JPH07211629A - 位置検出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マスクとウエハとの間隔及び位置ずれを高精
度に検出することができる位置検出装置及びそれを用い
た半導体デバイスの製造方法を得ること。 【構成】 第１物体面上と第２物体面上に各々物理光学
素子より成るアライメントマークを設け、これらのアラ
イメントマークに入射させた光束の所定面上に生ずる光
スポットの位置情報を検出手段により検出することによ
り該第１物体と第２物体との相対的な位置検出を行なう
際、該第１物体と第２物体の間隔の長さに応じて該所定
面上に生ずる光スポットの半値幅または１つの軸を対称
軸とした非対称性または光強度分布の肩の位置での強度
またはピーク光量値に基づく位置情報のうち少なくとも
１つの位置情報を選択し、該選択した位置情報を信号処
理して該第１物体と第２物体との間隔を求めているこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置検出装置及びそれを
用いた半導体デバイスの製造方法に関し、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エハ等の第２物体面上
に露光転写する際にマスクとウエハの間隔を測定し、所
定の値に制御し、更にマスクとウエハの相対的な面内の
位置決め（アライメント）を行なう場合に好適なもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体製造用の露光装置におい
ては、マスクとウエハの相対的な位置合わせは性能向上
を図るため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
集積化のために、例えばサブミクロン以下の位置合わせ
精度を有するものが要求されている。

【０００３】その際、マスクとウエハとの間隔を面間隔
測定装置等で測定し、所定の間隔となるように制御した
後に、マスク及びウエハ面上に設けた位置合わせ用の所
謂アライメントパターン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なっている。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パタ
ーンのずれ量を画像処理を行なうことにより検出した
り、又は米国特許第４０３７９６９号や特開昭５６−１
５７０３３号公報で提案されているようにアライメント
パターン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集光点位置を検出すること等に
より行なっている。

【０００４】図２１は特開昭６１−１１１４０２号公報
で提案されている間隔測定装置の概略図である。同図に
おいては第１物体としてのマスクＭと第２物体としての
ウエハＷとを対向配置し、レンズＬ１によって光束をマ
スクＭとウエハＷとの間の点Ｐ_S に集光させている。

【０００５】このとき光束はマスクＭ面上とウエハＷ面
上で各々反射し、レンズＬ２を介してスクリーンＳ面上
の点Ｐ_W ，Ｐ_M に収束投影されている。マスクＭとウ
エハＷとの間隔はスクリーンＳ面上の光束の集光点Ｐ
_W ，Ｐ_M との間隔を検出することにより測定してい
る。

【０００６】図２２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。

【０００７】同図において光源７２から射出した平行光
束はハーフミラー７４を通過後、集光レンズ７６で集光
点７８に集光された後、マスク６８面上のマスクアライ
メントパターン６８ａ及び支持台６２に載置したウエハ
６０面上のウエハアライメントパターン６０ａを照射す
る。これらのアライメントパターン６８ａ，６０ａは反
射型のゾーンプレートより構成され、各々集光点７８を
含む光軸と直交する平面上に集光点を形成する。このと
きの平面上の集光点位置のずれ量を集光レンズ７６とレ
ンズ８０により検出面８２上に導光して検出している。

【０００８】そして検出器８２からの出力信号に基づい
て制御回路８４により駆動回路６４を駆動させてマスク
６８をウエハ６０の相対的な位置決めを行なっている。

【０００９】図２３は図２２に示したマスクアライメン
トパターン６８ａとウエハアライメントパターン６０ａ
からの光束の結像関係を示した説明図である。

【００１０】同図において集光点７８から発散した光束
はマスクアライメントパターン６８ａよりその一部の光
束が回折し、集光点７８近傍にマスク位置を示す集光点
７８ａを形成する。また、その他の一部の光束はマスク
６８を０次透過光として透過し、波面を変えずにウエハ
６０面上のウエハアライメントパターン６０ａに入射す
る。このとき光束はウエハアライメントパターン６０ａ
により回折された後、再びマスク６８を０次透過光とし
て透過し、集光点７８近傍に集光しウエハ位置をあらわ
す集光点７８ｂを形成する。同図においてはウエハ６０
により回折された光束が集光点を形成する際には、マス
ク６８は単なる素通し状態としての作用をする。

【００１１】このようにして形成されたウエハアライメ
ントパターン６０ａによる集光点７８ｂの位置は、ウエ
ハ６０のマスク６８に対するマスク・ウエハ面に沿った
方向（横方向）のずれ量Δσに応じて集光点７８を含む
光軸と直交する平面に沿って該ずれ量Δσに対応した量
のずれ量Δσ′として形成される。

【００１２】同図に示す位置合わせ装置においては、相
対的な位置ずれ量を求める際にマスクとウエハ面上に設
けたゾーンプレートからの光束を評価すべき所定面上に
独立に結像させて各々基準とする位置からのずれ量を求
めている。

【００１３】この場合、ゾーンプレートからの直接像を
そのまま評価したのでは相対的な位置ずれ量に対する所
定面上の動きが同程度で小さいため、高精度の位置合わ
せを行なうために、例えば所定面上の動きを拡大する拡
大系等を設けていた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】図２１や図２２に示す
装置は構成が全く異なるために第１物体と第２物体の対
向方向（間隔方向）と対向方向に垂直方向（横方向，面
内方向）の双方の相対的位置関係を検出するには各々横
方向（面内方向）相対位置検出装置と間隔測定装置を各
々別個に設けなければならなかった。このため装置全体
が大型化かつ複雑化してくる傾向があった。

【００１５】これに対して本出願人は特願平４−１２５
２３号公報において装置全体の簡素化を図りつつ、常に
高精度に横方向の位置ずれ検出と面間隔検出ができる位
置検出装置を提案している。

