JPH0348703A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は位置検出装置に関し、例えば半導体露光装置の
マスクあるいはレチクル等（以後マスクで総称する）の
第１物体上に形成されている微細電子回路パターンをウ
ェハ、感光基板等（以後ウェハで総称する）の第２物体
面上に露光転写する際に両物体を位置合わせ（アライメ
ント）するのに好適な位置検出装置に関するものである
。

［従来の技術］ 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスクと
ウェハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重要
な一要素となっている。特に最近の露光装置における位
置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、例
えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するものが
要求されている。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウニ八面
上に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設け、
それらに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
４０３７！１６９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、
このとぎゾーンプレートから射出した光束の所定面上に
おける集光点位置を検出すること等により行っている。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、
単なるアライメントパターンを用いた方法に比べてアラ
メンド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。

フレネルゾーンプレート等の物理光学素子を用いたマス
クとウェハの相対位置検出方法としては他に米国特許第
４３１１３８９号公報に示すものがある。以下にこの方
法を説明する。

第６図は同方法を説明する為のマスクとウェハとの物理
光学素子の関係を示した説明図である。

同図において６８ｂはＸ方向にのみ集光作用を有する桟
に、線状の不透明部及び透明部が交互に形成されたマス
ク６８上の線状フレネルゾーン、プレート６０ｂはウェ
ハ６ｏ上に、Ｘ方向に並べて設けられた回折格子である
。線状フレネルゾーンプレート６８ｂは入射した光束を
Ｘ方向に集光し、ウェハ６０面上でＸ方向に長手方向を
有するスリット状に焦点を結ぶ。このスリット状焦点が
ウェハ６０の焦点に重なると回折光６９が発生し、この
回折光が不図示のディテクタにより検出される。不図示
の照明系によってフレネルゾーンプレート６８ｂ上を光
走査し、焦点が回折格子６０ｂと重なる時にディテクタ
が検出する光強度変化により、回折格子６８ｂのフレネ
ルゾーンプレート６８ｂに対する位置、即ちマスク６８
とウェハ６０との相対位置関係を検出する。

第７図は本方法における物理光学素子と入射光出射光と
の関係を説明する為に素子を側面から見た説明図である
。線状フレネルゾーンプレート６８ｂに斜方向から図面
下向きの矢印の様に入射する光束７０ａはゾーンプレー
ト６８ｂにより実線矢印の如くウェハ６０上に集光する
。集光位置に回折格子６０ｂが配置されている場合、集
光光束は回紡信れて発散し、再びゾーンプレート６８ｂ
に入射し、ゾーンプレート６８ｂによって、図で斜線で
示す桜に、ディテクタの存在する方向りに偏向される。

この斜線で示した出射光束７０ｂを不図示のディテクタ
で光強度検出して相対位置検出が実行される。

［発明が解決しようとしている問題点］しかしながら、
この様な従来例においては、第７図に示す様に、出射光
束は７０ｂの他に図に破線で示した様なマスクやウニ八
面上での正反射光束やその他の回折光等が光束７０ｂと
は異なる方向、具体的にはマスク面上への斜影成分が（
不図示の）光束を照射する手段のある方向と対向する様
な方向に出射する。この為、例えばより多くの位置情報
を得る為にこの様な光束照射手段及びディテクタを複数
設けた場合には、特にマスク面上への斜影成分が１つの
光束照射手段の光束照射方向と略対向する方向に存在す
る他の光束照射手段からの光軸ディテクタに対向する光
束照射手段のこれら正反射光束等の不要光が入射し、デ
ィテクタからの信号にノイズが含まれる事になり位置検
出手段の位置検出情報の精度は悪化し半導体露光装置の
位置合わせ精度が悪化しプロセス上の問題となる。

本発明は前述従来例の欠点に鑑み、複数の位置検出情報
を得る為に複数の光束照射手段と受光手段とを設けた時
に、少なくとも１つの光束照射手段が、他の光束照射手
段からの光束を受光する為の受光手段と略対向する方向
から光束を照射する様な場合も高精度な位置検出を可能
にする位置検出装置を提供する事を目的とする。

