JPH0274805A - Alignment apparatus - Google Patents

Alignment apparatus

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JPH0274805A
JPH0274805A JP63225806A JP22580688A JPH0274805A JP H0274805 A JPH0274805 A JP H0274805A JP 63225806 A JP63225806 A JP 63225806A JP 22580688 A JP22580688 A JP 22580688A JP H0274805 A JPH0274805 A JP H0274805A
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JP
Japan
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alignment
light
optical element
alignment mark
wafer
Prior art date
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Pending
Application number
JP63225806A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Saito
謙治 斉藤
Masakazu Matsugi
優和 真継
Naoto Abe
直人 阿部
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7049Technique, e.g. interferometric

Abstract

PURPOSE:To make it possible to perform highly accurate position alignment when the relative position alignment of a first body and a second body is performed by constituting a convex and concave system and a concave and convex system by the combination of the different orders with diffracted light beams for first and second physical optic elements. CONSTITUTION:A first physical optic element 3 is formed with a first alignment mark which diffracts first and second signal luminous fluxes at the different orders. A second physical optic element 4 is formed with a second alignment mark which diffracts the first and second signal luminous fluxes at the different orders. The first and second alignment marks 3 and 4 are provided on the surfaces of first and second bodies 1 and 2. The arrangements of the diffraction forces in two systems having the different orders are set. The luminous fluxes through the alignment marks 3 and 4 are utilized, and the magnification factors of the deviations of the first body 1 and the second body 2 are detected in reverse signs to each other. In this way, the position deviation can be accurately detected regardless of the inclination of the surface of a wafer.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業−にの利用分野) 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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an alignment device, and for example, in an exposure device for manufacturing semiconductor elements, the first object surface of a mask, reticle (hereinafter referred to as "mask"), etc. This relates to an alignment device suitable for performing relative positioning (alignment) between a mask and a wafer when exposing and transferring a fine electronic circuit pattern formed thereon onto a second object surface such as a wafer. be.

(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。
(Prior Art) Conventionally, in exposure apparatuses for semiconductor manufacturing, relative alignment between a mask and a wafer has been an important element for improving performance. Particularly in alignment in recent exposure apparatuses, alignment accuracy of, for example, submicron or less is required due to the high integration of semiconductor devices.

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウェハ而
−1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
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
ンプレートを用い藷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。
In many alignment apparatuses, so-called alignment patterns for alignment are provided on the mask and the wafer 1, and positional information obtained from these patterns is used to align both. As an alignment method at this time, for example, the amount of deviation between both alignment patterns is detected by performing image processing, or alignment method as proposed in U.S. Pat. This is carried out by, for example, using a zone plate as a pattern, irradiating the zone plate with a light beam, and detecting the focal point position of the light beam emitted from the zone plate on a predetermined surface.

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かある。
In general, an alignment method using a zone plate has the advantage of being able to perform alignment with relatively high precision without being affected by defects in the alignment pattern, compared to a method using a simple alignment pattern.

第11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。
FIG. 11 is a schematic diagram of a conventional alignment device using a zone plate.

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a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。
In the same figure, the parallel light beam emitted from the light source 72 passes through a half mirror 74 and is condensed at a condensing point 78 by a condensing lens 76, and then passes through a mask alignment pattern 68a on the surface of the mask 68 and a support base 62. The wafer alignment pattern 60a on the surface of the wafer 60 placed a is irradiated. These alignment patterns 68a and 60a are composed of reflective zone plates, and each form a focal point on a plane perpendicular to the optical axis including the focal point 78. At this time, the amount of deviation of the focal point position on the plane is detected by guiding the light onto the detection surface 82 using the condensing lens 76 and the lens 80.

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。
Based on the output signal from the detector 82, the control circuit 8
4 drives the drive circuit 64 to position the mask 68 relative to the wafer 60.

第12図は第11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。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the imaging relationship between the light beams from the mask alignment pattern 68a and the wafer alignment pattern 60a shown in FIG. 11.

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か回折し、
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、波面を変えすにウェハ60而上のウェ
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。
In the figure, a part of the light beam diverging from the condensing point 78 is diffracted by the mask alignment pattern 68a,
A focal point 78a indicating the mask position is formed near the focal point 78. The other part of the light flux passes through the mask 68 as zero-order transmitted light, and enters the wafer alignment pattern 60a on the wafer 60 without changing its wavefront. At this time, the light beam is diffracted by the wafer alignment pattern 60a, and then passes through the mask 68 again as zero-order transmitted light, condensing near the converging point 78 and focusing on the wafer position.
form. In the figure, when the light beam diffracted by the wafer 60 forms a condensing point, the mask 68 simply acts as a transparent state.

