JPH04291103A

JPH04291103A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH04291103A
Application number: JP3057435A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Kitajima; 弘伸北島; Masaki Yamabe; 山部　正樹; Makio Fukita; 吹田　牧夫
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1992-10-15

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置検出装置に係り、
詳しくは、例えば、半導体露光装置の分野に用いて好適
な、精密に対象物の位置を検出する位置検出装置に関す
る。

【０００２】近年、半導体製造技術の発展に伴ってウェ
ハ基板上に形成する回路パターンの微細化と高集積化が
実現され、限られた基板面積内に非常に多くの回路素子
を集積したＬＳＩ（ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅ
ｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ）として実用化されてい
る。

【０００３】このようなＬＳＩの製造に際しては、回路
パターンをウェハ基板上に形成する微細加工技術が重要
であり、特に、ウェハ基板上の感光性の有機材料（ホト
レジスト）の厚い皮膜を回路パターンに従って選択的に
露光する処理行程が回路作成の成否を分ける決定的な要
因となっている。

【０００４】この処理行程に適用される製造装置として
、所定光源からのスポット光によってウェハ基板上に回
路パターンを露光する半導体露光装置が数多く開発され
ている。

【０００５】そこで半導体露光装置では、より微細な回
路パターンへの要求に対処するため、スポット光のスポ
ット径をより細くすることと、そのスポット光をウェハ
基板上に回路パターンに従って露光するための位置決め
をより精確に制御することが必要となり、特に、ウェハ
基板上の露光位置を精確に制御するためには、加工中の
ウェハ基板表面の位置を精確に検出する必要があり、高
精度の位置検出装置が要求される。

【０００６】

【従来の技術】従来のこの種の位置検出装置としては、
光源からのコヒーレント光を回折格子を用いた光学系に
より対象物の位置を検出する位置検出装置が知られてお
り、例えば、図７に示すような位置検出用の光学系を備
えたものがある。

【０００７】図７では、リニアフレネルゾーンプレート
（以下ＬＦＺＰとする）と回析格子を用いた位置検出用
の光学系の一例を示しており、光学系１は、レーザーチ
ューブ２、集束レンズ３、ミラー４、ＬＦＺＰ５、回析
格子６、フォトダイオード７、アンプ８から構成されて
いる。

【０００８】レーザーチューブ２から出力されるレーザ
ー光は、集束レンズ３により集束され、ミラー４で反射
されて入射光としてマスク面に形成されたＬＦＺＰ５を
通してウェハ面に形成された回折格子６に照射され、回
折格子６からの反射光は、再び、ＬＦＺＰ５を通してミ
ラー４に反射され、回析光（−１次光）としてフォトダ
イオード７で受光される。回析光は、フォトダイオード
７により光電変換され、アンプ８で増幅されて検出信号
として図外の制御系に出力されて、ウェハ表面に形成さ
れる回路パターンの位置が検出される。

【０００９】図８は、ＬＦＺＰ５と回折格子６の部分を
拡大して示す図であり、ＬＦＺＰ５とは、図８に示すよ
うに、光を透過させる透明部（図中、白抜き部分で示す
）と光を遮る遮光部（図中、黒色で示す部分）が交互に
その間隔が狭められるようにパターンが形成されており
、このパターンは、入射光を集光する性質を持ち、焦点
距離ｆとパターン配置は、次式１を充たすように設計さ
れている。

【００１０】

【数１】

【００１１】但し、λ：使用波長ｒｎ：中心軸から各透明部と遮光部までの距離（ｎ＝１
，２，３…）図８において、ＬＦＺＰ５は、回路パターンが印刷され
たマスク９面上に形成され、回折格子６は、ウェハ１０
面上に形成されており、ミラー４で反射された入射光は
、ＬＦＺＰ５によってさらに集光されて、回折格子６に
照射される。この時、回折格子（反射型位相格子）から
は、±ｎ次（ｎ＝０，１，２…）の回折光が発生し、こ
れらの回折光のうち図７に示す０次光の方向には、レー
ザー光が回折格子６に照射されていないときにも、常に
ウェハ面からの反射光が発生しているため、位置検出用
としては使用できない。このため光学系１では、０次光
がフォトダイオード７に入射しないように調整されてい
る。

【００１２】０次光以外の回折光は、いずれも位置検出
用として使用できるが、この例では、最も強度の大きい
、図７に示す−１次光のみを採用し、−１次光が最も効
率良く受光できる位置にフォトダイオード７を配置して
いる。回折光によってフォトダイオード７から出力され
る電気信号は、アンプ８で増幅された後、適当なＡＤ変
換、信号処理等を経て、ＬＦＺＰ５に対する回析格子６
の相対位置、ひいては、マスクに対するウェハの相対位
置の情報が得られる。

