JP2581227B2 - 位置検出装置 - Google Patents
位置検出装置Info
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- JP2581227B2 JP2581227B2 JP1209928A JP20992889A JP2581227B2 JP 2581227 B2 JP2581227 B2 JP 2581227B2 JP 1209928 A JP1209928 A JP 1209928A JP 20992889 A JP20992889 A JP 20992889A JP 2581227 B2 JP2581227 B2 JP 2581227B2
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- mask
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- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
- G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
- G03F9/7073—Alignment marks and their environment
- G03F9/7076—Mark details, e.g. phase grating mark, temporary mark
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
- G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
- G03F9/7003—Alignment type or strategy, e.g. leveling, global alignment
- G03F9/7023—Aligning or positioning in direction perpendicular to substrate surface
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位置検出装置に関し、例えば半導体素子製造
用の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マス
ク」という。）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の間隔を測定し、所定の値に
制御し、更にマスクとウエハの相対的な位置決め（アラ
イメント）を行う場合に好適な位置検出装置に関するも
のである。
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の間隔を測定し、所定の値に
制御し、更にマスクとウエハの相対的な位置決め（アラ
イメント）を行う場合に好適な位置検出装置に関するも
のである。
（従来の技術） 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスク
とウエハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重
要な一要素となっている。特に最近の露光装置における
位置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、
例えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するもの
が要求されている。
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。
その際マスクとウエハとの間隔を面間隔測定装置等で
測定し、所定の間隔となるように制御した後に、マスク
及びウエハ面上に設けた位置合わせ用の所謂アライメン
トパターンより得られる位置情報を利用して、双方のア
ライメントを行っている。このときのアライメント方法
としては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量
を画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許
第4037969号や特開昭56−157033号公報で提案されてい
るようにアライメントパターンとしてゾーンプレートを
用い該ゾーンプレートに光束を照射し、このときゾーン
プレートから射出した光束の所定面上における集光点位
置を検出すること等により行っている。
測定し、所定の間隔となるように制御した後に、マスク
及びウエハ面上に設けた位置合わせ用の所謂アライメン
トパターンより得られる位置情報を利用して、双方のア
ライメントを行っている。このときのアライメント方法
としては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量
を画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許
第4037969号や特開昭56−157033号公報で提案されてい
るようにアライメントパターンとしてゾーンプレートを
用い該ゾーンプレートに光束を照射し、このときゾーン
プレートから射出した光束の所定面上における集光点位
置を検出すること等により行っている。
第36図はゾーンプレートを利用した従来の位置検出装
置の概略図である。
置の概略図である。
同図において光源72から射出した平行光束はハーフミ
ラー74を通過後、集光レンズ76で集光点78に集光された
後、マスク68面上のマスクアライメントパターン68a及
び支持台62に載置したウエハ60面上のウエハアライメン
トパターン60aを照射する。これらのアライメントパタ
ーン68a,60aは反射型のゾーンプレートより構成され、
各々集光点78を含む光軸と直交す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。
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平面上に集光点を形成
する。このときの平面上の集光点位置のずれ量を集光レ
ンズ76とレンズ80により検出面82上に導光して検出して
いる。
そして検出器82からの出力信号に基づいて制御回路84
により駆動回路64を駆動させてマスク68をウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。
により駆動回路64を駆動させてマスク68をウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。
第37図は第36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。
68aとウエハアライメントパターン60aからの光束の結像
関係を示した説明図である。
同図において集光点78から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン68aよりその一部の光束が回折し、集
光点78近傍にマスク位置を示す集光点78aを形成する。
又、その他の一部の光束はマスク68を０次透過光として
透過し、波面を変えずにウエハ60面上のウエハアライメ
ントパターン60aに入射する。このとき光束はウエハア
ライメントパターン60aにより回折された後、再びマス
ク68を０次透過光として透過し、集光点78近傍に集光し
ウエハ位置をあらわす集光点78bを形成する。同図にお
いてはウエハ60により回折された光束が集光点を形成す
る際には、マスク68は単なる素通し状態としての作用を
する。
イメントパターン68aよりその一部の光束が回折し、集
光点78近傍にマスク位置を示す集光点78aを形成する。
又、その他の一部の光束はマスク68を０次透過光として
透過し、波面を変えずにウエハ60面上のウエハアライメ
ントパターン60aに入射する。このとき光束はウエハア
ライメントパターン60aにより回折された後、再びマス
ク68を０次透過光として透過し、集光点78近傍に集光し
ウエハ位置をあらわす集光点78bを形成する。同図にお
いてはウエハ60により回折された光束が集光点を形成す
る際には、マスク68は単なる素通し状態としての作用を
する。
このようにして形成されたウエハアライメントパター
ン60aによる集光点78bの位置は、ウエハ60のマスク68に
対するマスク・ウエハ面に沿った方向（横方向）のずれ
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Δσ′として形
成される。
ン60aによる集光点78bの位置は、ウエハ60のマスク68に
対するマスク・ウエハ面に沿った方向（横方向）のずれ
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Δσ′として形
成される。
第38図は特開昭61−111402号公報で提案されている間
隔測定装置の概略図である。同図においては第１物体と
してのマスクＭと第２物体としてのウエハＷとを対向配
置し、レンズL1によって光束をマスクＭとウエハＷとの
間の点PSに集光させている。
隔測定装置の概略図である。同図においては第１物体と
してのマスクＭと第２物体としてのウエハＷとを対向配
置し、レンズL1によって光束をマスクＭとウエハＷとの
間の点PSに集光させている。
このとき光束はマスクＭ面上とウエハＷ面上で各々反
射し、レンズL2を介してスクリーンＳ面上の点PW,PMに
収束投影されている。マスクＭとウエハＷとの間隔はス
クリーンＳ面上の光束の集光点PW,PMとの間隔を検出す
ることにより測定している。
射し、レンズL2を介してスクリーンＳ面上の点PW,PMに
収束投影されている。マスクＭとウエハＷとの間隔はス
クリーンＳ面上の光束の集光点PW,PMとの間隔を検出す
ることにより測定している。
（発明が解決しようとする問題点） 第36図や第38図に示す装置は構成が全く異なる為に第
１物体と第２物体の対向方向（間隔方向）と対向方向に
垂直方向（横方向、面内方向）の双方の相対的位置関係
を検出するには各々横方向（面内方向）相対位置検出装
置と間隔測定装置を各々別個に設けなければならなかっ
た。
１物体と第２物体の対向方向（間隔方向）と対向方向に
垂直方向（横方向、面内方向）の双方の相対的位置関係
を検出するには各々横方向（面内方向）相対位置検出装
置と間隔測定装置を各々別個に設けなければならなかっ
た。
この為装置全体が大型化かつ複雑化してくるという問
題点があった。本発明は第１物体と第２物体の相対的位
置関係を検出する際、１つの装置により横方向の相対的
位置ずれ検出と間隔検出の双方を効果的に行うことが出
来、装置全体の小型化及び簡素化を図った位置検出装置
の提供を目的とする。
題点があった。本発明は第１物体と第２物体の相対的位
置関係を検出する際、１つの装置により横方向の相対的
位置ずれ検出と間隔検出の双方を効果的に行うことが出
来、装置全体の小型化及び簡素化を図った位置検出装置
の提供を目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、第１物体と第２物体とを対
向させて配置し、該第１物体と第２物体の相対的位置関
係を検出する際、該第１物体と第２物体に各々光束を照
射する光源手段と、該第１物体若しくは第２物体からの
２光束であって、該第１物体と第２物体の対向方向に垂
直方向に沿った相対的位置関係に応じて所定面内への入
射位置の相対関係が変化する２光束を検出する光検出手
段と、該光検出手段からの出力信号を用いて該第１物体
と第２物体の対向方向に垂直方向の相対的位置関係を検
出する位置検出手段と、該光検出手段によって検出され
た２光束のうち少なくとも一方の光束に基づく信号を用
いて該第１物体と第２物体の対向方向の相対的位置関係
を検出する間隔検出手段とを有していることを特徴とし
ている。
向させて配置し、該第１物体と第２物体の相対的位置関
係を検出する際、該第１物体と第２物体に各々光束を照
射する光源手段と、該第１物体若しくは第２物体からの
２光束であって、該第１物体と第２物体の対向方向に垂
直方向に沿った相対的位置関係に応じて所定面内への入
射位置の相対関係が変化する２光束を検出する光検出手
段と、該光検出手段からの出力信号を用いて該第１物体
と第２物体の対向方向に垂直方向の相対的位置関係を検
出する位置検出手段と、該光検出手段によって検出され
た２光束のうち少なくとも一方の光束に基づく信号を用
いて該第１物体と第２物体の対向方向の相対的位置関係
を検出する間隔検出手段とを有していることを特徴とし
ている。
特に本発明では、前記間隔検出手段は前記第１物体若
しくは第２物体からの２光束のうち一方の光束と該第１
物体若しくは第２物体からの該２光束とは異った他の１
つの光束との所定内面における間隔を検出し、該検出信
号を利用して該第１物体と第２物体との対向方向の相対
的位置関係を検出し、又は前記第１物体若しくは第２物
体からの２光束のうち一方の光束と該第１物体若しくは
第２物体からの該２光束とは異った他の１つの光束の所
定内面での各々の光束径を検出し、該検出信号を利用し
て該第１物体と第２物体との対向方向の相対的位置関係
を検出していることを特徴としている。
しくは第２物体からの２光束のうち一方の光束と該第１
物体若しくは第２物体からの該２光束とは異った他の１
つの光束との所定内面における間隔を検出し、該検出信
号を利用して該第１物体と第２物体との対向方向の相対
的位置関係を検出し、又は前記第１物体若しくは第２物
体からの２光束のうち一方の光束と該第１物体若しくは
第２物体からの該２光束とは異った他の１つの光束の所
定内面での各々の光束径を検出し、該検出信号を利用し
て該第１物体と第２物体との対向方向の相対的位置関係
を検出していることを特徴としている。
この他本発明では、第１物体と第２物体を対向させて
配置し、該第１物体と第２物体の相対的位置関係を検出
する際、該第１物体と第２物体に各々光束を照射する光
源手段と、該第１物体若しくは第２物体からの２光束で
あって、該第１物体と第２物体の対向方向に沿った相対
的位置関係に応じて所定面内での所定パラメータが変化
する２光束を検出する光検出手段と、該光検出手段から
の出力信号を用いて該第１物体と第２物体の対向方向の
相対的位置関係を検出する間隔検出手段と、該光検出手
段によって検出された２光束のうち少なくとも一方の光
束に基づく信号を用いて該第１物体と第２物体の対向方
向に垂直方向の相対的位置関係を検出する位置検出手段
とを有していることを特徴としている。
配置し、該第１物体と第２物体の相対的位置関係を検出
する際、該第１物体と第２物体に各々光束を照射する光
源手段と、該第１物体若しくは第２物体からの２光束で
あって、該第１物体と第２物体の対向方向に沿った相対
的位置関係に応じて所定面内での所定パラメータが変化
する２光束を検出する光検出手段と、該光検出手段から
の出力信号を用いて該第１物体と第２物体の対向方向の
相対的位置関係を検出する間隔検出手段と、該光検出手
段によって検出された２光束のうち少なくとも一方の光
束に基づく信号を用いて該第１物体と第２物体の対向方
向に垂直方向の相対的位置関係を検出する位置検出手段
