JPH042904A - Position detector - Google Patents

Position detector

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JPH042904A
JPH042904A JP2104905A JP10490590A JPH042904A JP H042904 A JPH042904 A JP H042904A JP 2104905 A JP2104905 A JP 2104905A JP 10490590 A JP10490590 A JP 10490590A JP H042904 A JPH042904 A JP H042904A
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alignment mark
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優和 真継
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Abstract

PURPOSE:To accurately detect a positional deviation by so setting elements such as physical optical elements of two alignment marks as to cross them at predetermined angle when main light rays are projected on an article. CONSTITUTION:A luminous flux emitted from a light source for emitting a luminous flux of irregular light intensity distribution is enlarged to a predetermined beam diameter through a projecting optical system to become substantially parallel beam to be incident obliquely on alignment marks 5, 6 on an article 1. Then, the fluxes diffracted on the marks 5, 6 are, for example, converged at convex power by the mark 5, dispersed at concave power by the mark 6, and then introduced to alignment marks 3, 4 on the article 2. Thereafter, the fluxes which are dispersed by the mark 3 and converged by the mark 4 become signal lights, 7, 8 which are emitted from the article 2, passed through the article 1, and introduced to detectors 11, 12 to detect positional deviations. Here, in the steps of allowing the fluxes 7, 8 to arrive at the detectors 11, 12, the projecting locuses on the article of the optical paths are crossed to accurately detect the positional deviations.

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、マスクやレヂクル(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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to a position detection device, and for example, in an exposure apparatus for manufacturing semiconductor devices, the present invention relates to a position detection device for detecting a position on a first object surface such as a mask or resicle (hereinafter referred to as “mask”). Suitable for determining the amount of relative positional deviation between the mask and wafer and aligning them when exposing and transferring a fine electronic circuit pattern formed on a wafer onto a second object surface such as a wafer. The present invention relates to a position detection device.

(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か
要求されている。
(Prior Art) Conventionally, in exposure apparatuses for semiconductor manufacturing, relative alignment between a mask and a wafer has been an important element for improving performance. Particularly in alignment in recent exposure apparatuses, alignment accuracy of, for example, submicron or less is required due to the high integration of semiconductor devices.

多くの位置検出装置においては、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
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。
In many position detection devices, so-called alignment marks for positioning are provided on the mask and the eight faces of the sea urchin, and position information obtained from these marks is used to perform alignment of both. As an alignment method at this time, for example, detecting the amount of deviation between both alignment marks by performing image processing, or using U.S. Patent No. 4037
No. 969, U.S. Patent No. 4,514,858, and JP-A-56-
As proposed in Japanese Patent No. 157033, a zone plate is used as an alignment mark, a light beam is irradiated onto the zone plate, and the position of a converging point on a predetermined plane of the light beam emitted from the zone plate is detected at this time. Is going.

般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、単
なるアライメントマークを用いた方法に比へてアライメ
ントマークの欠損に影晋されすに比較的高精度のアライ
メントが出来る特長がある。
In general, an alignment method using a zone plate has the advantage that compared to a method using a simple alignment mark, alignment can be performed with relatively high precision without being affected by defects in the alignment mark.

第11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。
FIG. 11 is a schematic diagram of a conventional position detection device using zone play 1.

同図においてマスクMはメンブレン117に取り付けて
あり、それをアライナ−本体115にマスクチャック1
16を介して支持している。本体115上部にアライメ
ントヘッド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グアライメン1〜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。
In the figure, a mask M is attached to a membrane 117, and is attached to a mask chuck 1 on an aligner body 115.
16. An alignment head 114 is arranged above the main body 115. In order to align the mask M and the wafer W, mask alignment marks 1 to MM and wafer alignment marks WM are printed on the mask M and the wafer W, respectively.

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。マスクアライメン
トマーク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。
The light beam emitted from the light source 110 is turned into parallel light by the projection lens system 111, passes through the half mirror 112, and enters the mask alignment mark MM. The mask alignment mark MM is composed of a transmission type zone plate, and the incident light beam is diffracted, and the +1st-order diffracted light is subjected to a convex lens action to converge on a point Q.

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
119上へ結像する凸面鏡の作用(発散作用)を持って
いる。
Further, the wafer alignment mark WM has the function of a convex mirror (divergent function) that reflects and diffracts the light condensed to the point Q by the reflective zone plate and forms an image on the detection surface 119.

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。
At this time, when the signal light flux that has undergone the 11th-order reflection and diffraction action at the wafer alignment mark WM passes through the mask alignment mark MM, it is transmitted as 0-order light without being subjected to lens action, and is condensed onto the detection surface 119. It is something that comes.

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119上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119上のずれ量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119上のずれ量Δδ
Wを検出することによりマスクMとウェハWとの相対的
な位置ずれ量ΔσWを検出している。
In the position detection device shown in the figure, when the wafer W is misaligned by a predetermined amount relative to the mask M, the incident position of the light beam incident on the detection surface 119 (the amount of light (center of gravity) shifts. There is a certain relationship between the displacement amount ΔδW on the detection surface 119 and the position displacement amount ΔσW at this time, and the displacement amount ΔδW on the detection surface 119 at this time
By detecting W, the relative positional deviation amount ΔσW between the mask M and the wafer W is detected.

(発明が解決しようとする問題点) しかしながら従来の位置検出装置においては位置合わせ
を行う為に対向配置した2つの物体間に予め設定された
値から外れて間隔が変動する場合がある。この場合、そ
の変動に伴い位置ずれ量ΔσWに対する検出面上での光
束の入射位置のずれ量ΔδWとの比ΔδW/ΔσWであ
る位置すれ検出倍率も変動し、位置すれ量の検出誤差と
なってくるという問題点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in the conventional position detecting device, the distance between two objects placed facing each other in order to perform alignment may vary from a preset value. In this case, along with this variation, the positional deviation detection magnification, which is the ratio ΔδW/ΔσW of the deviation amount ΔδW of the incident position of the light beam on the detection surface to the positional deviation amount ΔσW, also changes, resulting in a detection error of the positional deviation amount. There was a problem with the

又、光源や該光源からの光束をマスク面上に導光する為
の投光光学系或は信号光を受光する為の受光系等を内蔵
するアライメントヘッドがアライメントマークに対して
相対的に位置変動を起こすと、検出部の検出面上への光
束の入射位置も変動し、結果的に位置すれ量ΔδWの検
出誤差となってくるという問題点があった。
In addition, the alignment head, which has a built-in light source, a light projecting optical system for guiding the light beam from the light source onto the mask surface, a light receiving system for receiving signal light, etc., is positioned relative to the alignment mark. When the fluctuation occurs, the incident position of the light beam onto the detection surface of the detection section also fluctuates, resulting in a problem in that a detection error of the positional deviation amount ΔδW occurs.

本発明は位置合わせをすべき第1物体と第2物体の2つ
の物体間に予め設定した値から外れて間隔の変動があっ
ても、又アライメントヘットがアライメントマークに対
して相対的に位置変動しても第1物体と第2物体面上に
設けるアライメントマークの形状や投光光束のアライメ
ントマークへの入射角等の各要素を適切に設定すること
によリ、2つの物体の相対的位置すれ量を精度良く検出
することのできる位置検出装置の提供を目的とする。
The present invention can be used even if there is a change in the distance between the first object and the second object to be aligned, which deviates from a preset value, or the position of the alignment head changes relative to the alignment mark. However, by appropriately setting each element such as the shape of the alignment mark provided on the first and second object planes and the angle of incidence of the emitted light beam onto the alignment mark, the relative position of the two objects can be determined. It is an object of the present invention to provide a position detection device that can accurately detect the amount of wear.

