JPH021503A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野ン 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
」と総称する。）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ェハ等の第２物体面上に露光
転写する際にマスクとウェハとの相対的な位置決め（ア
ライメント）を行う場合に好適な位置検出装置に関する
ものである。

（従来の技術） 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスクと
ウェハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重要
な一要素となっている。特に最近の露光装置における位
置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、例
えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するものが
要求されている。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウニ八面
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４
０３７９６９号や特開昭５６−１５７０３３号公報で提
案されているようにアライメントパターンとしてゾーン
プレートを用い該ゾーンプレートに光束を照射し、この
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。

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。

第１０図はゾーンプレートを利用した従来の位置合わせ
装置の概略図である。

同図において光源７２から射出した平行光束はハーフミ
ラ−７４を通過後、集光レンズ７６で集光点７８に集光
された後、マスク６８面上のマスクアライメントパター
ン６８ａ及び支持台６２に載置したウニ八６０面上のウ
ェハアライメントパターン６０ａを照射する。これらの
アライメントパターン６８ａ、６０ａは反射型のゾーン
プレートより構成され、各々集光点７８を含む光軸と直
交する平面上に集光点を形成する。このときの平面上の
集光点位置のずれ量を集光レンズ７６とレンズ８０によ
り検出部８２上に導光して検出している。

そして検出器８２からの出力信号に基づいて制御回路８
４により駆動回路６４を駆動させてマスク６８をウェハ
６０の相対的な位置決めを行っている。

第１１図は第１０図に示したマスクアライメントパター
ン６８ａとウェハアライメントパターン６０ａからの光
束の結像関係を示した説明図である。

同図において集光点７８から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン６８ａよりその一部の光束が回折し、
集光点７８近傍にマスク位置を示す集光点７８ａを形成
する。又、その他の一部の光束はマスク６８を０次透過
光として透過し、波面を変えずにウニへ６０面上のウェ
ハアライメントパターン６０ａに入射する。このとき光
束はウェハアライメントパターン６０ａにより回折され
た後、再びマスク６８を０次透過光として透過し、集光
点７８近傍に集光しウェハ位置をあらゎす集光点７８ｂ
を形成する。同図においてはウェハ６０により回折され
た光束が集光点を形成する際には、マスク６８は単なる
素通し状態としての作用をする。

このようにして形成されたウェハアライメントパターン
６０ａによる集光点７８ｂの位置は、ウニハロ０のマス
ク６８に対するずれｆｊｔΔσに応じて集光点７８を含
む光軸と直交する平面に沿って該ずれ量Δσに対応した
量のずれ量Δ０′として形成される。

このような方法においては、マスク面や半導体露光装置
内のマスクホルダー面等の基準面、そして露光装置の接
地部等に対してウニへ面が傾斜しているとセンサ上に入
射する光束の重心位置が変化し、アライメント誤差とな
ってくる。

一般にセンサ上に絶対座標系を設け、その基準原点を設
定することは他のアライメント誤差要因、例えばウニへ
面のそりゃたわみ等を有する傾斜、レジストの塗布ムラ
による光束の重心位置の変動、アライメント光源の発振
波長、発振出力、光束出射角の変動、センサ特性の変動
、そしてアライメントヘット位置の繰り返しによる変動
等により、その原点の設定を高精度に行うのが大変難し
くなるという問題点があった。

（発明か解決しようとする問題点） 本発明はマスク等の第１物体とウェハ等の第２物体の位
置合わせを行う際の基準点を高精度に、しかも容易に設
定することができ、高精度な位置合わせな可能とした位
置合わせ装置の提供を特徴とする 特に本発明では、基準光束（参照光束）のウェハ而の傾
斜に対するセンサ上での重心移動の作用がアライメント
光束（信号光束）と全く等しくなるようにし、又、アラ
イメントヘットの位置の変動に対しても基準光束がアラ
イメント光束と全く等しい重心移動の作用を受けるよう
に設定し、これにより基準光束とアライメント光束のセ
ンサ上での相対的な位置の変動が原理的にマスクとウェ
ハとの位置ずれのみに依存するようにし、高精度な位置
合わせを可能とした位置合わせ装置の提供を目的として
いる。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、対向する第１物体と第２物体
に光束を照射する光源手段と、前記第１物体と第２物体
から出射する、首記第１、第２物体間の対向方向と直交
する方向に関する位置ずれ情報と少なくとも一方の物体
の傾き情報を含む第１光束の入射位置を検出する第１検
出手段と、首記第１物体と第２物体から出射する、前記
一方の物体の傾き情報を含む第２光束の入射位置を検出
する第２検出手段と、１）「記第１及び第２検出手段の
検出結果によって、首記一方の物体の傾きの影響を実質
的に受けずに首記第１物体と第２物体との対向方向と直
交する方向に関する位置ずれを検出する位置ずれ検出手
段とを有することを特徴としている。

具体的には、物理光学素子としての機能を有する第１ア
ライメントマークと第１参照マークを形成した第１物体
と物理光学素子としての機能を有する第２アライメント
マークと第２参ｉ１ｑマークを形成した第２物体との相
対位置を検出する際に、該第１アライメントマークに光
束を入射させたときに生ずる回折光を該第２アライメン
トマークに入射させ、該第２アライメントマークからの
回折光の位置を第１検出手段で検出し、該第１検出手段
からの信号と該第１参照マークに光束を入射させ、該第
１参照マークから射出した光束を該第２参照マークに入
射させ、該第２参照マークから射出した光束の位置を第
２検出手段で検出し、該第２検出手段から得られる信号
を基準信号とし、双方の信号を利用して、該第１物体と
第２物体との相対位置検出を行うことである。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。図中
、１は第１物体で、例えばマスクである。２は第２物体
で、例えばマスク１と位置合わせされるウェハである。

