JP2833145B2 - 位置検出装置 - Google Patents

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ずれ量を求
め、双方の位置決め（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マークを設け、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マークのずれ量を画像処
理を行うことにより検出したり、又は米国特許第403796
9号や米国特許第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マークとしてゾーン
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マークを用いた方法に比べてア
ライメントマーク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検出装
置の概略図である。

同図においてマスクＭはメンブレン117に取り付けて
あり、それをアライナー本体115にマスクチャック116を
介して支持している。本体115上部にアライメントヘッ
ド114が配置されている。マスクＭとウエハＷの位置合
わせを行う為にマスクアライメントマークMM及びウエハ
アライメントマークWMがそれぞれマスクＭとウエハＷに
焼き付けられている。

光源110から出射された光束は投光レンズ系111により
平行光となり、ハーフミラー112を通り、マスクアライ
メントマークMMへ入射する。マスクアライメントマーク
MMは透過型のゾーンプレートより成り、入射した光束は
回折され、その＋１次回折光は点Ｑへ集光する凸レンズ
作用を受ける。

又、ウエハアライメントマークWMは反射型のゾーンプ
レートより成り点Ｑへ集光する光を反射回折させ検出面
119上へ結像する凸面鏡の作用（発散作用）を持ってい
る。

このときウエハアライメントマークWMで−１次で反射
回折作用を受けた信号光束はマスクアライメントマーク
MMを通過する際、レンズ作用を受けずに０次光として透
過し検出面119上に集光してくるものである。

同図の位置検出装置においては、マスクＭに対しウエ
ハＷが相対的に所定量位置ずれしていると、その位置ず
れ量Δσｗに対して検出面119上に入射する光束の入射
位置（光量の重心位置）がずれてくる。このときの検出
面119上のずれ量Δδｗと位置ずれ量Δσｗとは一定の
関係があり、このときの検出面119上のずれ量Δδｗを
検出することによりマスクＭとウエハＷとの相対的な位
置ずれ量Δσｗを検出している。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら従来の位置検出装置においては位置合わ
せを行う為に対向配置した２つの物体間に予め設定され
た値から外れて間隔が変動する場合がある。この場合、
その変動に伴い位置ずれ量Δσｗに対する検出面上での
光束の入射位置のずれ量Δδｗとの比Δδw/Δσｗであ
る位置ずれ検出倍率も変動し、位置ずれ量の検出誤差と
なってくるという問題点があった。

又、光源や該光源からの光束をマスク面上に導光する
為の投光光学系或は信号光を受光する為の受光系等を内
蔵するアライメントヘッドがアライメントマークに対し
て相対的に位置変動を起こすと、検出部の検出面上への
光束の入射位置も変動し、結果的に位置ずれ量Δδｗの
検出誤差となってくるという問題点があった。

本発明は位置合わせをすべき第１物体と第２物体の２
つの物体間に予め設定した値から外れて間隔の変動があ
っても、又アライメントヘッドがアライメントマークに
対して相対的に位置変動しても第１物体と第２物体面上
に設けるアライメントマークの形状や投光光束のアライ
メントマークへの入射角等の各要素を適切に設定するこ
とにより、２つの物体の相対的位置ずれ量を精度良く検
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、少なくとも２つの物理光学
素子より成るアライメントマークを各々設けた第１物体
と第２物体とを対向配置し、投光手段からの光束を、光
強度分布調整手段を介して該第１物体と第２物体に設け
た各々のアライメントマークを介した後２つの光束を所
定面上に導光し、該所定面上における該２つの光束の入
射位置を検出手段により検出することにより、該第１物
体と第２物体との相対的な位置ずれ量の検出を行う際、
２つの光束のうち少なくとも一方の光束は該第１物体面
上のアライメントマークと第２物体面上のアライメント
マークで各々結像作用を受けており、該光強度分布調整
手段は、該所定面上に入射する２つの光束の入射位置の
相対距離に基づいて前記第１又は第２物体上の前記少な
くとも２つのアライメントマークへ入射する光束の光強
度分布を調整していることを特徴としている。

即ち、本発明は物体面Ａと物体面Ｂを位置合わせすべ
き第１物体と第２物体としたとき物体面Ａに物理光学素
子としての機能を有する第１及び第２の信号用のアライ
メントマークA1及びA2を形成し、且つ物体面Ｂにも同様
に物理光学素子としての機能を有する第１及び第２の信
号用のアライメントマークB1及びB2を形成し、前記アラ
イメントマークA1に光束を入射させ、このとき生じる回
折光をアライメントマークB1に入射させ、アライメント
マークB1からの回折光の入射面内での光束重心を第１信
号光束の入射位置として第１検出部にて検出する。

