JPH0641849B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体装置等の製造工程、特にフォトリソグ
ラフィ工程におけるマスク（レチクル）とウエハとのア
ライメントのための位置合わせなどに好適な位置検出装
置に関し、特に回折格子状の第１マークを有する第１基
板（例えばマスク）と別の回折格子状の第２マークを有
する第２基板（例えばウエハ）との相対的な位置を検出
するための位置検出装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来この種の位置検出装置としては投影型露光装置にＴ
ＴＬ方式として適用した場合に好適な次の方式の装置が
ある。すなわち、この方式は、レチクル上に形成された
回折格子マークの縮小像をウエハ上に形成し、これとウ
エハ上に形成された、縮小像と同じ大きさの回折格子マ
ークを重ね合わせると、両者の相対的な位置ずれにより
レチクルへ戻つてくる光量に変調がかかり、これによつ
て位置ずれ検出信号が得られる方式である。しかし、こ
の方式は、レチクルを水平方向に振動させてそれに同期
した検出信号を同期検波することにより零点検出を行な
つているが、レチクルを振動させることは、塵の発生、
振動停止時のレチクルの位置再現性の点で問題がある。
更に、機構系や電気的な処理系も複雑になるという問題
がある。また、位置ずれ方向を判別するためにウエハ上
の回折格子マークを碁盤の目状に形成しなければなら
ず、このためマークがプロセス上で変形しやすいという
問題もある。

また、他の位置検知方式、すなわち、ホログラムにより
等価的に形成された位置固定の回折格子マークとウエハ
上に実際に形成された回折格子マークの回折光どうしを
干渉させることによりウエハの位置検知信号を得る方式
として、特開昭５９−１９２９１７号公報に示されてい
るホログラフイツクアライメント法がある。しかし、こ
の方式はオフアクシス方式による位置検出法であるた
め、ウエハとレチクルとの相対位置があいまいになると
いう問題がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、上述の問題を解決し、マスクと基板と
の相対的な位置検出を高精度に行ない、かつ、その機構
系及び信号処理系も比較簡単な構造の位置検出装置を提
供するものである。

本発明の他の目的は、位置ずれ方向の判別を可能にし、
更に、位置合せマークの特定の条件及び変形による位置
合せ信号の劣化を改善した位置検出装置を提供するもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本願第１発明に係る位置検出装置は、回折格子状の第１
マークを有する第１基板と、回折格子状の第２マークを
有する第２基板との相対的な位置を検出する装置におい
て、前記第１マークと第２マークの各々に照明光を照射
する照明手段と、前記第１マークから発生した第１の回
折光と前記第２マークから発生した第２の回折光とを互
いに干渉させるように所定の像面上のほぼ同一の位置に
集光させる集光光学系と、前記第２マークから発生した
前記第２の回折光が前記第１基板上の前記第１マーク以
外の部分領域に照射されるような状態で前記第１基板と
第２基板とをその基板面とほぼ平行な方向に相対移動さ
せる移動手段と、前記像面内に配置され、前記移動手段
による相対移動に伴って生じる前記第１の回折光と第２
の回折光との干渉光の強度の変化に応じた光電信号を出
力する光電検出器とを備えており、前記光電信号に基づ
いて前記第１基板と第２基板との相対位置を検出するよ
うにようにして前述の課題を達成したものである。

また本願第２発明に係る位置検出装置は、マスクのパタ
ーンを投影光学系を介して基板に露光する装置に設けら
れ、回折格子状の第１マークと該第１マークの近傍に形
成された透明な窓とを有する前記マスクと、回折格子状
の第２マークを有する前記基板との相対的な位置を検出
する装置において、前記透明な窓と前記投影光学系とを
介して前記第２マークの計測方向とほぼ垂直な方向に関
して傾き且つ前記投影光学系の光軸に対して斜めの方向
から所定波長の照明光を前記第２マークに照射すると共
に前記第１マークに前記照明光を照射する対物光学系
と、前記第１マークから発生した第１の回折光と前記第
２マークから発生して前記投影光学系および前記透明な
窓を通過した第２の回折光とを前記対物光学系を介して
受光する光電検出器とを備えており、前記光電検出器か
ら出力される光電信号に基づいて前記マスクと前記基板
との相対位置を検出するようにして前述の課題を達成し
たものである。

［作用］ 本願発明において、第１基板上の回折格子状の第１マー
クと、第２基板上の回折格子状の第２マークとの各々に
対して照明手段から照明光を照射すると、前記第１マー
クからは第１の回折光が発生し、前記第２マークからは
第２の回折光が発生する。これら第１と第２の回折光は
集光光学系により所定の像面上のほぼ同一の位置に集光
され、この像面上で両回折光が干渉を生じる。

