JPH0210202A - 複波長照明を用いたダブルリニアフレネルゾーンプレートによる位置検出装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超精密位置計測（０，０１μｍオーダー）
装置、特にマスクとウェハーを０．Ｏ１ｐｍオーダーで
位置検出装置な、複波長を用いたダブルリニアフレネル
ゾーンプレートによる位置検出装置に関する。

［従来の技術］ 現在実用化されているマスクとウェハーのアライメント
方〃、には、大きく分けて、パターン計Ｊ１１方式１回
折光方式、及び、これら両方式を部分的に合せたハイブ
リッド方式があり、以下これらを個々に説明する。

まず、これらを紹介している文献名をあげておく。

文献ｌ−精密機械５１１５／１９８５゜ＰＰ、１５６〜
１６２ 文ｆ４２−　Ｔｅｃｔｕ＋１ｃａｌ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇｓＳｃｍｉｃｏｎ／Ｗｅｓｔ　　１９８７．Ｍａｙ
　　１９−２１Ｓａｎ　Ｍｃｃｒｏ、ＣＡ、ＰＰ、２４
２〜２４７文献３−昭和６２年度精密工学会秋季大会学
術講演会論文集ＰＰ、３４７〜３４８文献４−特開昭６
１−２３６１１７号公報文＋ｌＬ　５−　特聞１１ｉ’
（６１−１９３３，４４８号公＋ｕ文献６−（株）閉晃
堂発行「光技術応用システム」（昭和５８年３月２０日
） ＰＰ、１６５〜１６７ 文献７−昭和５９年度精密学会秋季大会学術講演会論文
集ＰＰ、４４３〜４４４ 文献８−閉和６２年度精密ＳＬ学会秋季大会学術講演会
論文集ＰＰ、３５３〜３５４ 文献９−閉和６１年度精密工学会秋季大会学術講演会論
文集Ｉ１１．７０３〜７０４ 文献１〇−閉和６０年度精機学会春季大会学術ｄ＾演会
論文東ＰＰ、３０１〜３０２ 文１１ｉ　　１　１　−Ｓｅｍｉｃｏｎ　　Ｎｅｗｓ　
　　１９８［ｉ、７．Ｐ、２０文献１２−第４８回応用
物理学術講演会予講集（昭和６２年）　１１，４４８ 文献１３　　Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ　Ｔｃｃｂｎｏｌ、ｌ
’＋（４）　ＩＮｏｖ、／　Ｄｅｃ、１９８１．　ＰＰ
、１２２４〜１２２８文ｄＱ　　ｌ　　４　−５ｏｌｉ
ｄ　　５ｔａｔｅ　　Ｔｅｋｈｎｏｌｏｇｙ、２１．５
（＋９８５沖、１７５ 文献１５−Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ　Ｔｅｃｌｕ＋ｏｌ、１
ｌｉ（６）Ｎｏｖ、／　Ｄｅｃ、１９７’ｌ、　ＰＰ、
　１９５４〜１’１５８文献１６−Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｃｉ
　Ｔｅｃｈｎｏｌ、１９（４）　。

Ｎｏｖ、／　Ｄｅｃ、１９８１．　ＰＰ、１２１９〜１
２２’１文＋ｉ＆　１７−　Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　　Ｔｒａ
ｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＥｌｅｃＬｒｏｎ　　Ｄｅｖ
ｉｃｅｓ、Ｖｏｌ、ＥＤ−２６，ＮＯ，４ＰＰ、７２：
ｌ〜７２８ 文献１　Ｂ−１９８７年（昭和６２年）秋季、ｆ５４８
回応用物理学会学術講演会、 第２分ＩＩＩ）　Ｐ　４２７　、１８　ａ　−Ｆ　−８
文１１９−回、１８ａ−Ｆ−９ 文＄Ｑ　２　０　−　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　
１ｌｌｏｒｌｄ　　１　９　８　５　　。

５、ＰＰ、１０５〜１１１ （１）パターン計測方式 （Ｏ複屈折による２重焦点レンズによる検出力法 （開発機関）Ｂｅｌｌ研及びＮＴＴ （４Ｆ１略）複屈折による２重焦点レンズによりアライ
メントマークを検出する。また、露光領域を分：ＩＩシ
、各露光領域ごとにアライメントを行なうステップ・ア
ンド・リピート方式となっている。（ＮＴＴの例につい
ては文献ｌ参１：ｌ　）（欠点） （１）レンズ径の減少に制限かあり、マーク位置か露光
領域からかなり離れた（１０数ｍｍ程度）スクライブラ
インにあるため、マスクの伸縮によるアライメント誤差
が加算され、アライメント精度が低下する。

（ＩＩ）（Ｉ）により、露光領域内にマークを設けるこ
とができない。

（ｍ）２値化処理に伴ない、マークの対称性に依存する
。

（■）２次元カメラにて検出するため、高速検出化でき
ない（３０Ｈｚ以下）。

■２２重焦レンズによる検出方法（複屈折によるかどう
か不明）。

（開発機関）　Ｋａｒｔ　２ｕ （概略）２重焦点を有する光学顕微鏡にてマークを検出
する。アライメントはこの顕微鏡の下にマスクとウェハ
ーが移動し、完了後、マスクとウェハーはロックされ、
露光位置に移動し、Ｘ線照射か行なわれる。（文献２参
照） （欠点）他のＸ線アライナ−と露光概念が異なり、アラ
イメントと露光を別の場所で行なうため、−概に比較で
きないが、少なくとも、露光中サーボ制御と高速検出は
不可部である。

■斜方検出 （開発機関）［１を製作所 （概略）Ｘ線露光領域外に、ＮＡの小さい対物レンズを
傾斜させ、″？、スクとウェハーのマークを斜方検出す
ることにより、′：Ａ光中も露光領域内に設けたマーク
の検出が可能な装置となっている。

（文１！Ｉ＆３，４．５参照）。

（欠点） （Ｉ）２次元カメラにより検出しているため（文献３．
４参照）に、高速検出化ができない。

（ＩＩ　）対称性パターンマツチング（文献５参照）な
る処理を行なっており、これはマークの対称性を前提と
した演算方法で２検出精度はマークの対称性に大きく依
存している。

（ｍ）斜方結像のため、結像範囲がきわめて狭く、ラス
ター圧縮などによるＳ　、／　Ｎ比向上かむつかしく、
マーク形状保持の点から、プロセス依存性が高い。

（２）回折光方式 σ）等ピッチ２重回折格子法 （開発機関）ＭＩＴ （概略）マスクとウェハー上に同一ピッチの回折格子を
設け、１次の透過回折光の強度差により重ね合せ信号を
得る。位置変位は、 Δφｍ＝（２重ｍ　／　ｄ　）ΔＸ たたし、Δφｍ＝位相変位 ΔＸ二位相変位 ｍ：回折次数 の関係で表され、 １０ＩＬｍの格子ピ・ンチでＯ，Ｉ＃Ｌｍ。

１．２μｍの格子ピ・ンチで２００人。

の重ね合せ精度か得られる。（文献６．７参照） （欠点） （Ｉ）ギャップ変動による位置ずれ信号の影響かきわめ
て多い。文献７の図２に、位置ずれ信号かギャップ変動
（±０．０４ｐｍ）により大きく影響される様子か示さ
れる。

（１１）　単色光アライメントのため、回折光強度は薄
膜の定在波効果など、光の干渉現象により大きく影響を
受ける。

（ｍ）マークの対称性に依存する（非対称形状格子では
、検出精度が低下する）。

■倍ピッチ２重回折格子法 （開発機関）ＮＴＴ通研 （概ＷＳ＞従来の２重回折格子法の欠点であったギャッ
プの変動の影響を倍ピツチ回折格子により除去し、ギヤ
ラブ検出用として、従来の）オーカス信号の代りに弔−
回折格子からの回折光強１バ信号を利用する方法である
。（文献８，９．１０参照） 文献８には倍ピ・フチ２重回折格子法による検出装置な
ＰＳ載したｘ６アライナーの概要が、また文献９には検
出装置の概要がそれぞれ説明されている。

