JP2775987B2 - 位置検出装置 - Google Patents

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との相対的な位置ずれ量を求
め、双方の位置決め（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。

多くの位置検出装置においては、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マークを設け、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マークのずれ量を画像処
理を行うことにより検出したり、又は米国特許第403796
9号や米国特許第4514858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マークとしてゾーン
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マークを用いた方法に比べてア
ライメントマーク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５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。

同図においてマスクＭはメンブレン117に取り付けて
あり、それをアライナー本体115にマスクチャック116を
介して支持している。本体115上部にアライメントヘッ
ド114が配置されている。マスクＭとウエハＷの位置合
わせを行う為にマスクアライメントマークMM及びウエハ
アライメントマークWMがそれぞれマスクＭとウエハＷに
焼き付けられている。

光源110から出射された光束は投光レンズ系111により
平行光となり、ハーフミラー112を通り、マスクアライ
メントマークMMへ入射する。マスクアライメントマーク
MMは透過型のゾーンプレートより成り、入射した光束は
回折され、その＋１次回折光は点Ｑへ集光する凸レンズ
作用を受ける。

又、ウエハアライメントマークWMは反射型のゾールプ
レートより成り点Ｑへ集光する光を反射回折させ検出面
119上へ結像する凸面鏡の作用（発散作用）を持ってい
る。

このときウエハアライメントマークWMで−１次で反射
回折作用を受けた信号光束はマスクアライメントマーク
MMを通過する際、レンズ作用を受けずに０次光として透
過し検出面119上に集光してくるものである。

ここでマスクＭのアライメントマークMMでｍ次の回折
作用を受け、ウエハＷのアライメントマークWMでｎ対の
反射回折作用を受け、再度マスクＭのアライメントマー
クMMでｌ次の回折作用を受けた光束を以下、便宜上（m,
n,l）次光と称する。従って前述の光束は（1,−1,0）次
光の信号光束となる。

同図の位置検出装置においては、マスクＭに対しウエ
ハＷが相対的に所定量位置ずれしていると、その位置ず
れ量Δσｗに対して検出面119上に入射する光束の入射
位置（光量の重心位置）がずれてくる。このときの検出
面119上のずれ量Δδｗと位置ずれ量Δσｗとは一定の
関係があり、このときの検出面119上のずれ量Δδｗを
検出することによりマスクＭとウエハＷとの相対的な位
置ずれ量Δσｗを検出している。

同図に示すようにマスクＭから出射する信号光束の集
光位置Ｑからウエハ２までの距離をaw、ウエハＷから検
出面119までの距離bwとしたとき検出面119上の位置ずれ
量Δδｗは となる。（ａ）式より明らかのように（bw/aw−１）倍
に位置ずれ量が拡大される。この（bw/aw−１）が位置
ずれ検出倍率となる。

尚、同図に示す装置では一般にマスクＭ固着後にため
し焼等を行いマスクとウエハとの位置ずれ量がないとき
の信号光束の入射位置（基準位置）を基準とし、この位
置と実際の光束の入射位置とのずれ量を検出面119で検
出し、このときの値Δδｗを用いて（ａ）式より位置ず
れ量Δσを求めている。

（発明が解決しようとする問題点） 一般に第５図に示す位置検出装置では検出面119上に
は（1,−1,0）次光の他に回折次数の異なる例えば（0,
−1,＋１）次光が略々集光する場合がある。

例えばマスクＭ上のアライメントマークMMへ入射した
のち、これを０次回折光で透過し、ウエハＷ上のアライ
メントマークWMでまず＋１次で反射回折し、凸パワー
（収束）の作用をうけ、更にマスクＭ上のアライメント
マークMMで−１次で透過回折して凹パワー（発散）の作
用を受けた（0,−1,＋１）次光が検出面119に略々集光
する場合がある。

第６図はこのときの（1,−1,0）次光と（0,−1,＋
１）次光の伝播の様子を模式的に示した説明図である。

ここで一般には（1,−1,0）次光と（0,−1,＋１）次
光とではマスクとウエハ間の相対位置ずれ量に対する入
射位置移動量の検出倍率が異なる。この為、光束の入射
位置として検出面119内において、検出面内の各点のそ
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
のを検出面全面で積分したときに積分値が０ベクトルに
なる点（以下（光束の）重心と呼ぶ）を検出すると、信
号光束としての（1,−1,0）次光以外に（0,−1,＋１）
次光の影響を受けてしまい、あるいはS/N比が劣化する
等して（ａ）式を用いても正しい位置ずれ量の検出がで
きない場合があった。

この他、従来の位置検出装置においては位置合わせを
行う為に対向配置した２つの物体間に予め設定された値
から外れて間隔が変動する場合がある。この場合、その
変動に伴い位置ずれ量Δσｗに対する検出面上での光束
の入射位置のずれ量Δδｗとの比Δδw/Δσｗである位
置ずれ検出倍率も変動し、位置ずれ量の検出誤差となっ
てくるという問題点があった。