［作用］ 本発明は第１照射手段と、第１照射手段により照射され
る位置検出用の第１の光束を受光する為の第１検出手段
に対向する方向から第２の光束を照射する第２照射手段
との照射を制御手段により、第２照射手段の物体照射と
第１検出手段による位置検出の為の受光とが同時に行な
われない様に制御する事により、第２照射手段からの第
２光束によって発生する正反射光、不要回折光、散乱光
等が第１検出手段による位置検出に悪影響を与える事が
ない様にしたものである。そしてその結果求められたウ
ェハの（マスクに対する相対）位置情報の精度は悪化せ
ず、半導体露光装置の位置合わせ精度を良好にできる。

［実施例］ 第１図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に本発明の第１実施例を含む
半導体露光装置の外観の、それぞれ部分斜視図、上面図
、側面断面図を示す。図中、１は照射手段及び検出手段
であるピックアップ、２はピックアップ１を保持する支
持部材、３はピックアップ１をマスクに形成されている
マスクアライメントマーク及びクエへに形成されている
ウェハアライメントマーク上にアライメントを行う光束
を８動させるためのステージである。

１０４はアライメントを行う光束、１０５は例えばポリ
イミド等の材質のフィルムに金等で半導体パターン及び
アライメントマークが形成されているマスクであり、１
０５ａはマスクに形成されているマスクアライメントマ
ークである。１０５ｂは転写用パターン形成部である。

１０６は半導体パターンが形成されているシリコン等で
できたウェハであり、１０６ａはウェハ１０６上に形成
されたウェハアライメントマークである。尚パターン形
成部１０５ｂの２方向には、不図示のパターンをウェハ
上に転写する為の線源、例えばＸ線源、エキシマレーザ
光源等が配置されている。

第１図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す様に、この半導体露光
装置に使用されるピックアップ１は、パターン形成部１
０５ｂに対して、検出方向と光束照射方向が互いに９０
°異なる様な位置に４つ配置されている。この４つの位
置を図の様にＰＵ−Ｕ、ＰＵ−Ｒ，ＰＵ−Ｄ、ＰＵ−Ｌ
とする。４つのピックアップ１はすべて同一構成のもの
である。

第２図はピックアップｌとその周辺部の構成を示す説明
図である。ここではｐｕ−ｕの位置のピックアップで代
表して説明する。

第２図において、１０１は発光素子である半導体レーザ
、１０２はコリメータレンズであり半導体レーザ１０１
から出力される光束を平行光にしている。

１０３はハーフミラ−であり半導体レーザ１０１からの
光束をマスク、ウェハ方向へ反射させ、さらにマスク、
ウェハからの光束を透過させている。マスクアライメン
トマーク１０５ａ及び、ウェハアライメントマーク１０
６ａは、フレネルゾーンプレートで形成されている。

１０７はマスク１０５に形成されているマスクアライメ
ントマーク１０５ａとウェハ１０６に形成されてい、る
ウェハアライメントマーク１０６ａにより回折したアラ
イメント（マスクウェハずれ）情報を持つ光束である。

１０８は光電変換素子（ラインセンサとも記す）であり
例えばＣＣＤ等のラインセンサである、そしてマスクア
ライメントマーク１０５ａとウェハアライメントマーク
１０６ａにより回折したアライメント（マスクウェハず
れ）情報を持つ光束１０７を受光する。

１０９は半導体レーザ１０１を駆動するＬＤドライバ、
１１０はラインセンサ１０８を駆動するラインセンサド
ライバであり、１１１はラインセンサ１０８の出力であ
る位置情報を持つ光束１０７の位置を計算する信号処理
部である。１１２は各ピックアップ１の半導体レーザ１
０１の点燈時間及びラインセンサ１０８の受光時間を制
御する発光制御部である。

第２図において、マスク１０５のマスクアライメントマ
ーク１０５ａ　（あるいはマスク）とウェハ１０−６の
ウェハアライメントマーク１０６ａ（あるいはウェハ）
の相対位置（マスクウェハずれ）は、各々のピックアッ
プで以下のように求めることができる。

