JP2626078B2

JP2626078B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP2626078B2
Application number: JP1209929A
Authority: JP
Inventors: 優和真継; 直人阿部
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1989-08-14
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH02167406A

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、例えば半導体装置製造
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特に３次元的な相対位置
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。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウエハ
面上に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設
け、それらより得られる位置情報を利用して、双方のア
ライメントを行っている。このときのアライメント方法
としては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量
を画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許
第4037969号や特開昭56−157033号公報で提案されてい
るようにアライメントパターンとしてゾーンプレートを
用い該ゾーンプレートに光束を照射し、このときゾーン
プレートから射出した光束の所定面上における集光点位
置を検出すること等により行っている。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法
は、単なるアライメントパターンを用いた方法に比べて
アライメントパターンの欠損に影響されずに比較的高精
度のアライメントが出来る特長がある。

第15図はゾーンプレートを利用した従来の位置合わせ
装置の概略図である。

同図において光源72から射出した平行光束はハーフミ
ラー74を通過後、集光レンズ76で集光点78に集光された
後、マスク68面上のマスクアライメントパターン68a及
び支持台62に載置したウエハ60面上のウエハアライメン
トパターン60aを照射する。これらのアライメントパタ
ーン68a,60aは反射型のゾーンプレートより構成され、
各々集光点78を含む光軸と直交する平面上に集光点を形
成する。このときの平面上の集光点位置のずれ量を集光
レンズ76とレンズ80により検出面82上に導光して検出し
ている。

そして検出器82からの出力信号に基づいて制御回路84
により駆動回路64を駆動させてマスク68とウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。

マスク68およびウエハ60上のゾーンプレート68a,60a
は焦点距離がマスク68とウエハ60との間の所定の間隔値
に等しい量だけ異なり、一般にウエハ60上のゾーンプレ
ート60aの方が焦点距離が大きくなる。

第16図は第15図に示したマスクアライメントパターン
68aとウエハアライメントパターン60aからの光束の結像
関係を示した説明図である。

同図において集光点78から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン68aよりその一部の光束が回折し、集
光点78近傍にマスク位置を示す集光点78aを形成する。
又、その他の一部の光束はマスク68を０次透過光として
透過し、波面を変えずにウエハ60面上のウエハアライメ
ントパターン60aに入射する。このとき光束はウエハア
ライメントパターン60aにより回折された後、再びマス
ク68を０次透過光として透過し、集光点78近傍に集光し
ウエハ位置をあらわす集光点78bを形成する。同図にお
いてはウエハ60により回折された光束が集光点を形成す
る際には、マスク68は単なる素通し状態としての作用を
する。

このようにして形成されたウエハアライメントパター
ン60aによる集光点78bの位置は、ウエハ60のマスク68に
対するずれ量Δσに応じて集光点78を含む光軸と直交す
る平面に沿って該ずれ量Δσに対応した量のずれ量Δ
σ′として形成される。

同図に示す位置合わせ装置においては、相対的な位置
ずれ量を求める際にマスクとウエハ面上に設けた回折格
子、ゾーンプレート、ホログラム等の光の波動としての
性質を利用した波面変換素子、所謂物理光学素子からの
光を評価すべき所定面上に独立に結像させて各々基準と
する位置からのずれ量を求めている。

しかしながら従来の位置合わせ装置において検出器
（以下「センサー」ともいう。）に入射した光束の光量
分布は光強度分布をそのまま信号処理していた為次のよ
うな問題点があった。

（イ）センサ上に到達する本来の信号光以外の成分、例
えば位置合わせを行なう物体上で散乱された散乱光など
のバックグランド光、或は光学系の途中で発生する迷光
などの不要光（ノイズ光）まで一律に光電変換してしま
うため、不要光の影響を除去するためにはセンサ信号処
理系への負荷が大きくなりすぎてくる。

（ロ）測定レンジをカバーするためにセンサのサイズを
あまり大きくすることができない。例えばセンサ上に到
達する光束の位置を検知して位置ずれ計測する場合、位
置ずれ計測範囲を広くとるためにはセンササイズもそれ
に応じて設定する必要がある。このようにセンササイズ
が大きくなるとそれだけ到達する不要光のトータルの光
量も増し、S/N比が劣化してくる。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は前述の欠点を鑑み、不要光の影響を除去し
て、S/N比の高い信号処理が行なえ、マスク等の第１物
体とウエハ等の第２物体の相対位置関係を高精度に検出
することができる位置検出装置の提供を目的とする。

例えば本発明は検出手段の各々の検出領域の検出感度
を重み係数を用いて任意に設定可能とすることにより、
受光面上に入射する前述の不要光による悪影響を軽減
し、マスクとウエハとの２次元的又は３次元的な相対的
関係を高精度に検出することができる位置検出装置の提
供を目的としている。

（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物体との相
対位置関係を検出する位置検出装置において、前記第１
物体と前記第２物体に光束を照射する照射手段と、前記
第１物体又は前記第２物体からの光束の受光面上での入
射位置における光強度に応じた信号を出力する光検出手
段と、前記光検出手段からの受光面上の各領域に対応す
る信号を領域によって異なる重み係数を用いて調整し、
調整後の出力に基づいて前記第１物体と前記第２物体と
の相対位置関係を検出する位置検出手段とを有すること
を特徴としている。

（実施例）第１図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明を半導体素子
製造用の露光装置に適用したときの第１実施例の概略
図、第２図（Ａ）は第１図（Ａ）の光路を展開したとき
の要部概略図である。

本実施例では光源31から出射された電磁波、音波等の
波動（以下「光束」という。）をコリメーターレンズ32
で平行光束し、投射用レンズ33、ハーフミラー34を介
し、第１物体１として例えばマスク面Ｍ上のフレネルゾ
ーンプレートの一種であるグレーティングレンズ等から
成る第１物理光学素子41Mを斜方向から照射している。
ここで光源31、コリメータレンズ32、投射用レンズ33、
ハーフミラー34等は照射手段の一要素を構成している。

第１物理光学素子41Mは集光作用を有しており反射光
を第１物体１の法線方向（＋Ｚ方向）に射出させ、第１
物理光学素子41Mから所定の距離離れた第２物体２とし
ての、例えばウエハ面上に設けられているグレーティン
グレンズより成る第２物理光学素子41Wに入射させてい
る。第２物理光学素子41Wは発散作用を有しており、光
束をアライメントヘッド24方向に射出させ、集光レンズ
36により光検出手段としての検出器38の検出面上に集光
している。そして検出器38からの出力信号を後述する様
に調整し第１物体（以下マスクともいう）１と第２物体
（以下ウエハともいう）２との平面上の位置ずれ量を求
めている。尚、マスク１とウエハ２は所定の範囲のギャ
ップ値で保持されている。

