JP2513299B2

JP2513299B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP2513299B2
Application number: JP1036743A
Authority: JP
Inventors: 優和真継; 謙治斉藤; 繁幸須田; 亮黒田; 雄吉丹羽; 哲志野瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-02-16
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JPH02154102A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は位置検出装置に関し、例えば半導体素子製造
用の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マス
ク」という。）等の第１物体面上に形成されている微細
な電子回路パターンをウエハ等の第２物体面上に露光転
写する際にマスクとウエハとの相対的な位置決め（アラ
イメント）を行う場合に好適な位置検出装置に関するも
のである。

（従来の技術）従来より半導体製造用の露光装置においては、マスク
とウエハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重
要な一要素となっている。特に最近の露光装置における
位置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、
例えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するもの
が要求されている。

多くの位置検出装置においては、マスク及びウエハ面
上に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設け、
それらより得られる位置情報を利用して、双方のアライ
メントを行っている。このときのアライメント方法とし
ては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量を画
像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許第40
37969号、米国特許第4514858号や特開昭56-157033号公
報で提案されているようにアライメントパターンとして
ゾーンプレートを用い該ゾーンプレートに光束を照射
し、このときゾーンプレートから射出した光束の所定面
上における集光点位置を検出すること等により行ってい
る。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法
は、単なるアライメントパターンを用いた方法に比べて
アライメントパターンの欠損に影響されずに比較的高精
度のアライメントが出来る特長がある。

第11図はゾーンプレートを利用した従来の位置合わせ
装置の概略図である。

同図において光源72から射出した平行光束はハーフミ
ラー74を通過後、集光レンズ76で集光点78に集光された
後、マスク68面上のマスクアライメントパターン68a及
び支持台62に載置したウエハ60面上のウエハアライメン
トパターン60aを照射する。これらのアライメントパタ
ーン68a,60aは反射型のゾーンプレートより構成され、
各々集光点78を含む光軸と直交する平面上に集光点を形
成する。このときの平面上の集光点位置のずれ量を集光
レンズ76とレンズ80により検出面82上に導光して検出し
ている。

そして検出器82からの出力信号に基づいて制御回路84
により駆動回路64を駆動させてマスク68をウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。

第12図は第11図に示したマスクアライメントパターン
68aとウエハアライメントパターン60aからの光束の結像
関係を示した説明図である。

同図において集光点78から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン68aよりその一部の光束が回折し、集
光点78近傍にマスク位置を示す集光点78aを形成する。
又、その他の一部の光束はマスク68を０次透過光として
透過し、波面を変えずにウエハ60面上のウエハアライメ
ントパターン60aに入射する。このとき光束はウエハア
ライメントパターン60aにより回折された後、再びマス
ク68を０次透過光として透過し、集光点78近傍に集光し
ウエハ位置をあらわす集光点78bを形成する。同図にお
いてはウエハ60により回折された光束が集光点を形成す
る際には、マスク68は単なる素通し状態としての作用を
する。

このようにして形成されたウエハアライメントパター
ン60aによる集光点78bの位置は、ウエハ60のマスク68に
対するずれ量Δσに応じて集光点78を含む光軸と直交す
る平面に沿って該ずれ量Δσに対応した量のずれ量Δ
σ′として形成される。

しかしながら従来の装置ではマスクの位置を示す集光
点とウエハの位置を示す集光点が各々独立に存在し、そ
れらの集光点を別々に検出して双方の位置関係を求めな
ければならず検出装置が複雑化する傾向があった。

この他米国特許第4311389号公報にはフレネルゾーン
プレート等の入射光束を波面変換する作用を有する物理
光学素子を利用してマスクとウエハの相対的位置関係を
検出する装置が提案されている。

第13図は同公報の装置で用いられているマスク面上と
ウエハ面上に設けられている物理光学素子を示す説明図
である。同図において68bは線状のフレネルゾーンプレ
ートであり、ｘ方向にのみ集光作用を有する様に線状の
不透明部と透明部が交互に形成されマスク68面上に形成
されている。60bは回折格子でありウエハ60上にｙ方向
に並べて設けられている。線状フレネルゾーンプレート
68bは入射した光束をｘ方向に集光し、ウエハ60面上で
ｙ方向に長手方向を有するスリット状に焦点を結ぶ。こ
のスリット状焦点がウエハ60上の焦点に重なると回折光
69が発生し、この回折光が不図示の受光手段（ディテク
タ）により検出される。

フレネルゾーンプレート68bは不図示の照明系によっ
て照明され光走査され焦点位置が回折格子60bと重なる
ときに受光手段は回折格子からの回折光に基づく光強度
変化を検出する。このときの受光手段で得られる光強度
変化により回折格子68bのフレネルゾーンプレート68bに
対する位置、即ちマスク68とウエハ60との相対位置関係
を検出する。

この検出方法の場合、ディテクタで検出される光量変
化はマスク68とウエハ60との相対位置関係を示す。言い
換えると１つのディテクタでマスク68とウエハ60との相
対位置関係が検出されるので装置全体が簡素化される。

しかしながらこの方法は、例えばマスク68とウエハ60
との間隔ｇが変化するとフレネルゾーンプレート68bに
よって集光される光はウエハ60上に焦点を結ばなくなっ
てくる。この為、回折格子60bを照明するスリット状光
束の単位面積あたりの光強度が減少し、かつ照明領域が
大きくなるのでディテクタが検出する光強度変化はコン
トラストが小さく、又変化の幅が大きくなってくる。こ
の為、検出精度が劣化し、マスクとウエハの相対位置検
出を高精度に行うのが難しくなってくるという問題点が
あった。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は第１物体と第２物体の相対的位置関係を簡易
な構成でしかも高精度に検出することが出来、かつ間隔
変動に対しても検出精度の劣化しにくい位置検出装置の
提供を目的とする。

