JP2789487B2 - スリットと回折格子による相対位置検出装置 - Google Patents
スリットと回折格子による相対位置検出装置Info
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- JP2789487B2 JP2789487B2 JP2045810A JP4581090A JP2789487B2 JP 2789487 B2 JP2789487 B2 JP 2789487B2 JP 2045810 A JP2045810 A JP 2045810A JP 4581090 A JP4581090 A JP 4581090A JP 2789487 B2 JP2789487 B2 JP 2789487B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、Ｘ線露光装置において数10μｍ離れたＸ
線マスクとウエハーの相対位置を0.01μｍのオーダーで
測定することができる相対位置検出装置に関する。
線マスクとウエハーの相対位置を0.01μｍのオーダーで
測定することができる相対位置検出装置に関する。
［従来の技術］ 回折格子を利用した相対位置検出装置は、これまで種
々提案されている。これらを検出装置別に二重回折格子
法，倍ピッチ二重回折格子法，市松格子を用いた二重回
折格子法および三つの回折格子を用いた光ヘテロダイン
測定法に分類し、各例について以下簡単に説明する。
々提案されている。これらを検出装置別に二重回折格子
法，倍ピッチ二重回折格子法，市松格子を用いた二重回
折格子法および三つの回折格子を用いた光ヘテロダイン
測定法に分類し、各例について以下簡単に説明する。
二重回折法 この方法は、MITにより提案された方法で、その文献
を次に示す。
を次に示す。
J.Vac.Sci.Technol.15（３）,May/June 1978 PP.984
−986「Alighment of X−ray lithograhy mask using a
new interferometric technique.」（文献１） この原理は、第51図に示すように１次元のマスク回折
格子31とウエハー回折格子32とからなる位置合わせマー
ク上に、波長λのレーザ光33を照射して生じる回折光を
利用して、マスクとウエハーの位置ずれを検出する方法
である。
−986「Alighment of X−ray lithograhy mask using a
new interferometric technique.」（文献１） この原理は、第51図に示すように１次元のマスク回折
格子31とウエハー回折格子32とからなる位置合わせマー
ク上に、波長λのレーザ光33を照射して生じる回折光を
利用して、マスクとウエハーの位置ずれを検出する方法
である。
位置ずれは、＋１次回折光と−１次回折光の強度差Δ
Ｉを用いており、鳥居らの論理解析を基に下式（１）で
表わされる。
Ｉを用いており、鳥居らの論理解析を基に下式（１）で
表わされる。
Δ∝b2（sin6πＺ＋sin10πＺ）sin2πＸ ＋4b6sin8πZ sin4πＸ ……（１） ただし、Ｘ＝検出方向 Ｚ＝マスクとウエハー間のギャップ この方法の長所として、マークの形状が単純で、0.01
μｍオーダーの分解能が得られる。また、短所として
は、上記（１）式からも明らかなように、検出方向のＸ
のパラメータの他に、マスクとウエハー間のギャップを
示すパラメータＺが関与しており、マスクとウエハー間
のギャップの影響を受けることである。このギャップ変
動のパラメータが関与する原因としては、マスク回折格
子１での破線で示す反射回折光34が検出光35と干渉する
ためである。その結果、マスクとウエハー間とのギャッ
プＺの変化に対して周期λ/2で変化する項が加わり、１
次回折光の強度I+1,I-1はＺの変化に対して極めて敏感
になり、0.01μｍの位置検出を安定に行なうためには、
±0.02μｍ以下の高精度ギャップサーボが必要不可欠と
なる。
μｍオーダーの分解能が得られる。また、短所として
は、上記（１）式からも明らかなように、検出方向のＸ
のパラメータの他に、マスクとウエハー間のギャップを
示すパラメータＺが関与しており、マスクとウエハー間
のギャップの影響を受けることである。このギャップ変
動のパラメータが関与する原因としては、マスク回折格
子１での破線で示す反射回折光34が検出光35と干渉する
ためである。その結果、マスクとウエハー間とのギャッ
プＺの変化に対して周期λ/2で変化する項が加わり、１
次回折光の強度I+1,I-1はＺの変化に対して極めて敏感
になり、0.01μｍの位置検出を安定に行なうためには、
±0.02μｍ以下の高精度ギャップサーボが必要不可欠と
なる。
倍ピッチ二重回折格子法 この方法は、日本電信電話（株）により提案された方
法であり、その文献の１部を次に示す。
法であり、その文献の１部を次に示す。
a.精密工学会誌55 1989年１月号PP.129〜134「回折格
子による高精度位置合せ法（第２報）」（文献２） b.精密工学会誌55 1989年６月号PP.87〜92「回折格子
による高精度位置合わせ法（第３報）」（文献３） これは、第52図に示すように、ウエハー側回折格子36
をマスク側回折格子37の２倍とし、破線で示すマスク上
面の反射光38との干渉を避けたもので、この二重回折格
子マーク36,37に波長λのレーザー光39を照射して得ら
れる±１次光回折光の強度差ΔＩを利用して位置合せを
行なうものである。
子による高精度位置合せ法（第２報）」（文献２） b.精密工学会誌55 1989年６月号PP.87〜92「回折格子
による高精度位置合わせ法（第３報）」（文献３） これは、第52図に示すように、ウエハー側回折格子36
をマスク側回折格子37の２倍とし、破線で示すマスク上
面の反射光38との干渉を避けたもので、この二重回折格
子マーク36,37に波長λのレーザー光39を照射して得ら
れる±１次光回折光の強度差ΔＩを利用して位置合せを
行なうものである。
強度差ΔＩは、下式（２）で表わされる。
ΔＩ＝I+1−I-1∝｛2b3（0.53−b2）・ sin8πＺ−b5（sin16πＺ＋sin24πＺ）｝・ sin4πＸ ……（２） この長所として、マーク形状が単純で0.01μｍオーダ
ーの分解能があり、等ピッチ２重回折格子法に比べてギ
ャップ変動による位置ずれ検出信号への影響を従来の1/
50以下に低減させたことにある。
ーの分解能があり、等ピッチ２重回折格子法に比べてギ
ャップ変動による位置ずれ検出信号への影響を従来の1/
50以下に低減させたことにある。
また、短所としては、上記（２）式から明らかなよう
に、（１）式に比べギャップ変動（パラメータＺの）が
含まれており、検出信号ΔＩにはマスクとウエハーの位
置ずれとギャップの情報が同時に含まれるので、ギャッ
プが設計値から±１μｍ以上ずれると必要な検出信号が
得られなくなる。
に、（１）式に比べギャップ変動（パラメータＺの）が
含まれており、検出信号ΔＩにはマスクとウエハーの位
置ずれとギャップの情報が同時に含まれるので、ギャッ
プが設計値から±１μｍ以上ずれると必要な検出信号が
得られなくなる。
また、プロセスおよびレジストを含む薄膜堆積により
±１次回折光の対称性が崩れると、検出精度が低下する
ことになる。
±１次回折光の対称性が崩れると、検出精度が低下する
ことになる。
市松格子を用いた二重回折法 これは、（株）東芝より提案された方法であり、その
文献の１部を次に示す。
文献の１部を次に示す。
a.精密工学会誌54 1988年10月号PP.123〜1284「二重
回折格子による間隙変化に鈍感なマスクとウエハの位置
合わせ法」（文献４） B.精密工学会誌55 1989年７月号PP.77〜82「市松格子
を用いた二重回折格子法位置合わせ（第１報）」（文献
５） この原理は、第53図に示すようにマスク上に１次元格
子40を、ウエハー上に市松模様の２次元格子41を設け、
位置合せには１次の回折光Ｉ（0,1）を検出光に用いる
ことにより、マスクとウエハーの間隙にほぼ無関係に位
置合わせが可能となる。このとき、位置合わせに使用す
る信号Ｉ（0,1）は下式（３）で表わされる。
回折格子による間隙変化に鈍感なマスクとウエハの位置
合わせ法」（文献４） B.精密工学会誌55 1989年７月号PP.77〜82「市松格子
を用いた二重回折格子法位置合わせ（第１報）」（文献
５） この原理は、第53図に示すようにマスク上に１次元格
子40を、ウエハー上に市松模様の２次元格子41を設け、
位置合せには１次の回折光Ｉ（0,1）を検出光に用いる
ことにより、マスクとウエハーの間隙にほぼ無関係に位
置合わせが可能となる。このとき、位置合わせに使用す
る信号Ｉ（0,1）は下式（３）で表わされる。
Ｉ（0,1）∝16b2 cos2 2πＸ ……（３） これの長所としては、マーク形状が単純で0.01μｍオ
ーダーの分解能が得られ、ギャップ変動による位置ずれ
検出信号への影響を殆んど受けないことである。また、
短所としては、レジストを含む薄膜の多層化による多重
干渉の影響およびプロセスによる回折格子形状変化の影
響を受けやすく、対の回折格子の形状を十分に管理する
必要がある。
ーダーの分解能が得られ、ギャップ変動による位置ずれ
検出信号への影響を殆んど受けないことである。また、
短所としては、レジストを含む薄膜の多層化による多重
干渉の影響およびプロセスによる回折格子形状変化の影
響を受けやすく、対の回折格子の形状を十分に管理する
必要がある。
例えば、ウエハー上の２つのマークにレジスト塗布む
らが生じ、２つのマークの反射率が同一でなくなると、
対の回折光強度にアンバランスが生じて誤差の要因とな
る。信号Ｉ（0.1）を正弦曲率と仮定して、一方の回折
光強度の極大値が他方に比べて１％大きいとすると、位
置合わせの点は0.015μｍずれることになる。
らが生じ、２つのマークの反射率が同一でなくなると、
対の回折光強度にアンバランスが生じて誤差の要因とな
る。信号Ｉ（0.1）を正弦曲率と仮定して、一方の回折
光強度の極大値が他方に比べて１％大きいとすると、位
置合わせの点は0.015μｍずれることになる。
３つの回折格子を用いた光ヘテロダイン測定法 この方法は、電子総合研究所より提案された方法であ
り、その文献の１部を次に示す。
り、その文献の１部を次に示す。
a.昭和61年度 応用物理学会秋季大会予稿集28a−ZF
−11 P.317 「光ヘテロダイン測定によるＸ線リソグラフィ用高精度
位置ずれ検出」（文献６） b.1988年 春季応用物理関係連合講演予稿集 31p−
Ｋ−1 P.575 「光ヘテロダイン測定によるＸ線リソグラフィ用高精度
位置ずれ検出（III）」（文献７） この原理は、第54図に示す用にマスク42とウエハー43
上に３つの回折格子G1,G2,G2′を設け、この系に光U1を
垂直に入射させる。この光U1は周波数が僅かに異なる２
つの相直交する直線偏光（周波数f1,f2）である。光U1
は図の経路を通ってＵ（±1,＋１）およびＵ（±1,＋
２）となり、アナライザ44により周波数（f1−f2）のビ
ート信号Is1,Is2を構成する。これを検出器45で検出す
る。これらのビートの位相差ΔφＸは次式（４）に示す
ように位置ずれに依存して変化する。
−11 P.317 「光ヘテロダイン測定によるＸ線リソグラフィ用高精度
位置ずれ検出」（文献６） b.1988年 春季応用物理関係連合講演予稿集 31p−
Ｋ−1 P.575 「光ヘテロダイン測定によるＸ線リソグラフィ用高精度
位置ずれ検出（III）」（文献７） この原理は、第54図に示す用にマスク42とウエハー43
上に３つの回折格子G1,G2,G2′を設け、この系に光U1を
垂直に入射させる。この光U1は周波数が僅かに異なる２
つの相直交する直線偏光（周波数f1,f2）である。光U1
は図の経路を通ってＵ（±1,＋１）およびＵ（±1,＋
２）となり、アナライザ44により周波数（f1−f2）のビ
ート信号Is1,Is2を構成する。これを検出器45で検出す
る。これらのビートの位相差ΔφＸは次式（４）に示す
ように位置ずれに依存して変化する。
ΔφＸ＝2tan-1［（α−β）sin2δ／ ｛１＋αβ＋（α＋β）cos2δ｝］ …（４） これの長所としては、マーク形状が単純で、ギャップ
変動を受けることなく、しかも0.01μｍオーダーの分解
能が得られる。また、短所としては、検出精度がマスク
とウエハー間の平行度に依存することである。プロセス
による回折格子の形状変化の影響を受け、特にピッチ変
化の影響を受けやすい。マークが大きく、微弱な２次回
折光の使用からS/N比を考慮すると小型化がむずかし
い。検出範囲が狭く。また、ギャップ設定値から検出範
囲が限定されてしまうことになる。
変動を受けることなく、しかも0.01μｍオーダーの分解
能が得られる。また、短所としては、検出精度がマスク
とウエハー間の平行度に依存することである。プロセス
による回折格子の形状変化の影響を受け、特にピッチ変
化の影響を受けやすい。マークが大きく、微弱な２次回
折光の使用からS/N比を考慮すると小型化がむずかし
い。検出範囲が狭く。また、ギャップ設定値から検出範
囲が限定されてしまうことになる。
［発明が解決しようとする課題］ このように、回折格子を利用した位置検出装置には、
それぞれ長所，短所が存在する。Ｘ線露光装置において
は、さらに厳しい精度が要求される。Ｘ線露光装置の位
置検出装置に要求される項目を以下に示す。これらの項
目はこれまで先行している位置検出装置がそれぞれ抱え
ている問題点でもある。そして、この発明はこれらの項
目を全て解決することを目的としている。
それぞれ長所，短所が存在する。Ｘ線露光装置において
は、さらに厳しい精度が要求される。Ｘ線露光装置の位
置検出装置に要求される項目を以下に示す。これらの項
目はこれまで先行している位置検出装置がそれぞれ抱え
ている問題点でもある。そして、この発明はこれらの項
目を全て解決することを目的としている。
（１）マスクとウエハー間のギャップ変動に相対位置検
出精度が影響されないこと。
出精度が影響されないこと。
露光装置では、露光中にマスクとウエハーは適当なギ
ャップを有して相対しているが、この設定値はセンサー
の精度で左右される。光ステッパーを例にとると、ギャ
ップ精度は±0.5μｍ前後だといえる。また、このセン
サーとは独立な要因として、ウエハーおよびマスクの平
坦度がある。これは、現状のレベルから言うと、各々±
１μｍ前後である。したがって、これらギャップ変動に
影響を与えるパラメータをできるだけ小さくすると共
に、検出装置もギャップ変動に左右されない、あるいは
許容値の大きいものが要求される。
ャップを有して相対しているが、この設定値はセンサー
の精度で左右される。光ステッパーを例にとると、ギャ
ップ精度は±0.5μｍ前後だといえる。また、このセン
サーとは独立な要因として、ウエハーおよびマスクの平
坦度がある。これは、現状のレベルから言うと、各々±
１μｍ前後である。したがって、これらギャップ変動に
影響を与えるパラメータをできるだけ小さくすると共
に、検出装置もギャップ変動に左右されない、あるいは
許容値の大きいものが要求される。
以下に、ギャップ変動が検出精度に影響を与える例を
簡単に説明する。
簡単に説明する。
a.J.Vac.Sci.Technol.15（３）,May/June（1978） Hen
ry I.Smith,D.C Lamda 「Alighment of X−ray lithog
rahy masks using a new interterometric tech.」 （前記文献１） この方法では、マスク回折格子で反射回折した光がマ
スクとウエハー回折格子で透過した位置の情報をもった
光に重畳するため、検出信号強度は位置の情報とギャッ
プの情報を同時に含んだものとなり、ギャツプの大きさ
に強く依存して変化するため、使用できるギャップ範囲
が極めて小さくなり、実用性に乏しい。具体的には、±
0.02μｍの安定した位置制御を行うためには、±0.02μ
ｍ以下の高精度ギャップサーボが必要不可欠であり、実
用化は殆ど不可能に近い。
ry I.Smith,D.C Lamda 「Alighment of X−ray lithog
rahy masks using a new interterometric tech.」 （前記文献１） この方法では、マスク回折格子で反射回折した光がマ
スクとウエハー回折格子で透過した位置の情報をもった
光に重畳するため、検出信号強度は位置の情報とギャッ
プの情報を同時に含んだものとなり、ギャツプの大きさ
に強く依存して変化するため、使用できるギャップ範囲
が極めて小さくなり、実用性に乏しい。具体的には、±
0.02μｍの安定した位置制御を行うためには、±0.02μ
ｍ以下の高精度ギャップサーボが必要不可欠であり、実
用化は殆ど不可能に近い。
b.精密工学会誌55 1989年１月号 PP.129〜134「回折格
子における高精度位置合せ法（第２報）」（前記文献
２） この方法は、ウエハー上の回折格子のピッチをマスク
回折格子のピッチに対して２倍に設定することにより、
検出信号に含まれているギャップ検出信号の割合を1/50
に低減したものであるが、それでも同時に含まれている
ことにはかわりなく、間隙が設計値に対して±１〜２μ
ｍ以上ずれると、必要な検出信号が得られない。
子における高精度位置合せ法（第２報）」（前記文献
２） この方法は、ウエハー上の回折格子のピッチをマスク
回折格子のピッチに対して２倍に設定することにより、
検出信号に含まれているギャップ検出信号の割合を1/50
に低減したものであるが、それでも同時に含まれている
ことにはかわりなく、間隙が設計値に対して±１〜２μ
ｍ以上ずれると、必要な検出信号が得られない。
（２）プロセスによる回折格子形状変化の影響を受けな
いこと。
いこと。
ウエハー回折格子は、第55図に示すようにSiを段差状
にエッチングして形成される。したがって、エッチング
等のプロセス条件が変動することにより格子ピッチ
（Ｐ）に対する段差部の幅の比で定義される段差幅比
（ｒ）−段差（Ｈ）等の回折格子形状にばらつきを生じ
ることになる。
にエッチングして形成される。したがって、エッチング
等のプロセス条件が変動することにより格子ピッチ
（Ｐ）に対する段差部の幅の比で定義される段差幅比
（ｒ）−段差（Ｈ）等の回折格子形状にばらつきを生じ
ることになる。
また、格子形成時のみでなく、半導体製造のための薄
膜形式によって、その形状は大きく変化する。
膜形式によって、その形状は大きく変化する。
例えば、プロセスによる回折格子形状変化の様子を第
56図に示す。（Ａ）はウエハー上に露出した回折格子マ
スクであり、ドライエッチングにより形成された回折格
子の溝部は逆台形状である。（Ｂ）はこの上にSiO2膜を
1100Å，ポリシリコン3700Å（Non−flow）を堆積した
もので、（Ｃ）はSiO21100Åの膜上にりんけい酸ガラス
（PSG）膜を3100Å厚に堆積したもので、格子の溝上部
コーナがわずかに丸みを帯びた状態である。（Ｄ）は平
坦化のためPSGを熱処理しPSG3100Å（Flow）/SiO21100
Åとしたもので、丸みはさらに増大した状態で、（Ｅ）
はさらにその上に5000Å厚のAl膜を堆積したもので、コ
ーナの丸みが一層増大するとともに、薄膜は側面にも同
じ厚さだけ堆積し、溝幅は小さくなり、段差幅比は一層
減少した状態を示すようになる。
56図に示す。（Ａ）はウエハー上に露出した回折格子マ
スクであり、ドライエッチングにより形成された回折格
子の溝部は逆台形状である。（Ｂ）はこの上にSiO2膜を
1100Å，ポリシリコン3700Å（Non−flow）を堆積した
もので、（Ｃ）はSiO21100Åの膜上にりんけい酸ガラス
（PSG）膜を3100Å厚に堆積したもので、格子の溝上部
コーナがわずかに丸みを帯びた状態である。（Ｄ）は平
坦化のためPSGを熱処理しPSG3100Å（Flow）/SiO21100
Åとしたもので、丸みはさらに増大した状態で、（Ｅ）
はさらにその上に5000Å厚のAl膜を堆積したもので、コ
ーナの丸みが一層増大するとともに、薄膜は側面にも同
じ厚さだけ堆積し、溝幅は小さくなり、段差幅比は一層
減少した状態を示すようになる。
したがって、検出精度は、このような回折格子のプロ
セスによる形状変化の影響を受けにくいことが要求され
る。
セスによる形状変化の影響を受けにくいことが要求され
る。
次に、形状変化の影響を受ける方法について示す。
a.精密工学会誌55 1989年６月号 P.87〜P.92「回折格
子における高精度位置合せ法（第３報）」（前記文献
３） 段差（Ｈ）については、下式（５）の深さに段差を形
成すれば、最強信号が得られることが明らかになった。
子における高精度位置合せ法（第３報）」（前記文献
３） 段差（Ｈ）については、下式（５）の深さに段差を形
成すれば、最強信号が得られることが明らかになった。
Ｈ＝λ（2k＋１）/4n′ ……（５） ただし、ｋは整数,n′はレジストの屈折率，λは入射
光の波長である。また、段差幅比（ｒ）については、0.
5に近い程信号強度は大きくなり、理論値に一致する。
光の波長である。また、段差幅比（ｒ）については、0.
