JPH04204309A - 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、例えば半導体素子製造用
のプロキシミテイタイプの露光装置において、マスク恰
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￥ｆＪ体面上に露光転写する際にマスクとウェハと
の相対的な位置決め（アライメント）を行う場合に好適
な位置検圧装置に関するものである。

（従来の技＃Ｔ） 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
な一要素となフている。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、マスク及びウェハ面
上に位置合わせ用の所謂アライメントバターンを設け、
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
イメントパターンの欠損に影響されずに比較的高積度の
アライメントが８来る特長かある。

第１２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。

同図において光ｆｉ７２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て集光点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及び支持台６２に載置したウェハ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。

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。

第１３図は第１２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。

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か回折し、
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面上のウェ
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
り後、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ゎす集光点７８ｂ
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。

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に応して集光点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。

従来はこのときのずれ量Δ０′を検出しマスク６８とウ
ェハ６０との位置合わせを行フてぃた。

（発明が解決しようとする課題） 一般に半導体素子製造装置におけるマスクとウェハの如
く略々平行に対面する第１物体及び第２物体の一方向成
分の相対的なずれ量を検出する位置検出装置では、前記
第１物体面及び第２物体面の各々の２種類の物理光学素
子を設け、これらのうち一方の物体面にある各々２種類
の物理光学素子に投光手段により光を照射させた際に生
じる回折光を他方の物体面上にある各々２種類の物理光
学素子に入射させ、該他方の物体面上の２種類の物理光
学素子により生しる２組の回折光束のスポットを１次元
のラインセンサー上に形成し、この２つの光束のスポッ
ト位置間隔をラインセンサーで求めることより前記第１
物体と第２物体の相対位置ずれを求めていた。

今、このような位置検出装置において、第１物体と第２
物体との位置合わせが完了しているときの所定面（セン
サー面）上における２つの回折光束が一定の位置間隔よ
り成っているとする。これより双方が相対的に位置ずれ
を起こし、このときの位置ずれ量か順次増加していくと
、それに従って２つの回折光束の所定面上における位置
間隔は狭くなり、ついに一致し、その後分離していくよ
うになる場合かある。

この為、第１物体と第２物体との位置合わせか完了した
ときの２つの回折光束の所定面上における位置間隔と双
方が大きく位置ずれを起こしたときの２つの回折光束の
所定面上における位置間隔とか等しくなってくる場合が
ある。この結果、誤って位置検出かなされてしまうとい
う問題点かあった。

本発明は投光手段に該投光手段から一方の物体面上の２
つの物理光学素子を照射する際の照射光量比を調整する
調整手段を設け、該調整手段を利用することにより、２
つの回折光束の光路を判別し第１物体と第２物体との相
対的な位置検出を広範囲にわたり高精度に行うことがで
きる位置検出装置の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、第１物体と第２物体とを対向
させて相対的な位置検圧を行う際、該第１物体面上と該
第２物体面上に各々少なくとも２つの物理光学素子を形
成し、このうち一方の物体面上の２つの物理光学素子に
投光手段から光を入射させたときに生じる回折光を他方
の物体面上の２つの物理光学素子に入射させ、＃２つの
物理光学素子により回折され所定面上に生ずる２つの回
折パターンの光束位置を検出手段により検圧することに
より、該第１物体と該第２物体との相対的な位置検出を
行う際、該投光手段か該一方の物体面上の２つの物理光
学素子の各々に投光する光束の互いの光量の比を調整す
る調整手段を有することを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の位置検出装置に係る位置検出の際の原
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図のセンサー面上における２つの回折光束の入射状態
を示す説明図、第３図（＾）。

（Ｂ）は各々第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。

まず第１物体と第２物体の相対的位置検出方法について
説明する。図中、１は第１物体、２は第２物体であり、
第１〜第３図は第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。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つてあり
、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。

各アライメントマーク３，４，５．６は１次元又は２次
元のレンズ作用のある又はレンズ作用のない物理光学素
子の機能を有しており、パターン領域の４ケ所に各々設
けられている。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る。Ｌｌは入射光束である。