半導体レーザ１０１を出射した光束１０４はコリメータ
レンズ１０２により平行光になり、ハーフミラ−１０３
でウニ八方向へ反射し、マスク１０５を透過する。透過
した光束はウェハアライメントマーク１０６ａのレンズ
作用で、マスクアライメントマーク１０５ａの方向へ集
光（あるいは発散）させる様に反射回折される。更に入
射したマスクアライメントマーク１０５ａのレンズ作用
でラインセンサ１０Ｂの方向に発散（あるいは集光）さ
せる様に透過回折される。その後ハーフミラ−１０３を
透過した光束１０７はラインセンサ１０８土にスポット
を形成する。ラインセンサ１０８の素子配列方向はここ
ではＸ方向に一致する。今ここで装置に固定されている
マスク１０５に対し、ウェハ１０６がＸ方向に位置変動
を起こした場合マスクとクエへのアライメントマーク１
０５ａ、１０６ａはレンズ系内でレンズ同士がいわゆる
軸ずれを起こしたのと同じ状態になり、出射光束の出射
角が変動する。この為ラインセンサス０８上のスポット
はマスクとウェハとのＸ方向相対ずれ量に応じた量だけ
ラインセンサ１０８の素子配列方向に６動する。マスク
とウェハとの相対ずれ量がそれ程大きくない範囲ではス
ポットの移動量はマスクとウェハとの相対ずれ量に比例
する。マスクとクエへのアライメントマーク１０５ａ、
１０６ｂは、ラインセンサ１０８上でのスポットのＸ方
向移動量がマスクとウェハとのＸ方向相対位置変動量の
、１より大きな所定倍（例えば１００倍）になる様にＸ
方向のレンズパワーを設定されている。従ってマスク設
定時に、マスクとウェハとのＸ方向相対位置ずれかない
状態でのラインセンサ１０８上のスポットの重心位置を
ためし焼で求め、これを基準位置として記憶しておき、
マスクとウェハとの相対位置検出時にラインセンサ１０
８上に形成されたスポットの重心位置の基準位置からの
ずれ量をラインセンサ１０８を用いて計測すれば、この
ずれ量がマスクとウェハとのＸ方向相対位置ずれ量の既
知の所定倍になっているので、計算によりＸ方向相対位
置ずれ量を求める事ができる。ここでスポットの重心位
置とはラインセンサ１０８の受光面上において、受光面
内各点のこの点からの位置ベクトルにその点の光強度を
乗算したものを受光面全面で積分した時に積分値がＯベ
クトルになる点のことである。

次に発光制御部１１２による発光制御について説明する
。

本実施例では第３図に示すアルゴリズムでピックアップ
１の半導体レーザ１０１を点燈し、アライメント情報を
求める。

１、ＰＵ−Ｕ、ＰＵ−Ｌのラインセンサ１０８の受光時
間に合わせ、第１にＰＵ−Ｕ。

ＰＵ−Ｌのみ半導体レーザｔｏｉを点燈し、ＰＵ−Ｕ、
ＰＵ−Ｌのアライメント情報を求める。

＋！　、第２にＰＵ−Ｄ、ＰＵ−Ｒのラインセンサｉｏ
ａの受光時間に合わせ、ＰＵ−Ｄ ＰＵ−Ｒのみ半導体レーザ１０１を点燈し、ＰＵ−Ｄ、
ＰＵ−Ｒのアライメント情報を求める。

以上でＰＵ−Ｕ、ＰＵ−Ｄ、ＰＵ−り、ＰＵ−Ｒ全ての
ピックアップのアライメント情報が求まる。

本実施例の方法によれば、互いに対向する位置、ｐｕ−
ｕとＰＬＩ−Ｄ、ＰＵ−ＬとＰＵ−Ｒのピックアップの
発光素子の光束１０４が交互に発生するので、互いの測
定時に対向方向からの強度が特に強い不要回折光や散乱
光８ｏ１　（第１図（ｃ）参照）等がラインセンサ１０
８に入射しない。そのためラインセンサ１０８上のアラ
イメント情報を持つ光束１０７のスポット形状は変化し
にくい。従ってアライメント情報を持つスポットの位置
、ここでは重心位置が変化しにくい。その為正確なマス
ク、ウェハ相対位置を各ピックアップで検出する事かで
きる。