又、光源や該光源からの光束をマスク面上に導光する
為の投光光学系等を内蔵するアライメントヘッドがアラ
イメントマークに対して相対的に位置変動を起こすと検
出部の検出面上への光束の入射位置も変動し、効果的に
位置ずれ量Δδｗの検出誤差となってくるという問題点
があった。

本発明は対象とする信号光束である（m,n,l）次光に
対して検出誤差要因となる（ｍ′,n′,l′）次光の悪影
響を効果的に防止しつつ、かつ位置合わせをすべき第１
物体と第２物体の２つの物体間に予め設定した値から外
れて間隔の変動があっても又アライメントヘッドがアラ
イメントマークに対して相対的に位置変動しても第１物
体と第２物体面上に設けるアライメントマークの形状や
投光光束のアライメントマークへの入射角等の各要素を
適切に設定することにより２つの物体の相対的位置ずれ
量を精度良く検出することのできる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物体面上にグレーティ
ングレンズより成る第１アライメントマークを第２物体
面上にグレーティングレンズより成る第２のアライメン
トマークを形成し、該第１物体と第２物体とを対向配置
し、投光手段からの光束のうち順に該第１アライメント
マーク、第２アライメントマークそして再度該第１アラ
イメントマークで各々回折作用を受けた光束を所定面上
に導光し、該所定面上における該光束の入射位置を検出
手段することにより該第１物体と第２物体との相対的な
位置決めを行う際、該第１物体と第２物体との相対的な
位置ずれ量に対する所定面上への光束の入射位置の変動
量との比（位置ずれ検出倍率）をβｌ、該第１物体と第
２物体との間隔変動量に対する所定面上への光束の入射
位置の変動量との比（間隔ずれ検出倍率）をβｈとした
とき βl/βｈ≧10 ……（Ａ） となるように各要素を設定したことを特徴としている。

即ち、本発明は物体面Ａと物体面Ｂを位置合わせすべ
き第１物体と第２物体としたとき物体面Ａに物理光学素
子としての機能を有する第１及び第２の信号用のアライ
メントマークA1及びA2を形成し、且つ物体面Ｂにも同様
に物理光学素子としての機能を有する第１及び第２の信
号用のアライメントマークB1及びB2を形成し、前記アラ
イメントマークA1に光束を入射させ、このとき生じる回
折光をアライメントマークB1に入射させ、アライメント
マークB1からの回折光の入射面内での光束重心を第１信
号光束の入射位置として第１検出部にて検出する。

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、便宜上光束重心として光強
度がピークとなる点を用いてもよい。同様にアライメン
トマークA2に光束を入射させ、このとき生じる回折光を
アライメントマークB2に入射させアライメントマークB2
からの回折光の入射面における光束重心を第２信号光束
の入射位置として第２検出部にて検出する。そして第１
及び第２検出部からの２つの位置情報を利用して物体面
Ａと物体面Ｂの位置決めを行う。このとき前述の位置ず
れ検出倍率βｌと間隔ずれ検出倍率βｈが条件式（Ａ）
を満足するように各要素を設定している。

この他本発明では第１検出部に入射する光束の重心位
置と第２検出部に入射する光束の重心位置が物体面Ａと
物体面Ｂの位置ずれに対して互いに逆方向に変位するよ
うに各アライメントマークA1,A2,B1,B2を設定してい
る。本発明の露光装置は前述の位置検出装置を用いて、
第１物体と第２物体との相対的な位置合わせを行い、該
第１物体面上のパターンを第２物体面上に露光転写して
いることを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の原理及び構成要件等を展開して示し
た説明図、第２図は第１図の構成に基づく本発明の第１
実施例の要部斜視図である。

図中、１は物体面Ａに相当する第１物体、２は物体面
Ｂに相当する第２物体であり、第１物体１と第２物体２
との相対的な位置ずれ量を検出する場合を示している。

第１図では第１物体１を通過し、第２物体２で反射し
た光が再度第１物体１を通過する為、第１物体１が２つ
示されている。５は第１物体１に、３は第２物体２に設
けたアライメントマークであり、第１信号を得る為のも
のである。同様に６は第１物体１に、４は第２物体２に
設けたアライメントマークであり、第２信号光を得る為
のものである。尚、第１図ではアライメントマーク3,4
を等価な等価型のアライメントマークに置換した光路で
示している。

各アライメントマーク3,4,5,6は１次元又は２次元の
レンズ作用のあるグレーティングレンズ又はレンズ作用
のない回折格子等の物理光学素子の機能を有している。
９はウエハスクライブライン、10はマスクスクライブラ
インであり、その面上には各アライメントマークが形成
されている。7,8は前述の第１及び第２のアライメント
用の第1,第２信号光束を示す。７′,8′は各々第1,第２
信号光束7,8に対応する所定次数の回折光束である。

