JPH0479129B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば半導体焼付装置におけるマス
クとウエハのような２物体を整合するために用い
られる位置合せ信号検出装置に関する。

［発明の背景］ 半導体焼付装置等に用いられる位置合せ装置に
おいては、走査面上にアライメントマークを有す
るマスク（またはレチクル）とウエハとを重ねて
配置し、これらのアライメントマークをレーザビ
ームにより走査し、各マークの位置を検出するこ
とによつてマスクとウエハとの位置関係を検出し
ている。

この場合、マスクのアライメントマークＭは、
第４図ａに示すように走査線Ａ上で平行な関係に
ある第１、第２のエレメントマークＭ１，Ｍ２
と、これらのマークＭ１，Ｍ２とは走査線Ａに対
し逆向きに傾けられ、かつ相互に平行な第３、第
４のマークＭ３，Ｍ４とを、走査線Ａに対しそれ
ぞれ角度θとして配置した構成である。また、ウ
エハのアライメントマークＷは、同図ｂに示すよ
うに第１、第２のエレメントマークＷ１，Ｗ２を
互いに逆向きに傾けると共に、走査線Ａに対しそ
れぞれ角度θとした構成であつて、アライメント
マークＭとＷとを同図ｃに示すように重ね合せて
マスクとウエハの相対的な位置合せを行なうわけ
である。

この状態において、光走査機構を用いてレーザ
ビームでアライメントマークＭ，Ｗ上を走査線Ａ
に沿つて走査すると、レーザビームは各マーク
Ｍ，Ｗにより散乱され、受光部ではその散乱光に
基づいて第４図ｄに示すような各エレメントマー
クＭ１，Ｗ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｗ２，Ｍ４の位置に
相当する走査位置にパルス信号が得られる。この
パルス信号をコンパレータにより適当なスレツシ
ホールド電圧でスライスし、同図ｅに示すような
矩形波形のパルス列を求め、このパルス列の時間
的な間隔からアライメントマークＭ，Ｗ同士の位
置関係を算出して各マークＭ，Ｗの相対的な偏位
量を判定し、駆動系による位置合せ、すなわち整
合を行なうのである。

しかしながら、この場合、ウエハアライメント
マークから得られる散乱光はウエハ上に塗布され
たフオトレジスト層等の影響をうけ、位置検出精
度の低下を招くという欠点があつた。

フオトレジスト層による位置検出精度の低下の
主な原因は、フオトレジスト層のいわゆるプリズ
ム作用によるもので、この欠点を除去する方法と
して、透光層に覆われた物体上のパターンの凹凸
に対応してパターンの縁によるそれぞれ一方向の
みの散乱（回折）光を検出し、検出した各信号を
合成してパターン検出信号を形成する方法が本出
願人による特願昭58−159652号で提案されてい
る。

ところで、従来は、例えば検出すべきマークの
傾き方向を２種類とすれば、第５図に示すように
所定方向の４つのスリツト状透光部６１ａ，６１
ｂ，６１ｃ，６１ｄを設けた空間フイルタ（スト
ツパ）をマスクとウエハに対するフーリエ変換面
に配置して空間周波数フイルタリングを行ない、
該空間フイルタの各透光部６１ａ〜６１ｄを透過
した光すなわち散乱方向ごとの成分に分離された
光を、第６図に示すように受光面を光学的かつ電
気的に４分割した光電検知器でそれぞれ独立に検
出していた。このため、空間フイルタや光電検知
器の部品としての精度が厳密を要し、かつ取付け
の位置および角度の調整が困難であるという不都
合があつた。

［発明の目的］ 本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、位置合せマークを光ビームの光
量を有効に利用して高精度に検出でき、かつ検出
系の部品精度が緩く、調整容易な位置合せ信号検
出装置を提供することにある。