５．３は各々第１．第２アライメントマークであり、各
々マスク１面上とウェハ２面上に設けられている。６，
４は第１゜第２参照マークであり、各々マスク１面」二
とウェハ２面上の第１．第２アライメントマーク５．３
に隣接して設けられている。第１．第２アライメントマ
ーク３．５と第１参照マーク６は、例えばフレネルゾー
ンプレート等のグレーティンクレンズより成り、第２参
照マーク４は等ピッチの直線グレーティングであり、マ
スク１面上とウェハ２而上のスクライブライン９．１０
上に設けられている。７は第１光束としてのアライメン
ト光束、８は第２光束としての参照光束であり、これら
の光束７．８はアライメントヘッド内の光源７ａから出
射する。該出射光束は不図示のコリメーターレンズで所
定のビーム径にコリメートされ光源７ａと共に投光手段
（光源手段）を形成している。

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザー
　Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａ、レーザー等のコヒーレント
光束を放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒーレ
ント光束を放射する光源等である。１１．１２は各々第
１検出手段と第２検出手段としてのセンサ（受光器）で
あり、アライメント光束７と参照光束８を受光する例え
ば１次元ＣＣＤ等より成っている。１次元ＣＣＤの素子
配列方向は位置検出方向（Ｘ方向）に一致している。

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

ここで光束の重心とは光束断面内において、断面円各点
のその点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算し
たものを受光面全面で積分したときに積分値が０ベクト
ルになる点のことである。

別の実施例として、光強度がピークとなる点の位置を検
出してもよい。

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

アライメントマーク３．５と参照マーク６は各々異った
値の焦点距離を存するフレネルゾーンプレート（又はグ
レーティングレンズ）より成っている。又、参照マーク
４は光束を単に偏向させるレンズ作用を有しない直線グ
レーティングである。これらのマークの寸法は各々スク
ライブライン方向に１４０μｍ、スクライブライン幅方
向（Ｘ方向）に５０μｍである。

本実施例においてはアライメント光束７と参照光束８は
、いずれもマスク１に対して入射角１０°で、マスク１
面への射影成分がスクライブライン方向（Ｘ方向）に直
交するように入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント光
束７と参照光束８は各々グレーティングレンズ５．６の
レンズ作用を受けて収束（又は発散）光となり、マスク
１からその主光線がマスク１の法線に対して所定角度に
なるように射出している。

そして第１アライメントマーク５と第１参照マーク６を
透過回折したアライメント光束７と参照光束８を各々ウ
ェハ面２の鉛直下方２３８．０μｍと２０．１０７ｍ　
ｍの点に集光させている。このときのアライメントマー
ク５と参照マーク６の焦点距離は各々２３８μｍ、２０
．１０７μｍである。又、マスク１とウェハ２との間隔
は３０μｍにしている。

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

本実施例ではマスク１とウェハ２の位置ずれが０のとき
、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウェハ２上
のアライメントマーク３とがＸ方向に共軸系をなしたと
き、アライメント光束の主光線のウェハ２からの出射角
が面法線に対し５度、又、位置ずれ０のときの出射光の
ウェハ２面上への射影成分がスクライブライン幅方向（
ｙ方向）と直交し所定位置、例えばウェハ２面から２Ｏ
ｎ＋ｍの高さに位置しているセンサ１１面上に集光する
ように設定している。

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

このとき参照マーク６．４を経た参照光束８はマスク１
に対してウェハ２との間に相対位置の変動かあってもセ
ンサ１２而への１■心位置は常に一定となっている。

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

グレーティングレンズ５．３はマスク１とウェハ２が位
置ずれを起こすとそれぞれの光軸が相対的にずれる、所
謂レンズの軸ずれと同様の状態となる。この場合グレー
ティングレンズ５からの出射光の主光線は位置ずれを起
こす前と後でグレーティングレンズ３上の入射位置が異
なるので出射角も変動し、よフてアライメント光束の集
光位置か変動する。この集光位置変動量は位置ずれ量に
比例する。

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

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

次に本発明の位（δずれ訃検知方法の原理を第１２図〜
第１４図を用いて更に詳細に説明する。

第１２図は本発明に係るマスク１、ウェハ２及びセンサ
１１の光学配置を示す説明図である。同図は第１光束と
しての信号光束の光路を示している。

今、マスク１とウェハ２とが平行方向にΔσずれており
、ウェハ２からウェハ２のグレーティングレンズ３で反
射した信号光束の集光点までの距離をｂ、マスク１のグ
レーティングレンズ５を通過した信号光束の集光点まで
の距離をａとすると検出面１１上での集光点の重心ずれ
量ΔδはΔδ＝Δσｘ（−＋１）　　　・・・・・・・
・・（ａ）となる。即ち重心ずれ量Δδは（ｂ　／　ａ
　＋　１　）倍に拡大される。

例えば、ａ　＝　０　、　５　ｍｍ、　ｂ　＝　５　Ｏ
ｎ＋ｎ＋とすれば重心ずれ量Δδは（ａ）式より１０１
倍に拡大される。

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは（ａ
）式より明らかのように比例関係となる。検出器１１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。

