JPH0228535A - 位置検出装置及びそれを用いた位置検出方法 - 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
Ｊ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
置合わせに右いては、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おけ
る集光点位置を検出すること等により行フている。

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１７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フている。

第１８図は第１７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フて該ずれ量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ェハ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
各々基準とする位置からのずれ量を求めている。

しかしながら、この方法は例えば検出器を小型化してノ
イズを受けにくくする為、一方向のみの測定を行ないた
いときにも、この方向と垂直な方向にマスク又はウェハ
が移動すれば集光点が測定方向と垂直な方向に移動して
しまう等の問題点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は前述した従来の位置検出装置の欠点を改良し、
即ち第１物体と第２物体が位置検出方向と垂直方向に移
動したとしても第１物体に対する第２物体の位置検出が
装置全体の設計自由度を増し高精度に行なえる測定原理
を有した位置検出装置の提供を目的とする。

本発明は更に第１物体と第２物体の所定方向に沿った相
対移動に関しては検出手段面上で大きく反応し、その反
面性所定方向と垂直方向に沿った相対移動には反応しに
くい又は反応しない光信号が得られ、これによって高鯖
度な位置検出を行うことのできる位置検出装置の提供を
目的とする。

この他、本発明の特徴とする第１物体に対する第２物体
の位置検出に関する構成の特徴は実施例の項において記
載されている。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、第１物体面上に第１物理光学
素子を形成し、該第１物体と対向配置した第２物体面上
に第２物理光学素子を形成する際、該第１．第２物理光
学素子は各々少なくとも一方向に集光又は発散作用を有
しており、かつ該第１．第２物理光学素子のうち少なく
とも一方の物理光学素子は該一方向と垂直方向に該一方
向の集光又は発散に基づく焦点距離ｆ１とは異った焦点
比１１ｆ２の集光又は発散作用を有しており、照明手段
からの光束のうち該第１物理光学素子と該第２物理光学
素子の双方で集光又は発散した光束を検出手段により検
出し、該検出手段からの出力信号を利用して該第１物体
と第２物体との所定方向の相対的位置関係を検出するよ
うにしたことを特徴としている。

例えば本発明に係る該第１．第２物理光学素子のうち一
方の物理光学素子は該一方向と垂直方向に該一方向の集
光又は発散に基づく焦点距離ｆ１とは異った焦点距離ｆ
２の集光又は発散作用を有しており、他方の物理光学素
子は該一方向と垂直方向には集光及び発散作用を有して
いないこと等を特長としている。

（実施例） 次に本発明を第１物体としてマスク、第２物体としてウ
ェハを例にとり、これらの対向方向と垂直方向に沿った
相対的位置ずれの検出を行う場合の一実施例について説
明する。まず位置ずれ検出方法の原理について第１図、
第２図を用いて説明する。

第１図（Ａ）　、　（Ｂ）は各々位置ずれ検出方法を説
明する為の第１の説明図としての側面図と平面図である
。図中、１は不図示の装置に固定設置されたマスク等の
第１物体、２は第１物体１に位置合わせすべきウェハ等
の第２物体、３ｓ、４ｓは各々第１物体１と第２物体２
面上に設けられた第１゜第２物理光学素子（入射波面を
変更する素子で例えば直線等ピツチ格子やフレネルゾー
ンプレートが含まれる。）で、ここではフレネルゾーン
プレート等のグレーティングレンズ（以下「グレーティ
ングレンズ」ともいう。）より成っている。

５は光束で第１物体１の第１物理光学素子３Ｓに平行に
入射している。９は検出手段の検出面であり光束の入射
位置のＸ方向の成分を検出している。

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ｘ、ｙ両方向に等しい集光作用を
有する第１．第２物理光学素子３ｓ、４ｓを設けている
。第１物理光学素、子３ＳＳ先光５を入射させ、それか
らの出射光６を第２物理光学素子４Ｓに入射させている
。そして第２物理光学素子４Ｓからの出射光７をＣＣＤ
ラインセンサー等の検出手段の検出面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上に右いては、光量の重心ずれ
量Δδが生じてくる。

次にこのときの光量の重心ずれ量Δδについて説明する
。

グレーティングレンズ３ｓ、４ｓは第１物体と第２物体
が所定位置から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３Ｓからの出射光の
主光線は位置ずれを起こす前と後ではグレーティングレ
ンズ４ｓ上の入射位置が異なるので出射角も変動し、こ
れにより位置検出用光束７（アライメント光束）の受光
面９上に右ける集光位置が変動する。この集光位置変動
量は位置ずれ量にほぼ比例する。

ここで光束の重心とは光束受光面内において、受光面内
各点のその点からの位置ベクトルにその点の光強度の関
数として限定できる量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Ｏベクトルになる点のことである
。

今、第１物体１に対して第２物体２が例えばＸ方向にΔ
σＸずれており、第２物理光学素子４Ｓから第２物体２
へ入射する光束の集光点（又は発散原点）までの距離を
ａ、第２物理光学素子４Ｓから検出面９までの距離なり
とする。（以下、ａは集光点（発散原点）が物理光学素
子の前側に、ｂは同後側にあるときを各々正とする。）
このとき検出面９上での集光点のＸ方向重心ずれ量Δδ
８は Δδ８　＝ΔσＸｘ　　（−＋　１　）　　　　・＝　
−（ａ）となる。即ち位置ずれ量ΔａＸは（ｂ　／　ａ
　＋　１　）倍に拡大された光束重心ずれ量Δδ８に変
換される。

従って、この重心ずれ量δ８を求めれば第１物体に対す
る第２物体のＸ方向の位置ずれ量Δδ８が（ａ）式より
求められる。

第１図（Ａ）における第１．第２物体１．２の位置関係
を基準とし、第２物体２がこの状態からＸ方向に位置ず
れを起こしたときの検出面９上にあける光束７のＸ方向
の入射位置変化、即ち入射光束のＸ方向の重心ずれ量Δ
δ８を求め、これによって（ａ）式から第２物体のＸ方
向ずれ量ΔａＸが検出される。第１．第２物体が基準位
置関係にある時の光束７の検出面９上への入射位置（基
準位置）は例えばためし焼によって予め求めておく。

ところで第１図に示す方法によりてＸ方向のみの位置ず
れを検出する場合、第１図（Ｂ）に示す様に、第１物体
に対し第２物体がＸ方向にずれても前述と同様の原理、
かつ同じ倍率で光束７はＸ方向に移動する。Ｘ方向のみ
の光束移動検出に用いられる検出器として小型で簡易な
ＣＣＤラインセンサがある。

ＣＣＤラインセンサの素子配列方向なＸ方向にして検出
面９に設置した場合、第２物体がＸ方向に移動すれば光
束７が素子配列方向に垂直な方向に移動し検出面９から
はずれて検出不能状態になってしまう。これを避ける為
には例えば検出面をＸ方向に大きくすれば良いが、この
方法ではノイズの影響を受けやすくなってしまう。