［目的を達成するための手段］ 上述の目的を達成するために、本発明の位置合
せ信号検出装置は、それぞれ傾き方向が異なる第
１及び第２マークを前記第１及び第２マークのそ
れぞれの傾きに応じて傾きが切り換えられるスリ
ツト状の光ビームで順に走査する走査手段（偏向
面回転素子、回転多面鏡）と、前記光ビームが前
記第１マークに照射されている際に前記第１マー
クで生じる散乱光を対物光学系（対物レンズ）を
介して受光することにより前記第１マークを光電
検出する第１検出手段（ストツパ、光電変換器）
と、前記光ビームが前記第２マークに照射されて
いる際に前記第２マークで生じる散乱光を前記対
物光学系を介して受光することにより前記第２マ
ークを光電検出する第２検出手段（ストツパ、光
電変換器）と、前記光ビームの傾きの切り換えに
同期して光路の切り換えを行なうことにより、前
記光ビームが前記第１マークに照射されている際
は前記対物光学系を通過した光を前記第１検出手
段に選択的に導き、前記光ビームが前記第２マー
クに照射されている際は前記対物光学系を通過し
た光を前記第２検出手段に選択的に導く光路切換
手段（偏向面回転素子）を有することを特徴とし
ている。

［実施例の説明］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

第１図は位置合せ信号検出装置の光学系の構成
図を示す。同図において、１はマスク（またはレ
チクル）、２はウエハであつて、ウエハ２はウエ
ハステージ３上に載置されている。４は投影レン
ズで、内部に不図示の1/4波長板を備えている。
マスク１とウエハ２上には、第４図ａ，ｂに示す
アライメントマークＭ，Ｗが描かれており、これ
らは、投影レンズ４を介してマークＭをウエハ２
上に投影し、またはマークＷをマスク１上に逆投
影したとき、第４図ｃに示すように互いに重なり
合う状態で配置されている。５はこの装置全体の
動作を所定のシーケンスに従つて制御する制御部
である。

１０はレーザ光源であり、所定の偏光例えば偏
光面が紙面に対して水平なＰ偏光を発生する。１
１は印加される電圧に応じて入射光の偏光面を回
転させる第１の電気光学的偏光面回転素子で、制
御部５から電圧が印加されないときはレーザ光源
１０からのＰ偏光をそのまま出射し、一方、制御
部５から所定の電圧が印加されたときはレーザ光
源１０からのＰ偏光の偏光面を90°回転させて偏
光面が紙面に垂直なＳ偏光として出射する。すな
わち、この偏光面回転素子１１はある電圧（以
下、半波長電圧という）が印加された状態のみで
λ／２板として機能する。この偏光面回転素子１
１としては、例えばモトローラ社から9065の製品
名でシヤツタ用として市販されている電気光学セ
ラミツクス（PLZT）で、両面にくし形電極を有
するものを使用することができる。PLZT9065の
半波長電圧は、規格値を基に算出すると556.8
〔ｖ〕である。

この偏光面回転素子（以下、PLZTという）１
１から出射される偏光の進路に沿つて、Ｐ偏光を
透過しＳ偏光を反射することにより偏光を２つの
光路のいずれかに択一的に分岐する第１の偏光ビ
ームスプリツタ１２、第１の偏光ビームスプリツ
タ１２を透過したＰ偏光の光路を構成する反射ミ
ラー１３および第１のシリンドリカルレンズ１
４、第１の偏光ビームスプリツタ１２で反射され
たＳ偏光の光路を構成する反射ミラー１５および
第２のシリンドリカルレンズ１６、Ｐ偏光を透過
しＳ偏光を反射することにより上記２つの光路を
経て入射するＰまたはＳ偏光を同一方向に出射す
る第２の偏光ビームスプリツタ１７、その偏光面
回転能をPLZT１１と同期して制御されることに
より入射偏光の偏光面を同一方向に一致させて出
射する第２の電気的偏光面回転素子（PLZT）１
８、結像レンズ１９、ならびに回転多面鏡２０が
配置されている。なお、上述において、PLZT１
８としてはPLZT１１と同様の上記PLZT9065を
使用することができる。また、上記第１のシリン
ドリカルレンズ１４および第２のシリンドリカル
レンズ１６は、その集光能力を持つ軸が紙面に対
し45度傾くとともに互いに直交している。