(問題点を解決するだめの手段) 本発明の位置検出装置は、少なくとも2つの物理光学素
子より成るアライメントマークを各々設けた第1物体と
第2物体とを対向配置し、不拘な光強度分布の光束を放
射する投光手段からの光束を、該第1物体と第2物体に
設けた各々のアライメントマークを介した後所定面上に
導光し、該所定面上における該光束の入射位置を検出手
段により検出することにより、該第1物体と第2物体と
の相対的な位置すれ量の検出を行う際、該第1物体と第
2物体のうち少なくとも一方の物体面上に設けた2つの
アライメントマークから射出する2つの光束の主光線の
光路が、該主光線を該物体面上に射影したとき互いに所
定の角度で交叉するように該2つのアライメントマーク
の物理光学素子等の各要素を設定したことを特徴として
いる。
(Means for Solving the Problems) The position detection device of the present invention has a first object and a second object each provided with an alignment mark made of at least two physical optical elements, which are disposed facing each other, and which have an unrestricted light intensity distribution. A light beam from a light projecting means that emits a light beam is guided onto a predetermined surface after passing through each alignment mark provided on the first object and the second object, and the incident position of the light beam on the predetermined surface is determined. When detecting the amount of relative positional misalignment between the first object and the second object by detecting with the detection means, a sensor provided on the object surface of at least one of the first object and the second object. Each of the physical optical elements of the two alignment marks is arranged so that the optical paths of the principal rays of the two light beams emitted from the two alignment marks intersect each other at a predetermined angle when the principal rays are projected onto the object surface. It is characterized by setting elements.

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
記アライメントマークA1に光束を入射させ、このとき
生し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。
That is, the present invention provides alignment marks for first and second signals that function as physical optical elements on the object plane A when the object plane A and the object plane B are a first object and a second object to be aligned. A1 and A2 are formed, and alignment marks B1 and B2 for first and second signals having a function as a physical optical element are also formed on the object plane B, and a light beam is made to enter the alignment mark A1. The diffracted light generated at this time is made incident on the alignment mark B1, and the center of gravity of the light beam within the plane of incidence of the diffracted light from the alignment mark B1 is detected by the first detection section as the incident position of the first signal light beam.

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、便宜上光束重心として光強度
か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トマーク
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。このとき少なくと
も一方の物体面上の前記2つのアライメントマークから
射出する2つの光束の光路か該物体面」二に射影したと
き、その軌跡が互いに所定の角度で交叉するように各要
素を設定している。
Here, the center of gravity of the light beam is the point in the cross section of the light beam where the integral value becomes 0 vector when the product of the position vector of each point of the cross section circle from that point multiplied by the light intensity of that point is integrated over the entire cross section. However, for convenience, the point at which the light intensity is at its peak may be used as the center of gravity of the light flux. Similarly, a light beam is made incident on the alignment mark A2, and the diffracted light generated at this time is made incident on the alignment mark B2, and the center of gravity of the light beam on the incident surface of the diffracted light from the alignment mark B2 is set as the incident position of the second signal light beam and sent to the second detection section. Detect. Then, the object plane A and the object plane B are positioned using the two position information from the first and second detection sections. At this time, each element is set so that when the optical paths of the two light beams emitted from the two alignment marks on at least one object surface are projected onto the object surface, their trajectories intersect each other at a predetermined angle. ing.

この池水発明では第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か物体面Aと物
体面Bの位置すれに対して互いに逆方向に変位するよう
に各アライメントマークAI、A2.B1.B2を設定
している。
In this Ikemizu invention, the center of gravity of the light beam incident on the first detection section and the center of gravity of the light flux incident on the second detection section are displaced in opposite directions with respect to the positional misalignment of object plane A and object plane B. Alignment mark AI, A2. B1. B2 is set.

(実施例) 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。
(Example) Fig. 1 is an explanatory diagram showing the principles and constituent elements of the present invention developed, and Fig. 2 is a perspective view of main parts of the first embodiment of the present invention based on the configuration of Fig. 1. .

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。
In the figure, 1 is the first object corresponding to object plane A, and 2 is object plane B.
The second object corresponds to , and the case where the amount of relative positional deviation between the first object 1 and the second object 2 is detected is shown.

第1図では第1物体1を通過し、第2物体2て反射した
光か再度第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。
In FIG. 1, two first objects 1 are shown because the light that passes through the first object 1 and is reflected by the second object 2 passes through the first object 1 again. 5 is an alignment mark provided on the first object 1, and 3 is an alignment mark provided on the second object 2, for obtaining the first signal. Similarly, 6 is an alignment mark provided on the first object 1, and 4 is an alignment mark provided on the second object 2, for obtaining the second signal light.

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
子の機能を有している。9はウェハスクライブライン、
10はマスクスクライプラインである。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信号光束を検出す
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。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f’al+ 
 f a2とし、第1物体1と第2物体2の相対位置ず
れ量を△σとし、そのときの第1゜第2検出部11.1
2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−」二平面波とし、符号は図中に
示す通りとする。
Each alignment mark 3, 4, 5.6 has the function of a physical optical element with or without a one-dimensional or two-dimensional lens effect. 9 is the wafer scribe line,
10 is a mask scribe line. 7 and 8 are the first and second alignments described above. A second signal beam is shown. Reference numerals 11 and 12 indicate first and second detection units for detecting the first and second signal beams, respectively. from the second object 2 to the first
Alternatively, the optical distance to the second detection unit 11.12 will be used for convenience of explanation. Let g be the distance between object 1 and second object 2, and let f'al+ be the focal length of alignment marks 5 and 6, respectively.
Let f a2 be the amount of relative positional deviation between the first object 1 and the second object 2, and let Δσ be the amount of relative positional deviation between the first object 1 and the second object 2, and then the 1° second detection unit 11.1
Let S, S2 be the displacement amounts of the first and second signal beam centers of 2 from the coincident state, respectively. The alignment light flux incident on the first object 1 is assumed to be a two-plane wave for convenience, and the symbols are as shown in the figure.

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Ll。
The displacement amounts S1 and S2 of the center of gravity of the signal beam are the focal points F, , F2 of the alignment marks 5 and 6 and the alignment mark 3,
A straight line Ll connecting the optical axis centers of No. 4.

L2と、検出部11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lと第2物体2の
相対位置す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。
It is determined geometrically as the intersection between L2 and the light receiving surfaces of the detection units 11 and 12. Therefore, with respect to the relative positional deviation between the first object l and the second object 2, the displacement amount S,,
2 in opposite directions to each other, align the alignment marks 3 and 4.
This is achieved by making the signs of the optical imaging magnifications opposite to each other.

次に第1図、第2図に示すアライメント用の第1.第2
信号光束7.8の主光線の光路について説明する。
Next, the 1st column for alignment shown in FIGS. 1 and 2. Second
The optical path of the chief ray of the signal beam 7.8 will be explained.

