JP2623757B2

JP2623757B2 - 位置合わせ装置

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Application number: JP63221536A
Authority: JP
Inventors: 優和真継; 謙治斉藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1988-09-05
Publication date: 1997-06-25
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: JPH0269602A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は位置合わせ装置に関し、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合わせ装置に関す
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。

多くの位置合わせ装置においては、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4037969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７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は反射型のソ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８図は第７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。

このような方法においては、マスク面や半導体露光装
置内のマスクホルダー面等の基準面、そして露光装置の
接地面等に対してウエハ面が傾斜しているとセンサ上に
入射する光束の重心位置が変化し、アライメント誤差と
なってくる。

一般にセンサ上に絶対座標系を設け、その基準原点を
設定することは他のアライメント誤差要因、例えばウエ
ハ面のそりやたわみ等を有する傾斜、レジストの塗布ム
ラによる光束の重心位置の変動、アライメント光源の発
振波長、発振出力、光束出射角の変動、センサ特性の変
動、そしてアライメントヘッド位置の繰り返しによる変
動等により、その原点の設定を高精度に行うのが大変難
しくな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）本発明はマスク等の第１物体とウエハ等の第２物体の
位置合わせを行う際の基準点を高精度に、しかも容易に
設定することができ、高精度な位置合わせを可能とした
位置合わせ装置の提供を目的とする。

特に実施例では、基準光束（参照光束）としてウエハ
面上のアライメントマークからの０次回折光を利用し、
該参照光束のウエハ面の傾斜に対するセンサ上での重心
移動の作用がアライメント光束（信号光束）と等しくな
り、又、アライメントヘッドの位置の変動に対しても基
準光束がアライメント光束と等しくなり、これにより基
準光束とアライメント光束のセンサ上での相対的な位置
の変動がウエハ面の傾斜、アライメントヘッドの位置の
変動などの誤差要因を等価的に相殺することが可能とな
り高精度な位置合わせを可能とした位置合わせ装置の提
供を目的としている。

（問題点を解決するための手段）第１物体と第２物体との相対的位置決めを行う位置合
わせ装置において、物理光学素子としての機能を有し前
記第１物体上に形成された第１アライメントマークに光
束を入射させたときに生ずる回折光を、物理光学素子と
しての機能を有し前記第２物体上に形成された第２アラ
イメントマークに入射させ、前記第２アライメントマー
クで回折した信号光束の光量重心を検出する第１検出手
段と、物理光学素子としての機能を有し前記第１アライ
メントマークに隣接して設けた若しくは重複して設けた
参照マークに光束を入射させたときに生ずる回折光を、
前記第２アライメントマークに入射させ、前記第２アラ
イメントマークで０次回折した参照光束の光量重心を検
出する第２検出手段と、前記第１検出手段から得られる
アライメント信号と前記第２検出手段から得られる参照
信号の双方の信号を利用して前記第１物体と前記第２物
体との位置ずれを検出する位置ずれ検出手段とを有する
ことを特徴としている。

特に、前記位置ずれ検出手段は、前記アライメント信
号と前記参照信号との差信号を利用して前記第１物体と
前記第２物体との位置ずれを検出することや、前記第１アライメントマークが収束作用を有し、前記
第２アライメントマークが発散作用を有することや、前記第１アライメントマークが発散作用を有し、前記第
２アライメントマークが収束作用を有すること、等を特徴としている。

（実施例）第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。図
中、１は第１物体で、例えばマスクである。２は第２物
体で、例えばマスク１と位置合わせされるウエハであ
る。４、３は各々第１、第２アライメントマークであ
り、各々マスク１面上とウエハ２面上に設けられてい
る。５は第１参照マークであり、マスク１面上の第１ア
ライメントマーク４に隣接して設けられている。第１、
第２アライメントマーク４、３と第１参照マーク５は、
例えばフレネルゾーンプレート等のグレーティングレン
ズより成り、マスク１面上とウエハ２面上のスクライブ
ライン９、10上に設けられている。７はアライメント光
束、即ち信号光束、８は参照光束であり、これらの光束
７、８は不図示のアライメントヘッド内の光源から出射
し、所定のビーム径にコリメートされている。100はCP
U、101はマスク駆動機構、102はウエハステージ駆動機
構、103はウエハステージである。

