JPS61187615A - 位置検出装置 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、物体の位置、又はその物体の微小変位量を光
学的に検出することのできる検出装置に関する。

（発明の背景） 従来、超ＬＳＩ等の半導体装置の製造及び検査の工程に
おいては、瀞釧だパ々−ンＬ−暑すＡ庵めア焙密な位置
合わせが必要であり、このために種々の光学装置が提案
されている。このような位置合わせのために、２つのコ
ヒーレント光による干渉縞を回折格子上又はその近傍に
形成し、この干渉縞と回折格子とで生ずる成る方向での
回折光の強度を測定することによって、干渉縞に対する
回折格子の位置を検出する方法が、例えば、特開昭５９
−１９２９１７号公報により知られている。この方法は
、回折格子とこの近傍に形成される干渉縞との間で生ず
る回折光が、干渉縞と回折格子との相対的な移動に伴っ
て変化することを利用して、成る次数の回折光強度の変
化状態から、両者の相対位置を検出するものである。こ
の方法によれば、かなりの程度に正確な位置検出を行う
ことが可能と考えらるが、コヒーレント光源から回折格
子が設けられた被検物体までの光路中に光学系を介在さ
せる場合には、２つのコヒーレント光によって被検物体
面上に干渉縞を形成することが難しくなるため、他の光
学系との組合せや光路を共用する装置の場合には採用し
にくいという欠点があった。特に、半導体装置の製造に
用いられる投彫型露光装置において、投影対物レンズを
通してウェハとレチクルとを位置合わせをするためにウ
ェハ上のフォトレジストを感光させないように露光波長
と異なる波長の光線でアライメントを行う場合、投影対
物レンズの色収差のために、投影対物レンズを通してウ
ェハ面上またはレチクル面上において２つのコヒーレン
ト光を干渉させることが難しく、また正確な位置に干渉
縞を形成するには構成の複雑化が避けられない。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記の如き欠点を解消し、光源と物体
との間に種々の光学系を介在させる場合にも、精密な物
体位置の検出が可能で、しかも比較的簡単な構成からな
る物体位置検出装置を提供することにある。

（発明の概要） 本発明は、回折格子パターンを有する物体の位置を検出
するための装置において、コヒーレント光源からの光を
物体面上の回折格子パターンへ供給する照明光学系と、
回折格子パターンで生ずる回折光のうち互いに異なる次
数の回折光を互いに干渉させる・干渉光学系と、該干渉
光学系によって得られる干渉光の強度を測定する測定手
段とを有するものである。

そして、照明光学系、干渉光学系及び測定手段に対して
、回折格子を有する被検物体は変位が可能に設けられて
おり、被検物体を相対的に移動させると、干渉光学系に
よる干渉光の強度が被検物体の相対移動量に対応して変
化するという特性を用いるものである。

従って、本発明では、被検物体としての回折格子パター
ン上にコヒーレント光を供給しさえすればよ（、照明光
学系から被検物体までの光路中においては何隻制約がな
く、照明光学系を簡単な構成とすることが可能であると
共に、他の光学系と同軸の構成として一部の光学要素を
共用することも簡単に可能となる。

尚、本発明において、互いに干渉させるべき異なる次数
の回折光とは、１次、２次、３次・・・の回折光のみな
らず、各次数の十又ｉｔ−の回折光も異なる次数として
扱っている。即ち、異なる方向に生ずる回折光を互いに
干渉させることを意味する。

（実施例） 以下、実施例に基づいて本発明を説明する。

第１図は、本発明の原理的な構成からなる第１実施例の
概略構成図である。コヒーレント光源１からの光が、一
定の周期パターンからなる回折格子Ｇを有する物体２上
に、入射角θ、で供給される０回折格子Ｇによる回折光
のうち角度θ、に生ずる回折光は反射鏡３で反射されて
半透過鏡４に導かれる。半透過鏡４には角度θ。に生ず
る回折光が物体面から到達しており、ここで２つの回折
光が互いに干渉する。この干渉光は光電検出器５に入射
し、光強度に応じた光電信号が出力される。