尚、以下の説明で主光線とはアライメントマークに結像
作用があるときはその軸を通過する光線をいい、結像作
用がないときは有効光束径の中心光線をいう。
In the following explanation, the principal ray refers to a ray passing through the axis of the alignment mark when the alignment mark has an imaging effect, and refers to the central ray of the effective beam diameter when the alignment mark does not have an imaging effect.

不均一な光強度分布の光束を放射する不図示の光源より
射出した光束は不図示の投光光学系を経て所定のビーム
径に拡大され、略平行光となり、第1物体1上のアライ
メントマーク5.6に物体面法線に対し斜めに入射する
。第1物体1而」二に到達した略平行光束の光強度分布
は一般には不拘なガウシアン分布である。
A light beam emitted from a light source (not shown) that emits a light beam with a non-uniform light intensity distribution is expanded to a predetermined beam diameter through a projection optical system (not shown), and becomes a substantially parallel beam, which is then aligned with the alignment mark on the first object 1. 5.6 is incident obliquely to the normal to the object surface. The light intensity distribution of the substantially parallel light beam reaching the first object 1 and 2 is generally an unrestricted Gaussian distribution.

本発明に係るアライメントマークは中心間距離かゼロで
ない所定の値となる2つの領域から成り、位置合わせを
行う各物体面上に形成されている。アライメント用の光
束は上記のとおり単一のガウシアンビームとして第1物
体面上のアライメントマーク5.6に入射する。第1物
体1面一」二のアライメントマーク5,6て回折した光
束は例えはアライメントマーク5で凸パワーの収斂作用
アライメントマーク6て凹パワーの発散作用を受け1 
ま た後、第2物体面一トのアライメントマーク3,4に到
達する。
The alignment mark according to the present invention consists of two regions in which the center-to-center distance is a predetermined value other than zero, and is formed on each object surface to be aligned. As described above, the alignment light beam enters the alignment mark 5.6 on the first object plane as a single Gaussian beam. For example, the light beam diffracted by the alignment marks 5 and 6 on the first surface of the first object receives a converging effect of convex power at the alignment mark 5, and a diverging effect of concave power at the alignment mark 6.
After that, the alignment marks 3 and 4 on the second object plane are reached.

更に第2物体面上のアライメントマーク3で凹パワーの
発散作用、アライメントマーク4で凸パワーの収斂作用
を受けた光束はそれぞれ第1゜第2信号光7,8となり
第2物体2面を射出し、第1物体1面を透過した後、所
定位置にある検出部11.12に入射する。尚、本実施
例では図示のX方向位置すれ量を検出するものとし、検
出部11.12はX方向の光強度分布を計測する1次元
センサを用いている。
Further, the light beams which are subjected to the diverging effect of the concave power at the alignment mark 3 on the second object surface and the convergence effect of the convex power at the alignment mark 4 become 1° second signal beams 7 and 8, respectively, and exit the second object surface 2. After passing through the surface of the first object, the light enters a detection unit 11.12 located at a predetermined position. In this embodiment, the amount of positional deviation in the illustrated X direction is detected, and the detection units 11 and 12 use one-dimensional sensors that measure the light intensity distribution in the X direction.

本実施例においては上記のような第1.第2信号光束7
,8は第2物体2面を射出した後、検出部11.12に
到達するまでの過程で、それぞれの光路の第2物体面(
或は第1物体面)上の射影軌跡が必ず交叉するようにア
ライメントマークや投光光束の入射角等を構成している
。このような光路構成を以下「交叉光路」と称すること
にする。
In this embodiment, the first. Second signal beam 7
, 8, after emitting the second object surface 2, the second object surface (
The alignment marks and the incident angle of the projected light flux are configured so that the projection trajectories on the first object plane (or the first object plane) always intersect. Hereinafter, such an optical path configuration will be referred to as a "crossing optical path."

本発明者は先に光路追跡に基つくシミュレーションによ
る検討の結果、交叉光路を採用することにより、ガウシ
アン状の光強度分布を有するアライメント光束で前述の
アライメントマーク系に照射する場合は第1物体1と第
2物体2との間の間隔の変動によってもたらされる、位
置ずれ量検出誤差の発生を極めて良好に抑えることがで
きることを見出した。
As a result of a simulation based on optical path tracing, the present inventor found that by adopting a crossed optical path, when the above-mentioned alignment mark system is irradiated with an alignment light beam having a Gaussian-like light intensity distribution, the first object 1 It has been found that the occurrence of positional deviation detection errors caused by variations in the distance between the second object 2 and the second object 2 can be extremely effectively suppressed.

即ち、本実施例では第1物体と第2物体間の相対位置ず
れ量が不変であっても従来問題となっていた第1物体と
第2物体の間隔の変動に伴って生じる検出部11,12
1での2つのアライメント用の信号光束の入射位置(等
測的に光強度重心位置)間の距離の変動による位置ずれ
量検出誤差を前述の交叉光路を採用することにより良好
に抑えることができるようにしている。
That is, in this embodiment, even if the amount of relative positional deviation between the first object and the second object remains unchanged, the detection unit 11, 12
By adopting the above-mentioned crossed optical paths, the error in detecting the amount of positional deviation due to the variation in the distance between the incident positions of the two alignment signal beams (isometrically, the light intensity gravity center position) in 1 can be suppressed well. That's what I do.

更に本発明者は交叉光路により第1物体面トのアライメ
ント光束の照射中心位置の変動によってもたらされる位
置ずれ量検出誤差の発生も同様に良好に抑えることがで
きることを見出した。
Furthermore, the inventor has found that the occurrence of positional deviation amount detection errors caused by fluctuations in the irradiation center position of the alignment light beam on the first object surface can also be effectively suppressed by the crossed optical paths.

本発明はこのような交叉光路が形成されるように各要素
を設定することにより、前述の位置すれ量検出誤差の発
生を抑え第1物体と第2物体の相対的な位置すれ量の高
精度な検出を可能としている。
The present invention suppresses the occurrence of the above-mentioned misalignment detection error by setting each element so that such crossed optical paths are formed, and increases the accuracy of the relative misalignment between the first object and the second object. This enables accurate detection.

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(アライメントヘッド筺体)16.ウェハステージ1
7、位置ずれ信号処理部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。
FIG. 3(A) shows a configuration diagram of the peripheral portion of the apparatus when the first embodiment shown in FIG. 2 is applied to a proximity type semiconductor manufacturing apparatus. Elements not shown in FIG. 2 include a light source 13, a collimator lens system (or beam diameter conversion lens) 14, a projection light beam bending mirror 15, a pickup housing (alignment head housing) 16. Wafer stage 1
7, a positional deviation signal processing section 18, a wafer stage drive control section 19, etc. E indicates the exposure beam width.

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の相対位置すれ量の検出は第1実施
例で説明したのと同様にして行われる。
Also in this embodiment, detection of the amount of relative positional deviation between the mask 1 as the first object and the wafer 2 as the second object is performed in the same manner as described in the first embodiment.

尚、本実施例において位置合わせを行う手順としては、
例えば次の方法を採ることができる。
In this example, the procedure for alignment is as follows:
For example, the following method can be adopted.

第1の方法としては2つの物体間の位置ずれ量△σに対
する検出部11.12の検出面11a。
The first method is to use the detection surface 11a of the detection unit 11.12 for the amount of positional deviation Δσ between the two objects.

