JPH021506A - 位置合わせ装置 - 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） 本発明は位置合わせ装置に関し、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合わせ装置に関する
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ｌ）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ｆｆｌ
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５６−１５７０３３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。

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２１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２２図は第２１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れす集光点７８ｂ
を形成する。同図に右いてはウェハ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に対応した量の
ずれ量Δσ′として形成される。

同図に示す位置合わせ装置においては、相対的な位置ず
れ量を求める際にマスクとウニ八面上に設けたゾーンプ
レート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。

この場合、ゾーンプレートからの直接像をそのまま評価
したのでは相対的な位置ずれ量に対する所定面上の動き
が同程度で小さい為、高精度の位置合わせを行うには、
例えば所定面上の動きを拡大する拡大系等を必要とした
。

しかしながら仮りに拡大系を設けても、その組立積度の
影響や位置合わせにおける変動の影響により、所定面上
における光量のすれ量を高精度に検出することが難しい
等の問題があった。

（発明か解決しようとする問題点） 本発明は第１物体と第２物体との相対的な位置すれ晴を
検出する際に第１物体と第２物体との間隔量に応じて第
１物体と第２物体面上に各々所定の光学性質を有した物
理光学素子（回折格子、ゾーンプレート、ホログラム等
、光の波動としての性質を利用した波面変換素子）を設
け、該物理光学素子を利用することにより、所定面上で
双方の位置ずれ量が拡大するように設定すると共に双方
の相対的な位置ずれ量に伴う光量の重心位置を高精度に
、しかも容易に検出することのできる位置合わせ装置の
提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 第１物体と第２物体とを対向させて相対的な位置決めを
行う際、該第１物体面上に第１物理光学素子を形成し、
該第２物体面上に第２物理光学素ｔを形成し、該第１物
理光学素子に光を入射させたときに生ずる回折光を該第
２物理光学素子に入射させ、該第２物理光学素子により
所定面上に生ずる回折光の光量の重心位置を検出手段に
より検出することにより、該第１物体と該第２物体との
相対的な位置決めを行う際、該第１物体と第２物体との
間隔をｄ、該第１．第２物理光学素子に入射する光束の
存効径を各々Ｍ、Ｗ、該第１物体から該第１物理光学素
子による回折光の集光位置までの距離なりｌａとし、Ｆ
１＝ｂｌａ／Ｍとおいたとき、該間隔ｄがｄ≦５Ｆ１・
Ｗのときは、該第１物理光学素子の屈折力と該第２物理
光学素子の屈折力が正、負、又は負、正の組み合わせと
なるようにし、ｄ＞５Ｆ１・Ｗのときは、該第１物理光
学素子の屈折力を正、該第２物理光学素子の屈折力を正
、又は負となるように設定したことである。

ここで光束の光量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九■を乗算
したものを断面全面で積分したときに積分値が０ベクト
ルになる点のことである。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の概略図である。

本実施例では光ｆｉｌＯから出射された光束を投光レン
ズ系！１で平行光束とし、第１物体１に設けたゾーンプ
レート等から成る第１物理光学素子３ａを照射している
。

第１物理光学素子３ａは集光作用を有しており出射光を
第１物理光学素子３ａから距＠　ｂ　１　ａの点Ｑに集
光している。そして点Ｑから発散した光束を距ｍａ２ａ
の位置に配置した第２物体２に設けられているゾーンプ
レート等から成る第２物理光学素ｆ４ａに入射させてい
る。第２物理光学素子４ａは第１物理光学素子３ａと間
柱に集光作用を存しており、第２物理光学素子４ａから
の出射光を検出器（センサ）８の検出面９Ｊ：、に集光
している。即ち、本実施例では第１．第２物理光学素子
３ａ、４ａにより所謂凸曲系を構成している。

本実施例における第１物体１と第２物体２の位置すれ検
出方法は、第１物理光学素子３ａで形成した点像（実像
、又は虚像）を第２物理光学素子４ａでｔ）　２ａ／　
ａ　２ａで定義される結像倍率β２の絶対値が大きくな
るようにしてセンサ８に投患し、第２物理光学素子の位
置ずれ計に比べてセンサ８上の点像な大きな移動量とし
て検出することにより検知分解能を向上させている。

一般には第２物理光学素子４ａのイｆ効径Ｗを大きくす
ればセンサ８上の点像な小さくすることができ、検知分
解能を向上させることができる。しカルながら半導体製
造装置においては、位置決め用のマーク専有領域を半導
体の高集積化の為、なるべく低減化することが要望され
ており、マーク専有領域をあまり大きくすることはでき
ない。

一方、物理光学素子は回折効果な作動に得る為、最小線
幅は位置ずれ検知に使用する光源波長、λ以上か好まし
く、作成上からも、例えば０．４μｍ以上の可視光の波
長領域内の光束が良い 但し、検知に必要な信号光量を増すことによりＳ／Ｎ比
を向上させ高精度化を図るには物理光学素ｆＯ）ＨＡ数
（ゾーン数、線の本数）は多い程好ましい。

この為、本実施例では第１物体と第２物体との間隔ｄが
ｄ＜５ＦＩＷのときは、第１物理光学素子のｈｎ折力と
第２物理光学素子の屈折力との組み合わせが後述するよ
うに正、負、又は負、正の異符号の組み合わせとなるよ
うにしている。

