JPH067043B2

JPH067043B2 - 位置検出方法

Info

Publication number: JPH067043B2
Application number: JP58239392A
Authority: JP
Inventors: 光雄田畑; 信男渋谷
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-12-19
Filing date: 1983-12-19
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2009-01-26
Also published as: US4642468A; DE3446181C2; DE3446181A1; GB2151778B; GB8431533D0; GB2151778A; JPS60129604A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、位置検出方法に係わり、特に自動利得調整機
能を持つ振動型位置検出方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

振動型位置検出方法は、精密測定材の内蔵する基準スケ
ールなどの目盛線の読み取り用に開発された光電顕微鏡
に用いられ、高い検出感度を有することから今日では半
導体製造装置等、各種の自動位置決め装置の検出法とし
て使用されるようになってきている。

振動型位置検出方法の原理を光電顕微鏡に使用したとき
の例を用いて簡単に説明する。その基本構成は第１図に
示す通りであり、図中１は光源、２は集束レンズ、３は
ハーフミラー、４は対物レンズ、５はマーク６が形成さ
れた被検査物、７はスリット板、８は光電変換器、９は
プリアンプ、１０は同期検波回路、１１は発振器、１２
は振動子、１３は指示メータを示している。走査機構は
スリットまたは像を振動させる振動子１２を使用してお
り、光電変換器８の出力信号はスリットが振動している
のでマーク位置によりその信号波形は異なる。信号波形
の変位をマークの位置ｘに対して示すと、第２図(a)〜
(i)のようになる。第２図から判るように、信号波形は
振動周波数と等しい周波数の同期信号となるので、マー
クの位置がスリットの振動中心位置に一致するとき、即
ち(e)点では２倍の周波数の信号となり、基本周波数成
分はゼロとなる。振動型光電顕微鏡はこの位置を電気的
に検出するものである。また、マークの位置ｘの変化に
対して、基本周波数成分ａ_wがどのように変化するかを
示したのが右図である。この基本周波成分の変化の仕方
（出力特性曲線）は、マーク幅、スリット幅及び振動振
幅等によって変化するが、マーク位置がスリット振動中
心に一致した(e)点ではゼロでその前後で符号が逆転す
るので、ゼロメータによる検出やサーボ系の駆動には適
している。なお、光電信号の中から基本周波数成分のみ
を取り出し、２倍周波数成分を消去してしまうことは、
同期検波回路１０により容易に実現される。

ところで出力特性曲線の形はマーク幅、コントラスト、
走査（振動）振幅及び照明の明るさ等によって変動する
ので、出力とマーク位置の関係が一定にならないので常
に正しい位置情報を得るにはそのつどキャリブレーショ
ンをする必要がある。そうしない場合、位置の設定が不
正確になったり、多大な時間を要してしまうことにな
る。例えば、この位置検出方法が光露光装置に代表され
る半導体製造装置に使用される場合、多種多数の処理工
程をはさんで露光が繰り返されるため、露光前の位置検
出においてはマークのコントラストが工程の違いやレジ
スト条件の違い等により毎回異なり、第３図に示す如く
工程の異なるときの出力ａ_f，ａ_f′，ａ_f″の曲線のピ
ーク値Ｐ₁，Ｐ₁′，Ｐ₁″や傾きが異なってしまう。そ
こで、工程の違いによるマークのコントラストの情報を
予め計算機に入れて出力を補正する方法が考えられる。
しかし、この方法では、マークのコントラストの情報は
予測によるものであり、完全に把握することはできない
ため、精度の高い補正はできない。さらに、この出力は
照度のふらつきによっても不安定になるため、照度の十
分な安定性が得られない場合は出力のピーク値及び傾き
は経時的にも変化する。また、最近ではサブミクロンオ
ーダーの徴細パターンの転写に有望とみられる電子ビー
ム転写装置にこの位置検出原理を応用したアライメント
が行われているが、この場合にも同様の問題が生じる。
しかも、この場合にはマークに光を照射する代りに電子
ビームを照射するが、この発生源である光電面は経時的
に劣化するという現象があり、電子ビームの照射量は時
間と共に変化する。このため、出力信号にも経時的変化
が現われる。このような経時的な変化は予測が難しいた
め、予測により出力の高精度な補正を行うことは難しい
情況にある。

