JPH021504A - 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） 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、マスク及びウェハ面
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あけ
る集光点位置を検出すること等により行っている。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、
単なるアライメント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に載置したウェハ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
り検出面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フアラ
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、波面を変えずにウェハ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６日を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れす集光点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、ウェハ６０のマス
ク６８に対するずれ量Δσ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に対応した皿の
ずれ量Δσ′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
地部等に対してウェハ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、例えばウェハ
面のそりや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。

（発明が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ずれ量検出の際の誤差要因を取り除
く手段として、第１信号光としてのアライメント光束に
対して第２信号光としての参照光束を新たに形成し、こ
れを利用することにより、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特徴とする 特に本発明では：第２信号光のウェハ面の傾斜に対する
センサ上での重心移動の作用がアライメント光束（第１
信号光束）と全く等しくなるようにし、又、アライメン
トヘッドの位置の変動に対しても第２信号光がアライメ
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、これにより第２信号光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、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と少なくとも一方の物体の傾
きとによって所定面上への入射位置が変化する。第１光
束の該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物体から出射し、かつ前記第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と前記−方の
物体の傾きとによって所定面上への入射位置が変化し、
更にかつ前記第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による所定面上への入射位置が前記
第１光束と異なる倍率で変化する第２光束の入射位置を
検出する第２検出手段と、１前記第１及び第２検出手段
の検出結果によって、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
と第２物体面上に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１参照マークから生ずる回折光を該第２参照
マークに入射させ、該第２参照マークから生じた回折光
の位置を第２検出手段で検出し、該第２検出手段からの
信号の双方の信号を利用して、該第１物体と第２物体と
の位置検出を行い、かつ該第１検出手段に入射する光束
の入射位置と該第２検出手段に入射する光束の入射位置
が、該第１物体と第２物体の位置ずれに対して互いに異
なる倍率で変位するように各要素を設定したことである
。

（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信号光を得る為の第、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は各々第２信号光を得る為の第、
第２参照マークであり、各々マスク１面上とウェハ２面
上の第、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、第２アライメントマーク３．５と第、
第２参照マーク６．４は、例えばフレネルゾーンプレー
ト等のグレーティングレンズより成り、マスク１面上と
ウェハ２面上のスクライブライン９．１０上に設けられ
ている。７は第１信号光（第１光束）としてのアライメ
ント光束（以下、単に信号光ともいう。）、８は第２信
号光（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。出射光束は不図示のコリメータ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
　Ｈ、、−Ｎ　ａ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。１、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について位置合わせな行っている。

ここで光束の重心とは光束断面内において、断頂内各点
のその点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算し
たものを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。

次に本発明の位置ずれ量検知方法の原理を第１２図〜第
１４図を用いて詳細に説明する。

第１２図は本発明に係るマスク１、ウェハ２そしてセン
サー１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（アライメント光束）
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、懐をｂ、マスターの
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＝０．５ｍｍ、ｂ＝５０ｍｍとすれば１′Ｉ
Ｉ心ずれ遣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０．１　μｍであるとすると位置ずれ量Δ０は
０．０ｆｌ１μｍの位置分解能となる。

このときのａの値を調整することにより第１３図に示す
ように同様のグレーティングレンズ４と６を経由した参
照光束８のマスクとウェハとの位置ずれ量Δσに対する
集光点の重心ずれ量Δδの倍率を、信号光束７と異なら
せることができる。

信号光束７、参照光束８のΔσとΔδとの関係式をそれ
ぞれｍ、ｎを定数とし、 Δδ＝ｍ・Δσ　　　Δδ＝ｎ・Δσ とすると、マスクとウェハとの位置ずれ量Δσに対する
信号光束７と参照光束８の検出面上での位置ずれ検出方
向に沿った集光点位置間隔の変動Ｘは Ｘ＝（ｍ−ｎ）　　奉　Δσ と表わされる。即ち信号光束７と参照光束８の入射位置
間隔が位置ずれと比例関係にあることになる。