例えば第１基板がマスク（レチクル）であり、第２基板
が投影光学系によって前記マスクのパターン像の露光を
受けるウエハである場合、照明光を受けたマスクの第１
マークから生じた第１の回折光（透過回折光）は投影光
学形によってウエハ上に像を結び、その反射光は入射光
路を戻ってマスク側に出てくる。またマスクへの照明光
の一部はマスクの第１マーク近傍の透過窓から投影光学
系を介してウエハ上の第２マークを照射し、そこで生じ
る第２の回折光（反射回折光）は入射光路を戻ってやは
りマスク側に出てくる。

集光光学系はこのようにして別々の光路を導かれた第１
と第２の回折光をそれらが互いに干渉するように例えば
照明光路外の所定位置に設定された前記像面上のほぼ同
一の位置に集光する。

移動手段は、前記第２マークから発生した前記第２の回
折光が前記第１基板上の前記第１マーク以外の部分領
域、例えば前記透過窓に照射されるような状態下で前記
第１基板と第２基板とをその基板面とほぼ平行な方向に
相対移動させる。

前記像面内に配置された光電検出手段は、前記移動手段
による相対移動に伴って生じる前記第１の回折光と第２
の回折光との干渉光の強度変化に応じた光電信号を出力
し、この光電信号に基づいて前記第１基板と第２基板と
の相対位置が検出される。この場合、前記光電信号の変
化は第１マークと第２マークとの位置ずれに対応してお
り、これは単純な正弦波状の信号となるので、波形の歪
みが少なく、従って検出精度の向上が果たせるものであ
る。また検出には正弦波の零点近傍における信号変化率
の大きい部分を利用できるので、ファインアライメント
の再現性も良好となり、しかもその信号をそのまま位置
合わせのサーボ制御に使用することもできる。

また本願第２発明に係る位置検出装置は、マスクのパタ
ーンを投影光学系を介して基板に露光する装置に設けら
れるものであり、回折格子状の第１マークと該第１マー
クの近傍に形成された透明な窓とを有する前記マスク
と、回折格子状の第２マークを有する前記基板との相対
的な位置を検出する。

対物光学系は、所定波長の照明光を第１と第２のマーク
に照射するが、この場合、第２マークには前記透明な窓
と前記投影光学系とを介して前記第２マークの計測方向
とほぼ垂直な方向に関して傾き且つ前記投影光学系の光
軸に対して斜めの方向から照明光を照射する。これによ
って第２マークが段差をもつ場合にこの段差を前記傾斜
によって等価的に変化させ、照明光の前記波長に対して
前記段差が特定の値をもつ場合の検出感度の低下が軽減
される。

前記第１マークから発生した第１の回折光と前記第２マ
ークから発生して前記投影光学系および前記透明な窓を
通過した第２の回折光は前記対物光学系を介して光電検
出器により受光され、その干渉光の強度変化に応じた光
電信号に基づいて前記マスクと第２基板との相対位置が
検出される。

本発明を実施例図面と共に詳述すれば以下の通りであ
る。

〔実施例〕 第１図は本発明の一実施例に係る位置検出装置の基本構
成（但し、回折光の検出系を除く）を示した説明図で、
縮小投影露光装置に適用した例を示す。第２図はそのレ
チクルの平面説明図、第３図はそのウエハの平面説明
図、第４図は第１図の装置の動作原理を示した説明図、
第５図は前記位置検出装置の回折光の検出系の構成を示
した説明図である。

第１図において、(1)はレチクルで、その裏面にはクロ
ム等で構成されたパターン面（１ａ）が形成されてい
る。(2)は物体（レチクル）側が非テレセントリツク
で、像側がテレセントリツクな投影レンズ、(3)はウエ
ハである。レチクル(1)はレチクルホルダー（レチクル
ステージ）(30)に保持され、ウエハ(3)はウエハホルダ
ー（ウエハステージ）(31)に保持されている。ウエハホ
ルダー(31)にはステージ駆動モータ(32)が駆動軸を介し
て取付けられており、ウエハホルダー(31)の位置調整が
できるように構成されている。その移動量はレーザ干渉
測長器(33)により測定される。なお、図示しないが、ス
テージ駆動モータ(32)による移動方向と直交する方向に
ウエハホルダー(31)を移動させるステージ駆動モータ
と、この移動量を測定するレーザ干渉測長器も設けられ
ており、ウエハホルダー(31)すなわちウエハ(3)は２次
元に位置調整可能に構成されている。