第２図（Ａ）　、　（Ｂ）は位置ずれ検出方法の光学系
の要部の第２の説明図としての側面図と平面図である。

同図に右いて第１図（Ａ）　、　（Ｂ）で示した要素と
同一要素には同符番を付している。

同図において第１物理光学素子３ｃ、第２物理光学素子
４Ｃは各々Ｘ方向の１方向にのみ集光作用を有し、Ｘ方
向には光束を集光も発散もしない様な所謂シリンドリカ
ルレンズとして作用するグレーティングレンズを用いて
いる。

このようなグレーティングレンズとしては、例えば米国
特許第４３１１３８９号公報に示されている様なものが
使用できる。第１物体に対し第２物体がＸ方向に位置ず
れを起こせば第１図（Ａ）と同様の原理で光束７は検出
面９上をＸ方向に移動する。従って第１図（Ａ）、（Ｂ
）と同様ＣＣＤラインセンサ等の検出器９で光束の入射
位置ずれ量を検出する事により第１物体に対する第２物
体の位置ずれが検出できる。これに対し第２物体がＸ方
向に移動した場合、第２図（Ｂ）に示す様にグレーティ
ングレンズ３ｃ、４ｃはこのＸ方向には集光作用も発散
作用も有していない為、グレーティングレンズ４ｃが移
動しても光束はＸ方向には移動しない。従って第１図（
Ａ）　、　（Ｂ）の場合とは異なり、検出器９がＸ方向
に小さな受光面を持つような場合でもＸ方向への第２物
体の移動で光束が受光面に対して動くことはない。しか
し第２図（Ｂ）に示すように光束７はＸ方向に全く集光
されることがないので受光光量のロスが大きい。このと
きの光量のロスを避ける為に検出器９をＸ方向に大型化
すれば前述の如くノイズの問題が発生してくる。

第３図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第１実施例の概略図で
ある。同図（Ａ）は側面図、同図（Ｂ）は平面図である
。本実施例では半導体レーザ等の光源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、第１物体１
に設けた第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Ｘ方向とＸ方向で異なった集光
作用を有した、即ちトーリックレンズの作用を有するグ
レーティングレンズであり、第３図（Ａ）に示す様にｘ
ｚ面内において出射光を第１物理光学素子３ａから焦点
路１１！ｉｆ＋ｘの点Ｑに集光している。そして点Ｑか
ら発散した光束を点Ｑから距離　ａ　ｘの位置に配置し
た第２物体２に設けられている第２物理光学素子４ａ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と同様にＸ方向とＸ方向で異なった集光作用を
有したトーリックレンズの作用を有するグレーティング
レンズであり、ＸＺ面内において第２物理光学素子４ａ
からの出射光を第２物体よりｂ離れた検出ｌＩ８の検出
面９上に集光している。

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。

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に各々前述の構成の第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をＣＣＤラインセン
サやポジションセンサ等の検出器８の検出面９上にｘｚ
面内で集光させている。

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つに応じて検出面９上においては、第１図（Ａ）
、第２図（Ａ）で示したのと同様に光量の重心ずれ量Δ
δつが生じてくる。

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量Δδ
、を求め、これより第１物体１と第２物体２との相対的
な位置ずれ量Δσ８を検出している。

このときの検出方法は第１図（Ａ）、第２図（Ａ）で示
したのと同様である。

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Ｘ方向の相対的な位置関係を検出し
ている。

第３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し、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、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３
ａと同図の様にＸ方向にΔσ８ずれていたとすると検出
面９上での集光点のＸ方向重心ずれ量Δδ８は に拡大さた光束重心ずれ量Δδ８として検出される。

式より明らかのように高精度な位置ずれ検出を行うには
ｂ）ａｘであることが望ましく、具体的にはｂ　／　ａ
　Ｘの値を５０〜４００程度にするのが良い。

尚、第３図（Ｂ）に示すように本実施例の光学系の配置
はＸ方向には光源と受光面とは共役関係になフていない
。

第３図（Ｂ）に示す様にグレーティングレンズ３ａ、４
ａはｙｚ面内においても入射光束を集光して出射させる
作用を有している。このときのｙｚ面内における各グレ
ーティングレンズ３ａ。

４ａの焦点距屡の値はそれぞれｘｚ面内における値と異
なる有限値である。

今、第２物理光学素子から該第２物理光学素子に入射す
る光束の仮想的集光点（グレーティングレンズ４ａが無
い場合に光束６が集光する点）までの距離なａｙ、第２
物理光学素子から検出面９までの距離を前述と同様にｂ
とするとＸ方向に第２物体２がΔσ、ずれた時の光束７
の検出面９上でのＸ方向への重心ずれ量Δδ、は で表わされる。

本実施例ではＩａ、１）ｌａＸＩとし、これによりＸ方
向の第２物体の位置ずれに対する光束重心位置ずれの倍
率をＸ方向よりも小さくしている。

又第３図（Ｂ）に示すように検出面９上に光束７をある
程度集光して入射させることにより検出光量のロスを緩
和し、検出器のＸ方向の小型化を図っている。

この様に本実施例では第１物体と第２物体にトーリック
レンズの作用を有するグレーティングレンズより成る物
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ができるようにしている。

尚、本実施例においてはΔσ、に対するΔδ。

の倍率はＸ方向の起こりうる位置誤差を考慮して検出面
９をＸ方向にはずれない様な倍率にしておけば問題ない
。

又、受光面でのＸ方向の光束径も元の光束径より小さく
すれば光量ロス防止効果がある。

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つの物体間の位置ずれ量Δσ８に
対する検出器８の検出面上での光量の重心ずれ信号Δδ
８との関係を示す特性（例えば比例係数）を予め決めて
おき、重心ずれ信号Δδ８の値から双方の物体間との位
置ずれ量Δσ×求め、そのときの位置ずれ量Δσ８に相
当する量だけ第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Δδ８
から位置ずれ量Δσ８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ずれ量Δ
σ８が許容範囲内になるまで繰り返して行う。

以上のような作用を有する物理光学素子を例えば娠幅型
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４図（Ａ）に示すように平行光束がｘｚ面内での焦点
距離ｆｘ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、光束の集光半角なθとするとゾーンプレートの中
心を通るＸ軸上では、 となる。従って、中心を通るＸ軸上における第ｍＩｘ番
目のゾーンの開口中心からのゾーンプレート半径Ｄ／２
との関係は となる。

又、第４図（Ｂ）に示すように線光源５２からの光束が
ゾーンプレート５１でＸＺ面内において受光面９上に集
光されるような第３図の第２物体２に設けたゾーンプレ
ートの場合には、線光源５２からゾーンプレート５１ま
での距離をａ、ゾーンプレート５１から受光面９までの
距離をｂ、線光源５２からの発散半角なθａ、受光面９
上への光束の集光半角をθｂとすると となる。従って開口中心を通るＸ軸上における第ｍＩＩ
ｘ番目のゾーンの開口中心からのゾーンプレート半径Ｄ
／２との関係は ｍｎｘ””（１了−１） λ となる。

同様にｙ−ｚ面内におけるゾーンプレート５１の焦点距
離をｆ、とすると各ゾーンプレートのｙ軸方向の各々ｍ
Ｉｙ番目、ｍＩＩ、番目のゾーンプレート半径との関係
は（２）　、　（２ａ）式でｆｘをｆ、と置き換えて求
めることができる。

