JPH0575044B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は回折格子を用いたウエハやマスク等の
位置検出装置に関し、特にホログラフイツク・ア
ライメント法と呼ばれる位置合わせに好適な位置
検出装置に関する。

（発明の背景） 近年、半導体装置の微細化と高密度化は著しく
進み、半導体装置（特に超LSI）を製造する上で
必要なマスク（レチクル）とウエハの位置合わせ
（アライメント）も、より高精度に行なう必要が
生じてきた。その高精度化の１つの方法として、
例えば特開昭59−192917号公報に開示されたよう
なホログラフイツク・アライメント法と呼ばれる
ものが提案されている。この方法は、互いに等し
い周波数のコヒーレントな光を２方向から入射さ
せて、その２光束の干渉により得られる干渉縞に
対して、平行に配列するような回折格子を持つた
ウエハを、２光束の光路中に配置し、回折格子に
よつて反射、又は透過した光、あるいは回折光を
再度干渉させて、その干渉強度を光電検出した信
号に基づいて、２光束による干渉縞と回折格子と
の相対位置を検出するものである。この方法は別
の見方をすれば、２光束のうち一方の光束Ａを回
折格子に照射したとき、特定の方向に発生した回
折光ａと、他方の光束Ｂを回折格子に照射したと
き、その特定方向に発生した回折光ｂとの位相
が、回折格子と２光束との相対的な移動によつて
変化することによつて生じる回折光ａ，ｂの干渉
強度の変化を検出していることになる。このよう
な検出方法によれば、確かに高精度な位置検出が
可能であるが、実際の装置化にあたつては大きな
問題がある。それは、コヒーレントな２光束を発
生する光源の強度変化、２光束同志の強度比変
化、及び回折格子の不整等に起因した回折光ａ，
ｂの強度変化等がそのまま位置検出の誤差になる
ことである。光源の強度変化や、２光束同志の強
度比変化は装置の設計、製造時にかなりのところ
まで押えることができるが、経時的な変化に対し
ては、やはり誤差となつてしまう。また回折光
ａ，ｂの強度変化は回折格子の形状、表面状態等
に応じて生ずるので、装置側で対処することは困
難である。

さらに、２光束によつて作られた干渉縞とウエ
ハ上の回折格子とを相対的に移動させてみない
と、位置ずれに応じてレベル変化する光電信号が
得られない。これは干渉縞と回折格子とを相対的
に１周期程度動かすまでは正確な位置合わせがで
きないことを意味し、装置化した場合に、アライ
メント時間を根本的に短縮できないといつた欠点
を生じる。

（発明の目的） 本発明はこれらの欠点を解決し、光の強度変化
に関係なく高精度な位置検出ができるとともに、
２光束と回折格子とを相対的に移動させなくとも
１周期以内の位置ずれ量を検出することができる
位置検出装置を得ることを目的とする。

（発明の概要） 本発明は２光束に所定の周波数差をもたせ、回
折格子からの回折光ａ，ｂ同志の干渉に光ビート
を発生させ、その光ビート信号と２光束の周波数
の差分の周波数をもつ基準信号との位相差を検出
する、所謂光ヘトロダイン干渉法を用いて、その
位相差から基板の位置を検出することを技術的要
点としている。