特に本発明は第１物体と第２物体との相対的な位置ず
れ量を検出する際に、第１物体と第２物体面上に各々所
定の光学性質を有した物理光学素子を設け、該物理光学
素子に所定方向から光束を入射させることにより、例え
ば半導体素子製造用の露光装置に適用したとき、露光前
後でアライメントヘッドの移動をなくし、又、マスク、
ウエハ間のギャップの変動があってもアライメント誤差
をほとんど生じない光学系を得、これにより双方の相対
的な位置ずれ量に伴う光量の重心位置を高精度に、しか
も容易に検出することのできる位置検出装置の提供を目
的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明の位置検出装置は、第１物体に対する第２物体
の所定方向の位置関係を検出する際、投光手段からの光
束を該第１物体面上に該第１物体から偏向出射する光束
が該所定方向に対し垂直となるように照射し、該第１物
体からの出射光束を該第２物体に入射させ該第２物体で
偏向出射した光束を該第１物体からの出射光束の該第２
物体への入射位置に応じて入射位置が変化するような位
置に配置した受光手段で受光し、該受光手段からの出力
信号を利用して該第１物体に対する該第２物体の該所定
方向の位置検出を行ったことを特徴としている。

例えば具体的には、第１物体と第２物体とを対向させ
て相対的な位置決めを行う際、該第１物体面上に少なく
とも一方向を位置合わせする為の第１物理光学素子を形
成し、該第２物体面上に少なくとも一方向を位置合わせ
する為の第２物理光学素子を形成し、投光手段からの光
束を該第２物体面上の第２物理光学素子面上にその法線
に対して斜方向より入射させると共に、該第２物理光学
素子により前記位置合わせ方向に垂直な方向に偏向させ
て、該第１物体面上の第１物理光学素子に入射させ、該
第１物理光学素子より出射した光束を検出することによ
り、該第１物体と該第２物体との相対的な位置決めを行
ったことである。

ここで以下の説明でも用いている光束の重心とは、光
束受光面内において、受光面内各点のこの点からの位置
ベクトルにその点の光強度を乗算したものを受光面全面
で積分した時に積分値が０ベクトルになる点のことであ
る。

（実施例）第１図（Ａ）は本発明を半導体素子製造用の露光装置
に適用したときの第１実施例の概略図である。本実施例
では光源10から出射された光束を投光レンズ系11で平行
光束とし、ハーフミラー12を介し、第１物体１として例
えばマスク面Ｍを通過させた後、フレネルゾーンプレー
トの一種であるグレーティングレンズ等から成る第２物
理光学素子4aを斜方向から照射している。

第２物理光学素子4aは集光作用を有しており反射光を
第２物体２としての例えばウエハ面の法線方向（＋Ｚ方
向）に射出させ、第２物理光学素子4aから所定の距離離
れた第１物体１としての、例えばマスク面上に設けられ
ているグレーティングレンズより成る第１物理光学素子
3aに入射させている。第１物理光学素子3aは集光作用を
有しており、光束をアライメントヘッド６方向に射出さ
せハーフミラー12を介した後、検出器８の検出面９上に
集光している。

尚、同図において５は例えばウエハチャックであり、
ウエハ２を吸着している。６はアライメントヘッドであ
り、アライメント用の各種の要素を収納している。Ｅは
マスク上の回路パターンをウエハ面上に転写する為の露
光領域である。

又、マスク１とウエハ２は所定の範囲のギャップ値で
保持されている。

100はXYステージであり、ウエハチャック５に吸着さ
れたウエハをXY方向に移動させている。101はステージ
ドライバーであり、XYステージ101をXY方向に駆動して
いる。102はCPUであり、検出器８の出力に基づき、マス
ク１とウエハ２とを位置合わせする様にXYステージ100
を移動させる為、ステージドライバー101に指令信号を
送っている。

又、XYステージ100はウエハ２をｚ方向の一定位置に
移動させてマスク１とウエハ２との関係を所定間隔とな
るように設定している。

本実施例では位置合わせの為、ウエハ２を動かす構成
になっているが、同様にマスクチャック移動機構（マス
クステージ）等を設けマスク１を動かす構成としても良
い。

尚、XYステージ100はピエゾ素子駆動の精密ウエハス
テージとステッピングモータ駆動の粗ウエハステージと
を含み、ステージドライバー101は、このビエゾ素子と
ステッピングモータとを含み、CPU102はウエハを微小移
動させる時にはピエゾ素子に、比較的大きな距離移動さ
せる時にはステッピングモータに指令信号を送ってい
る。

以下、本実施例では便宜上第１物理光学素子3aをマス
ク用のグレーティングレンズ3a、第２物理光学素子4aを
ウエハ用のグレーティングレンズ、第１物体をマスク、
第２物体をウエハという。

このように本実施例ではウエハ２面上のアライメント
パターンを所定の焦点距離をもったグレーティングレン
ズ（フレネルゾーンプレートの一種）より構成し、アラ
イメントヘッド６からウエハ２面に斜入射したアライメ
ント用の光束をウエハ２面の法線方向（＋Ｚ方向）に偏
向し、所定の位置（例えばＺ＝＋276.0μｍ）に集光さ
せている。