（欠点） （Ｉ）ギャップ依存性は等ピッチ２屯回折格子法に比べ
ればかなり低減されたか、それでも０．１重ｍオーダー
のギャップ制御か必要とされる。

（ＩＩ　）単色光アライメントであるため、光の干渉問
題から、プロセスによる影響（段差、段差幅、ｔＸＩＩ
Ｉ！２堆積層）か避けられない０文献１０にプロセスの
影響が示されている。

（ＩＩＩ）回折格子マークの対称性に依存する。

■回折格子をベアで使用する方法 （開発機関）電総研 Ｏ１１略）文献１１の図面に示されているように、ウェ
ハー側に対になった　回折格子を配置することて、マス
ク・ウェハー間のギャップ変動に位置ずれ検出信【）か
影響されない原理となっている。特徴は文献１２に示さ
れているように、（ａ）２つの回折格子を直接対向させ
ない（ｂ）格子周期を非整数倍にする の２点である。（文献１１．１２参照）（欠点） （Ｉ）単色光アライメントであるため、光の干渉問題か
らプロセスの影響が避けられない。

（ＴＩ　）回折格子マークの対称性に依存する。

（ｍ）ギャップ依存性は、文ｆｉ１２に示されている通
り、シュミレーションによるもので、実証されてはいな
い。

０２重フレネルゾーンターゲツト法 （開発機関）Ｂｅ１．１研 （概略）マスク上に形成した焦点距離ｆの円形フレネル
ゾーンターゲラ１〜（ＦＺＴ）とウェハー１−に形成し
た焦点距ｌ１ｌ（ｆｔギャップ）のＦＺＴに、平行なレ
ーザビームを照射し、その時生じる集光スポットの位置
変化を検出することによって、位置とギヤ・ンプを検出
するものである。（文献１３参照） （欠点） （Ｉ）文１１１３の表１及び図２に示されているように
、単色光アライメントであるため、光の干渉問題からプ
ロセスの影響が避けられず、十分なＳ／Ｎ比が得られな
かったり、薄膜の定在波効果により膜厚コントロールが
難しくなる。

（ＩＩ　）ギャップ依存性が高い、回折格子法に比べれ
ばギャップ依存性は低いが、ギャップ変動により、フレ
ネル回折により集光したスポットの光強度は変動する。

（ｍ）マークの対称性に依存する０円形ＦＺＴは一種の
凸レンズと考えることができるので、マークの対称性が
損なわれると、レンズで言う非点収差とかコマ収差に相
当する現象が発生し、検出精度が低下する。

（ｒＶ）マーク形状が複雑で、プロセス変化に基づくパ
ターン変化がおきやすい。

（Ｖ）フレネル回折で集光された焦点付近に発生ずるス
プリアス像によって、像点の非対称性が発生し位置２（
差となる。

■２重円形フレネルゾーンターゲット法（開発機関）Ｍ
ｉｃｒｏｎｉｘ （概略）アライメント原理は回折光方式の■のＢａ１ｌ
研のものと同じものを適用しており。

ＭｉｃｒｏｎｉｘにおいてＭｘ−１５の商品名でアライ
ナ−に組み込んで販売されている。（文献１４参照） （欠点） （Ｉ）上記■で述べた欠点をそのまま持ち合せている。

（ｍ）′Ａ光光中サーボ制量１システムなっていない。

（■）２次元カメラにて検出しているので高速検出は不
ｒ１（能である。

■リニアフレネルゾーンプレートと回折格子をＭｌみ合
せた方法 （開発機関）Ｔｈ、ｏｍｓｏｎ−Ｃ３Ｆ。

Ｍｒｃｒｏｎｉｘ ＮＦＩ略）マスクマークとして透過型のリニア・フレネ
ル・ゾーン・プレート（ＬＦＺＰ）を、ウェハーマーク
としては反射型の線状回折格子を使って位置検出を行な
う。ＬＦＺＰの焦点距離がマスクとウェハー間のギャッ
プ量に相当するため、垂直方向の位置合せも可能となる
。（文献１５．１６参照） （欠点） （Ｉ　）　ｔｎ色光をアライメント光に使用しているた
め、光の干渉問題かある。

（ＩＩ　）ウェハー４二の回折格子の対称性に検ｕ＋　
２．１度が依存する。

（ｍ）ギャップ依存性が高い。

（ＩＶ）検出を精度上げるためには、Ｓ／Ｎ比を上げる
必要があり、そのためＬＦＺＰと回折格子をマトリック
ス状に配置せざるを得す、マスクの専有面桔が１０００
ｇｍ平方程度ときわめて広いエリアが必要である。

（Ｖ）それらのマーク相互間に高い重ね合せ精度が必要
である。

以上１回折光によるアライメント方式について、ＣＤか
ら■にわたって個々に説明したが、その中で共通して持
っている聞届である「回折アライメントマークの対称性
に依存する」の点に関して１文献１７には、その図２に
示すようなさまざまなプロファイルを持つ回折格子につ
いて、アライメント精度か検討されている。その図２の
うち（ｅ）のプロファイルのような非対称回折格子にお
いては、この文献中の式（３）である、ｗ におけるψ１かゼロでなくなるため、検出精度か低下す
ることが明らかになっている。

また１文献１８においては、非対称回折格子の補正につ
いて論じており、非対称性を定義するΔから次の式によ
って得られる応答信号Ｊｎから、非対称性を補正するこ
とが回部であることが示されている。

Ｊｎ＝Ｉｎ　［ｌ＋ｃｏｓ２ｋ　（ｘ−Δ）・ｎ入／Ｌ
ｉ］ さらに１文献１９には、レジスト膜厚の定在波効果によ
る回折格子の非対称性化について報告されている。

（３）ハイブリッド方式（パターン計測方式十回折光方
式） 回折格子とパターン計ｉ１−による２つの方式を織り混
ぜた方式として、ニコンの光ステッパー：Ｎ５Ｒ１５０
５Ｇ３Ａに搭載されているＬＳＡ（レーザ・ステ・ンプ
・アライメント）検出装置かある。

（Ｊ１１略）ウェハー上に回折格子マークを設け、ステ
ージの移動によってビームがアライメントマーク上を通
過した詩、回折光か発生し、その光強度による信号波形
が得られる。これをディテクターで受けた後、Ａ／Ｄ変
換し、ディジタル信号として波形メモリーに格納し、波
形プロセッサーによりその中心位置を計測する。検出信
号としては回折格子の光強度を使用し、その波形から位
置を求める処理はパターン計測により波形データの中心
位置を算出している。（ハイブリット化）（文献２０参
照） （欠点） （Ｉ）単色光アライメントである。

（ＩＩ　）回折格子マークの対称性に依存する。

（ｍ）検出速度が信号処理系（ディジタル系）に依存す
る。

以上、従来のパターン計測方式及び回折光方式の各々が
持つ主な問題点を整理すると第１表のようになる。

第１表　従来の方式の問題点 （注）Ｘが問題点である。

△になる理由： Ｎ０１３のパターン計測の場合、 （１）の■の斜方検出によれば可能であるか、（１）の
■の複Ｊｒｉｔ折を利用した２重焦点レンズや、（１）
の■の方式によれば不可部である。

Ｎ０１３のフレネル・ゾーン・プレートの場合。

（２）の■のＴｈｏｍｓｏｎ−Ｃ３Ｆによれば、マーク
が大きい（１ｍｍｘ　１ｍｍ）という欠点を持つが一応
可能である。しかし、（２）の（ΦのＭｉｃｒｏｎｉｘ
　（Ｍｘ−１５）によれば、スクラブラインにマークを
設けるので不可部である。