（実施例） 第１図は、本発明の第１の実施例による位置検
出装置の概略的な構成を示す図である。レーザ光
源１からのレーザ光LBは、２光束発生手段とし
ての音響光学変調器２に入射し、レーザ光LBの
平行な零次光１０はミラー３で反射されてウエハ
等の基板４を斜めから照射する。音響光学変調器
２（以下単に光変調器２と呼ぶ）で周波数変調さ
れた光（＋１次光）１２は零次光１０に対してあ
る角度だけ偏向され、基板４を斜めから平行光束
となつて照射する。光変調器２は、基準信号発生
手段としての発振回路６から周波数の基準信号
（変調信号）MSを入力して、変調光１２の周波
数を零次光の周波数に対してだけ異ならせる。
基板４には図中紙面と垂直な方向に伸びた細長い
格子を、図中紙面内の左右方向に一定のピツチで
平行に形成した回折格子４ａが設けられている。
そして零次光１０と変調光１２との干渉によつて
得られる干渉縞が、回折格子４ａの格子と平行に
なるように、２つの光１０，１２を入射する。こ
のとき零次光１０と変調光１２とは周波数が異な
るため、２つの光束による干渉縞は基板４に対し
て静止しているのではなく周波数で流れてお
り、これが所謂光ビートである。尚、その干渉縞
のピツチと回折格子４ａのピツチは整数倍の関係
に定められている。さて基板４は位置合わせのた
めのステージ５に載置されており、このステージ
５は図中紙面内の左右方向に、駆動モータ２１に
よつて移動される。またステージ５の位置はレー
ザ光波干渉計等の測長器２０によつて逐次検出さ
れる。

ところで零次光１０を回折格子４ａに照射する
と、いろいろな次数の回折光が、そぞれの回折角
で発生する。そのうち角度βで発生するある次数
の回折光１１、を格子と平行なスリツトを有する
スリツト板７ａを介してフオトマルチプライヤー
等の光電検出器７で受光する。角度βは零次光１
０と回折光１１との成す角度である。同時に、変
調光１２が回折格子４ａを照射しているので、そ
れによつていろいろな次数の回折光がそれぞれの
回折角で発生する。光電検出器７は、そのうち角
度αで発生し、回折光１１とほぼ同じ光路で進ん
でくるある次数の回折光１３をスリツト板７ａを
介して受光する。光電検出器７の受光面において
は、回折光１１と１３との干渉により明暗の変化
が生じるが、その明暗は光ビートの周波数、すな
わち基準信号MSの周波数で変化している。よ
つて光電検出器７の光電信号も周波数の正弦波
状の波形となる。その光電信号は増幅器９で増幅
された後、位相差検出手段としての位相差検出回
路８に入力する。位相差検出回路８は発振回路６
からの基準信号MSも入力して、基準信号MSに
対する光電信号の位相ずれを検出し、そのずれ量
に応じた位相差信号PDSを出力する。

主制御装置２２は、その位相差信号PDSと測
長器２０からの位置情報とを入力して、例えば位
相差信号PDSが零（位相ずれが零）になるよう
に駆動モータ２１をサーボ制御する。これによつ
て基板４の一次元の位置合わせが行なわれる。
尚、位相差検出回路８としてはFM検波回路、フ
エーズメータ等がそのまま利用できる。また発振
回路６には発振周波数を変化させるための周波
数調整器３０が接続されている。これは光変調器
２から射出する零次光１０に対する変調光１２の
偏向角を可変にして、角度αを調整するためであ
る。一般に回折格子のピツチ、コヒーレント光の
波長、及びコヒーレント光の入射角が決まつてし
まうと、発生する各次数の回折光の方向は一義的
に定まつてしまう。このためある次数の回折光１
３が、他方の回折光１１と平行な光路に沿つて発
生し、スリツト板７ａを正確に透過するとはかぎ
らない。そこで変調光１２の入射角を微調するこ
とによつて、ある次数の回折光１３が丁度回折光
１１と平行になるように光学的な調整を行なうも
のである。