このようなことから、信号のAGC（オートゲインコント
ロール：自動利得調節）により、出力特性曲線の傾きを
常に一定になるようにする必要性が生じてきた。AGCの
方法としては、マークを常に一方向から近づけ、出力特
性曲線のピークの電圧が一定値になるようにゲインをコ
ントロールしてやるのが簡単である。しかしながら、こ
の方法ではある時間マークを走査しながら検出を行う必
要があり、位置検出時間の遅延につながり装置のスルー
プットの低下を招く。しかも、出力曲線のピーク値を検
出する間の経時的な信号の変化に対応できず、短時間で
精密な位置合わせは難しくなる。

一方、リアルタイムで行うAGCの方法としては、信号の
実効値や波高値を検出し、その値が常に一定になるよう
にゲインを調整する方法が考えられている。しかしなが
ら、振動型位置検出における検出信号には基本波成分だ
けではなく高次の周波数成分が含まれており、また、マ
ーク位置によりそれらの出力成分が大きく異なる等複雑
な信号波形となるため、従来の方法では位置情報をなく
さずに高精度にAGCを行うことは困難であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、入力信号レベルが変化しても位置検出
出力特性が一定になるような自動利得調整の効果を持
ち、検出時間や検出精度を損うことなく位置検出を行い
得る振動型の位置検出方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、同期検波により得られる基本波成分ａ
_f及び第ｎ次高調波成分（ｎは２以上の整数）、例えば
第２高調波成分ａ_2fを直接位置検出信号として用いるこ
とをせずに、ａ_f，ａ_2fに対して特定の関数変換を行
い、入力レベルの変動に影響されない信号ａ_f ^＊，ａ_2f
^＊を得、この信号ａ_f ^＊，ａ_2f ^＊を位置検出信号として
用いることにある。

位置検出信号として用いられる信号ａ_f，ａ_2fの出力
特性は第６図に示されるような関係にある。つまり、マ
ーク位置がゼロ（振動中心と一致）の点でａ_fがゼロ、
ａ_2fがピーク値を示し、ａ_fがピーク値を示す位置でａ
_2fがゼロを示す。そして、ａ_fの２つのピーク値の間で
単調な曲線となっている。これらの関係はこの種の位置
検出において特有のものであり、ａ_f，ａ_2fを何らかの
変換をすることにより得られるａ_f ^＊，ａ_2f ^＊の出力特
性の組み合わせが同様の関係を満足するものであれば、
ａ_f ^＊，ａ_2f ^＊もやはり位置検出信号として用いること
ができる。本発明者等はこの点に着目して鋭意研究を重
ねた結果、上述した関係を満足するａ_f ^*，ａ_2f ^＊が入力
信号レベルが変動してもその影響をうけないような変換
の関数が存在するのを見出した。その一つの例はという変換である。ただし、α₁，β₁，α₂，β₂，K₁，
K₂は任意定数。この変換された信号ａ_f ^*，ａ_2f ^＊を位置
検出信号として用いることにより、特性曲線に関して前
述した関係が保たれ、かつ入力信号レベルの変動の影響
をうけないものなので、入力信号レベルの変動に対して
自動利得調整の効果をもつ位置検出が可能となる。

なお、上述した関数変換処理は、いわゆる正規処理であ
る。具体的にいうと、関数変換処理は、入力レベル（ａ
_ｆ，ａ_2f）が変化しても出力レベル（ａ_f ^*，ａ_2f ^*）が
変化しないような正規化処理である。

即ち本発明は、第１部材に設けられたマーク部から得ら
れる所定ビームをマーク部材もしくはスリットを有する
第２の部材に照射し、該第２の部材から得られるビーム
をビーム検出器で検出するとともに、前記ビームと前記
第２の部材を相対的に振動せしめ、この振動に同期して
前記ビーム検出器の検出出力を検波することにより、前
記第１もしくは第２の部材の位置を検出する方法に於い
て、前記同期検波して得られる出力の基本成分ａ_ｆ及び
第ｎ次高調波成分ａ_2f（ｎは２以上の整数）の各信号に
対し、基本波成分ａ_ｆのピーク点と第２高調波成分ａ_2f
の零点との対応関係を保持して入力レベル変動を消去す
る正規化処理のための関数変換を行い、この変換によっ
て得られる出力成分ａ_ｆ ^＊，ａ_2f ^＊を検出信号として位
置検出を行うことを特徴とする位置検出方法にある。

例えば、前記同期検波して得られる出力の基本波成分a_f
及び第２高調波成分a_2fを入力とし、上記基本波成分a_f
のピーク点と第２高調波成分a_2fの零点との関係を保持
して入力レベル変動を消去する変換を行い、この変換に
よって得られる出力成分a_f ^＊，a_2f ^＊を検出信号として
位置検出を行うことができる。