Ｎｏ、４のフレネル・ゾーン・プレートの場合、 （２）の■のＭｉｃｒｏｎ　ｉｘ　（Ｍｘ−５）あるい
は（２）の■のＢａ１ｌ研のように円形フレネル・ゾー
ン・プレートを用いた場合は、２次元カメラを受光素子
として使用するので、その応答性（３０Ｈｚ）から高速
検出は不可能である。

［発Ｉｌｌが解決しようとする課題］ この発明は、上記の第１表にあげた従来技術の６つの問
題点を解決した新規なアライメント装置を提供しようと
するものである。すなわち、半導体の超高集積化が急ピ
ッチで進む中で、今後量産される１６Ｍ、６４Ｍ、２５
６Ｍなどのメモリー素子の生産に使われるシンクロトロ
ン放射光（ＳＯＲ）などを線源に持つＸ線アライナ−に
おいて、マスクとウェハーを０．０１ｇｍオーダーで位
置検出ｒｆ（能なアライメント装置を提供しようとする
ものである。　現在使用されている光ステラパー及びＸ
線アライナ−におけるアライメント方式は、（０パター
ン計°側法（コントラスト法、エツジ検出法）、■回折
光を利用した方式の２つに大別される。各々の方式にお
いてはそれぞれ長所短所があり優劣はつけがたいが、こ
の発ＩＪＩＩは、■と■の長所を融合させたパイプリッ
トなアライメント方式を採用した位置検出装置を提供す
ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ この発明の位置検出装置は、ｘＶｊ露光光の光軸方向に
微小距離離間した第一の物体と第二の物体の光軸に直交
する方向の相対位置を検出する位置検出装置であって、
各物体上にリニアフレネルゾーンプレート（ＬＦＺＰ）
からなるアライメントマークを設け、これらＬＦＺＰを
同一方向から同時に複数の波長の光により照明するよう
に照明装置を構成し、上記り、ＦＺＰの波長ごとに位置
の異なる回折焦点にその波長の焦点か一致するような色
収差を有する対物レンズを備え、」−記対物レンズによ
って同一結像面上に重ね合せて結像された上記ＬＦＺＰ
の直線状の回折焦点像を、その長手方向に対して直角な
方向に１次元走査して電気信号に変換するリニアセンサ
ーを上記結像面上に備え、上記直線状の回折焦点像をそ
の長手方向に圧縮して上記リニアセンサー上に結像する
ように。

シリンドリカルレンズを上記対物レンズと上記リニアセ
ンサーの間に配置し、上記リニアセンサーから得られた
信号を処理することにより上記各アライメントマークの
位置を検出する手段を有する複波長照明を用いたダブル
リニアフレネルゾーンプレートによる位置検出装置であ
る。

第一の物体のアライメントマークとしては単一のＬＦＺ
Ｐを用い、第二の物体のアライメントマークとして一対
のＬＦＺＰを用い、第一の物体の単一のＬＦＺＰを第二
の物体の一対のＬＦＺＰの間に入るような配置とすると
都合かよい。

第一の物体はマスクであり、第二の物体はウェハーであ
り、ウェハーのアライメントマークの回折光及び入射光
か通るマスク部分に透明なウィンドウ領域を設けること
が現実的である。

照明装置及び対物レンズを、第一物体アライメントマー
ク及び第二物体アライメントマークの左右肩上方の対向
する位置に配置し、これらアライメントマークに立てた
垂線に対して、照明装置の入射角が対物レンズを含む検
出光学系の検出角に等しくなるように配置することによ
って１本発明の位置検出装置をＸ線露光領域外に配置す
ることができる。

リニアセンサーから得られた信号を処理して上記各アラ
イメントマークの位置を検出する手段が相似性パターン
マツチング処理を行なう手段であると、高精度の位ｌ検
出が回部である。

［作　　用］ 各物体上に設けられたＬＦＺＰを複数の波長の光で同時
に照明すると、これら波長に応じて焦点距離の異なる位
置にＬＦＺＰの回折焦点が形成される。各波長の光に対
して、両物体のＬＦＺＰの回折焦点が同一焦点面上に位
にするように、各ＬＦＺＰの焦点距離は選ばれる。各波
長の回折焦点面に対物レンズをその波長の焦点が一致す
るように、色収差を有する対物レンズか配置され、各波
長の回折焦点像はこの対物レンズによって同一結像面上
に重ね合せて結像される。同一結像面」二に重ね合せて
結像された各ＬＦＺＰの直線状の回折焦点像は、上記結
像面上に配置されたリニアセンサーによって、その長平
方向に対して直角な方向に１次元走査されて電気信号に
変換される。この際、上記対物レンズと上記リニアセン
サーの間に配置されたシリンドリカルレンズによって、
上記直線状の回折焦点像はその長平方向に圧縮して上記
リニアセンサー上に結像される。上記リニアセンサーか
ら得られた信号は処理されて上記各アライメントマーク
の位置が検出され、両者はアライメントされる。

［実　施　例］ 以下、第１図から第１７図を参照にして、この発明の複
波長照明を用いたタプルリニアフレネルゾーンプレート
による位を検出装置の構成と作用を説明する。第１図は
マスク及びウェハーに対して本発明の位置検出装置を適
用する場合の側面概略図であり、第２図はそのに面概略
図である。数１０ｐｍのギャップ１８をもって重ね合さ
れたウェハー１５とマスク１４の左右斜め上方には照１
５１光学装置５と検出光学装置１０が対向する位置に配
置される。照ＩＪＪ光学装置５の光軸のマスク１４又は
ウェハーの法線に対する詔入射照明角度１９と検出光学
装２１１Ｏの光軸の斜方検出角度２０とは等しく、通常
はｌＯ°〜４５″の範囲内から選択される（図の場合は
２５°）６本発明においては、このように、照明光と検
出光をマスク及びウェハーに対して傾けることにより、
Ｘ線露光領域１３内にあるアライメントマーク１６（マ
スク）、１７（ウェハー）を照明光学装置５、検出光学
装置ｌＯを動かずことなく検出できるようにするもので
ある。このことは、特にｆｊＳ２図を参照にするとＩＪ
Ｉ瞭である。検出光学装置１０は、露光領域１３の光路
外に設けられているため、露光中もアライメントマーク
１６（１７）を検出することがてき、また、検出光学装
置１０をアライメント毎に動かす必要がないので高スル
ープツトか可能となる。

さて、照明光学装置５は、第１図においてはレーザー光
を使用しているが、他の照明光でも半値幅の狭い輝線が
得られるものであれば種類は問わない。第１図の場合、
レーザーｌからのＩＪｊ！、長入、のレーザー光とレー
ザー３からの波長入２のレーザー光（入、〉入２）とを
、ヒ′−ムスブリッター２て合成してミラー４で斜下方
へ平行光として反射させて照明を行なっている。検出光
学装置１０は軸上色収差を有する対物レンズ９を備えて
おり、この対物レンズ９が波長入、と入、の光では異な
る焦点距離を有しているために、異なる物***置にある
波長入、の光の物点と波長入２の光の物点とを同じ像点
位はに重ね合わせて結像てきること（後述）を利用して
、リニアフレネルゾーンプレート（ＬＦＺＰ）からなる
マスク１４のアライメントマーク１６とウェハー１５の
アライメントマーク１７の波長入１、入２の光によって
位置の異なる焦点（直線状の焦点）を対物レンズ９の入
、の光の焦点と入、の光の焦点に一致させ。