これにより間隔ｄ以上に第１．第２物理光学素子の焦点
距１１１ｆｌ、ｆ２を長くすることができ、物理光学素
子の縞数が多くとれ、又、線幅も比較的大きくすること
ができる。

第１物理光学素子を正の屈折力、７Ｆ、２物理光学素子
を負の屈折力としたときの構成は第２物理光学素子の寸
法Ｗ、Ｍ像倍率１β１、そして点像の寸法φ、又は距離
１）２ａを同〜にした場合、第１物理光学素子を負の屈
折力、第２物理光学素子を正の屈折力にしたときの構成
に比べて、若干焦点距離ｆｌ、ｆ２を長くすることがで
きる特長を有している。

一方、第１物理光学素子を負の屈折力、第２物理光学素
子を正の屈折力としたときの構成は、第１物理光学素子
を正の屈折力、第１物理光学素子を負の屈折力としたと
きの構成に比べて、マーク専有領域を小さくすることが
出来る特長を有している。

又、本実施例では第１物体と第２物体との間隔ｄがｄ＞
５ＦＩＷのときには、第１物理光学素子を正の屈折力、
第２物理光学素子を正、又は負の屈折力にしている。

これにより例えば第１物理光学素子の寸法Ｍを固定した
とき間隔ｄが長い為、第２物理光学素子の寸法Ｗが大き
くなるのを防止している。

又、第２物理光学素子の寸法Ｗを固定したとき、第１物
理光学素子の寸法Ｍが小さくなるのを防止し、充分な回
折効率が得られるようにしている。

第１物理光学素子と第２物理光学素子を共に正の屈折力
より構成したときは、第２物理光学素子の寸法Ｗと結像
倍率の絶対値１β２１を固定したとき、第１物理光学素
子を正の屈折力、第２物理光学素子を負の屈折力とした
場合に比べて第１物理光学素子の焦点距離ｆ１を同図に
示すｚｌａ２ａ１分だけ短くすることができ、ゾーン数
（Ｍ数）を増加することができ回折効率をより高めるこ
とができる特長を有している。

尚、本実施例において光源１０が有限の距離にある場合
には、直達の値Ｆ１は光源１０からの光束の第１物理光
学素子３ａに入射する径をＭ、第１物体から第１物理光
学素子３ａによる回折光の集光点位置までの距離をｋ）
ｌａとし、Ｆ１＝ｂ、ａ／Ｍより求めれば良い。

第２図は第１図に示した第１実施例における光学系の基
本原理を示す説明図である。同図においては相対的な位
置ずれを評価したい第１物体１と第２物体２に各々ゾー
ンプレート等の第１．第２物理光学素子３．４を設けて
いる。第１物理光学素子３へ光束５を入射させ、それか
らの出射光６（６ａ）を第２物理光学素子４に入射させ
ている。そして第２物理光学素子４からの出射光７（７
ａ）をポジションセンサー等の検出器８の検出面９上に
集光させている。

このとき第１物体１と第２物体２との相対的な位置ずれ
量Δσに応じて検出面９上においては、光量の重心ずれ
量Δδが生じてくる。

本実施例では同図において、点線で示す光束７による検
出面９上の光量の重心位置を基準として、実線で示す光
束７ａによる検出面９上における光量の重心ずれｍΔδ
を求め、これより第１物体ｌと第２物体２との相対的な
位置すれ量Δσを検出している。

第３図はこのときの第１物体１と第２物体２との相対的
な位置ずれ量Δσと、検出面９上における光量の重心ず
れ量Δδとの関係を示す説明図である。

本実施例では以上のような基本原理を利用して第１物体
１と第２物体２との相対的な位置関係を検出している。

第１図において第１．第２物理光学素子３ａ。

４ａ及び検出面９が互いに平行であるとすると、第１物
体と第２物体との位置ずれ量Δσの一般式は点線で示す
光束７が集光する検出面９上の光量の重心位置７Ｃを位
置ずれ量のない基準状態としたとき となる。

但し、Δσ１：第１：理光学素子３ａの基準位置からの
位置ずれ量 Δσ２；第２；理光学素子４ａの基準位置からの位置す
れ量 ここで、今第１物理光学素子３ａを基準とし、第２物理
光学素子４ａが第１物理光学素子３ａと平行方向にΔσ
ずれていたとすると検出面９上での集光点の重心すれ量
Δδは 拡大される。

例えばａ　２ａ＝　０．５ｍ＋ｎ　、　ｂ　２ａ：　５
０ｍｍとすれば重心ずれｌｉｔΔδは（１）式より１０
１倍に拡大される。

尚、このときの重心すれ縫Δδと位置ずれ量Δσは（１
）式より明らかのように、例えば第４図（Ａ）に示すよ
うな比例関係となる。検出器８の分解能が０．１μｍで
あるとすると位置すれ量Δσは０．００１μｍの位置分
解能となる。

このようにして求めた位置ずれ量Δσをもとに第２物体
を移動させれば第１物体と第２物体の位置決めを高精度
に行うことができる。

特に本実施例では第１物体に位相型の物理光学素子を用
いることにより、該物理光学素子から射出される光束を
効率良く第２物体面上の物理光学素子に導光すると共に
、所定面上における光量の重心位置を高精度に検出する
ことかできるようにしている。

