JPH0341973B2

JPH0341973B2 -

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Publication number: JPH0341973B2
Application number: JP61201705A
Authority: JP
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1986-08-29
Publication date: 1991-06-25
Also published as: JPS6358826A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、２つの部材の相対的な位置を検出す
る方法に係わり、特に音響光学偏向素子を用いた
位置検出方法に関する。

（従来の技術）振動型位置検出方法は、光電顕微鏡等の用いら
れており、高い検出感度を有することから今日で
は半導体製造装置等、各種の自動位置決め装置の
位置検出法として使用されるようになつている。

振動型位置検出方法の原理を光電顕微鏡に使用
したときの例を用いて簡単に説明する。その基本
構成は第１２図に示す通りであり、図中８１は光
源、８２は集束レンズ、８３はハーフミラー、８
４は対物レンズ、８５はマーク８６が形成された
被検査物、８７はスリツト板、８８は光電変換
器、８９はプリアンプ、９０は周期検波回路、９
１は発振器、９２は振動子、９３は指示メータを
示している。振動機構にはスリツト板８７を振動
させる振動子９２を使用しており、光電変換器８
８の出力信号はスリツト板８７が振動しているの
でマーク位置によりその信号波形は異なる。信号
波形の変位awをマークの位置ｘに対して示すと、
第１３図ａ〜ｉのようになる。第１３図から判る
ように、信号波形は振動周波数と等しい周波数の
同期信号となるので、マークの位置がスリツトの
振動中心位置に一致するとき、即ちｅ点では２倍
の周波数の信号となり、基本周波数成分はゼロと
なる。振動型光電顕微鏡はこの位置を電気的に検
出するものである。また、マークの位置ｘの変化
に対して、基本周波数成分awがどのように変化
するかを示したのが右図である。この基本周波数
成分の変化のし方（出力特性曲線）は、マーク
幅、スリツト幅及び振動振幅等によつて変化する
が、マーク位置がスリツト振動中心に一致したｅ
点ではゼロでその前後で符号が逆転するので、ゼ
ロメータによる検出やサーボ系の駆動には適して
いる。なお、光電変換器８８の出力信号の中から
基本周波数成分のみを取出し、２倍周波数成分を
消去してしまうことは、同期検波回路９０にて容
易に実現される。

しかしながら、この種の方法にあつては次のよ
うな問題があつた。即ち、２つの部材の相対位置
はマーク位置と振動しているスリツトの中心位置
とのずれとして測定されるため、スリツトの振動
中心位置は高い精度で安定しなくてはならない。
ところが、スリツトの振動は機械的な振動であ
り、熱ドリフト等の影響を受け易く、長い時間に
亙つて安定させることは難しい。このため、特に
１［μｍ］以下の高い精度で位置を検出する場合、
この振動中心位置の安定性が問題となる。さら
に、近年の半導体素子のパターンの微細化に伴
い、半導体製造装置に適用される位置合わせに対
しては、サブミクロンオーダの高い検出精度が要
求されるようになつている。従つて、上記振動型
位置検出方法を用いて位置合わせを行なう場合に
おいては、振動中心位置の安定性が問題となつて
いた。

一方、振動型位置検出方法に代る他の方法とし
て、マスク・ウエハのアライメントに用いる差動
スリツト型位置検出方法が知られている。この方
法では、マスク及びウエハにそれぞれ一対のマー
クを設けておき、反射ミラーの角度を周期的に変
化させてマスクに設けた一対のマークを交互に照
明し、マスク→ウエハ→マスクの順に通過した光
を同一の光電変換器で検出し、この検出信号を上
記光の交互照明に同期して検波することにより、
マスク・ウエハの相対位置を検出することができ
る。

しかしながら、この方法にあつても、スリツト
を振動させる代りにミラーの角度を周期的に変化
させて光ビームを振動させるので、ミラーを機械
的に振動させると云う点で、スリツト振動の場合
と本質的に同じ問題が生じていた。