対物レンズ９とリレーレンズ８によって図のＹ方向に細
長い検出領域を有するリニアセンサー６上に重ね合わせ
て結像させるようになっている。なお、リレーレンズ８
は必ずしも必要ではない、リレーレンズ８とリニアセン
サー６の間には、ｉ１図の平面内に位置し、検出光学系
１０の光軸に直交する直線状のマーク１６．１７の焦点
をこの直線方向に圧縮してリニアセンサー６上に結像さ
せるシリンドリカルレンズ７（後述）が配置されており
、高速検出を可能にしている。リニアセンサー６からの
検出信号は後述する信号処理がほどこされ、アライメン
トマーク１６のＹ方向の位置とアライメントマーク１７
のＹ方向の位置がそれぞれ検出される。以下、マスク１
４．ウェハー１５面上のアライメントマーク１６．１７
、対物レンズ９．シリンドリカルレンズ７、リニアセン
サー６からの信号の処理等について詳しく説明する。

まず、マスク１４のアライメントマーク（マスクマーク
）１６とウェハー１５のアライメントマーク１７につい
て第３図を参照にして説明する。マスクマーク１６、ウ
ェハーマーク１７とも第１図のＸ方向に直線上の縞（ゾ
ーン）を有するリニアフレネルゾーンプレート（ＬＦＺ
Ｐ）からなっている。

第４図に示すように、一般に、ＬＦＺＰ２３はその縞方
向に平行（図ではＸ方向）な直線状の焦点２４（フレネ
ル焦点）を有するもので、その焦点距離は波長に依存し
て異なる０通常の円形フレネルゾーンプレートにおいて
は平行に入射した光束が円錐状に点状の焦点に集光する
が、ＬＦＺＰにおいては縞に直交する断面（ｙ−ｚ面）
内でのみ焦点に集光し、縞に平行な断面（Ｘ−Ｚ面）内
においては回折を受けずに平行光のまま反射（透過）す
ることになるため、直線状の焦点２４となる。円形フレ
ネルゾーンプレートは球面からなる凸レンズと同様の作
用をするが、ＬＦＺＰは凸のシリンドリカルレンズと同
様の作用をすると理解することができる。

さて、第３図にもどると、ウェハー１５上には、図に示
すように、ＬＦＺＰからなるウェハーマーク１７がＹ方
向に所定圧６１１れて一対設けられている。マスク１４
１−には、ＬＦＺＰからなるマスクマーク１６か２つの
ウェハーマーク１７の中間に設けられている。マスク１
４Ｊ−には、ウェハーＬＦＺＰ１７からの回折光か透過
できるように、ウェハーＬＦＺＰ　１７上の対応位置に
透Ｉｌｌなマスクウィンドウ２２が用意されている。な
お、ウェハーマーク１７は、レジストやその他の薄膜に
より１５上に形成されている。

このようなマスク１４とウェハー１５を第５図、第６図
に示すように、ギャップ１８（ｐｍ）たけ離して重ね合
わせ１．第１図に示すように波長入、とλ、の光で同蒔
に！Ｋｉ射すると、マスクマーク１６、ウェハーマーク
１７のそれぞれについて、入射波長λ８．入２の光によ
るフレネル回折が起き、各波長の光により、２つの焦点
面が形成される。マスクＬＦＺＰ　ｌ　６の焦点距離ｆ
ｍとウェハーＬＦＺＰ　ｌ　７の焦点距＃ｆｗとは、ギ
ャップ１８分（６ｇｍ）だけ異なるように選択する（δ
＝ｆｗ−ｆｍ）、ＬＦＺＰの焦点距離は波長によって異
なるので１図示したように、波長入。

の光の焦点面は符号２５の面に、波長入、の光の焦点面
は符号２６の面に形成される（入、〉入２）、ＬＦＺＰ
１６と１７の焦点距離ｆ　ｍ　。

ｆｗともδに比較して大きく選択されるので１両者の波
長入、、入２の光の各焦点面は、δ＝ｆｗ−ｆｍの関係
から、図示のように相互に一致すると考えてよい、そし
て、マーク１６．１７によるｘ−Ｚ平面における焦点面
２５．２６　（焦点はこの平面内で直線状となる）はｉ
ｆ図の入射角、検出角０があまり大きくない範囲ににお
いて、第６図に示すように検出光学系の光軸に対して垂
直な面と考えてよい。なお、マスクマーク（ＬＦＺＰ）
１６の各波長入１．入２の光によるフレネル回折は次式
で表わされる。

（波長入、の光について） （波長λ２の光について） 同様に、ウェハーマーク（ＬＦＺＰ）１７の各波長入、
、入２によるフレネル回折は次式で表わされる。

（波長入、の光について） （波長入、の光について） 上記式（１）〜（４）において。

γ工：マスクＬＦＺＰのｍ次のゾーンエツジの中心から
の距離 γ工：ウエハーＬＦＺＰのｍ次のゾーンエツジの中心か
らの距離 ｆｌ：マスクＬＦＺＰの波長λ１の光の焦点距離 ｆ８□：マスクＬＦＺＰの波長入２の光の焦点距離 ｆ　ｗｌ：ウェハーＬＦＺＰの波長入、の光の焦点距離 ｆ　ｗ＊　：ウエハーＬＦＺＰの波長入２の光の焦点距
離そして、波長入、と入２の光で同時に照射する時、λ
、の光と入２の光は相互にインコヒーレント光となるの
で、波長間の干渉の聞届は全く起らない、この性質はこ
の発す１においては重要である。

次に、第１図の色収差を利用した２爪無点検出系１２に
ついて説明する。この検出系の基本的なものは本出願人
によってすでに出願されているものであり（特願昭６２
−１９６１７４号参照）、まずこれを第７図を用いて説
明すると、対物レンズＯｂは波長の異なる光線に対し色
収差を有し、例えばｇ線（入＝４３５ｎｍ）、ｅ線（入
；５４６ｎｍ）の２種の光線に対し異なる焦点距離をも
っている。したかって、同一物点上にあるマークをｇ線
の光を使用して結像させた像点とｅ線の光を使用したと
きに生ずる像点は異なることになる。

例えば、開口数ＮＡ＝０．４、倍率ｎ＝１ｏ倍の対物レ
ンズＯｂの焦点距離はｅ線２ｇ線の光に対しそれぞれＦ
ｅ＝１２．５ｍｍ、Ｆｇ＝１２゜７４１ｍｍとなり、物
点距離Ｓを１３．７５ｍｍとしたときに生ずる像点距離
Ｓ　”はそれぞれＳ″ｇ＝　１３７．５ｍｍ、Ｓ”　ｅ
＝　１３７，６１５ｍｍとなる。このような対物レンズ
Ｏｂを使用して微小間隔δ敲れた物点、例えばマスクＭ
ＡとウェハーＷＡが図に示すようにそれぞれ光軸Ｊ二Ｍ
。

Ｍ′にあるとすると、ｇＩＩａ、　ｅｉｌａの光の焦点
距離Ｆｇ、Ｆ’ｓが異なるため、２つの光線によるマス
クＭＡ上のマークの像はり、Ｂ点に生じ、ウェハーＷ　
Ａ　Ｊ−のマークの像はＢ、Ｃ点にそれぞれ生じること
になる。つまり対物レンズ系の色収差によってＢ点には
マスクＭＡ上のマークとウェハーＷＡ上のマークの像か
同一位置に生じている。ただし、マスクＭＡ上のマーク
はｇＩＩａの光により形成された像であり、ウェハーＷ
Ａ上のマークはｅ線の光により形成された像である。

