JPH0412206A - 位置検出方法 - 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、例えば半導体素子製造用
の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マスク
」という。）等の第１物体面上に形成されている微細な
電子回路パターンをウェハ等の第２物体面上に露光転写
する際にマスクとウェハとの相対的な位置ずれ量を求め
、双方の位置決め（アライメント）を行う場合に好適な
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、２１″導体素子の高集積化の為に
、例えばサブミクロン以ドの位置合わゼ精度を有するも
のが要求されている。

多くの位置検出装置においては、マスク及びウェハ面ト
に位置合わせ用の所謂アライメントマークを設け、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マークのすれはを画像処理
を行うことにより検出したり、又は米国特許第４０３７
９６９号や米国特許第４５１４８５８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
トマーク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＝１〜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。

般にゾーンプレー１〜を利用したアライメント方法は、
！Ｐなるアライメントマークを用いた方法に比べてアラ
イメントマークの欠損に影響されずに比較的高粒度のア
ライメントが出来る特長がある。

第４図はゾーンプレー１〜を利用した従来の位置検出装
置の概略図である。

同図においてマスクＭはメンブレン１１７に取りイー］
けてあり、それをアライナ−本体１１５にマスクヂャッ
ク１１６を介して支持している。本体１１５十部にアラ
イメン１へヘッド１１４が配置されている。マスクＭと
ウェハＷの位置合わせを行う為にマスクアライメンＩ・
マークＭＭ及びウェハアライメントマークＷＭがそれぞ
れマスクＭとウェハＷに焼き付けられている。

光源１１０から出射された光束は投光レンズ系１１１に
より平行光となり、ハーフミラ−１１２を通り、マスク
アライメントマークＭＭへ入射する。マスグアライメン
１〜マークＭＭは透過型のゾーンプレートより成り、入
射した光束は回折され、その＋１次回折光は点Ｑへ集光
する凸レンズ作用を受ける。

又、ウェハアライメントマークＷＭは反射型のゾーンプ
レートより成り点Ｑへ集光する光を反射回折させ検出面
１１９Ｆへ結像する凸面鏡の作用（発散作用）を持って
いる。

このときウェハアライメントマークＷＭで一１次で反射
回折作用を受けた信号光束はマスクアライメントマーク
ＭＭを通過する際、レンズ作用を受けずに０次光として
透過し検出面１１９上に集光してくるものである。

ここてマスクＭのアライメントマークＭＭでｍ次の回折
作用を受け、ウェハＷのアライメントマークＷＭでｎ次
の反射回折作用を受け、再度マスクＭのアライメントマ
ークＭＭて！次の回折作用を受けた光束を以下、便宜上
（ｍ、ｎ、ｕ、）次光と称する。従って前述の光束は（
１，、−ｉ。

０）次光の信号光束となる。

同図の位置検出装置においては、マスクＭに対しウェハ
Ｗが相対的に所定量位置すれしていると、その位置ずれ
量ΔσＷに対して検出面１１．９１に入射する光束の入
射位置（光量の重心位置）がずれてくる。このときの検
出面１１９１のすれ星ΔδＷと位置ずれ量ΔσＷとは一
定の関係があり、このときの検出面ｊ、　１．９　、、
、Ｉ＝のずれ量ΔδＷを検出することによりマスクＭと
ウェハＷとの相対的な位置ずれ計ΔσＷを検出している
。

同図に示すようにマスクＭから出射する信号光束の集光
位置Ｑからウェハ２までの距離をａＷ、ウェハＷから検
出面１１９までの距ｌｉｔ　ｂ　ｗとしたとき検出面１
１９上の位置ずれ量ΔδＷはｗ ΔδＷ−ΔσＷ・　（−−１，）　　　・・・・（ａ）
　Ｗ となる。（ａ）式より明らかのように（ｂ　ｗ　／　ａ
　ｗｌ）倍に位置ずれ量が拡大される。この（ｂｗ／　
ａ　ｗ　−１）が位置ずれ検出倍率となる。

尚、同図に示す装置では一般にマスクＭ固着後にためし
焼等を行いマスクとウェハとの位置ずれ量がないときの
信号光束の入射位置（基準位置）を基準とし、この位置
と実際の光束の入射位置とのすれ量を検出面１１９て検
出し、このときの値ΔδＷを用いて（ａ）式より位置す
れ量Δσを求めている。

（発明が解決しようとする問題点） 般に第４図に示す位置検出装置では検出面１１９上には
（１，−１，Ｏ）次光の他に回折次数の異なる（０．−
１．１）次光が略々集光する場合がある。

イ列えばマスクＭ」二のアライメントマークＭＭへ入射
したのち、これを０次回掛売で透過し、ウェハＷ」二の
アライメントマークＷＭでまず一１次で反射回折し、凹
パワー（発散）の作用をうけ、更にマスクＭ上のアライ
メントマークＭＭで＋１次で透過回折して凸パワー（収
束）の作用を受けた（０．−１．１）次光が検出面１１
９に略々集光する場合がある。

第５図はこのときの（１，−１，Ｏ）次光と（０，−１
，ｉ）次光の伝帳の様子を模式的に示した説明図である
。

ここで一般には（１，−１，０）次光と（０゜１．１）
次、光とではマスクとウニへ間の相対位置ずれ量に対す
る入射位置移動量の検出倍率が異なる。この為、光束の
入射位置として検出面１１９内において、検出面内の各
点のその点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算
したものを検出面全面で積分したときに積分値が０ベク
トルになる点（以下（光束の）重心と呼ぶ）を検出する
と、信号光束としての（１，−１＋　Ｏ）次光以外に（
０，−１，，１）次光の影響を受けてしまい、或はＳ／
Ｎ比が劣化する等して（ａ）式を用いても正しい位置ず
れ量の検出ができない場合があった。