さらに、この回転多面鏡２０により偏光走査さ
れたレーザビームＬの光軸に沿つて、ｆ−θレン
ズ２１、フイールドレンズ２２、およびレーザビ
ームＬを２つの方向に分けかつ直交方向に反射さ
せ走査角に従つて順次に偏向するためのダハプリ
ズム２３が構設されている。また、このプリズム
２３の両側には対称的に２系列の光学系が設けら
れており、偏向されたレーザビームＬの進行順に
沿つて、レーザビームＬを偏向する反射ミラー２
４ａ，２４ｂ、復路の反射光を光電検出光学系に
導光するための偏光ビームスプリツタ２５ａ，２
５ｂ、中間レンズ２６ａ，２６ｂ、絞り２７ａ，
２７ｂ、対物レンズ２８ａ，２８ｂがそれぞれ配
置されている。

また、復路において偏光ビームスプリツタ２５
ａ，２５ｂにより分離される透過光の光軸上に
は、対称的にそれぞれ結像レンズ３０ａ，３０
ｂ、PLZT１１または１８と同様のPLZT３１
ａ，３１ｂ、Ｐ偏光とＳ偏光とを分離する偏光ビ
ームスプリツタ３２ａ，３２ｂが配置されてい
る。さらに、偏光ビームスプリツタ３２ａ，３２
ｂで分離されたＰ偏光の光路に沿つて、第５図に
示す透光部６１ａおよび６１ｃのみが設けられて
いるストツパ３３ａ，３３ｂ、コンデンサレンズ
３４ａ，３４ｂ、光電変換器３５ａ，３５ｂ、Ｓ
偏光の光路に沿つて、第５図に示す透光部６１ｂ
および６１ｄのみが設けられているストツパ３６
ａ，３６ｂ、コンデンサレンズ３７ａ，３７ｂ、
光電変換器３８ａ，３８ｂがそれぞれ配列され、
これらにより左右対称の２系列の光電検出系が形
成されている。

第１図における制御部５は、光電変換器３５
ａ，３５ｂ，３８ａ，３８ｂで得られた出力信号
を基に走査面上でレーザビームＬの傾き制御を行
なうもので、第２図に示すように、波形整形回路
５１、計数回路５２、時限回路５３、演算回路５
４、制御回路５５および駆動回路５６を具備して
いる。光電変換器３５ａ，３５ｂ，３８ａ，３８
ｂの出力は波形整形回路５１および計数回路５２
を経て制御回路５５に接続されている。制御回路
５５には時限回路５３の出力も接続されており、
制御回路５５の出力は駆動回路５６を経由して
PLZT１１，１８および３１ａ，３１ｂに接続さ
れている。また、演算回路５４には波形整形回路
５１で得られたパルス信号が出力され、演算回路
５４において整合状態が演算される。

本発明の実施例は上述の構成を有するので、
PLZT１１，１８および３１ａ，３１ｂに電圧が
印加されていなければ、レーザ光源１０から出射
したＰ偏光L₀は、PLZT１１で偏光面を回転され
ることなくそのままＰ偏光として出射され、偏光
ビームスプリツタ１２を透過し、反射ミラー１３
で図上左向きに折り曲げられ、第１のシリンドリ
カルレンズ１４によりスリツト状のビームＬ１と
され、第２の偏光ビームスプリツタ１５に入射し
てここを透過し、さらにPLZT１８および結像レ
ンズ１９を経て多面鏡２０の振れ原点Ｂに入射す
る。一方、PLZT１１，１８および３１ａ，３１
ｂに電圧が印加されていれば、レーザ光源１０か
ら出射したＰ偏光L₀は、PLZT１１で偏光面を
90°回転されてＳ偏光となるため偏光ビームスプ
リツタ１２で反射され、さらに反射ミラー１５で
図上下向きに折り曲げられる。反射ミラー１５で
反射されたＳ偏光のレーザビームは、第２のシリ
ンドリカルレンズ１６により、ビームＬ１と互い
に直交する方向のスリツト状ビームＬ２となり、
第２の偏光ビームスプリツタ１７に入射し、ここ
でビームＬ１と同一の光軸上を同一方向に反射さ
れるが、今度はPLZT１８に電圧が印加されてい
るのでこのPLZT１８により偏光面90°回転され
てＰ偏光とされた後、ビームＬ１と同様、結像レ
ンズ１９を経て多面鏡２０の振れ原点Ｂに入射す
る。

