JPS62223607A - 光学的位置合わせ方法及び装置 - Google Patents

光学的位置合わせ方法及び装置

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JPS62223607A
JPS62223607A JP61068105A JP6810586A JPS62223607A JP S62223607 A JPS62223607 A JP S62223607A JP 61068105 A JP61068105 A JP 61068105A JP 6810586 A JP6810586 A JP 6810586A JP S62223607 A JPS62223607 A JP S62223607A
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JP
Japan
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grating pattern
grating
dimensional grating
light
optical
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Application number
JP61068105A
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English (en)
Inventor
Hiroaki Shimozono
裕明 下薗
Mitsuo Tabata
光雄 田畑
Toru Tojo
東条 徹
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Toshiba Corp
Tokyo Optical Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Optical Co Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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  • Preparing Plates And Mask In Photomechanical Process (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

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〕 本発明は、投影露光装置等で好適に利用される光学的位
置合わせ方法及びその装置に関するものである。
〔従来の技術〕
近年、LSI等の半導体素子の回路パターンの微細化に
伴い、パターン転写手段として、高解像性能を有する光
学式投影露光装置が広く使用されるようになっている。
このような装置を用いて転写を行う場合、露光に先だっ
てマスクに対するウェハの位置を光軸に垂直な方向及び
光軸方向共に高精度に合わせることが必要である。
光軸に垂直な横方向の位置合わせは、アライメントと称
し、種々の方法が提案されているが、大きくは二つに分
けられる。ひとつはオフアクシスアライメントと呼ばれ
る方法であって、投で光学系と異なる他の光学系即ちオ
フアクシス顕微鏡を用い、ウェハ上に予め形成したマー
クを検出してウェハを位置決めし、その後ウェハを投影
光学系の視野内の所定の位置に高精度に移動させること
により、予め正確に位置決めされたマスクとの位置合わ
せ行う。
他のひとつは、T T L (Through the
 fen’s)アライメントと呼ばれ、マスクとウェハ
に予め形成された位置合わせ用指標を投影レンズを通し
て光電検出器で検出し、直接マスクとウェハを位置合わ
せする。オフアクシスアライメントは、位置合わせされ
たウェハを転写すべき位置まで正確に移動させなければ
ならず、他に絶対測長系を必要とする。従って誤差要因
が増し、高精度の位置合わせが難しい問題がある。そこ
で、最近ではより高精度なアライメントを行なうために
TTLアライメント方式が多く使用されるようになって
いる。
TTLアライメント方法の例として、2つのグレーティ
ングを重ね合わせる方法がG、 Dunboeucq(
1980、M E ) 、W、R,Trutna Jr
