JPS61284922A - 回折格子を備えた基板及び該基板の位置検出装置 - 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） 本発明は基板の精密な位置検出を行なうために。

基板に設ける回折格子の形状に関するものであり、さら
に回折格子からの回折光を検出して基板の位置を検出す
る装置に関するものである。

（発明の背景） 近年、超ＬＳＩ等の高集積度の半導体素子が歩留りよく
量産されつつあるが、より微細な回路パターンを正確に
作るためには２回路パターンのりソゲラフイエ程におけ
る位置合わせ（アライメント）精度を向上させる必要が
ある。現在多くの半導体素子は、レチクル、又はマスク
に描かれた回路パターンの原画（写真原版）を光学的な
露光装置を使って半導体ウェハ（以下単にウェハと呼ぶ
）上に塗布されたフォトレジストに転写することによっ
て作られている。この場合、１つの半導体素子は何層分
かの転写を必要とし、ウェハ上に形成された層の上に新
たな回路パターンを精密に重ね合わせて露光することが
必須となっている。通常重ね合わせ露光するときは、ウ
ェハ上に予め設けられた位置合わせ用の特別なマーク、
すなわちアライメントマークを光学的に検出して、ウェ
ハの露光装置に対する位置、又はウェハとレチクル（マ
スク）との相対位置を正確に合わせ込む操作が行なわれ
る。そのようなアライメントマークの１つに１回折格子
マークと呼ばれるものがある。

第１８図はその回折格子マークを検出する原理を示す斜
視図であり９位置合わせすべき基板（ウェハ）２上には
Ｘ方向に一定ピッチで複数の凸状の格子要素１ｅが中心
線ＣＬに沿って一列に並んだ回折格子１が設けられてい
る。格子要素１ｅの平面形状は、ここではほぼ正方形で
あり、Ｘ方向の寸法と、Ｘ方向と直交するＸ方向の寸法
とは共にＢである。また、格子要素１ｅ同志の間隔（凹
部）寸法もＢであるものとする。このような回折格子ｌ
は基板２をエツチングすることによって得られるが、基
板２上のフォトレジストに１回折格子１と相似形状の原
画パターンを有するマスク又はレチクルの像を露光し、
そのフォトレジストを現像した段階でもレジストパター
ンとして得られる。

その回折格子１はレーザ光等の単波長光を集光したスポ
ット光ＳＰによって検出される。スポット光ｓｐは基板
２上でＸ方向に細長く伸びた帯状（シートビーム）であ
り、そのＸ方向の幅はＡに定められている。回折格子１
の検出にあたっては。

格子１とスポット光ＳＰとが平行に整列した状態で、そ
の両者を相対的にＸ方向と交差する方向。

例えば直交するＸ方向に走査する。回折格子１にスポッ
ト光ＳＰが照射されると、各格子要素１ｅのＸ方向に伸
びたエツジ（微小段差）の各々から散乱光が生じニスポ
ット光ＳＰの波長、格子定数等に応じてそれら散乱光が
強めあったり９弱めあったりして、あるいは凸部と凹部
とで反射光の光路長がわずかに異なることによって回折
光（０次光及び１次以上の高次光）が発生する。この回
折光は、単波長光が基板２を垂直に照射しているものと
すると、中心線ＣＬを含むｙｚ平面内にある広がりを持
って発生する。そこで回折光、特に高次光を受光して光
電検出し、その光電信号を認識することによって１回折
格子１とスポット光ＳＰとが一致した時の相対位置を検
出することができる。この場合、光電信号の波形はスポ
ット光ＳＰのＸ方向の光強度分布（レーザ光の場合は通
常ガウス分布）を反映したものとなり、波形のＸ方向に
対応した立上り部と立下り部は２寸法Ａと寸法Ｂとの和
で決まる距離だけ離れている。より高精度に回折格子１
を検出するためには、光電信号の波形上で立上りと立下
りの幅をできるだけ狭くすることが望ましい。

そのためには寸法Ａ、Ｂを小さくすることが必要である
。スポット光ＳＰの幅寸法Ａは光学設計による定数で決
定され、できるだけ小さくすることは可能である。

一方２回折格子１の幅寸法Ｂも小さくする努力はされて
いるが、そのように小さくすると回折格子自体が作りに
くいこと、ウェハにおいてはエツチングや拡散処理（プ
ロセス）中に格子要素が破壊されやすいこと、さらには
回折格子がマークとして検出しにくくなること等の理由
から限界となる最小寸法が決まってしまう。このため寸
法Ａ。

ＢをＡ＜Ｂにすることはできても２寸法Ｂの最小値に制
限があるため、光電信号の波形の幅はそれほど狭くでき
ないといった欠点があった。

（発明の目的） 本発明は上記欠点を解決し１回折格子を構成する格子要
素の最小線幅は検出に際して安定性を欠くことのないよ
うにしつつ、マークとして検出される幅は回折格子自体
の幅よりも狭くなるような格子形状を提供すること、及
びそのような格子を備えた基板の位置検出装置を提供す
ることを目的とする。

