JPH02191314A

JPH02191314A - パターン検出装置

Info

Publication number: JPH02191314A
Application number: JP1234596A
Authority: JP
Inventors: Junji Hazama; 間　潤治; Shoichi Tanimoto; 昭一谷元; Kinya Kato; 欣也加藤; Hisao Izawa; 伊沢　久男
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-09-12
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1990-07-27
Also published as: JPH0429213B2

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、マスク、又はウェハ等の物体にレーザ光のス
ポットを照射し、このレーザ光を走査することによって
、物体上に形成されたマーク等の特定パターンを光電的
に検出するパターン検出装置もしくはマーク検出装置に
関するものである。

［従来の技術］従来、この種のマーク検出装置として、特開昭５３−１
１１２８０号公報に示されるように、レーザビームを開
口数の小さな対物レンズで絞ることにより、マスクとク
エへの双方に焦点の合ったスポットを形成し、そのスポ
ットを一次元に走査して、マスクとウェハ上のアライメ
ントマークからの散乱光を検出する装置が知られている
。

また、レーザビームのスポット光を走査して、マスク、
又はウェハ上のマークからの散乱光を光電的に検出する
同様の方式として、特開昭５２−１３２８５１号公報に
開示されたマーク検出装置も知られている。

これら公知のマーク検出装置では、マスク、もしくはウ
ェハ上のマークを観察する対物レンズをテレセントリッ
クとし、リレー系によりてこの対物レンズの瞳の共役面
を作り、その共役面に振れ原点がくるように走査鏡を設
け、レーザビームを瞳共役面の中心で揺動させることに
よって、マークをビームスポットによってテレセン走査
をすることが行なわれている。そしてマークからの反射
光のうち、対物レンズを通って戻ってくる反射光は、対
物レンズの瞳と共役な瞳像面に配置された空間フィルタ
ーによフて、正反射光がカットされ散乱光のみが抽出さ
れる。この散乱光は光電素子によって光電検出され、そ
の光電信号に基づいてマーク位置の検出が行なわれてい
る。

この従来技術では、レーザビームの振れ原点をテレセン
トリックな対物レンズの瞳中心とすることで、マスク、
又はクエへからの正反射光を元の光路に沿って戻し、空
間フィルター上ではほぼ中心に正反射光を静止させるこ
とができるため、散乱光の抽出が極めて安定するといっ
た利点がある。

［発明が解決しようとする課題］ところが、このようにテレセントリックな対物レンズを
用いてビームをテレセン走査すると、マスク、又はウェ
ハからの正反射光は、対物レンズの瞳中心、リレー系、
及び走査鏡を介してレーザ光源まで戻ってくることにな
る。プロセスによっても異なるが、マスク面、ウニへ面
はアライメント用のレーザ光に対して数十％程度の反射
率を持つとがあり、このような場合、レーザ光源にまで
戻フてくる正反射光は、かなり大ぎなバックトークとな
り、レーザ発振を不安定にさせることがある。

そこで本発明は、上記の如くマーク検出装置において、
レーザ光源へのバックトーンをほとんど無視できる程度
に低減した装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本願発明は、テレセントリックな対物光学系（１９）の
瞳面（１９ａ）　とほぼ共役な面をリレー系（７゜１６
）等で作り、この共役面に一次元の走査部材（６）を配
置し、レーザ光源（１）からのレーザ光を、走査部材（
６）を介して対物光学系（１９）の瞳面（１９ａ）のほ
ぼ中央部に通すように構成し、さらに対物光学系（１９
）によって物体（２０，又は２１）上に集光した。

レーザ光の一次元走査によってパターン（２０ａ。

２０ｂ、２１ａ、）から発生した散乱、回折光を光電検
出器（３３，又は３４）　で現出することによりて、パ
ターン（２０ａ、２０ｂ、２１ａ）を検出する装置を前
提として成されたものである。

そして特徴となる構成は、走査部材（６）から対物光学
系（１９）までの光路中に配置され、対物光学系の瞳面
（１９ａ）を通るレーザ光源（１）からのレーザ光を瞳
面の中心から一次元走査方向（パターン検出方向）と直
交する方向に所定量だけ変位させる変位部材（１８）を
設けることにある。

［作　用］本発明によれば、テレセントリックな対物光学系の特質
、すなわち対物光学系の瞳中心を通って物体面に投射さ
れたレーザ光の正反射光は、元の光路に沿ってそのまま
戻るという特質に起因して生ずるレーザ光源へのバック
トークが防止される。

レーザ光を対物光学系の瞳面中心からずらして入射させ
ると、ずらした方向に関しては、物体面に投射されるレ
ーザ光がテレセントリックな条件からはずれて、傾くこ
とになる。このため物体面からの正反射は瞳面を通るレ
ーザ光とは異なる光路に沿って戻ることになり、この結
果正反射光がレーザ光源まで戻ることが防止される。し
かしながら、レーザ光はパターン検出のために物体上で
相対的に一次元走査され、その走査方向においてパター
ンの位置等を計測する構成であるため、走査方向に関し
てテレセントリックな条件をくずすことは問題である。

