JP2699282B2 - 色収差を利用した二重焦点検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、色収差に利用した二重焦点光学系を使用
したＸ線露光装置等におけるマスクとウエハーの位置検
出装置に関する。

［従来の技術］ 本件発明者は、色収差を利用した二重焦点光学系を利
用して、例えば微小距離離れたマスクとウエハー上のマ
ークパターンを同時に検出する二重焦点を有するアライ
メント位置検出装置を提案している。（特願昭62−1961
74号および特願昭63−30600号参照） 以下、この色収差を利用した二重焦点光学系の原理を
図面を参照して説明する。

一般に対物レンズは波長の異なる光線に対して色収差
を有し、例えばｇ線（λ＝435nm）,e線（λ＝546nm）の
２種の光線に対しそれぞれ異なった焦点距離を有してい
る。したがって、同一物点上にあるマークをｇ線の光を
使用して結像させた像点とｅ線の光を使用いて結像させ
た像点は異なることになる。

例えば、開口数N.A.＝0.4,倍率ｎ＝10倍の対物レンズ
の焦点距離は、ｅ線,g線の光に対しそれぞれFe＝12.5m
m,Fg＝12.74mmとなり、物点距離Ｓを13.75mmとしたとき
に生ずる像点距離Ｓ′はそれぞれＳ′ｇ＝137.5mm,S′
ｇ＝137.615mmとなる。

このような対物レンズを使用してその光軸方向に微小
間隔δだけ離れた物点、例えばマスクとウエハーが第13
図に示すようにそれぞれ光軸上のM,M′に位置している
とすると、対物レンズＯのｇ線およびｅ線の光の焦点距
離Fg,Feが異なるため、実線で示すｇ線および点線で示
すｅ線の光によるマスクＭ上のマークの像は光軸上の距
離Ｓ′₂,S′_３離れたC,D点にそれぞれ生じ、ウエハー
Ｍ′上のマーク像は光軸上の距離Ｓ′₁,S′_２離れたB,C
点にそれぞれ生ずることになる。つまり、対物レンズＯ
の色収差によって光軸上のＣ点にはマスクＭ上のマーク
とウエハーＭ′上のマークの像が同一のＣ点位置に生じ
ることになる。ただし、マスクＭ上のマークはｇ線の光
により形成された像であり、ウエハーＭ′のマークはｅ
線の光により形成された像である。

今、Ｃ点に例えばテレビカメラ等の検出系を置いて観
察したとすると、マスクＭ上のマークとウエハーＭ′上
のマークを同時に観察することができるが色収差のため
にそれぞれにじみの像を伴って観察される。このにじみ
の像をｇ線の光をカットしてｅ線の光を透過するフィル
タおよび逆にｇ線の光を透過してｅ線の光をカットする
フィルタを組み合せた、いわゆるパターンバリアフィル
タを使用することにより、それぞれ色収差のにじみを除
去することができ、同一のＣ点においてそれぞれ異なっ
た位置にあるマスクとウエハー上のアライメントマーク
の像を同時に観察することが可能となる。

以下、このパターンバリアフィルタについて、第14図
〜第16図を参照して簡単に説明する。パターンバリアフ
ィルタＡは第16図に示すように２つの波長域例えばｅ線
を透過してその他の波長域をカットするフィルタＩを中
央部分とし、その両側にｇ線の光を透過しその他の波長
域の光をカットするフィルタIIを両側に配設して形成さ
れたフィルタである。

今、例えば第14図に示すように、正方形状のマスクマ
ークａとこれより幅が狭いウエハーマークｂとを重ねて
前記色収差対物レンズで結像させると、結像面には第15
図で示すように、左，右にｇ線の光で焦点が合ったシャ
ープなマスクマークａの像ａ′とｅ線の光により焦点の
にじんだマスクマークａの像ａ″が生じている。また、
中央部にはｅ線の光によるシャープなウエハーマークｂ
の像ｂ′とｇ線の光によるにじんだウエハーマークｂの
像ｂ″が結像されている。例えば、この結像点に上記の
パターンバリアフィルタＡを重ねて観察すると、このパ
ターンバリアフィルタＡのフィルタIIによりにじんで生
じたマスクマークの像ａ″がカットされ、中央部ではフ
ィルタＩによりにじんで生じたウエハーマークの像ｂ″
がそれぞれカットされるので、全体としてシャープなマ
クマークの像ａ′とウエハーマークの像ｂ′だけを同時
に観察することができ、位置の異なるマスクとウエハー
の正確な位置合せが可能となる。

この発明で使用する対物レンズは、このような色収差
を積極的に生じさせ、かつ諸収差をよく補正した色収差
対物レンズである。

［発明が解決しようとする課題］ このような原理に基づき、色収差を利用して微小距離
異なった位置にあるマスクとウエハー面に２つの焦点を
割り振って高分解能の位置検出を可能にしているが、ど
うしてもパターンバリアフィルタを必要とするため結像
範囲が制限され、観察視野が狭くなってしまう。また、
パターンバリアフィルタ中あるいはパターンバリアフィ
ルタと検出系の撮像面の間で発生する干渉によるスペッ
クルが悪影響を与えてしまう。

このため、帯域光を使用してパターンバリアフィルタ
中あるいはパターンバリアフィルタと検出系の撮像面と
の間で発生するスペックルを除去するものが本件発明者
によって既に提案されている。（特願昭63−30600号参
照）ただし、帯域光の本来の目的は、ウエハー上のレジ
スト膜中の多重干渉を防止するためである。また、上記
スペックルはパターンバリアフィルタに反射防止膜をコ
ートすることで除去できる。

