JPH0351704A - 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） 本発明は例えば半導体製造装置のマスクあるいはレチク
ル（以下マスクで総称する）とウニへ間相対位置合わせ
、間隔設定に好適な高精度位置検出に関する。

（従来の技術〕 従来より半導体製造装置においては、マスクとウェハと
の間隔を間隔測定装置等で測定し、所定の間隔となるよ
うに制御した後、マスク面上のパターンをクエへ面上に
露光転写している。これにより高精度な露光転写を行っ
ている。

第３図は特開昭６１−１１１４０２号公報で提案されて
いる間隔測定装置の概略図である。同図においては第１
物体としてのマスクＭと第２物体としてのウェハＷとを
対向配置し、レンズＬ１によって光束をマスクＭとウェ
ハＷとの間の点Ｐｓに集光させている。

このとき、光束はマスクＭ面上とウェハＷ面上で各々反
射し、レンズＬ２を介してスクリーンＳ面上の点Ｐｗ、
Ｐｍに集束投影されている。マスクＭとウェハＷとの間
隔はスクリーンＳ面上の光束の集光点ｐｗ、ｐ、どの間
隔を検出することにより測定している。

〔発明が解決しようとしている問題点〕この様なマスク
・クエへ間隔測定の場合、このままではマスクとクエへ
の対向方向に直交する方向（横方向）の相対位置関係、
いわゆるアライメント方向の相対位置ずれを検知するこ
とはできない、従ってこの間隔測定装置とは全く別に横
方向の相対位置検出手段が必要であり、装置の構造が複
雑で小型化が困難になるという問題があった。

本発明は前述従来例の欠点に鑑み間隔測定用及び横方向
位置検出用の装置の簡素化、小型化を可能にする位置関
係検出装置の提供を目的とする。

（問題点を解決する為の手段及び作用）本発明は、相対
位置を検出すべき第一および第二物体のいずれかに光束
を照射するための光源手段と、光源手段により照射され
第一および第二物体を経由して所定面に入射し該所定面
内にて第一および第二物体の間隔変動により第１方向に
移動する光束を受光する第一光検出手段と、光源手段に
より照射され第一および第二物体を経由して所定面に入
射し該所定面内にて第一および第二物体の間隔方向と垂
直な方向に沿りた相対位置変動により第２方向に移動す
る光束を受光する第二光検出手段と、第一および第二光
検出手段の検出結果により第一および第二物体の間隔と
前記垂直方向に沿った相対位置関係とを検出する手段と
を設けたことにより、検出装置を少なくとも光源部を共
通化して装置の簡素化、小型化を実現している。

具体的に後述実施例では、第１物体と第２物体とを対向
させて相対的な位置決めを行う際、該第１物体面上に第
１物理光学素子を形成し、該第２物体面上に第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ピ生ずる回折光の強
度分布から、該回折光のセンナ面内での２つの直交方向
に測定した重心位置を検出手段により検出することによ
り該第１物体と該第２物体との対向方向及びそれに垂直
な方向の位置検出及び相対位置決めを行なっている。

ここで光束の重心とは光束受光面において、受光面内各
点のその点からの位置ベクトルにその点が、別の例とし
て代表点として、光強度がピークとなる点の位置をとっ
てもよい。

また光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザー、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）、Ｘｓクランプ水銀灯など
コヒーレンシーの低い光源を用いてもよい。

〔実施例〕

第１図は本発明を半導体素子製造用の露光装置に通用し
たときの第１実施例の概略図である。

図中、１は第１物体としてのマスク、２は第２物体とし
てのウェハｌａ、２ａはそれぞれマスク、ウェハ上のス
クライブライン、３ａ、４ａはそれぞれ第１．第２物理
光学素子（波面を変更する素子）でここではフレネルゾ
ーンプレートの一種のグレーティングレンズである。

また、マスク１上のグレーティングレンズ３ａに隣接し
て、位置ずれ量検出方向に直交する方向↓ゾ にバ轟（レンズ作用）を有するチェアフレネルゾーンプ
レート３６を設定しである。