とを有していることを特徴としている。
（実施例） 第１図に本発明の第１実施例を示す光路図を、第２図
に同装置の概略斜視図を示す。
に同装置の概略斜視図を示す。
第１図及び第２図において、１は例えばHe−Neレーザ
や半導体レーザ、或いはLED等である光源1aからの光
束、２は第１物体で例えばマスク、３は第２物体で例え
ばウエハである。マスクとウエハは間隔gmを隔てて対向
配置されている。61,62,63は各々マスク２面上の１部に
設けた物理光学素子で、71,72,73は各々ウエハ３面上の
１部に設けた物理光学素子であり、これら61,62,63,71,
72,73の物理光学素子は例えば回折格子やフレネルゾー
ンプレート等から成っている。図ではわかりやすいよう
にマスク２、ウエハ３各々を物理光学素子61,62,63と
71,72,73からのみ形成されるように示している。4,5は
受光手段（光検出器、センサーともいう。）であり、マ
スク２から距離L0離れた位置に置かれている。受光手段
4,5は全体として光検出手段の一要素を構成している。
尚、第１図は第２図で示したウエハ３からの反射回折光
の状況を示したものであり、説明の便宜上ウエハ３を反
射型と等価な透過型回折素子として、マスク２面に平行
な方向からみた図で示してある。受光手段4,5はライン
センサやエリアセンサ或はPSD等から成り、入射光束81,
82,83の重心位置やスポット形状などが検出できる。こ
こで光束の重心とは光束断面内において、断面内各点の
その点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算した
ものを断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が、別な例として光強度がピークと
なる点の位置を検出してもよい。９はCPUであり、受光
手段4,5からの信号を用いて受光手段４面上に入射した
光束81,82,83の重心位置やスポット形状を求め、後述す
るようにマスク２とウエハ３との間隔gmおよびxy面内ず
れ（アライメントずれ）を演算し求めている。100はウ
エハステージで、ウエハ３を積載保持し、x,y,z方向に
搬送する。101はCPU9の演算結果に基づく指令信号に基
づき、ウエハステージ100を駆動させてマスク２、ウエ
ハ３の横方向位置調整、間隔設定を行なわせるステージ
ドライバである。尚、第２図はマスク２とウエハ３のxy
面内に沿った方向（横方向）の位置ずれ（アライメント
ずれ）については１次元方向のずれ（例えば面内の１方
向、すなわちｘ方向のみ）を検出する例であり、マスク
とウエハのずれは一般にΔx,Δy,Δθ（２次元および回
転ずれ）の３つの成分を検出しないと求まらないことか
ら、半導体焼付け回路エリア例えば15mmの４隅に対し第
２図の構成の光学系を４つ配しておけば、面内のずれが
４ケ所で求まり、このうち少なくとも３ケ所よりΔx,Δ
y,Δθの３つのパラメーターが検出される。この検出方
法については周知なので省略する。
や半導体レーザ、或いはLED等である光源1aからの光
束、２は第１物体で例えばマスク、３は第２物体で例え
ばウエハである。マスクとウエハは間隔gmを隔てて対向
配置されている。61,62,63は各々マスク２面上の１部に
設けた物理光学素子で、71,72,73は各々ウエハ３面上の
１部に設けた物理光学素子であり、これら61,62,63,71,
72,73の物理光学素子は例えば回折格子やフレネルゾー
ンプレート等から成っている。図ではわかりやすいよう
にマスク２、ウエハ３各々を物理光学素子61,62,63と
71,72,73からのみ形成されるように示している。4,5は
受光手段（光検出器、センサーともいう。）であり、マ
スク２から距離L0離れた位置に置かれている。受光手段
4,5は全体として光検出手段の一要素を構成している。
尚、第１図は第２図で示したウエハ３からの反射回折光
の状況を示したものであり、説明の便宜上ウエハ３を反
射型と等価な透過型回折素子として、マスク２面に平行
な方向からみた図で示してある。受光手段4,5はライン
センサやエリアセンサ或はPSD等から成り、入射光束81,
82,83の重心位置やスポット形状などが検出できる。こ
こで光束の重心とは光束断面内において、断面内各点の
その点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算した
ものを断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が、別な例として光強度がピークと
なる点の位置を検出してもよい。９はCPUであり、受光
手段4,5からの信号を用いて受光手段４面上に入射した
光束81,82,83の重心位置やスポット形状を求め、後述す
るようにマスク２とウエハ３との間隔gmおよびxy面内ず
れ（アライメントずれ）を演算し求めている。100はウ
エハステージで、ウエハ３を積載保持し、x,y,z方向に
搬送する。101はCPU9の演算結果に基づく指令信号に基
づき、ウエハステージ100を駆動させてマスク２、ウエ
ハ３の横方向位置調整、間隔設定を行なわせるステージ
ドライバである。尚、第２図はマスク２とウエハ３のxy
面内に沿った方向（横方向）の位置ずれ（アライメント
ずれ）については１次元方向のずれ（例えば面内の１方
向、すなわちｘ方向のみ）を検出する例であり、マスク
とウエハのずれは一般にΔx,Δy,Δθ（２次元および回
転ずれ）の３つの成分を検出しないと求まらないことか
ら、半導体焼付け回路エリア例えば15mmの４隅に対し第
２図の構成の光学系を４つ配しておけば、面内のずれが
４ケ所で求まり、このうち少なくとも３ケ所よりΔx,Δ
y,Δθの３つのパラメーターが検出される。この検出方
法については周知なので省略する。
受光手段4,5（必要に応じてCPU9）はマスク２やウエ
ハ３は相対的に移動可能となっている。
ハ３は相対的に移動可能となっている。
本実施例においては、半導体レーザー1aからの光束１
（波長は例えば8300Å）をマスク２面上のフレネルゾー
ンプレート（以下FZPと略記する）に、マスク面の法線
に対しθの角度で平面波で入射させる。第１図は第２図
の状況を検知手段4,5の長手方向と垂直な方向ｙ方向か
らみた光線の回折状況を、ウエハ３のFZP71,72,73を反
射回折と等価な透過回折型素子として図示したものであ
り、スポット81と82の距離（81と82の重心間隔）がマス
ク、ウエハの面内ずれ（アライメント）情報を、スポッ
ト82と83の距離（82と83の重心間隔）が面間隔gmの情報
を示す。
（波長は例えば8300Å）をマスク２面上のフレネルゾー
ンプレート（以下FZPと略記する）に、マスク面の法線
に対しθの角度で平面波で入射させる。第１図は第２図
の状況を検知手段4,5の長手方向と垂直な方向ｙ方向か
らみた光線の回折状況を、ウエハ３のFZP71,72,73を反
射回折と等価な透過回折型素子として図示したものであ
り、スポット81と82の距離（81と82の重心間隔）がマス
ク、ウエハの面内ずれ（アライメント）情報を、スポッ
ト82と83の距離（82と83の重心間隔）が面間隔gmの情報
を示す。
第１図においてマスク２面上のFZP61,62,63はそれぞ
れ焦点がF1,F2およびF3にあり、FZP61は集束する所謂凸
レンズと同等の回折作用をもつ１次回折光を有するパタ
ーンが、FZP62,63は発散する所謂凹レンズと同等の回折
作用を持つ１次回折光を有するようパターンが設けられ
ている。この１次回折光がウエハ３面に当たり、この光
を更にウエハ３上のFZP71,72,73がウエハからL0＋gmだ
け離れた検知手段4,5の位置に反射回折し焦点を結んで
スポット81,82,83を形成するように71,72,73のパターン
が設けられている。このとき、実際には第２図に示すよ
うにウエハ３から反射回折された光はマスク２を通って
検知手段4,5に至るが、マスク２を通るときは回折なし
の所謂０次直接通過光として回折なしに通過する。
れ焦点がF1,F2およびF3にあり、FZP61は集束する所謂凸
レンズと同等の回折作用をもつ１次回折光を有するパタ
ーンが、FZP62,63は発散する所謂凹レンズと同等の回折
作用を持つ１次回折光を有するようパターンが設けられ
ている。この１次回折光がウエハ３面に当たり、この光
を更にウエハ３上のFZP71,72,73がウエハからL0＋gmだ
け離れた検知手段4,5の位置に反射回折し焦点を結んで
スポット81,82,83を形成するように71,72,73のパターン
が設けられている。このとき、実際には第２図に示すよ
うにウエハ３から反射回折された光はマスク２を通って
検知手段4,5に至るが、マスク２を通るときは回折なし
の所謂０次直接通過光として回折なしに通過する。
このような、基本パワー配置を有するFZPをマスク
２、ウエハ３上に持つ３組のパターン設定により、マス
ク、ウエハの面内ずれ（アライメントずれ）、及び面間
隔gmが計測できる内容について第１図及び第２図を参照
しながら詳細に説明していく。
２、ウエハ３上に持つ３組のパターン設定により、マス
ク、ウエハの面内ずれ（アライメントずれ）、及び面間
隔gmが計測できる内容について第１図及び第２図を参照
しながら詳細に説明していく。
第１図において、マスク２上のFZP61,62,63,71,72,73
の光軸の各々101,102,103,111,112,113としマスクとウ
エハの光軸はアライメントずれ０にてお互いにそれぞれ
Δ1,Δ2,Δ３だけ第１図に示すようにずれている。ここ
では後述するようにΔ１≒Δ２≒Δ３とする。又、点F1
とマスク２との距離（FZP61の凸レンズとしての焦点距
離）をfM1、点F2とマスク２との距離（FZP62の凹レンズ
としての焦点距離）をfM2、点F3とマスク２の距離（FZP
63の凹レンズとしての焦点距離）をfM3とする。ここで
は後述するようにfM2≒fM3とする。
の光軸の各々101,102,103,111,112,113としマスクとウ
エハの光軸はアライメントずれ０にてお互いにそれぞれ
Δ1,Δ2,Δ３だけ第１図に示すようにずれている。ここ
では後述するようにΔ１≒Δ２≒Δ３とする。又、点F1
とマスク２との距離（FZP61の凸レンズとしての焦点距
離）をfM1、点F2とマスク２との距離（FZP62の凹レンズ
としての焦点距離）をfM2、点F3とマスク２の距離（FZP
63の凹レンズとしての焦点距離）をfM3とする。ここで
は後述するようにfM2≒fM3とする。
この時アライメントずれ０で適正間隔にてマスク２上
のパターンFZP61,62,63、ウエハ３上のパターン（FZP）
71,72,73により回折されてできるスポットの位置81,82,
83がそれぞれのFZPの光軸101,102,103から距離g1,g2,g3
だけずれた位置に出来るとする。ウエハ上のパターン
71,72,73はそれぞれ点F1と点81の位置、点F2と点82の位
置、点F3と点83を共役関係にするように１次の回折光が
発生するように設計しておく。
のパターンFZP61,62,63、ウエハ３上のパターン（FZP）
71,72,73により回折されてできるスポットの位置81,82,
83がそれぞれのFZPの光軸101,102,103から距離g1,g2,g3
だけずれた位置に出来るとする。ウエハ上のパターン
71,72,73はそれぞれ点F1と点81の位置、点F2と点82の位
置、点F3と点83を共役関係にするように１次の回折光が
発生するように設計しておく。
このとき、 の関係が成り立つ。
ここで第１図の（Ｂ）と（Ｃ）のパターン組合せFZP6
2と72、FZP63と73の場合を用いてマスク２とウエハ３の
間隔の計測原理について示す。
2と72、FZP63と73の場合を用いてマスク２とウエハ３の
間隔の計測原理について示す。
，式においてfM2≒fM3、Δ２≒Δ３とするとと
式はほぼ同一の式になり、マスク、ウエハの面内ずれ
によりセンサー面上のスポット82と83の間隔（距離）は
殆ど不変である。例えばウエハ３が第１図において上方
にΔδずれた場合各軸ずれ量はΔ２−δ，Δ３＋δとな
り、，式よりg2,g3の変動量Δg2,Δg3は、 となる。
式はほぼ同一の式になり、マスク、ウエハの面内ずれ
によりセンサー面上のスポット82と83の間隔（距離）は
殆ど不変である。例えばウエハ３が第１図において上方
にΔδずれた場合各軸ずれ量はΔ２−δ，Δ３＋δとな
り、，式よりg2,g3の変動量Δg2,Δg3は、 となる。
fM2≒fM3よりΔg2＋Δg3≒０となるのでセンサ面上の
スポット82,83の間隔は光軸102,103のｘ方向間隔をl2と
するとl2−（g2＋g3）で不変で従ってマスク、ウエハの
xy面内ずれ（アライメントずれ）によりセンサー４上の
２つのスポット82,83の間隔変化はない。
スポット82,83の間隔は光軸102,103のｘ方向間隔をl2と
するとl2−（g2＋g3）で不変で従ってマスク、ウエハの
xy面内ずれ（アライメントずれ）によりセンサー４上の
２つのスポット82,83の間隔変化はない。
これに対し、マスク、ウエアの間隔gmがΔｚ増加する
と，式よりわかるようにg2,g3の変化量Δg2′，Δg
3′は となり、Δ２≒Δ３、fM2≒fM3とすれば、 となるのでギャップgmの変化とともに２つのスポット
82,83のｘ方向間隔は最適間隔時のl2−（g2＋g3）から
センサー４上で変化する。この変化量を前式に代入して
gmを求める。
と，式よりわかるようにg2,g3の変化量Δg2′，Δg
3′は となり、Δ２≒Δ３、fM2≒fM3とすれば、 となるのでギャップgmの変化とともに２つのスポット
82,83のｘ方向間隔は最適間隔時のl2−（g2＋g3）から
センサー４上で変化する。この変化量を前式に代入して
gmを求める。
この為、第１図の（Ｂ）と（Ｃ）のパターンの組合せ
を用いると、マスク、ウエハの面内ずれに依存すること
なしにマスク、ウエハの面間隔が求まる。
を用いると、マスク、ウエハの面内ずれに依存すること
なしにマスク、ウエハの面間隔が求まる。
具体例として示すと、 fM2＝fM3＝114.535μｍ L0＝18345.94μｍ Δ２＝Δ３＝10μｍ とすると、 従って、この時は面間隔が71.5μｍから61.5μｍへと
10μｍずれると、スポット82,83の間隔の変化は111.34
μｍずれる。従って、センサー４上でスポット間隔を１
μｍの分解能で判別すれば、マスク２、ウエハ３の面間
隔変動は10/111.34＝0.09μｍの分解能で検出ができ
る。
10μｍずれると、スポット82,83の間隔の変化は111.34
μｍずれる。従って、センサー４上でスポット間隔を１
μｍの分解能で判別すれば、マスク２、ウエハ３の面間
隔変動は10/111.34＝0.09μｍの分解能で検出ができ
る。
次に（Ａ）と（Ｂ）のパターンの組合せFZP61と71、F
ZP62と72の場合を用いてマスク２とウエハ３のxy面内ず
れ（アライメントずれ）の計測原理について示す。この
時マスク、ウエハ間隔gmが変化した場合、，式より
Δ１≒Δ２≒Δとおくと、 ′，′式及び第１図（Ａ），（Ｂ）よりわかるよ
うに、マスク、ウエハの面内ずれ（アライメントずれ）
があると′，′式においてΔに更にアライメントず
れ量δが加わりg1,g2の変動量Δg1,Δg2は となり、 となるので光軸101,102のｘ方向をl1とすると、δの値