このように発振回路６の周波数を可変できる
ようにしておくと、後からの調整が自由にできる
ので、レーザ光源１，光変調器２、ミラー３、ス
リツト板７ａ等の光学部材の配置を厳密に定めて
製造する必要がなくなるといつた大きな利点があ
る。しかも各光学部材は機械的に動かす必要がな
いので、経時変化による誤差も発生しにくい。ま
た発振周波数の微調は、光電検出器７からの光
電信号の振幅（例えばピーク・トウ・ピーク）を
検出して、その値が最大となるようにすればよ
い。この場合、調整器３０に光電信号の振幅を検
出する回路と、その振幅値の最大値を記憶する回
路と、発振周波数をある範囲内でスイープする回
路等を設け、例えば一回目の周波数スイープ時に
振幅の最大値を記憶し、二回目の周波数スイープ
時には、記憶された最大値と検出された振幅値と
を比較しつつ、両者が一致した時点でスイープを
停止してその周波数に固定するようにすれば、装
置を常に理想的な状態に自動設定（セルフセツ
ト）できる、という効果も得られる。

尚、第１図においては、変調光１２と零次光１
０とが比較的大きな偏向角で分離されているよう
に示されているが、実際はそれ程大きな偏向角と
はならないので、ミラー等を用いて変調光１２の
光路を折り曲げて第１図のような入射状態を作り
出すことになる。また、零次光１０と変調光１２
とはだけ周波数が異なるから、当然その波長自
体も両者で異なる訳であるが、両光束の波長の絶
対値に対する波長差分は極めて小さく（10^-6〜
10^-12程度）、ほとんど同一波長とみなすことがで
きる。

次に本実施例の動作を第２図ａ，ｂ，ｃの各波
形図を参照して説明する。第２図ａは基準信号
MSの波形図であり、第２図ｂは光電検出器７の
光電信号Ｉの波形図であり、ともに横軸は時間ｔ
を表し、縦軸は各信号のレベルを表わす。先にも
述べたように、零次光１０と変調光１２とは周波
数だけ異なつているため、光電信号Ｉは所謂光
ビート信号となり、基準信号MSと相似な周波数
の正弦波形となる。基板４が２つの光束１０，
１２に対してある位置に停止しているとすると、
基準信号MSと光電信号Ｉとの位相差θは一定の
値になる。この位相差θは位相差検出回路８から
の位相差信号PDSのレベルによつてただちに求
まる。また基板４がステージ５によつて移動して
いると、位相差θはその移動量に比例して連続的
に変化する。もちろん位相差θとして検出できる
レンジは2πの範囲、位相ずれの方向を加味すれ
ば±πの範囲内である。第２図ｃは位相差信号
PDSの出力特性図であり、縦軸は信号PDSの出
力レベルを表わし、横軸は２つの光束１０，１２
と基板４との相対的な位置ｘを表わす。基板４を
２つの光束１０，１２に対して位置合わせする場
合は、予め公知のプリアライメント手段やグロー
バルアライメント手段によつて、位置合わせ誤差
が範囲LP（位相差で±π）内になるようにステー
ジ５を使つて粗位置決めを行なう。その範囲LP
は２つの光束１０，１２の波長をλとすると、次
式で表わされる。

LP＝λ／（sinα＋sinβ） 一例として、波長λを600nm（0.6μm）とし、
角度α，βをともに30°とすると、上記式より範
囲LPは0.6μmとなる。位置合わせの正確な位置
が位相差信号PDSの零点であるとすると、粗位
置決めの精度は±0.3μmが必要となる。もちろん
同じ波長であつても角度α，βがともに小さくな
ればなるほど、範囲LPは広がり、粗位置決めの
精度はゆるくなる。粗位置決めが終了したら、主
制御装置２２は位相差信号PDSを読み込み、そ
の極性によりいずれの方向を、その大きさによつ
てずれ量を検出し、駆動モータ２１を制御して位
相差信号PDSが零になるようにステージ５を微
動させる。あるいは位相差信号PDSが直線的に
変化することから、モータ制御回路のフイードバ
ツクループ内の誤差信号として直接位相差信号
PDSを取り込むようにしてもよい。この場合、
先の例で言えば、±0.3μmまでは測長器２０の位
置情報に基づいて駆動モータ２１を制御し、±
0.3μm以内になつたら、位相差信号PDSに基づい
て駆動モータ２１を制御するように制御系を自動
的に切替えれば、ステージ５は位相差信号PDS
の零点にサーボロツクされるまで、自動的に移動
するとになる。このことは、オートアライメント
における高精度化と高速化とを両立できる点で有
効である。