又、５は例えばウェハチャックであり、ウェハ１を吸着
している。６はアライメントヘッドであり、アライメン
ト用の各種の要素を収納している。８は検出器、９は検
出器８の検出面、１゜は光源、１１は投光レンズ系であ
る。１００はＸＹＺステージであり、ウェハチャック５
に吸着されたクエへをＸＹｚ方向に移動させている。

１０１はステージドライバーであり、ｘＹｚステージ１
０１をＸＹＺ方向に駆動している。

１０２はＣＰＵであり、検出器８の出力に基づき、マス
ク１とウェハ２とをｘ、ｙ方向位置合わせおよびギャッ
プ設定する様にｘＹＺステージ１００を移動させる為、
ステージドライバー１０１に指令信号を送ワている。

本実施例ではｘ、Ｘ方向位置合わせギャップ設定の為、
ウェハ２を動かす構成になっているが、同様にマスクチ
ャック穆動機構を設はマスク１を動かす構成としても良
い。

尚、ＸＹＺステージ１００はピエゾ駆動の精密ウェハス
テージとステッピングモータ駆動の粗りエハステージと
を含み、ステージドライバー１０１は、このピエゾとス
テッピングモータとを含み、ＣＰＬ１１０２はクエへを
微小移動させる時にはピエゾに、比較的大きな距離移動
させる時にはステッピングモータに指令信号を送ってい
る。

マスク１とウェハ２は所定の範囲ギャップ値で保持され
ている。

本実施例では光源１０から出射された光束１０ａを投光
レンズ系１１で平行光束とし、ハーフミラ−１２を介し
、第１物体１として例えばマスク面上のフレネルゾーン
プレートの一種であるグレーティングレンズ等から成る
第１物理光学素子３ａを斜方向から照射している。

ここで、第１物理光学素子３ａはＸ方向に集光あるいは
発散する光束を出射するいわゆるシリンドリカルレンズ
の作用を有し、かつ、Ｘ方向にはｙｚ面内に光束１０ａ
を出射するアライメントヘッド６から所定角度で入射し
た光束を出射光束の主光線が２方向と一致する様に偏向
させる作用を有する。又、第２物理光学素子４ａはアラ
イメント方向であるＸ方向にのみ集光あるいは発散作用
を有し、Ｘ方向には単に２方向から入射した光束をグレ
ーティングレンズ３ｂの方向へ光束を導光すべく偏向す
る作用を有する。グレーティングレンズ３ｂは略光束の
方向とＸ方向の両方に垂直な方向にその集光方向を一致
させ、Ｘ方向には光束を集光・発散させる作用を有さな
い。

次にＸ方向の相対位置検出について説明する。

第１物理光学素子３ａは前述の様にＸ方向に関し集光あ
るいは発散作用を有しており、１次の透過回折光を第１
物体１の法線方向（２方向）に射出させ、第１物理光学
素子３ａから所定の距ａｍれた第２物体２としての、例
えばウニへ面上に設けられているグレーティングレンズ
より成る第２物理光学素子４ａに入射させている。第２
物理光学素子４ａは同様にＸ方向に関し集光あるいは発
散作用を有しており、１次の反射回折光束をアライメン
トヘッド６方向に射出させＸ方向にレンズ作用を持たな
いグレーティングレンズ３ｂを通した後、検出器８の検
出面＾に集光している。

以下、便宜上第１物理光学素子３ａをマスク用のグレー
ティングレンズ３ａ、第２物理光学素子４ａをウェハ用
のグレーティングレンズ、第１物体をマスク、第２物体
をウェハという。

前述のように本実施例ではウェハ２面上のアライメント
パターンをＸ方向に所定の焦点距離をもったグレーティ
ングレンズ（フレネルゾーンプレートの−ｆりより構成
し、アライメントヘッド６からマスク１面に斜入射した
アライメント用の光束をマスク１面の法線方向（−ｚ方
向）に偏向し、所定の位置（例えばマスク面から２方向
に−１８７，０μｍ）に集光させている。

