JPH0429962B2

JPH0429962B2 -

Info

Publication number: JPH0429962B2
Application number: JP58049492A
Authority: JP
Priority date: 1983-03-24
Filing date: 1983-03-24
Publication date: 1992-05-20
Also published as: JPS59174707A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する分野の説明〕本発明は、互いにほぼ平行な状態で置かれた２
物体の相対的な位置を検出する装置に関し、特に
集積回路のマスクパターンを半導体等のウエハ上
に転写する装置において、両者の平面的な位置ず
れと両者の間隙とを検出する装置に関する。

〔従来の技術の説明〕

マスクと半導体ウエハ（以下ウエハと称する）
を近接又は接触させた状態でマスク上のパターン
をウエハ上の感光層に転写する装置においては、
マスクとウエハ間の位置合わせは10〜40μm程度
の微小間隙を置いてなされる。この時の位置合わ
せの精度の限界は位置ずれ量の検出誤差によつて
制限される。従来よりこのような位置ずれ量の検
出には、マスクとウエハを同時にレーザスポツト
で走査して所定のパターンによる回折光を検出す
る方法（例えば、特許出願公告昭54−24829）や、
高分解能を得る為にマスクパターン面とウエハ面
に対して２重焦点化した顕微鏡を用いる方法（例
えば、特許出願公告昭56−1777）が知られてい
る。前者に関してはレーザスポツトを集光し走査
する光学系の光軸方向にマスクとウエハが離れて
置かれている為に、レーザスポツトに集束する焦
点深度を深くする必要があり、従つてレーザスポ
ツトサイズを大きくすることになるので理想的な
ウエハ表面の状態でなければ検出精度が悪くな
り、2μm線幅以下の線を焼付ける装置においては
精度が不足する。後者に対しては、マスクとウエ
ハのパターン全体を照明して両者の物体面を同一
の像面に結像させて観察するので、高分解でかつ
高精度に位置ずれが検出できるはずである。しか
し、実際にはウエハ上の物質や段差形状の種類に
よつては反射率やコントラストの低いものがあつ
たり、位置ずれ検出に用いるパターン以外の部分
の表面が粗くなつていたりして、検出が不能な場
合があり、集積回路製造におけるすべてのマスク
層における位置合わせに対して精度が確保されて
いるわけではなかつた。特に、サブミクロンの線
幅を焼付けするＸ線露光装置においては悪くても
0.1μm以下の位置合わせ誤差しか許されない。従
つてウエハの色々な表面状態においてこれ以下の
誤差で位置ずれを検出することが必要であつた
が、満足し得る検出装置はなかつた。

また、このＸ線露光装置のように、マスクとウ
エハを所定の間隔すなわちプロキシミテイ・ギヤ
ツプに設定する場合、従来は別にギヤツプ設定装
置を設けていた。このギヤツプ設定装置は、例え
ばマスクのパターン面の位置とウエハ面の位置と
を静電容量の変化で検出することによつてギヤツ
プ設定が行なわれる。しかしながら露光位置とは
異なる位置でギヤツプが検出され、露光時にはそ
のギヤツプにマスクとウエハが設定されるように
線源の直下に運ばれる。このため、露光時と同一
の位置でギヤツプの検出を行ない、所定量に設定
することができず、サブミクロンの線幅を転写す
るための露光装置にとつては、はなはだ精度の低
いものであり、またスループツトも低いという欠
点があつた。

〔発明の目的〕

本発明は従来の装置におけるこれらの欠点を解
決し、広汎なウエハの表面状態に対して、良好な
位置ずれ検出を行なうとともに、マスクとウエハ
のギヤツプやウエハの露光時のフオーカスずれも
検出する検出装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

そこで本発明は、マスクやウエハのように互い
に位置合わせの為のアライメントマークを有する
第１平板と第２平板とを対向させたとき、両平板
の間隙方向に所定間隔だけ離れて結像する第１光
束と第２光束とをマスク側、すなわち光透過性の
平板側から照射する照射手段と、該２つの光束が
両平板の各マークを横切るように、所定の軌道範
囲内を走査するための光偏向器等の走査手段と、
第１光束の第１平板での結像状態と、第２光束の
第２平板での結像状態とを基づいて、２つの平板
の間隙方向の位置関係を検出する第１検出手段
と、第１光束により第１平板のマークから生じる
情報光と、第２光束により第２平板のマークから
生じる情報光とに基づいて、２つの平板の走査軌
道方向の位置関係を検出する第２検出手段とを設
け、２つの平板のギヤツプ検出と位置ずれ検出と
を、結像位置が異なる２つの光束の走査に基づい
て行なう位置検出装置を得ることを目的とする。

さらに本発明は、第１平板（マスク）に形成さ
れたパターンを第２平板（ウエハ）上の所定領域
に露光する際、マスクＭの透明領域１５１中に形
成された第１マーク１０Ａ，１０Ｂと、ウエハＷ
の所定の反射領域中に形成された第２マーク１１
との相対位置を検出する装置において、マスクＭ
の透明領域１５１内にウエハＷの第２マーク１１
が配置した状態で、第１マーク１０Ａ，１０Ｂと
第２マーク１１との位置検出方向に関して所定の
幅SLを持たせた照明光８Ｍ，８Ｗを透明領域１
５１を介してウエハＷへ照射する照射手段１，
２，３，４，５，６，７と、第１マーク１０Ａ，
１０Ｂから戻つてくる第１の光情報LMと、第２
マーク１１から発生してマスクＭの透明領域１５
１を介して戻つてくる第２の光情報LWと、ウエ
ハＷの第２マーク１１から所定量だけ位置検出方
向に離れた反射領域部分から発生して透明領域
（１５１内の部分１５１ａ）を介して戻つてくる
第３の光情報LW′とを共に検知する集光光学系７
と、この光学系７を介して検知された第１、第２
の光情報LM，LWに基づいて、第１マーク１０
Ａ，１０Ｂと第２マーク１１との相対的な位置ず
れ量を検出する第１の位置検出手段１４〜２０，
５３，１００〜１０９）と、集光光学系７を介し
て検知された第３の光情報LW′に基づいて、集光
光学系７の光軸方向に関するウエハＷの所定位置
からの変位置を検出する第２の位置検出手段２２
〜２９，５３，１０８，１１０〜１１６とを設
け、各位置検出手段の検出結果に基づいて、マス
クＭとウエハＷとの空間的な相対位置関係を３次
元に調整することを可能とした。

〔実施例の説明〕

次に本発明を実施例を用いて説明する。

第１図〜第７図は本発明の第１の実施例による
検出装置である。第１図において、レーザ光源１
より出たレーザ光LBはビーム径変換器２によつ
てビーム径を変更され、ほぼ平行光として、ガル
バノミラー等の光偏向器３に入射する。光偏向器
３によつて図中、紙面内で偏向されたレーザ光
LBはリレー光学系４を成すレンズ４ａ，４ｂ及
び２光束化光学系５に入射する。リレー光学系４
と２光束化光学系５は前後していてもよく、両者
が不可分の場合もある。２光束化光学系５は、偏
光成分によつて入射光束を２つに分け、両者のパ
ワーを異ならせる働きを持つている。６はビーム
スプリツターであり、結像光学系としての集光走
査レンズ７へレーザ光束を送ると共に、マスク
Ｍ、ウエハＷから生じる情報光のうち集光走査レ
ンズ７を逆入射してきた情報光を分岐させて検知
光学系の方へ送る働きを持つている。集光走査レ
ンズ７はレーザ光束を集束させ、マスクＭ及びウ
エハＷの表面にスポツト像を結像させるもので、
光偏向器３の働きでマスクＭ及びウエハＷの表面
に平行な面内で集束スポツト像を走査する。