（発・明の概要） 本発明は、微小な凹凸による回折格子において。

回折に寄与する互いに平行なエツジを有する実質的に複
数の格子要素を、その各エツジがともに平行になるよう
に規則的に一方向に配列するとともに、各エツジの長さ
若しくは各エツジの伸長方向における位置を前記一方向
において２例えば周期的に異ならせることにより１発生
する回折光の次数分布が前記一方向と直交する幅方向に
関して異なるような複数の領域を形成することを技術的
要点としている。

さらに、そのような回折格子を検出する装置として１回
折格子を有する基板にスポット光を照射し、基板とスポ
ット光とを相対走査したとき２回折格子から発生する回
折光の次数分布が異なることから３回折格子内の複数の
領域のうち少なくとも１つの領域を光電検出することに
よって、基板の位置を検出することを技術的要点として
いる。

（実施例） 第１図は本発明の第１の実施例による回折格子を備えた
基板と、その回折格子を検出するための位置検出装置の
主要な光学系とを示す斜視図である。第２図は位置検出
装置の概要的な構成を示すブロック図である。第１図に
おいて基板２の上には第１８図と同様に、Ｘ方向、Ｘ方
向の寸法がともにＢの正方形（凸状）の格子要素１ａ、
ｌｂがＸ方向に交互に並んで回折格子１が形成される。

もちろん、格子要素１ａ、ｌｂ間の凹部のＸ方向の寸法
もＢであるものとする。そして１本実施例においては格
子要素１ａと１ｂをＸ方向にわずかにずらし、格子要素
１ａの列と格子要素１ｂの列とが寸法りでＸ方向に重な
り合うようにする。すなわち、格子要素１ａの回折に寄
与する段差エツジ（Ｘ方向に伸びたエツジ）と格子要素
１ｂの回折に寄与する段差エツジ（Ｘ方向に伸びたエツ
ジ）とのＸ方向における位置を、Ｘ方向に関して周期的
にずらしておく。ここで回折格子１内の格子要素１ａ、
ｌｂがＸ方向に重複する部分の寸法りは、スポット光Ｓ
ＰのＸ方向の幅Ａよりも小さくなるように定められてい
る。このように格子要素を交互にＸ方向にずらしてＸ方
向に配列すると。

回折格子１としての全体の幅は２Ｂ−Ｄとなり。

従来の回折格子の幅Ｂにくらべて２倍近く大きくなって
しまう。ところが１寸法りは格子要素１ａ。

ｌｂの幅Ｂよりも小さくできる。この寸法りの領域にお
いては、格子要素１ａ、ｌｂがともに回折に寄与するの
で、従来と同様の回折光が発生する。

一方１寸法りの重複領域の両側の領域においては。

回折に寄与するのは格子要素１ａ又は１ｂのいずれかで
ある。すなわち、この領域では、基板２上の凸部と凹部
のＸ方向の寸法比率が１：３になっており１寸法りの領
域から発生する回折光の次数分布（空間周波数分布）と
は異なった次数分布の回折光が発生する。そこでそれら
２つの領域からの回折光の次数分布を識別することによ
って１寸法りの領域を位置検出用のマークとして利用す
る・ことができる。

さて第１図において１幅Ａのスポット光ＳＰは。

不図示のコヒーレント光源（レーザ光源等）からの平行
光ＬＢを入射するハーフミラ−１０，ビーム成形光学系
としてのシリンドリカルレンズ１１を介して得られる。

シリンドリカルレンズ１１の母線は２本実施例ではＸ方
向に伸びており、平行光ＬＢのＸ方向の長さはそのまま
で、Ｘ方向の幅はＡに収束される。このスポット光ＳＰ
がＸ方向に細長いのは１回折格子の検出時に平滑効果を
得るためである。回折格子１からの回折光（０次光。

すなわち正反射光も含む）Ｒは、シリンドリカルレンズ
１１を介してハーフミラ−１０で反射し。

フーリエ変換レンズ１２に入射する。フーリエ変換レン
ズ１２はフーリエ変換面（瞳面、又はそれと共役な面）
に配置された空間フィルター１３上に１回折格子１のフ
ーリエ像を形成する。空間フィルター１３上のフーリエ
像は３回折光の内の０次光の線像を挟んで、一方にプラ
ス次数の各高次光の線像が順番に並び、他方にマイナス
次数の各高次光の線像が順番に並ぶように形成される。

空間フィルター１３は不透明な板に、複数の透明な開口
スリット１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ。

１３ｅ、１３ｆを平行に設けたものであり、その各スリ
ットは回折光の特定の次数分布に合わせて空間的な位置
が決められている。具体的には第３図の空間フィルター
１３の平面図に示されているように、各スリットの配置
が定められている。第３図では、４本のスリット１３２
〜１３ｄのみを示しである。