本実施例では位置合わせの為、ウエハ２を動かす構成
になっているが、同様にマスクチャック移動機構を設け
マスク１を動かす構成としても良い。以下、便宜上第１
物理光学素子41Mをマスク用のグレーティングレンズ41
M、第２物理光学素子41Wをウエハ用のグレーティングレ
ンズ41W、第１物体をマスク、第２物体をウエハとい
う。

このように本実施例ではウエハ２面上のアライメント
パターンを所定の焦点距離をもったグレーティングレン
ズ（フレネルゾーンプレートの一種）より構成し、アラ
イメントヘッド24からマスク１面に斜入射したアライメ
ント用の光束をマスク１面の法線方向（−Ｚ方向）に偏
向し、所定の位置（例えばＺ＝−187.0μｍ）に集光さ
せている。

本実施例においてマスク１面上に斜入射させる角度α
は 10＜α＜80 程度が好ましい。

又、ウエハ２上のアライメントパターン41WはＺ軸に
関して非対称なパターンのオフアクシス型のグレーティ
ングレンズで、例えば焦点距離217.0μｍとなるように
設計され、マスク１面上のグレーティングレンズを透
過、回折した収束（発散）光をアライメントヘッド方向
に導光している。

このときアライメント光束はグレーティングレンズの
レンズ作用を受けアライメントヘッド24内の検出器38に
入射する。第１の実施例ではパターンの存在するスクラ
イブライン方向にアライメントする。

本実施例ではこのような配置のもとで第１物体に対
し、第２物体がΔσだけ横ずれすると光学系中のレンズ
が軸ずれを起こしたときと同様に出射光束の出射角が変
化し、検出器38面上で集光点の重心ずれを起こす。出射
角が小さなとき、マスク１とウエハ２とが平行方向にΔ
σずれており、ウエハ２からマスク１のグレーティング
レンズ41Mで回折した光束の集光点までの距離をａ、ウ
エハ２のグレーティングレンズ41Wで回折した光束の集
光点までの距離をｂとすると検出器38面上での集光点の
重心ずれ量Δδはとなる、即ち重心ずれ量Δδは（b/a＋１）倍に拡大さ
れる。

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

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは
（１）式より明らかのように比例関係となる。検出器の
分解能が0.1μｍであるとすると位置ずれ量Δσは0.001
μｍの位置分解能となる。

次に具体的に位置ずれ量の検出方法を述べる。マスク
設定時にためし焼によってマスクとウエハの位置ずれの
ないときの重心位置を基準位置として求め、位置検出時
に重心位置が基準位置からｘ方向にどれだけずれている
かを検出して前述の比例関係からマスク・ウエハの相対
ずれ量を求めている。

本実施例では後述する調整手段による信号処理を介し
て得られる位置ずれ量Δσをもとに第２物体を移動させ
て第１物体と第２物体の位置決めを高精度に行ってい
る。

尚、本実施例において光束の重心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ベクトルになる点をとっても良いし、又代表点とし
て光強度がピークとなる点の位置をとっても良い。

光源としてはH_e−N_eレーザ、半導体レーザ等のコヒー
レンシーの高い光源でも良く、又発光ダイオード（LE
D）、或はレジストが感光しなければX_eランプ、水銀灯
等のコヒーレンジの低い光源を用いても良い。

次に本実施例においてマスク１とウエハ２との間隔測
定をし垂直方向の位置合わせについてマスクレンズA²F
法を例にとり説明する。

マスクレンズA²F法は、マスク面上に入射用及び出射
用のグレーティング又はグレーティングレンズを作成し
たものを用いた方法で次のようなものである。

第３図に示すように、（マスクである）第１面の第１
パターン42_inに入射した光束47は、例えば１次で回折し
（ウエハである）第２面２の法線と所定の角度をなして
第２面２に向い、第２面２にて正反射されて第１面１の
第２パターン42_outを透過する。その際、第１面１と第
２面２の間隔に応じて第２パターン42_out上の光束透過
位置が異なる（間隔ずれd_Gで位置ずれd_M）。

第２パターン42_outは出射光束46を間隔測定用の光点
位置検出センサー39の方向に導く働きをするが、さらに
第２パターン42_out上の光束入射位置によって出射光束
の曲げ角度を変えるいわゆるレンズと同様の作用を持た
せる（焦点距離f_M）。

即ち、原理的には第４図（Ａ）のように検出器39は出
射光束46をとらえうる。ここでは第４図（Ｂ）のように
光束の曲げ角度が一様であっても良い。

即ち適当な位置に例えば一次元の光点位置検出センサ
ーを置けば光束の位置変化を検知することが出来るので
そのままでも本方式は成立するが、第３図に示すように
受光レンズ36を用いれば次のような利点を生ずる。すな
わち、物理光学的に発散気味に出射し光束径が大きくな
りがちな場合、受光レンズで集光してエネルギー密度の
高いシャープなスポットをセンサー39上に作ることがで
きることと、焦点距離f_Sの受光レンズ36の焦点の位置に
センサー39を設置すれば光束の角度のみを検知する系と
なり、受光レンズとセンサーが一体構造でレンズ光軸と
垂直方向に位置ズレしても位置ズレの影響を受けない。
但し、諸々の事情により焦点位置にセンサーを設置出来
ない場合でも位置ズレの影響が無視出来る範囲であれば
十分に実用的であるのでセンサー位置を受光レンズ焦点
位置に限定する必要はない。

又、第３図において単位間隔量に対するセンサー面の
スポットの動き量Ｓはで与えられる。

第１パターン42_inから出射した光束と第２面の法線と
のなす角をθ_１とすると間隔が基準となる間隔値より距
離d_Gだけ変化した場合のスポットの動き量Ｓはとなる。予めマスクとウエハとが基準となる間隔にある
ときの間隔値を他の間隔測定手段により測定しておき、
又この間隔におけるセンサー面39上の光束重心位置を基
準位置として求めておいて、間隔検出時にはスポットの
重心位置の基準位置からのずれをＳとして求め、これを
（２）′式に代入して距離d_Gを算出し、これを基準間隔
からのずれとして現間隔を測定している。

以上述べた原理により、マスクとウエハの間隔の絶対
量が測長できる。従って、例えばマスクがセットされて
いる状態に、ウエハが供給された場合、セットしたい所
望の間隔30μｍより大きい値100μｍにウエハが入って
きた時に、100μｍのマスク、ウエハギャップの値を高
精度に検知し、この測長値にもとづいて所望のマスクウ
エハ間隔30μｍに１回でセットすればよい。これによ
り、高速なギャップ間隔セッティングが可能となる。