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。
The position of the focal point 78b due to the wafer alignment pattern 60a formed in this way is determined according to the displacement amount Δσ of the wafer 60 with respect to the mask 68 along a plane perpendicular to the optical axis including the focal point 78. It is formed as a deviation amount Δσ' corresponding to Δσ.

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而等の基準面、そして露光装置の接
地面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か変化し、アライメント誤差とな
ってくる。
In this method, if the wafer surface is inclined with respect to the mask surface, the reference plane such as the mask holder in the semiconductor exposure equipment, or the ground plane of the exposure equipment, the center of gravity of the light beam incident on the sensor This will cause an alignment error.

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。
In general, establishing an absolute coordinate system on the sensor and setting its reference origin is difficult to avoid due to other alignment error factors, such as tilting of the wafer surface due to warpage or deflection, fluctuations in the center of gravity of the light beam due to uneven resist coating, and alignment. Fluctuations in the oscillation wavelength of the light source, oscillation output, luminous flux output angle, fluctuations in sensor characteristics,
There is also a problem in that it is very difficult to set the origin with high precision due to fluctuations in the position of the alignment head due to repeated changes.

(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
加え第2信号光としてのアライメント光束を第1信号光
と異った次数の回折光により形成し、これらの第1.第
2信号光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信号光束のウニへ面の傾斜に対するセンサ
上での重心移動の作用が第1信号光束と全く等しくなる
ようにし、又、アライメントヘットの位置の変動に対し
ても第2信号光束か第1信号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信号光束
と第1信号光束のセンサ」二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。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention provides a means for eliminating error factors in detecting the amount of deviation when aligning a first object such as a mask and a second object such as a wafer. In addition to the alignment light beam as the second signal light, an alignment light beam as the second signal light is formed by diffracted light of a different order from the first signal light. In particular, the present invention is characterized by providing a positioning device that enables highly accurate positioning by using a second signal light beam. It is set so that the action of the second signal light flux is exactly equal to that of the first signal light flux, and the center of gravity is moved in the same way as that of the second signal light flux or the first signal light flux with respect to changes in the position of the alignment head. This makes it possible to make highly accurate alignment possible by making the fluctuation in the relative positions of the second signal beam and the first signal beam sensor 2 in principle dependent only on the misalignment between the mask and the wafer. The purpose is to provide a matching device.

(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物体面上に同じく第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−トに生ずる回折パターンの光量分布を検
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.第2物理
光学素fは該回折光に対し、異った次数の組み合わせに
より凸凹系及び凹凸系を同時に構成するように設定され
ていることである。
(Means for solving the problem) When relative positioning is performed by making a first object and a second object face each other, a first physical optical element is formed on the first object surface,
A second physical optical element is also formed on the second object surface, and diffracted light generated when light is incident on the first physical optical element is made to enter the second physical optical element, and the second physical optical element is made to enter the second physical optical element. By detecting the light intensity distribution of the diffraction pattern generated by the element on a predetermined surface by the detection means, the first object and the second object are detected.
When positioning relative to an object, the first. The second physical optical element f is set to simultaneously form a convex-concave system and a concave-convex system for the diffracted light by combining different orders.

即ち本発明は第1物理光学素子として第1゜第2信号光
束を異った次数で回折するような第1アライメントマー
クより形成し、又第2物理光学素子として第1.第2信
号光束を異った次数で回折するような第2アライメント
マークより形成し、該第1アライメントマークに光束を
入射させ、このとき生じる回折光を第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第1
.第2信号光束の2つの回折光の光束重心を各々検出手
段である第1.第2検出部にて検出し、該第1.第2検
出部からの出力信号を利用して第1物体と第2物体との
位置決めを行う際、該第1検出部に入射する光束の重心
位置と第2検出部に入射する光束の重心位置が第1物体
と第2物体との位置ずれ方向に対して互いに逆方向に変
位するように該第1.第2アライメントマークを設定し
ていることを特徴としている。
That is, in the present invention, the first physical optical element is formed by a first alignment mark that diffracts the 1° and second signal light beams in different orders, and the second physical optical element is formed by the first alignment mark. A second alignment mark is formed to diffract a second signal light beam in a different order, the light beam is made incident on the first alignment mark, the diffracted light generated at this time is made incident on the second alignment mark, and the second signal light beam is made incident on the second alignment mark. 1st from alignment mark
.. The light beam gravity centers of the two diffracted lights of the second signal light beam are respectively detected by the first. The second detection section detects the first. When positioning the first object and the second object using the output signal from the second detection section, the center of gravity of the light flux incident on the first detection section and the center of gravity of the light flux incident on the second detection section are displaced in directions opposite to each other with respect to the direction of positional deviation between the first object and the second object. It is characterized by setting a second alignment mark.