12b」−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
たけステージ駆動制御部19てウェハステーシェフを移
動させる。
12b" - is obtained, the signal processing unit 18 calculates the positional deviation amount Δσ between both objects from the gravity center deviation signal, and the stage is moved by an amount corresponding to the positional deviation amount Δσ at that time. The drive control unit 19 moves the wafer steak chef.

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を移動させて位置すれ量Δσが許容範囲内になるまで
縁り返して行う。
The second method is to use the signal processing unit 18 to determine the direction in which the positional deviation amount Δσ is canceled from the signals from the detection units 11 and 12.
The stage drive control unit 19 moves the wafer stage 1 in that direction.
7 and turn the edges until the positional deviation amount Δσ falls within the allowable range.

以−ト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。
Flowcharts of the following alignment procedure are shown in FIGS. 3(B) and 3(C), respectively.

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っている
In this embodiment, as can be seen from FIG. 3(A), the light beam from the light source 13 is directed toward the alignment mark 5,
6 and exits from the alignment mark 3.4 to the outside of the exposure light beam, which is received by a detection unit 11.12 provided outside the exposure light beam, thereby detecting the position of the incident light beam.

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。
With such a configuration, it is possible to realize a system in which the pickup housing 16 does not require a retracting operation during exposure.

次に第1実施例の各部の構成の詳細について第2図、第
3図(A)、第4図を参照して説明する。
Next, details of the configuration of each part of the first embodiment will be explained with reference to FIGS. 2, 3(A), and 4.

第4図は第1.第2信号光束7,8の第1゜第2検出部
11.12への入射状態の説明図である。アライメント
用のピックアップ筺体16内の光源13である半導体レ
ーザー(中心波長0.785μm)から射出したアライ
メント光束はコリメーターレンズ系14及びビームスプ
リッタ(又はハーフミラ−)15から成る投光光学系を
経て略平行光束となってマスク1面上にマスク面法線に
対してyz面内で17.5°の角度で斜入射する。
Figure 4 is 1. FIG. 4 is an explanatory diagram of the incident state of the second signal light beams 7 and 8 to the 1° second detection section 11.12. The alignment light beam emitted from the semiconductor laser (center wavelength 0.785 μm), which is the light source 13 in the pickup housing 16 for alignment, passes through a projection optical system consisting of a collimator lens system 14 and a beam splitter (or half mirror) 15. The light becomes a parallel light beam and obliquely enters the mask surface at an angle of 17.5° in the yz plane with respect to the mask surface normal.

アライメント光束のマスク1面上の光強度分布(1(x
、y))はガウシアン分布であり、図に示すように座標
系をとると aX =680 μm   、  σ、==120μm
となる。又位置ずれ量の検出はX方向に行う。
Light intensity distribution of alignment light flux on one mask surface (1(x
,y)) is a Gaussian distribution, and if we take the coordinate system as shown in the figure, aX = 680 μm, σ, ==120 μm
becomes. Furthermore, the amount of positional deviation is detected in the X direction.

マスクとウニ八面上の2つのアライメントマークの領域
のサイズはともにX方向に90μm、 X方向に50μ
mであり第2図のように隣接して配置されている。
The sizes of the two alignment marks on the mask and the eight faces of the sea urchin are both 90 μm in the X direction and 50 μm in the X direction.
m and are arranged adjacent to each other as shown in FIG.

マスク1面上のアライメントマーク5は光束収斂作用を
有する凸パワーのクレーティングレンズであり、+1次
回折光に対応する焦点距離は214723μm、+1次
透過回折光の主光線のyz面内の偏向角は17.5°で
マスク1面を射出する主光線方向はマスク面法線と平行
になる。
The alignment mark 5 on the first surface of the mask is a convex power crating lens that has a light flux convergence effect, the focal length corresponding to the +1st order diffracted light is 214723 μm, and the deflection angle in the yz plane of the principal ray of the +1st order transmitted diffraction light is The direction of the principal ray exiting one surface of the mask at 17.5 degrees is parallel to the normal to the mask surface.

又、マスク1面上のアライメントマーク6は光束発散作
用を有する凹パワーのクレーティングレンズであり、+
1次回折光に対応する焦点距離は158.455μm、
アライメントマーク5と同様に主光線の偏向角はyz面
内で17.5°になる。
In addition, the alignment mark 6 on the first surface of the mask is a concave power crating lens that has a light beam diverging effect, and has a +
The focal length corresponding to the first-order diffracted light is 158.455 μm,
Similar to the alignment mark 5, the deflection angle of the chief ray is 17.5° in the yz plane.

両方のアライメントマーク5,6ともXZ面内ては偏光
角は0°で主光線方向は変らない。
In both alignment marks 5 and 6, the polarization angle is 0° in the XZ plane, and the principal ray direction does not change.

本実施例においてマスク1面への光束斜入射角度αは 10°〈 α 〈80゜ の範囲で設定されることが望ましい。In this example, the angle of oblique incidence α of the light beam on one surface of the mask is 10°〈 α 〈80゜ It is desirable to set it within the range of .

ウェハ2面一にのアライメントマーク3においてはマス
ク1面上のアライメントマーク5て+1次で回折透過し
た光束か入射する。ここで更に+1次で回折、反射する
第1信号光束7は発散作用を受ける。アライメントマー
ク3は凹パワーのグレーティングレンズであり、焦点距
離は−182,912μmであり、xz面内では主光線
方向はウェハ面法線に対して3°の角度をなすように射
出した後、第4図に示すように該角度を保ちなから検出
部12上に到達する。
At the alignment mark 3 on the two surfaces of the wafer, only the light beam that has been diffracted and transmitted in the +1st order is incident on the alignment mark 5 on the mask surface. Here, the first signal light beam 7 that is further diffracted and reflected in the +1st order is subjected to a diverging effect. The alignment mark 3 is a grating lens with concave power, and its focal length is -182,912 μm. In the xz plane, the principal ray direction forms an angle of 3° with respect to the normal to the wafer surface, and then As shown in FIG. 4, the beam reaches the detection unit 12 while maintaining this angle.

同様にウェハ1上のアライメントマーク4は+1次反射
回折光に対応して凸パワーのクレティンクレンズ(焦点
距lit 190.378μm)、であり、マスク1上
のアライメントマーク6て透過回折した光束8に対して
光学的作用を及ぼしている。
Similarly, the alignment mark 4 on the wafer 1 is a cretin lens (focal length lit 190.378 μm) with convex power corresponding to the +1st-order reflected diffraction light, and the light beam 8 transmitted and diffracted by the alignment mark 6 on the mask 1 It has an optical effect on the

又、第4図に示すようにアライメントマーク4から射出
する第2信号光束8はその主光線方向がウェハ2面の法
線に対してxz面内で3.35°の角度をなすように反
射射出した後、該角度を保ちながら更にマスク面を0次
で透過して検出部12上に到達する。
Further, as shown in FIG. 4, the second signal beam 8 emitted from the alignment mark 4 is reflected so that its principal ray direction forms an angle of 3.35° in the xz plane with respect to the normal to the wafer 2 surface. After being emitted, the light passes through the mask surface at the zeroth order while maintaining the angle, and reaches the detection unit 12.