（１，−１，０）次光と（０，−１，１）次光の光強度
比関係が常時ある程度一定値に保たれるならば、これら
２光束により形成される検出面上の光強度分布全体によ
る重心位置のずれ量のマスクとウニへ間の相対位置ずれ
量ΔσＷに対する検出倍率を求め、これを新たな位置ず
れ検出倍率として位置ずれ検出を行う方法もある。

この場合、それぞれの光束の光強度比がレジスト膜厚の
変動などのウェハプロセス要因或は位置ずれ検出方向に
直交する方向の位置合わせ物体間の位置の変動かある場
合はこれに伴って変化し、その結果（１，−１，０）次
光と（０，−１゜１）次光を合わせたトータルな位置ず
れ検出倍率゛が変動し、位置すれ検出誤差となるという
問題点があった。

本発明はこのような対象とする信号光束である（ｍ、ｎ
、ＪＩＬ）次光に対して検出誤差要因となる（ｍ′、ｎ
、Ｉｌ、′）次光、（但し、ｍ′≠ｍ又はｎ′≠ｎ又は
に′≠ｆｌ＞の悪影響を効果的に防止し、高鯖度な位置
ずれ量の検出が可能な位置検出装置の提供を目的とする
。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、第１物体面上に回折作用を有
する第１アライメントマークを、第２物体面上に回折作
用を有する第２アライメントマークを各々形成し、投光
手段からの光束のうちｍ。

ｎ、１１を整数としたとき、該第１アライメントマーク
でｍ次の回折作用を受け、該第２アライメントマークで
ｎ次の反射回折作用を受け、再び該第１アライメントマ
ークでに次の回折作用を受けた第１光束の所定平面上の
集光位置が該第１物体と第２物体との相対位置ずれ量に
対して所定倍率で変化するようにし、該第１光束の所定
平面上への集光位置を検出手段により検出することによ
り、該第１物体と第２物体との相対的な位置ずれ量を検
出する際、ｍ′、ｎ′、１’をｍ′≠ｍ又はｎ′≠ｎ又
は℃′≠℃なる整数としたとき、該第１アライメントマ
ークでｍ′次の回折作用を受け、該第２アライメントマ
ークでｎ′次の反射回折作用を受け、再び該第１アライ
メントマークでに′次の回折作用を受けた第２光束の該
所定平面上への集光位置が、該所定平面での該第１光束
又は第２光束のスポット径の２倍以上第１光束の集光位
置から離れるように各要素を設定したことを特徴として
いる。

即ち、本発明は物体面Ａと物体面Ｂを位置合わせすべき
第１物体と第２物体としたとき物体面Ａに物理光学素子
としての機能を有する第１及び第２の信号用のアライメ
ントマークＡ１及びＡ２を形成し、且つ物体面Ｂにも同
様に物理光学素子としての機能を有する第１及び第２の
信号用のアライメントマークＢ１及びＢ２を形成し、前
記アライメン１〜マークＡ１に光束を入射させ、このと
き生じる回折光をアライメントマークＢ１に入射させ、
アライメントマークＢ１からの回折光の入射面内での光
束重心を第１信号光束の入射位置として第１検出部にて
検出する。

ここで光束の重心とは光束受光内において受光内各点の
そ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ときに積分値が０ベクトル
になる点のことであるが、便宜−Ｆ光束重心として光強
度がピークとなる点を用いてもよい。同様にアライメン
トマークＡ２に光束を入射させ、このとき生じる回折光
をアライメントマークＢ２に入射させアライメンＩ・マ
ークＢ２からの回折光の入射面における光束重心を第２
信号光束の入射位置として第２検出部にて検出する。そ
して第１及び第２検出部からの２つの位置情報を利用し
て物体面Ａと物体面Ｂの位置決めを行う。このとき（ｍ
、ｎ、ｕ）次光に対して検出誤差要因となる（ｍ′、ｎ
′、、ｆｆ′）次光の入射位置が前述の位置関係となる
ように各要素を設定している。

この低木発明では第１検出部に入射する光束の重心位置
と第２検出部に入射する光束の重心位置が物体面Ａと物
体面Ｂの位置ずれに対して互いに逆方向に変位するよう
に各アライメン１〜マークＡＩ、Ａ２．Ｂｌ、Ｂ２を設
定している。

（実ｈｔ例） 第１図は本発明の原理及び構成要件等を展開して示した
説明図、第２図は第１図の構成に基づく本発明の第１実
施例の要部斜視図である。

図中、１は物体面Ａに相当する第１物体、２は物体面Ｂ
に相当する第２物体であり、第１物体１と第２物体２と
の相対的な位置ずれ量を検出する場合を示している。

第１図では第１物体１を通過し、第２物体２で反射した
光が再度第１物体１を通過する為、第１物体１が２つ示
されている。５は第１物体１に、３は第２物体２に設け
たアライメントマークであす、第１信号を得る為のもの
である。同様に６は第１物体１に、４は第２物体２に設
けたアライメントマークであり、第２信号光を得る為の
ものである。尚、第１図ではアライメントマーク３，４
を等価な透過型のアライメントマークに置換した光路で
示している。