つぎに第２の実施例を説明する。第２の実施例は構成は
第１の実施例と同様であるので、構成の説明は省略する
。

第４図に第２の実施例で用いる各位置検出手段が持つ発
光素子の点燈タイミングのアルゴリズムのフローチャー
トを示す。

第２の実施例で用いるアルゴリズムは以下のように４の
ピックアップｌの半導体レーザ１０１を１つ１つを交互
に点燈し、アライメント情報を求める。

■、第１にラインセンサ１０８の受光時間に合わせ、ｐ
ｕ−ｕのみ半導体レーザ１０１を点燈し、ＰＵ−Ｕのア
ライメント情報を求める。

＋＋　、つぎにラインセンサ１０８の受光時間に合わせ
、ＰＵ−Ｄのみ半導体レーザ１０１を点燈し、ＰＵ−Ｄ
のアライメント情報を求める。

ＩＩＩ　、さらにラインセンサ１０８の受光時間に合わ
せ、ＰＵ−Ｌのみ半導体レーザ１０１を点燈し、ＰＵ−
Ｌのアライメント情報を求める。

■、最後にラインセンサ１０８の受光時間に合わせ、Ｐ
Ｕ−Ｒのみ半導体レーザ１０１を点燈し、ＰＵ−Ｒのア
ライメント情報を求める。

以上でＰＵ−Ｕ、ＰＵ−Ｄ、ＰＵ−Ｌ、ＰＵ−Ｒ全ての
ピックアップのアライメント情報が求まる。

第２の実施例において、ｐｕ−ｕ、ＰＵ−Ｄ。

ＰＬＪ−Ｌ、ＰＵ−Ｒの順番で全てのピックアップのア
ライメント情報を求めたが、この順番にかかわるもので
なくつねに点燈している半導体レーザは１個である様に
制御すれば、どのような順番で半導体レーザを点燈して
も構わない。

第２の実施例によれば、１つのピックアップによる位置
検出時には他の全てのピックアップの発光素子の光束１
０４のマスクやウェハによる不要回折光や散乱光８０１
等が検出中のラインセンサ１０８に入射しない。そのた
めラインセンサ１０８上のアライメント情報を持つ光束
１０７のスポット形状は変化しない。従ってアライメン
ト情報を持つスポットの位置、ここでは重心位置は第１
の実施例以上に変化しにく、い。

そのため、第１の実施例に比べ各ピックアップにおいて
さらに正確なマスクとクエへの相対位置すなわちアライ
メント情報を求めることができる。

以上の実施例では第１物体（マスク）と第２物体（ウェ
ハ）との対向方向に垂直な方向に沿った位置ずれを検出
する装置について述べたが、第２物体の高さ検出あるい
は第１物体と第２物体との対向方向に沿った位置関係間
隔を測定する装置についても本発明は適用で診る。以下
その実施例を説明する。

第５図は本発明の第３実施例の位置ＰＵ−Ｕにおけるマ
スク、ウニへ部概略図である。第５図（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）はそれぞれマスク、ウニへ部の正面図、側面図、
上面図である。ピックアップ部の構成は第１図（Ａ）（
Ｂ）（Ｃ）及び第２図と同様である。

同図において１１０１は半導体レーザー１０１からの光
束である。半導体レーザーは例えばＨｅ−Ｎｅレーザー
等に換えてもよい。１１０２は第１物体で例えばマスク
１１０３は第２物体で例えばウェハである。１１０４．
１１０５は各々マスク１１０２面上の一部に設けた第１
．第２物理光学素子で、これらの物理光学素子１１０４
゜１１０５は例えば回折格子やゾーンプレート等から成
っている。