【００１６】本発明は、第１物体と第２物体の相対的な
位置ずれ量及び面間隔を検出する際に、第１物体と第２
物体面上に各々所定の光学性質を有した物理光学素子
（回折格子、ゾーンプレート、ホログラム等）を設け、
これらの物理光学素子を利用し、所定面上に生ずる回折
光を検出することにより、面間隔検出系と位置ずれ検出
系とを各々独立に設けずに１つの装置により装置全体の
簡素化を図りつつ、高ストローク、高精度に、しかも容
易に第１物体と第２物体の位置ずれ量及び面間隔を検出
することのできる、特に半導体素子製造に好適な位置検
出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法の提
供を目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、 （１−１）第１物体面上と第２物体面上に各々物理光学
素子より成るアライメントマークを設け、これらのアラ
イメントマークに入射させた光束の所定面上に生ずる光
スポットの位置情報を検出手段により検出することによ
り該第１物体と第２物体との相対的な位置検出を行なう
際、該第１物体と第２物体の間隔の長さに応じて該所定
面上に生ずる光スポットの半値幅または１つの軸を対称
軸とした非対称性または光強度分布の肩の位置での強度
またはピーク光量値に基づく位置情報のうち少なくとも
１つの位置情報を選択し、該選択した位置情報を信号処
理して該第１物体と第２物体との間隔を求めていること
を特徴としている。又、前記検出手段からの信号を用い
て前記第１物体と第２物体の面内の位置ずれを求めてい
ることを特徴としている。

【００１８】（１−２）第１物体面上と第２物体面上に
各々物理光学素子より成るアライメントマークを設け、
これらのアライメントマークに入射させた光束の所定面
上に生ずる光スポットの位置情報を検出手段により検出
することにより該第１物体と第２物体との相対的な位置
検出を行なう際、該第１物体と第２物体の間隔の長さに
応じて該所定面上に生ずる光スポットのピーク値情報ま
たは光スポットの積分値または１つの軸を対称軸とした
非対称性または光強度分布のピーク値に対する肩の位置
とその大きさに基づく位置情報のうち少なくとも１つの
位置情報を選択し、該選択した位置情報を信号処理して
該第１物体と第２物体との間隔を求めていることを特徴
としている。又、前記検出手段からの信号を用いて前記
第１物体と第２物体の面内の位置ずれを求めていること
を特徴としている。

【００１９】本発明の半導体デバイスの製造方法は、 （２−１）マスク面上とウエハ面上に各々物理光学素子
より成るアライメントマークを設け、該マスク面とウエ
ハ面上に設けたアライメントマークに各々光束を入射さ
せ、該アライメントマークを介した光束の所定面上に生
じる光スポットの半値幅または１つの軸を対称軸とした
非対称性または光強度分布の肩の位置での強度またはピ
ーク光量値に基づく位置情報のうち少なくとも１つの位
置情報を選択し、該選択した位置情報を信号処理して該
第１物体と第２物体との間隔を求める工程を介してマス
クとウエハとの相対的な位置検出を行なった後、該マス
ク面上のパターンをウエハ面上に転写し、次いで現像処
理工程を介して半導体デバイスを製造したことを特徴と
している。

【００２０】（２−２）マスク面上とウエハ面上に各々
物理光学素子より成るアライメントマークを設け、該マ
スク面とウエハ面上に設けたアライメントマークに各々
光束を入射させ、該アライメントマークを介した光束の
所定面上に生じる光スポットのピーク値情報または光ス
ポットの積分値または１つの軸を対称軸とした非対称性
または光強度分布のピーク値に対する肩の位置とその大
きさに基づく位置情報のうち少なくとも１つの位置情報
を選択し、該選択した位置情報を信号処理して該第１物
体と第２物体との間隔を求める工程を介してマスクとウ
エハとの相対的な位置検出を行なった後、該マスク面上
のパターンをウエハ面上に転写し、次いで現像処理工程
を介して半導体デバイスを製造したことを特徴としてい
る。

【００２１】

【実施例】図１，図３は各々本発明の原理及び構成要件
等の光路を展開して示した説明図であり、図１は第１物
体Ｍと第２物体Ｗとの面内の位置ずれがない場合を示し
ている。図３は第１物体Ｍと第２物体Ｗとの面内に位置
ずれがΔだけある場合を示している。図２は第１物体Ｍ
と第２物体Ｗとの面内に位置ずれが０のときの要部断面
図、図４は第１物体Ｍと第２物体Ｗとの面内に位置ずれ
がΔのときの要部断面図である。

【００２２】図中、Ｍはマスクであり第１物体に相当し
ている。Ｗはウエハであり第２物体に相当している。本
実施例は第１物体Ｍと第２物体Ｗとを間隔ｇだけ離れて
対向配置しており、同図では双方の間隔及び相対的な位
置ずれ量を検出する場合を示している。

【００２３】本実施例では図２，図４に示すように第１
物体Ｍを通過し、第２物体Ｗで反射した光が再度第１物
体Ｍを通過するため、図１，図３では第１物体Ｍが２つ
示されている。２は第１物体Ｍに設けた集光性のアライ
メントマーク、３は第２物体Ｗに設けた発散性のアライ
メントマークであり、第１信号を得るためのものであ
る。同様に４は第１物体Ｍに設けた発散性のアライメン
トマーク、５は第２物体Ｗに設けた集光性のアライメン
トマークであり、第２信号光を得るためのものである。

【００２４】図１，図３ではアライメントマーク３，５
を等価な透過型のアライメントパターンに置換した光路
で示している。各アライメントマークは１次元又は２次
元のレンズ作用のあるグレーティングレンズ又は回折格
子等の物理光学素子の機能を有している。

