JPS61120419A - 位置合せ信号検出装置 - 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】 〔産業上の利用分野コ 本発明は、例えば半導体焼付装置におけるマスクとウェ
ハのような２物体を整合するために用いられる位置合せ
信号検出装置に関する。

［発明の背景１ 半導体焼付装置等に用いられる位置合せ装置においては
、走査面上にアライメントマークを有するマスクとウェ
ハとを重ねて配置し、これらのアライメントマークをレ
ーザビームにより走査し、各マークの位置を検出するこ
とによってマスクとウェハとの位置関係を検出している
。

この場合、マスクのアライメントマークＭは、第４図（
ａ）に示すように走査線Ａ上で平行な関係にある第１．
第２の７ライメントマ一クＭｌ。

第２と、これらのマークＭｌ　、第２と走査線Ａに対し
逆向きに傾けられ、かつ相互に平行な第３゜第４のマー
クＭ３　、Ｍ４とを、走査線Ａに対しそれぞれ角度θと
して配置した構成である。また、ウェハのアライメント
マークＷは、同図（ｂ）に示すように第１．第２の７ラ
イメントマークＷ１　。

Ｗ２を互いに逆向きに傾けると共に、走査線Ａに対゛し
それぞれ角度θとした構成であって、アライメントマー
クＭとＷとを同図（Ｃ）に示すように重ね合せてマスク
とウェハとの相対的な位置合せを行なうわけである。

この状態において、光走査機構を用いてレーザビームで
７ライメントマ一クＭ、Ｗ上を走査線Ａに沿って走査す
ると、レーザビームは各マークＭ。

Ｗにより散乱され、受光部ではその散乱光に基づいて第
４図（ｄ）に示すような各アライメントマークＭ１　、
Ｗｌ　、第２　、Ｍ３　、Ｗ２　、Ｍ４の位置に相当す
る走査位置にパルス信号が得られる。このパルス信号を
コンパレータにより適当なスレッシホールド電圧でスラ
イスし、同図（ｅ）に示すような矩形波形のパルス列を
求め、このパルス列の時間的な間隔からアライメントマ
ークＭ、Ｗ同志の位置関係を算出して各マークＭ、Ｗの
相対的な偏位量を判定し、駆動系による位置合せ、すな
わち整合・を行なうのである。

従来、このレーザビームの走査は、特開昭５３−９０８
７２号に記載されているように、スポット光で行なって
いた。しかし、塵埃や、アライメントマークＭ、Ｗを形
成するアルミニウムの粒子が走査線上に点在したり、ア
ライメントマークＭ、Ｗの一部が欠落している場合等に
、整合の失敗あるいは整合精度の低下等を招来するとい
う欠点を有していた。

このようなスポット光走査による欠点を解消するものと
して、スリット状のビームを用いそのスリットの向きを
アライメントマークＭ、Ｗの傾き方向に合せて走査の途
中で切換えるもの（特開昭５９−６３５０４号、以下へ
の学力式という）や、アライメントマークＭ、Ｗの各傾
きに合致する複数のスリット状のビームを例えば偏光方
向が異なるなど相互に分離可能な光で形成しこれら複数
方向のスリット状ビームを重ね合せて同時に照射するも
の（特開昭５９−９９７２１号、以下りＯスピーム方式
という）も知られている。

しかし、ハの学力式のものは、各傾き方向のスリット状
光を作成するため、１回の光走査中に複数回という比較
的高速でレーザビームの光路切換を行なっており、この
ための切換素子として用いていた音響光学素子（ＡＯ素
子）が高価で装置のコストアップ要因となるという不都
合があった。

また、ＡＯ素子は光透過率が８０％程度でレーザ出力の
利用効率が悪（、レーザ出力が同一であれば、検出信号
のＳ／Ｎ比が低下し、位置検出精度の低下や誤動作の可
能性が高くなるという不都合もあった。