(実施例) 第1図は本発明の位置合わせ装置の光学的な原理を示す
一実施例の要部概略図である。同図において1.2は各
々相対的な位置ずれを検出する為の第1物体と第2物体
、3,4は各々第1物体1と第2物体2に設けた第1物
理光学素子と第2物理光学素子である。
(Embodiment) FIG. 1 is a schematic diagram of the main parts of an embodiment showing the optical principle of the alignment device of the present invention. In the figure, 1 and 2 are a first object and a second object for detecting relative positional deviation, respectively, and 3 and 4 are a first physical optical element and a first physical optical element provided on the first object 1 and second object 2, respectively. 2 physical optical element.

本実施例では光源8からの光束を投光レンズ系9で平行
光束として第1物体1に設けた第アライメントマークと
じてに第1物理光学素子3(以下「第1アライメントマ
ーク」ともいう。)に入射させている。第1物理光学素
子3は1次元又は2次元のレンズ作用のある物理光学素
子としての機能を有したフレネルゾーンプレートやグレ
ーティングレンズ等である。第1物理光学素子3からの
第1.第2信号光束とする異った次数の2つの回折光は
第2物体2に設けられた第2アライメントマークとして
の第2物理光学素子4(以下「第2アライメントマーク
」ともいう、)に入射している。
In this embodiment, the light beam from the light source 8 is converted into a parallel light beam by the projecting lens system 9 and is converted into a parallel light beam by the first physical optical element 3 (hereinafter also referred to as "first alignment mark") provided on the first object 1. It is input to. The first physical optical element 3 is a Fresnel zone plate, a grating lens, or the like, which functions as a physical optical element having a one-dimensional or two-dimensional lens function. The first . The two diffracted lights of different orders, which serve as the second signal beam, are incident on the second physical optical element 4 (hereinafter also referred to as "second alignment mark") as the second alignment mark provided on the second object 2. are doing.

尚、第2物理光学素子4は第1物理光学素子3と同様の
光学性質を有している。第2物理光学素子4から射出し
た第1.第2信号光束となる異った次数の2つの回折光
6.7は第1.第2検出部5a、5bを有する検出手段
5に導光されている。
Note that the second physical optical element 4 has optical properties similar to those of the first physical optical element 3. The first beam emitted from the second physical optical element 4. The two diffracted lights 6.7 of different orders, which become the second signal beam, are the first and second signal beams. The light is guided to a detection means 5 having second detection sections 5a and 5b.

今、第2物体2から検出手段5までの光学的な距離なL
、第1物体1と第2物体2との距離(ギャップ)をg、
第1.第2アライメントマーク3.4の焦点距離を各々
±fM、±fwとする。第1物体1と第2物体2との相
対的な位置のずれ量をεとし、このときの第1.第2信
号光束6.7の光束重心の第1.第2物体の合致状態か
らの変位量を各々St、S2とする。又第1物体lに入
射する光束は便宜上平面波とし、符号は同図に示す如く
用いるものとする。
Now, the optical distance from the second object 2 to the detection means 5 is L
, the distance (gap) between the first object 1 and the second object 2 is g,
1st. The focal lengths of the second alignment marks 3.4 are assumed to be ±fM and ±fw, respectively. Let ε be the amount of relative positional deviation between the first object 1 and the second object 2, and the first object 1 at this time. The first signal beam center of gravity of the second signal beam 6.7. The amount of displacement of the second object from the matching state is defined as St and S2, respectively. Also, for convenience, the light flux incident on the first object l is assumed to be a plane wave, and the symbols are used as shown in the figure.

第1.第2信号光束6.7の光束重心の変位量Sl、S
lは第1アライメントマーク3の焦点FM、F′Mと第
2アライメントマーク4の光軸中心を結び直線と検出手
段5を面との交点として幾何学的に求めることができる
1st. Displacement amount Sl, S of the center of gravity of the second signal beam 6.7
l can be determined geometrically by connecting the focal points FM, F'M of the first alignment mark 3 and the center of the optical axis of the second alignment mark 4, and using the detection means 5 as the intersection of the straight line and the surface of the detection means 5.

従って第1物体1と第2物体2との相対位置ずれに対し
て各信号光束の光束重心の変位1ls1゜82が互いに
逆方向となるように設定する為には第1.第2アライメ
ントマークの屈折力配置を集光と発散より成る所謂凸凹
系及び発散と集光より成る所謂凹凸系の組み合わせを行
なうことで達成することができる。
Therefore, in order to set the displacement 1ls1°82 of the center of gravity of each signal beam to be in opposite directions with respect to the relative positional deviation between the first object 1 and the second object 2, the first. The refractive power arrangement of the second alignment mark can be achieved by combining a so-called concave-convex system consisting of convergence and divergence, and a so-called concave-convex system consisting of divergence and condensation.