本実施例においてウエハ２面上に斜入射させる角度α
は 10＜α＜80 程度が好ましい。

又、マスク１上のアライメントパターン3aはＹ軸に関
して非対称なパターンのオフアクシス型のグレーティン
グレンズで、例えば焦点距離278.78μｍとなるように設
計され、ウエハ２面上のグレーティングレンズを反射、
回折した収束（発散）光をアライメントヘッド方向に導
光している。

このときアライメント光束10aはグレーティングレン
ズのレンズ作用を受けアライメントヘッド６内の受光器
８に入射する。尚、第１の実施例ではパターンの存在す
るスクライブラインの長手方向（ｙ方向）にアライメン
トする。

今、マスク１とウエハ２とが平行方向にΔσずれてお
り、ウエハ２からウエハ２のグレーティングレンズ4aで
反射した光束の集光点までの距離をａ、マスク１のグレ
ーティングレンズ3aを通過した光束の集光点までの距離
をｂとすると検出面９上での集光点の重心ずれ量Δδはとなる、即ち重心ずれ量Δδは（b/a＋１）倍に拡大さ
れる。

例えば、ａ＝0.5mm,b＝50mmとすれば重心ずれ量Δδ
は（ａ）式より101倍に拡大される。

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは
（ａ）式より明らかのように、例えば第２図に示すよう
な比例関係となる。検出器８の光束入射位置の検出分解
能が0.1μｍであるとすると位置ずれ量Δσは0.001μｍ
の位置分解能となる。

このようにして求めた位置ずれ量Δσをもとに第２物
体を移動させれば第１物体と第２物体の位置決めを高精
度に行うことができる。

本実施例において、検出面９上の基準位置（第1,第２
物理光学素子が位置ずれのない状態の時の光束の重心位
置）は以下の様にして求めている。まず第１物理光学素
子3aを有するマスクを適当な位置に固定する。次に第２
物理光学素子4aを有するウエハをマスクに対して適当な
位置に配置する。この時、光源10からの光束を第1,第２
物理光学素子に入射させてこの状態における検出面９上
での光束の重心位置を検出する。次いでこの状態で例え
ばマスク上のパターンをウエハ上に転写する。転写され
たパターンを他の顕微鏡等で観察し、ずれの量と方向を
計測する。求めたずれ量及び方向が（ａ）式における第
２物理光学素子のずれ量Δσになる。従って（ａ）式よ
り前に検出した光束の重心位置が基準位置よりどれだけ
ずれていたか、即ちずれ量Δδが求められるので、この
ずれ量Δδと検出した重心位置から基準位置を逆算して
求めている。

尚、本実施例において位置合わせを行う手順として
は、例えば次の方法を採ることができる。

第１の方法としては２つの物体間の位置ずれ量Δσに
対する検出器８の検出面上での光束の重心ずれ信号Δδ
ｓとの関係を示す特性（例えば比例定数）を予め決めて
おき、重心ずれ信号Δδｓの値から双方の物体間との位
置ずれ量Δσを求め、そのときの位置ずれ量Δσに相当
する量だけ第１物体若しくは第２物体を移動させる。

第２の方法としては検出器８からの重心ずれ信号Δδ
ｓから位置ずれ方向、即ち位置ずれ量Δσを打ち消す方
向を求め、その方向に第１物体若しくは第２物体を移動
させて位置ずれ量Δσが許容範囲内になるまで繰り返し
て行う。

以上のCPUの位置合わせ手順を、それぞれ第１図
（Ｂ），（Ｃ）に示す。

以上のようにアライメント光束10aはウエハ２上のグ
レーティングレンズ4aを反射し、マスク１上のグレーテ
ィングレンズ3aを透過回折することによって、マスクと
ウエハ上のグレーティングレンズの間の光軸のずれがｎ
倍にグレーティングレンズ系の倍率で拡大されて、アラ
イメントヘッド６内の受光面９に入射する。そして受光
器８によりその光束の重心位置を検出している。

ここで、グレーティングレンズの焦点距離は露光時の
マスクとウエハ間のギャップ及びグレーティングレンズ
系の倍率を考慮して設定される。

例えばマスク、ウエハ間の位置ずれ量を100倍に拡大
して受光面９上で光束の重心位置を検知する露光ギャッ
プを30μｍのプロキシミティ露光システムを考える。

今、アライメント光束の波長を半導体レーザーからの
光束とし0.83μｍとする。このときアライメント光束が
アライメントヘッド６内の投光レンズ系11を通って平行
光束となり、ウエハ２、そしてマスク１を順次通る場合
の２枚のグレーティングレンズより成るグレーティング
レンズ系を通過する。このときの系の屈折力配置の模式
図を第3,第４図に示す。

第３図はウエハ２上のグレーティングレンズ4aが負の
屈折力、マスク１上のグレーティングレンズ3aが正の屈
折力の場合、第４図はウエハ２上のグレーティングレン
ズ4aが正の屈折力、マスク１上のグレーティングレンズ
3aが負の屈折力の場合である。