一方、クロスビーム方式のものは、同時に２方向のスリ
ット状ビームを出力しているにもかかわらず、１つの位
置合せマークの検出に寄与するのは１方向分のビームだ
けであり、レーザ出力の１／２シか計測に使えない。す
なわち、レーザ出力の利用効率は５０％以下であり、上
述と同様に、検出信号のＳ／Ｎ比が低下するという不都
合があった。また、マークを高精度で検出するためには
、マークの傾き方向と同一方向のビームによる散乱光の
みを検出する必要があるが、このためのディテクタは、
構造が複雑で調整も手間が掛り、装置のコストアップ要
因となるという不都合があった。

［発明の目的］ 本発明は、上述の従来形における問題点に鑑みてなされ
たもので、位置合せマークによる物体の位置合せを高精
度にかつ能率良（検出するとともに、より安価な位置合
せ信号検出装置を提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成するため本発明では、レーザ等の偏光発
生手段から出射される偏光を、電気的偏光面回転素子を
透過させてその偏光方向を切換制御し、第１の偏光ビー
ムスプリッタにより偏光方向に応じて別々の光路に導き
、それぞれの光路で各位置合せマークの傾き方向の各一
方に相当するスリット状ビームに加工し、これらの傾き
方向の異なるスリット状ビームの出射方向を第２の偏光
ビームスプリッタによって再び一致させて位置合せマー
ク上を走査するようにしている。

し実施例の説明］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は位置合せ信号検出装置の光学系の構成図を示し
、１はマスク、２はウェハであって、ウェハ２はウェハ
ステージ３上に載置されている。

このマスク１とウェハ２上には、第４図（ａ）。

（ｂ）に示すアライメントマークＭ、Ｗが描かれ、これ
らは第４図（Ｃ）に示すように重ね合わされている。４
はこの装置全体の動作を所定のシーケンスに従って制御
する制御部である。

１０はレーザ光源であり、偏光面が紙面に対して平行な
Ｐ偏光を発生する。１１は印加される電圧に応じて入射
光の偏光方向を回転させる電気光学的偏光面回転素子で
、制御部４から電圧が印加されないときはレーザ光源１
０からのＰ偏光をそのまま出射し、一方、制御部４から
所定の電圧が印加されたときはレーザ光源１０からのＰ
偏光の偏光面を９０°回転させて偏光面が紙面に垂直な
Ｓ偏光として出射する。すなわち、この偏光面回転素子
１１はある電圧（ｇ、下、半波長電圧という）が印加さ
れた状態ではλ／２板として機能する。この偏光面回転
素子１１としては、例えばモトローラ社から９０６５の
製品名でシャッタ用として市販されている電気光学セラ
ミックス（ＰＬＺＴ）で、両面にくし形電極を有するも
のを使用することができる。

ＰＬＺＴ９０６５の半波長電圧は、規格値を基に算出す
ると５５６．８　（Ｖ）である。

この偏光面回転素子（以下、ＰＬＺＴという）１１から
出射されるＰ−先の進路に沿って、Ｐ偏光を透過しＳ偏
光を反射する第１の偏光ビームスプリッタ１２、反射ミ
ラー１３、紙面に対し４５度傾いた軸を持つ第１のシリ
ンドリカルレンズ１４、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射す
る第２の偏光ビームスプリッタ１５、結像レンズ１６、
回転多面鏡１７が配置されている。また、ＰＬＺＴｌｌ
で偏光面を回転され、Ｓ偏光として出射された光は、第
１の偏光ビームスプリッタ１２で反射され、反射ミラー
１８、先の第１のシリンドリカルレンズ１４の軸とその
集光能力を持つ軸が直交する第２のシリンドリカルレン
ズ１９を経た後、第２の偏光ビームスプリッタ１５で反
射され、上記Ｐ偏光と同一光軸で回転多面！ｉ１７に入
射するようになっている。

