JPH0480762A - 位置検出装置及びその検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位置検出装置及びその検出方法に関し、例えば
半導体素子製造用の露光装置において、マスクやレチク
ル（以下「マスク」という。）等の第１物体面上に形成
されている微細な電子回路パターンをウェハ等の第２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
位置決め（アライメント）を行う場合に好適な位置検出
装置及びその検出方法に関するものである。

（従来の技術） 従来より半導体素子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。

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雪を画像処理
を行うことにより検出したり、又は米国特許第４７０４
０３３号等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
定面上における光量を検出すること等により行フている
。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、
単なるアライメントマークを用いた方法に比べてアライ
メントマークの欠損に影響されずに比較的高精度のアラ
イメントが出来る特長がある。

第９図はゾーンプレートを利用した従来の位置検出装置
の概略図である。第１０図は第９図で用いているアライ
メントマークの概略図である。

第９図においてマスク１８面上にはアライメントマーク
としてリニアなゾーンプレート２１が形成され、ウェハ
１９上にはアライメントマークとして矩形パターン例２
２がライン状に等ピッチに並べて形成されている。リニ
アゾーンプレート２１の光束集光あるいは発散作用（パ
ワー）のある方向（Ｘ方向）がアライメント検出方向（
位置ずれ検出方向）である。光源Ｓからの投射ビームＢ
。

がミラー１７を介し、このゾーンプレート２１にマーク
の中心にあける法ｉｚを含み、位置ずれ検出方向と直交
する平面内（ｙｚ面内）で法線（Ｚ軸）に対しある角度
φで入射し、ゾーンプレート２１によりウェハ１９面上
に線状に集光し、さらにウェハ１９面上のパターン２２
により回折され、上記面（入射面、ｙｚ面）内で別のウ
ェハパターンのピッチで決まる所定角度で信号光Ｂ２と
して出射して、ミラー１７を介して検出器１４へはいる
。

ここでマスク１８とウェハ１９との間隔は図面では広げ
て示しであるが、実際は１００μｍ以下で非常に近接し
ている。マスク１８とウェハ１９がアライメント方向（
Ｘ方向）にすれていればウェハ１９面上のパターン２２
により回折される光量が変化するので、検出器１４で受
光される光量も変化する。これを検知することにより不
図示の制御手段でマスク１８とウェハ１９の位置ずれ補
正制御ができる。例えばマスク１８とウェハ１９とか合
致状態の時にウェハ１９面上の線上集光部と矩形パター
ン列２２とが中心が合う様にマークを設計してあけば、
検出器１４の受光光量が最大の時に位置ずれＯ，即ち合
致していると判別できる。従って受光光量か最大となる
様にカエハ１９を位置ずれ検出方向に移動させれば位置
合わせか可能となる。

（発明か解決しようとする問題点） しかしなから上記従来例では、マーク２１の外周エツジ
１２のパターンか入射光とほぼ直交するように設定され
、しかも位置ずれ検出方向（Ｘ方向）か入射面（ｙｚ面
）内近傍にある為、第１１図（Ａ）に示すように強度的
に強い正反射散乱光１３′か検出器１４の検出面上に存
在し、ノイズ光となり、Ｓ／Ｎを低下させるという欠点
があった。

尚、ここで正反射散乱光とはマーク２１の外周エツジ１
２近傍で断面形状により発生するエツジ散乱光で、その
配光特性がエツジ１２を反射面とし、反射の法則に従い
反射する光線を中心とした分布となるものであり、エツ
ジの接線を軸とする半径か無限小のシリンドリカル反射
面として幾何光学的に求められる方向を中心として散乱
する性質を持つ。

特にＸ線を対象とするマスクにおいてはマスクパターン
を形成する厚みが厚く、エツジ散乱光の影響を強く受け
る。

第１１図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はマーク２１の外周エ
ツジ１２と検出器１４の検出面の周辺部を示す、それぞ
れ正面図、上面図、側面図である。