【００２５】図１８にこれらのマスクＭ面上及びウエハ
Ｗ面上のアライメントマーク２，３，４，５のパターン
を示す。

【００２６】図１〜図４において光束１ａ，１ｂはアラ
イメントマーク２で１次の回折作用を受け、次いでアラ
イメントマーク３で１次の回折作用を受け、アライメン
トマーク２を通過した光束（以下「光束Ｍ(1)-Ｗ(1)-Ｍ
(0) 」と表わす。）である。

【００２７】本実施例ではアライメントマーク２とアラ
イメントマーク３で集光と発散作用を受ける凸凹系のア
ライメント系ＡＡ１を構成し、このアライメント系ＡＡ
１を介した平面波光束１は、図１に示すように第１物体
Ｍと第２物体Ｗの位置ずれΔが０のときセンサー（光検
出器）８上の点１１に光スポット（スポット）を形成し
ている。

【００２８】同様にアライメントマーク４とアライメン
トマーク５で発散と集光作用を受ける凹凸系のアライメ
ント系ＢＢ１を構成し、このアライメント系ＢＢ１を介
した平面波光束はセンサー８の点１２に光スポットを形
成している。又、第１物体Ｍと第２物体Ｗの位置ずれ量
がΔのときの光束１ａ，１ｂは図３に示すようにセンサ
ー８面上の点１１ａ，点１２ａにスポットを形成してい
る。

【００２９】本実施例では光束１ａ，１ｂのセンサー８
面上のスポットの位置情報またはスポット波形ファイル
等の位置情報から信号処理をして、第１物体Ｍと第２物
体Ｗとの相対的な位置ずれ情報を得ている。そしてこの
系を用いて第１物体Ｍと第２物体Ｗの間隔を同時に求め
ている。

【００３０】特に第１物体Ｍと第２物体Ｗの間隔が露光
間隔近傍の短ストローク範囲のときはセンサー８面上の
光スポットのピーク値、積分値、１つの軸を対称軸とし
たときの非対称性、肩の位置とその大きさに基づく位置
情報の何れかの位置情報の信号処理を行なっている。
又、第１物体Ｍと第２物体Ｗとの間隔が長い長ストロー
ク範囲のときは、センサー８面上の光スポットの半値幅
を求めることにより間隔を求めている。

【００３１】このように本実施例では第１物体と第２物
体との相対的な位置ずれと同時に間隔情報も検出してい
る。センサー８はＣＣＤやポジションセンサー、そして
分割型センサー等から成っている。

【００３２】次に本実施例におけるマスクＭとウエハＷ
との相対的位置ずれの検出方法の原理について図１，図
２を用いて説明する。

【００３３】図１において１は入射光束である。１ａ，
１ｂは前述の第１及び第２のアライメント用の第１，第
２信号用の光束を示す。第２物体Ｗからセンサー８まで
の光学的な距離を説明の便宜上Ｌとする。第１物体Ｍと
第２物体Ｗの距離間隔をｇ、アライメントマーク２，４
の焦点距離を各々ｆ_M ，−ｆ_M ′とし、図３では第１物
体Ｍと第２物体Ｗの相対的位置ずれ量をΔとし、その時
のセンサー８の第１及び第２信号光束の入射位置の合致
状態からの変位量を各々ｙ₁₁，ｙ₁₂とする。尚、第１物
体Ｍに入射するアライメント光束は便宜上平面波とし、
符号は図中に示すとおりとする。

【００３４】先ず、図１の上側においてはアライメント
マーク２に入射した光束１を集光光束とし、その集光点
６に至る前にアライメントマーク３に光束を照射し、こ
れを更にセンサー８に結像させている。このときのアラ
イメントマーク３の焦点距離ｆ_W （凹レンズ作用なので
マイナス符号となる。）はレンズの式、

【００３５】

【数１】 を満たすように定められる。

【００３６】同様に図１の下側においてはアライメント
マーク４により入射光束１を入射側の点７より発散する
光束に変え、これをアライメントマーク５を介してセン
サー８に結像させている。このときのアライメントマー
ク５の焦点距離ｆ_W ′（凸レンズ作用なのでプラス符号
となる。）は、

【００３７】

【数２】 を満たすように定められる。

【００３８】次に図３に示すように第１物体Ｍと第２物
体Ｗが面内でΔだけ位置ずれがあったときについて説明
する。

【００３９】この時の信号光束１ａ，１ｂの変位量ｙ₁₁
及びｙ₁₂はアライメントマーク２及び４の焦点６，７と
アライメントマーク３，５の光軸中心を結ぶ直線とセン
サー８の受光面との交点として幾何学的に求められる。
従って、第１物体Ｍと第２物体Ｗの相対位置ずれに対し
て各信号光束１ａ，１ｂの入射位置の変位量ｙ₁₁，ｙ₁₂
は図３より明らかのようにアライメントマーク３，５の
光学的な結像倍率の符号を互いに逆とすることで逆方向
となる。

【００４０】また定量的には、

【００４１】

【数３】 と表わせ、ずれ倍率はβ₁ ＝ｙ₁₁／Δ，β₂ ＝ｙ₁₂／Δ
と定義できる。従ってずれ倍率を逆符号とすると第１物
体Ｍと第２物体Ｗのずれに対して光束１ａ，１ｂはセン
サー８の受光面で逆方向に、具体的にはそれぞれ距離ｙ
₁₁，ｙ₁₂だけ変化する。

【００４２】本実施例では、（３）式及び（４）式の関
係を用いてセンサー（光検出器）８上に形成される光ス
ポットの位置情報に基づいて、マスクＭとウエハＷのず
れ量Δを求めている。

【００４３】例えば図３（Ａ）において、ｆ₁₁＝２００
μｍ，ｇ＝２０μｍ，Ｌ＝２０ｍｍとすると、（３）式
における

【００４４】

【数４】 従って（３）式は、ｙ₁₁＝１１０．１×Δ ・・・・・・・・
（３）′となり、光スポットはマスク／ウエハのずれ量
Δの１１０．１倍の量だけセンサー８の面上で移動す
る。