今、Ｂ点に例えばテレビカメラ等の検出系を置いて観察
すると、マスクＭＡ上のマークとウェハーＷＡ上のマー
クを同時に観察することができるが１色収差のためにそ
れぞれにじみの像を伴って観察される。このにじみの像
をｇ線の光をカウトしてｅ線の光を透過するフィルタお
よび逆にｇ線の光を透過しｅ線の光をカットするフィル
タを組み合わせたフィルタ（パターンバリアフィルター
と称する）を使用することにより、それぞれの色収差に
にじみを除去することによって同一のＢ点においてそれ
ぞれ異なった位置におけるマスクとウェハー上のアライ
メントマークの像を観察することが可能となる（４￥開
閉６２−１９６１７４号参照）。

以上が先願発明の内容であるが、この発明で使用する対
物レンズは、このように色収差を積極的に生じさせ、か
つ収差をよく補正した色収差対物レンズである。以下、
その光学系スベウクの一例を第２表に示す。

（以下余白） ２　　　　　　スベ ク（対物レンズ。

フィールドレンズ、リレーレンズを含む）この発ＩＪ１
において、使用する対物レンズ９は第７図に示した対物
レンズＯｂと同様な性質を有するもので、第５図の波長
λ１の光の焦点面２５を第７図のＭの位置に、波長λ２
の光の焦点面２６をｉ７図のＭ″の位置に配置すると、
第７図のＢの位置には、ＬＦＺＰ１６，１７の波長λ、
の光の焦点像と波長入、の光の焦点像が重なって結像さ
れる。これを第８図を用いて説明すると、アライメント
マーク１６、．１７の波長入、の光による回折焦点面２
５と波長入２の光による回折焦点面２６は対物レンズ９
の波長入、、λ２の光に対する２重焦点面と位置関係が
完全に一致するように配置されている。したがって、両
方の焦点面２５と２６は対物レンズ９とリレーレンズ８
を通ってリニアセンサー６上に重ね合わされて結像する
。

この様子をさらに第９図を用いて説明する０図の（ａ）
はマスクマーク１６及びウェハーマーク１７からの波長
入、の光の焦点面２５における回折光強成分ＩＨ３を示
しており、波長λ１の光のブ、に点画２５は当然のこと
ながら波長入、の光によるフレネル焦点なので、波長λ
、の光による回折光強度３１がピークを示す、一方、波
長入２の光による回折光は、その焦点から遠く離れてい
る（ギャップ８ｇｍ分）ため、その光強度３２は大変弱
く１図中で点線で示すように、低くなだらかな光強度分
布となる。図の（ｂ）はマスクマーク１６及びウェハー
マーク１７からの波長λ２の光の焦点面２６における回
折光強度分布を示しており、入、の光の焦点面２６は入
、の光のフレネル焦点なので、入、の光による回折光強
度３１’がピークとなる。一方、波長入、の光による回
折光は、その焦点から遠く離れているため、その光強度
３２′は大変弱く、図中て実線で示すように低くなだら
かな光強度分布となる。図の（ｃ）はマスクマーク及び
ウェハーマークからの波長入、と波長入、の光による回
折光の結像面６での光強度分布を示しており、結像面６
での光強度分布は、各波長による光がインコヒーレント
で互いに干渉することはないため、基本的に波長入、と
波長λ２の光の焦点面での光強度の和３１”、３２”と
して得られる。すなわち、光強度は、（結像面６におけ
る回折光強度）＝ の加算として表現されるので、この加算のため、リニア
センサー６からｔ’Ｊられるアライメント信号として使
用するピーク信号のゲインは２倍に増幅されることにな
り、Ｓ／Ｎ比も改善される。

次に、第１図、　ｔＪＳ８Ｌｉｌｆにおけるシリンドリ
カルレンズ７の作用を説明する。色収差を利用した２干
魚点検出系１２て拡大されたマスクマーク１６とウェハ
ーマーク１７のフレネル回折ｊ、１％点像を２次元カメ
ラで検出すると、カメラの検出速度か３０Ｈｚのため、
それ以上に検出速度を一１二げることが困難である。そ
の上、焦点像か第８１′ＡにおいてＸ方向に延びる直線
であるり、ディジタル的なラスター圧縮処理も必要とな
るため、処理速度は大きく低下する。そこで、２次元カ
メラの代りに１次元カメラ、すなわち、ＣＣＤ等からな
るリニアセンサー６でこの焦点像を検出するようにする
と、検出速度を１０にＨｚ前後まで飛躍的に高めること
かできる。リニアセンサー６を焦点の直線に直交する方
向（Ｙ方向）に配置したため、直線との焦点像は一部し
かリニアセンサー６によって検出されない、そこで、Ｘ
方向に伸びる直線４．１．％点像をＸ方向に圧縮するシ
リンドリカルレンズ７を用いてより有効に焦点像を検出
できるようにする。

この点を第１０１％を用いて説ＩＪＩする。この図にお
いては、ＬＦＺＰの１つを例にとって示してあり、対物
レンズ９は省略しである。ＬＦＺＰ１６又は１７の縞と
直交する方向（Ｙ方向）に母線を有するシリンドリカル
レンズ７を配置することによって、ＬＦＺＰ１６又は１
７のＸ方向に延びる直線状の焦点の光強度分布３３をＸ
方向に圧縮すると、符号３４で示したような分布になり
、全ての光をＹ方向に配置したリニアセンサー６に入射
させることができる。シリンドリカルレンズ７のＸ方向
の圧縮率を１０とすると、シリンドリカルレンズ７を用
いない場合に比べて光量は１０倍になり、そのため信号
強度は基本的に１０倍になるので、十分な信号強度か得
られることになる。また、シリンドリカルレンズ７を用
いることで、ディジタル的に行なっていたラスター圧縮
を光学的に行なわせることかでき、実質上ラスター圧縮
時間はゼロになり、ラスター圧縮と信り検出に要する検
出速度は１ＯＫＨｚ前後と極めて高速化される。その上
、ラスクー走査においてｌシ入する不必要な白色雑音成
分も低減され、結果として高Ｓ／Ｎ比が得らえることに
なる。

なお、以上のシリンドリカルレンズを用いる点について
は、本出願人によって「アライメントマークの位置検出
装置」　（１願１１／＋　６３−６３９２１号）として
出願済みである。

次に、リニアセンサー６によって得られた信りを処理し
て位置検出を行なう信−）処理方法について説明する。

その１つの方法として相似性パターンマツチング手法が
ある（同一出願人による１願ＩＩ／１６２−２４３１９
４号参照）　、　；：（１）方？Ｊｉ＜：ｋ、第１１図
（ａ）に示すように、同じ形の２つのマークを所定間隔
離して配置し、これをマークの間隔方向へ走査して同図
（ｂ）に示すような入力画像信号Ｖ（ｊ）をｌｉ、；：
０）Ａ力ｉｉ！ｉｆ’ｌ信号Ｖ（ｊ）を微分して同図（
ｃ）のようなエツジ抽出信号Ｖ′（ｊ）を求め、次の式
（５）で定義される自己相関関数Ａ　（Ｗ、Ｐ、Ｒ）を
求める。

−Ｐ Ｖ’（ｊ＋ｗ）　　・・・・　（５） ここで、Ｐ：相関区間の開始点 Ｒ：相関区間 Ｗ：左右パターンの幅 Ｖ’　　（ｊ）：画素ｊにおける画像 人力値Ｖ（ｊ）の１ 次微分イ１ 第１１図（ａ）のマーク間の距離は、Ａ　（Ｗ。

Ｐ、Ｒ）が最大値を取るＷ、と２７ｆｒ［」を取るｗ２
の中間に存在する。

従来のパターンマツチング法による中心位置検出方法に
おいては、第１１図（ａ）における各マークの対称性を
前提としているが、例えば半導体処理プロセスの影響で
その対称性は簡単に崩れてしまい、そのため中心検出精
度は低下してしまう、しかしながら、上記した相似性パ
ターンマツチングの手法によるど、近接したマークは処
理プロセスにより相似性を保ちながら同時に崩れるとい
うプロセス上の特性に基づき、その位置を求める方法に
なっているため、半導体処理プロセス依存性の極めて低
い方法となっている。

