JPS6358826A - 位置検出方法 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、２つの部材の相対的な位置を検出する方法に
係わり、特に音響光学偏向素子を用いた位置検出方法に
関する。

（従来の技術） 撮動型位置検出方法は、光電顕微鏡等に用いられており
、高い検出感度を有することから今日では半導体製造装
置等、各擾の自動位置決め装置の位置検出法として使用
されるようになっている。

振動型位置検出方法の原理を光電類ｍａに使用したとき
の例を用いて簡単に説明する。その基本構成は第１２図
に示す通りであり、図中８１は光源、８２は集束レンズ
、８３はハーフミラ−１８４は対物レンズ、８５はマー
ク８６が形成された被検査物、８７はスリット板、８８
は光電変換器、８９はプリアンプ、９０は同期検波回路
、９１は発娠器、９２は振動子、９３は指示メータを示
している。撮動機構にはスリット板８７を撮動させる振
動子９２を使用しており、光電変換器８８の出力信号は
スリット板８７が振動しているのでマーク位置によりそ
の信号波形は異なる。信号波形の変位ａＷをマークの位
置Ｘに対して示すと、第１３図（ａ）〜（ｉ）のように
なる。第１３図から判るように、信号波形は振動周波数
と等しい周波数の同期信号となるので、マークの位置が
スリットの撮動中心位置に一致するとき、即ち（ｅ）点
では２倍の周波数の信号となり、基本周波数成分はゼロ
となる。撮動型光電顕微鏡はこの位置を電気的に検出す
るものである。また、マークの位置Ｘの変化に対して、
基本周波数成分ａＷがどのように変化するかを示したの
が右図である。この基本周波数成分の変化のし方（出力
特性曲線）は、マーク幅、スリット幅及び撮動振幅等に
よって変化するが、マーク位置がスリット振動中心に一
致した（ｅ）点ではゼロでその前後で符号が逆転するの
で、ゼロメータによる検出やサーボ系の駆動には適して
いる。なお、光電変換器８８の出力信号の中から基本周
波数成分のみを取出し、２倍周波数成分を消去してしま
うことは、同期検波回路９０にて容易に実現される。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、２つの部材の相対位置はマーク位置と
撮動しているスリットの中心位置とのずれとして測定さ
れるため、スリットの撮動中心位置は高い精度で安定し
なくてはならない。

ところが、スリットの振動は機械的な撮動であり、熱ド
リフト等の影響を受は易く、長い時間に１って安定させ
ることは難しい。このため、特に１［μ７７Ｌ］以下の
高い精度で位置を検出する場合、この撮動中心位置の安
定性が問題となる。ざらに、近年の半導体素子のパター
ンの微細化に伴い、半導体製造装置に適用される位置合
わせに対しては、サブミクロンオーダの高い検出精度が
要求されるようになっている。従って、上記撮動型位置
検出方法を用いて位置合わせを行う場合においては、振
動中心位置の安定性が重大な問題となっていた。

一方、振動型位置検出方法に代る他の方法として、マス
ク・ウェハのアライメントに用いる差動スリット型位置
検出方法が知られている。この方法では、マスク及びウ
ェハにそれぞれ一対のマークを設けておき、反射ミラー
の角度を周期的に変化させてマスクに設けた一対のマー
クを交互に照明し、マスク→ウェハ→マスクの順に通過
した光を同一の光電変換器で検出し、この検出信号を上
記光の交互照明に同期して検波することにより、マスク
・ウェハの相対位置を検出することができる。

しかしながら、この方法にあっても、スリットを撮動さ
せる代りにミラーの角度を周期的に変化させて光ビーム
を撮動させるので、ミラーを機械的に撮動させると云う
点で、スリット撮動の場合と本質的に同じ問題が生じて
いた。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来方法では、光ビームと第１及び第２の部
材等とを相対的に振動させるのに機械的な撮動手段を用
いているので、撮動の安定性に難点があり、さらに振動
中心を長期に亙って安定させることは極めて困難である
。このため、サブミクロンオーダの高い検出精度を安定
して嵜ることは困難であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、電気的に光を撮動（往ｔｉｌｌ向）さ
せることにより、機械的な振動に起因する撮動の不安定
性や撮動中心位置のずれ等を防止することができ、位置
検出精度の向上をはかり得る位置検出方法を提供するこ
とにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、音響光学効果を利用して光の方向を変
える素子である音響光学偏向素子を用い、機械的な振動
を与えることなく光の方向を周期的に振動させることに
ある。