以下、簡単にその原理を説明する。第13図と関連させ
るため、使用する光の波長をｇ線（436nm）,e線（546n
m）およびｄ線（587nm）の３つの光とする。この中、ｅ
線とｄ線の光をウエハー上に照射しその上のアライメン
トマークを結像させることを考えると、先に説明した原
理の色収差対物レンズを設計し製作したとすると、第17
図にＰで示すような色収差の特性をもつことになる。こ
こで、マスク上においてｇ線の光とｅ線の光の軸上色収
差（焦点ずれ）を40μｍであるとすると、これはマスク
とウエハー間のギャップδに相当し、マスク上のアライ
メントマークはｇ線の光で、ウエハー上のアライメント
マークはｅ線の光でそれぞれ照射して結像させた像は同
一位置に生じていると見なすことができる 次に、この色収差対物レンズに通常の色消しレンズで
使用されるアクロマートによる色収差補正をｄ線に対し
て行ない、第18図においてＱで示す軸上色収差をもつよ
うにすれば、ｅ線からｄ線付近の光である帯域光に対し
ては色収差補正がなされているため、必要な解像度でウ
エハー上のアライメントマークも同時に検出することが
可能となる。このときのｅ線とｄ線の光に対する色消し
の条件φは、アクロマートを構成する凹レンズの分散ν
_１を ν_１＝（n_1e−n_1d）／（n_1g−１）， この凹レンズのｇ線の光に対する焦点距離をf_2g,アクロ
マートレンズを構成する凸レンズの分散ν_２を ν_２＝（n_2d−n_2d）／（n_2g−１）， 同凹レンズのｇ線の光に対する焦点距離をf_2gとすると
き となる。

また、第13図と同様に近軸領域で考えたとすると、第
３図に示すように光軸のＣ点,D点上にはｅ線とｄ線を含
む帯域光による結像が生じていることになる。

ところで、前述したパターンバリアフィルタを使用す
るものにおいては、ランダムな表面形状をもつパターン
バリアフィルタに、比較的コヒーレンシーの高い超高圧
水銀灯からの光（半値幅;5nm）を入射させると、その光
が散乱され、光の波面の位相はランダムに変調され、光
強度の明暗をもったランダムパターン、つまりスペック
ルが形成される。このスペックルパターンは光の回折
面，結像面などの光学系の構成上どこにでも見ることが
できるため、上記色収差対物レンズを使用した二重焦点
検出装置においても、検出系のTV受像面上に解像度を低
下するイメージとして重畳されて検出されることにな
る。つまり、比較的コヒーレンシーの高い光、例えば超
高圧水銀灯からの光あるいはレーザー光によりパターン
バリアフィルタが照明され、光学系を屈折，反射，透過
して光波面の位相がランダムに変調され、観察面である
TV受像面上に到達することになる。そして、観察面では
ランダムなスペックルが結像される。

以上の説明の中で最も重要な点は、スペックルは光の
干渉により発生するということである。つまり、この光
の干渉現象が発生しなければスペックルは起こらないこ
とになる。このパターンバリアフィルタ中で発生する干
渉は、パターンバリアフィルタに反射防止膜をコートす
ることで基本的に除去することができる。

そこで、帯域光を照射光に使用すれば、帯域光はハロ
ゲン光源あるいはキセノン光源などの光からバンドパス
フィルタにより選択された光であり、その光波面は位相
も周期も振幅も全て不揃な極めて干渉性の低いいわゆる
インコヒーレントな光の集合であるため、前記の干渉は
起こらず（起こってはいるが、光強度の変化としては極
めて微弱で、眼やカメラでは捕えられない）、したがっ
て分解能に影響を与えるようなスペックルは起こらない
ことになる。

以上が照明光に帯域光を使用してパターンバリアフィ
ルタ中あるいはパターンバリアフィルタと検出系の撮像
面との間に発生するスペックルを除去して分解能を向上
させるようにした特願昭63−30600号の発明の原理であ
る。ただし、帯域光化の本来の目的はウエハー上のレジ
スト膜中の多重干渉の防止である。

ところが、このように改善した色収差を利用した二重
焦点装置を使用しても、依然として、結像範囲が狭めら
れ観察視野が狭くなってしまうという問題点は残ってし
まう。

この発明はこのような点に鑑みてなされたもので、パ
ターンバリアフィルタを使用しないで微小間隔離れて位
置したウエハーとマスクの相対位置を高精度に位置検出
することができる色収差を利用した二重焦点装置を提供
することを目的とする。

さらに、この発明の具体的な目的として、 製作が比較的に難かしく高価なパターンバリアフィル
タを使用しない位置検出装置を提供する。

パターンバリアフィルタを使用しないので、その取付
けおよび位置調整等が不必要となり、結像部分周辺を簡
略化，小型化することができ、コストダウンを図ること
が可能となる。

のマークの形状から決まるパターンバリアフィルタの
形状により結像範囲が限定される制限条件を取り除き、
観察視野範囲を広げた位置検出装置となる。つまり、パ
ターンバリアフィルタによる結像範囲の条件が解除さ
れ、結像面全体が２つの焦点面の結像視野、即ち観察視
野となる。

パターンバリアフィルタがなくなるため、パターンバ
リアフィルタの製造の難易度から制約される検出パター
ンの形状が無制限となり、自由な検出パターンを用いる
ことが可能となる。

パターンバリアフィルタ中あるいはパターンバリアフ
ィルタと検出カメラの受像面である撮像面との間で発生
する干渉によるスペックルが完全に除去されるため、光
学的な解像力が向上する。