方、ウェハ2面から射出する際の第1.第2信号光束7
,8のxz面内での射出角度はウェハ面法線に対してそ
れぞれ7°、13°であり、空間的に分離配置された2
つの検出部11.12に入射するようにアライメントマ
ーク形状及び光学系等の各要素が設定されている。
On the other hand, the first one when ejecting from the second side of the wafer. Second signal beam 7
, 8 in the xz plane are 7° and 13°, respectively, with respect to the normal to the wafer surface.
Elements such as the alignment mark shape and the optical system are set so that the light enters two detection units 11 and 12.

尚、検出部11.12は第1図のように同一平面」二に
配置される必要はなく各信号光の結像点位置がZ(或は
y)方向に異なれば像点位置に対応して設置してもよい
Note that the detection units 11 and 12 do not need to be arranged on the same plane as shown in FIG. It may also be installed.

今、マスク1とウェハ2とが位置ずれ検出方向(X方向
)に平行方向にΔσすれており、ウェハ2からウェハ2
のグレーティングレンズ3て反射した光束の集光点01
までの距離をb、マスク1のグレーティングレンズ5を
通過した光束の集光点F1までの距離なaとすると検出
部11上での集光点の重心ずれ量Δδは Δδ=Δσ× (−十1)    ・・・・・・・・・
(a)となる、即ち重心ずれ量Δδは(b / a +
 1 )倍に拡大される。例えば、a = 0 、 5
 mm、 b = 50mmとすれば重心ずれ量Δδは
(a)式より101倍に拡大される。
Now, the mask 1 and the wafer 2 are misaligned by Δσ in the direction parallel to the positional deviation detection direction (X direction), and the mask 1 and the wafer 2 are
The focal point 01 of the luminous flux reflected by the grating lens 3
Let b be the distance to F1, and a be the distance to the condensing point F1 of the light beam that has passed through the grating lens 5 of the mask 1, then the shift amount Δδ of the center of gravity of the condensing point on the detection unit 11 is Δδ=Δσ× (-10 1) ・・・・・・・・・
(a), that is, the center of gravity shift amount Δδ is (b / a +
1) Expanded twice. For example, a = 0, 5
mm, b = 50 mm, the center of gravity shift amount Δδ is expanded by a factor of 101 from equation (a).

尚、本実施例において凹パワー、凸パワーはマイナスの
次数の回折光を使うか、プラスの次数の回折光を使うか
で決まるものとする。
In this embodiment, the concave power and the convex power are determined depending on whether minus order diffracted light or positive order diffracted light is used.

又、つ゛エバ2上のグレーティングレンズ3,4の傘径
は180μm、マスク1上のグレーティングレンズ5.
6の傘径は180μmとし、マスクとウニへ間の位置す
れ(軸ずれ)を100倍に拡大して検出部11.12上
で光束の重心が移動を起こし、この結果検出部11.1
2上の光束の径(エアリディスクe−2径)か200μ
m程度となるように配置及び各要素の焦点距離を決めた
The diameter of the grating lenses 3 and 4 on the evaporator 2 is 180 μm, and the diameter of the grating lenses 5 on the mask 1 is 180 μm.
The umbrella diameter of 6 is set to 180 μm, and the positional misalignment (axis misalignment) between the mask and the sea urchin is magnified by 100 times, causing the center of gravity of the light beam to shift on the detection unit 11.12.
The diameter of the luminous flux on 2 (Airy disk e-2 diameter) is 200μ
The arrangement and focal length of each element were determined so that the distance was about m.

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは(a
)式より明らかのように、比例関係となる。検出部11
.12の分解能が0.1μmであるとすると位置ずれ量
△σは0.001μmの位置分解能となる。
In addition, the center of gravity shift amount Δδ and position shift amount Δσ at this time are (a
) As is clear from the equation, there is a proportional relationship. Detection unit 11
.. If the resolution of 12 is 0.1 μm, the positional deviation amount Δσ has a position resolution of 0.001 μm.

本実施例ではマスクとウェハ」−の各アライメントマー
クの焦点距離を前記のとおり設定しマスクとウニへ間の
間隔を30゜0μm、検出部1211の中心位置をそれ
ぞれ(0,0,−4,203,18,204)(0,0
,−2,277,18,543)  (単位mm)とし
た結果、第1.第2信号光7.8の検出部11.12面
上での検出感度(即ちマスクとウェハとの間の相対位置
ずれ変動量(X方向)に対する検出部面上の光束入射位
置の変動量の割合)はそれぞれ100、 +100にな
った。
In this embodiment, the focal length of each alignment mark between the mask and the wafer is set as described above, the distance between the mask and the sea urchin is 30°0 μm, and the center position of the detection unit 1211 is set (0, 0, -4, 203,18,204)(0,0
, -2,277,18,543) (unit: mm), the 1st. Detection sensitivity of the second signal light 7.8 on the detection unit 11.12 surface (i.e., the amount of variation in the light beam incident position on the detection unit surface with respect to the variation in relative positional deviation between the mask and the wafer (X direction)) ratio) became 100 and +100, respectively.

次に本実施例におけるマスク用のグレーティングレンズ
5,6とウェハ用のグレーティングレンズ3,4のパタ
ーン形状について説明する。
Next, the pattern shapes of grating lenses 5 and 6 for masks and grating lenses 3 and 4 for wafers in this embodiment will be explained.

ます、マスク用のグレーティングレンズ5.6は所定の
ビーム径の平行光束か所定の角度で入射し、所定の位置
に集光するように設定される。
First, the mask grating lens 5.6 is set so that a parallel beam of a predetermined beam diameter enters at a predetermined angle and is focused at a predetermined position.

般にグレーティングレンズのパターンは光源(物点)と
像点、それぞれに可干渉光源を置いたときのレンズ面に
おける干渉縞パターンとなる。
Generally, the pattern of a grating lens is an interference fringe pattern on the lens surface when a coherent light source is placed at each of the light source (object point) and image point.

ここに原点はスクライブライン幅の中央にあり、スクラ
イブライン方向にX軸、幅方向にy軸、マスク面の法線
方向にZ軸をとる。マスク面の法線に対しyz面内てα
の角度で入射し、その射影成分がスクライブライン方向
と直交する平行光束がクレーティングレンズ5又は6を
透過回折後、集光点(Xl + 、Y+ 、Zl )の
位置で結像するようなりレーテインクレンズの曲線群の
方程式は、グレーティングの輪郭位置をx、yで表わす
と ysin  a    P、(x、y) −P2 =m
^/ 2−(])で与えられる。ここに^はアライメン
ト光束の使用波長域の中心波長、mは整数である。
Here, the origin is located at the center of the scribe line width, with the X axis in the scribe line direction, the Y axis in the width direction, and the Z axis in the normal direction of the mask surface. α in the yz plane with respect to the normal to the mask surface
A parallel beam of light, whose projected component is perpendicular to the scribe line direction, is incident at an angle of The equation of the ink lens curve group is expressed as ysin a P, (x, y) - P2 = m, where x and y represent the contour position of the grating.
^/ It is given by 2-(]). Here, ^ is the center wavelength of the wavelength range in which the alignment light beam is used, and m is an integer.

