JP2791120B2

JP2791120B2 - 位置検出装置及び方法

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Publication number: JP2791120B2
Application number: JP1203053A
Authority: JP
Inventors: 優和真継; 謙治斉藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1989-08-04
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH0367103A

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及び方法、例えば半導体露光装
置のマスクあるいはレチクル（以下マスクで総称）とウ
エハ間位置合わせなどに適用可能な高精度位置検出に関
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号や第4514858号、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９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。このときの平面上に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10図は第９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。

〔発明が解決しようとしている問題点〕

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。

第11図はウエハ60がθ傾いている場合の検出面127面
上の光束の重心位置の変動を示し、今、同図のようにマ
スクを通過したアライメント光束がウエハ60に入射する
とする。

このとき、ウエハのアライメントマーク60のある場所
では角度θだけ平均的に面が傾いているとすれば、検出
面127上での光量重心位置はＰθとなり、傾きがなかっ
た場合の集光点P₀より、Δδθだけ移動したことにな
る。これを式で表わせばΔδθ＝bw・tan2θとなる。

今、とすれば Δδθ＝18.7×10⁺³×２×10^-4＝3.74μｍとなる。

即ち、3.74μｍの位置ずれ誤差となり、マスクとウエ
ハをこれ以上の精度で位置合わせをすることが出来なく
なる。

本発明は上述従来例の欠点に鑑み、ウエハ面傾きの影
響を受けない正確な相対位置検出を可能にする位置検出
装置及び方法を提供する事を目的とする。

〔問題点を解決するための手段及び作用〕

本発明は第一物体に複数の波長の光束あるいは波長の
異なる多光束を照射し、それぞれを第一物体で集光ある
いは発散させると共に第二物体で集光あるいは発散させ
た前記多波長光束、あるいは波長の異なる多光束を検出
して、少なくとも二つの波長におけるそれぞれの検出結
果から第一物体と第二物体との相対位置を検出する様に
している。

本発明の後述する実施例によればウエハ面傾きの影響
を受けないだけでなく、光束照射手段や検出器の位置変
動の影響も受けない。他の作用は後述する実施例の説明
の中で明らかになるであろう。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の位置検出装置を適用し
た半導体素子製造用の露光装置の概略図である。図中１
はマスク、２はウエハ、3a,4aはそれぞれマスク１、ウ
エハ２上に形成されたフレネルゾーンプレート（グレー
テイングレンズ）から成る第１及び第２物理光学素子で
ある。５は例えばウエハチヤツクであり、ウエハ１を吸
着している。６はアライメントヘツドであり、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上へ転写する為の露光領域である。
露光領域Ｅの図面上側に不図示の露光用光源がある。８
はCCDラインセンサ等の検出器、９は検出器８の検出
面、10は発振波長域の可変な、例えば半導体レーザであ
る光源、11はコリメータ用の投光レンズ系、12はハーフ
ミラーである。

100はXYステージであり、ウエハチヤツク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、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。

XYステージ100は又ウエハ４をＺ方向の所定位置に動
かしてマスクとウエハとをギヤツプ設定し、マスク１と
ウエハ２は所定の範囲のギヤツプ値で保持される。

尚、XYステージ100はピエゾ駆動の精密ウエハステー
ジとステツ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、このピエゾとステツピ
ングモータとを含み、CPU102はウエハを微小移動させる
時にはピエゾに、比較的大きな距離移動させる時にはス
テツピングモータに指令信号を送っている。

本実施例では発振波長域の可変な光源10、例えば半導
体レーザから出射された光束を投光レンズ系11で略平行
光束とし、ハーフミラー12を介し、第１物体であるマス
ク１上のフレネルゾーンプレートの一種であるグレーテ
イングレンズから成る第１物理光学素子3aを斜方向から
照射している。

第１物理光学素子3aは集光あるいは発散作用を有して
おり、透過光を第１物体１としてのマスク面の法線方向
（−Ｚ方向）に射出させ、第１物理光学素子3aから所定
の距離離れた第２物体２としての、ウエハ２面上に設け
られているグレーテイングレンズより成る第２物理光学
素子4aに入射させている。第２物理光学素子4aは集光あ
るいは発散作用を有しており、光束をアライメントヘツ
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。マスク上照射領域は第
１物理光学素子3aの大きさより大きくしておき、第１物
理光学素子3aの位置がマスクの設置誤差で多少ずれても
出射する光束の状態が変化しない様にしている。

