイナミックレ
ンジを広げるための検出信号を得るためのものであり、
第５図からも明らかなように、左右方向（受光領域30A
の長手方向に直交する方向）の幅（又は長さ）が受光領
域30Aよりも広くなるように構成されている。これらの
受光領域30B、30Cは、光信号の入射の有無のみを検出す
るものである。

以上のような受光面30を有する受光体32は、第１図に
示すように、ウエハＷによって正規反射ないし散乱され
た光信号（以下では単に反射光とする）の受光側に、振
動ミラー34を介して配置されている。

次に、第６図を参照しながら、検出信号処理装置の一
例について説明する。

第６図において、上述した受光領域30Aの出力側は、
アンプ36を介して同期検波回路38の入力側に接続されて
いる。この同期検波回路38には、第１図の振動ミラー34
の振動の基準信号が入力されている。

次に、かかる同期検波回路38の出力側は、一方におい
て、コンパレータ40の入力側に接続されており、他方に
おいて、選択スイッチ42の入力側に接続されている。コ
ンパレータ40の出力側は、コンピュータ44の入力側に接
続されており、その出力側は、上述した選択スイッチ42
に接続されている。

かかる選択スイッチ42の出力側は、サーボアンプ46の
プラス入力側に接続されており、そのマイナス入力側は
アースされている。

サーボアンプ46の出力側は、ウエハＷが載置されてい
るＺステージ48（第１図参照）をＺ方向に駆動する駆動
モータ50に接続されている。

他方、受光領域30B,30Cの出力側は、各々アンプ52,54
を介して、フィルタ56,58の入力側に接続されている。
これらフィルタ56,58の出力側は、各々引算器60の入力
側に接続されており、この引算器60の出力側は、コンパ
レータを介して、上述したコンピュータ44に接続されて
いる。

次に、上記第一実施例の作用動作について、第７図の
フローチャートを参照しながら説明する。

まず、ウエハＷからの反射光が良好に受光体32の受光
領域30Aに入射している場合について説明する。

この場合には、受光領域30Aから検出信号が出力され
る。このため、同期検波回路38の出力であるAF信号SS、
又は２倍周波数の同期検波信号が、コンパレータ40の比
較入力よりも大きくなり、コンパレータ40の出力信号S1
は、論理値の「Ｈ」となる。この信号S1がコンピュータ
44に入力され、ここでサーボ制御可能範囲か否かが判断
される（第７図ステップ100参照）。

ここでサーボ制御可能であると判断されると、コンピ
ュータ44から切替信号S3が選択スイッチ42に入力され、
AF信号SSが直接サーボアンプ46に入力されて、駆動モー
タ50によるＺステージ48のサーボ制御が行われる（ステ
ップ102参照）。

そして、AF信号SSが、ほぼ零となったか否かが判断さ
れ（ステップ104参照）、零となったときには、駆動モ
ータ50が停止されて（ステップ106参照）、制御動作が
終了する。

以上の動作は、第２図に示したものと同様である。

次に、例えば第２図に破線で示したように、ウエハＷ
が合焦位置（Ｚ＝０）から大きくずれている場合につい
て説明する。

この場合、従来の装置では、第４図を参照して説明し
たように、全く検出信号を得ることができない。

上述した受光体32の受光領域30Aには、光信号（ウエ
ハＷからの反射光）が入射しないため、コンパレータ40
の出力S1は、論理値の「Ｌ」となる。このため、コンピ
ュータ44によってサーボ制御が不可能であると判断され
る（ステップ100参照）。

他方、受光領域30Cには光信号が入射するため、検出
信号が得られる。この信号は、アンプ54で増幅され、フ
ィルタ58で必要な周波数成分が取り出されたのち、検出
信号Irとして引算器60に入力される。

他方、この受光領域30Cと反対側の受光領域30Bには、
光信号が入射しないため、検出信号は得られない。

このため、例えば負の信号が引算器60からコンパレー
タ62に入力される。コンパレータ62では、かかる入力信
号と、所定の基準信号とが比較され、論理値の「Ｌ」の
信号S2がコンピュータ44に出力される。