ここで、物体２がコヒーレント光の入射面（第１図の紙
面）に平行なＸ方向で相対的に移動すると、角度θＢの
回折光と角度θＣの回折光との位相が相対的に変化して
位相差を生じ、このため光電検出器５が検出する光強度
が変化し、この変化の状態から、コヒーレント光に対す
る回折格子の変位状態を測定すみことが可ｆｆ！？’７
．ふ− この様子の原理を数式に基づいて説明すると、第１図に
示す如く、回折格子Ｇへのコヒーレント光の入射角を０
１．２つの異なる回折光の角度をそれぞれ、θ８、θ。

とじ、図示のとおり、 θ、＜０ θ３．θ。〉０ とする。いま物体２がＸ、たけ移動したときの複素振幅
反射率をｆ（ｘ−ｘ、）とし、そのフーリエ変換を　Ｔ
（ν）とする、また、コヒーレント光の波長をλとし、
２つの回折光がそれぞれ半透過鏡４に達するまでの光路
の位相差を、 ｅｘｐ（ｉ２ｇｆ／λ〕 とする、このとき、 ｓｉｎ　θ＾冒Ａ ｓｌｎ　　θ箇　−Ｂ ｓｉｎ　θ６ｗｍＣとおけば、 光電検出器５が検出する光強度１　（ｘｏ）は、１（Ｘ
、）　　ＱＣ λ　　　　　　　　　　　λ ＡＢＡ−Ｃｉ　２πｌ ・ｅｘｐ　（−１（Ｂ−Ｃ）　　Ｘｏ　）λ λ　　　　　　　　　　　λ　　　　　　　　　　　λ
−ｅｘｐ　（ｆ　　−（Ｂ　−Ｃ）　　Ｘｏ　）λ となる。尚、＊は複素共役を表す。

λ 即ち、Ｘ方向に対して、□の周期で光強−Ｃ 度が変化することになり、コヒーレント光に対する物体
の位置を測定することができる。

具体的には第１図に示す如く、光電検出器５からの出力
及び、物体を移動させるための駆動手段１０からの物体
の相対移動量に対応する信号が、演算器２０に入力され
る。演算器２０において、物体の相対移動量Ｘに対する
光電信号の強度変化の様子を検出し、所定の状態になる
ように物体を移動して位置合わせを行う。

このように、本発明の位置検出装置では、光源からのコ
ヒーレント光によって被検物体上の回折格子を照明すれ
ばよく、コヒーレント光源と被検物体との間に任意の光
学系が配置されてもよく、介在する光学系からの制約は
少ない。

第２図は、本発明の第２実施例の概略構成図であり、こ
の実施例では、コヒーレント光源からの光線を超音波光
変調器（ＡＯＭ）の如き変調素子６により変調して物体
面へ供給するものである。第２図の構成において、第１
図と同一の作用をする部材には同一の記号を付した。（
以下の図においても同様）この構成においては、光電検
出器５の出力を変調素子６の変調信号と同期検波するこ
とによって、ノイズを除くことができ、より精度の高い
位置検出を行うことが可能である。

第３図に示した第３実施例は、回折格子Ｇを存する物体
２に対して垂直方向からコヒーレント光を供給すること
とし、反射部材３ａ、３ｂと半透過鏡４ａ、４ｂとを有
する干渉光学系及び光電検出器５ａ、５ｂをコヒーレン
ト光の照射方向に関して対称に配置したものである。こ
の構成において、左右両方の光電検出器５ａ、５ｂの出
力の和を採ることによって、回折格子パターンの形状が
非対称である場合にも、正確な位置検出が可能となる。