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。１１．１２は各々第１及び第２信
号光束を検圧する為の第１及び第２検出部である。第２
物体２から第１又は第２検出部１１゜１２までの光学的
な距離を説明の便宜上りとする。第１物体１と第２物体
２の距離をδ、アライメントマーク５及び６の焦点距離
を各々ｆ　ａｌ＋ｆａ２とし、第１物体ｌと第２物体２
の相対位置すれ量を６とし、そのときの第１．第２検出
部１１．１２の第１及び第２信号の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、符合
は図中に示す通りとする。

信号光束重心の変位量Ｓ１及びＳ２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と、検出部１１及び１２の受光
面との交点として近似的に幾何学により求められる。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、、Ｓ２は第１図より明らかの
よう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逆方向となる。

また定量的には Ｌ−ｆａ、＋δ ５１＝−□ε； ｆａ＋−δ と表わせ、ずれ倍率はβ＋　＝Ｓ＋　／ε、β２：Ｓ２
／εと定義できる。従って、すれ倍率を逆符合とすると
第１物体１と第２物体２のすれに対して光束７．８は検
出部１１．１２の受光面で逆方向に、具体的にはそれぞ
れ距＄ｓ、、Ｓまたけ変化する。

このうち、実用的に適切な構成条件の１つとして Ｌ）ｌ　　ｆ、１１ ｆ　ａ＋／　ｆ　ａ２＜　０ １　ｆａ、１　〉δ １ｆａ２１＞δ の条件がある。即ちアライメントマーク５．６の焦点比
＠ｆａ、、ｆ、２に対して検出部までの距離りを大きく
、且つ第１．第２物体１，２の間隔δを小さくし、更に
アライメントマークの一方を凸レンズ、他方を凹レンズ
とする構成である。更にレンズ使用について詳しく述へ
ると第１図の上側においては正のパワーをもつアライメ
ントマーク５に入射した光束を集光光束とし、その集光
点Ｆ１に至る前に負のパワーをもつアライメントマーク
３に光束を照射し、これを更に第１検出部１１に結像さ
せている。このときのアライメントマーク３の焦点比１
１　ｆ　ｂ　＋はレンズの式を満たすように定められる
。同様に第１図の下側においてはアライメントマーク６
により入射光束を入射側の点であるＦ２より発散する光
束に変え、これをアライメントマーク４を介して第２検
出部１２に結像させている。このときのアライメントマ
ーク４の焦点比１１ｆｂ２は を満たすように定められる。以上の構成条件でアライメ
ントマーク３、アライメントマーク５の集光像に対する
結像倍率は図より明らかに正の倍率であり、第２物体２
のずれ量εと第１検圧部１１の光点変位量Ｓ１の方向は
逆となり、先に定義したすれ倍率β１は負となる。同様
に負のパワーをもつアライメントマーク６の点像（虚像
）に対する正のパワーをもつアライメントマーク４の結
像倍率は負であり、第２物体２のずれ量εと第２検出部
１２上の光点変位量Ｓ２の方向は同方向で、ずれ倍率β
２は正となる。

従って第１物体１と第２物体２の相対ずれ量εに対して
アライメントマーク５，３の凸凹系とアライメントマー
ク６．４の凹凸系の信号光束ずれｉｓ、、ｓ２は互いに
逆方向となる。

即ち、第１図の配置において第１物体１を空間的に固定
し、第２物体２を図面下側に変位させた状態を考えると
合致状態の第１検出部１１及び第２検出部１２上のスポ
ット間隔が広がり、逆に図面上側に変位させると挟まる
ように変化する。

第２図はこのときの検出部１１．１２面上における２つ
の光束７．８のずれ量Ｓｌ、Ｓ２を第１物体１と第２物
体２との合致状態から単調にずらしていったときの様子
を示す模式図である。