即ち本発明は、第１の部材に設けられた第１のマーク部
を照明し、該第１のマーク部から得られる光ビームを第
２のマーク部が設けられた第２の部材に照射し、該第２
の部材から得られる光ビームを光電変換器で検出すると
共に、上記光ビームと上記第１及び第２の部材の少なく
とも一方とを相対的に振動せしめ、この振動に同期して
上記光電変換器の検出出力を検波することにより、第１
及び第２の部材の相対的な位置ずれ（至）を求める位置
検出方法において、前記光ビームと前記第１及び第２の
部材の少なくとも一方とを相対的に振動させる手段とし
て、光の音響光学効果を利用した音響光学偏向素子を用
い、光ビームを一定周期で往復偏向するようにした方法
である。

（作用） 上記方法であれば、機械的に撮動する部品を用いること
なく、音響光学偏向素子により光ビームを電気的に往ｔ
［向しているので、常に安定した撮動を得ることができ
、ざらに撮動中心位置を長期的に安定させることができ
る。従って、振動の不安定や撮動中心位置のずれ等に起
因する位置検出精度の低下を防止することが可能となり
、サブミクロンオーダの位置検出にも十分対処すること
ができる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例方法に使用した位置検出装置
を示す概略構成図である。図中１１はレーザ光源であり
、この光源から放射された光ビームは、スリット（第１
のマーク）１２ａが設けられたスリット板（第１の部材
）１２を介して音響光学偏向素子（以下ＡＯＤ素子と略
記する）１３に照射される。ＡＯＤ素子１３は、ＡＯＤ
ドライバ１４により与えられる高周波信号に応じて光ビ
ームを偏向するものである。ＡＯＤドライバ１４は、発
条器１５の発振周波数に応じて所定の高周波電圧を発生
すると共に、後述する如く光ビームの偏向角度に応じて
ＡＯＤ素子１３に印加する電圧レベルを可変するものと
なっている。

ＡＯＤ素子１３により往復偏向された光ビームは、集束
レンズ１６．ハーフミラ−１７及び対物レンズ１８を介
して、第２の部材としての試料〈被検査部物）１９上に
照射される。試料１９上には位置検出用マーク（第２の
マーク）２０が形成されており、試料１９で反射した光
ビームは対物レンズ１８及びハーフミラ−１７を介して
光電変換器２１で受光される。光電変換器２１は、上記
受光した光の強度を検出するものであり、この検出出力
はプリアンプ２２を介して同期検波回路２３に供給され
る。同期検波回路２３は、前記発条器１５の発振周波数
と同期（前記光ビームの偏向周期と同期）して上記入力
した信号を検波するものであり、試料１９の位置ずれ量
に応じた信号を出力する。そして、同期検波回路２３の
出力信号が指示メータ２４に表示されるものとなってい
る。

上記構成のＨ置では、レーザ光源１１がらのレーザ光で
照明されたスリット板１２のスリット像は、ＡＯＤ素子
１３．集光レンズ１６．ハーフミラ−１７及び対物レン
ズ１８を通って試料１９上に結像される。試料１９から
の反射光は、対物レンズ１８及びハーフミラ−１７を通
って光電変換器２１で検出される。このとき、試料面上
にはマーク２０が形成されているため、スリット会とマ
ーク２０との重なり具合、即ちスリット板１２と試料１
９との相対位置に応じて反射光量が変化する。

