JP2569793B2 - Position detecting device and position detecting method using the same - Google Patents

Position detecting device and position detecting method using the same

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JP2569793B2 JP1072460A JP7246089A JP2569793B2 JP 2569793 B2 JP2569793 B2 JP 2569793B2 JP 1072460 A JP1072460 A JP 1072460A JP 7246089 A JP7246089 A JP 7246089A JP 2569793 B2 JP2569793 B2 JP 2569793B2
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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及びそれを用いた位置検出方法
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
好適な位置検出装置及びそれを用いた位置検出方法に関
するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a position detecting device and a position detecting method using the same, for example, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor element.
A first mask or reticle (hereinafter, referred to as a “mask”);
A position detecting device suitable for performing relative positioning (alignment) between a mask and a wafer when exposing and transferring a fine electronic circuit pattern formed on an object surface onto a second object surface such as a wafer; The present invention relates to a position detection method using the same.

(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。
2. Description of the Related Art Conventionally, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor, relative positioning between a mask and a wafer has been an important factor for improving performance. In particular, in recent aligners in an exposure apparatus, for high integration of semiconductor elements,
For example, one having a positioning accuracy of sub-micron or less is required.

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に照射し、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。
In many alignment apparatuses, a so-called alignment pattern for alignment is provided on a mask and a wafer surface, and both alignments are performed using positional information obtained from the alignment patterns. As an alignment method at this time, for example, the amount of deviation between the two alignment patterns is detected by performing image processing, or alignment is proposed as proposed in U.S. Pat. No. 4,037,969 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-157033. This is performed by using a zone plate as a pattern, irradiating the zone plate with a light beam, and detecting the position of a light-converging point on a predetermined surface of the light beam emitted from the zone plate.

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。
Generally, an alignment method using a zone plate has a feature that relatively high-precision alignment can be performed without being affected by a defect in an alignment pattern, as compared with a method using a simple alignment pattern.

第17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。
FIG. 17 is a schematic view of a conventional positioning device using a zone plate.

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。
In the same figure, a parallel light beam emitted from a light source 72 passes through a half mirror 74 and is condensed at a converging point 78 by a converging lens 76, and is then placed on a mask alignment pattern 68a on a mask 68 and a support 62. The wafer alignment pattern 60a on the surface of the wafer 60 is irradiated. These alignment patterns 68a and 60a are constituted by reflection type zone plates,
Focus points are formed on planes orthogonal to the optical axis each including the focus point 78. At this time, the amount of shift of the condensing point position on the plane is detected by guiding the light onto the detection surface 82 by the condensing lenses 76 and 80.

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。
Then, based on the output signal from the detector 82, the control circuit 84
Drives the drive circuit 64 to position the mask 68 relative to the wafer 60.

第18図は第17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。
FIG. 18 shows the mask alignment pattern shown in FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an image forming relationship of a light beam from 68a and a wafer alignment pattern 60a.

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。
In the figure, a part of the luminous flux diverging from the converging point 78 is diffracted from the mask alignment pattern 68a to form a converging point 78a indicating the mask position near the converging point 78.
Further, some other light beams pass through the mask 68 as zero-order transmission light and enter the wafer alignment pattern 60a on the wafer 60 without changing the wavefront. At this time, after the light beam is diffracted by the wafer alignment pattern 60a, the light beam is transmitted again through the mask 68 as zero-order transmission light, condensed in the vicinity of the converging point 78, and forms a converging point 78b representing the wafer position. In the figure, when the light beam diffracted by the wafer 60 forms a converging point, the mask 68 acts as a simple transparent state.

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。
The position of the focal point 78b by the wafer alignment pattern 60a formed in this way is determined by the amount of the deviation along a plane orthogonal to the optical axis including the focal point 78 according to the deviation Δσ of the wafer 60 with respect to the mask 68. The deviation amount Δ of the amount corresponding to Δσ
σ '.

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。
In the positioning apparatus shown in the figure, when obtaining a relative displacement amount, light from a mask and a zone plate provided on a wafer surface are independently imaged on a predetermined surface to be evaluated, and each is used as a reference. The amount of deviation from the position is determined.

しかしながら、この方法は例えば検出器を小型化して
ノイズを受けにくくする為、一方向のみの測定を行ない
たいときにも、この方向と垂直な方向にマスク又はウエ
ハが移動すれば集光点が測定方向と垂直な方向に移動し
てしまう等の問題点があった。
However, in this method, for example, in order to reduce the size of the detector and make it less susceptible to noise, even when it is desired to perform measurement in only one direction, if the mask or wafer moves in a direction perpendicular to this direction, the focal point will be measured. There is a problem that it moves in a direction perpendicular to the direction.

(発明が解決しようとする問題点) 本発明は前述した従来の位置検出装置の欠点を改良
し、即ち第1物体と第2物体が位置検出方向と垂直方向
に移動したとしても第1物体に対する第2物体の位置検
出が装置全体の設計自由度を増し高精度に行なえる測定
原理を有した位置検出装置及びそれを用いた位置検出方
法の提供を目的とする。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention improves on the above-mentioned drawbacks of the conventional position detecting device, that is, even if the first object and the second object move in the direction perpendicular to the position detection direction, An object of the present invention is to provide a position detecting device having a measurement principle capable of increasing the degree of design freedom of the entire device and performing the position detection of the second object with high accuracy, and a position detecting method using the same.

本発明は更に第1物体と第2物体の所定方向に沿った
相対移動に関しては検出手段面上で大きく反応し、その
反面外所定方向と垂直方向に沿った相対移動には反応し
にくい又は反応しない光信号が得られ、これによって高
精度な位置検出を行うことのできる位置検出装置及びそ
れを用いた位置検出方法の提供を目的とする。
The present invention further responds greatly to the relative movement of the first object and the second object along the predetermined direction on the surface of the detection means, but hardly reacts or reacts to the relative movement of the first object and the second object along the vertical direction outside the predetermined direction. An object of the present invention is to provide a position detecting device capable of obtaining an optical signal which is not used and performing high-accuracy position detection and a position detecting method using the same.

この他、本発明の特徴とする第1物体に対する第2物
体の位置検出に関する構成の特徴は実施例の項において
記載されている。
In addition, the features of the configuration relating to the position detection of the second object with respect to the first object, which is a feature of the present invention, are described in the section of the embodiment.

(問題点を解決するための手段) 本発明の位置検出装置は、第1物体面上に第1物体光
学素子を形成し、該第1物体と対向配置した第2物体面
上に第2物理光学素子を形成する際、該第1,第2物理光
学素子は各々少なくとも一方向に集光又は発散作用を有
しており、かつ該第1,第2物理光学素子のうち少なくと
も一方の物理光学素子は該一方向と垂直方向に該一方向
の集光又は発散に基づく焦点距離f1とは異った焦点距離
f2の集光又は発散作用を有しており、照明手段からの光
束のうち該第1物理光学素子と該第2物理光学素子の双
方で集光又は発散した光束を検出手段により検出し、該
検出手段からの出力信号を利用して該第1物体と第2物
体との所定方向の相対的位置関係を検出するようにした
ことを特徴としている。
(Means for Solving the Problem) A position detecting device according to the present invention includes a first object optical element formed on a first object surface, and a second physical object formed on a second object surface opposed to the first object. When forming an optical element, each of the first and second physical optical elements has a condensing or diverging action in at least one direction, and at least one of the first and second physical optical elements The element has a focal length different from the focal length f1 based on light collection or divergence in the one direction in the direction perpendicular to the one direction.
f2 has a condensing or diverging action, and among the luminous flux from the illumination means, the luminous flux condensed or diverged by both the first physical optical element and the second physical optical element is detected by the detecting means, A relative positional relationship between the first object and the second object in a predetermined direction is detected using an output signal from the detecting means.

例えば本発明に係る該第1,第2物理光学素子のうち一
方の物理光学素子は該一方向と垂直方向に該一方向の集
光又は発散に基づく焦点距離f1とは異った焦点距離f2の
集光又は発散作用を有しており、他方の物理光学素子は
該一方向と垂直方向には集光及び発散作用を有していな
いこと等を特長としている。具体的には一方の物理光学
素子をトーリックレンズ作用を有するようにし、該トー
リックレンズ作用により第1物体と第2物体の第1の方
向の相対的位置ずれに対する検出手段の検出面上での光
束のずれ量より、第1物体と第2物体の第2方向の相対
的位置ずれに対する検出面上での光束のずれ量の方が小
さくなるようにし、検出面上での第1の方向のずれ量に
関する出力信号を利用して第1物体と第2物体との第1
の方向の相対的位置関係を検出するようにしたことを特
徴としている。
For example, one of the first and second physical optical elements according to the present invention has a focal length f2 different from the focal length f1 based on light collection or divergence in the one direction in the direction perpendicular to the one direction. The other physical optical element is characterized in that it does not have the light condensing or diverging function in the direction perpendicular to the one direction. Specifically, one of the physical optical elements has a toric lens action, and the toric lens action causes a light flux on a detection surface of the detection means to be relatively displaced in the first direction between the first object and the second object. The deviation amount of the luminous flux on the detection surface with respect to the relative positional deviation of the first object and the second object in the second direction is smaller than the deviation amount of the first object and the second object. First output of the first object and the second object using the output signal related to the quantity
In which the relative positional relationship in the direction is detected.

(実施例) 次に本発明を第1物体としてマスク、第2物体として
ウエハを例にとり、これらの対向方向と垂直方向に沿っ
た相対位置ずれの検出を行う場合の一実施例について説
明する。まず位置ずれ検出方法の原理について第1図,
第2図を用いて説明する。
(Embodiment) Next, a description will be given of an embodiment of the present invention in which a mask is used as a first object and a wafer is used as a second object, and a relative positional deviation is detected along the facing direction and the vertical direction. First, the principle of the displacement detection method is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG.

第1図(A),(B)は各々位置ずれ検出方法を説明
する為の第1の説明図としての側面図と平面図である。
図中、1は不図示の装置に固定設置されたマスク等の第
1物体、2は第1物体1に位置合わせすべきウエハ等の
第2物体、3s,4sは各々第1物体1と第2物体2面上に
設けられた第1,第2物理光学素子(入射波面を変更する
素子で例えば直線等ピッチ格子やフレネルゾーンプレー
トが含まれる。)で、ここではフレネルゾーンプレート
等のグレーティングレンズ(以下「グレーティングレン
ズ」ともいう。)より成っている。5は光束で第1物体
1の第1物理光学素子3sに平行に入射している。9は検
出手段の検出面であり光束の入射位置のX方向の成分を
検出している。
FIGS. 1 (A) and 1 (B) are a side view and a plan view, respectively, as a first explanatory diagram for explaining a position shift detecting method.
In the figure, reference numeral 1 denotes a first object such as a mask fixedly installed in an apparatus (not shown), 2 denotes a second object such as a wafer to be aligned with the first object 1, and 3s and 4s denote the first object 1 and the second object, respectively. First and second physical optical elements (elements for changing the incident wavefront, for example, including a linear pitch grating and a Fresnel zone plate) provided on two surfaces of two objects, and here a grating lens such as a Fresnel zone plate (Hereinafter also referred to as “grating lens”). Reference numeral 5 denotes a light beam which is incident on the first physical optical element 3s of the first object 1 in parallel. Reference numeral 9 denotes a detection surface of the detection means for detecting a component of the incident position of the light beam in the X direction.

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x,y両方向に等しい集光作用
を有する第1,第2物理光学素子3s,4sを設けている。第
1物理光学素子3sへ光束5を入射させ、それからの出射
光6を第2物理光学素子4sに入射させている。そして第
2物理光学素子4sからの出射光7をCCDラインセンサー
等の検出手段の検出面9上に集光させている。
In the figure, a first position for which a relative displacement is to be evaluated is described.
The object 1 and the second object 2 are provided with first and second physical optical elements 3s and 4s having the same light condensing action in both the x and y directions. The light beam 5 is made incident on the first physical optical element 3s, and the light 6 emitted therefrom is made incident on the second physical optical element 4s. The emitted light 7 from the second physical optical element 4s is condensed on a detection surface 9 of a detection means such as a CCD line sensor.

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Δσが生じてくる。
At this time, the center of gravity shift Δσ of the light amount occurs on the detection surface 9 in accordance with the relative position shift Δσ between the first object 1 and the second object 2.

次にこのときの光量の重心ずれ量Δσについて説明す
る。
Next, a description will be given of the center-of-gravity deviation amount Δσ of the light amount at this time.

