JPH0274806A - Alignment apparatus - Google Patents

Alignment apparatus

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JPH0274806A
JPH0274806A JP63225808A JP22580888A JPH0274806A JP H0274806 A JPH0274806 A JP H0274806A JP 63225808 A JP63225808 A JP 63225808A JP 22580888 A JP22580888 A JP 22580888A JP H0274806 A JPH0274806 A JP H0274806A
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優和 真継
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    • 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 by forming alignment luminous flux as a first signal light on the surface of a first body, newly forming alignment luminous flux as a second signal light for the first signal light on the surface of a second body, and utilizing the luminous fluxes. CONSTITUTION:A first physical optic element 3 which functions as a convex lens element and a concave lens element at the same time as one element is provided on, e.g. the surface of the body 1 of first and second bodies 1 and 2. The luminous fluxes in the diffraction orders having the different signs from the optical element 3 are used through a second physical optic element 4 which is formed on the surface of the body 2. The patterns of a convex lens element and a concave lens element are formed in the optic element 4. Or the sequential order of the luminous fluxes passing through the first and second physical optic elements 3 and 4 is reversed, and the luminous fluxes are used. The positions of the centers of gravity of the amounts of lights are changed on the surfaces of sensors 38 and 39 at the expanding magnification factors having the different signs with respect to the relative position-deviating amount between the first and second bodies 1 and 2 in two alignment signal luminous fluxes. Such luminous fluxes are formed. The distance between the positions of the centers of gravity of the amounts of the lights is detected. 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例えば2次元的
又は3次元的な位置決め(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 (Industrial Application Field) The present invention relates to an alignment device, and for example, in an exposure device for manufacturing semiconductor elements, aligning a mask or a reticle (hereinafter referred to as “mask”) or the like on a first object surface. When performing relative two-dimensional or three-dimensional positioning (alignment) between a mask and a wafer when exposing and transferring a fine electronic circuit pattern formed on a second object surface such as a wafer. The present invention relates to a suitable alignment device.

(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、半導体未了−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. Especially in alignment in recent exposure equipment, due to the high integration of semiconductors,
For example, there is a demand for alignment accuracy of submicron or less.

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。
In many alignment devices, a so-called alignment pattern for alignment is provided on the mask and wafer surface.
Alignment of both is performed using the position information obtained from them. As an alignment method at this time, for example, the amount of deviation between both alignment patterns may be detected by performing image processing, or U.S. Pat.
As proposed in No. 037969 and Japanese Unexamined Patent Publication No. 56-157033, a zone plate is used as an alignment pattern and a light beam is irradiated onto the zone plate.
This is accomplished by, for example, detecting the position of the focal point.

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へてアライ
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。
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及び支持金62に載置したウニ八60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, a parallel light beam emitted from a light source 72 passes through a half mirror 74 and is condensed at a condensing point 78 by a condensing lens 76, after which it is placed on a mask alignment pattern 68a on the surface of a mask 68 and a support metal 62. The wafer alignment pattern 60a on the surface of the sea urchin 8 60 thus prepared 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とウェハ
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 perform relative positioning of the mask 68 and the wafer 60.

マスク68及びウェハ60上のゾーンプレート68a、
60aは焦点距離がマスク68とウェハ60との間の所
定の間隔値に等しい量だけ異なり、一般にはウェハ60
上のゾーンプレート60aの方が焦点距離か大きい。
a zone plate 68a on the mask 68 and the wafer 60;
60a differs in focal length by an amount equal to the predetermined spacing value between mask 68 and wafer 60, and generally
The upper zone plate 60a has a larger focal length.

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面一トのウ
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78
b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 entire wafer 60 surface without changing the 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, and is focused near the converging point 78, which focuses on the wafer position.
form b. 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
地面等に対してウニへ面か傾斜しているとセンサ上に入
射する光束の重心位置が変化し、アライメント誤差とな
ってくる。
In this method, if the surface is tilted relative to the mask surface, the reference plane such as the mask holder in the semiconductor exposure equipment, and the ground plane of the exposure equipment, the center of gravity of the light beam incident on the sensor will be The position changes, resulting in 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
対して第2信号光としてのアライメント光束を新たに形
成し、これ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信号光のウェハ而の傾斜に対する
センサトでの重心移動の作用がアライメント光束(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信号光がアライメ
ント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信号光とアライメント光束のセン
サ上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. Particularly, the present invention is characterized by providing an alignment device that newly forms an alignment light beam as a second signal light with respect to the alignment light beam as a second signal light, and uses this to perform highly accurate alignment. , the effect of the movement of the center of gravity in the sensor on the tilt of the wafer of the second signal light is the alignment light flux (first
The second signal light is set to be exactly equal to the signal light flux), and the second signal light is set so that it is subjected to the movement of the center of gravity that is exactly equal to the alignment light flux even with changes in the position of the alignment head. The object of the present invention is to provide an alignment device that allows highly accurate alignment by making the variation in the relative position of the alignment light beam on the sensor depend in principle only on the positional deviation between the mask and the wafer.

(問題点を解決するための手段) 第1物体面上に物理光学素子としての機能を有する第1
物理光学素子を形成し、第2物体面上に物理光学素子と
しての機能を有する第2物理光学素子を形成し、該第1
又は第2物理光学素子のうち一方の物理光学素子Aを単
一のマーク形状を有するレンズ素子より構成し、該第1
物理光学素子に光束を入射させたときに生ずる所定次数
の回折光を該第2物理光学素子に入射させ、該第2物理
光学素子からの所定次数の回折光の光量重心を第1検出
手段で検出し、又該第1物理光学素子に光束を入射させ
、該第1物理光学素子から生ずる前記次数と異なる次数
の回折光を該第2物理光学z= t’−に入射させ、該
第2物理光学素子から生じた補記次数と異なる次数の回
折光の光量重心を第2検出手段で検出し、該第1.第2
検出手段からの信号の双方の信号を利用して、該第1物
体と第2物体との位置決めを行う際、該第1検出手段に
入射する光束の重心位置と該第2検出手段に入射する光
束の重心位置が、該第1物体と第2物体の位置ずれに対
して互いに異なる符号の倍率で変位するように各要素を
設定したことである。
(Means for solving the problem) A first optical element having a function as a physical optical element on the first object plane
forming a physical optical element, forming a second physical optical element having a function as a physical optical element on a second object plane;
Alternatively, one of the second physical optical elements A is composed of a lens element having a single mark shape, and the first physical optical element
Diffraction light of a predetermined order generated when a light flux is incident on the physical optical element is made to enter the second physical optical element, and the center of gravity of the light amount of the diffracted light of the predetermined order from the second physical optical element is detected by the first detection means. detecting the light flux, and making the light beam incident on the first physical optical element, making the diffracted light of an order different from the order generated from the first physical optical element incident on the second physical optical element z=t'-, A second detection means detects the center of gravity of the light amount of the diffracted light of an order different from the supplementary order generated from the physical optical element, and the first. Second
When positioning the first object and the second object using both signals from the detection means, the center of gravity of the light beam incident on the first detection means and the center of gravity of the light beam incident on the second detection means are determined. Each element is set so that the center of gravity of the light beam is displaced by a magnification of a different sign with respect to the positional deviation between the first object and the second object.

(実施例) 第1図(A)は本発明の第1実施例の要部概略図である
。図中、1は第1物体で、例えばマスクである。2は第
2物体で、例えばマスク1と位置合わせされるウェハで
ある。3,4は各々アライメント用の第1.第2物理光
学素子であり、各々マスク1面上とウェハ2面上に設け
られている。
(Embodiment) FIG. 1(A) is a schematic diagram of a main part of a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a first object, for example a mask. 2 is a second object, for example a wafer to be aligned with the mask 1; 3 and 4 are the first ones for alignment. This is a second physical optical element, and is provided on one surface of the mask and on the second surface of the wafer, respectively.

本実施例においては、光源31から出射した光束は投光
光学系(コリメータレンズ系)9を通り、平行光束とな
って第1物体l上の第1物理光学素子3に、第1物体面
の法線に対して所定の角度αで斜入射する。
In this embodiment, the light beam emitted from the light source 31 passes through the projection optical system (collimator lens system) 9, becomes a parallel light beam, and is delivered to the first physical optical element 3 on the first object l on the first object plane. The light is obliquely incident at a predetermined angle α with respect to the normal.

第1物理光学素子3は単一・のマーク形状を有する振幅
型のグレーティングレンズ等のレンズ素子より成り、ア
ライメント光束の透過部と不透過部が同図に示すように
形成されている。このグレーティングレンズ3のマーク
形状(マークパターン)は、予め結像関係を指定して物
点く光源)と像点から出射される所定の光束が物理光学
素子3面で形成するホログラムパターンとパターン形状
が後述するように一致するように設定されている。
The first physical optical element 3 is composed of a lens element such as an amplitude type grating lens having a single mark shape, and has a transparent part and a non-transparent part for the alignment light beam, as shown in the figure. The mark shape (mark pattern) of this grating lens 3 is a hologram pattern and pattern shape formed by a predetermined light beam emitted from an image point (a light source that focuses on an object by specifying an imaging relationship in advance) and a physical optical element 3 surface. are set to match as described below.

第1物理光学素子3で所定の次数で回折の作用を受けた
光束はレンズ作用(収束或は発散作用)を受け、例えば
第3図に示すように+1次で回折の作用を受けた光束は
像点F1が(0,0゜z+)となるように凸レンズ作用
(収束作用)を受ける。一方、−1次で回折の作用を受
けた光束は虚像点F2が(0,O,Z+ )となるよう
に凹レンズ作用(発散作用)を受ける。
A light beam that has been diffracted at a predetermined order by the first physical optical element 3 is subjected to a lens effect (convergence or divergence). For example, as shown in FIG. 3, a light beam that has been diffracted at a +1st order is A convex lens action (convergence action) is applied so that the image point F1 becomes (0,0°z+). On the other hand, the light beam subjected to diffraction at the -1st order is subjected to a concave lens effect (divergent effect) so that the virtual image point F2 becomes (0, O, Z+).

このようにして発生する2つの光束、即ち収斂光束La
と発散光束Lbは所定の間隔gを隔てた第2物理光学素
子4で更に回折して、レンズ作用を受ける。
Two luminous fluxes generated in this way, namely a convergent luminous flux La
The divergent light beam Lb is further diffracted by the second physical optical element 4 separated by a predetermined distance g, and is subjected to a lens action.

第2物理光学素子4は複数のマーク形状を有するレンズ
素子より成っており、例えば第2図(A)に示すような
パターンの2種類のグレーティングレンズ4a、4bか
ら成っている。
The second physical optical element 4 is composed of a lens element having a plurality of mark shapes, and is composed of two types of grating lenses 4a and 4b having a pattern as shown in FIG. 2(A), for example.