第１１図（Ａ）〜（Ｃ）においてマーク２１のエツジ１
２に入射光Ｂ１が照射されたとき、エツジ１２でエツジ
散乱光１３が発生する。このときｘｙ面、例えばマスク
１８面への射影光路を考えると、第１１図（Ｂ）に示さ
れる様にエツジ１２て正反射する正反射散乱光１３′方
向に強い散乱光が集中する。第１１図（Ｂ）、（Ｃ）に
は散乱光１３の角度毎の強度分布を破線にて示しである
。第１１図（Ａ）には正反射散乱光１３′の検出器１４
の検出面上での分布を示しである。信号光を検出する検
出器１４の中央に強度の強い正反射散乱光１３′が存在
する事がわかる。

本発明は前述従来例の欠点に鑑み、マークのエツジの正
反射散乱光の影響を受けに＜＜シて検出器１４で検出さ
れる信号のＳ／Ｎ比を向上し、高照度な位置検出を可能
にする位置検出装置及びその検出方法を提供する事を第
１の目的とする。

本発明の他の目的は後述する実施例の説明の中で明らか
になるであろう。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、物理光学素子より成る位置検
出用のマークを有する物体の該マークに光源手段から光
束を照射し、該マークからの光学的作用を受けた光束を
検出手段で検出し、該検出手段からの出力信号を用いて
該物体の相対的位置を検出する際、該検出手段を該マー
クの外周エツジ又は／及び該物体面上に形成されている
該マーク以外のパターンのエツジから生じる正反射散乱
光を検出する領域と、該物体の位置情報を有する光束を
検出する領域の少なくとも２つの領域より構成したこと
を特徴としている。

又本発明は、第１物体と第２物体面上に各々物理光学素
子より成る位置検出用のマークを設け、光源手段からの
光束のうち該第１物体面上のマーりと、該第２物体面上
のマークで各々光学的作用を受けた光束を検出手段で検
出し、該検出手段からの出力信号を用いて該第１物体と
第２物体との相対的位置を検出する際、該検出手段を該
第１物体又は第２物体面上のマークのうち少なくとも一
方のマークの外周エツジから生じる正反射散乱光を検出
する領域と、該第１物体と第２物体の相対的位置情報を
有する光束を検出する領域の少なくとも２つの領域より
構成したことを特徴としている。

この低重発明では、位置検出方法としては、物理光学素
子より成る位置検出用のマークを有する物体の該マーク
に光源手段から光束を照射し、該マークからの光学的作
用を受けた光束を検出手段で検出し、次いて該検出手段
からの信号より信号処理手段で該マークの外周エツジ又
は／及び該物体面上に形成されている該マーク以外のパ
ターンのエツジから生じる正反射散乱光に基づくノイズ
信号の影響を除去して該物体の相対的位置を検出するよ
うにしている。

又本発明では、物理光学素子より成る位置検出用のマー
クを各々有している対向配置された第１物体と第２物体
の一方に光源手段から光束を照射し、該第１物体面上の
マークと第２物体面上のマークで各々光学的作用を受け
た光束を検出手段で検出し、次いで該検出手段からの信
号より信号処理手段で該検出手段への光束の入射位置に
応じた信号処理を行うことにより、該マークの外周エツ
ジから生じる正反射散乱光に基づくノイズ信号の影響を
除去して、該第１物体と第２物体との相対的位置を検出
するようにしている。

（実施例） 第１図（Ａ）は本発明の第１実施例の要部斜視図、第１
図（Ｂ）、（Ｃ）は各々第１図（Ａ）の第１物体として
のマスクと第２物体としてのウニへ面上に設けた位置検
出用のマークの上面概略図である。

本実施例では第９図の従来の位置検出装置に比へてマス
ク１８面上のマーク２１の外形状と検出器１の検出領域
が異っており、その他の各要素の構成は略凹しである。

即ち、本実施例では光源Ｓからの投射ビームＢ１かミラ
ー１７を介し、ゾーンプレート２１にマークの中心にお
ける法線Ｚを含み、位置ずれ検出方向と直交する平面内
（ｙｚ面内）で法線（Ｚ軸）に対しある角度φで入射し
、ゾーンプレート２１により光学的作用を受けてウェハ
１９面上に線状に集光し、さらにウェハ１９面上のパタ
ーン２２により光学的作用を受けて例えば回折され、上
記面（入射面、ｙｚ面）内で別のウェハパターンのピッ
チで決まる所定角度で信号光Ｂ２として出射して、ミラ
ー１７を介して検出手段としての検出器１へはいる。