本実施例では第１信号光束７は（1,−1,0）次光、第
２信号光束８は（−1,1,0）次光、光束７′は（0,−1,
＋１）次光、光束８′は（0,＋1,−１）次光となってい
る。

11,12は各々第１及び第２信号光束7,8を検出する為の
第１及び第２検出部である。第1,第２検出部11,12は例
えば１次元CCD等から成り、素子の配列方向はｘ軸方向
に一致している。

第２物体２から第１又は第２検出部11,12までの光学
的な距離を説明の便宜上Ｌとする。物体１と第２物体２
の距離をｇ、アライメントマーク５及び６の焦点距離を
各々f_a1,f_a2とし、第１物体１と第２物体２の相対位置
ずれ量をΔσｗとし、そのときの第1,第２検出部11,12
の第１及び第２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、第１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、符号は図中に示す通りと
する。

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L1,L2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。従って第１物体１と第
２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を互いに逆方向に得る為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
達成している。

第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシミテイ
型半導体製造装置に適用した際の装置周辺部分の構成図
を示すものである。第２図に示さなかった要素として光
源13、コリメーターレンズ系（又はビーム径変換レン
ズ）14、投射光束折り曲げミラー15、ピックアップ筺体
（アライメントヘッド筺体）16、ウエハステージ17、位
置ずれ信号処理部18、ウエハステージ駆動制御部19等で
ある。Ｅは露光光束幅を示す。

本実施例においても第１物体としてのマスク１と第２
物体としてのウエハ２の相対位置ずれ量の検出は第１実
施例で説明したのと同様にして行われる。

尚、本実施例において位置合わせを行う手順として
は、例えば次の方法を採ることができる。

第１の方法としては２つの物体間の位置ずれ量Δσに
対する検出部11,12の検出面11a,12b上での光束重心ずれ
量Δδの信号を得、信号処理部18で重心ずれ信号から双
方の物体間との位置ずれ量Δσを求め、そのときの位置
ずれ量Δσに相当する量だけステージ駆動制御部19でウ
エハステージ17を移動させる。

第２の方法としては検出部11,12からの信号から位置
ずれ量Δσを打ち消す方向を信号処理部18で求め、その
方向にステージ駆動制御部19でウエハステージ17を移動
させて位置ずれ量Δσが許容範囲内になるまで繰り返し
て行う。

以上の位置合わせ手順のフローチャートを、それぞれ
第３図（Ｂ），（Ｃ）に示す。

本実施例では第３図（Ａ）より分かるように光源13か
らの光束は露光光束の外側よりアライメントマーク5,6
に入射し、アライメントマーク3,4から露光光束の外側
に出射する回折光を露光光束外に設けられた検出部11,1
2で受光して入射光束の位置検出を行っている。

このような構成でピックアップ筺体16は露光中退避動
作を必要としない系も具現化できる。

次に第１物体と第２物体との位置ずれ量に対する所定
面上への高束の入射位置の変動量との比である第1,第２
物体間の位置ずれ検出倍率βについて説明する。

既に示したように位置ずれ信号光束としては第1,第２
物体間で回折する際、回折次数の履歴の異なる２つの信
号光、即ち（1,−1,0）次光、（0,−1,＋１）次光が存
在し、検出部に受光される結果、検出部上での第１の信
号光束の光量分布重心位置W₁は近似的に次式で与えられ
る。

ここにS₁₁,S₂₁はそれぞれ（1,−1,0）次光、（0,−1,
＋１）次光の光量重心位置でa₁₁,a₂₁はそれぞれの光量
に対応する重み係数である。

又S₁₁,S₁₂はそれぞれ で与えられる。ここにf₁,f₂は第1,第２アライメントマ
ーク5,3の焦点距離、L,L′はそれぞれ第2,第１アライメ
ントマーク3,5から検出部までの距離、εは第１物体に
対する第２物体の相対位置ずれ量を示す。

位置ずれ量を検出するための第２信号光束に対しても
同様に第3,第４アライメントマーク6,4の焦点距離f₃,f₄
を用い、検出部上での第２信号光束の光量重心位置W₂は で与えられる。

第1,第２信号光束の光量重心位置より位置ずれ信号Ｗ
として Ｗ＝W₂−W₁ ＝βε とすると、位置ずれ検出倍率βは で与えられる。ここでＬ′＝Ｌ−ｇ、位置ずれ検出倍率
βが間隔変動に対して一定に保たれる条件は、 即ち、 いまa₁₁＝a₁₂、a₂₁＝a₂₂とすると（１）式は （２）式は（1,−1,0）次光と（0,−1,＋１）次光の総
合回折効率が第１信号と第２信号との間でそれぞれ等し
い場合に成り立つ条件式である。