次に本発明に係る第２光束としての参照光束を用いた位
置ずれ量検知の基本手順について説明する。

本発明において参照光束を発生する手段として第１３図
に示すようにマスク１面上にクレーティングレンズ６を
設定し、ウェハ２面上にレンズ作用のない物理光学素子
４（例えば直線格子、反射面など）を設定する。

グレーティングレンズ６に入射する所定の波面形状を有
する光束（例えば平面波、球面波など）はグレーティン
グレンズ６を出射後、所定面上で結像（集光）する収束
光となってウェハ２上の物理光学素子で反射してセンサ
１２に到達する。

この光束のセンサ１２上での入射位置（Ｒｓとする）を
基準点とし、アライメント信号光のセンサ１１上での入
射位置（Ｓ、ｌとする）を測定することによってマスク
１、ウェハ２の位置ずれ星を求める。

本発明においては、例えば第１２図の光学配置で決まる
位置ずれ検出感度なＡとすると位置ずれ雀ｄは ｄ＝　（Ｓｇ　−Ｒ，Ｉ　）／Ａ と求まり、位置ずれ量ｄが０となるように位置合わせを
行なう物体のいずれか一方を動かせばよい。

ただし、位置ずれ［１ｄの値は必ずしも０に収束するよ
うに光学系及び信号処理系を設定し、制御しなくてもよ
く例えば位置ずれ量ｄが０のとき位置ずれｈｌｄが所定
の目標値ε（有限値）に収束するようにしてもよい。以
上の手順を第１４図に示す。この目標値は例えばマスク
パターンの露光転写の後、重ね合わせ精度を評価して決
定しもよい。

次に本実施例における第１．第２アライメントマーク５
，３と第１参照マーク６（グレーティングレンズ）の製
造方法の一実施例を述べる。

まず、マスク用のマーク５．６は所定のビーム径の平行
光束が所定の角度で入射し、所定の位置に集光するよう
に設計される。一般にグレーティングレンズのパターン
は光源（物点）と像点にそれぞれ可干渉性の光源を置い
たときのレンズ面における干渉縞パターンとなる。今、
第１図のようにマスク１面上の座標系を定める。ここに
原点はスクライブライン幅の中央にあり、スクライプラ
イン方向にＸ軸、幅方向にｙ軸、マスク面１の法線方向
にＺ軸をとる。マスク面１の法線に対しαの角度をなし
、その射影成分がスクライプライン方向と直交する平行
光束がマスク上のマークに入射し、更に透過回折後、集
光点（ＸＩ　、’／ｒｚ＋）の位置で結像するようなグ
レーティングレンズの曲線群の方程式は、グレーティン
グの輪郭位置なｘ、ｙで表わし ｙｓｉｎ　　ａ　　　　Ｐ、（ｘ、ｙ）−Ｐ２　＝ｍλ
／　２　・（］）Ｐ　＋　（Ｘ　＊’／）　”　　（Ｘ
−Ｘ　（）　２”　　（ｙ−Ｖ　１　）　２＋　　Ｚｌ
’Ｐ２　　＝５ワーフ７丁７７丁 で与えられる。ここにλはアライメント光の波長、ｍは
整数である。

主光線を角度αで入射し、マスク面１上の原点を通り、
集光点（ｘＩ　＋　’Ｊ　Ｉ　＋　ＺＩ　）に達する光
線とすると（＋）式の右辺はｍの値によって主光線に対
して波長のｍ／２倍光路長が長い（短い）ことを示し、
左辺は主光線の光路に対しマスク上の点（ｘ、ｙ、Ｏ）
を通り点（ＸＩ　＋　ｙｌ　＋　Ｚｌ　）に到達する光
線の光路の長さの差を表わす。第２図（Ａ）にマスク１
上の第１アライメントマーク、同図（Ｂ）に第１参照マ
ークを示す。

一方、ウェハ２上のグレーティングレンズ３は所定の点
光源から出た球面波を所定の位置（センサ面上）に集光
させるように設計される。点光源はマスク１とウェハ２
の露光時のギャップをｇと右くと（ＸＩ　、Ｙｒ　、Ｚ
ｒ　　ｇ）で表わされる。

マスク１とウェハ２の位置合わせはＸ軸あるいはｙ　ｌ
＋ｂ方向に行なわれるとし、アライメント完了時にセン
サ面上の点（Ｘｚ、ｙｌ、Ｚ２）の位置にアライメント
光が集光するものとすれば、ウェハ上のグレーティング
レンズの曲線群の方程式は先に定めた座標系で 十　ｍ　λ／　２　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　・・・・軸・・・　（２）と表わされる
。

（２）式はウェハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマスク
面上原点及びウニへ面上の点（０，０゜−ｇ）、更にセ
ンサ面上の点（ｘｚ＋　ｙｚＺ２）を通る光線であると
して、ウェハ面上のグレーティング（ｘ、ｙ、−ｇ）を
通る光線と主光線との光路長の差が半波長の整数倍とな
る条件を満たす方程式である。

更に本発明に適用可能なグレーティングレンズとして、
例えばマスク而１の法線に対しαの角度で入射し、その
射影成分がスクライブライン方向と直交する平行光束が
マスク用のアライメントマークを（ｘ、ｙ、０）点で透
過回折後、集光点（ｘ＋　、ｙ、Ｚ＋　）の位置で線状
に結像するようなりレーテインクレンズを用いてもよい
。設計方程式は、グレーティング上の位置をｘ、ｙで表
わすと ｙｓｉｎ　　ａ　　　　Ｐ、（ｘ）−Ｐ２　＝ｍλ／２
　　　…（３）ＰＩ（Ｘ）　　＝バ「Ｊ璽下コ】 Ｐ、　　　＝　　ｘ、２　　＋　　ｚアで与えられる。

