JPH0255904A - 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）を行ったりあるいはマスクとウェハの間隙を検
出したりする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右いては、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９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。

従来はこのときのずれ量Δσ′を利用して双方の位置合
わせな行っているが、この方法はマスク及びウニ八面上
のアライメントマークとしてのゾーンプレートの焦点距
離が一定である為、予め設定された物体間距離でないと
位置合わせを高精度に行うことができないという問題点
があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は相対的な位置ずれ量を検出する第１物体面上と
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
子部を設ける際、少なくとも一方の物理光学素子部を物
体間隔量に応じた複数のゾーンプレートより成る物理光
学素子より構成し、これら複数の物理光学素子のうち物
体間隔量に応じた物理光学素子を選択して利用すること
により高精度な位置検出を可能とした位置検出装置の提
供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 位置合わせあるいは間隙検出をすべき２つの物体面上に
第１物理光学素子部と第２物理光学素子部を形成し、該
第１物理光学素子部に光を入射させたときに生ずる回折
光を該第２物理光学素子部に入射させ、該第２物理光学
素子部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検出を行う際、該第１物理光
学素子部又は第２物理光学素子部の少なくとも一方に物
体間の距離に応じた複数の物理光学素子を設け、該第１
物体と該第２物体との距離に対応した所定の位置検出光
がセンサー側に選択的に戻ってくるような光学系を構成
している。

（実施例） 第１図は本発明を半導体素子製造用の露光装置に適用し
たときの第１実施例の要部概略図である。第２図は第１
図の一部分の拡大図である。

本実施例では光源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としての例えばマス
ク面間上の７レネルゾーンプレートの一種である複数の
グレーティングレンズ等の物理光学素子（以下「グレー
ティングレンズ」又は「アライメントマーク」という。

）２０ａ〜２０ｅから成る第１物理光学素子部２０を斜
方、向から照射している。物理光学素子２０ａ〜２０ｅ
は集光作用を有しており例えば第３図に示すように物理
光学素子２０ａからの透過回折光を点Ｑに集光するよう
に射出させ、第２物体上の物理光学素子４１に入射させ
ている。

本実施例に施ては第１物体としてのマスク上に焦点距離
の異なる複数のグレーティングレンズより成る第１物理
光学素子部２０を配備し、第２物体のウェハ上には第２
物理光学素子部としてただ１つのグレーティングレンズ
４１を配備している。物理光学素子４１は集光作用を有
しており、光束をアライメントヘッド６方向に射出させ
ミラー１２を介した後、集光レンズ１３で検出器８の検
出面９上に集光している。

尚、同図において５は例えばウェハチャックであり、ウ
ェハ２を吸着している。６はアライメントヘットであり
、アライメント用の各種の要素を収納している。Ｅは露
光領域である。

又、マスク１とウェハ２は所定の範囲のギャップ値で保
持されている。

１００はＸＹステージであり、ウェハチャック５に吸着
されたウェハをＸＹ左方向移動させている。１０１はス
テージドライバーであり、ＸＹステージ１００をＸＹ左
方向駆動している。１０２はＣＰＵであり、検出器８の
出力に基づき、マスク１とウェハ２とを位置合わせする
様にＸＹステージ１００を移動させる為、ステージドラ
イバー１０１に指令信号を送っている。

本実施例では位置合わせの為、ウェハ２を動かす構成に
なっているが、同様にマスクチャック移動機構を設はマ
スク１を動かす構成としても良い。

尚、ＸＹステージ１００はピエゾ駆動の鯖密ウェハステ
ージとステッピングモータ駆動の粗ウェハステージとを
含み、ステージドライバー１０１は、このピエゾとステ
ッピングモータとを含み、ＣＰＵ１０２はウェハを微小
移動させる時にはピエゾに、比較的大きな距離移動させ
る時にはステッピングモータに指令信号を送っている。

第３図は本実施例における位置合わせの原理を説明する
為の光学系の概念図である。第１物体としてのマスク１
上に配備されたグレーティングレンズ２０ａに入射した
光束はＱ点に集光する様な回折作用を受け、ウェハ上の
グレーティングレンズ４１に入射し、さらに回折されて
後、センサー面上の一点Ｐに集光する。このときマスク
１とウェハ２とが平行方向にΔσずれているとき、ウェ
ハ面２から点Ｑまでの距離をａｗ、ウェハ面から点Ｐま
での距離をｂｗとすると検出面Ｐ上での集光点の重心ず
れ量Δδは で表わされる。

即ち重心ずれ量Δδは（１−ｂｗ／ａｗ）倍に拡大され
る。

例えば、ａｗ＝１３８　μｍ、　ｂｗ＝１３８００　μ
ｔｒｍ。

Δσ＝０．旧μｍとすれば重心ずれ量Δδは（ａ）式よ
りΔδ＝−０，１９μｍとなり、−９９倍に拡大される
。

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蹟度
に行うことができる。

尚、倍率にマイナスの符号がついているのは光学系を一
軸上に並べたときマスクに対してウェハのずれた方向と
センサー上でスポットが動く方向が逆になっていること
を意味している。