コンピュータ44では、信号S2の入力によって、ウエハ
Ｗに位置づれが生じているものと判断される（ステップ
108参照）。

また、コンピュータ44では、かかる信号S2の論理値に
基いて、光信号が受光面30の受光領域30C側、すなわち
第５図の右側に入射していることが認識される。

そして、以上のような判断に基き、コンピュータ44か
ら切替信号S3が選択スイッチ42に入力されて接続の切替
が行われ、、コンピュータ44がサーボアンプ46に接続さ
れる。これによって、制御信号S4がサーボアンプ46に入
力され、Ｚステージ48の駆動が行われる（ステップ110
参照）。

このＺステージ48の駆動の方向は、受光領域30Cに入
射している光信号が受光領域30Aに入射する方向、すな
わち位置づれを修正する方向であり、上述した信号S2の
論理値によって定められる。

以上の制御が行われると、ウエハＷからの反射光は、
やがて中央の受光領域30Aに入射するようになる。上述
したように、受光領域30Aに光信号が入射するようにな
ると、AF信号SSによって直接サーボ制御を行うことがで
きる。

このため、信号S1が入力されてサーボ制御が可能か否
かがコンピュータ44で判断され（ステップ112参照）、
可能と判断されたときには、切替信号S3が選択スイッチ
42に出力されて、上述したAF信号SSによるサーボ制御に
移行する（ステップ112,102,104,106参照）。

なお、上述した特開昭56−42205号公報に開示されて
いるように、受光体32の受光面30における像は、振動ミ
ラー34の振動によって微小に振動しているが、受光領域
30B,30Cは、光信号の入射の有無のみを検出しているの
で、その振動による影響はない。

以上にように、この第一実施例によれば、受光領域30
B,30Cを設けることによって、位置検出光学系のケラレ
等によって光信号が受光面30に到達しなくなるところま
でダイナミックレンジを拡げることが可能となる。具体
的には、ウエハＷの厚さのバラツキや、Ｚステージ48の
移動ストロークをもカバーする広さのダイナミックレン
ジを得ることが可能となる。

次に、第８図を参照しながら、この発明の第二実施例
について説明する。

上述した第一実施例では、受光体32の受光面30を分割
しているが、この第二実施例は、各受光領域間に、適宜
の間隔を設けたものである。

第８図において、第１図の受光面30に対応する受光面
70には、中央に、第一の受光領域としての受光領域70A
が設けられており、その左右には、所定の間隔DAをおい
て、第二の受光領域としての受光領域70B,70Cが各々設
けられている。

受光領域70Aによる光信号の入射時の検出信号の変化
は、同図（Ｂ）に示すようにウエハＷの位置変化に対し
てＳカーブとなり、ダイナミックレンジはMAで示す範囲
となる。

また、受光領域70B,70Cから出力される検出信号出力
は、同図（Ｃ）に示すように、ウエハＷの位置変化に対
して、グラフMB,MCで各々示すようになり、ウエハＷな
いしＺステージ48の位置制御の方向を検出できる範囲
は、MD,MEの範囲である。

上述した間隔DAは、同図（Ｂ）のダイナミックレンジ
MAと、同図（Ｃ）の制御方向検出範囲MD,MEとが不連続
とならないように設定される。

この第二実施例によれば、受光領域70Aと受光領域70
B,70Cとの間に、間隔DAを各々設けることとしたので、
例えば、これらの受光領域70Aないし70Cとして光学的フ
ィルタ（開口等）を使用し、これに入射してくるウエハ
Ｗからの反射光の透過側に光電変換素子を貼付けること
が可能となる。

次に、第９図を参照しながら、この発明の第三実施例
について説明する。

この第三実施例では、上述した第二実施例と比較し
て、受光領域間に更に大きな間隔を取ることが出来るよ
うにしたものである。

第９図（Ａ）において、受光面72の中央の位置または
位置ずれ検出用の第一の受光領域としての受光領域72A
と、位置づれ方向検出用の受光領域72B,72Cとの間に
は、第８図（Ａ）に示す間隔DAよりも大きな間隔DBが設
けられている。