さらに、この回転多面１ｔ１７により偏向走査されたレ
ーザビームＬの光軸に沿って、中間レンズ２１゜２２お
よび直角の二方向に走査角に従って順次にレーザビーム
Ｌを偏向するためのプリズム２３が構設されている。ま
た、このプリズム２３の両側には対称的に２系列の光学
系が設けられており、偏向されたレーザビームＬの進行
順に沿って、レーザビームＬを偏向すると共に復路の反
射光を光電検出光学系に導光するためのハーフミラ−２
４ａ　、　２４ｂ　１中［Ｌ／ンズ２５ａ　、　２５ｂ
　１絞り２６ａ　、　２６ｂ、対物レンズ２７ａ　、　
２７ｂがそれぞれ配置されている。また、復路において
ハーフミラ−２４ａ　、　２４ｂにより分離される透過
光の光軸上には、対称的にそれぞれ反射ミラー２９ａ　
、　２９ｂ　、結像レンズ３０ａ　、　３０ｂ　、中央
部のみを遮光部とした部分遮光板３１ａ　、　３１６　
。

コンデンサレンズ３２ａ　、　３２ｂ　１光電変換器３
３ａ。

３３ｂがそれぞれ配列され、これらにより左右対称の２
系列の光電検出系が形成されている。

第１因における制御部４は、光電変換器３３ａ。

３３ｂで得られた出力信号を基に走査面上でレーザビー
ムＬの傾き制御を行なうもので、第２図に示すように、
波形整形回路４１、計数回路４２、時限回路４３、演算
回路４４、制御回路４５および駆動回路４６を具備して
いる。光電変換器３３ａ　、　３３ｂの出力は波形整形
回路４１および計数回路４２を経て制御回路４５に接続
されている。制御回路には時限回路４３の出力も接続さ
れており、制御回路４５の出力は駆動回路４６を経由し
て偏光面回転素子１１に接続されている。また、演算回
路４４には波形整形回路４１で得られたパルス信号が出
力され、演算回路４４において整合状態が演算される。

本発明の実施例は上述の構成を有するので、ＰＬＺＴＩ
Ｉに電圧が印加されていなければ、レーザ光１ｉｏから
出射したＰ偏光Ｌｏは、ＰＬＺＴＩＩで偏光面を回転さ
れることなくそのままＰ偏光として出射され、偏光ビー
ムスプリッタ１２を透過し、反射ミラー１３で図上左向
きに折り曲げられ、！！１のシリンドリカルレンズ１４
によりスリット状のビームＬ１とされ、第２の偏光ビー
ムスプリッタ１５に入射しここを透過して回転多面鏡１
７の振れ原点Ｂに入射する。一方、ＰＬＺＴｌｌに電圧
が印加されていれば、レーザ光源１０がら出射したＰ偏
光Ｌｏｔ、ｔ、Ｐ　Ｌ　Ｚ　Ｔ　１１−ｔ’偏光面！　
９Ｇ”回転サレｒｓ偏光となるため偏光ビームスプリッ
タ１２で反射され、ざらに反射ミラー１８で図上下向き
に折り曲げられる。反射ミラー１８で反射されたＳ偏光
のレーザビームは、第２のシリンドリカルレンズ１９に
より、ビームＬ１と互いに直交する方向のスリット状ビ
ームＬ２となり、第２の偏光ビームスプリッタ１５に入
射し、ここでビームＬ１と同一の光軸上を同一方向に反
射され、ビームＬ１と同様、回転多面鏡１７の撮れ原点
Ｂに入射する。

回転多面＃１１１７により偏光走査されたレーザビーム
Ｌ１は、中間レンズ２１．２２を通過した後にプリズム
２３の端面２３ａに入射し、ここで左方向に偏向され、
さらにハーフミラ−２４ａによりさらに下方向に偏向さ
れる。そして、中間レンズ２５ａ１絞り２６ａ１対物レ
ンズ２７ａを介してマスク１およびウェハ２の面上に結
像する。マスク１およウェハ２に結像したこのビームは
、第３図（ａ）に示すＪのように、アライメントマーク
Ｍ１　、　Ｗｌ　、　第２と平行なスリット光として、
マスク１１３よびウェハ２の面上の第１の７ライメント
マ一ク群を照射することになる。