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

第１の方法としては２つの物体間の位置すれ量Δσに対
する検出器８の検出面上での光量の重心すれ信号ΔδＳ
との関係を示す曲線を予め決めておき、＋［心すれ信号
ΔδＳの値から双方の物体間との位置すｔ’Ｌ　ｆｆｔ
Δσ求め、そのときの位置ずれ量Δσに相当する計だけ
第１物体若しくは第２物体を移動させる。

第２の方法としては検出器８からの重心ずれ信号ΔδＳ
から位置ずれ量Δ０を打ち消す方向を求め、その方向に
第１物体若しくは第２物体を移動させて位置すれ量Δσ
が許容範囲内になるまで繰り返して行う。

次に第１物理光学素子３ａと第２物理光学素子４ａとの
間隔が所定の位置よりずれていた場合におけるＪＲ心ず
れ量Δδとの関係を次に示す。

間隔のすれΔａにより距Ｍａ２ａが変化すると重心すれ
看Δδは る。

間隔変動がない場合の検出面９上の位置ずれ量Δσによ
る光量の重心ずれ量Δδ。は次のようになる。

Δδ０＝Δσｘ　（−＋１　）　＝　１０１・Δσ０．
５ これに対して間隔変動がある場合は光量の重心ずれ量Δ
δΔａは となる。これは第４図（Ｂ）に示すように位置ずれ量Δ
σに対し、重心ずれ量Δδは原点を通った多少ずれた直
線となる。

このことは前記位置合わせ手順における第２の方法を用
いれば原理的に間隔ずれは、位置合わせにＭ３　Ｍされ
ないことを示している。

又、前記位置合わせ手順における第１の方法においても
、位置ずれ贋Δσが小さい場合は同様に影ｆｉｌｌされ
ないことを示している。

例えばａ２ａ＝０．５＋ｎｍ　、　ｂ２ａ＝５０ａｏｎ
、　　ｆ　＝　０．４９５ｍＴｌ＋とし、間隔ずれΔａ
がΔａ＝５μｍあったとすとなる。

今、Δσ＝　０．０１μｍの位置ずれがあったとすれば
、検出面９上では間隔ずれがあった場合となかった場合
での光量の重心すれ量は Δδ。　＝　　ｌ０ＩＸ　Ｏ，旧＝１．旧　（μｍ）Δ
δΔａ　＝　　Ｉ・ＯＯｘ　Ｏ，０１−１（ｔｔ　ｍ）
となる。即ち間隔ずれによる検出面９上での光量の重心
ずれは １Δδ。−ΔδΔａ　ｌ　＝　　０．０１　　（μｍ）
となる。これを物理光学素子のずれ量に換算すれば拡大
倍率が１００倍なので位置合わせ誤差は０．０００１　
（μｍ）となる。同様に位置ずれ量ΔσがΔσ＝１μｍ
すれば位置合わせ誤差は０．０１　（μｍ）となる。

以上のような作用を存する物理光学素子を例えば振幅型
のゾーンプレートより構成する場合には、そのパターン
を次のような形状より構成すれば良い。

第５図（Ａ）に示すように平行光束が焦点距離ｆのゾー
ンプレート５１に照射される場合のゾーンプレート５１
のゾーン数をｍＩ、波長をλ、開口径をＤとすると となる。従って、第ｍＩ番目のゾーンの開口中心からの
半径Ｄ／２との関係は ｍｒ＝−！−（ＪＴ函百口了−１）−・・・・・（２ａ
）λ となる。

又、第５図（Ｂ）に示すように点光源５２からの光束が
ゾーンプレート５１で集光されるような第１図の第２物
体２に設けたゾーンプレートの場合には となる。従って第ｍ　［１番目のゾーンの開口中心から
の半径Ｄ／２との関係は ｍ　ＩＩ　＝＝　’−（、層フコ痕：璽−−１）λ ＋ｂ−（ＦｍＦＴしｌ）・・・・・・（３ａ）となる。

例えばＤ＝１８０μｍ、λ＝　０．８３μｍ　、　ｆ　
＝　１０００ｐ　ｍ　、　　ａ　＝　５００　μｍ　、
　　ｂ　＝　５００００１．ｔ　ｍとすると第１物体１
に設けるゾーンプレート３ａのゾーン数はｍＩ＝４．９
、第２物体２に設けるゾーンプレート４ａのゾーン数は
ｍ　ＩＩ　＝　１０．４となる。

即ち、第６図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すようなパターン
となる。同図において（Ａ）は物理光学素子３としての
ゾーンプレート、同図（Ｂ）は物理光学素子４としての
ゾーンプレートを示している。

本実施例では第１物体及び第２物体に第６図（Ａ）　、
　（Ｂ）に示す振幅型の代わりに同様な光学作用をする
位相型のゾーンプレートを設け、これにより所定面上に
おける光量の重心位置を高鯖度に検出することができる
ようにしている。

位相型のゾーンプレートの場合は上記振幅型と同様に各
ｌｌｌ４（ゾーン）を設定し、光の透過光量に対応した
位相差が生ずるようにする。例えば振幅型における縞と
縞の間の厚みを変えて、この部分を透過する光ビームが
、前記縞を通過するものに対し、位相がπだけずれるよ
うに例えば第６図（Ｊ）　、　（Ｋ）のように形成する
。