尚、ここで負の屈折力、正の屈折力はマイナスの次数
の回折光を使うか、プラスの次数の回折光を使うかで決
まる。

同図において、例えばウエハ２上のグレーティングレ
ンズ4aの口径は300μｍ、マスク１上のグレーティング
レンズ3aの口径は280μｍとし、マスクとウエハ間の位
置ずれ（軸ずれ）を100倍に拡大して検出面９上で光束
の重心が移動を起こし、この結果受光面９上の光束の径
（エアリディスクｅ^-2径）;Airy disk、（スポットの回
折像の１番真中の円盤型像）における光強度がピーク値
のｅ^-2倍までの領域の径が200μｍ程度となるように配
置及び各要素の焦点距離を決めた。

次に本実施例におけるマスク用のグレーティングレン
ズ3aとウエハ用のグレーティングレンズ4aの光学的パタ
ーン形状について説明する。

まず、ウエハ用のグレーティングレンズ4aは所定のビ
ーム径の平行光束が所定の角度で入射し、所定の位置に
集光するように設定される。一般にグレーティングレン
ズ4aのパターンは光源（物点）と像点、それぞれに可干
渉光源を置いたときのレンズ面における干渉縞パターン
となる。第５図に示すようにウエハ２面上の座標系を定
める。ここに原点はスクライブライン幅の中央にあり、
スクライブライン方向にｘ軸、幅方向にｙ軸、ウエハ面
の法線方向にｚ軸をとる。ウエハ面の法線に対しαの角
度で入射し、その射影成分がスクライブライン方向と直
交する平行光束がグレーティングレンズ4aを反射回折
後、集光点（ｘ₁,y₁,z₁）の位置で結像するようなグレ
ーティングレンズの曲線群の方程式は、グレーティング
の輪郭位置をx,yで表わすと ysinα＋Ｐ₁（x,y）−Ｐ₂＝ｍλ/2 …（１）で与えられる。ここにλはアライメント光束の波長、ｍ
は整数である。

主光線を角度αで入射し、マスク面上の原点を通り、
集光点（ｘ₁,y₁,z₁）に達する光線とすると（１）式の
左辺は主光線の光路に対し、マスク上の点（x,y,0）を
通り点（ｘ₁,y₁,z₁）に到達する光線の光路の長さの差
を表わし、右辺はその差が波長のm/2倍となることを示
している。

一方、マスク上のグレーティングレンズ3aは所定の点
光源から出た球面波を所定の位置（検出面上）に集光さ
せるように設定される。点光源の位置はマスクとウエハ
の露光時のギャップをｇとおくと（ｘ₁,y₁,z₁−ｇ）で
表わされる。マスクとウエハの位置合わせはｘあるいは
ｙ軸方向に行なわれるとし、アライメント完了時に検出
面上の点（ｘ₂,y₂,z₂）の位置にアライメント光束が集
光するものとすれば、マスク上のグレーティングレンズ
の曲線群の方程式は先に定めた座標系でと表わされる。

（２）式はマスク面がｚ＝−ｇにあり、主光線がウエ
ハ面上の原点及びマスク面上の点（0,0,−ｇ）、更に検
出面上の点（ｘ₂,y₂,z₂）を通る光線であるとして、マ
スク面上グレーティング（x,y,−ｇ）を通る光線と主光
線との光路長の差が半波長の整数倍となる条件を満たす
方程式である。

一般にマスク用のゾーンプレート（グレーティングレ
ンズ）は、光線の透過する領域（透明部）と光線の透過
しない領域（遮光部）の２つの領域が交互に形成される
0,1の振幅型のグレーティング素子として作成される。
又、ウエハ用のゾーンプレートは例えば断面形状が矩形
構造の位相格子パターンとして作成される。（１），
（２）式において主光線に対して半波長の整数倍の位置
で、グレーティングの輪郭を規定したことは、マスク上
のグレーティングレンズ3aでは透明部と遮光部の線幅の
比が1:1であること、そしてウエハ上のグレーティング
レンズ4aでは矩形格子のラインとスペースの比が1:1で
あることを意味する。

マスク上のグレーティングレンズ3aは例えばポリイミ
ド製の誘起薄膜上に予めEB露光で形成したレチクルのグ
レーティングレンズパターンを転写して形成、又はウエ
ハ上のグレーティングレンズはマスク上にウエハの露光
パターンを形成したのち露光転写して形成している。

第６図（Ａ）にウエハ面上のグレーティングレンズ4
a、同図（Ｂ）にマスク面上のグレーティングレンズ3a
の一実施例のパターンを示す。

次に第１図（Ａ）に示す実施例において具体的にマス
クとウエハ間に所定の位置ずれ量を与えた場合について
説明する。

まずアライメント光源としての半導体レーザー（波長
830nm）から出射した光束は投光レンズ系11を通って半
値幅600μｍの平行光束となりアライメントヘッド６か
らウエハ２面の法線に対して40度で入射する。

マスクＭ面上のスクライブラインには幅60μｍ、長さ
280μｍのグレーティングレンズ3aが又、ウエハ面上の
スクライブラインには同じサイズのグレーティングレン
ズ4aが設定されている。マスクとウエハの相対的位置ず
れは、微小変位量をピエゾ駆動の精密ウエハステージ
で、又、比較的大きい変位量はステッピングモータ駆動
のウエハ用の粗ステージによって与えている。又、変位
量は測長機（分解能0.001μｍ）を用い、管理温度23゜c
±0.5゜cの恒温チャンバー中で測定した。又、アライメ
ントヘッド６内の光束の重心位置の検知用としての受光
器は１次元CCDラインセンサを用いた。ラインセンサの
素子配列方向は位置ずれ検出方向（アライメント方向）
に一致する。ラインセンサの出力は受光領域の全光強度
で規格化されるように信号処理される。これによりアラ
イメント光源の出力が多少変動してもラインセンサ系か
ら出力される測定値は正確に重心位置を示している。

