JP3008654B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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特に
３次元的な相対位置決め（アライメント）を行う場合に
好適な位置検出装置に関するものである。

【０００２】

【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。

【０００３】多くの位置合わせ装置においては、マスク
及びウエハ面上に位置合わせ用の所謂アライメントパタ
ーンを設け、それらより得られる位置情報を利用して、
双方のアライメントを行っている。このときのアライメ
ント方法としては、例えば双方のアライメントパターン
のずれ量を画像処理を行うことにより検出したり、又は
米国特許第４０３７９６９号や特開昭５６−１５７０３
３号公報で提案されているようにアライメントパターン
としてゾーンプレートを用い該ゾーンプレートに光束を
照射し、このときゾーンプレートから射出した光束の所
定面上における集光点位置を検出すること等により行っ
ている。

【０００４】一般にゾーンプレートを利用したアライメ
ント方法は、単なるアライメントパターンを用いた方法
に比べてアライメントパターンの欠損に影響されずに比
較的高精度のアライメントが出来る特長がある。

【０００５】先の米国特許第４０３７９６９号や特開昭
５６−１５７０３３号公報で提案されている位置合わせ
装置においては、マスクとウエハの相対的な位置ずれ量
を求める際にマスクとウエハ面上に設けた回折格子、ゾ
ーンプレート、ホログラム等の光の波動としての性質を
利用した波面変換素子、所謂物理光学素子からの光を評
価すべき所定面上に独立に結像させて各々基準とする位
置からのずれ量を求めている。

【０００６】しかしながら従来の位置合わせ装置におい
て検出器（以下「センサ」ともいう。）に入射した光束
の光量分布又は光強度分布をそのまま信号処理していた
為、次のような問題点があった。

【０００７】（イ）センサ上に到達する本来の信号光以
外の成分、例えば位置合わせを行なう物体上で散乱され
た散乱光などのバックグランド光、或は光学系の途中で
発生する迷光などの不要光（ノイズ光）まで一律に光電
変換してしまうため、不要光の影響を除去するためには
センサ信号処理系への負荷が大きくなりすぎてくる。

【０００８】（ロ）測定レンジをカバーするためにセン
サのサイズをあまり大きくすることができない。例えば
センサ上に到達する光束の位置を検知して位置ずれ計測
する場合、位置ずれ計測範囲を広くとるためにはセンサ
サイズもそれに応じて設定する必要がある。このように
センササイズが大きくなるとそれだけ到達する不要光の
トータルの光量も増し、Ｓ／Ｎ比が劣化してくる。

【０００９】これに対して本出願人は特開平２−１６７
４０６号公報において前述の欠点を鑑み、不要光の影響
を除去して、Ｓ／Ｎ比の高い信号処理が行なえ、マスク
等の第１物体とウエハ等の第２物体の相対位置関係を高
精度に検出することができる位置検出装置を提案してい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は本出願人が先
に特開平２−１６７４０６号公報で提案した位置検出装
置における信号処理方法を更に改良し、特に検出手段の
各々の検出領域の検出感度を重み係数を用いて信号処理
する方法を適切に設定することにより、受光面上に入射
する前述の不要光による悪影響を軽減し、マスクとウエ
ハとの２次元的又は３次元的な相対的関係を更に高精度
に検出することができる位置検出装置の提供を目的とし
ている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、第１物体と第２物体との相対位置関係を検出する位
置検出装置において、光源手段からの光束を該第１物体
と第２物体を介して少なくとも１つの受光面を有し、該
受光面上への光束の入射位置における光強度に応じた信
号を出力する光検出手段で検出し、該光検出手段からの
受光面上の各領域に対応する信号を、該光検出手段で得
られる光強度情報に基いて領域によって異なる重み係数
を用いて調整した後、該調整後の出力に基づいて、再度
調整すべき該受光面上の領域を設定し直して同様の調整
を行うことにより、該第１物体と第２物体との相対位置
関係を検出するようにしたことを特徴としている。