【００４５】これにより例えば、Δ＝０．１μｍのと
き、センサー８上では光スポットは１１．０μｍ移動す
る。即ち、センサー８上の光スポットの移動量を計測す
ることによって、マスクＭとウエハＷの相対的なずれ量
を求めている。このようなことは図３（Ｂ）についても
全く同様である。

【００４６】図１８はこのような原理に基づいた設計パ
ターンの例である。

【００４７】本実施例において光検出面８上のスポッ
ト、例えば図３（Ａ）の場合は点１１ａで図３（Ｂ）の
場合は点１２ａにあたるが、次にこの光スポットの波形
情報よりマスクＭとウエハＷの面間隔ｇを正確に求める
方法について述べる。先ず図１（Ａ），図３（Ａ）の物
理光学素子の組み合わせに関したケースにつき光検出面
８に発生する光スポットの素性と、マスクとウエハの面
間隔ｇの関係について説明する。

【００４８】図３（Ａ）で示すように、光スポットの位
置１１ａは光束１がマスクＭで凸レンズと同じ作用をも
つ回折（焦点距離ｆ_M ）をうけ、更にウエハで凹レンズ
と同じ作用をもつ回折をうけた光そのものを意味してい
る。即ち、図２（Ａ）に照らして光の進む順に回折の有
無についてみていくと、マスクＭで１次回折、次にウエ
ハＷで１次の反射回折し、マスクＭを素通り（０次透
過）している。マスクＭ，ウエハＷ，マスクＭの順に１
次，１次，０次の回折をうけているといえる。

【００４９】ところが図４に示すようにこれとは別に、
マスクＭで素通り（０次）し、ウエハＷで１次の回折
（反射）し、更にマスクＭで１次の回折（透過）する光
が略同じ方向の光検出器８に向かい、実質的にはＭ（１
次）−Ｗ（１次）−Ｍ（０次）の光とＭ（０次）−Ｗ
（１次）−Ｍ（１次）の光がオーバーラップしてセンサ
ー８上に光スポットが形成される。

【００５０】図４で符号と番号が同じものは図１〜図３
と同様の意味である。図５は図４の状況を定量的・摸式
的にした概略図である。Ｍ′はアライメントマークであ
りマスク面上のアライメントマークＭと同一のものであ
る。

【００５１】図５においてマスクＭ上の物理光学素子２
は凸レンズ作用をし、その焦点距離はｆ_M 、ウエハＷ上
の物理光学素子３は凹レンズ作用をし、その焦点距離は
ｆ_W（ｆ_W ＜０，式（１）で与えられる）である。実線
で示す回折光１，１３，１４がマスクで１次回折、ウエ
ハで１次回折、再び反射してマスクに入り０次透過（素
通り）の場合で、光検出面８上の位置１１ａに光スポッ
トを形成する。このときマスクとウエハの位置ずれ量は
Δである。

【００５２】次にマスクＭで０次透過（素通り）し、ウ
エハＷで１次回折（凹レンズ作用）し、更にマスクＭ′
（マスクＭ′はマスクＭと実質同一のもの。以下同
じ。）で１次回折する（凸レンズ作用）光について説明
する。即ち、図５において光線１５の光路について説明
する。

【００５３】マスクＭを素通りしてウエハＷで回折をう
けた光１５は、図５に示すようにウエハＷの虚焦点１６
から発散するように進行し、これがマスクＭ′で再び凸
レンズ作用をうける。このためマスクＭ′から像面側の
距離ｘの点１６ａにスポットを形成する。

【００５４】このとき、

【００５５】

【数５】 となる。

【００５６】又、ウエハＷの中心を通って回折された光
主光線がマスクＭ′により更に回折されて光検出器８上
においてマスクＭの中心軸１７から距離Ｙの位置にでき
るとすると、

【００５７】

【数６】 となる。

【００５８】ここで例えば、ｆ_M ＝２００μｍ，ｇ＝２
０μｍ，Ｌ＝２０ｍｍとすると （３）式より ｙ₁₁＝１１０．１×Δ ・・・・・・・・・・・・（３）′ （１）式より ｆ_W ＝−１８１．６３μｍ ・・・・・・・・・・・（７） （５）式より ｘ＝２４６６９．１７μｍ ・・・・・・・・・・（８） 即ち、Ｍ(0)-Ｗ(1)-Ｍ(1) の回折光は光検出器８よりも
マスクＭ側より遠くにできる。ｘ＋２０μｍ＝２４６８
９．１７μｍウエハＷより離れた位置、即ち４６８９．
１７μｍだけセンサ８面より遠くにフォーカスする。

【００５９】又、（６）式より、 Ｙ＝９９．０９×Δ ・・・・・・・・（６）′ 以上のことから、光検出器８上に発生する光スポットの
うち、Ｍ(1)-Ｗ(1)-Ｍ(0) の回折光はセンサー８上にフ
ォーカスされ、（３）′式で示す対ずれ倍率でセンサー
８上を動く。

【００６０】又、Ｍ(0)-Ｗ(1)-Ｍ(1) の回折光はセンサ
ー８上では４６８９．１７μｍ遠くにフォーカスし、
（６）′式で示す対ずれ倍率でセンサー８上を動く。こ
れらＭ(1)-Ｗ(1)-Ｍ(0) の回折光とＭ(0)-Ｗ(1)-Ｍ(1)
の回折光が重なってセンサー８上にスポットを形成す
る。全く同様にして図３（Ｂ）の場合、即ちマスク（凹
レンズ）、ウエハ（凸レンズ）と回折された後、マスク
で素通りする場合についても同様の関係が成り立ち（数
値は異なるが）、この場合もセンサー８上に２つのスポ
ットが重なり合って光スポットを形成する。