5に近い程信号強度は大きくなり、理論値に一致する。
つまり、段差（Ｈ），段差幅比（ｒ）共に検出信号に
影響は大きく、良好な結果を得るためには、上記条件が
必要不可欠な要素であることがわかる。
影響は大きく、良好な結果を得るためには、上記条件が
必要不可欠な要素であることがわかる。
b.昭和63年応用物理学会春季大会論文予稿集31p−Ｋ−
1,P.575 「光ヘテロダイン測定におけるＸ線リソグラフィ用高精
度位置ずれ検出（III）」（文献７） ここでは、マスク回折格子のピッチに対するウエハー
回折格子のピッチ依存性が位置検出精度に与える影響を
明らかにしている。
1,P.575 「光ヘテロダイン測定におけるＸ線リソグラフィ用高精
度位置ずれ検出（III）」（文献７） ここでは、マスク回折格子のピッチに対するウエハー
回折格子のピッチ依存性が位置検出精度に与える影響を
明らかにしている。
この検出装置においては、ウエハー回折格子のピッチ
（Ｐ）が変化すると強度が低下し、ピーク位置がずれる
ようになり、４％ずれた場合には位置合せが不可能にな
ることが明らかになっている。
（Ｐ）が変化すると強度が低下し、ピーク位置がずれる
ようになり、４％ずれた場合には位置合せが不可能にな
ることが明らかになっている。
c.昭和62年度応用物理学会秋季大会論文予稿集 18a−
Ｆ−8,P.427 「ホログラフィ法によるステッパ用ナノメータ位置検出
法（IV）」（文献８） ここでは、回折格子形状変化により、マークが非対称
性の断面形状になるために、光強度に位相遅れが生じ、
検出信号に誤差を含むことが指摘されている。
Ｆ−8,P.427 「ホログラフィ法によるステッパ用ナノメータ位置検出
法（IV）」（文献８） ここでは、回折格子形状変化により、マークが非対称
性の断面形状になるために、光強度に位相遅れが生じ、
検出信号に誤差を含むことが指摘されている。
d.IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES Vol.ED−26,
No.4,APRIL 1979,P.723〜P.728「Authomatic Alignment
System for Optical Projection Printing」（文献
９） この例でも、格子断面形状が非対称化することで、下
記（６）式に従って計測誤差が生じることを指摘してい
る。
No.4,APRIL 1979,P.723〜P.728「Authomatic Alignment
System for Optical Projection Printing」（文献
９） この例でも、格子断面形状が非対称化することで、下
記（６）式に従って計測誤差が生じることを指摘してい
る。
（３）マスク製作精度の影響を受けないこと。
Ｘ線マスク上の回折格子もウエハーと同じく格子ピッ
チ（Ｐ）に対する透過部の幅の比で定義される開口比
（ｒ）が製作精度に依存して変化する。したがって、で
きる限り格子ピッチ（Ｐ），開口比（ｒ）の変動に影響
を受けないことが要求される。
チ（Ｐ）に対する透過部の幅の比で定義される開口比
（ｒ）が製作精度に依存して変化する。したがって、で
きる限り格子ピッチ（Ｐ），開口比（ｒ）の変動に影響
を受けないことが要求される。
第57図は、マスク46の構成を示す側断面図である。マ
スク46は一般に約２μｍの厚さの透明部であるSiNの平
板にTaからなる不透明部0.5〜１μｍ厚で形成されてい
る。
スク46は一般に約２μｍの厚さの透明部であるSiNの平
板にTaからなる不透明部0.5〜１μｍ厚で形成されてい
る。
以下に、マスク製作精度の影響を受ける例を示す。
a.精密工学会誌55 1989年６月号 P.87〜P.92「回折格
子における高精度位置合せ法（第３報）」（前記文献
３） ここでは、安定した位置検出信号を得るために必要な
不可欠なギャップ検出信号において、高いギャップ検出
精度を得るために開口比0.3〜0.4のマーク形成が要求さ
れてる。
子における高精度位置合せ法（第３報）」（前記文献
３） ここでは、安定した位置検出信号を得るために必要な
不可欠なギャップ検出信号において、高いギャップ検出
精度を得るために開口比0.3〜0.4のマーク形成が要求さ
れてる。
この開口比を外れると、ギャップ検出精度が低下し、
安定した位置検出ができなくなる。
安定した位置検出ができなくなる。
b.昭和63年応用物理学会春季大会講演論文集 31P−Ｋ
−１ 「光ヘテロダイン測定におけるＸ線リソグラフィ用高精
度位置ずれ検出（III）」 （前記文献７） ここでは、マスク回折格子とウエハー回折格子のピッ
チ誤差が大きくなるにつれて強度が低下し、ピーク位置
がずれるようになり、４％ずれた場合には位置合せが不
可能になることを指摘している。このことから、10数枚
のマスクを使用してデバイスを作ることを考えると、こ
れら10数枚のマスク格子のピッチは少なくとも４％未満
の精度で一致していないと位置検出ができないことにな
る。
−１ 「光ヘテロダイン測定におけるＸ線リソグラフィ用高精
度位置ずれ検出（III）」 （前記文献７） ここでは、マスク回折格子とウエハー回折格子のピッ
チ誤差が大きくなるにつれて強度が低下し、ピーク位置
がずれるようになり、４％ずれた場合には位置合せが不
可能になることを指摘している。このことから、10数枚
のマスクを使用してデバイスを作ることを考えると、こ
れら10数枚のマスク格子のピッチは少なくとも４％未満
の精度で一致していないと位置検出ができないことにな
る。
（４）レジスト膜を含む薄膜の多層化による多重干渉の
影響を受けないこと。
影響を受けないこと。
ウエハー格子は、デバイス形成のため各種プロセスを
経ることによって屈折率や膜厚の異なる薄膜が多層に堆
積するので、検出信号がそれらの影響を受けることにな
る。
経ることによって屈折率や膜厚の異なる薄膜が多層に堆
積するので、検出信号がそれらの影響を受けることにな
る。
以下に薄膜による多重干渉の影響を受ける例を示す。
a.精密工学会誌55 1989年６月号 P.87〜P.92「回折格
子による高精度位置合わせ法（第３報）」（前記文献
３） ここでは、レジストのような透明薄膜を回折格子上に
堆積することによる信号波形への影響は小さいが、多層
膜の堆積は膜厚によって干渉を生じさせるので、信号強
度が大きく減衰することを明らかにしている。
子による高精度位置合わせ法（第３報）」（前記文献
３） ここでは、レジストのような透明薄膜を回折格子上に
堆積することによる信号波形への影響は小さいが、多層
膜の堆積は膜厚によって干渉を生じさせるので、信号強
度が大きく減衰することを明らかにしている。
また、信号強度は、基本的に堆積膜の膜厚が干渉膜厚
で決定されることも並べている。
で決定されることも並べている。
b.昭和62年 応用物理学会秋季大会予稿集18a−Ｆ−９
P.427 「マーク上のレジストによるアライメント精度の影響」
（文献10） ここでは、回折格子をデバイス上に配置する時、周辺
パターンの影響等によりマーク上のレジスト膜厚が不均
一になり、レジスト膜中の定在波効果が検出精度に影響
を与えることを指摘している。
P.427 「マーク上のレジストによるアライメント精度の影響」
（文献10） ここでは、回折格子をデバイス上に配置する時、周辺
パターンの影響等によりマーク上のレジスト膜厚が不均
一になり、レジスト膜中の定在波効果が検出精度に影響
を与えることを指摘している。
c,昭和62年 応用物理学会予稿集 18a−Ｆ−10 P.427 「透明樹脂コーティングによるアライメント精度の向
上」（文献11） ここでは、アライメントマーク部のフォトレジストの
非対称コーティングによる検出精度低下を問題として取
り上げ、この対策としてフォトレジスト透明樹脂をコー
ティングし、マーク部の平坦化を試み、効果を確認して
いる。
上」（文献11） ここでは、アライメントマーク部のフォトレジストの
非対称コーティングによる検出精度低下を問題として取
り上げ、この対策としてフォトレジスト透明樹脂をコー
ティングし、マーク部の平坦化を試み、効果を確認して
いる。
d.昭和63年度精密工学会春季大会学術講演会論文集 Ｈ
−39,PP.603〜604 「縮小投影露光装置用合せマーク検出の研究 第１報
４波長レーザ照明によるレジスト塗布むらの影響低減」
（文献12） ここでは、レジスト塗布むらが単波長照明のため、干
渉を生じさせることにより検出精度が低下することを問
題点として取り上げ、この対策として４波長照明化する
ことにより、レジスト膜中での多重干渉反射光が零にな
る領域を拡大する方法を採り、レジスト塗布むらによる
検出誤差を大幅に低減している。
−39,PP.603〜604 「縮小投影露光装置用合せマーク検出の研究 第１報
４波長レーザ照明によるレジスト塗布むらの影響低減」
（文献12） ここでは、レジスト塗布むらが単波長照明のため、干
渉を生じさせることにより検出精度が低下することを問
題点として取り上げ、この対策として４波長照明化する
ことにより、レジスト膜中での多重干渉反射光が零にな
る領域を拡大する方法を採り、レジスト塗布むらによる
検出誤差を大幅に低減している。
f.昭和63年度 精密工学会秋季大会論文集 E27,PP.165
〜166 「縮小投影露光装置用合せマークの高精度検出報 第２
報 斜方照明・検出によるダイレクトオフアキシス法」
（文献13） ここでも、レジスト厚さ変動が検出精度に与える影響
を４波長レーザ照明することにより、回折光強度変化を
25％に低減したことが示されている。ここで、25％と
は、下式（７）で表わされる相対強度（IM/IO）のレジ
スト厚さによる変化率を表わす。
〜166 「縮小投影露光装置用合せマークの高精度検出報 第２
報 斜方照明・検出によるダイレクトオフアキシス法」
（文献13） ここでも、レジスト厚さ変動が検出精度に与える影響
を４波長レーザ照明することにより、回折光強度変化を
25％に低減したことが示されている。ここで、25％と
は、下式（７）で表わされる相対強度（IM/IO）のレジ
スト厚さによる変化率を表わす。
ただし、ｔは空気からのレジストへの透過係数，は
空気へのレジストの透過係数，μは回折効率係数,rはレ
ジストから空気への反射係数,r′はレジストからウエハ
ーへの反射係数である。
空気へのレジストの透過係数，μは回折効率係数,rはレ
ジストから空気への反射係数,r′はレジストからウエハ
ーへの反射係数である。
（５）Ｘ線マスクとウエハー間の多重反射干渉の影響を
受けないこと。
受けないこと。
位置検出信号に影響を与える大きな要因として、マス
ク下面とウエハー上面との間での多重反射干渉がある。
これは第58図に示すように、Ｘ線マスク48下面で反射し
た光がウエハー49上面で再度反射を繰り返す現象であ
る。
ク下面とウエハー上面との間での多重反射干渉がある。
これは第58図に示すように、Ｘ線マスク48下面で反射し
た光がウエハー49上面で再度反射を繰り返す現象であ
る。
このように多重反射した光が本来の位置信号に重畳し
干渉することにより、誤差が発生する。ちなみに、光ス
テッパーでもレティクルとウエハー間の縮小投影レンズ
を通しても、同じ多重反射が発生し問題となるため、こ
の対策としてはレティクル下面に反射防止膜をコートす
るようにしている。
干渉することにより、誤差が発生する。ちなみに、光ス
テッパーでもレティクルとウエハー間の縮小投影レンズ
を通しても、同じ多重反射が発生し問題となるため、こ
の対策としてはレティクル下面に反射防止膜をコートす
るようにしている。
次に、この多重反射が検出精度に影響している例を示
す。
す。
a.精密工学会誌55 1989年６月号 P.87〜P.92「回折格
子による高精度位置合わせ法（第３報）」（前記文献
３） この倍ピッチ２重回折格子法では、高反射率のアルミ
ニウム膜の場合、マスク下面とウエハー上面との間で多
重反射を生じるため、検出信号は細かい凹凸をもつ形状
となり、位置ずれ検出精度が低下している。
子による高精度位置合わせ法（第３報）」（前記文献
３） この倍ピッチ２重回折格子法では、高反射率のアルミ
ニウム膜の場合、マスク下面とウエハー上面との間で多
重反射を生じるため、検出信号は細かい凹凸をもつ形状
となり、位置ずれ検出精度が低下している。
この対策としては、レジスト膜を非干渉膜厚に塗布す
ることにより、反射防止膜の役割を果たさせることによ
り多重反射の影響を低減させ、信号波形を滑らかにし、
位置合せに適した信号としている。
ることにより、反射防止膜の役割を果たさせることによ
り多重反射の影響を低減させ、信号波形を滑らかにし、
位置合せに適した信号としている。
b.J.Vac.Sci.Technol.19（４）,Nov./Dec.1981 P.1224
〜P.1228 「Application of zone plates to alignment in micro
lithography」（文献14） 円形フレネルゾーンプレート法では、Ｘ線マスク上に
形成した円形ゾーンプレートのスポットが２つの光束A,
Bからできることから、多重反射の影響を受ける。つま
り、光束Ａはウエハーで１回反射した光であり、この光
束の位相が光束Ｂと180゜ずれている場合、打ち消し合
ってスポット強度が殆ど零になってしまう。即ち、第59
図に示すように、破線で示す光束ＡをＸ線マスク50を通
過してウエハー51上で反射させ、マスク50上に設けられ
た円形ゾーンプレート51を透過させて集束スポット52を
形成する。ところが実線で示す光束Ｂもマスク50上の円
形ゾーンプレート51で反射して集束スポット52に集光
し、これらの光束は位相が180゜ずれていると互いに打
ち消し合ってしまうことになる。
〜P.1228 「Application of zone plates to alignment in micro
lithography」（文献14） 円形フレネルゾーンプレート法では、Ｘ線マスク上に
形成した円形ゾーンプレートのスポットが２つの光束A,
Bからできることから、多重反射の影響を受ける。つま
り、光束Ａはウエハーで１回反射した光であり、この光
束の位相が光束Ｂと180゜ずれている場合、打ち消し合
ってスポット強度が殆ど零になってしまう。即ち、第59
図に示すように、破線で示す光束ＡをＸ線マスク50を通
過してウエハー51上で反射させ、マスク50上に設けられ
た円形ゾーンプレート51を透過させて集束スポット52を
形成する。ところが実線で示す光束Ｂもマスク50上の円
形ゾーンプレート51で反射して集束スポット52に集光
し、これらの光束は位相が180゜ずれていると互いに打
ち消し合ってしまうことになる。
（６）アライメントマークが充分小さいこと。
通常アライメントマークは、Ｘ線露光領域と領域の中
間にあるスクライブラインか、あるいは露光領域中のい
ずれかに設けられる。
間にあるスクライブラインか、あるいは露光領域中のい
ずれかに設けられる。
Ｘ線マスクの製作精度が低く等倍露光であること、露
光中の熱膨張によるＸ線パターンの歪等の影響が大きい
こと等から、現状ではＸ線露光領域中に配置されること
が多く、この場合はデバイス回路が占める面積に使えな
い領域を作ることになるため、できるだけ小さいことが
望まれる。絶対許容寸法は決まっていないが、光ステッ
パーを例にとると、ほぼアライメントマークの大きさは
最大で縦・横100μｍである。
光中の熱膨張によるＸ線パターンの歪等の影響が大きい
こと等から、現状ではＸ線露光領域中に配置されること
が多く、この場合はデバイス回路が占める面積に使えな
い領域を作ることになるため、できるだけ小さいことが
望まれる。絶対許容寸法は決まっていないが、光ステッ
パーを例にとると、ほぼアライメントマークの大きさは
最大で縦・横100μｍである。
このことから、Ｘ線露光装置においても、縦・横100
μｍの大きさが１つの目標とされる。
μｍの大きさが１つの目標とされる。
一方、スクライブラインを設ける場合は、スクライブ
ラインの幅が300μｍ〜1.5mmの範囲をもっているため、
大きなマークの使用が可能となる。
ラインの幅が300μｍ〜1.5mmの範囲をもっているため、
大きなマークの使用が可能となる。
以下に、大きなアライメントマークを必要とする例を
示す。
示す。
a.昭和63年精密工学会春季大会論文集 Ｆ−82,PP.949〜950 「差動型LFZP法によるＸ線露光装置における位置ずれ検
出」（文献15） ウエハー上には長さ500μｍ×幅２μｍの１次元回折
格子が２つ必要とされる。また、マスク上にも長さ500
μｍ×幅47μｍのリニアフレネルゾーンプレートが２つ
必要とされており、ウエハー，マスク共にアライメント
マークのために、廣い領域を必要とする。
出」（文献15） ウエハー上には長さ500μｍ×幅２μｍの１次元回折
格子が２つ必要とされる。また、マスク上にも長さ500
μｍ×幅47μｍのリニアフレネルゾーンプレートが２つ
必要とされており、ウエハー，マスク共にアライメント
マークのために、廣い領域を必要とする。
b.日経マイクロデバイス 1986年４月号 P.115〜P.127 「4MDRAMの量産用を狙ったＸ線ステッパ」（文献16） ウエハー上には長さ500μｍ×幅1.5μｍの１次元回折
格子を、マスク上には長さ500μｍ×幅42μｍのリニア
フレネルゾーンプレートが必要とされており、マスク，
ウエハー共にアライメントマークのために広い領域を必
要とする。
格子を、マスク上には長さ500μｍ×幅42μｍのリニア
フレネルゾーンプレートが必要とされており、マスク，
ウエハー共にアライメントマークのために広い領域を必
要とする。
c.J.Vac.Sci.Tech.B6（１）,No.1 Jan/Feb.1988 PP.409
〜412 「Alighment system for Synchrotoron radiation X−r
ay lithgraphy」（文献17） ウエハー上には、長さ400μｍ×幅30μｍの回折格子
が30μｍの間隔をおいて２つ必要とされ、マスク上には
長さ400μｍ×幅30μｍの回折格子が必要とされてい
る。
〜412 「Alighment system for Synchrotoron radiation X−r
ay lithgraphy」（文献17） ウエハー上には、長さ400μｍ×幅30μｍの回折格子
が30μｍの間隔をおいて２つ必要とされ、マスク上には
長さ400μｍ×幅30μｍの回折格子が必要とされてい
る。
また、マスク上の格子の両側には、ウエハー表面から
の反射を防止するために長さ400μｍ×幅約100μｍ（明
記されておらず）の回折格子が２つ用意されている。
の反射を防止するために長さ400μｍ×幅約100μｍ（明
記されておらず）の回折格子が２つ用意されている。
つまり、ウエハー，マスク共にアライメントマークの
ために広い領域を必要としている。
ために広い領域を必要としている。
（７）装置構成が簡単であること。
Ｘ線アライナーの全体構成の中での大きさ的なバラン
スから、あるいはコスト面および信頼性から、検出装置
はできるだけ小型でその構成が簡単なことが望ましい。
装置構成が比較的複雑と思われる例を以下に示す。
スから、あるいはコスト面および信頼性から、検出装置
はできるだけ小型でその構成が簡単なことが望ましい。
装置構成が比較的複雑と思われる例を以下に示す。
a.昭和61年応用物理学会秋季大会予稿集 280−ZF−10 P.317 「回折格子を用いた光ヘテロダイン干渉式位置検出法の
検討」（文献18） この装置では、光ヘテロダイン測定法を可能にするた
めの工学部品が多数必要となる。また、系を構成する為
に要する空間が比較的大きくなっている。
検討」（文献18） この装置では、光ヘテロダイン測定法を可能にするた
めの工学部品が多数必要となる。また、系を構成する為
に要する空間が比較的大きくなっている。
b.応用物理 第56巻 第11号 PP.1190〜1194 「三つの回折格子を用いた光ヘテロダイン測定による高
精度位置合わせ技術」（文献19） この装置では、１軸を測定する為に、回折格子の対角
に４つの高感度受光装置が必要となり（内２つはマスク
とウエハーの平行度調整用）、系を構成する空間が比較
的に大きくなる。
精度位置合わせ技術」（文献19） この装置では、１軸を測定する為に、回折格子の対角
に４つの高感度受光装置が必要となり（内２つはマスク
とウエハーの平行度調整用）、系を構成する空間が比較
的に大きくなる。
c.昭和63年 精密工学会秋季大会学術講演会論文集 Ｅ
−26 P.163 「ホログラフィアライメントへのヘテロダイン干渉の応
用」（文献20） この装置でも、入射系，検出系とも多種多数の工学部
品が必要となっており、安定性，信頼性に不安があり、
また、系が大きな空間を必要とする為、他の装置との取
り合にとって大きな制約条件となる。
−26 P.163 「ホログラフィアライメントへのヘテロダイン干渉の応
用」（文献20） この装置でも、入射系，検出系とも多種多数の工学部
品が必要となっており、安定性，信頼性に不安があり、
また、系が大きな空間を必要とする為、他の装置との取
り合にとって大きな制約条件となる。
d.精密工学会誌55 1989年７月号PP.77 「市松格子を用いた２重回折格子法位置合わせ（第１
報）」（文献21） この装置でも多数の工学部品を必要とする上、さらに
入射系にはペアになった２つの回折格子を交互に照射す
る為に、同期検波の信号処理を目的とした音響工学偏光
素子（AOD）を用いて、入射光を振動させている。した
がって、入射系も駆動部分を含む装置となり、これらの
特性が検出値に影響を与える。
報）」（文献21） この装置でも多数の工学部品を必要とする上、さらに
入射系にはペアになった２つの回折格子を交互に照射す
る為に、同期検波の信号処理を目的とした音響工学偏光
素子（AOD）を用いて、入射光を振動させている。した
がって、入射系も駆動部分を含む装置となり、これらの
特性が検出値に影響を与える。
また、検出系，入射系とも比較的大きな空間を必要と
する為、他の装置に対して制約条件を与えることにな
る。
する為、他の装置に対して制約条件を与えることにな
る。
（８）検出速度が速いこと。
検出装置で検出した値は、マスクとウエハーの相対位
置を表わし、最終的（露光時）にはこの値を零あるいは
許容値内（通常は露光線幅の1/4）に入れる必要がある
為、通常この検出値はマスクあるいはウエハーを動かす
為のフィードバック量として各々ステージに取り込まれ
る。サーボ系におけるこのフィードバック信号の応答性
はサーボ系全体の応答性を決める１つの要素であること
から、このフィードバック信号はできる限り速い方がよ
い。
置を表わし、最終的（露光時）にはこの値を零あるいは
許容値内（通常は露光線幅の1/4）に入れる必要がある
為、通常この検出値はマスクあるいはウエハーを動かす
為のフィードバック量として各々ステージに取り込まれ
る。サーボ系におけるこのフィードバック信号の応答性
はサーボ系全体の応答性を決める１つの要素であること
から、このフィードバック信号はできる限り速い方がよ
い。
現状の縦型X/Yステージ用の剛性から試算すると、最
低20Hz前後は必要だと思われる。
低20Hz前後は必要だと思われる。
検出速度については、明記している文献が少なく各社
の実態を知ることは難しいが、次に示す文献のものは明
らかに遅いと思われる。
の実態を知ることは難しいが、次に示す文献のものは明
らかに遅いと思われる。
a.1989年 精密工学会春季大会学術講演会論文集 Ｉ−
13 PP.283〜284 「プラズマ線源方式Ｘ線露光システムの開発」 （総合報告）（文献22） この検出装置の場合、約0.4秒毎に検出値をウエハー
ステージ（ピエゾ素子駆動形６軸微動機構）にフィード
バックしている。
13 PP.283〜284 「プラズマ線源方式Ｘ線露光システムの開発」 （総合報告）（文献22） この検出装置の場合、約0.4秒毎に検出値をウエハー
ステージ（ピエゾ素子駆動形６軸微動機構）にフィード
バックしている。
（９）検出範囲が広いこと。
検出装置が検出できる範囲は、検出装置の構成および
スループット（一定時間に処理できるウエハーの枚
数），信頼性の面からできる限り広い方が望ましい。
スループット（一定時間に処理できるウエハーの枚
数），信頼性の面からできる限り広い方が望ましい。
まず、構成の上では、もし0.01μｍの精度で検出でき
る装置が100μｍ以上の検出範囲を持っているとすれ
ば、光ステッパーで云うコースアライメント装置（マス