、 (1984,5PIE)等によって報告されている
。これは第10図に示すように、マスク16上に1次元
グレーティング1が設けられ、ウェハ12上に2次元グ
レーティング2が設けられ、アライメント用光源3から
の光によりマスク12上のグレーティング1を照明し、
透過回折光は投影光学系4を通って、ウェハ12上のパ
ターン2へ導かれ、その反射回折光は再び投影光学系4
を通り、マスク16上のグレーティング1で再度回折さ
れて光電検出器13に入る。そして、光電検出器13に
入射する回折光の強度を用いてマスク16とウェハ12
の相対位置を検出するという方法である。この方法によ
れば、2つのグレーティング1.2が重なり合ったとこ
ろで、回折光強度が最大となるのでその最大を検出する
信号処理を行うことによって高精度なアライメントが可
能となる。
一方、ウェハ12の光軸方向の位置合わせ、即ちフォー
カス調整は例えば第11図に示す光テコ方式等により行
われる。これは、ウェハ12に対して投影光学系4とは
異なる光学系5を通してスリット6を斜めから投影レン
ズ7で投影し、ウェハからの反射光を他の光学系8によ
り取り出し、スリット像の位置ずれをリニアセンサ9で
検出することにより、ウェハの露光投影光学系光軸の方
向のずれを知ろうとする方法である。
なお上記従来例においてグレーティング2で反射回折さ
れた±1次の回折光についての9つの回折光が形成され
るが、マスク上のグレーティング1で2度回折するため
後述する実施例のそれと異なり、(1,±1)次の光強
度■よ、はディフォーカス量の変化にかかわらず1.=
I−,となる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
光軸に直交する横方向の位置合わせ、即ちアライメント
に関してはTTL方式でグレーティングを用いる方法で
高精度に位置合わせが可能となっているが、ウェハの光
軸方向の位置合わせは所定の位置即ちマスクと共役な面
上にあることが前提となっている。ウェハがマスクの共
役面内にないと、アライメント信号として用いる回折光
強度のアライメントずれに対する変化のコントラストが
低下し、高精度のアライメントが難しくなる。
また光テコ方式による光軸方向のウエノ\のセツティン
グはTTLではないために、この方式で得られるスリッ
ト像位置のどこがマスクの共役面に相当するかを正確に
求めなければならない。またある条件下で正確な関係が
得られたとしても光テコ方式でスリットがウェハ上に投
影される位置はアライメント用のマーク部分と必ずしも
一致をしておらず、従ってアラ、イメントで必要な光軸
方向位置即ちマスクの共役面を光テコ方式が正確に与え
てくれるとは限らず信頼性の面で不安があった。
本発明は前記従来技術の問題を解決し、信頼性が高く高
精度な光学的位置合わせが可能な方法及びその装置を提
供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記目的を達成するため以下の構成を有する。
すなわち、本発明に係る光学的位置合わせ方法は、対象
物体の投影像の結像面内であって、投影光学系の光軸を
基準とした所定位置に結像物体を高精度に位置決めする
光学的位置合わせ方法において、結像物体に2次元グレ
ーティングパターンを設け、対象物体に上記2次元グレ
ーティングパターンの一方のグレーティング方向と一致
したグレーティング方向を持つ1次元グレーティングパ
ターンを設け、上記2次元グレーティングパターンと1
次元グレーティングパターンの両方による回折光のうち
、対象物体と結像物体とを上記光軸と直交する方向に相
対的に移動させて(n。
+m)次回折光と(n、−m)次回折光の強度の差(n
、mは0でない整数で、±mは上記一致したグレーティ
ング方向の回折次数を示し、nはこれと異なるグレーテ
ィング方向の回折次数を示す)が少なくなるように上記
光軸方向の位置合わせを行い、(n、o)次回折光の強
度が最大値を取るように上記一致したグレーティング方
向の位置合わせを行うことを特徴とするものである。
また、本発明に係る光学的位置合わせ装置は、対象物体
の投影像の結像面内であって、投影光学系の光軸を基準
にした所定位置に結像物体を高精度に位置決めする光学
的位置合わせ装置において、上記対象物体と上記結像物
体とを相対的に上記光軸の方向及びこれと直交する横方