本実施例において第2物理光学素子4は振幅と位相の混
合型のグレーティングレンズ素子より成り、断面構造が
例えば凹凸パターンで一般的に谷と山の振幅反射率が異
なっている。第2物理光学素子4で、所定次数で回折す
る光束のうち第1物理光学素子で回折作用を受けた収斂
光束が第2物理光学素子4のグレーティングレンズ4a
で1次回折し凹レンズ作用を受けて生じる光束Laを第
1アライメント信号光束として用いている。
In this embodiment, the second physical optical element 4 is composed of a grating lens element of mixed amplitude and phase type, and has a cross-sectional structure of, for example, a concavo-convex pattern, and generally has different amplitude reflectances at valleys and peaks. In the second physical optical element 4, among the light beams diffracted at a predetermined order, a convergent light beam that has undergone a diffraction action in the first physical optical element is converted into a grating lens 4a of the second physical optical element 4.
The light beam La that is first-order diffracted and generated by the concave lens action is used as the first alignment signal light beam.

一方、第1物理光学素子3で回折作用を受けた発散光束
が第2物理光学素子4のグレーティングレンズ4bで1
次回折し、凸レンズ作用を受けて生じる光束を第2アラ
イメント信号光束Lbとして用いている。
On the other hand, the diverging light beam that has been diffracted by the first physical optical element 3 is reflected by the grating lens 4b of the second physical optical element 4.
The light beam that is diffracted next time and generated by the convex lens action is used as the second alignment signal light beam Lb.

第2物理光学素子4て回折作用を受けた第1゜第2アラ
イメント信号光束は、第2物体面2を出射し、第1物体
1を0次で透過し、所定面北に設定さ勾たセンサ38,
39上に入射する。
The 1st and 2nd alignment signal beams subjected to diffraction by the second physical optical element 4 exit the second object plane 2, pass through the first object 1 in the zeroth order, and are set at a predetermined plane north. sensor 38,
39.

次に第1.第2アライメント信号光束La。Next, the first. Second alignment signal beam La.

Lbが第1.第2物体の位置ずれに対応してセンサ38
,39上で変位する作用について第3図を参照し・て説
明する。
Lb is the first. The sensor 38 responds to the positional deviation of the second object.
, 39 will be explained with reference to FIG.

第3図は第1図に示す実施例の投光光学系9からの光束
のグレーティングレンズ3.4による位置ずれ量拡大系
の要部概略図である。同図において第1物理光学素子3
に入射した平行光束は、回折作用を受けて、このうち+
1次回折光31は点F1に収束するように収斂光束La
となり、−1次回折光は点F2を虚像点とする発散光束
Lbとなる。
FIG. 3 is a schematic diagram of a main part of a system for enlarging the amount of positional deviation by the grating lens 3.4 of the light beam from the light projecting optical system 9 of the embodiment shown in FIG. In the figure, the first physical optical element 3
The parallel light beam incident on the +
The first-order diffracted light 31 is converted into a convergent light beam La so as to converge on the point F1.
Therefore, the −1st-order diffracted light becomes a divergent light beam Lb with point F2 as the virtual image point.

このように符号の異なる次数の回折光を利用し、単一の
グレーティングレンズで凸レンズ作用と、凹レンズ作用
の2つの機能を有効に生じせしめている。
In this way, by using the diffracted lights of orders with different signs, a single grating lens can effectively produce two functions: a convex lens function and a concave lens function.

前記収斂光束La、発散光束Lbはそれぞれ第2物理光
学素子4のグレーティングレンズ4a、4bで共に一1
次の回折作用を受け、このときそれぞれ凹レンズ作用、
凸レンズ作用を受け、それぞれの像点Fl、F2がセン
サ面38゜39上へ結像される。ここに第1.第2物体
の間隔をg、第2物体4とセンサ間の距離をL、第1物
理光学素子3の焦点距離なr+  (凸パワー時)、 
 r+(凹パワー時)、第2物理光学素子4のグレーテ
ィングレンズ4aの焦点距離を−f2、グレーティング
レンズ4bの焦点距離をf3とし、第1.第2物体の相
対位置ずれ量をεとすると、第1.第2アライメント光
束La。
The converging light flux La and the diverging light flux Lb are both unified by the grating lenses 4a and 4b of the second physical optical element 4, respectively.
Under the following diffraction effects, at this time, the concave lens effect,
Under the action of a convex lens, respective image points Fl and F2 are imaged onto the sensor surface 38°39. Here is the first one. The distance between the second object is g, the distance between the second object 4 and the sensor is L, the focal length of the first physical optical element 3 is r+ (at the time of convex power),
r+ (at the time of concave power), the focal length of the grating lens 4a of the second physical optical element 4 is -f2, the focal length of the grating lens 4b is f3, and the first. If the amount of relative positional deviation of the second object is ε, then the first object. Second alignment light beam La.

Lbのセンサ面の光量重心位置の位置ずれ量0のときに
対するそれぞれの変位11sI、S2はとなる。
The respective displacements 11sI and S2 of the light quantity gravity center position of the sensor surface of Lb when the positional deviation amount is 0 are as follows.

このときの変位is1.S2の位置ずれ量拡大倍率は第
1物理光学素子の焦点距m fr−fl、第2物体面か
らセンサ面までの距fiL、間隔gに依存している。
At this time, the displacement is1. The positional deviation magnification magnification in S2 depends on the focal length m fr-fl of the first physical optical element, the distance fiL from the second object plane to the sensor plane, and the interval g.

またそれぞれの拡大倍率は第1アライメント信号光束L
aが負、第2アライメント信号九束Lbが正符号となる
。尚、変位ist、S2の位置は像点Fl、F2と、第
2物理光学素子4の光軸中心とを結ぶ直線が検出面と交
わる位置として幾何光学的に対応づけることができる。
In addition, each magnification factor is the first alignment signal light flux L
a has a negative sign, and the second alignment signal nine bundles Lb has a positive sign. Note that the position of the displacement ist, S2 can be correlated in terms of geometric optics as a position where a straight line connecting the image points Fl, F2 and the center of the optical axis of the second physical optical element 4 intersects with the detection surface.

センサ38.39で281.第2アライメント信号光束
La、Lbの光量重心位置Sl、S2を検知し、点S1
と点82間の距離Δ5=s1−S2を求めると、位置ず
れ量εに応じて距離ΔSはr+  −g となる。
Sensor 38.39 and 281. The light intensity gravity center positions Sl and S2 of the second alignment signal beams La and Lb are detected, and the point S1
When calculating the distance Δ5=s1−S2 between the point 82 and the point 82, the distance ΔS becomes r+−g according to the positional deviation amount ε.

尚、第2物理光学素子4で回折し、レンズ作用を受けて
第2物体面2を出射する光束は第2物体面法線に対しy
z面内では所定の角度βで斜出術する。
Incidentally, the light beam diffracted by the second physical optical element 4 and outputted from the second object surface 2 after being subjected to lens action is y relative to the normal to the second object surface.
Oblique surgery is performed at a predetermined angle β in the z-plane.

このように第1.第2物体に対しアライメント光束を斜
入射投光し、斜出術受光するよう位置合わせ光学系中の
位置合わせ物体上の物理光学素子を設定することにより
、投光光学系と受光光学系そしてセンサなどを一筺体(
ピックアップヘッド)中に配置、構成することを容易に
している。
In this way, the first. By setting the physical optical element on the alignment object in the alignment optical system so as to project the alignment beam at oblique incidence to the second object and receive the alignment beam at an oblique angle, the alignment optical system, the light receiving optical system, and the sensor are set. etc. in one case (
(Pickup head) is easy to place and configure.

本実施例では第2物理光学素子4を出射する第1.第2
アライメント信号九束La、Lbが共に一1次で回折し
て、それぞれが凹レンズ作用と凸レンズ作用を受けた後
、投光光学系と同じ側に斜め出射するように第2物理光
学素子のパターン形状を例えば第2図(A)に示すよう
に設定している。
In this embodiment, the first optical element emitting light from the second physical optical element 4. Second
The pattern shape of the second physical optical element is such that the nine alignment signal bundles La and Lb are both diffracted by the 11th order, and after receiving concave lens action and convex lens action, they are emitted obliquely to the same side as the projection optical system. are set, for example, as shown in FIG. 2(A).

第2図(B)〜第2図(F)は本実施例に係る第2物理
光学素子4の配置状態を示す他の一実施例の概略図であ
る。図中、4aは第1アライメントマーク、4bは第2
アライメントマークでいずれもグレーティングレンズよ
り成っている。
FIG. 2(B) to FIG. 2(F) are schematic diagrams of another embodiment showing the arrangement state of the second physical optical element 4 according to the present embodiment. In the figure, 4a is the first alignment mark, 4b is the second
Each alignment mark consists of a grating lens.

尚、第2図(D)は同一領域内に第1アライメントマー
ク4aと第2アライメントマーク4bを重ね合わせて配
置した一例である。
Note that FIG. 2(D) is an example in which the first alignment mark 4a and the second alignment mark 4b are arranged in the same area so as to be overlapped.

次に本実施例における第1.第2物理光学素子3.4の
製造及び設定方法の一実施例を述べる。
Next, the first example in this embodiment. An example of a method for manufacturing and setting the second physical optical element 3.4 will be described.

まず、第1物体であるマスク用のマーク3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。
First, the mask mark 3, which is the first object, is designed so that a parallel light beam having a predetermined beam diameter enters at a predetermined angle and is condensed at a predetermined position. In general, the pattern of a grating lens is an interference fringe pattern on the lens surface when coherent light sources are placed at the light source (object point) and image point, respectively.

今、第1図のように第1物体1面上の座標系を定める。Now, as shown in Figure 1, a coordinate system on the first surface of the first object is determined.

ここに原点はマークの中央にあり、位置ずれ検出方向に
X軸、第1物体面上X軸と直交方向にy軸、第1物体面
1の法線方向に4軸をとる。第1物体而1の法線に対し
αの角度で入射し、その射影成分がX軸方向と直交する
平行光束が第1物体1のマークを透過回折後、集光点(
X+ 、’J+ 、Z+ )の位置で結像するようなグ
レーティングレンズの曲線群の方程式は、グレーティン
グレンズx、y方向に同じパワーを有しているとき、該
グレーティングの輪郭位置をx、 yで表わし ysin a   P、(x、y)−P2=mλ/ 2
−(1)で与えられる。ここにλはアライメント光の波
長、mは整数である。
Here, the origin is located at the center of the mark, the X axis is in the positional deviation detection direction, the y axis is in the direction orthogonal to the X axis on the first object surface, and the four axes are in the normal direction of the first object surface 1. A parallel beam of light that is incident at an angle α with respect to the normal to the first object 1 and whose projected component is perpendicular to the X-axis direction passes through the mark of the first object 1 and is diffracted.
The equation for the group of curves of a grating lens that forms an image at positions X+, 'J+, Z+) is, when the grating lens has the same power in the Expressed as ysin a P, (x,y)-P2=mλ/2
- given by (1). Here, λ is the wavelength of the alignment light, and m is an integer.