尚、ラインセンサの重心位置分解能はアライメント光
束のパワーにもよるが50mWの半導体レーザーで測定した
結果0.2μｍであった。

第１の実施例に係るマスク用のグレーティングレンズ
3aとウエハ用のグレーティングレンズ4aの設計例では、
マスクとウエハの位置ずれを100倍に拡大して信号光束
がセンサ面上で光束の重心位置が移動するように設定し
ている。従って、マスクとウエハ間に0.01μｍの位置ず
れがあったとするとラインセンサ面上では１μｍの実効
的な重心移動が起こり、ラインセンサ系はこれを0.2μ
ｍの分解能で測定することができる。

第２図を実際にマスクとウエハ間に所定量の位置ずれ
を与えたときのアライメント用のライセンサで検出した
重心位置の変化を示す。第２図から明らかなようにマス
クとウエハ間の位置ずれ量に対し、検出された重心位置
はグレーティングレンズ系の倍率を比例定数とする線形
関係をもつ。但し、線形性は位置ずれ量が一定値（例え
ば20μｍ程度）以上になると成り立たなくなり、非線形
性が現われてくる。

これはマスク及びウエハ上のグレーティングレンズ間
の軸ずれ量が大きくなるに従い、光束の波面収差が顕著
になり、センサ上のスポット形状に非対称性が現われた
為である。

この波面収差はグレーティングレンズのNAが大きいほ
ど顕在化する。従って一定の面積にグレーティングレン
ズを設定する際はなるべくNAを小さくすることが望まし
い。

本実施例における位置合わせ装置においては、位置ず
れの分解能が0.002μｍ、位置ずれ測定レンズ±20μｍ
（線形領域）を得ている。

本実施例はマスク面上に光束を斜め入射させ、更に斜
め受光光路を設定している為、アライメントヘッド６が
露光領域に入り込まずにマスクとウエハ間は位置ずれ量
を計測制御することができる。この結果、アライメント
ヘッド６を露光前後で動かす必要がなくなり、これによ
りステップアンドリピート方式の露光システムでは、ト
ータルスループットが約20％向上した。又、重ね合わせ
精度も露光前後でアライメントヘッドを動かすシステム
に対して、0.02μｍ向上することが確認された。

本実施例においてはウエハ用のグレーティングレンズ
を光束が反射回折後、ウエハとマスク間をウエハ面（マ
スク面）に垂直に通過するようにアライメントマークを
形成し、垂直光路を設定している。この為マスクとウエ
ハの間隔変動に対してアライメント精度が悪下しないと
いう特長を有している。

ここで光束がマスク面に垂直ということは該光束が位
置ずれ検出方向（ｙ方向）に垂直な面（xz面）内にあ
り、かつマスク面（xy面）に垂直で位置ずれ検出方向を
含むような面（yz面）内にあることを意味している。

又、ウエハのアライメントマーク上にはマークの面積
より広断面積の平行光を入れており、ウエハ側が多少上
下方向に変動して光のウエハ上入射位置がずれた場合も
常にマスク全面に平行な光が入射している状態は変化せ
ず、従ってウエハのアライメントマークからマスクのア
ライメントマークへ向かう光束の重心位置に変わらな
い。これよりウエハ側の上下変動によって測定精度に影
響を受けない位置ずれ検出系が達成されている。

第７図は本発明の第２の実施例の概略図である。同図
はわかりやすいようにマスク１とウエハ２近傍のみを斜
視図で示している。

本実施例ではマスク１及びウエハ２面に形成してたア
ライメント用のパターン3a,4aは１次元グレーティング
レンズである。従って第２の実施例においては、アライ
メントパターンの存在するスクライブライン1a,2aの幅
方向にマスクとウエハの位置合わせを行う。その他は第
１の実施例と同じである。

本実施例においてもアライメント光束10aはアライメ
ントヘッド６からウエハ２の法線に対して斜め入射し、
ウエハ２面のアライメントパターン4aで反射した後、マ
スク１面上のグレーティングレンズ3aを通過した後、ア
ライメントヘッド６方向に戻る。又、このときウエハ面
上のグレーティングレンズ4aを反射、回折後、マスク面
上のグレーティングレンズ3aに入射する光線の光路はマ
スクとウエハ面に対して垂直である。この為、第１の実
施例と同様にウエハが上下動してマスクとウエハ間のギ
ャップが変動しても、マスク上のグレーティングレンズ
3aに入射するアライメント光束の重心ずれが生じない光
路になっている。

本実施例の特徴はグレーティングレンズ3a,4aのパワ
ー（レンズ作用）をスクライブライン幅方向にのみつけ
たことである。その結果、パターン形状が直線グレーテ
ィングからなるグレーティングレンズでシンプルにな
り、曲線グレーティングからなる場合に比べ、パターン
のEB描画精度を向上することができた。これはパターン
描画に使用されるEB露光では直線が描画しやすいからで
ある。

更に当該パターンと対応するアライメントヘッド内の
受光器が検出するアライメント方向と直交する方向にマ
スクとウエハに位置ずれがある場合でも、検出面上では
光束はアライメント直交方向に倍率感度かなく、大きく
重心位置は位置しない。即ち、第２の実施例のように１
次元センサで位置ずれ量を計測する際は、アライメント
方向に直交する方向にはレンズ作用のないグレーティン
グレンズを用いることにより、アライメント方向と直交
する方向の位置ずれの影響を過大に受けずにアライメン
ト方向の位置ずれ計測ができる。