に応じてセンサー上4,5上のスポット81,82のセンサー長
手方向の距離がアライメントずれ０時のl1＋（g1＋g2）
から変化する。この変化量を前式に代入してδが求めら
れる。また（Ａ）と（Ｂ）のFZPの組合せ即ち、FZP61と
71、FZP62と72の組合せの場合にはマスク、ウエハの面
間隔gmが少し変化しても、センサー4,5上のスポット81,
82の距離の変化は僅かであり、面間隔の変動に殆ど依存
しないで面内ずれ（アライメントずれ）を検出すること
が可能である。即ち、マスク、ウエハの間隔gmがΔＺ増
加する時のスポットのずれ量g1′,g2′の和は となる。
ZP62と72の場合を用いてマスク２とウエハ３のxy面内ず
れ（アライメントずれ）の計測原理について示す。この
時マスク、ウエハ間隔gmが変化した場合、，式より
Δ１≒Δ２≒Δとおくと、 ′，′式及び第１図（Ａ），（Ｂ）よりわかるよ
うに、マスク、ウエハの面内ずれ（アライメントずれ）
があると′，′式においてΔに更にアライメントず
れ量δが加わりg1,g2の変動量Δg1,Δg2は となり、 となるので光軸101,102のｘ方向をl1とすると、δの値
に応じてセンサー上4,5上のスポット81,82のセンサー長
手方向の距離がアライメントずれ０時のl1＋（g1＋g2）
から変化する。この変化量を前式に代入してδが求めら
れる。また（Ａ）と（Ｂ）のFZPの組合せ即ち、FZP61と
71、FZP62と72の組合せの場合にはマスク、ウエハの面
間隔gmが少し変化しても、センサー4,5上のスポット81,
82の距離の変化は僅かであり、面間隔の変動に殆ど依存
しないで面内ずれ（アライメントずれ）を検出すること
が可能である。即ち、マスク、ウエハの間隔gmがΔＺ増
加する時のスポットのずれ量g1′,g2′の和は となる。
とすると、 となる。L0が充分大きければ（ΔZ/L0）≒０とでき、又
｜（Ｍ−Ｎ）／（Ｍ＋Ｎ）｜《１とできるのでg1′＋
g2′≒g1＋g2と扱え、従って間隔変動によってスポット
81,82のｘ方向距離は不変とできる。この状況を具体例
として以下に示す。
｜（Ｍ−Ｎ）／（Ｍ＋Ｎ）｜《１とできるのでg1′＋
g2′≒g1＋g2と扱え、従って間隔変動によってスポット
81,82のｘ方向距離は不変とできる。この状況を具体例
として以下に示す。
fM1＝253.85μｍ、fM2＝114.535μm, Δ１＝Δ２＝10μm,L0＝18345.94μｍとすると、（Ａ）
のパターン組合せ、即ち61と71のパターン組合せにより
生じるスポット81の光軸101からの距離g1は 他方、（Ｂ）のパターン組合せ即ち、62と72のパター
ンの組合せにより生じるスポット82の光軸102からの距
離g2は g1＋g2とgmの関係は 更に、面間隔gm＝71.5μｍ一定のままで、マスク、ウ
エハの面内ずれδが発生したときのg1,g2を求めると、 従って、マスク、ウエハの面内ずれδが発生すると、
センサー4,5上のスポット81,82の間隔の変化は５μｍの
面内ずれに対し、スポット81,82の間隔変化は1000μｍ
あり、面内ずれがセンサー面上では200倍のスポットず
れとなって検出される。従ってセンサー4,5上でスポッ
ト間隔を例えば２μｍの分解能で検出すれば、マスク、
ウエハずれは2/200＝0.01μｍの分解能で検出される。
のパターン組合せ、即ち61と71のパターン組合せにより
生じるスポット81の光軸101からの距離g1は 他方、（Ｂ）のパターン組合せ即ち、62と72のパター
ンの組合せにより生じるスポット82の光軸102からの距
離g2は g1＋g2とgmの関係は 更に、面間隔gm＝71.5μｍ一定のままで、マスク、ウ
エハの面内ずれδが発生したときのg1,g2を求めると、 従って、マスク、ウエハの面内ずれδが発生すると、
センサー4,5上のスポット81,82の間隔の変化は５μｍの
面内ずれに対し、スポット81,82の間隔変化は1000μｍ
あり、面内ずれがセンサー面上では200倍のスポットず
れとなって検出される。従ってセンサー4,5上でスポッ
ト間隔を例えば２μｍの分解能で検出すれば、マスク、
ウエハずれは2/200＝0.01μｍの分解能で検出される。
これに対し、マスク、ウエハのギャップが71.5μｍか
ら66.5μｍまで５μｍずれてもスポット81,82の間隔ず
れは0.16μｍであり、２μｍの分解能より小さく、ほと
んど無視できることがわかる。アライメントずれ０時の
スポット81,82間隔l1（g1＋g2）と適正間隔時のスポッ
ト82,83間隔l2−（g2＋g3）は設計値により求められる
が、ためし焼により求めてもよい。
ら66.5μｍまで５μｍずれてもスポット81,82の間隔ず
れは0.16μｍであり、２μｍの分解能より小さく、ほと
んど無視できることがわかる。アライメントずれ０時の
スポット81,82間隔l1（g1＋g2）と適正間隔時のスポッ
ト82,83間隔l2−（g2＋g3）は設計値により求められる
が、ためし焼により求めてもよい。
ここで、第２図に示したFZP61,62,63,71,72,73はx,y
方向共にレンズ作用を有しているので、マスク２、ウエ
ハ３がｙ方向に相対移動するとその移動量に応じてスポ
ット81,82,83がラインセンサー4,5の幅方向に移動す
る。この為ラインセンサー4,5はマスク２とウエハ３の
考え得る最大のｙ方向ずれが生じてもスポット81,82,83
がセンサー上にある様充分な幅を持たせる。ラインセン
サーの代りにｙ方向に充分な幅を持つエリアセンサーを
用いてスポット81,82,83を検出しても良い。
方向共にレンズ作用を有しているので、マスク２、ウエ
ハ３がｙ方向に相対移動するとその移動量に応じてスポ
ット81,82,83がラインセンサー4,5の幅方向に移動す
る。この為ラインセンサー4,5はマスク２とウエハ３の
考え得る最大のｙ方向ずれが生じてもスポット81,82,83
がセンサー上にある様充分な幅を持たせる。ラインセン
サーの代りにｙ方向に充分な幅を持つエリアセンサーを
用いてスポット81,82,83を検出しても良い。
FZP61,62,63,71,72,73がラインセンサー4,5の長手方
向ｘ方向に対してのみパワーをもった、レンズで例えば
シリンドリカルレンズ状の回折作用をもつFZPにしても
良く、この場合横ずれ検知方向（ラインセンサーの長手
方向;x方向）に垂直な方向ｙ方向にマスクとウエハがず
れても、センサー面4,5上のスポット81,82,83はセンサ
ーの幅方向には移動しないようにしても良い。この場合
FZPの焦点と焦線に平行なパターンの中心を通る線を含
む面のずれをΔとする。
向ｘ方向に対してのみパワーをもった、レンズで例えば
シリンドリカルレンズ状の回折作用をもつFZPにしても
良く、この場合横ずれ検知方向（ラインセンサーの長手
方向;x方向）に垂直な方向ｙ方向にマスクとウエハがず
れても、センサー面4,5上のスポット81,82,83はセンサ
ーの幅方向には移動しないようにしても良い。この場合
FZPの焦点と焦線に平行なパターンの中心を通る線を含
む面のずれをΔとする。
以上述べたように、第１図，第２図に示したFZPのパ
ターン組合せをマスク、ウエハ上に設定し、（Ａ）と
（Ｂ）で横方向位置ずれ検出、（Ｂ）と（Ｃ）で間隔測
定をすることができる。この場合、間隔検出は横方向位
置ずれ依存性が殆どなく、また横方向位置ずれ検出は間
隔依存性が殆どなく、しかもアライメント、面間隔検出
とも高精度の検出が可能である。更に、ウエハが傾く、
所謂ウエハーテイルトが発生しても、xy面内ずれ検出、
面間隔検出とも２つのスポットの間隔情報をそれぞれ用
いているため、ウエハーテイルトによってはスポット間
隔は不変である。従ってこれにより検出誤差が発生する
ことはない。
ターン組合せをマスク、ウエハ上に設定し、（Ａ）と
（Ｂ）で横方向位置ずれ検出、（Ｂ）と（Ｃ）で間隔測
定をすることができる。この場合、間隔検出は横方向位
置ずれ依存性が殆どなく、また横方向位置ずれ検出は間
隔依存性が殆どなく、しかもアライメント、面間隔検出
とも高精度の検出が可能である。更に、ウエハが傾く、
所謂ウエハーテイルトが発生しても、xy面内ずれ検出、
面間隔検出とも２つのスポットの間隔情報をそれぞれ用
いているため、ウエハーテイルトによってはスポット間
隔は不変である。従ってこれにより検出誤差が発生する
ことはない。
又、入射光束１の投光系（ここでは光源1a）およびセ
ンサー4,5を保持したアライメントギャップ検出系がマ
スク２、ウエハ３に対し相対的に僅かに（〜例10μｍ〜
20μｍ）ずれていても、スポット81,82の間隔によりxy
面内ずれ（横方向位置ずれ）を、スポット82,83の間隔
によりマスク、ウエハの面間隔をそれぞれ検出している
ため、誤差を発生しないという利点をもっている。
ンサー4,5を保持したアライメントギャップ検出系がマ
スク２、ウエハ３に対し相対的に僅かに（〜例10μｍ〜
20μｍ）ずれていても、スポット81,82の間隔によりxy
面内ずれ（横方向位置ずれ）を、スポット82,83の間隔
によりマスク、ウエハの面間隔をそれぞれ検出している
ため、誤差を発生しないという利点をもっている。
尚、第３図にマスク、ウエハが一致している時のマス
クパターン、ウエハパターンのパターンエリアとそれぞ
れの光軸を含むｙ軸に平行な線、ここでは61a,62a,63a,
71a,72a,73aの関係を示す。
クパターン、ウエハパターンのパターンエリアとそれぞ
れの光軸を含むｙ軸に平行な線、ここでは61a,62a,63a,
71a,72a,73aの関係を示す。
マスクとウエハのパターンエリアは実際にはｚ方向に
重なっているが便宜上ｙ方向にずらして示してある。
重なっているが便宜上ｙ方向にずらして示してある。
第４図（Ａ），（Ｂ）に光検出手段4,5上への横方向
位置ずれなし、間隔設定時の信号スポット81,82,83の形
成の仕方を例を示す。いずれの場合もスポット81,83と8
2との間隔のｘ成分を検出する。
位置ずれなし、間隔設定時の信号スポット81,82,83の形
成の仕方を例を示す。いずれの場合もスポット81,83と8
2との間隔のｘ成分を検出する。
第４図は２ラインセンサー上に得られるスポット光の
例を示したが、１ラインセンサー上に81,82,83が並ぶよ
うに設定することも可能であることは言うまでももな
い。
例を示したが、１ラインセンサー上に81,82,83が並ぶよ
うに設定することも可能であることは言うまでももな
い。
更に、第５図に第１図の実施例のFZPパターンの実例
を示す。併せてパターンエリアの関係をも示す。検出方
向は図の左右方向（ｘ方向）。
を示す。併せてパターンエリアの関係をも示す。検出方
向は図の左右方向（ｘ方向）。
第６図は第２実施例を示す図である。第６図におい
て、（Ａ）はFZPの回折作用はマスク上FZP121は発散、
ウエハ上FZP131は収束、（Ｂ）はマスク上FZP122は収
束、ウエハ上FZP132は発散、（Ｃ）はマスク上FZP123は
同じく収束、ウエハ上FZP133は発散の作用をする。これ
をレンズに例えると（Ａ）は凹凸の組合せ、（Ｂ）は凸
凹の組合せ、（Ｃ）図は凸凹の組合せとなっており、マ
スクのFZPの光軸141,142,143に対しウエハのFZPパター
ン光軸151,152,153がそれぞれ図の方向にΔ１ ＊，Δ２
＊，Δ３ ＊平行にずらして設定されている。
て、（Ａ）はFZPの回折作用はマスク上FZP121は発散、
ウエハ上FZP131は収束、（Ｂ）はマスク上FZP122は収
束、ウエハ上FZP132は発散、（Ｃ）はマスク上FZP123は
同じく収束、ウエハ上FZP133は発散の作用をする。これ
をレンズに例えると（Ａ）は凹凸の組合せ、（Ｂ）は凸
凹の組合せ、（Ｃ）図は凸凹の組合せとなっており、マ
スクのFZPの光軸141,142,143に対しウエハのFZPパター
ン光軸151,152,153がそれぞれ図の方向にΔ１ ＊，Δ２
＊，Δ３ ＊平行にずらして設定されている。
この時のアライメントずれ０から適正間隔でセンサー
4,5上にできるスポット161,162,163のマスクパターンの
光軸からの距離をそれぞれg1 ＊,g2 ＊,g3 ＊、FZP121,1
22,123の焦点位置F1′,F2′,F3′までの距離をそれぞれ
fM1 ＊,fM2 ＊,fM3 ＊とすると、，，式と同様の表
現となる。
4,5上にできるスポット161,162,163のマスクパターンの
光軸からの距離をそれぞれg1 ＊,g2 ＊,g3 ＊、FZP121,1
22,123の焦点位置F1′,F2′,F3′までの距離をそれぞれ
fM1 ＊,fM2 ＊,fM3 ＊とすると、，，式と同様の表
現となる。
即ち、 従って、第６図（Ａ）と（Ｂ）に示す検出系を用いて
スポット161と162の間隔を検出することによりマスク、
ウエハxy面内ずれ（横方向位置ずれ）を、第６図（Ｂ）
と（Ｃ）に示す検出系を用いてスポット162と163の間隔
を検出することにりマスク、ウエハの面間隔gmを前述の
第１図，第２図の実施例同様計測することが出来る。
スポット161と162の間隔を検出することによりマスク、
ウエハxy面内ずれ（横方向位置ずれ）を、第６図（Ｂ）
と（Ｃ）に示す検出系を用いてスポット162と163の間隔
を検出することにりマスク、ウエハの面間隔gmを前述の
第１図，第２図の実施例同様計測することが出来る。
第７図は第３実施例で、マスクのFZP171,172,173に集
光（あるいは発散）作用と同時にｘ方向への屈折作用を
与えた例である。この場合、FZP171と181のパターン組
合せによりできる光検出器５上のスポット211とFZP172
と182のパターン組合せによりできる光検出器４上のス
ポット212とのスポット間隔がマスク、ウエハxy面内ず
れ（横方向位置ずれ）の検出に用いられ、FZP173と183
のパターンの組合せによりできる光検出器４上のスポッ
ト213とスポット212の間隔がマスク、ウエハの面間隔の
検出に用いられている。この時、第７図に示すようにマ
スク上のパターン171,172,173の焦点位置1,2,３
は、各々のパターンの光軸191,192,193に対しε1,ε2,
ε３だけ第７図の上下方向に偏心させて設計する。それ
ぞれの焦点距離をM1,M2,M3とする。又FZP181,1
82,183の光軸を各々201,202,203とする。
光（あるいは発散）作用と同時にｘ方向への屈折作用を
与えた例である。この場合、FZP171と181のパターン組
合せによりできる光検出器５上のスポット211とFZP172
と182のパターン組合せによりできる光検出器４上のス
ポット212とのスポット間隔がマスク、ウエハxy面内ず
れ（横方向位置ずれ）の検出に用いられ、FZP173と183
のパターンの組合せによりできる光検出器４上のスポッ
ト213とスポット212の間隔がマスク、ウエハの面間隔の
検出に用いられている。この時、第７図に示すようにマ
スク上のパターン171,172,173の焦点位置1,2,３
は、各々のパターンの光軸191,192,193に対しε1,ε2,
ε３だけ第７図の上下方向に偏心させて設計する。それ
ぞれの焦点距離をM1,M2,M3とする。又FZP181,1
82,183の光軸を各々201,202,203とする。
この時、センサー4,5上に出来るマスク、ウエハのFZP
パターンのスポット光のマスクパターン171,172,173の