（発明が解決しようとする問題点）このように、従来方法では、光ビームと第１及
び第２の部材等とを相対的に振動させるのに機械
的な振動手段を用いているので、振動の安定性に
難点があり、さらに振動中心を長期に亙つて安定
させることは極めて困難である。このため、サブ
ミクロンオーダの高い検出精度を安定して得るこ
とは困難であつた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的とするところは、電気的に光を振動（往
復偏向）させることにより、機械的な振動に起因
する振動の不安定性や振動中心位置のずれ等を防
止することができ、位置検出精度の向上をはかり
得る位置検出方法を提供することにある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、音響光学効果を利用して光の
方向を変える素子である音響光学偏向素子を用
い、機械的な振動を与えることなく光の方向を周
期的に振動させることにある。

即ち本発明は、第１の部材に設けられた第１の
マーク部を照明し、該第１のマーク部から得られ
る光ビームを第２のマーク部が設けられた第２の
部材に照射し、該第２の部材から得られる光ビー
ムを光電変換器で検出すると共に、上記光ビーム
と上記第１及び第２の部材の少なくとも一方とを
相対的に振動せしめ、この振動に同期して上記光
電変換器の検出出力を検波することにより、第１
及び第２の部材の相対的な位置ずれ量を求める位
置検出方法において、前記光ビームと前記第１及
び第２の部材の少なくとも一方とを相対的に振動
させる手段として、光の音響光学効果を利用した
音響光学偏向素子を用い、光ビームを一定周期で
往復偏向するようにした方法である。

（作用）上記方法であれば、機械的に振動する部品を用
いることなく、音響光学偏向素子により光ビーム
を電気的に往復偏向しているので、常に安定した
振動を得ることができ、さらに振動中心位置を長
期的に安定させることができる。従つて、振動の
不安定や振動中心位置のずれ等に起因する位置検
出精度の低下を防止することが可能となり、サブ
ミクロンオーダの位置検出にも十分対処すること
ができる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によつて説
明する。

第１図は本発明の一実施例方法に使用した位置
検出装置を示す概略構成図である。図中１１はレ
ーザ光源であり、この光源から放射された光ビー
ムは、スリツト（第１のマーク）１２ａが設けら
れたスリツト板（第１の部材）１２を介して音響
光学偏向素子（以下AOD素子と略記する）１３
に照射される。AOD素子１３は、AODドライバ
１４により与えられる高周波信号に応じて光ビー
ムを偏向するものである。AODドライバ１４は、
発振器１５の発振周波数に応じて所定の高周波電
圧を発生すると共に、後述する如く光ビームの偏
向角度に応じてAOD素子１３に印加する電圧レ
ベルを可変するものとなつている。

AOD素子１３により往復偏向された光ビーム
は、集束レンズ１６、ハーフミラー１７及び対物
レンズ１８を介して、第２の部材としての試料
（被検査部物）１９上に照射される。試料１９上
には位置検出用マーク（第２のマーク）２０が形
成されており、試料１９で反射した光ビームは対
物レンズ１８及びハーフミラー１７を介して光電
変換器２１で受光される。光電変換器２１は、上
記受光した光の強度を検出するものであり、この
検出出力はプリアンプ２２を介して同期検波回路
２３に供給される。同期検波回路２３は、前記発
振器１５の発振周波数と同期（前記光ビームの偏
向周期と同期）して上記入力した信号を検波する
ものであり、試料１９の位置ずれ量に応じた信号
を出力する。そして、同期検波回路２３の出力信
号が指示メータ２４に表示されるものとなつてい
る。

上記構成の装置では、レーザ光源１１からのレ
ーザ光で照明されたスリツト板１２のスリツト像
は、AOD素子１３、集光レンズ１６、ハーフミ
ラー１７及び対物レンズ１８を通つて試料１９上
に結像される。試料１９からの反射光は、対物レ
ンズ１８及びハーフミラー１７を通つて光電変換
器２１で検出される。このとき、試料面上にはマ
ーク２０が形成されているため、スリツト像とマ
ーク２０との重なり具合、即ちスリツト板１２と
試料１９との相対位置に応じて反射光量が変化す
る。