以下、便宜上第１物理光学素子3aをマスクのグレーテ
イングレンズ、第２物理光学素子4aをウエハのグレーテ
イングレンズと呼ぶ。

このように本実施例ではマスク１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イングレン
ズより構成し、アライメントヘツド６からマスク１面に
斜入射したアライメント用の光束をマスク１面の法線方
向（−Ｚ方向）に偏向し、所定の位置（例えばＺ＝＋27
6.0μｍ）に集光させている。

本実施例においてマスク１面上に斜入射させる角度α
は 10＜α＜80（deg）程度が好ましい。

又、ウエハ２上のアライメントパターン4aはＺ軸に関
して非対称なパターンのグレーテイングレンズで、例え
ば焦点距離278.78μｍとなるように設定され、マスク１
面上のグレーテイングレンズを透過、回折した収束（発
散）光をアライメントヘツド方向に導光している。

このときのアライメント光束10aはグレーテイングレ
ンズのレンズ作用を受けアライメントヘツド６内の受光
器８に入射する。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。

ここで装置に固定されているマスク１に対し、ウエハ
２がｙ方向に位置変動を起こした場合、マスクとウエハ
のグレーテイングレンズ3a,4aはレンズ光学系内でレン
ズ同士が軸ずれを起こしたのと同じ状態になり、出射光
束の出射角が変動する。この為、受光面９上の光束入射
位置はマスクとウエハとのｙ方向相対ずれ量に応じた量
だけ受光面９上でｙ方向に移動する。ここでは検出器８
がCCDラインセンサで、その検出面９上の素子配列方向
はｙ方向に一致する。マスク１とウエハ２との相対ずれ
量がそれ程大きくない範囲ではスポツトのｙ方向の移動
量はマスクとウエハとのｙ方向相対ずれ量に比例する。

今、マスクとウエハとがｙ方向にΔσずれており、ウ
エハ２からマスクのグレーテイングレンズ3aで集光（あ
るいは発散）されてウエハに入射する光束の集光点位置
（あるいは発散原点位置）までの距離をａ、ウエハ２か
ら検出面９までの距離をｂとすると、受光面９上での光
束の重心ずれ量Δδはとなる。即ち重心ずれ量Δδは（b/a＋１）倍に拡大さ
れる。Ａ＝（b/a＋１）は光束重心ずれの位置ずれ量に
対する倍率となる。ただし、この時の光束の波量はλと
する。

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。ここで光束の重心
とは、光束検出面内において、検出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断
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。

ここで、波長λにおけるマスク１のグレーテイングレ
ンズ3aの焦点距離をｆ、マスク1,ウエハ２間の間隔をｇ
とおくと、ａ＝ｆ＋ｇとなり、従って波長λにおける光束重心ずれ量の位置ず
れ量に対する倍率Ａはである。次に、光源の波長をλ、グレーテイングレンズ
の輪帯の半径をr_m（ｍは輪帯番号）とすると、焦点距離
ｆとのあいだに、の関係が成り立ち、これよりｆはアライメント光束の波長がΔλ変化したとすると焦点距
離ｆは、で表わされるΔｆ変化する。

このとき光束重心ずれ量の位置ずれ量に対する倍率
は、で表わされるΔＡだけ変化し、Ａ＋ΔＡの倍率となる。

例えばＡ＝101、波長λにおける焦点距離ｆ＝0.187m
m,g＝0.03mmとすれば、また、とすると、ΔＡ＝8.6となる。

従って、マスク１とウエハ２が所定の位置ずれ量Δσ
のときに光源の波長を、例えば10％変調、または選択的
にスフトすることにより検出面９上での光束の重心位置
は、で表わされるΔδ′だけ移動する。