２光束化光学系５は例えば光軸と直交する方向
に光学軸が定められた複屈折性結晶の部材５ａ，
５ｂより構成されている。部材５ａ，５ｂは具体
的には水晶等の結晶を凸レンズ又は凹レンズ状に
加工したもので、部材５ａ，５ｂの光学軸は互い
に垂直であり、一方は紙面に垂直である。また部
材５ａ，５ｂの両方が複屈折性結晶である必要は
なく、どちらか一方がガラスであつてもよい。レ
ーザ光LBは偏光成分が紙面に垂直なものと平行
なものを含むが、これらの偏光成分の光は部材５
ａ，５ｂによつてそれぞれ集束又は発散状態に差
がつけられ、集光走査レンズ７を通過すると、光
軸方向に予め所定間隔だけ離れた異なる面内に集
光される２つの光束になる。

従つて、２光束化光学系５の働きにより、レー
ザ光束は、集束光束の焦点深度を越えるような距
離ｇだけ離して置かれたマスクＭ及びウエハＷの
表面に別々に結像するような光束８Ｍ，８Ｗとな
る。マスクＭのウエハＷと対向する面側には転写
すべき回路パターン（不図示）と共に、位置合わ
せに用いる為のアライメントマーク１０Ａ，１０
Ｂが印されており、マスクＭのアライメントマー
ク１０Ａ，１０Ｂの近傍で、アライメントマーク
１０Ａ，１０Ｂのついていない部分は光束８Ｍ，
８Ｗに対して透過率が高く、アライメントマーク
１０Ａ，１０Ｂのついた部分は透過率が低くなつ
ている。ウエハＷにはアライメントマーク１１が
表面の微小な凹凸又は光の反射係数の差によつて
形成されている。アライメントマーク１０Ａ，１
０Ｂ及び１１は、マスクとウエハの間に位置ずれ
がなくなつた時に、アライメントマーク１０Ａと
１０Ｂの真中の真下にアライメントマーク１１が
あるように配置されている。尚、位置ずれとはマ
スクとウエハの平行な面内でのずれを言う。第２
図にはアライメントマークの望ましい形状の例を
示しており、マスクＭのアライメントマーク１０
Ａ，１０Ｂ及びウエハＷのアライメントマーク１
１は微小な長方形のパターンが整列してできてお
り、レーザ光が入射した場合には回折格子として
作用し、アライメントマークに入射した光を効率
よく入射方向以外の方向に回折する。集束光のウ
エハ又はマスクにおける形状は、円形でもよいが
アライメントマーク１０Ａ，１０Ｂ及び１１の格
子のピツチ方向に伸びた形状の方が回折光の指向
性が強くなり、検出に対して有利である。従つて
集束光はスポツト光SPのような細長い形状が望
ましく、走査方向Ｘの幅はできるだけ狭い方が検
出感度が上がる。以下、実施例ではこのような細
長いスポツト光を使うものとする。このような細
長い光束を形成するにはビーム径変換器２又はリ
レー光学系４においてシリンドリカルレンスを用
いて一方向のみ光束を拡大又は縮小させるか、又
は光束の一部をスリツト状の開口で切ることによ
つて得られる。尚、本実施例では実用上の問題も
含め、スポツト光SPの幅は、例えば5μm程度と
し、アライメントマーク１０Ａ，１０Ｂ及び１１
の走査方向Ｘにおける幅はスポツト光SPの幅と
等しいものとする。

さて光束８Ｍと光束８Ｗの偏光は互いに直交す
る直線偏光であり、アライメントマーク１０Ａ，
１０Ｂ，及び１１から生じる情報光のうち回折さ
れた光も光束８Ｍ，８Ｗの偏光状態が保存されて
いる。また光束８Ｍと光束８Ｗの光軸方向の焦点
差は、マスクＭとウエハＷの位置合わせ時の間隔
ｇと一致するように予め一定値に定められてお
り、光束８Ｍと光束８Ｗの集光点の、アライメン
トすべき方向、すなわち第１図中では左右方向
（Ｘ方向）の位置ずれはできるだけ小さくなるよ
うに関係づけられた状態で光偏向器３によつて、
図中左右方向に同時に走査される。走査中にアラ
イメントマーク１０Ａ，１０Ｂ，及び１１から生
じた情報光は第１図に示した集光走査レンズ７を
経て、ビームスプリツター６で分けられた後、ビ
ームスプリツター１２でさらに２つの分割され、
１２で反射された情報光は偏光ビームスプリツタ
ー１４に入射する。偏光ビームスプリツター１４
は、直交する偏光成分の光のうち、一方は反射、
一方は透過する働きを持つ。すなわちマスクＭに
集束した光のうち光束８Ｍの照射によりアライメ
ントマーク１０Ａ又は１０ＢあるいはマスクＭそ
のものから生じた情報光LMと、ウエハＷの表面
を照射した光のうち、光束８Ｗの照射によりアラ
イメントマーク１１あるいはウエハＷの表面から
生じた情報光LWを偏光の方向の違いを利用して
分離する。さて、マスクのマーク１０Ａ，１０Ｂ
を検出するために、空間フイルター１５は情報光
LMのうち回折光を選択的に透過させ、その回折
光は集光レンズ１６によつて光電変換器１７に集
光される。一方、ウエハＷのマーク１１を検出す
るために、空間フイルター１８は情報光LWのう
ち回折光を選択的に透過させ、その回折光は集光
レンズ１９によつて光電変換器２０に集光され
る。

尚、この偏光ビーム・スプリツター１４、空間
フイルター１５，１８、集光レンズ１６，１９及
び光電変換器２０により、本発明における第２検
出手段を構成する。

また、空間フイルター１５，１８の形状は第３
図に示すように、ストライプ状の遮光部１５ａ，
１８ａはマスクＭ又はウエハＷからの情報光のう
ち正反射された光即ち０次回折光を遮光する部分
であり、遮光部１５ａ，１８ａの両脇は光透過性
の透明部１５ｂ，１８ｂである。回折光は透明部
１５ｂ，１８ｂの位置に入射するので、回折光の
みを選択的に透過させることができる。空間フイ
ルター１５及び１８は集光走査レンズ７に対し、
マスクＭ及びウエハＷのフーリエ変換面にできる
だけ近い面に設置した方が、回折光の選択比が上
昇する。尚、遮光部１５ａ，１８ａの長手方向
と、スポツトSPの走査方向とは一致しており、
さらに、遮光部１５ａ，１８ａの幅SSは、スポ
ツトSPの長手方向の大きさに対応して、正反射
光が遮光されるように定められている。

さて、第１図の説明にもどつて、ビームスプリ
ツター６で反射されたマスクＭ、ウエハＷからの
情報光のうち、ビームスプリツター１２を透過し
てきた情報光は焦点検出光学系に入射する。ビー
ムスプリツター１２を透過したほぼ平行な情報光
はレンズ２２によつて集光される。その集光光束
は偏光ビームスプリツター２３によつて偏光成分
に応じて２つに分けられる。これは偏光ビームス
プリツター１４とまつたく同様に働き、情報光
LM′とLW′に分離される。情報光LM′は光透過部
と遮光部とがストライプ状に一定ピツチで繰り返
し設けられた格子部材２４を照射する。この格子
部材２４は、集光走査レンズ７で結像された光束
８Ｍの結像面と共役になる位置に配置されてい
る。