主光線を角度αで入射し、マスク面上の原点を通り、集
光点(Xl 、Y+ 、Zl )に達する光線とすると
(1)式の右辺はmの値によって主光線に対して波長の
m / 2倍光路長が長い(短い)ことを示し、左辺は
主光線の光路に対し、マスク上の点(x、y、0)を通
り点(Xl + y+ + Zl )に到達する光線の
光路の長さの差を表わす。
Assuming that the principal ray is incident at an angle α, passes through the origin on the mask surface, and reaches the focal point (Xl, Y+, Zl), the right side of equation (1) has a wavelength relative to the principal ray depending on the value of m. m / 2 times indicates that the optical path length is long (short), and the left side is the optical path of the principal ray that passes through the point (x, y, 0) on the mask and reaches the point (Xl + y+ + Zl ). Represents the difference in optical path length.

方、ウェハ上のグレーティングレンズ3,4は所定の点
光源から出た球面波を所定の位置(検出面上)に集光さ
せるように設定される。点光源の位置はマスクとウニへ
の露光時のギャップなgとおくと(Xl 、 y+ 、
Zl  g)で表わされる。マスクとウェハの位置合わ
せはX軸方向に行なわれるとし、アライメント完了時に
検出面上の点(X2.y2.Z2)の位置にアライメン
ト光束が集光するものとすれば、ウェハ上のグレーティ
ングレンズの曲線群の方程式は先に定めた座標系で +mλ/2 ・・・・・・・・・(2) と表わされる。
On the other hand, grating lenses 3 and 4 on the wafer are set so as to focus the spherical waves emitted from a predetermined point light source onto a predetermined position (on the detection surface). Letting the position of the point light source be g, which is the gap between the mask and the sea urchin, (Xl, y+,
Zl g). Assuming that the mask and wafer are aligned in the X-axis direction, and that the alignment light beam is focused on the point (X2.y2.Z2) on the detection surface when alignment is completed, the grating lens on the wafer will be The equation of the curve group is expressed as +mλ/2 (2) in the coordinate system defined above.

(2)式はウニへ面がz=−gにあり、主光線がウニ八
面上の原点及びマスク面上の点(0,Og)、更に検出
面上の点(X2.y2.Z2)を通る光線であるとして
、マスク面上グレーティング(x、y、−g)を通る光
線と主光線との光路長の差が半波長の整数倍となる条件
を満たす方程式である。
Equation (2) shows that the surface of the sea urchin is at z=-g, the principal ray is the origin on the eight surface of the sea urchin, a point on the mask surface (0, Og), and a point on the detection surface (X2.y2.Z2). This is an equation that satisfies the condition that the difference in optical path length between the ray passing through the grating (x, y, -g) on the mask surface and the principal ray is an integral multiple of a half wavelength.

般にマスク用のゾーンプレート(グレーティングレンズ
)は、光線の透過する領域(透明部)と光線の透過しな
い領域(遮光部)の2つの領域が交互に形成される0、
1の振幅型のグレーティング素子として作成される。又
、ウェハ用のゾーンプレートは例えば矩形断面の位相格
子パターンとして作成される。(1) 、 (2)式に
おいて主光線に対して半波長の整数倍の位置で、グレー
ティングの輪郭を規定したことは、マスク上のクレーテ
ィングレンズ5又は6では透明部と遮光部の線幅の比が
1:1であること、そしてウェハ」二のグレーティング
レンズ3又は4ては矩形格子のラインとスペースの比が
1:1であることを意味する。
In general, a zone plate (grating lens) for a mask has two regions formed alternately: a region through which light rays pass (transparent section) and a region through which light rays do not pass (light shielding section).
1 amplitude type grating element. Further, a zone plate for a wafer is made, for example, as a phase grating pattern with a rectangular cross section. In equations (1) and (2), the outline of the grating is defined at a position that is an integer multiple of a half wavelength with respect to the principal ray, which means that in the grating lens 5 or 6 on the mask, the line width of the transparent part and the light-shielding part is This means that the ratio of the lines and spaces of the rectangular grating of the grating lens 3 or 4 on the wafer is 1:1.

マスク」二のグレーティングレンズ5,6はイ列えはポ
リイミド製の有機薄膜」二に予めEB露光で形成したレ
チクルのクレーティングレンズパターンを転写して形成
、又はウェハ上のグレーティングレンズはマスク上にウ
ェハの露光パターンを形成したのち露光転写して形成し
ている。
The grating lenses 5 and 6 on the mask "2" are formed by transferring the grating lens pattern of the reticle previously formed by EB exposure onto the organic thin film "2" made of polyimide, or the grating lenses on the wafer are formed on the mask. It is formed by forming an exposure pattern on a wafer and then performing exposure transfer.

第10図(A)にマスク面上のグレーティングレンズ5
,6、同図(B)にウニ八面上のグレーティングレンズ
3,4の一実施例のパターンを示す。
FIG. 10(A) shows the grating lens 5 on the mask surface.
, 6. Figure (B) shows a pattern of an embodiment of the grating lenses 3 and 4 on the eight faces of the sea urchin.

以上説明した構成によりマスクとウニへ間のキャップ(
間隔)変動及びピックアップ筐体16の位置変動(平行
移動)に伴う第1.第2信号光束のX方向に沿って測っ
た光量重心位置の間隔(スポット間隔と以下称する)の
変動の大きさを測定した。この結果、前述した本発明に
係る交叉光路方式を用いるとギャップ変動±3.0μm
に対しスポット間隔の変動量は1,9μmとなり、マス
クとウニへ間の相対位置すれ検出誤差は0.0095μ
mになった。
With the configuration explained above, the cap between the mask and the sea urchin (
1. due to the change in distance (interval) and the change in position (parallel movement) of the pickup housing 16. The magnitude of the variation in the interval between the light quantity gravity center positions (hereinafter referred to as spot interval) measured along the X direction of the second signal light beam was measured. As a result, when using the crossed optical path method according to the present invention described above, the gap variation is ±3.0 μm.
In contrast, the variation in spot spacing was 1.9 μm, and the relative positional deviation detection error between the mask and the sea urchin was 0.0095 μm.
It became m.

これに対し、従来の光路系(第11図;位置ずれ検出感
度同じ)ではスポット間隔の変動量は12.56μmと
なり、位置ずれ検出誤差は0.063μmであった。即
ち本発明に係る交叉光路方式を用いれば検出誤差は約6
0分の1に縮少する。
On the other hand, in the conventional optical path system (FIG. 11; positional deviation detection sensitivity is the same), the amount of variation in the spot interval was 12.56 μm, and the positional deviation detection error was 0.063 μm. That is, if the crossed optical path method according to the present invention is used, the detection error is approximately 6
Reduce to 1/0.

一方、ピックアップ筐体16の位置変動(xy平面に平
行移動)に対しては±10μmの変動に対して位置ずれ
検出誤差は0.009μm(従来光路系では0.019
μm)となり従来に比べて約2分の1に縮少した。
On the other hand, with respect to positional fluctuations of the pickup housing 16 (translation in parallel to the
μm), which is about half that of the conventional one.

第5図は本発明の第2実施例の光路概略図であり、第4
図の光路と同様に示している。同図において位置ずれ検
出方向はX方向である。
FIG. 5 is a schematic diagram of the optical path of the second embodiment of the present invention, and FIG.
It is shown in the same way as the optical path in the figure. In the figure, the positional deviation detection direction is the X direction.