PLZT１１，１８および３１ａ，３１ｂに電圧
が印加されていないとき回転多面鏡２０により偏
向走査されたレーザビームＬすなわちＬ１は、レ
ンズ２１，２２を通過した後にプリズム２３の端
面２３ａに入射し、ここで左方向に偏向され、さ
らに反射ミラー２４ａにより下方向に偏向され
る。そして、全光量が偏光ビームスプリツタ２５
ａを透過し、中間レンズ２６ａ、絞り２７ａおよ
び対物レンズ２８ａを介してマスク１上の一点に
結像し、さらに投影レンズ４によつて再びウエハ
２上の一点に結像する。ここで、マスク１上に結
像するビームは直線偏光（Ｐ偏光）であるが、ウ
エハ２上に結像するビームは投影レンズ４内の1/
４波長板を通過する際、円偏光に変換されている。

マスク１およびウエハ２上に結像したこれらの
ビームは、第３図ａに示すｌのように、アライメ
ントマークＭ１，Ｗ１，Ｍ２と平行なスリツト光
としてマスク１およびウエハ２の面上の第１のア
ライメントマーク群を照射することになる。

この状態においてスリツト光ｌが走査線Ａに沿
つて右方向に走査されると、先ず、アライメント
マークＭ１，Ｗ１，Ｍ２に対応する位置で散乱が
生じ、光電変換器３５ａの出力として第３図ｂに
示す出力信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が得られる。この
場合、出力信号Ｓ２は、ウエハ２上に結像したス
リツト光（円偏光）ｌのマークＷ１における散乱
反射光が、第１図の投影レンズ４内の1/4波長板
を通過する際、直線偏光（Ｓ偏光）に変換され、
対物レンズ２８ａ、絞り２７ａ、中間レンズ２６
ａの復路を戻り、偏光ビームスプリツタ２５ａで
反射され、さらに結像レンズ３０ａ、PLZT３１
ａを経て、偏光ビームスプリツタ３２ａで反射
し、さらにストツパ３３ａ、コンデンサレンズ３
４ａを経由して光電変換器３５ａに入射すること
により得られる。一方、出力信号Ｓ１，Ｓ３は、
マスク１上に結像したスリツト光（直線偏光）ｌ
のマークＭ１，Ｍ２における散乱回折光が、第１
図の投影レンズ４内に入り、円偏光に変換されて
ウエハ２面上に結像され、ここで反射されて上述
のマークＷの散乱光と同じ復路を辿ることにより
得られる。なお、マスク１上に結像したスリツト
光（直線偏光）ｌのアライメントマークＭ１，Ｍ
２における散乱光の成分には、上記の散乱回折光
の他に、マスク１上から対物レンズ２８ａないし
偏光ビームスプリツタ２５ａ方面に戻る直線反射
光MDがあるが、この直接反射光MDは、偏光方
向が入射したときと同じ状態のまま偏光ビームス
プリツタ２５ａに入射するため、ここを透過して
光電検出系には侵入しない。

上述において、スリツト光ｌは、アライメント
マークＭ１，Ｗ１，Ｍ２にほぼ重なることにより
検出するので、従来の単なるスポツト光よりもそ
の検出感度は高く検出精度は良好となる。また、
マスク１の平滑面を透過し、さらにウエハ２の平
滑面で反射された非散乱光はストツパ３３ａの中
央部に結像し、ここで遮光され光電変換器３５ａ
に到達することはない。