各アライメン１〜マーク３，４，５．６は１次元又は２
次元のレンズ作用のあるグレーティングレンズ又はレン
ズ作用のない回折格子等の物理光学素子の機能を有して
いる。９はウェハスクライブライン、１０はマスクスク
ライブラインであり、その面上には各アライメントマー
クが形成されている。７．８は前述の第１及び第２のア
ライメント用の第１．第２信号光束を示す。７′、８′
は各々第１．第２信号光束７．８に対応する所定次数の
回折光束である。

本実施例では第１信号光束７は（１，−１゜０）次光、
第２信号光束８は（−ｉ、ｉ、ｏ）次光、光束７′は（
０，−１，１）次光、光束８′は（０，１，−１）次光
となっている。

１１．１２は各々第１及び第２信号光束７，８を検出す
る為の第１及び第２検出部である。

第１．第２検出部１１．１２は例えば１次元ＣＣＤ等か
ら成り、素子の配列方向はＸ軸方向に致している。

第２物体２から第１又は第２検出部ｉｆ、１２までの光
学的な距離を説明の便宜上りとする。物体１と第２物体
２の距離をｇ、アライメントマーク５及び６の焦点距離
を各々ｆａｌ＋ｆａ２とし、第１物体１と第２物体２の
相対位置ずれ量をΔσとし、そのときの第１．第２検出
部１１．１２の第１及び第２信号光束重心の合致状態か
らの変位量を各々Ｓ、、Ｓ２とする。尚、第１物体１に
入射するアライメント光束は便宜上平面波とし、符号は
図中に示す通りとする。

信号光束重心の変位量Ｓ１及びＢ２はアライメントマー
ク５及び６の焦点Ｆ、、Ｆ２とアライメントマーク３，
４の光軸中心を結ぶ直線Ｌｌ。

Ｌ２と、検出部ｊ１及び１２の受光面との交点として幾
何学的に求められる。従って第１物体１と第２物体２の
相対位置ずれに対して各信号光束重心の変位量Ｓ、、Ｓ
２を互いに逆方向に得る為にアライメントマーク３，４
の光学的な結像倍率の符合を互いに逆とすることで達成
している。

尚、本実施例において、光源の種類としては半導体レー
ザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ａ、レーザー等のコヒーレ
ント光束を放射する光源や、発光タイオード等の非コヒ
ーレント光束を放射する光源等を用いている。

第２図に示すように本実施例では（１，−１゜０）次光
としての光束７と（−１，１，０）次光としての光束８
は各々マスク１面上のアライメントマーク５．６に所定
の角度で入射した後、透過回折し、更にウェハ２面上の
アライメントマーク３．４で反射回折し、検出部１１．
１２に入射する。又（０，−１，１）次光としての光束
７′と（０，１，−１）次光としての光束８′はマスク
１面上のアライメントマーク５，６を０次で透過した後
、ウェハ２面上のアライメントマーク３゜４で反射回折
し、次いでマスク１面上のアライメントマーク５，６で
透過回折し検出部１１．１２に入射している。

これらの光束のうち検出部１１．１２面上に入射したア
ライメント光束７．８の重心位置を検出し、該検出部１
１．１２からの出力信号を利用してマスク１とウェハ２
について位置ずれ検出を行っている。

次にアライメントマーク３，４，５．６について説明す
る。

アライメントマーク３，４，５．６は各々異なった値の
焦点距離を有するフレネルゾーンプレート（又はグレー
ティングレンズ）より成フている。これらのアライメン
トマークの寸法は各々スクライブライン９及び１０の方
向に５０〜３００μｍ、スクライブライン幅方向（Ｘ方
向）に２０〜１００μｍが実用的に適当なサイズである
。

本実施例においては光束７，７′と８．８′はいずれも
マスク１に対して入射角的１７．５゜で、マスク１面へ
の射影成分がスクライブライン方向（Ｘ方向）に直交す
るように射出している。

マスク１とウェハ２との間隔は３０μｍである。（１，
−１，０）次光の光束７はアライメントマーク５で１次
で透過回折し、凸レンズ作用を受けたのち、ウェハ２面
上のアライメントマーク３で凹レンズ作用を受け、第１
検出部１１面上に集光している。

又、（０，−１，１）次光の光束７′はマスク１面を０
次透過（回折）したのち、ウェハ２面上のアライメント
マーク３で１次反射回折し、凸レンズ作用をうけ、更に
マスク面１上のアライメントマーク５で１次透過回折し
、凹レンズ作用をうけたのち検出部１１面上に到達して
いる。

検出部１１面では、この光束の入射位置の変動量かアラ
イメントマーク５．３のＸ方向における位置ずれ量、即
ち軸ずれ量に対応し、かつその量が拡大された状態とな
って入射する。この結果、入射光束の重心位置の変動が
検出部１１で検出される。

本実施例ではマスク１とウェハ２の位置ずれが０のとき
、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウェハ２上
のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、光束
７の主光線のウェハ２からの出射角が１３度、又このと
きの出射光のウェハ２面上への射影成分がスクライブラ
イン幅方向（Ｘ方向）と直交した所定位置、例えばウェ
ハ２面から１８．６５７ｍｍの高さに位置している検出
部１１面上に集光するように設定している。