主光線を角度αで入射し、第1物体面1上の原点を通り
、集光点(X+ 、!+ 、Z+ )に達する光線とす
ると(1)式の右辺はmの値によって主光線に対して波
長のm/2倍光路長が長い(短い)ことを示し、左辺は
主光線の光路に対し第1物体上の点(x、y、0)を通
り点(xI+ 3’ r21)に到達する光線の光路の
長さの差を表わす。第1図に第1物体1上の第1物理光
学素子3を示す。
If the principal ray is incident at an angle α, passes through the origin on the first object plane 1, and reaches the focal point (X+,!+, Z+), then the right side of equation (1) changes the principal ray depending on the value of m. On the other hand, it shows that the optical path length m/2 times the wavelength is long (short), and the left side shows that the optical path of the chief ray passes through the point (x, y, 0) on the first object and reaches the point (xI + 3' r21). It represents the difference in the length of the optical path of the arriving light ray. FIG. 1 shows a first physical optical element 3 on a first object 1. As shown in FIG.

一方、第2物体2上のグレーティングレンズは所定の点
光源から出た球面波を所定の位置(センサ面上)に集光
させるように設計される。点光源は第1物体1と第2物
体2の露光時のギャップをgとおくと(X+ r ’!
+ + Z+   g)で表わされ、第1物理光学素子
による結像点の位置である(yは変数)。第1物体1と
第2物体2の位置合わせはX軸方向に行なわれるとし、
アライメント完了時にセンサ面上の点(X2 r y2
 * 22 )の位置にアライメント光が集光するもの
とすれば、第2物体上のグレーティングレンズの曲線群
の方程式は先に定めた座標系で 十mλ/2             ・・・・・・・
・・(2)と表わされる。
On the other hand, the grating lens on the second object 2 is designed to condense a spherical wave emitted from a predetermined point light source onto a predetermined position (on the sensor surface). For a point light source, if the gap between the first object 1 and the second object 2 during exposure is g, then (X+r'!
+ + Z+ g), which is the position of the imaging point by the first physical optical element (y is a variable). Assuming that the first object 1 and the second object 2 are aligned in the X-axis direction,
When the alignment is completed, the point on the sensor surface (X2 r y2
*22) If the alignment light is focused at the position of
...It is expressed as (2).

(2)式は第2物体面がz=−Hにあり、主光線が第1
物体面上の原点及び第2物体面上の点(0,0,−g)
、更にセンサ面上の点(x2゜y2 、Z2 )を通る
光線であるとして、第2物体面トのクレーティング(x
、y、−g)を通る光線と主光線との光路長の差が半波
長の整数倍となる条件を満たす方程式である。
Equation (2) shows that the second object plane is at z=-H and the chief ray is at the first
Origin on the object plane and point on the second object plane (0, 0, -g)
, Furthermore, assuming that the ray passes through the point (x2°y2, Z2) on the sensor surface, the crating (x
, y, -g) and the principal ray, which satisfy the condition that the difference in optical path length is an integral multiple of a half wavelength.

第2物理光学素子4のグレーティングレンズ4a、4b
のパターンは、航速の方程式(2)を利用することによ
り設計することがでる。このうちグレーティングレンズ
4bのパターンは物点(光12)と像点の位置P (0
,0,z、+g)。
Grating lenses 4a and 4b of the second physical optical element 4
The pattern can be designed by using equation (2) of sailing speed. Among these, the pattern of the grating lens 4b is the position of the object point (light 12) and the image point P (0
, 0, z, +g).

Q (X2 、  Y2 、22 ) テ与えられる。Q (X2, Y2, 22) is given.

コノとき、物点の位置Pは第1物理光学素子3で凹レン
ズ作用を受けた光束の虚像点の位置であり、像点の位@
Qは前記センサ面上の点(X2 、 Y2 。
In this case, the position P of the object point is the position of the virtual image point of the light flux subjected to the concave lens action by the first physical optical element 3, and the position of the image point @
Q is a point (X2, Y2) on the sensor surface.

Z2)とxZ面に関し、対称な点となる。Z2) and the xZ plane are symmetrical points.

このように像点Qの座標を設定してグレーティングレン
ズ4bを設定することにより、グレーティングレンズ4
aのパターンでアライメント信号光束Laが回折する次
数と同じ符号でありながらグレーティングレンズ4aで
は第1アライメント信号光束Laに凹レンズの作用をも
たらす一方、グレーティングレンズ4bでは凸レンズの
作用を第2アライメント信号九束Lbにもたらすことが
可能となる。
By setting the coordinates of the image point Q and setting the grating lens 4b in this way, the grating lens 4b
In the pattern a, the grating lens 4a has the same sign as the order of diffraction of the alignment signal beam La, but the grating lens 4a has a concave lens effect on the first alignment signal beam La, while the grating lens 4b has the effect of a convex lens on the second alignment signal beam La. It becomes possible to bring it to Lb.

又、位置ずれ検出方向にはレンズ作用かあるが、それと
直交する方向には光束の進行方向を一定の角度で偏向さ
せる作用をもつようなグレーティングレンズを設定し、
アライメント用として用いても良い。
In addition, a grating lens is set that has a lens effect in the positional deviation detection direction, and has a grating lens effect that deflects the traveling direction of the light beam at a certain angle in the direction perpendicular to that direction.
It may also be used for alignment.

又、第2図(H)に示すパターンはX方向、X方向とも
に同じレンズ作用をもち、かつX方向に光束の進行方向
を一定の角度で偏向させる作用をもっている。
Further, the pattern shown in FIG. 2(H) has the same lens effect in both the X direction and the X direction, and also has the effect of deflecting the traveling direction of the light beam at a fixed angle in the X direction.

第2図(G)に示すパターンは、X方向断面が同じ焦点
距離をもつフレネルゾーンプレートの断面と同じで、X
方向断面は等ピッチクレーティングの断面と同じとなる
。一般的に曲線の形は放物線、又は双曲線に近い形状と
なる。第2図(H)のパターンは所謂オフアクシス型フ
レネルゾーンプレートのパターンである。
The pattern shown in Figure 2 (G) has a cross section in the X direction that is the same as the cross section of a Fresnel zone plate with the same focal length, and
The directional cross section is the same as the cross section of equal pitch crating. Generally, the shape of the curve is a parabola or a shape close to a hyperbola. The pattern shown in FIG. 2(H) is that of a so-called off-axis Fresnel zone plate.

第1物体1用のアライメントマーク3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。
The alignment mark 3 for the first object 1 is designed so that a parallel light beam having a predetermined beam diameter enters at a predetermined angle and converges in a line at a predetermined position.

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2図(H)の
ように第1物体面上の座標系を定める。ここに原点はス
クライブライン幅の中央にあり、スクライブライン方向
にy軸、幅方向にy軸、第1物体而の法線方向に2軸を
とる。第1物体の法線に対しαの角度で入射し、その射
影成分がX軸方向と直交する平行光束がマスク用のアラ
イメントマーク3を透過回折後、集光点(x+ 、y、
Z+ )の位置で線状に結像するようなグレーティング
レンズの曲線群の方程式は、グレーティングのパワーが
X方向のみとき、該グレーティングの輪郭位置なx、y
で表わすとysin  a     P、(x)−P2
 =m λ/2  −(3)P 、(x)  =  (
x−x、)”  + z、2p2  =月;1777 で与えられる。ここにλはアライメント光の波長、mは
整数である。
Generally, the grating lens pattern is a light source (object point)
This is the interference fringe pattern on the lens surface when a coherent light source is placed at the image point. Now, the coordinate system on the first object plane is determined as shown in FIG. 2(H). Here, the origin is located at the center of the scribe line width, and the y axis is in the scribe line direction, the y axis is in the width direction, and the two axes are in the normal direction of the first object. A parallel beam of light that is incident at an angle α to the normal to the first object and whose projected component is orthogonal to the
The equation of the group of curves of a grating lens that forms a linear image at the position Z+) is that when the power of the grating is only in the
Expressed as ysin a P, (x)-P2
= m λ/2 − (3) P , (x) = (
x−x, )” + z, 2p2 = moon; 1777 where λ is the wavelength of the alignment light and m is an integer.

主光線を角度αで入射し、第1物体面上の原点を通り、
集光点(x+ 、y、Z+ )に達する光線とすると(
3)式の8辺はmの値によって主光線に対して波長のm
/2倍光路艮が長い(短い)ことを示し、左辺は主光線
の光路に対し、第1物体面上の点(x、y、0)を通り
点(x+ 、y。
The chief ray is incident at an angle α, passes through the origin on the first object plane,
If the ray reaches the focal point (x+, y, Z+), then (
3) The eighth side of the equation is the wavelength m for the principal ray depending on the value of m.
/2 times indicates that the optical path is long (short), and the left side of the optical path of the principal ray passes through the point (x, y, 0) on the first object plane and reaches the point (x+, y).

zl)に到達する光線の光路の長さの差を表わす。zl) represents the difference in the length of the optical path of the light rays reaching the point zl).

(3)式では第1物体面上の点yを通りた光は結像点で
はX方向に変換されない。
In equation (3), the light passing through point y on the first object plane is not converted in the X direction at the imaging point.

一方、第2物体面上のグレーティングレンズ4は所定の
線光源から出た円筒波を所定の位置(センサ面上)に集
光させるように設計される。線光源上の各点は第1物体
と第2物体の露光時のギャップなgとおくと(x+ 、
y、Z+   g)で表わされる。第1物体と第2物体
の位置合わせはX軸方向に行なわれるとし、アライメン
ト完了時にセンサ面9Lの点(X2 、y、Z2 )の
位置にアライメント光が集光するものとすれば、第2物
体上のグレーティングレンズの曲線群の基本方程式は先
に定めた座標系で 月7■運;二ΣT −(x−xlF+薯「τ)z+ysin73十mλ/2
           ・・・・・・・・・(4)と表
わされる。
On the other hand, the grating lens 4 on the second object plane is designed to condense the cylindrical wave emitted from a predetermined line light source onto a predetermined position (on the sensor surface). Assuming that each point on the line light source is the gap g at the time of exposure between the first object and the second object, (x+,
y, Z+g). Assuming that the alignment of the first object and the second object is performed in the X-axis direction, and that the alignment light is focused at the position of the point (X2, y, Z2) on the sensor surface 9L when the alignment is completed, The basic equation of the group of curves of the grating lens on the object is expressed in the previously defined coordinate system as
It is expressed as (4).