同図において（Ａ）〜（Ｈ）は第１物体１と第２物体２
との相対ずれ量εを単調に変化させたときの各状態での
検出部１１．１２面上における２つの光束７，８の光量
分布の中心位置から所定位置までのずれ量Ｓ、、Ｓ２を
示している。第１物体１と第２物体２とが合致している
ときは同図（Ｃ）として示している。同図に示すように
２つの光束７．８の所定位置からのずれ量Ｓ、、Ｓ２は
合致状態（第２図（Ｃ））から外れるとき、ずれ量εが
ε〈０のときは２つの光束７．８は互いに離れていく。

これに対してずれ量εがε〉０のときは合致状態（第２
図（Ｃ））から外れるに従い、まず２つの光束７．８は
互いに接近し、ついには一致する（第２図（Ｅ））。そ
して更にずれ量εが増大すると今度は互いに離れていく
ようになる。

同図から明らかなように第１物体と第２物体のの合致状
態（第２図（Ｃ））と所定量すれたときの状態（第２図
（Ｇ））では２つの光束７．８は略等しくなっている。

この為、この２つの光束７，８の間隔を求めて第１物体
と第２物体との位置合わせを行うときずれ状態（第２図
（Ｇ））を合致状態と誤って検出してしまう場合かある
。

そこで本発明では後述するように２つの光束７．８間の
光量比を適切に変えることにより、第２図（Ｃ）と第２
図（Ｇ）とを区別し、ご検出を防止している。

次に本発明をプロキシミティ型半導体製造装置に通用し
た際の装置周辺部分を示す第３図（Ａ）、（Ｂ）の各構
成要素について説明する。

図中１３ａ、１３ｂは光源、１４ａ、１４ｂはコリメー
ターレンズ、１５はハーフミラ−等から成るカップラー
、１６はリレーレンズ系であり、これらの各要素は投光
手段３０１の一部を構成している。Ｍｌはミラーである
。

又１は第１物体で、例えばマスつてある。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。

各アライメントマーク５．６と３．４は例えば１次元あ
るいは２次元のフレネルゾーンプレート等のグレーティ
ングレンズより成り、それぞれマスク１面上とウェハ２
面上のスクライブライン１０，９上に設けられている。

７は第１光束、８は第２光束であり、これらの光束く信
号光束）７．８は光源１３ａ、１３ｂから出射した光束
のうち投光手段３０１により所定のビーム径にコリメー
トされ、ミラーＭ１で光路を曲げられてアライメントマ
ーク５（６）、３（４）を介した後の光束を示している
。

本実施例において、光源の種類としては半導体Ｌ／−ザ
−（ＬＤ）の場合を示したか、この他Ｈｅ−Ｎ、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、発光ダイオード等の非コヒーレント光束を放射する
光源、又はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ
）等の中間的特性を有する光源等でも良い。

又、第１検出部１１と第２検出部１２が本図では１つの
センサ（光電変換素子）２２てあり、光束７及び８を受
光する、例えば１次元ＣＣＤ等より成っている。

ここで投射光束は各々マスク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
、受光レンズ２１て集光されてセンサ２２の受光面上に
入射している。

モしてセンサ２２からの信号を受けた信号処理装置２３
て該センサ２２面上に入射したアライメント光束のセン
サ２２面内での重心位置を検出し、該センサ２２からの
圧力信号を利用して信号処理装置２３でマスク１とウェ
ハ２について位置ずれ検出を行っている。

ここで光束の重心とは光束断面内において、断面円各点
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
になる点のことであるが、別な例として光強度がピーク
となる点の位置を用いても良い。

次に本実施例のアライメントマーク３．４゜５．６の具
体的な数値例について説明する。

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）より成っている。

これらのマークの寸法は各々スクライブライン９及び１
０の方向に５０〜３００μｍ、スクライブライン幅方向
（ｙ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投射光束７，８はいずれもマスク１
に対して入射角的１７．５８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
入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射した投射光束７．８
は各々グレーティングレンズ５．６のレンズ作用を受け
て収束、又は発散光となり、マスク１からその主光線か
マスク１の法線に対して所定角度になるように出射して
いる。