【００６１】以上説明した以外の次数の組み合わせのう
ち強度が強いものは、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように
斜め入射であれば光検出器８上にはスポットとして現れ
ることはない。

【００６２】図３（Ａ），（Ｂ）に示すようにマスクＭ
とウエハＷの位置ずれ量Δはセンサー８上のスポット位
置を検出することにより得ることができ、構成としては
図３（Ａ）のみ或いは図３（Ｂ）のみの構成（ただし、
スポットは実際にはＭ(1)-Ｗ(1)-Ｍ(0) でできるスポッ
トとＭ(0)-Ｗ(1)-Ｍ(1) でできるスポットの重ね合わせ
光が得られる）でもよいし、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の
ペアパターンで光検出器８上の２つの光分布の位置情報
からずれを算出してもよい。

【００６３】本発明はこのアライメント（位置ずれ）情
報を与える光スポット情報をもとにして、マスクとウエ
ハの間隔（ギャップ）を高精度に求めていることを特徴
としている。ここで便宜上、図３（Ａ）のタイプを凸凹
タイプ、図３（Ｂ）タイプを凹凸タイプと呼び、Ｍ（１
次）−Ｗ（１次）−Ｍ（０次）で回折されできるスポッ
トを（１１０）光，Ｍ（０次）−Ｗ（１次）−Ｍ（１
次）で回折されできるスポットを（０１１）光と呼ぶ。

【００６４】図６，図７において、ｆ_M ＝２１７μｍ，
ｇ＝３０μｍ前後，Ｌ＝１８７００μｍ，ｆ_M ′＝１５
７μｍのときのセンサー８上の光スポットの強度分布を
示す。パターンはｇ＝３０μｍを露光，アライメント間
隔値として設計している。

【００６５】図６は凸凹タイプを用いたときの光スポッ
トがセンサー８上でgap ｇ＝２８μｍ，２９μｍ，３０
μｍ，３１μｍ，３２μｍと変化するにつれてどう変化
するかを、図７は凹凸タイプについて同様にgap ｇ＝２
８μｍ，２９μｍ，３０μｍ，３１μｍ，３２μｍとし
たときの変化を示す。何れも図１に示すように、マスク
ＭとウエハＷの位置ずれが略０の場合である。

【００６６】図６の凸凹タイプの場合、間隔が２８μｍ
から３２μｍとなるにつれてピーク値が大きくなってい
る。又、図７の凹凸タイプの場合、間隔が２８μｍから
３２μｍとなるにつれて（１１０）光と（０１１）光の
２つの光スポットの重なり合わせの状態が変化すること
を反映して著しく非対象なスポットとなっている。凸凹
タイプの場合（図６）には、間隔の変動によって（１１
０）光と（０１１）光の光路長差が変化し、ｇ＝２８μ
ｍからｇ＝３２μｍになるにつれて強め合う位相関係に
なり、光センサー上のスポットのピーク値が大きくなっ
ている。

【００６７】一方凹凸タイプの場合は図７に示すよう
に、（１１０）光と（０１１）光が少しセンサー８上で
ずれて、更に光路長差が変化しているため光スポットの
ピーク値の変化でなく、光スポットのピークにコブ状の
強度分布、所謂“肩”ができる状態になっている。

【００６８】本発明では、アライメント信号より間隔情
報を求めることを可能としている。従来は図６の間隔変
動に伴なう光スポットプロファイルのピーク値に対する
半値幅の値をボケ値として用いていたが、高精度な間隔
計測をアライメント信号で行なうには半値幅以外の信号
処理、信号特性を用いることが必要となる。そのため本
発明では、間隔変動に対して敏感な、言い換えれば間隔
計測精度のよい方法を用いていることを特徴としてい
る。

【００６９】特に本発明では、アライメント信号を利用
して間隔計測を高精度かつ光ストロークに求めている。
即ち、間隔が露光間隔（ｇ＝３０μｍ）より大きく離れ
た場合、長ストローク範囲では光スポットの半値幅によ
り求め、露光間隔近辺（露光間隔）の短いストローク範
囲（短ストローク範囲）の場合は光スポットのピーク値
情報、或いは一定のセンサーエリア内の積分値、１つの
軸を対称軸としたときの非対称性、そして光スポットの
“肩”の位置の大きさのうち何れか１つの信号処理を用
いて間隔計測を行なっている。

【００７０】本発明では光スポットの半値幅は図２０の
ように光スポットのピーク値に対し、光の強さが半分の
値のスポットサイズと定義している。

【００７１】このように本実施例の位置検出装置では長
ストローク範囲の計測と、露光間隔近辺の短ストローク
範囲で高い精度の計測を可能としている。これは例えば
半導体素子製造における露光装置において、マスクとウ
エハを重ね合わせて露光する場合の露光時のウエハの露
光ビームの光軸方向の位置近辺での間隔は高い精度で測
定される必要があり、これによりアライメントの精度を
確保したり、露光時のマスクとウエハの焼付けボケ（ラ
ンアウト誤差や露光ビームによる回折ボケ）を少なく抑
えることができるようにしている。

【００７２】又、長いギャップ計測の長ストロークはシ
ョット毎にウエハを移動する場合、露光、アライメント
時の間隔で移動するとは限らず、場合によっては間隔を
より大きくとってから移動させたりするため、その時で
も間隔が概略いくらであるか計測する必要があり、この
ために対応させた特性を有するようにしている。本発明
はこのような背景に対応した構成となっている。