次に位相型グレーティングの製造方法の一例について説
明する。

先ず、銀塩で振幅型のグレーティングをブリーチング処
理により凹凸をつける方法がある。又、フォトレジスト
による方法も一般的である。透明レジストに上り縞パタ
ーンを形成し、レジストか存在する部分とない部分の光
路差をλ／２にするものがある。又、レジストを用いた
エツチング処理で、基板に凹凸をつける方法がある。更
に光路長差をつけたパターン形成が行なえればよいので
、イオンドーピングによりドープされた領域の屈折率を
変化させることにより作成する手法もある。

位相型グレーティングの隣同志の位相差は、基本的に隣
同志はπだけ位相か異なったものとなる。このうち透過
型の場合には第６図（Ｆ）に示すように隣り合う領域の
主光線ｐ、、ｐ２は位相差Δφが次式のように表わされ
、Δφ＝πとなるように屈折率ｎ、ｎｏ及び厚みｄ、、
ｄ２を設定する。

一方、反射型の場合には第６図（Ｇ）に示すように隣り
合う領域の主光ＭＰ＋、Ｐ２は位相差Δφが次式のよう
に表わされ、Δφ＝πとなるように屈折率ｎ。、Ｊ５み
ｄを設定する。

位相型グレーティングは振幅型グレーティング；こ比較
し、一般に約２倍の信号光を得ることができる。以下第
６図（Ｈ）　、　（１）を用いて簡単に説明する。

各開口からの主光線のみを位相の観点から示すと振幅型
の場合は第６図（Ｈ）のように各編の開口からの光か回
折され、集光点Ｑへ集り、このとき各編からの光路長差
はえとなり、位相が２πずつすれる為、結局同位相とな
る。同図において絹１からの光は 縞２からの光は よってＱ点では各編からの光が全て同位相でたし合わさ
れる 即ち、素子面上の光照射領域全体の約半分の開口部分の
光が信号光に利用される。

これに対し、位相型は第６図（１）に示すように、素子
全体の光が信号光に利用される。隣り合う領域からの回
折光は光路長差はλ／２となり、位相がπづつすれる為
、結局全て同位相となりたし合わされる。同図において
縞１からの先は？ＦＡＩ’からの光は ７４４ｍからの光は 縞２からの光は ７４４ｍからの光は 縞ｍ′からの光は よって、Ｑ点では各編からの光か全て同位相でたし合わ
される。

即ち、素子面面、トの光照射領域全体の光が信号に利用
されることになり、振幅型に比較し、信号光強度が増大
することになる。振幅型の遮光部を位相差をつけた透過
部とすることによるノイズ発生はなく、Ｓ／Ｎ比は向上
する。

第６図（（：）　、　（Ｄ）は本実施例のフレネルゾー
ンプレートの開口を１８０ｘ５０μｍとし、位置ずれ方
向を開［ｌ　１８０μｍの方向とし、２５μｍの位置ず
れ量を与えた場合の検出面９上における光量分布が模式
的に示した説明図である。

同図（Ｃ）は位置ずれかない場合、同図（Ｄ）は２５μ
ｍの位置ずれがあった場合である。

同図（Ｃ）より明らかのように位置ずれかない場合は光
量分布は、略矩形開口のフラウンホーファー回折像とな
り、位置ずれが生ずると同図（Ｄ）のように位置ずれ量
に応じ多少非対称のパターンに変形してくる。

本実施例では幾何光学的な主光線のずれ量を便宜上１０
０倍にしているが実際にはフレネルゾーンプレートの収
差により検出面９上の光量の重心すれ量は約９６倍にな
っている。

このように位置ずれ星が大きい場合は位置ずれ量Δσと
検出面９上の光量の重心ずれ量Δδとは線形性がなくな
り、直線関係が多少ずれてくる。

この為１位置ずれ量Δσと光量の重心ずれ量Δδとの関
係を示す、例えば第６図（Ｅ）に示す関係を予め記憶手
段等に記憶させて参照する方法をとれば広いダイナミッ
クレンズで高精度に位置ずれ量Δσを検出することが可
能となる。

尚、本実施例では第１物理光学素子３ａに平行光束を入
射させた場合を示したが、収斂光束や発数光束を入射さ
せても良い。この場合は第１物理光学素子３ａによる入
射光束の集光点位置が検出面９と結像関係にあるように
第２物理光学素子４ａを設定すれば良い。

第７図、第８図は各々本発明の第２．第３実施例の要部
概略図である。第７図の第２実施例は前述の間隔ｄがｄ
≦５Ｆ１・Ｗの場合であり、第１物理光学素子３ｂは発
散作用を有し、第２物理光学素子４ｂは集光作用を有し
ており、これにより所謂凹凸系を構成している。

本実施例では第１物体１と第２物体２との基準位置から
の位置ずれ量を各々Δσｂ１．Δσｂ２としたとき相対
な位置ずれ揖Δσｂは Δσｂ＝Δσｂ、＋Δσｂ２ となる。そして位置ずれ量Δσｂに対する検出面９上の
光量の重心ずれ量Δδｂは となる。