そこで本発明では、テレセントリックな条件をくずす方
向を、レーザ光の物体上での一次元走査方向と直交する
方向に定めたのである。

これによって、従来と何ら変わらないパターン検出が可
能であると共に、レーザ光源へのバックトークが極めて
有効に防止されることになる。

［実施例］第１図乃至第５図は本発明の実施例によるマーク検出装
置を、プロキシミティ露光装置のアライメント系として
構成したときの光学系を示す光路図である。

第１図において、レーザ光源から１から射出したレーザ
光はビームエクスパンダ２、偏光板３及び１／４波長板
４を介して平行光束となり、円柱レンズ（シリンドリカ
ルレンズ）５に入射する。このとき偏光板３と１７４波
長板４によりてレーザ光は円偏光となる。円柱レンズ５
によフて、その焦点位置では断面が細長い帯状光束にな
るように変換された光束は、振動ミラー６に達する。尚
、円柱レンズ５の焦点位置は振動ミラー６の揺動中心と
ほぼ一致している６円柱レンズ５を射出したレーザ光束
は振動ミラー６の反射面上では紙面内に収束された帯状
スポット光となる。すなわち、円柱レンズＳは第１図の
紙面内ではパワーをもたず、紙面と垂直な方向にパワー
を有する。従って振動ミラー６で反射された光束は第１
図中、紙面と垂直な方向に関しては発散光となり、振動
ミラー６の揺動中心に焦点が一致するレンズ７を通り、
光束を紙面内でシフトする平行平板ガラスＨＧを通フて
ビームスプリッタ８に達する。尚、振動ミラー６は第１
図の紙面と垂直に振動回転の回転軸Ｃａを有し、レンズ
７に達する光束を紙面内で上下に微小振動させる。また
第２図は第１図中のＡＡ矢視部分の光路図であり、振動
ミラー６は全面が反射部ではなく、帯状スポット光の断
面形状に合わせた細長い反射部６ａと、透明部６ｂとか
ら構成されている。このように反射部６ａを細長くした
のは、レーザ光源１に戻り光が逆入射（バックトーク）
しないようにするためであり、このことについては後で
詳述する。本実施例の場合、このバックトーク防止は偏
光板３と１７４波長板４によっても行なわれる。

ここで、円柱レンズ５１振動ミラー６、及びレンズ７に
よって形成される各光束の状態について詳述すると、第
８図のようになる。第８図において円柱レンズ５を射出
した光束は、振動ミラー６０反射面上で細長い帯状のス
ポット光ｓｐに収束される。その後、スポット光ＳＰは
、その長手方向と直交する方向に関して一定の角度で発
散し、レンズ７に入射するときには、同図中、斜線部の
ようにスポット光ＳＰの長手方向と直交する方向に延び
た帯状分布の光束ＳＰ′となる。従って、光束ｓｐ″が
矢印ａ（光束ｓｐ’の短手方向）のように微小振動する
ためには、スポット光ＳＰの長平方向と直交する振動ミ
ラー６の回転軸ＣｆＬを中心としてスポット光ＳＰを動
揺させればよい。

さて、第１図の説明に戻って、ビームスプリッタ８に入
射した帯状光束は２つに分割されて、方のレンズ光束は
ウェハ照射用の光束ＢＷとして１７２波長板９を通りミ
ラー１０で反射されて、光路長補正プリズム】１を通っ
てビームスプリッタ１２に達する。またビームスブリ９
夕８で分割された他方のレーザ光束は、マスク照射用の
光束ＢＭとして、１７２波長板１３と、光束シフトを行
なうために傾斜可能な平行平板ガラス１４（以下、バー
ピングガラス１４とする）とを通り、ミラー１５で反射
されてビームスプリッタ２に達する。尚、本実施例では
、ビームスプリッタ８゜１２として、光電信号のＳ／Ｎ
を向上させるために、光束を偏光によって分離する偏光
ハーフプリズムを用いるものとする。そして、この分離
のためにＩ／２波長板９．１３の後に、偏光方向が互い
に直交した偏光板９’、１３’　を設ける。

さて、ビームスプリッタ１２に入射した光束ＢＷとＢＭ
は再び１つの光束に合成され、合成された光束はレンズ
１６、ハーフミラ−１７を介してミラー１８に達する。

ミラー１８はハーフミラ−１７からの光束を紙面と垂直
な下方へ反射するように４５°傾いて設けられている。

このミラー１８は、本実施例では発明の変位部材として
も機能する。また、ミラー１５は、ビームスプリッタ１
２で合成された光束ＢＭの光束中心が、ウェハ土のアラ
イメントマークとマスク上のアライメントマークとの所
定のずれ量に対応して、光束ＢＷの光束中心に対して偏
芯するように設定されている。