次に該凸凹系と該凹凸系の2系統を式を用いて説明する
Next, the two systems, the uneven system and the uneven system, will be explained using equations.

いま、第1アライメントマーク3と第2アライメントマ
ーク4における屈折力配置が凸凹系の場合は変位量S1
は 凹凸系の場合は変位量S2は となる。ここで fM<<bl、f、 >>g すなわち検出位置が遠く、ギャップgが狭い状態では Sl   与−□ ・C 1M Sl  絢       ・C [M となり、逆向きに同量だけ光束重心であるスポット位置
が移動する。
Now, if the refractive power arrangement in the first alignment mark 3 and the second alignment mark 4 is uneven, the displacement amount S1
In the case of an uneven system, the displacement amount S2 is as follows. Here, f M The position moves.

一般には凸凹系、凹凸系では倍率か少し異なるが、位置
合わせを行うには検出手段5面上のスポット位置の差Δ
5=32−3lを評価すればよい。その時の移動量の差
ΔSは次のように表わされる。
In general, the magnification is slightly different between the concave and convex systems and the concave and convex systems, but in order to align
5=32-3l should be evaluated. The difference in movement amount ΔS at that time is expressed as follows.

bl  − −g+イM −fW ここでf M < < b 1、fM>>gの条件では
ΔS 押  2 □ ・ε 1M となり、凸凹系、凹凸系のどちらか一方の茶を用いた場
合の2倍の感度を得ることができる。
bl − −g + iM −fW Here, under the condition of f M << b 1, fM>>g, ΔS 2 □ ・ε 1M, and 2 when using either the uneven or uneven brown. You can get double the sensitivity.

又、第2アライメントマーク4が反射型の場合も同様に
求めることができる。即ち第1図の第2アライメントマ
ーク4以降を第2アライメントマーク4に関し対称に折
り返して考えればよい。
Furthermore, it can be similarly determined when the second alignment mark 4 is of a reflective type. That is, the second alignment mark 4 and subsequent parts in FIG. 1 may be considered by folding back symmetrically with respect to the second alignment mark 4.

次に第2物体2が例えば微少量β傾いた場合について説
明する。
Next, a case will be described in which the second object 2 is tilted by a slight amount β, for example.

第2アライメントマーク4へから出射する光束は全て反
射の法則に従い角度2β傾く。この傾きに伴なうスポッ
トの移動lSβは距離りが充分大きいとすればSβ;2
βLどなる。凸凹系、凹凸系ともに検出手段面上のスポ
ット位置は変化し、その変位量Sl”、S2’は Sl”=51+2βL Sl”=S2+2βL となる。このときの移動量の差ΔS′はΔS’=S2”
−5l   =S2−31=ΔSとなり、移動量の差Δ
S′は傾きによらず一定となる。
All the light beams emitted from the second alignment mark 4 are tilted at an angle of 2β according to the law of reflection. The movement of the spot due to this inclination lSβ is Sβ;2 if the distance is sufficiently large.
βL roars. The spot position on the detection means surface changes in both the concave-convex system and the concave-convex system, and the displacement amount Sl'', S2' becomes Sl''=51+2βL Sl''=S2+2βL.The difference in the amount of movement ΔS' at this time is ΔS'= S2”
-5l = S2-31 = ΔS, and the difference in movement amount Δ
S' remains constant regardless of the slope.

′:jrJ2図は本発明の第1実施例の要部斜視図であ
る。同図において第1物体1上の第1アライメントマー
ク3及び第2物体−Fの第2アライメントマーク4はい
ずれも2次元フレネルゾーンプレートより成っている。
': jrJ2 Figure is a perspective view of essential parts of the first embodiment of the present invention. In the figure, the first alignment mark 3 on the first object 1 and the second alignment mark 4 on the second object -F are both made of two-dimensional Fresnel zone plates.

光源8からの光束は投光レンズ9により平行光とされ、
該第1アライメントマーク3を照射している。第1アラ
イメントマーク3で回折された光束はさらに第2アライ
メントマーク4で回折され、凸凹系に対応するものは第
1信号光としての光束6となり凹凸系に対応するものは
第2信号光としての光束7となり、検出手段5上へ入射
する。検出手段5上の光束6と光束7に基づく位置ずれ
信号は処理回路10を経てコントローラ11へはいり第
1物体1と第2物体2を所定の位置にくるようステージ
12を動かし、これにより位置合わせをする系を構成し
ている。
The light beam from the light source 8 is made into parallel light by the projection lens 9,
The first alignment mark 3 is irradiated. The light beam diffracted by the first alignment mark 3 is further diffracted by the second alignment mark 4, and the light beam corresponding to the uneven system becomes the light beam 6 as the first signal light, and the light beam corresponding to the uneven system becomes the second signal light. The light becomes a light beam 7 and is incident on the detection means 5. A positional deviation signal based on the light beams 6 and 7 on the detection means 5 is input to the controller 11 via the processing circuit 10, and the stage 12 is moved so that the first object 1 and the second object 2 are in predetermined positions, thereby aligning the position. It constitutes a system that performs