このように高次の光を多く検出すること、すなわち回折
光の抽出情報量を多くすることは、検出精度を向上させ
るのに有効であるからである。尚。

第３図には、スポット光ｓｐが回折格子１をＸ方向に相
対走査したときに１回折格子１の寸法りの重複領域近傍
から発生する各次数光（線像）の配置を各次数の数字で
表わしである。本実施例の空間フィルター１３では２重
複領域からの回折光のうち、スリット１３ａ、１３ｂに
よって±１次光を、スリンｌ−１３Ｃ，１３ｄによって
±３次光を。

各々抽出するように定められている。

尚、第３図中の空間フィルター１３上に破線で示した次
数光（カッコ内の数字）は、格子要素１ａ又は１ｂのみ
の領域から発生した回折光の線像である。本実施例では
重複領域で凹凸が正確に１＝１の寸法比になっているも
のとし、ｆｉ？！ｒＬない領域で１：３の寸法比になっ
ているものとしたので、１：１の重複領域からの１次光
と３次光とを透過するスリット１３ａ〜１３ｄは、それ
だけを透過するのではなく、１：３の領域からの２次光
と６次光も透過することになる。

さて、このような基板２の位置検出は第２図に示した装
置で行なわれる。第２図において第１図と同一の部材に
は同じ符号をつけである。回折格子１からの回折光のう
ち、空間フィルター１３を透過した各次数の光は、集光
レンズ１４によって受光素子１５に集光される。受光素
子１５は受光した光の強度（光りに応じた光電信号をマ
ーク検出回路２０に出力する。またスポット光ＳＰと基
板２とを相対走査するために、基板２を載置（保持）す
るステージ１６は駆動モータ１７によってｘ、Ｘ方向に
２次元移動する。第２図では代表してＸ方向の移動用の
モータしか図示していない。

ステージ１６の一端部には平面鏡１６ａが固設され、レ
ーザ光波干渉計１８からのレーザ光がその平面鏡１６ａ
に没前されている。光波干渉計１８はステージ１６のＸ
方向の位置を計測するもので。

ステージ１８の単位移動量（例えば０．０２μｍ）毎に
測長信号としてのパルスを発生する。この測長用のパル
スはマーク検出回路２０に入力し、マーク検出回路２０
は、そのパルスを受けるたびに受光素子１５からの光電
信号をサンプリングして。

その大きさに対応したデジタル値に変換する。そのデジ
タル値はサンプリングのたびにアクセス番地が＋１　（
又は−１）ずつ更新されるメモリ　（ランダム・アクセ
ス・メモリ）に順次記憶される。

こうしてメモリにはスポット光ＳＰと基板２との相対走
査位置に対応した回折光の強度分布データが取り込まれ
る。マーク検出回路２０には、さらに高速演算処理を行
なうプロセッサー等が組み込まれており、メモリ上に記
憶された強度分布データ（回折光の波形プロフィール）
から３回折格子ｌの寸法りの領域のＸ方向の中心と、ス
ポット光ＳＰのＸ方向の中心とが一致したとき、若しく
は所定の位置関係になったときのステージ１６の位置を
演算により検出する。この検出した位置情報は主制御回
路２１に出力され、主制御回路２１はその位置情報を例
えばステージ１６の基準位置として記憶し、以降この基
準位置に対してステージＪ６を移動させるように、光波
干渉計１８からの測長信号に基づいてモータ１７を制御
する。もちろん主制御回路２１は回折格子１を検出する
ためのステージ１６の走査についても制御する。

次に本実施例の動作を、さらに第４図、第５図。

第６図を参照して説明する。まずステージ１６を動かし
てスポット光ＳＰが第５図のように回折格子１と平行に
整列するように位置決めした後、ステージ１６をＸ方向
に一定距離だけ移動させる。

第５図において、格子要素１ａと１ｂがＸ方向に重複し
た寸法りの領域をＰ２とし、その両側の寸法（Ｂ−Ｄ）
の領域をＰ、としである。中心線ＣＬには領域Ｐ２の中
心軸であり１回折格子１の検出すべき中心位置でもある
。本実施例ではスポット光ｓｐの幅Ａは、領域Ｐ、のＸ
方向の幅よりは狭く、かつ領域Ｐ２の寸法りよりは大で
あるものとする。格子要素１ａ、ｌｂは基板２がウェハ
の場合、ウェハプロセスによって破壊されない程度に、
できるだけ小さな寸法で作られており、現実的な数値と
しては３μｍ×３μｍ以上の大きさが望ましい。従って
領域Ｐ２の寸法りは３μｍよりも十分率さな値になる。