又、光束８はアライメントマーク６で透過回折し、ウェ
ハ２面上のアライメントマーク４で結像点でのスポット
位置を光束７と異なる方向に移動せしめ、且つ出射角７
度でこれも位置すれが０のとき光束８と異なり、ウェハ
２面への射影成分がスクライブライン幅方向と直交する
ように出射し、第２検出部１２面上に集光している。

以上のようにアライメントマークのレンズパラメータを
設定した上で本実施例では検出部１１面上での光束７の
重心位置と検出部１２面上での光束８と重心位置との間
隔のＸ方向成分（Ｘ方向に沿った間隔）を検出する。マ
スクに対しウェハかΔσだけ位置ずれを発生すればマス
クとウェハ間隔をｇ、ウェハと受光面との間隔をＬとし
て各光束重心の変位量Ｓ、、Ｓ２は定量的に と表わせ、ずれ倍率としてβ２＝Ｓ２／Δσ、β２＝Ｓ
２／Δσと定義てきる。

航速のように信−リ光束は同じ位置ずれ量Δσに対し互
いに逆方向に変位するので位置ずれ量Δδに対する光束
７，８のＸ方向に沿った間隔の変化量ΔＤは以ドの式で
表わされる。

ΔＤ−（β、−β２）・Δ０ 位置ずれ量の検出は以下のように１ノで行う。

マスクとウェハのＸ方向位置すれ量が、０のときの両重
心位置のＸ方向に沿った間隔りを予め設田値から朋党で
、あるいはため１ノ焼等により求めておく。そしてマス
クとウニへ間のＸ方向の相対位置すれ検出時に両重心位
置のＸ方向に沿った間隔のＤからのずれ椴ΔＤを検出し
、該ずれ量ΔＤからマスクとウェハのＸ方向の相対位置
ずれ量Δ０を計算する。

次に第１図に示すようにアライメントマークに投射する
光束のアライメントマーク面法線に対する投射角度と、
第１．第２物体間の位置ずれ量△σに対応する検出面子
の光束入射位置について説明する。

今、第１物体１−の第１のアライメン１〜マーク５の中
心位置（光軸位置）を（Ｘｙａ＋　＋　’ＩＭ。

Ｏ）と１ノ、アライメントマーク５にＸＺ面内で角度θ
て入射した平行光束の結像点位置を（ｘＭ　Ｉ　＋ｙＭ
ａｌ　　Ｚ　Ｍｌ）とおくとＺＭＩ−ｆｌ　となる。

方、第２物体上のアライメントマーク３の位置すれ量が
０のときの中心位置（光軸位置）を（Ｘい＋、ｙｗ＋、
　　ｇ）とし、アライメンＩ・マーク３は（ＸＭ＋、　
’／ｙ＋、　　　ｆ　＋　）にある。

点光源を位置ずれ量が零のとき（Ｘｓｌ、　ｙｓ＋＋２
９、）の位置に結像するように設言１されているも】　
９ のとする。同様にして第工物体面七のアライメントマー
ク６の中心位置（光軸位置）を（Ｘｙｏ２ｙＭｏ２．Ｏ
）とし、アライメン１〜マーク５と同様に結像点位置を
（ＸＭ２＋　’Ｉ　Ｍ２＋　　　’　３　）とおくこと
ができる。またアライメントマーク４の位置ずれ量が０
０ときの中心位置（光軸位置）を（Ｘいｗ、’Ｊｗ２．
　　　ｇ）とし、アライメン１〜マーク４ば（ｘＭ２．
　ｙＭ２．　　　ｆ３）にある点光源を位置ずれ微か零
のとき（Ｘ　Ｓ２＋　３／　Ｓ２＋　Ｚ　Ｓ２）の位置
に結像するように設計されているものとする。又マスク
面子から検出面までの距離をＩ、′とする。

以上のパラメータ設定のもとて第１信号光を形成する（
ｉ、−１，、ｏ）次光の光束７とそれ以外の（０，−１
，１）次光の光束７′の第１物体に対する第２物体の位
置すれ量Δσに対応する検出部面上の光束重心位置の変
化量をそれぞれＳ＋＋Ｓ２Ｉとすると 十　　ＸＭＯＩ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　・・　・・　・・　・・　（２）となる。

同様にして（−１，、ｉ、、ｏ）次光の光束８とそれ以
外の（０，１，、、−１）次光の光束８′の検出部面ト
の光束重心位置の変化量をそれぞれＳ１２゜Ｓ２２とす
ると 十　　ＸＭＯ２・・　・・　・・　・・　（４）更にレ
ンズの結像特性の一般的関係からｘｈｔＯ；　＝　ｘＭ
ｉ　”　ｆ２Ｂ−１１’、ａｎθ　（ｉ＝］、２）　”
　・・（５）またＸ　Ｍｉ、　Ｘ　ｗｉばそれぞれ第１
物体面上のアライメントマークと第２物体面Ｉ−のアラ
イメントマークの主光線に関する偏向角、およびそれぞ
れの焦点距離で決まる量で である。ここてζ、＝θ−φＪ　（ｊ＝ｔ、４）は各ア
ライメントマークの入射角θに対する偏向角となる。

今、第１物体面上のアライメントマーク設定領域の中心
を原点としアライメントマーク面内において位置すれ量
の検出方向をＸ軸、またその直交方向をｙ軸とし、アラ
イメントマーク面法線方向にＺ軸をとる。

検出部は上記ｘｙｚ直交座標系において受光領域の中心
が（Ｘｓ　、’／Ｓ、Ｚｓ　）で表わされ、また受光領
域は矩形でそのサイズがＸ方向にｄ３、その直交方向に
ｄ２とする。