ここに人はアライメント光の波長、ｍは整数である。

主光線を角度αで入射し、マスク面１上の原点を通り、
集光点（Ｘ＋　、ｙ、Ｚ＋　）に達する光線とすると（
３）式の右辺はｍの値によって主光線に対して波長のｍ
　７２倍光路長が長い（短い）ことを示し、左辺は主光
線の光路に対し、マスク１上の点（ｘ、ｙ、０）を通り
点（ｘ＋　、ｙ、Ｚ、）に到達する光線の光路の長さの
差を表わす。

（３）式ではマスク１上での点ｙを通フた光は結像点で
はｙ方向に変換されない。

一方、（３）式に対応してウェハ２上のグレーティング
レンズは所定の線光源２から出た円筒波を所定の位置（
センサ面上）に集光させるように設計してもよい。線光
源はマスク１とウェハ２の露光時のギャップなｇとおく
と（ｘ＋　、ｙ。

Ｚ＋−ｇ）で表わされる。マスク１とウェハ２の位置合
わせはｘＩＰＩ１１方向に行なわれるとし、アライメン
ト完了時にセンサ面上の点（Ｘ２　、ｙ。

Ｚ２）の位置にアライメント光が集光するものとすれば
、ウェハ２上のグレーティングレンズの曲線群の方程式
は先に定めた座標系で π乙）２　＋　　ｚ、２ 一月７７羽コＴπτＦ。ｙ　ｓｉｎβ ＝　Ｊｘ・′・　２・′　−５７７１７ズ十ｍλ／２　
　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・（４
）と表わされる。

（４）式はウェハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマスク
面上原点及びウェハ面上の点（０，０゜−ｇ）、更に検
出面上の点（Ｘ２　、　ｙ＋ｙＺ２）を通る光線（ｙ′
は定数）であるとして、ウェハ２面上のグレーティング
（ｘ、ｙ、−ｇ）を通る光線と主光線との光路長の差が
半波長の整数倍となる条件を満たす方程式である。

ここにβは光束のｙ方向偏向角（ウニへ面法線に対する
角度）を表わし、 で与えられる。

第３図（Ａ）にウェハ２上の第２アライメントマーク、
同図（Ｂ）に第２参照マークを示す。

一般にマスク用のゾーンプレート（グレーティングレン
ズ）は、光線の透過する領域（透明部）と光線の透過し
ない領域（遮光部）の２つの領域が交互に形成される０
、１の振幅型グレーティング素子として作成されている
。又、ウェハ用のゾーンプレートは、例えば矩形断面の
位相格子パターンとして作成される。　（＋）　、　（
２）式に３いて主光線に対して半波長の整数倍の位置で
、グレーティングの輪郭を規定したことは、マスク１上
のグレーティングレンズでは透明部と遮光部の線幅の比
が１：１であること、ウェハ２上のグレーティングレン
ズでは矩形格子のラインとスペースの比が１：１である
ことを意味している。

マスク１上のグレーティングレンズはポリイミド製の有
機薄膜・上に予めＥＢ露光で形成したレチクルのグレー
ティングレンズパターンを転写して形成した。

又、ウェハ２の上マークはマスク上にウェハの露光パタ
ーンを形成したのち露光転写して形成した。

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

本実施例においては参照光とアラインメント用の信号光
はウェハ面の法線に対して各々８０５°の角度で出射す
る。又、スクライブライン方向に対しては参照光８と位
置ずれ０のときの信号光７はウェハ面射影成分が直交す
る角度で出射する。センサ１１，１２の空間的配置は、
予めアライメント完了時に光束がセンサのほぼ中央の位
置に入射するようにセツティングされている。

センサ１１，１２の中心間隔は２ｍｍであり、約０．１
μｍ精度でＳｉの同一基板上に設定されている。又、セ
ンサ１１，１２の配置されたＳｉ基板は、その法線が位
置ずれがＯのときアライメント光出射角と参照先出射角
の２等分線と略平行に配置されている。

センサ１１，１２のサイズは信号光用のセンサ１１が幅
１０１１１１、長さ６ｍｍ、又参照光用のセンサ１２が
幅１ｍｍ、長さ１ｍｍである。又、各画素のサイズは２
５μｍＸ５００μｍである。

各々のセンサは入射光束の重心位置を測定し、センサの
出力は受光領域の全光量で規格化されるように信号処理
される。これによりアライメント光源の出力が多少変動
しても、センサ系から出力される測定値は正確に重心位
置を示すように設定している。尚、センサの重心位置の
分解能はアライメント光のパワーにもよるが、例えば５
０ｍＷ、波長０，８３μｍの半導体レーザーを用いて測
定した結果、０．２μｍであった。

本実施例に係るマスク用のグレーティングレンズとウェ
ハ用のグレーティングレンズの設計例では、マスクとウ
ェハの位置ずれを１００倍に拡大して信号光束がセンサ
面上で重心位置を移動する。従フて、マスクとウェハ間
に０．０１μｍの位置ずれがあったとすると、センサ面
上では１μｍの実効的な重心移動が起こり、センサ系は
これを０．２μｍの分解能で測定することができる。