さて、第３図はミラー１８をＢ方向から見た図、第４図
はミラー１８をＣ方向から見た図であり、対物レンズ１
９は合成された光束ＢＭ、ＢＷを各々マスク２０のパタ
ーン面とウェハ２１の表面とに収束させ、各面上に細長
い帯状のスポット光を結像する。マスク２０とウェハ２
１との間隙（いわゆるプロキシミティ・ギャップ）をｇ
とすると、対物レンズ１９の焦点深度が、このギャップ
ｇよりも十分小さくなるように、その開口数が大きく定
められている。また、ギャップｇは露光装置によって最
適に定められる固有値である。そこで光束ＢＭ、ＢＷが
各々ギャップｇだけ対物レンズＩ９の光軸方向に離れた
位置で、帯状スポット光に結像されるように、光路長補
正プリズム１１の２つの台形プリズムｌａ、ｌｌｂを光
軸に対して垂直方向（第１図中、紙面内の上下方向）に
相対移動させて調整する。尚プリズム１１８゜１１ｂを
通る光束は円柱５の作用で、紙面内では収束光となり、
紙面と垂直な方向では平行光束となる。また、レンズ７
とレンズ１６はアフォーカル系（リレー系）を構成する
が、レンズ７の焦点位置には振動ミラー６の揺動中心が
一致し、レンズ１６の焦点位置には対物レンズ１９の瞳
１９ａが一致するように定められている。このため、光
路長補正プリズム１１の有無にかかわらず、振動ミラー
６と対物レンズ１９の瞳１９ａとは光学的に共役となり
、テレセントリックな照射光学系が形成される。

このように構成された光束射出手段によってマスク２０
、ウェハ２１上に結像された帯状のスポット光が、各々
マスク２０上のアライメントマークとウェハ２１上のア
ライメントマークとを照射すると、各マークからは光情
報として正反射光を含む散乱、回折光が生じる。また、
マスク２０とウェハ２１上でマークのない平坦面であっ
ても、正反射光が生じる。この光情報は対物レンズ１９
に逆入射し、ミラー１８．ハーフミラ−１７及びミラー
２２で反射されて、レンズ２３に達する。レンズ２３を
通った光情報の一部は、ハーフミラ−２４を透過してレ
ンズ２５に達する。尚、レンズ２３の焦点位置は対物レ
ンズ１９の＠１９ａと一致するように定められている。

そしてレンズ２３とレンズ２５とによってアフォーカル
系（［リレー系）が形成され、その平行な瞳リレー光路
中にハーフミラ−２４が配置される。

尚、レンズ２３に達する逆入射光束は第１図の紙面内で
はほぼ平行であり、紙面と垂直な方向では＠１９ａから
の発散光となる。従って、レンズ２３と２５の間の光束
は紙面と垂直な方向では平行光束となついる。ハーフミ
ラ−２４で反射された光情報は、ハーフプリズム８，１
２と同様の偏光ハーフプリズム２６入射する。偏光ハー
フプリズム２６はマスク２０からの０次光（正反射光）
ＤＭｏとウェハ２１からの０次光（正反射光）ＤＷｏと
を偏光によって２つに分離して、各々ＣＣＤ等の一次元
イメージセンサー２７と２８の受光面に導びく、一次元
イメージセンサ−２７゜２８は、マスク２０上のスポッ
ト光とウェハ２１上のスポット光の大きさを検出するた
めの光電変換器である。この一次元イメージセンサ−２
７゜２８によるスポットサイズの検出によって、対物レ
ンズ１９の焦点位置に対するマスク２０とウェハ２１と
の各位置ずれを検出し、そのずれ量に基づいてマスク２
０とウェハ２１とを対物レンズ１９の光軸方向（以下、
Ｚ方向とする）に相対的に移動せざることによって、ス
ポット光をマスク２０とウェハ２１上の各々に正確に合
焦させることができる。これはさらにギャップｇの自動
設定にも利用することができる。

さて、レンズ２５を通ったマスク２０とウェハ２１とか
らの光情報はミラー２９で反射されて、０次光ＤＭｏ、
ＤＷｏをカットし、その他の散乱、回折光を透過する空
間フィルター３０に達する６空間フィルター３０を通っ
た１次以上の回折光は集光レンズ３１によって集光され
て、偏光ハーフプリズム３２に入射する。偏光ハーフプ
リズム３２はその回折光をマスク２０からの回折光ＤＭ
とウェハ２１からの回折光ＤＷとに偏光により分離して
、各々光電検出器３３と３４に導びく。

第５図は空間フィルター３０、集光レンズ３１及び光電
検出器３４の配置と、０次光ＤＷｏと回折光ＤＷとの関
係を示す図である。ここで空間フィルター３０はレンズ
２５の焦点位置に配置される。このため対物レンズ１９
の＠１９ａと空間フィルター３０とは共役になり、空間
フィルター３０上には対物レンズ１９の瞳像が結像する
。

尚、空間フィルター３０としては、対物レンズ１９に逆
入射した光の＠１９ａ上での分布形状に合わせて０次光
カットのための細長い遮光部を設けた透明板でよい。第
１図の光学系の場合、ビームスプリッタ８に入射したレ
ーザ光束のうち、偏光方向のＰ成分はビームスプリッタ
８を透過し、Ｓ成分は反射する。もし、１７２波長板９
．１３がないと、光束ＢＭはＳ成分となり、ミラー１５
で反射された後、ビームスプリッタ１２で反射されずに
透過してしまう、一方、光束ＢＷはＰ成分となり、ミラ
ーｌＯで反射された後、ビームスプリッタ１２で透過せ
ずに反射してしまう。そこで１／２波長板９．１３を入
れて光束ＢＭ、ＢＷの偏光方向をそれぞれ９０°回転さ
せ、第１図のようにビームスプリッタ１２から図中左側
に光束ＢＭ、ＢＷを合成して射出するようにしである。