従ってマスク１とウエハ２とがｙ方向に位置ずれのな
い状態、即ちΔσ＝０の時に、波長が変化しても検出面
９上での光束の重心位置が変動しない（即ちΔδ′＝０
となる）様にマスク及びウエハのグレーテイングレンズ
を設計しておけば、Δδ′はマスクとウエハとのずれ量
に比例する事になる。よって、あらかじめλ，Δλ,gの
値を設定し、f,Aの値を求めて、ΔＡの値を算出してお
く事により、Δδ′の値を検出器８の検出結果より求め
（ｂ）式に代入して簡単にマスク、ウエハずれΔσを検
出できる。又この時、波長をΔλだけ変動させた時の光
束重心位置移動方向はマスク、ウエハのｙ方向のずれ方
向、すなわちΔδ′の正負に対応しており、あらかじめ
この対応関係を求めておけば、波長変動時の光束重心位
置移動方向からずれ方向も検出する事ができる。

ここでΔσ＝０の時のΔδ′は必ずしも０でなくても
よく、Δσ＝０の時のΔδ′の絶対値及び波長変動時の
光束重心位置移動方向をあらかじめ求めておけば、位置
ずれ検出時のΔδ′の値とΔσ＝０の時のΔδ′の値の
差分を（ｂ）式に代入してマスク、ウエハずれ量を求め
る事ができる。位置合せは第１の方法としてはマスク、
ウエハ間の位置ずれ量Δσに対する前述波長変更時の光
束重心位置移動量Δδ′の関係式、即ち（ｂ）式を予め
求めておき、位置検出時に光源から所定の２波長の光束
を順次出射させてそれぞれの波長における光束重心位置
を検出器８で検出して光束重心位置移動量Δδ′を求
め、このΔδ′の値から（ｂ）式を用いて双方の物体間
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、位置検出時に光源から所定の２
波長の光束を順次出射させて受光器８で得られた光束重
心位置からΔδ′と位置ずれ量Δσを打ち消す方向を検
出し、その方向にΔδ′に見合った所定量だけ第１物体
若しくは第２物体を移動させ、移動が終わればその時点
で再び所定の２波長の光束を順次出射させてΔσが許容
範囲になるまで上述の検出、移動を繰り返して行う。

以上のCPUの位置合わせ手順を、それぞれ第２図
（１），（２）に示す。

上述実施例のようにする事で検出面上にアライメント
光束の重心位置検出のための基準点、すなわちΔσ＝０
のときの受光面上の光束重心位置を求めておく必要がな
く、光源の波長を変調または選択的にシフトすることに
より、被測定物体間の相対位置ずれ量を簡単に検出する
ことができる。

また、ウエハ２が傾いた場合、この傾きによる検出面
上での光束重心位置移動量分は光源の波長を変化させて
も変化しないので、Δδ′に変化はない。これは光束照
射手段や検出手段に位置の変化があっても同様である。
従ってΔδ′を検出することによりウエハの傾き、光束
照射手段や検出器の位置変化の影響を受けない検出がで
きる。

本実施例では光源として半導体レーザを用い、注入電
流を制御することにより、発振波長を変調した。

この結果、１つの光束の重心位置の変動を検出するだ
けで、相対位置ずれ量の絶対値を検出することができ、
波長の異なる２光束を別光源から発生させる場合の２光
束間の相対位置ずれ等を問題にせずにすむ。

このようにして求めた位置ずれ量Δσをもとに第２物
体であるウエハを移動させれば第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。

以上のようにアライメント光束10aはマスク１上のグ
レーテイングレンズ3aで透過回折され、ウエハ２上のグ
レーテイングレンズ4aで反射回折されることによって、
マスクとウエハ上のグレーテイングレンズの間の光軸の
ずれが波長に依存する所定の倍率でｎ倍にグレーテイン
グレンズ系で拡大されて、アライメントヘツド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、グレーテイ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ヤツプ及び所定波長での位置ずれ
Δσに対する光束重心位置ずれΔδの倍率を考慮して設
定される。

例えば所定波長においてマスク、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
知する露光ギヤツプを30μｍのプロキシミテイ露光シス
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
光束として0.83μｍとする。このときアライメント光束
がアライメントヘツド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枚のグレーテイングレンズより成るグレーテイン
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図、第４図に示す。尚、この図ではウエハの
グレーテイングレンズ4aを反射と等価な透過型のグレー
テイングレンズに置換した系として示す。