マスク１８とウェハ１９がアライメント方向（Ｘ方向）
にずれていればウェハ１９面上のパターン２２により回
折される光量が変化するので、検出器１で受光される光
量も変化する。これを検知することにより不図示の制御
手段てマスクＩ８とウェハ１９の位置ずれ補正制御を行
っている。例えばマスク１８とウェハ１９とが合致状態
の時にウェハ１９面上の線上集光部と矩形パターン列２
２とが中心が合う棟にマークを設計しておけば、検出器
１４の受光光量か最大の時に位置ずれ０、即ち合致して
いると判別できる。従って受光光量が最大となる様にウ
ェハ１９を駆動手段（不図示）で位置すれ検出方向に移
動させ、これによりマスク１８とウェハ１９との位置合
わせな行っている。

本実施例においてはリニアゾーンプレート２１の凸部の
端部な第１図（Ｂ）で示す様に中心線２１ａを境にして
対称に斜めにカッティングを施しである。前述の如く入
射光束Ｂ１はマスク法線を含み、位置ずれ検出方向（Ｘ
方向）に垂直な面（ｙｚ面）内で法線に対し角度φてマ
ーク２１に入射する。検出器１は入射光束Ｂ、の入射面
（ｙｚ面）内で法線に対し入射光束側に出射する回折光
Ｂ２を受光する。凸部端部２１ｂか第１図（Ｂ）の様に
斜め（ここでは位置ずれ検出方向に対し３．５°）にカ
ッティングされているので、この端部（エツジ）１２か
らの正反射散乱光は法線方向を除き入射面内を進行する
事はない。

従フて入射面内（法線方向ではない）を進行する回折光
Ｂ２を受光する位置に配置された検出器１の中心付近で
は正反射散乱光を受光せず検出器１の周辺部で受光され
る。

第２図（Ａ）、（、Ｂ）、（Ｃ）はマーク２１の外周エ
ツジ１２（第１図（Ｂ）の端部１２に相当）から生ずる
エツジ散乱光１３の説明図である。同図（Ａ）、（Ｂ）
、（Ｃ）はそれぞれ検出器１の正面図、マーク２１の検
出器１周辺部の上面図、マーク２１のエツジ側面図であ
る。同図てはマーク２１のエツジ１２を拡大して示して
いる。

今、マーク２１のパターン面上の射影光路を第２図（Ｂ
）に示すようにとれば、マークのエツジ１２ヘエツジの
マーク面内の法ＩＷ１５にθ（ここでは３．５°）なる
角度で入射する光１１は、法線に関し対称な角θとなる
正反射方向１３ｂへ強い強度をもつ散乱光１３となって
反射する。

入射面（ｙｚ面）内の射影光路で見れば第２図（Ｃ）に
示すようにエツジ１２てあらゆる方向に散乱する散乱光
１３となる。又検出器１の検出面上には第２図（Ａ）の
ように線状の正反射散乱光１３′か入射してくる。

検出器１は例えば画素サイズ（横×縦）か１３×１３０
μｍ、画素数２０４８の充電変換による電荷結合型の１
次元センサ（ＣＣＤリニアセンサ）である。ここて光電
変換され蓄積された電荷は各画素からシフトレジスタに
転送され、電荷検出部を通し、ソースフォロアからなる
出力増幅器にして出力されたのち、波形メモリに検出器
１の各画素に対応した光強度が電気信号として記憶され
、Ａ／Ｄ変換された後、更にマイクロコンピュータにデ
ータ転送される。マイクロコンピュータ上では転送され
た２５６諧調の検出器１の各画素ごとの光量に対応する
データを次のように演算処理している。