いま（０，−１，１）次光の光束７′と（０゜１、−１
）次光の光束８′に着目し、（２）、（４）式に（５）
式を代入すると ＋　　ｘＭ、　　＋　　ｆ、　　ｔａｎθ・・（２） ”　　ＸＭ２　　”　　ｆ３　　ｔａｎθ・・（４） このとき３２１１５２２が位置ずれ量の検出範囲Ｃ１≦
八〇≦６２　　（６１＋　６２はｄｌの長さの検出部で
検出可能な位置ずれ量の上限と下限）において となるようにパラメータの設定を行えば受光領域−Ｆに
（０，−１，１）次光の光束７′及び（０゜１、−１）
次の光束８′が６１≦Δσ≦６２の範囲で到達しない。

本実施例では該ε１．ε２の値前述のような値となるよ
うにして前記問題点を解決している。

本実施例においてＸ８−０とし位置ずれ検出倍率を変え
ることなく　、　（７）式を満たすようにアライメント
マークへの光束の投射角θおよび各アライメントマーク
の光束偏向角ζ８．Ｃ２，Ｃ３゜Ｃ４（即ちｘＭＩ、　
ｘＭ２．　ｘｗ、、　ｘｗ２）を適切に設定する。

ここで第２物体面上のアライメントマーク中心から検出
部受光領域の中心までの距離Ｌ　＝　１８．６５７ｍｍ
、また第１物体面上のアライメントマーク中心から検出
部受光領域の中心まての距離Ｌ’−１８，６２８＋＋＋
ｎ＋、第１．第２物体間の間隔ｇを３０．０μｍとし、
更に（］）　、　（３）式で与えられる（１゜１．０）
次光及び（−１，１，０）次光の位置ずれ検出感度β６
．β２がそれぞれ＋２００倍、＝２００倍となるように
マスク面上のアライメントマーク５，６の焦点距離ｆ＋
、ｆ３を設定すると、ｆ、　＝１２２．８２０９μｍ、
　　ｆ３＝−６３，７５３８μｍとなる。

また（１．−１．Ｏ）次光及び（−ｉ、ｉｏ）次光が検
出部面上で結像する為の条件式以上の数値を　（２）　
′、　（４）　’式に代入すると、５２１＝　−１５２
，２３（Ｘｗ＋＋　−ＸＭＩ＋　３０．４８ｊ：ａｎθ
＋Δσ）＋　ｘＭ、　＋　１２２．８２　ｔａｎθ５２
２＝　　１４９．９４（Ｘｗｚ　−ＸＭ２”　３０．４
７１’、ａｎθ＋Δσ）＋　ｘＭ２−６３．７５　ｔａ
ｎθ いま、位置すれ計測レンジ（Ｃ＋から６２まての範囲）
を−３，０〈Δσ＜３．０　　（μｍ）、検出部サイズ
なｄ、＝４０ｍｍ、ｄ２＝０．４８ｍｍとする。本実施
例では（７）式を考慮して よりｆ２．ｆ、はそれぞれｆ　２＝　−９２，３８１ｐ
　ｍ、ｆ　、＋　＝　９４．２２７３　ｐ　ｍとなる。

とした。またこのときＳ　ＩＩ＋　　３１２はＳ１１　
　＝　　−２００，０（Ｘｗｌ−ＸＭ＋＋　６）　　”
　　ＸＭＳ１２　＝　　２００．０（Ｘｗ２−ＸＭ２”
　Ｃ）　＋　Ｘ）４２となり（１，、−１，Ｏ）次光、
（−１，１，Ｏ）次光が検出部に受光される条件として
−３，０≦Δσ≦３．０で を満たすようにＸＭｌ＋　ＸＭ２．　Ｘｗ＋＋　ｘＷ２
か設定される。

木実施例では　（７）′式又は（７）”式および（８）
式を満たすようにθ＝３０°、Ｘｗｌ−１，０，０μｍ
１　ｘＭ、＝５．０μｍ、ｘｗ２＝０．０μｍ。

ｘＭ２−−５．０μｍとした。

このときＳ２１．Ｓ２２は Ｓ２１　（６）−１５２，２３ｃ−２６０１，２２（１
１ｍ）　　（９−１）５２２（６）＝　１４９．９４６
＋２５９５．９２　　（μｍ）　　（９−２）−３，０
＜Δσ〈３．０では ３０６７．９１＜　３２１＜　−２］５４．５３．２１
４６．１　　＜５２２＜　　３０４５．７４となり、　
（７）′式を満たす。

このときＳＩ　Ｉ＋　　Ｓ　（２はそれぞれＳ、、（ｃ
）＝　−２００，０ε−９９５（μｍ）　　（９−３）
Ｓ１２（６）＝　　　２００．０　６　＋　　９９５　
　　　　　　（ｐ　ｍ）　　　　（９−４）となり、（
８）式を満たす。

以」二木実ｈ＆例では光束検出領域に対しく０゜−１，
１）次光あるいは（０，１，−１）次光が入らないよう
にしているが、（１，−１，Ｏ）次光と、（０，−１，
１）次光、（−＋、、、ｉ、ｏ）次兄と（０，１，−１
）次光が検出部面上で位置すれ検出範囲内で前述のよう
に常に一定距離以上重心位置を相対的に離間させること
もθ、Ｘ７１゜ＸＭＩなどの適切な設定を行うことによ
り可能である。