グレーティングレンズ3s,4sは第1物体と第2物体が
所定位置から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と同様の状態となる。
この場合、グレーティングレンズ3sからの出射光の主光
線は位置ずれを起こす前と後ではグレーティングレンズ
4s上の入射位置が異なるので出射角も変動し、これによ
り位置検出用光束7(アライメント光束)の受光面9上
における集光位置が変動する。この集光位置変動量は位
置ずれにほぼ比例する。
When the first object and the second object are displaced from a predetermined position, the optical axes of the grating lenses 3s and 4s are relatively displaced from each other.
In this case, the principal ray of the light emitted from the grating lens 3s is a grating lens before and after the displacement occurs.
Since the incident position on 4s is different, the exit angle also varies, thereby varying the condensing position of the position detecting light beam 7 (alignment light beam) on the light receiving surface 9. The amount of change in the light condensing position is substantially proportional to the displacement.

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。
Here, the center of gravity of the light beam is defined as the value obtained by multiplying the position vector of each point in the light receiving surface from that point by a quantity that can be limited as a function of the light intensity at that point in the light receiving surface over the entire light receiving surface. A point at which the integral value becomes a zero vector.

今、第1物体1に対して第2物体2が例えばx方向に
Δαxずれており、第2物理光学素子4sから第2物体2
へ入射する光束の集光点(又は発散原点)までの距離を
a、第2物理光学素子4sから検出面9までの距離をbと
する。(以下、aは集光点(発散原点)が物理光学素子
の前側に、bは同後側にあるときを各々正とする。) このとき検出面9上での集光点のx方向重心ずれ量Δ
δxとなる。即ち位置ずれ量Δσxは(b/a+1)倍に拡大さ
れた光束重心ずれ量Δδxに変換される。
Now, the second object 2 is shifted from the first object 1 by, for example, Δαx in the x direction, and the second object 2 is shifted from the second physical optical element 4s.
Let a be the distance from the converging point (or the origin of divergence) of the light beam incident on the surface, and let b be the distance from the second physical optical element 4s to the detection surface 9. (Hereinafter, “a” is positive when the focal point (divergence origin) is on the front side of the physical optical element and “b” is positive when it is on the rear side.) At this time, the center of gravity of the focal point on the detection surface 9 in the x direction Deviation Δ
δ x is Becomes That is, the positional deviation amount Δσ x is converted into a light flux center-of-gravity deviation amount Δδ x enlarged by (b / a + 1) times.

従って、この重心ずれ量δxを求めれば第1物体に対
する第2物体のx方向の位置ずれ量Δδxが(a)式よ
り求められる。
Therefore, positional deviation amount .DELTA..delta x in the x direction of the second object relative to the first object by obtaining the center of gravity shift amount [delta] x is obtained from the equation (a).

第1図(A)における第1,第2物体1,2の位置関係を
基準とし、第2物体2がこの状態からx方向に位置ずれ
をを起こしたときの検出面9上における光束7のx方向
の入射位置変化、即ち入射光束のx方向の重心ずれ量Δ
δxを求め、これによって(a)式から第2物体のx方
向ずれ量Δσxが検出される。第1,第2物体が基準位置
関係にある時の光束7の検出面9上への入射位置(基準
位置)は例えばためし焼きによって予め求めておく。
With reference to the positional relationship between the first and second objects 1 and 2 in FIG. 1 (A), the light flux 7 on the detection surface 9 when the second object 2 is displaced in the x direction from this state. Change in the incident position in the x direction, that is, the amount of displacement Δ of the center of gravity of the incident light beam in the x direction
δ x is obtained, and the deviation Δσ x of the second object in the x direction is detected from the equation (a). The incident position (reference position) of the light beam 7 on the detection surface 9 when the first and second objects are in the reference position relationship is obtained in advance by, for example, trial printing.

ところで第1図に示す方法によってx方向のみの位置
ずれを検出する場合、第1図(B)に示す様に、第1物
体に対し第2物体がy方向にずれても前述と同様の原
理、かつ同じ倍率で光束7はy方向に移動する。x方向
のみの光束移動検出に用いられる検出器として小型で簡
易なCCDラインセンサがある。
By the way, in the case of detecting the displacement only in the x direction by the method shown in FIG. 1, even if the second object is displaced in the y direction with respect to the first object as shown in FIG. And the light beam 7 moves in the y direction at the same magnification. There is a small and simple CCD line sensor as a detector used for detecting light beam movement only in the x direction.

CCDラインセンサの素子配列方向をx方向にして検出
面9に設置した場合、第2物体がy方向に移動すれば光
束7が素子配列方向に垂直な方向に移動し検出面9から
はずれて検出不能状態になってしまう。これを避ける為
には例えば検出面をy方向に大きくすれば良いが、この
方法ではノイズの影響を受けやすくなってしまう。
When the CCD line sensor is installed on the detection surface 9 with the element arrangement direction set in the x direction, if the second object moves in the y direction, the light beam 7 moves in a direction perpendicular to the element arrangement direction and deviates from the detection surface 9 and is detected. It becomes impossible state. In order to avoid this, for example, the detection surface may be enlarged in the y direction. However, this method is easily affected by noise.

第2図(A),(B)は位置ずれ検出方法の光学系の
要部の第2の説明図としての側面図と平面図である。
FIGS. 2A and 2B are a side view and a plan view, respectively, as a second explanatory view of a main part of an optical system in a method of detecting a displacement.

同図において第1図(A),(B)で示した要素と同
一要素には同符番を付している。
In the figure, the same elements as those shown in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals.

同図において第1物理光学素子3c、第2物理光学素子
4cは各々x方向の1方向にのみ集光作用を有し、y方向
には光束を集光も発散もしない様な所謂シリンドリカル
レンズとして作用するグレーティングレンズを用いてい
る。
In the figure, a first physical optical element 3c, a second physical optical element
4c uses a grating lens that has a light condensing function only in one direction of the x direction and that functions as a so-called cylindrical lens that does not condense or diverge the light beam in the y direction.

このようなグレーティングレンズとしては、例えば米
国特許第4311389号公報に示されている様なものが使用
できる。第1物体に対し第2物体がx方向に位置ずれを
起こせば第1図(A)と同様の原理で光束7は検出面9
上をx方向に移動する。従って第1図(A),(B)と
同様CCDラインセンサ等の検出器9で光束の入射位置ず
れ量を検出する事により第1物体に対する第2物体の位
置ずれが検出できる。これに対し第2物体がy方向に移
動した場合、第2図(B)に示し様にグレーティングレ
ンズ3c,4cはこのy方向には集光作用も発散作用も有し
していない為、グレーティングレンズ4cが移動しても光
束はy方向には移動しない。従って第1図(A),
(B)の場合とは異なり、検出器9がy方向に小さな受
光面を持つような場合でもy方向への第2物体の移動で
光束が受光面に対して動くことはない。しかし第2図
(B)に示すように光束7はy方向に全く集光されるこ
とがないので受光光量のロスが大きい。このときの光量
のロスを避ける為に検出器9をy方向に大型化すれば前
述の如くノイズの問題が発生してくる。
As such a grating lens, for example, a lens as shown in US Pat. No. 4,131,389 can be used. If the second object is displaced in the x direction with respect to the first object, the light beam 7 is applied to the detection surface 9 according to the same principle as in FIG.
Move up in the x direction. Therefore, similarly to FIGS. 1A and 1B, the position shift of the second object with respect to the first object can be detected by detecting the amount of shift of the incident position of the light beam by the detector 9 such as a CCD line sensor. On the other hand, when the second object moves in the y direction, the grating lenses 3c and 4c have neither the light condensing function nor the diverging function in the y direction as shown in FIG. Even if the lens 4c moves, the light beam does not move in the y direction. Therefore, FIG. 1 (A),
Unlike the case (B), even when the detector 9 has a small light receiving surface in the y direction, the light beam does not move with respect to the light receiving surface due to the movement of the second object in the y direction. However, as shown in FIG. 2 (B), the light flux 7 is not converged at all in the y direction, so that the loss of the received light amount is large. If the size of the detector 9 is increased in the y direction in order to avoid a loss of light amount at this time, the problem of noise occurs as described above.

第3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。本実施例では半導体レーザ等の光源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。
3A and 3B are schematic diagrams of a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a side view, and FIG. 1B is a plan view. In the present embodiment, a light beam emitted from a light source 10 such as a semiconductor laser is converted into a parallel light beam by a light projecting lens system 11, and the first physical optical element 3a provided on the first object 1 is irradiated.

第1物理光学素子3aはx方向とy方向で異なった集光
作用を有した、即ちトーリックレンズの作用を有するグ
レーティングレンズであり、第3図(A)に示す様にxz
面内において出射光を第1物理光学素子3aから焦点距離
f1xの点Qに集光している。そして点Qから発散した光
束を点Qから距離ax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x方向と
y方向で異なった集光作用を有したトーリックレンズの
作用を有するグレーティングレンズであり、xz面内にお
いて第2物理光学素子4aからの出射光を第2物体よりb
離れた検出器8の検出面9上に集光している。
The first physical optical element 3a is a grating lens having a different light condensing function in the x direction and the y direction, that is, a grating lens having the function of a toric lens, as shown in FIG. 3 (A).
In the plane, the outgoing light is focused from the first physical optical element 3a to the focal length.
The light is focused on the point Q of f 1x . And are made incident on the second physical optic element 4a is provided a light beam diverging from the point Q from the point Q to the second object 2 arranged at a distance a x. Second
Like the first physical optical element 3a, the physical optical element 4a is a grating lens having the function of a toric lens having different light condensing functions in the x direction and the y direction, and is separated from the second physical optical element 4a in the xz plane. Out of the second object b
The light is condensed on the detection surface 9 of the detector 8 at a distance.

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。
In this embodiment, the first and second physical optical elements 3a and 4a constitute a so-called convex-convex system.

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をCCDラインセンサやポジションセンサ等の検出器
8の検出面9上にxz面内で集光させている。
In the figure, a first object 1 and a second object 2 whose relative displacement is to be evaluated are provided with the first and second physical optical elements 3 and 4 having the above-described configuration, respectively. The light beam 5 is made incident on the first physical optical element 3, and the emitted light 6 is made incident on the second physical optical element 4. The emitted light 7 from the second physical optical element 4 is condensed on a detection surface 9 of a detector 8 such as a CCD line sensor or a position sensor in the xz plane.

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Δσxに応じて検出面9上においては、第1図
(A),第2図(A)で示したのと同様に光量の重心ず
れ量Δδxが生じてくる。
At this time, on the detection surface 9 according to the relative positional shift amount Δσ x between the first object 1 and the second object 2, the same as that shown in FIGS. 1 (A) and 2 (A) the center of gravity shift amount Δδ x quantity of light arises to.

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
x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Δσxを検出している。
In this embodiment, the center of gravity of the amount of light on the detection surface 9 due to the light beam 7a indicated by the solid line is based on the center of gravity of the amount of light on the detection surface 9 indicated by the dotted line in FIG.
x is obtained, and the relative positional deviation amount Δσ x between the first object 1 and the second object 2 is detected from this.

このときの検出方法は第1図(A),第2図(A)で
示したのと同様である。
The detection method at this time is the same as that shown in FIGS. 1 (A) and 2 (A).

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x方向の相対的な位置関係を検出
している。
In the present embodiment, the relative positional relationship between the first object 1 and the second object 2 in the x direction is detected using the above basic principle.

第3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し、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、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と同図の様にx方
向にΔσxずれていたとすると検出面9上での集光点の
x方向重心ずれ量Δδxとなる。即ち位置ずれ量Δσx倍に拡大された光束重心ずれ量Δδxとして検出され
る。
In FIG. 3, it is assumed that the first and second physical optical elements 3a and 4a and the detection surface 9 are parallel to each other, and the center of gravity 7c of the amount of light on the detection surface 9 where the light flux 7 is condensed is indicated by a dotted line. And the second physical state is based on the first physical optical element 3a.
Physical optic element 4a is x-direction center of gravity shift amount .DELTA..delta x of the focal point of on the detection surface 9 and a deviated .DELTA..sigma x in the x direction as the first physical optic element 3a and the drawing Becomes That is, the displacement amount Δσ x is Fold it is detected as expanded light beam center of gravity shift amount .DELTA..delta x to.

(1)式より明らかのように高精度な位置ずれ検出を
行うにはb≫axであることが望ましく、具体的にはb/ax
の値を50〜400程度にするのが良い。
As is apparent from the equation (1), it is desirable that b≫a x is satisfied in order to perform high-accuracy position shift detection. Specifically, b / a x
It is good to make the value of about 50 to 400.

尚、第3図(B)に示すように本実施例の光学系の配
置はy方向には光源と受光面とは共役関係になっていな
い。
As shown in FIG. 3B, in the arrangement of the optical system of the present embodiment, the light source and the light receiving surface are not conjugated in the y direction.