まず検出器１の検出面をマスク又はウェハに関する相対
的位置情報を有する信号光束の検出を行う信号検出領域
と正反射散乱光に基づくノイズ光の検出を行うノイズ検
出領域（正反射散乱光検出領域）の複数の領域に分ける
。

第３図は本実施例の検出器１の検光面の概略図である。

同図において１ａは信号検出領域、１ｂはノイズ検出領
域である。

尚、本実施例では第１図（Ｂ）に示すようにマーク２１
の凸部端部（エツジ）１２を中心線２１ａに対して対称
に斜めにカッティングしている為に、検出器１の検光面
上には中心ｉ１ａの左右のエツジ１２で生した２つの正
反射散乱光１３′が入射する場合があるが同図では簡単
の為に一方の正反射散乱光１３′のみを示している。

又、第３図では強度集中が大きい正反射散乱光１３′が
検出器１の検出面上に入射する画素近傍を予め予測し、
設定している。

尚、検出器１の検出面上の検出領域を検出された光の強
度分布から求めてもよい。正反射散乱光のノイズ検出領
域としておおまかに設定しておき、次にこのノイズ検出
領域内で所定強度以上の極大値を求め、このときの位置
を中心に±ｍ（ｍは設計に応じ適当に定める値である。

）画素を正反射散乱光のノイズ検出領域１ｂとしても良
い 次に領域１６に対応する画素データを使用することなく
、信号検出領域１ａに対応する画素データの積分を行な
い、信号検出領域１ａ内の回折光の強度を求める。積分
を行なう際、各画素ごとに画素位置に応じたウェイトを
かけて積分してもよい。このあとは従来例と同様に検出
器１で検出される信号光の光量が最大となる様に例えば
ウェハ１９を駆動手段により位置ずれ検出方向（Ｘ方向
）に移動させる。

第４図に本実施例における位置ずれ検出方向のフローチ
ャートを示す。

尚、上記対策の説明はわかり易くする意味でマーク面に
垂直な面上に検出領域を配置したが、実際はこの面は傾
いていてもよい。

第５図は本発明の第２実施例の要部概略図である。

本実施例では光源２３から出射された光束を、投光レン
ズ系２４で集光し、反射鏡２５で反射させた後、マスク
（第１物体）１８に設けた振幅型、又は位相型のゾーン
プレート等から成る周辺形状が長方形の第１物理光学素
子２１（例えばグレーディングレンズ）を斜め方向から
照射している。

第１物理光学素子２１は集光作用を有しており、出射光
を第１物理光学素子２１から所定の距離の点に集光して
いる。モして該点から発散した光束を所定の距離に配置
したウェハ（第２物体）１９に設けられている位相型若
しくは振幅型のゾーンプレート等から成る第２物理光学
素子２２（例えばグレーディングレンズ）に入射させて
いる。第２物理光学素子２２は第１物理光学素子２１と
同様に集光作用を有しており、第２物理光学素子２２か
らの出射光を第１物理光学素子２１を通過させた後、集
光レンズ２６により検出面ｌａ上に集光している。

即ち、本実施例では第１物理光学素子２１の回折機な第
２物理光学素子２２て拡大結像させている。このとき第
１物体（マスク）１８と第２物体（ウェハ）１９とのＸ
方向の相対的な位置ずれ量Δσに応じて検出面ｌａ上に
おいては、Ｘ方向の光束の重心すれ量Δδが生じてくる
。

これは物点である集光点が像を形成するレンズの役割を
する第２物理光学素子２２に対して相対的に移動する為
、像である検出面ｌａ上の集光点も移動するからである
。この時の検出面ｌａ上の光束の重心ずれ量は第１．第
２物体の相対移動量にほぼ比例する。この比例関係をあ
らかしめ求めておき、マスク１８設定時にためし焼き等
によりマスク１８とウェハ１９との位置ずれ０の時の光
束重心位置を基準位置として得て、位置検出時に光束重
心位置の基準位置からのＸ方向のすれ量Δδを求め、前
述の比例関係よりウェハ１９のずれ量Δσを求めている
。

