JP2698389B2 - Position detection device - Google Patents

Position detection device

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JP2698389B2
JP2698389B2 JP63226005A JP22600588A JP2698389B2 JP 2698389 B2 JP2698389 B2 JP 2698389B2 JP 63226005 A JP63226005 A JP 63226005A JP 22600588 A JP22600588 A JP 22600588A JP 2698389 B2 JP2698389 B2 JP 2698389B2
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  • 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】 〔発明の属する技術分野〕 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との相対的な位置合わせ(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。
Description: TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a position detecting device, for example, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device, on a first object surface such as a mask or a reticle (hereinafter, referred to as a "mask"). The present invention relates to a position detecting apparatus suitable for performing relative alignment (alignment) between a mask and a wafer when exposing and transferring a fine electronic circuit pattern formed on a second object surface such as a wafer. is there.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

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 of 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を照射し、ことのきゾーン
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 condensing 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6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. 6 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とウエハ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 perform relative positioning between the mask 68 and the wafer 60.

第9図は第8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. 9 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。このΔσ′をセンサ上に設けた
絶対座標系を基準として測定することによりΔσを求め
ていた。
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 '. Δσ was determined by measuring this Δσ ′ with reference to an absolute coordinate system provided on the sensor.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

このような方法においては、マスク面や半導体露光装
置内のマスクホルダー面等の基準面、そして露光装置の
接地面等に対してウエハ面が傾斜しているとセンサ上に
入射する光束の位置が変化し、アライメント誤差となっ
てくる。
In such a method, when the wafer surface is inclined with respect to a reference surface such as a mask surface or a mask holder surface in a semiconductor exposure apparatus, and the position of a light beam incident on the sensor when the wafer surface is inclined with respect to a ground plane or the like of the exposure apparatus. Changes, resulting in an alignment error.

一般にセンサ上に絶対座標系を設け、その基準原点を
設定することは他のアライメント誤差要因、例えばウエ
ハ面のそりやたわみ等を有する傾斜,レジストの塗布ム
ラによる光束の重心位置の変動,アライメント光源の発
振波長,発振出力,光束出射角の変動,センサ特性の変
動、そしてアライメントヘツド位置の繰り返しによる変
動等により、その原点の設定を高精度に行うのが大変難
しくなるという問題点があった。
In general, setting an absolute coordinate system on a sensor and setting its reference origin is caused by other alignment error factors, such as inclination having a warp or deflection of a wafer surface, fluctuation of the center of gravity of a light beam due to uneven coating of a resist, alignment light source. There is a problem that it is very difficult to set the origin with high accuracy due to fluctuations in the oscillation wavelength, oscillation output, light emission angle, fluctuations in sensor characteristics, and fluctuations due to repetition of the alignment head position.

本発明は前述従来例の欠点に鑑みウエハ面の傾斜等の
影響を受けず常に高精度な位置合わせを可能にする位置
検出装置の提供を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described drawbacks of the conventional example, and has as its object to provide a position detection device that can always perform highly accurate alignment without being affected by the inclination of the wafer surface.

〔問題を解決する為の手段〕[Means for solving the problem]

本発明はマスク等の第1物体とウエハ等の第2物体の
位置合わせを行う際のずれ量検出の際の誤差要因を取り
除く手段として、第1信号光束に加え第2信号光束を新
たに形成し、これらを利用することにより高精度な位置
検出を実現するとともに、常に位置ずれ方向の確認が可
能な位置検出装置を提出することを目的とする。
The present invention newly forms a second signal light beam in addition to a first signal light beam as a means for removing an error factor when detecting a shift amount when performing alignment between a first object such as a mask and a second object such as a wafer. In addition, it is an object of the present invention to provide a position detection device that realizes highly accurate position detection by using these and can always confirm a direction of a position shift.