ここで光束の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強度を乗算
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、便宜上光束重心として光強
度がピークとなる点を用いてもよい。同様にアライメン
トマークA2に光束を入射させ、このとき生じる回折光を
アライメントマークB2に入射させアライメントマークB2
からの回折光の入射面における光束重心を第２信号光束
の入射位置として第２検出部にて検出する。そして第１
及び第２検出部からの２つの位置情報を利用して物体面
Ａと物体面Ｂの位置決めを行う。このとき不均一な光強
度分布の光束を放射する投光手段からの光束を光強度分
布調整手段を介してアライメントマークに入射させてい
る。そして光強度分布調整手段により２つの光束の所定
面上における入射位置の相対距離の値の大きさに応じて
透過光束の光強度分布を調整している。

この他本発明では第１検出部に入射する光束の重心位
置と第２検出部に入射する光束の重心位置が物体面Ａと
物体面Ｂの位置ずれに対して互いに逆方向に変位するよ
うに各アライメントマークA1,A2,B1,B2を設定してい
る。

本発明の露光装置は前述した位置検出装置を用いて、
第１物体と第２物体との相対的な位置合わせを行い、該
第１物体面上のパターンを第２物体面上に露光転写して
いることを特徴としている。

又本発明の半導体素子の製造方法は前述した位置検出
装置を用いて、第１物体と第２物体との相対的な位置合
わせを行い、該第１物体面上のパターンを第２物体面上
に露光転写して半導体素子を製造していることを特徴と
している。

（実施例） 第１図は本発明の原理及び構成要件等を展開して示し
た説明図、第２図は第１図の構成に基づく本発明の第１
実施例の要部斜視図である。

図中、１は物体面Ａに相当する第１物体、２は物体面
Ｂに相当する第２物体であり、第１物体１と第２物体２
との相対的な位置ずれ量を検出する場合を示している。

第１図では第１物体１を通過し、第２物体２で反射し
た光が再度第１物体１を通過する為、第１物体１が２つ
示されている。５は第１物体１に、３は第２物体２に設
けたアライメントマークであり、第１信号を得る為のも
のである。同様に６は第１物体１に、４は第２物体２に
設けたアライメントマークであり、第２信号光を得る為
のものである。

各アライメントマーク3,4,5,6は１次元又は２次元の
レンズ作用のある又はレンズ作用のない物理光学素子の
機能を有している。９はウエハスクライブライン、10は
マスクスクライブラインである。7,8は前述の第１及び
第２のアライメント用の第1,第２信号光束を示す。11,1
2は各々第１及び第２信号光束を検出する為の第１及び
第２検出部である。第２物体２から第１又は第２検出部
11,12までの光学的な距離を説明の便宜上Ｌとする。物
体１と第２物体２の距離をｇ、アライメントマーク５及
び６の焦点距離を各々f_a1,f_a2とし、第１物体１と第２
物体２の相対位置ずれ量をΔσとし、そのときの第1,第
２検出部11,12の第１及び第２信号光束重心の合致状態
からの変位量を各々S₁,S₂とする。尚、第１物体１に入
射するアライメント光束は便器上平面波とし、符号は図
中に示す通りとする。

信号光束重心の変位量S₁及びS₂はアライメントマーク
５及び６の焦点F₁,F₂とアライメントマーク3,4の光軸中
心を結ぶ直線L1,L2と、検出部11及び12の受光面との交
点として幾何学的に求められる。従って第１物体１と第
２物体２の相対位置ずれに対して各信号光束重心の変位
量S₁,S₂を互いに逆方向に得る為にアライメントマーク
3,4の光学的な結像倍率の符合を互いに逆とすることで
達成している。

次に第１図，第２図に示すアライメント用の第1,第２
信号光束7,8の主光線の光路について説明する。

尚、以下の説明で主光線とはアライメントマークに結
像作用があるときはその軸を通過する光線をいい、結像
作用がないときは有効光束径の中心光線をいう。

不均一な光強度分布の光束を放射する不図示の光源よ
り射出した光束は不図示の投光光学系を経て所定のビー
ム径に拡大され、略平行光となり、光強度分布調整手段
20と偏光子21を介して第１物体１上のアライメントマー
ク5,6に物体面法線に対し斜めに入射する。