本実施例においては入射光束及び各アライメントマーク
のO次透過光束と0次反射光束に沿って光学系を展開し
、入射面と直交する面内の光路は前記第1図と同じ系を
構成しており、検出手段5面上の光束のスポット位置の
変位1ist、S2は第(1)式と第(2)式で表わさ
れる。
In this example, the optical system is developed along the incident light flux, the O-order transmitted light flux, and the 0-order reflected light flux of each alignment mark, and the optical path in the plane perpendicular to the incident plane constitutes the same system as in FIG. 1 above. The displacement 1ist, S2 of the spot position of the light beam on the surface of the detection means 5 is expressed by equations (1) and (2).

今、第1.第2アライメントマークであるフレネルゾー
ンプレートの±1次回折光の焦点距離±fM、±fwを
±400μm、ギャップg=30μm、第2物体2から
検出手段5までの距離L = 40000 μmとすれ
ば となり、第1.第2物体の位置ずれεの185倍の感度
で検出される。
Now, number one. If the focal lengths ±fM and ±fw of the ±1st-order diffracted light of the Fresnel zone plate, which is the second alignment mark, are ±400 μm, the gap g = 30 μm, and the distance L from the second object 2 to the detection means 5 = 40000 μm, then , 1st. The positional deviation ε of the second object is detected with a sensitivity 185 times higher.

即ち検出手段5の分解能を1μmとしたとき、0.00
54μmの位置ずれが検出されることになる。
That is, when the resolution of the detection means 5 is 1 μm, 0.00
A positional deviation of 54 μm will be detected.

又、この時の光束6.7のスポット径は路次のようにな
る。幾何光学的なデフォーカスによる光束6.7の点像
の広がり径を各々φ1.φ2、回折による広がり径を各
々φ1′、φ2′とし、各県に対応して評価すると x   40000  ε 匈  −926 となる。
Also, the spot diameter of the light beam 6.7 at this time is as follows. The spread diameter of the point image of the light beam 6.7 due to geometrical optical defocus is φ1. φ2 and the spread diameter due to diffraction are φ1' and φ2', respectively, and when evaluated for each prefecture, it becomes x 40000 ε 匈 −926.

従って移動量の差信号ΔSは ΔS =52−5l  = (93−(−92))ε−
1856−30÷ 400 − 400 −658[μmコ −597[μm] φI   −2X122X λXFN。
Therefore, the movement amount difference signal ΔS is ΔS = 52-5l = (93-(-92))ε-
1856-30 ÷ 400 - 400 -658 [μm co-597 [μm] φI -2X122X λXFN.

−876[μm] φ2  ・ 2x1.22X λx FN。-876 [μm] φ2 ・2x1.22X λx FN.

810 [μm] となる。810 [μm] becomes.

以上より第1系としての凸凹系ではスポット径は約90
0μm、第2系としての凹凸系では約850μmとなる
From the above, the spot diameter is about 90 in the uneven system as the first system.
0 μm, and in the uneven system as the second system, it is about 850 μm.

両者のスポット径は多少異なるが、それぞれ独立に光量
重心を求める検出系を組めば何んら問題はない。例えば
CCDアレイセンサーのピッチを充分細かくし、それぞ
れの評価領域を分割して光量重心を求めれば良い。
Although the spot diameters of the two are somewhat different, there will be no problem if a detection system for determining the center of gravity of the light amount is set up for each independently. For example, the pitch of the CCD array sensor may be made sufficiently fine, and each evaluation area may be divided to determine the center of gravity of the light amount.

第3図は本発明の第2実施例の要部斜視図である。本実
施例では第1物体1と第2物体2上の第1.第2アライ
メントマーク3,4の中心がアライメント方向に関し一
致した時に検出手段5面上の光束のスポット位置Sol
、 S02か凸凹系と凹凸系で、一定量S。、たけオフ
セットあるように第1.第2アライメントマーク3.4
を設計している。
FIG. 3 is a perspective view of essential parts of a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the first object on the first object 1 and the second object 2. When the centers of the second alignment marks 3 and 4 coincide in the alignment direction, the spot position Sol of the light beam on the surface of the detection means 5
, S02 or uneven system and uneven system, constant amount S. , as long as the offset is the first. 2nd alignment mark 3.4
is being designed.