参照光束８のセンサ１２面上での位置ずれ検出方向の入
射位置（Ｗ　２とする。）を基準点とし、信号光束７の
センサ１１面上での位置ずれ検出方法の入射位置（Ｗ　
＋　とする。）を測定することによりマスク１とウェハ
２との位置ずれ量を求めている。

本実施例においては、例えば第１２．第１３図に示す光
学配置で決まる位置ずれ検出感度なＡ（＝ｍ−ｎ）とす
ると位置ずれ量Ｘは ｘ＝　（Ｗ２−Ｗ、）／Ａ となる。位置合わせにおいてはＸの値が０となるように
所定の許容範囲ε１と６２との間に入るように位置合わ
せを行なう物体のいずれか一方の物体を動かせば良い。

たたし、Ｘの値は必ずしもＯに収束するように光学系及
びイｇ号処理系を設定し、制御しなくてもよく、例えば
位置ずれＯのときＸ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。

この目標値は設計値より計算で求まるが例えばマスクパ
ターンの露光転写の後、重ね合わせ精度を評価して決定
して、即ち試し焼により求めてもよい。

次に本実施例における第、第２アライメントマーク５．
３と第、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６．４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。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ｌＯ°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１１９．０μｍと２３８．０μｍ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１３４μｍ、２６８μ
ｍである。又、マスク１とウェハ２との間隔は３０μｍ
である。

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、この結果センサ１１面上への入射
光束の重心位置が変動している。

木実＆ｉ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つエバ２からの出射角が面法
線に対して５度、又、位置すれがＯ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２０［
＋１１１１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で結像点の横ずれをアライメント光
と異なる倍率で拡大して、出射角８度、ウェハ２面への
射影成分が位置ずれが０のとき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。

次に本実施例における第、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
ブライン方向にＸ軸、幅方向にｙ軸、マスク面１の法線
方向に２軸をとる。マスク面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マークを透過回折後、集光点く
×１゜ｙｒ　、Ｚ＋　）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
輪郭位置をｘ、ｙで表わし ｙｓｉｎ　ａ　　　ｐ＋（ｘ、ｙ）−Ｐ２　＝ｍλ／　
２−（１）Ｐ　＋（Ｘ、ｙ）＝　　（Ｘ−Ｘ＋）２”　
（ｙ−ｙｒ）２”　Ｚ＋’Ｐ２　　　＝ロフー７７Ｔ７
７Ｆ 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（Ｘ＋　、’Ｊｌ、Ｚｌ）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（
Ｘ＋　、ｙｒ　、Ｚ＋　）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。点光源上の各点はマスク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。（ｙは変数）マスク１
とウェハ２の位置合わせはＸ軸あるいはｙ軸方向に行な
われるとし、アライメント完了時にセンサ面上の点（ｘ
２゜３’２　＊　２２　）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＝５７７πロ、
、２−５】Ｔπ口Ｔ】 十ｍ＾／２　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・
・・・・（２）と表わされる。

（２）式はウニへ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマスク
面上原点及びウニ八面上の点（０，０゜−ｇ）、更にセ
ンサ面上の点（Ｘ２　＋　’１２Ｚ２）を通る光線であ
るとして、ウニへ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。

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。

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
）式にお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」二の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ＣＣＤ等）に入射するアライン
メント光である第１信号光と参照光である第２信号光と
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８゜５°の角度で出射す
る。又、スクライブライン方向に対しては位置すれが０
のときの光束７．８はウェハ面射影成分が直交する角度
で出射する。センサ１、１２の空間的配置は、予めアラ
イメント完了時に光束か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２ＩＩｌＩＩ＋であり、
約０．１μｍ精度でＳｉの同一基板上に設定されている
。又、センサ１１，１２の配置されたＳｉ基板は、その
法線か位置すれが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か幅
１ｍ＋ｎ、長さ６ｍｍ、又参照充用のセンサ１２が幅１
ｍｍ、長さ１ｍ１Ｉ＋である。又、各画素のサイズは２
５μｍ　Ｘ　５００μｍである。