本実施例では（１）または（２）式が成り立つように
アライメントマークであるグレーティングレンズの焦点
距離を定めることにより位置ずれ検出倍率βが間隔変動
に対し条件式（Ａ）を満足する程度に依存しないように
した。

いま第１信号と第２信号のそれぞれの（1,−1,0）次
光、（−1,1,0）次光が結像条件を満たすとすると が成り立つ。

（７），（８）式をそれぞれ（５），（６）式に代入
すると を得る。

（６）′式において本実施例ではＬ＝18.657mm、Ｌ′
＝18.628mm、ｇ＝30.0μｍ、f₁＝214.7228μｍ、f₂＝−
182.912μｍ、a₂₁＝0.5a₁₁とするとf₄は次の（９）式で
与えられる４次方程式の解で （９）の各係数に上記パラメータ値を代入して解くと、
f₄＝f₂を満たす解のほかに、f₄＝186.5702（μｍ）が得
られる。このとき（８）式よりf₃＝−154.723（μｍ）
また第1,第２信号光の位置ずれ検出倍率はそれぞれ−10
0.0倍、102.0倍となる。

第４図は本発明の第２実施例の要部概略図である。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。5,3は各々第1,第２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。6,4
は第1,第２参照マークであり、各々マスク１面上とウエ
ハ２面上の第1,第２アライメントマーク5,3に隣接して
設けられている。第1,第２アライメントマーク3,5と第
１参照マーク６は、例えば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、第２参照マーク４は等
ピッチの直線グレーティングであり、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。７は第１光束としてのアライメント光束、８は第２
光束としての参照光束であり、これらの光束7,8はアラ
イメントヘッド内の光源7aから出射する。該出射光束は
不図示のコリメーターレンズで所定のビーム径にコリメ
ートされ光源7aと共に投光手段（光源手段）を形成して
いる。

本実施例において、光源の種類としては半導体レー
ザ、H_e−N_eレーザー、A_r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。11,12は各々第１検出手
段と第２検出手段としてのセンサ（受光器）であり、ア
ライメント光束７と参照光束８を受光する例えば１次元
CCD等より成っている。１次元CCDの素子配列方向は位置
検出方向（Ｘ方向）に一致している。

本実施例ではアライメント光束７と参照光束８は各々
マスク１面上の第１アライメントマーク５と第１参照マ
ーク６に所定の角度で入射した後、透過回折し、更にウ
エハ２面上の第２アライメントマーク３と第２参照マー
ク４で反射回折し、センサ11,12面上に入射している。
そしてセンサ11,12で該センサ面上に入射したアライメ
ント光束と参照光束の重心位置を検出し、該センサ11,1
2からの出力信号を利用してマスク１とウエハ２をスク
ライブライン9,10方向（Ｘ方向）について位置検出を行
っている。この検出方法については後述する。

ここで光束の重心とは光束断面図内において、断面内
各点のその天からの位置ベクトルにその点の光強度を乗
算したものを受光面全面で積分したときに積分値が０ベ
クトルになる点のことである。別の実施例として、光強
度がピークとなる点の位置を検出してもよい。

次に本実施例における第1,第２アライメントマーク5,
3と第1,第２参照マーク6,4について説明する。

アライメントマーク3,5と参照マーク６は各々異った
値の焦点距離を有するう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。又、参照マー
ク４は光束を単に偏向させるレンズ作用を有しない直線
グレーティングである。これらのマークの寸法は各々ス
クライブライン方向に140μｍ、スクライブライン幅方
向（ｙ方向）に50μｍである。

本実施例においてはアライメント光束７と参照光束８
は、いずれもマスク１に対して入射角10゜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７と参照光束８は各々グレーティングレンズ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
なるように射出している。

そして第１アライメントマーク５と第１参照マーク６
を透過回折したアライメント光束７と参照光束８を各々
ウエハ面２の鉛直下方214.723μｍと20.107mmの点に集
光させている。このときのアライメントマーク５と参照
マーク６の焦点距離は各々214.723μｍ、20.107μｍで
ある。又、マスク１とウエハ２との間隔は30μｍにして
いる。

アライメントマーク５で透過回折した光はウエハ２面
上の第２アライメントマーク３で凹（凸）レンズ作用を
受け、第１検出手段としてのセンサ11面上に集光してい
る。このときセンサ11面上へは光束がアライメントマー
ク5,3の位置ずれ、即ち軸ずれが拡大された状態となっ
て入射し、この結果、センサ11面上への入射光束の重心
位置が変動している。

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、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウエハ２
上のアライメントマーク３とがｙ方向に共軸系をなした
とき、アライメント光束の主光線のウエハ２からの出射
角が面法線に対し５度、又、位置ずれ０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）と直交し所定位置、例えばウエハ２面から20
mmの高さに位置しているセンサ11面上に集光するように
設定している。