従ってゾーンプレートの２次元的形状は楕円率がｆ、／
ｆ、となる楕円形状のものとすれば良い。

例えばＤ＝１８０μｍ、λ＝　０．８３μｍ　、　ｆ　
ｘ＝１０００μｍ、　ｆ、　＝２５０　μｍ、　ａ＝５
００　μｍ、　ｂ＝５００００μｍ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ｍＩｘ　＝４
．９　、ｍＩ、＝９．８、第２物体２に設けるゾーンプ
レート４ａのゾーン数はｍ　Ｕ、　＝　１０．４．　ｍ
　Ｕ　、　＝　２０．８となる。

尚、本実施例では幾何光学的な主光線のずれ量を便宜上
相対位置ずれ量に比例していると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
重心ずれ量は相対位置ずれ量が極端に大きくなると非線
型性が生じてくる。

この非線型性については、例えば該非線型な関係を記憶
しておき計算時に補正するようにすれば良い。

本実施例では前述のように位置ずれ量の検出方向と直交
する方向に検出方向とは異なるレンズ作用を有するグレ
ーティングレンズを用いている為、検出面９が小型化で
きて検出面９上には不要な散乱光や回折光成分の様なノ
イズが入りにくく、位置ずれ量検出精度は例えば０．０
０５μｍ程度の高精度な位置ずれ検出が可能となる。

一方、位置ずれ量をｙ方向（位置ずれ検出方向と直交方
向）に２０μｍ与えても、検出面９上では光束重心位置
が例えば４１μｍといった小さな重心位置移動しかない
ように構成し、前述した効果を得ている。

尚、本実施例では第１物理光学素子３ａに平行光束を垂
直入射させた場合を示したが、収斂光束や発散光束を入
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５図、第６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５図の第２実施例では第１物理光学素
子３ｂはｘｚ面内に右いて発散作用を有するグレーティ
ングレンズであり、第２物理光学素子４ｂはｘｚ面内に
おいて集光作用を有するグレーティングレンズである。

これにより所謂凹凸系を構成している。ｙｚ面内におけ
る集光状態は第３図（Ｂ）と同様である。

尚、重心ずれ量Δδ８に対する位置ずれ量σ８との関係
は前述した（１）式と同様である。

第６図の第３実施例では第１物理光学素子３ｄはｘｚ面
内において集光作用を有するグレーティングレンズであ
り、第２物理光学素子４ｄはｘｚ面内において発散作用
を有するグレーティングレンズである。

これによりｘｚ面内において所謂凸凹系を構成している
。ｙｚ面内における集光状態は第３図（Ｂ）と同様であ
る。

本実施例では第２物体の基準位置からの位置ずれ量Δσ
Ｃに対する検出面９上の光量の重心ずれ量ΔδＣは となる。

本実施例における物理光学素子の凹レンズ、凸レンズの
区別は正の次数の回折光を用いるか、負の次数の回折光
を使うかで決めている。

第２．第３実施例においても第１実施例と同様に位置ず
れ量検出方向と直交する方向は各々焦点距離の異なるア
ライメントマークを用い、これにより第１実施例と同様
に検出面上で散乱光や不要回折光のない高精度の位置ず
れ検出を行うことができる。

又、位置ずれ量検出方向と直交する方向、即ち紙面に垂
直方向には位置ずれに対する倍率感度は小さく例えば２
倍程度となるように設定することができる。

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３図に示す凸画系が良い。又、逆に開
口に比較して間隔が小さい場合は第５図に示す凹凸系、
又は第６図に示す凸凹系が良い。

更に第５．第６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５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６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７図は本発明の第４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７図において第３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、Ｍはマスク、Ｗ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。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。

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。

尚、１０は半導体レーザー　Ｈ，−Ｎ８レーザー　Ａ、
レーザー等の光源でコヒーレントな光束、又は発光ダイ
オード等からのインコヒーレントな光束を発生する。

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と八−フミラー１２とを通
過させた後、検出面９上に集光している。

第７図の第４実施例は原理的には、第３図（Ａ）。

（Ｂ）に示した構成においてグレーティングレンズ４ａ
を反射型にしてグレーティングレンズ４ａより図面右側
の光束７と検出器８を図面左側に折り返したのと同様の
構成をとっている。従ってウェハＷがＸ方向に位置ずれ
を発生したときの光束のＸ方向重心すれとそれに基づく
位置ずれ検出の方法及びウェハＷがＸ方向に移動した際
の光束のＸ方向ずれの状態等は第３図の第１実施例と同
様である。

本実施例ではＸ方向の位置ずれを検出後、不図示のウェ
ハ駆動機構によりウェハＷをＸ方向に位置ずれ補正移動
させてマスクＭとウェハＷを位置合わせする。

第８図は本発明の第５実施例の要部概略図である。同図
において第７図に示す要素と同一要素には同符番な付し
ている。

本実施例ではウェハＷ及びマスクＭ面上のアライメント
マーク４Ｗ、３Ｍは各々ウェハＷ及びマスクＭ面上のス
クライブライン１０１上に配置されている。１０２は不
図示のアライメント用ヘッド内の半導体レーザー　Ｈｌ
ｌ−Ｎ６レーザー　Ａｒレーザー等の光源からのコヒー
レントな光束、又は発光ダイオード等からのインコヒー
レントな光束である。

同図においては光束１０２がマスクＭ面上に所定の角度
で一人射し、マスクＭ及びウェハＷ面上のアライメント
マーク３Ｍ、４Ｗで回折後、信号光として１次元のＣＯ
Ｄ等から成る検出面９上に入射する主光線の光路を示し
ている。

本実施例では位置合わせをスクライプライン１０１の長
手方向（Ｘ方向）に設定している。

次に本実施例におけるアライメントマーク３Ｍ、４Ｗに
ついて説明する。

アライメントマーク３Ｍ、４Ｗは所定の焦点距離を有す
る所謂フレネルゾーンプレート（或はグレーティングレ
ンズ）であり、このうちアライメントマーク３Ｍは所定
の入射角で斜めに投射されたアライメント光がグレーテ
ィングレンズの作用をうけて収束（或は発散）光となり
、そのマスクＭからの出射光の主光線がマスク面の法線
に対１ノて所定の角度をなすように設定されている。

但し、本実施例ではスクライプライン長手方向（Ｘ方向
）と、それと直交する方向（Ｘ方向）とは第４実施例と
同様具なったレンズ作用を有している。

本実施例においては、例えばアライメント光の入射角は
マスク面Ｍの法線に対してｙｚ面内で１０°、又、入射
光のマスク面Ｍへの射影成分はスクライプライン方向と
直交している（即ちＸ方向と一致している）。

アライメントパターン３Ｍを透過回折した光束はウェハ
が無いと仮想した場合ウェハＷ面上の鉛直下方に例えば
ｘｚ面内では２３８．０μｍ、ｙｚ面内では２０．１０
７ｍｍの位置で線状に集光させている。

このときｘｚ面内の焦点距離は２６８μｍである。

但し、このときマスクＭとウェハＷとの間隔は３０μｍ
、アライメントマーク３Ｍ、４Ｗの寸法はスクライブラ
イン方向に各々２８０μｍ、スクライプライン幅方向に
各々７０μｍとなっている。