第4図は第3図において光路を展開したときの概略図、
第5図(A)は第3図の第1アライメントマークの説明
図、第5図(B)は第3図の第2アライメントマークの
説明図である。
Figure 4 is a schematic diagram of the optical path expanded in Figure 3;
5(A) is an explanatory diagram of the first alignment mark in FIG. 3, and FIG. 5(B) is an explanatory diagram of the second alignment mark in FIG. 3.

第2実施例における第1物体1上の第1アライメントマ
ーク3は第5図(A)に示すように第1実施例と同一で
あるが第2物体2上の第2アライメントマーク4は第5
図(B)に示すようにオフセット量に対応し偏心してい
る。このアライメントマーク4は凸レンズとして作用す
る場合と凹レンズとして作用する場合とでは光束の偏向
する方向が第4図に示すように逆になる。
The first alignment mark 3 on the first object 1 in the second embodiment is the same as that in the first embodiment as shown in FIG. 5(A), but the second alignment mark 4 on the second object 2 is
As shown in Figure (B), it is eccentric in accordance with the offset amount. When the alignment mark 4 acts as a convex lens and when it acts as a concave lens, the direction in which the light beam is deflected is reversed as shown in FIG. 4.

検出−L段5面Fのスポット位置と第1物体1、第2物
体2の位置ずれ1iεとは次の式で表わされる スポット位置の差ΔSは Δ5=S2−5l となり、これより求まった信号ΔSからオフセット分S
。f、を差し引けば位置ずれεに比例した信号を得るこ
とができる。
Detection - The spot position on the 5th surface F of the L stage and the positional deviation 1iε between the first object 1 and the second object 2 are expressed by the following formula.The difference ΔS in the spot position is Δ5=S2−5l, and the signal obtained from this is Offset S from ΔS
. By subtracting f, a signal proportional to the positional deviation ε can be obtained.

このようなオフセットを設けたことにより0次透過光と
0次反射光と測定光束とが検出手段5而トで分離でき、
信号処理が容易となる。
By providing such an offset, the 0th-order transmitted light, 0th-order reflected light, and measurement light flux can be separated by the detection means 5,
Signal processing becomes easier.

第6図は本発明の第3実施例の要部斜視図である。本実
施例は半導体焼付装置に適用した場合を示している。同
図においては第1物体としてのマスク1而トに入射用の
第1アライメントマーク3と射出用のアライメントマー
ク13を設け、第2物体としてのウニへ2而1に第2ア
ライメントマーク4を設けている。そして第2アライメ
ントマーク4からの光束を略接先方向へ返すことによっ
て一つのピックアップヘットで投受光できるようにして
いる。
FIG. 6 is a perspective view of essential parts of a third embodiment of the present invention. This embodiment shows a case where the present invention is applied to a semiconductor printing apparatus. In the figure, a first alignment mark 3 for input and an alignment mark 13 for ejection are provided on a mask 1 as a first object, and a second alignment mark 4 is provided on a sea urchin as a second object. ing. The light beam from the second alignment mark 4 is returned substantially in the direction of the contact point, so that light can be projected and received by one pickup head.

本実施例では11η記第2実施例とウェハ上の第2アラ
イメントマーク4までは全く同じ構成であるが、ウェハ
上の第2アライメントマーク4の出射後の光束をマスク
面上のアライメントマーク13を形成する直線格子で検
出手段5の方向へ折り曲げるように光学系を構成してい
る点が異っている。
This embodiment has exactly the same configuration as the second embodiment described in 11η up to the second alignment mark 4 on the wafer. The difference is that the optical system is configured so that the formed linear grating is bent in the direction of the detection means 5.

マスク1及びウェハ2の位置ずれに関する感度及びウェ
ハ2の傾きに対する影箭は略同等である。
The sensitivity with respect to the positional deviation of the mask 1 and the wafer 2 and the influence with respect to the tilt of the wafer 2 are approximately the same.

第7図は本発明の第4実施例の要部斜視図である。本実
施例では第1.第2アライメントマーク3.4とから成
る凸凹系と凹凸系によるアライメント光束6.7をアラ
イメント方向であるX方向と直交方向にずらした2つの
検出手段51.52で別々に受光する系を構成している
FIG. 7 is a perspective view of essential parts of a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the first. The second alignment mark 3.4 constitutes a system in which a concave-convex system and an alignment light beam 6.7 due to the concave-convex system are separately received by two detection means 51 and 52 shifted in a direction orthogonal to the X direction, which is the alignment direction. ing.