　　　　′ さて、スポット光ＳＰが第５図中の左側の領域Ｐ、にさ
しかかると、すなわちスポット光ＳＰの中心ＫＬが領域
Ｐ１の左側にＡ／２だけ離れて位置した状態から、格子
要素１ｂのみによる回折光が発生し始める。その回折光
の次数分布は、格子要素１ｂの配列が凸部と凹部の比率
で１：３になっているため、１：１にくらべて空間周波
数が低く、■＝１のときの次数分布に対して全体に細か
くなっている。第４図はそれらの次数分布の一例を示し
たものであり、横軸は空間フィルター１３発生する回折
光の次数分布であり、第４図（ｂ）は領域Ｐ２から発生
する回折光の次数分布であり。

両分右図において横軸のスケールは同一にしである。ま
た、この分布特性は実際の回折光を測定して得たもので
はなく、コンピュータを使ったシミュレーションによっ
て求めた１つのモデルに過ぎない。その結果、ａ域Ｐ、
から発生する回折光（以下Ｓａとする）の±２次光、±
６次光及び±１０次光の各々の空間位置が、領域Ｐ２か
ら発生する回折光（以下ｓｂとする）の±１次光、±３
次光、及び±５次光の各空間位置と一致することがわか
った。このため１回折光Ｓａと回折光ｓｂとを識別する
ためには２回折光ｓｂの奇数次光のみを抽出すればよい
訳であり、このことが空間フィルター１３のスリット配
置を第３図のように決定した理由でもある。

ここで第５図において、スポット光ＳＰが回折格子１を
横切ったときの回折光Ｓａとｓｂの波形プロフィールの
一例を第６図により説明する。第６図において横軸はス
ポット光ＳＰの中心ＫＬのＸ方向の相対位置を表わし、
縦軸は回折光Ｓａ。

ｓｂの正規化された光強度を表わす。スポット光ｓｐの
中心ＫＬが左側の領域Ｐ、の左方にＡ／２だけ離れて位
置すると、破線で示す回折光Ｓａがガウス分布の立上り
部と同様に立上り、中心ＫＬが左側の領域Ｐ、の左端か
ら右にＡ／２だけ移動した時点で回折光ｓｂは最大とな
る。その後中心線ＣＬでボトムとなったあと、再び増大
し、右側の領域Ｐ１の右端から左にＡ／２だけ離れた位
置で回折光Ｓａは立下り、中心ＫＬが右側の領域Ｐ。

の右方にＡ／２だけ離れて位置した時点で回折光Ｓａは
零になる。よって回折光Ｓａの波形は中心線ＣＬに対し
て線対称であり、そのＸ方向の幅は（Ａ＋２８−Ｄ）と
なる。

一方、実線で示した回折光ｓｂは、中心ＫＬが領域Ｐ２
の左方にＡ／２だけ離れて位置した時点で立上り、中心
線ＣＬで最大のピークとなった後。

中心ＫＬが領域Ｐ２の右方にＡ／２だけ離れて位置した
時点で零まで立下る。領域Ｐ２の寸法りはＡよりも小さ
いので回折光ｓｂへの波形はスボソヤ ト光ｓｐのＸ方向の光強度分布（ガース分布）が。

領域Ｐ１からの回折光（±２次、±６次光）の影響を受
けた形で部分的に歪んで再現される。ただし、中心線Ｃ
Ｌに対しては線対称である。そして回折光ｓｂの波形の
Ｘ方向の幅は（Ａ＋Ｄ）となり、これは従来の回折格子
による波形の幅（Ａ＋Ｂ）よりも明らかに狭い。

空間フィルター１３は回折光ｓｂの奇数次光のみと回折
光Ｓａの±２次光と±６次光とを透過するので、受光素
子１５からの光電信号の波形（すなわちマーク検出回路
２０のメモリに採り込まれた波形）は、第６図中の実線
で示した回折光ｓｂの波形と相似である。尚、空間フィ
ルター１３に達する全ての回折光の強度波形は、第６図
に示した回折光Ｓａ、Ｓｂの両波形を単純に合成（加算
）したものとなる。

以上のようにして取り込まれた回折光ｓｂの波形プロフ
ィールに基づいてマー・り検出回路２０は高速演算処理
によって波形上の重心位置、あるいは波形上のピーク位
置等を領域Ｐ２の中心線ＣＬのＸ方向の位置として検出
する。以後、主制御回路２１はその位置を基板２のＸ方
向の基準位置として記憶する。

次に本発明の第２の実施例による回路格子の形状につい
て第７図を用いて説明する。本実施例が先の第１実施例
と異なる点は回折格子の各格子要素ｌａ、ｌｂを正方形
でなく、Ｘ方向に伸びた長方形にしたことである。従っ
てこの場合２回折光ｓｂを発生する領域Ｐ２の両側の領
域Ｐ１のＸ方向の長さが大きくなることになる。このよ
うに領域Ｐ、の寸法を長くしておくと、スポット光ＳＰ
の幅Ａとの関係で、領域Ｐ、の左端、又は右端における
格子要素１ａ、ｌｂのＸ方向に伸びたエツジ１００ａ、
１００ｂからの散乱光が領域Ｐ２から生じる回折光ｓｂ
にノイズとして混入する恐れがなくなり、信号検出時の
Ｓ／Ｎ比が向上するといった利点がある。そのために、
スポット光ＳＰが先の第１実施例と同様にＸ方向に相対
走査するものとすると、領域Ｐ１のＸ方向の寸法はスポ
ット光ＳＰの幅Ａよりも大きくしておけばよい。