上記目的を達成するための本発明の位置検出装置のあ
る形態は、対向配置された第1物体と第2物体との対向
方向と直交する所定方向に沿った位置関係を検出する位
置検出装置において、前記第1物体あるいは前記第2物
体の方向に光を出射する光源手段と、前記光源手段より
出射され前記第1物体及び第2物体によって回折された
第1光束を第1受光面へ入射させ、前記第1物体と前記
第2物体との前記所定方向に沿った相対位置関係の変化
に応じて変化する前記第1光束の前記第1受光面への入
射位置を検出する第1検出手段と、前記光源手段より出
射され前記第1物体及び第2物体によって回折された第
2光束を第1受光面へ入射させ、前記第1物体と前記第
2物体との前記所定方向に沿った相対位置関係の変化に
応じて前記第1光束の入射位置と逆の方向に変化する前
記第2光束の前記第1受光面への入射位置を検出する第
2検出手段と、前記光源手段より出射され前記第1物体
及び第2物体によって回折された第3光束を第2受光面
へ入射させ、前記第1物体と前記第2物体との前記所定
方向に沿った相対位置関係の変化に応じて変化する前記
第3光束の前記第1受光面への入射位置を検出する第3
検出手段と、前記光源手段より出射され前記第1物体及
び第2物体によって回折された第4光束を第2受光面へ
入射させ、前記第1物体と前記第2物体との前記所定方
向に沿った相対位置関係の変化に応じて前記第3光束の
入射位置と逆方向に変化し、かつ前記第1光束と第2光
束との入射位置が一致する時の前記第1物体と前記第2
物体との相対位置関係とは異なる相対位置関係に前記第
1物体と前記第2物体とがある時に前記第3光束と入射
位置が一致する、前記第4光束の前記第2受光面への入
射位置を検出する第4検出手段と、前記第1、第2、第
3、第4検出手段の検出結果に基づき前記第1物体と前
記第2物体との前記所定方向に沿った位置ずれ量及び位
置ずれ方向を検出する手段とを有することを特徴とす
る。
One embodiment of the position detecting device of the present invention for achieving the above object is a position detecting device that detects a positional relationship along a predetermined direction orthogonal to a facing direction of a first object and a second object that are opposed to each other. Light source means for emitting light in the direction of the first object or the second object, and a first light beam emitted from the light source means and diffracted by the first and second objects is made incident on a first light receiving surface. First detecting means for detecting an incident position on the first light receiving surface of the first light flux, which changes according to a change in a relative positional relationship between the first object and the second object along the predetermined direction; A second light flux emitted from the light source means and diffracted by the first and second objects is incident on a first light receiving surface, and a relative position of the first object and the second object along the predetermined direction The first light flux according to a change in the relationship Second detecting means for detecting an incident position of the second light flux changing in a direction opposite to the incident position on the first light receiving surface; and light emitted from the light source means and diffracted by the first and second objects. A third light beam is made incident on a second light receiving surface, and the third light beam changes to a first light receiving surface of the third light beam that changes according to a change in a relative positional relationship between the first object and the second object along the predetermined direction. Of detecting the incident position of light
Detecting means for causing a fourth light flux emitted from the light source means and diffracted by the first and second objects to be incident on a second light receiving surface, along the predetermined direction between the first object and the second object; The first object and the second object when the incident position of the first light beam and the second light beam coincide with each other change in a direction opposite to the incident position of the third light beam according to the change of the relative positional relationship.
When the first object and the second object have a relative positional relationship different from the relative positional relationship with the object, the third light beam and the incident position coincide with each other when the fourth light beam is incident on the second light receiving surface. A fourth detection unit for detecting a position, a positional shift amount between the first object and the second object along the predetermined direction based on a detection result of the first, second, third, and fourth detection units; Means for detecting the direction of displacement.

具体的に後述する実施例に於いては、上述の問題点を
解決する為に、半導体製造装置に於けるマスクとウエハ
の如く、略々平行に対面する2平面上で座標点の異なる
4箇所の情報により相対位置ずれ量を検知する装置に於
いて、4箇所の内各2箇所は互いに直交する一方向成分
のずれ量を1次元のセンサ上に形成する2つの光点間隔
により求め、且つ同一方向の検知を司どる2つの検出部
分の極性(即ち、ずれに対するセンサ信号の方向性)を
反転し、両者を参照し合うことにより広い計測範囲と高
分解能を達成している。
In an embodiment which will be specifically described later, in order to solve the above-mentioned problem, four points having different coordinate points on two planes which face substantially in parallel, such as a mask and a wafer in a semiconductor manufacturing apparatus. In the apparatus for detecting the amount of relative positional deviation based on the information of (2), two of the four positions are used to determine the amount of deviation of one direction component orthogonal to each other from the distance between two light spots formed on a one-dimensional sensor, and By inverting the polarities (that is, the directionality of the sensor signal with respect to the deviation) of the two detection portions that perform detection in the same direction, a wide measurement range and high resolution are achieved by referring to both.

〔実施例〕〔Example〕

まず、本発明に用いる検知手段の原理及び構成要件を
第1図を用いて説明する。図中、1は第1の物体、2は
第2の物体、5,3は各々第1の信号光を得る為のアライ
メントマークであり、各々1,2の上に設けてある。同様
に6,4は各々第2の信号光を得る為のアライメントマー
クであり、同じく各々1,2の上に設けてある。各アライ
メントマーク3,4,5,6は1次元または2次元のレンズ作
用のある物理光学素子の機能を有している。7,8は前述
の第1及び第2のアライメント信号光束を示す。11,12
は各々第1及び第2の信号光束を検出する為の第1及び
第2の検出部であり、物体2からの光学的な距離を説明
の便宜上同じ値Lとする。更に物体1と物体2の距離を
δ,アライメントマーク5及び6の焦点距離を各々fa1,
fa2とし、物体1と物体2の相対位置ずれ量をεとし、
その時の第1及び第2の信号光束重心の合致状態からの
変位量を各々S1,S2とする。尚、物体1に入射するアラ
イメント光束は便宜上平面波とし、符合は図中に示す通
りとする。
First, the principle and components of the detecting means used in the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, 1 is a first object, 2 is a second object, and 5, 3 are alignment marks for obtaining the first signal light, respectively, provided on 1 and 2, respectively. Similarly, reference numerals 6 and 4 denote alignment marks for obtaining the second signal light, respectively, which are also provided on the reference numerals 1 and 2, respectively. Each of the alignment marks 3, 4, 5, and 6 has a function of a physical optical element having a one-dimensional or two-dimensional lens function. Reference numerals 7 and 8 denote the first and second alignment signal light beams, respectively. 11,12
Are first and second detection units for detecting the first and second signal light beams, respectively, and the optical distance from the object 2 is set to the same value L for convenience of explanation. Further, the distance between the object 1 and the object 2 is δ, the focal length of the alignment marks 5 and 6 is f a1 ,
f a2 , the relative displacement between the object 1 and the object 2 is ε,
The amounts of displacement of the first and second signal light beam centroids from the matching state at that time are denoted by S 1 and S 2 , respectively. The alignment light beam incident on the object 1 is a plane wave for the sake of convenience, and the signs are as shown in the figure.