本実施例において、ウェハ面２がｘｚ面内で１　ｍｒａ
ｄ傾斜したとすると、センサ１１．）１では信号光束は
約４０μｍ重心移動を起こす。一方、参照光束８も信号
光束７と軸対称、即ちｘｙ平面への射影成分が信号光、
参照先の双方の光束のウェハへの入射点２点を結ぶ線分
の中間点を通るｙ軸に平行な直線に関し線対称で、且つ
光路長の等しい光路を通るのでセンサ１２上では、信号
光と全く等しい重心移動を起す。これによりセンサ系で
は各々センサからの実効的重心位置の信号の差を出力す
るようにＣＰｏｌｌａで信号処理をすると、ウェハ面が
ＸＺ面内で傾斜してもセンサ系からの出力信号は変わら
ない。

一方、ウェハがｙｚ面内で傾斜すると、信号光束、参照
光束ともにセンサ（１次元のＣＣＤ）の素子配列方向と
直交する幅方向に重心移動を起こすが、これはセンサ上
で検出する、位置ずれに伴う光束の重心移動の方向と直
交する方向なので、参照光がなくても実効的なアライメ
ント誤差にはならない。

更に、アライメント用光源、及び投光用レンズ系及びセ
ンサなどを内蔵するアライメントヘッドが、マスク−ウ
ェハ系に対して位置の変動を起こした場合、例えばヘッ
ドをマスクに対して５μｍＸ方向に移動したとする。こ
のとき信号光はセンサ１１上で５．０μｍの実効的重心
移動を起こし、これに対して参照光もセンサ１２上で全
く等しく５．０μｍの重心移動を起こす。

同様にマスク面とヘッドとの間に２方向に１０μｍの変
動が起こると、信号光用のセンサ１１及び参照光用のセ
ンサ１２で共に３μｍ光束の重心移動を起こす。

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち、信号光の
重心位置出力と参照先の重心位置の出力との差信号は何
ら変動しない。

又、ｙ軸方向の位置の変動は参照光束がなくても本質的
なアライメント誤差にはならないことがわかる。

尚、アライメントマーク３．５と参照マーク６は本実施
例のように各々異なった値の焦点距離を有するように設
定する必要はなく、例えばアライメントマーク３．５の
焦点距離は同じでもよい。

第４図は本発明の第２実ｔｊＫ例の概略図である。

本実施例では第１図の第１実施例と同様に参照光束の設
定手段として、所定のグレーティングレンズより成る第
１参照マーク６と無地の反射面の第２参照マーク１４を
用いている。

マスク１面上の互いに隣接するグレーティングレンズよ
り成る第１アライメントマーク５と第１参照マーク６は
第１実施例と同様にマスク１面の法線に対して所定の角
度で入射した光束７．８をマスク１面の鉛直下方に各々
２３８．０　μｍ、２０．２ｍｍの位置に集光するよう
に設定されている。

方、ウェハ２面上の第２アライメントマーク１３はマス
ク１面の法線に対して軸対称のグレーティングレンズよ
り成り、アライメント光用として焦点距離２３９．４μ
ｍのフレネルゾーンプレートより成っている。又、これ
に隣接して第２参照マーク１４として無地の反射面を設
けている。

第１．第２アライメントマーク５．１３、第１．第２参
照マーク６．１４は各々第１実施例と同しくスクライブ
ライン９，１０方向に１４０μｍ、スクライブラインの
幅方向（ｙ方向）に５０μｍである。

木実１７６例においては、マスク１面の第１アライメン
トマーク５を透過回折した球面波はウェハ２面上の第２
アライメントマーク１３で反射回折した後、マスク１面
上な０次回折光として透過し、アライメント光（信号光
）としてセンサ１１で検出される。

従って、マスクとウェハのアライメントが完了した時に
は、信号光の主光線はウェハ面上から鉛直上方に反射し
、マスク面を０次で透過してマスク面鉛直上方のセンサ
１１に到達する。又、ウェハ上の参照充用のマーク１４
は無地であるので、マスク面の参照光用のグレーティン
グレンズ６を透過、回折した球面波はウェハ上では第１
実施例と同様にクレーティングレンズのレンズ作用を受
けずに、単に反射して、マスク（或はウェハ）面沿直上
方のセンサ１２に到達する。この為、参照光８はマスク
、ウニへ間に位置ずれがあっても、常にセンサ１２上の
同じ重心位置に到達する。信号光及び参照先の基本光路
は平行、かつ光路長が等しいので、ウェハ面の傾斜に対
しては信号光と参照光はセンサ上で全く等しい重心移動
を生じる。同様にアライメントヘッドの位置の変動があ
っても重心移動は信号光と参照光との間で相対的に起こ
らない。

第２実施例においては、ウェハ上の参照光用のマーク１
４を無地としたことにより、第１実施例のグレーティン
グマークに比べてセンサ２２に到達する光１を大幅に向
上させている。第１実施例においては、ウェハ面の反射
率に更にグレーティングの回折効率（５％程度）が掛か
るが、第２実施例ではグレーティングの回折効率の因子
による光量の減衰が起こらない。

本実施例では第１実施例に比べて約２０倍の０．８ｍＷ
の光量をセンサ面上で得ている。

一方、信号光用のウェハ上のグレーティングレンズ１３
は軸対称、即ちマークの形成された領域の中心を通り、
ウニ八法線に平行な釉に関して軸対称な形状であり、信
号光の主光線の向きはウェハ面の反射の作用を受けて、
再びマスク−ウェハ面に対して垂直方向に戻る。第１実
施例のようにウェハ面から斜めに偏向させると共にレン
ズパワーな持たせたグレーティング素子に比べて回折効
率を高くすることができる。