一方、ＡＯＤ素子１３は出射する光の方向を変化させる
動きを持つため、発搬器１５からの周期的な信号をＡＯ
Ｄドライバ１４に与えると、出てくる光の方向が周期的
に変化し、試料面上では位置検出方向にスリット像が周
期的に移動する。従って、光電変換器２１で得られる検
出信号は、従来例で示した前記第１３図に示した関係と
同じとなり、光電変換器２１の出力信号の中から同期検
波信号処理によって基本周波数成分のみを取出すことに
よって、高精度にスリット板１２と試料１９との相対位
置を検出することができる。

ここで、本実流側方法で注目すべき点は、従来撮動させ
る機構として機械的なｉ＠Ｕ　Ｒ構を用いているのに対
し、ＡＯＤ素子と云う機械的な振動のない撮動機構を用
いていることである。

このＡＯＤ素子の原理について、第２図を参照して簡単
に説明しておく。ＡＯＤ素子は音響光学効果を利用して
光の方向を変える素子である。この音響光学効果とは、
超音波によって物質中に屈折率の周期的変動が生じ、こ
れが光の回折格子となってそこを通る光の進行方向を変
化させる現象である。つまり、第２図において、角度θ
Ｏで入射した波長λＯの光は超音波トランスジューサを
通ると６１の角度で回折する。この回折角θ１は、超音
波の周波数ｆの関数となり、路次の線形関係が成立つ。

θ１−に−ｆ 但し、ｋは光の波長と素子材料で決まる定数である。従
って、この周波数ｆをｆｌからｆ２まで周期的に変化（
周波数変調）させることによって、出射する１次回折光
の方向を周期的に変化させることができる。

ここで、振動の入力として与えるのは電気的な信号であ
り、１械的な撮動は加わらない。この電気的な信号を安
定化することは比較的容易であり、振動中心を高い精度
で安定させることが可能となる。また、超音波で発生す
る撮動は無視できる程小さく、たとえあっても周波数が
〜８０［ＭＨｚ］と非常に高いため、他に与える影響は
極めて小さい。

一方、ＡＯＤ素子を用いた時の注意すべき点として、ビ
ーム偏向角に応じて光強度が変化することが上げられる
。第３図に示すように、超音波の周波数、即ち偏向角に
対してＡＯＤ素子の回折効率は一定とはならず変化して
しまう。従って、−例として第４図（ａ）に示すように
偏向角を矩形波で周期的に変化させると、回折光強度は
同図（ｂ）に示すように変化してしまう。本発明に係わ
る賑狗型位置検出法では、光の強度変化を検出して位置
情報を得ているので、このような位置情報に無関係な強
度変化は位置検出誤着を引き起こす。

そこで本実施例では、周期的な偏向に同期させて強度変
ｍ１（ｆｉｚ幅変調）を行い、この点を解決している。

つまり、ＡＯＤ素子は光の進行方向（偏向）だけでなく
、回折効率を変化させることによって光の強度も変化さ
せることができる。第５図は回折効率を決定する入力電
圧ＶＯと回折効率との関係を示すものであり、単調な関
数関係となっている。そこで、第６図（ａ）に示すよう
な偏向角の振動の周期に同期させて、同図（ｂ）に示す
如く入力電圧ＶＯを周期的に変化させると、同図（Ｃ）
に示す如く最終的な回折効率を略一定にすることができ
る。つまり、光量の偏向角度依存性の問題を解決するこ
とができる。

なお、上記のように光ビームの偏向角を矩形波で周期的
に変化させるには、ＡＯＤ素子１３に印加する高周波を
２種の周波数ｆｉ、ｆ２で交互に変化させればよい。さ
らに、上記のように回折効率を一定にするには、上記周
波数ｆ１．ｆ２における島周波信号の各条幅に適当な差
を持たせればよい。

か（して本実施例方法によれば、振動発生機構としてＡ
ＯＤ素子１３を用いることにより、機械的な振動を発生
させずに光ビームの移動が可能となり、高い精度で撮動
中心を安定することが可能となる。このため、従来安定
化が困難であった振動中心位置を高い精度で安定化する
ことができ、これにより位置検出精度の大幅な向上をは
かり得る。また、超音波を用いて光ビームの方向を直接
振動させるため、高い周波数の振動を与えることができ
、その結果位置検出の応答速度を速めることができる。