信号光束重心の変位量S1及びS2はアライメントマーク
5及び6の焦点F1,F2とアライメントマーク3,4の光軸中
心を結ぶ直線と、検出部11及び12の受光面との交点とし
て幾何学的に求められる。従って、物体1と物体2の相
対位置ずれに対して各信号光束重心の変位量S1,S2は第
1図より明らかな様にアライメントマーク3,4の光学的
な結像倍率の符合を互いに逆とすることで逆方向とな
る。また、定量的には と表わせ、ずれ倍率はβ=S1/ε,β=S2/εと定義
できる。従って、ずれ倍率を逆符合とすると、物体1と
物体2のずれに対して、光束7,8は検出部11,12の受光面
で逆方向に、具体的にはそれぞれS1,S2だけ変化する。
Intersection of displacement S 1 and S 2 of the signal light beam centroid and the straight line connecting the center of the optical axis of the focus F 1, F 2 and the alignment marks 3 and 4 of the alignment marks 5 and 6, the light receiving surface of the detector 11 and 12 Geometrically as Therefore, the displacement amounts S 1 and S 2 of the respective signal light beam centroids with respect to the relative displacement between the object 1 and the object 2 are equal to the optical imaging magnification of the alignment marks 3 and 4 as is clear from FIG. The opposite direction is achieved by reversing each other. Also, quantitatively The shift magnification can be defined as β 1 = S 1 / ε, β 2 = S 2 / ε. Therefore, if the shift magnification is the opposite sign, the light fluxes 7 and 8 are opposite to each other on the light receiving surfaces of the detectors 11 and 12 with respect to the shift between the object 1 and the object 2, specifically, by S 1 and S 2 respectively. Change.

この内、実用的に適切な構成条件の1つとして L≫|fa1| fa1/fa2<0 |fa1|>δ |fa2|>δ の条件がある。即ち、アライメントマーク5,6の焦点距
離fa1,fa2に対して検出部までの距離Lを大きく、且つ
物体1,2の間隔δを小さくし、更にアライメントマーク
の一方を凸レンズ、他方を凹レンズとする構成である。
Among them, practically L» One suitable structure condition | f a1 | f a1 / f a2 <0 | f a1 |> δ | a condition of> δ | f a2. That is, the distance L to the detection unit is increased with respect to the focal lengths f a1 and f a2 of the alignment marks 5 and 6, the interval δ between the objects 1 and 2 is reduced, and one of the alignment marks is a convex lens and the other is a concave lens. The configuration is as follows.

第1図の上側にはアライメントマーク5で入射光束を
集光光束とし、その集光点F1に至る前にアライメントマ
ーク3に光束を照射し、これを更に第1の検出部11に結
像させているアライメントマーク3の焦点距離fb1はレ
ンズの式 を満たす様に定められる。同様に第1図の下側にはアラ
イメントマーク6により入射光束を入射側の点であるF2
より発散する光束に変え、これをアライメントマーク4
を介して第2の検出部12に結像させるアライメントマー
ク4の焦点距離fb2を満たす様に定められる。以上の構成条件でアライメン
トマーク3,アライメントマーク5の集光像に対する結像
倍率は図より明らかに正の倍率であり、物体2の移動ε
と検出部11の光点変位量S1の方向は逆となり、先に定義
したずれ倍率βは負となる。同様にアライメントマー
ク6の点像(虚像)に対するアライメントマーク4の結
像倍率は負であり、物体2の移動εと検出部12上の光点
変位量S2の方向は同方向で、ずれ倍率βは正となる。
従って、物体1と物体2の相対ずれεに対してアライメ
ントマーク5,3の系と6,4の系の信号光束ずれS1,S2は互
いに逆方向となる。
The upper side of FIG. 1 and condensed light beam incident light beam by the alignment marks 5 so as to irradiate light beam to alignment marks 3 before reaching the focal point F 1, further imaged on a first detecting section 11 so The focal length f b1 of the alignment mark 3 is the lens formula It is determined to satisfy The lower side of FIG. 1 as well as in terms of the incident side of the incident light beam by the alignment mark 6 F 2
Change to a more divergent luminous flux, which is
The focal length f b2 of the alignment mark 4 to be imaged on the second detection unit 12 via It is determined to satisfy Under the above configuration conditions, the imaging magnification of the alignment mark 3 and the alignment mark 5 with respect to the converged image is clearly a positive magnification from the figure, and the movement ε of the object 2
The direction of the light spot displacement amount S 1 of the detection unit 11 becomes reversed, the deviation magnification beta 1, as defined above, of the negative. Similarly imaging magnification of the alignment marks 4 for the point image (virtual image) of the alignment mark 6 is negative, the direction of the light spot displacement amount S 2 of the detector 12 and the movement of the object 2 epsilon in the same direction, the deviation magnification β 2 is positive.
Accordingly, the signal beam shifts S 1 and S 2 of the systems of the alignment marks 5 and 3 and the systems of the systems 6 and 4 are opposite to each other with respect to the relative shift ε between the object 1 and the object 2.