パターンバリアフィルタの中央部は、製造上どうして
も両端にケラレの部分が発生し解像度が低下しやすい
が、この発明のものでは、パターンバリアフィルタを使
用しないので、ケラレによる解像度の低下が無くなり、
光学的な解像力が向上する。

次に、この発明の色収差を利用した二重焦点装置を半
導体のリソグラフィー分野に使用されるＸ線アライナー
のアライメント装置に適用した場合には、次のような具
体的な目的を有するものとなる。

撮影レンズ（リレーレンズ）付近から、パターンバリ
アフィルタとその取付調整が無くなり、実質上、位置検
出装置は対物レンズと鏡筒とテレビカメラだけになるた
め、装置全体が小型化、軽量化および簡素化が図られ
る。

パターンバリアフィルタが無くなるため、これに付随
して解像度を低下させるスペックルおよびケラレ等が排
除され、光学的に解像度が向上することにより、最終的
なアライメント精度も大幅に向上する。

パターンバリアフィルタが無くなり、アライメントマ
ークの形状に関する制約条件が一切なくなるため、任意
の形状のアライメントマークが設定できることになる。
これはパターンバリアフィルタの製造上の困難性から、
これまでのアライメントマークは１軸検出用マークでの
検出しかできなかったものが、例えば十字マーク等の２
軸検出用マークでの検出が可能となる。

したがって、アライメント装置の数を減らすことがで
きる。例えばX,Y,θの３軸を検出する場合、従来３個の
検出系を必要としていたが、これを２つに減らすことが
可能となる。このため、さらにアライメント装置を取り
付けるアライメントステージの減少を加えて、コストダ
ウンが図られる。

このように、アライメント装置およびアライメントス
テージの数の減少により装置全体の寸法的な取り合いが
大幅に緩和される。また、マスクステージの設計条件も
極めて楽になる。

パターンバリアフィルタが無くなるため、その形状か
らもたらされるアライメントマークを検出し、かつ、そ
れらの位置計測が可能ないわゆるキャッチアップレンジ
の制限が無くなり、精密位置計測であるファインアライ
メントおよび粗位置計測であるコースアライメントので
きる範囲が大幅に広がるため、オートアライメント時の
アライメントミス（アライメントできない状態に陥るこ
とで、キャッチアップレンジからアライメントマークが
はずれてしまうこと。）が極端に低下し、最終的にスル
ープット（時間当りのウエハーの処理枚数）が大幅に向
上する。

パターンバリアフィルタを使用した場合、その形状か
らキャッチアップレンジは極めて狭かったために（これ
は倍率に依存し、本件発明者が試作した装置では、倍率
150倍でＸ線マスクのアライメントマークに対して物体
面上15μｍ、コースアライメント用に信号を30倍に下げ
た場合でも75μｍと狭い。）、ファインアライメントを
行なう前のコースアライメントでは、上記検出装置の併
用が困難で、実際上はコースアライメント用に低倍率
（５倍〜30倍）で低開口数（N.A.≒0.1）の光学系を別
に設ける必要があった。この発明ではパターンバリアフ
ィルタがなくなるため、基本的には観察視野全体がキャ
ッチアップレンジとなる。このことは、マスクおよびウ
エハーのコースアライメントにおいて極めて都合が良
い。

例えば、ファインアライメント用装置をコースアライ
メントに併用したときのキャッチアップレンジは、倍率
を30倍とした場合、パターンバリアフィルタの中央部分
において15μｍ×（150/30）倍＝75μｍであり、コース
用キャッチアップレンジとしては不十分である。

このことは、コースアライメントの前にウエハーを例
えば位置決めピン等の機械的な方法で75μｍの範囲に位
置ずれすることを意味し、これは非常に困難なものとな
っていた。この例の場合の計算例であると、パターンバ
リアフィルタが無くなることで、キャッチイアップレン
ジは観察視野全体となり、その範囲は15μｍから１イン
チ撮像管の長辺側長さである80μｍに拡大することにな
る。このときの観測視野は 80μｍ×（150/30倍）＝400μｍ となり、パターンバリアフィルタを使用した場合の約５
倍であり、面積にすれば5²＝25倍に広がることになる。
これは装置として使用する場合の十分なレンジだといえ
る。つまり、パターンバリアフィルタを取り除いた装置
では、コースアライメント用との併用が可能になる。

このことで、これまで必要であったコースアライメン
ト用の低開口数の顕微鏡と受像装置を組合せた検出装置
を用いることなくコースアライメントすることが可能に
なり、ファインアライメント用の色収差を利用した二重
焦点装置でコースアライメントも同時に兼用することが
できることになる。このとき必要な操作は、撮影レンズ
を交換するだけで済み、例えばレボルバー方式にレンズ
交換できるようにするだけで観察倍率は極めて容易に変
換を行なうことができる。

このことから、コースアライメント装置を取り除くこ
とができ、かつ、の２方向（X/Y）検出ができるアラ
イメントマークを用いることで、トータルとして必要な
アライメント装置の数を大幅に減らすことが可能とな
る。例えば、従来のパターンバリアフィルタを使用した
場合、X,Y,θの３軸を検出する場合の例では、色収差を
利用した二重焦点装置をファインアライメント装置とし
て３台必要になり、それに加えてコースアライメント用
に低開口数の対物レンズを用いたコースアライメント装
置が２台必要になり、合計５台が必要となる。また、ア
ライメントステージの数（５台）必要となる。