光強度分布調整手段20は例えば２次元的マトリックス
状のパターニングされた電極にはさまれた液晶セルアレ
ーより成り、これと偏光子21とを用いて各液晶セルに印
加する電圧を制御することにより透過光の偏光状態の分
布を任意に実時間で制御し、更にこれと偏光子21を用い
ることによりマスク１面上の投射光の光強度分布を任意
に実時間で制御している。

第１物体１面上に到達した略平行光束の光強度分布は
２つのアライメントマーク領域の中心で極小となる谷型
分布であり不均一な強度分布としている。

本発明に係るアライメントマークは中心間距離がゼロ
でない所定値となる２つの領域から成り、位置合わせを
行う各物体面上に形成されている。アライメント用の光
束は上記のとおり単一の不均一の光強度分布の光束とし
て第１物体面上のアライメントマーク5,6に入射する。
第１物体１面上のアライメントマーク5,6で回折した光
束は例えばアライメントマーク５で凸パワーの収斂作
用、アライメントマーク６で凹パワーの発散作用を受け
た後、第２物体面上のアライメントマーク3,4に到達す
る。

更に第２物体面上のアライメントマーク３で凹パワー
の発散作用、アライメントマーク４で凸パワーの収斂作
用を受けた光束はそれぞれ第1,第２信号光7,8となり第
２物体２面を射出し、第１物体１面を透過した後、所定
位置にある検出部11,12に入射する。尚、本実施例では
図示のｘ方向に位置ずれ量を検出する場合を示してい
る。

本発明は光線追跡に基づくシュミレーションにより第
１検出部と第２検出部に入射する２つの信号光束の位置
検出方向であるｘ方向の入射位置の相対距離（相対重心
距離）の長短に応じてアライメントマーク5,6への投射
光束の光強度分布を変えることが、第１物体１と第２物
体２との間の間隔の変動によってもたらされる、位置ず
れ量検出誤差の発生を極めて良好に抑えることができる
ことを見出した。

即ち、本実施例では第１物体と第２物体間の相対位置
ずれ量が不変であっても従来問題となっていた第１物体
と第２物体の間隔の変動に伴って生じる検出部11,12上
での２つのアライメント用の信号光束の入射位置（等価
的に光強度重心位置）間の距離の変動による位置ずれ量
検出誤差を光強度分布調整手段を採用することにより良
好に抑えることができるようにしている。

更に本発明者は第１物体面上のアライメント光束の照
射中心位置の変動によってもたらされる位置ずれ量検出
誤差の発生も同様に良好に抑えることができることを見
出した。

本発明はこのように光強度分布調整手段を用い光束の
光強度分布を制御することにより、前述の位置ずれ量検
出誤差の発生を抑え第１物体と第２物体の相対的な位置
ずれ量の高精度な検出を可能としている。

第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシミテイ
型半導体製造装置に適用した際の装置周辺部分の構成図
を示すものである。第２図に示さなかった要素として光
源13、コリメーターレンズ系（又はビーム径変換レン
ズ）14、投射光束折り曲げミラー15、ピックアップ筐体
（アライメントヘッド筐体）16,ウエハステージ17、位
置ずれ信号処理部18、ウエハステージ駆動制御部19等で
ある。Ｅは露光光束幅を示す。

本実施例においても第１物体としてのマスク１と第２
物体としてのウエハ２の相対位置ずれ量の検出は第１実
施例で説明したのと同様にして行われる。

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
対する検出部11,12の検出面11a,12b上での光束重心ずれ
量Δδの信号を得、信号処理部18で重心ずれ信号から双
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に相当する量だけステージ駆動制御部19でウ
エハステージ17を移動させる。

第２の方法としては検出部11,12からの信号から位置
ずれΔσを打ち消す方向を信号処理部18で求め、その方
向にステージ駆動制御部19でウエハステージ17を移動さ
せて位置ずれ量Δσが許容範囲内愛になるまで繰り返し
て行う。

以上の位置合わせ手順のフローチャートを、それぞれ
第３図（Ｂ），（Ｃ）に示す。

本実施例では第３図（Ａ）より分かるように光源13か
らの光束は露光光束の外側よりアライメントマーク5,6
に入射し、アライメントマーク3,4から露光光束の外側
に出射する回折光を露光光束外に設けられた検出部11,1
2で受光して入射光束の位置検出を行っている。