そしてアライメントマーク５及び６を透過回折した光束
７と８は各々ウェハ面２の鉛直下方、鉛直上方の所定点
に集光点、発散原点をも・っ。このときのアライメント
マーク５と６の焦点距離は各々２１４．７２’３μｍ、
１５６．５７μｍである。又マスク１とウェハ２との間
隔は３０μｍである。第１信号光束７はアライメントマ
ーク５で透過回折し、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、センサ２２面上の一点に集
光している。このとき、センサ２２面上への光束がこの
光束の入射位置の変動量が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センサ２２で検出される
。

又、第２信号光束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
スポット位置を第１信号光束と異なる方向に移動せしめ
るように反射回折されてセンサ２２面上の一点に集光す
る。光束８も光束７同様、入射位置の変動量は軸ずれ量
に対応し、かつ拡大された状態になっている。

このとき、光束７．８の集光するセンサ２２の受光面の
位置をウニ゛ハ面から１８．６５７ｍｍあるいは受光レ
ンズ２１を介して、ここと等価な位置とすると、各々の
すれ倍率（＝センサスポン８間隔変化／マスク、ウェハ
のずれ量）の絶対値か１００倍で方向が逆方向に設定で
き合成で２００倍となる。これによりマスク１とウェハ
２かＸ方向にｏ、ｏｏｓμｍずれると、２つの光束の重
心位置間隔、即ちスポット間隔が１μｍ変化する。

このスポット間隔を検出してマスク１とウェハ２との位
置すれを検出する。このとき、センサ２２面のスポット
径はアライメントマークのレンズとしての有効径を２０
０μｍ程度で、光源として０．８μｍ帯の半導体レーザ
ーを用いたとすると、略々２００μｍ程度にそれぞれ設
定可能であり、通常の処理技術を用いてこれを判定する
ことは可能である。又第２図（Ｃ）に示す合致状態に於
ける２つのスポット間隔は、例えば１．５〜２．５ｍｍ
程度に設定しておくのが適当である。

本発明の如く２つの信号光束７．８を互いに逆方向に変
位させる構成に設定した際の効果として、第１物体１と
第２物体２の間隔δの設定精度を緩和しても、位置ずれ
量を算出する際に必要な各すれ倍率β、及びβ２が２つ
の光路で互いに補償関係となる点が挙げられる。

即ち、前述のレンズパラメータにおいて、第１物体１と
第２物体２の間隔δを３０μｍから３３μｍに広げた場
合に例を挙げると倍率β１は＝１００から−１０１，６
８４に、倍率β２は＋１００から＋９８．４６４へと変
化する。

従って、位置ずれ量を求める時に用いる総合倍率１βＩ
　１＋１β２１は２００から２００．１４８と変化した
こととなり、割合として０．０７４１％の倍率変化に低
減できる。これは１つ１つの信号が各々１．６８％と１
．５３％の変化を生じていることに対しては約１／２０
に抑えられていることとなり、これは間隔設定が困難な
系への応用時において、直接的には検出レンズを拡大す
る、あるいは検出精度を向上させる効果となる。

又、別の効果として第２物体２が傾斜することに起因す
る誤差を原理的に補償する点がある。

本実施例において第２物体としてのウェハ面２か第３図
（Ｂ）のｘｚ面内で１ｍｒａｄ傾斜したとすると、セン
サ２２上では第１信号光束７は約３７．３μｍ重心移動
を起こす。

一方、第２信号光束８も第１信号光束７との間でｙｚ面
と平行な対称面を有し、且つ光路長の等しい光路を通る
ようにし、センサ２２上ては第１信号光束７と全く等し
い重心移動を起こすようにしている。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、ウェハ面２かｙｚ面内
で傾斜してもセンサ系からの出力信号が変わらない。

一方、ウェハ面２がｙｚ面内で傾斜すると、２つの信号
光束７，８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
、２光束でなくても実効的なアライメント誤差にはなら
ない。

更にアライメントマーク用光源、及び投光用しンズ系及
びセンサなどを内蔵するアライメントヘッドが、マスク
−ウェハ系に対して位置の変動を起こした場合は１対１
に変化する。例えばアライメントヘットをマスクに対し
て５μｍｙ方向に移動したとすると、第１信号光束７は
せフサ１１上で５μｍの実効的重心移動を起こし、これ
に対して第２信号光東８もセンサ２２上で全く等しく５
μｍの重心移動を起こす。