【００７３】以下、図面を参照しながら各実施例を説明
する。

【００７４】（実施例１）凸凹タイプを用いたとき 図６に示すように凸凹タイプを用いたときの光スポット
については、露光間隔近辺の短ストローク範囲について
はピーク光量値、或いは光スポットが存在するセンサー
エリア内の一定領域の積分値と間隔の関係の特性を利用
する。又、長ストローク範囲については光スポットの半
値幅により求める。

【００７５】図８にピーク光量値（ピーク値）と間隔と
の関係を示す。図８は図６の光スポットのピーク値が間
隔変動と共にどう変わるかをプロットしている。

【００７６】凸凹タイプを用いたときの光スポットのう
ち（１１０）光と（０１１）光は、図４に示すような光
路についてみるとセンサー８に向かう波面のお互いに成
す角が略等しい状態で、しかも光路長差は間隔が大きく
なるにつれて波長λの整数倍の値に近づき位相の関係で
お互いの強度が干渉により強め合うように変化する。こ
の為、図８に示すように間隔の値が大きくなるにつれて
光量或いはピーク値が大きくなっている。

【００７７】図８に示す如くピーク値が間隔の変化にと
もない増大し、同様にピーク光量値もピーク値と略類似
の変動を示す。従って、例えば間隔３０μｍから間隔３
１μｍへの僅か１μｍの変動についてみるとピーク値の
変化は、図８に示すように１７００から１８５０へと変
化し、約１５０の変動量となり、ピーク値の判別により
０．１μｍ〜０．０５μｍの検出は比較的容易に可能で
ある。光量（積分値）についても全く同様のことが成り
立つ。尚、ウエハの反射率によりピーク値が変わるが、
プロセスが変わったときにはそのプロセスについて１度
キャリブレーションの信号較正をしておけばよい。

【００７８】又、このときのセンサー８上の光スポット
の半値幅と間隔の関係を図１９に示す。

【００７９】図１９に示すように、光スポットの半値幅
の検出を行なえば、間隔の長ストローク範囲について間
隔値が絶対値として計測できる。しかしアライメント光
をセンサー上にフォーカスしてできた光スポット値の半
値幅はアライメント間隔近辺では余り高い精度が期待で
きない場合がある。そのため半値幅で長ストロークの間
隔計測を求め、所望の間隔値（図１９の場合３０μｍ）
からの概略のずれを求め、高精度な間隔計測が要求され
る３０μｍ近辺では、先に述べた信号処理により高精度
な計測を行なっている。

【００８０】（実施例２）凹凸タイプを用いたとき 図７に示すように凹凸タイプを用いたときの光スポット
については、センサー８上のスポットプロファイルが間
隔と共に大きく変動している。この理由は凹凸タイプの
光スポットのうち（１１０）光と（０１１）光はセンサ
ー８に向かう波面のお互いに成す角が僅かにずれてお
り、しかも光路長差は間隔が大きくなるにつれて、凸凹
タイプの場合のようにお互いの強度が干渉により強め合
う関係にないためである。

【００８１】図７に示した間隔によりセンサー上の光プ
ロファイルが変化する現象を利用して間隔を計測する方
法について図９を用いて説明する。

【００８２】図９の実線は或る特定の間隔値の場合のセ
ンサー上の光分布を示している。図９では実線のピーク
値を軸にして、実線を折り返した曲線（分布）を点線で
示している。このとき斜線で示すようなエリアの値（積
分値）をとれば、図７に示すように間隔値の変動に伴っ
て斜線のエリア値（積分値）が変わることが明らかにな
る。

【００８３】即ち、図９においてピクセルの位置（座
標）をＰ、出力をＯ（Ｐ）とし、ピーク位置で定める軸
で折り返した値をＯ′（Ｐ）とすると、斜線のエリア、
即ち積分値は、

【００８４】

【数７】 となる。

【００８５】ここにＰｉ，Ｐｆはスポットエリア積分領
域のピクセル番号（座標）の始まりと終わりの番号であ
る。

【００８６】図１１は積分値Ａの値を間隔毎に計算して
プロットしたときを示している。

【００８７】図１１に示すように間隔の値が変化すると
積分値Ａの値は大幅に変わり、高精度な間隔計測が可能
となる。このことを裏づけるための間隔が２８μｍのと
きと３２μｍのときの上記（９）式に基づく積分値Ａの
値である各々Ａ_g=28とＡ_g=32を図１０（Ａ）と図１０
（Ｂ）に示す。図７のグラフ（データ）に基づき、図１
０の２種類の間隔のケースについて示した。この場合
も、以上の信号処理による高精度な間隔検出は露光間隔
近辺において行ない、長いストローク範囲の間隔検出は
スポットの半値値で計測すればよい。

【００８８】（実施例３）本実施例は実施例２で示した
凹凸タイプを用いたときの光スポットについての信号処
理の変形例である。先ず露光間隔近辺の高精度な検出方
法の例について示す。

【００８９】センサー上のピクセルの位置（座標）を
Ｐ、出力をＯ（Ｐ）とするとき、 ε（Ｐ）＝Ｏ（Ｐ）−Ｏ（Ｐ−１） ・・・・・・・・（１０） を定義する。

【００９０】この時、図７で示される間隔３０μｍのと
きのデータについてε（Ｐ）を求めると図１２のように
なる。図１２において、Ｐ₁ は図７のセンサーのピーク
値のときのセンサー上のピクセル番号で、Ｐ₂ は図１２
における光スポットプロファイルの肩の位置に相当する
ピクセル番号である。

【００９１】従って、図１２において更に、 δ（Ｐ）＝ε（Ｐ）−ε（Ｐ−１） ・・・・・・・・（１１） の値を定義すると、図１３に示すような関係が得られ
る。

【００９２】図１３において、Ｐ₁ ，Ｐ₂ の値は図１２
のそれと同じである。即ち、図１３のＰ₂ であるゼロク
ロスのピクセル番号が図７のスポットプロファイルの肩
の座標を与えることになる。（１１）式で定義されるパ
ラメータのゼロクロスポイントのうち、負から正に変動
する値のうち、小さい座標がＰ₂ であり、これでもって
肩の位置のセンサー上ピクセル座標となる。