レチクル(1)には回折格子マークＲＧと透明な窓として
のスリツトパターンＲＳとが１対となつて、第２図に示
すようにパターン領域の外側のｘ軸上及びｙ軸上にそれ
ぞれ１個ずつ設けられている。一方第３図に示すよう
に、ウエハ(3)上の複数のチツプのうち、チツプ
（Ｃ_０），（Ｃ_１），（Ｃ_２）はｘ軸方向に並置され、
各チツプの外側には回折格子マークＷＧがｘ軸上及びｙ
軸上にそれぞれ形成されており、後述するようにレチク
ル(1)の回折格子マークＲＧが回折格子マークＷＧの近
傍に投影されるように構成されている。

第１図の説明に戻つて、レーザビームＬＢを縮小投影レ
ンズ(2)の瞳面Ｓｐの中心に集光するように、レチクル
(1)上の回折格子マークＲＧとスリツトパターンＲＳに
照射すると、回折格子マークＲＧとスリツトパターンＲ
Ｓの縮小パターンがウエハ(3)上に投影される。このと
き、スリツトパターンＲＳの縮小パターンの位置とウエ
ハ(3)上に形成された回折格子マークＷＧの位置とは一
致し、回折格子マークＲＧの縮小マークＲＧ′は回折格
子マークＷＧの近傍に結像する。この様子は第４図に詳
細に図示されているとおりである。ここで、回折格子マ
ークＷＧと回折格子マークＲＧの縮小マーク（以下単に
縮小マークという）ＲＧ′とのピツチＰは互いに等し
く、両者の中心は互いに距離ｌだけ離れているものとす
る。また、ＤＬはスリツトパターンＲＳの透過光で、Dw
+とDw-,Dw′＋とDw′−はそれぞれ回折格子マークＷＧ
の上面と下面による０次以外の回折光を表わしている。
Droは回折格子マークＲＧで発生した０次回折光で、Dr
+,Dr-は等価的に縮小マークＲＧ′による回折光と考え
ることができる。

従つて、この時回折格子マークＷＧと縮小マークＲＧ′
による同次数の回折角は等しいので、回折光Dw+,Dw′＋
とDr+,Dw-,Dw′−とDr-が互いに干渉をおこす。回折光D
w+,Dw′+,Dr+,Dw-,Dw′-,Dr′−の振幅をそれぞれAw+,A
w′+,Ar+,Aw-,Aw′-,Ar′とすると、(+)と(-)方向の干
渉波の強度I+とI-は次の(1),(2)式のように表わされ
る。ここでは、格子の数が１個ずつの場合を考えるが、
格子の数が複数個あつても回折格子マークＷＧと縮小マ
ークＲＧ′の干渉条件について考えるときはこれで十分
である。

Ｉ_＋＝Ａ_ｗ＋ ^２＋Ａ_ｗ′＋ ^２＋Ａ_ｒ＋ ^２ ＋２・Ａ_ｒ＋・Ａ_ｗ＋・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ＋ｄ（１＋ｃｏｓθ）｝ ＋２・Ａ_ｒ＋・Ａ_ｗ′＋・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ＋（Ｐ／２）・ｓｉｎθ）｝ ＋２・Ａ_ｗ＋・Ａ_ｗ′＋・ｃｏｓｋ｛ｄ（１＋ｃｏｓθ）−（Ｐ／２）ｓｉｎ
θ｝ ……(1) Ｉ₋＝Ａ_ｗ− ^２＋Ａ_ｗ′− ^２＋Ａ_ｒ− ^２ ＋２・Ａ_ｒ−・Ａ_ｗ−・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ−ｄ（１＋ｃｏｓθ）｝ ＋２・Ａ_ｒ−・Ａ_ｗ′−・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ＋（Ｐ／２）・ｓｉｎθ）｝ ＋２・Ａ_ｗ−・Ａ_ｗ′−・ｃｏｓｋ｛ｄ（１＋ｃｏｓθ）＋（Ｐ／２）ｓｉｎ
θ｝ ……(2) 但し、ｌ；回折格子マークＷＧと縮小マークＲＧ′との
距離 Ｐ；回折格子マークのピツチ θ；回折角 ｄ；回折格子マークＷＧの段差 ｋ；２π／λ（λ：レーザの波長） 次に、ｎ次回折光の回折角をθ_ｎとすると、sinθ_ｎ＝
ｎλ／Ｐとなり、通常低次回折光では、（ｎλ／Ｐ）≪
１、また、Ａ_ｗ＋＝Ａ_ｗ−，Ａ_ｗ′＋＝Ａ_ｗ′−、Ａ
_ｒ＋＝Ａ_ｒ−であることを考慮して、ΔＩ＝−（Ｉ_＋−
Ｉ₋）を計算すると次の(3)式が得られる。