ここで光束の重心とは、光束検出面内において、検出面
内各点のこ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時に積分値が０ベク
トルになる点のことである。

本実施例では同図において、光束２７による検出面ｌａ
上の光束の重心すれ量Δδを求め、これより第１物体と
してのマスク１８と第２物体としてのウェハ１９との相
対的な位置すれ量Δσを検出している。

第６図（Ａ）は本発明の第３実施例の要部概略図、第６
図（Ｂ）〜（Ｅ）は同図（Ａ）の一部分の説明図である
。

本実施例はマスク又はウェハ面上の位置検出用のマーク
２１の周辺にマーク２１以外のパターンが存在し、該パ
ターンによる影響例えばパターンのエツジから生ずる散
乱光の影響を考慮したときの実施例である。

本実施例では投光ど−ムｌｌａ〜ｌｉｅかマスク面１８
上てマーク２１の周辺の領域３０に広がって照射される
。このとき生ずる回路パターン２９からのエツジ散乱光
１３ａ′〜１３０′を検出系２８内の検出部の信号処理
手段で適切に信号処理することにより回避している。

本実施例においては、マスク１８面の射影光路図（ｘ−
ｙ平面）第６図（Ａ）に示すように投光系（不図示）よ
り照射される投射光１１を回路パターン２９のスクライ
ブライン２０方向と直交するように光路を設定し、回路
パターン２９のスクライブライン２０と平行な直線部の
エツジからの正反射散乱光１３ａ′〜１３０′が点線で
示すように投射方向にくるのに対し、受光系２８の受光
方向を入射方向に対しθ回転し、このエツジ散乱光１３
ａ′〜１．３　ｃ　′の強度中心がマーク２１からの回
折光２７と検出面２８上で異なる位置に入射するように
各要素を設定している。

この場合、回路パターン２９による正反射散乱光１３ａ
　　〜１３０′は各エツジの直線部を軸に３６０°の方
向に散乱する為、およそ投射ビーム領域３０の幅で散乱
し、１３ｂ’、１３ｃ′で示される領域全体に広がる。

本実施例においては第６図（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように
人出射光路を設定している。（Ｂ）。

（Ｄ）はｘ−ｙ平面図、（Ｃ）、（Ｅ）はｙ−ｚ平面図
で、（Ｂ）はマスクアライメント用のマーク２１を示す
もので、（Ｂ）、（Ｃ）に示す投光ビーム１１を真下に
集光作用を伴って偏向するように設計されたものである
。（Ｄ）はウェハ１９面上のアライメント用のマーク２
２を示すもので（Ｄ）、（Ｅ）に示すように検出光２７
が発散作用を伴って偏向するように設計されたものであ
る。

第７図は本実施例の検出面１ａ上における信号光束２７
とエツジ散乱光１３ａ′を示す説明図である。

検出器１は例えば第１実施例と同様に、画素サイズ（横
×縦）が１３μｍＸ１３０μｍ、画素数２０４８の光電
変換による電荷結合型の１次元センサー（ｃｃｐリニア
センサ）である、本実施例においては物理光学素子とし
てのマーク２１からの位置ずれ情報を有した信号光束２
７は第１．第２物体の相対的位置ずれに応じ、その検出
面ｌａ上の光量重心位置は位置２７ａから位置２７ｂと
移動する。一方、アライメント用のマークの周辺形状の
エツジ及び回路パターンのエツジからの正反射散乱光１
３ａ′は検出器１の端に位置する。

投光ビーム、各エツジの方向、及び検出系の光学的配置
から予め予想される領域を設定しておき、次にこの領域
内で所定強度以上の最大値を求め、これを中心に±ｎ画
素（ｎは設計に応じ適宜設定）を正反射散乱光検出領域
（ノイズ検出領域）とし、残りを信号検出領域とする。