次に本発明の第３の実施例による回折格子の形状につい
て第８図を用いて説明する。本実施例では基板２で回折
格子を成す凸部（図中の斜線部）が１つの連続した形状
となっている。この場合でも互いに平行なエツジ１０１
ａ、１０１ｂ及びエツジ１０２ａ、１０２ｂを有する複
数の格子要素が凹部として形成されていることになる。

これは第７図の格子形状の凸部と凹部とを丁度逆にした
ものと同等である。よって凹部のＸ方向の寸法をＢとし
たとき、交互にＸ方向にずらした格子要素によってでき
る重複する領域Ｐ２においては、凸部と凹部のＸ方向の
寸法比率は１：１であり、領域Ｐ２の両側の領域Ｐ、に
おいては、その比率は３：１であり１両領域の空間周波
数特性は異なったものになっている。もちろん領域Ｐ２
の幅はスポット光ＳＰの幅Ａよりも狭く、領域Ｐ２から
は第６図に示したような波形の回折光ｓｂが発生すｌ、
第２の実施例にくらべるとプロセスの影響を受けに＜＜
１位置検出績度の低下を押えられるという利点がある。

すなわち、第１図（第５図）。

又は第７図のように領域Ｐ２を規定する９０°の角→が
凸状の各要素１ａ、ｌｂの一端部であると。

プロセス（特にエツチング等）によっては９０゜の角部
が欠損してしまい、領域Ｐ２において回折に寄与するエ
ツジの平行性が失なわれ２回折光の強度が低下してＳ／
Ｎ比が悪化することもあるからである。

次に本発明の第４の実施例による格子形状について第９
図を用いて説明する。本実施例では第７　図と同様な、
スポット光ｓｐの相対走査方向（Ｘ方向）に細長い格子
要素１ａ、ｌｂをＸ方向にわずかにずらしてＸ方向に交
互に配置する。このため格子要素１ａ、ｌｂのＸ方向で
重複する領域Ｐ２の幅は、その両側の領域Ｐ、の幅にく
らべて広くなっている。本実施例では、領域Ｐ、の幅を
スポット光ＳＰの幅Ａよりも狭くし、２つの領域Ｐ１の
間隔（即ち領域Ｐ２の幅）を幅Ａよりも広くして、領域
Ｐ、から得られる２つの回折光波形から。

回折格子１の中心線ＣＬを認定しようとするものである
。

この場合１位置検出装置の空間フィルターは第１０図に
示すような配置でスリット開口を設けたものと交換する
。この空間フィルター１３０は。

するように、８本のスリット１３０ａ、１３０ｂ。

１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｇ、
１３０ｈを有する。スリット１３０ａ、１３０ｂは回折
光Ｓａの±１次光を、スリット１３０ｃ、１３０ｄは±
３次光を、スリット１３０ｅ。

１３０ｆは±５次光を、そしてスリット１３０　ｇ。

１３０ｈは±７次光を透過する。

−１３０によって完全に分離することができる。

この場合、光電信号上の波形は第６図に実線で示したよ
うに１幅（Ａ＋Ｄ）の狭い波形となる。

第１１図は本発明の第５の実施例による格子形状を示す
平面図であり、領域Ｐ＋、Ｐｚの配置は第９図のものと
同じであるが、長方形の格子要素ｌａ、ｌｂのＸ方向の
長さを異ならせて交互に配列しである。すなわち格子要
素１ａのＸ方向の長さをＬｌ、格子要素１ｂのＸ方向の
長さをＬｉ　　（ただしＬｉ＜Ｌｌ）として、格子要素
１ａ、ｌｂのＸ方向の中心を中心線ＣＬに一致させてＸ
方向に交互に配列する。このようにすると領域Ｐ２の幅
はＬｉとなり、領域Ｐ、の幅は１／２・　（Ｌｌ−Ｌｉ
）でスポット光ＳＰの幅Ａよりも狭くなる。

この格子形状の場合も、第１０図のような空間フィルタ
ー１３０によって位置検出される。

上記第４実施例、第５実施例のように回折格子１の中心
線ＣＬの左右にマークとして検出すべき領域Ｐ、が形成
されると、プロセスの影響による位置検出精度の低下を
防止することができる。例えばウェハプロセスによって
はパターンのやせ細りゃ太りといった問題が生じる。今
、第９図、第１１図のような格子形状において格子要素
１ａ。