【００１２】

【実施例】図１は本発明を半導体素子製造用の露光装置
に適用したときの実施例１の概略図、図２（Ａ），
（Ｂ）は本発明における第１物体と第２物体との相対的
な位置検出と面間隔検出を行う原理説明図、図３，図４
は本発明において第１物体と第２物体との面間隔検出を
行う説明図、図５は図１の一部分の拡大斜視図である。
図８，図９は本発明に係る半導体素子製造用の露光装置
の要部外観図である。

【００１３】まず本実施例において第１物体と第２物体
との相対的位置検出を行う場合について説明する。

【００１４】本実施例では光源３１から出射された電磁
波、音波等の波動（以下「光束」という。）をコリメー
ターレンズ３２で平行光束とし、投射用レンズ３３、ハ
ーフミラー３４を介し、第１物体１として例えばマスク
面Ｍ上のフレネルゾーンプレートの一種であるグレーテ
ィングレンズ等から成る第１物理光学素子４１Ｍを斜方
向から照射している（図５参照）。

【００１５】第１物理光学素子４１Ｍは集光作用を有し
ており、反射光を第１物体１の法線方向（＋Ｚ方向）に
射出させ、第１物理光学素子４１Ｍから所定の距離離れ
た第２物体２としての、例えばウエハ面上に設けられて
いるグレーティングレンズより成る第２物理光学素子４
１Ｗに入射させている。

【００１６】第２物理光学素子４１Ｗは発散作用を有し
ており、光束をアライメントヘッド２４方向に射出さ
せ、集光レンズ３６により検出器３８の検出面上に集光
している。そして検出器３８からの出力信号を後述する
様に調整し第１物体（以下マスクともいう）１と第２物
体（以下ウエハともいう）２との平面上の位置ずれ量を
求めている。尚、マスク１とウエハ２は所定の範囲のギ
ャップ値で保持されている。集光レンズ３６と検出器３
８は光検出手段の一要素を構成している。

【００１７】本実施例では位置合わせの為、ウエハ２を
動かす構成になっているが、同様にマスクチャック移動
機構を設けマスク１を動かす構成としても良い。以下、
便宜上第１物理光学素子４１Ｍをマスク用のグレーティ
ングレンズ４１Ｍ、第２物理光学素子４１Ｗをウエハ用
のグレーティングレンズ４１Ｗ、第１物体をマスク、第
２物体をウエハという。

【００１８】このように本実施例ではウエハ２面上のア
ライメントパターンを所定の焦点距離をもったグレーテ
ィングレンズ（フレネルゾーンプレートの一種）より構
成し、アライメントヘッド２４からマスク１面に斜入射
したアライメント用の光束をマスク１面の法線方向（−
Ｚ方向）に偏向し、所定の位置（例えばＺ＝−１８７．
０μｍ）に集光させている。

【００１９】本実施例においてマスク１面上に斜入射さ
せる角度αは １０＜ α ＜８０ 程度が好ましい。

【００２０】又、ウエハ２上のアライメントパターン４
１ＷはＺ軸に関して非対称なパターンのオフアクシス型
のグレーティングレンズで、例えば焦点距離２１７．０
μｍとなるように設計され、マスク１面上のグレーティ
ングレンズを透過、回折した収束（発散）光をアライメ
ントヘッド方向に導光している。

【００２１】このときアライメント光束はグレーティン
グレンズのレンズ作用を受けアライメントヘッド２４内
の検出器３８に入射する。実施例１ではパターンの存在
するスクライブライン方向にアライメントする。

【００２２】本実施例ではこのような配置のもとで図２
（Ａ）に示すように第１物体に対し、第２物体がΔδだ
け横ずれすると光学系中のレンズが軸ずれを起こしたと
きと同様に出射光束の出射角が変化し、検出器３８面上
で集光点の重心ずれを起こす。出射角が小さなとき、マ
スク１とウエハ２とが平行方向にΔσずれており、ウエ
ハ２からマスク１のグレーティングレンズ４１Ｍで回折
した光束の集光点までの距離をａ、ウエハ２のグレーテ
ィングレンズ４１Ｗで回折した光束の集光点までの距離
をｂとすると検出器３８面上での集光点の重心ずれ量Δ
δは