第１実施例においてはウェハ面上のマークの回折効率は
５％であり、第２実施例では１０％で０．２ｍＷに向上
させている。又、信号光のセンサ面に到達するトータル
光量は第１実施例に比べて約４倍である。

本実施例ではウェハ面上の参照充用マークを無地とし、
加えてウェハ面上の信号光用のマークを軸対称クレーテ
ィングレンズとすることにより、センサに到達する光量
を大幅に上げている。

この結果、センサのＳ／Ｎが向上し、重心位置測定の分
解能は０．１μｍに向上している。更にセンサの蓄積時
間も１０　ｍ５ｅｃ以下である。これは第１実施例に比
べて１／４になっている。又、アライメント計測時間も
１／４で露光システムのトータルスループットをより向
上させている。

第５図は本発明の第３実施例の概略図である。

本実施例では第１図の第１実施例と同様に参照光束の設
定手段として、所定のグレーティングレンズより成る第
１参照マーク６とレンズ作用を有しない単に光束を偏向
させる直線グレーティングより成る第２参照マーク４を
用いている。

マスク面上の互いに隣接するグレーティングレンズ５，
６は第１実施例と同じくマスク面法線に対して所定の角
度で入射した光束をマスク面鉛直下方にそれぞれ、２３
８．０　μｍ、２０．２ｍｍの位置で集光するように設
定されている。

本実施例では第１アライメントマーク５と第１参照マー
ク６、そして第２アライメントマーク４と第２参照マー
ク３を各々スクライブライン１０．９の幅方向（ｙ方向
）に互いに隣接させて設けている。

本実施例ではマスク１とウェハ２の位置ずれが０のとき
、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウェハ２上
のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、アラ
イメント光束の主光線のウェハ２からの出射角が面法線
に対して５度、又、このときの出射光のウェハ２面上へ
の射影成分がスクライブライン幅方向（ｙ方向）と所定
角度で斜交し所定位置、例えばウェハ２面から２０ｍｍ
の高さに位置しているセンサ１１面上に集光するように
設定している。

又、第１参照マーク６で透過回折した光はウェハ２面上
の第２参照マーク４で単なる偏向作用を受け、出射角８
度、ウェハ２面への射影成分がスクライプライン幅方向
と所定角度で斜交するように射出し、第２検出手段とし
てのセンサ１２面上に集光している。

このとき参照マーク６．４を経た参照光束はマスク１と
ウェハ２との間に位置ずれの変動があってもセンサ１２
面への入射光束の重心位置は常に定となっている。

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

尚、本実施例では第２参照マークの直線グレーティング
４はスクライブラインに対して斜めに傾斜して設定され
ている。

本実施例では信号光及び参照充用のセンサ１１．１２は
、それぞれの光束のウニへ面からの出射角が面法線に対
し５°、８°の２線が成す角の２等分線に関して対称に
なるように設定した。

又、センサ１１，１２は同一基板上に形成し、センサの
基板と２光束のウェハからの出射角の２等分線とは直交
するように（即ち、マスク（或はウニへ面）に対して６
．５　°の角度をなすように）基板を設置した。この結
果、ウニへ面から出射する信号光と参照光はセンサ基板
に対して軸対称で、かつ光路長が等しいので、ウニへ面
の傾斜に対しては信号光と参照光はセンサ上で全く等し
い重心移動を生じる。同様にアライメントヘットの位置
の変動があっても重心移動は、信号光と参照光との間で
相対的に起こらないようにしている。

信号光用のマークと５．３と参照充用の６．４のサイズ
は、それぞれスクライブライン方向に２８０μｍ、スク
ライブラインの幅方向に４０Ａｔｍである。又、アライ
メントの方向はスクライブライン方向にとっている。

第３実施例においては、マークの配列をスクライブライ
ンの幅方向にとったが、この結果第１゜第２実施例に比
べて次の長所を有している。

第１．第２実施例ではスクライブライン方向に信号充用
マークと参照光用マークを配列している。アライメント
マークの設定領域がスクライプライン上の一定の面積（
例えば２８０μｍ　Ｘ　８０μｍ）に限られている。

例えば２８０μｍｘ８０μｍの領域なスクライブライン
方向に等分割して、１４０ｔｔｍｘ８０μｍの領域で作
成する場合と幅方向に分割して２８０μｍ　Ｘ　４０μ
ｍの領域で作成する場合とでは、グレーティングの本数
がスクライブライン方向に約２倍異なる。一般にゾーン
プレートと結像性能（解像度）は、グレーティングの本
数が多く、最小輪帯幅が小さいものほど良い。

この為、本実施例のようにスクライブラインの幅方向に
配列して、それと直交するスクライブライン方向のレン
ズパワーを使ってアライメントすると、センサ上での光
束の歪が少なく高分解能化、高精度化が容易となる。

第６図は本発明の第４実施例の概略図である。

同図において第１図に示す第１実施例と同一要素には同
符番な付している。

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

アライメントマーク３．５と参照マーク６は各々異った
値の焦点距離を有するフレネルゾーンプレート（又はグ
レーティングレンズ）より成っている。又、参照マーク
４は光束を単に偏向させるレンズ作用を有しない直線グ
レーティングである。これらのマークの寸法は各々スク
ライブライン方向に１４０μｍ、スクライブライン幅方
向（ｙ方向）に５０μｍである。