〔発明の実施例〕

第４図は本発明の一実施例方法に使用した振動型位置検
出装置を示す概略構成図である。光源１及び集束レンズ
２等からなるビーム照射源から放射された光ビームは、
ハーフミラー３及び対物レンズ４を介して被検査物５
（第１の部材）上に照射される。被検査物５上には、例
えば直線状の位置合わせ用マーク６が形成されており、
上記光ビームはこのマーク６近傍に照射されるものとな
っている。光ビーム照射によるマーク６からの反射光
は、対物レンズ４及びハーフミラー３を介して上方に進
み、スリット板７（第２の部材）の微小間隙７ａを通過
して光電変換器８に受光される。光電変換器８による検
出信号はプリアンプ９を介して後述する信号変換部２０
に供給される。

一方、前記スリット板７は振動子１２に取付けられてお
り、前記反射光の進行方向と直交する方向に振動され
る。つまり、発信器１１の発振出力に応じて振動子１２
が振動し、スリット板７の微小間隙７ａを通過した光が
振動するものとなっている。また、発信器１１の発振出
力は上記振動子１２と共に信号変換部２０にも供給され
ている。信号変換部２０は、後述する如く前記入力した
検出信号を上記発振出力に同期して検出し、所望の信号
変換を行って、その変換出力を指示メータ１３に供給す
るものとなっている。

さて、信号変換部２０は第５図に示す如く同調増幅回路
２１ａ，２１ｂ，同期検波回路22a，２２ｂ，増幅器２
３ａ，２３ｂ，加算器２４，リミッタ２５及び割算器２
６ａ，２６ｂから構成されている。すなわち、前記プリ
アンプ９を介して入力した検出信号は異なる同調周波数
ｆ，２ｆを持つ２つの同調増幅回路２１ａ，２１ｂにそ
れぞれ供給され、各回路２１ａ，２１ｂの増幅出力は同
期検波回路２２ａ，２２ｂにそれぞれ供給される。同期
検波回路２２ａ，２２ｂでは前記発信器１１の発振出力
に同期して上記各増幅信号を同期検波する。これにより
同期検波回路２２ａでは検出出力の基本波成分a_fが出力
され、同期検波回路２２ｂでは第２高調波成分a_2fが出
力される。２つの検波出力a_f，a_2fは増幅器２３ａ，２
３ｂによりそれぞれ増幅され、α｜a_f｜，β｜a_2f｜と
なり加算器２４に入力される。加算器２４からの出力α
｜a_f｜+β｜a_2f｜はリミッタ２５を通り割算器２６ａ，
２６ｂに供給される。そして、割算器２６ａ，２６ｂか
らα・a_f／（α｜a_f｜+β｜a_2f｜），β・a_2f／（α｜a_f
｜＋β｜a_2f｜）がそれぞれ新たな位置検出信号として
前記指示メータ１３に供給されるものとなっている。

次に、上記装置を用いた位置検出方法について説明す
る。まず、振動型位置検出方法の原理は従来と同様であ
り、スリット板７を振動させ、光電変換器８に受光され
るマーク６からの反射光を振動させる。そして、検出出
力を同期検波することによりその基本波成分a_f及び第２
高調波成分a_2fが得られる。ここまでは従来と同様であ
り、本実施例ではこの成分を前記信号変換部２０により
次のような変換を行っている。すなわち、本実施例では
同期検波後のｆ，2f成分の出力a_f，a_2fが位置について
ある特殊な関係にあることに着目してこの２つの出力そ
のものを用いて演算を行いの変換を行う。この変換を行った後の出力a_f ^*，a_2f ^*が
新たな位置検出信号として用いられることになる。

ここで、a_f，a_2f及びa_f ^＊，a_2f ^＊の位置に対する関係に
ついて説明する。第６図は典型的なa_fとa_2fの出力特性
曲線である。a_fとa_2fの関係は位置ずれ量がゼロではa_f
はゼロとなりa_2fはピーク値P₂を示し、a_fがピーク値P₁
を示す点でa_2fはゼロを示す。マークコントラストの変
化による入力信号レベルの変化があっても、上の関係は
常に成り立ち、同じマーク位置におけるa_fとa_2fの比は
常に一定である。ところで、通常位置合わせは位置検出
出力a_fがゼロになるように位置補正がなされるが、位置
検出曲線としてはa_fそのものでなくても、位置ずれ量が
ゼロの点で出力がゼロを示し、位置座標がx₂とx₃の間の
領域Ｂで単調な曲線であれば位置検出曲線として用いる
ことは可能である。そこで、上述したa_f，a_2fの関係を
考慮して、α，βを一定の関係に例えばα:β＝｜P
₂｜：｜P₁｜の関係になるように選ぶ。このときの｜P₂
｜／｜P₁｜はマーク幅、走査振幅が同じであれば一定で
ある既知な量である。そして入出力比を考慮してα，β
を定める。このように定めたα，βを用いて前記(1)式
の変換を行うことにより得られるa_f ^＊，a_2f ^＊の出力特
性は第７図に示すようになり、a_2f ^＊についていえば位
置ずれゼロの点で出力がゼロとなり位置座標がx₂とx₃の
間である領域Ｂで単調な曲線となる。つまり、位置検出
曲線としてa_f ^＊を用いて位置合わせを行うことが可能と
なる。また、a_f ^＊とa_2f ^＊を併用することにより領域Ｂ
の外側にある領域Ａ，領域Ｃの位置検出も可能となる。