次に本実施例の各要素を第１図（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）を用いて詳細に説明する。

光源、センサ等を内蔵する筺体であるアライメントピ
ックアップヘッド24から出射された光ビームは、マスク
１及びウエハ２上のマーク設定部20上へ照射され、反射
あるいは回折された光は再びアライメントピックアップ
ヘッド24へ出射される。アライメントピックアップヘッ
ドはステージ21へ取り付けられアライメント領域に応じ
て自由に２次元的に移動できるように構成されておりス
テージコントロール部22により制御される。このとき、
ステージ21はスーパーフラットベースプレート23でガイ
ドされており、ピッチング、ヨーイングは生じないよう
に設計されている。ステージコントロール部22はアライ
メント及び間隔制御開始時にステージ21を駆動させてヘ
ッド24をあらかじめ記憶されているマスク及びウエハの
評価用マーク22の照明及び検出の為の位置へ移動させ
る。尚、第１図（Ｂ），（Ｃ）はステージ21とその周辺
部を含む移動機構を模式図で示してある。

次に移動機構を詳細に説明する。第１図（Ｃ）はステ
ージ部及びステージコントローラ部の詳細図である。ア
ライメントピッグアップヘッド24はスーパーフラット面
10を持つ支持体26上のスーパーフラット面10を一定圧で
スーパーフラットベースプレート23に押しつける為のク
ランパー部27に取り付けられ、アライメント装置本体上
部にスーパーフラットベース23を介し載せられている。
クランパー部27は２次元移動ステージ21上の移動支持部
28と平行板バネ30を介しつながっている。ステージ21
は、ベース部21B、ｘ方向スライド部21X、ｙ方向スライ
ド部21Y、x,y両方向スライドをガイドするガイド部21
G、ベース部21Bに設けられスライド部21X、21Yをそれぞ
れｘ方向、ｙ方向に駆動する駆動源21MX、21MYより成
る。駆動源MX,MYの動作はヘッド24を各方向に動かして
所定位置にポジショニングするようコントローラ22によ
り制御される。各ステージの移動量はそれぞれレーザー
測長器29X,29Yにより精密に計測され、このデータがコ
ントローラ22に入力され、これに基いてコントローラ22
がヘッド24の現在位置を検出し、所定位置になる様に駆
動源MX,MYに指令信号を送る事で、ヘッド24の位置が精
密に制御されている。検出位置移動後、前述の如く横ず
れ及び間隔検出を実行し、この検出結果に基いて、ウエ
ハステージ25を横ずれ及び間隔誤差補正方向に移動させ
て、アライメント泳び間隔制御を行ない、必要があれば
前記動作を繰り返す。

アライメントピックアップヘッド24は横ずれ検知系、
間隔検知系、投光系、受光系が組み込まれており、光源
31具体的には半導体レーザから出射された光ビームはコ
リメータレンズ32、投射用レンズ33及び投射用ミラー34
を介し、評価用マーク設定部20へ投射される。マークよ
り出射された光ビームは検知用レンズ36により検知系へ
導かれ同一基板37上の同一平面上に形成された横ずれ検
知用の受光素子38及び間隔検知用の受光素子39に各々は
いり、それぞれの信号となる。尚、アライメントピック
アップヘッド24の投光、受光窓35には露光用光源からの
光が通らないようなフィルターが付けられている。

ここで受光素子38,39は第１図（Ｄ）に示すように別
々の面に設けられていて、ハーフミラーHMにより各々の
光束を導くようにしても良い。同図でレンズ36は位置ず
れ検出用光束及び間隔検出用光束が各々ハーフミラーHM
を経て受光素子38,39上で良好な強度集中（集光状態）
を生じるように共用として設定されており、これにより
全光学系の小型化を図っている。

評価用マークとしては、第５図に示すようにマスク上
に横ずれ検知用のマーク41Mと間隔測定用マーク42_in、4
2_outが隣接されて設けられている。ウエハ上にはマーク
41Mに対応する位置にマーク41Wが設けられている。

本実施例においては、投射光47は評価マーク上では平
行光になるように設計されており、投射領域の横ずれ検
知用マーク41Mと間隔測定用マーク42_inとして同時に投
射される。

横ずれ検知系はマスク面１上マーク41Mが集光作用を
もち、その集光点を検出面と共役な位置へ結像させる作
用をもつウエハマーク41Wを介し、横ずれを検出面上で
拡大し、検出を行っている。受光レンズ36はウエハマー
ク41Wによる結像点を横ずれ検知用受光素子38へリレー
するリレーレンズ系を構成している。第２図（Ａ）はこ
の系をレンズパワー配置で示したものである。

一方、間隔測定系は、前述のようなマスクレンズA²F
法を用いており、平行入射光はマスク面上間隔測定用入
射マーク42_inを通り回折され、光路を曲げられウエハ面
２（正反射面）で正反射し、マスクウエハ間隔に対応す
るマスク面上間隔測定用の出射マーク42_out上の決めら
れた領域へ投射され、間隔に対応した角度でマスク面を
出射し、間隔測定用受光素子上へ導かれ（２）式に従っ
て受光素子39上を動く検出系を構成している。

第２図（Ｂ）はこの系を横ずれ検知系と同様にレンズ
パワー配置で示したものである。

上記第２図（Ｂ）における集光レンズを第２図（Ａ）
におけるリレーレンズと共有させたものが本実施例の検
知用レンズ36である。

このとき第２図（Ｂ）において検知用レンズ36からセ
ンサ38面までの実効的距離l₂と第２図（Ｂ）のセンサ39
面までの実効的距離f_Sと同じくすることにより、センサ
38とセンサ39とを同一基板37上に設定することができ
る。

第１図（Ｅ）に示すように基板37上にセンサ38,39を
各々ｘ方向に平行になるように並列して形成した。一
方、ウエハ２面から検知用レンズ36までの距離をｌとお
くと、故に、となるように、距離ｌを設定すればよい。

本実施例では、既にｌの大きさが決まっている場合、
グレーティングレンズ41M,41Wの焦点距離で決まるbwの
値を（３）式を満たすように設定すればよい。またこれ
に伴ってマスク１とウエハ２との位置ずれ量が（１）式
に従って拡大されるようにawの値を設定すればよい。セ
ンサ38と39は同一基板上に同時に焼付処理されて製作し
ている。

横ずれ検知系の信号光束のセンサ38と間隔測定系の信
号光束のセンサ39とを、検知レンズ36の収差に応じた半
径Ｒの球面上に形成された同一基板上に配置しても良
い。アライメントピックアップヘッド内の投光光学系及
び受光光学系の構成は、第１の実施例と同様であるが、
センサ38,39をこのように配置することにより、検知レ
ンズ36の像面湾曲、歪曲収差に伴う点像の変形に起因す
るセンサ上光量重心位置計測誤差を除去することが可能
となる。