即ち、第1図の配置において物体1を空間的に固定
し、物体2を図面下側に変位させた状態を考えると合致
状態の検出部11及び12上のスポツト間隔が広がり、逆に
図面上側に変位させると狭まる様になる。この様子を第
2図に模式的に示す。(a)〜(b)は物体1と物体2
の相対ずれ量εを単調に変化させた時の各状態での検出
部上での光量分布である。物体1と物体2との合致状態
での光量分布をここでは(c)としてある。
That is, considering the state in which the object 1 is spatially fixed and the object 2 is displaced to the lower side in the drawing in the arrangement of FIG. When it is displaced to, it becomes narrow. This is schematically shown in FIG. (A)-(b) are objects 1 and 2
FIG. 6 is a light amount distribution on the detection unit in each state when the relative shift amount ε is monotonously changed. Here, the light amount distribution in the coincidence state between the object 1 and the object 2 is represented by (c).

次に具体的な実施例の説明を行う。 Next, a specific embodiment will be described.

第3図Aは本発明の第1実施例の位置検出装置の構成
図、第3図Bは同要部概略図である。第1図と同様の部
材は同じ符号で表している。
FIG. 3A is a configuration diagram of a position detecting device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a schematic diagram of the principal part. Members similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

図中、1は第1物体で、例えばマスクである。2は第
2物体で、例えばマスク1と位置合わせされるウエハで
ある。各アライメントマーク3,4と5,6は、例えば1次元
あるいは2次元のフレネルゾーンプレート等のグレーテ
イングレンズより成り、それぞれマスク1面上とウエハ
2面上のスクライブライン10,9上に設けられている。7
は第1光束、8は第2光束であり、これらの光束(信号
光束)7,8は光源13から出射し、レンズ系14により所定
のビーム径にコリメートされ、ミラー15で光路を曲げら
れている。
In the figure, reference numeral 1 denotes a first object, for example, a mask. Reference numeral 2 denotes a second object, for example, a wafer to be aligned with the mask 1. Each of the alignment marks 3, 4 and 5, 6 is composed of a one-dimensional or two-dimensional grating lens such as a Fresnel zone plate, and is provided on scribe lines 10 and 9 on the mask 1 surface and the wafer 2 surface, respectively. ing. 7
Is a first light beam, 8 is a second light beam, these light beams (signal light beams) 7, 8 are emitted from a light source 13, collimated to a predetermined beam diameter by a lens system 14, and the optical path is bent by a mirror 15. I have.

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザ
ー,He−Neレーザー,Arレーザー等のコヒーレント光束を
放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒーレント光
束を放射する光源等である。第1図における第1検出部
11と第2検出部12が本図では1つのセンサ(光電変換素
子)22であり、光束7及び8を受光する、例えば1次元
CCD等より成っている。
In this embodiment, as the type of light source a semiconductor laser, H e -N e laser, or a light source for emitting a coherent light beam, such as A r laser, a light source or the like that emits non-coherent light beam such as a light emitting diode. First detector in FIG.
In this figure, 11 and the second detection unit 12 are one sensor (photoelectric conversion element) 22 and receive the light beams 7 and 8, for example, one-dimensional.
It consists of CCD etc.

本実施例では光束7及び8は各々マスク1面上のアラ
イメントマーク5,6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3,4で反
射回折し、受光レンズ21で集光されてセンサ22の受光面
上に入射している。そして、センサ22からの信号を受け
た信号処理装置23でセンサ22で該センサ面上に入射した
アライメント光束のセンサ面内での重心位置を検出し、
該センサ22からの出力信号を利用して信号処理装置23で
マスク1とウエハ2について位置ずれ検出を行ってい
る。
In this embodiment, the light beams 7 and 8 are incident on the alignment marks 5 and 6 on the mask 1 at a predetermined angle, then transmitted and diffracted, further reflected and diffracted on the alignment marks 3 and 4 on the wafer 2 surface, and received. The light is condensed by the lens 21 and is incident on the light receiving surface of the sensor 22. Then, the signal processing device 23 receiving the signal from the sensor 22 detects the position of the center of gravity in the sensor surface of the alignment light beam incident on the sensor surface with the sensor 22,
Using the output signal from the sensor 22, the signal processor 23 detects the positional deviation of the mask 1 and the wafer 2.

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に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。
Here, the center of gravity of the luminous flux is defined as a point in the luminous flux cross section at which the integral value becomes a zero vector when the value obtained by multiplying the position vector from each point in the cross section by the light intensity at that point is integrated over the entire cross section. However, as another example, the position of a point where the light intensity reaches a peak may be detected.

次に、アライメント3,4,5,6について説明する。 Next, alignments 3, 4, 5, and 6 will be described.

アライメントマーク3,4,5,6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(又はグレーテイン
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9及び10の方向に50〜300μm、ス
クライブライン幅方向(y方向)に20〜100μmが実用
的に適当なサイズである。
Each of the alignment marks 3, 4, 5, and 6 is composed of a Fresnel zone plate (or a grating lens) having a different value of the focal length. The dimensions of these marks are 50 to 300 μm in the direction of the scribe lines 9 and 10 and 20 to 100 μm in the scribe line width direction (y direction), respectively, which are practically appropriate.