又、第１参照マーク６で透過回折した光はウエハ２面
上の第２参照マーク４で単なる偏向作用を受け、出射角
８度、ウエハ２面への射影成分がスクライブライン幅方
向と直交するように射出し、第２検出手段としてのセン
サ12面上に集光している。

このとき参照マーク6,4を経た参照光束８はマスク１
に対してウエハ２との間に相対位置の変動があってもセ
ンサ12面への重心位置は常に一定となっている。

本実施例においては、マスク面１上の第１参照マーク
６のグレーティングレンズは参照光束がマスク１面を透
過後、ウエハ２面を反射してセンサ12面に到達するまで
の比較的長い焦点距離を有している。

グレーティングレンズ６から出射した参照光束は直線
グレーティング４に入射し、所定角度で出射する。マス
クとウエハが位置ずれを起こすとグレーティングレンズ
６からの出射光の主光線の直線グレーティング４への入
射位置も変化するが、どこへ入射しても直線グレーティ
ング４からの出射光の出射角は変化しない。マスクとウ
エハの位置ずれ検出の場合、一般にマスクは装置に固定
されているので、このマスクのグレーティングレンズ４
によって参照光束が集光するセンサ12面の位置は位置ず
れが発生しても変化しない。これよりアライメント光束
と参照光束の間隔は位置ずれ量に比例することがわか
る。

従って、本実施例ではマスクとウエハの位置（アライ
メント）ずれが０の場合のアライメント光束と参照光束
の重心位置の位置検出方向に沿った間隔を予め求めてお
き、位置検出時にアライメント光束と参照光束の重心位
置の位置検出方向に沿った間隔を検出し、この間隔のず
れが０のときの間隔に対する変動量からマスクとウエハ
のアライメントずれをCPU11aで求める。

次に本実施例における検出手段としてのセンサ（例え
ば１次元の蓄積型の１次元CCD等）に入射するアライン
メント光である信号光と参照光との関係について説明す
る。

本実施例においては参照光とアラインメント用の信号
光はウエハ面の法線に対して各々8⁰,5⁰の角度で出射す
る。又、スクライブライン方向に対しては参照光８と位
置ずれ０のときの信号光７はウエハ面射影成分が直交す
る角度で出射する。センサ11,12の空間的配置は、予め
アライメント完了時に光束がセンサのほぼ中央の位置に
入射するようにセッティングされている。

センサ11,12の中心間隔は2mmであり、約0.1μｍ精度
でSiの同一基板上に設定されている。又、センサ11,12
の配置されたSi基板は、その法線が位置ずれが０のとき
アライメント光出射角と参照光出射角の２等分線と略平
行に配置されている。

センサ11,12のサイズは信号光用のセンサ11が幅1mm、
長さ6mm、又参照光用のセンサ12が幅1mm、長さ1mmであ
る。又、各画素のサイズは25μｍ×500μｍである。

各々のセンサは入射光束の重心位置を測定し、センサ
の出力は受光領域の全光量で規格化されるように信号処
理される。これによりアライメント光源の出力が多少変
動しても、センサ系から出力される測定値は正確に重心
位置を示すように設定している。尚、センサの重心位置
の分解能はアライメント光のパワーにもよるが例えば50
mW、波長0.83μｍの半導体レーザーを用いて測定した結
果、0.2μｍであった。

本実施例に係るマスク用のグレーティングレンズとウ
エハ用のグレーティングレンズの設計例では、マスクと
ウエハの位置ずれを100倍に拡大して信号光束がセンサ
面上で重心位置を移動する。従って、マスクとウエハ間
に0.01μｍの位置ずれがあったとすると、センサ面上で
は１μｍの実効的な重心移動が起こり、センサ系はこれ
を0.2μｍの分解能で測定することができる。

次に本発明の第３実施例につて説明する。第３実施例
ではグレーティングレンズを用いた位置ずれ量拡大検出
系において（１），（２），（３）式で与えられる（1,
−1,0）次光と（0,−1,＋１）次光とを合わせた光強度
重心位置を検出する際、総合検出倍率βが間隔（ギャッ
プ）ｇの変動に対して略無感度となるようにグレーティ
ングレンズの焦点距離f₁,f₂および距離Ｌ（Ｌ′）など
のパラメータ間に制限を付加し、これにより前述の条件
式（Ａ）を満足したものである。ここに制限条件として
は 即ち これより 他の制限条件としては（1,−1,0）次光と（0,1,−１）
次光が結像条件を満たすことがあげられるが、本発明の
適用に際しては結像条件に関する制約を多少緩めてもセ
ンサ上の信号光の集光スポット径が実用上問題ない範囲
で（10）式を適用し、ギャップ変動に対する総合検出倍
率の変動が零となるようにパラメータ値の設定を行なえ
ばよい。