第４図に示した第４実施例は、回折格子Ｇによる回折光
を左右２つの干渉光学系と２つの光電検出器５ａ、５ｂ
とによって検出する構成においては、上記の第３実施例
と同様であるが、干渉光学系の構成が異なっている。即
ち、第１反射部材３Ｃと第１半透過鏡４ｃとを有する第
１干渉光学系は、回折光のうち互いに角度θ１を成す回
折光を干渉させてこれらの干渉光強度の変化を光電検出
器５ｃにより測定する。また、第２反射部材３ｄと第２
半透過鏡４ｄとを有する第２干渉光学系は、回折光のう
ち互いに角度θ２を成す回折光を干渉させてこれらの干
渉光強度の変化を光電検出器５ｄにより測定する。各光
電検出器５ｃ、５ｄで検出される干渉光強度は、干渉さ
れる回折光の角度が０１とθ２とで互いに異なるため、
前記の式より分かるように、物体２上の回折格子パター
ン２種類の互いに異なる周期の干渉信号を得ることが可
能である。従って、周期の大きな干渉信号によって、ま
ず曳２柑卿幀１−軸ネ小ｌｈ畳ゐ山九仰−争、偽ｌν　
国翻爪小さな干渉信号によってより精密な位置検出を行
うことが可能であり、短時間に高精度の位置合わせが可
能となる。

第５図に示した第５実施例は、上記の如き本発明による
位置検出装置を、ＬＳＩ等の半導体装置の製造に用いら
れる投影型露光装置のＴ　Ｔ　Ｌ　（ｔｈｒｏｕｇｈｔ
ｈｅ　１ｅｎｓ）アライメント光学系に用いた例である
。

第５図に示した部材のうち、第１図と同様の機能を有す
る部材には同一の番号を付した。このような投影露光装
置では、レチクルＲは図示なき照明光学系によって所定
の波長の露光光３０で照明され、レチクルＲに形成され
た所定のパターンが投影対物レンズＬによってウェハＷ
上に投影露光される。そして、種々のパターンを持った
レチクルにより一つのウェハ上に順次具なるパターンが
投影露光され、各露光毎に化学的処理を経て半導体装置
が製造されていくことは周知の通りである。ここで、各
レチクルによる露光に際して前段で行った露光パターン
に精密に重ね合わせることの重要性は言うまでもなく、
このための位置合わせを行うのがアライメント系である
。

本実施例では、レチクルとウェハとのアライメントのた
めに、露光光３０と異なる波長のコヒーレント光を用い
ており、アライメント光によってウェハ上のフォトレジ
ストを感光させないようにしている。

そして、レチクルＲの上部側方からコヒーレント光がレ
チクルＲ１投影対物レンズＬを通してウェハＷ上に供給
される。ウェハＷ上には、アライメント光を反射する反
射性のアライメントマークＭ。が形成されており、この
アライメントマークＭｌ、ｌで反射されたアライメント
光は再び対物レンズ６を通ってレチクルＲ上に達する。

レチクルＲ上にはウェハとの位置合わせのための基準マ
ークＭＲが設けられており、ウェハＷ上のアライメント
マークＭｗで反射されたアライメント光により照明され
、ここで回折光が生ずる。投影対物レンズＬは、露光光
３０に関してレチクルとウェハとが共役になるように設
計されているため、波長の票なるアライメント光では投
影対物レンズの色収差によって、ウェハＷからの反射光
が再びレチクルＲに戻る位置及び角度は、−一般にアラ
イメント光のレチクルＲへの入射位置及び入射角度とは
異なる。レチクルＲ上に設けられた基準マークＭ、ｌと
しての回折格子で生ずる回折光のうち、異なる次数の回
折光が反射部材３と半透過鏡４とにより互いに干渉され
、光電検出器５に入射する。この光電信号の強度変化と
レチクルＲの移動量との相関から、演算器２０によって
レチクルの精密な位置検出が可能であることは、前記の
実施例と同様である。

このように、投影対物レンズの色収差がある場合にも、
ウェハ上のアライメントマークでの反射を経てアライメ
ント光がレチクルの基準マーク上に到達すればよく、投
影対物レンズの色収差は問題とはならない。従って、ア
ライメント光が露光波長と同一である場合にも、同様に
レチクルとウェハとの精密な位置合わせが可能である。