これらの光電変換器３５ａの出力信号Ｓ１，Ｓ
２，Ｓ３は、それぞれ波形整形回路５１に入力
し、ここで一定レベルでカツトされたクロスポイ
ント位置をパルス幅として、第３図ｃに示すよう
に矩形波状パルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３に整形され
る。このパルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３による出力は、
計数回路５２および演算回路５４に送信され、計
数回路５２では所定数のパルスすなわち３個のパ
ルスを計数すると制御回路５５に信号を送信す
る。また、この制御回路５５へ時限回路５３から
第３図ｄに示す予め設定された時間における時間
幅Ｈの出力Ｔが送信される。制御回路５５は第３
番目のパルスＰ３が所定の時間Ｈ内にあることを
確認すると、駆動回路５６に傾き切換信号を発し
てPLZT１１，１８および３１ａ，３１ｂに半波
長電圧を印加させる。これにより、PLZT１１
は、レーザ光源１０からのＰ偏光の偏光面を90°
回転してＳ偏光として出射し、偏光ビームスプリ
ツタ１２は、このＳ偏光を反射することによりレ
ーザビームの光路を切換え、反射ミラー１５を介
して第２のシリンドリカルレンズ１６に出射す
る。第２のシリンドリカルレンズ１６は、第１の
シリンドリカルレンズ１４に対して所定の角度で
配置されているので、マスク１およびウエハ２で
のスリツト光の傾きは変り、マスク１およびウエ
ハ２の面上では第３図ａのl′に示すようにアライ
メントマークＭ３，Ｗ２，Ｍ４と平行な傾き方向
に切換えられる。また、PLZT１８にも半波長電
圧が印加され、第２のシリンドリカルレンズ１６
を経たＳ偏光は、PLZT１８でＰ偏光に変換さ
れ、レーザビームＬの偏光方向は、その傾き角に
よらず偏光方向は一定である。

アライメントマークＭ３，Ｗ２，Ｍ４はこの傾
き切換後のスリツト光l′で走査される。このスリ
ツト光l′によるウエハ２からの反射光は、上述と
同様に投影レンズ４ないし結像レンズ３０ａの復
路を通り、Ｓ偏光としてPLZT３１ａに入射する
が、今度はPLZT３１ａに半波長電圧が印加され
ているため、ここで、Ｐ偏光に変換される。従つ
て、上記反射光は、偏光ビームスプリツタ３２ａ
を透過し、ストツパ３６ａおよびコンデンサレン
ズ３７ａを経て光電変換器３８ａに入射する。こ
れにより、光電変換器３８ａからは第３図ｂに示
す出力信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６が得られ、波形整形
回路５１により第３図ｃに示すパルスＰ４，Ｐ
５，Ｐ６が求められ、第１のアライメントマーク
群の検出が終了する。そして、演算回路５４にお
いて先に検出したパルスＰ１，Ｐ２，Ｐ３ととも
に必要に応じて演算処理される。

一方、出力Ｔが送信されている状態において、
例えば第３番目のパルスＰ３が検出されなかつた
場合、すなわちアライメントマークＭ２が欠落し
たときには第３番目のパルスＰ３が得られるべき
時間Ｈの経過後に、制御回路５５は傾き切換信号
を駆動回路５６に発し、走査スリツト光の傾きを
切換えて前述と同様の検出を行なう。この場合、
パルスＰ３は欠落しているので、整形回路５１か
ら演算回路５４に送信されるパルスは第３図ｅに
示すようになる。

レーザビームＬがさらに偏向走査されて、プリ
ズム２３の側面２３ｂに達すると、今度はビーム
Ｌがプリズム２３により右側に偏向され、中間レ
ンズ２６ｂ、絞り２７ｂ、対物レンズ２８ｂを経
てマスク１およびウエハ２の面上の第２のアライ
メントマーク群を先の説明と同様に検出すること
になる。

なお、アライメントマーク検出に先立つてマー
ク位置を模索する際は、一方のスリツト光例えば
Ｌ１だけで走査すればよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、位置合
せマークの傾き方向に応じてスリツト状の光ビー
ムの傾きを切り換えると共に、光ビームの傾きの
切り換えに同期して対物光学系からの光路を切り
換え、マークに対応する所望の散乱光のみを光電
検出できるので、光ビームの光量を有効に利用し
たＳ／Ｎ比の高いマーク検出を可能にすると共
に、従来の１つの空間フイルタにより全散乱光成
分からそれぞれ所望の一方向の散乱光成分を分離
する場合に比べて空間フイルタのスリツト数が少
なくて足り、かつ部品精度や調整精度も緩くてよ
い。また、分離された散乱光成分の光量を検出す
る光電検知器も受光面を分割するような特殊かつ
寸法精度の厳しいものは必要でない。さらに、
Ｓ／Ｎ比の向上を図る等の目的で各マークごとに
複数方向の散乱光成分を合成して検出する場合、
従来例においては空間フイルタで各一方向の散乱
光成分を分離した後、電気回路で合成している
が、本発明によれば、空間的に各方向の成分に分
離する前に位置合せマークの傾き方向に応じて分
割しているため、空間フイルタに透光部を適当個
数設けるという簡便な構成により、光電検知器か
ら直接上記散乱の合成出力を得ることができる。