ΔＩ＝４Ａ_ｒ＋・Ａ_ｗ＋・sin｛（２π／λ）ｄ（１＋cosθ_ｎ）｝・sin ｛２π（ｎｌ／Ｐ）｝≒４Ａ_ｒ＋・Ａ_ｗ＋・sin｛２π（２ｄ／λ）｝・ sin｛２π（ｎｌ／Ｐ）｝ ……(3) 上記(3)式はΔＩがｌを変数とした正弦波関数であり、
ｌ＝（Ｐ／２_ｎ）×Ｍ（Ｍ；整数）のときに、ΔＩ＝０
となることを示している。

従つて、第１図又は第４図においてウエハ(3)が左右に
動くと、回折格子マークＷＧのみが移動して、距離ｌが
変化するので、ΔＩを計測すれば位置ずれ検出信号が得
られる。

このような回折光の検出系を示したのが第５図である。
光電素子P_d+,P_d-は縮小投影レンズ(2)の瞳面Ｓｐと共役
な面上に配置されている。図中で点線と実線で示した光
線は、それぞれ回折格子マークＷＧと縮小マークＲＧ′
からの０次光及び、＋，−ｎ次光の回折光である。ＦＰ
は回折光の干渉波ができる像面であり、２つの光電素子
P_d+,P_d-はこの面に沿つて配置されている。従つて、レ
チクル(1)を透過してきた回折光は、ハーフミラー(4)に
よつてレンズ(5)へ導びかれ、光電素子P_d+,P_d-のそれぞ
れに＋，−ｎ次の回折光が集光するように構成されてい
る。図において、(20)は照明手段の一部を構成している
集光レンズである。

この光学系において、回折格子マークＲＧは透過形の回
折格子であるため、マークＲＧからは反射回折光と透過
回折光との両方が発生し、透過回折光はD_ro,D_r-,D_r+と
してウエハ(3)面上で結像した後反射して回折格子マー
クＲＧに戻り、回折光D_r-,D_r+（±ｎ次光）のみが光電
素子P_d-,P_d+に入射する。尚、回折格子マークＲＧから
の反射回折光は、レーザビームＬＢの主光線がパターン
面1aに対して垂直でないため、光電素子P_d+,P_d-には入
射しない。

ところで、第１図〜第３図に示したレチクル(1)上の回
折格子マークＲＧとウエハ(3)上の回折格子マークＷＧ
は、第６図に示す構成をしており、レチクル(1)上の回
折格子マークＲＧとウエハ(3)上の回折格子マークＷＧ
は相似形をなしている。そして、回折格子マークＲＧの
縮小像である縮小マークＲＧ′は、本実施例では回折格
子マークＷＧと全く同一形状であり、レチクル(1)とウ
エハ(3)とを正確に位置合わせしたとき、距離ｌだけ離
れた位置に結像するようになされている。

なお、回折格子マークＷＧと縮小パターンＲＧ′は、そ
のピツチＰさえ同じ寸法であれば、必らずしも同一形状
である必要はない。

次に、以上の構成からなる本実施例の装置の位置検出及
び位置決めについて説明する。

光電素子P_d-,P_d+の出力の差となるΔＩは、(3)式により
その符号は距離ｌのみならず、回折格子マークＷＧの段
差ｄによつても、例えばｎ次回折光を用いる場合には第
７図に示すように変化するので、実際の位置決めは次の
手順で行なう。第７図において、横軸は位置ずれを表わ
し、ΔＩの零電位でもある。

まず、他の粗位置合わせ手段（図示せず）により第７図
において、（Ｐ／ｎ）×（Ｎ−1/2）＜ｌ＜（Ｐ／ｎ）
×Ｎ（Ｎ；整数）となるように、レチクル(1)に対して
ウエハ(3)を位置合わせする。この位置合わせは、ステ
ージ駆動モータ(32)を駆動させて、ウエハホルダー(31)
を移動させることにより行なう。