各々のセンサは入射光束の重心位置を測定し、センサの
出力は受光領域の全光量で規格化されるように信号処理
される。これによりアライメント光源の出力が多少変動
しても、センサ系から出力される測定値は正確に重心位
置を示すように設定している。尚、センサの重心位置の
分解能はアライメント光のパワーにもよるが、例えば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
ェハの位置ずれをアライメント光は２００倍、参照光で
は１００倍に拡大して信号光束がセンサ面上で重心位置
を移動する。従って、マスクとウニへ間に０．０１μｍ
の位置ずれがあったとすると、センサ面上ではアライメ
ント光は２μｍ、参照先は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上では信号光束は約２
０μｍ重心移動を起こす。一方、第２信号光としての参
照光束８もアライメント光である信号光束７と軸対称、
即ちｘｙ平面への射影成分が信号、参照両光束のウェハ
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
のてセンサ１２−トでは、信号光と全く等しい重心移動
を起こす。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、参照光か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
ンサなと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
トをマスクに対して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。

本実施例においてマスク、ウェハ間の位置ずれ１Δσは
、センサ上でのアライメント光としての信号光と参照先
の重心位置をぞれぞれＷ。

ｗ２．そのときのウェハ面のマスク面に対する傾斜角を
Δθ、アライメントヘッドの位置の変動量をΔ１ｒ＝（
ΔＸ、Δｙ、Δ２）とおくとｗ、＝ｍ・ｘ＋ｃ＋（Δθ
、Δｌｒ） ｗ２＝ｎ　−ｘ＋ｃ２（Δθ、Δｌｒ）ここに、ｍ、ｎ
は各々アラ、イメント系と参照系の位置ずれ量の拡大倍
率、ｅｔ（Δθ、Δｌｒ）は、Δθ、Δ１ｒによってお
こるセンサ上での光束の重心移動量でアライメント光と
参照光がセンサ面法線に関して軸対称であり、光路長が
等しい場合は ｃ＋（Δθ、Δ１ｒ）＝ｃ２（Δθ、Δｌｒ）となり、
結局センサ上の２つの光の相対的な重心位置から位置ず
れ量が次のように求まる。

Δσ＝　（ｗｌ−ｗ２）／　（ｍ−ｎ）このようにウェ
ハ間の傾斜、アライメントヘットの位置変動等のアライ
メント光束の重心位置測定の際の誤差要因を除去して、
正確に位置ずれ量を検出することができる。

第４図は本発明の第２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
２３８．０μｍ、１１９．０μｍの位置に集光するよう
に設定されている。

一方、ウェハ２面上の第２アライメントマーク１３はマ
ークの形成された領域の中心を通るマスク１面の法線に
対して軸対称な形状のグレーティングレンズより成り、
アライメント充用として焦点距離２３９．４μｍ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として焦点距ｍ　１３０．０μｍ
のマスク１面の法線に対して軸対称のグレーティングレ
ンズを形成している。

本実施例においては、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面上を
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２１で検出される。

従って、マスクとウェハのアライメントか完了した時に
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
２１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。

一方、ウェハ上のグレーティングレンズ１３゜１４は軸
対称であり、信号光、参照先の主光線の向きは反対称の
ウェハ面の反射の作用を受けて、再びマスク−ウェハ間
に対して垂直方向に戻る。

第１実施例のようにウェハ間から斜めに偏向させると共
にレンズパワーを持たせたグレーテインク素子に比べて
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１５％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３倍である。

この結果、センサのＳ／Ｎが向−ヒし、重心位置Ｊす定
の分解能は０，１μｍに向上している。

又、アライメント計測時間も１／３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、１１
９．０　μｍ、２３８．０μｍの位置で集光するように
設定されている。

本実ｈｈ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ｔｏ、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）と直交し所定位置、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で結像点の横ずれをアライメント光
と異なる倍率で拡大して出射角８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面上の一点に集光
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との間に位置ずれがあると、第１の実施例と同
様、１００倍の倍率（信号光は２００倍）で拡大してセ
ンサＩ２而」二で光量重心移動を起こす。