従つて光束８ＭがマスクＭ上に結像すると、そ
のスポツト光の像が格子部材２４上に結像する。
また格子部材２４の格子要素の配列方向はスポツ
ト光の走査方向に一致している。そして集光レン
ズ２５は格子部材２４を透過する光束を、光電変
換器２６上に集光する。一方、偏光ビームスプリ
ツター２３を透過した情報光LW′は、格子部材２
４と同様な格子部材２７を照射する。この格子部
材２７は、光束８Ｗの結像面と共役になる位置に
配置されるとともに、格子要素の配列方向がスポ
ツト光の走査方向と一致するように定められてい
る。そして、集光レンズ２８は格子部材２７を透
過した光を光電変換器２９上に集光する。

また、上記格子部材２４は第４図のように、光
透過部２４ａと遮光部２４ｂが一定ピツチで交互
に配列され、格子部材２４と情報光LM′の結像位
置とが一致したとき、すなわち、格子部材２４上
に光束８Ｍによるスポツト光の像SP′が結像した
とき、スポツト光の像SP′の幅と透明部２４ａの
幅とが等しくなるように定められている。尚、格
子部材２７についても同様であり、２７上に光束
８Ｗによるスポツト光の像が結像したとき、その
像の幅と透過部の幅とが等しくなるように定めら
れている。従つて光束８ＷがウエハＷに結像し、
光束８ＭがマスクＭに結像するように、マスクＭ
やウエハＷを上下動させて焦点合わせすることに
より、マスクＭとウエハＷのギヤツプを所定の値
に設定することができる。尚、上記、レンズ２
２、偏光ビームスプリツター２３、格子部材２
４，２７、集光レンズ２５，２８、及び光電変換
器２６，２９により、本発明における第１検出手
段を構成する。

第５図は、マスクＭとウエハＷを位置合わせし
たり焦点合わせするための制御装置のブロツク図
である。

光偏向器３は光偏向器駆動部５０によつて駆動
され、光偏向器駆動部５０は発振器５１（以下
OSC５１）から基準クロツク信号CLKの供給を
受けて、このクロツク信号CLKを分周し、基準
クロツク信号CLKに周期して光偏向器３を駆動
する。この光偏向器３は、例えば前述のようにガ
ルバノ・ミラーであり、このミラーはクロツク信
号CLKの周波数よりも十分低い周波数で振動し、
光束８Ｍ，８Ｗをアライメントマーク１０Ａ，１
０Ｂの間隔よりも大きな振幅で往復走査する。

制御手段５２はクロツク信号CLKを入力する
と共に位置合わせ用の光電変換器１７，２０の両
光電信号を入力して、それら光電信号がピークと
なる時間間隔に対応する信号CLKのクロツク数
をマイクロコンピユータ５３（以下CPU５３と
する）等の演算手段の介在により求めることによ
つてアライメントマーク１０Ａ，１０Ｂ及び１１
の光束８Ｍ，８Ｗの走査方向の位置ずれ量を検出
する。また制御手段５２は、焦点合わせ用の光電
変換器２６，２９の両光電信号を入力して、その
大きさから焦点ずれ量を検出する。それら検出さ
れた位置ずれ量や焦点ずれ量に応じて、駆動手段
５４はマスクＭを保持するマスクホルダー５５を
上下（〜レンズ７の光軸方向）及び水平方向（ス
ポツトの走査方向）に移動させ、駆動手段５６は
ステージ５７を水平方向に移動させると共に、ウ
エハＷを載置するウエハホルダー５８をステージ
５７に対して上下に移動させる。

尚、光偏向器駆動部５０からは信号CLKの分
周タイミングに応じたパルス信号CSが出力され
ている。

このパルス信号CSの１周期はガルバノ・ミラ
ー３の１往復の振動周期と一致しており、光束８
Ｍ，８Ｗの走査軌道中の所定位置に対応してパル
ス信号CSが発生する。

第６図は第５図の制御手段５２中、マスクＭと
ウエハＷの位置ずれ量を検出するための回路ブロ
ツク図である。光電変換器１７，２０の各光電信
号は電流電圧変換形の増幅器１００，１０１にそ
れぞれ入力する。増幅された信号e₁，e₂は各々ピ
ーク検出回路１０２，１０３に入力する。ピーク
検出回路１０２，１０３は信号e₁，e₂がピークと
なる時点でパルス信号P₁，P₂を出力する。すな
わち、パルス信号P₁，P₂はスポツト光がアライ
メントマークと一致したとき出力される。パルス
信号P₁，P₂は切替回路１０４に入力し、CPU５
３の指令信号S₁に応答して、パルス信号P₁，P₂
のうちいずれか一方をアンド回路１０５に出力す
る。一方、光偏向器駆動部５０からのパルス信号
CSは、フリツプフロツプ１０６（以下、FF１０
６とする）に入力する。またこのFF１０６の出
力信号STは前記アンド回路１０５に入力すると
共に、クロツク信号CLKを入力するアンド回路
１０７にも入力する。アンド回路１０７は信号
STの論理状態に応じてクロツク信号CLKをカウ
ンタ回路１０８（以下CNT１０８とする。）に出
力する。CNT１０８はアンド回路１０７からの
クロツク信号CLKのクロツク数を計数し、その
計数値が所定値になつたとき、パルス信号Ｚを出
力するとともに、信号Ｚをクリア入力CLに供給
して、計数値を零にリセツトする。また、この信
号ＺはFF１０６の他方の入力にも印加される。
このため、FF１０６はパルス信号CSに応答し
て、信号STを「１」にセツトし、パルス信号Ｚ
に応答して信号STを「０」にリセツトする。

さて、CNT１０８の計数値は、ラツチ回路１
０９（以下LT１０９とする）を介してCPU５３
に読み込まれる。このLT１０９はアンド回路１
０５の出力信号S₂に応答してCNT１０８の計数
値をラツチする。またCPU５３は信号S₂を入力
して、LT１０９でラツチされた計数値を読み込
む際のタイミングとする。

第７図は第５図の制御手段５２中、マスクＭ、
ウエハＷの光束８Ｍ，８Ｗからの焦点ずれを検出
するための回路ブロツク図である。光電変換器２
６，２９の各光電信号は増幅器１１０，１１１に
各々入力する。その増幅された信号e₃，e₄は、
CPU５３の指令信号S₃によつて切替えられる切
替回路１１２に入力する。この切替回路１１２は
指令信号S₃の論理状態に応じて、信号e₃，e₄のう
ちいずれか一方を、振幅検出回路１１３に出力す
る。振幅検出回路１１３は、信号e₃又はe₄が交流
信号となるため、その最大値と最小値の差に応じ
た信号をアナログ・デジタル変換器１１４（以
下、Ａ／Ｄ１１４とする）に出力する。Ａ／Ｄ１
１４で変換された振幅値に相当するデジタル信号
は、CPU５３に読み込まれる。