ここにβはy方向の偏向角(第2物体面法線に対する出
射角)を示す。
Here, β indicates the deflection angle in the y direction (the exit angle with respect to the normal to the second object surface).

(4)式は第2物体而がz=−Hにあり、主光線が第1
物体面上原点及び第2物体面上の点(0゜0、−g)、
更に検出面上の点(X2 、y。
Equation (4) shows that the second object is at z=-H and the chief ray is at the first
The origin on the object plane and the point on the second object plane (0°0, -g),
Furthermore, a point (X2, y) on the detection surface.

Z2)を通る光線であるとして、第2物体面上のグレー
ティング(x、y、−g)を通る光線と主光線との光路
長の差が半波長の整数倍となる条件を満たす方程式であ
る。
This is an equation that satisfies the condition that the difference in optical path length between the ray passing through the grating (x, y, -g) on the second object plane and the principal ray is an integral multiple of a half wavelength, assuming that the ray passes through Z2). .

般に第1物体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)Q〕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、第2物体用のゾーンプレー1〜は、例えば矩
形断面の(7相格、子パターンとして作成される。(3
) 、 (4)式において主光線に対してt波長の整数
倍の位置で、クレーティングの輪郭を規定したことは、
第1物体トのグレーティングレンズ3では透明部と遮光
部の線幅の比が1:lであること、第2物体上のグレー
ティングレンズ4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。
In general, the zone plate (grating lens) for the first object has an amplitude of 0 and 1 in which two areas are alternately formed: a region through which light rays pass (transparent part) and a region through which light rays do not pass (shading part). It is made as a type grating element. In addition, zone plays 1 to 1 for the second object are created as (7 phase, child patterns) with a rectangular cross section, for example. (3
), In equation (4), the outline of the crating is defined at a position that is an integral multiple of the wavelength t with respect to the chief ray.
The grating lens 3 on the first object has a line width ratio of 1:l between the transparent part and the light shielding part, and the grating lens 4 on the second object has a line-to-space ratio of 1=1. It means that.

第1物体上のグレーティングレンズ3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。
The grating lens 3 on the first object was formed by transferring a grating lens pattern of a reticle previously formed by EB exposure onto an organic thin film made of polyimide.

又、第2物体りのマークは第1物体と第2物体の露光パ
ターンを形成したのち露光転写して形成していた。
Further, the marks on the second object were formed by forming exposure patterns on the first object and the second object and then performing exposure transfer.

次に本実施例における検出手段としてのセンサ(例えば
1次元の蓄積型の1次元COD等)に入射するアライン
メント光である第1アライメント光と第2アライメント
光との関係について説明する。
Next, a description will be given of the relationship between the first alignment light and the second alignment light, which are alignment lights that are incident on a sensor (for example, a one-dimensional accumulation-type one-dimensional COD) as a detection means in this embodiment.

本実施例においては第2アライメント信号光と第1アラ
イメント信号光は第2物体而の法線に対して各々Bo、
5oの角度で、又、X軸方向に対しては第2物体面射影
成分が直交する角度で出射する。センサ38,39の空
間的配置は、予めアライメント完Y時に光束がセンサの
ほぼ中央の位置に入射するようにセツティングされてい
る。
In this embodiment, the second alignment signal light and the first alignment signal light are Bo, respectively, with respect to the normal to the second object.
The second object plane projection component is emitted at an angle of 5o, and at an angle perpendicular to the X-axis direction. The spatial arrangement of the sensors 38 and 39 is set in advance so that the light beam will be incident on the substantially central position of the sensor when alignment is completed.

センサ38,39の中心間隔は2mmであり、約0.1
 μm精度でSiの同一基板上に設定されている。又、
センサ38,39の配置されたSi基板は、その法線が
第1アライメント光出射角と第2アライメント信号光出
射角の2等分線と略平行に配置されている。
The center distance between the sensors 38 and 39 is 2 mm, which is approximately 0.1
They are set on the same Si substrate with μm precision. or,
The Si substrate on which the sensors 38 and 39 are arranged is arranged so that its normal line is substantially parallel to the bisector of the first alignment light emission angle and the second alignment signal light emission angle.

センサ38,39のサイズは第1信号充用のセンサ11
が幅1mm、長さ6n+m、又第2信号充用のセンサ1
2が幅1mm、長さ1mmである。又、各画素のサイズ
は25μm X 500μmである。
The size of the sensors 38 and 39 is the same as that of the sensor 11 for the first signal.
The width is 1mm, the length is 6n+m, and the sensor 1 is used for the second signal.
2 has a width of 1 mm and a length of 1 mm. Further, the size of each pixel is 25 μm x 500 μm.

各々のセンサは入射光束の重心位置を測定し、センサの
出力は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。これによりアライメント光源の出力が多少変動
しても、センサ系から出力される測定値は正確に重心位
置を示すように設定している。尚、センサの重心位置の
分解能はアライメント光のパワーにもよるが、例えば5
0mW、波長0.83μmの半導体レーザーを用いて測
定した結果、0.2μmであった。
Each sensor measures the position of the center of gravity of the incident light flux, and signal processing is performed so that the output of the sensor is normalized by the total amount of light in the light receiving area. As a result, even if the output of the alignment light source varies somewhat, the measurement value output from the sensor system is set to accurately indicate the position of the center of gravity. Note that the resolution of the center of gravity position of the sensor depends on the power of the alignment light, but for example,
As a result of measurement using a semiconductor laser of 0 mW and wavelength of 0.83 μm, it was 0.2 μm.

本実施例に係る第1物体用のグレーティングレンズと第
2物体用のグレーティングレンズの設計例では、第1.
第2物体の位置ずれを第1アライメント光は一100倍
、第2信号光では100倍に拡大して信号光束がセンサ
面上で重心位置を移動する。従って、第1.第2物体間
に0.01μmQ)位置ずれがあったとすると、センサ
面上ではアライメント光は一1μm、第2信号光は1μ
mの実効的な重心移動が起こり、センサ系はこれを0.
2μmの分解能で測定することができる。
In the design example of the grating lens for the first object and the grating lens for the second object according to this embodiment, the first.
The positional deviation of the second object is magnified by 1100 times with the first alignment light and 100 times with the second signal light, and the signal light flux moves the center of gravity on the sensor surface. Therefore, the first. Assuming that there is a positional deviation of 0.01 μmQ) between the second objects, the alignment light is 1 μm on the sensor surface, and the second signal light is 1 μm.
An effective center of gravity shift of m occurs, and the sensor system converts this to 0.
It can be measured with a resolution of 2 μm.

本実施例において、第2物体面2がyz面内で1 mr
ad傾斜したとすると、センサ38十では第1信号光束
は約20μm重心移動を起こす。一方、第2信号光もア
ライメント光である第1信号光束と軸対称で、■、つ光
路長の等しい光路を通るのでセンサ39上では、信号光
と全く等しい重心移動を起こす。これによりセンサ系で
は各々センサからの実効的重心位置の信号の差を出力す
るように信号処理をすると、第2物体面がyz面内で傾
斜してもセンサ系からの出力信号は変わらない。
In this embodiment, the second object plane 2 is 1 mr in the yz plane.
If the sensor 380 is tilted, the center of gravity of the first signal beam shifts by about 20 μm in the sensor 380. On the other hand, since the second signal light is also axially symmetrical with the first signal light beam, which is the alignment light, and passes through an optical path having the same optical path length, on the sensor 39, the center of gravity shifts exactly the same as that of the signal light. As a result, if the sensor system performs signal processing to output the difference between the signals of the effective center of gravity positions from each sensor, the output signal from the sensor system will not change even if the second object plane is tilted in the yz plane.

一方、第2物体がxz面内で傾斜すると、第1信号光束
、第2信号光束ともにセンサの長手方向と直交する幅方
向に重心移動を起こすが、これはセンサ上で検出する、
位置ずれに伴う光束の重心移動の方向と直交する方向な
ので、第2信号光がなくても実効的なアライメント誤差
にはならない。
On the other hand, when the second object is tilted in the xz plane, the center of gravity of both the first signal beam and the second signal beam shifts in the width direction perpendicular to the longitudinal direction of the sensor, but this is detected on the sensor.
Since the direction is perpendicular to the direction of the movement of the center of gravity of the light beam due to positional deviation, there will be no effective alignment error even if there is no second signal light.

更に、アライメント用光源、及び投光用レンズ系及びセ
ンサなどを内蔵するアライメントヘットが、第1物体−
第2物体系に対して位置の変動を起こした場合、例えば
ヘッドを第1物体に対して57xm、y方向に移動した
とする。このとき第1信号光はセンサ38上で5μmの
実効的重心移動を起こし、これに対して第2信号光もセ
ンサ39上で全く等しく5μmの重心移動を起こす。
Furthermore, an alignment head containing a light source for alignment, a lens system for projecting light, a sensor, etc. is connected to the first object.
When a positional change occurs with respect to the second object system, for example, suppose that the head is moved 57 x m in the y direction with respect to the first object. At this time, the first signal light causes an effective center of gravity movement of 5 μm on the sensor 38, whereas the second signal light also causes an effective center of gravity movement of 5 μm on the sensor 39.

同様に第1物体面とヘッドとの間にZ方向に10μmの
変動が起こると、第1信号光用のセンサ38及び第2信
号光用のセンサ39で共に10μm光束の重心移動を起
こす。
Similarly, when a variation of 10 μm occurs in the Z direction between the first object plane and the head, the center of gravity of both the first signal light sensor 38 and the second signal light sensor 39 shifts by 10 μm.

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち、第1信号
光の重心位置出力と第2信号光の重心位置の出力との差
信号は何ら変動しない。
Therefore, the final output from the sensor system, that is, the difference signal between the barycenter position output of the first signal light and the barycenter position output of the second signal light does not change at all.

又、X軸方向の位置の変動は第2信号光束がなくても本
質的なアライメント誤差にはならないことがわかる。
Furthermore, it can be seen that the variation in position in the X-axis direction does not result in an essential alignment error even without the second signal beam.