向に移動させる移動部と、結像物体に設けた2次元グレ
ーティングパターンと、該2次元グレーティングパター
ンを照明する照明系と、上記投影光学系により2次元グ
レーティングパターンの像が投影される対象物体上に上
記2次元グレーティングパターンのいずれか一方のグレ
ーティング方向と一致したグレーティング方向に設けら
れた1次元グレーティングパターンと、2次元グレーテ
ィングパターンと1次元グレーティングパターンによっ
て回折された光束を集光する集光光学部材と、該集光光
学部材により集光された光束のうちの(n、o)(n。
+m)、(n、−m)の各次回折光を受光する第1、第
2、第3受光部と(n、mは0でない整数で、±mは上
記一致したグレーティング方向の回折次数を示し、nは
これと異なるグレーティング方向の回折次数を示す)、
対象物体と結像物体とを上記横方向に移動させても第2
及び第3受光部の受光量の差が略0であるように移動部
を光軸方向に調整し、第1受光部の受光量が最大となる
ように移動部を横方向に調整する調整制御部を備えたこ
とを特徴とするものである。
〔発明の効果〕
本発明は、上述したようにTTL方式によりフォーカス
調整及びアライメント調整を高精度に行うことができる
利点を有する。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例の光学的位置合わせ装置を組込ん
だ投影露光装置について説明を行う。該露光装置は、第
1図に示すように、回路パターン14をウェハ12上に
投影する投影光学系10と、ウェハ12を図示のX軸方
向に関する位置合わせずなわらアライメント調整するた
めのTTL位置合わせ系100と、ウェハ12を投影光
学系10の光軸10aの方向に関する位置合わせ、すな
わちフォーカシング調整するための光てこ位置合わせ系
200と、制御系300とを有する。
投影光学系10は、マスク16に設けられた回路パター
ン14の像を、投影レンズ11によりX軸、Y軸、Z軸
の方向へ位置調整可峻な移動部である移動テーブル18
上に載置されたウェハ12上に結像させるように構成さ
れる。
TTL位置合わせ系100は、前述のTTL方式のもの
であって、レーザー光源等である光源136と、光源1
36の前方に配置されたリレーレンズ138と、リレー
レンズ138の前方に配置されたハーフミラ−140と
、投影レンズ11とを包含する。TTL位置合わせ系1
00は、さらに、ウェハ12の周辺部に設けられた反射
式グレーティングパターン122と、マスク16の周辺
部に設けられた透過式グレーティングパターン120(
反射式グレーティングパターン122と透過式グレーテ
ィングパターン120とは、投影光学系10の倍率を考
慮すると等ピッチとなるように設けられる)と、透過式
グレーティングパターン120からの光束を反射するミ
ラー142と、ミラー142の後方に配置された集光レ
ンズ144と、光電検出器148とを有する。光電検出
器148は3個の独立した検出素子148 a 、  
148 b、148Cからなる。
反射式グレーティングパターン122は、第2図に示す
ように、ウェハ12の周辺部の矩型領域123に複数の
凹部(又は凸部)125を設け、矩型領域123全体を
反射処理して構成される。
矩型領域123における凹部125とその他の部分との
高さの差は例えば0.4ないし1.3μmである。
透過式グレーティングパターン120は、第3図に示す
ように、マスク16の上の回路パターン14と重畳しな
い周辺部に複数の長方形の不透明部130をX軸方向(
この方向をグレーティングパターン120のグレーティ
ング方向という)に並べて形成される。
リレーレンズ138はその前側焦点位置が投影レンズ1
1の@P上にあるように配置される。従って、光源13
6、リレーレンズ138及び投影レンズ11はテレセン
トリック照明光学系を形成し、ウェハ12を平行光束で
照明する。そして、照明されたグレーティングパターン
122は、±1次までの回折光を考えると、第1図に示
すように、リレーレンズ138の瞳P上に対称的に位置
する9個の回折像が現れる。一方、集光レンズ144は
@Pと光電検出器148がほぼ共役となるように形成さ
れ、反射的グレーティングパターン122による反射光
束は透過式グレーティングパターン120により透過回
折された後、光電検出器148上に9個の0次及び±1