光軸191,192,193からの距離は第７図の方向、位置にそ
れぞれ1,2,３で形成される。この時、 と表わされる。
パターンのスポット光のマスクパターン171,172,173の
光軸191,192,193からの距離は第７図の方向、位置にそ
れぞれ1,2,３で形成される。この時、 と表わされる。
この場合も、，，式で与えられる関係を利用し
て、第１図，第６図で示した実施例と同様に（Ａ）と
（Ｂ）に示した検出系の組合せにより横方向位置ずれ
（xy面内ずれ）を、（Ｂ）と（Ｃ）に示した検出系の組
合せにより面間隔測定を行う。
て、第１図，第６図で示した実施例と同様に（Ａ）と
（Ｂ）に示した検出系の組合せにより横方向位置ずれ
（xy面内ずれ）を、（Ｂ）と（Ｃ）に示した検出系の組
合せにより面間隔測定を行う。
以上述べた実施例においては、いずれもマスク、ウエ
ハ上に３組のFZPパターンの組合せを設け、そのうちの
１組を横方向位置ずれ検出、面間隔測定両方に共通に用
い、他の２組は横方向位置ずれ検出のみ、面間隔測定の
みに用いた。例えば第１図，第６図，第７図においては
（Ｂ）に示されているマスク、ウエハ上のFZP組合せが
横方向位置ずれ、面間隔両方の検出に共通に用いられ、
（Ａ）に示されているマスク、ウエハFZP組合せは横方
向位置ずれ検出に、（Ｃ）に用いられているマスク、ウ
エハFZP組合せは面間隔検出に用いられている例であ
る。実際には３つのうちの最低１つのマスク、ウエハパ
ターン組合せがアライメントずれ、面間隔検出に共通に
用いられていればよく、又第３図に示すようなマスク上
のパターンエリアの配置に限定されるものではない。
ハ上に３組のFZPパターンの組合せを設け、そのうちの
１組を横方向位置ずれ検出、面間隔測定両方に共通に用
い、他の２組は横方向位置ずれ検出のみ、面間隔測定の
みに用いた。例えば第１図，第６図，第７図においては
（Ｂ）に示されているマスク、ウエハ上のFZP組合せが
横方向位置ずれ、面間隔両方の検出に共通に用いられ、
（Ａ）に示されているマスク、ウエハFZP組合せは横方
向位置ずれ検出に、（Ｃ）に用いられているマスク、ウ
エハFZP組合せは面間隔検出に用いられている例であ
る。実際には３つのうちの最低１つのマスク、ウエハパ
ターン組合せがアライメントずれ、面間隔検出に共通に
用いられていればよく、又第３図に示すようなマスク上
のパターンエリアの配置に限定されるものではない。
例えば、マスク、ウエハ上のパターンエリアの分割の
例は第８図に示す如き等種々の変形が考えられる。第８
図は221,222,223はマスク２上のFZPパターンエリア、23
1,232,233はウエハ３上のFZPパターンエリアでり、221
と231が１つの組合せ、222と232が他の組合せ、223と23
3がいまひとつの組合せとなっており、（221,231）でで
きるスポット光と（222,232）でできるスポット光のセ
ンサー面上の間隔によりマスク、ウエハのアライメント
の検出を、（222,232）でできるスポット光と（223,2
33）でできるスポット光のセンサー面上の間隔によりマ
スク、ウエハの面間隔検出を行う。それぞれのFZPパタ
ーンエリアの主軸を含むｙ軸平行線221a,222a,223a,23
1a,232a,233aについては図のような位置関係である。
例は第８図に示す如き等種々の変形が考えられる。第８
図は221,222,223はマスク２上のFZPパターンエリア、23
1,232,233はウエハ３上のFZPパターンエリアでり、221
と231が１つの組合せ、222と232が他の組合せ、223と23
3がいまひとつの組合せとなっており、（221,231）でで
きるスポット光と（222,232）でできるスポット光のセ
ンサー面上の間隔によりマスク、ウエハのアライメント
の検出を、（222,232）でできるスポット光と（223,2
33）でできるスポット光のセンサー面上の間隔によりマ
スク、ウエハの面間隔検出を行う。それぞれのFZPパタ
ーンエリアの主軸を含むｙ軸平行線221a,222a,223a,23
1a,232a,233aについては図のような位置関係である。
第９図に第４実施例を示す。第９図は斜視図であり、
第10図は第９図のセンサー4,5のラインの長手方向に垂
直な方向（ｙ方向）からみた絵を、ウエハの反射、回折
を等価な透過回折として示した図である。
第10図は第９図のセンサー4,5のラインの長手方向に垂
直な方向（ｙ方向）からみた絵を、ウエハの反射、回折
を等価な透過回折として示した図である。
第11図は第９図のマスク、ウエハ上のFZPパターンエ
リアと、光軸（FZPの）の関係を示したものである。第
９図で241,242,243,253はマスク上のFZP、251、252はウ
エハ上のFZP241a,242a,243a,251a,252a,253aはそれぞれ
のFZPの光軸を含むｙ軸平行線を示す。第10図に示すよ
うに、241と251のパターン組合せにより出来るスポット
281と、242と252のFZP組合せにより出来るスポット282
との間隔を検出することによりマスク、ウエハのアライ
メントずれ量を検出し、242と252のFZP組合せにより出
来るスポット282と243と253のFZP（いずれもマスク上に
ある）の組合せにより出来るスポット283との関係を検
出することにより、マスクとウエハの面間隔を検出す
る。ここで第９図，第10図の実施例の特徴は、第10図の
（Ｃ）においてウエハのパターンは無くてもよいことで
あり、FZP243からの光束はウエハ３上では単に正反射
し、マスク上に設けられたFZP243,253でマスク、ウエハ
の面間隔を求めるスポット283を得ている点である。
リアと、光軸（FZPの）の関係を示したものである。第
９図で241,242,243,253はマスク上のFZP、251、252はウ
エハ上のFZP241a,242a,243a,251a,252a,253aはそれぞれ
のFZPの光軸を含むｙ軸平行線を示す。第10図に示すよ
うに、241と251のパターン組合せにより出来るスポット
281と、242と252のFZP組合せにより出来るスポット282
との間隔を検出することによりマスク、ウエハのアライ
メントずれ量を検出し、242と252のFZP組合せにより出
来るスポット282と243と253のFZP（いずれもマスク上に
ある）の組合せにより出来るスポット283との関係を検
出することにより、マスクとウエハの面間隔を検出す
る。ここで第９図，第10図の実施例の特徴は、第10図の
（Ｃ）においてウエハのパターンは無くてもよいことで
あり、FZP243からの光束はウエハ３上では単に正反射
し、マスク上に設けられたFZP243,253でマスク、ウエハ
の面間隔を求めるスポット283を得ている点である。
第10図においてウエハ上のパターン251,252の光軸は
いずれも各々マスク上のパターン241,242の軸に対し図
の方向にΔ１′，Δ２′だけずらしてあり、同時にマス
ク上のパターン243と253の軸はΔ３′だけ平行ずれさせ
てある。この時、センサー5,4上に出来る光スポット2
81,282,283はマスク上のパターン241,242,243の軸からg
1′,g2′,g3′の距離（方向は第10図の通り）に出来る
とすると なる関係がある。
いずれも各々マスク上のパターン241,242の軸に対し図
の方向にΔ１′，Δ２′だけずらしてあり、同時にマス
ク上のパターン243と253の軸はΔ３′だけ平行ずれさせ
てある。この時、センサー5,4上に出来る光スポット2
81,282,283はマスク上のパターン241,242,243の軸からg
1′,g2′,g3′の距離（方向は第10図の通り）に出来る
とすると なる関係がある。
，，式の関係式で与えられる様に、第１図に示
した実施例と同様の理由で第９図，第10図，第11図の装
置でウエハ傾きの影響を受けない横方向位置ずれ検出、
面間隔測定ができる。この実施例のようにマスク、ウエ
ハの面間隔測定はウエハにパターンがなくて、ウエハの
０次反射光を利用することもできる。又、第11図のウエ
ハ３上のパターンなしのエリアに、第12図に示すように
直線格子254を設けウエハ上ではマスク上のパターンエ
リア243で回折された光を、マスク上のエリア253に効率
よく入れるために折り返すのみの作用を与えることもで
きる。
した実施例と同様の理由で第９図，第10図，第11図の装
置でウエハ傾きの影響を受けない横方向位置ずれ検出、
面間隔測定ができる。この実施例のようにマスク、ウエ
ハの面間隔測定はウエハにパターンがなくて、ウエハの
０次反射光を利用することもできる。又、第11図のウエ
ハ３上のパターンなしのエリアに、第12図に示すように
直線格子254を設けウエハ上ではマスク上のパターンエ
リア243で回折された光を、マスク上のエリア253に効率
よく入れるために折り返すのみの作用を与えることもで
きる。
以上述べた例はマスクとウエハが近接した場合につい
て述べたが、光ステッパーやエキシマレーザーを用いた
ステッパーなどの場合についても利用できる。これを説
明する応用例について第13図，第14図に示す。
て述べたが、光ステッパーやエキシマレーザーを用いた
ステッパーなどの場合についても利用できる。これを説
明する応用例について第13図，第14図に示す。
第13図は第５実施例であり、同図において１はレチク
ル２上のFZPパターン351,352,353を照射する光、321,32
2,323はウエハ上のFZPパターンであり、30は結像レンズ
である。ウエハ上のパターン（FZP）321,322,323で回折
された光束はCCD等のセンサー4,5上にスポット331,332,
333を結ぶ。マスク上のパターン351,352,353およびウエ
ハ上のパターン321,322,323は本明細書で示した第１図
の実施例と同様の理想で設計された回折パターンであ
る。スポット331,332,333の間隔を測ることにより前述
実施例同様レチクル29とウエハ31の間隔の検出及び面内
ずれ（横方向位置ずれ）を測定することが出来る。
ル２上のFZPパターン351,352,353を照射する光、321,32
2,323はウエハ上のFZPパターンであり、30は結像レンズ
である。ウエハ上のパターン（FZP）321,322,323で回折
された光束はCCD等のセンサー4,5上にスポット331,332,
333を結ぶ。マスク上のパターン351,352,353およびウエ
ハ上のパターン321,322,323は本明細書で示した第１図
の実施例と同様の理想で設計された回折パターンであ
る。スポット331,332,333の間隔を測ることにより前述
実施例同様レチクル29とウエハ31の間隔の検出及び面内
ずれ（横方向位置ずれ）を測定することが出来る。
第13図はレチクル29の近くにセンサー4,5を置いてい
るが、ウエハからの反射回折光をレチクル側まで戻さな
いで、途中にミラーやハーフミラーを置き、結像レンズ
30よりウエハに近い側で結像光学系の外にとり出して、
その位置でセンサーで検出してもよい。
るが、ウエハからの反射回折光をレチクル側まで戻さな
いで、途中にミラーやハーフミラーを置き、結像レンズ
30よりウエハに近い側で結像光学系の外にとり出して、
その位置でセンサーで検出してもよい。
第14図は第６実施例であり、同図はミラー縮小型ステ
ッパーへの応用例である。レチクル２とウエハ３は、３
群のミラー39,40,41に関して共役（結像）関係にある。
431,432,433はレチクル２上のFZPパターン、441,442,44
3はウエハ42上のFZPパターンであり、これらの構成原理
は第１図実施例と同じである。センサー９の上に出来た
スポット491,492,493の間隔を測ることによりマスクと
ウエハのxy面内ずれ（横方向位置ずれ）および面間隔を
検出する。検出原理については前述実施例同様である。
ッパーへの応用例である。レチクル２とウエハ３は、３
群のミラー39,40,41に関して共役（結像）関係にある。
431,432,433はレチクル２上のFZPパターン、441,442,44
3はウエハ42上のFZPパターンであり、これらの構成原理
は第１図実施例と同じである。センサー９の上に出来た
スポット491,492,493の間隔を測ることによりマスクと
ウエハのxy面内ずれ（横方向位置ずれ）および面間隔を
検出する。検出原理については前述実施例同様である。
第15図は第７実施例であり、第１図の第１実施例の変
形例である。
形例である。
本実施例は第１図の（Ａ）と（Ｂ）で示したパターン
の組合せ、FZP61と71、FZP62と72をそのまま用い、第１
図の第１実施例と同様の原理でアライメントずれを求め
ている。
の組合せ、FZP61と71、FZP62と72をそのまま用い、第１
図の第１実施例と同様の原理でアライメントずれを求め
ている。
本実施例ではスポット82のセンサー４上での位置によ
りマスク、ウエハ間の間隔を求めている。間隔の検出の
仕方について説明する。マスクを装置に設定した時に、
ためし焼等によりマスクとウエハに位置ずれがなく、か
つ適正間隔に設定された時のスポット82の位置を基準位
置として求め、又この時の間隔gmを他の周知の間隔測定
装置によって求めておく。L0,fM2,Δの値は設定値より
分かるので前述の′式によってセンサー４上でのFZP6
2の光軸位置がわかる。次に間隔検出時には、まず前述
の原理によってアライメントずれを求め、これを補正し
てアライメントずれ０にする。この時点でのスポット82
の光軸位置からのずれをg2としてセンサー４で測定し、
前述の′式によって間隔gmを検出する。
りマスク、ウエハ間の間隔を求めている。間隔の検出の
仕方について説明する。マスクを装置に設定した時に、
ためし焼等によりマスクとウエハに位置ずれがなく、か
つ適正間隔に設定された時のスポット82の位置を基準位
置として求め、又この時の間隔gmを他の周知の間隔測定
装置によって求めておく。L0,fM2,Δの値は設定値より
分かるので前述の′式によってセンサー４上でのFZP6
2の光軸位置がわかる。次に間隔検出時には、まず前述
の原理によってアライメントずれを求め、これを補正し
てアライメントずれ０にする。この時点でのスポット82
の光軸位置からのずれをg2としてセンサー４で測定し、
前述の′式によって間隔gmを検出する。
第16図は第８実施例であり、第１図の第１実施例の他
の変形例である。
の変形例である。
本実施例は第１図の（Ｂ）と（Ｃ）で示したパターン
の組合せFZP62と72、FZP63と73をそのまま用い、第１図
の実施例と同様の原理で間隔検出を行なっている。
の組合せFZP62と72、FZP63と73をそのまま用い、第１図
の実施例と同様の原理で間隔検出を行なっている。
本実施例ではスポット82のセンサー４上での位置によ
りマスク、ウエハ間のアライメントずれを求めている。
アライメントずれの検出の仕方について説明する。マス
クを装置に設定した時に第15図の実施例と同様にして基
準位置と適正間隔値gmを求めておく。次に位置検出時に
は、まず前述原理によって間隔を求め、これを補正して
適正間隔にする。この時点でのスポット82の基準位置か
らのずれをΔg2として求め、前述の″式によってアラ
イメントずれ量δを検出する。
りマスク、ウエハ間のアライメントずれを求めている。
アライメントずれの検出の仕方について説明する。マス