従って、最終的なセンサ系からの圧力、即ち第１信号光
束７の重心位置出力と第２信号光束８の重心位置出力の
差信号は何ら変動しない。

本装置においては第３図（Ａ）に示すように四角形の回
路部分のパターンを取り包むスクライブラインｆａ上の
４箇所ｐ、、ｐ２．ｐ３．ｐ４に上述のアライメントマ
ーク３．４，５．６を、又この４箇所に対応する位置に
このマークに光束を投射し、マークからの光束を検出す
る為の前述の光学系をそれぞれ設定し、マスクとウェハ
の位置ずれ量として２次元的な横ずれ及び回転を求める
。このときのマークの配置を第３図（Ａ）に示す。本装
置を半導体露光装置に用いた場合は、これを補正した後
で露光することになる。

このとき、一般にウェハ２はオリエンテーションフラッ
ト２ａを設けており、これを用いて回転成分は最大誤差
３０″　　程度まで容易に補正できる為、概ね平行横ず
れ成分が主だったずれ成分となフている。

ところで前述したように第２図より明らかなように２つ
の光束のスポット間隔をもって相対ずれ量を検出する場
合には第２図（Ｅ）の状態を境に対称な挙動を示し、例
えば合致状態第２図（Ｃ）と大きくすれた状態である第
２図（Ｇ）とはこの一箇所の情報からは判別できない。

従フて、−数的には検出誤差が生じない第２図（Ａ）〜
（Ｅ）の信号が得られる位置ずれ範囲内にマスク及びウ
ェハを概ね設定することができる高鯖度な位置決め手段
（一般にこれを「プリアライメント手段」という。）が
必要となってくる。

これに対して本実施例ではこのような高鯖度′な位置決
め手段を用いずに広い範囲にわたって位置ずれ検出を可
能としている。

即ち、１つのラインセンサー面上に入射する２つの回折
光束の光路を判別する為に２つの光源１３ａ、１３ｂを
設けている。そして第４図に示すようにこれらの光源１
３ａ、１３ｂから射出した光束をコリメーターレンズ１
４ａ、１４ｂで平行光束とした後にカップラー（ハーフ
ミラ−）を介して合成し、第１物体面１上のアライメン
トマーク５は光ｆｉｌ　ｆ　３　ａからの光束で主に照
射し、又アライメントマーク６は光源１３ｂからの光束
で主に照射するようにしている。

そして例えば光源１３ｂを消し、光１ｉ　１３　ａから
の光束のみでアライメントマークを照射したとき、ライ
ンセンサー２２面上で信号を得る。このとき仮りにマス
ク１とウェハ２のずれ状態が第２図（Ａ）〜（Ｄ）の範
囲内のときは第５図に示すようにラインセンサー２２面
上の左側に入射する光束のスポットの方が右側に入射す
る光束のスポットに比べて大きなピーク値を持つ。これ
により光源１３ａ、１３ｂからの光束がラインセンサー
２２面上のどの画素に入射しているのか、即ち２つの光
束の光路を判別している。

本実施例では２つの光源１３ａ、１３ｂそしてハーフミ
ラ−１５は調整手段を構成している。

このように２つの光源１３ａ、１３ｂからの光束のライ
ンセンサー２２面への入射光路を判別することにより２
つの光束のラインセンサー２２面上におけるスポット間
隔が第２図（Ａ）〜（Ｈ）で示す範囲で変化してもマス
ク１とウェハ２との相対的ずれ量を誤りなく検出するこ
とができるようにしている。

又、本実施例のように２つの光束をラインセンサーに入
射し、このときのラインセンサーからの出力を利用して
２つの光束の光路を判別する場合、一方の光束によるス
ポットがラインセンサーで検出されない場合には、ライ
ンセンサーの中央部（第５図の点５０１）を境に左右ど
ちらの領域から信号が得られたかで判別するようにして
も良い。