次に、a_f ^＊，a_2f ^*が入力信号レベルの変動に対して常に
変化しない（AGCが働く）ことを説明する。出力a_f，a_2f
は入力信号レベルの変化に比例して変化すると考えてよ
いので、今仮に a_f→Ｋ・a_f a_2f→Ｋ・a_2f （Ｋ＞０）と変化した場合を考えると、(1)式よりとなり、Ｋの値によらずa_f ^*，a_2f ^*は変化しないことが
判る。したがって、位置検出にa_f ^*の出力特性曲線を用
いることにより入力信号レベルの変動に対してAGCの効
果をもち安定した位置検出信号が得られる。

かくして本実施例方法によれば、検出精度を損うことな
しに、入力信号レベルの変化に対してAGCの効果をもつ
振動型位置検出が可能となる。また、同期検波後の出力
の演算処理を行うよりAGCの効果をもたせることができ
るため、入力信号のノイズ成分の影響を受けにくく高精
度なAGCが可能となる。このため、特に半導体製造装置
に用いられる場合においては、処理工程の違いによるウ
ェハのマークコントラストの変化やマーク信号の発生源
の経時的な変化による入力信号レベルの変化に対して
も、AGCの効果をもつ位置検出が可能となり、高精度な
位置検出及び位置合わせが可能となる。また、入力信号
レベルの変化を知るための余分な検出を行う必要がない
ため、位置合わせに要する時間を短縮することができ、
その結果、装置のスループットの向上をはかり得る等の
利点もある。

第８図は他の実施例を説明するためのブロック図であ
る。なお、第５図と同一部分には同一符号を付して、そ
の詳しい説明は省略する。この実施例が先に説明した実
施例と異なる点は、アナログ信号のAGC処理の代りに、
デシタル計算機による演算処理でAGCを行うようにした
ことである。すなわち、前記同期検波回路２２ａ，２２
ｂの各検波出力a_f，a_2fはデジタル計算機３０に供給さ
れる。計算機３０ではなる演算を行うことによりa_f ^＊，a_2f ^＊を求める。した
がって、位置検出にa_f ^＊の出力特性曲線を用いることに
より先の実施例と同様なAGCの効果を持つ位置検出が可
能である。ここでデジタル演算処理を行う場合、アナロ
グ処理の場合に比べ処理回路のハードウェア上の負担が
軽くなる等の特長を持つが、AGCに関しては本質的な考
え方は同じである。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。前記実施例ではマークのパターン形状としては通
常用いられる１本のラインの場合で説明したが、このマ
ークパターン形状は電子ビーム転写の位置合わせマーク
に用いられる第９図に示すようなラインとスペースから
なるものであってもよい。尚、電子ビーム転写装置は、
光線を光電変換マスクにより、電子ビームパターンとし
て被露光試料に照射するものである。位置合わせの為、
光電変換マスクにはスリット状光電交換マーク部があ
り、スリット状のビームを金属マークを有する試料に照
射する。そして前記ビームを偏向させて振動させて金属
マークからのＸ線をマーク下方のＸ線検出器により検出
し、信号処理して位置検出をすることになる。この場合
のa_f，a_2fの出力特性曲線の変換を行うことにより得ら
れるa_f ^＊，a_2f ^＊の出力特性曲線は第１１図のようにな
る。この図から判るように、この例の場合も実施例の場
合と同じ傾向のa_f ^＊，a_2f ^＊の出力特性が得られ、実施
例の場合と同様の効果をもつ位置検出が可能となること
が判る。つまり、マークパターン形状としては通常の位
置検出に用いられるものであれば、本発明の位置検出方
法を適用することができる。