本実施例においてはアライメントマークを位置ずれ検
出方向に90μｍ、その直交方向に50μｍ程度の矩形領域
に設定し、（1,−1,0）次光のアライメントマークに対
する結像点位置がアライメントマークサイズに比して十
分遠方にあるように（７）式に基づいて第1,第２アライ
メントマーク5,3の焦点距離f₁,f₂の関係を定め、信号光
束の実効NAを十分小さくすることにより結像点近傍での
スポット径は実質的にアライメントマークサイズで決ま
るような光学配置とする。

即ち（７）式より ここにL₀は（1,−1,0）次光のウエハ面から集光点まで
の距離を表わす。（11）式を（10）式に代入して ここに|L₀|≒|L|≒|L′｜とする。

（12）式は整理すると焦点距離f₂の４次方程式とな
る。

いま簡単のためにＬ′＝Ｌ＋α（Ｌ≫α）,A＝a₂₁/a
₁₁とすると（12）式は ここで更にL₀≫f₂,L₀≫ｇとすると上式は簡略的に これより （１−Ａ）f₂ ²−gf₂＋g²＝０ ……（13） 従って焦点距離f₂は上記２次方程式の解としてギャップ
ｇ、および光量比Ａの関数となり、近似的に で与えられる。このときf₁は とおくと（11）式より いま、ｇ＝30.0μｍ、L₀＝18.0mm,A＝0.5とくと 上記解のうち第１の組合わせを採用すると第１のグレ
ーティングレンズは凹レンズ、第２のグレーティングレ
ンズは凸レンズとして機能し位置ずれ総合検出倍率βは
Ｌ＝L₀、Ｌ′＝L₀−29.2μｍとするとβ＝201.20倍とな
る。ここに（1,−1,0）次光，（0,1,−１）次光の位置
ずれ検出倍率はそれぞれ248.13倍、177.74倍である。

次に本発明の第４実施例について説明する。第４実施
例では第１図の第１実施例においてアライメントマーク
であるグレーティングレンズとして偏心グレーティング
レンズを第1,第２物体面上に形成し、これらによる光束
の偏向角（主光線に対し定義）をギャップ変動による位
置ずれ検出倍率の変動が実用上無視できるように設定
し、これにより前述の条件式（Ａ）を満足したものであ
る。

特に本実施例においては位置ずれ量が０のときに上記
条件を満たすように最適化を行ったものである。

いま、第１物体上の第１のグレーティングレンズ５の
中心位置（光軸位置）を（x_M01,y_M01,0）とし、第１の
グレーティングレンズ５にxz面内で角度θで入射した平
行光束の結像点位置を（x_M1,y_M1,z_M1）とおくとz_M1＝−
f₁となる。

一方第２物体上の第２のグレーティングレンズ３の位
置ずれ量が零の時の中心位置（光軸位置）を（x_W1,y_W1,
−ｇ）とし、グレーティングレンズ３は（x_M1,y_M1,−f
_M1）にある点光源を位置ずれ量が零のとき（x_S1,y_S1,z
_S1）の位置に結像するように設計されているものとす
る。

同様にして第２信号光用のアライメントマークとして
第１物体上の第３のグレーティングレンズ６の中心位置
（光軸位置）を（x_M02,y_M02,0）とし、第１のグレーテ
ィングレンズ５と同様に結像点位置を（x_M2,y_M2,−f₃）
とおくことができる。また第４のグレーティングレンズ
４の位置ずれ量零のときの中心位置（光軸位置）を（x
_W2,y_W2,−ｇ）としグレーティングレンズ４はグレーテ
ィングレズ６によって形成された（x_M2,y_M2,−f₃）にあ
る２次光源を位置ずれ量が零のとき（x_S2,y_S2,z_S2）の
位置に結像するように設計されているものとする。

以上のパラメータ設定のもとで第１信号光を形成する
（1,−1,0）次光と（0,1,−１）次光の第１物体に対す
る第２物体の位置ずれ量εに対応するセンサ上の光量重
心位置の変化をそれぞれS₁₁,S₂₁とすると となる。

同様にして第２信号光の（−1,1,0）次光、（0,−1,
1）次光のセンサ上光量重心位置の変化をS₁₂,S₂₂とする
と （16），（17）式を（１）式に代入して第１信号の総合
検出倍率が求まり、第１実施例と同様にして第２信号の
総合検出倍率が求まる。

位置ずれ量εの総合検出倍率は（４）式のように与え
られるが、本実施例ではε＝ε_０のときの第1,第２信号
光のセンサ上光量重心位置をそれぞれS₀₁,S₀₂とおくとS
₀＝S₀₁−S₀₂で与えられるS₀がギャップ変動に対して実
用上無視できる値の範囲内、即ち条件式（Ａ）を満足す
る範囲内に保たれる条件を付加する。