一方、第６図で示したCNT１０８の計数値は、
比較回路１１５（以下CP１１５とする）によつ
て、設定回路１１６にセツトされた設定値Ｋと比
較される。CP１１５はその計数値と設定値Ｋと
が等しくなつたとき、一致パルス信号S₄を出力す
る。一致パルス信号S₄はCPU５３に入力して、
Ａ／Ｄ１１４のデジタル値の読み込みタイミング
を決定する。さらに、信号S₄はＡ／Ｄ１１４の変
換タイミングを決定するためにも使われる。具体
的には、Ａ／Ｄ１１４をサンプル・ホールド形の
回路構成として、一致パルス信号S₄に応答して、
振幅検出回路１１３の出力信号をサンプル・ホー
ルドするようにする。また、設定回路１１６は
CPU５３の出力情報に応じて設定値Ｋが変化す
るように構成されている。

次に、本実施例の動作を説明するが、本実施例
の装置では、第８図、第９図に示すようなマスク
ＭとウエハＷとを用いるものとする。第８図はマ
スクＭとウエハＷをマスクＭ側から見た図であ
り、光束８Ｍ，８Ｗの走査軌道SLに対するアラ
イメントマーク１０Ａ，１０Ｂ、及び１１の位置
合わせ後の配置を示す。第９図は軌道SLにおけ
る断面図である。第８図で破線で示した矩形領域
１５０はマスクＭ上で位置ずれ検出と焦点ずれ
（ギヤツプずれ）検出を行なうための領域であり、
この矩形領域１５０内には、光が透過するように
窓１５１が形成されている。そして窓１５１内に
はアライメントマーク１０Ａ，１０Ｂが平行に所
定間隔（例えば40μm）で設けられている。窓１
５１は、マスクＭの裏面に、第９図のように反射
性の層１５１′を設けることによつて形成される。
この窓１５１内で、アライメントマーク１０Ａ，
１０Ｂは第８図中左側によせて設けられ、右側部
分１５１ａは透明のままである。またアライメン
トマーク１０Ａは層１５１′に近接して設けられ
る。一方、ウエハＷ上のアライメントマーク１１
は、位置合わせされると第８図のようにマーク１
０Ａ，１０Ｂにはさみ込まれるように位置する。
そして、走査軌道SLの中間点付近にマーク１１
が位置するように、マスクＭやウエハＷがアライ
メントされる。尚通常、ウエハＷの表面には、光
束８Ｍ，８Ｗに対して透明なフオトレジスト層
PRが塗布されており、窓１５１内の右部分１５
１ａと対向したウエハＷ上の領域は光束８Ｍ，８
Ｗに対して反射性を示すものとする。さらに、光
束８Ｍ，８Ｗが第８，９図のように、層１５１′
を照射するとき、マスクＭが光束８Ｍの焦点位置
と一致していれば、図のように光束８Ｍのスポツ
ト光SPMのサイズは最小になり、光束８Ｗのス
ポツト光SPWのサイズは、スポツト光SPMのサ
イズよりも大きくなる。もちろん、ウエハＷが光
束８Ｗの焦点位置と一致していれば、スポツト光
SPWのサイズはウエハＷ上で最小になる。そし
て、スポツト光SPMの最小サイズとスポツト光
SPWの最小サイズとは等しくなるように定めら
れている。尚、第８図のように、スポツト光の往
復走査軌道SLの長さは、マスクＭのアライメン
ト・マーク１０Ａ，１０Ｂの間隔よりも十分に大
きくなるように定められている。

さて、第９図のようにマスクＭに光束８Ｍが結
像し、ウエハＷに光束８Ｗが結像するように、マ
スクＭとウエハＷとが所定ギヤツプで位置した状
態で、マスクＭとウエハＷの走査軌道SL方向の
位置合わせを行なう動作について、さらに第１０
図のタイミングチヤート図に基づいて説明する。

第１０図ａは横軸に時間ｔ、縦軸にスポツト光
SPM，SPWの走査位置を表わしたスポツト光の
走査波形である。この走査波形中、走査軌道SL
の振動中心PO付近の走査範囲SL１は時間ｔと走
査位置との関係が極めて直線性よく保たれてい
る。第１０図ｂはクロツク信号CLKを表わし、
第１０図ｃはクロツク信号CLKを分周したパル
ス信号CSを表わし、信号CSの発生タイミングは
第１０図ａの走査波形上最低となる付近、すなわ
ち走査の折り返し付近、本実施例では第８図で走
査軌道SLの左端の位置と一致する。しかも走査
波形の周波数は信号CSの周波数と一致している。

さて、この走査波形の通りスポツト光SPM，
SPWがアライメント・マークを走査し、スポツ
ト光SPMとマーク１０Ａ，１０Ｂとが一致する
と、マーク１０Ａ，１０Ｂから回折光が生じる。
この様子を第１１図に示す。第１１図はマスクＭ
のアライメントマーク１０Ａ及び１０Ｂの回折格
子としての機能を示す図であり、格子定数（ピツ
チ）をｄ、マスクＭに対して垂直に入射する光束
８Ｍの波長をλとすると、±１次回折光l¹及びl^-1
の射出角θは θ＝Sin^-1ｄ／λ (A) となる。ウエハＷ上のアライメントマーク１１に
対しても同様な関係が成り立つ。ここで、マスク
Ｍのアライメントマーク１０Ａ，１０Ｂの格子定
数は一致している必要があるが、ウエハＷのアラ
イメントマーク１１の格子定数は必ずしもアライ
メントマーク１０Ａ，１０Ｂの格子定数と一致し
ている必要はない。その場合、第３図に示した空
間フイルター１８の形状寸法、特に遮光部１８ａ
の幅SSは空間フイルター１５のものと異なる。
アライメントマークによる回折光のうち何次の回
折光まで検出できるかはアライメントマークを形
成する格子のピツチ及び、集光走査レンズ７の開
口数によつて決まるが、少なくとも±１次光まで
検出する必要がある。

さて、第６図の検出回路で、CPU５３の信号
S₁により切替回路１０４はａ側に切替えられる。
光電変換器１７はアライメントマーク１０Ａ，１
０Ｂからの回折光を光電変換するので、増幅器１
００の出力信号e₁は第１０図ｄのようになり、そ
のピークに応じて発生するパルス信号P₁は第１
０図ｅのようになる。ここでパルス信号P₁が、
スポツト光SPMの走査軌道SL中の直線性のよい
走査範囲SL１内で発生するようにマスクＭは概
ね位置決めされているものとする。

第６図で、CNT１０８の計数値は初期状態と
して零であるものとする。FF１０６がパルス信
号CSを入力することにより、信号STは第１０図
ｆのように時間t₁で「０」から「１」になる。一
方、信号STが「１」になることによつて、アン
ド回路１０７はゲートを開き、クロツク信号
CLKをCNT１０８に印加し、CNT１０８は計数
を開始する。CNT１０８は第１０図ａの走査波
形上時間t₂で波形が最大となる位置、すなわち往
復走査の一方向の走査終了位置（第８図中、走査
軌道SLの右端）までに発生するクロツク信号
CLKのクロツク数を計数すると、信号Ｚを出力
する。従つて、時間t₂においてFF１０６はリセ
ツトされ信号STは「１」から「０」になる。さ
て、信号STが「１」の間、アンド回路１０５は
ゲートを開き、信号P₁のうち、スポツト光SPM
の一方向の走査期間中に生じるパルスを第１０図
ｇのように信号S₂として出力する。このためLT
１０９は時間T_a中に計数されたクロツク数Ａ及
び時間t_b中に計数されたクロツク数Ｂをラツチす
る。そしてCPU５３は信号S₂に応答して、クロ
ツク数Ａ，Ｂを読み込む。この動作は、スポツト
光SPMが数往復する間に順次数Ａ，Ｂを読み込
み、CPU５３中のメモリに記憶した後、記憶し
た複数の数Ａ及び数Ｂを平均すれば、ランダム誤
差が低減され、より正確なものとなる。この時、
もし数Ａが小さすぎたり、数Ｂが大きすぎたりす
る場合は、アライメント・マーク１０Ａや１０Ｂ
がスポツト光SPMの直線的な走査範囲SL１から
はずれているので、CPU５３は、第５図に示し
た駆動部５４を作動して、マスクホルダー５５を
走査軌道SLの方向に微動させる。そして、微動
後の位置で、同様にアライメントマーク１０Ａ，
１０Ｂの位置に対応した数Ａ，Ｂを検出する。