【００１３】図９に、このような回折信号の一例を示す
。図９は、ウェハ上の回折格子を格子の長手方向と直行
する方向にその位置を連続的に走査し、回折光の強度を
観察した場合の結果であり、ここでは、半値幅　〜１．
３μｍの範囲で所定の検出強度の信号が得られたことを
示している。このような検出信号を用いることによって
高精度に位置検出をすることが可能である。

【００１４】図９に示すような信号強度のガウス分布は
、概ね、以下のような光学的メカニズムによって発生し
ており、図１０〜図１２を参照して説明する。図１０に
示すような長手方向の幅：ｃの反射型の位相格子を考え
ると、位相格子の幅ａと幅ｂの段差は、入射光に位相差
：ｅｘｐ（ｉｋｘｘ）を与えるものであり、その反射率
は、格子部分で全て“１”、他部分は“０”とすると、
開口関数（ｅｘｐ（ｉｋｘｘ））：Ａ（ｘ，ｙ）は、

【
００１５】

【数２】

【００１６】と、積の形に分解でき、図１１と図１２の
ように示される。この位相格子に平面波を照射したとき
に、発生する回折波をＵＡ　とすると、Ｆｒａｕｎｈｏ
ｆｅｒ回折の理論により、回折波ＵＡ　は、次式で与え
られる。

【００１７】また、開口関数：Ａ（ｘ，ｙ）と回折波Ｕ
Ａ　の関係を図１１に示す。なお、開口関数とは、入射
光に対する複素変調関数である。

【００１８】

【数３】

【００１９】但し、

【００２０】

【数４】

【００２１】

【数５】

【００２２】（λ：使用波長）

【００２３】

【数６】

【００２４】

【数７】

【００２５】とする。

【００２６】

【数８】

【００２７】ここで、ＵＡＸ　を、開口関数がｅｉｄ　
の部分からのもの：ｕ１　、１の部分からのもの：ｕ２
　に分けると、

【００２８】

【数９】

【００２９】

【数１０】

【００３０】となり、

【００３１】

【数１１】

【００３２】から、回折光の強度：ＩＡ（ｋｘ，ｋｙ）
は、

【００３３】

【数１２】

【００３４】但し、

【００３５】

【数１３】

【００３６】

【数１４】

【００３７】

【数１５】

【００３８】

【数１６】

【００３９】

【数１７】

【００４０】

【数１８】

【００４１】

【数１９】

【００４２】

【数２０】

【００４３】

【数２１】

【００４４】で与えられ、回折光の発生する条件は、

【
００４５】

【数２２】

【００４６】すなわち、

【００４７】

【数２３】

【００４８】但し、ｎ＝±１，±２… となる。このｎに対応する回折光をｎ次光と呼ぶ。

【００４９】図１０の位相格子において、全値幅ｐ＝４
μｍ，半値幅ａ＝２μｍ，幅ｃ＝２μｍ，位相差ｄ＝π
／２，波長λ＝０．７８μｍ　，周期Ｎ＝１２８とした
場合の回折光のｋｘ　分布のシミュレーション結果を図
１３に示す。また、＋１次のｋｙ　分布を図１５に示す
。

【００５０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の位置検出装置に適用された光学系にあっては
、検出用の回折光によって得られる図９に示したような
信号強度の分布幅が入射光の分布幅に比べて広がってし
まうため、入射光の持つ位置情報を減少させるという問
題点があった。

【００５１】すなわち、図１６に示すように、入射光の
分布を、全値幅が２ωのガウス分布状のものであったと
すると、反射型の位相格子を走査して得られる回折光の
信号強度は、図１７に示すように、全値幅が２ω＋ｃと
なり、位相格子の長手方向の幅分だけ拡大され、入射光
分布がそのまま反映されず、高精度な位置検出を妨げる
要因となっていた。

【００５２】このような全値幅の増大を減らすため、幅
ｃを小さくすることが考えられるが、幅ｃを小さくしす
ぎると回折光が充分に受光できなくなり、信号強度を低
下させて信号のＳ／Ｎ比を劣化させることになるため、
実用的でない。

【００５３】また、位相格子の幅ｃをあまり大きくとる
ことができないため、回折光による信号を得る初期段階
では、他の部分との反射光の違いによって回折格子の位
置を検出することが困難であるといった問題もある。