さて、リニアセンサー６から得られる信号は第１２図（
ａ）のようなものである、第３図に示したようなマスク
マーク１６の場合、ＬＦＺＰを１つしか使用していない
ので、マスクマーク１６が対応する信号４２は１個しか
現われない、一方、ウェハーマーク１７は２個用いてい
るので、対応する信号４１．４３は２個現われ、これら
の位置関係はマスクマーク１６の対応する信号４２を中
心にその両側にウェハーマーク信号４１．４３か存在す
る。この出力信号はＡ／Ｄコンバータでディジタル化さ
れ、１次微分処理を受けて、第１２図（ｂ）のような信
号か得られる。（ｂ）図において、符号４４．４６の信
号はウェハーマークに、４５はマスクマークにそれぞれ
対応している。この（ｂ）図の信号を、例えば上記した
相似性パターンマツチングの手法を適用し、マスク１４
とウェハー１５のＹ方向（第２図、第５図等）の位置関
係が検出でき、両者のアライメントが可能となる。

ここで、本発明の位置検出装置を用いてマスクマーク１
６とウェハーマーク１７をアライメントする原理を説明
しておく、リニアフレネルゾーンプレート（ＬＦＺＰ）
は先に説明したように焦点距離ｆを有する凸のシリンド
リカルレンズと同じ作用をする。第１３図において、紙
面に垂直（Ｘ方向）に縞を有するＬＦＺＰ２３は同じ方
向の直線状の焦点２４を有しており、したがってマスク
又はウェハー」―のＬＦＺＰがその縞と直角方法（Ｙ方
向）に６６μｍ動くと、焦点も同じ方向に同じに６６ｇ
ｍ動く。この焦点の移動量をＬＦＺＰのずれ量（Δδｕ
ｍ）とみなすことができる。

したがって、焦点のずれｈｌを検出することによってマ
スク又はウェハーのずれ量を知ることができるので、マ
スクとウェハーそれぞれにＬＦＺＰからなるマークを設
けておき、それぞれの焦点の位置を同時に検出すること
によってマスクマークとウェハーマークのアライメント
を行なうことができる。この発明においては、ＬＦＺＰ
を複数（原理」―必ずしも２色に限定する必要はない）
の波長で同時にＩＫ−射し、、ＬＦＺＰの焦点位置が波
長によって異なるのを色収差を有する対物レンズで補正
して同一焦点面へ結像させ、かつ、この対物レンズによ
って上記ずれ量を拡大倍率分（Ｎ）たけ拡大して、Ｙ方
向に走査するリニアセンサー上に結像させるものであり
、第１４図に示すように。

結像面（リニアセンサー）６上におけるマスクマーク１
６又はウェハーマーク１７の焦点の移動量は（ΔδｘＮ
）ｇｍと拡大される。この移動ｆｉｔをマスク１４及び
ウェハー１５について同時にリニアセンサー６からの信
号を処理することによって求め、両者もマークの中心位
置を一致させる。

なお、シリンドリカルレンズ７はＬＦＺＰ１６゜１７の
Ｘ方向に延びる焦点をこの方向へ圧縮して処理速度の高
速化、信号強度の増幅等を行なうものである。

ここて、その他若干の補足を行なっておく。先ず、第６
図を用いた説明において、マーク１６゜１７によるＸ−
Ｚ＋面における焦点面２５．２６は入射角、検出角があ
まり大きくない範囲において検出光学系の光軸に対して
垂直な面と考えてよいと述べたが、０が大きくなるとこ
のように考えることはできない、マーク１６．１７の焦
点面は、第６図の符号２５′、２６”に示すようにマス
ク又はウェハー面と平行な面と考えねばならず、したが
って、対物レンズ９以降の光学系は第１図の配置から多
少修正しなければならない。最も簡単には第１図の代り
に０′Ｓｌｓ図のに示すように対物レンズ９．リレーレ
ンズ８．シリンドリカルレンズ７の光軸がマスク１４．
ウェハー１５の平面に対して垂直になるようにＹ方向を
中心に回転させれば良い。

次に、ＬＦＺＰのスリウドの数について、文献１５によ
って報告されているとおり１回折光強度はＬＦＺＰのス
リット数に依存しているため、適当なスリット数を決定
′する必要がある。また、ＬＦＺＰのタイプにもクリア
センタータイプとダークセンタータイプの２　ＪＩｆ類
かあるため、どちらかを選択する必要がある６以上の２
種類の決定にあたっては、処理プロセスの影響を見なが
ら実験により適切な数及びタイプを決定する必要がある
。

第１６図にＬＦＺＰのスリット数及び種類の違いによる
信号強度の変化を示す。

また、この発明において、検出信号は、フレネル回折光
強度をリニアセンサーで受光し、これをＡ／Ｄ変換する
のが、その変換した信号と同様の例を第１７図に示す（
文献１３）。Ａ／Ｄ変換した後の信号は先に示したよう
に、１次微分、相似性パターンマツチング、補間演算な
どが行なわれる。

この発明の位置検出装置を利用した第１図のアライメン
ト装置のＪｌｉＷｊＲ的なスペックは次のとおりである
。

１、アライメントマークニウエハーマーク＝ＬＦＺＰｘ
２ マスクマーク ＝ＬＦＺＰｘ　１ ２、検出信号：フレネル回折による集光焦点面における
波長入、及びλ２の光 による回折光強度 ３、検出装＋ｊ！１：複波長による色収差を利用した２
重焦点検出装置とシリンドリ カルレンズによる光学的ラスタ 圧縮光学系 ４、受光素子：リニアセンサー ５、信号処理方法：相似性パターンマツチング等による
アライメントマー クの位置検出 次に、この発明の位置検出装置を用いたアライメント方
法によって、第１表に示した従来の各種アライメント方
式が持つＮｏ、ｌからＮｏ、６の問題点をどのように解
決しているかを以下に説明する。

Ｎｏ、１　　プロセス依存性（ＮＯ，は第１表のＮｏ、
に対応している。以下回し） ■？ｎ波長アライメント光による光の干渉問題。

この発明によれば１．複斂波長のフレネル回折光を１色
収差を利用した２重焦点検出系で検出するため、従来の
回折格子によるアライメント法が持つ光の干渉問題を根
本的に解決している。

なお５回折格子法において起こる干渉問題の例は１文献
１３において、Ｂｅ１ｌ研の円形フレネル・ゾーン・プ
レートによるアライメント方法においては、薄膜の厚さ
により干渉効果が引き起こされ、そのためにフレネル回
折光強度が変化することか報告されている（文献１３の
表１参照）。

また、照明波長により、各種薄膜に対して回折光強度が
正弦波状に変化することが報告されている（文献１３の
図２参照）。

さらに、文献１９においては１回折光を用いるアライメ
ント方式において、レジスト膜厚を均一化することによ
って干渉強度変化を小さく押え、アライメント精度の改
善を図っている。

（リマークの対称性に依存する。

この発明によると、この問題点は基本的に次の技術を組
み合わせることにより解決している。

（ａ）ＬＦＺＰをベアで使用し、その位置をアライメン
トマークの位置とする。

（ｂ）位置を求める演算処理として相似性パターンマツ
チングを適用する。

次に、上記の２つの技術の組み合わせによって解決され
るマークの対称性の依存性について、従来技術との関連
で説明する。

まず、この発ＩＪＩと間接的に関係のある円形フレネル
・ゾーンターゲットによるアライメント方式について紹
介し、それらがマークの対称性に依存することを説明す
る。

Ｂｅ１ｌ研によって提案された円形フレネル・ゾーン・
ターゲットによる方式は文献１３に報告されているが、
この方式は、第！８図（ａ）に示すように、マスク七に
円形フレネル・ゾーン・ターゲット５０のベアを２つ設
け、その中心に。