このような構成でピックアップ筐体16は露光中退避動
作を必要としない系も具現化できる。

次に第１実施例の各部の構成の詳細について第２図、
第３図（Ａ）、第４図を参照して説明する。

第４図は第1,第２信号光束7,8の第1,第２検出部11,12
への入射状態の説明図である。アライメント用のピック
アップ筐体16内の光源13である半導体レーザー（中心波
長0.785μｍ）から射出したアライメント光束はコリメ
ーターレンズ系14及びビームスプリッタ（又はハーフミ
ラー）15から成る投光光学系を経て略平行光束となって
光強度分布調整手段20を介した後マスク１面上にマスク
面法線に対してyz面内で17.5゜の角度で斜入射する。

アライメント光束のマスク１面上の光強度分布（Ｉ
（x,y））は初期設定値として同図に示すように座標系
をとると σ_ｘ＝680μm,σ_ｙ＝120μｍ となる。又位置ずれ量の検出はｘ方向に行う。

マスクとウエハ面上の２つのアライメントマークの領
域のサイズはともにｘ方向に90μｍ、ｙ方向に50μｍで
あり第２図のように隣接して配置されている。

マスク１面上のアライメントマーク５は光束収斂作用
を有する凸パワーのグレーティングレンズであり、＋１
次回折光に対応する焦点距離は214.723μｍ、＋１次透
過回折光の主光線のyz面内の偏向角は17.5゜でマスク１
面を射出する主光線方向はマスク面法線と平行になる。

又、マスク１面上のアライメントマーク６は光束発散
作用を有する凹パワーのグレーティングレンズであり、
＋１次回折光に対応する焦点距離は−158.455μｍ、ア
ライメントマーク５と同様に主光線の偏向角はyz面内で
17.5゜になる。両方のアライメントマーク5,6ともxz面
内では偏向角は０゜で主光線方向は変らない。

本実施例においてマスク１面への光束斜入射角度αは 10゜＜α＜80゜ の範囲で設定されることが望ましい。

ウエハ２面上のアライメントマーク３においてはマス
ク１面上のアライメントマーク５で＋１次で回折透過し
た光束が入射する。ここで更に＋１次で回折、反射する
第１信号光束７は発散作用を受ける。アライメントマー
ク３は凹パワーのグレーティングレンズであり、焦点距
離は−182.912μｍであり、xz面内では主光線方向はウ
エハ面法線に対して−３゜の角度をなすように射出した
後、第４図に示すように該角度を保ちながら検出部11上
に到達する。

同様にウエハ１上のアライメントマーク４は＋１次反
射回折光に対応して凸パワーのグレーティングレンズ
（焦点距離190.378μｍ）であり、マスク１上のアライ
メントマーク６で透過回折した光束８に対して光学的作
用を及ぼしている。

又、第４図に示すようにアライメントマークから射出
する第２信号光束８はその主光線方向がウエハ２面の法
線に対してxz面内で＋3.35゜の角度をなすように射出し
た後、該角度を保ちながら検出部12上に到達する。以上
のような光路に対して本実施例では２つの光路のなす角
は正であるとしている。

一方、ウエハ２面から射出する際の第１、第２信号光
束7,8のyz面内での射出角度はウエハ面法線に対してそ
れぞれ７゜,13゜であり、空間的に分離配置された２つ
の検出部11,12に入射するようにアライメントマーク形
状及び光学系等の各要素が設定されている。

今、マスク１とウエハ２とが位置ずれ検出方向（ｘ方
向）に平行方向に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３で反射した光束の集光点o1
までの距離をｂ、マスク１のグレーティングレンズ５を
通過した光束の集光点F1までの距離をａとすると検出部
11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、本実施例において凹パワー、凸パワーはマイナス
の次数の回折光を使うか、プラスの次数の回折光を使う
かで決まるものとする。

又、ウエハ２上のグレーティングレンズ3,4の全径は1
80μｍ、マスク１上のグレーティングレンズ5,6の全径
は180μｍとし、マスクとウエハ間の位置ずれ（軸ず
れ）を100倍に拡大して検出部11,12上で光束の重心が移
動を起こし、この結果検出部11,12上の光束の径（エア
リディスク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。

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、比例関係となる。検出部
11,12の分解能が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。

本実施例ではマスクとウエハ上の各アライメントマー
クの焦点距離を前記のとおり設定しマスクとウエハ間の
間隔を30.0μｍ、検出部11,12の中心位置をそれぞれ
（0.0,−4.203,18.204），（0.0,−2.277,18.543）（単
位mm）とすることにより、第1,第２信号光7,8の検出部1
1,12面上での設計上の検出感度（即ちマスクとウエハと
の間の相対位置ずれ変動量（ｘ方向）に対する検出部面
上の光束入射位置の変動量の割合）はそれぞれ＋100,−
100にすることができる。