尚、ビームスプリッタ１２から図中下方に光束ＢＭ、Ｂ
Ｗを合成して射出する場合には、上記１／２波長板９．
１３は不要となる。

次に、対物レンズ１９によって結像されたスポット光と
マスク２０、ウェハ２１の各マークとの関係について、
第６図、第７図に基づ咎説明する。第６図（ａ）は第４
図の拡大図であり、第６図（ｂ）は第３図の拡大図であ
る。第７図は対物レンズ１９の視野１９ｂ内でのスポッ
ト光と各マークの配置を示す。

さて、光束ＢＷはその中心が対物レンズ１９の光軸と一
致するように対物レンズ１９に入射する。光束ＢＷによ
るスリット状のスポット光ＷＳは、マスク２０の透明部
分を通ってウェハ２１上に形成された幅５μｍ、長さ１
００μ■程度の回折格子状パターンのマーク２１ａに結
像される。

一方、光束ＢＭによるスリット状のスポット光ＭＳは、
対物レンズ１９の光軸から水平方向に距ｒ！Ｉｉｄだけ
偏芯した位置に結像し、マスク２０に形成された幅５μ
ｍ、長さ１００μ■程度の格子状パターンのマーク２０
ａに結像される。また、スポット光ＷＳとＭＳの長手方
向は互いに平行となるように定められ、その長手方向は
マーク２０ａ、２１ａの格子の配列方向とも一致してい
る。さらにスポット光ＷＳ、ＭＳの幅はマーク２０ａ、
２１ａの幅とほぼ等しく定められている。そして、スポ
ット光ＷＳ、ＭＳは振動ミラー６によってその長手方向
と直交する方向に同時に振動する。尚、本実施例では、
この振動の振幅は、マーク２０ａ、２１ａの幅と略等し
く定められている。従って本実施例ではマーク２０ａ。

２１ａからの回折光ＤＭ、ＤＷは第６図（ｂ）のように
、スポット光ＭＳ、ＷＳの長手方向に広がるような角度
で対物レンズ１９に逆入射する。尚、スポット光ＭＳ、
ＷＳの幅に対する長さｈを大ぎくすることによって、マ
ーク２０ａとマーク２１ａの位置検出精度が向上する。

これは長さｈが大きいと、回折光が多く生じることにな
り、検出信号のＳ／Ｎが向上するからである。また、マ
スク２０にはマーク２０ａと平行に同様のマーク２０ｂ
が形成されている。このマーク２０ａと２０ｂの間隔は
、対物レンズ１９の開口数とギャップｇとによって決ま
る光束ＢＷの光路を遮へいしないように定められている
。またマーク２０ｂは実際には光電的なマーク検出に寄
与しない、しかしながら、マーク２０ａと２０ｂとの間
隔が２ｄとなるようにマーク２０ｂを設けておけば、目
視で位置合わせする際極めて都合がよい。

また、第１図、第２図において、対物レンズ１９に逆入
射した０次の光束（正反射光）ＤＭｏ。

ＤＷｏ及び回折光ＤＭ、ＤＷのうち、正反射光ＤＭｏ、
ＤＷｏはミラー１８、ハーフミ１７、ビームスプリッタ
１２．８を通って振動ミラー６の反射部６ａに達し、レ
ーザ光源１にバックトークとなって入射してしまう。こ
れは対物レンズ１９がテレセントリック系として使われ
るからである。

そこで本実施例では第９図に示すように、正反射光ＤＭ
ｏ、ＤＷｏが振動ミラー６の透明部６ｂを通るように、
レーザ光源１から帯状光束ＢＭ、ＢＷと正反射光ＤＭｏ
、ＤＷｏとの光路をわずかにずらせる。このために本実
施例では第１．３．４図に示したミラー１８を４５°か
られずかに傾ける。

具体的には、第３図に示したミラー１８の位置を紙面内
でわずかに回転させるようにする。このようにすると、
対物レンズ１９の瞳１９ａの中心を通っていた光束ＢＭ
、ＷＭが第６図（ｂ）の状態から紙面内左右方向にずれ
ると共に、第７図のスポット光ＭＳ、ＷＳが共に視野１
９ｂ内で若干長手方向にシフトする。しかしながらこの
シフトはスポット光ＭＳ、ＷＳの間隔ｄを変えるもので
はないので、マーク２０ａ、２１ａの検出において何ら
誤差要因とはならず、精度を低下させることはない。本
実施例では、このミラー１８が本発明の変位部材として
機能する。