次に、この粗位置合わせをした後、本実施例の位置検出
装置の出力に基づいて位置合わせを行なう。まず、照明
手段（図示せず）によりレンズ(20)を介してレーザビー
ムＬＢをレチクル(1)上の回折格子マーク（ＲＧ），ス
リツトパターン（ＲＳ）に照射すると、回折格子マーク
ＷＧの回折光と縮小マークＲＧ′の回折光はレチクル
(1)を透過してハーフミラー(4)で反射し、レンズ(5)を
通つて光電素子P_d+,P_d-に＋，−ｎ次の回折光が集光
し、光電素子P_d+,P_d-の出力を読み取つてその差（Δ
Ｉ）を求めると、それは(3)式によりレチクル(1)とウエ
ハ(3)の相対距離を示すものとなる。次に、この時のΔ
Ｉの符号を記憶し矢印方向（第７図）にウエハ(3)を動
かして、ΔＩ＝０、つまりｌ＝（Ｐ／ｎ）×Ｎとなると
ころで停止させることで位置合わせを行なう。勿論この
時のウエハ(3)の移動はステージ駆動モータ(32)の駆動
によりなされる。もし、ΔＩ＝０となる点を通り過ぎる
とΔＩの符号が反転するので、逆に動かせばよくずれ方
向の判別も容易にできる。ウエハ(3)の移動方向は、第
７図の矢印の方向だけでなく、その反対方向にしても同
様に位置合わせができることはいうまでもない。

次に、回折格子が非対象に形成されている場合の事を考
慮した、本発明の他の実施例に係る位置検出装置につい
て説明する。

上述の実施例は回折光子が理想的に形成されている場合
を前提としたものであるが、実際のプロセスでは格子の
一本一本が位置検出方向に関して非対称になる場合があ
り、回折光も＋方向と−方向とで異なつてくる。この
時、(1)式，(2)式において、A_w+とA_w-,A_w′+とA_w′-が
等しくならずに位置検知に誤差を生じるが、第８図に示
した実施例によればその誤差を軽減できる。

この実施例は、比較的太くて平行なレーザビーム(9)が
レンズ(7),(8)で構成された逆ビームエクスパンダによ
り、投影レンズ(2)の瞳（ＳＰ）の中心に収束するよう
な光ＬＢに変換され、レチクル(1)上の回折格子マーク
ＲＧとスリツトパターンＲＳに入射する光学系を有す
る。そして、レーザビーム(9)の途中に、回折格子マー
クＲＧ側のビームのみを必要に応じて遮断できるように
した遮断器(10)を挿入してある。遮断器(10)としては、
機械的チヨツパあるいは液晶等で構成することが考えら
れる。尚、レンズ(8)は第５図中の集光レンズ(20)に相
当し、レンズ(8)とレチクル(1)との間に第５図と同様の
ハーフミラー(4)が設けられている。

まず、第８図において、遮断器(10)により回折格子マー
クＲＧ側のビーム(9)を遮断してスリツトパターンＲＳ
のみを照明し、その時の回折格子マークＷＧからの＋と
−方向の回折光強度を半導体メモリ、あるいはサンプル
ホールド回路に記憶し、それぞれをＪ_＋，Ｊ₋とする。
(1)式，(2)式においてA_r+=A_r-＝０とおくと、次の(4),
(5)式が得られる。

Ｊ_＋＝Ａ_ｗ＋ ^２＋Ａ_ｗ′＋ ^２＋２Ａ_ｗ＋・Ａ_ｗ′＋・ｃｏｓｋ｛ｄ（１＋ｃｏｓ
θ） −（Ｐ／２）ｓｉｎθ｝ ……(4) Ｊ₋＝Ａ_ｗ− ^２＋Ａ_ｗ′− ^２＋２Ａ_ｗ−・Ａ_ｗ′−・ｃｏｓｋ｛ｄ（１＋ｃｏｓ
θ） ＋（Ｐ／２）ｓｉｎθ｝ ……(5) 次に、遮断器(10)をはずして回折格子マークＲＧ側にも
レーザビームＬＢを入射させた時、＋と−方向の回折光
強度Ｉ_＋，Ｉ₋はそれぞれ(1),(2)式で与えられるの
で、両者の値からビームＬＢを一部遮断したときの値を
差し引くと次の(6),(7)式のようになる。

Ｉ_＋−Ｊ_＋＝Ａ_ｒ＋ ^２ ＋２Ａ_ｒ＋・Ａ_ｗ＋・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ＋ｄ（１＋ｃｏｓθ）｝ ＋２Ａ_ｒ＋・Ａ_ｗ′＋・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ＋（Ｐ／２）・ｓｉｎθ｝
……(6) Ｉ₋−Ｊ₋＝Ａ_ｒ− ^２ ＋２Ａ_ｒ−・Ａ_ｗ−・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ−ｄ（１＋ｃｏｓθ）｝ ＋２Ａ_ｒ−・Ａ_ｗ′−・ｃｏｓｋ｛ｌ・ｓｉｎθ＋（Ｐ／２）・ｓｉｎθ｝
……(7) そして(6)式の結果から(7)式の結果を減算すと位置信号
ΔＩが得られる。これは、直接(1)-(2)式の演算を行な
つて求める場合に比べて非対称性の影響が少なくなり、
位置検出誤差を軽減できる。