一方、AOD素子１３は出射する光の方向を変
化させる働きを持つため、発振器１５からの周期
的な信号をAODドライバ１４に与えると、出て
くる光の方向が周期的に変化し、試料面上では位
置検出方向にスリツト像が周期的に移動する。従
つて、光電変換器２１で得られる検出信号は、従
来例で示した前記第１３図に示した関係と同じと
なり、光電変換器２１の出力信号の中から同期検
波信号処理によつて基本周波数成分のみを取出す
ことによつて、高精度にスリツト板１２と試料１
９との相対位置を検出することができる。

ここで、本実施例方法で注目すべき点は、従来
振動させる機構として機械的な振動機構を用いて
いるのに対し、AOD素子と云う機械的な振動の
ない振動機構を用いていることである。

このAOD素子の原理について、第２図を参照
して簡単に説明しておく。AOD素子は音響光学
効果を利用して光の方向を変える素子である。こ
の音響光学効果とは、超音波によつて物質中に屈
折率の周期的変動が生じ、これが光の回折格子と
なつてそこを通る光の進行方向を変化させる現象
である。つまり、第２図において、角度θ₀で入射
した波長λ₀の光は超音波トランスジユーサを通る
とθ₁の角度で回折する。この回折角θ₁は、超音波
の周波数ｆの関係となり、略次の線形関係が成立
つ。

θ₁＝ｋ・ｆ但し、ｋは光の波長と素子材料で決まる定数で
ある。従つて、この周波数ｆをf₁からf₂まで周期
的に変化（周波数変調）させることによつて、出
射する１次回折光の方向を周期的に変化させるこ
とができる。

ここで、振動の入力として与えるのは電気的な
信号であり、機械的な振動は加わらない。この電
気的な信号を安定化することは比較的容易であ
り、振動中心を高い精度で安定させることが可能
となる。また、超音波で発生する振動は無視でき
る程小さく、たとえあつても周波数が〜80［ＭHz］
と非常に高いため、他に与える影響は極めて小さ
い。

一方、AOD素子を用いた時の注意すべき点と
して、ビーム偏向角に応じて光強度が変化するこ
とが上げられる。第３図に示すように、超音波の
周波数、即ち偏向角に対してAOD素子の回折効
率は一定とはならず変化してしまう。従つて、一
例として第４図ａに示すように偏向角を矩形波で
周期的に変化させると、回折光強度は同図ｂに示
すように変化してしまう。本発明に係わる振動型
位置検出法では、光の強度変化を検出して位置情
報を得ているので、このような位置情報に無関係
な強度変化は位置検出誤差を引き起こす。

そこで本実施例では、周期的な偏向に同期させ
て強度変調（振幅変調）を行い、この点を解決し
ている。つまり、AOD素子は光の進行方向（偏
向）だけでなく、回折効率を変化させることによ
つて光の強度も変化させることができる。第５図
は回折効率を決定する入力電圧V₀と回折効率と
の関係を示すものであり、単調な関数関係となつ
ている。そこで、第６図ａに示すような偏向角の
振動の周期に同期させて、同図ｂに示す如く入力
電圧V₀を周期的に変化させると、同図ｃに示す
如く最終的な回折効率を略一定にすることができ
る。つまり、光量の偏向角度依存性の問題を解決
することができる。

なお、上記のように光ビームの偏向角を矩形波
で周期的に変化させるには、AOD素子１３に印
加する高周波を２種の周波数f₁，f₂で交互に変化
させればよい。さらに、上記のように回折効率を
一定にするには、上記周波数f₁，f₂における高周
波信号の各振幅に適当な差を持たせればよい。

かくして本実施例方法によれば、振動発生機構
としてAOD素子１３を用いることにより、機械
的な振動を発生させずに光ビームの移動が可能と
なり、高い精度で振動中心を安定することが可能
となる。このため、従来安定化が困難であつた振
動中心位置を高い精度で安定化することができ、
これにより位置検出精度の大幅な向上をなかり得
る。また、超音波を用いて光ビームの方向を直接
振動させるため、高い周波数の振動を与えること
ができ、その結果位置検出の応答速度を速めるこ
とができる。さらに、振動波形も正弦波だけでな
く矩形波等の任意の波形が可能となり、位置検出
感度を高めることができる等信号処理上の効果も
大きい。従つて、半導体製造装置等の高精度位置
決め装置の位置検出方法として極めて有効であ
り、ウエハのアライメント等に適用して絶大なる
効果を発揮する。