さらに第６図（ａ）　、　（ｂ）を参照して詳述すると
、対物レンズ１９の瞳１９ａには振動ミラー６上にでき
るスポット光ＳＰ（第８図参照）が再結像される。振動
ミラー６の揺動方向とスポット光ＳＰの長手方向との関
係から明らかなように、対物レンズ１９の瞳１９ａにお
いて光束ＢＭ、ＢＷは揺動方向（走査方向）に延びた帯
状分布になる。また瞳１９ａ上での光束ＢＭ、ＢＷの帯
状分布方向とマスク２０又はウェハ２１上のスリット状
スポット光ＭＳ、又はＷＳの長手方向とが直交すること
は、上述の各光学レンズの配置条件から幾何光学上、明
らかである。

ところで、従来技術と同様に、本実施例でも対物レンズ
１９を用いたレーザ振動走査は、テレセントリックな条
件のもとで行なうことを前提とするが、第３図の状態で
ミラー１８を４５°からずらすと、光束ＢＭ、ＢＷのテ
レセントリックな条件は、第６図（ｂ）の方向について
はくずされるが、第６図（ａ）の方向については保たれ
る。すなわちマーク２０ａ、２１ａの計測方向（スポッ
ト光ＭＳ、ＷＳの短手方向）についてはテレセントリッ
クな条件が保たれ、それと直交する方向についてはテレ
セントリックな条件が故意にくずされることになる。従
って、その条件がくずれている方向（スポット光ＭＳ、
ＷＳの長手方向）に関しては、第９図に示すように、マ
スク２０又はウェハ２１からの正反射光ＤＭｏ、ＢＷｏ
が、光束ＢＭ、ＢＷの光路からずれて振動ミラー６へ戻
ってくることになる。

次に、本実施例によるマーク検出装置（以下、アライメ
ント系と呼ぶ）を備えたマスクとウェハの位置合わせ装
置について、第１０図を参照して説明する。第１０図は
位置合わせ装置の構成を一部ブロック図の形式で示した
模式図である。第１０図において、ベース５０上にはウ
ェハ２１を２次元移動するためのステージ５１が配置さ
れ、ステージ５１は２次元駆動手段５２（以下、ＡＣＴ
５２とする）によってベース５０上をｘｙ平面（図中Ｘ
方向と、これと垂直な方向（紙面表裏方向）によってで
きる面）に沿って移動可能されている。このステージ５
１の座標位置はレーザ干渉計５３によって検出されてい
る。まずステージ５１上にはウェハ２１を載置するとと
もに、ウェハ２１をステージ５１に対して微小回転させ
たり、傾けたり、あるいはｘｙ平面と垂直なＺ軸方向に
上下動させたりするためのウェハホルダ５４が設けられ
ている。これらウェハホルダ５４の各運動はステージ５
１に設けらた駆動部５５によって行なわれる。またウェ
ハホルダ５４上には、第１図〜第９図に示したアライメ
ント系の校正やマスク２０とウェハ２１のギャップｇを
検定するために、マーク２０ａ、２１ａと同様の回折格
子状の基準マーク５６（以下ＦＭ５６とする）が設けら
れている。

一方、ベース５０から延びたコラム５７の先端にはマス
ク２０の位置を調整するための駆動部５８が設けられて
いる。この駆動部５８はマスク５０を保持するマスクホ
ルダ５９を回転させたり、２方向に上下動させたり、あ
るいは、傾かせたりするように動作する。またマスク２
０の上方には前述の対物レンズ１９が位置するように、
アライメント系６０が配置される。アライメント系６０
はマスク２０の上方に出し入れできるように駆動部６１
によって矢印のように移動する。また駆動部６１はその
出し入れの量も検出する。尚、アライメント系６０は第
１図〜第９図全体の構成を含むものとするが、出し入れ
のために対物レンズ１９．ミラー１８．ハーフミラ−１
７，レンズ１６、ミラー２２．及びレンズ２３のみを一
体として移動させるようにしてもよい、検出装置６２は
、アライメント系６０の内、すなわち第１図の校正で一
次元イメージセンサー２７，２８、光電検出器３３．３
４の各光電信号を入力として受けとって、マークの位置
検出や焦点検出を行なう。

また検出装置６２は第１図に示した平行平板ガラスＨＧ
の傾きも制御する。さらにＡＣＴ５２゜レーザ干渉計５
３駆動部５５，５８．６１及び検出装置６２は全体を統
括制御するマイクロ・コンピュータ等の制御手段６３に
よって制御される。

尚、第１０図にはアライメント系が１つしか表わされて
いないが、実際には第１１図のように３つのアライメン
ト系６０ｘ、６０ｙ、６０θがマスク２０のまわりに配
置される。第１１図で丸印で示されたアライメント系Ｂ
ｏｘ、６０ｙ、６０θは各々対物レンズ１９の視野を表
わすものとし、各対物レンズ１９は矢印のようにマスク
２０上に出し入れされる。またこの場合、マスク２０と
しては図中斜線部のようにストリートラインＳＬで区切
られた４つの回路パターン領域ＣＰ（以下チップＣＰと
する）が形成されたもの、いわゆるマルチ・ダイのもの
が使用できる。そして、ストリートラインＳＬ上のマス
ク２０の周辺部には、第７図で示したマーク２０ａ、２
０ｂがアライメント系Ｂｏｘ、６０ｙ、６０θの位置に
対応して３ケ所に設けられている。また、マスク２０上
のマーク２０ａ、２０ｂはマスク２ｏの中心から放射方
向に延びるように定められている。