しかしながら一般的にこの設計上の検出感度は、マス
クとウエハ間の間隔の変動などに伴って変化し一定に保
つことが難しい。

本実施例では第１図に示すようにマスクとウエハ面上
にそれぞれ配置された左右の２つのアライメントマーク
に光束を投射し、最終的にアライメントマークから受光
部に到達する光線光路がマスク面法線に対し左手側のア
ライメントマークからは左手斜めに右手側のアライメン
トマークからは右手斜めに射出する構成において、 （イ）投射光の光強度分布を第４図に示すような逆ガウ
シアン分布（中心部で光強度が最小となる、例えば（A
1）式で示される分布）とする。

（ロ）上記分布の形状を受光部面上での２つの光束の重
心距離（ｘ方向に計測した値）に応じて変調する。具体
的には上記重心距離が長くなるほど分布の急峻度が小
（即ち緩やかな分布となるようにする（但し極小点は概
ね一定に保つ）。

特に（ロ）は受光部からの出力信号に基づき実時間で
光強度分布調整手段20（本実施例では液晶セルアレー）
と偏光子21を用いて投射光の光強度分布を変調する。

以上のように構成することによりマスクとウエハ間の
間隔変動に伴う位置ずれ検出感度の変動を最大限に抑制
することができる。

例えば（1a）式で示される光強度分布の光束のｘ方向
分布形状Ｉ（x,y）を実時間の光強度分布調整手段20を
用いて次のように変調する。

l ;2信号光束間重心距離 l₀;位置ずれ０のときの２信号光束間ｘ方向距離 ここでαは実験、或はシミュレーションにより求めた
数値でマスクとウエハの間隔変動に対して位置ずれ検出
感度の変動幅が最小となるように選んだ値である。

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5,6とウエハ用のグレーティングレンズ3,4のパターン
形状について説明する。

まず、マスク用のグレーティングレンズ5,6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ィングレンズ５又は６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、グレーティングレ
ンズの輪郭位置をx,yで表すと 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ィングレンズ3,4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、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、主光線がウエ
ハ面上に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
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５又は６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
３又は４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5,6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10図（Ａ）にマスク面上のグレーティングレンズ5,
6、同図（Ｂ）にウエハ面上のグレーティングレンズ3,4
の一実施例のパターンを示す。

以上説明した構成によりマスクとウエハ間のギャップ
（間隔）変動及びピックアップ筺体16の位置変動（平行
移動）に伴う第1,第２信号光束のｘ方向に沿って測って
光量重心位置の間隔（スポット間隔と以下称する）の変
動の大きさを測定した。

この結果光強度分布調整手段20を用い前述の（２），
（３）式で示される光強度分布の光束をアライメントマ
ークに照射することによりギャップ変動±3.0μｍに対
し、スポット間隔の変動量は1.9μｍとなり、マスクと
ウエハ間の相対位置ずれ検出誤差は0.0004μｍになっ
た。

これに対し、従来の光強度分布がガウシアン分布の光
束と照射する系（位置ずれ検出感度同じ）ではスポット
間隔の変動量は12.56μｍとなり、位置ずれ検出誤差は
0.063μｍであった。即ち本発明に係る光強度分布調整
手段を用いれば前記検出誤差は約130分の１に縮少す
る。

一方、ピックアップ筺体16の位置変動（xy平面に平行
移動）に対しては±10μｍの変動に対して位置ずれ検出
誤差は0.003μｍ（従来光路系では0.019μｍ）となり従
来に比べて約６分の１に縮少した。

第５図は本発明の第２実施例の要部斜視図である。

本実施例では半導体レーザ又はスーパールミネッセン
トダイオード等からなる２つの光源13−1,13−２を用
い、これら２つの光源13−1,13−２を所定間隔離して並
置し、各光源の出力を調整することにより光強度分布調
整手段としての機能を発揮させている。このときのアラ
イメントマーク面上の光強度分布は例えば第１図又は第
４図に示したのと同様である。（但し光強度分布の極小
点は概ね一定に保つ） ２つの信号光束7,8の主光線の光路、アライメントマ
ークの配置、その他の要素の構成は第１実施例と同様で
ある。このとき投射光の光強度分布の変調は第１実施例
と同様に行い、検出部面上の２つの光束の重心間隔が長
くなるにつれて、２つの光源13−1,13−２の分離間隔も
長くなるように設定している。