クを装置に設定した時に第15図の実施例と同様にして基
準位置と適正間隔値gmを求めておく。次に位置検出時に
は、まず前述原理によって間隔を求め、これを補正して
適正間隔にする。この時点でのスポット82の基準位置か
らのずれをΔg2として求め、前述の″式によってアラ
イメントずれ量δを検出する。
第17図は本発明の第９実施例の要部斜視図、第18図，
第19図は第17図においてアライメント検出方向と垂直な
方向でかつ第１物体と第２物体を平行な方向から見たと
きであり、更に第１物体と第２物体の間隔を変えたとき
の光路を展開した要部概略図である。
第19図は第17図においてアライメント検出方向と垂直な
方向でかつ第１物体と第２物体を平行な方向から見たと
きであり、更に第１物体と第２物体の間隔を変えたとき
の光路を展開した要部概略図である。
同図において１は不図示の例えばHe−Neレーザーや半
導体レーザー等からの光束、２は第１物体で例えばマス
ク、３は第２物体で例えばウエハであり、マスク２とウ
エハ３は第17,第18図においては間隔gAF、第19図におい
ては間隔gAAを隔てて対向配置されている。1061,1062,1
063は各々マスク２面上の一部に設けた第1,第2,第３物
理光学素子であり、1071,1072,1073は各々ウエハ３面上
の一部に設けた第1,第2,第３物理光学素子である。これ
らの物理光学素子1061,1062,1063,1071,1072,1073は例
えば回折格子やフレネルゾーンプレート（以下「FZP」
という。）等から成っている。
導体レーザー等からの光束、２は第１物体で例えばマス
ク、３は第２物体で例えばウエハであり、マスク２とウ
エハ３は第17,第18図においては間隔gAF、第19図におい
ては間隔gAAを隔てて対向配置されている。1061,1062,1
063は各々マスク２面上の一部に設けた第1,第2,第３物
理光学素子であり、1071,1072,1073は各々ウエハ３面上
の一部に設けた第1,第2,第３物理光学素子である。これ
らの物理光学素子1061,1062,1063,1071,1072,1073は例
えば回折格子やフレネルゾーンプレート（以下「FZP」
という。）等から成っている。
第20図にマスク２とウエハ３面上に設けた物理光学素
子1061,1062,1063,1071,1072,1073の一実施例のパター
ンを示す。
子1061,1062,1063,1071,1072,1073の一実施例のパター
ンを示す。
4,5は各々第1,第２受光手段（センサー）でラインセ
ンサーやPSD等から成り、入射光束1081,1082,1083の重
心位置等を検出している。９は信号処理回路であり、受
光手段4,5からの信号を用いて受光手段4,5面上に入射し
た光束1081,1082,1083の重心位置等を求め、後述するよ
うにマスク２とウエハ３との位置ずれδ及び間隔d0を演
算し求めている。
ンサーやPSD等から成り、入射光束1081,1082,1083の重
心位置等を検出している。９は信号処理回路であり、受
光手段4,5からの信号を用いて受光手段4,5面上に入射し
た光束1081,1082,1083の重心位置等を求め、後述するよ
うにマスク２とウエハ３との位置ずれδ及び間隔d0を演
算し求めている。
本実施例においては半導体レーザーLDからの光束
（波長λ＝830nm）をマスク２面上の第1,第2,第３フレ
ネルゾーンプレート1061,1062,1063面上に角度θで入射
させている。そしてマスク２から垂直方向に回折する所
定次数の回折光をウエハ３面上のFZP1071,1072,1073で
反射回折させている。ウエハ３面上のFZP1071,1072,107
3で反射回折した所定次数の回折光のうちマスク２をそ
のまま通過（０次直進光）した光束を受光手段4,5面上
に入射させている。このときの受光手段4,5面上におけ
る入射光束1081,1082,1083の重心位置を該受光手段4,5
で検出し、該受光手段4,5からの出力信号を用いて信号
処理回路９によりマスク２とウエハ３との位置ずれ量と
面間隔を演算し求めている。
（波長λ＝830nm）をマスク２面上の第1,第2,第３フレ
ネルゾーンプレート1061,1062,1063面上に角度θで入射
させている。そしてマスク２から垂直方向に回折する所
定次数の回折光をウエハ３面上のFZP1071,1072,1073で
反射回折させている。ウエハ３面上のFZP1071,1072,107
3で反射回折した所定次数の回折光のうちマスク２をそ
のまま通過（０次直進光）した光束を受光手段4,5面上
に入射させている。このときの受光手段4,5面上におけ
る入射光束1081,1082,1083の重心位置を該受光手段4,5
で検出し、該受光手段4,5からの出力信号を用いて信号
処理回路９によりマスク２とウエハ３との位置ずれ量と
面間隔を演算し求めている。
本実施例ではマスク２とウエハ３面上の第１物理光学
素子1061,1071より成る検出系Ａ、第２物理光学素子106
2,1072より成る検出系Ｂ、そして第３物理光学素子10
63,1073より成る検出系Ｃの３つの検出系を形成してい
る。このうち検出系Ａと検出系Ｂで位置ずれ検出系を構
成している。又、検出系Ｂを共有し、検出系Ｂと検出系
Ｃで面間隔検出系を構成している。
素子1061,1071より成る検出系Ａ、第２物理光学素子106
2,1072より成る検出系Ｂ、そして第３物理光学素子10
63,1073より成る検出系Ｃの３つの検出系を形成してい
る。このうち検出系Ａと検出系Ｂで位置ずれ検出系を構
成している。又、検出系Ｂを共有し、検出系Ｂと検出系
Ｃで面間隔検出系を構成している。
第18図，第19図に示すFZPの光束の集光、発散効果はF
ZP1061,1072,1073は収斂の凸パワー、FZP1062,1063,107
1は発散の凹パワーを有している。又本実施例におけるF
ZPはアライメント方向に限らず２次元的に屈折、発散作
用を有するものが適用可能である。
ZP1061,1072,1073は収斂の凸パワー、FZP1062,1063,107
1は発散の凹パワーを有している。又本実施例におけるF
ZPはアライメント方向に限らず２次元的に屈折、発散作
用を有するものが適用可能である。
第19図においてはマスク２とウエハ３とは近接（例え
ば面間隔５μｍ〜100μｍ）配置されており、Ｘ線によ
り露光する、所謂Ｘ線ステッパーの場合を例にとり示し
ている。
ば面間隔５μｍ〜100μｍ）配置されており、Ｘ線によ
り露光する、所謂Ｘ線ステッパーの場合を例にとり示し
ている。
一般にＸ線ステッパーの場合、Ｘ線による１回の露光
エリアは であり、ウエハ３上を位置をずらしながら20ショット〜
数十ショットの露光を行っている。
エリアは であり、ウエハ３上を位置をずらしながら20ショット〜
数十ショットの露光を行っている。
この為、露光直前の位置ずれ検出系（所謂オートアラ
イメント、以下「AA」という。）によるマスクとウエハ
の間隔とショット毎のマスクとウエハの相対移動時にお
けるマスクとウエハの間隔は異なってくる場合が多い。
イメント、以下「AA」という。）によるマスクとウエハ
の間隔とショット毎のマスクとウエハの相対移動時にお
けるマスクとウエハの間隔は異なってくる場合が多い。
第19図に示すAA時の面間隔は前述したように５μｍ〜
100μｍ、これに対して第18図に示すウエハ移動時の面
間隔は50μｍ〜200μｍと大きくなってくる。
100μｍ、これに対して第18図に示すウエハ移動時の面
間隔は50μｍ〜200μｍと大きくなってくる。
このようにウエハ移動時の面間隔大きく設定し、これ
によりウエハ面の凹凸、ティルト（傾き）等によりウエ
ハを面内で移動させたときにウエハがマスク面に接触し
ないようにしている。
によりウエハ面の凹凸、ティルト（傾き）等によりウエ
ハを面内で移動させたときにウエハがマスク面に接触し
ないようにしている。
第18図において間隔gAFはショット移動時にウエハの
移動を行ない、このときのマスクとウエハは面間隔を検
出する時（以下「AF」時という。）である。又第19図に
おいて間隔gAAは第18図において間隔gAFの面間隔のとき
に検出したマスクとウエハの面間隔に基づき、マスクと
ウエハの間隔を位置ずれ検出するときの面間隔に設定し
たときのマスクとウエハの面間隔を示している。
移動を行ない、このときのマスクとウエハは面間隔を検
出する時（以下「AF」時という。）である。又第19図に
おいて間隔gAAは第18図において間隔gAFの面間隔のとき
に検出したマスクとウエハの面間隔に基づき、マスクと
ウエハの間隔を位置ずれ検出するときの面間隔に設定し
たときのマスクとウエハの面間隔を示している。
次に本実施例において受光手段（センサ）4,5面上に
おける入射光束1081,1082,1083の入射位置及びスポット
径について説明する。
おける入射光束1081,1082,1083の入射位置及びスポット
径について説明する。
今、第18図において便宜上マスク２とウエハ３とが紙
面と平行方向にδだけ位置ずれ量があるとする。この
時、センサ4,5上に形成される光スポット1081,1082,108
3は各々マスク２上のFZP61の光軸（パターン軸）1111、
FZP1062のパターン軸1112、FZP1063のパターン軸1113の
位置から各々距離y1,y2,y3の位置に出来るとする。尚、
1121,1122,1123は各々ウエハ上のFZP1071,1072,1073の
パターン軸を示す。光軸1111と1121、光軸1112と1122、
光軸1113と1123は各々δ＝０のときｘ座標が一致する。
面と平行方向にδだけ位置ずれ量があるとする。この
時、センサ4,5上に形成される光スポット1081,1082,108
3は各々マスク２上のFZP61の光軸（パターン軸）1111、
FZP1062のパターン軸1112、FZP1063のパターン軸1113の
位置から各々距離y1,y2,y3の位置に出来るとする。尚、
1121,1122,1123は各々ウエハ上のFZP1071,1072,1073の
パターン軸を示す。光軸1111と1121、光軸1112と1122、
光軸1113と1123は各々δ＝０のときｘ座標が一致する。
スポット1081,1082はマスクとウエハ間隔が間隔gAAの
時に最小スポットがセンサ５上に出来る様にマスクとウ
エハ上のFZP1061,1071,1062,1072のパワーが設定されて
いる。又、スポット1083はマスクとウエハ間隔が間隔g
AFの時センサ４上のスポット径が最小になる様に設定さ
れている。従って、第19図に示す様にマスクとウエハの
パターン光軸ずれが距離δ′、マスクとウエハの間隔が
間隔gAA時、FZP1061と1071の組合せの検出系Ａによる回
折スポット1081′は最小スポット、FZP1062,1072の組合
せの検出系Ｂによる回折スポット1082′も最小スポット
となりFZP1063,1073の組合せの検出系Ｃによる回折スポ
ット1083′は第19図（Ｃ）に示す様にセンサ４よりも遠
くに結像する様な拡がりの大きいスポットとなる。
時に最小スポットがセンサ５上に出来る様にマスクとウ
エハ上のFZP1061,1071,1062,1072のパワーが設定されて
いる。又、スポット1083はマスクとウエハ間隔が間隔g
AFの時センサ４上のスポット径が最小になる様に設定さ
れている。従って、第19図に示す様にマスクとウエハの
パターン光軸ずれが距離δ′、マスクとウエハの間隔が
間隔gAA時、FZP1061と1071の組合せの検出系Ａによる回
折スポット1081′は最小スポット、FZP1062,1072の組合
せの検出系Ｂによる回折スポット1082′も最小スポット
となりFZP1063,1073の組合せの検出系Ｃによる回折スポ
ット1083′は第19図（Ｃ）に示す様にセンサ４よりも遠
くに結像する様な拡がりの大きいスポットとなる。
今、第18図においてFZP1061,1062,1063の１次回折光
の焦点距離を各々ｆ″M1,f″M2,f″M3とする。
の焦点距離を各々ｆ″M1,f″M2,f″M3とする。
又、マスク２とラインセンサ4,5との面間隔をL0とす
ると、第18図において距離y1,y2,y3は各々 の関係が成り立つ。
ると、第18図において距離y1,y2,y3は各々 の関係が成り立つ。
又、第19図においては、同様の考えでマスク２とウエ
ハ３がδ′だけ位置ずれしているとしたとき光束のスポ
ット1081′,1082′,1083′の重心位置のパターン軸11
11,1112,1113からの距離y1′,y2′,y3′は となる。
ハ３がδ′だけ位置ずれしているとしたとき光束のスポ
ット1081′,1082′,1083′の重心位置のパターン軸11
11,1112,1113からの距離y1′,y2′,y3′は となる。
この時、マスクとウエハ３上のFZPは、例えば第20図
に示す様なパターンであり、ウエハ３上のパターンは所
謂スクライブライン上に設けられている。FZP1061と107
1、FZP1062と1072、FZP1063と1073の各FZPによる回折効
果により、マスク２とウエハ３間のギャップが変わると
センサ4,5面上の各スポットの径はマスク２とウエハ３
上のFZPの焦点距離により結像関係が決まるため変化す
る。このときの変化の状態の一例を第21図に示す。第21
図はセンサ4,5上の光スポットの半値幅を示す。第22図
に例えばFZP1061と1071のパターンの組合せの検出系Ａ
により出来る回折スポットの径の変化と半値幅φAAの関
係を示す。この場合、間隔がAAの時の間隔となったとき
（第19図（Ａ）図参照）スポットが最小となる様に設定
されており、それより大きい間隔gbや間隔gAFのときは
半値幅φ1,φAFが徐々に大きくなる。FZP1062,1072のパ
ターン組合せの検出系Ｂにより回折されるスポットのセ
ンサ５上の半値幅及びFZP1063,1073のパターンの組合せ
の検出系Ｃにより回折されるスポットのセンサ４上の半
値幅は第21図に示す様に設定されている。
に示す様なパターンであり、ウエハ３上のパターンは所
謂スクライブライン上に設けられている。FZP1061と107
1、FZP1062と1072、FZP1063と1073の各FZPによる回折効
果により、マスク２とウエハ３間のギャップが変わると
センサ4,5面上の各スポットの径はマスク２とウエハ３
上のFZPの焦点距離により結像関係が決まるため変化す
る。このときの変化の状態の一例を第21図に示す。第21
図はセンサ4,5上の光スポットの半値幅を示す。第22図
に例えばFZP1061と1071のパターンの組合せの検出系Ａ
により出来る回折スポットの径の変化と半値幅φAAの関
係を示す。この場合、間隔がAAの時の間隔となったとき
（第19図（Ａ）図参照）スポットが最小となる様に設定
されており、それより大きい間隔gbや間隔gAFのときは
半値幅φ1,φAFが徐々に大きくなる。FZP1062,1072のパ
ターン組合せの検出系Ｂにより回折されるスポットのセ
ンサ５上の半値幅及びFZP1063,1073のパターンの組合せ
の検出系Ｃにより回折されるスポットのセンサ４上の半
値幅は第21図に示す様に設定されている。
この時、第18図に対応したマスクとウエハの間隔gAF
の時のセンサ５とセンサ４上のスポットの状況を第23図
（Ａ）に示す。スポット1081,1082,108のうちスポット1