さらに、振動波形も正弦波だけでなく矩形波等の任意の
波形が可能となり、位置検出感度を高めることができる
等信号処理上の効果も大きい。従って、半導体製造装置
等の高精度位置決め装置の位置検出方法として極めて有
効であり、ウェハのアライメント等に適用して絶大なる
効果を発揮する。

第７図は本発明の他の実施例方法に使用した位置検出装
置を示す概略構成図である。なお、第１図と同一部分に
は同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。この
実施例は、本発明をマスク・ウェハのアライメント等を
行う差動スリット型振動検出に適用した例である。

図中３１は第１の部材としてのマスク、３２は縮小投影
レンズ、３３は第２の部材としてのウェハ、３４は移動
テーブルである。アライメント信号検出系は第１図の装
置と同様に、レーザ光源１１、ＡＯＤ素子１３．ＡＯＤ
ドライバ１４９発振器１５．ハーフミラ−１７２反射ミ
ラー１７′。

光電変換器２１．プリアンプ２２及び同期検波回路２３
等から構成されている。なお、図には示さないが、マス
ク３１の上方には露光用の光源が配置されている。

マスク３１の下面には位置検出用の一対のマーク３５が
形成され、ウェハ３３の上面には位置検出用の一対のマ
ーク３６が形成されている。マスクマーク３５は、第８
図（ａ）に示す如く一対の長方形パターンを、その長手
方向と直交する方向に距ｔＭ２１だけ離して形成されて
いる。ウェハマーり３６も同様に、第８図（１））に示
す如く一対の長方形パターンを距１１λ２　（２２−！
＝ＦＣ２）だけ離して形成されている。

上記構成において、レーザ光源１１から出射された光ビ
ームはＡＯＤ素子１３及びミラー１７゜１７′を通して
マスクマーク３５に照射される。

ここで、ＡＯＤ素、子１３によるビーム偏向量を適当に
定めておき、マスクマーク３５を交互に照明する。マー
ク３５を通過した光ビームは投影レンズ３２を介してウ
ェハ３３上に照射され、ウェハ３３からの反射光が投影
レンズ３２．マスク３１及びハーフミラ−１７を介して
光電変換器２１で受光される。光電変換器２１の検出信
号は同期検波回路２３により、前記交互照射に同期して
検波される。

ここで、マスクマーク３５の一方（Ａ領域）を照明した
ときと他方（Ｂ領域）を照明したときの光電変換器２１
で得られる光量の位置ずれに対する出力特性は第９図＜
ａ）に示す如くなる。つまり、Ａ領域とＢ領域の出力最
大くビーク）位置が異なり、交わった点Ｐａで２つの光
量がバランスする。そこで、レーザ照射光の光路の途中
にＡＯＤ素子１３を設置し、ＡＯＤドライバ１４により
所定の高周波信号を印加すると照射ビームの方向は周期
的に変化し、Ａ領域、Ｂ領域を交互に照明することにな
る。このため、出力信号のＡ　Ｃ成分のみを考えると、
第９図（ａ）の実線と破線との差が最大のときに最大と
なり、バランス位置Ｐａではゼロとなる。従って、同期
検波を行った結果の出力特性は第９図（ｂ）に示す曲線
となり、２曲線が交わるバランス位［Ｐｏで位置合わせ
を行うと、ゼロ点サーボが可能で直線性の良い理想的な
位置合わせが可能となる。しかも、機械的な撮動を与え
ずにこのような同期検波型の位置検出が可能となるため
、ドリフト等の影響を受は難く、高精度な位置検出が可
能となる。