第８図の第３実施例は前述の間隔ｄがｄ≦５Ｆ１・Ｗ及
びｄ＞５Ｆ１・Ｗのいずれの場合であっても良く第１物
理光学素子３ｃは集光作用を有し、第２物理光学素子４
ｃは発散作用を有しており、これにより所謂凸凹系を構
成している。

木実ｈ１例では第１物体１と第２物体２との基準位置か
らの位置ずれ量を各々ΔσｃＩｎΔσｃ２としたとき相
対な位置ずれ量ΔσＣは ΔσＣ＝Δσｃ、−ΔＱＣ２ となる。そして位置ずれ看ΔσＣに対する検出面９上の
光量の重心ずれ量ΔδＣは となる。

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物理光学素子の開口の大きさに応じて前
述の各実施例における光学系を選択するのが良い。

例えば、第１．第２物理光学素子の開口に比較して間隔
が大きい場合は第１図に示す６凸系、又は第８図に示す
凸凹系が良い。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物理光学素子が第１
物理光学素子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物理光学素子が第２物理光
学素子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図から第１２図は各々本発明の第４〜第７実施例の
概略図である。各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Ｍとウェハ
Ｗとのアライメントを行う位置合わせ装置に関するもの
である。

第９〜第１２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、Ｍはマスク、Ｗ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。

３ＭはマスクＭ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、４ｗはウェハ４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。

第９図に示す第４実施例は所謂６凸系の凸レンズ、凹面
鏡型に相当している。同図において光源１０から出射さ
れた光束を投光レンズ系１１で平行光束とし、ハーフミ
ラ−１２を介してマスクアライメントパターン３Ｍを照
射している。マスクアライメントパターン３Ｍは入射光
束をウェハＷの薄力の点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
ウェハアライメントパターン４Ｗに入射する。

ウェハアライメントパターン４Ｗ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Ｍとハ
ーフミラ−１２とを通過させた後、検出面９上に集光し
ている。

このように本実施例ではマスクアライメントパターン３
Ｍによって点Ｑに集光させた光束を更に検出面９上に結
像させている。このときのウェハＷの位置すれ量ΔσＷ
に対応する検出面９上の光量の重心ずれ量ΔδＷは前述
の第１図に示す凸曲系と同様に となる。マスクＭとウェハＷとの間隔ｇを５２５０μｍ
とし、 ａｗ＝＝２５　　μｍ ｂｗ＝１００００　μｍ とすれば、４０１倍の感度が得られる。即ち、Δδｗ＝
ｏ、Ｉμｍ精度で測定できれば位置ずれ蛋ΔσＷは０．
０００２５μｍまで評価することができる。

このとき直径３０μｍのアライメントパターンを用いる
とすれば最小ピッチＰは となり、最小線幅が０，８３μｍとなる。

又、ｅ−２でスポット径の４＋−動径を決めれば検出面
９上のスポット径Ｓは Ｓ　＝　１．６４ｘ人’ＦＮＱ ＝　１．６４ｘ　Ｏ，８３ｘ　１００ｏ０／３０＝４５
４Ｃμｍ） となる。

第１０図に示す第５実施例は所謂６凸系の凹面鏡、凹面
鏡型に相当している。同図において光源１０から出射さ
れた光束を投光レンズ系１１で平行光束とし、ハーフミ
ラ−１２，１３を介してマスクアライメントパターン３
Ｍ１を照射している。マスクアライメントパターン３Ｍ
１は反射型のグレーテインクレンズで入射光束を反射し
、ハーフミラ−面１３で反射させて点Ｑの位置に集光し
ている。点Ｑより出射した光束をウェハ面Ｗ上のウェハ
アライメントパターン４Ｗ１で再び反射した後、ハーフ
ミラ−面１３．１２を介して検出面９上に集光している
。

今、ウェハＷにマスクＭに対してΔσＷの位置ずれ１が
あったとすると検出面９上での光量の重心ずれ量ΔδＷ
は となる。

今、ａｗｌ　＝０．５　［１１１１１，ｂｗｌ　＝５０
ｍｍとすれば６５ｗ　＝　１０１ΔσＷとなる。即ち、
ΔδＷ＝０．１μｍ精度で測定できれば位置ずれ量Δσ
Ｗは０．００１μｍが評価できる。

又、ウェハアライメントパターン４Ｗ１の開口を１００
μｍとすれば検出面９上のスポット径φは点Ｑを点とし
たとき回折効果によりλ＝　０．８３μｍでｅ″２に光
量か低下する径まで評価すればφ＝６８０μｍとなる。

実際はマスクアライメントパターン３Ｍ１による像には
拡がりがあるので、この効果の方が大きい。

このときの拡がりを１０μｍとすればφ＝Ｉ０００μｍ
となる。

第１１図に示す第６実施例は所謂凹凸系の凹レンズ、凹
面鏡型に相当している。マスクＭはメンブレン１７に取
り付けてあり、それをアライナ−本体１５にマスクチャ
ック１６を介して支持している。本体１５の上部にマス
ク、ウェハアライメントヘッド１４が配置されている。