081と1082間隔のアライメント検知方向（例えば重心位
置の相互距離）が第１図の実施例と同様にマスクとウエ
ハの面内ズレ（アライメント）の情報を与え、スポット
1082と1083のスポットの大きさ（例えばピーク値に対す
る半値を与える幅）がマスクとウエハの面間隔の情報を
与える。次にこの事を更に具体的に数字をあげて示す。
の時のセンサ５とセンサ４上のスポットの状況を第23図
（Ａ）に示す。スポット1081,1082,108のうちスポット1
081と1082間隔のアライメント検知方向（例えば重心位
置の相互距離）が第１図の実施例と同様にマスクとウエ
ハの面内ズレ（アライメント）の情報を与え、スポット
1082と1083のスポットの大きさ（例えばピーク値に対す
る半値を与える幅）がマスクとウエハの面間隔の情報を
与える。次にこの事を更に具体的に数字をあげて示す。
今、L0＝18345.94μｍ、gAF＝71.5μｍ、gAA＝30μｍ
とし、FZP1061と1071のパターンの組合せによる回折は
間隔がgAAの時センサ上に最小スポットを結ぶ様にし、
しかもマスクとウエハのずれδ′に対しセンサ面上のス
ポットの移動量y1′が100倍とする。
とし、FZP1061と1071のパターンの組合せによる回折は
間隔がgAAの時センサ上に最小スポットを結ぶ様にし、
しかもマスクとウエハのずれδ′に対しセンサ面上のス
ポットの移動量y1′が100倍とする。
FZP1062と1072のパターンの組合せによる回折は同様
に間隔がgAAの時にセンサ面上のスポットが最小となる
ように設定されている。マスクとウエハの位置ずれ量に
対するセンサ上のスポットの移動量は100倍となってい
る。
に間隔がgAAの時にセンサ面上のスポットが最小となる
ように設定されている。マスクとウエハの位置ずれ量に
対するセンサ上のスポットの移動量は100倍となってい
る。
FZP1063,1073のパターンの組合せの検出系Ｃによる回
折は間隔がgAFの時にセンサ面上のスポットが最小にな
るようにしてある。この時 より ｆ″M1＝211.94μｍ より ｆ″M2＝155.62μｍ より ｆ″M3＝114.53μｍ である。間隔と距離y1,y2,y3,y1′,y2′,y3′の関係
は、ずれ量δ＝δ′＝２μｍとした時 となる。
折は間隔がgAFの時にセンサ面上のスポットが最小にな
るようにしてある。この時 より ｆ″M1＝211.94μｍ より ｆ″M2＝155.62μｍ より ｆ″M3＝114.53μｍ である。間隔と距離y1,y2,y3,y1′,y2′,y3′の関係
は、ずれ量δ＝δ′＝２μｍとした時 となる。
スポット1081′と1082′の間隔の変化によりマスク２
とウエハ３の面内ズレ（アライメントずれ）がわかり、
上の値が示す様に、マスクとウエハのずれが２μｍあれ
ばスポット1081′と1082′の光スポット間隔はセンサ上
で400μｍ変化する（距離y1′とy2′の値に注意）マス
クとウエハの間隔はセンサ面上のスポット1082及び1083
の間隔ではなく第21図に示した様なスポット1082と1083
の大きさを計測する事により求める。実際にはラインセ
ンサ4,5の上に第23図（Ｂ）に示す様にセンサの各画素
の出力信号がビット単位で得られるため、これらのｉ番
目のビットの出力をIiとして、ラインセンサのビットサ
イズをｌとすると例えばスポット位置を重心で代表させ
る場合、重心位置Ｍは となる。ここに i1はスポット分布を与えるビットの最小番地のナンバ
ー、 ifはスポット分布を与えるビットの最大番地のナンバ
ー、 で与えられる。こうして求めたスポット1081,1082,1083
の重心位置をそれぞれM1,M2,M3として、その一例を第23
図（Ｂ）に示す。
とウエハ３の面内ズレ（アライメントずれ）がわかり、
上の値が示す様に、マスクとウエハのずれが２μｍあれ
ばスポット1081′と1082′の光スポット間隔はセンサ上
で400μｍ変化する（距離y1′とy2′の値に注意）マス
クとウエハの間隔はセンサ面上のスポット1082及び1083
の間隔ではなく第21図に示した様なスポット1082と1083
の大きさを計測する事により求める。実際にはラインセ
ンサ4,5の上に第23図（Ｂ）に示す様にセンサの各画素
の出力信号がビット単位で得られるため、これらのｉ番
目のビットの出力をIiとして、ラインセンサのビットサ
イズをｌとすると例えばスポット位置を重心で代表させ
る場合、重心位置Ｍは となる。ここに i1はスポット分布を与えるビットの最小番地のナンバ
ー、 ifはスポット分布を与えるビットの最大番地のナンバ
ー、 で与えられる。こうして求めたスポット1081,1082,1083
の重心位置をそれぞれM1,M2,M3として、その一例を第23
図（Ｂ）に示す。
次にスポット1082の半値幅の算出例について示す。通
常スポットはレンズでいう所謂エアリーパターン状の強
度分布をもつためこの分布に近い強度をもつと見倣し
た。例えば多項式の函数形を、ラインセンサの最大出力
ビットの前後数ビットに対して適用すればセンサ面上の
空間的に連続的な出力分布の場合の最大値が、数ビット
の実測出力値より得られる。この最大値をImaxとする
と、この半分つまりImax/2になるセンサ上の空間値を、
とびとびの出力から求めてやる。この場合も、スポット
分布の形状を多項式の函数近似で与えてやり、Imax/2に
なるときのセンサ上の値を計算により求めてやるとセン
サビットサイズの1/10〜1/30の精度で光スポット1082の
半値幅が求まる。
常スポットはレンズでいう所謂エアリーパターン状の強
度分布をもつためこの分布に近い強度をもつと見倣し
た。例えば多項式の函数形を、ラインセンサの最大出力
ビットの前後数ビットに対して適用すればセンサ面上の
空間的に連続的な出力分布の場合の最大値が、数ビット
の実測出力値より得られる。この最大値をImaxとする
と、この半分つまりImax/2になるセンサ上の空間値を、
とびとびの出力から求めてやる。この場合も、スポット
分布の形状を多項式の函数近似で与えてやり、Imax/2に
なるときのセンサ上の値を計算により求めてやるとセン
サビットサイズの1/10〜1/30の精度で光スポット1082の
半値幅が求まる。
例えば、本実施例の場合、FZP1061,1062,1063,1071,1
072,1073のパターンのサイズが50μｍ×90μｍ程度であ
れば、スポット径は200μｍ〜800μｍ程度のものが得ら
れ、センサビットサイズが500μｍ×15μｍ（ビッチ）
のものであればスポットの半値幅の検出精度は１μｍが
得られる。従って第21図に示すようなスポット半値幅が
変化する特性を利用して、マスクとウエハ間の間隔はス
ポット1082の半値幅とスポット1083の半値幅を求める事
で検出する事ができる。半値幅とマスク・ウエハ間隔と
の関係は設計値より求めておくことができるが予め実測
して求めても良い。
072,1073のパターンのサイズが50μｍ×90μｍ程度であ
れば、スポット径は200μｍ〜800μｍ程度のものが得ら
れ、センサビットサイズが500μｍ×15μｍ（ビッチ）
のものであればスポットの半値幅の検出精度は１μｍが
得られる。従って第21図に示すようなスポット半値幅が
変化する特性を利用して、マスクとウエハ間の間隔はス
ポット1082の半値幅とスポット1083の半値幅を求める事
で検出する事ができる。半値幅とマスク・ウエハ間隔と
の関係は設計値より求めておくことができるが予め実測
して求めても良い。
本発明はここで示した様に、FZP1061と1072の組合せ
の検出系ＢはAAとAF両方に利用され、これにより第20図
に示す様に比較的小さいパターンエリア面でAAとAFの両
方の機能が可能となっている。更にAAの場合スポット10
81′,1082′の間隔のみがマスクとウエハのズレの情報
を与える事を利用している事から、例えばウエハが傾き
を持ったり、アライメント検出系（第17図におけるセン
サ4,5及び検出処理部９）とマスク、ウエハとの相対位
置関係が少し変動を持ったとしてもスポット1081′,108
2′のセンサ５上における変化は同じ量であり、スポッ
ト1081′と1082′の間隔自体はウエハの傾きや、検出系
とマスクとウエハとの相対位置誤差に影響をうけない安
定した検出が可能である。
の検出系ＢはAAとAF両方に利用され、これにより第20図
に示す様に比較的小さいパターンエリア面でAAとAFの両
方の機能が可能となっている。更にAAの場合スポット10
81′,1082′の間隔のみがマスクとウエハのズレの情報
を与える事を利用している事から、例えばウエハが傾き
を持ったり、アライメント検出系（第17図におけるセン
サ4,5及び検出処理部９）とマスク、ウエハとの相対位
置関係が少し変動を持ったとしてもスポット1081′,108
2′のセンサ５上における変化は同じ量であり、スポッ
ト1081′と1082′の間隔自体はウエハの傾きや、検出系
とマスクとウエハとの相対位置誤差に影響をうけない安
定した検出が可能である。
尚、第17図に示す第９実施例において、センサ4,5を
直接置かずに、センサ4,5の位置に出来る光スポットの
空中像をレンズでリレーしてそれからの光束をラインセ
ンサやエリアセンサ等に投影するという構造であっても
よい。
直接置かずに、センサ4,5の位置に出来る光スポットの
空中像をレンズでリレーしてそれからの光束をラインセ
ンサやエリアセンサ等に投影するという構造であっても
よい。
第17図の第９実施例ではマスクとウエハの位置合わせ
（AA）をマスク面上のFZPとウエハ面上のFZPとによるレ
ンズ作用が凸凹系と凹凸系とにより行い、マスクとウエ
ハとの面間隔検出（AF）を凹凸系と凹凸系とにより行っ
ている場合を示したが、これらのパワー関係は任意に設
定することができる。
（AA）をマスク面上のFZPとウエハ面上のFZPとによるレ
ンズ作用が凸凹系と凹凸系とにより行い、マスクとウエ
ハとの面間隔検出（AF）を凹凸系と凹凸系とにより行っ
ている場合を示したが、これらのパワー関係は任意に設
定することができる。
例えばAFを凹凸系と凸凹系より行っても良い。即ち本
実施例においてはマスク、ウエハ間の間隔によりスポッ
ト1082と1083に相当するスポットのサイズが変化する様
にマスクパターンとウエハパターンの焦点距離を調整し
て設定しておけば、どのような組合わせであっても適用
可能である。
実施例においてはマスク、ウエハ間の間隔によりスポッ
ト1082と1083に相当するスポットのサイズが変化する様
にマスクパターンとウエハパターンの焦点距離を調整し
て設定しておけば、どのような組合わせであっても適用
可能である。
本実施例におけるセンサ4,5はラインセンサの他に２
次元エリアセンサを用いても良い。又、３つの光スポッ
トを１つラインセンサ上に投射するようにセンサを構成
することも可能である。
次元エリアセンサを用いても良い。又、３つの光スポッ
トを１つラインセンサ上に投射するようにセンサを構成
することも可能である。
第24図，第25図は本発明の第10実施例の要部概略図で
ある。同図は第18,第19図と同様に第１物体２（マス
ク）と第２物体３（ウエハ）の間隔を変えたときの光路
を展開し、アライメント検出方向に垂直な方向から見た
ときを示している。
ある。同図は第18,第19図と同様に第１物体２（マス
ク）と第２物体３（ウエハ）の間隔を変えたときの光路
を展開し、アライメント検出方向に垂直な方向から見た
ときを示している。
尚、第24,第25図ではマスク２とウエハ３は位置合わ
せが完了されている（面内ずれがない。）場合を示して
いる。
せが完了されている（面内ずれがない。）場合を示して
いる。
本実施例ではAAを凹凸系（検出系Ａ）と凸凹系（検出
系Ｂ）で行い、このとき２つの検出系より得られた２つ
のスポットのセンサ面上の間隔変化を求めることにより
行っている。又、AFを凸凹系（検出系Ｂ）と凸凹系（検
出系Ｃ）で行い、このとき２つの検出系で得られたスポ
ットのサイズを求めることにより行っている。
系Ｂ）で行い、このとき２つの検出系より得られた２つ
のスポットのセンサ面上の間隔変化を求めることにより
行っている。又、AFを凸凹系（検出系Ｂ）と凸凹系（検
出系Ｃ）で行い、このとき２つの検出系で得られたスポ
ットのサイズを求めることにより行っている。
第24図，第25図においてAAはFZP1131とFZP1142で回折
されて生じるスポット1161′とFZP1132とFZP1142で回折
されて生じるスポット1162′との間隔を求め、第９実施
例と同様の理由でマスクとウエハの面内ずれを検出す
る。また、間隔検出はFZP1132とFZP1142で回折されて生
じるスポット1162′のスポットの大きさと、FZP1133,11
43で回折されて生じるスポット1163′のサイズを計測す
る事により、第９実施例で述べたと同じ考え方で検出す
る。
されて生じるスポット1161′とFZP1132とFZP1142で回折
されて生じるスポット1162′との間隔を求め、第９実施
例と同様の理由でマスクとウエハの面内ずれを検出す
る。また、間隔検出はFZP1132とFZP1142で回折されて生
じるスポット1162′のスポットの大きさと、FZP1133,11
43で回折されて生じるスポット1163′のサイズを計測す
る事により、第９実施例で述べたと同じ考え方で検出す
る。
以上、第9,第10実施例ではアライメント（面内ズレ）
は１次元方向のみの検出能力を持った例について示した
が、実際のマスクとウエハのアライメントは面内につい
てはx,y,θ方向の３次元のパラメータを検出してやる必
要がある。この場合には、第26図に示す様に、半導体回
路エリア20の外側に、ウエハ上ではカッティング時に利
用されるスクライブラインエリアに相当する位置に本発
明の実施例で示した例えば第20図のパターンを設けてお
く。
は１次元方向のみの検出能力を持った例について示した
が、実際のマスクとウエハのアライメントは面内につい
てはx,y,θ方向の３次元のパラメータを検出してやる必
要がある。この場合には、第26図に示す様に、半導体回
路エリア20の外側に、ウエハ上ではカッティング時に利
用されるスクライブラインエリアに相当する位置に本発
明の実施例で示した例えば第20図のパターンを設けてお
く。
第26図において1181,1182,1183,1184は各々FZPであ
る。第26図においてはマスクとウエハは近接した所謂プ
ロキシミティー方式の場合を例にとり示してある。同図
において1191,1192,1193,1194はAA,AFを行なう検出系
で、1211,1212,1213,1214はパターンに投射する光を示
している。又1221,1222,1223,1224はマスク上のFZPとウ
エハ上のFZPの組合せにより回折されて得られる信号光
束を意味し、いくつかのスポットから成っている。検出
系1191はｘ方向の１次元の面内ずれ検出能力をもち、以
下同様に検出系1192はｙ方向、検出系1193はｘ方向、検
出系1194はｙ方向のずれ検出能力を持っている。
る。第26図においてはマスクとウエハは近接した所謂プ
ロキシミティー方式の場合を例にとり示してある。同図
において1191,1192,1193,1194はAA,AFを行なう検出系
で、1211,1212,1213,1214はパターンに投射する光を示
している。又1221,1222,1223,1224はマスク上のFZPとウ