【００９３】図７をみれば容易にわかるように、Ｏ（Ｐ
₂ ）の値は間隔値と共に著しく変化しており、これまで
述べた間隔３０μｍの例のみならず、他の間隔の場合に
ついて肩の位置のセンサー上の出力Ｏ（Ｐ）をグラフに
してみると図１４の如くなる。従って、肩の位置の出力
を求めれば、その時の間隔値が高精度に求められる。

【００９４】本実施例の場合図７で示すような、センサ
ー出力（例ＣＣＤ）を得て、これをＡ／Ｄ変換した後、
例えばＤＳＰ(Digital Signal Processor)で（１０），
（１１）式に基づく処理をしてＰ₂ の値を求め、このと
きのＯ（Ｐ₂ ）が間隔値に１：１で対応する。間隔値の
長いストローク範囲における検出は、実施例２に示した
ときと同様である。

【００９５】以上、実施例１，２，３と述べたが、本方
法によればアライメント信号を信号処理することによっ
て所望の間隔近辺では高精度な、かつ所望の間隔近辺以
外の広い間隔ストロークにおいても可能な間隔検出を行
なうことができる。

【００９６】このことにより、 （イ）露光間隔をリアルタイムで計測できる （ロ）０．１μｍ以下の高精度な計測が可能（特に露光
間隔近辺の所望の間隔エリアで） （ハ）所望間隔近辺以外の広い間隔ストロークにおいて
も間隔計測が可能 となる。

【００９７】図１５は本発明の位置検出装置をＸ線を利
用した半導体素子製造用の露光装置に適用したときの要
部概略図である。

【００９８】図１５において、３９はＸ線ビームでほぼ
平行光となって、マスク３４面上を照射している。３５
はウエハで、例えばＸ線用のレジストが表面に塗布され
ている。３３はマスクフレーム、３４はマスクメンブレ
ン（マスク）で、この面上にＸ線の吸収体により回路パ
ターンがパターンニングされている。３２はマスク支持
体、３６はウエハチャック等のウエハ固定部材である。
３７はＺ軸ステージ、実際にはチルトが可能な構成にな
っている。３８はＸ軸ステージ、４４はＹ軸ステージで
ある。

【００９９】前述した各実施例で述べたマスクとウエハ
のアライメント検出機能部分（位置検出装置）は筐体３
０ａ，３０ｂに収まっており、ここからマスクＭとウエ
ハＷ３５のギャップとＸ，Ｙ面内方向の位置ずれ情報を
得ている。

【０１００】図１５には、２つのアライメント検出機能
部分３０ａ，３０ｂを図示しているが、マスクＭ上の４
角のＩＣ回路パターンエリアの各辺に対応して更に２ケ
所にアライメント検出機能部分が設けられている。筐体
３０ａ，３０ｂの中には光学系、検出系が収まってい
る。４６ａ，４６ｂは各アライメント系からのアライメ
ント検出光である。

【０１０１】これらのアライメント検出機能部分により
得られた信号を処理手段４０で処理して、ＸＹ面内のず
れとギャップ値を求めている。そしてこの結果を判断し
た後、所定の値以内に収まっていないと、各軸ステージ
の駆動系４２，４１，４３を動かして所定のマスク／ウ
エハずれ以内になるよう追い込み、しかる後にＸ線露光
ビーム３９をマスクＭに照射している。アライメントが
完了するまでは、Ｘ線遮へい部材（不図示）でシャット
しておく。尚、図１５では、Ｘ線源やＸ線照明系等は省
略してある。

【０１０２】図１５はプロキシミティータイプのＸ線露
光装置の例について示したが、光ステッパーについても
同様である。この他、本発明においては光源として、ｉ
線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦ−エキシマ光（２４８ｎ
ｍ）、ＡｒＦ−エキシマ光（１９３ｎｍ）等を用い、こ
れらの光源からの照明光を持つ逐次移動型の縮小投影露
光装置や、等倍のミラープロジェクションタイプの露光
装置にも同様に適用可能である。

【０１０３】次に上記説明した投影露光装置を利用した
半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。

【０１０４】図１６は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造
のフローを示す。

【０１０５】ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では
設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。

【０１０６】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【０１０７】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。

【０１０８】ステップ６（検査）ではステップ５で作製
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【０１０９】図１７は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。

【０１１０】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼付露光する。

【０１１１】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジス
ト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジスト
を取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことに
よってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【０１１２】本実施例の製造方法を用いれば、従来は製
造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製造
することができる。

【０１１３】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、第１物体
と第２物体の相対的な位置ずれ量及び面間隔を検出する
際に、第１物体と第２物体面上に各々所定の光学性質を
有した物理光学素子（回折格子、ゾーンプレート、ホロ
グラム等）を設け、これらの物理光学素子を利用し、所
定面上に生ずる回折光を検出することにより、面間隔検
出系と位置ずれ検出系とを各々独立に設けずに１つの装
置により装置全体の簡素化を図りつつ、高ストローク、
高精度に、しかも容易に第１物体と第２物体の位置ずれ
量及び面間隔を検出することのできる、特に半導体素子
製造に好適な位置検出装置及びそれを用いた半導体デバ
イスの製造方法を達成することができる。