第3図(B)に示す様にグレーティングレンズ3a,4a
はyz面内においても入射光束を集光して出射させる作用
を有している。このときのyz面内における各グレーティ
ングレンズ3a,4aの焦点距離の値はそれぞれxz面内にお
ける値と異なる有限値である。
As shown in FIG. 3 (B), the grating lenses 3a, 4a
Has the function of converging and emitting the incident light beam even in the yz plane. At this time, the value of the focal length of each grating lens 3a, 4a in the yz plane is a finite value different from the value in the xz plane.

今、第2物理光学素子から該第2物理光学素子に入射
する光束の仮想的集光点(グレーティングレンズ4aが無
い場合に光束6が集光する点)までの距離をay、第2物
理光学素子から検出面9までの距離を前述と同様にbと
するとy方向に第2物体2がΔσyずれた時の光束7の
検出面9上でのy方向へ重心ずれ量Δδyで表わされる。
Now, the distance from the second physical optical element to the virtual converging point of the light beam incident on the second physical optical element (the point where the light beam 6 converges when there is no grating lens 4a) is a y , Assuming that the distance from the optical element to the detection surface 9 is b as described above, when the second object 2 is displaced by Δσ y in the y direction, the amount of displacement Δδ y of the center of gravity of the light beam 7 in the y direction on the detection surface 9 is Is represented by

本実施例では|ay|≫|ax|とし、これによりy方向
の第2物体の位置ずれに対する光束重心位置ずれの倍率
をx方向よりも小さくしている。
In the present embodiment, | a y | ≫ | a x | is set, whereby the magnification of the displacement of the center of gravity of the light beam with respect to the displacement of the second object in the y direction is made smaller than that in the x direction.

又第3図(B)に示すように検出面9上に光束7をあ
る程度集光して入射させることにより検出光量のロスを
緩和し、検出器のy方向の小型化を図っている。
Further, as shown in FIG. 3 (B), the light beam 7 is condensed to a certain extent on the detection surface 9 and made incident, thereby reducing the loss of the detected light amount and miniaturizing the detector in the y direction.

この様に本実施例では第1物体と第2物体にトーリッ
クレンズの作用を有する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。
As described above, in this embodiment, by using a physical optical element composed of a grating lens having the function of a toric lens for the first object and the second object, the light beam emitted from the physical optical element can be efficiently reflected on the second object plane. Of the light amount, and the position of the center of gravity of the light amount on a predetermined surface can be detected with high accuracy.

尚、本実施例においてはΔσyに対するΔδyの倍率は
y方向の起こりうる位置誤差を考慮して検出面9をy方
向にはずれない様な倍率にしておけば問題ない。
In this embodiment, there is no problem if the magnification of Δδ y with respect to Δσ y is set such that the detection surface 9 does not deviate in the y direction in consideration of a possible position error in the y direction.

又、受光面でのy方向の光束径も元の光束径より小さ
くすれば光量ロス防止効果がある。
Further, if the light beam diameter in the y direction on the light receiving surface is also made smaller than the original light beam diameter, there is an effect of preventing a light quantity loss.

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。
As a procedure for performing the alignment in the present embodiment, for example, the following method can be adopted.

第1の方法としては2つの物体間の位置ずれ量Δσx
に対する検出器8の検出面上での光量の重心ずれ信号Δ
δxとの関係を示す特性(例えば比例係数)を予め決め
ておき、重心ずれ信号Δδxの値から双方の物体間との
位置ずれ量Δσx求め、そのときの位置ずれ量Δσx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。
As a first method, a positional shift amount Δσ x between two objects
Of the amount of light on the detection surface of the detector 8 with respect to the center of gravity signal Δ
[delta] x and advance decide the characteristics showing the relationship (e.g., proportional coefficient) in advance, obtains positional deviation amount .DELTA..sigma x and between both objects from the value of the center of gravity shift signal .DELTA..delta x, corresponds to the displacement amount .DELTA..sigma x at that time The first object or the second object is moved by an amount to be performed.

第2の方法としては検出器8からの重心ずれ信号Δδ
xから位置ずれ量Δσx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
σxが許容範囲内になるまで繰り返して行う。
As a second method, the center-of-gravity deviation signal Δδ from the detector 8 is used.
The direction in which the positional deviation amount Δσ x is canceled is obtained from x , and the first object or the second object is moved in that direction, and the positional deviation amount Δ
Repeat until σ x falls within the allowable range.

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。
In the case where the physical optical element having the above-mentioned operation is constituted by, for example, an amplitude type zone plate, its pattern may be constituted by the following shape.

第4図(A)に示すように平行光束がxz面内での焦点
距離fx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mIx、波長をλ、開口径をD、光
束の集光半角をθとするとゾーンプレートの中心を通る
x軸上では、 となる。従って、中心を通るx軸上における第mIx番面
のゾーンの開口中心からのゾーンプレード半径D/2との
関係は となる。
As shown in FIG. 4 (A), when a parallel light beam is applied to the zone plate 51 having a focal length f x in the xz plane, the number of zones of the zone plate 51 is mI x , the wavelength is λ, and the aperture diameter is D. On the x-axis passing through the center of the zone plate, assuming that the converging half angle of the light beam is θ, Becomes Accordingly, the relationship with the zone blade radius D / 2 from the center of the opening of the zone of the ith x- th surface on the x-axis passing through the center is Becomes

又、第4図(B)に示すように線光源52からの光束が
ゾーンプレート51でxz面内において受光面9上に集光さ
れるような第3図の第2物体2に設けたゾーンプレート
の場合には、線光源52からゾーンプレート51までの距離
をa、ゾーンプレート51から受光面9までの距離をb、
線光源52からの発散半角をθa、受光面9上への光束の
集光半角をθbとすると となる。従って開口中心を通るx軸上における第mIIx
番目のゾーンの開口中心からのゾーンプレート半径D/2
との関係は となる。
In addition, as shown in FIG. 4B, a zone provided on the second object 2 in FIG. 3 such that a light beam from the line light source 52 is condensed on the light receiving surface 9 in the xz plane by the zone plate 51. In the case of a plate, the distance from the line light source 52 to the zone plate 51 is a, the distance from the zone plate 51 to the light receiving surface 9 is b,
Assuming that the half angle of divergence from the line light source 52 is θa, and the half angle of condensing the light beam on the light receiving surface 9 is θb Becomes Therefore, mII x on the x-axis passing through the center of the opening
Zone plate radius D / 2 from the center of the opening of the second zone
Relationship with Becomes

同様にy−z面内におけるゾーンプレート51の焦点距
離をfxとすると各ゾーンプレートのy軸方向の各々mIy
番目、mIIy番目のゾーンプレート半径との関係は
(2),(2a)式でfx,fyと置き換えて求めることがで
きる。
Similarly, assuming that the focal length of the zone plate 51 in the yz plane is f x , each of the zone plates in the y-axis direction mI y
The relation with the (mII, y) th zone plate radius can be obtained by replacing f x and f y in the equations (2) and (2a).

従ってゾーンプレートの2次元的形状は楕円率がfx
fyとなる楕円形状のものとすれば良い。
Therefore, the two-dimensional shape of the zone plate has an ellipticity of f x /
The shape may be an elliptical shape that is f y .

例えばD=180μm,λ=0.83μm,fx=1000μm,fy=250
μm,a=500μm,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mIx=4.9,mIy=9.8、
第2物体2に設けるゾーンプレート4aのゾーン数はmII
x=10.4,mIIy=20.8となる。
For example D = 180μm, λ = 0.83μm, f x = 1000μm, f y = 250
If μm, a = 500 μm, b = 50,000 μm, the number of zones of the zone plate 3 a provided on the first object 1 is mI x = 4.9, mI y = 9.8,
The number of zones of the zone plate 4a provided on the second object 2 is mII
x = 10.4, a mII y = 20.8.

尚、本実施例では幾何学的な主光線のずれ量を便宜上
相対位置ずれ量に比例していると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
重心ずれ量は相対位置ずれ量が極端に大きくなると非線
型性が生じてくる。この非線型性については、例えば該
非線型な関係を記憶しておき計算時に補正するようにす
れば良い。
In the present embodiment, the geometric chief ray shift is proportional to the relative position shift for convenience. However, in practice, the center of gravity shift of the light quantity on the detection surface 9 due to the aberration of the Fresnel zone plate is relative. When the displacement becomes extremely large, nonlinearity occurs. For this non-linearity, for example, the non-linear relationship may be stored and corrected at the time of calculation.

本実施例では前述のように位置ずれ量の検出方法と直
交する方向に検出方向とは異なるレンズ作用を有するグ
レーティングレンズを用いている為、検出面9が小型化
できて検出面9上には不要な散乱光や回折光成分の様な
ノイズが入りにくく、位置ずれ量検出精度は例えば0.00
5μm程度の高精度な位置ずれ検出が可能となる。
In this embodiment, as described above, since the grating lens having a lens function different from the detection direction in the direction orthogonal to the position shift amount detection method is used, the detection surface 9 can be downsized and Noise such as unnecessary scattered light and diffracted light components is unlikely to enter, and the displacement detection accuracy is, for example, 0.00
High-accuracy position deviation detection of about 5 μm becomes possible.

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与えても、検出面9上では光束重心位置
が例えば41μmといった小さな重心位置移動しかないよ
うに構成し、前述した効果を得ている。
On the other hand, even when the displacement amount is given 20 μm in the y direction (the direction orthogonal to the displacement detection direction), the light flux barycenter position is configured to move only a small barycenter position of, for example, 41 μm on the detection surface 9. It has gained.

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。
In this embodiment, the case where the parallel light beam is vertically incident on the first physical optical element 3a is shown, but a convergent light beam or a divergent light beam may be made incident. In this case, the second physical optical element 4a may be set so that the position of the condensing point of the incident light beam by the first physical optical element 3a has an image-forming relationship with the detection surface 9.

第5図,第6図は各々本発明の第2,第3実施例の要部
概略図である。第5図の第2実施例では第1物理光学素
子3bはxz面内において発散作用を有するグレーティング
レンズであり、第2物理光学素子4bはxz面内において集
光作用を有するグレーティングレンズである。
FIG. 5 and FIG. 6 are schematic views of main parts of the second and third embodiments of the present invention, respectively. In the second embodiment shown in FIG. 5, the first physical optical element 3b is a grating lens having a diverging function in the xz plane, and the second physical optical element 4b is a grating lens having a condensing function in the xz plane.

これにより所謂凹凸系を構成している。yz面内におけ
る集光状態は第3図(B)と同様である。
This constitutes a so-called concavo-convex system. The light condensing state in the yz plane is the same as in FIG. 3 (B).

尚、重心ずれ量Δδxに対する位置ずれ量σxとの関係
は前述した(1)式と同様である。
The relationship between the position deviation amount sigma x relative centroid shift amount .DELTA..delta x are the same as previously described (1).

第6図の第3実施例では第1物理光学素子3dはxz面内
において集光作用を有するグレーティングレンズであ
り、第2物理光学素子4dはxz面内において発散作用を有
するグレーティングレンズである。
In the third embodiment shown in FIG. 6, the first physical optical element 3d is a grating lens having a condensing action in the xz plane, and the second physical optical element 4d is a grating lens having a diverging action in the xz plane.

これによりxz面内において所謂凹凸系を構成してい
る。yz面内における集光状態は第3図(B)と同様であ
る。
This constitutes a so-called concavo-convex system in the xz plane. The light condensing state in the yz plane is the same as in FIG. 3 (B).

本実施例では第2物体の基準位置からの位置ずれ量Δ
σcに対する検出面9上の光量の重心ずれ量Δδcは となる。
In the present embodiment, the positional deviation amount Δ of the second object from the reference position
The shift amount Δδc of the center of gravity of the light amount on the detection surface 9 with respect to σc is Becomes

本実施例における物理光学素子の凹レンズ、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。
In the present embodiment, the distinction between the concave lens and the convex lens of the physical optical element is determined by using the positive order diffracted light or the negative order diffracted light.

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は各々焦点距離の異なるア
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
れ検出を行うことができる。
Also in the second and third embodiments, alignment marks having different focal lengths are used in directions orthogonal to the misalignment amount detection direction, similarly to the first embodiment, whereby scattering on the detection surface is performed as in the first embodiment. High-accuracy position shift detection without light or unnecessary diffracted light can be performed.