尚、２光束を合成することにより、マスク１面上に照射
される光束は第４図に示すようにアライメントマーク５
，６上に照射される部分の光強度がアライメントマーク
５，６の長手方向（Ｘ方向）でほぼ均一になる。従って
、光束入射位置か多少図面上下方向（アライメント方向
、Ｘ方向）にずれることがあっても、光束のアライメン
トマークに照射される部分の光強度の対称性は実用上く
ずれることはない。従って、前述の光束ずれによる回折
光の変動、即ち検出誤差は信号光路（７，８）がアライ
メントマークにより定められる為、はとんど発生しない
。又、アライメントマークの周囲を照明する領域は照射
光束のスポット径を拡大して中心部の回折光変動の少な
い部分でアライメントマークを照射した場合に比べて充
分小さし）。従って１周囲部からの散乱光を含む外乱光
は少なくてすむ。

尚、本実施例において実際に第１物体と第２物体との位
置検出を行うときは２つの光束の光量比は略等しくなる
ように調整している。以下の各実施例においても同様で
ある。

第６．第７図は本発明に係る投光手段３０１の第２．第
３実施例の要部概略図である。同図（Ａ）は斜視図、同
図（Ｂ）は要部断面図である。

第２．第３実施例では偏光ビームスプリッタ−１７と１
／２波長板１８とから成る調整手段を用いて光源１３ａ
、１３ｂから射出した光束を合成し、かつ各光束間に所
定の光量比を与えて射出させることができるようにして
いる。

第２．第３実施例では第１実施例に比べてハーフミラ−
を用いていないので光束の損失がないという特長を有し
ている。

即ち、一般に半導体レーザの偏波面がファーフィールド
パターンでの短軸方向であることと、偏光ビームスプリ
ッタ−の特性上Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射すること
を利用し、半導体レーザの活性層の向きと２分の１波長
板の位置を第６図あるいは第７図のように選択し、ファ
ーフィールドの長袖側及び短軸側をエネルギー損失を件
なわずに設定できる。又、２光束合成後の光路で反射側
のｌを主光線とする光束はＳ偏光であり、透過側の２′
を主光線とする光束はＰ偏光である為、ともに円偏光化
するために、４分の１波長板１９を設置している。これ
は位置合わせマークである物理光学素子の格子間隔が波
長近傍のものを含む場合、格子方向と偏波面の方向によ
り回折効率が異る特性を示す現象を回避したい場合に、
特に好ましい手段である。格子間隔が波長より充分長い
場合は４分の１波長板１９は設定しなくてよい。

第８図は本発明に係る投光手段３０１の第４実施例の要
部断面図である。本実施例では光源１３ａ、１３ｂから
の光束を一部に全反射面２０ａを設け、それ以外は透過
面とした部分反射鏡２０とリレー系１６から成る調整手
段とを用いて２つの光束を合成し、このとき２つの光束
間に所定の光量比を与えて射出させることができるよう
にしている。

尚、第２〜第４実施例において投射する各光束の主光線
はセンサー面の像サイズを大きくさせないため、はぼ平
行光束とすることが好ましい。

第９〜第１１図は本発明に係る投光手段３０１からの光
束の光路を示す第５〜第７実施例の要部断面図である。

第５〜第７実施例では１つの光源を用いて第１物体１面
上の２つのアライメントマーク５．６を照射する際の光
量比を調整することができる場合を示している。

第９図（Ａ）においては光源１３より出射した光束をレ
ンズ１４により点Ｐに１次結像し点Ｐからの光束を更に
レンズ１６により集光し、マスク１面上のアライメント
マーク５及び６を照射している。この時、マスク１面上
の光強度はアライメントマーク５及び６の境界近傍にピ
ークを有するガウシアンビームとなる様設定する。そし
て第９図（Ｂ）に示すように１次結像点Ｐ近傍に調整手
段としての遮光可能な部材（例えばナイフェツジ）を１
時的に光点を略々半分遮光する様移動する。この時第９
図（Ｂ）に示すように上側を遮光すると本実施例では点
Ｐを疑似的に光源とし、これをマスク１上に投影する系
としている為、下側（第９図（Ａ）ではアライメントマ
ーク６側）に光分布か移動し実効的にアライメントマー
ク５に対してアライメントマーク６を重点的に照射する
系か得られる。以下前述した手順によりラインセンサー
上の２つのスポットの軌路判定を行っている。