本実施例では前記第2及び第3実施例とアライメント方
向に関しては同様であるがアライメントと直交方向では
2つの系で受光部の違いの分だけ異なっている。すなわ
ち第1物体としてのマスク1、及び第2物体としてのウ
ェハ2の位置ずれの感度は同等であり、ウェハ2の傾き
に対する影響も2系統のずれが小さければ同等である。
This embodiment is the same as the second and third embodiments in terms of alignment direction, but the two systems differ in the direction orthogonal to the alignment due to the difference in the light receiving sections. That is, the sensitivity of the positional deviation of the mask 1 as the first object and the wafer 2 as the second object is the same, and the influence on the tilt of the wafer 2 is also the same if the deviation of the two systems is small.

第8図(A) 、 CB)に第1.第2アライメントマ
ークの例、第9図に検出手段51.52面上の光束の分
布状態を示す。第9図に示すように本実施例に右いては
着目した次数の組み合わせによる光束のみが検出手段5
1.52にはいり、これによりセンサー処理が容易とな
る。
Figure 8 (A), CB) shows the first. As an example of the second alignment mark, FIG. 9 shows the distribution state of the light flux on the detection means 51 and 52 surfaces. As shown in FIG. 9, in this embodiment, only the luminous flux due to the focused order combination is detected by the detection means 5.
1.52, which facilitates sensor processing.

第10図は第7図の第4実施例の位置合わせ装置をプロ
キシミラィー型の半導体製造用の露光装置に通用したと
きの要部概略図である。同図においては全体構成を投光
系及び受光系を中心断面で示している。これらの投受光
系はアライメント光源8、投光レンズ9、投射ミラー1
7及び検出手段51,52、そして処理回路101,1
02を−・株化したごツクアップヘッド16に納められ
、全体を不図示のステージによりアライメントマーク位
置へ移動可能な構成をとっている。ピックアップヘッド
16より投射されたアライメント光束はマスクホルダー
15で支持されたマスク1上の第1アライメントマーク
3で回折され、ウェハステージ12で支持されたウェハ
2上の第2アライメントマーク4で回折され、さらにマ
スク1面上の出射用のアライメントマーク13で回折さ
れ、再びピックアップヘッド16へはいり検出手段51
.52で受光される。検出手段51.52で受光された
スポット情報は処理回路101゜102を経て露光シス
テムコントローラー14でマスク1とウェハ2のアライ
メント情報として認識される。ここでウェハステージを
最適位置へと移動し露光する為にステージコントローラ
ー11へ移動信号が送られ、ウェハステージ12を移動
する。
FIG. 10 is a schematic view of the main parts when the alignment apparatus of the fourth embodiment shown in FIG. 7 is applied to a proxy mirror type exposure apparatus for semiconductor manufacturing. In the figure, the entire configuration is shown with the light projecting system and the light receiving system shown in a central cross section. These light projection/reception systems include an alignment light source 8, a projection lens 9, and a projection mirror 1.
7, detection means 51, 52, and processing circuits 101, 1
02 is housed in a pickup head 16, and the entire structure is movable to the alignment mark position by a stage (not shown). The alignment light beam projected from the pickup head 16 is diffracted by the first alignment mark 3 on the mask 1 supported by the mask holder 15, diffracted by the second alignment mark 4 on the wafer 2 supported by the wafer stage 12, Furthermore, it is diffracted by the alignment mark 13 for emission on the mask 1 surface, and enters the pickup head 16 again, and the detection means 51
.. The light is received at 52. The spot information received by the detection means 51 and 52 passes through processing circuits 101 and 102 and is recognized by the exposure system controller 14 as alignment information between the mask 1 and the wafer 2. Here, in order to move the wafer stage to the optimum position and perform exposure, a movement signal is sent to the stage controller 11, and the wafer stage 12 is moved.

アライメントが完γすればEで示される露光領域へ露光
ビームか投射され焼付が完了する。この時アライメント
光は斜設光、斜受光系を構成しており退避動作を必要と
しない。
When the alignment is completed, an exposure beam is projected onto the exposure area indicated by E, and printing is completed. At this time, the alignment light constitutes an oblique light and an oblique light receiving system, and no evacuation operation is required.

(発明の効果) 本発明によれば航速の光学的性質を有する第1.第2ア
ライメントマークを各々第1.第2物体面1〕に設け、
異った次数の2系統の屈折力配置を設定し、各々のアラ
イメントマークを介した光束を利用し、第1物体と第2
物体の互いのずれ倍率を逆符号として検出することによ
り、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、次のような効果が得られる。
(Effects of the Invention) According to the present invention, the first. The second alignment marks are respectively aligned with the first alignment marks. provided on the second object plane 1],
Two systems of refractive power arrangement with different orders are set, and the light beams passing through each alignment mark are used to detect the first object and the second object.
By detecting the mutual shift magnification of objects with opposite signs, the following effects can be obtained when aligning a mask as a first object and a wafer as a second object.