エハ上のFZPの組合せにより回折されて得られる信号光
束を意味し、いくつかのスポットから成っている。検出
系1191はｘ方向の１次元の面内ずれ検出能力をもち、以
下同様に検出系1192はｙ方向、検出系1193はｘ方向、検
出系1194はｙ方向のずれ検出能力を持っている。
これら４つの検出系で得られるずれ検出値を各々Δ
x1,Δy1,Δx2,Δy2とするとマスクとウエハの位置ずれ
を求めるには平行ずれΔX,ΔＹと回転ずれΔθを検出し
てやればよい。従ってこれらは４つの値（Δx1,Δx2,Δ
y1,Δy2）より容易に求める事ができる。
x1,Δy1,Δx2,Δy2とするとマスクとウエハの位置ずれ
を求めるには平行ずれΔX,ΔＹと回転ずれΔθを検出し
てやればよい。従ってこれらは４つの値（Δx1,Δx2,Δ
y1,Δy2）より容易に求める事ができる。
又マスクとウエハ間の間隔はFZP1181,1182,1183,1184
の近辺の４点より検出している。
の近辺の４点より検出している。
以上のように第9,第10実施例においてはマスクとウエ
ハの３次元的な位置ずれとこれに基づく位置決め制御を
高精度に行うのを容易にしている。
ハの３次元的な位置ずれとこれに基づく位置決め制御を
高精度に行うのを容易にしている。
第27図は本発明の第11実施例の要部斜視図である。本
実施例ではマスクとウエハ間の間隔を検出する為の２つ
のスポットを発生するマスクとウエハからの回折パター
ンのうち１組はウエハの０次正反射を利用しており、従
ってウエハ面上のパターンはなくてもよい場合の一実施
例である。
実施例ではマスクとウエハ間の間隔を検出する為の２つ
のスポットを発生するマスクとウエハからの回折パター
ンのうち１組はウエハの０次正反射を利用しており、従
ってウエハ面上のパターンはなくてもよい場合の一実施
例である。
第27図において1231,1232,1233はマスク上のFZPであ
る。第28図は第27図のアライメント検出方向に垂直で、
かつマスクとウエハに平行な方向でみた回折の状況をウ
エハの反射回折と等価な透過回折波面で示している。
る。第28図は第27図のアライメント検出方向に垂直で、
かつマスクとウエハに平行な方向でみた回折の状況をウ
エハの反射回折と等価な透過回折波面で示している。
本実施例はFZP1243のパターンはマスク面上にあり、F
ZP1231と1241のパターンの組合せの検出系Ａにより回折
されて得られるスポット1271と、FZP1232と1242のパタ
ーン組合せの検出系Ｂにより回折されて得られるスポッ
ト1272との間隔を求める事によりマスク−ウエハの面内
ズレ（アライメントズレ）を検出し、FZP1232と1242の
パターン組合せの検出系Ｂにより回折されて得られるセ
ンサ５上のスポット1272のサイズとFZP1233と1243のパ
ターン組合せの検出系Ｃにより回折されて得られるセン
サ４上のスポット1273のサイズを検出する事によりマス
クとウエハの面間隔（ギャップ）を検出している。
ZP1231と1241のパターンの組合せの検出系Ａにより回折
されて得られるスポット1271と、FZP1232と1242のパタ
ーン組合せの検出系Ｂにより回折されて得られるスポッ
ト1272との間隔を求める事によりマスク−ウエハの面内
ズレ（アライメントズレ）を検出し、FZP1232と1242の
パターン組合せの検出系Ｂにより回折されて得られるセ
ンサ５上のスポット1272のサイズとFZP1233と1243のパ
ターン組合せの検出系Ｃにより回折されて得られるセン
サ４上のスポット1273のサイズを検出する事によりマス
クとウエハの面間隔（ギャップ）を検出している。
この他の光学的作用については第９実施例と同様であ
る。
る。
本実施例ではマスク面上に設けたFZP1233と1243を用
いることによりウエハ面上のパターンエリアは小さくて
すむという特長と有している。
いることによりウエハ面上のパターンエリアは小さくて
すむという特長と有している。
第28図（Ｃ）に示す様にFZP1233と1243の面間隔は２
×gAFとなっており、これを考慮してFZP1233,1243のパ
ターンの焦点距離と結像関係を設定している。
×gAFとなっており、これを考慮してFZP1233,1243のパ
ターンの焦点距離と結像関係を設定している。
尚、第28図に示したのはマスクとウエハの面内ズレが
Δだけあるとし、この時マスク上のFZPパターン1231,12
32,1233の光軸からの各々1,2,３の位置にスポッ
トの中心（厳密には主光線）が生じるとした時、 の関係が成り立つ。
Δだけあるとし、この時マスク上のFZPパターン1231,12
32,1233の光軸からの各々1,2,３の位置にスポッ
トの中心（厳密には主光線）が生じるとした時、 の関係が成り立つ。
，，の式の関係に基づきFZP1231と1241のパタ
ーン組合せ（凹凸系のパワーの組合せ）により生じるス
ポット1271とFZP1232と1242のパターン組合せ（凸凹系
のパワーの組合せ）により生じるスポット1272の間隔を
求め、これによりマスクとウエハの面内ズレを検出して
いる。
ーン組合せ（凹凸系のパワーの組合せ）により生じるス
ポット1271とFZP1232と1242のパターン組合せ（凸凹系
のパワーの組合せ）により生じるスポット1272の間隔を
求め、これによりマスクとウエハの面内ズレを検出して
いる。
尚、FZP1231,1232,1233,1241,1242,1243のパターンは
いずれもアライメント検知方向のみにレンズ作用をもた
せてあるが２次元方向にレンズ作用をもたせて、そして
ラインセンサの代わりにエリアセンサを用いてスポット
の挙動を検出しても良い。尚、各パターンの組合せによ
り発生するセンサ面上のスポットの半値幅の状況は第21
図に示したと同様にAAに用いるFZP1231と1241のパター
ン組合せにより生じるスポットとFZP1232と1242のパタ
ーンにより生じるスポットは間隔gAAの時に最小となる
様に設定し、FZP1233と1243のパターンにより生じるス
ポットは間隔gAFの時に最小となる様に設定してある。
いずれもアライメント検知方向のみにレンズ作用をもた
せてあるが２次元方向にレンズ作用をもたせて、そして
ラインセンサの代わりにエリアセンサを用いてスポット
の挙動を検出しても良い。尚、各パターンの組合せによ
り発生するセンサ面上のスポットの半値幅の状況は第21
図に示したと同様にAAに用いるFZP1231と1241のパター
ン組合せにより生じるスポットとFZP1232と1242のパタ
ーンにより生じるスポットは間隔gAAの時に最小となる
様に設定し、FZP1233と1243のパターンにより生じるス
ポットは間隔gAFの時に最小となる様に設定してある。
マスクとウエハ間の間隔に応じて、センサ4,5上の回
折光スポット径がどのように変化するかは種々の変形
（バリエーション）が考えられる。そのうちの一実施例
を第29図に示す。例えばマスク、ウエハのパターンの組
合せを検出系A,B,Cの３組設定している時、検出系Ａと
ＢでAA、検出系ＢとＣでAF（ギャップ計測）をする場
合、この時第29図に示す様に検出系Ａは凸凹系、または
凹凸系のパワー組合せで、最小スポット時の間隔はgAA
−α、検出系Ｂは凹凸系、または凸凹系のパワー組合せ
で最小スポット時の間隔はgAA＋α、検出系Ｃは凸凹系
でも凹凸系でもどちらでもよく、この時最小スポット時
の間隔はgAFとする事もできる。この時、AAをする時の
間隔をgAAとする。尚、αはAA時のスポットが大幅にぼ
けない程度の量であればよい。
折光スポット径がどのように変化するかは種々の変形
（バリエーション）が考えられる。そのうちの一実施例
を第29図に示す。例えばマスク、ウエハのパターンの組
合せを検出系A,B,Cの３組設定している時、検出系Ａと
ＢでAA、検出系ＢとＣでAF（ギャップ計測）をする場
合、この時第29図に示す様に検出系Ａは凸凹系、または
凹凸系のパワー組合せで、最小スポット時の間隔はgAA
−α、検出系Ｂは凹凸系、または凸凹系のパワー組合せ
で最小スポット時の間隔はgAA＋α、検出系Ｃは凸凹系
でも凹凸系でもどちらでもよく、この時最小スポット時
の間隔はgAFとする事もできる。この時、AAをする時の
間隔をgAAとする。尚、αはAA時のスポットが大幅にぼ
けない程度の量であればよい。
この時は間隔の値によって検出系A,B,Cの３つのパタ
ーン組合せにより出来た３つのスポットのボケ量（スポ
ットサイズ）から間隔の値を計測でき、より一層厳密な
マスクとウエハ間の間隔を検出することができる。
ーン組合せにより出来た３つのスポットのボケ量（スポ
ットサイズ）から間隔の値を計測でき、より一層厳密な
マスクとウエハ間の間隔を検出することができる。
更にまた、マスクとウエハ面上のパターンが２組の場
合にそれらを検出系A,Bとする時、マスクとウエハ間の
間隔センサ面上のスポット径の変化が第30図の第12実施
例で示す様になるように設定し、その時検出系Ａは凸凹
系、または凹凸系のパワーの組合せで、最小スポット時
の間隔は2gAA−2gAF近傍、検出系Ｂは凹凸系、または凸
凹系のパワーの組合せで最小スポット時の間隔はgAFと
しておく。検出系Ａのパターン組により出来るセンサ上
のスポットと、検出系Ｂのパターン組により出来るセン
サ上のスポット上の間隔から、マスクとウエハの面内ズ
レ（アライメントズレ）を、検出系Ａのパターン組によ
り出来るセンサ上のスポットの大きさと検出系Ｂのパタ
ーン組により出来るセンサ上のスポットのサイズ（大き
さ）とからマスクとウエハの間隔を検出している。この
ように２本の光束で面内ずれと間隔の双方を検出するこ
とも可能である。
合にそれらを検出系A,Bとする時、マスクとウエハ間の
間隔センサ面上のスポット径の変化が第30図の第12実施
例で示す様になるように設定し、その時検出系Ａは凸凹
系、または凹凸系のパワーの組合せで、最小スポット時
の間隔は2gAA−2gAF近傍、検出系Ｂは凹凸系、または凸
凹系のパワーの組合せで最小スポット時の間隔はgAFと
しておく。検出系Ａのパターン組により出来るセンサ上
のスポットと、検出系Ｂのパターン組により出来るセン
サ上のスポット上の間隔から、マスクとウエハの面内ズ
レ（アライメントズレ）を、検出系Ａのパターン組によ
り出来るセンサ上のスポットの大きさと検出系Ｂのパタ
ーン組により出来るセンサ上のスポットのサイズ（大き
さ）とからマスクとウエハの間隔を検出している。この
ように２本の光束で面内ずれと間隔の双方を検出するこ
とも可能である。
又、マスクとウエハ上のパターンエリアの設定は第20
図に示した例以外に種々の分割の仕方が適用可能であ
る。第31図はその一例である。同図においてFZP1281と1
291パターン組、FZP1282と1292のパターン組、FZP1283
と1293のパターン組がそれぞれスポットを発生する検出
系になっている。
図に示した例以外に種々の分割の仕方が適用可能であ
る。第31図はその一例である。同図においてFZP1281と1
291パターン組、FZP1282と1292のパターン組、FZP1283
と1293のパターン組がそれぞれスポットを発生する検出
系になっている。
以上の各実施例は、主ににＸ線ステッパーのようなマ
スクとウエハが近接してアライメントされる例について
示したが、本発明はこのようなものに限られるものでは
なく、紫外光やエキシマレーザーを用いたステッパー、
或いはミラーを使用した縮小結像型露光機への適用も可
能である。
スクとウエハが近接してアライメントされる例について
示したが、本発明はこのようなものに限られるものでは
なく、紫外光やエキシマレーザーを用いたステッパー、
或いはミラーを使用した縮小結像型露光機への適用も可
能である。
第32図は紫外光やエキシマレーザーを用いたステッパ
ーに本発明を適用した第13実施例の概略図である。同図
において150はパターン照射光、1351,1352,1353は各々
レチクル151上のアライメント及びAF用のパターン、130
はレチクル151とウエハ131を共役関係とする結像レンズ
である。本実施例ではウエハ131上のアライメントパタ
ーン1321,1322,1323からの回折光1361,1362,1363は結像
レンズ130を経てセンサ137に至り得られたスポット13
31,1332,1333の間隔や、スポットサイズが処理系134で
検出される。これによりレチクル151とウエハの面内方
向ズレ（アライメント）と結像レンズ130の光軸方向の
ズレが検出される。この時結像レンズ130に用いる光150
に対して色収差があれば、この事を考慮してFZP1351,13
52,1353のパターン及びウエハ面上のFZP1321,1322,1323
のパターンを設定している。
ーに本発明を適用した第13実施例の概略図である。同図
において150はパターン照射光、1351,1352,1353は各々
レチクル151上のアライメント及びAF用のパターン、130
はレチクル151とウエハ131を共役関係とする結像レンズ
である。本実施例ではウエハ131上のアライメントパタ
ーン1321,1322,1323からの回折光1361,1362,1363は結像
レンズ130を経てセンサ137に至り得られたスポット13
31,1332,1333の間隔や、スポットサイズが処理系134で
検出される。これによりレチクル151とウエハの面内方
向ズレ（アライメント）と結像レンズ130の光軸方向の
ズレが検出される。この時結像レンズ130に用いる光150
に対して色収差があれば、この事を考慮してFZP1351,13
52,1353のパターン及びウエハ面上のFZP1321,1322,1323
のパターンを設定している。
第33図は本発明をミラーを利用した縮少型のステッパ
ーに適用したときの第14実施例の概略図である。同図に
おいてはレチクル138面上のパターン143とウエハ142面
上のパターン144により、これまで述べた実施例の方法
を適用しラインセンサ、又はエリアセンサ146上のスポ
ット1491,1492,1493の間隔及びサイズを求めて、レチク
ル138とウエハ142の面内ズレとミラー139,140,141が構
成する光軸方向のずれを検出している。
ーに適用したときの第14実施例の概略図である。同図に
おいてはレチクル138面上のパターン143とウエハ142面
上のパターン144により、これまで述べた実施例の方法
を適用しラインセンサ、又はエリアセンサ146上のスポ
ット1491,1492,1493の間隔及びサイズを求めて、レチク
ル138とウエハ142の面内ズレとミラー139,140,141が構
成する光軸方向のずれを検出している。
尚、第32図，第33図に示す実施例においてセンサ面上
にセンサを置かずにこの面にリレーレンズを配置し、そ
の結像面にセンサを配置しても良い。
にセンサを置かずにこの面にリレーレンズを配置し、そ
の結像面にセンサを配置しても良い。
第34図は第17図の第９実施例の変形例である。本実施
例は第18図の（Ａ）と（Ｂ）に示すパターンの組合せ、
FZP1061と1071、FZP1062と1072をそのまま用い、第17図
の実施例と同様の原理でアライメントずれを求めてい
る。
例は第18図の（Ａ）と（Ｂ）に示すパターンの組合せ、
FZP1061と1071、FZP1062と1072をそのまま用い、第17図