ところで、ΔＩは(3)式により、ウエハ(3)上の回折格子
マークＷＧの段差ｄが（λ／４）の整数倍のときは、ｌ
によらず０となり、検出感度が全く無くなる。しかし、
このような場合には、第９図に示すようにレーザビーム
(6)を回折格子マークＷＧに対して斜めに入射させる
と、等価的に段差ｄを変えることができ、段差ｄによる
検出感度の低下を軽減させることができる。これは、第
１０図に示すようにレーザビーム(6)を角度だけ傾く
ように入射させると、回折格子マークＷＧの上面と下面
での反射光ＲｔとＲｂの光路差が２ｄcosとなり、
＝０°の場合に比べてcos倍だけ短くなるからであ
る。なお、レーザビームの傾きは位置合わせ方向に対し
て直角になつているので、位置検出の誤差となることは
ない。そこで、このようにレーザビームを位置合わせ方
向に直角な方向に傾けるようにした本発明の他の実施例
に係る位置検出装置について説明する。この実施例では
第１１図に示すようにレーザビームＬＢを主光線ｌ_１，
ｌ_２で示したようにｙｚ平面内で異なる角度で傾斜して
照射させた構造となつている。すなわち、回折格子マー
クＲＧの微小線要素の伸びる方向に傾けた光束を入射さ
せている。この場合ウエハ(3)上では第９図に示したの
と同様な状態になる。

以上の原理に基づいた具体的な光学配置例を第１２図
(a),(b),(c)に示す。この実施例は、第８図の実施例に
おいてレンズ(7)と(8)との間の光路中に反射面(13)を挿
入して構成したものである。レンズ(8)の光軸がレチク
ル(1)と交わる点Ｐｆがレンズ(8)の焦点と一致すように
配置されている。

第１２図(a)は、縮小投影レンズ(2)の瞳面Ｓｐの中心に
レーザビーム(9)が集光されている場合を示している。
なお、図においてレーザビーム(9)の瞳面Ｓｐ上の集光
点は符号Ｐ_ｓで示されている。次に、反射面(13)がその
面と垂直な方向（矢印の方向）へ平行移動すると、レン
ズ(8)から見た見かけ上のレーザビーム(9)の集光点Ｐ_ｃ
は、レンズ(8)から見て反射面(13)に垂直な直線(14)上
を動くことになる。この時直線(14)と集光点Ｐ_ｓの軌跡
のレンズ(8)の光軸に対する傾きがある特定の条件（こ
の条件は後述する）を満足するように設定すれば、レー
ザビーム(9)を常に瞳面Ｓ_ｐ上に集光させることができ
る。また、レチクル(1)面上の点Ｐｆはレンズ(8)の焦点
と一致しているので、反射面(13)が平行移動しても、レ
ーザビームの主光線が常にレチクル(1)面上の点Ｐｆを
通ることになる。つまり、反射面(13)が図の左下方向
（矢印ｂ方向）へ平行移動すると第１２図(b)のように
なり、右上方向（矢印ｃ方向）へ平行移動すると第１２
図(c)のようになる。

更に、レチクル(1)面とウエハ(3)面とは共役な関係にあ
るので、レーザビームの主光線とウエハ(3)面とが交わ
る点Ｐｗとレチクル(1)面上の点Ｐｆとが共役となり、
点Ｐｗは動くことがない。従つて第１２図の実施例に示
した構成により、第９図（又は第１１図）に示したレー
ザビーム(6)のように、ウエハ(3)上の回折格子マークＷ
Ｇを斜めからの平行ビームで照射することができる。

ここで、直線(14)と集光点Psの軌跡のレンズ(8)の光軸
に対する傾きに必要とされる条件を第１３図に基づいて
説明する。同図中の座標（ｘ_１，ｙ_１）上の点Ｑ_１と座
標（ｘ_２，ｙ_２）上の点Ｑ_２は、焦点距離ｆのレンズ(1
5)に対して共役な関係にあるものとする。次に、点Ｑ_１
が(i)式で与えられる直線(16)上を動く時の点Ｑ_２の軌
跡を考える。

