JPS63161616A - 位置ずれ検出装置 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、位置検出装置にかかるものであり、特に露光
装置の投影光学系の焦点位置検出に好適な位置検出装置
に関するものである。

［従来の技術］ 従来の焦点位置検出に使用される位置検出装置としては
、例えば、特開昭５６−４２２０５号公報に開示された
ものがある。

以下、添付図面を参照しながら、かかる従来装置につい
て説明する。第２図には、前記公報に開示された装置の
光学系の概略が示されている。

この第２図（Ａ）において、光源１０から出力された焦
点位置検圧用の照明光は、集光レンズ１２で集光された
後、スリット１４を照明する。

このスリット１４を透過した照明光は、結像レンズ１６
によってウェハＷ上に結像光束として照射され、スリッ
ト１４の像１４１がウェハＷ上に形成される。

次に、このウェハＷ面上で散乱、反射された光は、他の
結像レンズ１８を介して、受光側スリット２０に結像し
、この受光側スリット２０上に像２０Ｉが形成される。

上述した受光側スリット２０を入射光軸方向から見ると
、第２図（Ｂ）に示すような形状となる。

受光側スリット２０を通過したウェハＷからの反射光は
、光電変換素子２２によって電気信号に変換され、焦点
位置検出信号どして図示しない信号処理回路に出力され
る。

このときのウェハＷのＺ方向の変位ないし位置変化と、
光電変換素子２２からの出力信号Ｉとの関係は、例えば
第３図に示すようになる。この図に示すように、焦点位
２（Ｚ＝Ｏ）は、出力信号！のピーク点に対応する。従
フて、このピーク点を検出することにより、焦点位置の
検出を行うことができる。

実際の信号処理に際しては、Ｚ方向の方向性が考慮され
、ウェハＷのＺ方向の位置に対してクローズドサーボコ
ントロールが行なわねる。このため、上述した受光側ス
リット２ｏとその像２０１とを、検出方向に相対的に変
調する手段、例えば振動ミラーを、結像レンズ１８と受
光側スリット２０との間に挿入する。

そして、かかる手段によって変調された位置検出信号を
得、その変調周波数に対する同期位相検波を行うことに
よって、位置検出を行うようにする。この場合の検出信
号は、例えば第４図に示すようなＳカーブとなる。

このような方法によると、ウェハＷの位置が、焦点位置
すなわちＺ＝０の位置に対してわずかにずれたとしても
、ｚ＝０となる位置づれ方向をそのＳカーブから知るこ
とができる。すなわち、ウェハＷをいづれの方向に移動
させると焦点位置となるかという方向を、簡易に知るこ
とができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、以上のような位置検出の範囲は、変調さ
れた像２０１が、受光側スリット２０をわずかでも通過
できる範囲に限られ、第４図に図示した±ＺＡの範囲（
いわゆるダイナミックレンジに相当）となる。

例えば、第２図（Ａ）に破線で示すように、ウェハＷの
表面位置がＺ＝Ｏの合焦位置から大きくずれた場合には
、像２０Ｉは、受光側スリット２０の位置から大きく離
れた位置に形成されることとなる。

このような破線位置は、第４図において、位置ｚＢに対
応する。この場合は、全く検出信号を得ることができな
い。このため、焦点位置ずなわちｚ＝０のウェハ移動方
向がどちらにあるかを全く認識することができない。

従って、ウェハＷを適当に上下方向に移動させて、検出
信号を得ることができる位置を求めるというサーチ動作
が必要になる。

このような方法では、ウェハＷが±ＺＡの範囲にあって
直ちに焦点位置方向を認識できる場合と比較して、位置
検出に多大の時間を要し、スルーブツトの点で著しく劣
るという不都合がある。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、広
いダイナミックレンジで速やかに位置検出を行って、位
置補正を良好に高スルーブツトで行うことかできる位置
検出装置を提供することを、その目的とするものである
。

［問題点を解決するための手段コ この発明は、斜め方向からの光ビームの位置検出対象物
体表面による反射光が受光されたときに、第一の光電信
号を出力する第一の受光手段とを育するとともに、この
第一の受光手段は、前記対象物体の位２かあらかじめ定
められた設定位置とほぼ一致したときに、前記反射光を
受光する受光領域を備え、この受光領域に対する前記反
射光の受光位置の変化に基づいて、前記設定位置に対す
る餌記物体表面の相対的位置を検出する位置検出装置に
かかるものであり、前記反射光が前記受光領域からずれ
たときに第二の光電信号を出力する第二の受光手段と、
この第二の光電信号の入力に基づいて、前記設定位置に
対する前記物体表面位置のずれの方向を検出するずれ方
向検出手段とを備えたことを技術的要点とするものであ
る。