アライメントマーク４Ｗはウェハ面Ｗ上の信号光用グレ
ーティングレンズで、ＸＺ面内においてマスク面Ｍを透
過回折した収束（発散でも良い）光が、ウェハ面Ｗ上の
アライメントマーク４Ｗにより更に凹（凸でも良い）レ
ンズ作用をうけて、センサ９上の所定の位置に集光する
ように設定されている。例えば本実施例においては、ア
ライメントパターン４Ｗのグレーティングパターンはマ
スクＭとウェハＷの位置ずれが０のとき、従ってアライ
メントマーク３Ｍ、４Ｗが共軸系をなしたとき、ウェハ
面Ｗ上のアライメントマーク４Ｗからのアライメント光
の出射角はウェハ面Ｗの法線に対し５０　かつスクライ
プライン方向と直交し、センサ９上では位置ずれ検出方
向（Ｘ方向）に集光し、それと直交する方向には帯状に
広がったスポットがセンサの中心近傍に入るように設定
されている。

以上のようにマスクＭ、及びウェハＷ上のアライメント
マーク３Ｍ、４Ｗは光束重心位置検出センサの位置ずれ
検出方向、即ちスクライプライン方向にはレンズ作用が
あるが、それと直交する方向には前述の実施例同様具な
る焦点距離を有するレンズ作用をもつグレーティング素
子より構成されている。

ここに位置ずれ検出方向（即ち、スクライプライン長手
方向）の焦点距離は、マスク用のグレーティングレンズ
が２６８μｍの凸のパワー　ウェハ用のグレーティング
レンズが２７９μｍで凹のパワーを発生する。一方位置
ずれ検出方向と直交する方向Ｘ方向には焦点距離がマス
ク用のグレーティングレンズが２ｍｍの凸のパワー　ウ
ェハ用のグレーティングレンズが−２，２ｍｍの凹のパ
ワーを発生する。

このようなグレーティングレンズの一般的なパターン例
を第９図に示す。

第９図に示すパターンはＸ方向に所定の焦点距離のレン
ズ作用をもち、Ｘ方向にはＸ方向とは異なった焦点距離
を有し、かつ回折次数に応じて光束の主光線を一定の角
度で偏向させる作用をもつ。

このパターンは、任意のｘｚ断面内では格子のピッチの
分布が本実施例と同じｘｚ面内焦点距離を有するフレネ
ルゾーンプレートのピッチの分布に対応しており、又ｙ
ｚ断面内では本実施例レンズのＸ方向焦点距離と同じで
所定の位置に結像するオフアクシス型フレネルゾーンプ
レートのピッチの分布に対応している。

次に本実施例におけるアライメントマーク３Ｍ、４Ｗ（
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、マスク用のアライメントマーク３Ｍは所定のビー
ム径の平行光束が所定の角度で入射し、所定の位置に線
状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９図のように
マスクＭ面上の座標系を定める。ここに原点はスクライ
プ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Ｍ面の法線方向に２軸をとる。

マスク面Ｍの法線に対しｙｚ面内でαの角度で、その射
影成分がスクライプライン方向（Ｘ方向）と直交する平
行光束がマスク上の任意の点（ｘ　＊　ｙ　。

０）に入射するものとする。

ここでマスク上アライメントマーク３Ｍは、ｘｚ面内で
焦点距！１ｚ＋、ｙｚ面内で焦点距離ｚ２　　（ｚ、≠
Ｚ２）を有するものとする。入射平行光束はアライメン
トマーク３Ｍを透過回折後、ｘｚ面内で（ｘｌ　、　３
／ＡＩ　Ｚｌ　）の位置（ｘｌ。

２、は定数）で集光し、一方ｙｚ面内では（ｘＡ　、　
３／２　、　Ｚ２　）の位置（３’２１２２は定数）で
集光するようなグレーティングレンズパターン（ｘ、ｙ
）の曲線群の設計方程式は（４）式のようになる。

ｙｓｉｎ　ａ　　＋Ｐ、（ｘ、ｙ）−Ｐ２（ｙ）＝ｍλ
／　２−　（４）Ｐ＋（ｘ、ｙ）＝　　（Ｘ−Ｘ＋）２
”　（３／−ｙＡ　）”　”　ＺＩ２Ｐ２（Ｙ）　　＝
　　Ｘ＋”　　”３’＋　”　”　Ｚｌ”ｙＡ　＝’／
ｌ＋　１２２″′ｚ：冒ｙ３’　　＋　　　　　　　　
Ｙ　２ （ｚ＋　　≠０．ｚ２　　≠Ｏ） ここにλは波長、総輪帯数をｎとすると、ｍは１から２
ｎまでの整数値をとる。

主光線を角度αで入射し、マスク面間上の原点を通り、
集光点（ｘｌ　＋　ｙ＋　Ｉ　Ｚｌ　）に達する光線と
すると（４）式の左辺は主光線の光路に対し、マスクＭ
上の点（ｘ、ｙ、０）を通り点（Ｘ、。

ｙＡ、ｚｌ）に到達する光線の光路長との差を表わし、
（４）式は結局、光路長の差が波長のｍ７２倍となるこ
とを示す。

一方、ウェハＷ上のグレーティングレンズ４ｗは入射光
がＸ方向とｙ方向とで異なるパワー（発散・収束角）を
有する波面であるとして設計され、マスクＭ上グレーテ
ィングレンズと同様にＸ方向とｙ方向とでそれぞれ異な
る焦点距離を有するグレーティングレンズである。

ｘｚ面内とｙｚ面内とで異なる集光位置（又は発散原点
位置）を有する波面の光束がウェハ上グレーティングレ
ンズ４Ｗに入射し、該レンズのｘｚ面内、ｙｚ面内で異
なる集光（又は発散）の作用をつけたのち、ｚ＝ｚ３　
、ｚ＝ｚ４の各平面上でそれぞれＸ方向、Ｙ方向に集光
する場合を以下に示す。

入射光束が（Ｘ＋　、３’Ａ、Ｚｌ　）に位置するｙ方
向に平行な線状光源（Ｘ　ｌ　＋　Ｚ　Ｉは定数）と、
（ＸＡ、ｙ２．Ｚｌ）に位置するＸ方向に平行な線状光
源（Ｘ２　＋　２２は定数）とを仮想光源とするような
上記波面がグレーティングレンズ４Ｗに入射し、ｘｚ面
内で（Ｘ３ｒ　ｙＢ　＊　Ｚａ　）　、！／　２面内で
（ｘＢ、ｙ４．ｚ４）の各位置で集光するように設計す
るとグレーティングレンズの曲線群の方程式は（５）式
のように表わされる。

−Ｘ＋２　　　”　　３’＋２　　”　　Ｚｌ　２λＦ
７−石ｐ］ゴ７ ＝　　　ｍ入／　２ ここに ・−−−−−−−−（５） ｙＡ　＝ｙｌ ＋ １２、−ｚ。

ｘＡ ＝ｘ１ ＋ １２−＝：“ （汁＝汁） ｘＢ　＝ｘ３＋［”−、、ｚ３１　ｘ である。

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の振幅型の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
の位相格子バターンとして作成される。　（４）　、　
（５）式に右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Ｍ
上のグレーティングレンズ３Ｍ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Ｗ上のグレーティン
グレンズ４Ｗ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。