ｙ_１＝ａｘ_１＋ｂ（ａ，ｂ；定数） ……(i) レンズの結像公式より次の(ii),(iii)式が得られる。

これら(i),(ii),(iii)式により、ｘ_２とｙ_２の関係は次
の(iv)式で与えられる。これが点Ｑ_２軌跡であり直線(1
7)となる。

従つて、第１２図(a),(b),(c)中のレンズ(8)、点Ｐｓ，
Ｐｃはそれぞれ第１３図中のレンズ(15)、点Ｑ_１，Ｑ_２
に対応するものと考えればよく、点Ｐｓが(i)式で与え
られる直線上を動くと仮定した場合は、点Ｐｃの軌跡(1
4)が(iv)式を満足するように反射面(13)を設定すればよ
い。

尚、第１２図に示した光学系は、投影レンズ(2)に入射
する光束（レーザビーム等）のウエハ側でのテレセント
リシテイを調整するためのものとしても有効である。

なお、上述の実施例においては、光電検出器がレチクル
(1)の上部に設けられている場合について説明したが
（第５図）、第１４図に示すように、回折光がレチクル
(1)を透過する前にハーフミラー(4)でレンズ(5)へ導
き、光電素子Ｐ_ｄ−，Ｐ_ｄ＋上に、−，＋ｎ次の回折光
がそれぞれ集光するようにしてもよい。なお、図におい
てＦＰ_１はウエハ(3)の表面と共役な面で、ＦＰ_２は投
影レンズ(2)の瞳面Ｓｐと共役な面である。この実施例
ではミラー(4)の配置がレチクル(1)の下方なので、縮小
マークＲＧ′から２次的に発生する回折光と回折格子マ
ークＷＧからの回折光のみが干渉し、それが光電素子Ｐ
_ｄ−，Ｐ_ｄ＋で検出される。

また、回折格子マークＲＧからの反射回折光のみと、ウ
エハ(3)上の回折格子マークＷＧからの反射回折光のみ
とを干渉させるような光学系の構造にしてもよい。

回折格子マークＲＧ，ＷＧの構成は、第６図に示された
ものに限らず、第１５図に示すように縮小マークＲＧ′
の格子とウエハ(3)の回折格子パターンＷＧの格子が上
下に並ぶように配置してもよい。また、回折格子マーク
は適当な角度、例えば４５°等の斜格子であつてもよ
い。回折格子マークを細長い格子の並びとして形成した
場合には、マークの端の部分がプロセス上で変形して
も、検出位置の誤差にはほとんど影響せず、また、マー
クの一部に欠陥が生じてもマーク全体としては平均化さ
れてあまり問題にならないという利点がある。

また、回折格子マークＲＧとスリツトパターンＲＳと
は、第６図及び第１５図に示すように近接して設けず
に、レチクル(1)上でパターン領域をはさんだ両側に分
けてもよい。その場合は、回折格子マークＲＧからの回
折光（又は一度ウエハ(3)上で反射してきた回折光）と
ウエハ(3)上の回折格子マークＷＧからの回折光（又は
スリツトパターンＲＳを通つた回折光）とを干渉させる
ために、光学系の引き回しが必要となる。

照明光（レーザビームＬＢ）が縮小投影レンズ(2)の色
収差（補正された）波長と異なる場合は、レチクル(1)
とウエハ(3)との共役がくずれるので、回折格子マーク
ＲＧやスリツトパターンＲＳの下に色収差補正用のレン
ズやミラー、プリズム等を設ける必要がある。

尚、本実施例の投影レンズ(2)はレチクル(1)側が非テレ
セントリツクな光学系としたが、物体側と像側の両側が
テレセントリツクな光学系の投影レンズを使つてもよ
い。この場合、レチクル(1)を照明するレーザビームＬ
Ｂの主光線はパターン面1aと垂直になるので、回折格子
マークＲＧからの反射回折光と、ウエハ面で反射した透
過回折光との両方が光電検出器に入射することになる。
（第５図の場合）さらに反射回折光と透過回折光とを分
離して検出する場合は、偏光を用いればよい。