［作用］ この発明によれば、対象物体の設定位置に対する位置ず
れの程度が太き（、第一の受光手段に反射光か入射しな
いときても、第二の受光手段に反射光が入射し、第二の
光電信号が得られる。

この第二の光電信号が得られると、ずれ方向検出手段に
よって、対象物体の設定位置に対する位置ずれ方向か検
出される。

対象物体の位置ずれの修正は、この検出されたずれ方向
を考、慮して行われる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しなから詳細
に説明する。なお、上述した従来技術と同線の構成部分
には、同一の符号を用いることとする。第１図は本実施
例による焦点検出装置の全体的な構成を示し、基本的に
は従来のものと同一である。

第５図には、本発明にかかる第一実施例の受光体におけ
る充電変換面の構成例が示されている。

この図において、受光面３０上には、３つの独立して光
信号検出の可能な受光領域３０Ａないし３０Ｃが各々設
けられている。

受光領域３０．４は、中央にスリット状に設けられてお
り、これによって得られる検出信号は、第２図に示した
受光側スリット２０および光電変換素子２２によって得
られる検出信号と全く同様である。

この受光領域３０Ａからの検出信号か、従来通りの位置
検出信号となる。

次に、受光領域３ＯＡの左右に位置する比較的広い面積
の受光領域３０Ｂ、３０Ｃは、位置検出のタイナミック
レンジを広げるための検出信号を得るためのものである
。これらの受光領域３０Ｂ、３０Ｃは、光信号の入射の
有無のみを検出するものである。

以上のような受光面３０を有する受光体３２は、英１図
に示すように、ウェハＷによって正規反射ないし散乱さ
れた光信号（以下では単に反射光とする）の受光１１１
ｊに、振動ミラー３４を介して酉装置ざｎている。

次に、第６図を参照しながら、検出信号処理装置の一例
について説明する。

第６図において、上述した受光領域３０Ａの出力側は、
アンプ３６を介して同期検波回路３８の入力端に接続さ
れている。この同期検波回路３８には、第１図の振動ミ
ラー３４の振動の基準信号が入力されている。

次に、かかる同期検波回路３８の出力側は、一方におい
て、コンパレータ４０の入力端に＋ｌ　ＩＩされており
、他方において、選択スイッチ４２の入力（！！！Ｉに
接続されている。コンパレータ４０の出力１１１は、コ
ンピュータ４４０入力端に接続されており、その出力側
は、上述した選択スイッチ４２に接読されている。

かかる選択スイッチ４２の出力側は、サーボアンプ４６
のプラス入力端に接続されて、おり、そのマイナス入力
端はアースされている。

サーボアンプ４６の出力側は、ウェハＷが＠冒されてい
るＺステージ４８（第１図参照）をＺ方向に駆動する駆
動モータ５０に接続されている。

他方、受光領域３０Ｂ、３０Ｃの出力側は、各々アンプ
５２．５４を介して、フィルタ５６゜５８の入力端に接
読されている。これらフィルタ５６．５８の出力側は、
各々引算器６０の入力側に接続されており、この引算器
６０の出力側は、コンパレータを介して、上述したコン
ピュータ４４に接続されている。

次に、上記第一実施例の作用動作について、第７図のフ
ローチャートを参照しながら説明する。

まず、ウェハＷからの反射光が良好に受光体３２の受光
領域３０Ａに入射している場合について説明する。

この場合には、受光領域３０Ａから検出信号が出力され
る。このため、同期検波回路３８の出力であるＡＦ信号
ＳＳ、又は２倍周波数の同期検波信号が、コンパレータ
４０の比較入力よりも大きくなり、コンパレータ４０の
出力信号Ｓ１は、論理値の「Ｈ」となる。この信号Ｓ１
がコンピュータ４４に入力され、ここでサーボ制御可能
範囲か否かが判断される（第７図ステップ１００参照）
。

ここでサーボ制御可能であると判断されると、コンピュ
ータ４４から切替信号Ｓ３が選択スイッチ４２に入力さ
れ、ＡＦ信号ＳＳが直接サーボアンプ４６に入力されて
、駆動モータ５０によるＺステージ４８のサーボ制御が
行われる（ステップ１０２参照）。

そして、ＡＦ信号ＳＳが、ほぼ；となったか否かが判断
され（ステップ１０４参照）、零となったときには、駆
動モータ５０が停止されて（ステップ１０６参照）、制
御動作が終了する。