第９図はこのようにして設計されたグレーティングレン
ズパターンを示している。

マスクＭ上のグレーティングレンズ３Ｍ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、ウェハ上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。尚、形成法は
特にこれに限定されない。

本実施例ではスクライプライン方向にレンズパワーな大
きくもたせた結果、グレーティングの数が多くとれるの
でグレーティングレンズとしての集光効率が良く、スク
ライプラインの幅方向にレンズパワーをもたせて位置ず
れ検出に使う場合に比べて向上させることができる。

又、位置ずれ量の検出方向と直交方向には倍率を５倍と
小さくし、焦点距離を比較的長いアライメントマークを
用いることによりセンサ上で散乱、不要回折光成分が少
なくなり、又位置検出方向と直交方向に２０μｍ程度の
位置ずれがあってもセンサから、はみ出さないように設
定している。

又、センサ上のアライメント光束の径もピークレベルに
対し、１／ｅ２となるところの大きさで評価すると最大
４００μｍに抑えられている。この結果、センサ上の単
位面積あたりの光量が増し、センサ信号のＳ／Ｎが向上
して、位置ずれ検出積度も位置ずれ検出方向と直交する
方向にはレンズ作用のない場合に比べて向上できる。

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
以って位置ずれ量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７図の第４実施例のようにマスク上のスクライブ
ライン方向（Ｘ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
の短手方向なＸ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。このようにウニハトのアライメン
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。

第１０図は本発明の第６実施例の概略図である。同図（
Ａ）　、　（Ｂ）は各々Ｘ方向とＸ方向の直交断面より
透視した概略図である。同図においては位置ずれ検出方
向に直交する方向のグレーティングレンズパワーの組合
わせが、位置ずれ検出方向と異なるものである。

即ち本実施例では第１物理光学素子は位置ずれ検出方向
（Ｘ方向）にはａＸ十ｇの焦点距離をもつ凸レンズ作用
、位置ずれ検出方向に直交する方向（Ｘ方向）には、−
（ａｙ−ｇ）の焦点距離をもつ凹レンズ作用がある。又
、第２物理光学素子は位置ずれ検出方向に−（１／ａｘ
　）＋　（１／ｂｘ　）＝−（１／ｆｘ　）を満たす焦
点距離−ｆｘの凹レンズ作用、Ｘ方向にはＣ１／ａＶ　
）＋（１／ｂ、）＝　（Ｌ／ｆ、）を満たす焦点距離ｆ
、の凸レンズ作用をもつものである。

このとき開口に比べて間隔が小さく、かつ半導体露光装
置におけるマスク及びウェハ上のスクライプライン上の
マークのようにスクライブライン方向に開口径を大きく
とることでかでき、その直交方向には開口径を大きくと
れない場合には、スクライブライン方向には凹のパワー
（第１物理光学素子）と凸のパワー（第２物理光学素子
）、スクライプラインの幅方向には凸のパワー（第１物
理光学素子）と凹のパワー（第２物理光学素子）のレン
ズ作用の組み合わせとなる物理光学素子の組み合わせが
適当である。

従って、スクライプライン方向に位置ずれを検出するか
、スクライプライン幅方向に位置ずれを検出するかによ
って、それぞれの方向の凹のパワーと凸のパワーの組み
合わせを選択することが可能である。

第１０図では第１物理光学素子及び第２物理光学素子は
共に透過型の物理光学素子で示したが、半導体露光装置
に用いる場合は、第２物理光学素子（ウェハ上物理光学
素子）を反射型の物理光学素子より構成している。例え
ば、位置合わせ用マークのスクライプライン方向の大き
さが２５０μｍ、スクライプライン幅方向の大きさが６
０μｍ、マスクとウニへ間のギャップが３０μｍである
ようなプロキシミティの露光装置では、スクライプライ
ン方向にはマスク上のレンズ素子は凹パワーで焦点距離
−２６８μｍ１ウエハ上のレンズ素子は凸パワーで焦点
距離は２７９μｍとなるように設計し、又、スクライプ
ライン幅方向にはマスク上のレンズは凸パワーで焦点距
離３．０ｍ■、ウェハ上のレンズ素子は凹パワーで焦点
距離−３，２ｍｓとなるように設定している。

第１１図に示す第７実施例は所謂凸凹系の凸レンズ、凸
面鏡型に相当するマークを用いている。

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上部にマスター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の位置合わせな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ｘｚ面内において点Ｑ
へ集光する凸レンズ作用を持っている。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ｘｚ面内において検出面９上へ結像する凸面
鏡の作用を持っている。

このような配置のもとで、マスクＭに対しウェハＷがＸ
方向にΔａＷ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ΔδＷはとなる。ｙｚ面内に関して
は第７図の第４実施例と同様である。

第１２図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明の第８実施例を説
明する概略図である。第１２図（Ａ）は側面図、第１４
図（Ｂ）は平面図である。

本実施例においては第１物体１上のグレーティングレン
ズ１０３Ｍはｘｚ面内においては入射光束５を集光して
出射する焦点距離ｆ＋Ｘ（＞０）の凸レンズとして作用
する。又ｙｚ面内においては光束５を発散出射する焦点
距離ｆ＋ｙ（＜ｏ）の凹レンズとして作用する。又第２
物体２上のグレーティングレンズ１０４ＷはＸＺ面内と
ｙｚ面内とで異なる距離離れた発散原点から発散して入
射する光束６を出射光束７として、いずれの面内におい
ても検出面９上に集光させる様に各面内での焦点距離を
各々設定しであるトーリックレンズとして作用する。こ
のときの第１．第２物体間のギャップなｇ１グレーティ
ングレンズ１０４Ｗから検出面９までの距離なりとする
。

本実施例ではグレーティングレンズ１０４Ｗにより光束
が検出面９上でｘｚ面、ｙ’ｚ面両面内面内いて最も集
光してスポットを形成する様にして、これにより信号光
の受光効率を高めている。

ここでｘｚ面内では第１物体１と第２物体２の相対的ず
れ量を感度良く検出する為にグレーティングレンズ！０
４Ｗは集光部Ｑの検出面９への結像倍率を大きくした拡
大系となるようにしている。即ちｂ）ａ、としている。

本実施例においても前述したように（１）式が成立する
。

従って（１）式の右辺カッコ内を例えば１００とすれば
第１物体１と第２物体２のＸ方向に相対的位置ずれΔσ
８は０．０１μｍとしても検出面９上では１μｍのスポ
ットの変化として検出できる。このようにしてＸ方向の
第２物体の変移量を高精度に検出している。尚、このと
きの検出方法については前述と同様である。

一方、これに直交するｙｚ断面内も同様に検出面９上の
Ｘ方向のスポット変化をΔδ７、第２物体２のＸ方向の
変化量をΔσ、とすると前述と同様に となる、同図に示す状態でａ、の値を例えばｂと同じに
するとΔδ、＝２Δσ、となり、第２物体２の変位が仮
りに１０μｍあっても検出面９上では２０μｍの変位に
おさえることができる。