本実施例においてはアライメント光束７と参照光束８は
、いずれもマスク１に対して入射角１０°で、マスク１
面への射影成分がスクライブライン方向（×方向）に直
交するように入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント光
束７と参照光束８は各々グレーティングレンズ５．６の
レンズ作用を受けて収束（又は発散）光となり、マスク
１からその主光線がマスク１の法線に対して所定角度に
なるように射出している。

そして第１アライメントマーク５と第１参照マーク６を
透過回折した各々アライメント光束７と参照光束８を各
々ウェハ面２の鉛直下方２３８．０μｍと２０．１０７
ｍ　ｍの点に集光させるように出射している。このとき
のアライメントマーク５と参照マーク６の焦点距離は各
々２６８μｍ、２０．１３７ｍ　ｍである。又、マスク
ｌとウェハ２との間隔は３０μｍにしている。

アライメントマーク５で透過回折した光はウェハ２面上
の第２アライメントマーク３で凹（凸）レンズ作用を受
け、第１検出手段としてのセンサ１１面上の一点に集光
している。このときセンサ１１面上へは光束がアライメ
ントマーク５，３の位置ずれ、即ち軸ずれが拡大された
状態となって入射し、この結果、入射光束の重心位置が
変動している。

本実施例ではマスクｌとウェハ２の位置ずれが０のとき
、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウェハ２上
のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、アラ
イメント光束の主光線のウェハ２からの出射角が面法線
に対し５度、又、このときの出射光のウェハ２面上への
射影成分がスゲライブライン幅方向（ｙ方向）と２°を
なし所定位置、例えばウェハ２面から２０ｍｍの高さに
位置しているセンサ１１面上に集光するように設定して
いる。

又、第１参照マーク６で透過回折した光はウェハ２面上
の第２参照マーク４で単なる偏向作用を受け、出射角が
面法線に対し５度、ウェハ２面への射影成分がスクライ
ブライン幅方向と一２°となすように射出し、第２検出
手段としてのセンサ１２面上に集光している。

このとき参照マーク６．４を経た参照光束はマスク１と
ウェハ２との間に位置ずれの変動があってもセンサ１２
面への入射光束の重心位置は常に一定となっている。

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

尚、本実施例では第２参照マークの直線グレーティング
４はスクライブラインに対して斜めに傾斜して設定され
ている。

又、位置ずれ量を検出する１次元センサ１１゜１２は第
１実施例と同様に同一基板上に形成し、信号光と参照先
のウェハからの出棺角の２等分線と基板の面の法線とが
平行になるように設定している。

又、参照充用のマークと信号光用のマークは第１実施例
に示す式（１）、（２）を用いて設定している。

この結果、ウニへ面の傾斜及びアライメントヘットのマ
スク−ウェハ系に対する位置の変動は、参照光を受光す
るセンサからの重心位置の検知信号と信号光を受光する
センサからの重心位置の検知信号とからキャンセルする
ことができ、第１実施例と同等な位置ずれ検出性能を得
ている。

尚、本発明においては、マスク上のアライメントマーク
の真下にウェハ上のアライメントマークが位置した状態
を以で位置ずれ量０と判定するようなアライメントマー
クの配列を行っているが、位置ずれ量の検出方向に対し
て、直交方向にマスク上のアライメントマークとウェハ
上のアライメントマークの配列をずらしても良い。例え
ば第５図の第３実施例のようにマスク上のスクライプラ
イン方向にマスク、ウニへ間の位置ずれ量を検出する場
合は、ウェハ上のアライメントマークをその短手方向に
ｙ方向にずらす。ここにスクライプライン方向はＸ方向
である。このようにウェハ上のアライメントマークの位
置を設けるとアライメントヘッドからマスク面に入射さ
せる光束の入射角を小さくすることができ、グレーティ
ングの間隔をアライメント光の波長（λ＝　０．８３μ
ｍ）以上にすることができ、アライメントマークの製作
が容易になる。

又、センサも第１〜第４の実施例のように１次元的に位
置ずれ量を検出するようなものである必要はなく、２次
元の重心位置検出用のセンサ、例えば２次元ＣＯＤでも
良い。

尚、本発明においては第１物体１と第２物体２との間隔
及び第１．第２アライメントマーク、又は第１．第２参
照マークの開口の大きさに応じて各マークの屈折力を選
択するのが良い。

例えば、第１．第２アライメントマークの開口に比較し
て間隔が大きい場合は６凸系が良い。

又、逆に開口に比較して間隔が小さい場合は第７図に示
す凹凸系、又は第８図に示す凸凹系が良い。

更に第７．第８図に示すように第２アライメントマーク
が第１アライメントマークよりも開口を大きくとれる場
合は第７図に示す凹凸系が良く、逆に第１アライメント
マークが第２アライメントマークよりも開口を大きくと
れる場合は第８図に示す凸凹系が良い。

以上の第７．第８図に示す各実施例においては、透過型
の物理光学素子について示したが反射型の物理光学素子
を用いても同様に本発明の目的を達成することができる
。

第９図は本発明の第５実施例の概略図である。

木実施例は所謂プロキシミテイー法による半導体製造用
の露光装置において、マスクとウェハとのアライメント
を行う位置合わせ装置に関し、特にそのうちのアライメ
ント光のみを示すものである。

第９図において第１図で示した要素と同一要素には同一
符番な付しである。図中、１はマスク、２はウェハであ
り各々相対的な位置合わせな行う第１物体と第２物体に
相当している。５はマスク面上のマスクアライメントパ
ターンで第１物理光学素子に相当し、３はウェハ２面上
のウェハアライメントパターンで反射型の第２物理光学
素子に相当している。