又、位置ずれ量検出方向と直交する方向、即ち紙面に
垂直方向には位置ずれに対する倍率感度は小さく例えば
2倍程度となるように設定することができる。
Further, the magnification sensitivity to the displacement can be set to be small, for example, about twice in a direction orthogonal to the displacement detection direction, that is, in a direction perpendicular to the paper surface.

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。
In the present invention, it is preferable to select the optical system in each of the above-described embodiments according to the distance between the first object 1 and the second object 2 and the size of the openings of the first and second physical optical elements.

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3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5図に示す凹凸系、
又は第6図に示す凸凹系が良い。
For example, when the interval is larger than the openings of the first and second physical optical elements, the convex-convex system shown in FIG. 3 is preferable. Conversely, when the interval is smaller than the opening, the concavo-convex system shown in FIG.
Alternatively, an uneven system shown in FIG. 6 is preferable.

更に、第5,第6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5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6図に示す
凸凹系が良い。
Further, when the second physical optical element can have a larger aperture than the first physical optical element as shown in FIGS. 5 and 6, the concavo-convex system shown in FIG. 5 is better. In the case where the aperture can be made larger than that of the two physical optical elements, an uneven system shown in FIG. 6 is preferable.

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。
In each of the above embodiments, the transmission type physical optical element has been described. However, the object of the present invention can be similarly achieved by using a reflection type physical optical element.

第7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。
FIG. 7 is a schematic diagram of a fourth embodiment of the present invention. The present embodiment relates to a positioning apparatus for aligning a mask M and a wafer W in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor by a so-called proximity method.

第7図において第3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物体光学素子に相当し、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。
7, the same elements as those shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals. In the figure, M is a mask, and W is a wafer, which respectively correspond to a first object and a second object for performing relative positioning. 3M is a mask alignment pattern on the mask M surface, corresponding to the first object optical element, and 4W is a wafer 4
The wafer alignment pattern on the surface corresponds to a reflective second physical optical element.

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。
In FIG. 1, a light beam emitted from a light source 10 is converted into a parallel light beam by a light projecting lens system 11 and is irradiated with a mask alignment pattern 3M via a half mirror 12. The mask alignment pattern 3M includes a zone plate that focuses the incident light beam at a point Q in front of the wafer W.

尚、10は半導体レーザー、He−Neレーザー、ARレーザ
ー等の光源で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を発生する。
Incidentally, 10 denotes a semiconductor laser, H e -N e laser, coherent light beam at a light source A R laser or the like, or generates incoherent light beam from the light emitting diode or the like.

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とハーフムラー12とを通過さ
せた後、検出面9上に集光している。
The light beam condensed at the point Q then diverges and enters the wafer alignment pattern 4W. The wafer alignment pattern 4W is composed of a reflection type zone plate, reflects an incident light beam, passes through the mask M and the half-Muller 12, and then condenses it on the detection surface 9.

第7図の第4実施例は原理的には、第3図(A),
(B)に示した構成においてグレーティングレンズ4aを
反射型にしてグレーティングレンズ4aより図面右側の光
束7と検出器8を図面左側に折り返したのと同様の構成
をとっている。従ってウエハWがx方向に位置ずれを発
生したときの光束のx方向重心ずれとそれに基づく位置
ずれ検出の方法及びウエハWがy方向に移動した際の光
束のy方向ずれの状態等は第3図の第1実施例と同様で
ある。
The fourth embodiment of FIG. 7 is based on the principle shown in FIG.
In the configuration shown in (B), the same configuration as that in which the grating lens 4a is a reflection type and the light beam 7 and the detector 8 on the right side of the drawing from the grating lens 4a are folded back on the left side of the drawing. Accordingly, the displacement of the center of gravity of the light beam in the x direction when the wafer W is displaced in the x direction, the method of detecting the displacement based on the displacement, and the state of the displacement of the light beam in the y direction when the wafer W moves in the y direction are the third. This is the same as the first embodiment shown in FIG.

本実施例ではx方向の位置ずれを検出後、不図示のウ
エハ駆動機構によりウエハWをx方向に位置ずれ補正移
動させてマスクMとウエハWを位置合わせする。
In the present embodiment, after detecting the displacement in the x direction, the wafer W is moved in the x direction by a wafer driving mechanism (not shown) so as to correct the displacement, thereby aligning the position of the mask M with the position of the wafer W.

第8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7図に示す要素と同一要素には同符番を付
している。
FIG. 8 is a schematic view of a main part of a fifth embodiment of the present invention. 7, the same elements as those shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals.

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は各々ウエハW及びマスクM面上のスラ
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、He−Neレーザ
ー、Ar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。
In this embodiment, the alignment marks 4W and 3M on the surface of the wafer W and the mask M are arranged on the scribe lines 101 on the surface of the wafer W and the mask M, respectively. 102 is a semiconductor laser, incoherent light beam from H e -N e laser, coherent light beam from a light source of A r laser, or a light emitting diode or the like in the head for alignment not shown.

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。
In the figure, a light beam 102 is incident on a surface of a mask M at a predetermined angle, and is diffracted by alignment marks 3M and 4W on the surface of the mask M and the wafer W, and then on a detection surface 9 composed of a one-dimensional CCD or the like as signal light. Shows the optical path of the principal ray incident on.

本実施例では位置合わせをスクライブライン101の長
手方向(x方向)に設定している。
In this embodiment, the alignment is set in the longitudinal direction (x direction) of the scribe line 101.

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。
Next, the alignment marks 3M and 4W in the present embodiment will be described.

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
射角で斜めに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。
The alignment marks 3M and 4W are so-called Fresnel zone plates (or grating lenses) having a predetermined focal length. Among them, the alignment marks 3M receive alignment light projected obliquely at a predetermined incident angle by the action of the grating lens. Is converged (or diverged), and the principal ray of the light emitted from the mask M is set to form a predetermined angle with respect to the normal to the mask surface.

但し、本実施例ではスクライブライン長手方向(x方
向)と、それと直交する方向(y方向)とは第4実施例
と同様異なったレンズ作用を有している。
However, in the present embodiment, the longitudinal direction of the scribe line (x direction) and the direction perpendicular to it (y direction) have different lens functions as in the fourth embodiment.

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yz面内で10°、又、入射光
のマスク面Mへの射影成分はスクライブライン方向と直
交している(即ちy方向と一致している)。
In the present embodiment, for example, the incident angle of the alignment light is 10 ° in the yz plane with respect to the normal to the mask surface M, and the projected component of the incident light on the mask surface M is orthogonal to the scribe line direction. (I.e., coincides with the y direction).

アライメントパターン3Mを透過回折した光束はウエハ
が無いと仮想した場合ウエハW面上の鉛直下方に例えば
xz面内では238.0μm,yz面内では20.107mmの位置で線状
に集光させている。このときxz面内の焦点距離は268μ
mである。
When it is assumed that there is no wafer, the light beam transmitted and diffracted through the alignment pattern 3M is, for example, vertically below the wafer W surface.
Light is condensed linearly at 238.0 μm in the xz plane and at 20.107 mm in the yz plane. At this time, the focal length in the xz plane is 268μ
m.

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、スクライブライン幅方向に各々7
0μmとなっている。
However, at this time, the distance between the mask M and the wafer W is 30 μm.
m, dimensions of alignment marks 3M and 4W are 280 μm each in scribe line direction and 7 each in scribe line width direction.
It is 0 μm.

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、xz面内においてマスク面Mを透過
回折した収束(発散でも良い)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(凸でも良い)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5°、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(x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。
The alignment mark 4W is a grating lens for signal light on the wafer surface W. The convergent (or divergent) light transmitted and diffracted through the mask surface M in the xz plane is further concave (convex) by the alignment mark 4W on the wafer surface W. (Good) It is set so as to converge on a predetermined position on the sensor 9 under the action of a lens. For example, in the present embodiment, the grating pattern of the alignment pattern 4W is the mask M
When the misalignment between the wafer and the wafer W is 0, and thus the alignment marks 3M and 4W form a coaxial system, the emission angle of the alignment light from the alignment mark 4W on the wafer surface W is relative to the normal to the wafer surface W. 5 ° and orthogonal to the scribe line direction, and the position deviation detection direction (x direction) on the sensor 9
It is set so that a spot spread in a band shape in the direction orthogonal to the light beam enters near the center of the sensor.

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前述の実施例同様異なる
焦点距離を有するレンズ作用をもつグレーティング素子
より構成されている。
As described above, the mask M and the alignment marks 3M and 4W on the wafer W have a lens function in the displacement detection direction of the light flux center-of-gravity position detection sensor, that is, the scribe line direction. As in the example, it is constituted by a grating element having a lens action having a different focal length.

ここに位置ずれ検出方向(即ち、スクライブライン長
手方向)の焦点距離は、マスク用のグレーティングレン
ズが268μmの凸のパワー、ウエハ用のグレーティング
レンズが279μmで凹のパワーを発生する。一方位置ず
れ検出方向と直交する方向y方向には焦点距離がマスク
用のグレーティングレンズが2mmの凸のパワー、ウエハ
用のグレーティングレンズが−2.2mmの凹のパワーを発
生する。
Here, as for the focal length in the displacement detection direction (that is, the longitudinal direction of the scribe line), the grating lens for the mask generates a convex power of 268 μm, and the grating lens for the wafer generates a concave power of 279 μm. On the other hand, the grating lens for the mask generates a convex power of 2 mm and the grating lens for the wafer generates a concave power of -2.2 mm in the direction y perpendicular to the direction of detecting the displacement.

このようなグレーティングレンズの一般的なパターン
例を第9図に示す。
FIG. 9 shows a typical pattern example of such a grating lens.

第9図に示すパターンは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x方向とは異なった焦点距
離を有し、かつ回折次数に応じて光束の主光線を一定の
角度で偏向させる作用をもつ。
The pattern shown in FIG. 9 has a lens function with a predetermined focal length in the x direction, has a different focal length in the y direction from the x direction, and shifts the principal ray of the light beam at a fixed angle according to the diffraction order. Has the effect of deflecting.

このパターンは、任意のxz断面内では格子のピッチの
分布が本実施例と同じxz面内焦点距離を有するフレネル
ゾーンプレートのピッチの分布に対応しており、又yz断
面内では本実施例レンズのy方向焦点距離と同じで所定
の位置に結像するオフアクシス型フレネルゾーンプレー
トのピッチの分布に対応している。
In this pattern, the distribution of the pitch of the grating in an arbitrary xz section corresponds to the distribution of the pitch of the Fresnel zone plate having the same in-plane focal length as in the present embodiment, and the lens of the present embodiment in the yz section. , And corresponds to the pitch distribution of the off-axis Fresnel zone plate that forms an image at a predetermined position in the same manner as the focal length in the y direction.

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。
Next, an embodiment of a method of manufacturing the alignment marks 3M and 4W (grating lens) in this embodiment will be described.

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9図のようにマスク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、幅方向に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yz面内でαの角度で、その射影成分がスクライブライ
ン方向(x方向)と直交する平行光束がマスク上の任意
の点(x,y,0)に入射するものとする。
First, the mask alignment mark 3M is designed such that a parallel light beam having a predetermined beam diameter enters at a predetermined angle and is condensed linearly at a predetermined position. Generally, the pattern of the grating lens is an interference fringe pattern on the lens surface when coherent light sources are placed at the light source (object point) and the image point, respectively. Now, a coordinate system on the mask M plane is determined as shown in FIG. Here, the origin is at the center of the scribe line width, and the x axis is taken in the scribe line direction, the y axis is taken in the width direction, and the z axis is taken in the normal direction of the mask M surface. A parallel light beam whose projection component is orthogonal to the scribe line direction (x direction) at an angle of α in the yz plane with respect to the normal line of the mask plane M is incident on an arbitrary point (x, y, 0) on the mask. Shall be.

ここでマスク上アライメントマーク3Mは、xz面内で焦
点距離z1、yz面内で焦点距離z2(z1≠z2)を有するもの
とする。入射平行光束はアライメントマーク3Mを透過回
折後、xz面内で(x1,yA,z1)の位置(x1,z1は定数)で
集光し、一方yz面内では(xA,y2,z2)の位置(y2,z2
は定数)で集光するようなグレーティングレンズパター
ン(x,y)の曲線群の設計方程式は(4)式のようにな
る。
Here, it is assumed that the alignment mark 3M on the mask has a focal length z 1 in the xz plane and a focal length z 2 (z 1 ≠ z 2 ) in the yz plane. After the incident parallel beam is transmitted diffracted alignment mark 3M, in the xz plane (x 1, yA, z 1 ) position of (x 1, z 1 is a constant) is condensed with, whereas in the yz plane (xA, y 2 , z 2 ) (y 2 , z 2
Is a constant), the design equation of the curve group of the grating lens pattern (x, y) that condenses light is expressed by equation (4).