本実施例においてマスク１面上に斜入射させる角度αは
１０くαく８０程度が好ましい。

又、ウェハ２上のアライメントパターン４ａはＺ軸に関
して非対称なパターンをしており、回折出射光の主光線
の方向が、入射光束の光軸方向と異なるようにされてい
るグレーティングレンズ（オフアクシス型のグレーティ
ングレンズ）で、例えば焦点路１ＩＩ−１８５，１５μ
ｍとなるように設計され、マスク１面上のグレーティン
グレンズを透過、回折した収束（あるいは発散）光束を
アライメントヘッド方向に導光している。（以下、上記
光束をアライメント光束と記す） このときアライメント光束ｔａｂはグレーティングレン
ズのレンズ作用を受け、アライメントヘッド６内の検出
器８に入射する。

ここで、マスクを装置に設定した時ためし焼きによりマ
スクとクエへとの間にＸ方向相対位置すおく。

今、装置に導入されたクエへがマスクに対して位置ずれ
を生じている時マスク用グレーティングレンズ３ａとウ
ェハ用グレーティング４ａは、光学系内でレンズが軸ず
れを発生したのと同様になり、ウェハ用グレーティング
４ａから出射する光束の出射角のＸ成分は、位置ずれ量
に応じて位置ずれのない状態から変化する。従ってＸ方
向につ嘉 エバの位置ずれが生じれば検出面９上でのアライメント
光束１０ｂの重心位置も基準位置からＸ方向に変化する
。この時、位置ずれ量が小さな範囲す であればアライメント光束１０＆の重心位置の基準位置
からのＸ方向のずれ量はマスク・ウェハ用グレーティン
グレンズのＸ方向相対ずれ量に比例する。

今、マスターとウェハ２とがＸ方向に△σずれており、
ウェハ２からマスターのグレーティングレンズ３ａを透
過回折した光束の集光点（あるい２のグレーティングレ
ンズ４ａを反射回折した光シし 束の集光点までの距離をｂとすると検出面９上での集光
点のＸ方向重心ずれ量Δσは、 となる、即ち、重心ずれ量Δσは（ｂ　／　ａ　＋　１
　）倍に拡大される。即ち拡大率Ａ＝（ｂ／ａ＋１）の
値を１より充分大きくとる事によりマスク、クエへ間の
微小位置ずれを拡大された光束重心すれとして検出で台
る。

例えば、ａｘｏ、５ｍｍ、ｂｘ５０ｍｍとすれば重心ず
れ量△σは（ａ）式より１０１倍に拡大される。検出器
８の分解能が０．１μｍであるとすると位置ずれ量△σ
はｏ、ｏｏｔμｍの位置分解能となる。

このようにして求めた位置ずれ量Δ０をもとに第２物体
を移動させれば第１物体と第２物体の位置決めを高精度
に行うことができる。

以上のようにアライメント光束ｔｏｂはマスク１上のグ
レーティングレンズ３ａを透過回折し、ウェハ２上のグ
レーティングレンズ４ａを反射回折することによって、
マスクとウェハ上のグレーティングレンズの間のＸ方向
の光軸のずれがｎ倍にグレーティングレンズ系の倍率で
拡大されて、恭 アライメントヘッド６内の検出面９に入射する。

そして受光器８によりその光束の重心位置をＸ方向に検
出している。

次にマスクとウニへ間の間隔検出の原理を以下に記す、
７２面に投影した形で光束１０ａを見ると、光束１０ａ
はグレーティングレンズ３ａにより−ｙＸ方向偏向され
、上記光束１０ａはウェハ２上グレーテイングレンズ４
ａを０次で反射し、その主光線がグレーティングレンズ
３ｂでＸ方向のレンズ作用を受けた後、間隔検出光束１
０ｃとして受光器８に入射する。

マスクとウェハの間隔が適正な状態からずれるとウェハ
から所定角度で反射する光束１０ｃの起点が変化し、従
ってグレーティングレンズ３ｂへの光束の入射位置が変
化する。グレーティングレンズはＸ方向に垂直な方向（
以下垂直方向と呼ぶ）にレンズ作用を有しているので、
光束の入射位置が変化すれば出射光束のＸ方向出射角が
変化する。