第３図はウエハ２上のグレーテイングレンズ4aが正の
屈折力、マスク１上のグレーテイングレンズ3aが負の屈
折力の場合、第４図はウエハ２上のグレーテイングレン
ズ4aが負の屈折力、マスク１上のグレーテイングレンズ
3aが正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
の回折力を使うか、プラスの次数の回折光を使うかで決
まる。

同図において、例えばマスク１上のグレーテイングレ
ンズ3aの口径300μｍ、ウエハ２上のグレーテイングレ
ンズ4a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
（エアリデイスクe^-2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イングレン
ズ3aとウエハ用のグレーテイングレンズ4aの光学的形状
について説明する。

まず、マスク用のグレーテイングレンズ3a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。一般にグレーテイングレン
ズのパターンは光源（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。

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、マスク面の法
線方向にｚ軸をとる。マスク面の法線に対し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イングレンズ3a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イン
グレンズの曲線群の方程式は、グレーテイングの輪郭位
置をx,y,で表わすと、で与えられるここにλはアライメント光束の使用波長域
の中心波長、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）式の右
辺は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）ことを示し、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す。

一方、ウエハ上のグレーテイングレンズ4a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
の露光時のギヤツプを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ｙ軸方向に行
われるとし、アライメント完了時に検出面上の点（x₂,y
₂,z₂）の位置にアライメント光束が集光するものとすれ
ば、ウエハ上のグレーテイ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
ク面上の原点及びウエハ面上の点（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、ウエ
ハ面上グレーテイング（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（グレーテイングレ
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イ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矩形断面の位相
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
イングの輪郭を規定したことは、マスク上のグレーテイ
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イングレンズ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イングレンズ3aは例えばポリイミ
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
レーテイングレンズパターンを転写して形成、又はウエ
ハ上のグレーテイ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５図（Ａ）にウエハ面上のグレーテイングレンズ4
a、同図（Ｂ）にマスク面上のグレーテイングレンズ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ツド６か
らマスク１面の法線に対して17.5度で入射する。

マスク面上のスクライブラインには幅60μｍ、長さ28
0μｍのグレーテイングレンズ3aが、又、マスク面上の
スクライブラインには同じサイズのグレーテイングレン
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ツピングモータ駆動
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℃
±0.5℃の恒温チヤンバー中で測定した。又、アライメ
ントヘツド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イングレンズ
3aとウエハ用のグレーテイングレンズ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。

ここで、マスクとウエハ間の位置ずれ量が3.0μｍで
あるとすると、位置ずれ量が0.0μｍの場合のラインセ
ンサ上のアライメント光束重心位置を基準点として約30
0μｍの位置に光量重心在することになる。

位置ずれ量0.0μｍとなるときのセンサ上光束重心位
置は不明であるから、アライメントヘツド内半導体レー
ザー注入電流を50mA変化させることにより、発振中心波
長を830nmから838nmに変化させた。このとき波長変調率
は従って横ずれ検出倍率変動幅ΔＡは0.82となり、ライン
センサ上光量重心移動量は2.48μｍとなる。

またマスク、ウエハ間の位置ずれ量が7.0μｍのと
き、同じ波長変調率でセンサ上光量重心移動量は5.74μ
ｍとなる。

このように光源の波長変調率が一定であるとして、発
振波長の変調前後でのセンサ上光量重心位置の移動量Δ
δ′から、マスク、ウエハ間相対位置ずれ量Δσは、下
式のように求められる。

第６図は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ンセンサで検出し
た重心位置の変化を示す。第６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
置はグレーテイ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（20
μｍ）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イングレンズ間
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、センサ上のスポツ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イングレンズの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イングレン
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、アライメントヘツド６が
露光領域Ｅに入り込まずにマスクとウエハ間の位置ずれ
量を計測制御することができる。

本発明による第２の実施例を適用した半導体露光装置
の要部斜視図を第７図に示す。第１図と同一部材は同一
符号で示してある。主な構成要素は第１実施例と同じで
あるが、本実施例ではアライメントヘツド内に光源とし
て発振中心波長の異なる２つの半導体レーザ10−1,10−
２を設けた。半導体レーザ10−1,10−２からの光束はハ
ーフミラー12aにより出射した時に主光源が重なる様に
光路調整されている。