［発明の適用例］ なお、本発明は上述の実施例に限定されること
なく適宜変形して実施することができる。例え
ば、上述の実施例においては、本発明を縮小投影
露光装置に適用した例について説明したが、本発
明はミラープロジエクシヨン方式のような等倍系
の露光装置に適用できるのは勿論である。また、
プロキシミテイ方式やコンタクト方式のマスクア
ライナのようなマスクとウエハとの間に投影光学
系が介在しない投影方式の露光装置であつても適
用可能である。また、上述においては、マスク１
上のアライメントマークＭ１，Ｍ３からの回折光
信号Ｓ１，Ｓ３もウエハ２からの反射光MWによ
り検出している。しかし、この信号Ｓ１，Ｓ３と
してはマスク１からの直接反射光MDを検出する
方がＳ／Ｎ比は良い。この直接反射光MDは、第
１図に示すように反射率の低いハーフミラー４１
ａ，４１ｂ、偏光ビームスプリツタ４２ａ，４２
ｂ、結像レンズ４３ａ，４３ｂ、部分遮光板４４
ａ，４４ｂ、コンデンサレンズ４５ａ，４５ｂお
よび光電変換器４６ａ，４６ｂを配置することに
よりレーザ出力の利用効率を余り低下させること
なく検出することができる。さらに、上述におい
ては、光路切換手段として、偏光面回転素子と偏
光ビームスプリツタとを組合せて用いているが、
音響光学素子あるいはこれにプリズムを組合せて
用いてもよい。

さらに、本発明は、マスクアライナ以外の対象
物例えば印刷用原版等の位置合せにも適用可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る位置合せ信号
検出装置の光学系構成図、第２図は第１図の装置
の制御系のブロツク回路図、第３図は作動状態の
説明図、第４図は従来のアライメントマークの検
出方法の説明図、第５図は従来の空間フイルタの
平面図、第６図は従来の光電検知器の平面図であ
る。 １：マスク、２：ウエハ、５：制御部、１０：
レーザ光源、１１，１８，３１ａ，３１ｂ：偏光
面回転素子、１２，１７，２５ａ，２５ｂ，３２
ａ，３２ｂ：偏光ビームスプリツタ、１４，１
６：シリンドリカルレンズ、２０：回転多面鏡、
２８ａ，２８ｂ：対物レンズ、３５ａ，３５ｂ，
３８ａ，３８ｂ：光電変換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ それぞれ傾き方向が異なる第１及び第２マー
   クを前記第１及び第２マークのそれぞれの傾きに
   応じて傾きが切り換えられるスリツト状の光ビー
   ムで順に走査する走査手段と、前記光ビームが前
   記第マークに照射されている際に前記第１マーク
   で生じる散乱光を対物光学系を介して受光するこ
   とにより前記第１マークを光電検出する第１検出
   手段と、前記光ビームが前記第２マークに照射さ
   れている際に前記第２マークで生じる散乱光を前
   記対物光学系を介して受光することにより前記第
   ２マークを光電検出する第２検出手段と、前記光
   ビームの傾きの切り換えに同期して光路の切り換
   えを行なうことにより、前記光ビームが前記第１
   マークに照射されている際は前記対物光学系を通
   過した光を前記第１検出手段に選択的に導き、前
   記光ビームが前記第２マークに照射されている際
   は前記対物光学系を通過した光を前記第２検出手
   段に選択的に導く光路切換手段を有することを特
   徴とする位置合せ信号検出装置。