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザ
ー、H_e−N_eレーザー、A_rレーザー等のコヒーレント光束
を放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒーレント
光束を放射する光源等である。11、12は各々第１検出手
段と第２検出手段としてのセンサ（受光器）であり、ア
ライメント光束７と参照光束８を受光する例えば１次元
CCD等より成っている。

本実施例ではアライメント光束７と参照光束８は各々
マスク１面上の第１アライメントマーク４と第１参照マ
ーク５に所定の角度で入射した後、透過回折する。この
うちアライメント光束７はウエハ２面上の第２アライメ
ントマーク３で反射回折し、センサ11面上に入射してい
る。

一方参照光束８は第２アライメントマーク３で単に反
射し、即ち０次反射をし、戻の光路を戻り第１参照マー
ク５に入射した後、回折しセンサ12面上に入射してい
る。

そしてセンサ11、12で該センサ面上に入射したアライ
メント光束を参照光束の重心位置を検出し、該センサ1
1、12からの出力信号を利用してマスク１とウエハ２を
スクライブライン９、10と直交する方向（ｙ方向）につ
いて位置合わせを行っている。

ここで光束の光量重心とは光束断面内において、断面
内各点のその点からの位置ベクトルにその点の光量を乗
算したものを断面全面で積分したときに積分値が０ベク
トルになる点のことであるが、代表点として、光強度が
ピークとなる点の位置をとってもよい。

次に本実施例における第１、第２アライメントマーク
４、３と第１参照マーク５について説明する。

アライメントマーク３、４と参照マーク５は各々異っ
た値の焦点距離を有するフレネルゾーンプレート（又は
グレーティングレンズ）より成っている。

第１アライメントマーク４と第１参照マーク５の寸法
は各々スクライブライン方向に140μｍ、スクライブラ
イン幅方向（ｙ方向）に50μｍである。

第２アライメントマーク３の寸法はスクライブライン
方向に280μｍ、スクライブライン幅方向に50μｍであ
る。

本実施例においてはアライメント光束７と参照光束８
は、いずれもマスク１に対して入射角10゜で、マスク１
面への射影成分がスクライブライン方向（ｘ方向）に直
交するように入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント
光束７と参照光束８は各々グレーティングレンズ４、５
のレンズ作用を受けて収束（又は発散）光となり、マス
ク１からその主光線がマスク１の法線に対して所定角度
になるように射出している。

そして第１アライメントマーク４と第１参照マーク５
を透過回折したアライメント光束７と参照光束８を各々
ウエハ面２の鉛直下方238.0μｍと20.107μｍの点に集
光させている。このときのアライメントマーク４と第１
参照マーク５の焦点距離は各々268μｍ、20.137μｍで
ある。又、マスク１とウエハ２との間隔は30μｍにして
いる。

アライメントマーク４で透過回折した光はウエハ２面
上の第２アライメントマーク３で凹（凸）レンズ作用を
受け、第１検出手段としてのセンサ11面上の一点に集光
している。このときセンサ11面上へは光束がアライメン
トマーク４、３の位置ずれ、即ち軸ずれ量を拡大した量
の入射位置ずれをもって入射する。この結果、入射光束
の重心位置の変動がセンサ11で検知される。

本実施例ではマスク１とウエハ２の位置ずれが０のと
き、即ちマスク１上のアライメントマーク４とウエハ２
上のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、ア
ライメント光束の主光線のウエハ２からの出射角が５
度、又、このときの出射光のウエハ２面上への射影成分
がスクライブライン幅方向（ｙ方向）と直交し所定位
置、例えばウエハ２面から20mmの高さに位置しているセ
ンサ11面上に集光するように設定している。