本実施例において第1.第2物体間の位置ずれff1X
は、センサ上でのアライメント光としての第1信号光と
第2信号光の重心位置をぞれぞれWl 、 w2 、そ
のときの第2物体面の第1物体面に対する傾斜角をΔθ
、アライメントヘッドの位置の変動量をΔ1r=(ΔX
、Δy、ΔZ)とおくと Wl  =m  + x+c+(Δθ、 Δ1r)w2
 =n  −x+c2(Δθ、 Δ lr)ここに、m
、nは各々第1アライメント系と第2アライメント系の
位置ずれ量の拡大倍率、c、(Δθ、Δlr)は、Δθ
、Δ1rによっておこるセンサ上での光束の重心移動量
で第1アライメント信号光と第2信号光がセンサ面法線
に関して軸対称であり、光路長が等しい場合はcl(Δ
θ、Δ1 r) =C2(Δθ、Δlr)となり、結局
センサ上の2つの光の相対的な重心位置から位置ずれ量
が次のように求まる。
In this example, the first. Positional deviation between the second object ff1X
are the centroid positions of the first signal light and the second signal light as alignment lights on the sensor as Wl and w2, respectively, and the inclination angle of the second object surface with respect to the first object surface at that time is Δθ
, the amount of variation in the position of the alignment head is expressed as Δ1r=(ΔX
, Δy, ΔZ), then Wl = m + x + c + (Δθ, Δ1r) w2
=n −x+c2(Δθ, Δlr)where, m
, n are the enlargement magnifications of the amount of positional deviation between the first alignment system and the second alignment system, c, and (Δθ, Δlr) are Δθ
, Δ1r, if the first alignment signal light and the second signal light are axially symmetrical with respect to the normal to the sensor surface and have equal optical path lengths, then cl(Δ1r)
θ, Δ1 r) = C2 (Δθ, Δlr), and the amount of positional deviation is finally determined from the relative center of gravity of the two lights on the sensor as follows.

x = (w、 −W2 ) / (m  n)このよ
うに第2物体面の傾斜、アライメントヘットの位置変動
等のアライメント光束の重心位置測定の際の誤差要因を
除去して、正確に位置ずれ量を検出することができる。
x = (w, -W2) / (m n) In this way, error factors when measuring the center of gravity position of the alignment light beam, such as the inclination of the second object plane and the positional fluctuation of the alignment head, are removed, and the positional deviation can be accurately determined. amount can be detected.

また、本実施例では第1物理光学素子の焦点距M fr
を217μm、間隔gを304m、第2物理光学素子か
らせンサまでの距f!IiLを18.7μmとした結果
、第1.第2アライメント信号光束の位置ずれ量拡大倍
率m、、m2はそれぞれ、m 、 = −99,0、m
 2 = 76.7085となり、両光束のセンサ面上
での位置検知方向距離ΔSを求めることにより位置ずれ
量の1ml  l+1m2 1倍、即ち175.708
5倍の倍率感度を得ることができる。
Furthermore, in this example, the focal length M fr of the first physical optical element
is 217 μm, the distance g is 304 m, and the distance from the second physical optical element to the sensor is f! As a result of setting IiL to 18.7 μm, the first. The positional deviation magnification magnification m, , m2 of the second alignment signal beam is m, = -99,0, m, respectively.
2 = 76.7085, and by finding the distance ΔS in the position detection direction of both light beams on the sensor surface, the amount of positional deviation is 1ml l + 1m2 1 times, that is, 175.708
A 5x magnification sensitivity can be obtained.

尚、第2物理光学素子4a、4bの焦点距離はセンサ面
上でのアライメント光束の径か約200μm以下となる
ように設定した。
The focal length of the second physical optical elements 4a and 4b was set to be approximately 200 μm or less, which is the diameter of the alignment light beam on the sensor surface.

本実施例に係る第1物体と第2物体の位置合わせ(横ず
れ検知、制御)の基本アルゴリズムは以下のとおりであ
る。
The basic algorithm for positioning (lateral shift detection and control) between the first object and the second object according to this embodiment is as follows.

(イ)まずセンサ38上の第1位置ずれ信号光束の光量
分布を測定したのち、先に定義した光量重心位置x8を
求める。
(a) First, after measuring the light intensity distribution of the first positional deviation signal beam on the sensor 38, the previously defined light intensity gravity center position x8 is determined.

(ロ)このときセンサ39上の第2位置ずれ信号光束の
光量分布から該光束の光量重心位置XRを求める。
(b) At this time, the light intensity gravity center position XR of the second positional deviation signal light beam on the sensor 39 is determined from the light intensity distribution of the second positional deviation signal light beam.

(ハ)xSとxRの差Δδ5を求め(C)式に示す倍率
から第1物体と第2物体間の相対位置ずれ量Δσ1を求
める。
(C) The difference Δδ5 between xS and xR is determined, and the relative positional deviation amount Δσ1 between the first object and the second object is determined from the magnification shown in equation (C).

(ニ)第1物体、または第2物体を相対位置ずれ量Δσ
1だけ駆動ステージにより動かし、位置すれを補正する
(d) Relative positional deviation amount Δσ of the first object or the second object
1 by the drive stage to correct positional deviation.

(ホ)ステップ(イ)〜(ハ)の動作を行なって第1物
体と第2物体間の相対位置ずれ量Δσ2が許容値範囲内
かどうか判定する。
(e) Perform steps (a) to (c) to determine whether the relative positional deviation amount Δσ2 between the first object and the second object is within the tolerance range.

くべ)Δσ2が許容値範囲内になるまでステップ(イ)
〜(ネ) を繰り返す。
Step (a) until Δσ2 is within the tolerance range
Repeat ~(ne).

上記の手続の概要を第1図(E)にフローチャートとし
て示す。
An outline of the above procedure is shown as a flowchart in FIG. 1(E).

尚、第1図(B)〜(D)は第1図(A)に示す第1実
施例を半導体製造用の露光装置に適用したときの要部概
略図である。同図(B)は横から見たとき、同図(C)
はアライメントピシクアップ装置部を抽出して示したも
のであり、同図(D)はステージ部及びステージコント
ローラ部の概略図である。
Incidentally, FIGS. 1(B) to 1(D) are schematic diagrams of main parts when the first embodiment shown in FIG. 1(A) is applied to an exposure apparatus for semiconductor manufacturing. The same figure (B) is when viewed from the side, the same figure (C)
(D) is a schematic diagram of the stage section and the stage controller section.

本実施例では、横ずれ検知系として、デュアルパワーグ
レーティングレンズ法及び間隔計測系としてマスクレン
ズA2F法を用いている。これらの手法について簡単に
述べると次のようになる。
In this embodiment, a dual power grating lens method is used as a lateral shift detection system, and a mask lens A2F method is used as an interval measurement system. A brief description of these methods is as follows.

デュアルパワーグレーティング法、フレネルゾーンプレ
ートに代表されるようなグレーティングレンズ系子を使
う位置合わせ方法の一種であり、マスク−Lグレーティ
ングレンズとウニハトグレーティングレンズ間に光束を
通し、そのときにマスクおよびウェハ」二のグレーティ
ングレンズ系が位置ずれ量を所定の倍率で拡大して、光
束を偏向させ、センサ上での光束の重心位置から位置ず
れ量を検出する方法である。
Dual power grating method is a type of alignment method that uses a grating lens system such as a Fresnel zone plate, in which a light beam is passed between the mask-L grating lens and the Uni-hat grating lens, and at that time the mask and wafer are In this method, the second grating lens system magnifies the amount of positional deviation by a predetermined magnification, deflects the light beam, and detects the amount of positional deviation from the center of gravity of the light beam on the sensor.

ここで光束の光量重心としては光束断面内において、断
面内各占のその点からの位置ベクトルに川を鳴 その点の光量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ベクトルになる点をとってもよいし、代表
点として光強度がピークとなる点の位置をとっても良い
Here, the center of gravity of the luminous flux is the light flux within the cross-section of the luminous flux, and when the product of the position vector from that point in the cross section multiplied by the light intensity at that point is integrated over the entire cross-section, the integral value becomes 0 vector. It is also possible to take a point where the light intensity is at its peak as a representative point.

また光源としてはH8−Neし・−ザ、半導体レーザ(
LD)等のコヒーレンシーの高い光源を用いてもよいし
、発光ダイオード(LED)、xa−ランプ、水銀灯な
どコヒーレンシーの低い光源を用いてもよい。
In addition, as a light source, H8-Ne laser, semiconductor laser (
A light source with high coherency such as a LD) may be used, or a light source with low coherency such as a light emitting diode (LED), an xa-lamp, or a mercury lamp may be used.

この方法は位置ずれ量をグレーティングレンズ系の倍率
で拡大して検出するのでより高精度で高分解能な位置ず
れ検知が可能である。
In this method, the amount of positional deviation is detected by magnifying it by the magnification of the grating lens system, so positional deviation detection can be performed with higher precision and resolution.

第1図(F)にグレーティングレンズ系で位置ずれ量を
拡大して検知する系の配置の模式図を示す。同図におい
ては便宜上第1物体へ光束を垂直入射したときを示して
いる。
FIG. 1(F) shows a schematic diagram of the arrangement of a system that magnifies and detects the amount of positional deviation using a grating lens system. In the figure, for convenience, the case where the light beam is perpendicularly incident on the first object is shown.

第1物体1はメンブレン97に取り付けてあり、それを
アライナ−本体95にチャック96を介して支持されて
いる。本体95上部に第1゜第2物体のアライメントヘ
ッド94が配置されている。第1物体1と第2物体2の
位置合わせな行う為にアライメントマーク3及び4がそ
れぞれ第1物体と第2物体2に焼き付けられている。
The first object 1 is attached to a membrane 97 and supported by the aligner body 95 via a chuck 96. A first and second object alignment head 94 is disposed above the main body 95. In order to align the first object 1 and the second object 2, alignment marks 3 and 4 are printed on the first object 1 and the second object 2, respectively.

光源31から出射された光ビームは投光レンズ32によ
り平行光となりビームスプリッタ−92を通り、アライ
メントマーク3へ入射される。アライメントマーク3は
透過型ゾーンプレートで、点Qへ集光する凸レンズの作
用を持つ。ウェハアライメントマーク4は反射型のゾー
ンプレートで点Qへ集光する光をセンサ38の検出面9
0上へ結像する凸面鏡の作用を持つ。
The light beam emitted from the light source 31 is turned into parallel light by the projection lens 32, passes through the beam splitter 92, and enters the alignment mark 3. The alignment mark 3 is a transmissive zone plate that functions as a convex lens to focus light onto a point Q. The wafer alignment mark 4 is a reflective zone plate that directs the light focused on the point Q to the detection surface 9 of the sensor 38.
It has the effect of a convex mirror that forms an image onto 0.

・このような配置のもとで、第1物体に対し第2物体が
ΔδWだけ横ずれすると、検出面9o上の光ff1ff
i心の位置ずれΔδは次のように表わされる。
- Under such an arrangement, when the second object lateralizes by ΔδW with respect to the first object, the light ff1ff on the detection surface 9o
The positional deviation Δδ of the i-center is expressed as follows.

る。Ru.

例えばマーク3−Q間隔aw=0.5mm、マーク4−
検出面間隔bw=50mmとすれば99倍となる。尚、
この時ΔδはΔσに対し、式より明らかなように比例関
係にあり、センサの分解能が0,1μmあるとすれば検
出される位置ずれ量Δσは0.001μmの位置分解能
がある。このようにして求まった位置ずれ量Δσをもと
に物体2を動かしてやれば物体1と物体2の位置合わせ
を積度良く行うことができる。
For example, mark 3-Q interval aw = 0.5 mm, mark 4-
If the detection surface interval bw is 50 mm, it will be 99 times larger. still,
At this time, Δδ is proportional to Δσ, as is clear from the equation, and if the resolution of the sensor is 0.1 μm, the detected positional deviation amount Δσ has a position resolution of 0.001 μm. By moving the object 2 based on the positional deviation amount Δσ determined in this manner, the positions of the objects 1 and 2 can be achieved with good accuracy.