【００２３】

【数１】 となる、即ち重心ずれ量Δδは（ｂ／ａ＋１）倍に拡大
される。

【００２４】例えば、ａｗ＝０．５ｍｍ，ｂｗ＝５０ｍ
ｍとすれば重心ずれ量Δδは（１）式より１０１倍に拡
大される。

【００２５】尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ
量Δσは（１）式より明らかのように比例関係となる。
検出器の分解能が０．１μｍであるとすると位置ずれ量
Δσは０．００１μｍの位置分解能となる。

【００２６】次に具体的に位置ずれ量の検出方法を述べ
る。マスク設定時にためし焼によってマスクとウエハの
位置ずれのないときの重心位置を基準位置として求め、
位置検出時に重心位置が基準位置からｘ方向にどれだけ
ずれているかを検出して前述の比例関係からマスク・ウ
エハの相対ずれ量を求めている。

【００２７】本実施例では後述する調整手段による信号
処理を介して得られる位置ずれ量Δσをもとに第２物体
を移動させて第１物体と第２物体の位置決めを高精度に
行っている。

【００２８】次に本実施例においてマスク１とウエハ２
との間隔測定をし垂直方向の位置合わせについて所謂マ
スクレンズＡ² Ｆ法を例にとり説明する。

【００２９】マスクレンズＡ² Ｆ法は、マスク面上に入
射用及び出射用のグレーティング又はグレーティングレ
ンズを作成したものを用いた方法で次のようなものであ
る。

【００３０】図３に示すように、（マスクである）第１
面の第１パターン４２_inに入射した光束４７は、例えば
１次で回折し（ウエハである）第２面２の法線と所定の
角度をなして第２面２に向い、第２面２にて正反射され
て第１面１の第２パターン４２_out を透過する。その
際、第１面１と第２面２の間隔に応じて第２パターン４
２_out 上の光束通過位置が異なる（間隔ずれｄ_G で位置
ずれｄ_M ）。

【００３１】第２パターン４２_out は出射光束４６を間
隔測定用の光点位置検出センサ３９の方向に導く働きを
するが、更に第２パターン４２_out 上の光束入射位置に
よって出射光束の曲げ角度を変える、いわゆるレンズと
同様の作用を持たせる（焦点距離ｆ_M ）。

【００３２】即ち、原理的には図４（Ａ）のように検出
器３９は出射光束４６をとらえうる。ここでは図４
（Ｂ）のように光束の曲げ角度が一様であっても良い。

【００３３】即ち、適当な位置に例えば一次元の光点位
置検出センサを置けば光束の位置変化を検知することが
出来るのでそのままでも本方式は成立するが、図３に示
すように受光レンズ３６を用いれば次のような利点を生
じる。

【００３４】即ち、物理光学的に発散気味に出射し光束
径が大きくなりがちな場合、受光レンズで集光してエネ
ルギー密度の高いシャープなスポットをセンサ３９上に
作ることができることと、焦点距離ｆ_S の受光レンズ３
６の焦点の位置にセンサ３９を設置すれば光束の角度の
みを検知する系となり、受光レンズとセンサが一体構造
でレンズ光軸と垂直方向に位置ズレしても位置ズレの影
響を受けない。但し、諸々の事情により焦点位置にセン
サを設置出来ない場合でも位置ズレの影響が無視出来る
範囲であれば十分に実用的であるのでセンサ位置を受光
レンズ焦点位置に限定する必要はない。

【００３５】又、図３において単位間隔量に対するセン
サ面スポットの動き量Ｓは

【００３６】

【数２】 で与えられる。

【００３７】第１パターン４２_inから出射した光束と第
２面の法線とのなす角をθ₁ とすると間隔が基準となる
間隔値より距離ｄ_G だけ変化した場合のスポットの動き
量Ｓは