このときのマスク１とウエハ２面上の第１、第２アラ
イメントマーク４、３のレンズ作用のパワー配置により
位置ずれに対する拡大倍率が決定される。

又、第１参照マーク５で透過回折した光束のうち主光
線がウエハ２面上に垂直に入射し、０次で反射する成分
は本実施例では更にマスク１面上の第１参照マーク５に
垂直に入射する。そして第１参照マーク５で再び回折し
て透過する各次数の光束のうち０次光束はマスク１面の
法線方向に出射し、１次回折光の主光線は入射光束と同
一光路を逆向きに出射し、２次回折光が参照光束８とし
てセンサ12面上の一点に入射するように各要素を設定し
ている。このときの参照光束８と信号光束７のセンサ面
上での分離は各マスク面法線に対する出射角の違いによ
り行なっている。

このように本実施例では参照光束８をウエハ２面で単
に反射し、レンズ作用を受けない０次反射光束をウエハ
面傾斜、ビックアップ変換等による位置ずれ計測誤差測
定のために用いている。

尚、参照光束８の主光線のマスク１面からの出射角は
８度で、その射影成分はスクライブライン幅方向と直交
するように設定している。

このとき第１参照マーク５を経た参照光束はマスク１
とウエハ２との間に位置ずれの変動があってもセンサ12
面への入射光束の重心位置は常に一定となっている。

このように本実施例においては、マスク面１上の第１
参照マーク５のグレーティングレンズは参照光束がマス
ク１面を透過後、ウエハ２面を反射してセンサ12面に到
達するまでの比較的長い焦点距離を有している。

本実施例において参照光束８はウエハ２面で反射後、
マスク１面上の第１参照マーク５で−２次で回折する光
束を用い、信号光束７はウエハ２面の第２アライメント
マーク３で−１次で反射回折する光束を用いているが、
各々＋２次回折光、＋１次回折光を用いて入射光束側に
出射する光束を用いても良い。

又、回折次数も各々２次、１次に限定される必要はな
く他の次数（０次以外）を用いても良い。尚、この場合
信号光束はそれに応じて位置ずれの倍率感度が変わる。

本実施例に係るマスク１、ウエハ２の位置合わせ（横
ずれ検知、制御）の基本アルゴリズムは以下のとおりで
ある。

まずセンサ38−２上の位置ずれ信号光束の光量分布を
測定したのち、先に定義した光量重心位置X_Sを求める。

このとき、センサ38−２上の基準光束を光量分布から
基準光束の光量重心位置X_Rを求める。

X_SとX_Rの差Δδ_Ｓを求め（１）式に示す倍率からマス
ク１、ウエハ２間の相対位置ずれ量Δσ_１を求める。

マスク１またはウエハ２を相対位置ずれ量Δσ_１だけ
相対移動させる為ウエハステージ103をウエハステージ
駆動機構102により動かし、位置ずれを補正する。

〜の動作を行なってマスク１、ウエハ２間の相対
位置ずれ量Δσ_２が許容値範囲内かどうか判定する。

Δσ_２が許容値範囲内になるまで〜を繰り返す。

上記の手続の概要を第９図にフローチャートとして示
す。

尚、位置ずれ補正はマスク駆動機構101によってマス
クを移動させてもよい。

次に本実施例における第１、第２アライメントマーク
４、３と第１参照マーク５（グレーティングレンズ）の
製造方法の一実施例を述べる。

まず、マスク用のマーク４、５は所定のビーム径の平
行光束が所定の角度まで入射し、所定の位置に集光する
ように設計される。一般にグレーティングレンズのパタ
ーンは光源（物点）と像点にそれぞれ可干渉性の光源を
置いたときのレンズ面における干渉縞パターンとなる。
今、第１図のようにマスク１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、マスク面１の法線
方向にｚ軸をとる。マスク面１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
る平行光束がマスク用のマークを透過回折後、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、で表わし y sinα＋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１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、右辺はこの差がｍの値によって主光線
に対して波長のm/2倍光路長が長い（短い）ことを示
す。第２図（Ａ）にマスク１上の第１アライメントマー
ク４、同図（Ｂ）に第１参照マーク５を示す。