第1図(D)はステージ部及びステージコントローラ部
のIiF細図である。アライメントピックアップヘット
24はスーパーフラット面10を持つ支持体261.の
スーパーフラット面10を一1定圧でスーパーフラット
ヘースプレート23に押しつける為のクランパ一部27
に取りつけられ、アライメント装置本体上部にスーパー
フラットベース23を介し載せられている。クランパ一
部27は2次元移動ステージ21上の移動支持部28と
゛V行板バネ30を介しつながっている。ステージ21
は、ベース部21B、y方向スライド部21X、y方向
スライド部21Y、x、y両方向スライドをカイトする
カイト部21G、ヘース部21Bに設けられスライド部
21X、21YをそれぞれX方向、X方向に駆動する駆
動源21MX、21MYより成る。駆動源MX、MYの
動作はヘット24を各方向に動かして所定位置にボジシ
ョニングするようコントローラ22により制御される。
FIG. 1(D) is a detailed IiF diagram of the stage section and stage controller section. The alignment pickup head 24 is mounted on a support 261. with a super-flat surface 10. A clamper part 27 for pressing the super flat surface 10 of
The super flat base 23 is mounted on the upper part of the alignment device main body. The clamper portion 27 is connected to a movable support portion 28 on the two-dimensional movable stage 21 via a V-row leaf spring 30. stage 21
are provided on the base part 21B, the y-direction sliding part 21X, the y-direction sliding part 21Y, the kite part 21G that kites slides in both x and y directions, and the heath part 21B, and drives the sliding parts 21X and 21Y in the X direction and the X direction, respectively. It consists of drive sources 21MX and 21MY. The operations of the drive sources MX and MY are controlled by the controller 22 to move the head 24 in each direction and position it at a predetermined position.

各ステージの移動量はそれぞれレーザー測長器29X、
29Yにより精密に計測され、このデータがコントロー
ラ22に入力され、これに居いてコントローラ22がヘ
ット24の現在位置を検出し、所定位置になる様に駆動
源MX、MYに指令信号を送る事で、ヘッド24の位置
が精密に制御されている。検出位置移動後、11t「述
の如く横すれ及び間隔検出を実行し、この検出結果に基
いて、ウェハステージ25を横すれ及び間隔誤差補正方
向に移動させてアライメント及び間隔制御を完了した後
、ヘッド24はマスク、ウェハ露光の邪魔にならない様
、元の位置にもどる。アライメントピックアップヘット
24は横ずれ検知系、間隔検知系、投光系が組み込まれ
ており、光源31具体的には半導体レーザから出射され
た光ビームはコリメータレンズ32、投射用レンズ33
及び投射用ミラー34を介し、評価用マーク20へ投射
される。マークより出射された光ビームは検知用レンズ
36により検知系へ導かれ、ハーフミラ−37により分
割され、横すれ検知用受光素子38にはいり、それぞれ
の信号となる。尚、アライメントピックアップヘット2
4の投光、受光窓35には露光用光源からの光か通らな
いようなフィルターかf=t’けられている。
The amount of movement of each stage is measured using a laser length measuring device 29X.
29Y, this data is input to the controller 22, which detects the current position of the head 24 and sends a command signal to the drive sources MX and MY to bring it to a predetermined position. , the position of the head 24 is precisely controlled. After moving the detection position, 11t ``Execute lateral displacement and spacing detection as described above, and based on the detection results, move the wafer stage 25 in the lateral displacement and spacing error correction direction to complete alignment and spacing control. The head 24 returns to its original position so as not to interfere with mask and wafer exposure.The alignment pickup head 24 incorporates a lateral shift detection system, an interval detection system, and a light projection system. The emitted light beam passes through a collimator lens 32 and a projection lens 33.
and is projected onto the evaluation mark 20 via the projection mirror 34. The light beam emitted from the mark is guided to a detection system by a detection lens 36, split by a half mirror 37, and enters a light receiving element 38 for lateral displacement detection, where it becomes respective signals. In addition, alignment pickup head 2
The light emitting and light receiving windows 35 of No. 4 are filtered with f=t' to prevent light from the exposure light source from passing therethrough.

本実施例においては、投射光47は評価マーク1−では
平行になるように設計されており、投射領域43の横す
れ検知用マーク41Mと間隔測定用マーク42.。とじ
て同時に投射される。この為、横すれ検知と間隔測定の
投光手段が一つの系で構成されている。
In this embodiment, the projection light 47 is designed to be parallel to the evaluation mark 1-, and the projection light 47 is parallel to the horizontal deviation detection mark 41M of the projection area 43 and the distance measurement mark 42. . The images are projected at the same time. For this reason, the light projecting means for detecting lateral skidding and measuring the distance are configured in one system.

第4図は本発明の第2実施例の要部概略図である。第2
物体七のアライメントマーク4a、4bは第2図(B)
に示すパターンより成っている。
FIG. 4 is a schematic diagram of main parts of a second embodiment of the present invention. Second
The alignment marks 4a and 4b of object 7 are shown in Figure 2 (B).
It consists of the pattern shown in

ここにアライメントマーク4a、4bは第1実施例と同
様、それぞれ第1.第2信号光束に対して、−1次回折
光が凹レンズ作用、凸レンズ作用を示す。
Here, the alignment marks 4a and 4b are respectively aligned with the first . The −1st-order diffracted light exhibits a concave lens action and a convex lens action with respect to the second signal light beam.

本実hh例においては第1物理光学素子3であるグレー
ティングレンズのパワーかシリンドリカルではなく、等
方向、即ちxY血内で等方向にレンズ作用(光束の収束
、発散作用)を有するもの、またはX方向、Y方向で異
なるレンズパワーを持つトーリックタイプレンズ素子な
どを第1物理光学素子に用い、第2物理光学素子に第2
図(B)に示すようなマーク配置に構成するのに好適で
ある。
In this practical hh example, the power of the grating lens, which is the first physical optical element 3, is not cylindrical, but isodirectional, that is, it has a lens action (convergence and divergence action of light flux) in the isodirection in xY blood, or A toric type lens element or the like having different lens powers in the direction and Y direction is used for the first physical optical element, and a second physical optical element is used for the second physical optical element.
It is suitable for configuring the mark arrangement as shown in FIG. 3(B).

第5図は本発明の第3実7i’es例の要部概略図であ
る。第1.第2物理光学素子はいずれもオフアクシス型
1次元グレーティングレンズ(フレネルレンズ)素子で
あり、第1.第2実施例と同様の第1.第2物体に対し
、所定の角度で斜入射投光し、斜出射受光することによ
り、投光、受光光学系及びセンサ、そして光源等を1つ
の筐体中に納めたアライメントピックアップヘッドを構
成している。
FIG. 5 is a schematic diagram of the main parts of a third embodiment of the 7i'es of the present invention. 1st. The second physical optical elements are all off-axis one-dimensional grating lens (Fresnel lens) elements, and the first... The first example is similar to the second example. By projecting obliquely incident light onto a second object at a predetermined angle and receiving obliquely emitted light, an alignment pickup head is constructed in which the light emitting, light receiving optical system, sensor, light source, etc. are housed in one housing. ing.

位置合わせ、および位置ずれ検知は第5図のY軸方向に
行なう。又、第1物理光学素子3は第5図に示すように
単一パターンのグレーティングレンズから成り、第2物
理光学素f4は2種類のグレーティングレンズパターン
4a、4bから成り、第2図(C)に示すようなパター
ンを有している。
Positioning and positional deviation detection are performed in the Y-axis direction in FIG. Further, the first physical optical element 3 consists of a single pattern grating lens as shown in FIG. 5, and the second physical optical element f4 consists of two types of grating lens patterns 4a and 4b, as shown in FIG. 2(C). It has a pattern as shown in .

第1.第2アライメント信号光束のYZ面内の光路断面
図は第1.第2実施例と同様に設定される。但し、同図
では相対位置すれ(j」0のときの光路断面図に対応し
ている。
1st. The optical path sectional view in the YZ plane of the second alignment signal beam is the first one. The settings are the same as in the second embodiment. However, this figure corresponds to a cross-sectional view of the optical path when the relative positional deviation (j) is 0.

又、第1.第2実hb例と同様第2物理光学素子4aは
第1物理光学素子3で回折された凸パワーの光束に対し
1次回折光が凹レンズ作用を受けるように設計され、第
2物理光学素子4bは第1物理光学素子3で回折された
凹パワーの光束に対し一1次回折光が凸レンズ作用を受
けるように設定されている。
Also, 1st. Similar to the second practical example, the second physical optical element 4a is designed so that the first-order diffracted light is subjected to a concave lens effect on the light beam of convex power diffracted by the first physical optical element 3, and the second physical optical element 4b is It is set so that the first-order diffracted light is subjected to a convex lens effect on the light flux of concave power diffracted by the first physical optical element 3.

第6図は本発明の第4実施例の要部概略図である。同図
において第2物体2Fの第2物理光学素子4は、第1実
施例で一1次回折光か凹レンズ作用を示すように設定さ
れたパターンと凸レンズ作用を示すように設定されたパ
ターンを重ね合わせたパターンとなっており、第2図(
D)に示すようなパターンを有している。
FIG. 6 is a schematic diagram of main parts of a fourth embodiment of the present invention. In the figure, the second physical optical element 4 of the second object 2F superimposes the pattern set to show 11st-order diffracted light or a concave lens action in the first embodiment and the pattern set to show a convex lens action. The pattern is as shown in Figure 2 (
It has a pattern as shown in D).

このように位置合わせ物体トの同一領域にアライメント
光束に対し作用の異なるマーク、即ち凹レンズ作用マー
クと凸レンズ作用マークを設定、配置することにより、
位置合わせ物体面の局所的な傾斜による位置すれ検知誤
差を解消することができる。更に第1.第2実7ih例
と同様、位置すれに対し符号の異なる位置ずれ拡大イΔ
率をもつ、2つのアライメント信号光束を生成すること
ができ、これをセンサ上で光量重心位置検知することに
より位置ずれに対し高利得、高分解能の位置すれか1[
検出かtif能となる。
In this way, by setting and arranging marks that have different effects on the alignment light beam, that is, a concave lens effect mark and a convex lens effect mark, in the same area of the alignment object,
It is possible to eliminate misalignment detection errors caused by local inclinations of the alignment object surface. Furthermore, the first. Similar to the second example 7ih, the positional deviation magnification Δ has a different sign for the positional deviation.
It is possible to generate two alignment signal beams with a certain ratio, and by detecting the center of light intensity and position on a sensor, it is possible to detect positional deviations with high gain and high resolution.
Detection becomes possible.