クとウエハーの粗い相対位置を検出する装置）が不必要
となり、構成が簡単となり、コスト面でも有利となる。
る装置が100μｍ以上の検出範囲を持っているとすれ
ば、光ステッパーで云うコースアライメント装置（マス
クとウエハーの粗い相対位置を検出する装置）が不必要
となり、構成が簡単となり、コスト面でも有利となる。
次に、スループットでは、アルゴリズムの上からコー
スアライメント装置に関する処理時間が大幅に削減され
るため向上する。
スアライメント装置に関する処理時間が大幅に削減され
るため向上する。
最後に、信頼性の面では、コースアライメント精度が
ファインアライメントが可能な領域を十分カバーしてい
ない場合、コースアライメントからファインアライメン
トに移った時に、ファインアライメントが不可能あるい
は大幅な誤差を含んだ形で遂行されてしまい、最終的に
到達される精度をクリアーできる確率は低下することに
なり、信頼性は低下することになる。
ファインアライメントが可能な領域を十分カバーしてい
ない場合、コースアライメントからファインアライメン
トに移った時に、ファインアライメントが不可能あるい
は大幅な誤差を含んだ形で遂行されてしまい、最終的に
到達される精度をクリアーできる確率は低下することに
なり、信頼性は低下することになる。
次に、この検出範囲が極端に狭い例を示す。
a.昭和61年 応用物理学会秋季大会予稿集 28a−ZF−11 P.317 「光ヘテロダイン測定によるＸ線リソグラフィ用高精度
位置ずれ検出」（文献23） この装置では、２光束の干渉をある一定のギャップ
（40μｍ前後）で行なわせるために回折格子のピッチを
十分小さくする必要がある。このギャップが62μｍの場
合、ピッチは0.72μｍとなり、これから検出範囲は最大
でも±0.18μｍである。この範囲は、ギャップが小さく
なるのに比例して小さくなる。
位置ずれ検出」（文献23） この装置では、２光束の干渉をある一定のギャップ
（40μｍ前後）で行なわせるために回折格子のピッチを
十分小さくする必要がある。このギャップが62μｍの場
合、ピッチは0.72μｍとなり、これから検出範囲は最大
でも±0.18μｍである。この範囲は、ギャップが小さく
なるのに比例して小さくなる。
例えば、コースアライメントで±0.18μｍを越える測
定誤差が生じた場合は、次のピッチの所で検出が行なわ
れるため、±0.36μｍいずれかのオフセット誤差を含ん
だ形で計測が終了してしまう。
定誤差が生じた場合は、次のピッチの所で検出が行なわ
れるため、±0.36μｍいずれかのオフセット誤差を含ん
だ形で計測が終了してしまう。
したがって、このシステムではコースアライメントの
信頼性を十分高くするか、あるいはギャップをより広く
設定することが必要となるが、Ｘ線露光の特性からギャ
ップを広くするには限界があり（約60μｍ位までで、そ
れ以上ではフレネル回折の影響が出てしまう）、結局、
コースアライメント装置の信頼性が重要となる。
信頼性を十分高くするか、あるいはギャップをより広く
設定することが必要となるが、Ｘ線露光の特性からギャ
ップを広くするには限界があり（約60μｍ位までで、そ
れ以上ではフレネル回折の影響が出てしまう）、結局、
コースアライメント装置の信頼性が重要となる。
（10）マスク，ウエハーの平行度に依存しないこと。
マスクとウエハー間のギャップを設定するための装置
は、ギャップ専用に設けたセンサーあるいは位置検出装
置が専用される。この場合、ギャップと共にマスクとウ
エハー間の平行度も同時に決定される。
は、ギャップ専用に設けたセンサーあるいは位置検出装
置が専用される。この場合、ギャップと共にマスクとウ
エハー間の平行度も同時に決定される。
この平行度は、ギャップ検出精度に依存するため、ギ
ャップ検出精度が零でない限り平行度に対する許容精度
は必要となる。
ャップ検出精度が零でない限り平行度に対する許容精度
は必要となる。
この許容精度は、量産性（スループット）の点から大
きい値が望まれる。また、ギャップ検出精度とは独立に
この平行度に影響を与える要因として、マスクとウエハ
ーの平坦度がある。したがって、この平坦度に対しても
影響されないことが必要である。Ｘ線マスクの平坦度に
ついて、次の文献によれば、１μｍ前後だと言える。
きい値が望まれる。また、ギャップ検出精度とは独立に
この平行度に影響を与える要因として、マスクとウエハ
ーの平坦度がある。したがって、この平坦度に対しても
影響されないことが必要である。Ｘ線マスクの平坦度に
ついて、次の文献によれば、１μｍ前後だと言える。
a.精密工学誌 1987年１月号 PP.14〜18「Ｘ線マスク
の製造と評価」（文献24） 以下に、マスクとウエハーの平行度が直接位置検出精
度に影響を与える例を示す。
の製造と評価」（文献24） 以下に、マスクとウエハーの平行度が直接位置検出精
度に影響を与える例を示す。
b.昭和61年 応用物理学会秋季大会予稿集 28a−ZF−10 P.317（前記文献18） c.応用物理学会誌 1987年第56巻第11号 「三つの回折格子を用いた光ヘテロダイン測定による高
精度位置合せ技術」（前記文献19） 前者の場合、マスクとウエハーの平行度は各々独立の
パラメータとして位置検出精度に影響を及ぼす。後者の
場合は、マスクを基準とした時のウエハー平行度に依存
しており、平行度がθｔだけ傾いた場合に生じる位置検
出誤差（ε）は次式（８）で表わされる。
精度位置合せ技術」（前記文献19） 前者の場合、マスクとウエハーの平行度は各々独立の
パラメータとして位置検出精度に影響を及ぼす。後者の
場合は、マスクを基準とした時のウエハー平行度に依存
しており、平行度がθｔだけ傾いた場合に生じる位置検
出誤差（ε）は次式（８）で表わされる。
ε＝θｔ・Ｓ・d1/2λ ……（８） ただし、Ｓは２つのマスク回折格子のセパレーショ
ン,d1はマスク回折格子のピッチ，λは入射波長であ
る。いずれの場合も、マスクとウエハー間の平行度をＸ
およびＹ方向について保ち、かつ、マスクとウエハーの
平坦度についても、さらに影響を受けにくいように工夫
する必要がある。
ン,d1はマスク回折格子のピッチ，λは入射波長であ
る。いずれの場合も、マスクとウエハー間の平行度をＸ
およびＹ方向について保ち、かつ、マスクとウエハーの
平坦度についても、さらに影響を受けにくいように工夫
する必要がある。
（11）マーク形状が単純であること。
Ｘ線マスクに電子線描画装置（現状では）でマークが
作られること、また、ウエハー上でさまざまさプロセス
が形成され、レジストを含む薄膜が堆積されることか
ら、アライメントマークはできるだけ単純であることが
要求される。なぜなら、マークが複雑になればなるほど
Ｘ線マスク上およびウエハー上での形成が困難なものと
なり、その結果、電子描画装置およびプロセスにかかる
負担が大きくなり、非実用的なアライメント手法となり
かねないからである。（つまり、それらの負担を満足す
るようにすると、肝心のデバイスが作れない状況に落ち
入る可能性が極めて高くなるからである。） さまざまなアライメント手法の中で最も困難とされて
いるマーク形状が要求される例を以下に示す。
作られること、また、ウエハー上でさまざまさプロセス
が形成され、レジストを含む薄膜が堆積されることか
ら、アライメントマークはできるだけ単純であることが
要求される。なぜなら、マークが複雑になればなるほど
Ｘ線マスク上およびウエハー上での形成が困難なものと
なり、その結果、電子描画装置およびプロセスにかかる
負担が大きくなり、非実用的なアライメント手法となり
かねないからである。（つまり、それらの負担を満足す
るようにすると、肝心のデバイスが作れない状況に落ち
入る可能性が極めて高くなるからである。） さまざまなアライメント手法の中で最も困難とされて
いるマーク形状が要求される例を以下に示す。
a.Optical Engineering March/April 1983 Vol.22,No.2
PP.203〜207 「Application of zone plates alignment in X−ray l
ithography」（文献25） この方法の場合、アライメントマークに円形フレネル
ゾーンプレートを用いており、電子線描画がむずかし
く、（原理的に電子線描画装置は連続した曲線が描けな
い。）また、プロセス変化に基づくパターンの変化が起
きやすく、マークとして適当とは言えない。
PP.203〜207 「Application of zone plates alignment in X−ray l
ithography」（文献25） この方法の場合、アライメントマークに円形フレネル
ゾーンプレートを用いており、電子線描画がむずかし
く、（原理的に電子線描画装置は連続した曲線が描けな
い。）また、プロセス変化に基づくパターンの変化が起
きやすく、マークとして適当とは言えない。
（12）Ｘ線露光光と干渉せずに露光中もマーク検出が可
能のこと。
能のこと。
これには二つの方法がある。１つはＸ線露光領域に近
接した場合にマークを設けて検出する方法であり、関連
する文献を次に示す。
接した場合にマークを設けて検出する方法であり、関連
する文献を次に示す。
a.昭和61年度 精密工学会秋季大会学術講演会論文集
380 PP.703〜704 「二重回折格子により高精度位置合わせ法（第８報）」
（文献26） b.特願昭62−260559号（文献27） これらいずれの方法もＸ線露光領域に近接した場所に
反射ミラーあるいはプリズムを設け信号検出している。
380 PP.703〜704 「二重回折格子により高精度位置合わせ法（第８報）」
（文献26） b.特願昭62−260559号（文献27） これらいずれの方法もＸ線露光領域に近接した場所に
反射ミラーあるいはプリズムを設け信号検出している。
もう１つの方法は、Ｘ線露光光と干渉しない斜めの方
向から入射検出を行なう方法である。
向から入射検出を行なう方法である。
以下にその例を示す。
c.昭和63年度 精密工学会秋季大会学術講演会論文集
Ｅ−26 PP.163〜164 「ホログラフィアライメントへのヘテロダイン干渉の応
用」（前記文献20） d.精密工学会誌55 1989年９月号PP.139〜145 「斜方結像工学系を用いたＸ線露光装置用アライメント
パターン検出法」（文献29） e.特願昭63−202857号（文献30） f.昭和61年 応用物理学会秋季大会予稿集 28a−ZF−1
1 「光ヘテロダイン測定によるＸ線リソグラフィ用高精度
位置ずれ検出」（前記文献23） これらいずれもＸ線露光光軸に対して10度〜45度の角
度で照明光を入射させ、マークからの反射光を検出し、
アライメント装置が露光領域に干渉しない構成となって
いる。
Ｅ−26 PP.163〜164 「ホログラフィアライメントへのヘテロダイン干渉の応
用」（前記文献20） d.精密工学会誌55 1989年９月号PP.139〜145 「斜方結像工学系を用いたＸ線露光装置用アライメント
パターン検出法」（文献29） e.特願昭63−202857号（文献30） f.昭和61年 応用物理学会秋季大会予稿集 28a−ZF−1
1 「光ヘテロダイン測定によるＸ線リソグラフィ用高精度
位置ずれ検出」（前記文献23） これらいずれもＸ線露光光軸に対して10度〜45度の角
度で照明光を入射させ、マークからの反射光を検出し、
アライメント装置が露光領域に干渉しない構成となって
いる。
［課題を解決するための手段］ この発明は、微小距離だけ離間した第1,第２の物体の
離間方向に垂直な方向の位置を検出する位置検出装置に
おいて、第１の物体にはスリットを、第２の物体には回
折格子を設け、スリットを通した斜方からの入射光で回
折格子を照射し、該回折格子により生じるフレネル回折
像を検出するため、第１の物体に対して第２の物体はフ
レネル領域にあり、上記スリットと上記回折格子を対向
させない配置とし、上記回折格子からの回折光を上記ス
リットを通過した後に斜方検出するようにして、第１の
物体と第２の物体の相対位置を検出するスリットと回折
格子による相対位置検出装置である。また、微小距離だ
け離間した第1,第２の物体の離間方向に垂直な方向の位
置を検出する位置検出装置において、第１の物体にはス
リットを、第２の物体には回折格子を設け、スリットを
通した斜方からの入射光で回折格子を照射し、該回折格
子により生じるフレネル回折像を検出するため、第１の
物体に対して第２の物体はフレネル領域にあり、第1,第
２の物体面における法線に対して、入射角度θｎで可干
渉光の複数波長の光を入射させるようにしたことを特徴
とするスリットと回折格子による相対位置検出方法であ
る。
離間方向に垂直な方向の位置を検出する位置検出装置に
おいて、第１の物体にはスリットを、第２の物体には回
折格子を設け、スリットを通した斜方からの入射光で回
折格子を照射し、該回折格子により生じるフレネル回折
像を検出するため、第１の物体に対して第２の物体はフ
レネル領域にあり、上記スリットと上記回折格子を対向
させない配置とし、上記回折格子からの回折光を上記ス
リットを通過した後に斜方検出するようにして、第１の
物体と第２の物体の相対位置を検出するスリットと回折
格子による相対位置検出装置である。また、微小距離だ
け離間した第1,第２の物体の離間方向に垂直な方向の位
置を検出する位置検出装置において、第１の物体にはス
リットを、第２の物体には回折格子を設け、スリットを
通した斜方からの入射光で回折格子を照射し、該回折格
子により生じるフレネル回折像を検出するため、第１の
物体に対して第２の物体はフレネル領域にあり、第1,第
２の物体面における法線に対して、入射角度θｎで可干
渉光の複数波長の光を入射させるようにしたことを特徴
とするスリットと回折格子による相対位置検出方法であ
る。
［実 施 例］ まず、この発明の原理の概要を説明する。第１図
（Ａ），（Ｂ）は、基本原理を説明するための上面図お
よび側面図である。ウエハー１上には１次元回折格子２
がアライメントマークとして形成されて、格子ピッチを
Ｄ＋E,配列方向の長さC,格子の幅Ｃとなるように形成さ
れている。このウエハー１上にはギャップＡで対向する
位置に幅G,長さＦのスリット４を有するマスク３が配設
されている。
（Ａ），（Ｂ）は、基本原理を説明するための上面図お
よび側面図である。ウエハー１上には１次元回折格子２
がアライメントマークとして形成されて、格子ピッチを
Ｄ＋E,配列方向の長さC,格子の幅Ｃとなるように形成さ
れている。このウエハー１上にはギャップＡで対向する
位置に幅G,長さＦのスリット４を有するマスク３が配設
されている。
ウエハー１上の１次元回折格子２とマスク３上のスリ
ット４は、入射光５の法線Ｎに対して角度θ０に応じ
て、適当な量だけスリット４の長手方向（１次元回折格
子２の配列方向）にずらせて配置することにより、ウエ
ハー１上の１次元回折格子２に入射させる入射光５はマ
スク３上のスリット４と全く干渉せずにウエハー１上の
１次元回折格子に入射させるようにする。
ット４は、入射光５の法線Ｎに対して角度θ０に応じ
て、適当な量だけスリット４の長手方向（１次元回折格
子２の配列方向）にずらせて配置することにより、ウエ
ハー１上の１次元回折格子２に入射させる入射光５はマ
スク３上のスリット４と全く干渉せずにウエハー１上の
１次元回折格子に入射させるようにする。
ここで、入射する光５は、He−Ne,Arなどの波長λの
コヒーレント光とする。また、ウエハー１上の１次元回
折格子２は、プロセスにより形成された段差形状をもっ
た反射型の回折格子である。そして、マスク３上のスリ
ット４は、例えば透過部がSiNで、不透明部がTaの場合
を示している。これは透明部をSiNの代りにSiCを、不透
明部のTaの代りにAuを使用しても、可視光に対して十分
コントラストを有している。
コヒーレント光とする。また、ウエハー１上の１次元回
折格子２は、プロセスにより形成された段差形状をもっ
た反射型の回折格子である。そして、マスク３上のスリ
ット４は、例えば透過部がSiNで、不透明部がTaの場合
を示している。これは透明部をSiNの代りにSiCを、不透
明部のTaの代りにAuを使用しても、可視光に対して十分
コントラストを有している。
マスク３上のスリット４と干渉せずに透過した波長λ
の入射光５は、直接ウエハー１上の１次元回折格子２に
入射して反射回折され、零次の反射光６は法線Ｎに対し
てθ０で反射し、１次回折光6aは法線Ｎに対してθ０＋
θ１の角度で反射することになる。マスク３とウエハー
１の相対位置を検出するには、この例の場合、−１次の
反射回折光を使用する。この主な利用は、マスク３とウ
エハー１間のギャップ変動の影響を受けないためであ
る。
の入射光５は、直接ウエハー１上の１次元回折格子２に
入射して反射回折され、零次の反射光６は法線Ｎに対し
てθ０で反射し、１次回折光6aは法線Ｎに対してθ０＋
θ１の角度で反射することになる。マスク３とウエハー
１の相対位置を検出するには、この例の場合、−１次の
反射回折光を使用する。この主な利用は、マスク３とウ
エハー１間のギャップ変動の影響を受けないためであ
る。
ウエハー１上の回折格子２で反射回折された−１次の
回折光6aは、マスク３の法線Ｎに対して（θ０＋θ１）
の角度でマスク３に設けられた長方形の開口部を形成し
たスリット４を透過する。このスリット４と透過する−
１次回折光6aの光量はマスク３とウエハー１の相対位置
により変化する。
回折光6aは、マスク３の法線Ｎに対して（θ０＋θ１）
の角度でマスク３に設けられた長方形の開口部を形成し
たスリット４を透過する。このスリット４と透過する−
１次回折光6aの光量はマスク３とウエハー１の相対位置
により変化する。
ここで、スリット４を透過する光量は、マスク３とウ
エハー１の移動方向、つまりウエハー１上の１次元回折
格子２の幅Ｂ（即ち、回折格子２の配列方向と直交する
方向）およびスリット４の幅Ｇ方向（スリット長手方向
と直交する方向）に応じて変化する。
エハー１の移動方向、つまりウエハー１上の１次元回折
格子２の幅Ｂ（即ち、回折格子２の配列方向と直交する
方向）およびスリット４の幅Ｇ方向（スリット長手方向
と直交する方向）に応じて変化する。
単純に１次元回折格子２の幅Ｂ、−１次回折光6aの幅
もＢと同じにすれば、１次元回折格子２の配列方向の中
心線とスリットの長手方向の中心線が一致したとき、ス
リット４を通過する−１次回折光6aの光強度は最も強く
なり、逆にスリット４を全く−１次回折光6aが通過しな
い場合には光強度が零になる。
もＢと同じにすれば、１次元回折格子２の配列方向の中
心線とスリットの長手方向の中心線が一致したとき、ス
リット４を通過する−１次回折光6aの光強度は最も強く
なり、逆にスリット４を全く−１次回折光6aが通過しな
い場合には光強度が零になる。
ここで、スリット４を通過する−１次回折光の光路中
に受光センサーを置いて光量変化を検出すれば、マスク
３とウエハー１の相対位置が正確に測定することが可能
となる。
に受光センサーを置いて光量変化を検出すれば、マスク
３とウエハー１の相対位置が正確に測定することが可能
となる。
以上の検出方法においては、回折方法と位置検出方向
とが直交し、入射角度および回折角度は、検出精度とは
無関係に設定することが可能となる。このことから、入
射光を大きく傾ける斜入射が可能となるため、マスクス
リット４とは全く干渉することなくウエハー１上の回折
格子２に到達した光は、この回折格子２で反射回折さ
れ、マスクスリット４を１回だけ通過する経過となるた
め、マスク３とウエハー１間の多重反射干渉の影響は全
く受けることがない。また、斜入射，斜方検出が可能の
ため、Ｘ線露光光とは全く干渉することなく、露光中に
おいても検出が可能となる。さらに、マスク３とウエハ
ー１間のギャップ変動については、ギャップ変動により
位置検出回折光と干渉するマスク３上面での零次反射光
が斜入射により位置検出回折光とθ１の角度差で完全に
分離されるため、全くその影響を受けることがない。ま
た、マスク３とウエハー１の平行度についても、さほど
敏感でなく現状のギャップセンサーで十分に対応できる
範囲と考えてよい。
とが直交し、入射角度および回折角度は、検出精度とは
無関係に設定することが可能となる。このことから、入
射光を大きく傾ける斜入射が可能となるため、マスクス
リット４とは全く干渉することなくウエハー１上の回折
格子２に到達した光は、この回折格子２で反射回折さ
れ、マスクスリット４を１回だけ通過する経過となるた
め、マスク３とウエハー１間の多重反射干渉の影響は全
く受けることがない。また、斜入射，斜方検出が可能の
ため、Ｘ線露光光とは全く干渉することなく、露光中に
おいても検出が可能となる。さらに、マスク３とウエハ
ー１間のギャップ変動については、ギャップ変動により
位置検出回折光と干渉するマスク３上面での零次反射光
が斜入射により位置検出回折光とθ１の角度差で完全に
分離されるため、全くその影響を受けることがない。ま
た、マスク３とウエハー１の平行度についても、さほど
敏感でなく現状のギャップセンサーで十分に対応できる
範囲と考えてよい。
以上が、この発明の基本原理の概要であるが、その主
な特徴は次の３点である。
な特徴は次の３点である。
I.回折方向に対して、直角方向の位置検出を行う。
II.1次元回折格子からの回折光がスリットを通過する光
量の変化を利用した位置検出方法である。
量の変化を利用した位置検出方法である。
III.1次元回折格子とスリットを対向させない配置と
し、斜方入射により生じた回折光がスリットを通過した
後の光量を斜方検出することにより、マスクとウエハー
間の多重反射干渉を無くし、かつギャップにより変動す
る零次光（ギャップ検出信号）と位置により変動するＮ
次回折光（位置検出信号）を空間的に完全に分離した検
出方法である。
し、斜方入射により生じた回折光がスリットを通過した
後の光量を斜方検出することにより、マスクとウエハー
間の多重反射干渉を無くし、かつギャップにより変動す
る零次光（ギャップ検出信号）と位置により変動するＮ
次回折光（位置検出信号）を空間的に完全に分離した検
出方法である。
次に、上記３つの特徴の各項目についてさらに詳細に
説明する。
説明する。
I.回折方向に対して、直角方向の位置検出を行う。
従来の二重回折格子法においては、回折格子における
回折方向の光を位置検出信号として使用していた。この
例としては、回折光の強度を利用している第52図の倍ピ
ッチ二重回折法や、第54図に示すヘテロダイン干渉を応
用した方法が挙げられる。
回折方向の光を位置検出信号として使用していた。この
例としては、回折光の強度を利用している第52図の倍ピ
ッチ二重回折法や、第54図に示すヘテロダイン干渉を応
用した方法が挙げられる。
一方、この発明と同じく、回折方向に対して直角な方
向の位置を検出している例としては、以下に示すよう
に、回折格子とパターン検出を組み合わせたハイブリッ
ド計測を採用している。現在の光ステッパー，エキシマ
レーザーステッパーおよびＸ線ステッパーが挙げられ
る。
向の位置を検出している例としては、以下に示すよう
に、回折格子とパターン検出を組み合わせたハイブリッ
ド計測を採用している。現在の光ステッパー，エキシマ
レーザーステッパーおよびＸ線ステッパーが挙げられ
る。
これらの文献として、 ａ 昭和63年度 精密工学会秋季大会論文集 E27,PP.1
65〜166 「縮小投影露光装置用合せマークの高精度検出法 第２
報 斜方照明・検出によるダイレクトオフアクシス法」
（文献31） ｂ 電子材料 1988年３月号 PP.30〜36 「ｉ線縮小投影露光装置LD−5010i」（文献32） ｃ NEC RESERCH ＆ DEVELOPMENT No.82,PP.42〜47,Jul
y 1986（文献33） 「Ｘ−Ray Lithography for Submicron Device Fabrica
tion」 ｄ 特開昭63−153821号公報（文献34） などがある。
65〜166 「縮小投影露光装置用合せマークの高精度検出法 第２
報 斜方照明・検出によるダイレクトオフアクシス法」
（文献31） ｂ 電子材料 1988年３月号 PP.30〜36 「ｉ線縮小投影露光装置LD−5010i」（文献32） ｃ NEC RESERCH ＆ DEVELOPMENT No.82,PP.42〜47,Jul
y 1986（文献33） 「Ｘ−Ray Lithography for Submicron Device Fabrica
tion」 ｄ 特開昭63−153821号公報（文献34） などがある。