一方、ウエハ２上のグレーティングレンズ３は所定の
点光源から出た球面波を所定の位置（センサ面上）に集
光させるように設計される。点光源上の各点はマスク１
とウエハ２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。（ｙは変数）マスク１とウエハ
２の位置合わせはｙ軸方向に行なわれるとし、アライメ
ント完了時にセンサ面上の点（x₂、y₂、z₂）の位置にア
ライメント光が集光するものとすれば、ウエハ上のグレ
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）式はウエハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマス
ク面上原点及びウエハ面上の点（０、０、−ｇ）、更に
センサ面上の点（x₂、y₂、z₂）を通る光線であるとし
て、ウエハ面上のグレーティング（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。

第２図（Ｃ）にウエハ２上の第２アライメントマーク
を示す。

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の振幅型グレーティング素子として作成されてい
る。又、ウエハ用のゾーンプレートは、例えば矩形断面
の位相格子パターンとして作成される。位相格子は例え
ば同一材料は凹凸パターンである。（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１上のグレー
ティングレンズでは透明部と遮光部と線幅の比が1:1で
あること、ウエハ２上のグレーティングレンズでは矩形
格子のラインとスペースに比が1:1であることを意味し
ている。

マスク１上のグレーティングレンズはポリイミド製の
有機薄膜上に予め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した。

又、ウエハ１の上マーク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た。

次に本実施例における検出手段としてのセンサ（例え
ば１次元の蓄積型の１次元CCD等）に入射するアライメ
ント光である信号光と参照光との関係について説明す
る。

本実施例においては参照光とアライメント用の信号光
はウエア面の法線に対して各々８゜、５゜の角度で、
又、スクライブライン方向に対してはウエハ面射影成分
が直交する各で出射する。センサ11、12の空間的配置
は、予めアライメント完了時に光束がセンサのほぼ中央
の位置に入射するようにセッティングされている。

センサ11、12の中心間隔は2mmであり、約0.1μｍ精度
でSiの同一基板上に設定されている。又、センサ11、12
の配置されたSi基板は、その法線がアライメント光出射
角と参照光出射角の２等分線と略平行に配置されてい
る。

センサ11、12のサイズは信号光用のセンサ11が幅1m
m、長さ6mm、又参照光用のセンサ12が幅1mm、長さ1mmで
ある。又、各画素のサイズは25μｍ×500μｍである。

各々のセンサは入射光束の重心位置を測定し、センサ
の出力は受光領域の全光量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、センサ系から出力される測定値は正確に重心
位置を示すように設定している。尚、センサの重心位置
の分解能はアライメント光のパワーにもよるが、例えば
50mW、波長0.83μｍの半導体レーザーを用いて測定した
結果、0.2μｍであった。

本実施例に係るマスク用のグレーティングレンズとウ
エハ用のグレーティングレンズの設計例では、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
面上で重心位置を移動する。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、センサ面上で
は１μｍの実効的な重心移動が起こり、センサ系はこれ
を0.2μｍの分解能で測定することができる。

本実施例において、ウエハ面２がyz面内で1mrad傾斜
したとすると、センサ11上では信号光束は約40μｍ重心
移動を起こす。一方、参照光束８も信号光束７と軸対称
で、且つ光路長の等しい光路を通るのでセンサ12上で
は、信号光と全く等しい重心移動を起こす。これにより
センサ系では各々センサからの実効的重心位置の信号の
差を出力するように信号処理をすると、ウエハ面がyz面
内で傾斜してもセンサ系からの出力信号は変わらない。

一方、ウエハがxz面内で傾斜すると、信号光束、参照
光束ともにセンサの長手方向と直交する幅方向に重心移
動を起こすが、これはセンサ上で検出する、位置ずれに
伴う光束の重心移動の方向と直交する方向なので、参照
光がなくても実効的なアライメント誤差にはならない。

更に、アライメント用光源、及び投光用レンズ系及び
センサなどの内蔵するアライメントヘッドが、マスク−
ウエハ系に対して位置の変動を起こした場合、例えばヘ
ッドをマスクに対して５μmy方向に移動したとする。こ
のとき信号光はセンサ11上で５μｍの実効的重心移動を
起こし、これに対して参照光もセンサ12上で全く等しく
５μｍの重心移動を起こす。