【００５４】［目的］そこで本発明は、コヒーレント光
が走査される方向と直交する軸を境に開口関数が反対称
となる回折格子によって反射させることで、高精度な位
置検出装置を提供することを目的としている。

【００５５】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は上記目的達成のため、その原理図を図１に示すよう
に、格子状に開口関数がｅｉｄと１の領域ａ、ｂが周期
ｐで交互に配置されたものを、コヒーレント光の走査方
向ｘと直交する反対称軸ｔを境にその開口関数が反対称
となるように、それぞれ幅Ｌの格子Ｇと格子Ｇ’　を形
成している。

【００５６】

【作用】本発明では、光学素子がコヒーレント光の走査
方向と直交する軸を境に開口関数が反対称となるように
形成され、コヒーレント光による入射光がこの軸を通過
する際に発生する反射光の強度が極小にされ、該反射光
による検出信号が極小にされて、軸を通過する前後の反
射光によって検出される信号との対比により軸通過時の
検出信号の強度分布幅が入射光の強度分布幅のまま反映
される。

【００５７】すなわち、入射光により光学素子から反射
される位置検出用の反射光の強度と分布状態が入射光と
同等に反射されて、位置検出が精度良く行なわれ、位置
検出装置の高精度化が図られる。

【００５８】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
２〜図６は本発明に係る位置検出装置の一実施例を示す
図であり、図２は本実施例の位置検出装置に適用される
回折格子の構成を示す図である。

【００５９】なお、本実施例において、図２に示す回折
格子以外の構成部分は、図７に示した従来例の光学系と
同一構成であるため、図示及び説明は省略する。

【００６０】まず、構成を説明する。図２の回折格子１
１は、開口関数が“ｅｉｄ”と“１”の領域ａ（白抜き
部分）とｂ（黒色部分）が周期ｐで交互にＮ周期幅に配
置された格子１２と格子１３からなり、各格子１２，１
３は、軸ｔを境にそれぞ幅Ｌで開口関数が反対称となる
ように形成されている。なお、回折格子１１の軸ｔは、
位置検出装置にセットされる際に、入射光又は、回折格
子が走査される走査方向に対して直交するように配置さ
れる。

【００６１】この回折格子１１は、図３，４に示すよう
に、入射光に対して回折光を発生させる特性を有してい
る。図２および図３において、幅２ωの入射光ｆ（ｘ）
又は、回折格子の走査により入射光の中心と回折格子１
１の軸ｔが一致したとき（ｘ＝ｔ）、図４に示すように
、回折光によって出力される検出信号の強度が極小とな
り、このとき、検出信号の極小となる部分の全値幅は２
ωに保たれて、入射光の強度分布をそのまま反映する特
性を示している。

【００６２】次に作用を説明する。回折格子１１から発
生する回折光の光学的メカニズムについて説明する。図
２において、入射光は、ｘ＝０を中心とした幅２ωの矩
形状で、長手方向は、格子より大きなサイズを持つもの
とする。（全範囲で強度：１、均一な位相を持つ。）こ
の条件で、入射光に対して、回折格子１１を走査する時
の回析光の振幅：ＵＡＳは、次式で与えられる。

【００６３】

【数２４】

【００６４】但し、ＵＧ　，ＵＧ’　は、各格子１２，
１３からの回折光

【００６５】

【数２５】

【００６６】

【数２６】

【００６７】但し、Ｕ１　，Ｕ２　は、上記、従来の数
式９，１０で定義したもの（但し、ａ＝ｂ、ｐ＝２ａと
する）特に、ｎ次光が発生するとき、（ｋｘ＝２ｎπ／
ｐ，ｎ＝±１，±２…）

【００６８】

【数２７】

【００６９】で、

【００７０】

【数２８】

【００７１】

【数２９】

【００７２】だから、回折光の波動：ＵＡＳ（ｔ）は、

【００７３】

【数３０】

【００７４】となる。このとき、回折光強度：ＩＡＣ（
ｔ）は、次式で与えられる。

【００７５】

【数３１】

【００７６】よって、ｔ＝０のときの回析光強度：ＩＡ
Ｃ（０）は、次式で与えられる。

【００７７】

【数３２】

【００７８】さらに、ＩＡＳ（０）→０（ｋｙ　→０）
であるから、回折格子１１の反対称軸ｔが、入射光の中
心（ｘ＝０）にある時は、ｋｙ　＝０方向へ、ｎ次元（
ｎ＝±１，±２…）は発生しない。