次にCPU５３は信号S₁によつて切替回路１０
４をｂ側に切替える。この場合、光電変換器２０
はウエハＷのアライメントマーク１１からの回折
光を光電変換するので、増幅器１０１の出力信号
e₂は第１０図ｈのようになり、パルス信号P₂は第
１０図ｉのようになる。さて、CNT１０８は信
号STが「１」となる時点からクロツク信号CLK
を計数するから、LT１０９にはパルス信号P₂が
出力されたときの数Ｃがラツチされる。この数Ｃ
もCPU５３に読み込まれ、メモリに記憶される。
この動作のときも、スポツト光SPWの複数回の
走査に渡つて数Ｃを求め、平均することによつ
て、ランダム誤差が低減される。

次にCPU５３は、上記数Ａ，Ｂ，Ｃに基づい
て、マスクＭとウエハＷの走査軌道SL方向のず
れ量を演算する。具体的には、 X₁＝Ｃ−ＡとX₂＝Ｂ−Ｃとを求め、その量
X₁，X₂から、ずれ量△Ｘ＝X₁−X₂＝2C−（Ａ＋
Ｂ）を求める。このずれ量△ＸがマスクＭとウエ
ハＷのアライメント誤差であり、CPU５３は駆
動部５６を作動させて、ステージ５７を△Ｘに応
じた量だけ走査方向Ｘに移動させる。これによ
り、マスクＭのアライメントマーク１０Ａ，１０
Ｂの間に、ウエハＷのアライメントマーク１１が
正確にはさみ込まれ、マスクＭとウエハＷの一次
元の位置合わせが終了する。

また、第１０図に示した量X₁，X₂に対するク
ロツク数は、スポツト光SPM，SPWがアライメ
ント・マーク１０Ａからアライメントマーク１１
まで走査する時間t_x1と、アライメントマーク１
１からアライメント・マーク１０Ｂまで走査する
時間t_x2とに対応している。スポツト光SPM，
SPWは走査範囲SL１内では等速直線走査である
から、走査速度ｖも一定である。そこで、時間
t_x1，時間t_x2、及び速度ｖから、△Ｘ＝ｖ／２（時間 t_x1−時間t_x2）として、アライメント誤差量を求
めてもよい。

また、第９図のように、マスクＭに光束８Ｍが
結像している場合は、第１０図ｄのように信号e₁
はアライメントマーク１０Ａ，１０Ｂに対応して
２つのピークが連続する。しかし、光束８Ｍがマ
スクＭからデフオーカスして、その結像位置がウ
エハＷ側に近づくと、光束８Ｍのスポツト光
SPMがウエハＷのアライメントマーク１１を走
査したとき、信号e₁に、アライメントマーク１１
からの回折光に対応したレベル変化が生じる。そ
のレベル変化でマーク１１をマーク１０Ｂとして
誤検出することも考えられる。このため正確に
は、マスクＭ、ウエハＷをそれぞれ光束８Ｍ，８
Ｗに焦点合わせしてから位置合わせすべきであ
る。しかしながら、アライメントマーク１０Ａ，
１０Ｂの間隔を大きくして、位置合わせ動作中、
アライメントマーク１１が走査軌道SL方向にマ
ーク１０Ａ，１０Ｂから十分離れるようにしてお
けば、信号e₁にアライメントマーク１１からの回
折光によるレベル変化が生じても、アライメント
マーク１０Ａ，１０Ｂの間隔が予め決まつている
ことから、アライメントマーク１０Ａ，１０Ｂの
位置は時間的に分離して検出可能である。

以上で光偏向器３はガルバノミラーを用いたも
のとして説明したが、集束スポツト光を等速直線
走査できる光偏向器は他にもあり、例えば回転ポ
リゴンとfθレンズを組み合わせたものや、超音波
偏向器等も利用できる。特に、回転ポリゴンを用
いる場合、２つの集束スポツト光は一方向にのみ
等速走査される。このため、マスクＭとウエハＷ
の位置ずれ検出のための走査範囲、及び焦点検出
のための走査範囲は、本実施例のように定める必
要はなく、例えば走査軌道の前半をアライメント
に使い、後半をギヤツプ設定に使うようにしても
よい。また、その場合、走査軌道中、アライメン
トマークからの情報光を検出した付近を、位置合
わせのための走査範囲として設定した後、その走
査範囲以外の範囲をギヤツプ設定のために設定す
るようにしてもよい。すなわち走査軌道中、ギヤ
ツプ設定のための第１部分と、位置合わせのため
の第２部分とを、アライメントマーク１０Ａ，１
０Ｂ，１１の走査軌道内の位置に応じて可変でき
るようにしておく。このように、回転ポリゴンを
用いて光束８Ｍ，８Ｗを直線等速走査すると、前
述の往復走査のように、アライメントマーク１０
Ａ，１０Ｂ，１１がスポツト光の振動中心近傍か
ら大きくずれていた場合を何ら考慮することな
く、極めて簡単に位置合わせできることになる。

また第１０図ａにおいてはスポツト光SPM，
SPWの位置を１つの波形で表現したが、厳密に
表現すれば、マスクＭの面に対する集束スポツト
光SPMと、ウエハＷの表面に対する集束スポツ
ト光SPWの位置は異なつているので、第１０図
ａでは２本の線となる。光学系の構成のし方によ
つてはそれらの２つのスポツト光の位置誤差が許
容できない場合も考えられるが、その場合にも直
線性のよい走査範囲SL１の傾き及び時間に対す
る位置が異なるだけで、走査位置はそれぞれのス
ポツト光に対して再現する。この場合には、走査
範囲SL１のうち決まつた位置に、マスクＭ又は
ウエハＷのいずれか一方のアライメントマークを
位置決めした後に、マスクＭとウエハＷのアライ
メントマークの位置ずれを検出する。こうすると
常に一定のオフセツトの残つた位置ずれ量が得ら
れるので、このオフセツトを別の方法、例えば位
置ずれ評価の為の露光によりウエハＷ上のレジス
ト層PRにマスクＭのパターンを転写して、位置
ずれ検出に用いた下地のパターンとの位置ずれを
測定しておき、測定値から差引けばよい。