マスクＭとウェハＷの位置合わせを行う為にマスクアラ
イメントパターン３Ｍ及びウェハアライメントパターン
４ＷかそれぞれマスクＭとウェハＷに焼き付けられてい
る。

光源１０から出射された光束は投光レンズ系１工により
平行光となり、ハーフミラ−１２を通リ、マスクアライ
メントパターン３Ｍへ入射する。マスクアライメントパ
ターン３Ｍは透過型のゾーンプレートより成り、点Ｑか
ら光束が出射したような発散光束とし、ウェハアライメ
ントパターン４Ｗへ光を送る凹レンズとしての作用を持
っている。ウェハアライメントパターン４Ｗは反射型の
ゾーンプレート点Ｑから出る光束を検出面９上へ結像す
る凹面鏡の作用を持っている。

このような配置のもとてマスクＭに対し、ウェハＷがΔ
σＷだけ位置ずれしていたとすると検出面９上の光量の
重心の位置ずれ量ΔδＷはとなる。

第１２図に示す第７実施例は、所謂凸凹系の凸レンズ、
凸面鏡型に相当している。

マスクＭはメンブレン１７に取り付けてあり、それをア
ライナ−本体１５にマスクチャック１６を介して支持し
ている。本体１５上部にマスク−ウェハアライメントヘ
ッド１４が配置されている。マスクＭとウェハＷの位置
合わせを行う為にマスクアライメントパターン３Ｍ及び
ウェハアライメントパターン４ＭがそれぞれマスクＭと
ウェハＷに焼き付けられている。

光源１０から出射された光束は投光レンズ系１１により
平行光となり、ハーフミラ−１２を通りマスクアライメ
ントパターン３Ｍへ入射する。

アライメントパターン３Ｍは透過型のゾーンプレートで
点Ｑへ集光する凸レンズの作用を持っている。ウェハア
ライメントパターン４Ｗは反射型のゾーンプレートで点
Ｑへ集光する光を検出面９上へ結像する凸面鏡の作用を
持フている。

このような配置のもとてマスクＭに対し、ウェハＷがΔ
σＷだけ位置ずれしているとすると、検出面９上の光量
の重心ずれ量ΔδＷは となる。

第１３図は本発明の第８実施例の概略図である。

本実施例は第１１図に示したウェハアライメントパター
ンである反射型のゾーンプレートの代わりに表面形状を
凹面に加工した反射型のパターン４Ｗを用いた場合であ
り、その作用は第１１図に示した反射型のゾーンブーレ
ートと同様である。

３Ｍはマスクアライメントパターンで透過型のゾーンプ
レートより成っている。この他の構成は第１１図に示し
た構成と同じである。

第１４図は本発明の位置合わせ装置において、マスクと
ウェハとをアライメントする場合の制御系を示す一実施
例の概略図である。

検出器８から信号検出回路２４、制御装置２３、ウェハ
ステージコントローラ２２、ウェハステージ２１までの
制御系とウェハチャック２０、基準マーク２５、及び以
下に述べるアライメントの手順は他の実施例の説明には
記載されていないが、いずれの実施例でも同様の形態で
用いられている。

同図に基づいてアライメントの手順を示す。

（１−１）まず、アライメント完了となる基準点を設定
する。基準点は検出面９上の特定の位置を適宜決めてお
けば良い。次にウェハ面Ｗ上に基準パターン２５を設け
る手法について説明する。

（＋）−（イ）ウェハステージ２１上のウェハチャック
２０上にウェハパターンと同様のグレーテインクレンズ
から構成される基準マーク２５を設ける。

（＋）−（ロ）この基準マーク２５がアライメント評価
位置にくるように制御装置２３よりウェハステージコン
トローラー２２へ移動信号を出し、ウェハステージ２１
を動かす。

（１）−（八）ここで光源１０からの光束をマスクアラ
イメントパターン３Ｍ及び基準パターン２５に逐次通す
こと゛により検出面９上に光束を集光させる。

（１）−（ニ）この集光点の光量の重心位置を位置検出
回路２４で求め、制御装置２３へ位置信号を送り、基準
位置とする。

（＋−２）次にウェハステージ２１を動かし、ウエハア
ライメントパターン４Ｗがアライメント評価位置にくる
ようにウェハＷを設定する。

（＋−３）ここで光源１０からの光束をマスクアライメ
ントパターン３Ｍ及びウェハアライメントパターン４Ｗ
と逐次通すことにより、検出面９上に導光させ、光量の
重心位置を信号検出回路２４により求めウェハ位置信号
を制御装置２３へ送る。

（１−４）制御装置では基準点位置とウェハ位置信号か
らウェハの位置ずれ量を評価し、位置合わせ信号をウェ
ハステージコントローラー２２へ送る。

（＋−５）ウェハステージコントローラー２２によりウ
ェハステージ２１を移動し、マスクとウェハの位置ずれ
を補正する。

（１−６）そして再びマスクとウェハの位置ずれを検出
し確認する。

（１−７）必要あれば前述のステップ（１−２）〜（＋
−６）を繰り返す。

以上のアライメントの手順に従った制御装置２３の制御
方法を第１５図に示す。

第１６図は本発明の第９実施例の概略図である。本実施
例はｔ導体素子製造用の縮少投影型の露光装置に適用し
たものである。

同図において光源１０から出射した光束を投光レンズ、
％１１で平行光としてレチクルＬ面のレチクルアライメ
ントパターン３Ｌを照射している。

このときレチクルアライメントパターン３Ｌは通過光を
点Ｑ。に集光させるレンズ作用を有する透過型の物理光
学素子を構成している。そして点Ｑｏからの光束を縮少
レンズ系１８によりウェハＷから距離ａｗたけ離れた点
Ｑに集光している。