本実施例では信号光及び参照充用のセンサ１、１２は、
それぞれの光束のウェハ面からの面法線に対する出射角
５°、８°の２線の成す角の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（或はウェハ）面法線に対し
て６．５　°の角度をなすように）基板を設置した。こ
の結果、ウェハ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、かつ光路長か等しいので、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トの
位置の変動があっても信心移動は、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。

信号充用のマーク５．３と参照光用の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４０μｍ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か、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、第２実施例ではスクライブライン方向に信号光用マ
ークと参照充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ブライン上の一定の面積（例
えば２８０μｍＸ８０μｍ）に限られている。

この為、一定の範囲の焦点距離の結像性能の良いレンズ
を得るのが難しくなる。例えば２８０、Ｌｍ×８０μｍ
の領域をスクライブライン方向に等分割して、１４０μ
ｍ、ｘａｏ／ｉｍの領域で作成する場合と幅方向に分ス
１１シて２８０ｕｍＸイｏＡｔｍ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、第２アライメントマーク５．
３と第、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６．４は各々所
定の焦点距蔑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。

これらのマークの寸法は各々スクライブライン方向に１
４０μｍ、スクライブライン幅方向（Ｘ方向）に５０μ
ｍ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
ｌ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２３８．０　ＡＬｍ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２６８μｍ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１とウェハ２の位置ずガが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
射影成分がスクライブライン幅方向（Ｘ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で結像点の横ずれをアライメント光
と異なる倍率で拡大して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、−
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。

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
のウェハからの出射角の２等分線と基板の面の法線とが
一致するように設定している。

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

この結果、ウェハ面の傾斜及びアライメントヘットのマ
スターウニへ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
以て位置ずれ量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ブライ
ン方向にマスク、ウェハ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なｙ
方向にずらす。ここにスクライブライン方向は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＝　０．８３μｍ
）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ｊ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ＣＣＤでも
良い。

尚、本発明においては第１物体ｌと第２物体２との間隔
及び第、第２アライメントマーク、又は第、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、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
か第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−トの第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。

本実施例は所謂プロキシミティ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
符番を付しである。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を行う第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、検出部
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。

このときの参照光束も前記実ｈζ例と同様マスクとウェ
ハとの位置ずれに対するセンサ上での重心位置変動がア
ライメント光束と異なる倍率になるようにしている。

（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、第２アラ
イメントマークと第、第２参照マークを各々第、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、次のような効果か得られる。

（イ）ウニへ面か傾斜するか、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、ウェハ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。

（ロ）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）、（Ｂ）　、第３図（Ａ）　、　（Ｂ）は第１図
の一部分の説明図、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
ときの一実施例の概略図、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〜第１４図は本発明の位置ずれ量検知方法を示す原
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
）、５．３は各々第、第２アライメントマーク、６．４
は各々第、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。

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
   置ずれと少なくとも一方の物体の傾きとによって所定面
   上への入射位置が変化する第１光束の該入射位置を検出
   する第１検出手段と、前記第１物体と第２物体から出射
   し、かつ前記第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と前記一方の物体の傾きとによって
   所定面上への入射位置が変化し、更にかつ前記第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に
   よる所定面上への入射位置が前記第１光束と異なる倍率
   で変化する第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によ
   って該所定面上への入射位置が変動し、該第２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
   ずれ及び該一方の物体の傾きによって該所定面上への入
   射位置が変動し、かつ前記第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による該所定面上への
   入射位置が該第１光束と異なる倍率で変化するように各
   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物体と第２
   物体面上に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１参照マークから生ずる回折光を該第２参照マーク
   に入射させ、該第２参照マークから生じた回折光の位置
   を第２検出手段で検出し、該第２検出手段からの信号の
   双方の信号を利用して、該第１物体と第２物体との位置
   検出を行い、かつ該第１検出手段に入射する光束の入射
   位置と該第２検出手段に入射する光束の入射位置が、該
   第１物体と第２物体の位置ずれに対して互いに異なる倍
   率で変位するように各要素を設定したことを特徴とする
   位置検出装置。