第７図は本発明の他の実施例方法に使用した位
置検出装置を示す概略構成図である。なお、第１
図と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。この実施例は、本発明をマス
ク・ウエハのアライメント等を行う差動スリツト
型振動検出に適用した例である。

図中３１は第１の部材としてのマスク、３２は
縮小投影レンズ、３３は第２の部材としてのウエ
ハ、３４は移動テーブルである。アライメント信
号検出系は第１図の装置と同様に、レーザ光源１
１、AOD素子１３、AODドライバ１４、発振器
１５、ハーフミラー１７、反射ミラー１７′、光
電変換器２１、プリアンプ２２及び同期検波回路
２３等から構成されている。なお、図には示さな
いが、マスク３１の上方には露光用の光源が配置
されている。

マスク３１の下面には位置検出用の一対のマー
ク３５が形成され、ウエハ３３の上面には位置検
出用の一対のマーク３６が形成されている。マス
クマーク３５は、第８図ａに示す如く一対の長方
形パターンを、その長手方向と直交する方向に距
離l₁だけ離して形成されている。ウエハマーク３
６も同様に、第８図ｂに示す如く一対の長方形パ
ターンを距離l₂（l₂≒l₂）だけ離して形成されてい
る。

上記構成において、レーザ光源１１から出射さ
れた光ビームはAOD素子１３及びミラー１７，
１７′を通してマスクマーク３５に照射される。
ここで、AOD素子１３によるビーム偏向量を適
当に定めておき、マスクマーク３５を交互に照明
する。マーク３５を通過した光ビームは投影レン
ズ３２を介してウエハ３３上に照射され、ウエハ
３３からの反射光が投影レンズ３２、マスク３１
及びハーフミラー１７を介して光電変換器２１で
受光される。光電変換器２１の検出信号は同期検
波回路２３により、前記交互照射に同期して検波
される。

ここで、マスクマーク３５の一方（Ａ領域）を
照明したときと他方（Ｂ領域）を照明したときの
光電変換器２１で得られる光量の位置ずれに対す
る出力特性は第９図ａに示す如くなる。つまり、
Ａ領域とＢ領域の出力最大（ピーク）位置が異な
り、交わつた点P₀で２つの光量がバランスする。
そこで、レーザ照射光の光路の途中にAOD素子
１３を設置し、AODドライバ１４により所定の
高周波信号を印加すると照射ビームの方向は周期
的に変化し、Ａ領域、Ｂ領域を交互に照明するこ
とになる。このため、出力信号のAC成分のみを
考えると、第９図ａの実線と破線との差が最大の
ときに最大となり、バランス位置P₀ではゼロと
なる。従つて、同期検波を行つた結果の出力特性
は第９図ｂに示す曲線となり、２曲線が交わるバ
ランス位置P₀で位置合わせを行うと、ゼロ点サ
ーボが可能で直線性の良い理想的な位置合わせが
可能となる。しかも、機械的な振動を与えずにこ
のような同期検波型の位置検出が可能となるた
め、ドリフト等の影響を受け難く、高精度な位置
検出が可能となる。

ところで、上記AOD素子１３は先の実施例で
も説明したように、ビーム偏向角を変化させると
回折効率が内一定とはならず、偏向角に依存して
変化してしまう。例えば、Ａ領域とＢ領域とを±
５［mrad］の偏向角で交互に照明すると、回折効
率はそれぞれ75［％］と85［％］となり、第９図ａ
の出力特性は第１０図ａのようになる。その結
果、交わる点P₁は本来交わるべき位置P₀からδ
だけずれてしまう。従つて、第１０図ｂに示す如
く同期検波出力のゼロ点もδだけずれてしまうた
め、ずれた位置で位置合わせされる。このような
位置合わせのずれは、半導体製造装置等において
は、直接位置合わせ精度に影響するため大きな問
題となる。