第６図（Ａ），（Ｂ）は第５図に示すYZ面に投影し
た、それぞれの光束の光路を示す図で、同図（Ａ）は横
方向位置ずれ計測用光束の光路図、同図（Ｂ）は間隔計
測用光束の光路図で不図示の光源（半導体レーザ、波長
830nm）から出射した光束はマスク１に17.5゜の角度で
斜入射したのち、位置ずれ計測用光束はウエハ２の面の
法線と略平行（或はマスク面法線と平行）になるように
マスク１上の物理光学素子41Mの回折作用を受けて進向
する。

一方、間隔測定用光束はウエハ２の面法線に対しｘ方
向側に所定角度で偏向されて進向する。

それぞれの光束はウエハ２上の物理光学素子41Wの反
射回折、反射、作用を受けた後、それぞれ異なる出射角
の光路に分離してウエハ面を出射し、センサ38,39に到
達する。物理光学素子41M,41Wはそれぞれ所定の焦点距
離を有するグレーティングレンズ素子であり、サイズは
いずれも50μｍ×180μｍで焼付露光用半導体回路パタ
ーン領域に隣接するスクライブライン上（若しくはスク
ライブラインに対応する領域上）に形成される。

次に横方向位置ずれ計測用光束と間隔測定用光束がマ
スク１、ウエハ２上の物理光学素子41M,41W,42上で受け
る回折の作用について説明する。

マスク１に斜入射した光束はグレーティングレンズ41
M、グレーティングレンズ42で透過回折の作用を受け、
０次、±１次、±２次のように回折次数の異なる種々の
光束が発生する。本実施例では例えば＋１次の透過回折
光を利用する。グレーティングレンズとしての作用は例
えば次数が正の場合、凸レンズ（集光作用）ならば、負
の場合凹レンズ（光束発散作用）となる。

上記＋１次透過光束の光路がマスク面法線と平行とな
るようにグレーティングレンズ41Mのパターンは設計さ
れている。一方グレーティングレンズ42_inは光束をｘ方
向へ偏向させる偏向素子として機能している。本実施例
ではウエハ２上のグレーティングレンズ41Wで横方向位
置ずれ計測用光束は−１次の反射、回折作用をうける。
（即ち凹レンズとしての作用を受ける）一方、間隔測定用光束はウエハ２上の無地の領域で０
次で反射し、更に横方向位置ずれ計測用光束としてはマ
スク１のグレーティングレンズ41Mを０次て透過する光
束を利用する。このようにして横方向の位置ずれ計測用
光束は光源出射後、マスク上のグレーティングレンズ41
Mで＋１次（凸レンズ作用）で回折し、ウエハ上グレー
ティングレンズ41Wで−１次（凹レンズ作用）で回折
し、マスクを再び透過する際０次の回折作用を受ける。

又、間隔測定用光束はウエハ上の正反射面を０次で反
射した後、マスク上のグレーティングレンズ42で再び回
折され、−１次回折光となる。

本実施例では回折次数の絶対値は１以下に限定されて
いるが、本発明の実施形態としては、これに限るもので
なく回折次数の絶対値が２以上の光束を利用してもよ
い。

次に本実施例において受光面上に不要光が入射したと
きの検出精度の低下を調整手段を用いて軽減する方法に
ついて検出器38を例にとり説明する。

検出器38は例えば画素サイズが13×13μｍ、画素数20
48の光電変換による電荷結合型の１次元センサ（CCDリ
ニアセンサ）である。ここで光電変換され蓄積された電
荷は各画素からCCDシフトレジスタに転送され、電荷検
出部を通し、ソースフォロワからなる出力増幅器にして
出力されたのち、波形メモリに検出器38の各画素に対応
した光強度が電気信号として記憶され、A/D変換された
後、更にマイクロコンピュータにデータ転送される。マ
イクロコンピュータ上では転送された256諧調の検出器3
8の各画素ごとの光強度に対応するデータを次のように
演算処理している。

（１）まず第１の方法としては（１−１）マイクロコンピュータに送られたデータの光
強度ピーク値に対応する点の画素の位置S₀を求める。

（１−２）位置S₀を中心として幅ｎ画素の領域のデータ
に重み係数１を乗算し、他は重み係数０を乗算する。

（１−３）ステップ（１−２）を行なった後得られるデ
ータで光束重心位置を求め、これに対応する画素の位置
を求める。そのアルゴリズムとしてはセンサ上の基準画
素を中心として＋ｍ番目の画素に符号付きでｍの重みを
データに乗算し、各画素ごとのモーメントを求め総和を
とった後、領域内の全光量に対応する全画素データの和
で除算する。除算して得られる実数値データに位置ずれ
検知方向の画素サイズを乗算した値が求める光束重心位
置となる。

（尚、参考の為以上の処理を第７図のフローチャートと
して示す。）本実施例では受光器38上の光強度ピーク位置を中心と
して幅ｎ画素サイズの矩形窓関数を各画素データに演算
したことになる。幅ｎ画素としては通常位置合わせ用マ
ークのサイズおよび位置合わせマークを含む光学系全系
のパワー配置によって決まるセンサ上の光束の径を予め
計算して求めればよい。

（２）次に第２の方法としては、光学系は第１実施例と
同じく構成し、検出器38からの信号を次のように処理す
る。

（２−１）検出器38上の各画素の光量のピーク値に対応
する点の画素の位置S₀を求める。

（２−２）光量のピーク値1/α（α＞０）となる点を含
む画素の位置を抽出する。該当する画素数が３つ以上あ
る場合にはS₀画素から最も外側に位置する画素とし、S₀
画素から数えて＋ｍ画素、−ｎ画素のように該当画素２
つを抽出する。

（２−３）ステップ（２−２）より求まるS₀画素を中心
として＋ｍ画素、−ｎ画素の範囲にある画素のデータに
対し、重み係数１を乗算し、他は重み係数０を乗算す
る。

（２−４）第１の方法で示した処理手順（１−３）と同
様の処理を行なって光束重心位置を求める。

本実施例では検出器38上の信号光束の光強度分布から
第１の方法と同様の矩形窓を上記光量分布に基づき窓の
幅及び位置を決定したものである。

（３）次に第３の方法としては光学系は第１実施例と同
じく構成し、検出器38からの信号を次のように処理す
る。

（３−１）検出器38上の各画素の光強度のピーク値に対
応する点の画素の位置S₀を求める。

（３−２）S₀画素を中心として距離ｘに対応する画素上
のデータに対し、次式 J₁（）は次数１の第１種Besse/関数ａはアライメントマークの開口のサイズで表わされる重み係数を乗算する。