【００３８】

【数３】 となる。

【００３９】予めマスクとウエハとが基準となる間隔に
あるときの間隔値を他の間隔測定手段により測定してお
き、又この間隔におけるセンサ面３９上の光束重心位置
を基準位置として求めておいて、間隔検出時にはスポッ
トの重心位置の基準位置からのずれをＳとして求め、こ
れを（２）´式に代入して距離ｄ_G を算出し、これを基
準間隔からのずれとして現間隔を測定している。

【００４０】以上述べた原理により、マスクとウエハの
間隔の絶対量が測長できる。従って、例えばマスクがセ
ットされている状態に、ウエハが供給された場合、セッ
トしたい所望の間隔３０μｍより大きい値１００μｍに
ウエハが入ってきた時に、１００μｍのマスク、ウエハ
ギャップの値を高精度に検知し、この測長値にもとづい
て所望のマスクウエハ間隔３０μｍに１回でセットすれ
ばよい。これにより高速なギャップ間隔セッティングが
可能となる。

【００４１】次に本実施例の各要素を図１，図８，図９
を用いて詳細に説明する。

【００４２】光源、センサ等を内蔵する筺体であるアラ
イメントピックアップヘッド２４から出射された光ビー
ムは、マスク１及びウエハ２上のマーク設定部２０上へ
照射され、反射あるいは回折された光は再びアライメン
トピックアップヘッド２４へ出射される。アライメント
ピックアップヘッドはステージ２１へ取り付けられアラ
イメント領域に応じて自由に２次元的に移動できるよう
に構成されておりステージコントロール部２２により制
御される。このとき、ステージ２１はスーパーフラット
ベースプレート２３でガイドされており、ピッチング、
ヨーイングは生じないように設計されている。

【００４３】ステージコントロール部２２はアライメン
ト及び間隔制御開始時にステージ２１を駆動させてヘッ
ド２４を予め記憶されているマスク及びウエハの評価用
マーク２０の照明及び検出の為の位置へ移動させる。
尚、図８，図９はステージ２１とその周辺部を含む移動
機構を模式図で示してある。

【００４４】次に移動機構を詳細に説明する。図９はス
テージ部及びステージコントローラ部の詳細図である。

【００４５】アライメントピックアップヘッド２４はス
ーパーフラット面１０を持つ支持体２６上のスーパーフ
ラット面１０を一定圧でスーパーフラットベースプレー
ト２３に押しつける為のクランパー部２７に取りつけら
れ、アライメント装置本体上部にスーパーフラットベー
ス２３を介し載せられている。クランパー部２７は２次
元移動ステージ２１上の移動支持部２８と平行板バネ３
０を介しつながっている。ステージ２１はベース部２１
Ｂ、ｘ方向スライド部２１Ｘ、ｙ方向スライド部２１
Ｙ、ｘ，ｙ両方向スライドをガイドするガイド部２１
Ｇ、ベース部２１Ｂに設けられスライド部２１Ｘ，２１
Ｙをそれぞれｘ方向、ｙ方向に駆動する駆動源２１Ｍ
Ｘ，２１ＭＹより成る。

【００４６】駆動源ＭＸ，ＭＹの動作はヘッド２４を各
方向に動かして所定位置にポジショニングするようコン
トローラ２２により制御される。各ステージの移動量は
それぞれレーザー測長器２９Ｘ，２９Ｙにより精密に計
測され、このデータがコントローラ２２に入力され、こ
れに基いてコントローラ２２がヘッド２４の現在位置を
検出し、所定位置になる様に駆動源ＭＸ，ＭＹに指令信
号を送る事で、ヘッド２４の位置が精密に制御されてい
る。

【００４７】検出位置移動後、前述の如く横ずれ及び間
隔検出を実行し、この検出結果に基いて、ウエハステー
ジ２５を横ずれ及び間隔誤差補正方向に移動させて、ア
ライメント及び間隔制御を行ない、必要があれば前記動
作を繰り返す。