そこで本実施例では、AOD素子１３に与える
入力電圧のレベルを偏向角に応じて可変すること
により、偏向角に依らず回折効率が一定となるよ
うにしている。即ち、先の実施例と同様に、前記
第６図ａに示す如き偏向角の周期的な制御信号に
同期させて、同図ｂに示す如く入力電圧を変化さ
せる。つまり、Ｂ領域を照明する時よりもＡ領域
を照明するとき時の方で、AOD素子の入力電圧
V₀を高くする。この制御を旨く行えば、偏向角
の違いによる光量変化を相殺することができ、前
記第６図ｃに示す如く光量を常に一定にすること
ができる。その結果、位置ずれに対する光量特性
をＡ領域、Ｂ領域共に等しくすることができ、位
置ずれ検出誤差のない検出特性が得られる。即
ち、偏向角に依存する光量変化を見掛け上なくす
ことにより、位置検出用照明光の光量を一定にす
ることができ、照明光の光量変化に起因する位置
検出誤差の問題を解決できる。

かくして本実施例方法によれば、AOD素子１
３を用いることにより、機械的な振動を発生させ
ることなく光ビームを振動（マスク３１の一対の
マーク３５に交互に照射）させることができ、さ
らにビーム偏向角に応じてAOD素子１３の入力
電圧を可変しているので、ビーム偏向角に依らず
常に一定の照明光量を得ることができる。従つ
て、先の実施例と同様の効果を得ることができ、
マスク・ウエハのアライメントを高精度に行うこ
とができる。

なお、本発明は上述した各実施例方法に限定さ
れるものではない。例えば、前記第１図に示す実
施例においてはスリツト板に光ビームを照射し、
スリツト板を通過した光ビームを音響光学偏向素
子により偏向して非検査物に導いたが、被検査物
に光ビームを照射しその反射光を音響光学偏向素
子により偏向してスリツト板に導くようにしても
よい。この場合、被検査物が第１の部材となり、
スリツト板が第２の部材となる。また、音響光学
偏向素子の２つの回折角を選択することにより、
該素子の入力電圧の制御が不要となる。

また、第７図に示す実施例において前記マスク
パターンの形状は長方形パターンに限るものでは
なく、第１１図ａ，ｂに示す如く回折格子状パタ
ーンであつてもよい。さらに、変形例として次に
述べる方法も考えられる。位置合わせされるマス
クとウエハの位置は本来マスクパターンが正確に
重ね合わされて転写されるべき位置でなくてはな
らない。ところが、位置検出用の光学系と転写用
の光学系とを完全に一致させることができないた
め、上記位置はオフセツトと呼ばれる僅かなずれ
を生じる。このオオフセツトを補正する目的で上
述した位置合わせを行うことができる。つまり、
前述した方法とは逆に意識的に証明光量を変化さ
せることも容易にできるため、検出系の位置ずれ
ゼロの点をずらすことができる。この点を利用し
て、上記オフセツト分をキヤンセルし、見掛け上
オフセツトを無くすことができるのである。