次の回折光を出現させる。光電検出器148は受光素子
148a、148b、148Cが各々主光線(0,O)
次の回折光を含まない実質的にX軸方向に並んだ3つの
(1,O)、(1,1>、(1,−1)次回折光を形成
する光束を独立に受光するように配置される。
ここで、上記TTL位置合わせ系100の位置合わせ原
理について説明する。光電検出器148の位置には、±
1次までの回折光を考えると、第4図に示すように、(
0,0)次の回折光(0゜0)を対称中心としてこれを
含めて9個の(1゜1)、(1,O)、(1,−1)、
(0,l)、(0,0)、(0,−1)、(−1,1)
、−1,0)、(−1,−t)次回折光が現われる。
第4図において、(i、j)は回折光又は回折像の2次
元的表現であり、lはウェハ12上でのグレーティング
パターン122による光軸10aと直交するY軸方向の
回折次数を示し、jはウェハ12上でのグレーティング
パターン122によるX軸方向の回折次数とマスク16
上のグレーティングパターン120による回折次数の和
を示す。
理論解析によれば、(1,0)次の回折光の強度I。は
、 また(1.±1)次回折光の光強度1++はである。こ
こで Aニゲレーティングの回折効率で決まる定数P:ウエハ
12上の回折格子のX軸方向のピッチ λ:位置合わせ用の光の波長 d:マスク16とウェハ12の相対位置ずれ(光軸10
aに垂直な方向) Z:デフォーカス(光軸10a方向) である。ウェハ12上でP=4μm、λ=0.6328
μmとし、Zをパラメータとするとき、dと■。、I 
+l、I−、の関係は第5図ないし第7図に示される。
回折光(1,0)、(1,1)、(1,−1)を検出素
子148a、148b、148cが受光し、出力E、 
、Eb、ECを出力すると仮定すると、強度■。は、第
5図に示すように、ディフォーカスZが121<25μ
mならばd=0におけるIaの値は121が大になるに
つれて減少し、出力E、が低下する。一方、回折光I、
 、I−、の強度の差、すなわち検出素子148b、1
48cの出力差(E、−Ec)は、第8図に示すように
、Z=0のときにはマスク16とウェハ12の相対的位
置ずれdにかかわらず0であるが、Zf−oのときはd
≠0であれば0以外の値となる。従って、上記原理を利
用して、148 a、 148 b、 148Cの出力
からアライメント調整及びフォーカス調整が可能である
光てこ位置合わせ系200は、第1図に示すように、光
軸10aとつ二ハ12上で角度をもって交差する光軸2
24上に、光源202と、光源202によって照明され
るスリット226と、スリット226の像をウェハ12
上に形成する投影レンズ228とを有する。光でこ位置
合わせ系200は、さらに、ウェハ12上による反射光
軸204上に、ウェハ12上に形成されたスリット像を
投影するための結像レンズ234と、結(&レンズ23
4によるスリット像の結像位置に配置したりニアセンサ
232を有する。リニアセンサ232は複数の受光素子
を一列に並べて形成され、その列方向がスリット像のス
リット方向と直交するように配置される。
制御系300は、光電検出器148、リニアセンサ23
2、メモリ354、及び操作部356に接続された制御
部350を有し、制御部350はさらに駆動部352を
介して移動テーブル18に接続される。
制御系300は、光てこ位置合わせ系200によるZ方
向の粗フォーカス調整、TTL位置合わせ系100によ
るZ方向の精密フォーカス調整、X方向及びY方向のア
ライメント調整のため、移動デープル18をX、Y軸方
向に移動させてウェハ12を光軸10aに対し所定位置
に位置決めするウェハ位置合わせ機能とを有する。
次に、上記構成の装置によるZ方向の粗フォーカス調整
、Z方向の精密フォーカス調整、X方向のアライメント
調整及びY方向のアライメント調整の4つの調整を第9
図に基づいて説明する。
位置合せが開始されると、まずZ方向の粗フォーカス調
整が光こて方式によって行われる。位置合せが開始され
るとステップ4″OOへ進み、リニアセンサ232の出
力を読み出し、ステップ401に進む。ここにおいてリ
ニアセンサ232の出力のうち最大の値を、出力をした
受光素子、すなわちスリット226の開口像が形成され
た受光素子の端部からの距離αを示す検出値aを検出す
る。
ステップ402において、検出値aが予め適正フォーカ