１ｂのＸ方向の端部が微小量ΔＸだけ細ったものとする
と１回折格子１自体のＸ方向の幅は２・ΔＸだけ小さく
なる。ところが、領域Ｐ、の幅はその影響を受けず１元
の寸法を保ったままである。

しかも領域Ｐ１を中心線ＣＬに対して対称的に配置する
ものとすると１両方の領域Ｐ１からの回折光による２つ
の波形中心位置の中点は、中心ＮＭｃＬから何らずれる
ことはない。このことは、パターンが微小量だけ太った
場合でも同じである。このためウェハプロセス上で発生
し得るパターンの細りゃ大すの影響を受けず、高精度な
位置検出が可能となる。

さて、第１２図は本発明の第６の実施例による格子形状
を示す平面図である。今まで説明してきた格子は２回折
に寄与する各格子要素のエツジが。

格子要素の配列方向と直交する方向に伸びた。所謂直路
子であったが２本実施例では各格子要素の回折に寄与す
るエツジが配列方向と斜め（例えば４５°）に交差する
方向に伸びた。所謂斜格子にする。第１２図において格
子要素１ａ、ｌｂは中心線ＣＬに対して斜めに４５°だ
け傾けて設けられ、゛ｙＸ方向重複領域Ｐ２ができるよ
うに交互に配列される。このような斜格子１はＸ方向に
伸びたスポット光ＳＰをＸ方向に相対走査することによ
って同様の回折光を発生する。また、相対走査方向は、
格子要素の回折に寄与するエツジの１１０ａ、１１０ｂ
、１ｌｌａ、１ｌｌｂの伸長方向に合わせて斜め４５６
　（第１２図中の矢印Ｖの方向）にしてもよい。もちろ
んこの場合、斜格子１の中心線ＣＬとスポット光ＳＰの
中心線ＫＬとが平行を保ったまま■方向に斜め走査され
る。通常。

ウェハ上に形成される回路パターン等の段差エツジはＸ
方向又はＸ方向に伸びていることが多く。

所定の回折条件を満すようにｘ、Ｘ方向に対して斜め４
５°のエツジが多数集合することは極めてまれである。

このため斜格子からの回折光と回路パターン部からの回
折光とは容易に分離可能である。すなわちこの場合３位
置検出装置の空間フィルターは第１３図に示すように、
斜格子１の領域Ｐ、からの回折光Ｓａの奇数次光（±１
次、±３次、±５次）を透過するスリン）１３０ａ、１
３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆが斜
め４５°に整列するようなフィルター１３１にする。ウ
ェハ上の回路パターンからたまたま同様の次数分布の回
折光が発生しても、その各次数光は第１３図の紙面で左
右方向くもしくは上下方向）に次数順に並んで現われる
ため、その回路パターンからの回折光の多くは遮光され
てしまい。

光電信号の波形上のレベルは、斜格子１からの回折光Ｓ
ａに応じた波形レベルよりもかなり小さくなる。従って
、斜格子の場合は回路パターン等のその他の凹凸部をマ
ークとして誤認識する確率が低減するといった利点があ
る。もちろん、斜格子１の領域Ｐ２からの回折光ｓｂを
検出するようなフィルターにしてもよいことは言うまで
もない。

ところで上記位置検出装置はスポット光ＳＰと基板２と
を相対的に移動させて１発生する回折光の波形プロフィ
ールをそのまま取り込む方式であったが、スポット光Ｓ
Ｐを微小振幅で振動させ。

発生する回折光に応じた光電信号（変調されている）を
同期検波（整流）する方式であってもよい。

その場合の具体的な構成を１本発明の第７の実施例とし
て第１４図、第１５図、及び第１６図を用いて説明する
。第１４図は検出光学系の配置を示し、第１５図は検出
光学系内のスポット振動部とマーク検出回路の回路ブロ
ックを示す。第１４図において、ＦＰはフーリエ変換面
であり１回折格子のフーリエ像が形成されている。レン
ズ４０はリレー系を成し２回折光はハーフミラ−４１で
２分割され、一方は第１０図に示した空間フィルター１
３０を透過して集光レンズ４２によって光電素子４３に
受光される。ハーフミラ−４１からの他方の回折光は第
３図に示した空間フィルター１３を透過して集光レンズ
４４によって光電素子４５に受光される。このような構
成において２回折格子の形状として第１図、第７図又は
第８図のものを使い、空間周波数の高い領域Ｐ２をマー
クとして検出するものとする。