同様にマスク面とヘッドとの間にｚ方向に10μｍの変
動が起こると、信号光用のセンサ11及び参照光用のセン
サ12で共に10μｍ光束の重心移動を起こす。

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち、信号光
の重心位置出力と参照光の重心位置の出力との差信号は
何ら変動しない。

又、ｘ軸方向の位置の変動は参照光束がなくても本質
的なアライメント誤差にはならないことがわかる。

尚、アライメントマーク３、４と参照マーク５は本実
施例のように各々異なった値の焦点距離を有するように
設定する必要はなく、例えばアライメントマーク３、４
の焦点距離は同じでもよい。

本実施例に示したようにウエハ面の傾斜、アライメン
トヘッドの位置の変動などの変動要因に対して、センサ
上で信号光と参照光が全く等しい光量重心移動を起こす
ためにはマスク、ウエハ間の相対的位置ずれ量が０の付
近で信号光束と参照光束のセンサ上に到達するまでの光
路長が実質的に等しいことが必要条件であり、そのため
の構成要件として本実施例では所定のレンズ作用を持つ物理光学素子としてマスク面
上に信号光束用と参照光束用の２種類の焦点距離のグレ
ーティングレンズを形成し、ウエハ面上にはマスク面上
に形成したアライメントマークと略同じサイズの１種類
の焦点距離の信号光束用グレーティングレンズを形成
し、参照光束はマスク、ウエハ上のアライメントマーク
の両方でレンズ作用を受けないこと、即ち、いずれか一
方でレンズ作用を受けるかまたはいずれにもレンズ作用
を受けないようにした。

参照光束受光センサ、信号光束受光センサを同一基板
面上に形成し、該基板面の法線が、位置ずれ量０のとき
のウエハ面からの信号光束出射角と参照光束出射角の２
等分線と略平行になるように配置した。

位置ずれ量０のときのウエハ面から出射する上記２光
束の光路がそれぞれなす２つの面と、ウエハ面とが直交
するようにグレーティングレンズパターンを設計した。

上記は必須の構成要件ではなく上記のに関しては等
しい重心移動を起こすようなセンサ配置に関する必要構
成要件の一例であり、他の例としては、位置ずれ量０の
とき、各センサ面に各光束が垂直入射し、かつウエハ面
からの各光路長が等しくなるようにセンサを配置しても
よい。

更にに関する他の構成としては、上記２光路のなす
角度の２等分線が位置ずれ検出方向と直交するようにグ
レーティングレンズパターンを設計してもよい。

また、第９図のフローチャートに示すように、信号光
と参照光とは、センサ面への出射方向の位置ずれ検出方
向成分が必ずしも一致しなくてもよい。

例えば、信号光重心位置と、参照光重心位置との間の
距離ｌの位置ずれ検出方向斜影成分が所定の値ε_０を中
心とする所定の許容値範囲ε_１≦ε_０≦ε_２に収まるよ
うに位置ずれ計測および位置ずれ補正制御を行なっても
よい。

或は信号光受光センサの出力値と参照光受光センサの
出力値との差動出力値が所定の値を中心とする許容値範
囲に収まるように同様の計測制御を行なってもよい。

第３図（Ａ）は本発明の第２実施例の要部概略図であ
る。

同図において第１図に示す要素と同一要素には同符番
を付している。

本実施例において位置ずれ検出方向はスクライブライ
ン９、10方向である。第１アライメントマークと参照マ
ーク５の少なくとも一方を複数の領域に形成している。

第３図（Ｂ）はマスク１面上の第１アライメントマー
ク４と参照マーク５の概略図、第３図（Ｃ）はウエハ２
面の第２アライメントマーク３の概略図である。

参照光束８としては第１図の第１実施例と同様にウエ
ハ２面上からの０次反射回折光を用いている。

本実施例では入射光束６を１つとし、これをアライメ
ントマークで分離して信号光と参照光を得ている。

尚、マスク１とウエハ２面上の各マークの焦点距離は
第１実施例と同様である。

本実施例に示したとおり、信号光と参照光がそれぞれ
マスク上物理光学素子を透過回折したのち、ウエハ面上
の略同一領域上の物理光学素子で反射した光を回折する
ように構成した結果、ウエハ面上の局所的傾斜による影
響を参照光束の光量重心位置計測により抑えることがで
きる。