ス時の開口像の位置a。に対し距離Δa以下まで接近し
たか否かが判断される。ここで△aの値は回折格子のピ
ッチPの略2とすることが好ましい。ステップ402に
おいて検出値aが1ao−a1≦Δaを満足するか否か
を判断し、満足しない場合には、ステップ403におい
て(ao−a)の符号と大きさに応じ駆動部352を介
しテーブル18をZ方向に移動させ、ステップ400へ
戻る。このルーチンは1ao−’a1≦Δaを満足する
まで繰り返えされる。
ステップ402において1ao−al≦Δaが満足され
たと判断されると、粗フォーカス調整は終了し、ステッ
プ404に進んで精密フォーカス調整が開始される。
精密フォーカス調整が開始されると、ステップ404に
おいて検出素子148b、148Cの出力E、 、EC
の差を求めた回数を示すβをOとし、ステップ405に
進む。ステップ405においてテーブル16をX軸方向
に所定量Δx1だけ移動させる。ステップ406に進み
、回数lに1を加えてステップ407に進む。ステップ
407においては、出力E、 、ECを検出し、ステッ
プ408では出力Eb、ECの差(E、−Ec)をej
2として記憶する。
ステップ409に進み、出力E6、ECの差(E、−E
C)を5箇所の異なる位置で求めたかを回数βが5とな
ったか否かで判断する。回数1が5に満たない場合には
、ステップ405に戻り、回数βが5になるまで差(E
、−EC)を求め続け、回数lが5となるとステップ4
10に進む。
ステップ410においては、求めた5つの差eβ(l=
1.2.3.4.5)が全べて所定の値60以内である
と判断し、66以内でないものがあれば、フォーカス調
整が不充分なものとし、ステップ411へ進む。ステッ
プ411においては66以内でないe!の符号と大きさ
に応じてテーブル18をZ方向に微動させ、再びステッ
プ404に進む。一方、ステップ410においてeβが
全て所定値Δe以下であると判断されると、Z方向のフ
ォーカス調整が完了したことを意味するのでステップ4
12に進んでX方向アライメント調整が開始される。な
お、ステップ105におけるX方向に微動させる微動量
ΔX、については、ステップ409を介して繰り返され
る総移動量(木実絶倒では5回分の移’I’JJ↑)を
回折格子の略1ピツチとすると、フォーカス調整のバラ
ツキを減小させることができ好ましい。
X方向のアライメント調整が開始されるとステップ41
2において検出素子148aによる検出の検出番号を示
す番号pを0とし、ステップ413に進んでテーブル1
8をX方向に所定の微動量Δx2だけ微動させる。ステ
ップ414において検出素子148aにより検出し、検
出番号pをつけてEa(p+として記憶し、ステップ4
15に進む。
ステップ415においては検出素子148aの出力E、
のビーク(最大どなる箇所)を求めるため、出力E6の
変化量ΔE、を(Ea fpl  Ea (P−11)
として求める。
ステップ416においては、ΔE、=Oで出力EafP
+が最大であるか否かを判断する。最大でないときには
ステップ417において検出番号pを1つ増加させてス
テップ113に戻る。また、出力Ea+p+が最大とな
ったときには、マスク16とウェハ12とのX方向の位
置が適正となったのであり、X方向のアライメント調整
を終了しステップ418に進み、Y方向アライメント調
整が開始される。
また、Y軸方向のアライメントは、透過式グレーティン
グパターンを上記構成の透過式グレーティングパターン
と直交する方向に配置し、光電検出器をその検出素子が
回折光(0,m’)、(+n’ 、  m’  )、(
nl  、 −mJ  )次回折光〔ここで(i/、j
+)の1′ はY軸方向の回折次数J′ はX軸方向の
回折次数を示す〕を受光するように配置し、該検出素子
の出力を上述のX軸方向のアライメントと同様に処理す
ることにより行われるので、その説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の光学的位置合わせ装置を組込
んだ投影露光装置の説明図、第2図はウェハの平面図、
第3図はマスクの平面図、第4図は回折パターンの説明
図、第5図は位置ずれdに対する(1.0)次回折光強
度とZ軸方向ずれの関係を示すグラフ、第6図は位置ず
れdに対する(1.1)次回折光強度とZ軸方向ずれの
関係を示すグラフ、第7図は位置ずれdに対する(1゜