このようにして本実施例では検出面９から光束７がはず
れにくくなるようにしている。

ここで（６）式においてＢ、＝ｏｏ（即ち第１物理光学
素子をｙｚ面内でノーパワー）とすると（６）式よりΔ
δ、＝Δσ、となりσ、に対してΔδ。

は前述の場合より更に小さい構成が達成できる。

これは即ち、第１物体１のグレーティングレンズがｙｚ
面内でパワーを持たない、所謂シリンドリカルレンズの
作用をする場合を示している。この場合の実施例を第９
実施例として第１３図（Ａ）。

（Ｂ）に示す。同図（＾）、（Ｂ）はそれぞれ側面図、
平面図である。同図において１１３Ｍ、１１４ＷはＸＺ
面内でそれぞれ第１２図のグレーティングレンズ１０３
Ｍ、１０４Ｗと同じ作用をするグレーティングレンズで
ある。ただし、グレーティングレンズ１１３Ｍは萌述の
様にｙｚ面内では集光作用と発散作用のいずれも有して
いない。

又グレーティングレンズ１１４Ｗはｙｚ面内で集光も発
散もされずに入射した光束６を検出面上に集光する光束
７として出射する。この場合、先程説明した様にスポッ
ト変化量Δδ、はずれ量Δσ、にしかならず、従って第
２物体２がＸ方向に移動しても検出面９上では光束７の
スポットはＸ方向にほとんど変位しない。

従って本実施例では検出面９から光束７がＸ方向にずれ
る事をほとんど考慮しなくて良い。又、ｘｚ、ｙｚ両面
内で光束７は検出面９上に集光しているので受光効率が
良いという特長を有している。

ここでグレーティングレンズ１１３Ｍのパターンはグレ
ーティングレンズ１１３Ｍ上の中心点を原点とすると以
下の様に与えられる。まずグレーティングレンズ１１３
Ｍのパターンは Ｙ　ｓｉｎθ＋　　＋ｐｌ（ｘ）　　Ｐ２＝ｍλ／２ｐ
＋（ｘ）　　＝　（（Ｘ−ＸＩ）２＋　Ｚｌ’）　Ｉ／
２ｐ２＝　（×、２　４　ｚ、２　）　Ｉ／２により与
えられる。ここでλは光束の光の波長、ｍは任意の整数
、Ｐ２は原点からグレーティングレンズ１１３ＭのＸＺ
面内での集光点までの距離を意味し、この集光点の座標
は（ｘ、、ｙＡ　。

ｚ、）で表わされる。ｇは第１．第２物体間のギャップ
、θ１は光束５の入射角である。

次にグレーティングレンズ１１４Ｗのパターンについて
述べる。同様にレンズ１１４Ｗの中心を原点とする。

円筒波を発生する線状光源の各点の位置はマスクＭとウ
ェハＷのギャップをｇとあくと（ｘ＋　。

ｙＡ、ｚ＋　　ｇ）と表わされる（ｘ＋　ｌ　　Ｚｌは
定数）。ウェハ上のグレーティングレンズを出射した光
束の集光位置なＸ方向に（Ｘ３　、　ｙＢｚ３）、Ｘ方
向に（ＸＢ、ｙ４．Ｚ４）とする。

ここにｘＢ、ｙＢはウェハ上のグレーティングレンズ上
の位置（ｘ、ｙ、−ｇ）を通り、例えば１次で回折した
光束がそれぞれｚ＝ｚ３　、Ｚ＝２４面に到達する位置
を表わす。このときの設計方程式を（７）式に示す。

＝　ｍ入／　２　　　　　　　　　　　　　　・・・・
・・・−（７）ここにλ、ｍの定義は餌式と同様である
。

（Ｚ３≠０、Ｚ４≠０） また ここで本実施例ではＺ３＝Ｚ４より ｙｆｌ　＝ｙ３　　、　　ｘＢ　＝Ｘ３従って（７）式
は以下のようになる。

二　ｍ入／　２ この式が本実施例におけるグレーティングレンズ１１４
Ｗのパターンを表わしている。

第１４図は本発明の第１０実施例の要部概略図である。

同図（Ａ）　、　（Ｂ）は各々側面図、正面図である。

本実施例においては前述の（６）式に右いて−ａ、＝ｂ
とすると右辺が０になり、任意のΔσ、に対してΔδア
は０となる。即ち第２物体がｙ方向に移動しても検出面
９上のスポットはグレーティングレンズ１２４Ｗのｙｚ
平面内での焦点距離にかかわらず全く移動しない。

第１４図はこのときの状態を具体的に示している。グレ
ーティングレンズ１２３Ｍ、１２４Ｗのｘｚ面内での（
集光）作用は第１２図のグレーティングレンズ１０３Ｍ
、１０４Ｗと同じである。グレーティングレンズ１２４
Ｗは゛ｙｚｙｚ面内パワーを有していない。即ちシリン
ドリカルレンズ作用を有する。又グレーティングレンズ
１２３Ｍはｙｚ面内の焦点距離をｆ、とするとｆ、＝ｇ
＋ｂである凸レンズとして作用する。この状態では前述
の様に第２物体のｙ方向移動が発生しても検出面上のス
ポットはｙ方向にずれない。又ここでは検出面上で最も
集光させているので受光効率が良いのは第１３図の第９
実施例と同様である。尚、本実施例においてグレーティ
ングレンズ１２４Ｗは検出面上である程度集光させるパ
ワーを有していても良い。

次に本実施例のグレーティングレンズ１２３Ｍのパター
ンについて説明する。

グレーティングレンズ１２３Ｍの中心を原点とし、第１
物体面Ｍの法線に対してｙｚ面内でαの角度で、その射
影成分がｙ方向と一致する平行光束が第１物体上の任意
の点（ｘ、ｙ、０）に入射するものとし、アライメント
マーク１２３Ｍはｘｚ面内で焦点距離ｚｌ、ｙｚ面内で
焦点距離ｚ２　　（ｚ、≠Ｚ２）を存するものとする。

入射平行光束はアライメントマーク１２３Ｍを透過回折
後、ｘｚ面内で（ｘ＋　、ｙＡ、ｚｌ）の位置（ＸＩ　
＋　Ｚｌは定数）で集光し、一方ｙｚ面内では（ＸＡ、
３’２１２２　）の位置（Ｘ２　＋　２２は定数）で集
光するようなグレーティングレンズパターン（ｘ、ｙ）
の曲線群の設計方程式は次式のようになる。

ｙｓｉｎ　ａ　　　Ｐｌ（ｘ、ｙ）　　Ｐｚ（ｙ）＝ｍ
λ／２Ｐ＋（ｘ、ｙ）＝　　　　　（Ｘ−ＸＩ）”　　
　　”　　　（ｙ−ＶＡ　　）　２　”　　Ｚｌ　２Ｐ
２（ｙ）　　＝Ｖ富　＋　ｙ、２　＋　ｚ、２：／ｒ　
　　　　　　　：Ｊ２ （ｚ、　　≠０　　、ｚ２　≠０） ここにλは波長、総輪帯数をｎとするとｍは１から２ｎ
までの整数値をとる。