本実施例においては光束7と8は、いずれもマスク1
に対して入射角約17.5゜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。
In this embodiment, the light beams 7 and 8 are both
At an incident angle of about 17.5 ° with respect to the surface of the mask 1 so that the projected component is orthogonal to the scribe line direction (x direction).

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7及び8は各々グレーテイングレンズ5,6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
に出射している。
The alignment light beams 7 and 8 incident on the mask 1 at these predetermined angles become convergent or divergent light under the action of the grating lenses 5 and 6, respectively, and the chief ray from the mask 1 with respect to the normal line of the mask 1 At a predetermined angle.

そして、アライメントマーク5及び6を透過回折した
光束7と8は各々ウエハ面2の鉛直下方,鉛直上方の所
定点に集光点,発散原点をもつ。このときのアライメン
トマーク5と6の焦点距離は各々214.426−156.57μm
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7はアライメントマーク5で透過回折
し、ウエハ2面上のアライメントマーク3で凹レンズ作
用を受け、センサ22面上の一点に集光している。このと
き、センサ22面上のへは光束がこの光束の入射位置の変
動量がアライメントマーク5,3のx方向における位置ず
れ量、即ち軸ずれ量に対応し、かつその量が拡大された
状態となって入射する。この結果、入射光束の重心位置
の変動がセンサ22で検出される。
The light beams 7 and 8 transmitted and diffracted through the alignment marks 5 and 6 respectively have a light condensing point and a divergence origin at predetermined points vertically below and vertically above the wafer surface 2. At this time, the focal lengths of the alignment marks 5 and 6 are 214.426-156.57 μm, respectively.
It is. The distance between the mask 1 and the wafer 2 is 30 μm. The first signal light beam 7 is transmitted and diffracted by the alignment mark 5, receives a concave lens effect on the alignment mark 3 on the wafer 2 surface, and is condensed on one point on the sensor 22 surface. At this time, the light beam on the surface of the sensor 22 is in a state where the amount of change in the incident position of the light beam corresponds to the amount of displacement of the alignment marks 5 and 3 in the x direction, that is, the amount of axial displacement, and the amount is enlarged. Incident. As a result, a change in the position of the center of gravity of the incident light beam is detected by the sensor 22.

又、第2信号光束8はアライメントマーク6で透過回
折し、ウエハ2面上のアライメントマーク4で結像点で
のスポツト位置を第1信号光束と異なる方向に移動せし
める様に反射回折されてセンサ22面上の一点に集光す
る。光束8も7同様、入射位置の変動量は軸ずれ量に対
応し、かつ拡大された状態になっている。
The second signal light beam 8 is transmitted and diffracted by the alignment mark 6, and is reflected and diffracted by the alignment mark 4 on the surface of the wafer 2 so that the spot position at the image forming point is moved in a direction different from that of the first signal light beam. Focus on one point on 22 surfaces. Similarly to the light beam 7, the amount of change in the incident position of the light beam 8 corresponds to the amount of axis deviation and is in an enlarged state.

この時、光束7,8の集光するセンサ22の受光面の位置
をウエハ面から18.657mmあるいは受光レンズ21を介し
て、ここと等価な位置とすると、各々のずれ倍率(=入
射位置変動量/軸ずれ量)の絶対値が100倍で方向が逆
方向に設定できる。これにより、マスク1とウエハ2が
x方向に0.005μmずれると、2つの光束の重心位置間
隔、即ちスポツト間隔が1μm変化する。このスポツト
間隔を検出してマスク1とウエハ2との位置ずれを検出
する。この時、センサ面のスポツト径はアライメントマ
ークのレンズとしての有効径を200μm程度で、光源と
して0.8μm帯の半導体レーザーを用いたとすると、略
々200μm程度にそれぞれ設定可能であり、通常の処理
技術を用いてこれを判定することは可能である。
At this time, assuming that the position of the light receiving surface of the sensor 22 where the light fluxes 7 and 8 converge is 18.657 mm from the wafer surface or a position equivalent thereto through the light receiving lens 21, each shift magnification (= variation amount of incident position) The absolute value of (/ axis shift amount) is 100 times and the direction can be set in the opposite direction. As a result, when the mask 1 and the wafer 2 are shifted by 0.005 μm in the x direction, the distance between the centers of gravity of the two light beams, that is, the spot distance, changes by 1 μm. By detecting the spot interval, the positional deviation between the mask 1 and the wafer 2 is detected. At this time, the spot diameter of the sensor surface can be set to about 200 μm, assuming that the effective diameter of the alignment mark as a lens is about 200 μm and that a 0.8 μm band semiconductor laser is used as a light source. It is possible to determine this using

そして、(C)に示す様な合致状態に於ける2つのス
ポツト間隔を、例えば1.5〜2.5mm程度に設定しておくの
が適当である。
It is appropriate to set the interval between the two spots in the coincident state as shown in (C) to, for example, about 1.5 to 2.5 mm.