その条件式は 即ち、 で与えられる。Ｌ′＝Ｌ−ｇとして（20）式を計算す
る。

（20）式は結局 となる。

ここでレンズの結像特性の一般的な関係から x_M0i＝x_Mi＋f_2i-1tanθ （ｉ＝1,2） ……（21） が成り立つ。

（21）式および（1,−1,0）次光の結像条件式
（７），（８）式と（20）′式を連立することにより、
ギャップ変動に伴う検出倍率の変動を無視できるような
即ち条件式（Ａ）を満足するような各グレーティングレ
ンズの特性値、特に偏向角についての最適化を図ること
ができる。

（20）′式に（21）式を代入すると ここにP₁＝x_W1−X_M1＋ε_０、P₂＝x_W2−X_M2＋ε_０であ
り、（20−１）′≒（20−２）′とおくことにより、
P₁,P₂,θに関する関係式が得られる。

即ち、 本実施例では（７），（８）および（20）″式を満た
すようにP₁,P₂,θの関係を定めている。P₁,P₂はマスク
上のグレーティングレンズとウエハ上のグレーティング
レンズの主光線に関する偏向角、およびそれぞれの焦点
距離で決まる量で P_i＝x_Wi−x_Mi＋ε_０ ＝f_2itanφ_2i−f_2i-1tanφ_2i-1（ｉ＝1,2） ……（22） ここにζ_ｊ＝θ−φ_ｊ（ｊ＝1,2）は主光線に関する各
素子の入射角θに対する偏向角である。

いま第1,第２信号光の（1,−1,0）次光に関する位置
ずれ検出倍率をそれぞれ−100.0倍，＋100.0倍となるよ
うに各グレーティングレンズの焦点距離を定めるために
Ｌ＝18.657mm、Ｌ′＝18.628mm、ｇ＝30.0μｍに対し
て、f₁＝214.7228μｍ、f₂＝−182.912μｍ、f₃＝−15
8.4545μｍ、f₄＝190.378μｍとした。

更に第1,第２信号間で対応する（1,−1,0）次光と
（0,1,−１）次光との光量比が等しいとするとa₁₁＝
a₁₂、a₂₁＝a₂₂とおくことができ、また（−1,1,0）次光
と（0,−1,1）次光との光量比a₂₁/a₁₁＝0.5とし、以上
のパラメータ値を（20）″式に代入すると −0.3390P₁＋0.16635P₂≒18.0702tanθ ……（20） いまθ＝2⁰とおくと上式は −0.3390P₁＋0.16635P₂≒0.631025 となり、所定の位置ずれ量のときこれを満たすように例
えばε_０＝0.0のときP₁＝10.0μｍとするとP₂≒24.172
μｍとすれば良い。即ちマスク面上のアライメントマー
クへのxz面内入射角を2⁰、第１信号光用のマスク、ウエ
ハ上のグレーティングレンズの中心間距離（x_W1−x_M1）
を10.0μｍとすると第２信号光用のグレーティングレン
ズの中心間距離（x_W2−x_M2）は24.172μｍとすればよ
い。

更に本実施例においては位置ずれ量εによらずにギャ
ップ変動に対して第1,第２信号光間での相対的光量重心
距離が一定範囲内の変動に収まるようにする為に（2
0）″式より を条件式として加え、これを満たすようにf₁,f₂,f₃,f₄
などのパラメータ値を決定してもよい。

この場合は（23）を（20）″に代入して を満たすように各パラメータ値を設定すればよい。

次に本発明の第５実施例について説明する。本実施例
では基本構成は第２図の第１実施例と同様であり、位置
ずれ検出の際はマスクとウエハ間のギャップ（間隔）は
30μｍにおいて行っている。

ここにアライメント光はアライメントヘッド内の光源
（半導体レーザ；波長785nm）より射出し、投光光学系
により略平行光となりマスク面上のアライメントマーク
面法線に対し斜めに入射する。入射角はyz断面内で25.0
⁰、xz断面内で15.0⁰であり、マスク、ウエハ間の位置ず
れ量検出はｘ方向に行なうものとする。即ちマスクとウ
エハ上のグレーティングレンズでそれぞれの回折作用を
受けた光束は所定位置にあるセンサに受光され、センサ
面上でのｘ方向の信号光束の入射位置が検出される。

アライメント光はウエハ面を反射し、マスクを透過
後、マスク面法線に対してyz面内で13⁰の角度で射出
し、センサは中心座標が（0,4.2027,18.2038）の位置に
設定され、受光領域のサイズはｘ方向に4.8mm、その直
交方向に1.0mmとする。また位置ずれ検出は第１実施例
と同様検出倍率の符号の異なる２つの信号光を用いて行
なう。

以上のような光学配置のもとで本実施例では位置ずれ
量の検出を−3.0μｍ〜±3.0μｍの範囲で行なうものと
すると、センサ上に到達するアライメント信号光束は
（1,−1,0）次光、（0,−1,＋１）次光は常に380μｍ以
上互いに離間することが分っている。（スポットサイズ
はAA検出方向に200μｍで十分離間している。） そこで本実施例では（1,−1,0）次光の分布を光量ピ
ークを中心として各信号光をそれぞれ選択的にセンサ信
号処理により抽出し、重心検知を行なう。