一方、グレーティングレンズ１２４Ｗは次のように設定
されている。第１物体１と第２物体２の設定距離なｇと
し、原点とし、レンズ１２４Ｗの中心とすると、グレー
ティングレンズ１２４Ｗに対する物点が（ｘ＋　、ｙＡ
　、ｚｌ−ｇ）である為 （（Ｘ−Ｘ、）　”　　◆　ｚ２２）Ｉ／２’−（（Ｘ
−ＸＩ）２　”　　（Ｚｌ−ｇ）２　）”２　＋　ｙｓ
ｉｎ　　θ２＝　　（×２２　　、　　ｚ、２）＋１２
−　　（×、２　　、　　ｚ、２）　　　Ｉ／２　　　
＋　　＠　λ／　　２により与えられる。ここで位置ず
れ０の時の光検出器８上の像点の座標を（Ｘ２．ｙＡ、
Ｚｌ）としである。

グレーティングレンズ１２４Ｗに入射する光束はｙｚ面
内ですでにグレーティングレンズ１２３Ｍで集光されて
おり、結果として出射光束７は（Ｘ２　＋　３’２　＋
　２２　）で集光する。

また、θ２はレンズ１２４Ｗからのｙｚ面内の主光線射
出角を示す。

第１５図は本発明の第１１実施例の要部概略図である。

本実施例のような位置検出装置において半導体レーザー
等の非点収差を有する光源からの光束を用いる場合、グ
レーティングレンズ１３３Ｍに入射する光束５はｘｚ面
内とｙｚ面内で集光発散状態が異なっている。即ち第１
物理光学素子に対するそれぞれの面の物体距離５つ。

Ｓｙが互いに異なる値となる。

本実施例においてはグレーティングレンズ１３３Ｍと１
３４Ｗのｘｚ面内とｙｚ面内でそれぞれのパワーを調整
して両断面内において検出面９に集光点を形成している
。このようにグレーティングレンズにトーリックレンズ
の作用を持たせることにより、非点収差を有する光源か
らの光束であっても本実施例では高精度な位置検出に適
用可能としている。

以上の実施例では第１物体（マスク）と第２物体（ウェ
ハ）との対向方向に垂直な方向に沿った位置ずれを検出
する装置について述べたが、第１物体と第２物体との間
隔を測定する装置についても本発明は適用できる。

第１６図はこの場合の本発明の第１２実施例の要部概略
図である。同図（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である
。

同図において１０２は不図示の光源、例えば半導体レー
ザＬＤからの光束である。（尚、半導体レーザＬＤは例
えばＨ，−Ｎ、レーザ等に換えても良い。） Ｍは第１物体で例えばマスク、Ｗは第２物体に例えばウ
ェハである。

１０４、ｔｏｓは各々マスクＭ面上の一部に設けた第１
．第２物理光学素子で、これらの物理光学素子１０４，
１０５は例えば回折格子やゾーンプレート等から成って
いる。１０８は受光手段でラインセンサーやＰＳＤ等か
ら成り、入射光束の重心位置を検出している。１０９は
信号処理回路であり、受光手段１０８からの信号を用い
て受光手段１０８面上に入射した光束の重心位置を求め
、後述するようにマスクＭとウェハ３Ｗめ間隔ｄ０を演
算し求めている。

本実施例においては半導体レーザＬＤからの光束１０１
（例えば波長λ＝　８３０ｎａ＋　）をマスクＭ面上の
第１フレネルゾーンプレート（以下ＦＺＰと略記する）
１０４面上の点に垂直に入射させている。そして第１の
ＦＺＰ１０４からの角度θ１で回折する所定次数の回折
光なウェハＷ面上の点Ｂ（Ｃ）で反射させている。この
うち反射光１３１はウェハＷがマスクＭとの間隔ｄ０の
位置Ｐ１に位置しているときの反射光、反射光１３２は
ウェハＷが位置Ｐ１から距離ｄａだけ変位して、位置Ｐ
２にあるときの反射光である。

次いでウェハＷからの反射光を第１物体Ｍ面上の第２の
ＦＺＰ１０５面上の点Ｄ（ウェハが位置Ｐ２にあるとき
はＥ）に入射させている。

尚、第２のＦＺＰ５は集光レンズの様に入射光束の入射
位置に応じて出射回折光の射出角を変化させる光学作用
を有している。このときのＦＺＰ５のｘｚ面内における
焦点距離なｆア。とする。

そして第２のＦＺＰ１０５から回折した所定次数の回折
光１６１（ウェハが位置Ｐ２にあるときは１６２）を集
光レンズ２０４を介して受光手段ｌＯ８面上に導光して
いる。そしてこのときの受光手段１０８面上における入
射光束１６１（ウェハが位置Ｐ２にあるときは１６２）
の重心位置を用いてマスクＭとウェハＷとの間隔を演算
し求めている。

ここで本実施例に右いては第１のＦＺＰ１０４は単に入
射光を折り曲げる作用をしているが、この他収束、又は
発散作用を持たせるようにしても良い。

次に本実施例における演算方法について説明する。ＦＺ
Ｐ１０５の焦点位置から受光手段までの距離をａ、受光
レンズ２０４を介した像点位置２０９をｂとし、点すか
らせンサまでの距離なＣとすると、センサ面上のスポッ
ト位置Ｓは以下の式で求められる。即ち Ｓ　＝　　２ｄｏｔａｎθ、□ Ｍｘｂ となる。

上式中θＨ、ａ　＋　ｂ　＊　ＣＩ　　’ＭＸは前もっ
て求めてあくことが可能である。よって受光手段で光束
の移動量Ｓを求めればこの式よりｄＧが求まり、これに
よりマスクＭとウェハＷの間隔が検出される。このとき
ａ、ｃ、θの値を大きくとることでｄ、の値に対するＳ
の値を大きくし、微細なギャップ変化量を拡大した光束
移動量に変換して検出することができる。

尚、マスクＭとウェハＷは最初に同図に示すように基準
となる間隔ｄｏを隔てて対向配置されている。このとき
のｄ。の値は、例えばＴＭ−２３ＯＮ（真品名：キヤノ
ン株式会社製）等の装置を用いて測定可能である。

以上はｘｚ面内の光束ずれ信号によりギャップ値ｄｏを
求めることを説明したが、このときこれに直交する面、
即ちｙｚ面の出射側の物理光学素子１０５の特性として
ｘｚ面内の焦点距離ｆＭＸとは異なる焦点路ｌ１１ｆＭ
ｙとすることで以下の効果が得られる。即ち受光レンズ
２０４を介し受光手段１０８と共役な位置に集光するよ
うな焦点距離とすることで受光手段！０８上で光束ずれ
方向と直交する方向に光を絞ることが可能となり、受光
手段ＩＱ８の有効感光部サイズを少なくでき電気的ノイ
ズレベルを下げ、且つ光学的不要光（迷光）の入る確率
もへる為、Ｓ／Ｎ比の向上が図れる。