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、物体1と物体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及びβが2つの光路で互い
に補償関係となる点が挙げられる。即ち、前述のレンズ
パラメータに於いて、物体1と物体2の間隔δを30μm
から33μmに広げた場合を例に挙げると、βは−100
から−101.684に、βは+100から+98.464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200.148と変化したこととなり、
割合として0.0741%の倍率変化に低減できる。これは、
1つ1つの信号が各々1.68%と1.53%の変化を生じてい
ることに対しては約1/20に抑えられていることとなり、
これは間隔設定が困難な系への応用時に於いて、直接的
には検出レンズを拡大する、あるいは検出精度を向上さ
せる効果となる。
As an effect of setting the configuration in which the two signal light beams are displaced in the opposite directions as in the present invention, even if the setting accuracy of the interval δ between the object 1 and the object 2 is relaxed, it is necessary to calculate the displacement amount. The point is that each of the shift magnifications β 1 and β 2 has a compensation relationship with each other in the two optical paths. That is, in the aforementioned lens parameters, the distance δ between the object 1 and the object 2 is set to 30 μm.
Taking as an example the case where it is expanded to 33 μm, β 1 is −100
From -100 to +101.684, and? 2 from +100 to +98.64. Therefore, the total magnification used when obtaining the displacement amount |
β 1 | + | β 2 | changed from 200 to 200.148,
The ratio can be reduced to a magnification change of 0.0741%. this is,
For each signal having a change of 1.68% and 1.53% respectively, it is suppressed to about 1/20,
This has the effect of directly enlarging the detection lens or improving the detection accuracy when applied to a system in which the interval setting is difficult.

また別の結果として、物体2,3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。
Another result is that the error caused by the tilt of the objects 2 and 3 is compensated in principle.

本実施例において、ウエハ面2が第2図のxz面内で1m
rad傾斜したとすると、センサ22上では第1の信号光束
7は約37.3μm重心移動を起こす。一方、第2信号光束
8も信号光束7との間でyz面と平行な対称面を有し、且
つ光路長の等しい光路を通るようにし、センサ22上では
信号光7と全く等しい重心移動を起こすようにしてい
る。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yz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。
In this embodiment, the wafer surface 2 is 1 m in the xz plane of FIG.
Assuming a rad inclination, the first signal light beam 7 moves on the sensor 22 by about 37.3 μm. On the other hand, the second signal light beam 8 also has a symmetry plane parallel to the yz plane with the signal light beam 7 and passes through an optical path having the same optical path length. I'm trying to wake up. By doing this, in the sensor system, if signal processing is performed so as to output the difference between the signals of the effective center of gravity position from each sensor,
The output signal from the sensor system does not change even if the wafer is tilted in the yz plane.

一方、ウエハがyz面内で傾斜すると、2つの信号光束
7,8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。
On the other hand, when the wafer is tilted in the yz plane, two signal beams
Both 7 and 8 move the center of gravity in the width direction orthogonal to the longitudinal direction of the sensor, but this is the direction orthogonal to the direction of movement of the center of gravity of the light beam due to displacement detected on the sensor. It does not result in an effective alignment error.

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ツドが、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、ヘツドをマスクに対して5μm y方
向に移動したとすると、信号光束7はセンサ11上で5μ
mの実効的重心移動を起こし、これに対して信号光束8
もセンサ22上で全く等しく5μmの重心移動を起こす。
Furthermore, an alignment head incorporating an alignment light source, a projection lens system and a sensor, etc.
When the position changes with respect to the wafer system, the position changes one to one. For example, if the head is moved in the 5 μm y direction with respect to the mask, the signal light beam 7 is 5 μm on the sensor 11.
m, which causes an effective movement of the center of gravity,
Also causes the center of gravity to move by 5 μm on the sensor 22 exactly equally.

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち、第1の
信号光束の重心位置出力と第2の信号光束の重心位置出
力の差信号は何ら変動しない。
Therefore, the final output from the sensor system, that is, the difference signal between the center-of-gravity position output of the first signal light beam and the center-of-gravity position output of the second signal light beam does not change at all.

又、z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。
Further, it can be seen that a change in the position in the z-axis direction does not result in an essential alignment error even without two light beams.

本装置においては、四角形の回路部分のパターンを取
り包むスクライブライン1a上の4箇所P1,P2,P3,P4に上
述のアライメントマーク3,4,5,6を、又この4箇所に対
応する位置にこのマークに光束を投射し、マークからの
光束を検出する為の前述の光学系をそれぞれ設定し、マ
スクとウエハの位置ずれ量として2次元的な横ずれ及び
回転求める。この時のマークの配置を第7図に示す。本
装置を半導体露光装置に用いた場合は、これを補正した
後で露光することになる。
In this apparatus, the alignment marks 3, 4, 5, and 6 are provided at four points P 1 , P 2 , P 3 , and P 4 on the scribe line 1a surrounding the pattern of the square circuit portion, and the four points are provided. A light beam is projected onto this mark at a position corresponding to the above, and the above-described optical systems for detecting the light beam from the mark are set, respectively, and a two-dimensional lateral displacement and rotation are obtained as a positional displacement amount between the mask and the wafer. The arrangement of the marks at this time is shown in FIG. When the present apparatus is used in a semiconductor exposure apparatus, exposure is performed after correcting this.