(z1≠0,z2≠0) ここにλは波長、総輪帯数をnとすると、mは1から2n
までの整数値をとる。
(Z 1 ≠ 0, z 2 ≠ 0) where λ is the wavelength and n is the total number of zones, m is 1 to 2n
Take an integer value up to.

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,y1,z1)に達する光線とすると(4)
式の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,yA,z1)に到達する光線の光路長との
差を表わし、(4)式は結局、光路長の差が波長のm/2
倍となることを示す。
Assuming that the principal ray is incident at an angle α, passes through the origin on the mask surface M, and reaches the focal point (x 1 , y 1 , z 1 ) (4)
The left side of the equation is a point (x, y,
0) represents the difference from the optical path length of the light beam that reaches the point (x 1 , yA, z 1 ). Equation (4) eventually shows that the difference in the optical path length is m / 2 of the wavelength.
It shows that it becomes double.

一方、ウエハW上のグレーティングレンズ4Wは入射光
がx方向とy方向とで異なるパワー(発散・収束角)を
有する波面であるとして設計され、マスクM上グレーテ
ィングレンズと同様にx方向とy方向とでそれぞれ異な
る焦点距離を有するグレーティングレンズである。
On the other hand, the grating lens 4W on the wafer W is designed such that the incident light has a wavefront having different powers (divergence and convergence angles) in the x direction and the y direction, and similarly to the grating lens on the mask M, the x direction and the y direction. Are grating lenses having different focal lengths.

xz面内とyz面内とで異なる集光位置(又は発散原点位
置)を有する波面の光束がウエハ上グレーティングレン
ズ4Wに入射し、該レンズのxz面内、yz面内で異なる集光
(又は発散)の作用をつけたのち、z=z3,z=z4の各平
面上でそれぞれX方向、Y方向に集光する場合を以下に
示す。
A light beam of a wavefront having a different light condensing position (or a divergence origin position) in the xz plane and the yz plane is incident on the on-wafer grating lens 4W, and condensed differently in the xz plane and the yz plane of the lens (or The following is a case in which light is condensed in the X and Y directions on each plane of z = z 3 and z = z 4 after the effect of divergence is applied.

入射光束が(x1,yA,z1)に位置するy方向に平行な線
状光源(x1,z1は定数)と、(xA,y2,z1)に位置する
x方向に平行な線状光源(x2,z2は定数)とを仮想光源
とするような上記波面がグレーティングレンズ4Wに入射
し、xz面内で(x3,yB,z3)、yZ面内で(xB,y4,z4)の
各位置で集光するように設計するとグレーティングレン
ズの曲線群の方程式(5)式のように表わされる。
A linear light source (x 1 , z 1 is a constant) parallel to the y direction where the incident light beam is located at (x 1 , yA, z 1 ), and a linear light source parallel to the x direction located at (xA, y 2 , z 1 ) a linear light source (x 2, z 2 are constants) incident on the wavefront grating lens 4W as a virtual light source and, in the xz plane (x 3, yB, z 3), in yZ plane ( If design is performed so that light is condensed at each position of xB, y 4 , z 4 ), it is expressed as equation (5) of the grating lens curve group.

である。 It is.

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。(4),(5)
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。
In general, a mask zone plate (grating lens) is formed with two regions, a region through which a light beam is transmitted (a transparent portion) and a region through which a light beam is not transmitted (a light shielding portion), alternately.
It is created as a 0, 1 amplitude type grating element. The zone plate for the wafer is created, for example, as a phase grating pattern having a rectangular cross section. (4), (5)
The fact that the contour of the grating is defined at a position that is an integral multiple of a half wavelength with respect to the principal ray in the formula means that the ratio of the line width of the transparent part to the light shielding part in the grating lens 3M on the mask M
1: 1, grating lens 4W on wafer W
Means that the ratio of lines to spaces in the rectangular grid is 1: 1.

第9図はこのようにして設計されたグレーティングレ
ンズパターンを示している。
FIG. 9 shows a grating lens pattern designed in this way.

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。
The grating lens 3M on the mask M was formed by transferring a grating lens pattern of a reticle previously formed by EB exposure onto an organic thin film made of polyimide.

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た。尚、形成法
は特にこれに限定されない。
The marks on the wafer were formed by forming an exposure pattern of the wafer on a mask and exposing and transferring the pattern. Incidentally, the forming method is not particularly limited to this.

本実施例ではウクライブライン方向にレンズパワーを
大きくもたせた結果、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集光効率が良く、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。
In the present embodiment, when the lens power is increased in the direction of the scribe line, the number of gratings can be increased, so that the light collection efficiency of the grating lens is good, and the lens power is provided in the width direction of the scribe line to be used for position shift detection. Can be improved as compared with.

又、位置ずれ量の検出方向と直交方向には倍率を5倍
と小さくし、焦点距離を比較的長い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、不要回折成分が少
なくなり、又位置検出方向と直交方向に20μm程度の位
置ずれがあってもセンサから、はみ出さないように設定
している。
In addition, the magnification is reduced to 5 times in the direction orthogonal to the direction of detecting the displacement amount, and the use of an alignment mark having a relatively long focal length reduces scattering and unnecessary diffraction components on the sensor. Even if there is a displacement of about 20 μm in the orthogonal direction, it is set so as not to protrude from the sensor.

又、センサ上のアライメント光束の径もピークレベル
に対し、1/e2となるところの大きさで評価すると最大40
0μmに抑えられている。この結果、センサ上の単位面
積あたりの光量が増し、センサ信号のS/Nが向上して、
位置ずれ検出精度も位置ずれ検出方向と直交する方向に
はレンズ作用のない場合に比べて向上できる。
Also, when the diameter of the alignment light beam on the sensor is evaluated as 1 / e 2 of the peak level, a maximum of 40
It is suppressed to 0 μm. As a result, the amount of light per unit area on the sensor increases, and the S / N of the sensor signal improves,
The displacement detection accuracy can be improved in a direction orthogonal to the displacement detection direction as compared with the case where there is no lens action.

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7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(x方向)にマウク、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。
In the present invention, the alignment marks are arranged such that the displacement amount is determined to be 0 when the alignment marks on the wafer are located immediately below the alignment marks on the mask. The alignment of the alignment marks on the mask and the alignment marks on the wafer may be shifted in a direction perpendicular to the detection direction. For example, when detecting the amount of misalignment between the mask and the wafer in the scribe line direction (x direction) on the mask as in the fourth embodiment of FIG. 7, the short direction of the alignment mark on the wafer is set in the y direction. Shift to Here, the scribe line direction is the x direction. By providing the position of the alignment mark on the wafer in this manner, the incident angle of the light beam incident on the mask surface from the alignment head can be reduced, and the interval between the gratings can be reduced by the wavelength (λ) of the alignment light.
= 0.83 μm) or more, which facilitates the production of alignment marks.

第10図は本発明の第6実施例の概略図である。同図
(A),(B)は各々y方向とx方向の直交断面より透
視した概略図である。同図においては位置ずれ検出方向
に直交する方向のグレーティングレンズパワーの組合わ
せが、位置ずれ検出方向と異なるものである。
FIG. 10 is a schematic view of a sixth embodiment of the present invention. FIGS. 3A and 3B are schematic views seen through cross sections orthogonal to the y and x directions, respectively. In the figure, the combination of the grating lens powers in the direction orthogonal to the displacement detection direction is different from the displacement detection direction.

即ち本実施例では第1物理光学素子は位置ずれ検出方
向(x方向)にはax+gの焦点距離をもつ凸レンズ作
用、位置ずれ検出方向に直交する方向(y方向)には、
−(ay−g)の焦点距離をもつ凹レンズ作用がある。
又、第2物理光学素子は位置ずれ検出方向に−(1/ax
+(1/bx)=−(1/fx)を満たす焦点距離−fxの凹レン
ズ作用、y方向には(1/ay)+(1/by)=(1/fy)を満
たす焦点距離fyの凸レンズ作用をもつものである。
That is, in the present embodiment, the first physical optical element functions as a convex lens having a focal length of a x + g in the displacement detection direction (x direction), and in the direction (y direction) orthogonal to the displacement detection direction.
There is a concave lens action having a focal length of-(a y -g).
The second physical optic element to the displacement detection direction - (1 / a x)
+ (1 / b x) = - (1 / f x) concave action of focal length -f x satisfying, in the y direction (1 / a y) + ( 1 / b y) = (1 / f y) Has a function of a convex lens having a focal length f y that satisfies the following condition.

このとき開口に比べて間隔が小さく、かつ半導体露光
装置におけるマスク及びウエハ上のスクランブライン上
のマークのようにスクライブライン方向に開口径を大き
くとることができ、その直交方向には開口径を大きくと
れない場合には、スクライブライン方向には凹のパワー
(第1物理光学素子)と凸のパワー(第2物理光学素
子)、スクライブラインの幅方向には凸のパワー(第1
物理光学素子)と凹のパワー(第2物理光学素子)のレ
ンズ作用の組み合わせとなる物理光学素子の組み合わせ
が適当である。
At this time, the interval is smaller than the opening, and the opening diameter can be increased in the scribe line direction like the mark on the scramble line on the mask and wafer in the semiconductor exposure apparatus, and the opening diameter is increased in the orthogonal direction. If the power cannot be obtained, concave power (first physical optical element) and convex power (second physical optical element) in the scribe line direction, and convex power (first physical optical element) in the width direction of the scribe line.
It is appropriate to use a combination of a physical optical element and a physical optical element that is a combination of a lens function of concave power (second physical optical element).

従って、スクライブライン方向に位置ずれを検出する
か、スクライブライン幅方向に位置ずれを検出するかに
よって、それぞれの方向の凹のパワーと凸のパワーの組
み合わせを選択することが可能である。
Therefore, it is possible to select a combination of the concave power and the convex power in each direction depending on whether the displacement is detected in the scribe line direction or the displacement in the scribe line width direction.

第10図では第1物理光学素子及び第2物理光学素子は
共に透過型の物理光学素子で示したが、半導体露光装置
に用いる場合は、第2物理光学素子(ウエハ上物理光学
素子)を反射型の物理光学素子より構成している。例え
ば、位置合わせ用マークのスクライブライン方向の大き
さが250μm、スクライブライン幅方向の大きさが60μ
m、マスクとウエハ間のギャップが30μmであるような
プロキシミティの露光装置では、スクライブライン方向
にはマスク上のレンズ素子は凹パワーで焦点距離−268
μm、ウエハ上のレンズ素子は凸パワーで焦点距離は27
9μmとなるように設計し、又、スクライブライン幅方
向にはマスク上のレンズは凸パワーで焦点距離3.0mm、
ウエハ上のレンズ素子は凹パワーで焦点距離−3.2mmと
なるように設定している。
In FIG. 10, both the first physical optical element and the second physical optical element are shown as transmissive physical optical elements, but when used in a semiconductor exposure apparatus, the second physical optical element (physical optical element on the wafer) is reflected. It consists of a physical optical element of the type. For example, the size of the alignment mark in the scribe line direction is 250 μm, and the size in the scribe line width direction is 60 μm.
m, in a proximity exposure apparatus in which the gap between the mask and the wafer is 30 μm, the lens element on the mask has a concave power of -268 in the scribe line direction.
μm, lens element on wafer has convex power and focal length is 27
Designed to be 9 μm, and the lens on the mask has a convex power of 3.0 mm in the scribe line width direction and a focal length of 3.0 mm.
The lens element on the wafer is set to have a concave power and a focal length of -3.2 mm.

第11図に示す第7実施例は所謂凸凹系の凸レンズ、凸
面鏡型に相当するマークを用いている。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。
The seventh embodiment shown in FIG. 11 uses a so-called convex-concave convex lens and a mark corresponding to a convex mirror type. The mask M is attached to a membrane 17 and is supported on the aligner body 15 via a mask chuck 16. A mask-wafer alignment head 14 is arranged above the main body 15. In order to align the mask M and the wafer W, a mask alignment pattern 3M and a wafer alignment pattern 4W are printed on the mask M and the wafer W, respectively.

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xz面内において点Qへ集光する
凸レンズ作用を持っている。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xz
面内において検出面9上へ結像する凸面鏡の作用を持っ
ている。
The light beam emitted from the light source 10 becomes parallel light by the light projecting lens system 11, passes through the half mirror 12, and enters the mask alignment pattern 3M. The alignment pattern 3M is a transmissive zone plate and has a convex lens function of converging light to a point Q in the xz plane. The wafer alignment pattern 4W is a reflection type zone plate,
It has the function of a convex mirror that forms an image on the detection surface 9 in the plane.