ラインセンサ１０８は第１の実施例と同様素子配列方向
はＸ方向であり、入射光束のスポットの重心位置を検出
している。信号処理部１１１はここでは、受光手段１０
８からの信号を用いて受光手段１０８面上に入射した光
束のスポットの重心位置を求め、後述するようにマスク
１１０２とウェハ１１０３との間隔を演算し求めている
。

本実施例においては半導体レーザー１０１からの光束＋
１０１（例えば波長λ＝８３０ｎｍ）をマスク１１．０
２面上の第１フレネルゾーンプレート（以下ＦＺＰと略
記する）１１０４面上の点に斜めに入射させている。そ
して第１のＦＺＰ１１０４からの角度θ１で回折する所
定次数の回折光をウェハ１１０３面上の点Ｂ　（Ｃ）で
反射させている。このうち反射光１１３１　ハウ、１　
Ａ１１０３がマスク１１０２との間隔ｄ０の位置Ｐ１に
位置しているときの反射光、反射光１１３２はウェハ１
１０３が位置Ｐ１から距ｉｆ！ｔ　ｄａだけ変位して、
位置Ｐ２にあるときの反射光である。

次いでウェハ１１０３からの反射光を第１物体１１０２
面上の第２のＦＺＰ１１０５面上の点Ｄ（ウェハが２２
にある時はＥ）に入射させている。

尚、第２のＦＺＰ１１０５は集光レンズの様に入射光束
の入射位置に応じて出射回折光の射出角を変化させる光
学作用を有している。この時のＦＺＰ１１０５の焦点距
離をｆ、とする。

そして第２のＦＺＰ１１０５から回折した所定次数の回
折光１１６１　（ウェハがＰ２にある時は１１６２）を
受光手段１１０８面上に導光している。

そして、このときの受光手段１１０８面上における入射
光束１１６１（ウェハがＰ２にある時は１１６２）の重
心位置を用いてマスク１１０２とウェハ１１０３との間
隔を演算し求めている。

ここで本実施例においては、第１のＦＺＰ１１０４は単
に入射光を折り曲げる作用をしているが、この他収束、
又は発散作用を持たせるようにしても良い。

演算の方法を以下に述べる。Ｆ’ＺＰ１１０５の焦点位
置から受光手段までの距離を１５、ウェハがＰｌからＰ
２までギャップ変化した時の受光手段１０８上での光束
の移動量をＳとすると以下の式が成り立つ。

ここで ＡＤ＝２６ｏｔａｎθｌ。

ＡＥ＝２　　（ｄ、＋ｄａ　　）　　ｔａｎ　θ　ｌ　
。

、°−ｄｗ　＝ＤＥ＝ＡＥ−ＥＤ＝２ｄａ　ｔａｎθ１
従って、 となる。ｕ、、ｆ、、　θ１は前もって求めておく事が
可能である。よって受光手段で光束の移動量Ｓを求めれ
ば、この式よりｄ６が求まり、これによりマスクとウェ
ハの間隔が検出される。この時Ｉｌ、の値を大きくとる
事でｄ。の値に対するＳの値を大きくし、微細なギャッ
プ変化量を拡大した光束移動量に変換して検出する事が
できる。

マスク１１０２とウェハ１１０３は最初に図に示す様に
基準となる間隔ｄｏを隔てて対向配置されている。この
時のｄ。の値は例えばＴＭ−２３ＯＮ　（商品名：キヤ
ノン株式会社製）等の装置を用いて測定可能である。

以上の様な構成において、発光制御部１１２は第３図に
示す様に対向位置にあるピックアップからの発光を交互
に行なわせ、それぞれのピックアップによる検出時に対
向方向からの不要回折光のラインセンサへの入射が無い
株にしている。

第４図の様に４つのピックアップで１つ１つ交互に発光
を行なわせる様にしても良い。

上述実施例では、光電変換素子としてＣＣＤラインセン
サの実施例を示したが、ＣＣＤラインセンサに限るもの
では無い、例えば光電変換素子としてＣＣＤエリアセン
サであっても構わない。