ところで、上記ＡＯＤ素子１３は先の実施例でも説明し
たように、ビーム―向角を変化させると回折効率が一定
とはならず、偏向角に依存して変化してしまう。例えば
、ＡＧＱＬｉｉとＢＧＱ域とを±５［ｍｒａｄ　］の偏
向角で交互に照明すると、回折効率はそれぞれ７５［％
］と８５［％］となり、第９図（ａ）の出力特性は第１
０図（ａ）のようになる。その結果、交わる点Ｐ１は本
来交わるべき位置Ｐａからδだけずれてしまう。従って
、第１０図（ｂ）に示す如（同期検波出力のゼロ点もδ
だけずれてしまうため、ずれた位置で位置合わせされる
。このような位置合わせのずれは、半導体製造装置等に
おいては、直接位置合わせ精度に影響するため大きな問
題となる。

そこで本実施例では、ＡＯＤ素子１３に与える入力電圧
のレベルを偏向角に応じて可変することにより、偏向角
に依らず回折効率が一定となるようにしている。即ち、
先の実施例と同様に、前記第６図（ａ）に示す如き偏向
角の周期的な制御信号に同期させて、同図（ｂ）に示す
如く入力電圧を変化させる。つまり、８９ｉ域を照明す
る時よりもＡ領域を照明するとき時の方で、ＡＯＤ素子
の入力電圧ＶＯを高くする。この制御を旨く行えば、偏
向角の違いによる光量変化を相殺することができ、前記
第６図（Ｃ）に示す如く光量を常に一定にすることがで
きる。その結果、位置ずれに対する光量特性をＡ領域、
Ｂ領域共に等しくすることができ、位置ずれ検出誤差の
ない検出特性が得られる。即ち、偏向角に依存する光量
変化を見掛は上なくすことにより、位置検出用照明光の
光量を一定にすることができ、照明光の光量変化に起因
する位置検出誤差の問題を解決できる。

かくして本実施例方法によれば、ＡＯＤ素子１３を用い
ることにより、機械的な振動を発生させることなく光ビ
ームを撮動（マスク３１の一対のマーク３５に交互に照
射）させることができ、さらにビーム偏向角に応じてＡ
ＯＤ素子１３の入力電圧を可変しているので、ビーム偏
向角に依らず常に一定の照明光量を得ることができる。

従って、先の実施例と同様の効果を得ることができ、マ
スク・ウェハのアライメントを高精度に行うことができ
る。

なお、本発明は上述した各実施例方法に限定されるもの
ではない。例えば、前記第１図に示す実施例においては
スリット板に光ビームを照射し、スリット板を通過した
光ビームを音響光学偏向素子により偏向して被検査物に
導いたが、被検査物に光ビームを照射しその反射光を音
響光学偏向素子により偏向してスリット板に導くように
してもよい。この場合、被検査物が第１の部材となり、
スリット板が第２の部材となる。また、音響光学偏向素
子の２つの回折角を選択することにより、該素子の入力
電圧の制御が不要となる。

また、第７図に示す実施例において前記マスクパターン
の形状は長方形パターンに限るものではなく、第１１図
（ａ）（ｂ）に示す如く回折格子状パターンであっても
よい。さらに、変形例として次に述べる方法も考えられ
る。位置合わせされるマスクとウェハの位置は本来マス
クパターンが正確に重ね合わされて転写されるべき位置
でなくてはならない。ところが、位置検出用の光学系と
転写用の光学系とを完全に一致させることができないた
め、上記位置はオフセットと呼ばれる僅かなずれを生じ
る。このオオフセットを補正する目的で上述した位置合
わせを行うことができる。つまり、前述した方法とは逆
に意識的に照明光量を変化させることも容易にできるた
め、検出系の位置ずれゼロの点をずらすことができる。