第２の実施例ではアライメント光束の入射角やアライ
メント方向のグレーティングレンズのバワー及びパター
ンサイズは第１の実施例と同じように設定した。

又、露光システム（ステップアンドリピート方式）の
トータルスループットも同じく20％程向上し、重ね合わ
せ精度も露光前後でヘッドを動かすシステムに比べて0.
02μｍ向上した。

第８図は本発明の第３の実施例の概略図である。同図
も第７図と同様にマスクとウエハ近傍のみを斜視図で示
している。

本実施例ではマスク上のグレーティングレンズ3a及び
ウエハ上のグレーティングレンズ4aは、いずれもスクラ
イブライン方向及びその直交方向に同一パワーをもつ２
次元グレーティングレンズである。

第1,第２の実施例と同様アライメントヘッド６からウ
エハ面２の法線に対して斜めにアライメント光束10aが
入射し、ウエハとマスク間の光路はウエハ面（マスク
面）に対し、垂直となるようにアライメントパターンは
設定されている。アライメント光束10aはウエハ２面上
のグレーティングレンズ4aで反射した後、マスク１面上
のグレーティングレンズ3aを通過しアライメントヘッド
６内に戻り、２次元センサ8aの検出面9a上に入射する。
これにより２次元センサ8aで光束の重心位置を検出して
いる。

即ち、本実施例では２次元センサ8aでマスクとウエハ
の位置ずれを２次元的にグレーティングレンズ系の倍率
で検出する。このように２次元的にパワーを有するグレ
ーティングレンズと２次元センサを使うことにより、マ
スクとウエハの位置ずれの２次元的方向と大きさを同時
に正確に検知することを可能にしている。センサ系では
第１の実施例と同様に受光領域の全光強度で規格化され
るように信号処理される。従って光源の出力が多少変動
してもセンサ系から出力される測定値は正確に重心位置
を示している。

アライメント光束の入射角、グレーティングレンズ3
a,4aのパワー、及びサイズは第１の実施例と同じとした
結果、位置検出特性も第1,第２の実施例と同じ性能を得
た。但し、センサ系の信号処理は２次元的な光量分布の
重心位置を検出する為、処理時間とアルゴリズムは多少
異っている。

第９図は本発明の第４の実施例を示す。

本実施例ではウエハ２上に形成したオフアクシス形グ
レーティングレンズ素子4a上に光源からの光束10aをウ
エハ面法線に対して所定の角度θ₁（例えば15°）で入
射させる。ウエハ上グレーティングレンズ素子4aのレン
ズ作用を受けた回折反射光のうち、マスク、ウエハ間の
位置ずれ量検出に用いるアライメント信号光束は、アラ
イメントヘッド（光ピックアップ）６内の受光器８で検
知するマスク、ウエハ間位置ずれ量検出方向に対し垂直
となるように進行する。

例えば、本実施例においては位置ずれ検出方向をマス
ク３（ウエハ２）上のスクライブライン方向（第９図ｙ
軸方向）にとると、ウエハ上グレーティング素子4aから
の出射するアライメント信号光束の進行方向はスクライ
ブライン方向に対して垂直であればよい。

このようにするとマスク３とウエハ２のｚ方向の間隔
が変動しても、ウエハ上グレーティング素子4aから出射
し、ウエハ３上グレーティングレンズ素子3aに入射する
アライメント信号光束10aは第３の実施例と同様、マス
ク３、ウエハ２間の間隔変動が原因となって、アライメ
ントヘッド６内の受光器上でグレーティングレンズ系の
位置ずれ量検出方向に光束重心位置の変動が起こらない
ようになっている。

第４の実施例と第３の実施例との構成上の違いは、ア
ライメント信号光束の光路が、ウエハ上グレーティング
レンズ4aを通過後、第３の実施例ではウエハ面（或はマ
スク面）に対して垂直となるのに対し、第４の実施例で
はウエハ面（或はマスク面）に対して垂直ではなく、マ
スク、ウエハ間の位置ずれ量を検出する方向（例えば第
９図ｙ方向）に対してのみ垂直となっていることであ
る。ここでは光路が位置ずれ量を検出する方向に対して
垂直とは光路が位置ずれ検出方向（ｙ方向）に垂直な面
（xz面）内にあることを意味する。

一方、第３の実施例と同様、第４の実施例ではウエハ
２上グレーティングレンズ素子4aのレンズ作用を受けて
反射回折するアライメント信号光束10aの進行方向（光
路）は、グレーティングレンズ素子3aで回折された後も
マスク、ウエハ間の位置ずれ量検出方向に対して垂直で
あるが、本発明の実施に当っては、第２の実施例に示す
ようにグレーティングレンズ素子3a,4aのレンズ作用を
受けたアライメント信号光束が、マスク３から出射する
光路は、位置ずれ量検出方向に対して垂直でなくてもよ
い。

第10図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第５実施例の要部の
側面図と正面図である。本実施例では同図（Ｂ）面内に
おける第１物体としてのマスク１と第２物体としてのウ
エハ２との位置ずれ量を検出している。

光源からの光束をマスク１面上に設けた第１のオフア
クシス型のグレーティング素子（グレーティングレン
ズ）112面上にマスク１の法線に対して角度θ₁で入射さ
せ、グレーティング素子112からの所定次数の回折光を
マスク１よりマスク面に対して垂直に射出させ、ウエハ
２面上に設けた第２のオフアクシス型のグレーティング
素子113に入射させている。