ウェハＷ上にはウェハアライメントパターン４Ｗが設け
られており、このウェハアライメントパターン４Ｗは反
射型の物理光学素子を構成し、点Ｑに集光する光束が入
射してくると、その光束を反射させハーフミラ−１９を
介して検出面９上に結像させる凸面鏡の機能を有してい
る。

検出面９）：に導光された光束の光量の重心ずれ量Δδ
からレチクルＬとウェハＷとの相対的な位置す°れ量Δ
σを求めている。

このときのウェハＷから検出面９までのハーフミラ−１
９を経由した距離なりｗとすれば光量の重心ずれ量Δδ
は となる。

距ｉｌａｗ、ｂｗを適当に選べばレチクルＬとウェハＷ
の相対的な位置ずれ量Δσを高精度に求めることができ
る。

本実施例では点Ｑの位置をレチクルＬ側から見てウェハ
Ｗより遠い位置とし、ウェハアライメントパターン４Ｗ
を凸面鏡型としたが、第９図及び第１１図に示す実施例
のように点Ｑの位置をウェハＷより平面とし、ウェハア
ライメントパターン４Ｗを凹面鏡型としても同様な結果
を得ることができる。

第１７図は本発明の第１０実施例の概略図である。本実
施例は第９図に示す実施例におけるマスク及びウニ八面
上のアライメントパターンを改良したものである。マス
クアライメントパターン３Ｍ及びウェハアライメントパ
ターン４ｗは、いずれもスクライブライン方向及びその
直交方向に同一の屈折力を有する２次元的なグレーティ
ングレンズより成っている。

検出器８は２次元的なセンサーであり、光量の重心位置
を検出している。即ち、検出器８はマスクＭとウェハＷ
の位置ずれ量を２次元的にグレーティング系を介した倍
率で検出してる。このように２次元的なグレーティング
レンズ系と２次元的なセンサーを使うことにより、マス
クとウェハとの位置ずれの方向、及びそのずれ量を高精
度に同時に検出することを可能としている。

センサー系では第１実施例と同様に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。

従って、光源の出力が多少変動してもセンサー系から出
力される測定値は正確に重心位置を示している。

アライメント光束の入射角、グレーティングレンズの屈
折力、及び大きさを第１実施例と同じとすることにより
、位置検出特性も第１．第２実施例と同様の結果を得て
いる。

第１８図は本発明の第１１実施例の概略図である。本実
施例は２つの反射鏡２５．２６を利用した等倍結像系の
半導体素子製造用の露光装置に適用したものである。同
図においてはレチクルし面上のパターンを反射鏡２５及
び２６によりウェハＷ面上へ結像させる際、不図示の露
光系により照射された露光光束によりウェハＷ面上にレ
チクル面上のパターンを焼き付けている。

これに対し、アライメント系は光源１０から出射された
光束を投光レンズ１１により平行光とし、レチクルＬ面
上のレチクルアライメントパターン３Ｌを通過後゛、反
射鏡２５．２６を通り、ウェハアライメントパターン４
Ｗへ照射している。そしてウェハアライメントパターン
４Ｗで反射されハーフミラ−１９で更に反射させた後、
検出器８の検出面９へ導光している。このとき、レチク
ルアライメントパターン３Ｌ及びウェハアライメントパ
ターン４Ｗは、いずれも本発明に係る光学性質を有した
物理光学素子であり、レチクルアライメントパターンは
凸レンズの作用を有し、−反意Ｑ。で集光された光束は
反射鏡２５．２６により点Ｑへ集光する。ウェハアライ
メントパターン４Ｗは凸面鏡の機能を持ち点Ｑへ集光す
る光束を反射し、検出面９上へ集光している。

このようにして検出される検出面９上の光量の重心ずれ
量ΔδからレチクルＬとウェハＷの位置ずれ坩Δσをｎ
η記実施例と同様に求めている。

第１９図は本発明の第１２実施例の概略図である。本実
施例は３つの反射鏡２５ａ、２６ａ。

２７を利用した縮少結像系の半導体素子製造用の露光装
置に適用したものである。

同図においてはレチクルＬ面上のパターンを反射鏡２５
ａ、２６ａ、２７よりウェハＷ面上へ１／４に縮少結像
している。このとき不図示の露光系により照射された露
光光束によりウェハＷ面上にレチクル面上のパターンを
焼き付けている。

これに対し、アライメント系は光源１０から出射された
光束を投光レンズ１１により平行光とし、レチクルＬ上
にあるレチクルアライメントパターン３Ｌを通過後、反
射鏡２５ａ、２６ａ。

２７を通り、ウェハアライメントパターン４Ｗへ照射し
ている。そしてウェハアライメントパターン４Ｗで反射
されハーフミラ−１９で更に反射させた後、検出器８の
検出面９へ導光している。。このとき、レチクルアライ
メントパターン３Ｌ及びウェハアライメントパターン４
Ｗは、いずれも本発明に係る前述の光学性質を有した物
理光学素子であり、レチクルアライメントパターン３Ｌ
は凸レンズの作用を有し、−・反意Ｑ。で集光された光
束は反射８！１．２５　ａ　、　２６　ａ　、　　２７
により点Ｑへ集光する。ウェハアライメントパターン４
Ｗは凸面鏡の機能を持ち点Ｑへ集光する光束を反射し、
検出面９上へ集光している。