この点を利用して、上記オフセット分をキャンセルし、
見掛は上オフセットを無くすことができるのである。

要するに本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、音響光学偏向素子
を用いることにより、機械的な撮動を与えることなく、
光の方向を周期的に振動させることができる。このため
、従来安定化が困難であった振動中心位置を高い精度で
安定化することが可能となり、位置検出精度の向上をは
かり得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法に使用した位置検出装置
を示す概略構成図、第２図は音響光学偏向素子の原理を
説明するための模式図、第３図は音響光学偏向素子の偏
向角に対する回折効率の変化を示す特性図、第４図は音
響光学偏向素子の入力波形と回折効率との関係を示す信
号波形図、第５図は音響光学偏向素子の入力電圧に対す
る回折効率の変化を示す特性図、第６図は音響光学偏向
素子の入力波形、入力電圧と回折効率との関係を示す信
号波形図、第７図は本発明の他の実施例方法に使用した
位置検出装置を示す概略構成図、第８図はマスクマーク
及びウェハマークのパターンを示す図、第９図は位置ず
れ量に対する検出光量及び同期検波出力の変化を示す特
性図、第１０図は音響光学偏向素子の回折効率が変化し
たときの位置ずれ量に対する検出光量及び同期検波出力
の変化を示す特性図、第１１図は変形例を示すものでマ
ークパターンを示す平面図、第１２図は従来の撮動型位
置検出装置を示す概略構成図、第１３図は撮動型位置検
出の原理を説明するための模式１１・・・レーザ光源、
１２・・・スリット板（第１の部材）、１２ａ・・・ス
リット（第１のマーク）、１３・・・音響光学偏向素子
、１４・・・ＡＯＤドライバ、１５・・・発振器、１９
・・・試料（第２の部材）、２０・・・マーク（第２の
マーク）、２１・・・光電変換器、２３・・・同期検波
回路、３１・・・マスク（第１の部材）、３２・・・投
影レンズ、３３・・・ウェハ（第２の部材）、３５・・
・マスクマーク（第１のマーク）、３６・・・ウェハマ
ーク（第２のマーク）。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 −３）士物婬回 回′！５女斗（＝保烟郵） Ｑ５２ 呻−回本５件 偏向角（ｍｒａｄ） 光量 同期検波出力 同期検波出力 第１０因

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の部材に設けられた第１のマーク部を照明し
   、該第１のマーク部から得られる光ビームを第２のマー
   ク部が設けられた第２の部材に照射し、該第２の部材か
   ら得られる光ビームを光電変換器で検出すると共に、上
   記光ビームと上記第１及び第２の部材の少なくとも一方
   とを相対的に振動せしめ、この振動に同期して上記光電
   変換器の検出出力を検波することにより、第１及び第２
   の部材の相対的な位置ずれ量を求める位置検出方法にお
   いて、前記光ビームと前記第１及び第２の部材の少なく
   とも一方とを相対的に振動させる手段として、光の音響
   光学効果を利用した音響光学偏向素子を用い、前記光ビ
   ームを一定周期で往復偏向することを特徴とする位置検
   出方法。
2. （２）前記音響光学偏向素子により前記光ビームを偏向
   する際に、該素子を介して得られる光ビームの強度がビ
   ーム偏向方向と無関係に一定となるように、ビーム偏向
   方向の周期的な変化に同期して、上記音響光学偏向素子
   に与える入力電圧を可変することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の位置検出方法。
3. （３）前記第１及び第２の部材の一方はスリット板で、
   他方は被検査物であり、前記音響光学偏向素子は上記ス
   リット板と被検査物との間に配置されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の位置検出方法
   。
4. （４）前記第１のマーク部は所定の距離ｆ＿１だけ隔て
   た一対の長方形パターン或いは回折格子状パターンで形
   成され、且つ前記第２のマーク部は所定の距離ｌ＿２だ
   け隔てた一対の長方形パターン或いは回折格子状パター
   ンで形成されており、前記光ビームは前記音響光学偏向
   素子により上記第１のマーク部の各パターンに交互に照
   射されることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第
   ２項記載の位置検出方法。
5. （５）前記第１の部材は半導体パターンを形成するため
   のマスク、前記第２の部材は半導体ウェハであることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項記載の位置検出方法。
6. （６）前記マスク及びウェハ間には、マスク上のパター
   ンをウェハ上に結像するための投影光学系が配置されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の位置
   検出方法。