以上本実施例においては一次元の位置合わせを
例にしたが、２次元の位置合わせを行なう場合
は、回折格子４ａと直交する方向に伸びたもう１
つの回折格子を基板４に設け、同様に２方向から
異なる周波数の光束を照射すればよい。またスリ
ツト板７ａのスリツトは回折格子４ａの各格子と
平行になるように定めたが、スリツト以外にピン
ホールのような開口でもよい。さらに、スリツト
板７ａと基板４との間に、回折格子４ａの一部分
像をスリツト板７ａ上に拡大投影するような光学
系を設けてもよい。

次に本発明の第２の実施例を第３図を参照して
説明する。本実施例において先の第１図と同様の
部材については同じ符号をつけてある。本実施例
ではコヒーレント光源としてゼーマン効果を利用
したゼーマンレーザ光源４０を用いる。レーザ光
源４０からのゼーマンレーザLB′はＰ偏光とＳ偏
光との両方の波を含み、しかもＰ偏光とＳ偏光と
でわずかに周波数が異なる。

そのゼーマンレーザLB′は、ハーフミラー４１
で２つに分割され、一方の透過光束はさらに偏光
ビームスプリツター４２によつてＰ偏光１０′と
Ｓ偏光１２′とに分離される。Ｐ偏光１０′はミラ
ー４３，４４で反射されて、基板４の回折格子４
ａを斜めに照射する。Ｓ偏光１２′はミラー４５
で反射されて回折格子４ａを斜めに照射する。こ
のＰ偏光１０′とＳ偏光１２′との入射条件等は第
１図の場合と同様であり、両光束１０′，１２′の
干渉によつて回折格子４ａ上では、光ビートの周
波数で干渉縞が流れていることがアナライザーを
用いると観察される。本実施例の場合、偏光を用
いるので、不図示ではあるがＰ偏光１０′とＳ偏
光１２′の夫々の光路中にアナライザーを設ける
か、又は回折格子４ａと光電検出器７との間の光
路中にアナライザーを設ける必要がある。一方、
ハーフミラー４１で反射したゼーマンレーザ
LB′はアナライザー４６を透過した後フオトマル
チプライヤー４７に入射する。アナライザー４６
を通過した光は、ゼーマンレーザLB′のＰ偏光と
Ｓ偏光との周波数の差の周波数で強度変化するも
のとなる。そこでフオトマルチプライヤー４７の
光電信号を増幅器４８で増幅すると、第１図と同
様の基準信号MSが得られる。よつて位相差検出
回路８で基準信号MSと光電信号Ｉとの位相差を
検出すれば、基板４の相対位置が検出できる。本
実施例においては、ゼーマンレーザ光源４０、偏
光ビームスプリツター４２、ミラー４３，４４，
４５によつて２光束発生手段を構成し、ハーフミ
ラー４１、アナライザー４６、フオトマルチプラ
イヤー４７、増幅器４８によつて基準信号発生手
段を構成する。

次に本発明の第３の実施例を第４図に基づいて
説明する。この実施例は２光束発生手段の変形例
であり、機械的に回転するラジアルグレーテイン
グ板５０にレーザ光LBを入射させることにより、
周波数が微少量だけ異なる２つのコヒーレント光
束Ａ，Ｂを得るものである。光束Ａは第１図中の
零次光１０と同等であり、光束Ｂは第１図中の変
調光１２と同等である。このとき２つの光束Ａ，
Ｂの周波数の差はラジアルグレーテイング板５０
の回転速度、具体的にはラジアルグレーテイング
のレーザ光LBに対する移動速度に比例したもの
になる。従つて基準信号はラジアルグレーテイン
グ板５０の回転を検出する速度センサー等から容
易に得られる。このように機械式に２光束を得る
場合は、２光束の周波数の差は多くても数十ｋHz
であるため、光電検出器７として、フオトマルチ
プライヤーよりも応答性の悪い半導体受光素子が
利用できるという利点もある。