この時、一般にウエハ2はオリエンテーシヨンフラツ
ト2aを設けており、これを用いて回転成分は最大誤差3
0″程度まで容易に補正できる為、大むね平行横ずれ成
分が主だったずれ成分となっている。
At this time, generally, the wafer 2 is provided with an orientation flat 2a, and the rotation component is used to reduce the maximum error 3a.
Since the correction can easily be made to about 0 ″, the parallel-lateral shift component is mainly the shift component.

ところで、第2図より明らかな様に2つのスポツト間
隔をもって相対ずれ量を検出する場合には(e)の状態
を境に対称な挙動を示し、例えば合致状態(c)と大き
くずれた状態である(g)とはこの一箇所の情報からは
判別できない。
By the way, as is apparent from FIG. 2, when the relative shift amount is detected with two spot intervals, the behavior is symmetrical with respect to the state of (e). A certain (g) cannot be discriminated from this one piece of information.

しかしながら、この箇所の検出部をP1とし、このP1
回路パターンを狭んで対応する同一方向の検出を司どる
箇所P2とにおいて、各々の検出部の極性反転させた系と
し、両者のスポツトずれ検出値を参照することで真の値
を判別することが可能である。即ち、物体1,2間のある
方向のずれに対して、例えばP1に設けた系では2つのス
ポツト間隔が広がり、対応する側のP2で設けた系では2
つのスポツト間隔が狭まる様な関係に一定区間のずれ量
の時になる様に設定する。これはP2のアライメントマー
クを第1図において上の5,3の光学光路と下の6,4の光学
光路を上下反転させた形にするだけで達成できる。この
結果の検出部のスポツトの挙動を第2図に対応させて示
したのが第4図である。P1に設けた検出系の出力からは
第2図に示す通り(c)と(g)のずれ状態は判別不能
であるが、P2に設けた検出系の出力が(c)′の状態に
近ければ、P1は(c)の状態であることがわかり、第4
図(g)′の様にセンサ面上で大きなスポツト間隔の時
に生じる出力結果の時はP1が(g)であることが判別で
きる。これをグラフにすると第5図の様に示せる。P1
検出系とP2の検出系各々のスポツト間隔の検出値は単独
では2値のずれ量に対応し、いずれかはわからない。こ
の際、お互いの極性を反転しておけばこの2つの検出系
からの出力で対応するずれ量が1つだけ求められる。具
体的には各検出から求められたスポツト間隔より推定さ
れる2つの異なるずれ量の値を各検出系それぞれに対応
して出力させ、相互の4種の組み合わせによる差を求
め、その絶対値が最小となる出力値の組み合わせを真の
値と判定する処理をほどこせば良い。この演算のフロー
を第6図に示す。
However, the detection of this position and P 1, in the P 1 and the circuit pattern corresponding same direction detecting Tsukasa Nikki at point P 2 Metropolitan in I narrow and a system obtained by polarity inversion of each of the detector, both It is possible to determine the true value by referring to the spot deviation detection value. That is, with respect to the direction of displacement of between objects 1 and 2, for example, in a system provided in the P 1 spread two Supotsuto spacing, in a system provided with the corresponding side P 2 2
The relationship is set such that the interval between two spots is narrowed so that the deviation amount is in a certain section. This can be achieved simply by the form in which the 6,4 optical path of the optical beam path and below the upper of 5,3 upside down in FIG. 1 the alignment mark P 2. FIG. 4 shows the resulting spot behavior of the detection unit in correspondence with FIG. State of it from the output of the detection system provided in P 1 is a shift state of the as shown in FIG. 2 (c) and (g) are indistinguishable, the output of the detection system provided on P 2 is (c) ' the closer to, P 1 is found to be in the state of (c), 4
When FIG. (G) 'output that occurs when a large Supotsuto intervals on the sensor surface as the can determined that a P 1 is (g). When this is graphed, it can be shown in FIG. The detection value of the detection system and the detection system each Supotsuto distance P 2 of the P 1 corresponds to a shift amount of 2 values alone, do not know any. At this time, if the polarities of the two detection systems are reversed, only one corresponding shift amount is obtained from the outputs from the two detection systems. Specifically, two different shift amounts estimated from the spot intervals obtained from the respective detections are output for each of the detection systems, and the difference between the four combinations is obtained. What is necessary is just to perform the process which judges the combination of the minimum output value as a true value. FIG. 6 shows the flow of this calculation.

当然のことながらP1とP2が検出を司どる方向と直交す
る方向の検出用に、別な2箇所P3,P4にも同様な系を設
けて合計4点でずれ量の真の値を求めて物体1と物体2
の位置検出が完了する。この検出結果に応じて周知の位
置合わせ機構によりマスク1とウエハ2とを位置合わせ
する。
Naturally, a similar system is provided at two other points P 3 and P 4 for detection in the direction orthogonal to the direction in which P 1 and P 2 control detection, and the true amount of deviation is calculated at a total of four points. Object 1 and object 2
Is completed. According to the detection result, the mask 1 and the wafer 2 are aligned by a well-known alignment mechanism.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の様に、本発明によれば、半導体製造装置に好適
なマスクとウエハの位置ずれ量を計測する装置が具現化
される。
As described above, according to the present invention, an apparatus suitable for a semiconductor manufacturing apparatus for measuring a positional shift amount between a mask and a wafer is realized.