要するに本発明は、その要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、音響光学
偏向素子を用いることにより、機械的な振動を与
えることなく、光の方向を周期的に振動させるこ
とができる。このため、従来安定化が困難であつ
た振動中心位置を高い精度で安定化することが可
能となり、位置検出精度の向上をはかり得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法に使用した位置
検出装置を示す概略構成図、第２図は音響光学偏
向素子の原理を説明するための模式図、第３図は
音響光学偏向素子の偏向角に対する回折効率の変
化を示す特性図、第４図は音響光学偏向素子の入
力波形と回折効率との関係を示す信号波形図、第
５図は音響光学偏向素子の入力電圧に対する回折
効率の変化を示す特性図、第６図は音響光学偏向
素子の入力波形、入力電圧と回折効率との関係を
示す信号波形図、第７図は本発明の他の実施例方
法に使用した位置検出装置を示す概略構成図、第
８図はマスクマーク及びウエハマークのパターン
を示す図、第９図は位置ずれ量に対する検出光量
及び同期検波出力の変化を示す特性図、第１０図
は音響光学偏向素子の回折効率が変化したときの
位置ずれ量に対する検出光量及び同期検波出力の
変化を示す特性図、第１１図は変形例を示すもの
でマークパターンを示す平面図、第１２図は従来
の振動型位置検出装置を示す概略構成図、第１３
図は振動型位置検出の原理を説明するための模式
図である。１１……レーザ光源、１２……スリツト板（第
１の部材）、１２ａ……スリツト（第１のマー
ク）、１３……音響光学偏向素子、１４……AOD
ドライバ、１５……発振器、１９……試料（第２
の部材）、２０……マーク（第２のマーク）、２１
……光電変換器、２３……同期検波回路、３１…
…マスク（第１の部材）、３２……投影レンズ、
３３……ウエハ（第２の部材）、３５……マスク
マーク（第１のマーク）、３６……ウエハマーク
（第２のマーク）。

Claims

【特許請求の範囲】１第１の部材に設けられた第１のマーク部を照
明し、該第１のマーク部から得られる光ビームを
第２のマーク部が設けられた第２の部材に照射
し、該第２の部材から得られる光ビームを光電変
換器で検出すると共に、上記光ビームと上記第１
及び第２の部材の少なくとも一方とを相対的に振
動せしめ、この振動に同期して上記光電変換器の
検出出力を検波することにより、第１及び第２の
部材の相対的な位置ずれ量を求める位置検出方法
において、前記光ビームと前記第１及び第２の部材の少な
くとも一方とを相対的に振動させる手段として、
光の音響光学効果を利用した音響光学偏向素子を
用い、前記光ビームを一定周期で往復偏向するこ
とを特徴とする位置検出方法。２前記音響光学偏向素子により前記光ビームを
偏向する際に、該素子を介して得られる光ビーム
の強度がビーム偏向方向と無関係に一定となるよ
うに、ビーム偏向方向の周期的な変化に同期し
て、上記音響光学偏向素子に与える入力電圧を可
変することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の位置検出方法。３前記第１及び第２の部材の一方はスリツト板
で、他方は被検査物であり、前記音響光学偏向素
子は上記スリツト板と被検査物との間に配置され
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
２項記載の位置検出方法。４第１の部材に設けられた第１のマーク部を照
明し、該第１のマーク部から得られる光ビームを
第２のマーク部が設けられた第２の部材に照射
し、該第２の部材から得られる光ビームを光電交
換器で検出すると共に、上記光ビームと上記第１
及び第２の部材の少なくとも一方とを相対的に振
動せしめ、この振動に同期して上記光電変換器の
検出出力を検波することにより、第１及び第２の
部材の相対的な位置ずれ量を求める位置検出方法
において、前記第１のマーク部は所定の距離l₁だけ隔てた
一対の長方形パターン或いは回折格子状パターン
で形成され、且つ前記第２のマーク部は所定の距
離l₂だけ隔てた一対の長方形パターン或いは回折
格子状パターンで形成されており、前記光ビームと前記第１及び第２の部材の少な
くとも一方とを相対的に振動させる手段として、
光の音響光学効果を利用した音響光学偏向素子を
用い、前記光ビームを一定周期で前記第１のマー
ク部の各パターンに交互に照射することを特徴と
する位置検出方法。５前記第１の部材は半導体パターンを形成する
ためのマスク、前記第２の部材は半導体ウエハで
あることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
の位置検出方法。６前記マスク及びウエハ間には、マスク上のパ
ターンをウエハ上に結像するための投影光学系が
配置されていることを特徴とする特許請求の範囲
第５項記載の位置検出方法。７前記音響光学偏向素子により前記光ビームを
偏向する際に、該素子を介して得られる光ビーム
の強度がビーム偏向方向と無関係に一定となるよ
うに、ビーム偏向方向の周期的な変化に同期し
て、上記音響光学偏向素子に与える入力電圧を可
変することを特徴とする特許請求の範囲第４項記
載の位置検出方法。