ところが、この発明のパターンバリアフィルタを使用
しない色収差を利用した二重焦点装置によれば、コース
アライメント装置は不要となり、また、上記により１
つのアライメント装置でＸ−Ｙの２軸を検出することが
できるので、トータルとして２台のアライメント装置で
済むことになる。これは操作性およびコストの点で大幅
な改善となる。

さらにアライメントステージも２台で済むことになる
ので、大幅なコストダウンが図られる上、設計上におい
ても極めて厳しかったマスクステージとの寸法的な取
合、およびマスクステージの自由度が大幅に緩和され、
技術的に何ら困難性を伴わない設計が可能となる。

また、アライメント装置を含むマスクステージの剛性
が上がり、Ｘ−Ｙステージと併せた最終総合精度の向上
に大きく影響を与えることになる。

［課題を解決するための手段］ この発明では、光軸方向に微小距離離間した第１の物
体と第２の物体の光軸方向に直交する方向の相対位置を
検出する位置検出装置において、第１の波長と第２の帯
域光に対して上記微小距離に相当する軸上色収差を生じ
る対物レンズを使用し、上記第１の波長の光および第２
の帯域光あるいは上記第１の波長の光と第２の帯域光を
透過するバンドパスフィルタを使用した落射型照明装置
を使用して照明し、上記微小距離離間した第１の物体と
第２の物体の光軸方向に直交する方向の相対位置を同時
に検出するようにしたことを特徴とする色収差を利用し
た二重焦点装置である。

［作用］ したがって、パターンバリアフィルタを使用すること
なく微小距離離間した第１の物体と第２の物体の光軸方
向に直交する相対位置を同時に検出するこが可能とな
り、光学的な解像度の向上，キャッチアップレンジの拡
大およびスループットの向上，位置検出装置の簡略化，
小型化が図られるとともに、大幅なコストダウンが図ら
れる。

［実 施 例］ 以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明
する。第１図は色収差を利用した二重焦点装置の構成を
示す側面図で、照明光軸５上の光源７からの光はバンド
パスフィルタ６を透過して検出光軸１に45度の角度に設
置されたハーフミラー４で直角に下側に反射され、色収
差対物レンズ８により収束されてマスク９およびウエハ
ー10を照射する。

上記バンドパスフィルタ６は、第２図に示す分光透過
率を示すフィルタで、例えば波長λ_１＝436nmのｇ線の
光とλ_２＝520nm〜600nmのｅ線およびｄ線を含む帯域光
部分だけの光を透過する性質を有するフィルタである。

マスク９およびウエハー10から反射された光は再び色
収差対物レンズ８により収束され、ハーフミラー４を透
過して検出光軸１に沿って垂直に直進し、マスク９およ
びウエハー10の像を結像する。この像はリレーレンズ３
を介してカメラ２に撮像され、観察されるように構成さ
れている。

したがって、この検出装置は従来の落射型照明装置を
有する顕微鏡とほぼ同じ構成となっており、落射型照明
装置のNDフィルタを設ける場所にバンドパスタフィルタ
６をセットするだけで外見上何ら従来の顕微鏡構成とか
わらないことになる。また、従来の二重焦点装置との違
いは、検出光軸１にパターンバリアフィルタが用いられ
ておらず、照明系にバンドパスフィルタ６が用いられて
いる点で相違していることになる。

そして、上記色収差対物レンズ系８の構成は、先願で
ある特願昭63−30600号およびこの応用として帯域光照
明に使用される特願昭62−196174号において設計，製作
された色収差を積極的に生じさせ、かつ、諸収差をよく
補正した色収差対物レンズがそのまま使用される。

次に、第１図に示すように構成される色収差を利用し
た二重焦点装置の原理を第３図を参照して説明する。第
３図は色収差対物レンズ８の近軸領域における結像状態
を示す線図で、色収差対物レンズ８の前にはＳだけ離れ
た光軸上の位置Ｍにマスク９が、さらにδ離れた光軸上
の位置Ｍ′にはウエハー10が置かれているとする。この
マスク９とウエハー10は、照明装置のバンドパスフィル
タ６を透過したｇ線の光、およびｅ線,d線を含む帯域光
の２つの光束でそれぞれ照射される。したがって、マス
ク９上のアライメントマークのｇ線の光による色収差対
物レンズ８での像は実線で示すように光軸上Ｓ′_２離れ
たＣ点に生じ、また、マスク９上のマークの帯域光によ
る結像は光軸上Ｓ′_３離れたＤ点に生じる。また、ウエ
ハー10上のアライメントマークの帯域光による像は光軸
上Ｓ′_２離れたＣ点に、また、ウエハー10上のアライメ
ントマークｇ線の光による結像は光軸上Ｓ′_１離れたＢ
点上に生じることになる。

照明光源７として、例えば高輝度のキャノンランプを
使用したりすると、先願の発明ではウエハー面10上のア
ライメントマークの結像に必要な光以外の530nm以下の
光および600nm以上の光はパターンバリアフィルタによ
りカットされ、また、マスク面９上のアライメントマー
クの結像に不必要な430nm以下および450nm以上の光も同
時にカットされるように構成されていた。この先願の二
重焦点装置においても、もしパターンバリアフィルタを
取り除いて結像させたとすると、マスク９上およびウエ
ハー10上のアライメントマークは、ともにパターンバリ
アフィルタで不必要な光をカットしないので、解像度の
低下を招く色収差のにじみの像が発生し、マスク９およ
びウエハー10のアライメントマークはともにその結像は
ぼけた状態でいることになり、とうてい所望の解像度が
得られなくなってしまう。