CPU102は前述の実施例で説明した波長変更の際に点灯
する半導体レーザを切り換える、即ち交互に点灯させる
（同時でも良い）事により照射用光束の波長変更を実行
している。これはそれぞれの半導体レーザーの前にシヤ
ツタを設け、交互にシヤツタを開閉する様に制御しても
良い。

半導体レーザ10−１の中心波長は830nm、半導体レー
ザ10−２の中心波長は780nmで、グレーテイングレンズ
の設定方程式は波長が805nmのアライメント光に適用す
ると仮定して、パラメータの設定を行った。このとき波
長変調率はマスク１のグレーテイングレンズ3aの焦点距離ｆ、マ
スク、ウエハ間隔ｇは第１実施例と同じとし、波長805n
mの光束に対し、グレーテイングレンズ系の位置ずれ検
出倍率Ａが100になろうとすると、倍率変動幅ΔＡは5.3
3となる。

本発明に係る第３の実施例を適用した半導体露光装置
の要部斜視図を第８図に示す。本実施例では光源とし
て、白色光源10′を要い、波長選択手段として回折格子
13およびスリツト板14をアライメントヘツド６内に設定
している。回折格子13は入射光束に対し、その入射角を
変化させる事により各波長毎に回折光の出射角が変動す
る。回折光を受光可能な所定位置にスリツト・ピンホー
ル等を設けたスリツト板14を配置し、回折格子13を入射
角が変化する様に回転させる事によってスリツト板14を
通過する光束の波長を変化させる事ができる。従ってCP
U102は前述の実施例で説明した波長変更の際に、回折格
子13を所定の角度回転させる事によって照射用光束の波
長変更を実行している。

本実施例のように、コヒーレンシーの低い光源を用い
ることにより、ウエハ２面上のレジスト表面粗をマス
ク、ウエハ上のアライメントマークのエツジからの散乱
光等の要因により発生する受光面９上のスペツクルなど
の不要光を抑えることができる。

尚、波長選択手段としては、回折格子を用いる事に限
定されることなく、例えばプリズムなどを用いてよい。
又、波長選択手段は光源10′のすぐ後ではなく、検出器
８の検出面９の直前に配置し、白色光をグレーテイング
レンズ3a,4aに照射し、回折された光束を波長選択手段
によって検出したい波長のみ検出面９上に入射させる様
に制御してもよい。この場合スリツト板14はマスク、ウ
エハいずれによって光束の出射角が変動しても、マスク
とウエハとが所定の位置ずれ範囲内にあれば、検出用の
波長の光が遮光されない様にスリツトの大きさを設定し
ておく。

本発明による第４の実施例を第12図に示す。

本実施例は前記実施例と同様、半導体露光装置のマス
ク（レチクル）、ウエハ間の位置合わせ装置であり、ウ
エハ上には所定膜厚のレジストがスピンコートされてい
る。

本実施例ではアライメント用光束の波長をレジストの
膜厚、分光反射率に基づいて選択し、センサ面上に集光
する光束の強度レベルが常に一定以上に保たれるように
している。

本実施例ではレジスト膜厚によってきまる分光反射率
の計測を位置ずれ量計測制御に先立って光学手段によっ
て行う。

分光反射率計測用光学手段としては、位置ずれ計測用
光ヘツド６と露光装置本体に取り付けられたセンサ13、
ミラー14から成る系を用い、マスク１を露光エリアＥに
マウントする前（マウント後でも良い）にヘツド６内光
源10より、ウエハ２面に光束10aを投射し、ウエハ面か
らの反射光10bのセンサ13上強度を測定して行う。

光源10は複数の発振波長の異なるレーザまたは発振波
長の制御可能な可変波長レーザ（半導体レーザ、色素レ
ーザなど）、または準単色なスーパールミネツセントダ
イオード（SLD）或は白色光源と波長選択手段（プリズ
ムまたは回折格子）から成る光学手段で構成されてお
り、選択可能な波長域で波長をスキヤンしてレジストが
塗布されたウエハ面からの分光反射率を測定し、該測定
データに基づき位置ずれ計測時に選択する少なくとも２
つの波長を決定する。