そして、３ケ所のマーク２０ａ、２０ｂは同時に観察さ
れ、アライメント系６０ｘはマスク２ｏとウェハ２１の
Ｘ方向の位置を検出し、アライメント系ｓｏｙは同様に
Ｘ方向の位置を検出し、アライメント系６０θは６０ｙ
と共にマスク２０及びウェハ２１の回転を検出する。

第１２図は、第１０図中の検出装置６２内に組み込まれ
、マスク２０のマーク２０ａを検出する回路のブロック
図である。尚、ウェハ２１のマーク２１ａの検出もほぼ
同じ構成の回路で行なわれるので説明を省略する。

第１２図において、マーク２０ａからの回折光ＤＭを受
光する光電検出器３３の出力信号はブリアンプ１００に
入力され、ＤＭの光量に応じた電圧信号として出力され
る。プリアンプ１００の出力信号は位相検波回路（ＰＳ
Ｄ）１０１に入力される一方、コンパレータ１０３にも
入力されて基準電圧１０２と比較される。ＰＳＤＩＯＩ
の出力信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０４に入力
され、ＬＰＦ１０４からマーク２０ａとスポット光ＭＳ
との位置ずれに対応した直流レベル信号として出力され
る。

発振器（Ｏ３Ｃ）１０５は同一周波数の矩形波信号Ｓ、
と正弦波信号Ｓ２とを出力し、矩形波信号ＳｌはＰＳＤ
ＩＯＩに基準信号として人力されてプリアンプ１００の
出力信号との位相差の検出に用いられ、正弦波信号Ｓ２
はパワーアンプ１０６で電力増幅されて第１図の振動ミ
ラー６の駆動信号に用いられる。前記ＰＳＤＩＯＩは一
般的には乗算器などで構成することができ、その出力信
号にはリップル（高周波成分）が含まれるためＬＰＦ１
０４で直流レベル信号のみとり出すようにするのは前述
の通りである。

コンパレータ１０３はプリアンプ１００の出力信号と基
準電圧１０２とを比較してスポット光ＭＳとマーク２０
ａが概ね重なったかどうかを判定するものであり、この
結果をもって粗位置合わせに利用可能である。即ち第１
３図（ａ）に示すように、振動ミラー６の振動を止めて
おき、マーク２０ａを駆動部５８等でスポット光ＭＳに
対して走査すると第１３図（ｂ）に示すようにスポット
光ＭＳがマーク２０ａと一致したときに最大の回折光が
発生してプリアンプ１００の出力信号の時間的変化にピ
ークが現れる。これを基準電圧１０２と比較することに
よりコンパレータ１０３は第１３図（Ｃ）に示す様なパ
ルス信号を出力する。

このパルス信号は「Ｈ」レベルである間はスポット光Ｍ
Ｓとマーク２０ａとが概ね重なっていることを示してお
り、これによりラフな位置検出が可能である。尚、プリ
アンプ１００の出力信号をローパスフィルタを介してコ
ンパレータ１０３に入力すれば、振動ミラー６を振動さ
せたままでも同様のラフな位置合わせが果されよう。

次に高精度の位置合わせを行なうためには、振動ミラー
６を振動させたままスポット光ＭＳをマーク２０ａに対
して走査する。このとき振動ミラー６によってスポット
光ＭＳはマーク面において微小振動するが、その振幅は
ほぼマーク２０ａの幅に定められている。この場合のマ
ーク２０ａとスポット光ＭＳの様子および得られる信号
波形を第１４図（ａ）および（ｂ）に示す。すなわち第
１４図（ａ）のようにスポット光ＭＳが微小振動しなが
らマーク２０ａを走査すると、ＬＰＦ１０４の出力信号
は第１４図（ｂ）のようにＳカーブ信号となる。つまり
スポット光ＭＳの中心とマーク２０ａの中心が完全に一
致したときにはプリアンプ１００の出力信号と０３Ｃ１
０５の矩形波信号との位相差が零となる。尚、厳密には
このとぎのプリアンプ１００の出力信号の周波数成分は
０ＳＣ１０５の発振周波数に対しては零となり、ｏｓＣ
１０５の発振周波数の倍の周波数成分だけとなる。さら
にこの場合、マーク２０ａの中心０に対して両側で位相
が反転した波形が得られ、従ってマーク２０ａの中心と
スポット光ＭＳの中心が完全に一致した状態ではＬＰＦ
１０４の出力は茎となり、ずれているときはその方向に
応じてＬＰＦ１０４の出力に正または負の信号が現われ
、この；点合わせを行なうことで極めて正確な位置合わ
せが達成される。