（３−３）第１の方法の処理手順（１−３）と同様の処
理を行なって光量重心位置を求める。

本実施例に示すように各画素の重み係数としては、セ
ンサ上の画素の位置に対応して所定の関数となるように
設定してもよい。

例えば、横軸に位置、縦軸に係数をとると矩形状で示
される矩形窓関数のほかに台形窓関数、３角形窓関数、
或はガウス分布関数Sinc²関数などでもよい。これらの
関数の幅を規定するパラメータの値は予め検出器38上の
光束の径がわかっている場合にはその値から決めてもよ
いし、或は検出器38上の光量分布から例えば第２の方法
に示す手順に従って決めてもよい。

（４）次に第４の方法としては第８図（Ａ），（Ｂ）に
示すような各画素ごとにスイッチング機構が付いたセン
サを用いる方法がある。

例えば、第１実施例に示す位置合わせ光学系におい
て、検出器38は２つのラインセサ38,39から成り、それ
ぞれ位置ずれ信号光、間隔信号光を受光する。

第８図（Ａ）はセンサの概略構造とその動作を示す模
式図である。SRはセンサ部、Ｍは一時蓄積部、SCは走査
回路を示す。

第８図（Ｂ）は同図（Ａ）に示すセンサの概略構造を
より詳しく示したセンサ回路概略図である。位置ずれ信
号光用センサNo1、間隔信号光用センサNo2は同一タイミ
ングで動作し、又各ラインセンサは同一方向から走査
し、各ラインセンサの出力を同時に出力する。第８図
（Ｂ）に示す転送リフレッシュトランジスタ（TR）によ
って各画素からの出力の開閉を行なう。またトランジス
タTRによる各画素信号の出力のオン・オフ動作はマイク
ロプロセッサから送られる信号φ_VRSにより予め設定す
ることが可能である。

本実施例によっては先ずマスク、ウエハ間ギャップ設
定時予めマイクロプロセッサによりラインセンサNo1の
受光部各画素に対応するTRをオフ状態に設定しおく、ま
たラインセンサNo2の受光部各画素に対応するTRを全て
オン状態にしておく。ラインセンサNo2により受光する
間隔信号光の各画素からの出力値は蓄積容量Ｃ、シフト
レジスタSRを介してマイクロプロセッサに転送され、マ
イクロプロセッサは第１又は第２の方法で示される処理
手順に従ってラインセンサNo2（の各画素）に設定する
矩形窓関数の中心位置、幅などを決定し、それに基いて
各トランジスタTRのオン、オフ情報を信号φ_VRSにより
送る。このようにして得られるラインセンサNo2からの
信号を先に説明したマスクA²F法に従うアルゴリズムで
処理し、間隔設定を行なう。

次にマスク、ウエハ間の相対横ずれ（位置ずれ）検
知、補正制御を行なう際は、先のラインセンサNo1の各T
Rをオン状態にセットし、またラインセンサNo2の各TRを
オフ状態にセットし、間隔設定時と同様にラインセンサ
No1からの位置ずれ信号光束の光量分布データをマイク
ロプロセッサに転送する。マイクロプロセッサで第１、
又は第２の方法で示される処理手順に従ってラインセン
シNo1に設定する矩形窓関数の中心位置、幅などを決定
し、それに基いて各TRのオン、オフ情報を信号φ_VRSに
より送り、各スイッチの開閉を行なう。このようにして
得られるラインセンサNo1からの信号から第１の方法の
処理手順（１−３）に示すアルゴリズムによりセンサ上
の位置ずれ信号光束の光強度分布重心位置を求める。

（５）次に第５の方法としては位置合わせ用光学系機械
系としては第１実施例に示したように構成し、マイクロ
コンピュータ上では転送された256諧調の検出器38の各
画素ごとの光強度に対応するデータを次のように演算処
理する。

（５−１）マイクロコンピュータに送られたデータの光
束重心位置に対応する点の画素の位置S₀を求める。

（５−２）位置S₀を中心として幅ｎ画素領域のデータに
重み係数１を乗算し、他は重み係数０を乗算する。

（５−３）ステップ（５−２）を行なった後得られるデ
ータの光束重心位置に対応する（画素の）位置を求め
る。そのアルゴリズムとしては第７図に示すようにセン
サ上の基準画素を中心として＋ｍ番面の画素に符号付き
でｍの重みをデータに乗算し各画素ごとのモーメントを
求め総和をとった後、領域内全光量に対応する全画素デ
ータの和で除算する。除算して得られる実数値データに
位置ずれ検知方向画素サイズを乗算した値が求める光束
重心位置となる。

本実施例では受光器38上の光束重心位置を中心とし
て、幅ｎ画素サイズの矩形窓関数を各画素データに演算
したことになる。幅ｎ画素としては第１の方法と同様通
常位置合わせ用マークのサイズおよび位置合わせマーク
を含む光学系全系のパワー配置によって決まるセンサ上
の光束の径を予め計算して求めるか、または第２の方法
の処理手順に従う、次の手順（５−１）′検出器38上の各画素の光束重心位置に対応
する点の画素の位置S₀を求める。

（５−２）′光強度のピーク値の1/α（α＞０）となる
点を含む画素の位置を抽出する。該当する画素数が３つ
以上ある場合にはS₀画素から最も外側に位置する画素と
し、S₀画素から数えて＋ｍ画素、−ｎ画素のように該当
画素２つを抽出する。

（５−３）′ステップ（５−２）′より求まるS₀画素を
中心として＋ｍ画素、−ｎ画素の範囲にある画素のデー
タに対し重み係数１を乗算し、他は重み係数０を乗算す
る。

（５−４）′第１の方法で示した処理手順（１−３）と
同様の処理を行なって光強度重心位置を求める。

によって位置ずれ信号光束の重心位置を求めてもよい。

また上記処理手順（５−２），（５−２）′のように
重み係数としては０または１とする必要はなく、S₀画素
を中心として第３の方法に挙げたような関数形の重み関
数を用いてもよい。