第１０図に示す第６実施例では第９図の第５実施例にお
いて機絨的に移動する遮光部材（ナイフェツジ）を用い
た代わりに液晶より成るシャッタ部材２５を１次結像面
Ｐ近傍に設けている。

これにより可動部材を用いずに光１！１３からの光束で
マスク１面上の２つのアライメントマーク５．６を照射
する際の光量比を調整している。

第１１図に示す第７実施例では光源１３より日射した光
束をコリメーターレンズ１４、リレーレンズ１５及び平
行平板２６を介してマスク１面上の２つのアライメント
マーク５，６を照射するか、通常のマスク１とウェハ２
との位置検出の際は第１１図（Ａ）に示すようにマスク
ｌ上のアライメントマーク５及び６の中央に光束を照射
する。

一方、２つの光束の光路判定の際は調整手段としての平
行平板２６を光軸に対して傾は照射光軸を平行シフトし
ている。これにより第１１図゛　（Ｂ）に示す状態とし
、アライメントマーク６に比べてアライメントマーク５
の側を重点的に照射するようにしている。

本実施例では原理的に明らかなように通常の位置検出の
際には第１１図（Ａ）において平行平板２６を除去し２
つの光束の光路判別時のみ第１１図（Ｂ）に示すように
平行平板を光路中に設定しても良い。

尚、以上の各実施例においてはマスク７１面上のアライ
メントマーク５，６を境界線を有するように近接配置し
ているが、投射光束が設定可能な範囲であれば双方を離
れた領域に設定しても良い。

（発明の効果） 本発明によれば投光手段からの光束てマスク面上の２つ
のアライメントマークを照射する際、２つのアライメン
トマークへの照射光量比を調整することかできる調整手
段を投光手段の一部に設けることにより、２つのアライ
メントマークからの回折光束の光路を特定することがで
きる為、マスクとウェハとの相対的位置すれを広範囲に
わたり高精度に検出することか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図は本発明の位置検出装置の位置検出の際の原理説
明図、第２図は第１図のラインセンサーからの出力信号
の説明図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の位置検出装
置の要部斜視図と一部分の拡大説明図、第４図は第１図
の一部分の拡大説明図、第５図は第４図のラインセンサ
ー面上への入射光束の説明図、第６図〜第１１図は本発
明に係る投光手段の第２〜第７実施例の要部概略図、第
１２．第１３図は従来の位置検出装置の概略図である。 図中、１は第１物体（マスク）、２は第２物体（ウェハ
）、３，４，５．６は各々物理光学素子（アライメント
マーク）、７．８は第１．第２信号光束、９，１０はス
クライブライン、１３゜１３ａ、１３ｂは光源、１４，
１４ａ、１４ｂはコリメーターレンズ、１５はハーフミ
ラ−１１６はリレーレンズ、１１．１２．２２はライン
センサー、１７は偏光ビームスプリッタ−１１８は１／
２波長板、１９は１／４波長板、２３は信号処理回路、
３０１は投光手段である。 −国 第　３　図（Ａ） 第３　図（Ｂ） 第５図 第　６　図（Ｂ） ハへ 第７　図（Ａ） 第　７　図（Ｂ） 〈− 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体と第２物体とを対向させて相対的な位置
   検出を行う際、該第１物体面上と該第２物体面上に各々
   少なくとも２つの物理光学素子を形成し、このうち一方
   の物体面上の２つの物理光学素子に投光手段から光を入
   射させたときに生じる回折光を他方の物体面上の２つの
   物理光学素子に入射させ、該２つの物理光学素子により
   回折され所定面上に生ずる２つの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検出を行う際、該投光手段
   が該一方の物体面上の２つの物理光学素子の各々に投光
   する光束の互いの光量の比を調整する調整手段を有する
   ことを特徴とする位置検出装置。