(イ)ウェハ面が傾斜するか、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2つ
の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。
(b) Even if the center of gravity of the alignment light changes due to an inclination of the wafer surface, uneven resist coating, or local inclination such as warping that occurs during the exposure process, the position of the center of gravity of the alignment light relative to the two alignment signal lights will change. By detecting the position of the center of gravity, it is possible to accurately detect positional deviation without being affected by the inclination of the wafer surface.

(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七の重
心位置が変動しても2つのアライメント信号光の相対的
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。
(b) Even if the position of the center of gravity of sensor 7 of the alignment signal light changes because the position of the alignment head changes relative to the mask, the relative center of gravity position of the two alignment signal lights can be detected. , it is possible to accurately detect the positional deviation between the mask and the wafer without being affected by the positional deviation of the alignment head.

(A)同一のアライメントマークで2系統の系を構成し
、総合倍率を効果的に得ることができ、約2倍の感度の
アライメント信号を得ることができる。
(A) By constructing two systems using the same alignment mark, a total magnification can be effectively obtained, and an alignment signal with approximately twice the sensitivity can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の位置合わせ装置の光学的原理の説明図
、第2.第3.第6.第7図は順に本発明の第1.第2
.第3.第4実施例の要部斜視図、第4図は第3図の光
学系の展開図、第5図(A) 、 (B)は第3図の第
1.第2アライメントマークの説明図、第8図(A) 
、 (B)は第7図の第1、第2アライメントマークの
説明図、第9図は第7図の検出手段面上における光束分
布の説明図、第10図は第7図の第4実施例をプロキシ
ミティ型の半導体製造用の露光装置に適用したときの概
略図、第11.第12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、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、5゜51.52は検出手
段、6は第1信号光、7は第2信号光、8は光源、9は
投光レンズ、10゜10a、10b、101,102は
処理回路、1工はコントローラ、12はステージ、工3
は出射用アライメントマーク、14は露光システムコン
トローラー14.15はマスクチャック、16はピック
アップヘッドである。 弔 ? 図
FIG. 1 is an explanatory diagram of the optical principle of the alignment device of the present invention, and FIG. Third. 6th. FIG. 7 shows the first embodiment of the present invention in order. Second
.. Third. A perspective view of the main parts of the fourth embodiment, FIG. 4 is a developed view of the optical system in FIG. 3, and FIGS. Explanatory diagram of the second alignment mark, Fig. 8 (A)
, (B) is an explanatory diagram of the first and second alignment marks in FIG. 7, FIG. 9 is an explanatory diagram of the luminous flux distribution on the detection means surface of FIG. 7, and FIG. 10 is an explanatory diagram of the fourth implementation of FIG. 7. 11. Schematic diagram when the example is applied to a proximity type exposure apparatus for semiconductor manufacturing. FIG. 12 is an explanatory diagram of a positioning device using conventional zone plates. In the figure, 1 is the first object, 2 is the second object, 3 is the first physical optical element, 4 is the second physical optical element, 5°51.52 is the detection means, 6 is the first signal light, and 7 is the first physical optical element. 2 signal light, 8 is a light source, 9 is a projection lens, 10° 10a, 10b, 101, 102 are processing circuits, 1st is a controller, 12 is a stage, 3rd is a stage
14 is an exposure system controller 14, 15 is a mask chuck, and 16 is a pickup head. Condolence? figure

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (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物体面上に同じく第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パターンの光量分布
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、第2
物理光学素子は該回折光に対し、異った次数の組み合わ
せにより凸凹系及び凹凸系を同時に構成するように設定
されていることを特徴とする位置合わせ装置。
(1) When relative positioning is performed by making a first object and a second object face each other, a first physical optical element is formed on the first object surface, and a second physical optical element is also formed on the second object surface. forming an optical element, making diffracted light generated when light is incident on the first physical optical element enter the second physical optical element, and producing a light amount of a diffraction pattern on a predetermined surface by the second physical optical element; By detecting the distribution with the detection means, when relative positioning of the first object and the second object is performed, the first and second objects are detected.
A positioning device characterized in that the physical optical element is set to simultaneously form a convex-concave system and a concavo-convex system for the diffracted light by combining different orders.
(2)前記第1、第2物理光学素子による凸凹系及び凹
凸系によって形成された所定面上の回折光のスポット位
置の差を演算する演算手段を有していることを特徴とす
る請求項1記載の位置合わせ装置。
(2) A computing means for computing a difference in spot position of diffracted light on a predetermined surface formed by the convex-concave system and the concave-convex system formed by the first and second physical optical elements. 1. The alignment device according to 1.
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