この状態においてスリット光Ｊが走査ｍＡに沿って右方
向に走査されると、先ずアライメントマークＭ１　、Ｗ
ｌ　、第２に対応する位置で散乱が生ずる。第３図（ｂ
）に示す出力信号Ｓ１　、８２　。

Ｓ３は、スリット光ＪのアライメントマークＭ１゜Ｗｌ
　、第２における散乱反射光が、第１図の対物レンズ２
７ａ１絞り２６ａ、中間レンズ２５ａの復路を戻り、ハ
ーフミラ−２４ａを透過し、反射ミラー２９ａで反射し
、ざらに結像レンズ３０８１部分遮光板３１ａ、コンデ
ンサレンズ３２ａを経由して光電変換器３３ａに入射す
ることにより得られる。この場合、スリット光Ｊは、ア
ライメントマークＭｌ。

Ｗｌ　、第２にほぼ重なることにより検出するので、従
来の単なるスポット光よりもその検出感度は高（検出精
度は良好となる。なお、マスク１またはウェハ２の平滑
面で反射された非散乱光は部分遮光板３１ａの中央部に
結像し、ここで遮光され光電変換器３３ａに到達するこ
とはない。

これらの光電変換器３３ａの出力信号Ｓ１　、　Ｓ２　
。

＄３は、それぞれ波形整形回路４１に入力し、ここで一
定レベルでカットされたクロスポイント位置をパルス幅
として、第３図（Ｃ）に示すように矩形波状パルスＰ１
　、Ｐ２　、Ｐ３に整形される。このパルスＰｉ　、Ｐ
２　、Ｐ３による出力は、計数回路４２および演算回路
４４に送信され、計数回路４２では所定数のパルスすな
わち３個のパルスを計数すると制御回路４５に信号を送
信する。また、この制卸回路４５へは時限回路４３から
第３図（ｄ）に示す予め設定された時間における時間幅
Ｈの出力下が送信される。制御回路４５は第３番目のパ
ルスＰ３が所定の時間Ｈ内にあることを確認すると、駆
動回路４６に傾き切換信号を発してＰＬＺＴＩＩに半波
長電圧を印加させる。これにより、ＰＬＺＴｌｌは、レ
ーザ光源１０からのＰ偏光の偏光面を９０°回転してＳ
偏光として出射し、偏光ビームスプリッタ１２は、この
Ｓ偏光を反射することによりレーザビームの光路を切換
え、反射ミラー１８を介して第２のシリンドリカルレン
ズ１９に出射する。第２のシリ。

ンドリカルレンズ１９は、第１のシリンドリカルレンズ
１４に対して所定の角度で配置されているので、マスク
１およびウェハ２でのスリット光の傾きは変り、マスク
１１３よびウェハ２の面上では第３図（ａ）のＪ′に示
すようにアライメントマークＭ３　、Ｗ２　、Ｍ４と平
行な傾き方向に切換えられる。

アライメントマークＭ３　、Ｗ２　、Ｍ４は、この傾き
切換後のスリット光１′で走査され、充電変換器３３ａ
から第３図（ｂ）に示す出力信号８４゜８５　、Ｓ６が
得られ、波形整形回路４１により第３図（Ｃ）に示すパ
ルスＰ４　、Ｐ５　、Ｐ６が求められ、第１のアライメ
ントマーク群の検出が終了する。そして、演算回路４４
において先に検出したパルスＰ１．Ｐ２．Ｐ３とともに
必要に応じて演算処理される。

一方、出力Ｔが送信されている状態において、例えば第
３番目のパルスＰ３が検出されなかった場合、すなわち
アライメントマーク第２が欠落したときには第３番目の
パルスＰ３が得られるべき時間Ｈの経過後に、制御回路
４５は傾き切換信号を駆動回路４６に発し、走査スリッ
ト光の傾きを切換えて前述と同様の検出を行なう。この
場合、パルスＰ３は欠落しているので、整形回路４１か
ら演算回路４４に送信されるパルスは第３図（６１）に
示すようになる。