この例では、上記のように照明装置にバンドパスフィ
ルタ６を設置し、これを透過したｇ線およびｅ線,d線を
含む帯域光の２つの光束だけを落射照明するように構成
されている。

次に、変形例を第４図に基づいて説明する。上記の例
は、第２図に示す分光透過率、即ち、ｇ線およびｅ線と
ｄ線を含む520nm〜600nmの帯域光の２波長の光を透過す
る１枚のバンドパスフィルタ６を使用したものである
が、このようなフィルタは製作が比較的に困難で高価に
なることが予想される。このため、この例ではｇ線の光
を透過するバンドパスフィルタ6aとｅ線およびｄ線を含
む520nm〜600nmの帯域光を透過させるバンドパスフィル
タ6bをそれぞれの光源7₁,7₂の前に設置して、照明光軸
５に45度の角度で設置されたハーフミラー11により合成
するように構成したものである。その他の部分は第１図
に示すものと同様であるので、同一部材には同一符号を
付し、詳しい説明は省略する。

このように選択された２つの光束による結像状態は次
の第１表に示すようになる。

このように、この例では照明光側で必要とする２つの
光束を単色光と帯域光の２光束に選択して照射している
ため、上記第１表に示す結像点以外には結像しないよう
になる。これを従来の例についてみればB,C,D点以外に
も結像点は無数，無限に存在していたのに比べ大きく相
違する点である。

このことは、これから説明する色収差対物レンズ８の
開口数N.A.から決まる焦点深度と、マスクとウエハー間
のギャップδの２位置を考え合せると、極めて都合のよ
い性質を作り出すことが可能となる。

先ず、本件発明者が試作した実際の装置を例にとれ
ば、色収差対物レンズ系の開口数N.A.＝0.4,焦点深度±
1.8μm,2位置間の距離δ＝40μm,倍率β＝150/133＝ウ
エハー／マスクである。

第３図において、結像点はB,C,Dの３点のみであり、
他には存在しない。

これは繰り返して説明するが、照明装置で入射する２
光束に制限しているためである。Ｃ点での結像状態を考
えると、Ｂ点およびＤ点でできた結像の色収差のにじみ
により像ボケが発生している。

ここで重要なのは、この像ボケの程度である。Ｃ点で
シャープに結像しているマスクおよびウエハー上のマー
クの像に対して、分解能に影響を与えない像ボケの程度
であれば、このB,Dの結像点において発生する像ボケは
全く問題なく無視できることになる。そこで、結像点Ｃ
における結像点Ｂの像ボケの状態、および結像点Ｃにお
ける結像点Ｄのボケ状態を空間周波数MFTで評価するた
めに次のような実験を行なった。

実験装置；通常の落射照明系を有る顕微鏡 対物レンズN.A.＝0.4 焦点深度 ±1.8μｍ 倍率 150倍 なお、上記対物レンズは、本件発明者が試作した色収
差対物レンズと全く同じ光学的スペックのものを使用し
た。

MTF観察パターン；厚さ50μｍのプレパラートガラス
に２μｍのラインとスペースを交互に有するクロムを縞
状にパターニングしたもの。

この実験装置の構成を第５図に、MTF観察パターンの
構成を第６図に示す。

実験方法；顕微鏡13の対物レンズ14の焦点をMTF観察
パターン15に合わせ、この像をカメラ16の撮像管で電気
信号に代え、観察用モニター17に映像を写し出し、この
写し出された像を写真撮影する。次に、上記位置から対
物レンズ14を40μｍ焦点位置を移動して焦点ボケを起し
た状態でモニター17に写し出される像を写真撮影する。

実験結果；第７図に顕微鏡13の対物レンズ14をMTF観
察パターン15に焦点を合せたときの様子を示す。また、
第８図は対物レンズ14の焦点を40μｍずらして焦点ボケ
を作った状態のMTF観察パターンの状態を示す。この図
からも明らかなように40μｍの焦点ボケの状態では何も
解像していないことが分かる。参考まで、第９図に試料
が無い状態の観察モニタ17の映像の状態を示す。

考察：第８図に示される像ボケの状態は、像ボケとい
う解像の範囲から遠く離れた状態であり、全く結像の無
い第９図に示すバイアスの明るさに等しい状態となって
いる。

これらの実験結果を第３図に当てはめて考察してみ
る。光軸上のＣ点における結像に対して、光軸上Ｂ点,D
点の結像像ボケとしてＣ点の結像（コントラスト）に重
量されるが、このときＣ点で重量されるB,D点の結像状
態は、上記実験結果で確認した第８図に示す状態と同じ
であると考えられる。

つまり、光軸上のＤ点にできるマスク９の結像は、光
軸上のＣ点に到ると全く結像しておらずＣ点上にできる
結像の解像度には全く影響を与えない。

同様に光軸上のＢ点にできるウエハー10の結像は、Ｃ
点に到ると全く解像しておらず、Ｃ点に生じる結像の解
像度に全く影響を与えることがない。

これらの性質は、色収差対物レンズの焦点深度（つま
りは開口数N.A.）と、マスクとウエハーとの間のギャッ
プに依存している。

上述した実験の場合、焦点深度が±1.8μｍ（N.A.＝
0.4）に対して、マスクとウエハー間のギャップが40μ
ｍと極めて広いために、上記のような極めて都合のよい
性質が生じたものである。この性質は、マスクとウエハ
ー間のギャップが一定ならば開口数N.A.が上がる程、つ
まり焦点深度が浅くなる程顕著となり、光軸上のＢ点お
よびＤ点の結像が光軸上Ｃ点における結像の解像度に影
響を与えないことになる。