（６）次に第６の方法としては位置合わせ光学系は第１
実施例に示す光学系と同様に構成し、検出器38からの出
力を次のように処理する。

（６−１）マイクロプロセッサに送られたデータの光強
度ピーク値或は光束重心位置に対応する点の画素の位置
S₀を求める。

（６−２）S₀を中心として第９図（Ａ），（Ｂ）に示す
ような関数形の重み係数をS₀からの距離に対応して各画
素からの出力データに乗算する。

（６−３）ステップ（６−２）により得られるデータよ
り、第１の方法の処理手順（１−３）と同様の処理を行
なって光量重心位置を求める。

本実施例では上記に示すように信号光束の光強度分布
データに第９図（Ａ），（Ｂ）に示すような非対称な分
布の重み係数をぞれぞれの画素の位置に応じて乗算す
る。ここに乗算すべき重み係数分布関数の関数形は位置
ずれ量及び位置ずれの方向などによって一意的に決ま
る。

本実施例のように位置合わせを行なう物体上に形成し
た、レンズ素子（グレーティングレンズ）のパワー配置
で決まる所定の位置ずれ量拡大倍率でセンサ上を移動す
る光束の重心位置を測定することにより、位置ずれ量を
計測する際は位置ずれ量に応じたグレーティングレンズ
系の収差（コマ収差、非点収差、歪曲収差、そのほかグ
レーティングレンズ特有の波動光学的収差）などによ
り、センサ上での光束の光強度分布は非対称になること
が予め解っている。但し上記非対称関数の関数形そのも
のは、予めシュミレーションまたは実験データから得ら
れる光強度分布データに、平滑化等の操作を行ない、更
に必要があれば該データに第１、第２の方法に示される
矩形窓関数をかけて得られるデータを用いればよい。

第９図（Ａ）及び（Ｂ）に示す光強度分布データは、
それぞれ位置ずれ量が８μm,1μｍのときの画素サイズ1
3×13μｍ、画素数600のCCDタイプ蓄積型光電変換セン
サからの出力データに対応するシュミレーション結果で
あり、これら光強度分布データの関数形状を、上記重み
係数で分布関数として適用する際は、検出器38からマイ
クロプロセッサに送られたデータの光強度ピーク値に対
応する点の位置、又は光束重心位置から位置ずれ量の一
次近似値を求め、該近似位置ずれ量に対応して予め求め
てある重み係数の分布データを両データ間で光強度ピー
ク点位置が一致するように適宜、横方向に平行移動させ
た後、乗算すればよい。

（７）次に第７の方法としては位置合わせ光学系、機械
系は第１実施例に示したように構成し、位置ずれ信号光
及び間隔信号光を受光する検出手段としては単一の１次
元センサ（例えばCCDラインセンサ）を用いる。

位置合わせを行なう第１物体、第２物体上に形成され
る位置合わせ用マークおよび間隔設定用マークはそれぞ
れの測定レンジが０〜±15μｍ、20〜90μｍとなるよう
に設計され、且つそれぞれの測定レンジにおいてセンサ
上で第10図に示すような範囲で光束が移動するように設
定されている。

このように予めセンサ上を光束が移動する範囲が解っ
ている場合には間隔設定時には位置ずれ信号光束受光領
域の画素からの出力に重み係数０を乗算し、他は重み係
数１を乗算し、しかる後第１〜第６の方法に示した処理
を行ない、更に間隔設定終了後位置ずれ量測定時には間
隔信号光束受光領域の画素からの出力に重み係数０を他
は重み係数１を乗算した後、同様の処理を行なえばよ
い。

或はセンサの各画素からの出力に対応した時系列デー
タが第10図の画素１から画素1024まで順次出力されると
するセンサからデータ出力開始時刻t₀から対応する信号
光束の移動範囲内の画素からの出力開始時刻ｔと終了時
刻t₂が決まるからハード的にt₁〜t₂の時刻範囲内でデー
タをマイクロプロセッサに転送するように構成してもよ
い。

（８）次に第８の方法としては位置合わせ光学系、機械
系は第１実施例に示したように構成し、位置ずれ信号光
及び間隔信号光を受光する検出手段としては単一の二次
元センサ（例えばCCDエリアセンサ）を用いる。

二次元センサ上の夫々の光束の光強度分布範囲が所定
の測定範囲内で第11図のようになるように予め位置合わ
せ用マーク、間隔設定用マークは設計され、かつ配置さ
れるものとする。

このように予めセンサ上を光束が移動する範囲が解っ
ている場合には第７の方法と同様に間隔設定時には位置
ずれ信号光束受光領域の画素からの出力に重み係数０を
乗算し、他は重み係数１を乗算し、しかる後第１〜第６
の方法に示した処理を行ない、更に間隔設定終了後位置
ずれ量測定時には間隔信号光束受光領域の画素からの出
力に重み係数０を他は重み係数１を乗算した後、同様の
処理を行えばよい。尚、本実施形態において前述した調
整手段やマイクロプロセッサ等は位置検出手段の一要素
を構成している。

以上のように処理した後、位置合わせ、間隔設定の各
段階で二次元センサの所定範囲画素からのデータに第12
図（Ａ），（Ｂ）に示すような重み係数分布関数を乗算
する。図では曲面の高さがその位置での重み係数の大き
さを示している。

本実施例のように位置合わせを行なう物体上に形成し
た、レンズ素子（グレーティングレンズ）のパワー配置
で決まる所定の位置ずれ量拡大倍率でセンサ上を移動す
る光束の光強度重心位置を測定することにより位置ずれ
量を計測する際は、位置ずれ量に応じたグレーティング
レンズ系の収差（コマ収差、非点収差、歪曲収差、その
他グレーティングレンズ特有の波動光学的収差）などに
より、センサ上での光束の光量分布は非対称になること
が予め解っている。但し上記非対称関数の関数形そのも
のは予めシュミレーションまたは実験データから得られ
る光強度分布データに、平滑化等の操作を行ない、更に
必要があれば、該データに第１、第２の方法に示される
矩形窓関数をかけて得られるデータを用いればよい。

第９図（Ａ）及び同図（Ｂ）に示す光量分布データ
は、それぞれ位置ずれ量が８μm,1μｍのときの画素サ
イズ13×13μｍ、画素数600のCCDタイプ蓄積型光電変換
センサからの出力データに対応するシュミレーション結
果であり、これら光強度分布データの関数形状を、上記
重み係数分布関数として適用する際は、検出器38からマ
イクロプロセッサに送られたデータの光強度ピーク値に
対応する点の位置又は、光強度重心位置から位置ずれ量
の一次近似値を求め、該近似位置ずれ量に対応して予め
求めてある重み係数分布データを両データ間で光強度ピ
ーク点位置が一致するように適宜横方向に平行移動した
データを乗算すればよい。

更に二次元センサからの信号の処理としては、第11図
に示すＸ方向の１ライン毎の光強度分布データのうち比
較的、散乱光などの不要光の少ないラインデータを抽出
し、当該ラインデータ毎に光束重心位置を第１の方法に
示したようなアルゴリズムで求め、該光束重心データの
平均化、或は所定のライン間重み係数付き平均化処理、
或は二乗平均化処理等を行なってセンサ上光束の光束重
心位置求めてもよい。