レーザビームＬがさらに偏向走査されて、プリズム２３
の側面２３ｂに達すると、今度はビームＬはプリズム２
３により右側に偏向され、中間レンズ２５ｂ、絞り２６
ｂ、対物レンズ２７ｂを経てマスク１およびウェハ２の
面上の第２の７ライメントマ一ク群を先の説明と同様に
検出することになる。

なお、アライメントマーク検出に先立ってマーク位置の
模索を行なうときは一方のスリット光例えばＬｌだけで
走査する。

［発明の適用例］ 上述の実施例においては、本発明をプロキシミティ方式
のマスクアライナに適用した例について説明したが、本
発明はマスクとウェハの間に投影光学系が介在する投影
方式のマスクアライナに、も適用できることは勿論であ
り、さらに、マスクアライナ以外の対象物例えば印刷用
原版の位置合せにも適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係る位置合せ信号検出装置
は、下記の利点を有する。

■　照明光を検出すべきマークの傾きに合せたスリット
光としているので、走査面上に存在する塵埃等からの散
乱光による影響を受は難い。

■　１回の走査でスリット光の傾きを各マークの傾きに
合せて切換えるので、検出のための走査は１回で済む。

すなわち高速度の検出が可能である。

■　照明光として偏光を用い、この偏光の偏光方向を偏
光面回転素子で切換え、偏光ビームスプリッタで透過方
向と反射方向の２つの光路へ択一的に分岐させ、各光路
ごとに所望の傾き方向のスリット光を作成するようにし
ているので、１つの位置合せマークの検出に用いられる
光は、このスリット光を作成するための光学系の損失分
が減少するのみであり、光量利用効率が高い。偏光面回
転素子として前述のＰＬＺＴ　（透過率は９０％以上）
を用いた場合、効率は９０％以上にすることが可能であ
る。また、このＰＬＺＴは、ＡＯ素子より安価であり、
装置のコストダウンを図ることができる。

■　位置検出マークからの散乱光を検出するディテクタ
は、マークの傾き方向を検知する必要がないため簡略な
構成で足りろ。

【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合せ信号検出装置
の光学系構成図、第２図は第１図の装置の制御系のブロ
ック回路図、第３図は作動状態の説明図、第４図は従来
のアライメントマークの検出方法の説明図である。 １：マスク、２：ウェハ、４：制御部、１０：レーザ光
源、１１：偏光面回転素子、１２．１５：偏光ビームス
プリッタ、１４．１９ニジリントリカルレンズ、１７：
回転多面鏡、２γａ　、　２７ｂ　：対物レンズ、３３
ａ。 ３３ｂ：光電変換器、４１：波形整形回路、４２：計数
回路、４３：時限回路、４４：演算回路、４５：制御回
路、４６：駆動回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、傾き方向が２種類の複数個の細条状位置合せマーク
   を、その傾きが検出すべきマークの傾き方向と合致する
   ように切換えられるスリット状の光で走査することによ
   り検出する位置合せ信号検出装置において、上記スリッ
   ト状の光を発生する手段が、偏光発生手段と、該偏光発
   生手段から出力される偏光の偏光面を電気光学的に回転
   させる偏光面回転素子と、該偏光面回転素子に与える電
   気量を制御して偏光方向の異なる２種類の偏光を切換え
   出力させる制御手段と、該偏光面回転素子から出力され
   る偏光の一方を透過し他方を反射して各偏光を別々の光
   路に導く第１の偏光ビームスプリッタと、各光路に導入
   された偏光をそれぞれ上記２種類の傾き方向のそれぞれ
   に相当する傾きのスリット状に集光する２個の集光手段
   と、各集光手段から出力されるスリット状の光を偏光方
   向に応じて一方を透過し他方を反射することにより同一
   方向に出力する第２の偏光ビームスプリッタとを具備す
   ることを特徴とする位置合せ信号検出装置。 ２、前記偏光面回転素子が、印加される電圧に応じて前
   記偏光発生手段から入力される偏光の偏光面を回転させ
   る電気光学セラミックスである特許請求の範囲第１項記
   載の位置合せ信号検出装置。