ところで、この第５実施例においては、回折格子パター
ンを有するレチクルＲの相対的移動により干渉光の強度
が、前述の式のとおり互いに干渉する回折光の角度θ８
及びθ。の関数として変化を生ずる一方、ウェハＷ上に
設けられた反射性のアライメントマークＭｗとレチクル
上の回折格子パターンとの相対的位置に対応する光強度
変化も生ずる。即ち、ウェハＷ上の反射性アライメント
マークＭｗからの反射光によって、レチクルＲの基準マ
ークＭＲとしての回折格子が照明されるため、両者の相
対的位置がズしていて基準マークＭ、ｌへ達するアライ
メント光が少なくなれば光電検出器５に達する光量は小
さくなる。従って、光電検出器５の出力が最大となるよ
うに駆動手段１１によりウェハＷを移動することによっ
て、レチクルＲとウェハＷとの相対的位１合わせを行う
ことも可能である。

そして、第５図の実施例において、ウェハＷの側方に、
第１図に示した第１実施例と同一の干渉光学系と光電検
出器とを設けることによって、ウェハＷを単独に位置合
わせすることも可能である。

尚、第５歯にはＸ方向でのレチクルとウェハとの位置検
出を行う構成を示したに過ぎないが、これと同一のアラ
イメント系をＸ方向に直交するｙ方向にも設けることに
よって、ｘ、７両方向での２次元的位置合わせが可能と
なる。さらに、同様の第３のアライメント系を加えるこ
とによって、より精度の高い位置合わせが可能となるこ
とは言うまでもない。

そして、ウェハＷ上のアライメントマークＭｗとして、
反射面を設ける代わりに回折格子を設ける場合には、こ
のウェハ上の回折格子からの回折光を第１実施例の如き
干渉光学系によって干渉させ、その干渉光強度の変化か
らウェハ単独の位置検出を行うことも可能である。

また、上記の実施例では、いずれも反射型の回折格子を
設けたが、透過型の回折格子であっても同様に異なる次
数の回折光を干渉させることによって、精密な位置検出
を行うことが可能である。この場合、前記の式において
振幅反射率ｆ（ｘ−ｘｏ）を振幅透過率と読み替えれば
、全く同様に扱うことができることはいうまでもない。

透過型においても反射型においても、アライメント光と
してのコヒーレント光の可干渉距離は、異なる次数の回
折光を干渉させるための干渉光学系における光路差！よ
りも大きければ十分である。

（発明の効果） 以上の如く、本発明によれば、光源と物体との間に種々
の光学系を介在させる場合にも、介在する光学系による
色収差等による制約が少なく、比較的簡単な構成によっ
て精密な物体位置の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的構成を示す第１実施例の概略構
成図、第２図は本発明による第２実施例の概略構成図、
第３図は本発明による第３実施例の概略構成図、第４図
は本発明による第４実施例の概略構成図、第５図は本発
明による位置検出装置を投影型露光装置のＴＴＬアライ
メント系に用いた第５実施例の概略構成図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・コヒーレント光源 ２・・・物体 ５．５ａ＋　５ｂ＋　５ｃ＋　５ｄ　・＝光電検出器第
１図 第２図 第４図 第５図 手続補正書（自発 昭和６０年　３月１９日 ３、補正をする者 明牛との関係　特許出願人 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 （４１１）日本光学工業株式会社 ８１４０東京部品川区西大井１丁目６番３号＋１１　　
［！１１８ヨ。１、ゆ。ヤ、第２６エ１゜ッ　　　人、
や（）°　　へ　、６、補正の内容 １）明細書第６頁８〜９行目の 「そのフーリエ変換」を ｒＸ＠−０のときのフーリエ変換」 と訂正する。 以　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回折格子パターンを有する物体の位置を検出するための
   装置において、コヒーレント光源からの光を物体面上の
   回折格子パターンへ供給する照明光学系と、回折格子パ
   ターンで生ずる回折光のうち互いに異なる次数の回折光
   を互いに干渉させる干渉光学系と、該干渉光学系によっ
   て得られる干渉光の強度を測定する測定手段とを有する
   ことを特徴とする位置検出装置。