一方、開口数N.A.が一定、つまり焦点深度が一定なら
ば、マスクとウエハー間のギャップが狭くなる程、光軸
上のＢ点,D点に生ずる結像からの影響はＣ点上にできる
結像において無視できなくなる。

そこで、これらの開口数N.A.（焦点深度）とギャップ
の関係を、本件発明者はこれまでに亘り行なった実験結
果と一般に知られているＸ線アライナーにおけるマスク
とウエハー間の適正なギャップを比較して、光軸上のＢ
点およびＤ点の結像の影響を無視できる範囲に納まるか
どうかを検討する。

本件発明者がこれまで実験を行った結果によれば、0.
01μｍ前後の検出分解能を開口数N.A.＝0.3以上の対物
レンズにて得られている。（具体的にはN.A.＝0.32およ
びN.A.＝0.4の対物レンズを使用） また、現在さかんに研究開発されている殆どのシンク
ロトロン放射光（SOR）のＸ線アライナーが、マスクと
ウエハー間のギャップを40μｍ以上に設定している。

そこで、開口数N.A.＝0.3,ギャップ＝40μｍと最も条
件の悪い組合せで考えると、開口数N.A.＝0.3の対物レ
ンズがもつ焦点深度は±3.1μｍである。

これに対して、ギャップは40μｍと極めて大きいた
め、開口数N.A.＝0.4のものに比べてみても同等に像ボ
ケの影響は無視できることが容易に推察できる。

以上のことからSOR骨弦のＸ線アライナーにおいて
は、この発明により改良された色収差を利用した二重焦
点装置を用いる上では、像ボケによる解像度低下の問題
は無く、使用可能であることが明らかになった。

以上が、この発明の構成およびその原理と、これに関
連する実験結果である。

上記の例において、使用波長としてｇ線およびｅ線,d
線を含む帯域光の２つの光を使用した場合について説明
したが、これは超高圧水銀燈を使用することを想定して
話を進めてきたためで、次のように理由からｇ線のよう
な短い波長の光を使用しないで、マスクおよびウエハー
ともに500nm前後以上の長い波長の光を使用することの
方が望ましい。これは、500nm以下ではメンブレムSiNで
の透過率が低いことからである。第10図にＸ線マスク
（SiN膜厚２μｍ）の波長に対する分光透過率のグラフ
を示す。（精密工学53/11/1987） 次に、第11図にマスク22とウエハー23を対向させた場
合の様子を側面図で示す。厚さ２μｍのメンブレムSiN2
2の下側にはＸ線吸収体のタンタルTaのパターン21が形
成されており、この下にウエハー23が間隔を空けて配置
されている。したがって検出パターンを形成するタンタ
ルTa21がメンブレムSiN22を挟んで上からのアライメン
ト光24の下側にあるため、500nm以下のアライメント光
を照射すると、マスク22のアライメントマークもメンブ
レムSiN21を通して検出されるため、その50％以上がメ
ンブレムSiN21で吸収されてしまい、照度不足より検出
精度が低下してしまう可能性がある。例えば、アライメ
ント光24がｇ線であるとすると、透過率が20％前後しか
なく、アライメント光としては不適切であることが分か
る。したがって、このような装置における光源として
は、高輝度キセノンランプを使用してマスク面に510nm
前後の半値幅（30nm）の光を、ウエハー面には570〜680
nmの帯域光を割り当てるのが適当だと考えられる。

次に、この発明の色収差を利用した二重焦点装置をシ
ンクロトロン放射光（SOR）をＸ線光源にもつＸ線アラ
イナーのアライメント装置として搭載した例について説
明する。

第12図に示すその概略構成図において、防振装置を有
するベース25上に縦形Ｘ−Ｙステージ26とマスクステー
ジ27が平行に配置され、これに対向してＸ線取り出し口
28が水平に配設されている。このＸ−Ｙステージ26,マ
スクステージ27上のウエハーとマスクには、Ｘ線露光エ
リアの外周のスクライブラインに設けたそれぞれのアラ
イメントマークを検出して相対位置を位置決めするため
のアライメント装置29が２台斜めに傾けて配設されて構
成される。このアライメント装置29はコースアライメン
トとファインアライメントを１台で行なう兼用のもの
（本発明による二重焦点装置）で都合２台装備される。

まず、コースアライメントがマスクとウエハー間でな
され、相対位置が±0.5μｍ前後に位置決めされる。続
いてアライメント装置29の撮影レンズの倍率を交換レボ
ルバー等の切換えにより検出倍率を上げることによりフ
ァインアライメントが行なわれ、マスクとウエハー間の
相対位置を±0.01μｍ前後に位置決めされる。

以上のマスクとウエハーの位置決め中、アライメント
装置29は、マスクとウエハーの相対位置を検出し、この
信号をＸ−Ｙステージ26およびマスクステージ27にそれ
ぞれフィードバックして制御を行なっている。アライメ
ント信号はＸ−Ｙステージ26の位置決めに十分な応答性
を有しており、これは総合アライメント精度の向上に大
きく影響を与える。

次に、この発明により解決された問題点（作用・効
果）をさらに、前記発明の目的に列記した順番に対応し
て詳しく説明する。

パターンバリアフィルタＡは第16図に示されるように
２種類のバンドパスフィルタＩ′,II′を粘り合せて形
成されている。このため、通常のフィルタに比べて極め
て製作工程が複雑で高価なものとなってしまう。この発
明ではこのパターンバリアフィルタを使用しないのでそ
の分コストが安価なものとなる。