以上の動作は、第２図に示したものと同様である。

次に、例えば第２図に破線で示したように、ウェハＷが
合焦位晋ＣＺ＝Ｏ＞から太きくずれている場合について
説明する。

この場合、従来の装置では、第４図を参照して説明した
ように、全く検出信号を得ることができない。

上述した受光体３２の受光領域３０Ａには、光信号（ウ
ェハＷからの反射光）が入射しないため、コンパレータ
４０の出力Ｓ１は、論理値の「Ｌ」となる。このため、
コンピュータ４４によってサーボ制御が不可能であると
判断される（ステップ１００参照）。

他方、受光領域３０Ｃには光信号が入射するため、検出
信号が得られる。この信号は、アンプ５４で増幅され、
フィルタ５８で必要な周波数成分が取り出されたのち、
検出信号１ｒとして引算器６０に入力される。

他方、この受光領域３０Ｃと反対側の受光領域３０Ｂに
は、光信号が入射しないため、検出信号は得られない。

このため、例えば負の信号が引算器６０からコンパレー
タ６２に入力される。コンパレータ６２では、かかる入
力信号と、所定の基準信号とが比較され、論理値の「Ｌ
」の信号Ｓ２がコンピュータ４４に出力される。

コンピュータ４４では、信号Ｓ２の入力によって、ウェ
ハＷに位置づれが生じているものと判断される（ステッ
プ１０８参照）。

また、コンピュータ４４では、かかる信号Ｓ２の論理値
に基いて、光信号が受光面３０の受光領域３０Ｃ側、す
なわち第５図の右側に入射していることが認識される。

そして、以上のような判断に基き、コンピュータ４４か
ら切替４３号Ｓ３が選択スイッチ４２に入力されて接続
の切替か行われ１、コンピュータ４４がサーボアンプ４
６に接続される。これによって、制御信号Ｓ４がサーボ
アンプ４６に入力され、Ｚステージ４８の駆動が行われ
る（ステップ１１０参照）。

この２ステージ４８の駆動の方向は、受光領域３０Ｃに
入射している光信号が受光領域３０Ａに入射する方向、
すなわち位置づれを修正する方向であり、上述した信号
Ｓ２の論理値によって定められる。

以上の制御か行われると、ウェハＷからの反射光は、や
がて中央の受光頑ｊ或３０Ａに入射するようになる。上
述したように、受光ｖＢ域３０Ａに光信号が入射するよ
うになると、ＡＦ信号ＳＳによって直接サーボ制御を行
うことができる。

このため、信号Ｓｔが入力されてサーボ制御が可能か否
かがコンピュータ４４で判断され（ステップ１１２参照
）、可能と判断されたときには、切替信号Ｓ３が彦根ス
イッチ４２に出力されて、上述したＡＦ信号ＳＳによる
サーボ制御に移行する（ステップ１１２，１０２．１０
４゜１０６参照）。

なお、上述した特開昭５６−４２２０５号公報に開示さ
れているように、受光体３２の受光面３０における像は
、振動ミラー３４の振動によって微小に振動しているが
、受光領域３０Ｂ、３０Ｃは、光信号の入射の有無のみ
を検出しているので、その振動による景三響はない。

以上にように、この第一実施例によれは、受光領域３０
Ｂ、３０Ｃを設けることによって、位蓋検出光学系のケ
ラレ等によって光信号か受光面３０に到達しなくなると
ころまでダイナミンクレンジを拡げることが可能となる
。具体的には、ウェハＷの厚さのバラツキや、Ｚステー
ジ４８の移動ストロークをもカバーする公さのダイナミ
ックレンジを得ることか可能となる。

次に、第８図を参照しながら、この発明の第三実施例に
ついて説明する。

上述した第一実施例では、受光体３２の受光面３０を分
割しているが、この第三実施例は、各受光領域間に、適
宜の間隔を設けたものである。

第８図において、第１図の受光面３０に対応する受光面
７０には、中央に、受光領域７０Ａが設けられており、
その左右には、所定の間隔ＤＡをおいて、受光領域７０
Ｂ、７０Ｃが各々設けられている。

受光領域７０Ａによる光信号の入射時の検出信号の変化
は、同図ＣＢ）に示すようにウェハＷの位置変化に対し
てＳカーブとなり、ダイナミックレンジはＭＡで示す範
囲となる。

また、受光領域７０Ｂ、７０Ｃから出力される検出信号
出力は、同図（Ｃ）に示すように、つエバＷの位置変化
に対して、グラフＭＢ、ＭＣで各々示すようになり、ウ
ェハＷないしＺステージ４８の位置制御の方向を検出で
きる範囲は、ＭＤ、？ＪＥの範囲である。