またその他の変形例として、２つの同種の半導
体レーザをそれぞれの光束の発生手段としてもよ
い。一般に同種の半導体レーザといえども、少な
からず個々に特性のバラつきがあるため、そのレ
ーザ光同志は微少に周波数が異なることになる。
このバラつきを積極的に利用して２光束を得る訳
である。この場合、その周波数の差が一定でない
ことが考えられるので、それぞれの半導体レーザ
からの光束を夫々縦偏光と横偏光とにするポララ
イザーを設け、異なる偏光を与えられた２つの光
を１つの光束に合成した後、第３図に示したよう
なアナライザーに入射して、基準信号を得るよう
にする。

このようにすれば極めてコンパクトな位置検出
装置が得られる。ただし、半導体レーザの個々に
おいては、発振周波数が十分に安定で、モードジ
ヤンプ等がないものが必要である。

（発明の効果） 以上本発明によれば、２光束の周波数を異なら
せ、その差による光ビートを利用した、いわゆる
光ヘテロダイン干渉法を用いるため、基板の位置
が光電検出信号（ビート信号）と基準信号の位相
差で直接検出できる。位相差は電気的にかなりの
分解能で、かつ高精度に検出できる。このため、
光強度の変動によらず安定な位置合わせが可能と
なる。また２光束に対して基板を相対的に移動さ
せなくても、位置ずれ量が検出できるので、基板
の位置決め時に位相差信号を使つてシテージ等を
直接サーボ制御することができるとともに、位置
検知のために基板を予備的に移動させることが不
要となり、この結果、高精度と高速化とを両立さ
せたオートアライメントが可能となる。

【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
装置の概略的な構成を示す図、第２図ａ，ｂは第
１図中の各信号の波形図、第２図ｃは位相差信号
の出力特性図、第３図は第２の実施例による位置
検出装置の概略的な構成を示す図、第４図は第３
の実施例による２光束発生手段の主要部の構成を
示す斜視図である。 主要部分の符合の説明、１……レーザ光源、２
……光変調器、４……基板、４ａ……回折格子、
５……ステージ、６……発振回路、７……光電検
出器、８……位相差検出回路、４０……ゼーマン
レーザ光源、４２……偏光ビームスプリツター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 位置検出すべき基板に形成された回折格子
   に、異なる方向からコヒーレントな２光束を照射
   し、該２光束の夫々によつて前記回折格子から発
   生した回折光同志を干渉させ、その干渉強度を光
   電検出した信号に基づいて前記基板の位置を検出
   する装置において、 前記２光束の各周波数を所定の値だけ異ならせ
   て前記回折格子に照射する２光束発生手段と；該
   ２光束の周波数の差に応じた周波数の基準信号を
   出力する基準信号発生手段と；該２光束の照射に
   よつて前記差に応じた周波数で強度変調された前
   記干渉のビート信号と前記基準信号との位相差を
   検出する位相差検出手段とを備え、該位相差に基
   づいて前記基板の位置を検出することを特徴とす
   る位置検出装置。 ２ 前記基準信号発生手段は、任意の周波数の
   基準信号を発生する発振回路を有し、 前記２光束発生手段は、コヒーレント光源から
   の光束と、前記発振回路からの基準信号とを入力
   して、周波数がだけ異なる２つの光束を射出す
   る光変調器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。 ３ 前記２光束発生手段は、偏光方向によつて互
   いに異なる周波数を含むゼーマンレーザを入射し
   て、偏光によつて前記２光束に分離する偏光分離
   素子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。