本実施例の主要な特徴はマスク1面上の2つのアライメ
ントマーク5a、6aの結像作用により交叉光路を実現
したことであり、ウェハ2面一トのアライメントマーク
3a、4aはxz面内では信号光の主光線に対して偏向
作用を持たないことにある。各アライメントマークの焦
点距離、サイズ、配置及び光学系の構成等の主要な特徴
は第1実施例と同様である。
The main feature of this embodiment is that a crossed optical path is realized by the imaging effect of the two alignment marks 5a and 6a on one surface of the mask, and the alignment marks 3a and 4a on the two surfaces of the wafer are The reason is that it does not have a deflecting effect on the chief ray of the signal light. The main features such as the focal length, size, and arrangement of each alignment mark and the configuration of the optical system are the same as in the first embodiment.

第6図は本発明の第3実施例の要部斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of essential parts of a third embodiment of the present invention.

本実施例においてはアライメント用の第1゜第2信号光
束7.8を1つの受光領域から成る単の受光部611で
受光するように構成し、該受光部面上での2つの入射光
束位置間のスポット間隔を検出することによりマスクと
ウニへ間の位置すれ量を検出する。
In this embodiment, the first and second signal beams 7.8 for alignment are configured to be received by a single light receiving section 611 consisting of one light receiving area, and two incident beam positions are set on the surface of the light receiving section. The amount of misalignment between the mask and the sea urchin is detected by detecting the spot interval between them.

交叉光路はウェハ1面上のアライメントマーク3.4の
結像作用により実現され、第1.第2信号光束の主光線
のウェハ面(またはマスク面)から射出する際のxz面
内での角度アライメントマークの配置及び光学系の構成
(特にガウシアンビーム径)なとは第1実施例と同様で
ある。但し、上記受光部611面上に2つの信号光束7
゜8を入射させるためにxz面内での両光束の最終射出
角はともにマスク1面(又はウェハ2面)法線に対して
13°となるように各アライメントマークのグレーティ
ングパターン形状が設計されている。
The crossed optical paths are realized by the imaging effect of the alignment marks 3.4 on the first surface of the wafer. The arrangement of the angular alignment mark in the xz plane when the principal ray of the second signal beam exits from the wafer surface (or mask surface) and the configuration of the optical system (especially the Gaussian beam diameter) are the same as in the first embodiment. It is. However, there are two signal beams 7 on the surface of the light receiving section 611.
The grating pattern shape of each alignment mark is designed so that the final exit angle of both beams in the xz plane is 13° with respect to the normal to the first mask surface (or the second wafer surface) in order to make the incident angle 8°. ing.

第7図は本発明の第4実施例の要部斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of essential parts of a fourth embodiment of the present invention.

本実施例においてはアライメント用の第1゜第2信号光
束7,8用のアライメントマーク領域がマスク1とウェ
ハ2面上で各々所定距離、例えば100μ離間するよう
に配置されている。
In this embodiment, alignment mark areas for the first and second signal beams 7 and 8 for alignment are arranged at a predetermined distance, for example, 100 μm, on the mask 1 and wafer 2 surfaces.

ここでマスク1面上のアライメントマーク5゜6に投射
されるガウシアンビーム径か第1実施例と同じであると
すると、交叉光路における第1゜第2信号光束の最終射
出角は最適値とはならす、ギャップ変動、アライメント
ヘット筐体の位置の変動に対する位置ずれ計測誤差は増
大してくる。
Here, assuming that the diameter of the Gaussian beam projected onto the alignment mark 5°6 on the mask 1 side is the same as in the first embodiment, the final exit angle of the 1st and 2nd signal beams in the crossed optical path is the optimal value. Positional deviation measurement errors due to smoothing, gap fluctuations, and fluctuations in the position of the alignment head housing increase.

そこて本実施例ではガウシアンビーム径は第1実施例と
同じとし、第1.第2信号光束のxz面内の最終射出角
をそれぞれ+4.0°、−4,8゜としている。
Therefore, in this embodiment, the Gaussian beam diameter is the same as in the first embodiment, and the first. The final exit angles of the second signal beam in the xz plane are +4.0° and −4.8°, respectively.

第10図(A) 、 (B)にそれぞれ本実施例におけ
るマスクとウニ八面上のアライメントマークのパターン
例を示す。
FIGS. 10A and 10B show examples of patterns of alignment marks on the mask and the eight faces of the sea urchin, respectively, in this embodiment.

このように交叉光路の設定の最適条件はガウシアン投光
ビーム径、アライメントマークのサイズ、配置、焦点距
離などの各要素によってきまる。本実施例はこれを多数
の光線追跡によるシミュレーションによって最適値を求
め、これに基づいて各要素を構成している。
In this way, the optimum conditions for setting the crossed optical paths are determined by various factors such as the diameter of the Gaussian projected beam, the size and arrangement of the alignment mark, and the focal length. In this embodiment, the optimum value is obtained through simulation using a large number of ray tracings, and each element is configured based on this.

第8図は本発明の第5実施例の要部斜視図である。FIG. 8 is a perspective view of essential parts of a fifth embodiment of the present invention.

本実施例ではアライメント用の第1.第2信号光束7,
8用のアライメントマーク領域を同図に示すように一部
、重複するように隣接配置している。
In this embodiment, the first . second signal beam 7,
As shown in the figure, the alignment mark areas for No. 8 are arranged adjacently so that some of them overlap.

第10図(G) 、 (D)はマスク1面」二のアライ
メントマーク5,6とウェハ2面上のアライメントマー
ク3,4のパターンを示す一実施例である。
FIGS. 10(G) and 10(D) show an embodiment showing patterns of alignment marks 5, 6 on the first side of the mask and alignment marks 3, 4 on the second side of the wafer.

第8図と第10図(C) 、 (D)において領域80
1゜802が互いにアライメントマークが重複している
領域である。
Area 80 in Figures 8 and 10 (C) and (D)
1° 802 is an area where alignment marks overlap with each other.

本実施例では光束のガウシアンビーム径は第1実施例と
同じとし、第1.第2信号光束7,8のxz面内の最終
射出角をそれぞれ+2.502.8°とした。又各面上
のアライメントマーク中心間距離は60μmであり、X
方向のアライメントマークの重なる領域(801,80
2)は30μmとなりでいる。
In this embodiment, the Gaussian beam diameter of the light beam is the same as in the first embodiment, and the first. The final exit angles of the second signal beams 7 and 8 in the xz plane were each +2.502.8°. In addition, the distance between the alignment mark centers on each surface is 60 μm, and
Overlapping area of direction alignment marks (801, 80
2) is 30 μm.

第9図は本発明を縮少投影露光装置に適用した位置検出
部分を示す第6実施例の要部概略図である。
FIG. 9 is a schematic diagram of a main part of a sixth embodiment showing a position detection part in which the present invention is applied to a reduction projection exposure apparatus.

同図において光源13から出射した光束を投光レンズ系
14で平行光として第1物体としてのレチクルL面のレ
チクルアライメントマーク3L1,3L2を照射してい
る。このときレチクルアライメントマーク3L1,3L
2は通過光をそれぞれ点Q。、Qo ′に集光させるレ
ンズ作用を有する透過型の物理光学素子を構成している
In the figure, a light beam emitted from a light source 13 is converted into parallel light by a projection lens system 14 and irradiated onto reticle alignment marks 3L1 and 3L2 on a reticle L surface as a first object. At this time, reticle alignment marks 3L1, 3L
2 is the point Q for each passing light. , Qo'.