さて、マスクＭやウエハＷをマスクホルダー５
５やウエハホルダー５８に設置して対向させた
際、光束８Ｍ，８Ｗが正確にマスクＭ、ウエハＷ
に結像しているとは限らない。そこで本実施例で
はスポツト光SPM，SPWの走査軌道SL中、直線
性の悪い部分、すなわち走査範囲SL１以外の走
査領域で、マスクＭやウエハＷから生じるスポツ
ト光の反射光を光電検出して、スポツトサイズの
変化から焦点合わせするようにした。

以下、その焦点合わせの動作及びギヤツプ設定
について、さらに第１２図、第１３図に基づいて
説明する。マスクＭに対してもウエハＷに対して
も焦点検出の基本原理は同じであるので、マスク
Ｍの焦点検出の動作についてのみ説明する。第１
２図は焦点検出光学系の模式図であり、第１図に
おいて偏光ビームスプリツター２３で分けられる
情報光LM′について示したものである。レーザ光
束LBはビームスプリツター６を介して集光走査
レンズ７に入射し、そのうち光束８Ｍは集光走査
レンズ７によつて面６０に結像されている。この
時面６０より集光走査レンズ７と反対側にｄだけ
離れた位置に、マスクＭの反射面があつたとす
る。反射面はマスクＭの不透明部を形成する金属
膜の表面、すなわち第９図の層１５１′の表面で
あつても良いし、マスクＭを構成する薄膜の透明
部のどちらかの表面、又はその中間的な面であつ
てもよい。但し、透明部を用いる場合は、光束を
入射させる位置に不透明部が形成されていないこ
とが必要であるし、マスクの透明薄膜の厚さは１
〜2μmのものが最もよく使用され、焦点深度ので
きるだけ浅いような集光状態を実現しようとして
も実用的には焦点深度として１〜2μmが限界であ
るので、実際にはマスクの両面からの反射光束が
重なつたものとして観測される。第１２図では簡
単の為にマスクＭの層１５１′の表面を１つの反
射面で表わしている。マスクＭの反射面により面
６０の鏡像が、反射面からｄだけ離れた点６１に
できると考えられるので、光束８Ｍは集束光束６
２となり、集光走査レンズ７に逆入射し、ビーム
スプリツター６、及び結像レンズ２２によつて面
６３上に微小スポツト像を結ぶ。もちろん、この
像は情報光LM′のみが偏光により分離されてい
る。このとき面６３の格子部材２４からのずれ量
ｅは、集光走査レンズ７と結像レンズ２２の焦点
距離をそれぞれf₁，f₂として、ｅ＝２（f₂／f₁）²dと表わされる。さて、この状態で、格子部材２４には
情報光LM′が結像していないので、第４図に示し
たスポツト光の像SP′の幅は格子の透過部２４ｂ
の幅よりも大きくなつている。さらに、光偏向器
３の働きにより、光束８Ｍは往復走査されるの
で、情報光LM′も格子部材２４を第４図のように
格子配列方向に走査される。このとき、光電変換
器２６は第１３図ａのように、最大値と最小値の
差がa₁、すなわち変調成分a₁の交流の光電信号を
出力する。また、マスクＭが光軸に沿つたＺ方向
で、集光走査レンズ７に近づく方に移動し面６０
と一致すると、情報光LM′は、第４図のように格
子部材２４上に結像し、このとき情報光LM′は格
子部材２４の透明部２４ａを全て透過する。この
ため、第１３図ｂに示すように、光電変換器２６
は変調成分a₁よりも大きい変調成分a₂の光電信号
を出力する。さらにマスクＭが集光走査レンズ７
の方に近づき、面６０から距離ｄだけ集光走査レ
ンズ７側に位置すると、情報光LM′は面６４に結
像する。この場合も、光電変換器２６は第１３図
ａのように変調成分a₁の光電信号を出力する。そ
してさらにマスクＭがレンズ７に近づくと、光電
変換器２６の光電信号は第１３図ｃのように変調
成分a₃となり、変調成分a₁，a₂よりも小さくな
る。以上の様子をまとめると、第１３図ｄのよう
になる。第１３図ｄは縦軸に光電変換器２６の光
電信号の変調成分の大きさを表わし、横軸にマス
クＭのＺ方向の位置を表わしたもので、位置Ｏで
変調成分は最大となる。この最大となるマスクＭ
の位置で、光束８Ｍの結像面（面６０）とマスク
Ｍの表面（層１５１′の表面）とが一致（合焦）
したことになる。

もちろん、ウエハＷの焦点検出も同様であり、
光電変換器２９の光電信号の変調成分が最大とな
ることから、ウエハＷの表面と光束８Ｗの結像面
とが一致したことを検出する。

さて、第７図の回路ブロツクで、CPU５３は
焦点合わせに際して、指令信号S₃を出力して、切
替回路１１２をａ側に切替える。増幅器１１０は
光電変換器２６の交流の光電信号を増幅した信号
e₃を出力する。

また、CPU５３は設定回路１１６に設定値Ｋ
を設定する。この値ＫはマスクＭの焦点合わせの
ために、第８図、９図のようにスポツト光SPM
が窓１５１の層１５１′を走査する期間内に発生
するクロツク信号CLKのクロツク数よりも小さ
い値に定められている。

従つて、CNT１０８が時間t₁から計数を開始
し、その計数値が値Ｋと一致すると、CP１１５
は第１０図ａ中、時間t_a内の時間t_nでパルス信号
S₄を出力する。そのときＡ／Ｄ１１４は、振幅検
出回路１１３の出力信号、すなわち第１３図に示
した変調成分の大きさをデジタル値を変換する。
CPU５３はパルス信号S₄の発生後、Ａ／Ｄ１１
４の出力デジタル値を読み込み、メモリ中に記憶
する。

次にCPU５３は、第５図に示した駆動部５４
を作動してマスクホルダー５５を一定の微小量、
例えば0.5μmずつ集光走査レンズ７の光軸方向に
移動させる。そして同様に、信号e₃の変調成分の
大きさをデジタル値に変換して、CPU５３のメ
モリに記憶する。以上のことを順次繰り返した
後、CPU５３は記憶された変調成分の大きさが
最大となるマスクＭの光軸方向の位置を求める。
そして、マスクＭがその位置にくるようにマスク
ホルダー５５を戻すことによつて、光束８Ｍはマ
スクＭの層１５１′の表面に焦点合わせされる。
このように、マスクＭの焦点合わせのための光電
検出は、スポツト光SPMの走査軌道SL中、直線
性の悪い走査範囲で行なわれる。

さて、ウエハＷの焦点検出のためには、CPU
５３が指令信号S₃を出力して、切替回路１１２を
ｂ側に切替える。またCPU５３は設定回路１１
６にスポツト光SPWの走査終了時点、すなわち
第１０図で時間t₁からt₂まで計数されるクロツク
信号CLKのクロツク数よりも少ない値Ｋを設定
する。従つて、スポツト光SPWが第８図に示し
た窓１５１の右側部分１５１ａを走査していると
き、CNT１０８の計数値と、その設定値Ｋとが
一致し、CP１１５は第１０図ａ中、時間t_wにて
パルス信号S₄を出力する。この発生タイミングに
よりＡ／Ｄ１１４は信号e₄の変調成分の大きさを
デジタル変換し、CPU５３はそのデジタル値を
メモリに記憶する。そしてCPU５３は駆動部５
６を作動して、ステージ５７上のウエハホルダー
５８を一定量上下動させる。以上のことを順次繰
り返すことにより、マスクＭと同様にウエハＷを
光束８Ｗの結像面に一致させることができる。