ウェハーＬに設けた円形フレネル・ゾーン、ターゲット
５１の中心を位置合わせしようとするものである。

また、上記のＢ　ｅ　１．１研の方式を踏襲したＭｉｃ
　ｒａｎ　ｉ　ｘのＸ線アライナ−が文献１４に、報告
されているが、この方式はｆ５１８図（ｂ）に示すよう
に、マスク上に円形フレネル・ゾーン・ターゲット５０
をベアで設け、その中心にウェハー上に設けた円形フレ
ネル・ゾーン・ターゲラ）−５１の中心を位置合わせし
ようとするものである。

これら第１８図（ａ）、（ｂ）から明らかなように、ウ
ェハーアライメントマークとして、１つの円形フレネル
・ゾーン・ターゲットを用いているため、プロセスの影
響により変化するウェハーアライメントマークの中心位
置に、アライメント精度が常に左右されることになる。

第１８図（ｂ）の場合を例にとり、アライメントマーク
からの検出信号において、アライメント精度がウェハー
マークの対称性にどのように依存するかを以下に説明す
る。第１９図（ａ）（ｂ）、（Ｃ）にウェハーマークの
対称性が変化した場合の検出信号を示す、（ａ）に示す
ように、ウェハーマーク５１からの検出信号５３が対称
性を保っている場合、マスクマークの中心位置５５とウ
ェハーマークの中心位ｆ１５６とが一致しているため、
検出誤差はない。これに対して。

（ｂ）に示すように、ウェハーマークの対称性が崩れて
左にずれることがある。これは、例えばプロセスの影響
でウェハーマークからの回折光強度が対称性を失ない、
（ｂ）のように本来の中心位置から左側にその中心位２
！５６がずれる場合であって、（ｂ）図中符号５７で示
すアライメント誤差が生じる。（Ｃ）は（ｂ）と同様に
、ウェハーマークの対称性が崩れて右にずれた場合で、
（ｂ）と同じ理由で、アライメント誤差５７が右方向に
生じる。

これらの従来の方式に対して、本発明においては、第３
図に示すように、ウェハーマーク１７を２つベアで設け
ている。第３図の場合を例にとりて、アライメント精度
がマークの対称性に極めて依存しにくい理由を説り１す
る。第２０図（ａ）。

（ｂ）、（Ｃ）にウェハーマークからの検出信号におい
てその対称性が変化した場合を示す、これら（ａ）、（
ｂ）、（ｃ）には第１１図を参照して説ＩＪ１シた相似
性パターンマツチングの式（５）における変ｆｉＰ、Ｒ
，Ｗを図示しである。（ａ）に示すように、ウェハーマ
ーク１７（第３図）の検出信号５９が対称性を保ってい
る場合、マスクマーク（１個）の中心位置６１とベアを
なすウェハーマークの中心位置とは一致する。これに対
して、（ｂ）に示すように、各ウェハーマークの対称性
か崩れて左にずれた場合、各マークの中心位置６２は左
側にずれている。そして、左右マークの対称性の崩れ方
は、マークか近接しているため、相似性を保ちながら変
化している。そこで、この相似性を保ちながら変形し、
非対称性となった左右マークに相似性パターンマウチン
グの手法を適用すると、対称性パターンマウチングによ
る場合に比べて左右ベアマークの中心位置は第２゜図（
ａ）図の位ｆｆｌ　（６１の位置）に近い場所に存在し
、左右マークの非対称性に影響されにくいことがわかる
。すなわち、次の式（５）で表わされる相関式に従って
、 ＜ｊ　＋ｗ）　　・・・・　（５） ここで、Ｐ：相関区１１１１の開始点 Ｒ：相関区間 Ｗ：左右パターンの幅 左側の検出信号を右に平行に移動すると右側の検出信号
と重なり合い（数学的には相関操作に相当する）、最も
良く一致する位置は左右パターンの対称性の距離を表わ
す。

Ｎ００２ギヤツプ依存性が高い。

基本的に、本発明におけるギャップ依存性は。

色収差を利用した検出装置の対物レンズの焦点深度で決
まる。つまり、対物レンズの開口数をＮＡとすると、ギ
ャップ変動が下記の式（６）で定義されるレーリーの焦
点深度内であれば、検出精度はギヤ・ンプ変動の影響を
受けない。

ただし、入：照明波長 例えば、入＝５４６ｎｍ（ｅ線）を入射した場合、ＮＡ
＝０．４とすると、焦点深度は±１．５ｐｍとなり、そ
の範囲のギャップ変動には影響されない。

第２１［ｆｆｌにフレネル回折の焦点面と対物レンズの
焦点深度の関係を示す。この図において、マスク１４及
びウェハー１５（第３図）Ｊ：、に設けたＬＦＺＰ　１
６又は１７の回折焦点面２５は、マスク及びウェハー各
々の光軸方向の変動に非常に敏感に反応して位置が変動
する。したがって、回折光の検出面が固定された一点（
−面）であれば、検出強度はギャップに大きく＃饗され
、常に変動することになり、アライメント精度はギャッ
プ依存性が極めて高くなり、そのため、精度は不安定に
なり、低下する。ところが、対物レンズ９には式（６）
で表わされる焦点深度６３が存在し、その範囲内に物点
かあれば、光学的な検出分解滝は一定とみなせるため、
回折焦点面２５が焦点深度６３内で変動しても、結像面
で検出する回折光強度分布は変化しない。

以上の説明から１本発明によれば１回折光を利用してい
るにもかかわらず、パターン計測と同様に、ギャップ依
存性の低い検出装置が実現可１Ｂである。

Ｎｏ、３Ｎ光エリア中に設けたアライメントマーク検出
による露光中サーボ１ｌｊｌσ１第１図に示した装置外
形構成から明らかなように１本発明においては斜入射、
斜方検出方式を採用しているため、露光領域内にアライ
メントマークを設け、その、マークを、露光波長（Ｘｌ
ａ）と干渉することなく、露光中も検出することが可能
である。したがって、露光中も検出光学系を退避させる
ことなく、ウェハー位置を検出して補正でき、さらに、
ウェハー全面をスラップ・アンド・リピート露光できる
ため、アライメント精度の向上及びスルーブツトの大幅
な向上が可能となる。

この発明の装置と検出光学装置の配置が類似している例
として１文献３に示されている日立製作所の側方検出を
行なうものがある。これは、第２２ＩＡに示したような
配置となっており、パターン計測と通常の落射顕微鏡を
用いている。これに対し、本発明においては、主として
ＬＦＺＰ　（回折方式）と色収差に、よる検出装置を用
いており、この点において１文献３のものとは大きく相
違するが、第２２図の検出光学系６７を色収差を利用し
た位置検出系１２（第１図）に置き換え、アライメント
マークをＬＦＺＰに、画像検出系６８を２次元カメラか
ら１次元のリニアセンサーに置き換えれば、第２２図の
ものは本発明の装置と外形がほぼ一致することになる。

Ｎ０１４　高速検出 第１Ｏ図との関連て高速検出を可能にする技術の凪略を
説明したように１色収差を利用した位置検出装置に、シ
リンドリカルレンズとりニアセンサーを組み合わせるこ
とによって、検出速度を数１０倍以上に高めることが可
能である。色収差を利用した位置検出装置におけるシリ
ンドリカルレンズとリニアセンサーの組み合わせ方法の
詳細については、特願昭６３−６３９２１号「アライメ
ントマークの位置検出装置」の明細書を参照のこと。