このような配置のもとで、マスクMに対しウエハWが
x方向に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Δσwは となる。yz面内に関しては第7図の第4実施例と同様で
ある。
Under such an arrangement, if the wafer W is displaced by Δσw in the x direction with respect to the mask M, the center of gravity Δσw of the amount of light on the detection surface 9 becomes Becomes The inside of the yz plane is the same as in the fourth embodiment of FIG.

第12図(A),(B)は本発明の第8実施例を説明す
る概略図である。第12図(A)は側面図、第12図(B)
は平面図である。
FIGS. 12A and 12B are schematic views for explaining an eighth embodiment of the present invention. Fig. 12 (A) is a side view, Fig. 12 (B)
Is a plan view.

本実施例においては第1物体1上のグレーティングレ
ンズ103Mはxz面内においては入射光束5を集光して出射
する焦点距離f1x(>0)の凸レンズとして作用する。
又yz面内においては光束5を発散出射する焦点距離f1y
(<0)の凹レンズとして作用する。又第2物体2上の
グレーティングレンズ104Wはxz面内とyz面内とで異なる
距離離れた発散原点から発散して入射する光束6を出射
光束7として、いずれの面内においても検出面9上に集
光させる様に各面内での焦点距離を各々設定してあるト
ーリックレンズとして作用する。このときの第1,第2物
体間のギャップをg、グレーティングレンズ104Wから検
出面9までの距離をbとする。
In this embodiment, the grating lens 103M on the first object 1 acts as a convex lens having a focal length f 1x (> 0) for condensing and emitting the incident light beam 5 in the xz plane.
In the yz plane, the focal length f 1y for diverging and emitting the light beam 5
Acts as a concave lens (<0). Also, the grating lens 104W on the second object 2 sets the light flux 6 diverging from the divergence origin at different distances in the xz plane and the yz plane as the outgoing light flux 7, and on the detection surface 9 in any plane. It functions as a toric lens in which the focal length in each plane is set so that light is condensed. The gap between the first and second objects at this time is g, and the distance from the grating lens 104W to the detection surface 9 is b.

本実施例ではグレーティングレンズ104Wにより光束が
検出面9上でxz面、yz面両面内において最も集光してス
ポットを形成する様にして、これにより信号光の受光効
率を高めている。
In the present embodiment, the light beam is condensed most on both the xz plane and the yz plane on the detection surface 9 by the grating lens 104W to form a spot, thereby improving the light receiving efficiency of the signal light.

ここでxz面内では第1物体1と第2物体2の相対的ず
れ量を感度良く検出する為にグレーティングレンズ104W
は集光部Qの検出面9への結像倍率を大きくした拡大系
となるようにしている。即ちb≫axとしている。
Here, in the xz plane, the grating lens 104W is used to detect the relative displacement between the first object 1 and the second object 2 with high sensitivity.
Is an enlargement system in which the imaging magnification of the condensing portion Q on the detection surface 9 is increased. That is, a b»a x.

本実施例においても前述したように(1)式が成立す
る。
In this embodiment as well, the expression (1) is satisfied as described above.

従って(1)式の右辺カッコ内を例えば100とすれば
第1物体1と第2物体2のx方向に相対的位置ずれΔσ
xは0.01μmとしても検出面9上では1μmのスポット
の変化として検出できる。このようにしてx方向の第2
物体の変移量を高精度に検出している。尚、このときの
検出方法については前述と同様である。
Therefore, if the value in the parentheses on the right side of the equation (1) is, for example, 100, the relative displacement Δσ between the first object 1 and the second object 2 in the x direction.
Even if x is 0.01 μm, it can be detected as a 1 μm spot change on the detection surface 9. Thus, the second in the x direction
The displacement of the object is detected with high accuracy. The detection method at this time is the same as described above.

一方、これに直交するyz断面内も同様に検出面9上の
y方向のスポット変化をΔδy、第2物体2のy方向の
変化量をΔσyとすると前述と同様に となる、同図に示す状態でayの値を例えばbと同じにす
るとΔδy=2Δσyとなり、第2物体2の変位が仮りに
10μmあっても検出面9上では20μmの変位におさえる
ことができる。
On the other hand, in the yz cross section orthogonal to this, similarly, assuming that a spot change in the y direction on the detection surface 9 in the y direction is Δδ y and a change amount of the second object 2 in the y direction is Δσ y , as described above. Become, FIG when the value of a y the same as the example b in the state shown in Δδ y = 2Δσ y, and the displacement of the second object 2 is temporarily
Even if it is 10 μm, the displacement on the detection surface 9 can be suppressed to 20 μm.

このようにして本実施例では検出面9から光束7がは
ずれにくくなるようにしている。
In this way, in this embodiment, the light beam 7 is hardly detached from the detection surface 9.

ここで(6)式においてay=∞(即ち第1物理光学素
子をyz面内でノーパワー)とすると(6)式よりΔδy
=Δσyとなりσyに対してΔδyは前述の場合より更に
小さい構成が達成できる。
Here, if a y = ∞ (that is, the first physical optical element has no power in the yz plane) in the equation (6), Δδ y is obtained from the equation (6).
= .DELTA..delta y against .DELTA..sigma y next sigma y is configured smaller than in the previous case can be achieved.

これは即ち、第1物体1のグレーティングレンズがyz
面内でパワーを持たない、所謂シリンドリカルレンズの
作用をする場合を示している。この場合の実施例を第9
実施例として第13図(A),(B)に示す。同図
(A),(B)はそれぞれ側面図、平面図である。同図
において113M,114Wはxz面内でそれぞれ第12図のグレー
ティングレンズ103M,104Wと同じ作用をするグレーティ
ングレンズである。ただし、グレーティングレンズ113M
は前述の様にyz面内では集光作用と発散作用のいずれも
有していない。
This means that the grating lens of the first object 1 is yz
This figure shows a case where a so-called cylindrical lens having no power in the plane is operated. In this case, the ninth embodiment will be described.
An example is shown in FIGS. 13 (A) and (B). FIGS. 3A and 3B are a side view and a plan view, respectively. In the figure, 113M and 114W are grating lenses having the same function as the grating lenses 103M and 104W in FIG. 12 in the xz plane, respectively. However, grating lens 113M
Has neither a light condensing effect nor a diverging effect in the yz plane as described above.

又グレーティングレンズ114Wはyz面内で集光も発散も
されずに入射した光束6を検出面上に集光する光束7と
して出射する。この場合、先程説明した様にスポット変
化量Δδyはずれ量Δσyにしかならず、従って第2物体
2がy方向に移動しても検出面9上では光束7のスポッ
トはy方向にほとんど変位しない。
The grating lens 114W emits the incident light beam 6 without being converged or diverged in the yz plane as a light beam 7 condensed on the detection surface. In this case, not only the spot variation .DELTA..delta y shift amount .DELTA..sigma y As explained earlier, therefore the spot of the light beam 7 on the detection surface 9 even if the second object 2 is moved in the y direction is hardly displaced in the y-direction.

従って本実施例では検出面9から光束7がy方向にず
れる事をほとんど考慮しなくても良い。又、xz,yz両面
内で光束7は検出面9上に集光しているので受光効率が
良いという特長を有している。
Therefore, in this embodiment, it is not necessary to consider that the light beam 7 is shifted from the detection surface 9 in the y direction. Also, since the light beam 7 is condensed on the detection surface 9 in both the xz and yz surfaces, the light beam 7 has a feature that the light receiving efficiency is good.

ここでグレーティングレンズ113Mのパターンはグレー
ティングレンズ113M上の中心点を原点とすると以下の様
に与えられる。まずグレーティングレンズ113Mのパター
ンは Ysinθ1+P1(x)−P2=mλ/2 P1(x)={(x−x12+z1 21/2 P2={x1 2+z1 21/2 により与えられる。ここでλは光束の光の波長、mは任
意の整数、P2は原点からグレーティングレンズ113Mのxz
面内での集光点までの距離を意味し、この集光点の座標
は(x1,yA,z1)で表わされる。gは第1,第2物体間のギ
ャップ、θ1は光束5の入射角である。
Here, the pattern of the grating lens 113M is given as follows, with the center point on the grating lens 113M as the origin. First, the pattern of the grating lens 113M is as follows: Ysin θ 1 + P 1 (x) −P 2 = mλ / 2 P 1 (x) = {(x−x 1 ) 2 + z 1 21/2 P 2 = {x 1 2 + z It is given by 1 21/2 . Here, λ is the wavelength of the light beam, m is an arbitrary integer, and P 2 is xz of the grating lens 113M from the origin.
It means the distance to the converging point in the plane, and the coordinates of this converging point are represented by (x 1 , yA, z 1 ). g is a gap between the first and second objects, and θ 1 is an incident angle of the light beam 5.

次にグレーティングレンズ114Wのパターンについて述
べる。同様にレンズ114Wの中心を原点とする。
Next, the pattern of the grating lens 114W will be described. Similarly, the center of the lens 114W is set as the origin.

円筒波を発生する線状光源の各点の位置はマスクMと
ウエハWのギャップをgとおくと(x1,yA,z1−g)と表
わされる(x1,z1は定数)。ウエハ上のグレーティング
レンズを出射した光束の集光位置をx方向に(x3,yB,
z3)、y方向に(xB,y4,z4)とする。ここにxB,yBはウ
エハ上のグレーティング上の位置(x,y,−g)を通り、
例えば1次で回折した光束がそれぞれz=z3,z=z4面に
到達する位置を表わす。このときの設計方程式を(7)
式に示す。
Position of each point of the linear light source for generating a cylindrical wave is represented the gap of the mask M and the wafer W putting a g (x 1, yA, z 1 -g) and (x 1, z 1 is a constant). The focus position of the light beam emitted from the grating lens on the wafer is shifted in the x direction (x 3 , yB,
z 3 ) and (xB, y 4 , z 4 ) in the y direction. Here, xB and yB pass through the position (x, y, −g) on the grating on the wafer,
For example, it indicates the position where the light beams diffracted in the first order reach the z = z 3 and z = z 4 planes, respectively. The design equation at this time is (7)
It is shown in the formula.

ここにλ、mの定義が前式と同様である。 Here, the definitions of λ and m are the same as in the previous equation.

(z3≠0、Z4≠0) また ここで本実施例ではz3=Z4より yB=y3,xB=x3 従って(7)式は以下のようになる。(Z 3 ≠ 0, Z 4 ≠ 0) Here, in this embodiment, since z 3 = Z 4 , yB = y 3 , xB = x 3 Therefore, the equation (7) becomes as follows.

この式が本実施例におけるグレーティングレンズ114Wの
パターンを表わしている。
This expression represents the pattern of the grating lens 114W in the present embodiment.

第14図は本発明の第10図実施例の要部概略図である。
同図(A),(B)は各々側面図、正面図である。
FIG. 14 is a schematic view of a main part of the FIG. 10 embodiment of the present invention.
1A and 1B are a side view and a front view, respectively.

本実施例においては前述の(6)式において−ay=b
とすると右辺が0になり、任意のΔσyに対してΔδy
0となる。即ち第2物体がy方向に移動しても検出面9
上のスポットはグレーティングレンズ124Wのyz平面内で
の焦点距離にかかわらず全く移動しない。
In the present embodiment, -a y = b
Then, the right side becomes 0, and Δδ y becomes 0 for an arbitrary Δσ y . That is, even if the second object moves in the y direction, the detection surface 9
The upper spot does not move at all regardless of the focal length of the grating lens 124W in the yz plane.

第14図はこのときの状態を具体的に示している。グレ
ーティングレンズ123M,124Wのxz面内での(集光)作用
は第12図のグレーティングレンズ103M,104Wと同じであ
る。グレーティングレンズ124Wはyz面内でのパワーを有
していない。即ちシリンドリカルレンズ作用を有する。
又グレーティングレンズ123Mはyz面内の焦点距離をfy
するとfy=g+bである凸レンズとして作用する。この
状態では前述の様に第2物体のy方向移動が発生しても
検出面上のスポットはy方向にずれない。又ここでは検
出面上で最も集光させているので受光効率が良いのは第
13図の第9実施例と同様である。尚、本実施例において
グレーティングレンズ124Wは検出面上である程度集光さ
せるパワーを有していても良い。
FIG. 14 specifically shows the state at this time. The (condensing) action of the grating lenses 123M and 124W in the xz plane is the same as that of the grating lenses 103M and 104W in FIG. The grating lens 124W has no power in the yz plane. That is, it has a cylindrical lens action.
The grating lens 123M functions as a convex lens where f y = g + b, where f y is the focal length in the yz plane. In this state, even if the second object moves in the y direction as described above, the spot on the detection surface does not shift in the y direction. Also, since the light is focused most on the detection surface, the light receiving efficiency is good
This is the same as the ninth embodiment in FIG. In the present embodiment, the grating lens 124W may have a power to condense light to some extent on the detection surface.