尚、本実施例の焦点検出では、格子部材２４，
２７上をスポツト光SPM，SPWの像が移動しな
いと交流の光電信号が得られないので、第１０図
ａの走査波形中、走査方向が反転する時点ではパ
ルス信号S₄が出ないように、設定値Ｋが定められ
ている。

上記マスクＭ、ウエハＫの焦点検出は、走査軌
道SL中の走査範囲SL１以外の領域で行なうもの
としたが、必ずしもその必要はなく、直線性の良
い走査範囲SL１が広ければその走査範囲SL１内
で焦点検出することができる。

また、焦点検出を行ない、光電信号の変調成分
が概ね最大となつたとき、アライメントマーク１
０Ａ，１０Ｂの走査軌道SLに対する位置を、第
１０図のように数Ａ，Ｂとして求めておき、設定
回路１１６の設定値Ｋを、その数Ａ，Ｂから算定
するようにしてもよい。

尚、以上の焦点検出、及び焦点合わせの動作
は、前述の焦点合わせ動作と並行して行なうこと
ができることは云うまでもない。このようにし
て、マスクＭを光束８Ｍの結像面と一致させ、ウ
エハＷを光束８Ｗの結像面に一致させることによ
り、マスクＭとウエハＷとの間隙が正確にプロキ
シミテイ・ギヤツプに設定される。

尚、第７図で振幅検出回路１１３は信号e₃又は
e₄の最大値と最小値の差を検出するとしたが、全
波整流又は半波整流回路とローパスフイルター回
路を組み合わせて、変調成分の大きさを交流波形
の振幅として抽出しても、同様の効果が得られ
る。

本発明の実施例では焦点検出を、マスクＭやウ
エハＷ上に集束したスポツト光の反射像の大きさ
を格子部材を用いて検出するようにしたが、これ
に限られるものではない。例えば格子部材の替り
に一次元フオトアレイを配置してスポツト光のマ
スクＭ又はウエハＷ上の結像状態を検出してもよ
い。この場合、スポツト光の往復走査の折り返し
位置でスポツト光の走査速度が零となつたとき
に、一次元のCCD（電荷結合素子）アレイによつ
て、スポツト光の像を光電変換し、CCDアレイ
中、あるレベル以上の光電信号を出力している素
子がいくつあるかを検出することによつて、スポ
ツト光の像の大きさを判断することができる。

以上のように本実施例によれば、マスクとウエ
ハの両方の面にそれぞれ微小な幅でエネルギー密
度の高い光束を照射し、回折効率の良いアライメ
ントマークのパターン形状を用いてアライメント
マークの検出信号のみをマスクとウエハに対して
干渉することなしにＳ／Ｎ比良く検出できるの
で、表面の粗くなつたウエハとマスクを位置合わ
せする場合でも表面状態の滑らかなウエハとの位
置合わせに劣らず良好な精度で両者の位置ずれを
検出できる効果がある。また、Ｘ線露光装置にお
いてはマスクの種類によつては光の透明部分に、
光を散乱させる性質のものもあるが、このような
マスクを用いる場合でも、本実施例によれば回折
格子状のアライメントマークと、細長いスポツト
光とを用いるから良好な位置ずれ検出精度が得ら
れるので有効である。

以上、本実施例では、説明上結像光学系として
の集光走査レンズ７をマスクＭ、ウエハＷ上の１
ケ所にのみ設けていた。ところが実際には、マス
クＭやウエハＷ上の複数の領域をスポツト光で走
査して、各領域での位置ずれや焦点ずれを検出す
ることによつて、マスクＭとウエハＷの２次元的
なアライメント、及びギヤツプの平行性（すなわ
ち傾き）を所定のものとすることができる。そこ
で、第１図に示した光学系を、第１４図のように
マスクＭ、ウエハＷ上の３ケ所に配置する。第１
４図はマスクＭの下に破線で示したウエハＷが位
置した様子である。ウエハＷの直線の切欠きOF
と平行なｘ軸と、このｘ軸と直交してマスクＭの
中心O₁を通るｙ軸との各々に、第１図の集光走
査レンズ７に相当する集光走査レンズ７Ｙ，７
Ｌ，７Ｒが位置するように、第１図と同様の光学
系２００Ｙ，２００Ｌ，２００Ｒを設ける。この
３つの集光走査レンズ７Ｙ，７Ｌ，７Ｒは中心
O₁からほぼ等距離に位置する。そして、各集光
走査レンズ７Ｙ，７Ｌ，７Ｒから射出するスポツ
ト光の走査方向は、各々方向７Y′，７L′，７
R′に定められている。方向７Y′はｘ軸方向と、
方向７L′，７R′はｙ軸方向と一致している。そし
て、前述の駆動部５４は、マスクＭの中心O₁を
仮想的に固定し、マスクＭの周辺を上下動させる
ような構成とする。これにより、光学系２００
Ｙ，２００Ｌ，２００Ｒで検出された各焦点ずれ
量からマスクＭの傾きを求め、その傾きがなくな
るように駆動部５４を作動させればよい。

尚、ウエハＷについても同様に、駆動部５６は
中心O₁を仮想的な固定点として、ウエハＷの周
辺を上下動させるような構成とする。また、第１
４図中ｘ軸が中心O₁を通るように、光学系２０
０Ｌ，２００Ｒの配置を変えても同様にマスクＭ
やウエハＷの傾き制御ができることは云うまでも
ない。このように、光学系２００Ｙ，２００Ｌ，
２００Ｒを設けることによつて、マスクＭとウエ
ハＷの３次元的な位置合わせ（スポツト光の走査
方向とギヤツプ方向）が可能となる。

さてマスクＭは、ウエハＷの設定されるまでに
既に集光走査レンズ７Ｙ，７Ｌ，７Ｒによつてア
ライメントが終了しているものとする。このよう
な状態で、ウエハＷがマスクＭの下に運ばれマス
クＭとウエハＷの間隔を所定の値にした後で、位
置ずれを計測する。集光走査レンズ７Ｌ及び７Ｒ
ではｙ方向の位置ずれ検出が行なわれ、ウエハＷ
のマスクＭに対するずれ量がそれぞれY₁，Y₂と
して得られ、集光走査レンズ７Ｙではｘ方向の位
置ずれ検出が行なわれ、ウエハＷのマスクＭに対
するずれ量がX₁として計測される。ウエハＷ全
体のマスクＭ全体に対するずれは、平行ずれＸ＝X₁ Ｙ＝Y₁＋Y₂／２及び回転ずれ θ＝Y₁−Y₂／ｌとして計算される。ここでｌは集光走査レンズ７
Ｌ及び７Ｒで照射する集光スポツト間の間隔であ
る。以上の量Ｘ，Ｙ，θはウエハＷの駆動部５６
にフイードバツクされ、Ｘ，Ｙ，θの絶対値を小
さくするように制御し、許容できる値以下になれ
ば位置決めを終了し、光学系２００Ｙ，２００
Ｌ，２００ＲのマスクＭの上方より退避させ、マ
スクＭの回路パターンがウエハＷ上のレジスト層
PRに露光される。

さて、本発明の上記各実施例では、スポツト光
はマスクＭ、ウエハＷ上で時間に対する走査位置
が、第１０図ａのように三角波状に往復走査され
た。しかしながら、スポツト光は正弦波状に単振
動させてもよい。この場合は正弦波の振動中心付
近の直線性がよい部分でマスクＭとウエハＷの位
置ずれを検出し、直線性の悪い部分ではマスクＭ
とウエハＷの焦点ずれを検出するようにすれば、
同様の効果が得られる。