これらは、いずれも第２図に示すように、アライメン
トマーク８に１次元回折格子を用いており、この回折格
子から生じる１次回折光を位置合せマークとして対物レ
ンズでパターン検出することによってマスクとウエハー
の位置検出を行っている。
トマーク８に１次元回折格子を用いており、この回折格
子から生じる１次回折光を位置合せマークとして対物レ
ンズでパターン検出することによってマスクとウエハー
の位置検出を行っている。
次に、位置検出信号として用いる検出方向における回
折像の強度分布を近似的に計算により求める。計算によ
り求めようとする回折像の強度分布の方向を第３図に示
す。
折像の強度分布を近似的に計算により求める。計算によ
り求めようとする回折像の強度分布の方向を第３図に示
す。
この図において、求める回折像の強度分布は、フレネ
ル領域における回折像のものである。
ル領域における回折像のものである。
これは、この発明の原理を示す第１図（Ａ），（Ｂ）
からもわかるように、マスクスリット４により遮られる
回折像は、回折格子２から比較的に近い有限距離にある
回折像で、その距離は第１図（Ｂ）中ではＡμｍで表わ
されており、適当な値が取り得るＡ値は、マスクとウエ
ハーの場合凡そ15μｍ＜Ａ＜50μｍであることから、フ
レネル領域における回折像を求めればよいことがわか
る。第３図で示される回折像を近似的に求めるため、第
４図に示すスリット９によるフレネル回折像の強度分布
を求めてみる。
からもわかるように、マスクスリット４により遮られる
回折像は、回折格子２から比較的に近い有限距離にある
回折像で、その距離は第１図（Ｂ）中ではＡμｍで表わ
されており、適当な値が取り得るＡ値は、マスクとウエ
ハーの場合凡そ15μｍ＜Ａ＜50μｍであることから、フ
レネル領域における回折像を求めればよいことがわか
る。第３図で示される回折像を近似的に求めるため、第
４図に示すスリット９によるフレネル回折像の強度分布
を求めてみる。
スリットの幅を２ζ０とする。図において、観察面Ｑ
におけるスリット９からのｘ方向の振幅成分をUxとする
と、ｘ方向における回折像の強度分布Ixは次式によって
求められる。
におけるスリット９からのｘ方向の振幅成分をUxとする
と、ｘ方向における回折像の強度分布Ixは次式によって
求められる。
Ix＝|Ux| ……（９） |Ux|を求めるために、コルニュ（Cornu）の螺旋を用
いた図式解法を適用すると、強度分布Ixはコルニュの螺
旋上にある２点p1,p2を結ぶ線分の長さ▲▼で
表わされる。
いた図式解法を適用すると、強度分布Ixはコルニュの螺
旋上にある２点p1,p2を結ぶ線分の長さ▲▼で
表わされる。
このコルニュの螺旋図を用いて、幅２ξ０のスリット
９を考えると、 とおき、任意のｘに対してＰを求め、このｐに相当する
螺旋上の点Ｐを中心に、それぞれΔp1とΔp2だけ離れた
点p1およびp2をとると、p1p2がｘにおける|Ux|に相当す
る。
９を考えると、 とおき、任意のｘに対してＰを求め、このｐに相当する
螺旋上の点Ｐを中心に、それぞれΔp1とΔp2だけ離れた
点p1およびp2をとると、p1p2がｘにおける|Ux|に相当す
る。
次に、上記（14），（15）式からスリット幅２ξ０と
強度分布|Ux|の関係を考える。
強度分布|Ux|の関係を考える。
（ア）スリットの面２ξ０が大きくなった場合、 となる。この（16）式が成り立つ場合では、第５図
（Ａ）に示すような強度分布|Ux|となる。回折像の中央
を中心に、スリット９の両側が対称で、それぞれ独立の
ナイフエッジのように働く。
（Ａ）に示すような強度分布|Ux|となる。回折像の中央
を中心に、スリット９の両側が対称で、それぞれ独立の
ナイフエッジのように働く。
（イ）スリット幅２ξ０が小さくなった場合、 上記（17）式が成立する近傍になると、ｐに対する▲
▼の変化がΔp2−Δp1の大きさに敏感となり、
第５図（Ｂ）に示すようにスリット幅によって回折像の
形状は変化する。
▼の変化がΔp2−Δp1の大きさに敏感となり、
第５図（Ｂ）に示すようにスリット幅によって回折像の
形状は変化する。
（ウ）スリット幅２ξ０が十分小さくなった場合、 上記（18）式が成立する場合では、▲▼の長
さが曲線の長さΔp2−Δp1にほぼ等しくなり、ｐの変化
に対しても回折像の変化がゆるやかになり、第５図
（Ｃ）に示すようにフラウンホーファー回折像に近ず
く。
さが曲線の長さΔp2−Δp1にほぼ等しくなり、ｐの変化
に対しても回折像の変化がゆるやかになり、第５図
（Ｃ）に示すようにフラウンホーファー回折像に近ず
く。
ここで、上記（16），（17），（18）式のいずれがこ
の発明における回折像の強度分布|Ux|に該当するのかを
第１図（Ａ），（Ｂ）を参照して適当と思われる数値を
代入して検討する。
の発明における回折像の強度分布|Ux|に該当するのかを
第１図（Ａ），（Ｂ）を参照して適当と思われる数値を
代入して検討する。
入射光として、波長λ＝0.633μｍのHe−Neレーザー
光を使用したとして、マスク３とウエハー１のギャップ
Ａを40μｍ（Zm＝40μｍ），ウエハー１上の回折格子２
の幅Ｂを４μｍ（２ξ０＝４μｍ）とすると、 上記（19）式から、位置検出に用いる回折像の強度分
布Ix（＝|Ux|）は、上記（17）式に相当することが明ら
かになった。つまり、第５図（Ｂ）に示すように、スリ
ットの幅によって回折像上端部が変化するものの、スリ
ット幅２ξ０がほとんど一定とみなすことができるこの
発明の場合は、適当なスリットの幅２ξ０を選択するこ
とで、ほぼ矩形の強度分布Ixと見なすことができる。
光を使用したとして、マスク３とウエハー１のギャップ
Ａを40μｍ（Zm＝40μｍ），ウエハー１上の回折格子２
の幅Ｂを４μｍ（２ξ０＝４μｍ）とすると、 上記（19）式から、位置検出に用いる回折像の強度分
布Ix（＝|Ux|）は、上記（17）式に相当することが明ら
かになった。つまり、第５図（Ｂ）に示すように、スリ
ットの幅によって回折像上端部が変化するものの、スリ
ット幅２ξ０がほとんど一定とみなすことができるこの
発明の場合は、適当なスリットの幅２ξ０を選択するこ
とで、ほぼ矩形の強度分布Ixと見なすことができる。
変化するスリット幅２ξ０、つまり第１図（Ａ），
（Ｂ）における回折格子２の幅Ｂを前記の文献３を参考
して上記（19）式より求め、Δp2−Δp1≒１であること
を次に示す。
（Ｂ）における回折格子２の幅Ｂを前記の文献３を参考
して上記（19）式より求め、Δp2−Δp1≒１であること
を次に示す。
ウエハー１上における回折格子２は、通常プロセスに
よる形状変化を受け、第６図に示すようにウエハー回折
格子２の格子ピッチＰに対する段差部の幅の比で定義さ
れる段差幅比ｒが変化し、その値は凡そｒ＝0.3〜0.7で
ある。
よる形状変化を受け、第６図に示すようにウエハー回折
格子２の格子ピッチＰに対する段差部の幅の比で定義さ
れる段差幅比ｒが変化し、その値は凡そｒ＝0.3〜0.7で
ある。
このことは、もともとｒ＝0.5で最初に形成された段
差幅が約30％前後狭くなったり広くなったりすることを
示している。このことを第１図（Ａ），（Ｂ）に示すも
のに適用すると、回折格子２の幅Ｂがプロセスにより±
30％前後することになる。
差幅が約30％前後狭くなったり広くなったりすることを
示している。このことを第１図（Ａ），（Ｂ）に示すも
のに適用すると、回折格子２の幅Ｂがプロセスにより±
30％前後することになる。
したがって、上記（19）式におけるスリット幅２ξ０
は 2.8μｍ≦２ξ０≦5.2μｍ …（20） の範囲で変化することから、Δp2−Δp1は 0.7868≦Δp2−Δp1≦1.4612 ……（21） のごく僅かな範囲でしか変化しない。
は 2.8μｍ≦２ξ０≦5.2μｍ …（20） の範囲で変化することから、Δp2−Δp1は 0.7868≦Δp2−Δp1≦1.4612 ……（21） のごく僅かな範囲でしか変化しない。
したがって、回折像の形状も殆ど一定の矩形とみなせ
ることがわかる。また、後で述べる多色光化により（2
1）で示される変化は平均化され、より変化の少ない矩
形の分布を採すことになる。
ることがわかる。また、後で述べる多色光化により（2
1）で示される変化は平均化され、より変化の少ない矩
形の分布を採すことになる。
次に、上記スリットモデルで計算してきた結果を実測
値と比べる。第１図（Ａ），（Ｂ）に示す回折格子２と
同じ方向の回折像の強度分布をアライメント信号として
いる例を前述したが、その中でｉ線ステッパとエキシマ
ステッパの例を第７図（Ａ）〜（Ｄ）に示す。（Ｂ），
（Ｄ）はそれぞれ（Ａ），（Ｃ）の検出波形である。
値と比べる。第１図（Ａ），（Ｂ）に示す回折格子２と
同じ方向の回折像の強度分布をアライメント信号として
いる例を前述したが、その中でｉ線ステッパとエキシマ
ステッパの例を第７図（Ａ）〜（Ｄ）に示す。（Ｂ），
（Ｄ）はそれぞれ（Ａ），（Ｃ）の検出波形である。
第７図から、第１図（Ａ），（Ｂ）における回折格子
２の幅Ｂ方向における回折像の強度分布が矩形であり、
いずれもスリットモデルでよく近似できていることが明
確になった。
２の幅Ｂ方向における回折像の強度分布が矩形であり、
いずれもスリットモデルでよく近似できていることが明
確になった。
次に、この発明の第２の特徴について説明する。即
ち、 II.1次元回折格子からの回折光がスリットを透過する光
量の変化を利用した位置検出方法である。
ち、 II.1次元回折格子からの回折光がスリットを透過する光
量の変化を利用した位置検出方法である。
この発明の原理を示す第１図（Ａ），（Ｂ）におい
て、ウエハー回折格子２から反射回折された−１次回折
光6aは、マスクスリット４によりマスク３とウエハー１
の相対位置に応じた光量が遮られ、残りの光量が通過し
てくる。このことは、第８図に示す２つのスリットa,b
を並べて設置し、スリットa,bの位置関係に応じて通過
してくる光量の変化をモデルとして考えることができ
る。即ち、第８図において、スリットａを通過して出て
くる光束が第１図（Ａ），（Ｂ）におけるウエハー回折
格子２から反射回折される光束に対応しており、入射光
の幅Ｂの光束がスリットｂによりその１部が遮断されて
通過してくる光束の光量が、スリットａとスリットｂの
相対位置により変化することになる。
て、ウエハー回折格子２から反射回折された−１次回折
光6aは、マスクスリット４によりマスク３とウエハー１
の相対位置に応じた光量が遮られ、残りの光量が通過し
てくる。このことは、第８図に示す２つのスリットa,b
を並べて設置し、スリットa,bの位置関係に応じて通過
してくる光量の変化をモデルとして考えることができ
る。即ち、第８図において、スリットａを通過して出て
くる光束が第１図（Ａ），（Ｂ）におけるウエハー回折
格子２から反射回折される光束に対応しており、入射光
の幅Ｂの光束がスリットｂによりその１部が遮断されて
通過してくる光束の光量が、スリットａとスリットｂの
相対位置により変化することになる。
したがって、２つのスリットa,bを通過してくる光束
の光量を光電子増倍管などで測定すれば、２つのスリッ
トa,bの相対位置を求めることができる。
の光量を光電子増倍管などで測定すれば、２つのスリッ
トa,bの相対位置を求めることができる。
ここで、計測する光束の光量をP0（ワット）は、毎秒
Ｎ個の光粒子のもつエネルギーで表わされ、次式（22）
式の関係となる。
Ｎ個の光粒子のもつエネルギーで表わされ、次式（22）
式の関係となる。
Ｎ＝P0/hν＝P0λ/hc …（22） ただし、 h;ブランクの定数（6.63×10-3Js） ν；光子の振動数（s-1） c;光速（ｍ・s-1） 例えば、波長λ＝633.8nm,出力1mWのHe−Neレーザで
照射される光電子増倍管の光電面には、毎秒約3.2×10
15個の光子が入射し、光電変換され、電圧（Ｖ）として
出力される。
照射される光電子増倍管の光電面には、毎秒約3.2×10
15個の光子が入射し、光電変換され、電圧（Ｖ）として
出力される。
第８図において、スリットａに対してスリットｂが左
に移動した場合に、透過光の光量は第９図に示すように
変化する。ただし、スリット幅については、ここではＢ
＝Ｇとしている。この図において、縦軸は光量Ｉ（m
V），横軸はスリットｂの移動量Xm（μｍ）を表わす。
このとき、例えば入射光量が一定であり、光電子像倍管
の感度を1mVとすると、スリットｂの位置検出分解能
（δ）は、次式（23）で近似される。
に移動した場合に、透過光の光量は第９図に示すように
変化する。ただし、スリット幅については、ここではＢ
＝Ｇとしている。この図において、縦軸は光量Ｉ（m
V），横軸はスリットｂの移動量Xm（μｍ）を表わす。
このとき、例えば入射光量が一定であり、光電子像倍管
の感度を1mVとすると、スリットｂの位置検出分解能
（δ）は、次式（23）で近似される。
ただし、上記（23）式は、第９図の曲線を直線で近似
した場合を想定しており、実際は第９図においてx1,x3
の点付近の傾きは直線性がよく上記（23）式で表わされ
るよりもさらに急勾配となっていることから、実際の感
度はx1,x3付近を利用すれば上記（23）式で表わされる
分解能よりも高くなる。逆に、x1,x3から離れた付近で
は直線性が低下し勾配は緩やかとなり、分解能は上記
（23）式よりも低くなる。
した場合を想定しており、実際は第９図においてx1,x3
の点付近の傾きは直線性がよく上記（23）式で表わされ
るよりもさらに急勾配となっていることから、実際の感
度はx1,x3付近を利用すれば上記（23）式で表わされる
分解能よりも高くなる。逆に、x1,x3から離れた付近で
は直線性が低下し勾配は緩やかとなり、分解能は上記
（23）式よりも低くなる。
以上の説明から、第１図（Ａ），（Ｂ）で示されるこ
の発明の検出原理が第８図で表わされる２つのスリット
a,bを通過する光量と２つのスリットa,bの相対位置の関
係を示すモデルで表わされることがわかった。
の発明の検出原理が第８図で表わされる２つのスリット
a,bを通過する光量と２つのスリットa,bの相対位置の関
係を示すモデルで表わされることがわかった。
次に、この発明の１番目の特徴と２番目の特徴を組み
合せることにより導き出される３番目の特徴について説
明する。即ち、 III.1次元回折格子とスリットを対向させない配置と
し、斜方入射により生じた回折光がスリットを通過した
後の光量を斜方検出することによりマスクとウエハー間
の多重干渉を無くし、かつギャップにより変動する零次
光（ギャップ検出信号）と位置により変動するＮ次回折
光（位置検出信号）を空間的に完全に分離した方法であ
る。
合せることにより導き出される３番目の特徴について説
明する。即ち、 III.1次元回折格子とスリットを対向させない配置と
し、斜方入射により生じた回折光がスリットを通過した
後の光量を斜方検出することによりマスクとウエハー間
の多重干渉を無くし、かつギャップにより変動する零次
光（ギャップ検出信号）と位置により変動するＮ次回折
光（位置検出信号）を空間的に完全に分離した方法であ
る。
ウエハー１上の１次元回折格子２の回折方向とは直角
な方向の位置検出を行うことにより、位置検出信号とな
る回折像の強度分布には全く無関係に入射角度を大きく
傾けることが可能となった。また、位置検出信号となる
回折像の強度分布は矩形となり、この光束をマスク３に
設けたスリット４を通過させ通過した光量を検出するこ
とにより、マスク３とウエハー１の相対位置を測定する
ことができることが、前述したＩおよびIIから分かっ
た。
な方向の位置検出を行うことにより、位置検出信号とな
る回折像の強度分布には全く無関係に入射角度を大きく
傾けることが可能となった。また、位置検出信号となる
回折像の強度分布は矩形となり、この光束をマスク３に
設けたスリット４を通過させ通過した光量を検出するこ
とにより、マスク３とウエハー１の相対位置を測定する
ことができることが、前述したＩおよびIIから分かっ
た。
これらの特徴から、マスクスリット４とウエハー回折
格子２を第１図（Ａ），（Ｂ）に示すように配置する
と、ウエハー回折格子２に入射する波長λの光束は、マ
スク３面の法線Ｎに対して角度θ０で入射することにな
る。このとき、入射光束５は角度θ０で大きく傾いてい
るため、マスクスリット４の干渉を全く受けずにウエハ
ー回折格子２に到達する。そして、ウエハー回折格子２
に到達した光束は反射回折されて、入射角度θ０に対し
てさらにθ１の回折角度が加わる。したがって、（θ０
＋θ１）の角度で−１次回折光6aが進み、マスクスリッ
ト４を通過することになる。ここで、−１次回折光6aの
回折角度θ１は次式（24）で表わされる。
格子２を第１図（Ａ），（Ｂ）に示すように配置する
と、ウエハー回折格子２に入射する波長λの光束は、マ
スク３面の法線Ｎに対して角度θ０で入射することにな
る。このとき、入射光束５は角度θ０で大きく傾いてい
るため、マスクスリット４の干渉を全く受けずにウエハ
ー回折格子２に到達する。そして、ウエハー回折格子２
に到達した光束は反射回折されて、入射角度θ０に対し
てさらにθ１の回折角度が加わる。したがって、（θ０
＋θ１）の角度で−１次回折光6aが進み、マスクスリッ
ト４を通過することになる。ここで、−１次回折光6aの
回折角度θ１は次式（24）で表わされる。
ただし、Ｄ＋Ｅはウエハー回折格子２のピッチであ
る。
る。
また、ウエハー回折格子で反射回折した−１次回折光
6aがマスク３の裏面で反射しないためには、角度（θ０
＋θ１）が次式（25）を満たす必要がある。
6aがマスク３の裏面で反射しないためには、角度（θ０
＋θ１）が次式（25）を満たす必要がある。
（θ０＋θ１）＜45゜ ……（25） マスクスリット４を通過した−１次回折光6aの光量
は、マスク３とウエハー１の相対位置により変化するの
で、この光量を光電子増倍管などで検出すればマスク３
とウエハー１の相対位置が計測できる。
は、マスク３とウエハー１の相対位置により変化するの
で、この光量を光電子増倍管などで検出すればマスク３
とウエハー１の相対位置が計測できる。
このように、マスクスリット４とウエハー回折格子２
を対向させず、マスクスリット４の干渉を全く受けずに
光束をウエハー回折格子２に入射させることで、入射か
らスリット４を通過した光量の検出までの経路が１本だ
けに整理されることから、これまで従来の二重回折法で
問題となっていたマスク３とウエハー１間の多重反射干
渉の影響を受けることが全くなく、問題とならなくな
る。
を対向させず、マスクスリット４の干渉を全く受けずに
光束をウエハー回折格子２に入射させることで、入射か
らスリット４を通過した光量の検出までの経路が１本だ
けに整理されることから、これまで従来の二重回折法で
問題となっていたマスク３とウエハー１間の多重反射干
渉の影響を受けることが全くなく、問題とならなくな
る。
また、第１図（Ａ），（Ｂ）において、位置検出信号
となる−１次回折光6aの他に、ウエハー１上から零次の
正反射光がマスクスリット４を通過してくる。第10図に
示すように、ウエハー１上からの零次の正反射光束ａ
は、マスク３上面での正反射光束ｂと干渉する。従っ
て、マスク３とウエハー１間のギャップ変動により第11
図に示すような光束ａと光束ｂの位相差が生じ、入射光
の波長λを周期としたサイン波状の変化を示すことにな
る。従って、この光束ａと光束ｂの干渉した光束（ａ＋
ｂ）は、ギャップ検出信号と見なすことができる。
となる−１次回折光6aの他に、ウエハー１上から零次の
正反射光がマスクスリット４を通過してくる。第10図に
示すように、ウエハー１上からの零次の正反射光束ａ
は、マスク３上面での正反射光束ｂと干渉する。従っ
て、マスク３とウエハー１間のギャップ変動により第11
図に示すような光束ａと光束ｂの位相差が生じ、入射光
の波長λを周期としたサイン波状の変化を示すことにな
る。従って、この光束ａと光束ｂの干渉した光束（ａ＋
ｂ）は、ギャップ検出信号と見なすことができる。
従来の二重回折格子法では、このギャップ検出信号と
位置検出信号（第10図に示す光束ｃ）は完全に分離する
ことができなかった。
位置検出信号（第10図に示す光束ｃ）は完全に分離する
ことができなかった。
ところで、第10図に示すように、この発明によれば、
ギャップ検出信号は角度θ０で、一方、位置検出信号は
角度（θ０＋θ１）となり、２つの信号が空間的に完全
に分離され、互に干渉して影響を及ぼすことが全くな
い。
ギャップ検出信号は角度θ０で、一方、位置検出信号は
角度（θ０＋θ１）となり、２つの信号が空間的に完全
に分離され、互に干渉して影響を及ぼすことが全くな
い。
以上説明したマスクとウエハー間の多重反射干渉の影
響とマスクとウエハー間のギャップ変動の影響（ギャッ
プ検出信号と位置検出信号の完全な分離）の二点は、こ
れまでの二重回折格子法において実用化に向かなかった
大きな問題点であったことから、この発明の３番目の特
徴の意義が極めて大きいといえる。
響とマスクとウエハー間のギャップ変動の影響（ギャッ
プ検出信号と位置検出信号の完全な分離）の二点は、こ
れまでの二重回折格子法において実用化に向かなかった
大きな問題点であったことから、この発明の３番目の特
徴の意義が極めて大きいといえる。
以上は、この発明の原理を３つの項目について詳細に
説明したが、次に、これらの原理を実験により確認して
いるので、その結果を示す。
説明したが、次に、これらの原理を実験により確認して
いるので、その結果を示す。
先ず、特徴に関する実験結果を示す。これは、１次元
回折格子のフレネル領域における−１次回折光の強度分
布とギャップ変動の影響を明らかにすることを目的とす
る。
回折格子のフレネル領域における−１次回折光の強度分
布とギャップ変動の影響を明らかにすることを目的とす
る。
実験装置を第12図に示す。He−Neレーザー11からの光
束12（波長λ＝633nm）を経路調整のためのミラー13で
反射させ、ウエハー１上の回折格子２に入射角30゜で入
射させる。この回折格子２はウエハー１上にはピッチ８
μｍで段差幅比≒0.5にレジストにより形成されてい
る。その大きさは第13図に示すように縦200μm,横296μ
ｍである。このウエハー回折格子２の上には40μｍのギ
ャップを隔ててＸ線マエク３が対向している。ただし、
このマスク３上にはパターンが描かれていないSiNから
なる光透過部をウエハー回折格子２上にもっている。こ
れは、ギャップ変動の影響を光透過部を通過してきた回
折光を観察するためである。
束12（波長λ＝633nm）を経路調整のためのミラー13で
反射させ、ウエハー１上の回折格子２に入射角30゜で入
射させる。この回折格子２はウエハー１上にはピッチ８
μｍで段差幅比≒0.5にレジストにより形成されてい
る。その大きさは第13図に示すように縦200μm,横296μ
ｍである。このウエハー回折格子２の上には40μｍのギ
ャップを隔ててＸ線マエク３が対向している。ただし、
このマスク３上にはパターンが描かれていないSiNから
なる光透過部をウエハー回折格子２上にもっている。こ
れは、ギャップ変動の影響を光透過部を通過してきた回
折光を観察するためである。
検出は、フレネル領域における−１次回折光14を観察
するため、N.A＝0.1,倍率５×の対物レンズ15と倍率6.7
×リレーレンズ16により33.5倍に拡大した増を２次元カ
メラ17で撮影しモニター18にて行うものである。また、
信号波形を観察するためにオシロスコープ19を用意し
た。対物レンズ15とマスク３およびウエハー１は約20mm
離した位置にあり、その焦点の合った位置から±200μ
ｍ範囲で−１次回折像をモニター18,オシロスコープ19
で観察した。
するため、N.A＝0.1,倍率５×の対物レンズ15と倍率6.7
×リレーレンズ16により33.5倍に拡大した増を２次元カ
メラ17で撮影しモニター18にて行うものである。また、
信号波形を観察するためにオシロスコープ19を用意し
た。対物レンズ15とマスク３およびウエハー１は約20mm
離した位置にあり、その焦点の合った位置から±200μ
ｍ範囲で−１次回折像をモニター18,オシロスコープ19
で観察した。
検出角度は回折格子のピッチ＝８μｍおよび入射波長
λ＝633nmより9.1゜であることから、マスク３面の法線
Ｎに対して39,1゜を設定している。
λ＝633nmより9.1゜であることから、マスク３面の法線
Ｎに対して39,1゜を設定している。