次に本実施例のグレーティングレンズ123Mのパターン
について説明する。
Next, the pattern of the grating lens 123M of the present embodiment will be described.

グレーティングレンズ123Mの中心を原点とし、第1物
体面Mの法線に対してyz面内でαの角度で、その射影成
分がy方向と一致する平行光束が第1物体上の任意の点
(x,y,0)に入射するものとし、アライメントマーク123
Mはxz面内で焦点距離z1,yz面内で焦点距離z2(z1≠z2
を有するものとする。入射平行光束はアライメントマー
ク123Mを透過回折後、xz面内で(x1,yA,z1)の位置
(x1,z1は定数)で集光し、一方yz面内では(xA,y2,z
2)の位置(x2,z2は定数)で集光するようなグレーテ
ィングレンズパターン(x,y)の曲線群の設計方程式は
次式のようになる。
With the center of the grating lens 123M as the origin, a parallel light beam whose projected component coincides with the y direction at an angle of α in the yz plane with respect to the normal line of the first object plane M is an arbitrary point on the first object ( x, y, 0) and the alignment mark 123
M is a focal length in the xz plane z 1, within the yz plane focal length z 2 (z 1 ≠ z 2 )
Shall be provided. After transmitting diffracting the incident parallel light beam alignment marks 123M, in the xz plane (x 1, yA, z 1 ) position of (x 1, z 1 is a constant) is condensed with, whereas in the yz plane (xA, y 2 , z
The design equation of the curve group of the grating lens pattern (x, y) that condenses light at the position 2 ) (x 2 and z 2 are constants) is as follows.

(z1≠0,z2≠0) ここにλは波長、総輪帯数をnとするとmは1から2nま
での整数値をとる。
(Z 1 ≠ 0, z 2 ≠ 0) Here, λ is a wavelength, and the total number of orbicular zones is n, and m takes an integer value from 1 to 2n.

一方、グレーティングフェンズ124Wは次のように設定
されている。第1物体1と第2物体2の設定距離をgと
し、原点とし、レンズ124Wの中心とすると、グレーティ
ングレンズ124Wに対する物点が(x1,yA,z1−g)である
為 {(x−x22+z2 21/2 −{(x−x12+(z1−g)21/2+ysinθ2 =(x2 2+z1 21/2 −(x1 2+z1 21/2+mλ/2 により与えられる。ここで位置ずれ0の時の光検出器8
上の像点の座標を(x2,yA,z2)としてある。
On the other hand, the grating fens 124W is set as follows. Assuming that the set distance between the first object 1 and the second object 2 is g, the origin is the center of the lens 124W, the object point with respect to the grating lens 124W is (x 1 , yA, z 1 -g). -x 2) 2 + z 2 2 } 1/2 - {(x-x 1) 2 + (z 1 -g) 2} 1/2 + ysinθ 2 = (x 2 2 + z 1 2) 1/2 - (x 1 2 + z 1 2 ) 1/2 + mλ / 2. Here, the photodetector 8 when the displacement is 0
The coordinates of the upper image point are (x 2 , yA, z 2 ).

グレーティングレンズ124Wに入射する光束はyz面内で
すでにグレーティングレンズ123Mで集光されており、結
果として出射光束7は(x2,y2,z2)で集光する。
The light beam incident on the grating lens 124W has already been condensed in the yz plane by the grating lens 123M, and as a result, the outgoing light beam 7 is condensed at (x 2 , y 2 , z 2 ).

また、θ2はレンズ124Wからのyz面内の主光線射出角
を示す。
Further, theta 2 shows the principal ray exit angle in the yz plane from the lens 124W.

第15図は本発明の第11実施例の要部概略図である。本
実施例のような位置検出装置において半導体レーザー等
の非点収差を有する光源からの光束を用いる場合、グレ
ーティングレンズ133Mに入射する光束5はxz面内とyz面
内で集光発散状態が異なっている。即ち第1物理光学素
子に対するそれぞれの面の物体距離Sx,Syが互いに異な
る値となる。
FIG. 15 is a schematic view of a main part of an eleventh embodiment of the present invention. In the case where a light beam from a light source having astigmatism such as a semiconductor laser is used in the position detecting device as in the present embodiment, the light beam 5 incident on the grating lens 133M has different converging and diverging states in the xz plane and the yz plane. ing. That is, the object distances S x and S y of the respective surfaces with respect to the first physical optical element have different values.

本実施例においてはグレーティングレンズ133Mと134W
のxz面内とyz面内でそれぞれのパワーを調整して両断面
内において検出面9に集光点を形成している。このよう
にグレーティングレンズにトーリックレンズの作用を持
たせることにより、非点収差を有する光源からの光束で
あっても本実施例では高精度な位置検出に適用可能とし
ている。
In this embodiment, the grating lenses 133M and 134W
Are adjusted in the xz plane and the yz plane to form a converging point on the detection surface 9 in both cross sections. By providing the grating lens with the function of the toric lens in this way, even in the case of a light beam from a light source having astigmatism, the present embodiment can be applied to highly accurate position detection.

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
間隔を測定する装置についても本発明は適用できる。
In the above embodiment, the apparatus for detecting the displacement of the first object (mask) and the second object (wafer) along the direction perpendicular to the facing direction has been described. However, the distance between the first object and the second object is described. The present invention can also be applied to a device for measuring the temperature.

第16図はこの場合の本発明の第12実施例の要部概略図
である。同図(A)は側面図、(B)は平面図である。
FIG. 16 is a schematic view of a main part of a twelfth embodiment of the present invention in this case. 1A is a side view, and FIG. 1B is a plan view.

同図において102は不図示の光源、例えば半導体レー
ザーLDからの光束である(尚、半導体レーザLDは例えば
He−Neレーザ等に換えても良い。) Mは第1物体で例えばマスク、Wは第2物体に例えば
ウエハである。
In the figure, reference numeral 102 denotes a light beam from a light source (not shown), for example, a semiconductor laser LD.
It may be in place of the H e -N e laser or the like. M is a first object such as a mask, and W is a second object such as a wafer.

104,105は各々マスクM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面上に
入射した光束の重心位置を求め、後述するようにマスク
Mとウエハ3Wの間隔dOを演算し求めている。
104 and 105 are first and second parts respectively provided on a part of the mask M surface.
These physical optical elements 104 and 105 are, for example, a diffraction grating and a zone plate. Reference numeral 108 denotes a light receiving means, which is composed of a line sensor, a PSD, or the like, and detects the position of the center of gravity of the incident light beam. Reference numeral 109 denotes a signal processing circuit, which calculates a center of gravity of a light beam incident on the surface of the light receiving means 108 using a signal from the light receiving means 108, and calculates and calculates an interval d O between the mask M and the wafer 3W as described later. I have.

本実施例におていは半導体レーザーLDからの光束101
(例えば波長λ=830nm)をマスクM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W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
WがマスクMとの間隔dO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Wが位置P1から距離dGだけ
変位して、位置P2にあるときの反射光である。
In this embodiment, the light beam 101 from the semiconductor laser LD is used.
(For example, wavelength λ = 830 nm) is perpendicularly incident on a point on a first Fresnel zone plate (hereinafter abbreviated as FZP) 104 surface on the mask M surface. Then, a predetermined order diffracted light diffracted at an angle θ1 from the first FZP 104 is converted to a point B on the wafer W surface.
The light is reflected at (C). Among the reflected light 131 reflected light when the wafer W is positioned at the position P1 of distance d O between the mask M, the reflected light 132 is displaced from the wafer W is position P1 by a distance d G, to the position P2 It is reflected light at a certain time.

次いでウエハWからの反射光を第1物体M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。
Next, the reflected light from the wafer W is transmitted to the second object
D on the FZP105 surface (E when the wafer is at position P2)
Is incident.

尚、第2のFZP5は集光レンズの様に入射光束の入射位
置が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xz面内における焦点距離
をfMXとする。
Note that the second FZP 5 has an optical function of changing the exit angle of the output diffracted light according to the incident position of the incident light beam, like a condenser lens. The focal length in the xz plane of FZP5 at this time is f MX.

そして第2のFZP105から回折した所定次数の回折光16
1(ウエハが位置P2にあるときは162)を集光レンズ204
を介して受光手段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
位置P2にあるときは162)の重心位置を用いてマスクM
とウエハWとの間隔を演算し求めている。
The diffracted light 16 of a predetermined order diffracted from the second FZP 105
1 (162 when the wafer is at position P2)
The light is guided on the surface of the light receiving means 108 through the. Then, using the position of the center of gravity of the incident light beam 161 (162 when the wafer is at the position P2) on the light receiving means 108 surface at this time, the mask M
The distance between the wafer and the wafer W is calculated.

ここで本実施例においては第1FZP104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。
Here, in the present embodiment, the first FZP 104 simply functions to bend the incident light, but may have a convergence or divergence function.

次に本実施例における演算方法について説明する。FZ
P105の焦点位置から受光手段までの距離をa、受光レン
ズ204を介した像点位置209をbとし、点bからセンサま
での距離をCとすると、センサ面上のスポット位置Sは
以下の式で求められる。即ち となる。
Next, a calculation method according to the present embodiment will be described. FZ
Assuming that the distance from the focus position of P105 to the light receiving means is a, the image point position 209 via the light receiving lens 204 is b, and the distance from the point b to the sensor is C, the spot position S on the sensor surface is expressed by the following equation. Is required. That is Becomes

上式中θ1,a,b,c,fMX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dGが求まり、これによりマスクMとウエハW
の間隔が検出される。このときa,c,θの値を大きくとる
ことでdGの値に対するSの値を大きくし、微細なギャッ
プ変化量を拡大した光束移動量に変換して検出すること
ができる。
In the above equation, θ 1 , a, b, c, and f MX can be obtained in advance. Therefore, if the amount of movement S of the light beam is obtained by the light receiving means, d G is obtained from this equation, and thereby, the mask M and the wafer W are obtained.
Are detected. At this time a, c, increase the value of S with respect to the value of d G by a large value of theta, it can be detected by converting the light beam moving amount of an enlarged microscopic gap variation.

尚、マスクMとウエハWは最初に同図に示すように基
準となる間隔dOを隔てて対向位置されている。このとき
のdOの値は、が問えばTM−230N(商品名:キャノン株式
会社製)等の装置を用いて測定可能である。
Incidentally, the mask M and the wafer W are initially opposed to each other with a reference interval d O as shown in FIG. At this time, the value of d O can be measured using an apparatus such as TM-230N (trade name, manufactured by Canon Inc.).

以上がxz面内の光束ずれ信号によりギャップ値dGを求
めることを説明したが、このときこれに直交する面、即
ちyz面の出射側の物理光学素子105の特性としてxz面内
の焦点距離fMXとは異なる焦点距離fMyとすることで以下
の効果が得られる。即ち受光レンズ204を介し受光手段1
08と共役な位置に集光するような焦点距離とすることで
受光手段108上で光束ずれ方向と直交する方向に光を絞
ることが可能となり、受光手段108の有効感光部サイズ
を少なくでき電気的のノイズレベルを下げ、且つ光学的
不要光(迷光)の入る確率もへる為、S/N比の向上が図
れる。
Above but is described to seek gap value d G by the light beam deviation signal in the xz plane, the focal length of the xz plane as a characteristic of the physical optic element 105 at this time plane perpendicular thereto, i.e. the exit side of the yz plane The following effects can be obtained by setting the focal length f My different from f MX . That is, the light receiving means 1 is provided via the light receiving lens 204.
By setting the focal length so that light is condensed at a position conjugate with 08, light can be converged on the light receiving means 108 in a direction orthogonal to the light beam deviation direction, and the effective photosensitive portion size of the light receiving means 108 can be reduced, and Since the noise level of the target is lowered and the probability of entering optically unnecessary light (stray light) is reduced, the S / N ratio can be improved.

光源LDからマスクMへ入射させる光束を予めマスク面
に対しθ1傾けるように入射させればFZP104がない場合
も間隔検出は可能である。光束をウエハ上で反射させる
かわりにウエハW上に回折格子を設けてこの回折格子で
光束を回折させてFZP105に入射させるようにしても良
い。
The interval detection if there is no FZP104 if brought into incident to tilt theta 1 to advance the mask surface a light beam is incident from the light source LD to the mask M is possible. Instead of reflecting the light beam on the wafer, a diffraction grating may be provided on the wafer W, and the light beam may be diffracted by the diffraction grating and incident on the FZP 105.