【００４８】アライメントピックアップヘッド２４は横
ずれ検知系、間隔検知系、投光系、受光系が組み込まれ
ており、光源３１具体的には半導体レーザから出射され
た光ビームはコリメータレンズ３２、投射用レンズ３３
及び投射用ミラー３４を介し、評価用マーク設定部２０
へ投射される。マークより出射された光ビームは検知用
レンズ３６により検知系へ導かれ同一基板３７上の同一
平面上に形成された横ずれ検知用の受光素子３８及び間
隔検知用の受光素子３９に各々はいり、それぞれの信号
となる。尚、アライメントピックアップヘッド２４の投
光、受光窓３５には露光用光源からの光が通らないよう
なフィルターが付けられている。

【００４９】評価用マークとしては図５に示すようにマ
スク上に横ずれ検知用のマーク４１Ｍと間隔測定用マー
ク４２_in，４２_out が隣接されて設けられている。ウエ
ハ上にはマーク４１Ｍに対応する位置にマーク４１Ｗが
設けられている。

【００５０】本実施例においては投射光４７は評価マー
ク上では平行光になるように設計されており、投射領域
の横ずれ検知用マーク４１Ｍと間隔測定用マーク４２_in
として同時に投射される。

【００５１】横ずれ検知系はマスク面１上マーク４１Ｍ
が集光作用をもち、その集光点を検出面と共役な位置へ
結像させる作用をもつウエハマーク４１Ｗを介し、横ず
れを検出面上で拡大し、検出を行っている。受光レンズ
３６はウエハマーク４１Ｗによる結像点を横ずれ検知用
受光素子３８へリレーするリレーレンズ系を構成してい
る。図２（Ａ）はこの系をレンズパワー配置で示したも
のである。

【００５２】一方、間隔測定系は、前述のようなマスク
レンズＡ² Ｆ法を用いており、平行入射光はマスク面上
間隔測定用入射マーク４２_inを通り回折され、光路を曲
げられウエハ面２（正反射面）で正反射し、マスクウエ
ハ間隔に対応するマスク面上間隔測定用の出射マーク４
２_out 上の決められた領域へ投射され、間隔に対応した
角度でマスク面を出射し、間隔測定用受光素子上へ導か
れ（２）式に従って受光素子３９上を動く検出系を構成
BR>している。

【００５３】図２（Ｂ）はこの間隔測定系を横ずれ検知
系と同様にレンズパワー配置で示したものである。

【００５４】上記、図２（Ｂ）における集光レンズを図
２（Ａ）におけるリレーレンズと共有させたものが本実
施例の検知用レンズ３６である。

【００５５】このとき図２（Ｂ）において検知用レンズ
３６からセンサ３８面までの実効的距離Ｌ₂ と図２
（Ｂ）のセンサ３９面までの実効的距離ｆ_S と同じくす
ることにより、センサ３８とセンサ３９とを同一基板３
７上に設定することができる。

【００５６】図７に示すように基板３７上にセンサ３
８，３９を各々ｘ方向に平行になるように並列して形成
した。一方、ウエハ２面から検知用レンズ３６までの距
離をＬとおくと、

【００５７】

【数４】 となるように、距離Ｌを設定すればよい。

【００５８】本実施例では、既にＬの大きさが決まって
いる場合、グレーティングレンズ４１Ｍ，４１Ｗの焦点
距離で決まるｂｗの値を（３）式を満たすように設定す
ればよい。又これに伴ってマスク１とウエハ２との位置
ずれ量が（１）式に従って拡大されるようにａｗの値を
設定すればよい。センサ３８と３９は同一基板上に同時
に焼付処理されて製作している。

【００５９】横ずれ検知系の信号光束のセンサ３８と間
隔測定系の信号光束のセンサ３９とを、検知レンズ３６
の収差に応じた半径Ｒの球面上に形成された同一基板上
に配置しても良い。アライメントピックアップヘッド内
の投光光学系及び受光光学系の構成は、実施例１と同様
であるが、センサ３８，３９をこのように配置すること
により、検知レンズ３６の像面湾曲、歪曲収差に伴う点
像の変形に起因するセンサ上光量重心位置計測誤差を除
去することが可能となる。