第14図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にモニター18上に写し
出された１次元回折格子による−１次の回折像の様子を
示す。（Ａ）は検出位置が＋200μm,（Ｂ）は０μm,
（Ｃ）は−200μｍの場合である。
出された１次元回折格子による−１次の回折像の様子を
示す。（Ａ）は検出位置が＋200μm,（Ｂ）は０μm,
（Ｃ）は−200μｍの場合である。
これから、ウエハー１面からフレネル領域と見なせる
約400μｍの範囲における−１次の回折像は一定である
ことが分かった。
約400μｍの範囲における−１次の回折像は一定である
ことが分かった。
モニター18で回折像を観察している間、Ｘ線マスク３
のギャップを適当に変更したが、回折像の変化は全く見
られなかった。これからこの回折像はマスク３上面とウ
エハー１上面で正反射されてギャップ変動の影響により
周期λで干渉する零次の正反射光と完全に分離されてい
ることが証明された。
のギャップを適当に変更したが、回折像の変化は全く見
られなかった。これからこの回折像はマスク３上面とウ
エハー１上面で正反射されてギャップ変動の影響により
周期λで干渉する零次の正反射光と完全に分離されてい
ることが証明された。
第15図は、ウエハー回折格子２における−１次回折像
の強度分布をオシロスコープ19で写したものである。前
述の計算および実施例と同様に矩形になっていることが
わかる。
の強度分布をオシロスコープ19で写したものである。前
述の計算および実施例と同様に矩形になっていることが
わかる。
以上のことから、ウエハー１上に設けた１次元回折格
子２において、位置検出に用いる−１次回折像のフレネ
ル領域における強度分布は矩形であり、400μｍの領域
ではほぼ一定である。また、この回折光は、ギャップ変
動により干渉する零次の反射光と完全に分離されるた
め、ギャップ変動の影響は全く受けない。
子２において、位置検出に用いる−１次回折像のフレネ
ル領域における強度分布は矩形であり、400μｍの領域
ではほぼ一定である。また、この回折光は、ギャップ変
動により干渉する零次の反射光と完全に分離されるた
め、ギャップ変動の影響は全く受けない。
次に、特徴II,IIIに関して検出精度を確認したので、
その結果を示す。これは、前記特徴Ｉで示した回折像の
強度分布とマスクスリットを組み合せて、斜入射により
位置検出を行い、検出分解能を確認することを目的とす
る。
その結果を示す。これは、前記特徴Ｉで示した回折像の
強度分布とマスクスリットを組み合せて、斜入射により
位置検出を行い、検出分解能を確認することを目的とす
る。
第16図にその実験装置を示す。マスクスリット４の大
きさは第17図に示すように縦36μｍ×横50μm,ウエハー
回折格子２の大きさは縦200μｍ×横296μｍ（ピッチ８
μｍ）のものを使用した。検出方向は第16図に示す方向
とし、マスクスリット４を通過してくる光量を対物レン
ズ15で検出し、テレビカメラ17で結像させた。
きさは第17図に示すように縦36μｍ×横50μm,ウエハー
回折格子２の大きさは縦200μｍ×横296μｍ（ピッチ８
μｍ）のものを使用した。検出方向は第16図に示す方向
とし、マスクスリット４を通過してくる光量を対物レン
ズ15で検出し、テレビカメラ17で結像させた。
位置検出は、第17図に矢印で示す検出方向に移動した
距離により変化するスリット通過光の光量をビデオ信号
上でオシロスコープ19で電圧を測定し、前記（23）式に
よりその分解能を求めた。レーザ11はHe−Neの波長633n
mの光12を30゜の角度で入射させ、検出は39.1゜の角度
で行なった。Ｘ線マスク3aとウエハー１は40μｍのギャ
ップで相対している。
距離により変化するスリット通過光の光量をビデオ信号
上でオシロスコープ19で電圧を測定し、前記（23）式に
よりその分解能を求めた。レーザ11はHe−Neの波長633n
mの光12を30゜の角度で入射させ、検出は39.1゜の角度
で行なった。Ｘ線マスク3aとウエハー１は40μｍのギャ
ップで相対している。
次に、結果を説明する。第18図（Ａ），（Ｂ）はモニ
ター18の画面の様子を示し、オシロスコープ19の波形の
第20図（Ａ），（Ｂ）に示す。即ち、第18図（Ａ）は第
19図（Ａ）に示すように、スリット４を−１次回折光が
通過していない状態、第18図（Ｂ）は第19図（Ｂ）に示
すように、4.5μｍのウエハー回折格子２の移動により
スリット４を通過してきた１次回折光のパターンであ
る。これらの状態のときのオシロスコープの信号波形を
第20図（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ示す。ピーク値Q,Q′
の電圧はそれぞれ148mV,995mVである。また、参考のた
めに、第18図（Ｂ）に示すモニター画面の全体の様子を
第21図に示す。第20図（Ａ），（Ｂ）から、マスクスリ
ット４に対してウエハー回折格子２が4.5μｍ移動した
場合に、マスクスリット４の光量は995mV−148mV＝847m
V変化することを測定した。
ター18の画面の様子を示し、オシロスコープ19の波形の
第20図（Ａ），（Ｂ）に示す。即ち、第18図（Ａ）は第
19図（Ａ）に示すように、スリット４を−１次回折光が
通過していない状態、第18図（Ｂ）は第19図（Ｂ）に示
すように、4.5μｍのウエハー回折格子２の移動により
スリット４を通過してきた１次回折光のパターンであ
る。これらの状態のときのオシロスコープの信号波形を
第20図（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ示す。ピーク値Q,Q′
の電圧はそれぞれ148mV,995mVである。また、参考のた
めに、第18図（Ｂ）に示すモニター画面の全体の様子を
第21図に示す。第20図（Ａ），（Ｂ）から、マスクスリ
ット４に対してウエハー回折格子２が4.5μｍ移動した
場合に、マスクスリット４の光量は995mV−148mV＝847m
V変化することを測定した。
ここで、レーザ11の出力が一定であり、ビデオ信号に
よる分解能を1mVとすると、第20図（Ａ），（Ｂ）にお
ける検出分解能δは、前記（23）式から次式（26）とな
る。
よる分解能を1mVとすると、第20図（Ａ），（Ｂ）にお
ける検出分解能δは、前記（23）式から次式（26）とな
る。
上記（26）式から、0.0108μｍと極めて高い位置検出
分解能が得られた。
分解能が得られた。
また、検出中にギャップを適当に変化させたが、前述
の実験と同じくスリット４を通過してくる−１次回折光
の光量は全く変化しなかった。
の実験と同じくスリット４を通過してくる−１次回折光
の光量は全く変化しなかった。
以上を纒めると、この発明の基本原理は、第１図
（Ａ），（Ｂ）に示すように、マスク３とウエハー１間
の多重反射干渉およびギャップ変動の影響を全く受ける
ことなく、0.0108μm/mVの高精度の検出分解能が得られ
たことが証明された。
（Ａ），（Ｂ）に示すように、マスク３とウエハー１間
の多重反射干渉およびギャップ変動の影響を全く受ける
ことなく、0.0108μm/mVの高精度の検出分解能が得られ
たことが証明された。
次に、単スリットの代りに、多重スリットを用いてS/
N比を高め、構成をより単純にした実施例を説明する。
N比を高め、構成をより単純にした実施例を説明する。
第１図（Ａ），（Ｂ）に示すように、単スリットと一
次元回折格子を組み合わせた場合に、位置検出に用いる
−１次回折光の光量は微弱である。従って、この光量を
直接光電子像倍管などで受光したとしても、十分な光量
が得られず、低いS/N比のため検出分解能が低下してし
まう可能性がある。
次元回折格子を組み合わせた場合に、位置検出に用いる
−１次回折光の光量は微弱である。従って、この光量を
直接光電子像倍管などで受光したとしても、十分な光量
が得られず、低いS/N比のため検出分解能が低下してし
まう可能性がある。
この微弱な光量で0.01μｍ以下の分解能を得るために
は、第16図に示した実験装置のように対物レンズ15を使
ってこの検出光をもれなく集光する必要がある。しか
し、この検出装置の構成は、簡単なレンズ系が必要とな
るため、Ｘ線マスク上面から20〜40mm付近にある程度の
スペースを必要とすることになってしまう。また、レン
ズ系の特性も僅かではあるが検出精度に影響を与えてし
まう。
は、第16図に示した実験装置のように対物レンズ15を使
ってこの検出光をもれなく集光する必要がある。しか
し、この検出装置の構成は、簡単なレンズ系が必要とな
るため、Ｘ線マスク上面から20〜40mm付近にある程度の
スペースを必要とすることになってしまう。また、レン
ズ系の特性も僅かではあるが検出精度に影響を与えてし
まう。
従って、できれば第16図で使用したレンズ系は除くこ
とが望ましい。そのためには、十分な光量の−１次回折
光が得られることが必要であり、この方法としては、単
スリットの数を増して多重スリット化する方法が考えら
れる。
とが望ましい。そのためには、十分な光量の−１次回折
光が得られることが必要であり、この方法としては、単
スリットの数を増して多重スリット化する方法が考えら
れる。
以下、この多重スリット化した場合の構成を第22図
（Ａ），（Ｂ）に上面図および側面図として示す。スリ
ット間隔はＨとなり、４組の１次元回折格子21,22,23,2
4が並列にウエハー１上に設けられる。そして、この多
重化に対応してマスク3a上のマスクスリットも41,42,
43,44と４組並列して２次元化される。
（Ａ），（Ｂ）に上面図および側面図として示す。スリ
ット間隔はＨとなり、４組の１次元回折格子21,22,23,2
4が並列にウエハー１上に設けられる。そして、この多
重化に対応してマスク3a上のマスクスリットも41,42,
43,44と４組並列して２次元化される。
このウエハー２次元回折格子は、いわゆる回折格子と
は異なり、Ｘ方向とＹ方向で異なるピッチH,（Ｄ＋Ｅ）
をもつ回折格子、即ち特殊な回折格子といえる。
は異なり、Ｘ方向とＹ方向で異なるピッチH,（Ｄ＋Ｅ）
をもつ回折格子、即ち特殊な回折格子といえる。
次に、第22図（Ａ），（Ｂ）において、ウエハー回折
格子21,22,23,24から反射回路される−１次回折光のフ
レネル領域における強度分布を実験により確認する。実
験に用いるウエハー回折格子を第23図に示す。ピッチ48
μm,縦200μm,横296μｍの回折格子がスリット間隔300
μｍで形成されたものである。
格子21,22,23,24から反射回路される−１次回折光のフ
レネル領域における強度分布を実験により確認する。実
験に用いるウエハー回折格子を第23図に示す。ピッチ48
μm,縦200μm,横296μｍの回折格子がスリット間隔300
μｍで形成されたものである。
この２次元回折格子2bに、第24図に示すようにHe−Ne
レーザ11から波長633nmのレーザ光12をミラー13を介し
て入射角30゜で入射させる。そして、２次元回折格子2b
により反射回折された−次回折光のフルネル領域におけ
る強度分布をN.A.＝0.1の対物レンズ15,リレーレンズ16
を介してTVカメラ17で検出し、モニター18およびオシロ
スコープ19で確認する。このときの−１次回折光の反射
角は39.1゜である。
レーザ11から波長633nmのレーザ光12をミラー13を介し
て入射角30゜で入射させる。そして、２次元回折格子2b
により反射回折された−次回折光のフルネル領域におけ
る強度分布をN.A.＝0.1の対物レンズ15,リレーレンズ16
を介してTVカメラ17で検出し、モニター18およびオシロ
スコープ19で確認する。このときの−１次回折光の反射
角は39.1゜である。
第25図にモニター18の様子を示す。３つ並んだ回折格
子から−１次回折像はほぼ同じであることが分かる。
子から−１次回折像はほぼ同じであることが分かる。
第26図にビデオ信号のオシロスコープ図を示す。この
図からも同じ矩形をした強度分布をもつ−１次回折光が
フレネル領域にできていることが分かる。
図からも同じ矩形をした強度分布をもつ−１次回折光が
フレネル領域にできていることが分かる。
以上の実験結果から、第22図（Ａ），（Ｂ）に示すス
リット間隔Ｈのマスク多重スリットと間隔Ｈをもつウエ
ハー２次元回折格子に入射した場合も、前記第１図
（Ａ），（Ｂ）に示した基本構成と同じ位置検出原理が
成立することを確認することができた。
リット間隔Ｈのマスク多重スリットと間隔Ｈをもつウエ
ハー２次元回折格子に入射した場合も、前記第１図
（Ａ），（Ｂ）に示した基本構成と同じ位置検出原理が
成立することを確認することができた。
次に、第８図に習って、多重スリットの場合のモデル
を第27図に示す。第１図（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理
で得られる位置検出光（−１次回折光）に比べ、この場
合スリットの数だけ掛けた光量が得られることが分か
る。このことは、第16図に示したように、第１図
（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理の場合は、単一スリット
であったため得られる位置検出光（−１次回折光）が微
弱であり、対物レンズで集光する必要があった。この例
では多重スリットにしているので、対物レンズは不必要
になる。
を第27図に示す。第１図（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理
で得られる位置検出光（−１次回折光）に比べ、この場
合スリットの数だけ掛けた光量が得られることが分か
る。このことは、第16図に示したように、第１図
（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理の場合は、単一スリット
であったため得られる位置検出光（−１次回折光）が微
弱であり、対物レンズで集光する必要があった。この例
では多重スリットにしているので、対物レンズは不必要
になる。
従って、第22図（Ａ），（Ｂ）に示す多重スリットに
おける検出系の構成としては、第28図に示すように、受
光センサー20だけであり、極めて単純な構成となる。即
ち、検出系はレーザ光源11と受光センサー20の二つだけ
で構成される。
おける検出系の構成としては、第28図に示すように、受
光センサー20だけであり、極めて単純な構成となる。即
ち、検出系はレーザ光源11と受光センサー20の二つだけ
で構成される。
また、レーザ光源そのものを置く必要はなく、光ファ
イバを設置して、そこから入射されるレーザ光を用いて
も良い。受光センサーとしては一般的な光電子像倍管な
どで良い。
イバを設置して、そこから入射されるレーザ光を用いて
も良い。受光センサーとしては一般的な光電子像倍管な
どで良い。
このような構成から、レーザ光源および受光センサー
は、Ｘ線マスクから遠く離れた位置に置くことができる
ため、マスクステージなどと周辺装置との寸法的な取り
合いが緩和されるため、それだけ装置全体の設計が極め
て楽になる。
は、Ｘ線マスクから遠く離れた位置に置くことができる
ため、マスクステージなどと周辺装置との寸法的な取り
合いが緩和されるため、それだけ装置全体の設計が極め
て楽になる。
次に、第28図に示される検出装置において、受光セン
サー20で受光する−１次回折像の強度分布を考察してお
く。
サー20で受光する−１次回折像の強度分布を考察してお
く。
第28図において、マスク多重スリット4aから受光セン
サー20までは遠く離れているために、多重スリット4aを
通過してくる−１次回折光の強度分布はフランホーファ
領域における回折像と見なすことができる。したがっ
て、その強度分布Ｉ（ｘ）は幅ＧのスリットがＨの間隔
でＭ本並列する場合と仮定できるため、次の式で表わさ
れる。ただし、ｘは位置検出方向の位置を表わす。
サー20までは遠く離れているために、多重スリット4aを
通過してくる−１次回折光の強度分布はフランホーファ
領域における回折像と見なすことができる。したがっ
て、その強度分布Ｉ（ｘ）は幅ＧのスリットがＨの間隔
でＭ本並列する場合と仮定できるため、次の式で表わさ
れる。ただし、ｘは位置検出方向の位置を表わす。
上記（27）式で表わされる強度分布は、凡そ第29図に
示すようになる。上記（27）式は定数項I0を別にして、
第１項は１本のスリットのフランホーファー回折像を示
し、第２項はＭ個のスリットによる干渉縞に相当してい
る。
示すようになる。上記（27）式は定数項I0を別にして、
第１項は１本のスリットのフランホーファー回折像を示
し、第２項はＭ個のスリットによる干渉縞に相当してい
る。
従って、多重スリットからの回折像の強度分布は第29
図からもわかるように、２重スリットと同じ位置に大き
い極大値を生じる。また、それら大きい極大値の間にス
リット数Ｍに応じて（Ｍ−２）個の小さい極大値が生じ
る。受光センサーでは、このような強度分布をもつフラ
ンホーファー回折像を受光することになる。
図からもわかるように、２重スリットと同じ位置に大き
い極大値を生じる。また、それら大きい極大値の間にス
リット数Ｍに応じて（Ｍ−２）個の小さい極大値が生じ
る。受光センサーでは、このような強度分布をもつフラ
ンホーファー回折像を受光することになる。
次に、第１図（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理，第22図
（Ａ），（Ｂ）に示す多重スリット化したものおよび第
28図に示す位置検出方式の評価を説明する。
（Ａ），（Ｂ）に示す多重スリット化したものおよび第
28図に示す位置検出方式の評価を説明する。
評価項目は、前記発明が解決しようとする課題の項に
おいて列挙した12の項目とし、以下各項毎に評価を行
う。
おいて列挙した12の項目とし、以下各項毎に評価を行
う。
（１）マスク，ウエハー間のギャップ変動に相対位置検
出精度が影響されない。
出精度が影響されない。
第10図において既に説明したとおり、ギャップ変動に
より変化するギャップ検出信号は位置検出信号と角度θ
１で完全に分離されている。ここで、ギャップ検出信号
は、マスク上面で正反射する零次光とウエハー上面で反
射する零次光の干渉波であり、その干渉強度は入射波波
長λの周期でサイン波状の変化をする。
より変化するギャップ検出信号は位置検出信号と角度θ
１で完全に分離されている。ここで、ギャップ検出信号
は、マスク上面で正反射する零次光とウエハー上面で反
射する零次光の干渉波であり、その干渉強度は入射波波
長λの周期でサイン波状の変化をする。
一方、位置検出信号は、ウエハー回折格子で反射回折
した−１次光がマスクスリットを通過した光であり、回
折角度θ１だけギャップ検出信号とずれている。従っ
て、第28図における検出系の構成図において、この位置
検出信号を受光するセンサー20をギャップ検出信号から
離れた場所に設置するだけでマスクとウエハー間のギャ
ップ変動に全く影響されずに位置検出信号だけを検出す
ることが可能となる。
した−１次光がマスクスリットを通過した光であり、回
折角度θ１だけギャップ検出信号とずれている。従っ
て、第28図における検出系の構成図において、この位置
検出信号を受光するセンサー20をギャップ検出信号から
離れた場所に設置するだけでマスクとウエハー間のギャ
ップ変動に全く影響されずに位置検出信号だけを検出す
ることが可能となる。
（２）プロセスによる回折格子形状変化の影響を受けな
い。
い。
プロセスによる回折格子の形状変化は、次の３つの変
化がある。即ち、（ア）段差（Ｈ），（イ）段差幅比
（ｒ），（ウ）格子ピッチ（Ｐ）である。
化がある。即ち、（ア）段差（Ｈ），（イ）段差幅比
（ｒ），（ウ）格子ピッチ（Ｐ）である。
これらを第１図（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理および
第22図（Ａ），（Ｂ）に示す多重スリット化したものに
ついて考える。
第22図（Ａ），（Ｂ）に示す多重スリット化したものに
ついて考える。
（ア）段差（Ｈ）について、 単色光λによる回折効率は、反射回折格子の場合必ず
段差（Ｈ）の影響を受け、κを整数,n′をレジストの屈
折率とするとき Ｈ＝λ（２κ＋１）/4n′ ……（28） の深さのとき、反射回折効率は最大になる。第１図
（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理のものでも単色光入射で
あるため上記（28）式は考慮しなければならない。
段差（Ｈ）の影響を受け、κを整数,n′をレジストの屈
折率とするとき Ｈ＝λ（２κ＋１）/4n′ ……（28） の深さのとき、反射回折効率は最大になる。第１図
（Ａ），（Ｂ）に示す基本原理のものでも単色光入射で
あるため上記（28）式は考慮しなければならない。
（イ）段差幅比（ｒ） 段差幅比（ｒ）については、従来の２重回折格子法に
おいては、格子の配列方向の位置検出を行っていたため
に段差幅比（ｒ）の影響を受け、これが0.5のとき三角
波状の最強信号が得られており、それ以上あるいは以下
でも検出信号が変化し、位置合せには不適当な信号とな
っていた。
おいては、格子の配列方向の位置検出を行っていたため
に段差幅比（ｒ）の影響を受け、これが0.5のとき三角
波状の最強信号が得られており、それ以上あるいは以下
でも検出信号が変化し、位置合せには不適当な信号とな
っていた。
一方、第１図（Ａ），（Ｂ）に示すこの発明の基本原
理のものでは、従来の回折方向と位置検出方向が90゜異
なるため上述したような問題は起らない。
理のものでは、従来の回折方向と位置検出方向が90゜異
なるため上述したような問題は起らない。
しかしながら、次のような問題が新たに発生する。
第８図に示すスリットモデルにおいては、２つのスリ
ットa,bはそれぞれ第１図（Ａ），（Ｂ）におけるウエ
ハー回折格子の幅Ｇに相当する。ここで段差幅比（ｒ）
が変化するということは、２つのスリットa,bにおける
一方のスリット幅が変化することに相当する。
ットa,bはそれぞれ第１図（Ａ），（Ｂ）におけるウエ
ハー回折格子の幅Ｇに相当する。ここで段差幅比（ｒ）
が変化するということは、２つのスリットa,bにおける
一方のスリット幅が変化することに相当する。
次に、この点について考察してみる。第８図における
スリットモデルにおいて、一方のスリットがΔｄだけ増
減した場合のスリットモデルを第30図に示す。即ち、ス
リットa,bのスリット幅をＣとして、第30図（Ａ）はス
リットｂのスリット幅がΔｄ（＝C/6）だけ広い場合、
第30図（Ｂ）はスリットa,bのスリット幅が等しい場
合、第30図（Ｃ）はスリットｂのスリット幅がΔｄだけ
狭い場合である。このような状態における光量変化をグ
ラフ化して示すと、第31図に示すようになる。縦軸はス
リットを透過した光量、横軸はスリットに対する回折格
子の相対移動量を示す。即ち、一点鎖線で示すケース
（１）は、第30図（Ａ）に示す状態、実線で示すケース
（２）は第30図（Ｂ）に示す状態、破線で示すケース
（３）は第30図（Ｃ）の状態のものである。なお、透過
光の変化はモデル化しているため三角波状となっている
が、実際はサイン波に近い形状となる。位置合せ位置を
２点あるh/2の位置合せ点A,B,Cの中心を求める方法も考
えられるが、スリット精度が計測値に含まれるため、あ
まり良い方法とは言えない。
スリットモデルにおいて、一方のスリットがΔｄだけ増
減した場合のスリットモデルを第30図に示す。即ち、ス
リットa,bのスリット幅をＣとして、第30図（Ａ）はス
リットｂのスリット幅がΔｄ（＝C/6）だけ広い場合、
第30図（Ｂ）はスリットa,bのスリット幅が等しい場
合、第30図（Ｃ）はスリットｂのスリット幅がΔｄだけ
狭い場合である。このような状態における光量変化をグ
ラフ化して示すと、第31図に示すようになる。縦軸はス
リットを透過した光量、横軸はスリットに対する回折格
子の相対移動量を示す。即ち、一点鎖線で示すケース
（１）は、第30図（Ａ）に示す状態、実線で示すケース
（２）は第30図（Ｂ）に示す状態、破線で示すケース
（３）は第30図（Ｃ）の状態のものである。なお、透過
光の変化はモデル化しているため三角波状となっている
が、実際はサイン波に近い形状となる。位置合せ位置を
２点あるh/2の位置合せ点A,B,Cの中心を求める方法も考
えられるが、スリット精度が計測値に含まれるため、あ
まり良い方法とは言えない。
（ウ）格子ピッチ（Ｐ） 第１図（Ａ），（Ｂ）において、ウエハー回折格子の