マスク１とウェハ２との間隙が１０μｍのときマスク側
のグレーティングレンズ２０ａ〜２０ｅに入射した光束
のうち２０ａに入射した光束のみがウェハ側グレーティ
ングレンズ４１に入射するように設計される。グレーテ
ィングレンズ４１はギャップによってその位置を変え第
２図に示したようにギャップが１０μｍの時は４１ａの
位置に、ギャップが２０μｍ、３０μｍ１４０μｍ、５
０μｍのときはそれぞれ４１ｂ、４１ｃ。

４１ｄ、４１ｅの位置にくるようになっており、それに
対応して４１ｂの位置では２０ｂからの光束のみを４１
ｃ、４１ｄ、４１ｅの位置ではそれぞれ２０ｃ、２０ｄ
、２０ｅからの光束のみを受けるようになっている。こ
のとき各マスクマークの出射角なＧｉ、そのマークの設
定ギャップなＧｉ、そのときのマスクマーク中心とウェ
ハマーク中心の横ずれ量をＴｉとするとＴ　ｉ　＝　Ｇ
　ｉ　ｘｔａｎθｉの関係になっている。その為２０ａ
〜２０ｅは焦点距離が１０μｍずつ長くなっており、例
えば１４８μｍ、１５８μｍ、１６８μｍ、１７８μｍ
、１８８μｍの様になっている。

このように本実施例に於いてはマスクとウェハのギャッ
プを所望の値に設定して後、ウェハアライメントマーク
をそのギャップに対応したマスクマークからの光束を受
けられる位置にもっていかなければならないが、それは
例えばＴＶプリアライメントによって行なう。

第４図（Ａ）　、　（Ｂ）にマスク側のＴＶプリアライ
メントマーク４２とウニ八個ＴＶプリアライメントマー
ク４３を示す。これらのマークは第２図に示す如く配備
されマスク上方からアライメントスコープにより観察し
ている。このマークを使ってマスクとウェハの位置決め
を行うにはマスクマーク４２とウェハマーク４３を観察
系を通して同時に観察し第４図（Ｃ）の如く一致する様
にウェハを移動すればよい。その時に前述した如くマス
ク側のグレーティングレンズからの回折光がウニ八個の
グレーティングレンズに入射する様に設計しておけば所
定のギャップの時にプリアライメントマーク４２．４３
を使ってマスク側グレーティングレンズからの回折光が
ウェハ側グレーティングレンズに入射する様に位置決め
し、さらにウェハ側グレーティングレンズからの回折光
をセンサー上で検知することにより様々なギャップの時
に高精度なアライメントを実現することができる。

第５図は本発明の第２実施例の要部概略図である。本実
施例ではマスク１上に１つのアライメントマーク６１を
設け、該アライメントマーク６１からの透過回折光が斜
め方向に出射し、ウェハ２上の物体間隔量に応じて設け
られたアライメントマーク２５ａ〜２５ｅに入射させて
いる。

２５ａ　　〜２５８′は各々設定したときの物体間隔、
例えば１０μｍ、２０μｍ１３０μｍ１４０μｍ、５０
μｍにおけるウェハ２上のアライメントマークの位置を
示している。

第６図は本実施例におけるマスク１上のアライメントマ
ーク６１とウェハ２上のアライメントマーク２５ａ〜２
５ｅの平面模式図である。

本実施例ではウェハ上のアライメントマーク６１からの
回折光が検出面上で正確にスポット光を結ぶように各要
素を設定している。同図においてマスク１上のアライメ
ントマーク６１は凹レンズ作用を有し、ウェハ２上のア
ライメントマーク２５ａ〜２５ｅは各々凸レンズ作用を
有している。

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からマスク１のグレーティングレンズ６１で
透過した光束の集光点までの距離なａＷ、ウェハ２のグ
レーティングレンズ２５ａを反射した光束の集光点Ｐま
での距離をｂｗとすると検出面Ｐ上での集光点の重心ず
れ量Δδはとなる、即ち重心ずれ量Δδは（１＋ｂｗ／
ａｗ）倍に拡大される。

尚、以上の各実施例において第１物理光学素子部と第２
物理光学素子部の物理光学素子はいずれも凸レンズ作用
と凹レンズ作用のどちらの作用を有するように構成して
も良い。

第７図は本発明の第３の実施例の要部概略図である。第
１．第２の実施例に於いては従来のアライメント方式に
於いて、アライメントマークを複数設けることにより異
ったギャップの時に於いても同じ系を使ってアライメン
トを行える方式について説明したが、第３の実施例では
従来のＡＦ方式に於いて複数のＡＦマークを設けること
により、系全体としての測定レンジを広めることができ
るような方式について説明する。

第８図は本実施例に於けるＡＦ方式を説明する為の図で
ある。発光部５０より射出された光束は反射ミラー５１
等を介し、マスク１上に配備された第１の物理光学素子
部であるグレーティングレンズ５２に垂直に入射する。