尚、ウェハ２１上のマーク２１ａもスポット光ＷＳによ
る光電検出器３４の出力を全く同様の検出回路で信号処
理することで検出される。

また検出装置６２として第１５図の回路を採用してもよ
い。

第１５図は第１２図の回路を変形したものであり、第１
２図と同様の作用、効果を有するブロックには同一の番
号をつけである。ただし、第１５図の回路はウェハ２１
からの回折光ＤＷを検出するのに適した実施例である。

さて、第１５図の回路で第１２図と異なる点は、プリア
ンプ１００の出力信号がローパスフィルタ（ＬＰＦ）２
００に入力された後、コンパレータ１０３に印加される
点である。コンパレータ２０１にはＬＰＦ１０４の出力
信号を入力して、ＰＳＤＩ　Ｏ１からのＳカーブ信号の
零クロス点を検出する。アンドゲート２０２はコンパレ
ータ１０３とコンパレータ２０１の出力信号を入力して
、ウェハ２１上のマーク２１ａの中心とスポット光ＷＳ
の振動中心とが一致したときに検出パルス信号を出力す
る。カウンタ２０４は第１０図の制御手段６３中に設け
られ、レーザ干渉計５３から得られる干渉縞を計数する
とともに、アンドゲート２０２からの検出パルス信号の
立上りでの計数値をラッチして出力する。

さて、このような構成で微小振動するスポット光ＷＳに
対してステージ５１を移動させ、第１６図（ａ）のよう
に、マーク２１ａを矢印のように走査すると、ＬＰＦ１
０４は第１６図（ｂ）のようにＳカーブ信号を出力する
。一方ＬＰＦ２００は第１６図（Ｃ）のようなピーク信
号を出力し、コンパレータ１０３の出力信号は基準レベ
ル１０２と比較されて、第１６図（ｄ）のようなパルス
信号となる。またコンパレータ２０１は第１６図（ｅ）
のようにＳカーブ信号の正極性のみハイ・レベルとなる
パルス信号を出力する。従ってアンド・ゲート２０２は
第１６図（ｆ）のようなパルス信号を出力し、その立上
りはＳカーブ信号の零クロス点あるいは、ＬＰＦ２００
のピーク信号の最大点に一致している。このように、ア
ンド・ゲート２０２の検出パルス信号の立上りでカウン
タ２０４の計数値をラッチすると、スポット光ＷＳの振
動中心とマーク２１ａの中心とが一致したときのステー
ジ５１の位置、すなわちマーク２１ａの位置が求められ
る。その後、ラッチした計数値になるようにステージ５
１を戻せば、正確なアライメントが達成される。この検
出回路によればスポット光ＷＳに対してマーク２１ａを
ステージ５１の走査によって一度通過させるだけで、後
はレーザ干渉計５３の計測値によって位置合わせができ
るから、高速のアライメントが可能となる。この場合、
ステージ５１が本発明の走査手段に相当する。さらに、
ＰＳＤＩＯＩのＳカーブ信号の７クロス点のパルス信号
と、回折光ＤＷの光強度に対応したパルス信号とのアン
ドによって、マーク２１ａの中心の位置を検出している
ため、ステージ５１を走査するとき、ことさら等速度に
移動させなくても正確な位置検出ができる。

もちろん、この方式はウェハ２１上のマーク２１ａの検
出のみに有効なのではなく％ＦＭ５６を用いた２つのス
ポット光ＭＳ、ＷＳの調整の際にも極めて有効である。

尚、本発明の実施例では、第７図のように２つのスポッ
ト光ＭＳ、ＷＳが対物レンズの視野１９ｂ内で平行に並
ぶように位置させた場合を述べている。しかしながら、
マスク２０とウェハ２１との一方向の位置決めのために
は２つのスポット光ＭＳ、ＷＳは単に長手方向が一致し
さえすればよいから、例えば第１７図（ａ）のように、
２つのスポット光ＭＳ、ＷＳの中心が一直線上になるよ
うにしてもよく、また第１７図（ｂ）のように−直線上
の位置から左右（長手方向と直交する方向）にずらして
もよい。もちろん、アライメント用の各マークは、この
スポット光ＭＳ、ＷＳの位置に合わせて、マスク２０上
やウェハ２１上に設けておけばよい、このような場合で
もレーザ光源に対するバックトーク防止は、先の説明と
同じ考え方で実現される。