本実施例ではこのように２つの光源13−1,13−２を所
定距離，離間させ、２つのアライメントマーク5,6面上
の光強度分布を左右のアライメントマーク5,6間の中心
付近で強度が極小となり、該中心から離れる程増大する
ように構成している。そして最終的に左右のアライメン
トマーク5,6から受光部11,12に到達する２つの信号光束
7,8の光路を位置ずれ検出方向を含む断面内において左
手側のアライメントマーク５からは左手に、右手側のア
ライメントマーク６からは右手物体面法線に対して斜め
に射出するように構成している。これによりマスク１と
ウエハ２の間隔変動、アライメントヘッド筐体とマスク
との位置変動等に伴う位置ずれ量の検出誤差の発生量を
第１実施例と同様に良好に抑えている。

第６図は本発明の第３実施例の要部斜視図である。

本実施例においてはアライメント用の第1,第２信号光
束7,8用のアライメントマーク領域がマスク１とウエハ
２面上で各々所定距離、例えば100μ離間するように配
置されている。

ここでマスク１面上のアライメントマーク5,6に投射
される投射光ビーム径が第１実施例と同じであるとする
と、光路構成における第1,第２信号光束の最終相対角度
は最適値とはならず、ギャップ変動、アライメントヘッ
ド筺体の位置の変動に対する位置ずれ計測誤差は増大し
てくる。そこで本実施例では投射光ビーム径の光強度分
布の調整は第１実施例と同じとし、第1,第２信号光束の
xz面内の最終射出角をそれぞれ−4.0゜，＋4.8゜として
いる。

第10図（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ本実施例におけるマ
スクとウエハ面上のアライメントマークのパターン例を
示す。

このように光路の設定及び投射光の光強度分布の最適
条件は投光ビーム径、アライメントマークのサイズ、配
置、焦点距離などの各要素によってきまる。本実施例は
これを光線追跡によるシミュレーションによって最適値
を求め、これに基づいて各要素を構成している。

第７図は本発明の第４実施例の要部斜視図である。

本実施例ではアライメント用の第1,第２信号光束7,8
用のアライメントマーク領域を同図に示すように一部、
重複するように隣接配置している。

第10図（Ｃ），（Ｄ）はマスク１面上のアライメント
マーク5,6とウエハ２面上のアライメントマーク3,4のパ
ターンを示す一実施例である。第８図と第10図（Ｃ），
（Ｄ）において領域701,702が互いにアライメントマー
クが重複している領域である。

本実施例では光束の投射光ビーム径は第１実施例と同
じとし、第1,第２信号光束のxz面内の最終射出角をそれ
ぞれ−2.5゜，＋2.8゜とした。又各面上のアライメント
マーク中心間距離は60μｍであり、ｘ方向のアライメン
トマークの重なる領域（701,702）は30μｍとなってい
る。

第８図は本発明を縮少投影露光装置に適用した位置検
出部分を示す第５実施例の要部概略図である。

同図において光源13から出射した光束を投光レンズ系
14で平行光として光強度分布調整手段20を介して第１物
体としてのレチクルＬ面のレチクルアライメントマーク
3L1,3L2を照射している。このときレチクルアライメン
トマーク3L1,3L2は通過光をそれぞれ点Q₀,Q₀′に集光さ
せるレンズ作用を有する透過型の物理光学素子を構成し
ている。そして点Q₀,Q₀′からの光束を縮少レンズ系18
により第２物体としてのウエハＷから距離aw,aw′だけ
離れた点Q,Q′に集光している。

図中、7,8はそれぞれアライメントマーク3L1,3L2によ
り生じる第1,第２信号光束を示し、807,808はそれぞれ
の主光線である。

ウエハｗ上にはウエハアライメントマーク4w1,4w2が
設けられており、このウエハアライメントマーク4w1,4w
2は反射型の物理光学素子を構成し、それぞれ点Q,Q′に
集光する光束7,8が入射してくると、その光束を反射さ
せハーフミラー19を介して検出部11面上に結像させる凸
面鏡の機能を有している。

ウエハ面上のアライメントマーク4w1,4w2の作用によ
って生じる第1,第２信号光束は第８図において主光線80
7,808のみ代表して示している。

第９図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第６実施例の要部斜
視図と光路概略図である。

本実施例においては上記のような第1,第２信号光束7,
8は第２物体２面を射出した後、検出部11,12に到達する
までの過程で、それぞれの光路の第２物体面（或は第１
物体面）上の射影軌跡が必ず交叉するようにアライメン
トマークや投光光束の入射角等を構成している。このよ
うな光路構成を以下「交叉光路」と称することにする。