さて第１５図において、レーザ光束ＬＢは振動ミラー５
０を介して対物レンズ４９に入射し、基板２上にスポッ
ト光ＳＰを結像する。回折格子１からの回折光は対物レ
ンズ４９の瞳面（フーリエ変換面）にフーリエ像として
結像し、不図示のリレー系等を介して、瞳面を第１４図
のフーリエ変換面ＦＰと共役に投影する。振動ミラー５
０の振動中心は瞳面と共役な位置に定められるので、フ
ーリエ変換面ＦＰにおいて回折光が光軸ＡＸを中心に振
動するようなことはない。この振動ミラー５０は発振器
（Ｏ３Ｃ）５２からの振動周波数ｒの信号を入力する駆
動部５１によって周波数ｆで洞 単振動する。冊朋検波回路（以下ＰＳＤとす゛る）５３
は周波数ｆの信号に基づいて、第１４図の光電素子４５
からの光電信号Ｑｂを同期検波する。

その検波信号Ｅａはスポット光ＳＰの振動中心と回折格
子１の中心線ＣＬとのずれ量に応じたＳカーブ波形にな
る。また発振器５２は周波数２ｆの信号をＰＳＤ５４に
出力し、ＰＳＤ５４はその信号に基づいて光電素子４３
からの光電信号Ｑａを同期検波する。このときその検波
信号Ｅｂは、スポット光ｓｐの振動周波数の倍の周波数
２ｆで検波されるから、スポット光ＳＰを振動させずに
基板２を移動させたときの回折光波形のプロフィールと
相似の波形になる。

以上のような構成で、スポット光ＳＰはいままでの各実
施例と同様にｙ方向に伸びた平面形状をしており、Ｘ方
向に微小振幅で振動している。その振幅は２回折格子１
上の領域Ｐ２のＸ方向の幅とほぼ一敗するように定めら
れている。領域Ｐ２の幅はスポット光ＳＰの幅よりも狭
く、振動振幅も微小になるため、検波信号ＥａのＳカー
ブ波形の幅も極めて狭くなる。このため５回折格子１の
領域Ｐ２を検出するのには、スポット光ＳＰを振動させ
つつ、Ｓカーブ波形が現われるまで基板２をＸ方向に少
しずつ移動させる必要がある。このことはマークとして
検出する時間が長くなることを意味し、逆の見方をすれ
ばマークが見つけにくいことを意味する。

そこで２本実施例では１回折格子１の領域Ｐ２の両側に
ある領域Ｐ１を、領域Ｐ２の検出時の目やすとして用い
る。第１６図は回折格子とスポット光ＳＰの振動中心と
のＸ方向の相対位置に応じて表われる検波、信号Ｅａ、
Ｅｂの各波形を示す。

ここでは、格子要素として第７図と同じものを用いるも
のとする。検波信号Ｅｂは、空間フィルタ−１３０を用
いて領域Ｐ１からの回折光Ｓａを受光して得られたもの
であるから、スポット光ＳＰが回折格子１を横切る間は
大きなレベルとなる。

そこで、主制御回路はスポット光ＳＰと回折格子１とが
比較的速いスピードで交差するように、基板２を載せた
ステージ１６をＸ方向に移動する。

そして主制御回路は、まず検波信号Ｅｂをモニターしつ
つ、検波信号Ｆ、ｂが立上った時点でその位置を記憶し
、ステージ１６の減速を始める。記憶した位置から領域
Ｐ２までの距離は、領域Ｐ、の幅として設計上子めわか
っているから、その距離だけステージ１６が移動して停
止すれば、スポット光ｓｐの振動中心は領域Ｐ２内に位
置し、検波信号ＥａのＳカーブ波形上の直線領域ＳＲに
自動的に追い込まれることになる（ラフ・アライメント
の完了）。この状態で主制御回路は検波信号Ｅａを入力
して、Ｓカーブ波形の直線領域ＳＲで駆動モータ１７に
サーボ制御をかける。Ｓカーブ波形上の零点は、領域Ｐ
２の中心線ＣＬと一致するので、スポット光ＳＰの振動
中心が中心線ＣＬと一致するようにステージ１７が微動
される（ファイン・アライメントの完了）。こうして位
置決めされた位置をレーザ光波干渉計１８で読み取るこ
とによって、基板２の位置検出が完了する。

本実施例では１本来のマークとして機能する領域Ｐ２の
両側に、領域Ｐ２よりも広い冗長な領域Ｐ、があること
を利用して、この領域Ｐ、をラフな検出時の目やす、す
なわちサーチ目標として使えるため、高速で正確なマー
ク検出が可能となる。

以上本発明の各実施例を説明したが、スポット光ＳＰの
相対走査は、ステージ１６（基板２）を停止させてレー
ザ光束ＬＢを回転多面鏡（ポリゴンミラー）を用いて一
方向に等速スキャンする方式であっても同様の効果が得
られる。また第１図。

第７図、第８図のような回折格子を基板２上に形成する
場合、その基板２への各種表面処理による寸法変化を考
慮して２表面処理の後の検出時に最適な寸法、特に領域
Ｐ２の最適幅が得られるように、予めわずかに寸法を増
減させておくとよい。