このパターンバリアフィルタはカメラ光軸に対して心
出しが必要であり、X,Y,θの３軸の精密な調整機構を必
要としていた。これに対し、この発明ではパターンバリ
アフィルタを必要としないので、めんどうな調整機構を
必要とせず、大幅なコストダウンを図ることができる。

パターンバリアフィルタを使用した場合、マスクパタ
ーンおよびウエハーパターンが結像する範囲は、このパ
ターンバリアフィルタの形状により限定される。例え
ば、検出領域が縦・横90μｍ×60μｍであったとして
も、単純にパターンバリアフィルタで３等分されるとす
ると、領域検出は縦・横30μｍ×60μｍと分割された３
つの領域となり、特に中央の領域は縦・横30μｍ×60μ
ｍの1/3に縮小されてしまう。この発明では、パターン
バリアフィルタを使用しないので、このような検出領域
の減少は一切起こらない。

第16図に示すように、パターンバリアフィルタＡは現
在透過特性の異なる２つのバンドパスフィルタを粘り合
せて形成されているため、通常のフィルタに比べ製作難
度は高く、設計条件は制約される。例えば、１つのアラ
イメント装置でＸ−Ｙの２軸を検出しようとした場合に
十字マークが必要になり、これに対応したパターンバリ
アフィルタを製作しようとすると、例えば第19図に示す
ように十字状のバンドパスフィルタＩ′と正方形状のバ
ンドパスフィルタII′を粘り合せて製作しなければなら
ず、さらにその製作が困難なものとなる。

この発明では、パターンバリアフィルタを使用しない
ので、このような制約は一切無くなり、自由なアライメ
ントマークが使用できることになる。また、一つのアラ
イメントマークで、例えばＸ−Y2軸の検出も同時異に可
能なマークを使用可能となる。

パターンバリアフィルタは、検出系の撮像面と対向し
ているため、その間でもスペックルパターンが発生し解
像度が低下してしまう。ただし、パターンバリアフィル
タに反射防止膜をコートすることで防止できる。これに
対し、この発明のものではパターンバリアフィルタを使
用しないので、スペックルパターンの発生は起きず、ま
た、解像力の低下は起こらない。

パターンバリアフィルタの貼り合せ部には通常墨塗が
施され、かつ、バリ取り面があるため、どうしてもケラ
レが生じ、特に中央に挟まれた部分ではその影響が大き
く解像度が低下し易くなる。この発明では、パターンバ
リアフィルタを使用しないので、このようなケラレは一
切起こらない。

次に、シンクロトロン放射光（SOR）光源を使用した
Ｘ線アライナーに応用した場合について前記目的に記載
した番号に対応して解決された問題点（作用・効果）を
説明する。

パターンバリアフィルタの調整機構が不必要であるた
め、アライメント装置全体が小型化される。ちなみに現
在設計されたアライメント装置は、対物レンズを除く本
体部分の外形寸法が縦・横・厚さ80mm×80mm×20mm,鏡
筒部分が20mmと極めてコンパクトな二重焦点装置に形成
されている。パターンバリアフィルタの調整機構を排除
できるこの発明はこのような点で極めて大きな意味を持
っている。即ち、マスクステージとの干渉を考えた場
合、その効果は極めて大きいものとなる。

前記，の中から光学的な分解能の低下が無くなる
ため、Ｘ−Ｙステージおよびマスクステージにフィード
バックして制御するアライメント信号の精度が格段に向
上する。

前記，で述べたものと同様であり、ここでは重複
するのでその説明を省略する。

前述の，の説明から十字マークの設定が可能とな
り、したがって、１台のアライメント装置によりＸ−Ｙ
の２軸検出が可能である。通常のマスクとウエハーの相
対位置はX,Y,θの３軸で規定されるため、アライメント
装置は少なくとも３台は必要であった。ところが、２軸
検出が可能となるため、２台のアライメント装置から各
々（X₁,Y₁）と（X₂,Y₂）の検出が可能となるため、θ検
出もこれから求めることができる。したがって、コスト
も2/3に低下し、小型化が可能である。

後述の，の説明と同じであるのでその説明は省略
する。

パターンバリアフィルタを使用しないので、キャッチ
アップレンジが大幅に広くなることは、特にコースアラ
イメント時に重要な意味を持ってくる。

通常、Ｘ線アライナーを含め、現在使用されている光
ステッパーにおいては、マスクとウエハーの位置決めは
次の３段階で行なわれている。

（１）ウエハーをチャック上に乗せたときに、位置決め
ピンによる機械的な位置決め操作，位置決め精度は300
μｍ〜100μｍ前後である。

（２）次に、アライメント装置を使用したコースアライ
メントが行なわれる。この精度は１μｍ前後が一般的で
ある。

（３）最後に、アライメント装置を使用してマスクとウ
エハーのファインアライメントが行なわれる。

上記（１）〜（３）は、全自動により行なわれ、スル
ープット向上の要となっている。

特に上記（２）のコースアライメント時のキャッチア
ップレンジは、全自動の調整がスムーズに行なわれる際
のポイントとなる。もしここでキャッチアップできなけ
れば、そこで作業は一旦中断し、人の介入等により行な
う必要が生じ、スループットを大幅に低下させる原因と
なる。

これは、上記（１）の機械的な位置決め精度が上記
（２），（３）に比べて不安定であるためであり、上記
（２）のキャッチアップレンジはできるだけ広く取れる
ことが望ましい。特に、SOR光源使用のＸ線アライナー
と縦型構成となるために、水平置きの光ステッパー等に
比べると、益々その精度は低下しやすくなる。