の実施例と同様の原理でアライメントずれを求めてい
る。
本実施例ではスポット1082単独のセンサ４上でのスポ
ット径によりマスク・ウエハ間の間隔を求めている。パ
ターンの組合せFZP1062と1072によるマスク・ウエハ間
隔とセンサ面上スポット径との関係は第21図に示したよ
うになり、この関係を予め求めておくことによりスポッ
ト径からマスク・ウエハ間隔が求められる。
ット径によりマスク・ウエハ間の間隔を求めている。パ
ターンの組合せFZP1062と1072によるマスク・ウエハ間
隔とセンサ面上スポット径との関係は第21図に示したよ
うになり、この関係を予め求めておくことによりスポッ
ト径からマスク・ウエハ間隔が求められる。
第35図は第17図の第９実施例の他の変形例である。本
実施例は第18図の（Ｂ）と（Ｃ）に示したパターンの組
合せ、FZP1062と1072、FP1063と1073をそのまま用い、
第17図の実施例と同様の原理で間隔検出を行なってい
る。
実施例は第18図の（Ｂ）と（Ｃ）に示したパターンの組
合せ、FZP1062と1072、FP1063と1073をそのまま用い、
第17図の実施例と同様の原理で間隔検出を行なってい
る。
本実施例ではスポット1082のセンサ４上での位置によ
りマスク・ウエハ間のアライメントずれを求めている。
アライメントずれの検出の仕方について説明する。マス
クを装置に設定した時に、ためし焼等によりマスクとウ
エハに位置ずれがなく、かつ適正間隔gAAに設定された
時のスポット1082の位置を基準位置として求め、又この
時の間隔gAAを例えば基準位置として求め、又この時の
間隔gAAを例えば他の周知の間隔測定装置によって求め
ておく。
りマスク・ウエハ間のアライメントずれを求めている。
アライメントずれの検出の仕方について説明する。マス
クを装置に設定した時に、ためし焼等によりマスクとウ
エハに位置ずれがなく、かつ適正間隔gAAに設定された
時のスポット1082の位置を基準位置として求め、又この
時の間隔gAAを例えば基準位置として求め、又この時の
間隔gAAを例えば他の周知の間隔測定装置によって求め
ておく。
次に位置検出時にはまず前述原理によって間隔を求
め、これを補正して適正間隔にする。この時点でのスポ
ット1082の基準位置からのずれをy2として求める。L0、
ｆ″M2の値は予め分かっているので前述の式により
ずれδ′が求められることになる。
め、これを補正して適正間隔にする。この時点でのスポ
ット1082の基準位置からのずれをy2として求める。L0、
ｆ″M2の値は予め分かっているので前述の式により
ずれδ′が求められることになる。
（発明の効果） 本発明によれば第１物体と第２物体との相対的な位置
ずれ量及び面間隔を検出する際、前述の如く第１物体面
上と第２物体面上に複数の物理光学素子を一部を共有す
るようにして設け、これらの物理光学素子からの１次又
は２次以上の所定次数の回折光を利用することにより、 （イ）位置ずれ検出と面間隔検出に使用される物理光学
素子を一部共有している為、パターン設定の面積が小さ
い。
ずれ量及び面間隔を検出する際、前述の如く第１物体面
上と第２物体面上に複数の物理光学素子を一部を共有す
るようにして設け、これらの物理光学素子からの１次又
は２次以上の所定次数の回折光を利用することにより、 （イ）位置ずれ検出と面間隔検出に使用される物理光学
素子を一部共有している為、パターン設定の面積が小さ
い。
（ロ）１つの光束で位置ずれと面間隔の検出が出来るの
で装置全体の小型が容易となる。
で装置全体の小型が容易となる。
（ハ）第２物体（ウエハ）の傾きや検出系のセッティン
グ誤差や変動に対して誤差がなく高精度な検出が可能と
なる。
グ誤差や変動に対して誤差がなく高精度な検出が可能と
なる。
（ニ）位置ずれと面間隔が同時に検出することができ
る。
る。
等の特長を有した位置検出装置を達成することができ
る。
る。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の第１実施例の装置の原理を示す光路展
開図、第２図は同装置の要部斜視図、第３図は同実施例
におけるパターンエリアの配置を示す模式図、第４図は
同装置におけるセンサ面上のスポットの状況説明図、第
５図は同実施例におけるマスク・ウエハ上のパターン
例、第６図は本発明の第２実施例の装置の原理を示す光
路展開図、第７図は本発明の第３実施例の装置の原理を
示す光路展開図、第８図は同実施例における他のパター
ンエリア配置を示す模式図、第９図は本発明の第４実施
例の装置の要部斜視図、第10図は同装置の原理を示す光
路展開図、第11図は同実施例におけるパターンエリアの
配置を示す模式図、第12図は同実施例における他のパタ
ーンエリア配置を示す図、第13図は本発明の第５実施例
の装置の構成図、第14図は本発明の第６実施例の装置の
構成図、第15図は本発明の第７実施例の装置の原理を示
す光路展開図、第16図は本発明の第８実施例の装置の原
理を示す光路展開図、第17図は本発明の第９実施例の装
置の要部斜視図、第18〜19図は同装置の原理を示す光路
展開図、第20図は同実施例におけるマスク・ウエハ上の
パターン例、第21〜22図は同実施例におけるマスク、ウ
エハ間隔とスポット径との関係を示す図、第23図
（Ａ），（Ｂ）は同装置のスポット検出原理を示す説明
図、、第24〜25図は本発明の第10実施例の装置の原理を
示す光路展開図、第26図は第９、10実施例の装置の外観
概略図、第27図は本発明の第11実施例の装置の要部斜視
図、第28図は同装置の原理を示す光路展開図、第29図は
同実施例におけるマスク、ウエハ間隔とスポット径との
関係の他の例を示す図、第30図は本発明の第12実施例に
おけるマスク、ウエハ間隔とスポット径との関係を示す
図、第31図は第9,10,11実施例における他のパターンエ
リア配置を示す図、第32図は本発明の第13実施例の装置
の構成図、第33図は本発明第の14実施例の装置の構成
図、第34〜35図はそれぞれ第17図の第９実施例の変形例
の光路展開図、第36〜第38図は従来の位置検出装置の概
略図である。 図中、１は光束、２は第１物体（マスク）、３は第２物
体（ウエハ）,4,5は各々受光手段（センサ）,61,62,63,
71,72,73は物理光学素子、81,82,83は光スポット、９は
信号処理回路（CPU）である。
開図、第２図は同装置の要部斜視図、第３図は同実施例
におけるパターンエリアの配置を示す模式図、第４図は
同装置におけるセンサ面上のスポットの状況説明図、第
５図は同実施例におけるマスク・ウエハ上のパターン
例、第６図は本発明の第２実施例の装置の原理を示す光
路展開図、第７図は本発明の第３実施例の装置の原理を
示す光路展開図、第８図は同実施例における他のパター
ンエリア配置を示す模式図、第９図は本発明の第４実施
例の装置の要部斜視図、第10図は同装置の原理を示す光
路展開図、第11図は同実施例におけるパターンエリアの
配置を示す模式図、第12図は同実施例における他のパタ
ーンエリア配置を示す図、第13図は本発明の第５実施例
の装置の構成図、第14図は本発明の第６実施例の装置の
構成図、第15図は本発明の第７実施例の装置の原理を示
す光路展開図、第16図は本発明の第８実施例の装置の原
理を示す光路展開図、第17図は本発明の第９実施例の装
置の要部斜視図、第18〜19図は同装置の原理を示す光路
展開図、第20図は同実施例におけるマスク・ウエハ上の
パターン例、第21〜22図は同実施例におけるマスク、ウ
エハ間隔とスポット径との関係を示す図、第23図
（Ａ），（Ｂ）は同装置のスポット検出原理を示す説明
図、、第24〜25図は本発明の第10実施例の装置の原理を
示す光路展開図、第26図は第９、10実施例の装置の外観
概略図、第27図は本発明の第11実施例の装置の要部斜視
図、第28図は同装置の原理を示す光路展開図、第29図は
同実施例におけるマスク、ウエハ間隔とスポット径との
関係の他の例を示す図、第30図は本発明の第12実施例に
おけるマスク、ウエハ間隔とスポット径との関係を示す
図、第31図は第9,10,11実施例における他のパターンエ
リア配置を示す図、第32図は本発明の第13実施例の装置
の構成図、第33図は本発明第の14実施例の装置の構成
図、第34〜35図はそれぞれ第17図の第９実施例の変形例
の光路展開図、第36〜第38図は従来の位置検出装置の概
略図である。 図中、１は光束、２は第１物体（マスク）、３は第２物
体（ウエハ）,4,5は各々受光手段（センサ）,61,62,63,
71,72,73は物理光学素子、81,82,83は光スポット、９は
信号処理回路（CPU）である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−74803（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−184001（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−69603（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−188920（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−174707（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−74810（ＪＰ，Ａ)
Claims (6)
- 【請求項１】第１物体と第２物体を対向させて配置し、
該第１物体と第２物体の相対的位置関係を検出する際、
該第１物体と第２物体に各々光束を照射する光源手段
と、該第１物体若しくは第２物体からの２光束であっ
て、該第１物体と第２物体の対向方向に垂直方向に沿っ
た相対的位置関係に応じて所定面内への入射位置の相対
関係が変化する２光束を検出する光検出手段と、該光検
出手段からの出力信号を用いて該第１物体と第２物体の
対向方向に垂直方向の相対的位置関係を検出する位置検
出手段と、該光検出手段によって検出された２光束のう
ち少なくとも一方の光束に基づく信号を用いて該第１物
体と第２物体の対向方向の相対的位置関係を検出する間
隔検出手段とを有していることを特徴とする位置検出装
置。 - 【請求項２】前記間隔検出手段は前記第１物体若しくは
第２物体からの２光束のうち一方の光束と該第１物体若
しくは第２物体からの該２光束とは異った他の１つの光
束との所定内面における間隔を検出し、該検出信号を利
用して該第１物体と第２物体との対向方向の相対的位置
関係を検出していることを特徴とする請求項１記載の位
置検出装置。 - 【請求項３】前記間隔検出手段は前記第１物体若しくは
第２物体からの２光束のうち一方の光束と該第１物体若
しくは第２物体からの該２光束とは異った他の１つの光
束の所定内面での各々の光束径を検出し、該検出信号を
利用して該第１物体と第２物体との対向方向の相対的位
置関係を検出していることを特徴とする請求項１記載の
位置検出装置。 - 【請求項４】第１物体と第２物体を対向させて配置し、
該第１物体と第２物体の相対的位置関係を検出する際、
該第１物体と第２物体に各々光束を照射する光源手段
と、該第１物体若しくは第２物体からの２光束であっ
て、該第１物体と第２物体の対向方向に沿った相対的位
置関係に応じて所定面内での所定パラメータが変化する
２光束を検出する光検出手段と、該光検出手段からの出
力信号を用いて該第１物体と第２物体の対向方向の相対
的位置関係を検出する間隔検出手段と、該光検出手段に
よって検出された２光束のうち少なくとも一方の光束に
基づく信号を用いて該第１物体と第２物体の対向方向に
垂直方向の相対的位置関係を検出する位置検出手段とを
有していることを特徴とする位置検出装置。 - 【請求項５】前記間隔検出手段は前記２光束の所定面内
での間隔を検出し、該検出信号を利用して該第１物体と
第２物体の対向方向の相対的位置関係を検出しているこ
とを特徴とする請求項４記載の位置検出装置。 - 【請求項６】前記間隔検出手段は前記２光束の所定面内
での各々の光束径を検出し、該検出信号を利用して該第
１物体と第２物体の対向方向の相対的位置関係を検出し
ていることを特徴とする請求項４記載の位置検出装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP89309094A EP0358511B1 (en) | 1988-09-09 | 1989-09-07 | Device for detecting positional relationship between two objects |
| DE68929314T DE68929314T2 (de) | 1988-09-09 | 1989-09-07 | Vorrichtung zur Detektion der Positionsrelation zwischen zwei Objekten |
| US07/804,514 US5148038A (en) | 1988-09-09 | 1991-12-10 | Device for detecting positional relationship between two objects |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22580988 | 1988-09-09 | ||
| JP22600688 | 1988-09-09 | ||
| JP63-226006 | 1988-09-09 | ||
| JP63-225809 | 1988-09-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02167416A JPH02167416A (ja) | 1990-06-27 |
| JP2581227B2 true JP2581227B2 (ja) | 1997-02-12 |
Family
ID=26526840
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1209928A Expired - Fee Related JP2581227B2 (ja) | 1988-09-09 | 1989-08-14 | 位置検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2581227B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1019669B1 (de) * | 1997-09-29 | 2002-07-24 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Vorrichtung zur erfassung der position von zwei körpern |
-
1989
- 1989-08-14 JP JP1209928A patent/JP2581227B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02167416A (ja) | 1990-06-27 |
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