波長選択の方法としては、第12図に示す系においては
光束投射角αとマスク面上マーク3aから回折して、ウエ
ハ２面上に到達する信号光束10a′の入射角α′に基づ
いて以下のように決める。

一般に屈折率noの基板上に形成された膜厚ｌ屈折率ｎ
の膜厚に角度θで入射した強度Ｉ、波長λの光線の反射
強度Inは多重反射を考慮して次式で与えられる。

ここにｒは薄膜と基板との界面での振幅反射率ｒ′は
薄膜と接する大気などとの第２の界面での振幅反射率を
表わす。

Irはδがとなるとき最大となるから、を満たすと多重反射を考慮した反射率は極大になる。

いま入射角度θに対応する反射率極大を与える波長を
λ（θ）とおくと、従って他の入射角度θ′に対応する反射率極大を与え
る波長λ（θ′）はλ（θ）を用いてで与えられる。一般には反射率が極大値に対して所定の
割合となるような波長の入射角θ依存性も（３）式で与
えられる。

従って、予め入射角度α′で分光反射特性を測定して
おけば、（３）式に基づいて反射率が極大値に対して所
定の割合となる波長を求めることができる。

また反射率が極大に対して何％となる波長を選択する
かは任意に設定可能であり、光源の選択可能な波長域を
考慮して決定すればよい。

尚、レジスト膜厚に応じたセンサ上での信号光束の分
光強度特性を光ヘツド６とマスク１およびウエハ２から
成る位置ずれ計測光学系において測定してもよい。

尚、前実施例と同様、本実施例では２つの異なる波長
の光束をマスク、ウエハ上に形成されたグレーテイング
レンズ投射して波長による位置ずれ検出感度の違いを利
用して位置ずれ量の計測を行うが、その原理及び信号処
理等は既に説明したとおりである。

〔発明の効果〕以上説明した様に、本発明によればウエハ等の第２物
体に傾きが生じたり、光束照射手段や検出器に位置変化
が生じても、誤差を生じない高精度な位置検出が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１実施例の概略図、第２図は本発明の位置合わせ制御手順の実施例を示すフ
ローチヤート図、第３図、第４図はグレーテイングレンズ屈折力配置説明
図、第５図はアライメントマークパターンの一例の図、第６図は本発明の位置ずれ検出特性を示すグラフ、第７図は本発明による第２の実施例の概略図、第８図は本発明による第３の実施例の概略図、第９図、第10図、第11図は従来例の説明図、第12図は本発明による第４実施例の概略図である。図中、1:マスク、2:ウエハ、3a,4a:グレーテングレン
ズ、8:検出器、9:検出面、10:光源、102:CPUである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レンズ作用を有する第一物理光学素子を設
けた第一物体とレンズ作用を有する第二物理光学素子を
設けた第二物体との相対位置を検出する装置で、第一物
理光学素子に複数の波長の光を各波長同時あるいは順次
に照射する光源手段、前記光源手段によって照射されそ
れぞれが前記第一物理光学素子によって集光あるいは発
散されると共に前記第二物理光学素子によって集光ある
いは発散された前記複数の波長の光を検出する検出手
段、を有し、前記検出手段による少なくとも二つの波長
におけるそれぞれの検出結果によって第一物体と第二物
体との相対位置を検出することを特徴とする位置検出装
置。
【請求項２】第一物体と第二物体との相対位置を検出す
る方法で、第一物体にレンズ作用を有する第一物理光学
素子を、第二物体にレンズ作用を有する第二物理光学素
子をそれぞれ設け、前記第一物理光学素子に複数の波長
の光を各波長同時あるいは順次に照射し、それぞれが前
記第一物理光学素子によって集光あるいは発散されると
共に前記第二物理光学素子によって集光あるいは発散さ
れた前記複数の波長の光を検出し、少なくとも二つの波
長におけるそれぞれの検出の結果に基づいて前記第一及
び第二物体の相対位置を検出することを特徴とする位置
検出方法。