又２つの信号光束7,8の光路のなす角度は同図の場合
は負と定義する。

本発明者は先にシミュレーションによる検討の結果、
前述の光強度分布調整手段と、交叉光路を採用すること
により、不均一なガウシアン分布等の光強度分布を有す
るアライメント光束で前述のアライメントマーク系に照
射する場合は第１物体１と第２物体２間の間隔の変動に
よってもたらされる、位置ずれ量検出誤差の発生を極め
て良好に抑えることができることを見出した。

即ち、本実施例では第１物体と第２物体間の相対位置
ずれ量が不変であっても従来問題となっていた第１物体
と第２物体の間隔の変動による検出部11,12上での２つ
のアライメント用の信号光束の入射位置（等価的に光強
度重心位置）間の距離の変動による位置ずれ量検出誤差
を前述の光強度分布調整手段と交叉光路を採用すること
により良好に抑えることができるようにしている。

更に本発明者は光強度分布調整手段と交叉光路を利用
することにより、第１物体面上のアライメント光束の強
度が1/e²にまで低下する径を適切に設定することにより
同様の間隔の変動によってもたらされる位置ずれ量検出
誤差の発生も同様に良好に抑えることができることを見
出した。

本発明はこのような交叉光路が形成されるように各要
素を設定することにより、前述の位置ずれ量検出誤差の
発生を抑え第１物体と第２物体の相対的な位置ずれ量の
高精度な検出を可能としている。

次に第９図（Ａ）に示すアライメント用の第1,第２信
号光束7,8の主光線の光路について説明する。

不均一な光強度分布の光束を放射する不図示の光源よ
り射出した光束は不図示の投光光学系を経て所定のビー
ム径に拡大され、略平行光となり、光強度分布調整手段
を介し第１物体１上のアライメントマーク5,6に物体面
法線に対し斜めに入射する。第１物体１面上に到達した
略平行光束の光強度分布は不均一なガウシアン分布であ
る。

本発明に係るアライメントマークは中心間距離がゼロ
でない所定値となる２つの領域から成り、位置合わせを
行う各物体面上に形成されている。アライメント用の光
束は上記のとおり単一のガウシアンビームとして第１物
体面上のアライメントマーク5,6に入射する。第１物体
１面上のアライメントマーク5,6で回折した光束は例え
ばアライメントマーク５で凸パワーの収斂作用、アライ
メントマーク６で凹パワーの発散作用を受けた後、第２
物体面上のアライメントマーク3,4に到達する。

更に第２物体面上のアライメンマーク３で凹パワーの
発散作用、アライメントマーク４で凸パワーの収斂作用
を受けた光束はそれぞれ第1,第２信号光7,8となり第２
物体２面を射出し、第１物体１面を透過した後、所定位
置にある検出部11,12に入射する。

本実施例において投射光の光強度分布の変調の仕方と
しては検出部面上の２つの信号光束間の重心距離ｌに対
応して次式のように定めればよい。

ここにl₀は位置ずれ０のときの２つの信号光束間のｘ
方向の距離、α′は実験またはシミュレーションにより
求めた数値でマスクとウエハの間隔の変動に対して位置
ずれ検出感度の変動幅が最小となるように選んだ値であ
り、ｌに依存して変化してもよい。即ちα′＝α′
（ｌ）でもよい。

以上の各実施例に示すように本発明によれば光強度分
布調整手段を用い物体面上に照射された光束の位置ずれ
量検出方向の光強度分布を２つのアライメントマークか
ら射出した２つの光束の所定面上における相対距離に基
づいて不均一な分布とし、該２つのアライメントマーク
から射出した２つの光束を各々受光部に導光する際、 （ハ）位置ずれ検出方向に対して＋側のアライメントマ
ークから受光部に到達する光線はアライメントマーク面
の法線に対して＋側に斜めに射出し、同様に−側のアラ
イメントマークからはアライメントマーク面の法線に対
して−側に斜めに射出するような光路構成において、２
つの信号光束の所定面上における入射位置の相対距離が
予め設定された値よりも長いときは２つのアライメント
マークを合わせた全体領域の中心付近で位置ずれ量検出
方向の光強度が極小となり、光強度が極小となる点から
位置ずれ検出方向に離れるにつれて所定の勾配で光強度
が増大するような光強度分布を（３），（４）式に基づ
いてアライメントマークに照射する。