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

第1図は本発明の検出原理を示す図、 第2図は本発明の検出原理におけるセンサの信号の挙動
を示す図、 第3図Aは本発明の一実施例の位置検出装置の構成図、 第3図Bは同装置の要部概略図、 第4図は同装置のセンサの信号の挙動を示す図、 第5図は同装置における位置ずれ−スポツト間隔相関
図、 第6図は同装置の信号処理のフローチヤート、 第7図はマスク、ウエハ上のアライメントマーク配置
図、 第8図,第9図は従来例の説明図である。 図中、 1……マスク 2……ウエハ 3,4,5,6……アライメントマーク 13……光源 22……センサ 23……信号処理装置。
FIG. 1 is a diagram showing the detection principle of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the behavior of a sensor signal in the detection principle of the present invention, and FIG. 3A is a configuration diagram of a position detecting device according to an embodiment of the present invention. FIG. 3B is a schematic view of a main part of the device, FIG. 4 is a diagram showing a behavior of a signal of a sensor of the device, FIG. 5 is a correlation diagram of a position shift-spot interval in the device, and FIG. FIG. 7 is a flow chart of the signal processing of the apparatus, FIG. 7 is a layout diagram of alignment marks on a mask and a wafer, and FIGS. 8 and 9 are explanatory views of a conventional example. In the figure, 1 ... mask 2 ... wafer 3,4,5,6 ... alignment mark 13 ... light source 22 ... sensor 23 ... signal processing device.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】対向配置された第1物体と第2物体との対
向方向と直交する所定方向に沿った位置関係を検出する
位置検出装置において、 前記第1物体あるいは前記第2物体の方向に光を出射す
る光源手段と、前記光源手段より出射され前記第1物体
及び第2物体によって回折された第1光束を第1受光面
へ入射させ、前記第1物体と前記第2物体との前記所定
方向に沿った相対位置関係の変化に応じて変化する前記
第1光束の前記第1受光面への入射位置を検出する第1
検出手段と、 前記光源手段より出射され前記第1物体及び第2物体に
よって回折された第2光束を第1受光面へ入射させ、前
記第1物体と前記第2物体との前記所定方向に沿った相
対位置関係の変化に応じて前記第1光束の入射位置と逆
の方向に変化する前記第2光束の前記第1受光面への入
射位置を検出する第2検出手段と、 前記光源手段より出射され前記第1物体及び第2物体に
よって回折された第3光束を第2受光面へ入射させ、前
記第1物体と前記第2物体との前記所定方向に沿った相
対位置関係の変化に応じて変化する前記第3光束の前記
第1受光面への入射位置を検出する第3検出手段と、 前記光源手段より出射され前記第1物体及び第2物体に
よって回折された第4光束を第2受光面へ入射させ、前
記第1物体と前記第2物体との前記所定方向に沿った相
対位置関係の変化に応じて前記第3光束の入射位置と逆
方向に変化し、かつ前記第1光束と第2光束との入射位
置が一致する時の前記第1物体と前記第2物体との相対
位置関係とは異なる相対位置関係に前記第1物体と前記
第2物体とがある時に前記第3光束と入射位置が一致す
る、前記第4光束の前記第2受光面への入射位置を検出
する第4検出手段と、 前記第1、第2、第3、第4検出手段の検出結果に基づ
き前記第1物体と前記第2物体との前記所定方向に沿っ
た位置ずれ量及び位置ずれ方向を検出する手段と を有することを特徴とする位置検出装置。
1. A position detecting device for detecting a positional relationship along a predetermined direction orthogonal to an opposing direction between a first object and a second object disposed opposite to each other, wherein the position detecting device detects a positional relationship between the first object and the second object. Light source means for emitting light, and a first light flux emitted from the light source means and diffracted by the first object and the second object is incident on a first light receiving surface, and the first object and the second object A first detecting unit configured to detect an incident position on the first light receiving surface of the first light flux that changes according to a change in a relative positional relationship along a predetermined direction;
Detecting means for causing a second light flux emitted from the light source means and diffracted by the first object and the second object to be incident on a first light receiving surface, along the predetermined direction between the first object and the second object. A second detecting unit that detects an incident position on the first light receiving surface of the second light beam that changes in a direction opposite to an incident position of the first light beam according to a change in the relative positional relationship. A third light beam emitted and diffracted by the first object and the second object is made incident on a second light receiving surface, and according to a change in a relative positional relationship between the first object and the second object along the predetermined direction. Detecting means for detecting an incident position of the third light flux changing on the first light receiving surface, and a fourth light flux emitted from the light source means and diffracted by the first and second objects. The first object and the second object are incident on a light receiving surface. Changes in the direction opposite to the incident position of the third light beam according to the change in the relative positional relationship along the predetermined direction with the third light beam, and when the incident positions of the first light beam and the second light beam coincide with each other, When the first object and the second object are in a relative positional relationship different from the relative positional relationship between one object and the second object, the third light beam and the incident position coincide with each other when the first object and the second object are present. (2) Fourth detecting means for detecting the position of incidence on the light receiving surface; and in the predetermined direction between the first object and the second object based on the detection results of the first, second, third, and fourth detecting means. Means for detecting the amount of displacement and the direction of displacement along the position.
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