ピッチが変化すると回折角度θ１が変化する。この変化
はマスクスリット通過光の検出角度を変化させるため、
第28図において、受光センサー20の検出位置を変更しな
ければならない。しかしながら、この例では受光センサ
ーの位置を変更することは容易であり、問題とはならな
い。
ピッチが変化すると回折角度θ１が変化する。この変化
はマスクスリット通過光の検出角度を変化させるため、
第28図において、受光センサー20の検出位置を変更しな
ければならない。しかしながら、この例では受光センサ
ーの位置を変更することは容易であり、問題とはならな
い。
また、検出精度にも全く影響を与えない。
（３）マスク製作精度の影響を受けない。
第22図（Ａ），（Ｂ）に示すマスク多重スリット方式
は極めて単純なパターンであり、その製作上の困難さは
全くない。
は極めて単純なパターンであり、その製作上の困難さは
全くない。
しかしながら、（ア）格子ピッチ（Ｐ）（第22図にお
ける間隔Ｈに相当），（イ）開口比（ｒ）の影響を考え
ると、上記（イ）の開口比（ｒ）の変化は、ウエハー回
折格子のプロセスによる段差幅比（ｒ）と同じ問題が生
じる。
ける間隔Ｈに相当），（イ）開口比（ｒ）の影響を考え
ると、上記（イ）の開口比（ｒ）の変化は、ウエハー回
折格子のプロセスによる段差幅比（ｒ）と同じ問題が生
じる。
一方、格子ピッチ（Ｐ）は、各スリットにおける通過
光の変化が第30図にスリットモデルで示す位置合せ誤差
（Δｄ）の原因となるが、その量（Δｄ）はウエハー回
折格子の場合に比べて極めて小さく（ウエハープロセス
に比べＸ線マスクの製作プロセスは格段に安定してい
る。）かつ、多重スリットであるため、その誤差量は統
計的に丸められ、さらに小さくなると予想されるため、
段差幅比（ｒ）に比べるとずっと影響が小さい。
光の変化が第30図にスリットモデルで示す位置合せ誤差
（Δｄ）の原因となるが、その量（Δｄ）はウエハー回
折格子の場合に比べて極めて小さく（ウエハープロセス
に比べＸ線マスクの製作プロセスは格段に安定してい
る。）かつ、多重スリットであるため、その誤差量は統
計的に丸められ、さらに小さくなると予想されるため、
段差幅比（ｒ）に比べるとずっと影響が小さい。
基本的には、この誤差量は実験的に明らかにされる量
であるが、上記の理由からここでは問題としない。開口
比（ｒ）の変化については、第30図，第31図で示した位
置合せ誤差（Δｄ）の原因となる。
であるが、上記の理由からここでは問題としない。開口
比（ｒ）の変化については、第30図，第31図で示した位
置合せ誤差（Δｄ）の原因となる。
（４）レジスト膜を含む薄膜の多層化による多重干渉の
影響を受けない。
影響を受けない。
第１図（Ａ），（Ｂ）において、回折格子２上にレジ
スト膜が塗布されると、このレジスト膜の塗布むらによ
り検出方向の±１次回折光の強度分布が変化する。
スト膜が塗布されると、このレジスト膜の塗布むらによ
り検出方向の±１次回折光の強度分布が変化する。
この変化の様子を第32図に示す。（Ａ）はレジスト膜
が均一に塗布された状態でこのときの−１次回折光強度
は（Ｂ）に示し、（Ｃ），（Ｅ）はそれぞれ塗布むらが
ある状態、（Ｄ），（Ｆ）は−１次回折光強度をそれぞ
れ対応して示している。
が均一に塗布された状態でこのときの−１次回折光強度
は（Ｂ）に示し、（Ｃ），（Ｅ）はそれぞれ塗布むらが
ある状態、（Ｄ），（Ｆ）は−１次回折光強度をそれぞ
れ対応して示している。
このことは、第31図に示す位置合せ信号が変化する原
因となり、位置合せ誤差が生じる。
因となり、位置合せ誤差が生じる。
（５）Ｘ線マスクとウエハー間の多重反射干渉を受けな
い。
い。
従来の二重回折格子法においては、照射光を斜方入射
にすると、このマスクとウエハー間の多重反射干渉の影
響で位置検出誤差の原因となっていた。
にすると、このマスクとウエハー間の多重反射干渉の影
響で位置検出誤差の原因となっていた。
しかしながら、この発明においては、斜入射を前提と
した位置検出方式であるため、斜入射による多重干渉の
影響を全く受けない。
した位置検出方式であるため、斜入射による多重干渉の
影響を全く受けない。
この理由は、前述したように斜入射により生じた回折
光を利用することで位置検出信号とギャップ検出信号を
角度を異ならせて完全に分離していることと、位置検出
光はウエハー回折格子で１度だけ反射回折した光に限定
されることによって、従来大きな問題であった多重干渉
を完全に解決することができた。
光を利用することで位置検出信号とギャップ検出信号を
角度を異ならせて完全に分離していることと、位置検出
光はウエハー回折格子で１度だけ反射回折した光に限定
されることによって、従来大きな問題であった多重干渉
を完全に解決することができた。
（６）アライメントマークが十分小さい。
第22図（Ａ），（Ｂ）に示す多重スリット方式におい
て、Ｂを３μm,Hを９μm,D＋Ｅ（ピッチ）を６μm,Cを4
8μm,スリット数を10とすると、マークの大きさは48μ
ｍ×84μｍとなる。この大きさは、現在の光ステッパー
の中では比較的大きい方に属する。しかしながら、Ｘ線
アライナーにおいては小さい方に属し、光ステッパーの
マークの大きさ100μｍ×100μｍよりは小さいことか
ら、マークとしては許容される程度の大きさであると言
える。
て、Ｂを３μm,Hを９μm,D＋Ｅ（ピッチ）を６μm,Cを4
8μm,スリット数を10とすると、マークの大きさは48μ
ｍ×84μｍとなる。この大きさは、現在の光ステッパー
の中では比較的大きい方に属する。しかしながら、Ｘ線
アライナーにおいては小さい方に属し、光ステッパーの
マークの大きさ100μｍ×100μｍよりは小さいことか
ら、マークとしては許容される程度の大きさであると言
える。
（７）装置の構成が簡易であること。
第28図に示される装置構成から、検出系は極めて単純
である。基本的にはレーザ光源，マーク，受光センサー
の３つがあれば位置検出が可能である。このことは、パ
ターン計測で必要となる拡大光学系のレンズ系，ホログ
ラフィ法における光学部品，干渉方式における干渉計あ
るいは二重回折格子法（市松格子）における入射系のこ
った機構と比べると、いかにシンプルな構成であるかが
わかる。おそらく、これ以上シンプルな位置検出方式は
他に類例を見ない。
である。基本的にはレーザ光源，マーク，受光センサー
の３つがあれば位置検出が可能である。このことは、パ
ターン計測で必要となる拡大光学系のレンズ系，ホログ
ラフィ法における光学部品，干渉方式における干渉計あ
るいは二重回折格子法（市松格子）における入射系のこ
った機構と比べると、いかにシンプルな構成であるかが
わかる。おそらく、これ以上シンプルな位置検出方式は
他に類例を見ない。
（８）検出速度が速い。
第28図に示される構成から、検出速度は受光センサー
の応答速度に依存する。受光センサーに光電子倍増管を
用いると、光電子倍増管単体での応答速度は1.0〜5.0ns
ecであり、極めて速い。実際は、光電子倍増管の出力が
入力され、増幅されるオペアンプの特性から決まり、一
般的にその応答性は数kHzから数100kHzである。この応
答性はマスクステージおよびウエハーステージに対して
必要十分な速度である。
の応答速度に依存する。受光センサーに光電子倍増管を
用いると、光電子倍増管単体での応答速度は1.0〜5.0ns
ecであり、極めて速い。実際は、光電子倍増管の出力が
入力され、増幅されるオペアンプの特性から決まり、一
般的にその応答性は数kHzから数100kHzである。この応
答性はマスクステージおよびウエハーステージに対して
必要十分な速度である。
（９）検出範囲が広い。
第30図のスリットモデルから、本方式における検出範
囲はスリット幅Ｃとすると2Cである。ここで、スリット
の幅を３μｍ（第１図におけるウエハー回折格子の幅B,
マスクスリットの幅Ｇに相当）とすると、検出範囲は６
μｍとなる。
囲はスリット幅Ｃとすると2Cである。ここで、スリット
の幅を３μｍ（第１図におけるウエハー回折格子の幅B,
マスクスリットの幅Ｇに相当）とすると、検出範囲は６
μｍとなる。
従って、この方式によるファインアライメントの前に
行なうコースアライメントにおいて、この６μｍの範囲
に入れる必要がある。この６μｍの範囲にコースアライ
メントすることは容易なことであり、例えば分解能の低
いN.A.0.1の低倍率の金属顕微鏡の対物レンズで十分検
出することが可能な精度であり、実用上問題なく使用で
きる範囲である。
行なうコースアライメントにおいて、この６μｍの範囲
に入れる必要がある。この６μｍの範囲にコースアライ
メントすることは容易なことであり、例えば分解能の低
いN.A.0.1の低倍率の金属顕微鏡の対物レンズで十分検
出することが可能な精度であり、実用上問題なく使用で
きる範囲である。
（10）マスクとウエハーの平行度に依存しない。
この方式において、マスクとウエハーの平行度が変化
することは、第８図のスリットモデルにおいて、スリッ
トａに入射する光束が傾くことに相当する。この状態を
第33図に示す。即ち、入射光束は垂直に入射していた状
態からθだけ傾いたスリットに入射されている。このθ
の傾きにより誤差ｅが生じる。２つのスリットa,bの間
隔をδとすると、誤差ｅは ｅ＝δtanθ …（29） で表わされる。この式（29）で表わされる誤差ｅは、第
１図（Ｂ）においてウエハー回折格子２が傾くことであ
る。この状態を第34図に示す。第34図において、ウエハ
ーの傾きθによる反射角度は２倍される（２θ）ため上
記（29）式は、（30）式で表わされる。
することは、第８図のスリットモデルにおいて、スリッ
トａに入射する光束が傾くことに相当する。この状態を
第33図に示す。即ち、入射光束は垂直に入射していた状
態からθだけ傾いたスリットに入射されている。このθ
の傾きにより誤差ｅが生じる。２つのスリットa,bの間
隔をδとすると、誤差ｅは ｅ＝δtanθ …（29） で表わされる。この式（29）で表わされる誤差ｅは、第
１図（Ｂ）においてウエハー回折格子２が傾くことであ
る。この状態を第34図に示す。第34図において、ウエハ
ーの傾きθによる反射角度は２倍される（２θ）ため上
記（29）式は、（30）式で表わされる。
ｅ＝δtan2θ …（30） 次に、ウエハー１とマスク３の平行度における許容値
を求め、実用上問題ないのかを検討すると、第34図にお
いてδ＝40μm,e＝0.01μｍとすると、上記（29）式よ
り ここで、マスク３とウエハー１のギャップを30mm離れ
た２つのギャップセンサーで検出したとすると、上記
（31）式からギャップセンサーに要求される精度ξは ξ＝30mm×tan0.007゜ ＝0.003mm …（32） となり、センサーの精度は3.75μｍ以内でよいことがわ
かる。このギャップセンサーの精度3.5μｍは、現状に
おいても全く問題のない精度である。
を求め、実用上問題ないのかを検討すると、第34図にお
いてδ＝40μm,e＝0.01μｍとすると、上記（29）式よ
り ここで、マスク３とウエハー１のギャップを30mm離れ
た２つのギャップセンサーで検出したとすると、上記
（31）式からギャップセンサーに要求される精度ξは ξ＝30mm×tan0.007゜ ＝0.003mm …（32） となり、センサーの精度は3.75μｍ以内でよいことがわ
かる。このギャップセンサーの精度3.5μｍは、現状に
おいても全く問題のない精度である。
ちなみに、現在使用されている光ステッパーにおい
て、ギャップセンサーの精度は約0.5μｍである。
て、ギャップセンサーの精度は約0.5μｍである。
以上の検討結果から、この方式がマスクとウエハーの
平行度に依存しないことがわかる。
平行度に依存しないことがわかる。
（11）マークの形状が単純である。
第22図から、マスクマークとウエハーマークとも極め
て単純な形状、すなわち矩形であり、その製作に関して
は全く問題はない。
て単純な形状、すなわち矩形であり、その製作に関して
は全く問題はない。
（12）Ｘ線露光光と干渉せずに露光中もマークの検出が
可能である。
可能である。
この発明の方式は、斜方検出を前提として考案された
ものであり、第28図からもわかるように露光領域内に設
けたマスクとウエハー上のマークを露光中も検出できる
構成となっている。また、斜方検出を構成する部品もレ
ーザ入射用光ファイバーと受光センサーの２つを、受光
領域から遠く離して設置することができるため、周辺機
器との干渉問題も全くない。
ものであり、第28図からもわかるように露光領域内に設
けたマスクとウエハー上のマークを露光中も検出できる
構成となっている。また、斜方検出を構成する部品もレ
ーザ入射用光ファイバーと受光センサーの２つを、受光
領域から遠く離して設置することができるため、周辺機
器との干渉問題も全くない。
以上、この発明の実施例を各項目別に評価した結果を
説明したが、第（２）項，第（４）項が問題となること
が明らかになった。
説明したが、第（２）項，第（４）項が問題となること
が明らかになった。
そこで、次にこの問題点を解決するための２つの手段
として、（ア）位相差検出，（イ）複波長照明について
説明する。
として、（ア）位相差検出，（イ）複波長照明について
説明する。
（ア）位相差検出 この目的は、第２項で述べたプロセスによる回折格子
形状変化の影響を受けないためである。
形状変化の影響を受けないためである。
第１図（Ａ），（Ｂ）に示すこの発明の原理によれ
ば、0.01μｍの分解能は得られたが、ウエハー回折格子
の段差幅比（ｒ）が変化すると、第31図に示すとおり位
置合せ点A,B,C（h/2）におけるマスクとウエハーの相対
位置が変化してしまう。このことは、常にプロセスにお
ける回折格子の形状変化を厳密に管理しないといけない
ことを意味するが、現状においてそのようなプロセス管
理はデバイスを製作する側からはとても許容できる条件
ではない。
ば、0.01μｍの分解能は得られたが、ウエハー回折格子
の段差幅比（ｒ）が変化すると、第31図に示すとおり位
置合せ点A,B,C（h/2）におけるマスクとウエハーの相対
位置が変化してしまう。このことは、常にプロセスにお
ける回折格子の形状変化を厳密に管理しないといけない
ことを意味するが、現状においてそのようなプロセス管
理はデバイスを製作する側からはとても許容できる条件
ではない。
そこで、プロセスによる格子幅Ｂが変化したとして
も、位置合せ点が全く変動しない方法を提案する。それ
は、位相差を利用して２つの回折光強度の差が零、つま
り両信号が等しくなる点を横切る点、即ち、差信号が零
となる位置で位置合せを行う方法である。この方法であ
ると、格子幅Ｂがいくら変化しても位置合せ点は全く変
動しない。
も、位置合せ点が全く変動しない方法を提案する。それ
は、位相差を利用して２つの回折光強度の差が零、つま
り両信号が等しくなる点を横切る点、即ち、差信号が零
となる位置で位置合せを行う方法である。この方法であ
ると、格子幅Ｂがいくら変化しても位置合せ点は全く変
動しない。
また、格子の相対変位に対して回折光の強度変化が最
大となる位置で位置決めを行うため、位置決め感度が最
大となる。
大となる位置で位置決めを行うため、位置決め感度が最
大となる。
この位相差を利用する方法は、既に一般に応用されて
いる手法であり、Ｘ線露光装置におけるアライメント装
置としても次の文献において示されている。
いる手法であり、Ｘ線露光装置におけるアライメント装
置としても次の文献において示されている。
［前記文献4,文献15および「Ｍ＆Ｅ」1988年９月号「い
ま注目される精密位置決め用センサ」（文献35）参照］ この位相差法を第１図（Ａ），（Ｂ）に示すこの発明
の基本原理に応用した場合を第35図（Ａ），（Ｂ）に示
す。ウエハー回折格子１の検出方向に対の回折格子2a,2
bをピッチＨの間隔で配置する。これに対してマスクス
リット4a,4bも対で設けるが、このスリット4a,4bのピッ
チＩをマスクスリットの幅Ｇに対して1/4だけ狭くして
Ｉ＝Ｈ−2J（ただし、Ｊ＝G/4）とすると、ウエハー１
上の対の回折格子2a,2bは互いにG/4だけ位相がずれてい
るので、一方の回折格子からマスクスリットを通過した
光が極大となるとき、他方の回折格子からマスクスリッ
トを通過した光が極小となり、マスクスリットとウエハ
ー回折格子の相対位置が図に示す関係になったとき、対
の回折光の強度差が零となる点はプロセスにより回折格
子の幅Ｂが変化しても全く変動しない。
ま注目される精密位置決め用センサ」（文献35）参照］ この位相差法を第１図（Ａ），（Ｂ）に示すこの発明
の基本原理に応用した場合を第35図（Ａ），（Ｂ）に示
す。ウエハー回折格子１の検出方向に対の回折格子2a,2
bをピッチＨの間隔で配置する。これに対してマスクス
リット4a,4bも対で設けるが、このスリット4a,4bのピッ
チＩをマスクスリットの幅Ｇに対して1/4だけ狭くして
Ｉ＝Ｈ−2J（ただし、Ｊ＝G/4）とすると、ウエハー１
上の対の回折格子2a,2bは互いにG/4だけ位相がずれてい
るので、一方の回折格子からマスクスリットを通過した
光が極大となるとき、他方の回折格子からマスクスリッ
トを通過した光が極小となり、マスクスリットとウエハ
ー回折格子の相対位置が図に示す関係になったとき、対
の回折光の強度差が零となる点はプロセスにより回折格
子の幅Ｂが変化しても全く変動しない。
このように構成された場合の位相差信号を第36図に示
す。横軸はマスクスリット4a,4bとウエハー回折格子2a,
2bの相対位置ｘを、縦軸は回折格子の強度差を示す。対
の回折格子2a,2bからの信号は、Ｊ（G/4）だけ位相差が
あるため、２つの回折光強度a,bをもつ信号が得られ
る。
す。横軸はマスクスリット4a,4bとウエハー回折格子2a,
2bの相対位置ｘを、縦軸は回折格子の強度差を示す。対
の回折格子2a,2bからの信号は、Ｊ（G/4）だけ位相差が
あるため、２つの回折光強度a,bをもつ信号が得られ
る。
ここで、信号a,bは、マスクスリット4a,4bの幅Ｇに対
して1/4の位相差を各々もっているため、各信号ピーク
は2J（Ｊ＝G/4）だけ離れている。
して1/4の位相差を各々もっているため、各信号ピーク
は2J（Ｊ＝G/4）だけ離れている。
ここで、２つの信号a,bの位相差、つまり差分信号
（ａ−ｂ）を取ると、第37図に示すようにＳ字状曲線の
信号が得られる。このＳ字状曲線において、位置合せ点
は、前述したとおり差信号が零となる位置、即ち、ゼロ
クロス点０になる。
（ａ−ｂ）を取ると、第37図に示すようにＳ字状曲線の
信号が得られる。このＳ字状曲線において、位置合せ点
は、前述したとおり差信号が零となる位置、即ち、ゼロ
クロス点０になる。
このゼロクロス点０は、対の回折光の強度変化が最大
となる点で、位置決め感度が最大となる点である。ま
た、このゼロクロス点０は、プロセスによってウエハー
回折格子の幅Ｂが変化しても、全く変化しない。このこ
とを第38図に示す。ただし、この図は、第31図の曲線と
同じく、位置信号を三角波にモデル化して示している。
図において、±Δｄの変化は、ウエハー回折格子2a,2b
の幅Ｂがプロセスにより±Δｄだけ変化したことに相当
する。第39図（Ａ）に示す２つの信号a,bを見ると、ウ
エハー回折格子2a,2bの幅Ｂの変化±Δｄにより、位置
合せ点（h/2）がずれている。
となる点で、位置決め感度が最大となる点である。ま
た、このゼロクロス点０は、プロセスによってウエハー
回折格子の幅Ｂが変化しても、全く変化しない。このこ
とを第38図に示す。ただし、この図は、第31図の曲線と
同じく、位置信号を三角波にモデル化して示している。
図において、±Δｄの変化は、ウエハー回折格子2a,2b
の幅Ｂがプロセスにより±Δｄだけ変化したことに相当
する。第39図（Ａ）に示す２つの信号a,bを見ると、ウ
エハー回折格子2a,2bの幅Ｂの変化±Δｄにより、位置
合せ点（h/2）がずれている。
ところで、２つの信号a,bの位相差つまり差分（ａ−
ｂ）を取ると、第38図（Ｂ）に示すようにＳ字状曲線の
信号が得られることになる。ここで、このＳ字状曲線に
おいて注目される点は、２つの信号a,bの±ｄの変化に
は全く影響を受けず、ただ１点のゼロクロス点０を持つ
ことである。また、このゼロクロス点０付近では、曲線
のもつ勾配が最も大きくなり、感度も最大となる。
ｂ）を取ると、第38図（Ｂ）に示すようにＳ字状曲線の
信号が得られることになる。ここで、このＳ字状曲線に
おいて注目される点は、２つの信号a,bの±ｄの変化に
は全く影響を受けず、ただ１点のゼロクロス点０を持つ
ことである。また、このゼロクロス点０付近では、曲線
のもつ勾配が最も大きくなり、感度も最大となる。
以上の説明から、２つの信号の位相差をとることで、
プロセスによるウエハー回折格子の形状変化には全く影
響を受けなくできることが明らかになった。
プロセスによるウエハー回折格子の形状変化には全く影
響を受けなくできることが明らかになった。
ここで、再び第35図（Ａ），（Ｂ）に戻り、この２つ
の位相差をもった回折光の検出方法について検討する。
即ち、２つの信号は回折格子2a,2bのピッチが同じであ
るため、同じ方向に２つの回折光が進み、互いに干渉し
て、１つの光束となってしまう。そこで、２つの信号の
差分を取るためには、この干渉により１つの光束となっ
てしまった２つの回折光を分離する必要がある。
の位相差をもった回折光の検出方法について検討する。
即ち、２つの信号は回折格子2a,2bのピッチが同じであ
るため、同じ方向に２つの回折光が進み、互いに干渉し
て、１つの光束となってしまう。そこで、２つの信号の
差分を取るためには、この干渉により１つの光束となっ
てしまった２つの回折光を分離する必要がある。
その方法としては、入射するレーザ光をモータ駆動さ
せたスキャニングミラーに当て、２つの回折格子2a,2b
に交互に当てるようにして、マスクスリット4a,4bを通
過してくる回折光を上記スキャナー駆動信号に同期さ
せ、受光センサーで検出分離する方法が考えられるが、
装置が複雑で大型化し、モータなどの駆動部をもつため
好ましくない。（前掲文献４参照） そこで、対の回折格子2a,2bからの回折光を空間的に
分離するため、対の回折格子2a,2bのそれぞれのピッチ
を変えておく。これにより、対の回折格子2a,2bからの
回折光は回折角度が異なるため、回折光を空間的に完全
に分離することができ、２個の独立した受光センサーを
配置するだけで検出することが可能になる。
せたスキャニングミラーに当て、２つの回折格子2a,2b
に交互に当てるようにして、マスクスリット4a,4bを通
過してくる回折光を上記スキャナー駆動信号に同期さ
せ、受光センサーで検出分離する方法が考えられるが、
装置が複雑で大型化し、モータなどの駆動部をもつため
好ましくない。（前掲文献４参照） そこで、対の回折格子2a,2bからの回折光を空間的に
分離するため、対の回折格子2a,2bのそれぞれのピッチ
を変えておく。これにより、対の回折格子2a,2bからの
回折光は回折角度が異なるため、回折光を空間的に完全
に分離することができ、２個の独立した受光センサーを
配置するだけで検出することが可能になる。
第39図（Ａ），（Ｂ）にこの装置を示す。即ち、２つ
の回折格子2a,2bはピッチが異なるため、回折角度は
θ1,θ２の異なる角度で反射回折し、マスクスリット4
a,4bを通過する。従って、この２つの回折光が空間的に
分離される位置にそれぞれ受光センサーを配置すれば、
受光センサー信号の差分を取ることで、２つの回折光の
差分が容易に得られることになる。
の回折格子2a,2bはピッチが異なるため、回折角度は
θ1,θ２の異なる角度で反射回折し、マスクスリット4
a,4bを通過する。従って、この２つの回折光が空間的に
分離される位置にそれぞれ受光センサーを配置すれば、
受光センサー信号の差分を取ることで、２つの回折光の
差分が容易に得られることになる。
第40図（Ａ）に２つの受光センサーの出力を示す。ま
た、第40図（Ｂ）に２つの受光センサー出力の差分信号
を示す。
た、第40図（Ｂ）に２つの受光センサー出力の差分信号
を示す。
この方法によって、駆動部を全く持たずに位相差検出
が可能となる。この手法は次の文献でも採用されてい
る。（前掲文献15参照） 一方、第39図に示す位相差検出装置においては、入射
光の強度変動に対しても、その強度変化は、対の回折光
で同時に起るため、その強度変化は第38図（Ａ），
（Ｂ）に示すスリットモデルと同じになる。