距離を１とすると間隔ずれΔ２と光束！ｏＪ＆の垂直方
向重心位置ずれΔγとの間には以下の式が成り立つ。

を検出器８で検出すれば（ｂ）式より間隔ずれ量１より
充分大きくすれば微小間隔ずれを拡大された光束重心す
れとして高精度に検出できる。

第２図は、第１図に示すＹＺ面に射影した、それぞれの
光束の光路を示す図で、破線は横方向相対的位置検出用
光束の光路、実線は間隔測定用光束の光路で、光源１０
（ここでは半導体装置ザー、波長８３０ｎｍ）から出射
した光束はマスク１に１７．５°の角度で斜入射したの
ち、７２面内でマスク面法線に対し所定の角度βで出射
するようにマスク１上の物理光学素子３ａの回折作用を
受けて進行する。ここまでは横方向相対位置検出用光束
も、間隔測定用光束も共通光路である。

尚、図ではクエへが高さそれぞれＰ、、Ｐ、の位置にあ
る場合のクエへとその時の光路を両方示してあり、Ｐ２
にある時のクエへ等と光路は符番をダッシュ記号付きに
して示しである。

前述の様にウェハ２上のグレーティングレンズ４ａで横
方向位置ずれ計測用光束ｔａｂは一１次の反射、回折作
用をうける。（即ち凹レンズとしての作用を受ける）一
方、間隔測定用光束１０ｃはウェハ２上のグレーティン
グレンズ素子４ａのレンズ作用を受けない。

更に、横方向位置ずれ計測用光束１０ｂとしては、マス
ク１のグレーティングレンズ３ａあるいはリニアフレネ
ルゾーンプレート３ｂを０次で透過する光束を利用する
。このようにして横方向位置ずれ計測用光束は光源出射
後マスク上グレーティングレンズ３ａで＋２次（凸レン
ズ作用）で回折し、ウェハ上グレーティングレンズ４ａ
で一１次（凹レンズ作用）で回折し、マスクを再び透過
する際０次の回折作用を受ける。

また、間隔測定用光束１０ｃは、ウェハ上グレーティン
グレンズ４ａを０次で反射した後マスク上グレーティン
グレンズ３ｂを１次で透過する。光束１０ｂのＸ方向重
心位置検出によりマスク、クエへのＸ方向相対位置ずれ
量が前に説明した様に求められる。

検出用光束として利用する回折光の次数はこれに限定さ
れるものではなく、他の次数の回折光でも良い０例えば
、横方向位置ずれ検出光束と間隔測定用光束はマスク上
グレーティングレンズで必ずしも同一回折次数の回折作
用を受けたものを利用する必要はなく、例えば、＋２次
で回折された光束を横方向位置ずれ検出用に、＋１次で
回折された光束を間隔測定用に利用してもよい。

（発明の効果） 以上述べた様に本発明によれば、１つの照射光束から発
生する光束から得られる所定面内での間隔変動による第
１方向への光束移動情報から間隔検出を、位置ずれによ
る第２方向への光束移動情報から相対位置検出を行なう
様にしているので、装置の小型化、簡素化が可能になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る位置合わせ装置の概
略図、 第２図は第１図の装置における光路図、第３図は従来例
の説明図である。 図中 １：マスク ２：ウェハ ３ａ、４ａニゲレーティングレンズ ８：受光器 １０：光源 １０２：ＣＰＵ である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）相対位置を検出すべき第一および第二物体のいず
   れかに光束を照射するための光源手段と、前記光源手段
   により照射され第一および第二物体を経由して所定面に
   入射し該所定面内にて第一および第二物体の間隔変動に
   より第１方向に移動する光束を受光する第一光検出手段
   と、前記光源手段により照射され第一および第二物体を
   経由して所定面に入射し該所定面内にて第一および第二
   物体の間隔方向と垂直な方向に沿った相対位置変動によ
   り第２方向に移動する光束を受光する第二光検出手段と
   、前記第一および第二光検出手段の検出結果により第一
   および第二物体の間隔と前記垂直方向に沿った相対位置
   関係とを検出する手段とを設けたことを特徴とする位置
   検出装置。