本実施例においては、ウエハ面上には信号光用マーク
のみを設定することによりマークの構成がシンプルにな
り不要回折次数光成分が少なく、また位置ずれに伴なう
信号光量と参照信号光量の減少を防ぐことができる。

第４図（Ａ）は本発明の第３実施例の要部概略図であ
る。

図中41は位置ずれ検出用マークであり第４図（Ｂ）に
示すように信号光用グレーティングレンズパターンと参
照光用グレーティングレンズパターンが０、１振幅透過
型パターンとして２重に描画されている。

第４図（Ｃ）はウエハ２面上に設けた第２アライメン
トパターンの概略図である。

同図に示すようにウエハ２面上には信号光用グレーテ
ィングレンズパターンのみが設定され、ウエハ面の傾斜
検出用参照光としては、ウエハ面２からの０次反射光を
用い、マスク面上のグレーティングレンズで更に２次回
折透過する光束がアライメントヘッド内の参照光用セン
サ12に受光されるようにしている。個々の信号光、参照
光用グレーティングレンズのパワー配置は第１実施例と
同じである。本実施例も第３図の実施例と同様の効果が
得られる。

第５図は本発明の第４実施例の要部概略図である。

本実施例においては位置ずれ検出方向はスクライブラ
イン方向（ｘ方向）である。

又、本実施例ではマスク面上のマークはアライメント
信号光用マーク４のみ設定し、またウエハ面上もアライ
メント信号光用マーク３のみ設定し、特に参照光束発生
のための参照光用マークを設けていない。スクライブラ
イン直交方向にマスク上マークとウエハ上マーク設定位
置を相対的に20μｍずらした。

本実施例においては、マスク面上のマークを０次で透
過し、ウエハ面上マークを０次で反射する光束を参照光
束として用い、該光束を受光するための受光レンズ系、
およびセンサ12を設定した。また前述の第１〜第３実施
例と同様、不要な回折光の影響を避けるためにマスク面
法線に対し斜め入出射する系を構成した。

ここに信号光はマスク面法線に対してyz面内で11゜で
入射後レンズ作用を受けてウエハ面法線に対しyz面内で
２゜の角度でウエハ面に入射し、更にウエハ面上位置ず
れ量検出用マーク３を１次で回折して、ウエハ面法線に
対してyz面内で16゜の角度で出射するような光束を使っ
た。

xz射影面内では、アライメント光束は、位置合わせ完
了時には、マスク面又は、ウエハ面に垂直に光束が入出
射するように設計される。その他マークのサイズおよび
グレーティングレンズのパワー配置、位置ずれ量検出倍
率は第１〜第３実施例と同じである。

第１〜第３実施例では参照光束はウエハ面から０次反
射し、マスク面上の参照マークで２次回折された後、セ
ンサ上に集光されるように構成している。これらの各実
施例では参照光束はマスク面上のマークを１次以上の次
数で回折するように構成したが、本発明はこれに限定さ
れるものではない。

例えば第６図（Ａ）に示すように参照光束の光路をマ
スク１面上のマークを１次で回折し、ウエハ２面上のマ
ークを０次で反射した後、マスクを０次で透過回折する
ものを用いても良い。このときの位置ずれ検出方向はス
クライブライン方向即ちｘ方向としてマスク面上に設け
た参照光用マーク（焦点距離20.167mm）を１次回折した
透過光束の主光線はyz面断面でウエハ面法線に対し５゜
の角度をなし、ウエハ面上マークを反射して、マスク面
からマスク面法線に対し５゜の角度で出射する。

なお、本発明の適用は、半導体製造装置の位置合わせ
機構に限定されるものではなく、例えばホログラムの露
光再生時のホログラム素子セッティングの際の位置合わ
せ、多色印刷機械の位置合わせ、その他、光学部品、光
計測システムの調整時の位置合わせ、間隔測定、など広
く適用可能である。