さらに上述実施例では４個のピックアップの例を示した
が、ピックアップの数は４個に限るものでなく複数個で
あればどんな数であっても構わない。例えば互いに向き
が６０°異なるように６つ配置されたピックアップであ
っても構わない。この場合は例えば、対向しないピック
アップ３個ずつ同時に発光素子を点燈するようにすれば
良い。

上述実施例において対向するピックアップ同士は正確に
対向せず、対向方向に垂直な方向に多少ずれていても、
前述の強い不要回折光、正反射光等の影響を大きく受け
る範囲であれば本発明の効果を有するものである。

位置検出の原理については本実施例の説明で述べたもの
に限らず、例えば従来例で述べた様な原理を用いても良
い。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の構成によれば、例えば上
述実施例の様に互いに向きが９０°異なるように４つ配
置される位置検出手段の発光素子の発光時間を制御する
事によって、互いに他の位置検出手段の発光素子の光束
によるマスクやウェハの不要回折光や散乱光等のために
位置検出手段の光電変換素子上のアライメント情報を持
つ光束の位置を変化させる事はない。

そのためアライメント情報を持つ光束の位置（重心位置
）から求める各々のピックアップにおけるマスクとクエ
へのずれすなわちアライメント情報を正確に保てる。

そしてその結果、求めた第１及び第２物体間の位置情報
すなわちアライメント情報の精度は悪化せず半導体露光
装置の位置合わせ精度を良好にできる。

【図面の簡単な説明】 第１図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は本発明の第１実施例に係る
半導体露光装置のそれぞれ要部斜視図、上面図、側面断
面図、 第２図は同装置のピックアップ周辺部説明図、第３図は
第１実施例の発光制御部の制御フローチャート、 第４図は本発明の第２実施例の発光制御部の制御フロー
チャート、 第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第３実施例のマス
ク、ウニへ部のそれぞれ正面図、側面図、上面図、 第６図、第７図は従来例の説明図、である。 図中、 １はピックアップ、 ２は支持部材、 ３はステージ、 １０１は半導体レーザ、 １０２はコリメータレンズ、 １０３はハーフミラ− １０４はアライメント光束、 １０５はマスク、 １０５ａはマスクアライメントマーク、１０６はウェハ
、 １０６ａはウェハアライメントマーク、１０７はアライ
メント情報を持つ光束、１０８はラインセンサ、 １０９はＬＤドライバ、 １１０はラインセンサドライバ、 １１１は信号処理部、 １１２は発光制御部、 ８０１は不要回折光や散乱光 である。 °″Ａ’ＦＷ／ｙ“”９”し。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）位置検出すべき物体上に第一の光束を照射する第
   一照射手段と、前記第一照射手段で照射された物体から
   の第一の光束を所定方向にて受光することによって前記
   物体の位置を検出する第一検出手段と、物体上に第二の
   光束を前記所定方向にほぼ対向する方向から照射する第
   二照射手段と、前記第二照射手段によって照射された物
   体からの第二光束を受光することによって前記物体の位
   置を検出する第二検出手段と、前記第二照射手段のため
   の第一光束受光が同時に行なわれないように各照射手段
   による照射を制御する制御手段とを有することを特徴と
   する位置検出装置。
2. （２）相対位置を検出すべき第一及び第二物体上に第一
   の光束を照射する第一照射手段と、前記第一照射手段で
   照射された第一または第二物体からの第一の光束を所定
   方向にて受光することによって前記第一及び第二物体の
   相対位置を検出する第一検出手段と、第一及び第二物体
   上に第二の光束を前記所定方向にほぼ対向する方向から
   照射する第二照射手段と、前記第二照射手段によって照
   射された第一または第二物体からの第二光束を受光する
   ことによつて前記第一及び第二物体の相対位置を検出す
   る第二検出手段と、前記第二照射手段による第一及び第
   二物体照射と第一検出手段による相対位置検出のための
   第一光束受光が同時に行なわれないように各照射手段に
   よる照射を制御する制御手段とを有することを特徴とす
   る位置検出装置。