また、受光領域72B,72Cの上下端部側を、受光領域72A
の上下端部側の方向にオーバーハングさせた構成となっ
ている。

受光領域72Aの長さは、送光側スリット14（第１図参
照）の長さより相対的に短かくされており、受光領域72
Aに入射する光信号の一部が受光領域72B,27Cにも入射す
るようになっている。

同図（Ｂ）は、受光領域72Aにおける位置検出のため
のＳカーブであり、同図（Ｃ）は、受光領域72B,72Cか
らの検出信号NA,NBを各々示すものである。

更に、同図（Ｄ）は、同図（Ｃ）に示す検出信号NA,N
Bの差に該当する位置づれ方向検出信号である。この信
号は、第６図の引算器60から出力されるものである。

なお、受光領域72B,72Cの受光領域72Aに対するオーバ
ーハング量は、同図（Ｃ）に示すように、受光領域72B,
72Cの出力検出信号NA,NBの立上がり部分が設定位置、す
なわちほぼ焦点位置（Ｚ＝０）近傍で交差するように設
定する必要がある。この実施例では、受光領域72Aの中
心線上まで、受光領域72B,72Cをオーバーハングさせて
いる。

次に、第10図を参照しながら、この発明の第四実施例
について説明する。

この第四実施例は、第９図で示した第三実施例に対
し、市販されている矩形の光電変換素子を用いることが
できるようにしたものである。

第10図において、受光面74は光学的フィルタを形成し
ており、スリット74Aと開口部74B,74C,74D,74Eから成っ
ている。

開口部74B,74C,74D,74Eの透過側には、同図に破線で
示すように、光電変換素子が各々貼付されている。

これらのうち、開口部74B,74Cを各々透過した反射光
による光電変換素子の出力の加算が、第９図（Ｃ）の検
出信号NAに該当する。

また、開口部74D,74Eを各々透過した反射光による光
電変換素子の出力の加算が、第９図（Ｃ）の検出信号NB
に該当する。

次に、第11図を参照しながら、この発明の第五実施例
について説明する。

この実施例は、上述した第一実施例における位置づれ
方向検出用の受光領域を、位置または位置ずれ検出用の
受光領域に対して、いずれか一方のみに設けたものであ
る。

第11図において、受光面76の中央には、第一の受光領
域としての受光領域76Aが設けられており、その右側に
は、第二の受光領域としての受光領域76Bが設けられて
いる。

この実施例のように、位置づれ方向検出用の受光領域
を片側にのみ設けた場合には、受光領域76Bから信号出
力が得られる場合と、得られない場合とを比較して、受
光面76上における反射光の位置、ないしはウエハＷのＺ
方向の位置づれ方向を知ることができる。

以上説明したように、この発明の実施例によれば、測
定対象の位置づれ方向を容易に知ることができ、位置ず
れ検出を速やかに行うことができる。

この発明を、平面度の悪いウエハや、厚さバラツキの
大きいウエハ等のような被測定面の位置変動が大きい場
合に適用すると、特に有効である。

なお、本発明は何ら上記実施例に限定されるものでは
なく、例えば第五実施例のように受光領域を配置する方
式は、第一実施例に限らず、その他の実施例にも適用可
能である。

また、受光領域を透過した光信号を、適宜の光学手
段、例えば集光レンズ、光ファイバ等を用いて集光ある
いは導光し、異った位置の異った形状の光電変換素子に
よって、検出信号を得るようにしてもよい。

また、上記第６図の信号処理回路では、同期検波回路
から出力される信号（AF信号SS）の大きさに基いて、サ
ーボ制御回路かどうかを判断しているが、実際の装置で
は、第12図に示す方法でサーボ範囲を判断するようにし
ている。第12図において、（Ａ）は第４図に示したＳカ
ーブである。これは、受光領域からの検波信号を、振動
ミラーの振動周波数で同期検波したものである。