またxz面断面では、位置合わせ完了時、第６図（Ｂ）
に示すように信号光７と参照光８ともに、マスク、ウエ
ハ面に対し垂直な方向（法線方向）に入出射するように
投影されている。

信号光はウエハ面から16゜の角度で出射する。その他
のアライメント光束の入出射角、グレーティングレンズ
のパワー配置、マークサイズ等は第１実施例と同じであ
る。

（発明の効果）本発明によれば前述の光学的性質を有する第１、第２
アライメントマークを各々第１、第２物体面上に設け、
各々のマークを介した信号光束と第２物体面上の第２ア
ライメントマークからの０次反射光に基づく参照光束の
双方の光束を利用することにより、例えば第１物体とし
てのマスクと第２物体としてのウエハの位置合わせを行
う際、次のような効果が得られる。

（イ）ウエハ面が傾斜するか、或はレジストの塗布むら
や、露光プロセス中に生じるそりなどのローカルな傾き
等によってアライメント光の重心位置が変動しても参照
信号光とアライメント信号光との相対的な重心位置検知
を行うことにより、ウエハ面の傾斜に左右されずに正確
に位置ずれを検出することができる。

（ロ）アライメントヘッドの位置がマスクに対して相対
的に変動した為に、アライメント信号光のセンサ上の重
心位置が変動しても参照信号光とアライメント信号光と
の相対的な重心位置検知を行うことにより、アライメン
トヘッドの位置ずれに左右されずに正確にマスク−ウエ
ハ間の位置ずれを検出することができる。

（ハ）更にマスクとウエハ間のギャップが変動して、信
号光のアライメントセンサ上のアライメント検知方向の
重心位置が変動しても参照信号光とアライメント信号光
との相対的な重心位置検知を行うことにより、ギャップ
変動に左右されずに正確に位置ずれを検出することがで
きる。

（ニ）特にマスク面上に参照光用マークを設けなくて
も、ウエハ面からの０次反射光を選択的に受光すること
ができ、不要回折光の抑制、ウエハの局所的傾斜の除去
の点でシンプルな構成で優れた効果を発揮することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の概略図、第２図
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は第１図の一部分の説明図、第
３、第４、第５図、第６図は本発明の第２、第３、第
４、第５実施例の光学系の概略図、第７、第８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、第９図は本発明に係る第１実施例のフローチャート
である。図中、１は第１物体（マスク）、２は第２物体（ウエ
ハ）、４、３は各々第１、第２アライメントマーク、５
は第１参照マーク、７はアライメント光、８は参照光、
９、10はスクライブライン、11は第１検出系（セン
サ）、12は第２検出系（センサ）である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物体と第２物体との相対的位置決めを
行う位置合わせ装置において、物理光学素子としての機
能を有し前記第１物体上に形成された第１アライメント
マークに光束を入射させたときに生ずる回折光を、物理
光学素子としての機能を有し前記第２物体上に形成され
た第２アライメントマークに入射させ、前記第２アライ
メントマークで回折した信号光束の光量重心を検出する
第１検出手段と、物理光学素子としての機能を有し前記
第１アライメントマークに隣接して設けた若しくは重複
して設けた参照マークに光束を入射させたときに生ずる
回折光を、前記第２アライメントマークに入射させ、前
記第２アライメントマークで０次回折した参照光束の光
量重心を検出する第２検出手段と、前記第１検出手段か
ら得られるアライメント信号と前記第２検出手段から得
られる参照信号の双方の信号を利用して前記第１物体と
前記第２物体との位置ずれを検出する位置ずれ検出手段
とを有することを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項２】前記位置ずれ検出手段は、前記アライメン
ト信号と前記参照信号との差信号を利用して前記第１物
体と前記第２物体との位置ずれを検出することを特徴と
する請求項１記載の位置合わせ装置。
【請求項３】前記第１アライメントマークが収束作用を
有し、前記第２アライメントマークが発散作用を有する
ことを特徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。
【請求項４】前記第１アライメントマークが発散作用を
有し、前記第２アライメントマークが収束作用を有する
ことを特徴とする請求項１記載の位置合わせ装置。