【００６０】図６（Ａ），（Ｂ）は図５に示すＹＺ面に
投影した、それぞれの光束の光路を示す図で、同図
（Ａ）は横方向位置ずれ計測用光束の光路図、同図
（Ｂ）は間隔計測用光束の光路図で不図示の光源（半導
体レーザ、波長８３０ｎｍ）から出射した光束はマスク
１に１７．５°の角度で斜入射したのち、位置ずれ計測
用光束はウエハ２の面の法線と略平行（或はマスク面法
線と平行）になるようにマスク１上の物理光学素子４１
Ｍの回折作用を受けて進向する。

【００６１】一方、間隔測定用光束はウエハ２の面法線
に対しｘ方向側に所定角度で偏向されて進向する。

【００６２】それぞれの光束はウエハ２上の物理光学素
子４１Ｗの反射回折、反射、作用を受けた後、それぞれ
異なる出射角の光路に分離してウエハ面を出射し、セン
サ３８，３９に到達する。物理光学素子４１Ｍ，４１Ｗ
はそれぞれ所定の焦点距離を有するグレーティングレン
ズ素子であり、サイズはいずれも５０μｍ×１８０μｍ
で焼付露光用半導体回路パターン領域に隣接するスクラ
イブライン上（若しくはスクライブラインに対応する領
域上）に形成される。

【００６３】次に横方向位置ずれ計測用光束と間隔測定
用光束がマスク１、ウエハ２上の物理光学素子４１Ｍ，
４１Ｗ，４２上で受ける回折の作用について説明する。

【００６４】マスク１に斜入射した光束はグレーティン
グレンズ４１Ｍ、グレーティングレンズ４２で透過回折
の作用を受け、０次、±１次、±２次のように回折次数
の異なる種々の光束が発生する。本実施例では例えば＋
１次の透過回折光を利用する。グレーティングレンズと
しての作用は例えば次数が正の場合、凸レンズ（集光作
用）ならば、負の場合凹レンズ（光束発散作用）とな
る。

【００６５】上記＋１次透過光束の光路がマスク面法線
と平行となるようにグレーティングレンズ４１Ｍのパタ
ーンは設計されている。一方グレーティング４２_inは光
束をｘ方向へ偏向させる偏向素子として機能している。
本実施例ではウエハ２上のグレーティングレンズ４１Ｗ
で横方向位置ずれ計測用光束は−１次の反射、回折作用
をうける（即ち凹レンズとしての作用を受ける）。

【００６６】一方、間隔測定用光束はウエハ２上の無地
の領域で０次で反射し、更に横方向位置ずれ計測用光束
としてはマスク１のグレーティングレンズ４１Ｍを０次
て透過する光束を利用する。このようにして横方向の位
置ずれ計測用光束は光源出射後、マスク上のグレーティ
ングレンズ４１Ｍで＋１次（凸レンズ作用）で回折し、
ウエハ上グレーティングレンズ４１Ｗで−１次（凹レン
ズ作用）で回折し、マスクを再び透過する際０次の回折
作用を受ける。

【００６７】又、間隔測定用光束はウエハ上の正反射面
を０次で反射した後、マスク上のグレーティングレンズ
４２で再び回折され、−１次回折光となる。

【００６８】次に本実施例において受光面上に不要光が
入射したときの検出精度の低下を調整手段を用いて軽減
する方法について検出器３８を例にとり説明する。

【００６９】検出器３８は例えば画素サイズが１３×１
３μｍ、画素数２０４８の光電変換による電荷結合型の
１次元センサ（ＣＣＤリニアセンサ）である。ここで光
電変換され蓄積された電荷は各画素からＣＣＤシフトレ
ジスタに転送され、電荷検出部を通し、ソースフォロア
からなる出力増幅器にして出力されたのち、波形メモリ
に検出器３８の各画素に対応した光強度が電気信号とし
て記憶され、Ａ／Ｄ変換された後、更にマイクロコンピ
ュータにデータ転送される。マイクロコンピュータ上で
は転送された２５６諧調の検出器３８の各画素ごとの光
強度に対応するデータを演算処理している。