そして点Q。、Qo ′からの光束を縮少レンズ系18
により第2物体としてのウェハWから距離aw、aw′
たけ離れた点Q、Q′に集光している。
And point Q. , Qo' is reduced by a lens system 18
The distance aw, aw' from the wafer W as the second object is
The light is focused on points Q and Q' that are far apart.

図中、7,8はそれぞれアライメントマーク3L1,3
L2により生じる第1.第2信号光束を示し、907,
908はそれぞれの主光線である。
In the figure, 7 and 8 are alignment marks 3L1 and 3, respectively.
The first . caused by L2. 907, indicating a second signal light flux;
908 is each chief ray.

ウェハW上にはウェハアライメントマーク4wl、4w
2か設けられており、このウェハアライメントマーク4
wl、4w2は反射型の物理光学素子を構成し、それぞ
れ点Q、Q′に集光する光束7,8が入射してくると、
その光束を反射させハーフミラ−19を介して検出部1
1面上に結像させる凹面鏡の機能を有している。
Wafer alignment marks 4wl, 4w are on the wafer W.
2 are provided, and this wafer alignment mark 4
wl and 4w2 constitute reflective physical optical elements, and when light beams 7 and 8 converge on points Q and Q', respectively, are incident,
The light flux is reflected and passed through the half mirror 19 to the detection unit 1.
It has the function of a concave mirror that forms an image on one surface.

交叉光路は第1実施例と同様、ウェハ面上のアライメン
トマーク4wl、4w2の作用により設定され、交叉角
度は第1実施例と同様である。ウェハ面上のアライメン
トマーク4wl、4w2の作用によって生じる第1.第
2信号光束は第9図において主光線907,908のみ
代表して示している。
Similar to the first embodiment, the intersecting optical paths are set by the action of the alignment marks 4w1 and 4w2 on the wafer surface, and the intersecting angle is the same as in the first embodiment. The first . As for the second signal beam, only chief rays 907 and 908 are shown as representatives in FIG.

(発明の効果) 本発明によれば位置合わせを行う第1.第2物体面上に
各々結像作用(光学作用)を有する2つの波面変換素子
(物理光学素子)をアライメントマークとして形成し、
該アライメントマークの結像作用を各物体面上で順次(
例えば第1.第2物体又は第2.第1物体面の順など)
うけた2つの第1.第2信号光束の所定面上における入
射位置情報により位置ずれ量を検出する際、上記2つの
信号光束の光路を位置すれ検出方向を含む断面円射影成
分が交叉するように各要素を設定することにより、位置
合わせを行う2つの物体間の間隔変動や光源からの投射
光束の位置変動の影響を非常にうけにくい高精度な位置
ずれ量検出か可能な位置検出装置を達成することができ
る。
(Effects of the Invention) According to the present invention, the first . Two wavefront conversion elements (physical optical elements) each having an imaging function (optical function) are formed as alignment marks on the second object plane,
The imaging effect of the alignment mark is sequentially applied to each object plane (
For example, the first. a second object or a second object; (order of first object plane, etc.)
The first of the two I received. When detecting the amount of positional deviation based on information on the incident position of the second signal beam on a predetermined plane, each element is set so that the cross-sectional circular projection components including the positional deviation detection direction of the optical paths of the two signal beams intersect. Accordingly, it is possible to achieve a position detection device capable of detecting the amount of positional deviation with high precision, which is extremely resistant to the influence of changes in the distance between two objects to be aligned and changes in the position of the projected light beam from the light source.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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1、第3
図(B)、(C)は第3図(A)の計測制御のフローヂ
ャート図、第4図は第2図の第1実施例光路断面説明図
、第5図は本発明の第2実施例の光路断面説明図、第6
図〜第9図は各々本発明の第3〜第6実施例の要部斜視
図、第10図(A)〜(D)は本発明に係るアライメン
トマークの配置説明図、第11図は従来の位置検出装置
の要部概略図である。 図中、1は第1物体(マスク)、2は第2物体(ウェハ
)、3,4,5.6は各々アライメントマーク、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、15は
ハーフミラ−116はアライメントヘット筐体、18は
信号処理部、19はウェハステージ駆動制御部である。 第 図 (B) (C)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the principle and structural requirements of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of the main part of the first embodiment of the present invention based on the configuration of FIG. 1, and FIG. Schematic diagrams 1 and 3 of main parts in which the first embodiment shown in the figure is applied to a proximity type semiconductor manufacturing device.
Figures (B) and (C) are flowcharts of the measurement control in Figure 3 (A), Figure 4 is a cross-sectional diagram of the optical path of the first embodiment in Figure 2, and Figure 5 is a second embodiment of the present invention. Optical path cross-sectional explanatory diagram, No. 6
9 to 9 are perspective views of main parts of the third to sixth embodiments of the present invention, FIGS. 10(A) to 10(D) are explanatory diagrams of the arrangement of alignment marks according to the present invention, and FIG. 11 is a conventional FIG. 2 is a schematic diagram of main parts of the position detection device of FIG. In the figure, 1 is the first object (mask), 2 is the second object (wafer), 3, 4, and 5.6 are alignment marks, and 7.8
are the first. 2nd signal beam, 9 wafer scribe line, 10 mask scribe line, 11.12 detection unit, 13 light source, 14 collimator lens system, 15 half mirror, 116 alignment head housing, 18 signal processing 19 is a wafer stage drive control section. Figure (B) (C)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)少なくとも2つの物理光学素子より成るアライメ
ントマークを各々設けた第1物体と第2物体とを対向配
置し、不均一な光強度分布の光束を放射する投光手段か
らの光束を、該第1物体と第2物体に設けた各々のアラ
イメントマークを介した後所定面上に導光し、該所定面
上における該光束の入射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
れ量の検出を行う際、該第1物体と第2物体のうち少な
くとも一方の物体面上に設けた2つのアライメントマー
クから射出する2つの光束の主光線の光路が、該主光線
を該物体面上に射影したとき互いに所定の角度で交叉す
るように該2つのアライメントマークの物理光学素子等
の各要素を設定したことを特徴とする位置検出装置。
(1) A first object and a second object, each provided with an alignment mark made of at least two physical optical elements, are placed facing each other, and a light beam from a light projecting means that emits a light beam with a non-uniform light intensity distribution is directed to the target object. By guiding the light onto a predetermined surface after passing through each alignment mark provided on the first object and the second object, and detecting the incident position of the light beam on the predetermined surface by a detection means, When detecting the amount of positional deviation relative to a second object, the principal rays of two light beams emitted from two alignment marks provided on the object surface of at least one of the first object and the second object are detected. A position detection device characterized in that each element such as a physical optical element of the two alignment marks is set so that the optical path intersects each other at a predetermined angle when the principal ray is projected onto the object surface.
(2)前記不均一な光強度分布はガウシアン分布である
ことを特徴とする請求項1記載の位置検出装置。
(2) The position detection device according to claim 1, wherein the non-uniform light intensity distribution is a Gaussian distribution.
(3)前記第1物体に設けた2つのアライメントマーク
と前記第2物体に設けた2つのアライメントマークは結
像作用を有していることを特徴とする請求項1記載の位
置検出装置。
(3) The position detection device according to claim 1, wherein the two alignment marks provided on the first object and the two alignment marks provided on the second object have an imaging function.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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