が可能となる。この手法は次の文献でも採用されてい
る。（前掲文献15参照） 一方、第39図に示す位相差検出装置においては、入射
光の強度変動に対しても、その強度変化は、対の回折光
で同時に起るため、その強度変化は第38図（Ａ），
（Ｂ）に示すスリットモデルと同じになる。
従って、これはプロセスによる形状変化と同様な理由
によりゼロクロス点０の位置は全く変動しないため、検
出精度には影響を与えることはない。次に、第39図に示
す装置で得られる回折光の強度を上げS/N比を高くする
ためにウエハー回折格子およびマスクスリット数を増や
した場合の上面図を第41図に示す。即ち、ウエハー回折
格子21,22,・・・,26およびマスクスリット41,42,・・
・,46をそれぞれ６列に増やした場合を示す。位相差を
つけるために、マスクスリット41,42,・・・,46のピッ
チを中央だけＩ（Ｉ＝Ｈ−2J）に狭くしてある。残りの
ピッチはウエハー回折格子も含め全てＨである。これに
よりウエハー回折格子は３つのピッチ（Ｄ＋Ｅ），（Ｋ
＋Ｌ）,Hをもつ２次元回折格子となり、一方、多重スリ
ットは２つのピッチH,Jをもつ多重スリットとなる。こ
れから、２つの格子ピッチによる位相差検出において、
多重スリット化により位置検出に十分な強度が得られ、
S/N比の高い回折光強度が得られることが可能となる。
によりゼロクロス点０の位置は全く変動しないため、検
出精度には影響を与えることはない。次に、第39図に示
す装置で得られる回折光の強度を上げS/N比を高くする
ためにウエハー回折格子およびマスクスリット数を増や
した場合の上面図を第41図に示す。即ち、ウエハー回折
格子21,22,・・・,26およびマスクスリット41,42,・・
・,46をそれぞれ６列に増やした場合を示す。位相差を
つけるために、マスクスリット41,42,・・・,46のピッ
チを中央だけＩ（Ｉ＝Ｈ−2J）に狭くしてある。残りの
ピッチはウエハー回折格子も含め全てＨである。これに
よりウエハー回折格子は３つのピッチ（Ｄ＋Ｅ），（Ｋ
＋Ｌ）,Hをもつ２次元回折格子となり、一方、多重スリ
ットは２つのピッチH,Jをもつ多重スリットとなる。こ
れから、２つの格子ピッチによる位相差検出において、
多重スリット化により位置検出に十分な強度が得られ、
S/N比の高い回折光強度が得られることが可能となる。
この多重スリットと回折格子の組み合せ方式により位
相検出が可能となり、プロセスによる回折格子の形状変
化の影響を全く受けないことがわかった。
相検出が可能となり、プロセスによる回折格子の形状変
化の影響を全く受けないことがわかった。
しかしながら、この方法においては、対の回折格子か
らの反射回折率が一定である必要がある。この反射率が
変化する原因は、主にレジスト塗布むらである。ウエハ
ー上の対の格子にレジスト塗布むらが生じ、２つの回折
格子からの反射率が同一でなくなると、対の回折光強度
にアンバランスが生じて誤差の原因となってしまう。こ
れは前述した４番目の問題点である前記（２）のレジス
ト膜を含む薄膜の多層化による多重干渉の影響に含まれ
る内容となる。そこで、この問題を解決する方法を示
す。
らの反射回折率が一定である必要がある。この反射率が
変化する原因は、主にレジスト塗布むらである。ウエハ
ー上の対の格子にレジスト塗布むらが生じ、２つの回折
格子からの反射率が同一でなくなると、対の回折光強度
にアンバランスが生じて誤差の原因となってしまう。こ
れは前述した４番目の問題点である前記（２）のレジス
ト膜を含む薄膜の多層化による多重干渉の影響に含まれ
る内容となる。そこで、この問題を解決する方法を示
す。
（イ）複波長照明 回折光を利用した位置検出法においては、入射光源に
コヒーレントな光，即ちレーザ甲を使用しているためレ
ジスト膜などによる多重干渉の影響は必ず受けることに
なる。この影響を低減させるためには、 レジスト膜などの膜厚を均一するためにプロスセス
側で工夫を行う。
コヒーレントな光，即ちレーザ甲を使用しているためレ
ジスト膜などによる多重干渉の影響は必ず受けることに
なる。この影響を低減させるためには、 レジスト膜などの膜厚を均一するためにプロスセス
側で工夫を行う。
複波長照明により多重干渉反射強度を零に近ずけ
る。
る。
の２つの対策が挙げられる。
上記，の対策の実例は前述しているが、本質的に
はの対策が理想的である。
はの対策が理想的である。
ところで、これまでの説明中で引用してきたいわゆる
二重回折格子法において、複波長化を実現した例はこれ
までのところ見当らない。この理由は、原理的に複波長
化が不可能のためである。
二重回折格子法において、複波長化を実現した例はこれ
までのところ見当らない。この理由は、原理的に複波長
化が不可能のためである。
一方、この発明の方式では、原理的にも複波長化が極
めて容易に適用することが可能である。
めて容易に適用することが可能である。
次に、その具体的に適用した例を説明する。
第42図に示す側面図において、波長λ1,λ２（λ１＞
λ２）の２つの照明光は、入射角度θ2,θ３で回折格子
２に照射される。そして、波長λ１の光は回折角度θ4,
波長λ２の光は回折角度θ５で回折される。このとき、
波長λ1,λ２の入射角度差をθ６（θ２−θ３）とし、
ウエハー回折格子２のピッチをｄとすると、各角度は sinθ４＝λ1/d …（33） sinθ５＝λ2/d …（34） θ６＝θ4/θ５ …（35） に表わされる。波長λ１の光をＸ線マスク３の法線Ｎに
対して角度θ２で、また、波長λ２の光を角度θ３でウ
エハー回折格子２（ピッチｄ）に入射させたとき、入射
角度差θ６（＝θ３−θ２）は、ウエハー回折格子２に
おける２つの波長λ1,λ２に対する反射回折角度（θ4,
θ５）の差に等しくなるように設定されている。
λ２）の２つの照明光は、入射角度θ2,θ３で回折格子
２に照射される。そして、波長λ１の光は回折角度θ4,
波長λ２の光は回折角度θ５で回折される。このとき、
波長λ1,λ２の入射角度差をθ６（θ２−θ３）とし、
ウエハー回折格子２のピッチをｄとすると、各角度は sinθ４＝λ1/d …（33） sinθ５＝λ2/d …（34） θ６＝θ4/θ５ …（35） に表わされる。波長λ１の光をＸ線マスク３の法線Ｎに
対して角度θ２で、また、波長λ２の光を角度θ３でウ
エハー回折格子２（ピッチｄ）に入射させたとき、入射
角度差θ６（＝θ３−θ２）は、ウエハー回折格子２に
おける２つの波長λ1,λ２に対する反射回折角度（θ4,
θ５）の差に等しくなるように設定されている。
従って、入射角度差θ６は、上記（33），（34）式よ
り次のように表わされる。
り次のように表わされる。
θ６＝sin-1（λ1/d）−sin-1（λ2/d） …（36） この入射角度差θ６により２つの波長λ1,λ２の光を
ウエハー回折格子２に入射すると、ウエハー回折格子２
で反射回折した２つの波長の光による−１次回折光は同
じ角度θ７で進む。同じ角度θ７で反射回折した光は、
マスクスリット４を通過し、位置検出信号としてこの回
折光の進行方向に設置された受光センサーにより同時に
検出され、複波長照明による検出が可能となる。
ウエハー回折格子２に入射すると、ウエハー回折格子２
で反射回折した２つの波長の光による−１次回折光は同
じ角度θ７で進む。同じ角度θ７で反射回折した光は、
マスクスリット４を通過し、位置検出信号としてこの回
折光の進行方向に設置された受光センサーにより同時に
検出され、複波長照明による検出が可能となる。
以上の説明から分かるように、複波長照明は波長の異
なる光を上記（36）式で表わされる入射角度差で入射さ
せるだけで、この発明の方式に適用することが可能とな
り、その適用は極めて容易である。
なる光を上記（36）式で表わされる入射角度差で入射さ
せるだけで、この発明の方式に適用することが可能とな
り、その適用は極めて容易である。
また、入射させる波長の数は、２波長に限らず３波長
でも４波長でもまたそれ以上であっても何ら問題はな
い。そして、その場合の適用方法は、上記（36）式と同
じく入射角度差を設定するだけでよい。
でも４波長でもまたそれ以上であっても何ら問題はな
い。そして、その場合の適用方法は、上記（36）式と同
じく入射角度差を設定するだけでよい。
次に、選択する波長に関して説明する。複波長化につ
いては、先行例がいくつかあり（前記文献12,13参
照）、ここではその文献を参考にして４波長照明による レジスト厚さ変動の影響を低減 パターン段差変動の影響を低減 について説明する。
いては、先行例がいくつかあり（前記文献12,13参
照）、ここではその文献を参考にして４波長照明による レジスト厚さ変動の影響を低減 パターン段差変動の影響を低減 について説明する。
まず、レジスト内部での多重干渉反射強度Irは次のよ
うに表わされる。
うに表わされる。
ただし、層厚h,屈折率n0,n1,n2は第43図に示す基板，
レジスト層，空気の屈折率である。
レジスト層，空気の屈折率である。
ここで、n0＝4.75（Si）,n1＝1.64（レジスト）,n2＝
１（空気）の値を代入し、分母を１と近似すると Ir≒0.291＋0.232cosε …（38） となり、位相を近似的にεとしてよいことが分かる。
１（空気）の値を代入し、分母を１と近似すると Ir≒0.291＋0.232cosε …（38） となり、位相を近似的にεとしてよいことが分かる。
上記式（38）で、Irをcosεとして４つの波長λ1,
λ2,λ3,λ４の光で照明したときの多重干渉反射強度を
求めると であり、上記式（39），（40），（41），（42）におい
て基準波長をλ01,λ02として両者の波長差Δλ０とす
ると λ１＝λ01＋Δλ/2＝λ０＋Δλ0/2＋Δλ/2 …（43） λ２＝λ01−Δλ/2＝λ０＋Δλ0/2−Δλ/2 …（44） λ３＝λ02＋Δλ/2＝λ０−Δλ0/2＋Δλ/2 …（45） λ４＝λ02−Δλ/2＝λ０−Δλ0/2＋Δλ/2 …（46） となる。上記（43）〜（46）式を（39）〜（42）式に代
入すると、（λ1,λ２）および（λ3,λ４）による多重
干渉反射強度I1,I2は次のようになる。
λ2,λ3,λ４の光で照明したときの多重干渉反射強度を
求めると であり、上記式（39），（40），（41），（42）におい
て基準波長をλ01,λ02として両者の波長差Δλ０とす
ると λ１＝λ01＋Δλ/2＝λ０＋Δλ0/2＋Δλ/2 …（43） λ２＝λ01−Δλ/2＝λ０＋Δλ0/2−Δλ/2 …（44） λ３＝λ02＋Δλ/2＝λ０−Δλ0/2＋Δλ/2 …（45） λ４＝λ02−Δλ/2＝λ０−Δλ0/2＋Δλ/2 …（46） となる。上記（43）〜（46）式を（39）〜（42）式に代
入すると、（λ1,λ２）および（λ3,λ４）による多重
干渉反射強度I1,I2は次のようになる。
上記（47），（48）式において、第２項のビート成分
が零になるΔλ＝31.7nmと、第１項の位相差Δε＝２π
とから、振幅が霊に近くなるΔλ０＝63nmを代入すると I1＝cos12.310πｈ×cos0.392πｈ …（49） I2＝cos13.878πｈ×cos0.392πｈ …（50） となり、レジスト厚さ1.2μm,基準入射光＝0.5μｍにお
いて、多重干渉反射光強度（I1＋I2）が最も弱くなる条
件である。この（49），（50）式の条件を完全に満す波
長の光を射出するレーザはないが、次のものが比較的に
近い波長の光を射出する。
が零になるΔλ＝31.7nmと、第１項の位相差Δε＝２π
とから、振幅が霊に近くなるΔλ０＝63nmを代入すると I1＝cos12.310πｈ×cos0.392πｈ …（49） I2＝cos13.878πｈ×cos0.392πｈ …（50） となり、レジスト厚さ1.2μm,基準入射光＝0.5μｍにお
いて、多重干渉反射光強度（I1＋I2）が最も弱くなる条
件である。この（49），（50）式の条件を完全に満す波
長の光を射出するレーザはないが、次のものが比較的に
近い波長の光を射出する。
この４つのレーザからの光を用いた結果を次に示す。
レジスト厚さ変動の影響を低減 第44図に回折格子による１次回折光、第45図に多重干
渉光の場合を示す。第45図において、入射光強度I0,多
重干渉反射光強度IM,空気からレジストへの透過係数t,
レジストから空気への透過係数，回折効率係数μ，レ
ジストから空気への反射係数r,レジストからウエハーへ
の反射係数をｒ′とすると となる。上記（51），（52）式において、ｄ＝１〜４μ
ｍにおいて、レジスト膜厚変動の影響が25％に低減して
おり、第46図（Ａ），（Ｂ）に単波長の光と４つの波長
の光による結果を示す。
渉光の場合を示す。第45図において、入射光強度I0,多
重干渉反射光強度IM,空気からレジストへの透過係数t,
レジストから空気への透過係数，回折効率係数μ，レ
ジストから空気への反射係数r,レジストからウエハーへ
の反射係数をｒ′とすると となる。上記（51），（52）式において、ｄ＝１〜４μ
ｍにおいて、レジスト膜厚変動の影響が25％に低減して
おり、第46図（Ａ），（Ｂ）に単波長の光と４つの波長
の光による結果を示す。
また、４波長の光による照明は、パターン段差の変動
の影響の低減にも有効であり、第44図を参照して説明す
る。第44図において、入射角i,パターン段差h,パターン
長a,パターンピッチP,レジスト屈折率nr,照明光波長λ
として、a/P＝0.5とすると、１次回折光強度IKは となる。この式（53），（54）において、４波長の光に
よる照明によりパターン段差ｈ＝0.5〜2.5μｍにおいて
パターン段差変動の影響が30％に低減されていること
を、単波長光照明と比較して第47（Ａ），（Ｂ）図に示
す。
の影響の低減にも有効であり、第44図を参照して説明す
る。第44図において、入射角i,パターン段差h,パターン
長a,パターンピッチP,レジスト屈折率nr,照明光波長λ
として、a/P＝0.5とすると、１次回折光強度IKは となる。この式（53），（54）において、４波長の光に
よる照明によりパターン段差ｈ＝0.5〜2.5μｍにおいて
パターン段差変動の影響が30％に低減されていること
を、単波長光照明と比較して第47（Ａ），（Ｂ）図に示
す。
以上の説明から、この発明の方式において、第42図に
示す複波長照明化により、この方式において残されてい
た問題点である（４）レジスト膜を含む薄膜の多層化に
よる多重干渉の影響が解決されるため、レジスト厚さ
変動の影響を低減され、かつ、パターン段差変動の影
響も低減され、優れた位置検出装置となる。
示す複波長照明化により、この方式において残されてい
た問題点である（４）レジスト膜を含む薄膜の多層化に
よる多重干渉の影響が解決されるため、レジスト厚さ
変動の影響を低減され、かつ、パターン段差変動の影
響も低減され、優れた位置検出装置となる。
次に、（Ａ）２つのピッチをもつ多重スリットと３つ
のピッチをもって２次元回折格子を対向させずに配置し
て用いる（Ｂ）回折格子の回折光を利用する（Ｃ）斜入
射，斜方検出である（Ｄ）複波長照明である（Ｅ）位相
検出であるの５つの特徴を全てもつ実施例を説明する。
のピッチをもって２次元回折格子を対向させずに配置し
て用いる（Ｂ）回折格子の回折光を利用する（Ｃ）斜入
射，斜方検出である（Ｄ）複波長照明である（Ｅ）位相
検出であるの５つの特徴を全てもつ実施例を説明する。
第48図は、２次元回折格子２をもつウエハー１と多重
スリット４をもつＸ線マスク３を波長λ1,λ2,λ3,λ４
の光を射出する４つのレーザ111,112,113,114と２の受
光センサー201,202を用いた検出系を示す。Ｘ線マスク
３には第41図に示す多重スリット41,42,43,44,45,46を
もち、ウエハー１には、２次元回折格子21,22,23,24,
25,26が設けられている。また、位相差検出において、
位相差をもつ２つの回折光を空間的に分離するために上
記回折格子21〜26において、検出方向と直角方向の２つ
のピッチが用いられ、かつ、位相差を生じさせるために
多重スリットに中央だけ異なるもう１つのピッチが設定
されている。この多重スリット４と２次元回折格子２は
対向させずに配置し、入射光を斜方向より入射し、ウエ
ハー２次元回折格子２に直接入射させる。
スリット４をもつＸ線マスク３を波長λ1,λ2,λ3,λ４
の光を射出する４つのレーザ111,112,113,114と２の受
光センサー201,202を用いた検出系を示す。Ｘ線マスク
３には第41図に示す多重スリット41,42,43,44,45,46を
もち、ウエハー１には、２次元回折格子21,22,23,24,
25,26が設けられている。また、位相差検出において、
位相差をもつ２つの回折光を空間的に分離するために上
記回折格子21〜26において、検出方向と直角方向の２つ
のピッチが用いられ、かつ、位相差を生じさせるために
多重スリットに中央だけ異なるもう１つのピッチが設定
されている。この多重スリット４と２次元回折格子２は
対向させずに配置し、入射光を斜方向より入射し、ウエ
ハー２次元回折格子２に直接入射させる。
ここで、入射する光の波長はλ1,λ2,λ3,λ４の複波
長の光であり、角波長の光の入射角度は第42図に示した
ようにウエハー回折格子２による反射回折角度を同じに
するために前記（36）式に従う角度だけ違った角度に設
定される。また、入射光は設定を簡単にするために、光
ファイバー入射方式が適当である。
長の光であり、角波長の光の入射角度は第42図に示した
ようにウエハー回折格子２による反射回折角度を同じに
するために前記（36）式に従う角度だけ違った角度に設
定される。また、入射光は設定を簡単にするために、光
ファイバー入射方式が適当である。
ウエハー回折格子２で反射回折した−１次回折光は、
２つの格子ピッチにより２つの方向に進む。この２つの
方向に反射回折された光は、各々複波長の混合波である
が、多重スリットを通過することにより、位相が180゜
ずれた位置情報をもっている。この180゜の位相差をも
った−１次回折光を、光路上に設けた２つの独立した受
光センサー201,202で検出し、光電変換して電気信号
（a,b）に変換する。この２つの電気信号（a,b）は、18
0゜の位相差をもつため、作動アンプ21に入力して差分
を取ることにより、信号（a,b）の位相差信号（ａ−
ｂ）が簡単に得られる。この位相差信号（ａ−ｂ）は、
第40図（Ｂ）に示すＳ字状曲線となり、Ｘ線マスク３と
ウエハー１の位置合せの焦点は、上記Ｓ字状曲線におけ
るゼロクロス点０となる。
２つの格子ピッチにより２つの方向に進む。この２つの
方向に反射回折された光は、各々複波長の混合波である
が、多重スリットを通過することにより、位相が180゜
ずれた位置情報をもっている。この180゜の位相差をも
った−１次回折光を、光路上に設けた２つの独立した受
光センサー201,202で検出し、光電変換して電気信号
（a,b）に変換する。この２つの電気信号（a,b）は、18
0゜の位相差をもつため、作動アンプ21に入力して差分
を取ることにより、信号（a,b）の位相差信号（ａ−
ｂ）が簡単に得られる。この位相差信号（ａ−ｂ）は、
第40図（Ｂ）に示すＳ字状曲線となり、Ｘ線マスク３と
ウエハー１の位置合せの焦点は、上記Ｓ字状曲線におけ
るゼロクロス点０となる。
次に、この実例を第49図に示す。ウエハー１上に設け
る特殊回折格子２の寸法は ピッチ（Ｄ＋Ｅ）＝６μｍ ピッチ（Ｋ＋Ｌ）＝５μｍ ピッチＨ＝10μｍ 格子幅Ｂ＝４μｍ 多重スリット４は上記回折格子２の寸法に従い スリット幅Ｇ＝４μｍ（＝格子幅Ｂ） ピッチＨ＝10μｍ（検出方向のピッチと同じ） 位相差Ｊ＝G/4＝１μｍ 位相差ピッチＩ＝Ｈ−2J＝８μｍ とする。
る特殊回折格子２の寸法は ピッチ（Ｄ＋Ｅ）＝６μｍ ピッチ（Ｋ＋Ｌ）＝５μｍ ピッチＨ＝10μｍ 格子幅Ｂ＝４μｍ 多重スリット４は上記回折格子２の寸法に従い スリット幅Ｇ＝４μｍ（＝格子幅Ｂ） ピッチＨ＝10μｍ（検出方向のピッチと同じ） 位相差Ｊ＝G/4＝１μｍ 位相差ピッチＩ＝Ｈ−2J＝８μｍ とする。
次に、レジスト膜厚を約1.2μｍと仮定して４つの波
長を選択する。
長を選択する。
そして、入射角および反射回度を決定する。まず、格
子ピッチ（Ｄ＋Ｅ）＝６μｍに対する反射回折角度φ２
＝35と設定して、４つの波長の光の入射角度を求める。
子ピッチ（Ｄ＋Ｅ）＝６μｍに対する反射回折角度φ２
＝35と設定して、４つの波長の光の入射角度を求める。
上記（55）より λ１の入射角θ８＝28.89゜ 上記（56）式より λ２の入射角θ９＝29.19゜ 上記（57）式より λ３の入射角θ10＝29.49゜ 上記（58）式より λ４の入射角θ11＝29.82゜ 上記入射角度θ８〜θ11より格子ピッチ（Ｋ＋Ｌ）＝
５μｍにおける反射回折角度φ１を求める。ただし、こ
の反射回折格子φ１は、厳密には、ある一定の値でな
く、入射角度により異なるため、入射角度別にφ１を求
める。
５μｍにおける反射回折角度φ１を求める。ただし、こ
の反射回折格子φ１は、厳密には、ある一定の値でな
く、入射角度により異なるため、入射角度別にφ１を求
める。
入射角θ８＝24.17゜に対する反射回折角度φ１は 入射角θ９＝24.47゜に対する反射回折角度φ１は 入射角θ10＝24.75゜に対する反射回折角度φ１″は 入射角θ11＝25.07゜に対する反射回折角度φ１は 上記（59）式より反射回折角度 φ１＝36.28゜ 上記（60）式より反射回折角度 φ１′＝36.21゜ 上記（61）式より反射回折角度 φ１″＝36.15゜ 上記（62）式より反射回折角度 φ１＝36.08゜ となる。従って、これらの平均値をとって反射回折角度
φ１とすると、 φ１＝36.18゜（±0.10゜） となる。
φ１とすると、 φ１＝36.18゜（±0.10゜） となる。
次に、多重スリットの長さおよび特殊回折格子の長さ
Ｃの決定を行なう。Ｘ線マスク３とウエハー１間のギャ
ップＡをＡ＝40μｍと設定すると、上記のように決定し
た入射角度および反射回折角度から、入射角度は角度の
最も小さいθ８＝28.89゜，反射回折角度の小さいφ２
＝35゜より、多重スリット４と干渉しないで直接２次元
回折格子２に入射する条件を第50図に示すようになる。
Ｃの決定を行なう。Ｘ線マスク３とウエハー１間のギャ
ップＡをＡ＝40μｍと設定すると、上記のように決定し
た入射角度および反射回折角度から、入射角度は角度の
最も小さいθ８＝28.89゜，反射回折角度の小さいφ２
＝35゜より、多重スリット４と干渉しないで直接２次元
回折格子２に入射する条件を第50図に示すようになる。
ギャップＡに対してθ８の入射角度で入射し、反射回
折角度φ２で反射することから、両光束がＸ線マスク３
上で交鎖しないようにするためには、ウエハー回折格子
２の長さＣを（Ｐ＋Ｑ）とすればよい。従って、 となる。余裕をＳとして、上記（63）式から引くと回折
格子長さＣは となり、Ａ＝40μm,φ２＝35゜，θ８＝28.89゜,S−５
μｍを代入し となる。
折角度φ２で反射することから、両光束がＸ線マスク３
上で交鎖しないようにするためには、ウエハー回折格子
２の長さＣを（Ｐ＋Ｑ）とすればよい。従って、 となる。余裕をＳとして、上記（63）式から引くと回折
格子長さＣは となり、Ａ＝40μm,φ２＝35゜，θ８＝28.89゜,S−５
μｍを代入し となる。
また、多重スリット４長さＦについては 多重スリット長Ｆ≒Ｃ …（65） であるので、多重スリット長Ｆ＝45.1μｍとなり、格子
ピッチが各々６μm,5μｍであること、および小数点を
切り捨てて回折格子長さC,スリット長さＦは となる。
ピッチが各々６μm,5μｍであること、および小数点を
切り捨てて回折格子長さC,スリット長さＦは となる。
次に、多重スリット数の決定について説明する。多重
スリット数ｎは、受光センサーの感度，入射波長の強
度，ウエハー回折格子２の反射回折効率等により決定さ
れるが、基本的には実験により受光センサーからの出力
が0.01μｍ以下の検出感度をもつS/N比の高い信号とな
るスリット数を選択する。
スリット数ｎは、受光センサーの感度，入射波長の強
度，ウエハー回折格子２の反射回折効率等により決定さ
れるが、基本的には実験により受光センサーからの出力
が0.01μｍ以下の検出感度をもつS/N比の高い信号とな
るスリット数を選択する。
ただし、他の方式やこの発明の方式が±２次回折光以
下の微弱な回折光は使用せず、光強度の高い−１次回折
を使用していることから、スリット数が約10位あれば0.