第13図は本発明の第２実施例の要部概略図である。図
中、前出と同様の部材には同じ符番を付している。

41M1,41W1は各々第１信号光を得る為のアライメント
マークであり、各々マスク１面上とウエハ２面上に設け
られている。41M2,41W2は各々第２信号光を得る為のア
ライメントマークであり、各々マスク１面上とウエハ２
面上のアライメントマーク41M1,41W1に隣接して設けら
れている。各アライメントマーク41M1,41W1,41M2,41W2
は、例えば一次元又は二次元のフレネルゾーンプレート
等のグレーティングレンズより成り、マスク１面上とウ
エハ２面上のスクライブライン9,10上に設けられてい
る。44は第１信号光としてのアライメント光束、45は第
２信号光としての光束であり、これらの光束44,45は不
図示のアライメントヘッド内の光源から出射し、所定の
ビーム径にコリメートされている。

38は各々第１検出部38aと第２検出部38bとしてのセン
サ（光電変換素子）であり、アライメント光束44及び45
を受光する例えば１次元CCD等より成っている。

本実施例ではアライメント光束44及び45は各々マスク
１面上のアライメントマーク41M1,41M2に所定の角度で
入射した後、透過回折し、更にウエハ２面上のアライメ
ントマーク41W1,41W2で反射回折し、センサ38面上に入
射している。そしてセンサ38で該センサ面上に入射した
アライメント光束の重心位置を検出し、該センサ38から
の出力信号を利用してマスク１とウエハ２について位置
合わせを行っている。

センサ38上では第10図に示すように複数の信号光束が
入射するものとし、センサ出力信号の処理は第８の方法
に示すものと同様である。但し同一センサに複数の位置
ずれ信号光束が入射する点が異っている。

次にアライメントマーク41M1,41M2,41W1,41W2につい
て説明する。

アライメントマーク41M1,41M2,41W1,41W2は各々異っ
た値の焦点距離を有するフレネルゾーンプレート（又は
グレーティングレンズ）より成っている。これらのマー
クの寸法は各々スクライブライン方向に50〜300μｍ、
スクライブライン幅方向（ｙ方向）に20〜100μｍが実
用的に適当なサイズとして設定されている。

本実施例においてはアライメント光束44,45は、いず
れもマスク１に対して入射角約17.5度で、マスク１面へ
の射影成分がスクライブライン方向（ｘ方向）に直交す
るように入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント
光束44及び45は各々グレーティングレンズ41M1,41M2の
レンズ作用を受けて収束（又は発散）光となり、マスク
１からその主光線がマスク１の法線に対して所定角度に
なるように射出している。

そしてアライメントマーク41M1,41M2を１次で透過回
折したアライメント光束44,45を各々ウエハ面２の鉛直
下方184.43μｍと鉛直上方186.57μｍの点に集光させて
いる。このときのアライメントマーク41M1,41M2の焦点
距離は各々214.43μｍ、−156.57μｍである。又、マス
ク１とウエハ２との間隔は30μｍである。

第１信号光束であるアライメントマーク41M1で透過回
折した光はウエハ２面上のアライメントマーク41W1で凹
レンズ作用を受け、第１検出部としてのセンサ38面上に
集光している。このときのセンサ38面上へは光束がアラ
イメントマーク41M1,41W1の位置ずれ量、即ち軸ずれ量
を拡大した量だけ入射光束の重心位置が変動して入射し
ている。これは前述の実施例の原理と同じである。

本実施例ではマスク１とウエハ２の位置ずれが０のと
き、例えばマスク１上のアライメントマーク41M1とウエ
ハ２上のアライメントマーク41W1とが共軸系をなしたと
き、アライメント光束の主光線のウエハ２からの出射角
が13度、又、このときの出射光のウエハ２面上への射影
成分がスクライブライン幅方向（ｙ方向）と−５度とな
り所定位置、例えばウエハ２面から18.657mmの高さに位
置しているセンサ38面上に集光するように設定してい
る。

又、第２信号光束のアライメントマーク41M2で透過回
折した光はウエハ２面上のアライメントマーク41W2で結
像点の横ずれを第１信号光と異なる方向に移動せしめ、
かつ出射角13度、ウエハ２面への射影成分がスクライブ
ライン幅方向と＋５度となるように射出し、第２検出部
としてのセンサ38面上の一点に集光している。

以上のアライメントマークのレンズパラメータにより
第１物体と第２物体２の相対位置ずれに対する検出部上
の２つの信号光束重心の変位量が100倍で且つ互いに逆
方向に設定できる。即ちずれ倍率β_１＝−100、β_２＝
＋100となる。従って、両光束重心の間隔は２物体の相
対ずれに対し、200倍の変動を起こすことになる。

本実施例では予め求められた２物体が位置ずれなしの
時の両光束重心間隔から、光束重心間隔がどれだけ変動
したかをセンサ38を用いて検出し、予め分かっている重
心間隔変動量と２物体間相対位置ずれ量との比例関係に
よって相対位置ずれ量を測定している。この時のセンサ
出力信号処理は前述した様に第８の方法を用い、第１検
出部38aと第２検出部38bとで２光束の重心をそれぞれ検
出する。

本発明の如く２つの信号光束を互いに逆方向に変位さ
せる構成に設定した際の効果として、第１物体１と第２
物体２の間隔δの設定精度を緩和しても位置ずれ量を算
出する際に必要な各ずれ倍率β_１及びβ_２が２つの光路
で互いに補償関係になる点が挙げられる。即ち前述のレ
ンズパワーに於いて第１物体と第２物体２の間隔δを30
μｍから33μｍに広げた場合を例に挙げるとβ_１は−10
0から−101.670に、β_２は＋100から＋98.433へと変化
する。従って位置ずれ量を求める時に用いる総合倍率｜
β₁|＋｜β₂|は200から200.103と変化したこととなり、
割合として0.0517％の倍率変化に低減できる。これは１
つ１つの信号が各々1.67％と1.57％の変化を生じている
ことに対しては約1/30に抑えられていることとなる。こ
れは間隔設定が困難な系への応用時に於いて直接的には
検出レンジを拡大する、あるいは検出精度を向上させる
効果となる。