即ち第１信号光については（１，−１，０）次兄の光束
７と（０，−１，１）次兄の光束７′の検出部面上の相
対重心距離ｌ、は ｆ！、、＝Ｓ、エ　−　８２１ ここに となり、上記１１が６１≦Δσ≦６２の位置ずれ計測レ
ンジにおいて常に ℃、≧　、９．ｎ１ｎ（＞Ｏ）　　　　　　　（９−７
）を満たすようにパラメータｆ、、ｆ２．Ｌ。

Ｌ′＋　ＸＭｏ１　＋　ＸＭＩ＋　θを設定する。ｆｌ
　ｍｉｎは２つの光束７．７′が検出部面上で接近しつ
る相対重心距離の許容最小値であり、検出部面上でのそ
れぞれの光束の１／ｅ２光束系（スポット径）をα１．
α２とするとα１．α２はＬとＸ方向マークサイズから
定まり、２つの光束の分離条件はＪ２ｍｉｎ＝γ（α１
＋α２　）　　　　　　　（９−８）γはγ〉１．０な
る定数で一般的にγ≧２．０であることが望ましい。即
ちスポット径の４倍以上離れていることが望ましい。第
２信号光についても上記と同様に設定する必要がある。

以上のように設定することにより、例えば（１，、−１
，０）次兄の光強度分布の重心位置のみを検出すること
ができる。

即ち（１，−１，Ｏ）次兄のピーク強度点を中心として
例えばピーク強度の１／ｅ２となる範囲の光強度分布の
重心位置の検出が可能となるように電荷蓄積型センサ（
ＣＣＤなど）を用い信号処理を行なえばよい。

より具体的なパラメータ設定法としては例えば第１信号
光と第２信号光のそれぞれ（１，−１０）次光と（−１
，１，Ｏ）次光のみを重心検出処理する場合、位置ずれ
量Δ０に対応して検出部面上で着目する２光束の相対重
心距離ρはＪ２＝　　５ｌｌ−５１２ ＋　　ＸＭ 　　ＸＭ２ （９−１，０） となり、位置ずれ量Δσに対する総合検出感度βは となる。

従って先ず総合検出感度が所定値（例えば２００倍）β
。どなるようにパラメータ設定の条件式、即ち を与えたのち、（９−１２）式の条件下で第１信号光に
ついては（９−５）〜（９−８）式を満たすように、更
に第２信号光についても同様に（−１，１，０）次光の
光束８と（０，１，−１）次光の光束８′の検出部面上
相対重心路１１ρ２が満たすべき条件、即ち下記の（９
−１３）〜（９−１５）式１式％） を満たすようにパラメータを設定する。

以上のように（９−５）〜（９−８）　、（９−１２）
〜（９−１５）の計８式が連立するようにパラメータｆ
１ｆ２　＋　ｆ３　＋　ｆ４　＋　Ｌ＋　Ｌ′＋　ＸＭ
ＯＩ　＋　ｘＭＩ＋ｘＭＯ２＋　ＸＭ２＋　θを設定す
る。未知数１１に対して連立条件式の数（不等式も含め
て）８であるから解は一意的に定まらず、例えばｆ、、
ｆ３゜Ｌ′を与えて数値解を求める等の手順をとる。

第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシミテイ型
半導体製造装置に適用した際の装置周辺部分の構成図を
示すものである。第２図に示さなかった要素として光源
１３、コリメーターレンズ系（又はビーム径変換レンズ
）１４、投射光束折り曲げミラー１５、ピックアップ筐
体（アライメントヘット筐体）１６、ウェハステージ１
７、位置すれ信号処理部１８、ウェハステージ駆動制御
部１９等である。Ｅは露光光束幅を示す。

本実施例においても第１物体としてのマスク１と第２物
体としてのウェハ２の相対位置ずれ量の検出は第１実施
例で説明したのと同様にして行われる。

尚、本実施例において位置合わせな行う手順としては、
例えば次の方法を採ることができる。

第１の方法としては２つの物体間の位置ずれ量Δσに対
する検出部１１．１２の検出面１１ａ。

１２ｂ上での光束重心ずれ量Δδの信号を得、信号処理
部１８で重心ずれ信号から双方の物体間との位置ずれ量
Δσを求め、そのときの位置ずれ量Δσに相当する量だ
けステージ駆動制御部１９でウェハステージ１７を移動
させる。

第２の方法としては検出部１１．１２からの信号から位
置ずれ量Δσを打ち消す方向を信号処理部１８で求め、
その方向にステージ駆動制御部１９でウェハステージ１
７を移動させて位置ずれ量Δσが許容範囲内になるまで
繰り返して行う。

以上の位置合わせ手順のフローチャートを、それぞれ第
３図（Ｂ）、（Ｃ）に示す。

本実施例では第３図（Ａ）より分かるように光源１３か
らの光束は露光光束の外側よりアライメントマーク５，
６に入射し、アライメントマーク３．４から露光光束の
外側に出射する回折光を露光光束外に設けられた検出部
１１．１２で受光して入射光束の位置検出を行フている
。

このような構成でピックアップ筺体１６は露光中退避動
作を必要としない系も具現化できる。

本発明の第２実施例としては、例えば（１）。

（２）　′、　（３）　、　（４）　’式で示される（
ｉ、−ｔ、ｏ）次光、（−ｊ、１．Ｏ）次光、（０，−
１，１）次光、（０，１，−１）次光の検出部面上の入
射位置の式より、アライメント用の信号光として（０，
−１，１）次光又は（０，１，−１）次光のみを検出部
で受光するように検出部配置やサイズ等の各要素を決め
ている。