尚、予め設定した領域内に所定強度以上の最大値かない
場合は全領域を信号検出領域とする、 次に正反射散乱光の各画素からの信号に対応するデータ
は使用せず信号検出領域内の信号光束の光量重心位置を
その領域の各画素からの信号に対応するデータを用いて
求める。

第８図に本実施例におけるフローチャート図を示す。

（発明の効果） 本発明によれば物体の相対的位置を検出する際、物体面
上に設けた位置検出用のマークのエツジ又は／及びマー
ク以外のパターンのエツジから生じる正反射散乱光の影
響を除去し、Ｓ／Ｎ比の向上を図り、高照度な位置検出
を可能とした位置検出装置及びその検出方法を達成する
ことかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例の要部斜視図、第１
図（Ｂ）、（Ｃ）、第３図は第１図の一部分の概略図、
第２図（Ａ）〜（Ｃ）は第１図の第１実施例におけるエ
ツジ散乱光の説明図、第４図は第１実施例のフローチャ
ート図、第５図は本発明の第２実施例の要部概略図、第
６図（Ａ）は本発明の第３実施例の要部概略図、第６図
（Ｂ）〜（Ｅ）、第７図は第６図（Ａ）の第３実施例の
一部分の概略図、第８図は第３実施例のフローチャート
図、第９図は従来の位置検出装置の要部概略図、第１０
図、第１１図（Ａ）〜（ｃ）は第９図の一部分の説明図
である。 図中１は検出器、１８は第１物体（マスク）、１９は第
２物体（ウェハ）、２１．２２は位置検出用のマーク、
１２はエツジ、５．２３は光源、１３はエツジ散乱光、
１３′は正反射散乱光、１ａは信号検出領域、１ｂはノ
イズ光検出領域である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）物理光学素子より成る位置検出用のマークを有す
   る物体の該マークに光源手段から光束を照射し、該マー
   クからの光学的作用を受けた光束を検出手段で検出し、
   該検出手段からの出力信号を用いて該物体の相対的位置
   を検出する際、該検出手段を該マークの外周エッジ又は
   ／及び該物体面上に形成されている該マーク以外のパタ
   ーンのエッジから生じる正反射散乱光を検出する領域と
   、該物体の位置情報を有する光束を検出する領域の少な
   くとも２つの領域より構成したことを特徴とする位置検
   出装置。
2. （２）第１物体と第２物体面上に各々物理光学素子より
   成る位置検出用のマークを設け、光源手段からの光束の
   うち該第１物体面上のマークと、該第２物体面上のマー
   クで各々光学的作用を受けた光束を検出手段で検出し、
   該検出手段からの出力信号を用いて該第１物体と第２物
   体との相対的位置を検出する際、該検出手段を該第１物
   体又は第２物体面上のマークのうち少なくとも一方のマ
   ークの外周エッジから生じる正反射散乱光を検出する領
   域と、該第１物体と第２物体の相対的位置情報を有する
   光束を検出する領域の少なくとも２つの領域より構成し
   たことを特徴とする位置検出装置。
3. （３）物理光学素子より成る位置検出用のマークを有す
   る物体の該マークに光源手段から光束を照射し、該マー
   クからの光学的作用を受けた光束を検出手段で検出し、
   次いで該検出手段からの信号より信号処理手段で該マー
   クの外周エッジ又は／及び該物体面上に形成されている
   該マーク以外のパターンのエッジから生じる正反射散乱
   光に基づくノイズ信号の影響を除去して該物体の相対的
   位置を検出するようにしたことを特徴とする位置検出方
   法。
4. （４）物理光学素子より成る位置検出用のマークを各々
   有している対向配置された第１物体と第２物体の一方に
   光源手段から光束を照射し、該第１物体面上のマークと
   第２物体面上のマークで各々光学的作用を受けた光束を
   検出手段で検出し、次いで該検出手段からの信号より信
   号処理手段で該検出手段への光束の入射位置に応じた信
   号処理を行うことにより、該マークの外周エッジから生
   じる正反射散乱光に基づくノイズ信号の影響を除去して
   、該第１物体と第２物体との相対的位置を検出するよう
   にしたことを特徴とする位置検出方法。