又、位置合わせ物体の平均的な傾斜に対しても同様に誤
差を解消することかできる。
Furthermore, it is possible to similarly eliminate errors regarding the average inclination of the alignment object.

第7図は本発明の第5実施例の要部概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of main parts of a fifth embodiment of the present invention.

本実hh例では第2物体上の反則型の第2物理光学素子
4に光源31を出射したアライメント光束が投光光学系
を通ったのち、第2物体面の法線に対し、所定の角度で
斜めに照射される。このときアライメント光束は第1物
体を単に透過するたけて回折作用などは受けない。
In this practical hh example, after the alignment light beam emitted from the light source 31 hits the non-conforming second physical optical element 4 on the second object and passes through the projection optical system, is irradiated diagonally. At this time, the alignment light beam simply passes through the first object and is not subjected to any diffraction effect.

第2物理光学素f 4は第1実/i八例の第1物理光学
素子と同様のパターン形状を有する振幅位相混合型グレ
ーティングレンズ素子である。第2物理光学素子4に入
射した光束は、そこで+0次、m次で回折することによ
り、それぞれ凸パワー、凹パワー光束となる。本実施例
では+1次、−1次で回折する2光束を第1.第2アラ
イメント信号光束として利用している。
The second physical optical element f4 is an amplitude-phase mixing type grating lens element having a pattern shape similar to that of the first physical optical element of the first example/i8. The light flux incident on the second physical optical element 4 is diffracted therein by the +0th order and the mth order, thereby becoming a convex power light flux and a concave power light flux, respectively. In this example, two light beams diffracted in +1st order and -1st order are used as 1st and 2nd beams. It is used as a second alignment signal beam.

これら2光束は第1物体−トの第1物理光学素子3a、
3bで更に所定次数で回折し、レンズ作用を受けたのち
、センサ38,39に入射し・て、光@重心位置が検出
される。
These two light beams are transmitted to the first physical optical element 3a of the first object,
3b, the light is further diffracted by a predetermined order and subjected to a lens action, and then enters the sensors 38 and 39, where the light @ center of gravity position is detected.

木実hei例では第2物理光学素子で生成した凸パワー
光束が第1物理光学素子3aで一1次で回折して凹レン
ズ作用を受け、又第2物理光学素子で生成した凹パワー
光束が第1物理光学素子3bで−1次で回折して凸レン
ズ作用を受けるように設定されている。
In the Kinohei example, the convex power light flux generated by the second physical optical element is diffracted at the 11th order by the first physical optical element 3a and receives a concave lens action, and the concave power light flux generated by the second physical optical element is diffracted by the first physical optical element 3a. It is set so that it is diffracted in the -1st order by the physical optical element 3b and subjected to a convex lens action.

アライメント光束の位置合わせ物体に対する人出射角は
第1実施例と同様に設定している。
The angle at which the alignment light beam emerges from the object to be aligned is set in the same manner as in the first embodiment.

第8図(A)は本発明の第6実施例の要部概略図である
FIG. 8(A) is a schematic diagram of a main part of a sixth embodiment of the present invention.

本実施例では第2物理光学素子を第2図(E)に示すよ
うに2種類の非対称グレーティングレンズパターン4a
、4bで構成している。それぞれのパターンは第1実施
例と同じく一1次反射回折光か凹レンズ作用、凸レンズ
作用を受けるように機能している。
In this embodiment, the second physical optical element has two types of asymmetric grating lens patterns 4a as shown in FIG. 2(E).
, 4b. As in the first embodiment, each pattern functions to receive the first-order reflected diffraction light, concave lens action, and convex lens action.

又、第1物理光学素子3は第1実施例と同じく第8図(
A)に示すような単一パターングレーティングレンズ素
子であり、光源から出射して投光光学;f−9により平
行光となって第1物体而法線に対し斜入射した後、+1
次回折光は点(00、−z、)に集光するように出射し
、−1次回折光は点(0,0,Z+ )から出射するよ
うな発散波となって第1物理光学素子3を出射する。
Also, the first physical optical element 3 is shown in FIG. 8 (
It is a single pattern grating lens element as shown in A), which emits light from a light source and becomes a parallel light by f-9, and after obliquely entering the normal to the first object, +1
The first-order diffracted light is emitted so as to be condensed at the point (00, -z,), and the -1st-order diffracted light is a diverging wave that is emitted from the point (0,0, Z+) and passes through the first physical optical element 3. Emits light.

第2物理光学素子4a、4bの光軸はxY座標系でそれ
ぞれ(δ、、0)、(δ2 + 0 ) 。
The optical axes of the second physical optical elements 4a and 4b are (δ, 0) and (δ2 + 0), respectively, in the xY coordinate system.

(δ、〈0.δ2くO)の位置にZ軸に平行に存在する
It exists at the position (δ, <0.δ2×O) parallel to the Z axis.

第8図(B)は同図(A)の第6実施例のグレーテイン
クレンズ系の要部パワー配置図である。第1物理光学素
子3に入射した平行光束は回折作用を受けて+1次回折
光は点F1に収束するように凸パワー(収斂)光束とな
り、−1次回折光は点F2を虚像点とする発散光、月1
1ち凹パワー光束である。
FIG. 8(B) is a power distribution diagram of the main parts of the grete lens system of the sixth embodiment shown in FIG. 8(A). The parallel light beam incident on the first physical optical element 3 undergoes a diffraction effect, and the +1st-order diffracted light becomes a convex power (convergent) light flux so as to converge on point F1, and the -1st-order diffracted light becomes diverging light with point F2 as the virtual image point. , month 1
It is a concave power beam.

凸パワー光束、凹パワー光束はそれぞれ第2物理光学素
子4a、4bで共に一1次の回折作用を受け、それぞれ
の像点F、、F2かセンサ而−4−の点S、、S2に光
1i重心位置として結像される。
The convex power beam and the concave power beam are subjected to the 11th-order diffraction effect by the second physical optical elements 4a and 4b, respectively, and the light beams reach the respective image points F, F2 or points S, S2 of the sensor 4-. 1i is imaged as the center of gravity position.

点S、、S2の位置は像点F、、F2と第2物理光学素
子の光軸中心0..02をそれぞれ結ぶ直線が検出面と
交わる位置として幾何光学的に対応つけることかできる
The positions of the points S, , S2 are between the image points F, , F2 and the optical axis center 0.0 of the second physical optical element. .. 02 can be correlated geometrically as the position where the straight line connecting each point intersects with the detection surface.

本実/i’tr例では第2物理光学素子4の凹レンズ素
f−4aの光軸中心と、凸レンズ素子4bの光軸中心と
を、第1物理光学素子3の光軸中心位置を中心として、
それぞれX軸方向にδ0.δ2(δ1く0.δ2〈0)
ずらしたものである。
In this example, the optical axis center of the concave lens element f-4a of the second physical optical element 4 and the optical axis center of the convex lens element 4b are set with the optical axis center position of the first physical optical element 3 as the center. ,
δ0. δ2 (δ1 × 0. δ2 <0)
It has been shifted.

このようにすることにより、位置ずれ量0のときのそれ
ぞれのアライメント信号光束の光量重心位置の位置ずれ
検出方向距離は0とならず、所定の、値となり、2つの
アライメント信号光束間の分離が容易となる。
By doing this, when the positional deviation amount is 0, the distance in the positional deviation detection direction of the light intensity gravity center position of each alignment signal beam does not become 0, but becomes a predetermined value, and the separation between the two alignment signal beams becomes It becomes easier.

第9図CA)は本発明の第7実施例の要部概略図である
FIG. 9CA) is a schematic diagram of the main parts of a seventh embodiment of the present invention.

本実施例では第2物理光学素子を第2図(F)に示すよ
うなパターンの軸対称グレーティングレンズ4a、4b
を用いている。
In this embodiment, the second physical optical element is an axially symmetrical grating lens 4a, 4b having a pattern as shown in FIG. 2(F).
is used.

グレーティングレンズ4a、4bの光軸中心は第2図(
F)に示すように第2物理光学素子4のマーク領域長手
方向の中心位置からそれぞれ+。
The optical axis centers of grating lenses 4a and 4b are shown in Figure 2 (
+ respectively from the center position in the longitudinal direction of the mark area of the second physical optical element 4 as shown in F).

一方向にある。本実施例では4分割点の位置にあるよう
に設定した。
It's in one direction. In this embodiment, the positions are set to be at the four-division points.

第9図(B)は本実施例のグレーティングレンズによる
位置ずれ堅拡大検出系のパワー配置図である。第2物理
光学素子4の凹レンズ素子4aの光軸中心と、凸レンズ
素子4bの光軸中心とを位置ずれ量0時、第1物理光学
素子3の光軸中心位置を基準としてそれぞれX軸方向に
δ3.δ2(δ1〉0.δ2く0)ずらしたものである
FIG. 9(B) is a power arrangement diagram of the positional shift-sensitive magnification detection system using the grating lens of this embodiment. When the optical axis center of the concave lens element 4a of the second physical optical element 4 and the optical axis center of the convex lens element 4b are displaced from each other in the X-axis direction with respect to the optical axis center position of the first physical optical element 3 as a reference, δ3. It is shifted by δ2 (δ1>0.δ2×0).

このように位置ずれ量0時においても位置ずれ信号光束
を第1物体への入射面外に光路をねしることにより、入
射面内で生じる不要な回折光(第1.第2物理光学素子
のフラウンホーファ回折光)とアライメント信号光との
クロストークを回避することかできるばかりでなく、位
置合わせ光学系中の投光、受光光学系及びセンサの位置
と第1.第2物体系との位置の間に変動が起こっても位
置ずれ量検出誤差を解消することができる。
In this way, even when the amount of positional deviation is 0, by twisting the optical path of the positional deviation signal light beam out of the plane of incidence on the first object, unnecessary diffracted light (first and second physical optical elements) generated within the plane of incidence can be avoided. This not only makes it possible to avoid crosstalk between the Fraunhofer diffracted light (of Fraunhofer diffracted light) and the alignment signal light, but also allows the position of the light emitting, light receiving optical system, and sensor in the alignment optical system and the position of the first . Even if a change occurs between the position of the second object system and the second object system, the positional deviation amount detection error can be eliminated.