（ニ）位置ずれ検出方向に対して（ハ）と同様に＋側の
アライメントマークからはアライメントマーク面の法線
に対して−側に斜めに射出し、−側のアライメントマー
クからはアライメントマーク面の法線に対して＋側に斜
めに射出するような光路構成において２つの信号光束の
所定面上における入射位置の相対距離が予め設定された
値よりも短いときは２つのアライメントマークを合わせ
た全体領域の中心付近で位置ずれ量検出方向に光強度が
極大となり、その極大点から位置ずれ検出方向に離れる
につれて所定の勾配で光強度が減少するような光強度分
布を（５），（６）式に基づいてアライメントマークに
照射する。

以上のような構成を採ることを特徴としている。

（発明の効果） 本発明によれば位置合わせを行う第1,第２物体面上に
各々結像作用（光学作用）を有する異なる２つの波面変
換素子（物理光学素子）をアライメントマークとして形
成し、該アライメントマークの結像作用を各物体面上で
順次（例えば第1,第２物体又は第2,第１物体面の順な
ど）うけた２つの第1,第２信号光束の所定面上における
入射位置情報により位置ずれ量を検出する際、光強度分
布調整手段を用いてアライメントマーク面上に照射する
光束の光強度分布を２つのアライメントマークから射出
し、所定面上に入射する２つの光束の入射位置の相対距
離に基づいて調整することにより、位置合わせを行う２
つの物体間の間隔変動や光源からの投射光束の位置変動
の影響を非常にうけにくい高精度な位置ずれ量検出が可
能な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図は本発明の原理及び構成要件等を示す説明図、第
２図は第１図の構成に基づく本発明の第１実施例の要部
斜視図、第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシ
ミティ型半導体製造装置に適用した要部概略図、第３図
（Ｂ），（Ｃ）は第３図（Ａ）の計測制御のフローチャ
ート図、第４図は第２図の第１実施例光路断面説明図、
第５図〜第８図は各々本発明の第２〜第５実施例の要部
斜視図、第９図（Ａ），（Ｂ）は本発明の第６実施例の
要部斜視図と光路断面説明図、第10図（Ａ）〜（Ｄ）は
本発明に係るアライメントマークの配置説明図、第11図
は従来の位置検出装置の要部概略図である。 図中、１は第１物体（マスク）、２は第２物体（ウエ
ハ）、3,4,5,6は各々アライメントマーク、7,8は各々第
1,第２信号光束、９はウエハスクライブライン、10はマ
スクスクライブライン、11,12は検出部、13は光源、14
はコリメーターレンズ系、15はハーフミラー、16はアラ
イメントヘッド筺体、18は信号処理部、19はウエハステ
ージ駆動制御部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 H01L 21/30 311

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも２つの物理光学素子より成るア
   ライメントマークを各々設けた第１物体と第２物体とを
   対向配置し、投光手段からの光束を、光強度分布調整手
   段を介して該第１物体と第２物体に設けた各々のアライ
   メントマークを介した後２つの光束を所定面上に導光
   し、該所定面上における該２つの光束の入射位置を検出
   手段により検出することにより、該第１物体と第２物体
   との相対的な位置ずれ量の検出を行う際、２つの光束の
   うち少なくとも一方の光束は該第１物体面上のアライメ
   ントマークと第２物体面上のアライメントマークで各々
   結像作用を受けており、該光強度分布調整手段は、該所
   定面上に入射する２つの光束の入射位置の相対距離に基
   づいて前記第１又は第２物体上の前記少なくとも２つの
   アライメントマークへ入射する光束の光強度分布を調整
   していることを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】前記光強度分布調整手段は前記所定面上に
   入射する２つの光束の入射位置の相対距離が予め設定さ
   れた距離よりも長いときには通過光束の光強度分布が２
   つのアライメントマークの配列中心付近で極小となり、
   又距離が短いときは２つのアライメントマークの配列中
   心付近で極大となるように調整していることを特徴とす
   る請求項１記載の位置検出装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２の位置検出装置を用いて第
   １物体と第２物体との相対的な位置合わせを行い、該第
   １物体面上のパターンを第２物体面上に露光転写してい
   ることを特徴とする露光装置。
4. 【請求項４】請求項１又は２の位置検出装置を用いて第
   １物体と第２物体との相対的な位置合わせを行い、該第
   １物体面上のパターンを第２物体面上に露光転写して半
   導体素子を製造していることを特徴とする半導体素子の
   製造方法。