さらに、第１図の２光束化光学系５は複屈折の
光学素子に限られるものではなく、第１図でリレ
ー光学系４のレンズ４ａと４ｂの光路中に第１５
図のようなダブルパスの光学系を設けて、一方の
パスを光路長補正部材７０で、他方のパスの光路
に対して長くしてもよい。もちろん、この場合、
複屈折の部材５ａ，５ｂは省略される。このダブ
ルパスの光学系は、レンズ４ａを通つたレーザ光
束LBを２つに分けるビームスプリツタ７１と、
ビームスプリツタ７１で反射された光束を全反射
するミラー７２、及びビームスプリツタ７１を透
過した光束を全反射するミラー７３、そしてミラ
ー７２，７３からの光束を１つに合成するビーム
スプリツタ７４とから構成される。

また、前述の実施例のように、光束８Ｍ，８Ｗ
を偏光によつて分ける場合には、ビームスプリツ
タ７１，７４を偏光ビームスプリツタとすればよ
い。

さらに、集光走査レンズ７から射出する光束８
Ｍ，８Ｗの光軸は一致するようにしたが、必ずし
もその必要はなく、第１６図のように所定距離だ
け光軸がずれていても、同様の効果が得られる。
このように、２つの光束８Ｍ，８Ｗの光軸を偏芯
させるためには、第１５図のダブルパスの光学系
で、ビームスプリツター７４で合成される２つの
パスの光軸をミラー７２、又は７３をわずかに傾
けて偏芯させればよい。

さらに、本発明の他の実施例として、第１図に
示した焦点検出光学系を第１７図のように構成し
てもよい。この場合、レンズ２２で集光され、偏
光ビームスプリツター２３で反射した情報光
LM′をビームスプリツタ８０で２つに分ける。情
報光LM′は光束８ＭのマスクＭ（あるいはウエハ
Ｗ）からの正反射光である。そして、今光束８Ｍ
がマスクＭに結像しているものとすると、情報光
LM′は集光面８１ａ，８１ｂに結像する。格子部
材２４ａは面８１ａからｅだけビームスプリツタ
８０側に位置し、格子部材２４ｂは面８１ｂから
ｅだけ、ビームスプリツタ８０より離れて位置す
るように定められている。そして、格子部材２４
ａを透過した光を光電変換する光電素子８２ａ
と、格子部材２４ｂを透過した光を光電変換する
光電素子８２ｂとを設ける。第１７図のように、
情報光LM′が面８１ａ，８１ｂに結像している場
合、光電素子８２ａ，８２ｂの両光電信号は第１
３図ａのように、共に変調成分a₁の大きさとな
る。そこで光電素子８２ａの変調成分の大きさ
と、光電素子８２ｂの変調成分の大きさとの差を
演算し、その差が零となるように、マスクＭを光
軸方向に上下動させれば、焦点合わせができる。

この実施例によれば、前述の実施例のように、
変調成分の大きさが最大となるマスクＭの位置を
見つける、いわゆる山登り法とちがつて簡単なサ
ーボ装置により極めて高速に焦点合わせができ
る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明では、マスクやウエハのよ
うな２つの平板を対向させて、その相対位置を検
出するのに、２つの平板の間隙方向に所定間隔だ
け離れて結像する２つの光束を照射する。そし
て、その２つの光束を両平板に設けられたマーク
を横切るように走査したとき、２つの光束の走査
軌道中、第１部分では２つの平板の間隙方向の位
置検出を行ない、第２部分では２つの平板の走査
軌道方向の位置検出を行なうようにした。このた
め、２つの平板の間隙と位置ずれとが２つの平板
を対向させたまま同時に、又は順番に検出するこ
とができるので、２つの平板の間隙設定と位置合
わせが極めて高速にできるという効果がある。さ
らに、本発明をマスクとウエハとを対向させて露
光するプロキシミテイ型露光装置に用いた場合
は、マスクとウエハのギヤツプ設定が露光状態と
同一の位置で非接触に行なわれるため、マスクの
損傷が防止されるとともに、ギヤツプ精度が高く
なり、露光転写されるパターンの線幅も極めて正
確なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による位置検出
装置の光学系の配置図、第２図はマスクとウエハ
のアライメントマークとスポツト光との形状及び
配置を示す平面図、第３図は空間フイルター１
５，１８の平面図、第４図は格子部材２４，２７
とスポツト像SP′との関係を示す平面図、第５図
は位置検出装置を備えたプロキシミテイ露光装置
の制御装置のブロツク図、第６図は位置ずれ検出
のための回路ブロツク図、第７図は焦点ずれ検出
（ギヤツプずれ検出）のための回路ブロツク図、
第８図、第９図は第１の実施例に好適なマスクと
ウエハを用いた動作説明図、第１０図は、第８，
９図の動作を説明するタイムチヤート図、第１１
図はアライメント・マークの回折現象を説明する
図、第１２図は第１図に示した焦点検出光学系を
模式的に表わした平面図、第１３図は焦点ずれ検
出の様子を示した各検出信号の波形図、第１４図
は本発明の実施例をプロキシミテイ露光装置に適
用するための配置図、第１５，１６，１７図は
各々、第１図の２光束化光学系５と、焦点検出光
学系のその他の実施例を示す光学配置図である。〔主要部分の符号の説明〕１……レーザ光
源、３……光偏向器、５……複屈折性結晶素子
（２光束化光学部材）７……集光走査レンズ（結
像光学系）、８Ｍ……第１光束、８Ｗ……第２光
束、Ｍ……マスク（第１平板）、Ｗ……ウエハ
（第２平板）、１０Ａ，１０Ｂ……マスクのアライ
メント・マーク、１１……ウエハのアライメン
ト・マーク、１７，２０……位置ずれ検出用の光
電変換器、２６，２９……焦点ずれ（間隙ずれ）
検出用の光電変換器。

Claims

【特許請求の範囲】１位置合わせの為に各々マークを有する第１平
板と第２平板のうち、少なくとも一方を光透過性
となし、該第１平板と第２平板とを対向させ、両
平板の相対位置を検出する装置において、前記両
平板の間〓方向に所定間隔だけ離れて結像する第
１光束と第２光束とを、光透過性の平板側から照
射する照射手段と；該２つの光束が両平板の各マ
ークを横切るように、所定範囲を走査するための
走査手段と；前記第１光束の第１平板での結像状
態と、前記第２光束の第２平板での結像状態とに
基づいて、前記両平板の間〓方向の位置関係を検
出する第１検出手段と；前記第１光束により第１
平板のマークから生じる情報光と、前記第２光束
により第２平板のマークから生じる情報光とに基
づいて、両平板の光束走査方向の位置関係を検出
する第２検出手段とを備えたことを特徴とする位
置検出装置。２前記走査手段は前記２つの光束を共に往復振
動走査する光偏向器を含み、前記第２検出手段は
前記２つの光束の往復走査軌道のうち、走査速度
が略一定の範囲で、前記両平板の各マークからの
情報光を検出することを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の装置。３前記照射手段は、前記第１光束と第２光束の
偏光方向を異ならせるように、光源からの光束の
偏光によつて２光束に分離するための偏光光学系
を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の装置。