例えば、従来の色収差を利用した二重焦点検出装置を
コースアライメント用に使用したとする。この倍率を30
倍前後とすれば、検出視野は400μｍ×300μｍとなる
が、パターンバリアフィルタにより単純に３分割された
とすると、130μｍ×300μｍと大幅に減少し、キャッチ
アップレンジもこれとともにかなり厳しくなり、キャッ
チアップできない可能性が高く、上記（１）から（２）
への作業が中断してしまうことにもなる。

一方、これを防止するために検出倍率を下げたとする
と、上記（２）における検出精度の低下につながり、精
度的に問題を引き起こしてしまう。

以上のことから、パターンバリアフィルタを使用して
いる限り、上記（２）におけるキャッチアップレンジ，
検出倍率および検出精度は、相互に干渉し合う問題をも
つことになる。

また、上記（１）の精度にもその影響を及ぼし、
（１）の設計，製造負荷をも増大してしまうことにな
る。本発明によれば、パターンバリアフィルタを必要と
しないため、以上説明した問題点が一掃される。

上記により、キャッチアップレンジが広がることに
より、ファインアライメントに使用したアライメント装
置をそのままコースアライメント装置として兼用するこ
とが可能となる。

第20図に、従来の色収差を利用した二重焦点装置をＸ
線アライナーに搭載した場合の配置図を示す、マスクス
テージ34の中央の25mm×35mmのＸ線透過領域３の周りに
ファイン用アライメント装置32を３台斜めに配置した場
合で、左側はコースアライメント装置31を２台合計５台
配設して行なわれていた。

これに対し、この発明のものでは、第21図に示すよう
に、マスクステージ34の中央のＸ線透過領域33の周りに
は、コースアライメントとファインアライメントを兼用
するアライメント装置35を２台斜めに配設すればよいこ
とになる。

第20図と第21図とを比較すれば一目瞭然であるが、ア
ライメント装置は極めて簡略化される。これにより、マ
スクステージとの寸法的な干渉問題は一掃され、より現
実的なマスクステージの設計の自由度が拡大される。ま
た、第20図および第21図に示していないが、各アライメ
ント装置は５台から２台に激減することになり、処理装
置を含め装置全体の小型化，簡略化とともに大幅なコス
トの削減をもたらすことになる。

上述の説明は、主にウエハーおよびマスクの２物体間
の位置検出装置の例について説明したが、パターンバリ
アフィルタを必要としないので観察視野が大幅に広が
り、通常の顕微鏡観察と同化してさらに多くの分野の適
用することが可能になる。例えば、光学顕微鏡では焦点
深度が浅くて検査が不可能であった膜厚の検出装置や光
軸方向の異なる位置に存在する２つの物体の同時観察
等、幅広い応用分野に適用することが可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明の色収差を利用した二
重焦点消装置は、パターンバリアフィルタを使用しない
で微小距離離間した２物体を同時に観察することがで
き、装置が簡略化して小型化することができるととも
に、何ら分解能を低下させることなく検出を行なうこと
ができる。したがって、大幅なコストダウンを図ること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の構成を示す色収差を利用し
た二重焦点検出装置の光路図、 第２図は、上記第１図に使用するバンドパスフィルタの
分光透過率図、 第３図は、色収差対物レンズの原理を説明するための近
軸領域における線図、 第４図は、本発明の変形例の構成を示す光路図、 第５図は、本発明を評価するために使用した実験装置を
示す側面図、 第６図は、上記第５図の実験装置に使用するMFT観察パ
ターンの拡大図、 第７図は、MTF観察パターンに焦点が合ったときの状態
のMTF観察パターンの像を示す線図、 第８図は、上記第７図の状態から対物レンズを40μｍ移
動した場合のMTF観察パターンの像を示す線図、 第９図は、MTF観察パターンが無い状態の明るさ（バイ
アス）を示す線図、 第10図は、SiN膜の分光透過率を示すグラフ、 第11図は、マスクとウエハーを拡大して示した側断面
図、 第12図は、アライメント装置の配置を示す側面図、 第13図は、従来の色収差対物レンズの原理を説明するた
めの近軸領域の光路図、 第14図〜第16図は、従来のパターンバリアフィルタと色
収差対物レンズを使用してマスクマークとウエハーマー
クを観察した状態を説明するための線図、 第17図および第18図は、色収差対物レンズの原理を説明
するための線図、 第19図は、２軸用パターンバリアフィルタの構成を示す
線図、 第20図は、従来のＸ線アライナーの検出装置の配置図、 第21図は、本発明のＸ線アライナーの検出装置の配置図
である。 １……検出光軸 ２……カメラ ３……撮影レンズ（リレーレンズ） ４……ハーフミラー ５……照明光軸 ６……バンドパスフィルタ ７……光源 ８……色収差対物レンズ ９……マスク 10……ウエハー

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光軸方向に微小距離離間した第１の物体と
   第２の物体の光軸方向に直交する方向の相対位置を検出
   する位置検出装置において、 第１の波長の光と第２の帯域光に対して上記微小距離に
   相当する軸上色収差を生じる対物レンズを使用し、上記
   第１の波長の光および上記第２の帯域光あるいは上記第
   １の波長の光と上記第２の帯域光を透過するバンドパス
   フィルタを使用した照明装置を使用して照明し、上記微
   小距離離間した第１の物体と第２の物体の光軸方向に直
   交する方向の相対位置を同時に検出するようにしたこと
   を特徴とする色収差を利用した二重焦点検出装置。