この時グレーティングレンズ５２は直線格子より成り、
光束をウェハ２に対し斜め方向に回折する。光束はウェ
ハ面によって正反射し、再びマスク上に設けられた第２
物理光学素子部のうちの１つのグレーティングレンズＭ
１に入射するが、この時Ｍ１のどの部分に入射するかは
幾何的関係からギャップ間隔によって決まりギャップが
０４の時にはＰｌに入射し、Ｇ５の時にはＰ２に入射す
る。Ｍｌは斜めに入射した光束を１点Ｈに集光する作用
を持つグレーティングレンズでＰｉ、Ｐ２に入射した光
束はＨで交さし、光路４，３を通り受光レンズ５３を介
してセンサーＳｌ上のＰ４．Ｐ５にスポット像を形成す
る。このときギャップが０４から０５に変動した時にセ
ンサー上でのスポット重心の移動量Ｓは となり、ギャップの変動量は（ｄＭ／ａａ）ｘ（ｆＳ／
ｆＭ）倍に拡大されて検出されることになる。

第８図に示したようなＡＦ方式ではセンサーＳｌ上で結
ぶスポットの重心位置を検知することによってギャップ
の大きさを測定することができるが、第２の物理光学素
子部のグレーティングレンズを複数設定しそれぞれに入
射した光束を別々の受光系で検出することにより測定レ
ンジを拡大することができる。第７図は本発明に於ける
第３の実施例の要部概略図であり、マスク１上にはギャ
ップＧｌ、Ｇ２．Ｇ３に対応したグレーティングレンズ
Ｍｌ、Ｍ２．Ｍ３を配備している。

Ｍｌ、Ｍ２．Ｍ３に入射した光束はそれぞれセンサーＳ
ｌ、Ｓ２．Ｓ３に入射するように設計されている。各マ
スクマークＭ１〜Ｍ３を隣接させて配備されたときは例
えば第１１図に示すようにマークとマークの境界付近（
図中のａ、ｅで示すスポット位置）にスポットが照射す
ることもあるが図中す、ｃ、ｄで示したように照射ビー
ムが完全にマスクマーク内に当たっている時は精度良く
測定することができる。逆に単一のマークではマークの
端にスポットが当たっている時、例えば第１２図のｆ、
ｇで示すような位置にスポットが当たっている時、単一
のセンサーからの出力ではスポット位置が判定しにくい
ところをマルチマーク、マルチセンサーの時には隣のセ
ンサーからの出力との比較でより正確な判定が可能とな
る。

このように本方式によれば１つの測定系では限られたレ
ンジしか測定できないものを受光側の光学素子を複数配
備し、それに対応させたセンサーで検知することにより
、より広いレンジでかつ正確なギ°ヤップ計測を可能に
している。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば２つの平板物体の相対的な
位置を検出する装置に於いて、被検物である第１物体と
第２物体の少なくとも一方に物体間の距離に対応させた
複数の物理光学素子を設けることにより、アライメント
装置に於ては異７たギャップ間隔でのアライメントを達
成し、間隙検出装置に於てはマークを複数化することに
よって計測レンジを広める等の効果を上げている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を半導体製造用の露光装置に適用したと
きの第１実施例の要部概略図、第２゜第３図は第１図の
一部分の説明図、第４図はＴＶプリアライメントマーク
拡大図、第５．第６図は本発明の第２実施例の要部概略
図、第７．第８図は本発明の第３実施例の要部概略図、
第９゜第１０図は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１１図は本発明の第３実施例の効
果を説明する図、第１２図は従来例の欠点を説明する図
である。 図中、１はマスク、２はウェハ、５はウェハチャック、
６はアライメントヘット、８．Ｓｌ。 Ｓ２．Ｓ３は検出器、９は検出面、１０．５０は光源、
１１は投光レンズ、２０，６１．５２は第１物理光学素
子部、４１は第２物理光学素子部、２０ａ〜２０ｅ、２
５ａ〜２５ｅ％Ｍ１〜Ｍ３は物理光学素子、４２はマス
ク側ＴＶプリアライメントマーク、４３はウニ八個ＴＶ
プリアライメントマークである。 特許出願人　　キャノン株式会社 第 夷 固 も 霞 第 図 第 図 舅 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体面上と第２物体面上のいずれかに第１物
   理光学素子部と第２物理光学素子部を設け、該第１物理
   光学素子部に光を入射させたときに生ずる回折光を、該
   第２物理光学素子部に入射させ、該第２物理光学素子部
   により所定面上に生ずる回折光を信号光として検出する
   ことにより、２つの平板物体の相対的な位置検出を行な
   い、かつ該第１物理光学素子部又は第２物理光学素子部
   の少なくとも一方に物体間の距離に対応させた複数の物
   理光学素子を設け、該第１物体と該第２物体との距離に
   対応した所定の位置検出光がセンサー側に選択的に戻っ
   てくるような光学系を構成したことを特徴とする位置検
   出装置。