以上の説明では装置に関する構成は基本的に第２図と同
様であるので省略する。

本実７Ｉｈ例では簡単のためにアライメン１〜マークへ
のｘｚ面内での光束の入射角度θ及び各アライメントマ
ークの偏心パラメータｘＭ□＋ＸＭ２ＸＷ１．　ＸＷ２
等の値は第１実施例と共通とし、検出部配置やサイズ等
が異なるものとする。

このとき（９−］）〜（９−４）式より、（ｏ、−１１
）次光あるいは（０，ｉ、−１，）次光のみを受光する
ために検出部中心座標（ＸＳ＋　’Ｊ　Ｓ　＋ＺＳ）を ＸＳ＝　（５２１（０）　＋　ｓ、（ｏ）　）　／　２
とし、ｙｓ、Ｚｓは第１実施例と共通とした。

また受光領域のサイズは−３０〈Δσ＜３．Ｏ（μｍ）
の位置ずれ検出レンジにおいてＳ２１　＋　３２２のと
りつる値を考慮してＸ方向に１．８８ｍｍとした。

以１＝の条件のもとては検出部は（ｏ、−ｉ。

Ｊ）次光あるいは（０，１，−１，）次光のみ受光しく
１．−１．０）次兄あるいは（−１，１゜０）次兄の影
響を受けずに安定した位置ずれ星の検出かり能となった
。

本発明の第３実施例としてはマスク向上のアライメント
マークでｍ次透過回折し、史にウェハ面上のアライメン
トマークでｎ次反射回折したのち再ひマスク面上、のア
ライメントマークで℃次透過回折した光束を利用する場
合、即ち（ｍ、ｎ。

Ｉｌ）次光を位置ずれ信号光として利用する構成が適用
できる。

アライメン１〜マークどしてはシリンＩくリカルパワー
を発生する１次元又は２次元のクレーティングレンズを
考え、レンズパワーの発生する方向をｙ軸にとる。アラ
イメントマーク面内でｘ　＋！ｉｎ＋と直交し、アライ
メントマークの中心を通る軸をｙ軸とする。またｙ軸は
ｙ軸、ｙ軸に直交する軸である。

いま、ｙｚ面内で光束を角度０で入射させる場合（ｍ、
ｎ、、９）次兄がマスク面から最終的に射出する角度を
ζユとすると角度ζユは のないｙｚ面内のそれぞれマスク、ウェハ而Ｉ−のアラ
イメントマークのピッチ、λは波長を示す。

（１０）式より位置ずれ信号となる検出部に同時に入射
する光束は を満たずような回折次数の組合せに対応する光束、即ち
マスク面一１１−のグレーティングレンズでｍ次透過し
、再び（１０）　’式を満たすような℃をとる１次透過
回折する光束かまず対応する。位置ずれ信号となる光束
としてはｎ≠０かっｍまたは１の少なくとも一方は０で
ないことがグレーティングレンズを用いた位置すれ量を
拡大検出する為の必要条件である。

いまｊ次回掛売に対応するマスクドのアライメントマー
クの焦点距離をｆ、Ｍとおき、同様にｊ次回掛売に対応
するウニへ面子のアライメン１〜マクの焦点距離をｆｌ
ｗとおくと（ｍ、ｎ、ｕ）次兄の検出部面上ての位置す
れ検出倍率βは（ｍ。

ｎ、ｎ）次兄の実効重心位置より、 ここにＬｌば で与えられ、Ｌ２はマスク面上のアライメントマークの
中心から検出部の中心までの距離である。

このとき（ｍ、ｎ、ｆｆ１）次兄の検出部面上の入射位
置Ｓは第１実施例と同様に、ｘｚ面内の光束の入射角θ
および各クレーティングレンズのＸ方向中心位置ｘＭ　
Ｏ＋　Ｘ　ｏを用いて次式にょうに表わされる。

いま（ｍ、ｎ、、ｃ）次光が検出部面上で結像している
とするとＬ２は より与えられる。

またｆｆ！Ｍ、（ｆ♂）はマスク面」二のアライメント
マークの＋１次回折光に対応する焦点距離なｆ、Ｍとお
くと一般に ｆＱＭ＝　ｆ、Ｍ／　！　　　　　　　　　　・・・・
（１３）となる。一方、ｍ′≠ｍ又はｎ′≠ｎ又はに′
≠ｌなる（ｍ′、ｎ′、、９′）次光の結像面位置が最
終マスク面からし２　′の距離にあるとすると本実施例
では次の条件（１４）式を満たす。

（ｍ　　、ｎ′、ｕ’）次光、即ち検出部面上で（ｍ、
ｎ、、ｆｆ１）次光と強度が同程度となる光束が検出部
面上受光領域に到達しないように検出部を含む光学配置
を決定したものである。

（１４）式は（ｍ、ｎ、ｕ）次光の集光点位置までの距
離（最終瞳中心からはかった距離）Ｌ２に対して（ｍ　
　、ｎ′、ｕ′）次光の集光点位置までの距離Ｌ２　′
がＬ２と同程度であることを示し、従って強度集中も同
程度であることを示す。ここでＬ２′は で与えられる。（１３）式を用いると上式は、ｆ、Ｍ ｋ　′ （１５−１）　′ ′式で与えられる距１１１１Ｌ２′と 次光の最終面からの結像面までの （１４）式を満たすような回折次数 ｘ′）を条件式（１０）　′式のもとに次に（１５−１
） （ｍ、　　ｎ、　　ｕ） 距ｍｔ　Ｌ　２とが （ｍ′、ｎ 求める。