第10図は本発明の第8実施例の要部概略図であり、本
実施例は半導体露光製造装置のマスク(或はレチクル)
とウェハとの位置合わせに通用したものである。同図に
おいてアライメントピックアップヘッド24から出射さ
れた光ビームは、マスクl及びウェハ2上のマーク20
上へ照射され、反射あるいは回折された光は再びアライ
メントピックアップヘット24へ出射される。アライメ
ントピックアップヘッド24は第1図(C:) 、 (
D)に示すようにステージ21へ取り付けられアライメ
ント領域に応じて自由に2次元的に移動できるように構
成されておりステージコントロール部22により制御さ
れる。このとき、ステージ21はスーパーフラットベー
スプレート23でカイトされており、ピッチング、ヨー
イングは生じないように設計されている。ステージコン
トロール部22はアライメント及び間隔制御開始時にス
テージ21を駆動させてヘット24をあらかじめ記憶さ
れているマスク及ぶウェハの評価用マーク20の照明及
び検出の為の位置へ移動させる。
FIG. 10 is a schematic diagram of the main part of the eighth embodiment of the present invention, and this embodiment is a mask (or reticle) of a semiconductor exposure manufacturing apparatus.
This is suitable for positioning the wafer and the wafer. In the figure, the light beam emitted from the alignment pickup head 24 is directed toward the mark 20 on the mask l and the wafer 2.
The light that is irradiated upward and is reflected or diffracted is emitted to the alignment pickup head 24 again. The alignment pickup head 24 is shown in FIG. 1 (C:), (
As shown in D), it is attached to the stage 21 and is configured to be able to freely move two-dimensionally according to the alignment area, and is controlled by the stage control section 22. At this time, the stage 21 is kited with a super flat base plate 23 and is designed to prevent pitching and yawing. The stage control section 22 drives the stage 21 at the start of alignment and interval control to move the head 24 to a pre-stored position for illuminating and detecting evaluation marks 20 on masks and wafers.

尚、本発明の適用は半導体製造装置の位置合わせ機構に
限定されるものではなく、例えばホログラムの露光、再
生時のホログラム素子セツティングの際の位置合わせ、
多色印刷機械の位置合わせ、半導体チップのポンディン
グ工程、プリント基板、回路の検査装置における位置合
わせ工程、その他、光学部品、光計測システムの調整時
の位置合わせ、間隔測定など広く適用可能である。
Note that the application of the present invention is not limited to the alignment mechanism of semiconductor manufacturing equipment, but is also applicable to, for example, hologram exposure, alignment during hologram element setting during reproduction,
It can be widely applied to alignment of multi-color printing machines, bonding process of semiconductor chips, alignment process of printed circuit board and circuit inspection equipment, and alignment and spacing measurement during adjustment of optical components and optical measurement systems. .

(発明の効果) 以上のように本発明によれば位置合わせを行なう第1.
第2物体面上の一方の物体面上に一つの素子で同時に凸
レンズ素子と凹レンズ素子として機能する711.−、
−のパターンを有するアライメントマークとしての第1
物理光学素子を設け、該第1物理光学素子からの符号の
異なる回折次数の光束を凸レンズ素子用のパターンと凹
レンズ素子用のパターンを他方の物体面上に形成した第
2#埋光学素子を介し、又は第1.第2物理光学素子を
通過する光束の順序を逆にして用いることにより、第1
物体と第2物体との相対的な位置ずれ量に対して符号の
異なる拡大倍率でセンサ面上で光■重心位置が変位する
2つのアライメント信号光束を生成し、その光量重心位
置間距離を検出することにより、 (イ)反射面である位置合わせ物体のウニ八而が傾斜す
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の
相対的な重心位置検知を行うことにより、ウニ凸面の傾
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。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, the first .
711. One element on one object plane on the second object plane functions simultaneously as a convex lens element and a concave lens element. -,
- the first alignment mark having a pattern of
A physical optical element is provided, and the light beams of diffraction orders with different signs from the first physical optical element are passed through a second buried optical element in which a pattern for a convex lens element and a pattern for a concave lens element are formed on the other object plane. , or the first. By reversing the order of the light beams passing through the second physical optical element, the first
Generates two alignment signal beams whose centers of gravity are displaced on the sensor surface at magnifications with different signs relative to the amount of relative positional deviation between the object and the second object, and detects the distance between the light intensity and center of gravity. (a) The position of the center of gravity of the alignment light may be affected by tilting of the alignment object, which is a reflective surface, or by local inclinations such as uneven resist coating or warping that occurs during the exposure process. By detecting the relative center of gravity position of the two alignment signal lights even if the alignment signal light fluctuates, it is possible to accurately detect a positional shift without being influenced by the inclination of the sea urchin convex surface.

(ロ)アライメントヘットの位置か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L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f■重心位置検知行うことにより、アライメントヘッ
ドの位置ずれに左右されない。
(b) Even if the position of the center of gravity of the sensor L of the alignment signal light changes due to a change in the position of the alignment head relative to the mask, the relative f■ center of gravity position of the two alignment signal lights is detected. Therefore, it is not affected by the positional deviation of the alignment head.

(ハ)同一のアライメントマークで倍率符号の異なる2
系統の系を構成し、総合倍率をかせぐことができ、各系
統単独の場合と比較し約2倍の感度のアライメント信号
を得ることができる。
(c) Two identical alignment marks with different magnification signs
By configuring a system of systems, it is possible to increase the overall magnification, and it is possible to obtain an alignment signal with approximately twice the sensitivity compared to the case of each system alone.

(ニ)位置合わせ物体に対し、アライメント光束を斜入
射投光、位置合わせ物体からアライメント光束を斜出射
して、これを受光するように構成することかでき、位置
合わせ投光光学系及び受光光学系、センサ等を1つの筐
体中に納め位置ずれ検出系をコンパクトにすることがで
きる。更に半導体露光プロセスにおいて、位置合わせ完
了後、露光領域から上記位置ずれ検出系を退避する必要
かなく、露光プロセスのスルーブツト向上、退避に伴な
う振動等の防止を可能としている。
(d) The alignment light beam can be projected obliquely to the alignment object, and the alignment light beam can be obliquely emitted from the alignment object and received. By housing the system, sensor, etc. in one housing, the positional deviation detection system can be made compact. Furthermore, in the semiconductor exposure process, there is no need to retreat the positional deviation detection system from the exposure area after alignment is completed, making it possible to improve the throughput of the exposure process and prevent vibrations and the like caused by the retreat.

(ホ)位置合わせマークの一方が単一パターンである為
、マーク構成がシンプルで形成も容易となる。
(e) Since one of the alignment marks has a single pattern, the mark structure is simple and easy to form.

等の特長を有した位置合わせ装置を達成することができ
る。
It is possible to achieve an alignment device having the following features.

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

?!1図(A)は本発明の第1実施例の要部概略図、第
1図(H) 、 (C) 、 (D)は本発明の第1実
施例を半導体製造用の露光装置に適用したときの要部概
略図、第1図(E)は本発明に係る位置合わせに関する
フローチャート図、第1図(F)は本発明に係る位置合
わせ装置における位置ずれ量を検出する際の模式図、第
2図(A)〜(H)は本発明に係る物理光学素子の一実
施例の説明図、第3図は第1図の一部分の光路の概略図
、第4図、第5.第6図、第7図、第8図(A)。 第9図(A)、第10図は順に本発明の第2〜第8実施
例の要部概略図、第8図(B)、第9図(B)は第6.
第7実施例の第1.第2物理光学素子の要部パワー配置
図、第11.第12図は従来の位置合わせ装置の概略図
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、4a。 4bは第1.第2アライメントマーク、9は投射用レン
ズ、31は光源、38.39はセンサである。
? ! Figure 1 (A) is a schematic diagram of the main parts of the first embodiment of the present invention, and Figures 1 (H), (C), and (D) are diagrams showing the application of the first embodiment of the present invention to an exposure apparatus for semiconductor manufacturing. FIG. 1(E) is a flowchart regarding positioning according to the present invention, and FIG. 1(F) is a schematic diagram of detecting the amount of positional deviation in the positioning apparatus according to the present invention. , FIGS. 2(A) to 2(H) are explanatory diagrams of one embodiment of the physical optical element according to the present invention, FIG. 3 is a schematic diagram of a part of the optical path of FIG. 1, FIGS. Figures 6, 7, and 8 (A). 9(A) and 10 are schematic diagrams of main parts of the second to eighth embodiments of the present invention, and FIG. 8(B) and FIG. 9(B) are schematic diagrams of the sixth embodiment of the present invention.
The first example of the seventh embodiment. Main part power distribution diagram of the second physical optical element, 11th. FIG. 12 is a schematic diagram of a conventional alignment device. In the figure, 1 is a first object, 2 is a second object, 3 is a first physical optical element, 4 is a second physical optical element, and 4a. 4b is the first. A second alignment mark, 9 a projection lens, 31 a light source, and 38.39 a sensor.

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
決めを行なう際、該第1物体面上と該第2物体面上に各
々第1、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束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
位置決めを行なう際、該第1又は第2物理光学素子のう
ち一方の物理光学素子Aを単一のマーク形状を有するレ
ンズ素子より構成すると共に該物理光学素子Aから生ず
る異なる次数の2つの回折光が所定面上で該第1物体と
第2物体の相対的な位置ずれ量に対し、互いに符号の異
なる倍率で変位するように構成したことを特徴とする位
置合わせ装置。
(1) When relative positioning is performed by facing a first object and a second object, forming first and second physical optical elements on the first object surface and the second object surface, respectively; Diffraction light generated when light is incident on the first physical optical element is made to enter the second physical optical element, and a detection means detects a light beam position of a diffraction pattern generated on a predetermined surface by the second physical optical element. By doing so, when performing relative positioning between the first object and the second object, one physical optical element A of the first or second physical optical element is replaced with a lens element having a single mark shape. and so that the two diffracted lights of different orders generated from the physical optical element A are displaced by magnifications with different signs relative to the relative positional deviation amount of the first object and the second object on the predetermined plane. A positioning device characterized in that it is configured as follows.
(2)前記第1又は第2物理光学素子のうち他方の物理
光学素子Bを複数のマーク形状を有するレンズ素子より
構成し、該物理光学素子Bにより入射光束を所定の次数
で回折させることにより該2つの物理光学素子A、Bに
より各々凹レンズ作用と凸レンズ作用を有する凹凸検出
系と凸レンズ作用と凹レンズ作用を有する凸凹検出系の
2つの検出系を構成し、該2つの検出系によって生ずる
回折光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物体との位置決めを行
っ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) The other physical optical element B of the first or second physical optical element is configured from a lens element having a plurality of mark shapes, and the physical optical element B diffracts the incident light beam at a predetermined order. The two physical optical elements A and B constitute two detection systems: a concave-convex detection system having a concave lens action and a convex lens action, and a concave-convex detection system having a convex lens action and a concave lens action, respectively, and the diffracted light generated by the two detection systems 2. The positioning apparatus according to claim 1, wherein the first object and the second object are positioned by a detecting means, and an output signal from the detecting means is used to determine the position of the first object and the second object.
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