さらにマスク上、又はウェハ上に形成されるスポット光
はスリット状に限らず円形であってもよいことは述べる
までもない。

［発明の効果］以上、本発明によればテレセントリックな条件で対物光
学系を介して物体上にレーザ光を照射し、物体上のマー
ク等のパターンを検出する際、レーザ光の物体からの正
反射光がレーザ光源まで戻ってバックトークになること
が防止される。このため、レーザ光源の発振が安定し、
物体上を照射するレーザ光強度が一定に保たれ、従って
パターンからの散乱、回折光の光電検出信号も安定する
といった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るマークパターン検出装置
の光学系を示す光路図、第２図、第３図、第４図、およ
び第５図はそれぞれ第１図中の要部の部分光路図、第６
図（ａ）は第４図を拡大して示した光路図、第６図（ｂ
）は第３図を拡大して示した光路図、第７図は対物レン
ズの視野内でのスポット光とマークの位置関係を示す説
明図、第８図は振動ミラ一部分での光束の様子を示す模
式説明図、第９図はレーザ光源へのパックトーク防止の
ための振動ミラーの工夫を示す模式説明図、第１０図は
マーク検出装置を組み込んだ露光装置構成の一例を一部
ブロック図の形式で示す模式図、第１１図はアライメン
ト光学系のマスク、ウェハに対する配置例を示す模式平
面図、第１２図は検出回路の一例を示すブロック図、第
１３図（ａ）は振動ミラーを振動させないで位置合わせ
する際のマークとスポット光との様子を示す模式図、第
１３図（ｂ）　（ｅ）は前図の場合の検出信号を示す波
形図、第１４図（ａ）は振動ミラーを振動させて位置合
わせする際のマークとスポット光との様子を示す模式図
、第１４図（ｂ）は前図の場合の検出信号を示す波形図
、第１５図は別の実施例に係る検出回路のブロック図、
第１６図（ａ）は前図の例による場合の位置合わせにお
けるマークとスポット光との様子を示す模式図、第１６
図（ｂ）　（ｃ）（ｄ）　（ｅ）　（ｆ）は前図の場合
の検出信号を示す波形図、第１７図（ａ）　（ｂ）は対
物レンズ視野内での２つのスポット光の配列のそれぞれ
別の例を示す説明図である。１：レーザ光源、６：振動ミラー　８，１２：ビームス
プリッタ、１１：光路長補正プリズム、１８：バックト
ーク防止用のミラー　１９：対物レンズ、１９　ａ　：
　ｆｉｌ、２０−マスク、２１；ウェハ、２０ａ、２１
ａ：マーク、２７．２８ニ一次元イメージセンサ、３０
：空間フィルター３３．３４：光電検出器、５１：ステ
ージ、５２．５３：ステージ駆動部、５４：ウェハホル
ダ、５５：ウェハ駆動部、５８：マスク駆動部、５９：
マスクホルダ、６０．６０ｘ、　　６ｏｙ。６０θ：アライメント系、６２；検出装置、６３：制御
装置、１００：ブリアンプ、１０１：位相検波器、１０
３．２０１：コンパレータ、１０４．２００：ローパス
フィルタ、１０５：発振器、１０６：パワーアンプ、２
０２：アンドゲート、２０４：カウンタ。／１６囚（の（−ｆｌ）代理人　弁理士　佐　藤　正　年オフ図、！３図、ｆｑ図矛１０図し− 第１１図Ｃ＼

Claims

【特許請求の範囲】

（１）テレセントリック系を成す対物光学系の瞳面とほ
ぼ共役な面内に振れ原点を配した一次元の走査部材と、
該走査部材を介して前記対物光学系の瞳面のほぼ中央に
レーザ光を入射するレーザ光源と、前記対物光学系を通
って物体上に集光されたレーザ光が前記走査部材によっ
て前記物体上のパターンを一次元走査したとき、該パタ
ーンから生じる散乱、回折光を受光する光電検出器とを
備えたパターン検出装置において、前記走査部材から前記対物光学系までの光路中に配置さ
れ、前記対物光学系の瞳面を通るレーザ光を、前記瞳の
中心から前記一次元走査の方向と直交する方向に所定量
だけ変位させる変位部材を設け、前記物体で反射したレ
ーザ光のうち正反射光が前記対物光学系、前記変位部材
、及び前記走査部材を介して前記レーザ光源まで戻るこ
とを防止したことを特徴とするパターン検出装置。
（２）前記走査部材は、前記一次元走査の方向と直交す
る方向に伸びた軸の回りに回動する透明板の一部に反射
面を形成した走査鏡で構成され、該反射面には前記レー
ザ光源からのレーザ光が入射され、前記走査鏡に戻って
くる前記物体からの正反射光が前記走査鏡の反射面から
ずれた透明部に入射するように、前記変位部材を配置し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置
。
（３）所定のパターンが形成された物体の表面に対して
光軸が垂直になるように配置されたテレセントリックな
対物光学系と、レーザ光源からのレーザ光の断面形状を
第１方向に延びた帯状分布に整形すると共に、前記対物
光学系の瞳面のほぼ中央に該帯状分布から位置するよう
に前記レーザ光を前記対物光学系に入射させる照射光学
系とを備え、前記対物光学系によって前記物体上に照射
された前記レーザ光の断面形状は、前記第１方向とほぼ
直交した第２方向に伸びるスリット状に成形され、さら
に該スリット状レーザ光と前記物体とを前記第１方向に相
対的に走査する走査手段と、該走査によつて前記パター
ンから生ずる散乱、回折光を受光する光電検出器とを備
えたパターン検出装置において、前記照射光学系内に配置され、前記対物光学系の瞳面を
通るレーザ光を、前記瞳の中心から前記第２方向に所定
量だけ変位させる変位部材を設け、前記物体で反射した
レーザ光のうち正反射光が前記対物光学系、前記変位部
材、及び前記照射光学系を介して前記レーザ光源まで戻
ることを防止したことを特徴とするパターン検出装置。