上述した間’Ａ　Ｄ　Ａは、同図（Ｂ）のダイナミック
レンジＭＡと、同図（Ｃ）の制御方向検出範囲ＭＤ、Ｍ
Ｅとか不連続とならないように設定される。

この第二実施例によれば、受光領域７０Ａと受光領域７
０Ｂ、７０Ｃとの間に、間隔ＤＡを各々設けることとし
たので、例えば、これらの受光領域７ＯＡないし７０Ｃ
として光学的フィルタ（開口等）を使用し、これに入射
してくるウェハＷからの反射光の透最側に光電変換素子
を貼付けることが可ｎ旨となる。

次に、第９図を参照しながら、この発明の第三実施例に
ついて説明する。

この第三実施例では、上述した第二実施例と比較して、
受光領域間；二重に大きな間隔を取ることが出来るよう
にしたものである。

第９図（Ａ）において、受光面７２の中央の位置検出用
の受光領域７２Ａと、位置づれ方向検出用の受光領域７
２＝Ｂ、７２Ｃとの間には、第８図（Ａ）に示す間隔Ｄ
Ａよりも大きな間隔ＤＢが設けられている。

また、受光領域７２Ｂ、７２Ｃの上下端部（ＩＩＩを、
受光領域７２Ａの上下端部側の方向にオーバーハングさ
せた構成となっている。

受光領域７２Ａの長さは、送光側スリット１４（第１図
参照）の長さより相対的に短かくされており、受光領域
７２Ａに入射する光信号の一部か受光領域７２Ｂ、７２
Ｃにも入射するようになっている。

同図（Ｂ）は、受光領域７２Ａにおける位置検出のため
のＳカーブであり、同図（Ｃ）　ｊ、ｆ、受光領域７２
Ｂ、７２Ｃからの検出信号ＮＡ、ＮＢを各々示すもので
ある。

更に、同図（Ｄ）は、同図（Ｃ）に示す検出信号ＮＡ、
ＮＢの差に該当する位置つれ方向検出信号である。この
信号は、第６図の引算器６０から出力されるものである
。

なお、受光領域７２Ｂ、７２Ｃの受光領域７２Ａに対す
るオーバーハング量は、同図（Ｃ）に示すように、受光
領域７２Ｂ、７２Ｃの出力検出信号ＮＡ、ＮＢの立上り
部分が設定位置、すなわちほぼ焦点位置（２＝０）近傍
で交差するように設定する必要がある。この実施例では
、受光領域７２Ａの中心線上まで、受光領域７２Ｂ。

７２Ｃをオーバーハングさせている。

次に、第１０図を参照しながら、この発明の第四実施例
について説明する。

この第四実施例は、第９図で示した第三実施例に対し、
市販されている矩形の光電変換素子を用いることができ
るようにしたものである。

第１０図において、受光面７４は光学的フィルタを形成
しており、スリット７４Ａと開口部７４Ｂ、７４Ｃ，７
４Ｄ、７４Ｅから成っている。

開口部７４Ｂ、７４Ｃ，７４Ｄ、７４Ｅの透過側には、
同図に破線で示すように、光電変換素子が各々貼付され
ている。

これらのうち１、開口部７４Ｂ、７４Ｃを各々透過した
反射光による光電変換素子の出力の加算が、第９区（Ｃ
）の検出信号ＮＡに該当する。

また、開口部７４Ｄ、７４Ｅを各々透過した反射光によ
る充電変換素子の出力の加算が、第９図（Ｃ）の検出信
号ＮＢに該当する。

次に、７ＪＪ１１図を参照しながら、この発明の第五実
施例について説明する。

この実施例は、上述した第一実施例における位置づれ方
向検出用の受光領域を、位置検出用の受光領域に対して
、いづれが一方のみに設けたものである。

第１１図において、受光面７６の中央には、受光領域７
６Ａが設けられており、その右側には、受光領域７６Ｂ
か設けられている。

この実施例のように、位置つれ方向検出用の受光領域を
片側にのみ設けた場合には、受光領域７６Ｂから信号出
力か得られる場合と、得られない場合とを比較して、受
光面７６上における反射光の位置、ないしはウェハＷの
Ｚ方向の位置つれ方向を知ることができる。