ＮＯ，５マークの形状が複雑でプロセス変化に基づくパ
ターン変化が起きやすい 従来のフレネル回折を利用する方式では、文献１３．１
４に示すように円形フレネル・ゾーン・ターゲット（プ
レート）を使用していた。第２３図（ａ）にこのような
円形フレンネル・ゾーン・プレートの平面図を示す、こ
れに対して、この発明においては、第２３図（ｂ）に示
したようなリニア・フレネル・ゾーン・プレートを使用
しているため、マーク形状はかなり簡素化されており。

プロセス変化に基づくパターン変化が起きにくくなって
いる。

Ｎｏ、６　　フレネル回折で集光された焦点付近に発生
するスプリアス像によって焦点の 非対称性が発生すると位置誤差にな る この問題に関しては、基本的に、上記のＮ００１の（り
のマークの対称性に依存する問題に包括されるので、同
様に説明される。つまり、スプリアス像によるマークの
対称性の崩れは、プロセスによる＃’２Ｆと同様に、検
出信号を非対称にするため、基本的に次の２つの技術に
より解決される。

（ａ）ＬＦＺＰをベアで使用し、その位置からアライメ
ントマークの位置を求める。

（ｂ）アライメントマークの相対位置を求める演算処理
として相似性パターンマツチングを適用する。

以上、この発明の実施例と従来例の問題上の解決の仕方
を説明したが１以上の説明から明らかなように、この発
明は、シンクロトロン放射光（ＳＯＲ）などを線源に持
つＸ線アライナ−において、マスクとウェハーを０．０
１ｇｍ以上のオーダで位置検出可能なアライメント装置
に適用できるだけでなく、光源がＸ線以外で、かつ、プ
ロキシミティー露光を行なうアライナ−において、マス
クとウェハーを精密に位置決めする必要のあるアライナ
−においても利用でき、また、それ以外にも、比較的近
接した２物体（数ｌＯ鉢ｍ〜数１００ｇｍ）を精密に位
置合わせする装置に適用することができる。この発１１
はＸ線アライナ−装置においてはマスクとウェハーの位
置検出装置として使用され、高精度高スループウドを可
能にする。また、ｘ−Ｙステージやマスクステージなど
のサーボ系に対しては位置信号を得る手段として用いら
れる。

［発明の効果］ この発ＩＪＩの効果は、実施例の中で詳しく説１月シた
とおり、ｌ’ｓ１表の従来技術のＮ００１から６の問題
点を解決できることである。特に。

（１）露光エリア内に設けたアライメントマークを検出
する露光中サーボ制御が可能である（２）プロセス依存
性がきわめて低い ■マークの対称性に依存しない ■薄膜など光の干渉による定在波効果の影響を受けにく
い （３）ギャップ依存性がきわめて低い （４）高速検出が可能 である点において極めて効果が大きい。

したがって１以上のことから、この発Ｉｌｌによれば、
超精密位置Ｊ目−（０，０１川ｍオーダー）、特に、マ
スクとウェハーを０．０１４ｍオーダーで位置検出可能
であり、また、高スループウドが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の位置検出装置の側面概略図。 第２図は、その上面機略図。 第３図（ａ）、（ｂ）は、アライメントマークの上面図
と側面図、 第４図は、ＬＦＺＰの作用の説明図。 第５図、第６図は、ＬＦＺＰからなるアライメントマー
クのフレネル回折の説明図。 第７図は１色収差を有する対物レンズの作用を示す光路
図。 第８図（ａ）、（ｂ）は、フレネル回折焦点と２重焦点
検出装置の関係の説明図、 第９図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、フレネル焦点面及び
結像面における回折光強度分布図、第１０図は、シリン
ドリカルレンズによる光学的ラスター圧縮の説明図。 第１１図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、相似性パターンマ
ツチングの説明図。 第１２図（ａ）、（ｂ）は、検出信号及びその１次微分
信号の波形図、 第１３図、第１４図は、本発明のアライメント原理の説
明図、 第１５図は、他の実施例の第１図と同様な図面、 第１６図は、ＬＦＺＰのスリット数及び種類の違いによ
る信号強度の変化を示す説明図、第１７図は、Ａ／Ｄ変
換後の検出信号波形図。 第１８図（ａ）、（ｂ）は、従来例のマスクマ−りとウ
ェハーマークの配置図。 第１９１″Ａ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来例の場合
の検出信号の波形図、 第２０図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は１本発明の場合の検
出信号の波形図、 第２１図は２本発明のギャップ依存性の説明図。 第２２図は、従来例のアライナ−の斜視図、第２３図（
ａ）、（ｂ）は１円形フレネル・ゾーンプレートとＬＦ
ＺＰの比較図である。 ｌ：レーザ（波長λｌ）、２：ビームスプリッタ−，３
：レーザー（波長入ａ）、’ｓ：ミラー５：照明光学装
置、６：リニアセンサー、７：シリンドリカルレンズ、
８：リレーレンズ、９：対物レンズ、ｌＯ：検出光学装
置、１１ニジリントリカルレンズとリニアセンサーから
なく高速検出系、１２：色収差を利用した２重焦点検出
系。 １３：Ｘ線露光領域、１４：マスク、１５：ウエハ−１
６：７ライメントマーク＝ＬＦｚＰ。 １７：アライメントマーク＝ＬＦＺＰｘ２゜１８：ギャ
ップ、１９：斜入射照明角度（０）、２０：斜方検出角
度（０）、２１：不透明部、２２：マスクウィンドウ（
透明部分）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｘ線露光光の光軸方向に微小距離離間した第一の
   物体と第二の物体の光軸に直交する方向の相対位置を検
   出する位置検出装置において、各物体上にリニアフレネ
   ルゾーンプレート（ＬＦＺＰ）からなるアライメントマ
   ークを設け、これらＬＦＺＰを同一方向から同時に複数
   の波長の光により照明するように照明装置を構成し、上
   記ＬＦＺＰの波長ごとに位置の異なる回折焦点にその波
   長の焦点が一致するような色収差を有する対物レンズを
   前え、 上記対物レンズによって同一結像面上に重ね合せて結像
   された上記ＬＦＺＰの直線状の回折焦点像を、その長手
   方向に対して直角な方向に１次元操作して電気信号に変
   換するリニアセンサーを上記結像上に備え、 上記直線状の回折焦点像をその長手方向に圧縮して上記
   リニアセンサー上に結像するように、シリンドリカルレ
   ンズを上記対物レンズと上記リニアセンサーの間に配置
   し、 上記リニアセンサーから得られた信号を処理して上記各
   アライメントマークの位置を検出する手段を有する、 ことを特徴とする複波長照明を用いたダブルリニアフレ
   ネルゾーンプレートによる位置検出装置。
2. （２）第一の物体のアライメントマークとして単一のＬ
   ＦＺＰを用い、第二の物体のアライメントマークとして
   一対のＬＦＺＰを用い、第一の物体の単一のＬＦＺＰを
   第二の物体の一対のＬＦＺＰの間に入るような配置とす
   ることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. （３）第一の物体はマスクであり、第二の物体はウェハ
   ーであり、ウェハーのアライメントマークの回折光及び
   入射光が通るマスク部分に透明なウインドゥ領域を設け
   たことを特徴とする請求項１又は２記載の位置検出装置
   。
4. （４）照明装置及び代物レンズを、第一物体アライメン
   トマーク及び第二物体アライメントマークの左右斜上方
   の対向する位置に配置し、これらアライメントマークに
   立てた垂線に対して、照明装置の入射角が対物レンズを
   含む検出光学系の検出角に等しくなるように配置したこ
   とを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の位置検
   出装置。
5. （５）リニアセンサーから得られた信号を処理して上記
   各アライメントマークの位置を検出する手段が相似性パ
   ターンマッチング処理を行なう手段であることを特徴と
   する請求項１から４いずれかに記載の位置検出装置。