【００７０】次に本発明において検出器３８から得られ
る信号の演算処理（信号処理方法）の特徴について説明
する。図１０，図１１は検出器３８から得られる信号を
横軸に画素の並び方向をとって示した説明図である。

【００７１】本発明において例えば図１０（Ａ）に示す
様に検出器３８から得られる信号の光量ピーク付近が画
素の並び方向に滑らかな曲線になっていれば、信号処理
領域をピーク位置Ｂ₂ より左右対称にとって、点Ｂ₁ か
ら点Ｂ₂ に至る領域とすればノイズＮ₁ ，Ｎ₂ の影響を
左右均等に分散させることができる。即ちノイズＮ₁，
Ｎ₂ の影響を除去して光量重心位置を求めることができ
る。

【００７２】しかしながら図１０（Ｂ）に示す様に信号
の光量ピーク付近の位置Ｂ₂ ´にノイズＮ₃ が存在し、
ノイズＮ₃ の光強度ＩＮ₃ が光量ピークＩ₀ より大きい
ときには信号処理領域は点Ｂ₂ ´より左右対称の領域、
即ち点Ｂ₁ ´から点Ｂ₃ ´に至る範囲となってくる。こ
の結果ノイズＮ₁ ，Ｎ₂ を左右不均等に拾ってしまう
為、光量重心位置を検出する際、検出誤差となってく
る。

【００７３】そこで本発明では図１１に示すフローチャ
ートに従って演算処理し、これによりノイズの影響を除
去し、高精度な検出を行っている。即ち一度重み付けを
して得られた光量重心位置を信号処理領域の中心画素と
して再度信号処理領域を設定し直し、更に光量重心位置
の検出を行うことにより図１０（Ｂ）で示すノイズＮ₃
の影響を削減し、光量重心位置を高精度に検出してい
る。

【００７４】次に図１１のフローチャートに沿って本発
明の演算処理の特徴について説明する。図１１のフロー
チャートでは、まずマイクロコンピュータに送られたデ
ータの光強度ピーク値に対応する点の画素の位置Ｓ₀ を
求める。位置Ｓ₀ を中心として幅ｎ画素の領域のデータ
に重み係数１を乗算し、他は重み係数０を乗算する。ス
テップ２を行なった後、得られるデータで光束重心位置
を求め、これに対応する画素の位置Ｓ₀ を求める。その
アルゴリズムとしてはセンサ上の基準画素を中心として
＋ｍ番目の画素に符号付きでｍの重みをデータに乗算
し、各画素ごとのモーメントを求め総和をとった後、領
域内の全光量に対応する全画素データの和で除算する。
除算して得られる実数値データに位置ずれ検知方向の画
素サイズを乗算した値が求める光束重心位置Ｓ₁ とな
る。

【００７５】ステップ６ではステップ５で求めた光量重
心位置Ｓ₁ を四捨五入し、画素Ｓ´₁ を求める。ステッ
プ７では位置Ｓ´₁ を中心として幅ｎ個分の画素データ
に重み係数１を他には０を乗算する。こうして得られた
信号処理領域を図１０と同様にして図１２（Ａ）に示
す。図１０（Ｂ）の信号処理領域に比べて本来の信号処
理領域（図１２（Ｂ））に近づいて設定されている。

【００７６】図１３は本発明により演算処理を行うこと
により検出精度が向上する様子を模式的に示した説明図
である。本発明における位置ズレ検出方式はマスクとウ
エハの相対的な位置ズレに対してセンサ上の光量重心位
置が実線で示したようにリニアに動く方式となってい
る。しかしながら光量ピークを中心に信号処理領域を設
定する信号処理方式のみだと破線で示したような誤差Δ
Ｙ₁ を抱えてしまう。そこで本発明では信号処理領域を
再設定する方式により誤差がΔＹ₂ となるように小さく
している。