光［ＬＤからマスクＭへ入射させる光束を予めマスク面
に対しθ１傾けるように入射させればＦＺＰ１０４がな
い場合も間隔検出は可能である。光束をウェハ上で反射
させるかわりにウェハＷ上に回折格子を設けてこの回折
格子で光束を回折させてＦＺＰ１０５に入射させるよう
にしても良い。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば第１物体と第２物体面上に
双方の位置ずれ検出方向にはレンズ作用があり、それと
直交する方向には異なる焦点距離のレンズ作用を有した
グレーティングレンズ素子を位置ずれ検出用のアライメ
ントマークとして設けることにより、例えば位置ずれ量
検出方向と直交方向に位置ずれ成分がある場合、センサ
からアライメント用光束が外れて位置ずれ量が検出でき
なくなるのを防止し、又、アライメント信号光以外の不
要な回折光や散乱光成分が少なくなり、この結果、高精
度の位置合わせが可能とな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】 第１図、第２図は各々本発明に係る相対的位置ずれ検出
方法の原理説明図、第３．第５．第６゜第７．第８．第
１０．第１１．第１２．第１３゜第１４．第１５．第１
６図は順に本発明の位置検出装置の第１〜第１２実施例
の要部概略図、第４図は第３図のゾーンプレートの説明
図、第９図は第８図のゾーンプレートの説明図、第１７
図。 第１８図は従来の位置検出装置の概略図である。 図中、１は第１物体、２は第２物体、３３゜３ａは第１
物理光学素子、４ｇ、４ａは第２物理光学素子、５は入
射光束、８は検出手段、９は検出面、１０は光源、１１
は投光レンズ、１２はハーフミラ−５１はゾーンプレー
ト、５２は線光源、Ｍはマスク、Ｗはウェハ、１０１は
スクライブライン、３Ｍ、４Ｗはアライメントマーク、
１５はアライナ−本体、１６はマスクチャック、１７は
メンブレン、１４はマスク−ウェハアライメントヘット
である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体面上に第１物理光学素子を形成し、該第
   １物体と対向配置した第２物体面上に第２物理光学素子
   を形成する際、該第１、第２物理光学素子は各々少なく
   とも一方向に集光又は発散作用を有しており、かつ該第
   １、第２物理光学素子のうち少なくとも一方の物理光学
   素子は該一方向と垂直方向に該一方向の集光又は発散に
   基づく焦点距離ｆ１とは異った焦点距離ｆ２の集光又は
   発散作用を有しており、照明手段からの光束のうち該第
   １物理光学素子と該第２物理光学素子の双方で集光又は
   発散した光束を検出手段により検出し、該検出手段から
   の出力信号を利用して該第１物体と第２物体との所定方
   向の相対的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。
2. （２）第１物体面上に第１物理光学素子を形成し、該第
   １物体と対向配置した第２物体面上に第２物理光学素子
   を形成する際、該第１、第２物理光学素子は各々一方向
   に集光又は発散作用を有しており、かつ該第１、第２物
   理光学素子のうち一方の物理光学素子は該一方向と垂直
   方向に該一方向の集光又は発散に基づく焦点距離ｆ１と
   は異った焦点距離ｆ２の集光又は発散作用を有しており
   、他方の物理光学素子は該一方向と垂直方向には集光及
   び発散作用を有しておらず、照明手段からの光束のうち
   該第１物理光学素子と該第２物理光学素子の双方で集光
   又は発散した光束を検出手段により検出し、該検出手段
   からの出力信号を利用して該第１物体と第２物体との所
   定方向の相対的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。
3. （３）第１物体面上に第１物理光学素子を形成し、該第
   １物体と対向配置した第２物体面上に第２物理光学素子
   を形成し、このとき該第１、第２物理光学素子は各々少
   なくとも一方向に集光又は発散作用を有しており、かつ
   該第１、第２物理光学素子のうち少なくとも一方の物理
   光学素子は該一方向と垂直方向に該一方向の集光又は発
   散に基づく焦点距離ｆ１とは異った焦点距離ｆ２の集光
   又は発散作用を有しており、該第１物理光学素子に照明
   手段から光束を入射させ、該第１物理光学素子で集光又
   は発散した光束を該第２物理光学素子に入射させ、次い
   で該第２物理光学素子で集光又は発散した光束を検出手
   段により検出し、該検出手段からの出力信号を利用して
   該第１物体と第２物体との所定方向の相対的位置関係を
   検出するようにしたことを特徴とする位置検出方法。
4. （４）第１物体面上に第１物理光学素子を形成し、該第
   １物体と対向配置した第２物体面上に第２物理光学素子
   を形成し、このとき該第１、第２物理光学素子は各々一
   方向に集光又は発散作用を有しており、かつ該第１、第
   ２物理光学素子のうち一方の物理光学素子は該一方向と
   垂直方向に該一方向の集光又は発散に基づく焦点距離ｆ
   １とは異った焦点距離ｆ２の集光又は発散作用を有して
   おり、他方の物理光学素子は該一方向と垂直方向には集
   光及び発散作用を有しておらず、該第１物理光学素子に
   照明手段から光束を入射させ、該第１物理光学素子で集
   光又は発散した光束を該第２物理光学素子に入射させ、
   次いで該第２物理光学素子で集光又は発散した光束を検
   出手段により検出し、該検出手段からの出力信号を利用
   して該第１物体と第２物体との所定方向の相対的位置関
   係を検出するようにしたことを特徴とする位置検出方法
   。
5. （５）直交する２方向に対して各々異った焦点距離の集
   光又は発散作用を有する物理光学素子Ａと該直交する２
   方向のうち少なくとも一方向に集光又は発散作用を有す
   る物理光学素子Ｂを相対的位置関係の検出をすべく２つ
   の物体のうち一方の物体に物理光学素子Ａを他方の物体
   に物理光学素子Ｂを設け、該物理光学素子Ａ、Ｂの双方
   で集光又は発散作用を受けた光束を検出手段で検出し、
   該検出手段からの信号に基づいて該２つの物体の相対的
   位置関係が検出できるように構成した物理光学素子Ａ、
   Ｂのうち少なくとも一方の物理光学素子を有しているこ
   とを特徴とする位置検出用物体。
6. （６）直交する２方向に対して各々異った焦点距離の集
   光又は発散作用を有する物理光学素子Ａと該直交する２
   方向のうち一方向にのみ集光又は発散作用を有する物理
   光学素子Ｂを相対的位置関係の検出をすべく２つの物体
   のうち一方の物体に物理光学素子Ａを他方の物体に物理
   光学素子Ｂを設け、該物理光学素子Ａ、Ｂの双方で集光
   又は発散作用を受けた光束を検出手段で検出し、該検出
   手段からの信号に基づいて該２つの物体の相対的位置関
   係が検出できるように構成した物理光学素子Ａ、Ｂのう
   ち少なくとも一方の物理光学素子を有していることを特
   徴とする位置検出用物体。
7. （７）物理光学素子を設けた物体の位置を検出する装置
   で光源部、該光源部は位置検出用のビームを物理光学素
   子に投射する光源部と、前記物理光学素子を出射した位
   置検出用ビームを受光する位置検出用ビーム検出部とを
   有し、該位置検出用ビーム検出部が位置検出用ビームを
   受光することにより物体の位置が検出され、かつ前記物
   理光学素子はある一方向及び前記一方向に垂直な方向に
   集光あるいは発散作用を有し該垂直方向の焦点距離は前
   記一方向の焦点距離とは異なることを特徴とする位置検
   出装置。