【００７９】このときの回折光のｋｘ　分布とｋｙ　分
布（ｎ＝１）のシミュレーション結果を図５，６に示す
。これらの図により、回折格子１１では、ｋｙ　＝０方向
へは、０次元以外の回折光が発生していないことがわか
る。また、＋１次元方向は、ｋｙ　＝０を中心とした左
右の二方向を中心とした分布を示しており、確かに、ｋ
ｙ　＝０方向での強度は“０”となっている。なお、こ
のシミュレーションにおけるパラメータ設定は、格子の
周期ｐ＝４μｍ，ｐ＝２ａ＝２ｂ，位相差ｄ＝π／２，
波長λ＝０．７８μｍ　，周期Ｎ＝１２８となっている
。

【００８０】さらに、ｔ≦−ωの時の回折光強度分布は
、上記従来の位相格子のものと、全く同じであり、ω≦
ｔの時の回折光強度分布は、周期Ｎが充分大きければ、
ほとんど同じである。してがって、ｋｙ　＝０を中心と
した適当な範囲の回折光強度による検出信号を測定すれ
ば、信号の極小点として、反対称軸の位置を検出するこ
とができる。

【００８１】したがって、図４に示したような回折光に
よる検出信号の極小部分を位置検出信号として採用すれ
ば、入射光と同等の情報を保ったままの回折光強度と分
布の検出信号を得ることができ、高精度に対象物の位置
を検出することができる。

【００８２】また、回折格子１１の幅（２Ｌ）は、Ｌ≧
２ωである限り、回折光による位置検出部分には無関係
であるから、いくらでも大きくとることができ、回折信
号全体の全値幅は、Ｌを適当に大きくすることにより、
検出信号取得初期段階での回折格子１１の探索が容易な
サイズに任意に設定することができる。すなわち、検出
信号のＳ／Ｎ比を充分に確保することができる。

【００８３】なお、上記実施例では、回折格子１１を２
次元的に形成しているが、この形状に限らず、開口関数
が異なる２つの領域を交互に３次元的に形成しても良い
。

【００８４】

【発明の効果】本発明では、回折格子をコヒーレント光
の走査方向と直交する軸を境に開口関数が反対称となる
ように形成し、コヒーレント光による入射光がこの軸を
通過する際に発生する反射光の強度を極小とし、該反射
光による検出信号も極小として、軸を通過する前後の反
射光によって検出される信号との対比により軸通過時の
検出信号の強度分布を入射光の強度分布のまま反映する
ことができ、入射光により回折格子から反射される位置
検出用の反射光による位置測定信号の幅を入射光と同等
にすることができる。

【００８５】したがって、位置検出を精度良く行なうこ
とができ、位置検出装置の高精度化を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例の位置検出装置の原理説明図で
ある。

【図２】本発明一実施例の位置検出装置に適用された回
折格子の構成を示す図である。

【図３】本発明一実施例の入射光の強度分布を示す図で
ある。

【図４】本発明一実施例の回折光の強度分布を示す図で
ある。

【図５】本発明一実施例の回折格子による回折光のｋｘ
　分布を示す図である。

【図６】本発明一実施例の回折格子による回折光の＋１
次元のｋｙ　分布を示す図である。

【図７】従来例の光学系の概略構成を示す図である。

【図８】図７のＬＦＺＰと回折格子の構成を示す図であ
る。

【図９】従来例の検出信号の波形図である。

【図１０】従来例の位相格子における開口関数を示す図
である。

【図１１】図１０の開口関数を分解して得られる関数要
素を示す図である。

【図１２】図１０の開口関数を分解して得られる関数要
素を示す図である。

【図１３】従来例の開口関数と回折光の関係を示す図で
ある。

【図１４】従来例の位相格子による回折光のｋｘ　分布
を示す図である。

【図１５】従来例の位相格子による回折光の＋１次元の
ｋｙ　分布を示す図である。

【図１６】従来例の入射光の強度分布を示す図である。

【図１７】従来例の位相格子による回折光の強度分布を
示す図である。

【符号の説明】

１　　　　位置検出装置２　　　　レーザーチューブ３　　　　集束レンズ４　　　　ミラー５　　　　リニアフレネルゾーンプレート６　　　　回
折格子７　　　　フォトダイオード８　　　　アンプ１１　　　　回折格子１２，１３　　　　格子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からのコヒーレント光を所定の開口関
数を有する回折格子に照射し、該コヒーレント光または
、該回折格子を所定方向に走査するとき、該回折格子か
ら所定方向に発生する回折光を受光し、該受光強度によ
りコヒーレント光と回折格子の相対位置関係を検出する
位置検出装置において、前記回折格子を前記走査方向と
直交する軸を境に開口関数が反対称となるように形成し
たことを特徴とする位置検出装置。