【００７７】一般には本発明においてはノイズに対して
信号光量ははるかに多いため、再設定された信号処理領
域は限りなく好ましい信号処理領域を示す図１２（Ｂ）
に近い状態となり、検出誤差ΔＹ₂ も無視できる程度に
小さくなる。

【００７８】図１４，図１５は本発明に係る信号処理方
法の他の実施例のフローチャートである。本実施例では
検出器（センサ）の１画素に対して入射する光束の径が
十分大きく、あるいはＳ／Ｎが悪くて光量重心位置の一
回の検出処理により最適な光量重心位置を求めることが
できない時は図１４，図１５に示すようなフローチャー
トに従って中心画素を検出する操作を何回か繰り返して
行っている。

【００７９】但し、光束の径に対し画素が比較的粗かっ
たり、Ｓ／Ｎが良い場合にはｎ＝２で十分な場合が多
い。今までの実施例では光束の中心画素を検出する処理
方法として光量重心位置を検出する方法を例にとって説
明してきたが、各画素の出力を一旦ｎ乗してそれからモ
ーメントを取って行っても良い（ｎ乗重心）。

【００８０】又、重み付けの係数も必ずしも１と０で与
える必要はなく、一般的な関数、例えば光量分布がガウ
ス分布関数で与えられることが予め分かっている時は重
み付けの関数をｆ（ｘ）＝ｓｉｎ^2x（ｘは画素に対応す
る）で与えても良い。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば以上のように検出面（セ
ンサ面）上に導光した光束の一旦求めた光量重心位置を
信号処理中心として再度、信号処理領域を設定して光量
重心位置を求めることにより、検出器から得られる信号
にノイズやリップル等が存在していても高精度に光量重
心位置を求めることができ、これにより第１物体と第２
物体との２次元的又は３次元的な相対的な位置検出を高
精度に行う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】

【図１】 本発明を半導体素子製造用の露光装置に適
用したときの実施例１の要部概略図

【図２】 本発明において第１物体と第２物体の相対
的な位置検出を行う原理説明図

【図３】 本発明において第１物体と第２物体の相対
的な面間隔検出を行う説明図

【図４】 本発明において第１物体と第２物体の相対
的な面間隔検出を行う説明図

【図５】 図１の一部分の拡大断面図

【図６】 図１の一部分の要部断面図

【図７】 図１の一部分の説明図

【図８】 本発明を半導体素子製造用の露光装置に適
用したときの要部外観図

【図９】 本発明を半導体素子製造用の露光装置に適
用したときの要部外観図

【図１０】 本発明における信号処理方法の説明図

【図１１】 本発明における信号処理方法のフローチャ
ート図

【図１２】 本発明における信号処理方法の説明図

【図１３】 本発明における信号処理の検出精度の説明
図

【図１４】 本発明における信号処理方法の他の実施例
のフローチャート図

【図１５】 本発明における信号処理方法の他の実施例
のフローチャート図

【符号の説明】

１ 第１物体 ２ 第２物体 ２４ アライメントヘッド ３８，３９ 受光素子 ４１Ｍ，４１Ｍ１，４１Ｍ２ 第１アライメントマ
ーク ４１Ｗ，４１Ｗ１，４１Ｗ２ 第２アライメントマ
ーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体と第２物体との相対位置関係を
   検出する位置検出装置において、光源手段からの光束を
   該第１物体と第２物体を介して少なくとも１つの受光面
   を有し、該受光面上への光束の入射位置における光強度
   に応じた信号を出力する光検出手段で検出し、該光検出
   手段からの受光面上の各領域に対応する信号を、該光検
   出手段で得られる光強度情報に基いて領域によって異な
   る重み係数を用いて調整した後、該調整後の出力に基づ
   いて、再度調整すべき該受光面上の領域を設定し直して
   同様の調整を行うことにより、該第１物体と第２物体と
   の相対位置関係を検出するようにしたことを特徴とする
   位置検出装置。