また、前記光ビームを振動させるためのスリット板を光
入射側に設け、つまりビーム照射源とマークとの間に配
置するようにしてもよい。さらに、検出光として反射光
の代りにマーク及び試料を通過した透過光を用いること
も可能である。又、ビーム照射源は光の代りに電子ビー
ムを放射するものであってもよい。この場合、ビームの
振動手段としては電子ビームを偏向すればよい。さら
に、検出ビームとしては反射電子や２次電子あるいはＸ
線等を用いればよい。

また、変換における定数は任意に変えて使用することも
可能であり、実際の使用の時に使いやすい値を定めて使
用すればよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はそれぞれ従来の振動型位置検出方
法を説明するためのもので第１図は振動型光電顕微鏡を
示す概略構成図、第２図は変調された信号波形の変化及
び出力特性曲線を表わす信号波形図、第３図は入力レベ
ルが変化したときの特性曲線の変化を示す信号波形図、
第４図乃至第７図はそれぞれ本発明の一実施例方法を説
明するためのもので、第４図は同実施例方法に使用した
AGC方式を採用した位置検出装置を示す概略構成図、第
５図は上記装置の要部構成を示すブロック図、第６図は
基本周波数成分および２倍周波数成分の出力特性曲線を
表わす信号波形図、第７図はAGCを行った基本周波数成
分および２倍周波数成分の出力特性曲線を表わす信号波
形図、第８図は他の実施例を説明するためのブロック
図、第９図はライン＆スペースのパターンからなるアラ
イメントマークパターン形状を示す平面図、第１０図は
第９図に示すマークを用いた場合の基本周波数成分およ
び２倍周波数成分の出力特性曲線を表わす信号波形図、
第１１図は第９図に示すマークを用いた場合のAGCを行
った基本周波数成分および２倍周波数成分の出力特性曲
線を表わす信号波形図である。１…光源、２…集束レンズ、３…ハーフミラー、４…対
物レンズ、５…被検査物、６…位置検出用マーク、７…
スリット板、７ａ…微小間隙、８…光電変換器、１１…
発振器、１２…振動子、２０…信号変換部、２１ａ，２
１ｂ…同調増幅回路、２２ａ，２２ｂ…同期検波回路、
２３ａ，２３ｂ…増幅器、２４…加算器、２５…リミッ
タ、２６ａ，２６ｂ…割算器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１部材に設けられたマーク部から得られ
る所定ビームをマーク部材もしくはスリットを有する第
２の部材に照射し、該第２の部材から得られるビームを
ビーム検出器で検出するとともに、前記ビームと前記第
２の部材を相対的に振動せしめ、この振動に同期して前
記ビーム検出器の検出出力を検波することにより、前記
第１もしくは第２の部材の位置を検出する方法に於い
て、前記同期検波して得られる出力の基本波成分ａ_ｆ及
び第ｎ次高調波成分ａ_2f（ｎは２以上の整数）の各信号
に対し、基本波成分ａ_ｆのピーク点と第２高調波成分ａ
_2fの零点との対応関係を保持して入力レベル変動を消去
する正規化処理のための関数変換を行い、この変換によ
って得られる出力成分ａ_ｆ ^*，ａ_2f ^＊を検出信号として
位置検出を行うことを特徴とする位置検出方法。
【請求項２】前記入力レベル変動を消去する変換手段と
して、次式で示される変換を行うことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の位置検出方法。ただし、α_１，α_２，β_１，β_２，Ｋ_１，Ｋ_２は任意定
数である。
【請求項３】前記入力レベル変動を消去する変換手段と
して、ａ_f及びａ_2fの出力特性曲線の各ピーク値Ｐ_１，
Ｐ_２がなる関係を保持するようにしたことを特徴とする特許請
求の範囲第２項記載の位置検出方法。
【請求項４】前記第１部材に設けられたマーク部にはビ
ーム照射源からのビームが照射されることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の位置検出方法。
【請求項５】前記第１の部材は光電交換マスクであり前
記第２の部材のマーク部材は電子ビームの照射によりＸ
線を発生する材料からなり、また前記ビーム検出器はＸ
線検出器であることを特徴とする特許請求の範囲第４項
記載の位置検出方法。
【請求項６】前記ビーム照射源は光を照射するものであ
り、前記ビーム検出器は前記マーク部における通過光若
しくはマーク部からの反射光を検出するものであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置検出方
法。
【請求項７】前記ビームと前記第２の部材を相対的に振
動する手段は、前記第２の部材としてのスリット板を前
記光の進行方向と直交する方向に振動するものであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の位置検出方
法。
【請求項８】前記ビーム照射源は電子ビームを照射する
ものであり、前記ビーム検出器は前記マーク部からの反
射電子若しくは２次電子又はＸ線を検出するものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置検出
方法。