ここでオフアクシス型のグレーティング素子とは素子
を形成する平面の法線に対し、任意の傾角を有した光束
を入射させ、正反射又は直進透過する次数以外の特定次
数の光に対して特性保証した素子のことをいう。

第１のオフアクシス型のグレーティング素子112は射
出光束がマスク１のほぼ法線方向に主光線を有し、同図
（Ｂ）に示すように正面図内において有限なる焦点距離
を有して同図（Ａ）に示すように側面図内においては集
光しない１次元像を形成するゾーンプレートよりなって
いる。

又、グレーティング素子113はマスク１により形成さ
れた１次元像を物点とし、ウエハ２の法線に対し射出光
束は、同図（Ａ）の紙面内において角度θ₂の傾角を有
し、光受光器８上に像を形成するゾーンプレートであ
り、10aはその受光光束を示す。114は前記投光光束111
を作成し、光受光器８を包含する光ピックアップ筺体
（アライメントヘッド）を示す。又、同図（Ａ）で115
はマスク１のパターンをウエハ２に転写する為の露光光
を示し、破線は概念的にその光路内を示すものである。
露光光は紫外光やＸ線等が用いられる。

ここで、ウエハ２が位置ずれ検出方向であるＸ方向に
横移動すると前述の如く同図（Ｂ）の紙面内での光受光
器８上の照度分布を横移動する。オフアクシス型グレー
ティング素子112,113は以下の様に示す手法で設定され
ている。

即ち、第１のオフアクシス型グレーティング素子112
のパターンは同図に示す座標軸とし、グレーティング素
子112上の中心点を原点とすると Ysinθ₁＋Ｐ₁（Ｘ）−Ｐ₂＝ｍλ/2 Ｐ₁（Ｘ）＝｛（Ｘ−Ｘ₁）²＋Ｚ₁ ²｝^1/2 Ｐ₂＝｛Ｘ₁ ²＋Ｚ₁ ²｝^1/2 により与えられる。ここでλは光束111の光の波長、ｍ
は任意の整数である。Ｐ₂は原点からグレーティング素
子112の集光点までの距離を意味し、Ｚ₁は物理的にはグ
レーティング素子112の焦点距離を意味する。

一方、第２のグレーティング素子113も同様に設定さ
れている。マスク１とウエハ２の設定距離をｇとすると
グレーティング素子113に対する物点が（ｘ₁,y,z−ｇ）
である為、先に示す座標系で｛（Ｘ−Ｘ₂）²＋Ｚ₂ ²｝^1/2−｛（Ｘ−Ｘ₁）²＋（Ｚ₁−
ｇ）²｝^1/2＝｛Ｘ₂ ²＋Ｚ₂ ²｝^1/2＋Ysinθ₂−｛Ｘ₁ ²＋Ｚ
₁ ²｝^1/2＋ｍλ/2 により与えられる。ここで位置ずれ０のときの光検出器
８上の像点の座標を（Ｘ₂,Y,Z₂）とした。

尚、θ₂はｙ方向の偏向角（ウエハ面法線に対する角
度）である。

上述の角度θ₁及びθ₂は第１には露光光路にかからな
い位置にピックアップ筺体114を設定可能な角度とする
必要があり、実用的な寸法条件を考えると角度θ₁及び
θ₂の差は３°以上必要である。しかしθ₁，θ₂を大き
くするとグレーティング素子のパターン線幅が減少し、
作成上の難易度が高くなることや、回折効率が低下し光
検出器８に到達する光量が低下し精度低下の要因となる
為、実用的には30°以内に設定するのが良い。

又、光受光器８上で信号光量をS/Nよく取り出す為に
は投光光束と充分に分離する必要があり、角度θ₁とθ₂
の差は３°以上に設定することが好ましい。

光束を作成する為の光源は単色光、又は準単色光であ
ればグレーティング素子の特性上適用可能であり、レー
ザー光源、発光ダイオード等が用いられるが特に半導体
製造装置への応用を前提としては、高輝度であることや
小型である点で半導体レーザーが好ましい。

露光領域は一般に四角形であるから上述の光ピック筺
体を四辺に各１つづつ設定し、直交軸をX,Yとして各ピ
ックアップより各々マスクとウエハのずれ量ΔＸ₁，Δ
Ｘ₂，ΔＹ₁，ΔＹ₂の出力を行うことで、既知のグレー
ティング素子の設定位置より全体の位置を合わせるのに
必要な情報が得られる。そして各ピックアップはグレー
ティング素子の位置が変化した際、追随する為に可動す
る機構は必要であるが、露光時に退避する必要がない
為、半導体作成のスループットを向上させ、機械的信頼
性や装置寿命の点でも大きく向上させることができる。

尚、前記実施例においては、マスクとウエハの位置合
わせを例に説明したが、例えばマスクとウエハ間の距離
情報を得る手段にも同様に適応できる。

即ち、例えば前述の実施例において、マスクとウエハ
間距離を変化させると光受光器８上のスポット径が変化
するので横ずれ量とは別にスポッＴ径の値を検出するこ
とでマスクとウエハ間距離変化を検知することが可能と
なる。