ところで、かかる同期検波を、該振動周波数の２倍の
周波数で行うと、同図（Ｂ）に示すような位置づれのな
い状態でピークとなる信号波形を得ることができる。サ
ーボ制御可能範囲か否かは、かかる信号を適当なレベル
でスライス（２値化）することによって、同図（Ｃ）に
示すように容易に得ることができる。そして、この２値
化された信号が「Ｈ」レベルのときは、Ｓカーブ信号
（AF信号SS）を参照してサーボ動作に切りかえられる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、位置または位置ずれ
検出用の受光手段の近辺に、他の受光手段を配置して、
位置検出対象物体からの光信号を検出することとしたの
で、位置ずれ検出のダイナミックレンジが拡大されて対
象物体の位置づれ方向を良好に検出できるようになり、
光信号のサーチ動作が不要となって、検出時間の短縮を
図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第一実施例を示す構成図、第２図は
従来装置の位置例を示す構成図、第３図および第４図は
第２図の装置の動作を説明する線図、第５図は第一実施
例の主要部分を示す平面図、第６図は第一実施例の信号
処理装置を示す回路ブロック図、第７図は第一実施例の
動作を示すフローチャート、第８図ないし第12図はこの
発明の他の実施例を示す説明図である。 ［主要部分の符号の説明］ 30,70,72,74,76……受光面、30Aないし30C,70Aないし70
C,72Aないし72C,74Aないし74C,76Aないし76B……受光領
域、34……振動ミラー、38……同期検波回路、40,62…
…コンパレータ、44……コンピュータ、46……サーボア
ンプ、48……Ｚステージ、Ｗ……ウエハ。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予め定められた方向に移動可能な物体に対
   して光ビームを照射する照明手段と、 前記物体の前記方向における位置が予め定められた設定
   位置を含む予め定められた範囲内にあるときに、前記物
   体から発生する反射光を受光する第一の受光領域を有
   し、該第一の受光領域上での前記反射光の受光位置に応
   じて変化する第一の受光領域からの第一の光電信号を同
   期移相検波することにより、前記物体の前記方向におけ
   る位置、又は前記設定位置に対する位置ずれを検出する
   位置ずれ検出手段と、 前記物体の移動に伴う前記反射光の移動方向に対して前
   記第一の受光領域の外側に受光部を備え、この受光部の
   前記移動方向の幅が前記第一の受光領域よりも広い第二
   の受光領域を有し、該第二受光領域から出力される該第
   二の受光領域上での前記反射光の受光位置に無関係な第
   二の光電信号の有無に基づいて、前記設定位置に対する
   前記物体の位置ずれの方向を検出するずれ方向検出手段
   と、 該ずれ方向検出手段により検出された位置ずれ方向に基
   づいて、前記第一の受光手段から第一の受光信号が得ら
   れるように、前記物体を前記範囲内に移動させるための
   移動手段と、 を備えた事を特徴とする位置ずれ検出装置。
2. 【請求項２】前記位置ずれ検出手段は、 前記反射光の受光位置と、前記反射光の断面形状に対応
   して輪郭の制限された前記第一の受光領域とを、該第一
   の受光領域を含む面内で相対的に振動変位させる振動手
   段と、 前記第一の光電信号の前記相対振動による変調周波数を
   前記振動周波数に基づいて同期位相検波する検波回路
   と、 を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   位置ずれ検出装置。
3. 【請求項３】前記ずれ方向検出手段は、 前記第二の受光領域として、前記第一の受光領域を含む
   面内で前記第一の受光領域を挟むように並置された二つ
   の受光部と、 該二つの受光部から各々得られる光電信号の差を演算す
   る引算手段と、 を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の位置ずれ検出装置。
4. 【請求項４】前記反射光は、前記物体上でスリット状の
   断面形状を有する結像光束であり、 前記第一の受光領域は、前記反射光の断面形状に対応し
   てスリット状の輪郭を有し、 前記ずれ方向検出手段は、前記第二の受光領域として前
   記第一の受光領域の長手方向と直交する方向に前記第一
   の受光領域を挟んで並置された二つの受光部を有し、さ
   らに、前記反射光が前記第一の受光領域に入射している
   ときに、該反射光の一部が入射する第三の受光領域を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の位置ずれ検出装置。