以上説明したように、この発明の実施例によれば、測定
対象の位置づれ方向を容易に知ることができ、位置検出
を速やかに行うことができる。

この発明を、平面度の悪いウェハや、厚さバラツキの大
といウェハ等のような被測定部の位置度。

勅が大きい場合に適用すると、特に有効である。

なお、本発明は何ら上記実施例に限定されるものではな
く、例えば第五実施例のように受光領域を配置する方式
は、第一実施例に限らず、その他の実施例にも適用可能
である。

また、受光領域を透過した光信号を、適宜の光学手段、
例えば集光レンズ、光ファイバ等を用いて集光あるいは
導光し、異った位置の異った形状の光電変換素子によっ
て、検出信号を得るようにしてもよい。

また、上記第６図の信号処理回路では、同期検波回路か
ら出力される信号（ＡＦ信号ＳＳ）の大きさに基いて、
サーボ制御可能かどうかを判断しているが、実際の装置
では、第１２図に示す方法でサーボ範囲を判断するよう
にしている。第１２図において、（Ａ）は第４図に示し
たＳカーブである。これは、受光領域からの検出信号を
、振動ミラーの振動周波数で同期検波したものである。

ところで、かかる同期検波を、該を辰動周波数の２倍の
周波数で行うと、同図（Ｂ）に示すような位置づれのな
い状態でビークとなる信号波形を得ることがでとる。サ
ーボ制御可能範囲か否かは、かかる信号を適当なレベル
でスライス（２値化）することによって、同図（Ｃ）に
示すように容易に得ることができる。そして、この２値
化された信号か「Ｈ」レベルのときは、Ｓカーブ信号（
ＡＦ信号ＳＳ）を参照してサーボ動作に切りかえられる
。

［発明の効果〕 以上のようにこの発明によれは、位置検出用の受光手段
の近辺に、他の受光手段を配置して、位置検出対象物体
からの光信号を検出することとしたので、位置検出のダ
イナミックレンジが拡大されて対象物体の位置づれ方向
を良好に検出できるようになり、光信号のサーチ動作が
不要となって、検出時間の短縮を図ることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第一実施例を示す構成図、第２図は
従来装置の位置例を示す構成図、第３図および第４図は
第２図の装置の動作を説明する線図、第５図は第一実施
例の主要部分を示す平面図、第６図は第一実施例の信号
処理装置を示す回路ブロック図、第７図は第一実施例の
動作を示すフローチャート、第８図ないし第１２図はこ
の発明の他の実施例を示す説明図である。 ［主要部分の符号の説明コ ３０．７０，７２，７４．７６・・・受光面、３０Ａな
いし３０Ｃ，７ＯＡないし７０Ｃ９７２Ａないし７２Ｃ
，７４Ａないし７４Ｃ９７６Ａないし７６Ｂ・・・受光
領域、３４・・・振動ミラー、３８・・・同期検波回路
、４０．６２・・・コンパレータ、４４・・・コンピュ
ータ、４６・・・サーボアンプ、４８・・・Ｚステージ
、Ｗ・・・ウェハ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ほぼ平坦な表面を有する位置検出対象物体に斜め
   方向から光ビームを照射する照明手段と、前記物体から
   の反射光が受光されたときに、第一の光電信号を出力す
   る第一の受光手段とを有するとともに、 該第一の受光手段は、前記対象物体の位置があらかじめ
   定められた設定位置とほぼ一致したときに、前記反射光
   を受光する受光領域を備え、該受光領域に対する前記反
   射光の受光位置の変化に基づいて、前記設定位置に対す
   る前記物体表面の相対的位置を検出する位置検出装置に
   おいて前記反射光が前記受光領域からずれたときに第二
   の光電信号を出力する第二の受光手段と、該第二の光電
   信号の入力に基づいて、前記設定位置に対する前記物体
   表面位置のずれの方向を検出するずれ方向検出手段とを
   備えたことを特徴とする位置検出装置。
2. （２）前記第二の受光手段は、前記受光領域の両脇に、
   第一及第二の受光領域を各々有し、 前記ずれ方向検出手段は、該第一及第二の受光領域から
   各々得られる光電信号の差を演算する引算手段を有する
   特許請求の範囲第１項記載の位置検出装置。
3. （３）前記反射光は、前記物体表面上でスリット状の断
   面を有する結像光束であり、 前記第一の受光手段の受光領域は、該反射光の断面に対
   応する形状に合わせてスリット状に形成され、 前記第一及第二の受光領域は、該第一の受光手段の受光
   領域の長手方向と直交する方向に該受光領域を挟んで配
   置され、 前記第二の受光手段は、前記反射光が前記第一の受光手
   段の受光領域に入射しているときに、該反射光の一部を
   受光し得る第三の受光領域を有する特許請求の範囲第１
   項記載の位置検出装置。