このようにして検出される検出面９上の光量の重心ずれ
量ΔδからレチクルＬとウェハＷの位置ずれ量Δσを前
記実施例と同様に求めている。

第２０図は本発明の第１３実施例の概略図である。本実
施例は半導体素子製造用の縮少投影型の電子照射装置に
適用した。ものである。

同図においてはエレクトロンガン３２から出射した電子
ビームはブランキングプレート３３を通り、第１コンデ
ンサーレンズ３４．７ＰＩ２コンデンサーレンズ３５及
び第３コンデンサーレンズ３６により平行ビームとなり
、レチクルしに照射される。レチクルし上は金属箔に図
形状の孔があいたパターンから構成され、それを通過し
た電子線は第１プロジエクシヨンレンズ３７、及び開口
アライメントコイル３８、及び第２プロジエクシヨンレ
ンズ３９によりウェハＷ面上にマスク図形の１／１０縮
小像を結像する。

方、アライメント光学系は次のように設定されている。

即ち、アライメント用の光源１０から出射した光束を投
光レンズ１１により平行光とし、ミラー２８によりレチ
クルＬ上のアライメントパターン３Ｌを照射する。アラ
イメントパターン３Ｌにより平行光束は集光作用を受は
点Ｑ。ヘミラー２９で一度反射した後、集光する。その
後、ミラー３０で方向を変換し、レンズ１８によりｉｌ
Ｇび集光光束となりハーフミラ−１９及びミラー３１に
より方向を変換しながら点Ｑへ集光する。ウェハＷ上に
設けられたアライメントパターン４Ｗは点Ｑへ集光する
光を反射し、ミラー３１及びハーフミラ−１９を通り検
出器８上の検出面９へ集光する。

このときレチクルアライメントパターンはレンズ１８に
より１０：１の縮小投影関係となるように設定されてお
り、電子線露光系と同倍率になっている。この為、レチ
クル上の図形とレチクルアライメントパターン３Ｌの横
ずれは１：１に対応している。

このようにして検出される検出面９上の光量の重心ずれ
量ΔδからレチクルＬとウェハＷの位置すれ量Δσを萌
記実施例と同様に求めている。

（発明の効果） 本発明によれば第１物体と第２物体の間隔量に応じて前
述の光学的性質を有する、第１．第２物理光学素子を各
々位置合わせを行う第１．第２物体に設け、第１物理光
学素子により変換された波面を第２物理光学素子で更に
変換した後、検出面に導光することにより、サブミクロ
ン以下の精度で第１物体と第２物体の位置合わせが行な
える位置合わせ装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実り板側の概略図、第２図、第３
図は各々第１図の光学作用の原理を示す説明図、第４図
（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明における位置ずれ量と重心
ずれ債との関係を示す説明図、第５図（Ａ）　、　（Ｂ
）は本発明に係る物理光学素子の光学作用を示す説明図
、第６図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｊ）　、　（Ｋ）
　、　（（：）　、　（Ｄ）　。 （ε）　、　（Ｆ）　、　（Ｇ）　、　（＋１）　、　
＜１）は本発明に係る物理光学素子に関する説明図、第
７図〜第１３図は各々本発明の第２実施例〜第８実施例
の概略図、第１４図、第１５図は本発明の位置合わせ装
置における制御系とブロック図を示す−実り転倒の概略
図、第１６図〜第２０図は本発明の第９実施例〜第１３
実施例の概略図、第２１図、第２２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である。 図中、１０は光源、１１は投影レンズ系、１は第１物体
、２は第２物体、３は第１物理光学素子、４は第２物理
光学素子、８は検出器、９は検出面、Ｍはマスク、Ｗは
ウェハ、３Ｍはマスクアライメントパターン、４Ｗはウ
ェハアライメントパターン、Ｌはレチクル、３Ｌはレチ
クルアライメントパターンである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体と第２物体とを対向させて相対的な位置
   決めを行う際、該第１物体面上に第１物理光学素子を形
   成し、該第２物体面上に第２物理光学素子を形成し、該
   第１物理光学素子に光を入射させたときに生ずる回折光
   を該第２物理光学素子に入射させ、該第２物理光学素子
   により所定面上に生ずる回折光の光量の重心位置を検出
   手段により検出することにより、該第１物体と該第２物
   体との相対的な位置決めを行う際、該第１物体と第２物
   体との間隔をｄ、該第１、第２物理光学素子に入射する
   光束の有効径を各々Ｍ、Ｗ、該第１物体から該第１物理
   光学素子による回折光の集光位置までの距離をｂｌａと
   し、Ｆ１＝ｂ１ａ／Ｍとおいたとき、該間隔ｄがｄ≦５
   Ｆ１・Ｗのときは、該第１物理光学素子の屈折力と該第
   ２物理光学素子の屈折力が正、負、又は負、正の組み合
   わせとなるようにし、ｄ＞５Ｆ１・Ｗのときは、該第１
   物理光学素子の屈折力を正、該第２物理光学素子の屈折
   力を正、又は負となるように設定したことを特徴とする
   位置合わせ装置。