即ちｎ に代入し、ｍ′について整理すると ｎ、　　ｍ＋ｊ２＝ｍ　　′　＋Ｊ２ ′を（１５１）　′ 次回掛売の像面位置Ｌ２と（ｍ　　、ｎ　　、１１′）
次回掛売の像面位置し２　′との比（との差ｄ−Ｌ２　
　Ｌ２　　′ｌ）が（１４）式を満たすような（ｍ′、
ｎ′、ｕ′）の値の組に対して（１１）式に基づいて両
光束入射位置を計算する。そして検出部面上の両光束の
入射位置間隔が少なくとも（９−８）式を満たすか又は
（７）式と同様に（ｍｎ　、ρ′）次光が検出部面上の
受光領域に到達しない条件、即ち 方 （１５−］）″ を満たすように投光角度θ、各焦点距離、検出部設定位
置を決めれば良い。

即ち（ｍ、ｎ、ｕ）次光の検出部面上のＸ方向入射位置
Ｓは（１）式より （１５−］）” 本実施例においては所定のｆ、、ｆ、８１ｇ及び回折次
数（ｍ、ｎ、ｕ）に対して（ｍ、ｎ、１）同様にして（
ｍ ρ′）次光の検出部 而−に入射位置Ｓ′は 但し、 従ってト式より定まる（ｍ、ｎ、ｕ）次光と（ｍ′、ｎ
　　、ｕ′）次光の検出部面上Ｘ方向相対重心距離１−
１ｓ−ｓ’ｌか（！］−８）式を満たす１　ｍｉｎを ℃≧！。１゜ なる関係を常に満たすようにパラメータの設定を行う。

具体的な手順は第１実施例の説明と同様である。

その結果一方の位置ずれ信号光束のみについて光束重心
位置を検知して、位置すれ量の計測な行うことができ、
検出部面トに到達する複数の光束間の光量比の変動に伴
う実効位置ずれ検出感度の変動なとの誤差要因を除去す
ることができる。

尚、上述の各実施例では２つの検出部での重心位置のＸ
方向に沿った間隔の変化量がマスクとウニへ間のＸ方向
の相対位置ずれ量に比例することを利用し、この間隔の
変化量を検出する方式であったが、本発明はこれに限定
されるものではなく、例えば従来例のように１つの検出
部における重心位置の基準位置からのずれ量がマスクと
ウニへ間のＸ方向の相対位置ずれ量に比例することを利
用し、このすれ量を検出する方式にも同様に適用できる
ものである。

（発明の効果） 本発明によれば以十のように各要素を設定することによ
り、対象とする信号光である（ｍ。

ｎ、　ｆｌ、）次光に対してｍ′≠ｍ又はｎ′≠ｎ又は
１′≠℃としたとき検出誤差要因となる（ｍｎ′、ｆ！
、’）次光の影響を排除し、第１物体と第２物体との相
対的な位置ずれ量を高鯖度に検出することのできる位置
検出装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理及び構成要件等を示す説明図、第
２図は第１図の構成に基づく本発明の第１実施例の要部
斜視図、第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシ
ミティ型半導体製造装置に適用した要部概略図、第３図
（Ｂ）、（Ｃ）は第３図（Ａ）の計測制御のフローチャ
ート図、第４図は従来の位置検出装置の要部概略図、第
５図は（１，−１，０）次光と（０，−１，１）次光の
説明図である。 図中、１は第１物体（マスク）、２は第２物体（ウェハ
）、３，４，５．６は各々アライメンＩ・マーク、７．
８は各々第１．第２信号光束、９はウェハスクライブラ
イン、１０はマスクスクライブライン、１１．１２は検
出部、１３は光源、１４はコリメーターレンズ系、工５
はハーフミラ−５１６はアライメントヘッド筐体、１８
は信号処理部、１９はウェハステージ駆動制御部である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体面上に回折作用を有する第１アライメン
   トマークを、第２物体面上に回折作用を有する第２アラ
   イメントマークを各々形成し、投光手段からの光束のう
   ちｍ、ｎ、ｌを整数としたとき、該第１アライメントマ
   ークでｍ次の回折作用を受け、該第２アライメントマー
   クでｎ次の反射回折作用を受け、再び該第１アライメン
   トマークでｌ次の回折作用を受けた第１光束の所定平面
   上の集光位置が該第１物体と第２物体との相対位置ずれ
   量に対して所定倍率で変化するようにし、該第１光束の
   所定平面上への集光位置を検出手段により検出すること
   により、該第１物体と第２物体との相対的な位置ずれ量
   を検出する際、ｍ′、ｎ′、ｌ′をｍ′≠ｍ又はｎ′≠
   ｎ又はｌ′≠ｌなる整数としたとき、該第１アライメン
   トマークでｍ′次の回折作用を受け、該第２アライメン
   トマークでｎ′次の反射回折作用を受け、再び該第１ア
   ライメントマークでｌ′次の回折作用を受けた第２光束
   の該所定平面上への集光位置が、該所定平面での該第１
   光束又は第２光束のスポット径の２倍以上第１光束の集
   光位置から離れるように各要素を設定したことを特徴と
   する位置検出装置。