01μｍ以下の検出精度が得られることが予想される。
下の微弱な回折光は使用せず、光強度の高い−１次回折
を使用していることから、スリット数が約10位あれば0.
01μｍ以下の検出精度が得られることが予想される。
このとき、多重スリットおよび２次元回折格子の検出
方向の長さは、共に約10μｍ×（10−１）＝90μｍであ
る。
方向の長さは、共に約10μｍ×（10−１）＝90μｍであ
る。
次に、入射位置Ｎおよび受光センサーのＭについて説
明する。入射位置Ｎについては基本的には何ら制約条件
はない。しかしながら、実装を考えると、光ファイバー
端部で設置スペースが必要となることから、λ１〜λ４
までの光ファイバー端部である程度の間隔があることが
望ましい。入射角度は一番近接したところで0.3゜であ
ることから、位置Ｎにおける２つの光ファイバー間距離
を5mmとすると となる。上記（63）式より入射位置Ｎ＝5/tan0.3＝954m
mとなる。
明する。入射位置Ｎについては基本的には何ら制約条件
はない。しかしながら、実装を考えると、光ファイバー
端部で設置スペースが必要となることから、λ１〜λ４
までの光ファイバー端部である程度の間隔があることが
望ましい。入射角度は一番近接したところで0.3゜であ
ることから、位置Ｎにおける２つの光ファイバー間距離
を5mmとすると となる。上記（63）式より入射位置Ｎ＝5/tan0.3＝954m
mとなる。
また、受光センサーの位置Ｍについては、位相差をも
った２つの回折光を空間的に完全に分離した状態で検出
する必要がある。位置Ｍにおける２つの回折光の距離を
10mmとすると、２つの回折光のなす角度は1.18゜（＝3
6.18゜−35゜）であることから となる、上記（67）式から検出位置Ｍは、Ｍ＝10/tan1.
18゜＝485mmとなる。
った２つの回折光を空間的に完全に分離した状態で検出
する必要がある。位置Ｍにおける２つの回折光の距離を
10mmとすると、２つの回折光のなす角度は1.18゜（＝3
6.18゜−35゜）であることから となる、上記（67）式から検出位置Ｍは、Ｍ＝10/tan1.
18゜＝485mmとなる。
従って、第50図の場合、入射光ファイバは、Ｘ線マス
ク３から約1m離れた位置に配置し、受光センサーはＸ線
マスク３から約500cm以上離れた位置に配置すればよい
ことがわかる。以上の説明から、第49図に示す構成にお
いて実際の位置検出が可能となる。
ク３から約1m離れた位置に配置し、受光センサーはＸ線
マスク３から約500cm以上離れた位置に配置すればよい
ことがわかる。以上の説明から、第49図に示す構成にお
いて実際の位置検出が可能となる。
なお、前記実施例においては、位置検出信号を−１次
回折光を使用するものを代表して説明したが、これは±
Ｎ次の回折光を利用できることは勿論である。
回折光を使用するものを代表して説明したが、これは±
Ｎ次の回折光を利用できることは勿論である。
［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明のスリットと回折格子
により相対位置検出装置は、例えばSOR（シンクロトロ
ン放射光）の強力なＸ線源を露光光源とするＸ線露光装
置において、約40μｍ離れて配置されたＸ線マスクとウ
エハーの相対位置を検出するもので、第１の物体にはス
リットを第２の物体には回折格子を設けただけの簡単な
構成ながら、 （１）マスクとウエハー間のギャップ変動に相対位置検
出精度が影響されない。
により相対位置検出装置は、例えばSOR（シンクロトロ
ン放射光）の強力なＸ線源を露光光源とするＸ線露光装
置において、約40μｍ離れて配置されたＸ線マスクとウ
エハーの相対位置を検出するもので、第１の物体にはス
リットを第２の物体には回折格子を設けただけの簡単な
構成ながら、 （１）マスクとウエハー間のギャップ変動に相対位置検
出精度が影響されない。
（２）プロセスにより回折格子形状変化の影響を受けな
い。
い。
（３）マスク製作精度の影響を受けない。
（４）レジスト膜を含む薄膜の多層化による多重干渉の
影響を受けない。
影響を受けない。
（５）Ｘ線マスクとウエハー間の多重反射干渉の影響を
受けない。
受けない。
（６）アライメントマークが充分小さい。
（７）装置構成が簡単である。
（８）検出速度が速い。
（９）検出範囲が広い。
（10）マスク，ウエハーの平行度に依存しない。
（11）マーク形状が単純である。
（12）Ｘ線露光光と干渉せず、露光中もマーク検出が可
能である。
能である。
の全てを満足した優れた検出装置である。
第１図（Ａ），（Ｂ）は、この発明の原理を説明するた
めの上面図および側面図、 第２図は、１次元回折格子による位置検出を説明するめ
の線図、 第３図は、回折像の強度分布の方向を説明するための線
図、 第４図は、スリットによるフレネル回折像の強度分布を
説明するための斜視図、 第５図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、フレネル回折像の強
度分布を示すグラフ、 第６図は、ウエハー上の回折格子の一部分を示す側断面
図、 第７図（Ａ），（Ｃ）は、ｉ線ステッパー，エキシマレ
ーザステッパの位置検出方法を説明するための線図で、
第７図（Ｂ），（Ｄ）はその検出波形図、 第８図は、スリットモデルを説明するための側断面図、 第９図、第８図に示すスリットモデルの光量分布図、 第10図は、マスクとウエハーからの反射光の干渉を説明
するための線図、 第11図は、干渉光の光量分布図、 第12図は、ギャップ検出信号と位置検出信号が分離され
ていることを検出するための実験装置を示す光路図、 第13図は、第12図に使用された回折格子の平面図、 第14図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、モニター上に写し出
された回折像の様子を示す線図、 第15図は、オシロスコープの出力波形図、 第16図は、検出精度を確認するための装置を示す光路
図、 第17図は、マスクスリットとウエハー回折格子を示す上
面図、 第18図（Ａ），（Ｂ）は、モニター上に写し出された回
折像の様子を示す線図、 第19図（Ａ），（Ｂ）は、スリットと回折格子の位置関
係を示す上面図、 第20図（Ａ），（Ｂ）は、オシロスコープの出力波形
図、 第21図は、モニター画面を示す正面図、 第22図（Ａ），（Ｂ）は、本発明実施例を示す多重スリ
ットと２次元回折格子による相対位置検出装置の構成を
示す上面図および側面図、 第23図は、強度分布を確認するために実験装置に使用し
たウエハーグリッドの構成を示す上面図、 第24図は、実験装置の構成を示す側面図、 第25図は、モニターの様子を示す正面図、 第26図は、ビデオ信号の出力波形図、 第27図は、スリットモデルを説明するための側断面図、 第28図は、検出系の構成を示す側面図、 第29図は、−１次回折光の強度分布図、 第30図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、スリットモデルと位
置変化を示す側面図、 第31図は、スリットモデルの透過光量変化を示すグラ
フ、 第32図（Ａ），（Ｃ），（Ｅ）は、ウエハー回折格子上
のレジスト膜の塗布むらの様子を示し、第32図（Ｂ），
（Ｄ），（Ｆ）は第32図（Ａ），（Ｃ），（Ｅ）の１次
回折光強度分布を示すグラフ、 第33図，第34図は、平行度が変化したときのスリットモ
デルの説明するための線図、 第35図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例の変形例の位
置検出装置の構成を示す上面図および側面図、 第36図は、位相差信号の波形図、 第37図は、第36図の差分信号の波形図、 第38図（Ａ），（Ｂ）は、位相差を利用したスリットモ
デルの透過光量変化を示すグラフ、 第39図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例の位相差を利
用した位置検出装置の構成を示す上面図および側面図、 第40図（Ａ），（Ｂ）は、検出出力の波形図およびその
差分信号の波形図、 第41図は、第39図の装置をさらに多重化した場合の例を
示す位置検出装置の上面図、 第42図は、複波長照明を適用した状態の位置検出装置の
側面図、 第43図は、多重干渉反射を説明するための側面図、 第44図，第45図は、回折格子による１次回折光および多
重干渉光を示す側面図、 第46図（Ａ），（Ｂ）は、単波長光と複波長光照明にお
けるレジスト膜の影響を示すグラフ、 第47図（Ａ），（Ｂ）は、単波長光と複波長光照明にお
けるパターン段差の影響を示すグラフ、 第48図は、位相検出および複波長光照明を適用した位置
検出装置の構成を示す側面図、 第49図は、位相差検出装置の実例の構成を示す上面図、 第50図は、多重スリットと回折格子の寸法関係を示す側
面図、 第51図は、従来の二重回折法を説明するためのマスク回
折格子とウエハー回折格子を示す斜視図、 第52図は、従来の倍ピッチ二重回折格子法を説明するた
めの側面図、 第53図は、従来の市松格子を用いた二重回折法を説明す
るための斜視図、 第54図は、従来の３つの回折格子を用いた光ヘテロダイ
ン測定法を説明するための側面図、 第55図は、回折格子の定義を説明するための回折格子一
部分の側面図、 第56図（Ａ）〜（Ｅ）は、プロセスにより回折格子の形
状変化を示す線図、 第57図は、マスクの構成を示す側面図、 第58図は、マスクとウエハー間の多重反射干渉を説明す
るための側面図、 第59図は、円形フレネルゾーンプレート法における多重
反射干渉を説明するための側面図である。 １……ウエハー ２……１次元回折格子 ３……マスク ４……スリット ５……入射光 ６……零次反射光 6a……回折光
めの上面図および側面図、 第２図は、１次元回折格子による位置検出を説明するめ
の線図、 第３図は、回折像の強度分布の方向を説明するための線
図、 第４図は、スリットによるフレネル回折像の強度分布を
説明するための斜視図、 第５図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、フレネル回折像の強
度分布を示すグラフ、 第６図は、ウエハー上の回折格子の一部分を示す側断面
図、 第７図（Ａ），（Ｃ）は、ｉ線ステッパー，エキシマレ
ーザステッパの位置検出方法を説明するための線図で、
第７図（Ｂ），（Ｄ）はその検出波形図、 第８図は、スリットモデルを説明するための側断面図、 第９図、第８図に示すスリットモデルの光量分布図、 第10図は、マスクとウエハーからの反射光の干渉を説明
するための線図、 第11図は、干渉光の光量分布図、 第12図は、ギャップ検出信号と位置検出信号が分離され
ていることを検出するための実験装置を示す光路図、 第13図は、第12図に使用された回折格子の平面図、 第14図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、モニター上に写し出
された回折像の様子を示す線図、 第15図は、オシロスコープの出力波形図、 第16図は、検出精度を確認するための装置を示す光路
図、 第17図は、マスクスリットとウエハー回折格子を示す上
面図、 第18図（Ａ），（Ｂ）は、モニター上に写し出された回
折像の様子を示す線図、 第19図（Ａ），（Ｂ）は、スリットと回折格子の位置関
係を示す上面図、 第20図（Ａ），（Ｂ）は、オシロスコープの出力波形
図、 第21図は、モニター画面を示す正面図、 第22図（Ａ），（Ｂ）は、本発明実施例を示す多重スリ
ットと２次元回折格子による相対位置検出装置の構成を
示す上面図および側面図、 第23図は、強度分布を確認するために実験装置に使用し
たウエハーグリッドの構成を示す上面図、 第24図は、実験装置の構成を示す側面図、 第25図は、モニターの様子を示す正面図、 第26図は、ビデオ信号の出力波形図、 第27図は、スリットモデルを説明するための側断面図、 第28図は、検出系の構成を示す側面図、 第29図は、−１次回折光の強度分布図、 第30図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、スリットモデルと位
置変化を示す側面図、 第31図は、スリットモデルの透過光量変化を示すグラ
フ、 第32図（Ａ），（Ｃ），（Ｅ）は、ウエハー回折格子上
のレジスト膜の塗布むらの様子を示し、第32図（Ｂ），
（Ｄ），（Ｆ）は第32図（Ａ），（Ｃ），（Ｅ）の１次
回折光強度分布を示すグラフ、 第33図，第34図は、平行度が変化したときのスリットモ
デルの説明するための線図、 第35図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例の変形例の位
置検出装置の構成を示す上面図および側面図、 第36図は、位相差信号の波形図、 第37図は、第36図の差分信号の波形図、 第38図（Ａ），（Ｂ）は、位相差を利用したスリットモ
デルの透過光量変化を示すグラフ、 第39図（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例の位相差を利
用した位置検出装置の構成を示す上面図および側面図、 第40図（Ａ），（Ｂ）は、検出出力の波形図およびその
差分信号の波形図、 第41図は、第39図の装置をさらに多重化した場合の例を
示す位置検出装置の上面図、 第42図は、複波長照明を適用した状態の位置検出装置の
側面図、 第43図は、多重干渉反射を説明するための側面図、 第44図，第45図は、回折格子による１次回折光および多
重干渉光を示す側面図、 第46図（Ａ），（Ｂ）は、単波長光と複波長光照明にお
けるレジスト膜の影響を示すグラフ、 第47図（Ａ），（Ｂ）は、単波長光と複波長光照明にお
けるパターン段差の影響を示すグラフ、 第48図は、位相検出および複波長光照明を適用した位置
検出装置の構成を示す側面図、 第49図は、位相差検出装置の実例の構成を示す上面図、 第50図は、多重スリットと回折格子の寸法関係を示す側
面図、 第51図は、従来の二重回折法を説明するためのマスク回
折格子とウエハー回折格子を示す斜視図、 第52図は、従来の倍ピッチ二重回折格子法を説明するた
めの側面図、 第53図は、従来の市松格子を用いた二重回折法を説明す
るための斜視図、 第54図は、従来の３つの回折格子を用いた光ヘテロダイ
ン測定法を説明するための側面図、 第55図は、回折格子の定義を説明するための回折格子一
部分の側面図、 第56図（Ａ）〜（Ｅ）は、プロセスにより回折格子の形
状変化を示す線図、 第57図は、マスクの構成を示す側面図、 第58図は、マスクとウエハー間の多重反射干渉を説明す
るための側面図、 第59図は、円形フレネルゾーンプレート法における多重
反射干渉を説明するための側面図である。 １……ウエハー ２……１次元回折格子 ３……マスク ４……スリット ５……入射光 ６……零次反射光 6a……回折光
Claims (8)
- 【請求項１】微小距離だけ離間した第1,第２の物体の離
間方向に垂直な方向の位置を検出する位置検出装置にお
いて、 第１の物体にはスリットを、第２の物体には回折格子を
設け、スリットを通した斜方からの入射光で回折格子を
照射し、該回折格子により生じるフレネル回折像を検出
するため、第１の物体に対して第２の物体はフレネル領
域にあり、上記スリットと上記回折格子を対向させない
配置とし、上記回折格子からの回折光を上記スリットを
通過した後に斜方検出するようにして、第１の物体と第
２の物体の相対位置を検出するスリットと回折格子によ
る相対位置検出装置。 - 【請求項２】第１の物体に設けるスリットは、二つのピ
ッチＨおよびＩをもって検出方向に並設されていること
を特徴とする請求項１記載のスリットと回折格子による
相対位置検出装置。 - 【請求項３】第１の物体に設けるスリットは、第２の物
体に設けられる２次元回折格子の位置検出方向のピッチ
Ｈと同じピッチＨで並列され、二つの格子ピッチが並ん
でいる境目のピッチをスリット幅Ｇの1/2だけ短くある
いは長く形成したことを特徴とする請求項１記載のスリ
ットと回折格子による相対位置検出装置。 - 【請求項４】第２の物体に設ける回折格子は、検出方向
と直交する方向に二つのピッチ（Ｋ＋Ｌ）および（Ｄ＋
Ｅ）をもった１次元回折格子が検出方向に等ピッチＨで
並列して構成されることを特徴とする請求項１記載のス
リットと回折格子による相対位置検出装置。 - 【請求項５】第２の物体に設ける回折格子は、検出方向
と直交する方向に二つのピッチ（Ｋ＋Ｌ）および（Ｄ＋
Ｅ）をもち、第１の物体に設けるスリットはその長さ方
向に、第２の物体に対して位置をずらして配置されてい
ることを特徴とする請求項１記載のスリットと回折格子
による相対位置検出装置。 - 【請求項６】微小距離だけ離間した第1,第２の物体の離
間方向に垂直な方向の位置を検出する位置検出装置にお
いて、 第１の物体にはスリットを、第２の物体には回折格子を
設け、スリットを通した斜方からの入射光で回折格子を
照射し、該回折格子により生じるフレネル回折像を検出
するため、第１の物体に対して第２の物体はフレネル領
域にあり、 第1,第２の物体面における法線に対して、入射角度θｎ
で可干渉光の複数波長の光を入射させるようにしたこと
を特徴とするスリットと回折格子による相対位置検出方
法。 - 【請求項７】複数波長の光の入射角度θｎは、第２の物
体に設けられる回折格子の二つのピッチ（Ｄ＋Ｅ），
（Ｋ＋Ｌ）において、反射回折角度が波長によらずほぼ
同一になるように設定されていることを特徴とする請求
項６記載のスリットと回折格子による相対位置検出方
法。 - 【請求項８】第２の物体に設けられた回折格子により反
射回折した複数の波長の異なる光によるＮ次回折光のみ
が第１の物体の多重スリットを通過し、二つの方向に空
間的に分離して検出されるようにした請求項１から請求
項７記載のスリットと回折格子による相対位置検出装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2045810A JP2789487B2 (ja) | 1990-02-28 | 1990-02-28 | スリットと回折格子による相対位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2045810A JP2789487B2 (ja) | 1990-02-28 | 1990-02-28 | スリットと回折格子による相対位置検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03249503A JPH03249503A (ja) | 1991-11-07 |
| JP2789487B2 true JP2789487B2 (ja) | 1998-08-20 |
Family
ID=12729612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2045810A Expired - Fee Related JP2789487B2 (ja) | 1990-02-28 | 1990-02-28 | スリットと回折格子による相対位置検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2789487B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI607291B (zh) * | 2013-04-17 | 2017-12-01 | Orc Manufacturing Co Ltd | Exposure device |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5831526A (ja) * | 1981-08-19 | 1983-02-24 | Nippon Kogaku Kk <Nikon> | 焼付装置のアライメント装置 |
| JPH02138801A (ja) * | 1988-11-18 | 1990-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 位置合わせ方法および位置合わせ装置 |
-
1990
- 1990-02-28 JP JP2045810A patent/JP2789487B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03249503A (ja) | 1991-11-07 |
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