また第３図のフィルター１３と第１０図のフィルター１
３０の夫々を透過してきた回折光を別々の光電検出器で
受光し、その光電信号の差の絶対値を求めるような回路
を設けても、同様に幅の狭い検出信号が得られる。

（発明の効果） 数の異なる次数分布が得られるように格子要素の配列を
決定したので２回折格子全体の位置検出方向の幅は多少
大きくなるものの、特定の次数分布が得られる領域の幅
は十分に狭く、検出用のスポット光の幅よりも小さくで
きる。しかも格子要素自体の大きさ形状は小さくする必
要がないので。

例えば表面処理の行なわれる半導体ウェハ上にアライメ
ントマークとして形成した場合であっても。

処理に伴なう格子要素の劣化、変形等が少なく。

高精度な位置検出が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による位置検出装置の検
出光学系の概略的な構成と回折格子の形状とを示す斜視
図、第２図は第１図の位置検出装置におけ、検出制御部
を示す回路ブロック図、第３図は第１図の位置検出光学
系に設けられた空間フィルターの形状を示す平面図、第
４図は第１図に示した回折格子からの回折光の次数分布
を示す分布図、第５図は第１図に示した回折格子と検出
用のスポット光との形状や寸法の関係を詳細に示す平面
図、第６図は第１図に示した回折格子から得られる回折
光の位置に応じた光強度分布を示す図、第７図は本発明
の第２の実施例による回折格子の形状を示す平面図、第
８図は本発明の第３の実施例による回折格子の形状を示
す平面図、第９図は本発明の第４の実施例による回折格
子の形状を示す平面図、第１０図は第９図の回折格子か
らの回折光を検出する空間フィルターの形状を示す平面
図、第１１図は本発明の第５の実施例による回折格子の
形状を示す平面図、゛ 一゛′　　第１２ 図は本発明の第６の実施例による回折格子の形状を示す
平面図、第１３図は第１２図の回折格子からの回折光を
検出する空間フィルターの形状を示す平面図、第１４図
は本発明の第７の実施例による位置検出装置の光学系を
示す配置図、第１５図は第７の実施例による位置検出装
置の検出回路の構成を示す回路ブロック図、第１６図は
第１４図。 第１５図の装置により得られる光電信号の波形を示す波
形図、第１７図は従来の回折格子の形状を示す斜視図で
ある。 （主要部分の符号の説明） １−・−・−・−・・回折格子。 １　ａ　、　　１　ｂ　、　　１　ｅ　　・−−−−−
−−−−一格子要素。 １３、　１３０．　　］　３１　−−−−−−−一空間
フイルター。 １５．３５ａ、３５ｂ、４３．４５−・−光電素子。 １６−−−−−−−・−・ステージ、　　１８　−一−
−−・−・−光波干渉計。 ２０−−−−−−−−・・−マーク検出回路。 ２１−−−−−−−−−一主制御回路、　　ｓ　ｐ−−
−−−−−・−スポット光。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）回折に寄与する互いに平行なエッジを有する実質
   的に複数の格子要素を、該各エッジがともに平行になる
   ように規則的に一方向に配列するとともに、各エッジの
   長さ若しくは各エッジの伸長方向における位置を前記一
   方向に関して異ならせることにより、発生する回折光の
   次数分布が前記一方向と直交する幅方向に関して異なる
   ような複数の領域を形成する如く構成された回折格子を
   備えたことを特徴とする基板。
2. （２）回折に寄与する互いに平行なエッジを有する実質
   的に複数の格子要素が、該各エッジをともに平行にする
   ように規則的に一方向に配列されるとともに、各エッジ
   の長さ若しくは各エッジの伸長方向における位置を前記
   一方向に関して異ならせ、発生する回折光の次数分布が
   前記一方向と直交する幅方向に関して異なるような複数
   の領域で構成された回折格子を備えた基板を保持するた
   めの保持手段と； 前記基板にスポット光を照射する照射手段と；該スポッ
   ト光と前記基板とを前記一方向と交差する方向に相対走
   査する走査手段と； を 前記スポット光が前記回折格子照射したときに発生する
   回折光を受光して、前記相対走査方向において次数分布
   が異なることから前記回折格子内の複数の領域の少なく
   とも１つの領域を光電的に認識する光電認識手段とを備
   え、該認識したときの相対走査位置から前記基板の位置
   を検出することを特徴とする位置検出装置。
3. （３）前記スポット光の前記一方向と直交する幅方向の
   寸法に対して、前記光電認識される回折格子内の少なく
   とも１つ領域の幅方向の寸法を小さく定めたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の装置。
4. （４）前記光電認識手段は、前記回折格子からの回折光
   をフーリエ変換面に結像する光学系と、該フーリエ変換
   面と実質的に同一の面内において前記回折光の次数分布
   のちがいを識別する空間フィルターと、該空間フィルタ
   ーからの識別された回折光を受光して、その光量に応じ
   た光電信号を出力する光電変換素子とを含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の装置。