本発明に係る位置検出装置は、上述の投影露光方式以外
に、プロキシミテイ方式にても全く同様に利用でき、特
にＸ線露光装置の光学アライメントにも好適である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、発明に係る位置検出装
置は、マスクの第１マーク（ＲＧ）の回折光の照射位置
とウエハの第２マーク（ＷＧ）とが重なり合わない位置
で、第１マーク（ＲＧ）及び第２マーク（ＷＧ）の各々
のからの回折光を干渉させることによつて、得られる光
電信号のレベルは、位置ずれに応じて変化し、しかも単
純な正弦波状に変化する。このため、従来のものに比べ
て波形の歪みが少なくなり、精度が向上している。ま
た、正弦波上の０点付近の信号変化率が大きい部分を使
えるので、フアインアライメントの再現性もよい。しか
もその信号をそのままサーボ制御に使える。そして、機
構系及び信号処理系も、図示の実施例から明らかなよう
に簡単な構成となつている。

また、光電信号は正弦波状に変化するので、位置ずれ方
向の判断を容易に行なうことができ、更に、位置合わせ
マークはいずれも回折格子状になつているので、一部に
変形や欠陥を生じても、主体として平均化されて位置検
出信号の精度に大きな影響を与えない。

【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検出装置の基本構
成を示した説明図、第２図はそのレチクルの平面説明
図、第３図はそのウエハの説明図、第４図は第１図の装
置の動作原理を示した説明図、第５図は前記位置検出装
置の回折光の検出系の構成を示した説明図、第６図はレ
チクル上の回折格子マーク・スリツトパターン及びウエ
ハ上の回折格子マーク・縮小マークの平面説明図、第７
図は第１図の装置の位置検出信号の波形図である。第８
図はウエハの回折格子マークの非対称性による検出位置
の誤差の軽減を考慮した、本発明の他の実施例に係る位
置検出装置の説明図、第９図はウエハの回折格子マーク
の特定の段差における回折光量低下の軽減法を示した説
明図、第１０図は第９図の効果を説明した原理図、第11
図は（第９図のような場合におけるレチクルへの）レー
ザビームの入射方法を示す説明図、第１２図(a),(b),
(c)は第９図、第１１図の原理に基づいた、本発明の他
の実施例に係る位置検出装置の説明図、第１３図は第１
２図の装置の反射面の設置位置の条件を説明する説明
図、第１４図は本発明の位置検出装置の検出系の他の例
を示した説明図、第15図はレチクル上の回折格子マーク
・スリツトパターン及びウエハ上の回折格子マーク・縮
小マークの他の配置を示した説明図である。 (1)……レチクル、(2)……縮小投影レンズ、(3)……ウ
エハ、(4)……ハーフミラー、(5)……レンズ、(6),(9)
……レーザビーム、(10)……光遮断器。 ＬＢ……レーザビーム、ＲＧ……レチクル上の回折格子
パターン、ＲＳ……レチクル上のスリツトパターン、Ｗ
Ｇ……ウエハ上の回折格子マーク、Ｐ_ｄ＋，Ｐ_ｄ−……
光電素子。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回折格子状の第１マークを有する第１基板
   と、回折格子状の第２マークを有する第２基板との相対
   的な位置を検出する装置において、 前記第１マークと第２マークの各々に照明光を照射する
   照明手段と、 前記第１マークから発生した第１の回折光と前記第２マ
   ークから発生した第２の回折光とを、互いに干渉させる
   ように所定の像面上のほぼ同一の位置に集光させる集光
   光学系と、 前記第２マークから発生した前記第２の回折光が前記第
   １基板上の前記第１マーク以外の部分領域に照射される
   ような状態で、前記第１基板と第２基板とをその基板面
   とほぼ平行な方向に相対移動させる移動手段と、 前記像面内に配置され、前記移動手段による相対移動に
   伴って生じる前記第１の回折光と第２の回折光との干渉
   光の強度の変化に応じた光電信号を出力する光電検出器
   とを備え、 前記光電信号に基づいて前記第１基板と第２基板との相
   対位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】マスクのパターンを投影光学系を介して基
   板に露光する装置に設けられ、回折格子状の第１マーク
   と該第１マークの近傍に形成された透明な窓とを有する
   前記マスクと、回折格子状の第２マークを有する前記基
   板との相対的な位置を検出する装置において、 前記透明な窓と前記投影光学系とを介して、前記第２マ
   ークの計測方向とほぼ垂直な方向に関して傾き且つ前記
   投影光学系の光軸に対して斜めの方向から所定波長の照
   明光を前記第２マークに照射すると共に、前記第１マー
   クに前記照明光を照射する対物光学系と、 前記第１マークから発生した第１の回折光と、前記第２
   マークから発生して前記投影光学系および前記透明な窓
   を通過した第２の回折光とを、前記対物光学系を介して
   受光する光電検出器とを備え、 前記光電検出器から出力される光電信号に基づいて前記
   マスクと前記基板との相対位置を検出することを特徴と
   する位置検出装置。