(発明の効果) 以上のように本発明によれば第1物体と第2物体面上
に双方の位置ずれ検出方向にはレンズ作用があり、それ
と直交する方向には異なる焦点距離のレンズ作用を有し
た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、例えば位置ずれ
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検出装置及びそれを
用いた位置検出方法を達成することができる。
(Effect of the Invention) As described above, according to the present invention, the first object and the second object have a lens function in the direction of detecting the positional deviation, and a lens function having a different focal length in the direction orthogonal to the direction. By providing the provided grating lens element as an alignment mark for detecting a positional deviation, for example, when there is a positional deviation component in a direction orthogonal to the direction of detecting the positional deviation, the alignment light beam deviates from the sensor and the positional deviation cannot be detected. In addition, unnecessary diffracted light and scattered light components other than the alignment signal light are reduced, and as a result, a position detection device and a position detection method using the same that achieve high-accuracy alignment are achieved. be able to.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図,第2図は各々本発明に係る相対的位置ずれ検出
方法の原理説明図、第3,第5,第6,第7,第8,第10,第11,第
12,第13,第14,第15,第16図は順に本発明の位置検出装置
の第1〜第12実施例の要部概略図、第4図は第3図のゾ
ーンプレートの説明図、第9図は第8図のゾーンプレー
トの説明図、第17図,第18図は従来の位置検出装置の概
略図である。 図中、1は第1物体、2は第2物体、3S,3aは第1物理
光学素子、4s,4aは第2物理光学素子、5は入射光束、
8は検出手段、9は検出面、10は光源、11は投光レン
ズ、12はハーフミラー、51はゾーンプレート、52が線光
源、Mはマスク、Wはウエハ、101はスクライブライ
ン、3M,4Wはアライメントマーク、15はアライナー本
体、16はマスクチャック、17はメンブレン、14はマスク
−ウエハアライメントヘッドである。
FIG. 1 and FIG. 2 are explanatory diagrams of the principle of the relative displacement detection method according to the present invention, and FIG. 3 is a perspective view showing the third, fifth, sixth, seventh, eighth, tenth, eleventh,
12, 13, 14, 15, and 16 are schematic diagrams of the main parts of the first to twelfth embodiments of the position detecting device of the present invention in order, FIG. 4 is an explanatory view of the zone plate of FIG. 3, FIG. 9 is an explanatory view of the zone plate of FIG. 8, and FIGS. 17 and 18 are schematic views of a conventional position detecting device. In the figure, 1 is a first object, 2 is a second object, 3S and 3a are first physical optical elements, 4s and 4a are second physical optical elements, 5 is an incident light beam,
8 is a detection means, 9 is a detection surface, 10 is a light source, 11 is a light projection lens, 12 is a half mirror, 51 is a zone plate, 52 is a line light source, M is a mask, W is a wafer, 101 is a scribe line, 3M, 4W is an alignment mark, 15 is an aligner main body, 16 is a mask chuck, 17 is a membrane, and 14 is a mask-wafer alignment head.

───────────────────────────────────────────────────── 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60−194523(JP,A) 特開 昭56−157033(JP,A) 米国特許4037969(US,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Tetsushi Nose 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Ryo Kuroda 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Incorporated (72) Inventor Shigeyuki Suda 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (56) References JP-A-60-194523 (JP, A) JP-A-57-157033 (JP) , A) US Patent 4037969 (US, A)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1物体面上に第1物理光学素子を形成
し、前記第1物体と対向配置した第2物体面上に第2物
理光学素子を形成する際、前記第1,第2物理光学素子は
各々第1の方向に集光又は発散作用を有しており、かつ
前記第1,第2物理光学素子のうち少なくとも一方の物理
光学素子は前記第1の方向に焦点距離f1を有し前記第1
の方向に対して垂直な第2の方向に焦点距離f1とは異な
った焦点距離f2を有するトーリックレンズ作用を有して
おり、照明手段からの光束のうち前記第1物理光学素子
と前記第2物理光学素子の双方で作用を受け前記第1,第
2の方向に関し集光光束となった光束を検出手段により
受光し、該トーリックレンズ作用は、前記第1物体と前
記第2物体の前記第1の方向の相対的位置ずれに対する
前記検出手段の検出面上での光束のずれ量より、前記第
1物体と前記第2物体の前記第2の方向の相対的位置ず
れに対する前記検出面上での光束のずれ量の方が小さく
なるものであり、前記検出手段の検出面上での前記第1
の方向の光束のずれに関する出力信号を利用して前記第
1物体と第2物体との前記第1の方向の相対的位置関係
を検出するようにしたことを特徴とする位置検出装置。
A first physical optical element formed on a first object surface; and a second physical optical element formed on a second object surface opposed to the first object. Each of the physical optical elements has a condensing or diverging action in a first direction, and at least one of the first and second physical optical elements has a focal length f1 in the first direction. The first
Has a focal length f2 different from the focal length f1 in a second direction perpendicular to the direction of the first physical optical element and the second physical A light beam which has been acted on by both of the physical optical elements and has become a condensed light beam in the first and second directions is received by the detecting means, and the toric lens effect is based on the first and second objects. The amount of displacement of the light beam on the detection surface of the detection means with respect to the relative displacement in the first direction is determined on the detection surface relative to the relative displacement of the first object and the second object in the second direction. The deviation amount of the luminous flux is smaller than that of the first light beam on the detection surface of the detection means.
A relative position relationship between the first object and the second object in the first direction is detected by using an output signal relating to a shift of a light beam in the direction.
【請求項2】第1物体面上に第1物理光学素子を形成
し、前記第1物体と対向配置した第2物体面上に第2物
理光学素子を形成する際、前記第1,第2物理光学素子は
各々第1の方向に集光又は発散作用を有しており、かつ
前記第1,第2物理光学素子のうち少なくとも一方の物理
光学素子は前記第1の方向に焦点距離f1を有し前記第1
の方向に対して垂直な第2の方向に焦点距離f1とは異な
った焦点距離f2を有するトーリックレンズ作用を有して
おり、照明手段からの光束のうち前記第1物理光学素子
と前記第2物理光学素子の双方で作用を受け前記第1,第
2の方向に関し集光光束となった光束を検出手段により
受光し、該トーリックレンズ作用は、前記第1物体と前
記第2物体の前記第1の方向の相対的位置ずれに対する
前記検出手段の検出面上での光束のずれ量より、前記第
1物体と前記第2物体の前記第2の方向の相対的位置ず
れに対する前記検出面上での光束のずれ量の方が小さく
なるものであり、他方の物理光学素子は前記第2の方向
には集光及び発散しないシリンドリカルレンズ作用を有
しており、前記検出手段の検出面上での前記第1の方向
の光束のずれに関する出力信号を利用して前記第1物体
と第2物体との前記第1の方向の相対的位置関係を検出
するようにしたことを特徴とする位置検出装置。
2. When forming a first physical optical element on a first object surface, and forming a second physical optical element on a second object surface disposed opposite to the first object, the first and second physical optical elements are formed. Each of the physical optical elements has a condensing or diverging action in a first direction, and at least one of the first and second physical optical elements has a focal length f1 in the first direction. The first
Has a focal length f2 different from the focal length f1 in a second direction perpendicular to the direction of the first physical optical element and the second physical A light beam which has been acted on by both of the physical optical elements and has become a condensed light beam in the first and second directions is received by the detecting means, and the toric lens effect is based on the first and second objects. The amount of displacement of the light beam on the detection surface of the detection means with respect to the relative displacement in the first direction is determined on the detection surface relative to the relative displacement of the first object and the second object in the second direction. The other physical optical element has a cylindrical lens function that does not converge and diverge in the second direction, and the physical optical element on the detection surface of the detection means Regarding the displacement of the light beam in the first direction Position detecting apparatus characterized by using the output signal so as to detect the first direction relative positional relationship between the first and second objects.
【請求項3】第1物体面上に第1物理光学素子を形成
し、前記第1物体と対向配置した第2物体面上に第2物
理光学素子を形成する際、前記第1,第2物理光学素子は
各々第1の方向に集光又は発散作用を有しており、かつ
前記第1,第2物理光学素子のうち少なくとも一方の物理
光学素子は前記第1の方向に焦点距離f1を有し前記第1
の方向に対して垂直な第2の方向に焦点距離f1とは異な
った焦点距離f2を有するトーリックレンズ作用を有して
おり、該トーリックレンズ作用は、前記第1物体と前記
第2物体の前記第1の方向の相対的位置ずれに対する前
記検出手段の検出面上での光束のずれ量より、前記第1
物体と前記第2物体の前記第2の方向の相対的位置ずれ
に対する前記検出上での光束のずれ量の方が小さくなる
ものであり、前記第1物理光学素子に照明手段からの光
束を入射させ、次いで前記第2物理光学素子に入射させ
ることにより前記第1,第2の方向に関し集光光束となっ
た光束を検出手段により受光し、該検出手段の検出面上
での前記第1の方向のずれに関する出力信号を利用して
前記第1物体と第2物体との前記第1の方向の相対的位
置関係を検出するようにしたことを特徴とする位置検出
方法。
3. When forming a first physical optical element on a first object surface and forming a second physical optical element on a second object surface arranged opposite to the first object, the first and second physical optical elements are formed. Each of the physical optical elements has a condensing or diverging action in a first direction, and at least one of the first and second physical optical elements has a focal length f1 in the first direction. The first
Has a focal length f2 different from the focal length f1 in a second direction perpendicular to the direction of the toric lens, wherein the toric lens behavior is a function of the first object and the second object. Based on the amount of displacement of the light beam on the detection surface of the detection means with respect to the relative displacement in the first direction, the first
The amount of displacement of the light beam on the detection with respect to the relative positional displacement of the object and the second object in the second direction is smaller, and the light beam from the illumination means is incident on the first physical optical element. Then, by making the light incident on the second physical optical element, a light beam that has become a condensed light beam in the first and second directions is received by a detection unit, and the first light beam on the detection surface of the detection unit is received by the detection unit. A position detecting method, wherein a relative positional relationship between the first object and the second object in the first direction is detected using an output signal relating to a direction shift.
【請求項4】第1物体面上に第1物理光学素子を形成
し、前記第1物体と対向配置した第2物体面上に第2物
理光学素子を形成する際、前記第1,第2物理光学素子は
各々第1の方向に集光又は発散作用を有しており、かつ
前記第1,第2物理光学素子のうち少なくとも一方の物理
光学素子は前記第1の方向に焦点距離f1を有し前記第1
の方向に対して垂直な第2の方向に焦点距離f1とは異な
った焦点距離f2を有するトーリックレンズ作用を有して
おり、該トーリックレンズ作用は、前記第1物体と前記
第2物体の前記第1の方向の相対的位置ずれに対する前
記検出手段の検出面上での光束のずれ量より、前記第1
物体と前記第2物体の前記第2の方向の相対的位置ずれ
に対する前記検出面上での光束のずれ量の方が小さくな
るものであり、他方の物理光学素子は前記第2の方向に
は集光及び発散しないシリンドリカルレンズ作用を有し
ており、前記第1物理光学素子に照明手段からの光束を
入射させ、次いで前記第2物理光学素子に入射させるこ
とにより前記第1,第2の方向に関し集光光束となった光
束を検出手段により受光し、該検出手段の検出面上での
前記第1の方向のずれに関する出力信号を利用して前記
第1物体と第2物体との前記第1の方向の相対的位置関
係を検出するようにしたことを特徴とする位置検出方
法。
4. When forming a first physical optical element on a first object surface, and forming a second physical optical element on a second object surface disposed opposite to the first object, the first and second physical optical elements are formed. Each of the physical optical elements has a condensing or diverging action in a first direction, and at least one of the first and second physical optical elements has a focal length f1 in the first direction. The first
Has a focal length f2 different from the focal length f1 in a second direction perpendicular to the direction of the toric lens, wherein the toric lens behavior is a function of the first object and the second object. Based on the amount of displacement of the light beam on the detection surface of the detection means with respect to the relative displacement in the first direction, the first
The amount of displacement of the light flux on the detection surface with respect to the relative displacement of the object and the second object in the second direction is smaller, and the other physical optical element is in the second direction. The first physical optical element has a cylindrical lens function that does not converge and diverge. The first physical optical element is irradiated with a light beam from an illuminating unit, and then is incident on the second physical optical element. A light beam that has become a condensed light beam is received by a detecting means, and the first object and the second object are separated from each other by using an output signal related to a shift in the first direction on a detecting surface of the detecting means. A position detecting method, wherein a relative positional relationship in one direction is detected.
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