又、別の効果として第２物体２を反射面の場合、これ
が傾斜することに起因する誤差を原理的に補償する点が
ある。

本実施例において、ウエハ面２が第13図のxz面内で1m
rad傾斜したとすると、センサ38上では第１信号光束は
約37.3μｍ重心移動を起こす。一方、第２信号光45も信
号光束44とマスク面法線に対し軸対称で、且つ光路長の
等しい光路を通るのでセンサ38上では、信号光と全く等
しい重心移動を起こす。これによりセンサ系では各々セ
ンサからの実効的重心位置の信号の差を出力するように
信号処理をすると、ウエハ面がxz面内で傾斜してもセン
サ系からの出力信号は変わらない。

一方、ウエハがyz面内で傾斜すると、２つの信号光束
44,45ともにセンサの長手方向と直交する幅方向に重心
移動を起こすが、これはセンサ上で検出する位置ずれに
伴う光束の重心移動の方向と直交する方向なので、２光
束でなくても実効的なアライメント誤差にはならない。

更に、アライメント用光源、及び投光用レンズ系及び
センサなどを内蔵するアライメントヘッドが、マスク−
ウエハ系に対して位置の変動を起こした場合は１対１に
変化する。例えばヘッドをマスクに対して５μmy方向に
移動したとすると信号光はセンサ38上で５μｍの実効的
重心移動を起こし、これに対して参照光もセンサ38上で
全く等しく５μｍの重心移動を起こす。

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち第１信号
光の重心位置出力と第２信号光の重心位置の出力との差
信号は何ら変動しない。

又、ｘ軸方向の位置の変動は２光束なくても本質的な
アライメント誤差にはならないことがわかる。

本実施例ではずれ倍率を逆符号とする為、信号光束44
の系ではアライメントマークのパワー配置を凸凹レンズ
系信号光束、45の系では凹凸レンズ系とした。この他信
号光束45の系を凸凹系としても良い。これは第１物体と
第２物体の間隔がδが比較的大きな系に応用する際に適
する。

以上の各実施例ではレンズ作用を有する物理光学素子
で順次回折の作用を受けた光束が、所定の倍率で位置ず
れ量に応じてセンサ上で移動する光束の重心位置を検知
する位置ずれ計測系にセンサからの信号処理方式を各種
適用したが、本発明の適用は上記位置ずれ計測系に限定
されるものでなく、他の任意の位置ずれ計測系（例えば
従来例の計測系）に適用可能である。

又、第２図（Ｂ）に示した間隔検出系のかわりに第14
図に示すような光学系を用いてもよい。この間隔検出系
は第14図において光源31からレンズ32を経て出射した平
行光束がマスク上のレンズ作用を有する物理光学素子42
に入射し、そこで回折されて収束光となる。物理光学素
子（グレーティングレンズ）42を出射した光束は、ウエ
ハ面２で反射し、マスク１を再び透過する。このときマ
スク上の物理光学素子42の形成された領域を通らず、回
折の作用を受けずにセンサ39に到達する。この場合、間
隔測定光路中に検知レンズ36はなく、ウエハ面２で反射
し、マスク１を透過して直接センサ39に到達する。セン
サ39への入射位置はマスクウエハ間隔に応じて変動する
ので、この入射位置を検出して間隔を検出する。

又、検出手段としてはCCDのような固体撮像素子に限
定する必要はなく、例えば光電変換型撮像管（ビジコ
ン、プランビコン、SIT管など）や、ポジションセンサ
（PSD）などを用いてもよい。

尚、本発明の適用範囲は半導体製造装置の位置合わせ
機構に限定されるものではなく、例えばホログラムの露
光再生時のホログラム素子セッティングの際の位置合わ
せ、多色印刷機械の位置合わせ、半導体チップのボンデ
ィング工程、プリント基板、回路の検査装置における位
置合わせ工程、その他光学部品、光計測システムの調整
時の位置合わせ、間隔測定、など広く適用可能である。

（発明の効果）本発明によれば検出手段の複数の検出領域のうち各々
の検出領域からの信号に対して所定の重み係数（窓関
数）を用いて信号処理することにより（イ）信号光束以外の不要なノイズ光成分を効果的に除
去することができる。

（ロ）信号光に重畳するノイズ光成分或は光電変換後の
電気的な信号に重畳するノイスを効果的に抑制すること
ができる。

（ハ）センサ上に局所的にのるノイズ光（ノイズ信号）
の影響を除去し、良好な信号光（電気信号）領域でのみ
計測することができる。

（ニ）同一センサで複数の種類の異なる信号光を受光し
ても複数の光束間のクロストークの影響が極めて少なく
することができる。

等の特長を有した第１物体と第２物体の２次元的又は３
次元的な相対的位置合わせを高精度に行うことのできる
位置合わせ装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の第１実施例の
概略図、第１図（Ｄ）は同実施例における光学系部の他
の例を示す図、第１図（Ｅ）は同実施例における受光素
子の配置図、第２図（Ａ），（Ｂ）は同実施例における
それぞれ位置ずれ検出系と間隔測定系の光学系模式図、
第３図は同実施例における間隔測定の原理説明図、第４
図（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ同実施例における間隔測定
の他の例の原理説明図、第５図は同実施例におけるマー
ク周辺部斜視図、第６図（Ａ），（Ｂ）は同実施例にお
けるそれぞれ位置ずれ計測用光束、間隔計測用光束の光
路のYZ面投影図、第７図は同実施例のデータ演算処理の
第１の方法を示すフローチャート、第８（Ａ），（Ｂ）
は同実施例のデータ演算処理の第４の方法を実現するせ
ンサ部の説明図、第９図（Ａ），（Ｂ）は同実施例のデ
ータ演算処理の第６の方法における重み係数分布図、第
10図は同実施例のデータ演算処理の第７の方法における
せンサ上処理範囲を示す説明図、第11図は同実施例のデ
ータ演算処理の第８の方法におけるセンサ上処理範囲を
示す説明図、第12図は同実施例のデータ演算処理の第８
の方法における重み係数分布図、第13図は本発明の第２
実施例の要部概略図、第14図は間隔測定系の他の例を示
す光学系模式図、第15,第16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、24はアライメント
ヘッド、101は調整手段、31は光源、32はコリメーター
レンズ、33は投射用レンズ、38,39は受光素子、41M,41M
1,41M2は第１アライメントマーク、41W,41W1,41W2は第
２アライメントマーク、42,49はアライメントマークで
ある。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物体と第２物体との相対位置関係を検
出する位置検出装置において、前記第１物体と前記第２
物体に光束を照射する照射手段と、前記第１物体又は前
記第２物体からの光束の受光面上での入射位置における
光強度に応じた信号を出力する光検出手段と、前記光検
出手段からの受光面上の各領域に対応する信号を領域に
よって異なる重み係数を用いて調整し、調整後の出力に
基づいて前記第１物体と前記第２物体との相対位置関係
を検出する位置検出手段とを有することを特徴とする位
置検出装置。