即ち、第1,第２信号光の（1,−1,0）次光と（−1,1,
0）次光間のセンサ面上入射位置を測定し、２光束の重
心位置のｘ方向距離を求めることにより位置ずれ量を求
めることにする。

ここで第１信号光用の第1,第２アライメントマーク
（それぞれマスク，ウエハ上に設定）の１次回折光の焦
点距離f₁,f₂、第２信号光用の第3,第４アライメントマ
ーク（それぞれマスク、ウエハ上に設定）の１次回折光
の焦点距離をf₃,f₄とすると第1,第２信号光のマスク、
ウエハ間位置ずれ量εに対する感度β₁,β_２は となる。従って位置ずれ量の総合検出倍率β（＝｜β_１
−β₂|）は 総合検出倍率βがマスク、ウエハ間ギャップｇの変動に
対して一定に保たれるためにはσβ／σｇ＝０であれば
よい。

即ち、 上式より、f₁,f₃の間には f₁＝f₃またはf₁＝−f₃＋2g の関係があればよいがf₁＝f₃では検出倍率βが０となる
ので f₁＝−f₃＋2g が求めるべき条件式となる。

またf₂,f₄は第１実施例と同様（1,−1,0）次光と（−
1,1,0）次光の結像関係式（７），（８）に従って求め
る。

いまＬ＝18.657mmとし、第１信号光の位置ずれ検出倍
率β_１が−100.0倍になるようにf₁,f₂を決定するとf₁＝
214.7228μｍ、f₂＝−182.912μｍとなる。このとき上
記条件式に従って第２信号光用の第3,第４グレーティン
グレンズの焦点距離f₃,f₄を求めると f₃＝−154.7228μm, f₄＝186.5700μｍ これより第２信号光の位置ずれ検出倍率β_２は β_２＝102.00倍 となり、総合検出倍率βはβ＝202.00倍となる。

（発明の効果） 本発明によれば位置合わせを行なう対向する２物体上
にアライメントマークとしてグレーティングレンズを形
成し、それぞれのアライメントマークで順次回折した光
束のセンサ面上への入射位置より位置ずれ量を検出する
際、前述の如く各グレーティングレンズの焦点距離及び
各マークへの光束入射条件、マーク、センサ配置等を適
切に設定することにより、対象とする信号光束である
（m,n,l）次光に対して検出誤差要因となる（ｍ′,n′,
l′）次光の悪影響を排除し、かつ２物体間の間隔が変
動しても、位置ずれ量を高精度に検出することができる
位置検出装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理及び構成要件等を示す説明図、第
２図は第１図の構成に基づく本発明の第１実施例の要部
斜視図、第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシ
ミティ型半導体製造装置に適用した要部概略図、第３図
（Ｂ），（Ｃ）は第３図（Ａ）の計測制御のフローチャ
ート図、第４図は本発明の第２実施例の要部概略図、第
５図は従来の位置検出装置の要部概略図、第６図は（0,
−1,＋１）次光と（0,1,−１）次光の説明図である。 図中、１は第１物体（マスク）、２は第２物体（ウエ
ハ）、3,4,5,6は各々アライメントマーク、7,8は各々第
1,第２信号光束、９はウエハスクライブライン、10はマ
スクスクライブライン、11,12は検出部、13は光源、14
はコリメーターレンズ系、15はハーフミラー、16はアラ
イメントヘッド筺体、18は信号処理部、19はウエハステ
ージ駆動制御部である。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 H01L 21/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１物体面上にグレーティングレンズより
   成る第１アライメントマークを第２物体面上にグレーテ
   ィングレンズより成る第２アライメントマークを形成
   し、該第１物体と第２物体とを対向配置し、投光手段か
   らの光束のうち順に該第１アライメントマーク、第２ア
   ライメントマークそして再度該第１アライメントマーク
   で各々回折作用を受けた光束を所定面上に導光し、該所
   定面上における該光束の入射位置を検出手段で検出する
   ことにより該第１物体と第２物体との相対的な位置決め
   を行う際、該第１物体と第２物体との相対的な位置ずれ
   量に対する所定面上への光束の入射位置の変動量との比
   （位置ずれ検出倍率）をβｌ、該第１物体と第２物体と
   の間隔変動量に対する所定面上への光束の入射位置の変
   動量との比（間隔ずれ検出倍率）をβｈとしたとき βl/βｈ≧10 となるように各要素を設定したことを特徴とする位置検
   出装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の位置検出装置を用いて第１
   物体と第２物体との相対的な位置合わせを行い、該第１
   物体面上のパターンを第２物体面上に露光転写している
   ことを特徴とする露光装置。