尚、以上の第１〜第４実施例では光源をまずウエハ側
のグレーティングレンズで回折させ次にマスク側のグレ
ーティングレンズで回折させており、又第５実施例では
マスク側のグレーティングレンズで回折させ、次にウエ
ハ側のグレーティングレンズで回折させているが、これ
らの各実施例における光束の入射方向は逆であっても良
い。

例えば第1,第7,第8,第９図において光源10からの光束
をハーフミラー12からウエハ２、マスク３を経てハーフ
ミラー12に至る光路の矢印を逆向きにして構成しても良
い。この場合、それに応じてハーフミラー12の傾きや検
出機８の位置等を変更する。これらのことは第10図の実
施例においても同様である。

（発明の効果）本発明によれば前述の如く各要素を設定することによ
り第１物体と第２物体との相対的位置関係を高精度に、
しかも双方の間隔変動等に対しても検出精度の劣化の少
ない位置検出装置を達成することができる。

この他上記で説明した実施例では、例えば半導体素子
製造用の露光装置に適用すればウエハ面上に光束を斜め
入射させ、更にマスク面から射出してくる光路も同じく
斜め方向から受光し、更にマスクとウエハ面間での光束
が該マスク、又はウエハと垂直するようにアライメント
用のパターンを設定することにより、（イ）露光前後でアライメント光学系を内蔵するアラ
イメントを移動させる必要がなく、露光システムのトー
タルスループットを向上させることができる。

（ロ）アライメントヘッドの移動に伴なう振動がアラ
イメント後発生しないので、マスク、ウエハの重ね合わ
せ精度を向上させることができる。

（ハ）マスク、ウエハ間に所定の露光ギャップからの
ギャップ変動がμｍオーダであってもアライメントエラ
ーに本質的に影響せず変動の許容値が高い。

（ニ）位置ずれ量に応じて発生するセンサ上での光束
の非対称性が軽減され、グレーティングレンズ系の倍率
感度の線形性が25μｍ程度の比較的大きな位置ずれに対
して保持される。

等の特長を有した位置検出装置を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例の概略図、第１図
（Ｂ），（Ｃ）は本発明に係るCPUの動作ブロック図、
第２図は本発明において重心ずれ量と位置ずれ量との関
係を示す説明図、第３図，第４図は本発明における２枚
のグレーティングレンズの屈折力配置を示す模式図、第
５図は第１図の光学作用の原理を示す説明図、第６図
（Ａ），（Ｂ）は本発明に係るアライメントパターンの
一実施例の説明図、第７図，第８図，第９図，第10図は
各々本発明の第2,第3,第4,第５実施例の概略図、第11
図，第12図は各々従来のゾーンプレートを用いた位置合
わせ装置の説明図である。第13図は従来のマスクとウエ
ハに設けられている物理光学素子の説明図である。図中、10は光源、11は投影レンズ系、１は第１物体、２
は第２物体、３は第１物理光学素子、４は第２物理光学
素子、８は検出器、９は検出面、Ｍはマスク、Ｗはウエ
ハ、3Mはマスクアライメントパターン、4Wはウエハアラ
イメントパターンである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒田亮東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者丹羽雄吉東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者野瀬哲志東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開平１−257208（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−159705（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−159704（ＪＰ，Ａ) 特開平１−285804（ＪＰ，Ａ) 特開平１−209305（ＪＰ，Ａ) 特開平１−209304（ＪＰ，Ａ) 特開平１−207605（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−106427（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−63802（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−55824（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−55823（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−139205（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−95303（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−66632（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−191502（ＪＰ，Ａ) 特公平５−4603（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物体に対する第２物体の所定方向の位
置関係を検出する際、投光手段からの光束を該第１物体
面上に該第１物体から偏向出射する光束が該所定方向に
対し垂直となるように照射し、該第１物体からの出射光
束を該第２物体に入射させ該第２物体で偏向出射した光
束を該第１物体からの出射光束の該第２物体への入射位
置に応じて入射位置が変化するような位置に配置した受
光手段で受光し、該受光手段からの出力信号を利用して
該第１物体に対する該第２物体の該所定方向の位置検出
を行ったことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】第１物体と第２物体とを対向させて相対的
な位置決めを行う際、該第１物体面上に少なくとも一方
向を位置合わせする為の第１物理光学素子を形成し、該
第２物体面上に少なくとも一方向を位置合わせする為の
第２物理光学素子を形成し、投光手段からの光束を該第
２物体面上の第２物理光学素子面上にその法線に対して
斜方向より入射させると共に、該第２物理光学素子によ
り前記位置合わせ方向に垂直な方向に偏向させて、該第
１物体面上の第１物理光学素子に入射させ、該第１物理
光学素子より出射した光束を検出することにより、該第
１物体と該第２物体との相対的な位置決めを行ったこと
を特徴とする位置検出装置。
【請求項３】前記第２物理光学素子でレンズ作用をうけ
させた光束を該第１物体と該第２物体との間で、これら
の物体の位置ずれ検出方向に対して直交する方向に進行
させた後、前記第１物理光学素子に入射させ該第１物理
光学素子からの光束を前記投光手段からの光束の投光方
向に導光させたことを特徴とする請求項２記載の位置検
出装置。
【請求項４】前記第１物体を半導体製造用のマスクより
構成し、前記第２物体を同じく半導体製造用のウエハよ
り構成し、前記第1,第２物理光学素子を該マスク及びウ
エハのスクライブラインの幅方向に対してレンズ作用を
有し、かつ投射された光束の該マスク面への射影成分が
該スクライブラインと交わるように構成したことを特徴
とする請求項２記載の位置検出装置。