同図において光源９１から出射された光束を投光レンズ
系９２で平行光束とし、ハーフミラ−９３を介してマス
ク用のアライメントパターン５を照射している。マスク
アライメントパターン５は入射光束をウェハの前方の点
Ｑで集光させるゾーンプレートより成っている。点Ｑに
集光した光束はその後発散し、ウェハ用のアライメント
パターン３に入射する。アライメントパターン３は反射
型のゾーンプレートより成っており、入射光束を反射さ
せマスクとハーフミラ−９３とを通過させた後、検出面
１１上に集光している。

これによりアライメント信号を得ている。尚、参照先に
よる参照信号も同様の方法で得ている。

このようにハーフミラ−を用いた光学系でも本発明は適
用可能である。

（発明の効果） 本発明によれば前述の光学的性質を有する第１．第２ア
ライメントマークと第１．第２参照マークを各々第１．
第２物体面上に設け、各々のマークを介した光束を利用
し、例えば第１物体としてのマスクと第２物体としての
ウェハの位置合わせを行う際、次のような効果が得られ
る。

（イ）ウニへ面が傾斜するか、或はレジストの塗布むら
や、露光プロセス中に生じるそりなどのローカルな傾き
等によってアライメント光の重心位置が変動しても参照
信号光とアライメント信号光との相対的な重心位置検知
を行うことにより、ウニへ面の傾斜に左右されずに正確
に位置ずれを検出することができる。

（０）アライメントヘットの位置がマスクに対して相対
的に変動した為に、アライメント信号光のセンサ上の重
心位置が変動しても参照信号光とアライメント信号光と
の相対的な重心位置検知を行うことにより、アライメン
トヘッドの位置ずれに左右されずに正確にマスク−ウェ
ハ間の位置ずれを検出することができる。

（ハ）更にマスクとウェハ間のギャップが変動して、信
号光のアライメントセンサ上のアライメント検知方向の
重心位置が変動しても参照信号光とアライメント信号光
との相対的な重心位置検知を行うことにより、ギャップ
変動に左右されずに正確に位置ずれを検出することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の概略図、第２図
（Ａ）、ＣＢ）　、第３図（八）、（Ｂ）は第１図の部
分の説明図、第４．第５．第６図は本発明の第２．第３
．第４実施例の光学系の概略図、第７．第８図は各々第
１図の一部分の一変形を示す説明図、第９図は本発明を
プロキシミティー法の半導体露光装置に適用したときの
−実り色例の概略図、第１０．第１１図は各々従来のゾ
ーンプレートを用いた位置合わせ装置の説明図、第１２
図〜第１４図は本発明の位置ずれ量の検出方法を示す原
理説明図である。 図中、１は第１物体（マスク）、２は第２物体（ウェハ
）、ｓ、３は各々第１．第２アライメントマーク、６．
４は各々第１．第２参照マーク、７はアライメント光、
８は参照光、９．１０はスクライブライン、１１は第１
検出系（センサ）、１２は第２検出系（センサ）である
。 第

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向する第１物体と第２物体に光束を照射する光
   源手段と、前記第１物体と第２物体から出射する、前記
   第１、第２物体間の対向方向と直交する方向に関する位
   置ずれ情報と少なくとも一方の物体の傾き情報を含む第
   １光束の入射位置を検出する第１検出手段と、前記第１
   物体と第２物体から出射する、前記一方の物体の傾き情
   報を含む第２光束の入射位置を検出する第２検出手段と
   、前記第１及び第２検出手段の検出結果によって、前記
   一方の物体の傾きの影響を実質的に受けずに前記第１物
   体と第２物体との対向方向と直交する方向に関する位置
   ずれを検出する位置ずれ検出手段とを有することを特徴
   とする位置検出装置。
2. （２）対向する第１物体と第２物体に投光手段から光束
   を照射し、該第１物体と第２物体を介して出射してくる
   第１光束と第２光束の２つの光束の所定面上への入射位
   置を受光手段で検出する際、該第１光束が該第１物体と
   第２物体との対向方向と直交する方向の位置ずれ情報及
   び該第１物体と第２物体の少なくとも一方の物体の傾き
   情報を有しており、該第２光束が該一方の物体の傾き情
   報を有するように各要素を設定し、該受光手段からの出
   力信号を利用し、位置ずれ検出手段により該一方の物体
   の傾きの影響を実質的に受けずに前記第１物体と第２物
   体との対向方向と直交する方向に関する位置ずれを検出
   するようにしたことを特徴とする位置検出装置。
3. （３）物理光学素子としての機能を有する第１アライメ
   ントマークと第１参照マークを形成した第１物体と物理
   光学素子としての機能を有する第２アライメントマーク
   と第２参照マークを形成した第２物体との相対位置を検
   出する際に、該第１アライメントマークに光束を入射さ
   せたときに生ずる回折光を該第２アライメントマークに
   入射させ、該第２アライメントマークからの回折光の位
   置を第１検出手段で検出し、該第１検出手段からの信号
   と該第１参照マークに光束を入射させ、該第１参照マー
   クから射出した光束を該第２参照マークに入射させ、該
   第２参照マークから射出した光束の位置を第２検出手段
   で検出し、該第２検出手段から得られる信号を基準信号
   とし、双方の信号を利用して、該第１物体と第２物体と
   の相対位置検出を行うことを特徴とする位置検出装置。