−1)次回折光強度と2軸方向ずれの関係を示すグラフ
、第8図は位置ずれdに対する(1.1)次回折光強度
と(,1,−1)次回折光強度の差とZ方向のずれの関
係を示すグラフ、第9図は光学的位置合わせ装置のキャ
リブレーション機能を示すフローチャート図、第1O図
は従来のTTL方式のアライメント調整の説明図、第1
1図は従来のオフアクシス方式のフォーカス調整の説明
図である。 10・・・・・・投影光学系 I2・・・・・・ウェハ 14・・・・・・回路パターン 16・・・・・・マスク 18・・・・・・移動テーブル 120・・・・・・1次元グレーティングパターン12
2・・・・・・2次元グレーティングパターン136・
・・・・・位置合せ用光源 140・・・・・・ハーフミラ− 148・・・・・・光電検出器 224・・・・・・光軸 226・・・・・・スリット 228・・−・・・投影レンズ 232・・・・・・リニアセンサ 234・・・・・・結像レンズ 350・・・・・・信号処理部 352・・・・・・駆動部 354・・・・・・メモリ 356・・・・・・操作部 第1図 第2図 第3図 第4図 第5図 入:0.6328μ 第10図 第11図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)対象物体の投影像の結像面内であって、投影光学
    系の光軸を基準とした所定位置に結像物体を高精度に位
    置決めする光学的位置合わせ方法において、結像物体に
    2次元グレーティングパターンを設け、対象物体に上記
    2次元グレーティングパターンの一方のグレーティング
    方向と一致したグレーティング方向を持つ1次元グレー
    ティングパターンを設け、上記2次元グレーティングパ
    ターンと1次元グレーティングパターンの両方による回
    折光のうち、対象物体と結像物体とを上記光軸と直交す
    る方向に相対的に移動させて(n、+m)次回折光と(
    n、−m)次回折光の強度の差(n、mは0でない整数
    で、±mは上記一致したグレーティング方向の回折次数
    を示し、nはこれと異なるグレーティング方向の回折次
    数を示す)が少なくなるように上記光軸方向の位置合わ
    せを行い、(n、o)次回折光の強度が最大値を取るよ
    うに上記一致したグレーティング方向の位置合わせを行
    うことを特徴とする光学的位置合わせ方法。
  2. (2)対象物体の投影像の結像面内であって、投影光学
    系の光軸を基準にした所定位置に結像物体を高精度に位
    置決めする光学的位置合わせ装置において、上記対象物
    体と上記結像物体とを相対的に上記光軸の方向及びこれ
    と直交する横方向に移動させる移動部と、上記結像物体
    に設けた2次元グレーティングパターンと、該2次元グ
    レーティングパターンを照明する照明系と、上記投影光
    学系により2次元グレーティングパターンの像が投影さ
    れる上記対象物体上に上記2次元グレーティングパター
    ンのいずれか一方のグレーティング方向と一致したグレ
    ーティング方向に設けられた1次元グレーティングパタ
    ーンと、2次元グレーティングパターンと1次元グレー
    ティングパターンによって回折された光束を集光する集
    光光学部材と、該集光光学部材により集光された光束の
    うちの(n、o)、(n、+m)、(n、−m)の各次
    回折光を受光する第1、第2、第3受光部と(n、mは
    0でない整数で、±mは上記一致したグレーティング方
    向の回折次数を示し、nはこれと異なるグレーティング
    方向の回折次数を示す)、対象物体と結像物体とを上記
    横方向に相対的に移動させても第2及び第3受光部の受
    光量の差が略0であるように移動部を光軸方向に調整し
    、第1受光部の受光量が最大となるように移動部を横方
    向に調整する調整制御部を備えたことを特徴とする光学
    的位置合わせ装置。
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JP (1) JPS62223607A (ja)

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