【０１１４】特に第１物体Ｍと第２物体Ｗの間隔が露光
間隔近傍の短ストローク範囲のときはセンサー８面上の
光スポットのピーク値、積分値、１つの軸を対称軸とし
たときの非対称性、肩の位置とその大きさに基づく位置
情報の何れかの位置情報の信号処理を行なっている。
又、第１物体Ｍと第２物体Ｗとの間隔が長い長ストロー
ク範囲のときは、センサー８面上の光スポットの半値幅
を求めることにより間隔を求めている。これにより装置
全体の簡素化を図った高精度の位置検出が可能な位置検
出装置を得ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理及び構成要件の光路を展開した
位置ずれ量が０のときの要部概略図

【図２】 図１の要部断面図

【図３】 本発明の原理及び構成要件の光路を展開した
位置ずれ量がΔのときの要部概略図

【図４】 図３の要部断面図

【図５】 図４の光路を展開した説明図

【図６】 凸凹系の間隔とセンサー上の光量分布の説明
図

【図７】 凹凸系の間隔とセンサー上の光量分布の説明
図

【図８】 凸凹系の間隔とピーク光量値との関係の説明
図

【図９】 凹凸系の折り返し軸による処理方法の説明図

【図１０】 凸凹系の折り返し軸による処理方法の説明
図

【図１１】 凹凸系の折り返し軸による処理方法と間隔
値との関係を示す説明図

【図１２】 凹凸系の肩の位置の座標値の算出処理の説
明図

【図１３】 凹凸系の肩の位置の座標値の算出処理の説
明図

【図１４】 凹凸系の肩の位置の出力値と間隔値との関
係を示す説明図

【図１５】 本発明の位置検出装置をＸ線を用いた半導
体素子製造用の露光装置に適用したときの要部概略図

【図１６】 本発明の半導体デバイスの製造方法のフロ
ーチャート

【図１７】 本発明の半導体デバイスの製造方法のフロ
ーチャート

【図１８】 本発明に係るマスクとウエハ面上のアライ
メントマークの説明図

【図１９】 間隔とセンサー面上の光スポットとの関係
を示す説明図

【図２０】 光スポットの半値幅の説明図

【図２１】 従来の間隔測定装置の要部概略図

【図２２】 従来の位置検出装置の要部概略図

【図２３】 従来の位置検出装置の要部概略図

【符号の説明】

１ 光束 ２，３，４，５ 物理光学素子 Ｍ マスク（第１物体） Ｗ ウエハ（第２物体） ６，７ 集光点 ８ センサー ｇ 間隔 Δ 位置ずれ量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 雅宣 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 大沢 大 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体面上と第２物体面上に各々物理
   光学素子より成るアライメントマークを設け、これらの
   アライメントマークに入射させた光束の所定面上に生ず
   る光スポットの位置情報を検出手段により検出すること
   により該第１物体と第２物体との相対的な位置検出を行
   なう際、該第１物体と第２物体の間隔の長さに応じて該
   所定面上に生ずる光スポットの半値幅または１つの軸を
   対称軸とした非対称性または光強度分布の肩の位置での
   強度またはピーク光量値に基づく位置情報のうち少なく
   とも１つの位置情報を選択し、該選択した位置情報を信
   号処理して該第１物体と第２物体との間隔を求めている
   ことを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記検出手段からの信号を用いて前記第
   １物体と第２物体の面内の位置ずれを求めていることを
   特徴とする請求項１の位置検出装置。
3. 【請求項３】 マスク面上とウエハ面上に各々物理光学
   素子より成るアライメントマークを設け、該マスク面と
   ウエハ面上に設けたアライメントマークに各々光束を入
   射させ、該アライメントマークを介した光束の所定面上
   に生じる光スポットの半値幅または１つの軸を対称軸と
   した非対称性または光強度分布の肩の位置での強度また
   はピーク光量値に基づく位置情報のうち少なくとも１つ
   の位置情報を選択し、該選択した位置情報を信号処理し
   て該第１物体と第２物体との間隔を求める工程を介して
   マスクとウエハとの相対的な位置検出を行なった後、該
   マスク面上のパターンをウエハ面上に転写し、次いで現
   像処理工程を介して半導体デバイスを製造したことを特
   徴とする半導体デバイスの製造方法。
4. 【請求項４】 第１物体面上と第２物体面上に各々物理
   光学素子より成るアライメントマークを設け、これらの
   アライメントマークに入射させた光束の所定面上に生ず
   る光スポットの位置情報を検出手段により検出すること
   により該第１物体と第２物体との相対的な位置検出を行
   なう際、該第１物体と第２物体の間隔の長さに応じて該
   所定面上に生ずる光スポットのピーク値情報または光ス
   ポットの積分値または１つの軸を対称軸とした非対称性
   または光強度分布のピーク値に対する肩の位置とその大
   きさに基づく位置情報のうち少なくとも１つの位置情報
   を選択し、該選択した位置情報を信号処理して該第１物
   体と第２物体との間隔を求めていることを特徴とする位
   置検出装置。
5. 【請求項５】 前記検出手段からの信号を用いて前記第
   １物体と第２物体の面内の位置ずれを求めていることを
   特徴とする請求項１の位置検出装置。
6. 【請求項６】 マスク面上とウエハ面上に各々物理光学
   素子より成るアライメントマークを設け、該マスク面と
   ウエハ面上に設けたアライメントマークに各々光束を入
   射させ、該アライメントマークを介した光束の所定面上
   に生じる光スポットのピーク値情報または光スポットの
   積分値または１つの軸を対称軸とした非対称性または光
   強度分布のピーク値に対する肩の位置とその大きさに基
   づく位置情報のうち少なくとも１つの位置情報を選択
   し、該選択した位置情報を信号処理して該第１物体と第
   ２物体との間隔を求める工程を介してマスクとウエハと
   の相対的な位置検出を行なった後、該マスク面上のパタ
   ーンをウエハ面上に転写し、次いで現像処理工程を介し
   て半導体デバイスを製造したことを特徴とする半導体デ
   バイスの製造方法。