JPH021508A - 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） 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
」と総称する。）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ェハ等の第２物体面上に露光
転写する際にマスクとウェハとの水平方向や垂直方向の
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
ウェ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、マスク及びウェハ面
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４
０３７９６９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１２１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−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に載置したウェハ６０面上のウ
ェ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をウェハ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とウェ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、
信号光束として集光点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Ｔノで透過し、波面を変えずにウェ
ハ６０面上のウェハアライメントパターン６０ａに入射
する。このとき光束はウェハアライメントパターン６０
ａにより回折された後、信号光束として再びマスク６８
を０次透過光として透過し、集光点７８近傍に集光しウ
ェハ位置をあられす集光点７８ｂを形成する。同図にお
いてはウェハ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ェハアライメントパターン
６０ａによる集光点７８ｂの位置は、ウェハ６０のマス
ク６８に対するずれ↑■Δσに応じて集光点７８を含む
光軸と直交する下面に沿って該ずれ量Δ０に対応した量
のずれ量Δ０′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
地面等に対してウェハ面か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。

般にセンサ上に絶対座標系を設け、その基準原点を設定
し、これを基に評価することは他のアライメント誤差要
因、例えばウェ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ト位置の繰
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。この問
題点を解決する為にマスクとウェハ間の間隔やウェハの
傾き等を別途計測する必要かあった。

このうち特にアライメントマーク程度の領域の局所的な
基板の傾き変化による影習は重要となっている。これは
ウェハ面上のマークの位置がどこにあるかによって誤差
を発生する原因となっている。これは別途設けた測定系
の評価領域がずれていると、その間の形状変化が測定誤
差の原因となってくる。

第１３図は例えばウェハ面上の局所的な傾きによる光束
の重心位置の変化を示す説明図である。

同図（Ａ）はウェハ２６がθ傾いている場合の検出面２
７面上の光束の重心位置の変動を示し、同図（Ｂ）はウ
ェハ２６が場所によって異った傾きのある断面状態を示
している。

今、同図（Ａ）のようにマスクを通過したアライメント
光束がウェハ２６に入射するとする。

このとき、ウェハのアライメントマーク２６′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２７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Ｐ。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−Ｌａｎ２θ Δ とすれば Δδθ＝　１８．７Ｘ　１０＋３ｘ　２　　Ｘ　１０−
’＝　３．７４μｍとなる。

即ち、３．７４μｍの位置ずれ誤差となり、マスクとウ
ェ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。

（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物体に対するウェハ等の第２物
体の水平方向や垂直方向の位置検出を行う際の局所的な
基板の影晋を受けずに高精度な位置検出を可能とした位
置検出装置の提供を特徴とする 特に本発明ではマスク、又はウェハ面上に設けるアライ
メントマークとしての物理光学素子（クレーティング等
、光の波動としての特徴を利用した波面変換素子）を同
一領域内に複数個重複して設け、該領域から射出される
複数の光束を利用し高粒度な位置検出を可能とした位置
検出装置の提供を目的とする。

この他本発明ではマスク又はウェハに設けたアライメン
トマークから射出される複数の光束のうちの１つをマス
クとウェハの横ずれ信号を有するアライメント光束とし
、他の１つをマスクとウェハの横ずれには影晋されない
基準光束として利用し、このとき基準光束（参照光束）
のウニへ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）と全く等しくなるよう
にし、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全く等しい重心移動の作
用を受けるように設定し、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原理的
にマスクとウェハとの位置ずれのみに依存するようにし
、高精度な位置合わせを可能とした位置検出装置の提供
を目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は位置検出を行う２つの物体面上に各々光を偏向
させる各々異った光学的性質を有する複数のマーク（例
えば物理光学素子や光を反射偏向させる反射面等）を同
一の領域内に重複に形成し、この１つの領域に形成した
マークを介した光束より２種類以上の位置検出に関する
信号を得、これより２つの物体の横ずれ方向である水平
方向や間隔方向である垂直方向の位置検出を行っている
ことを特徴としている。

具体的には第１物体面上に第１アライメントマークを形
成し、第２物体面上に第２アライメントマークを形成し
、該第１アライメントマークと該第２アライメントマー
クの双方で偏向された第１光束の位置を第１検出手段で
検出し、得られる第１信号と、該第１アライメントマー
クと第２アライメントマークで偏向される該第１光束と
は異なった第２光束の光束位置を第２検出手段で検出し
、得られる第２信号の双方の信号を利用して、該第１物
体に対する第２物体の位置検出を行う際、該第１アライ
メントマーク又は／及び第２アライメントマークを光学
的性質を異にする少なくとも２つのマークを同一領域内
に重複して形成して構成したことを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の第１物体と第２物体の横
ずれである水平方向（Ｘ方向又はＹ方向）の位置合わせ
をアライメント光束の他に参照光束を用いて行う場合の
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
ェハである。５，３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面上とウェハ２面上に設けられ
ている。第１．第２アライメントマーク５．３は後述す
るように光学的性質の異なる少なくとも２つのマークを
同一領域内に重複して形成して構成されている。このと
きのマーク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っている。そして第１゜第２アラ
イメントマーク５．３はマスク１面上とウェハ２面上の
スクライブライン９．１０上に設けられている。６は入
射光、７は信号光としてのアライメント光束、８は参照
光束であり、光束６は不図示のアライメントヘット内の
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。

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、−Ｎ　ｅレーザー、Ａ、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。

本実施例では入射光６はマスク１面上の第１アライメン
トマーク５に所定の角度で入射した後、複数の偏向され
た光束、即ち複数の回折光が透過回折し、これらの回折
光のうち所定の２つの回折光（同図では主光線のみを示
した為、重なっている。）が更にウェハ２面上の第２ア
ライメントマーク３で偏向され、即ち反射回折し、セン
サ１１．１２面上に各々入射している。そしてセンサ１
１，１２で該センサ面上に入射したアライメント光束７
と参照光束８の重心位置を検出し、該センサ１１，１２
からの出力信号を利用してマスり１とウェハ２をスクラ
イブライン９，１０方向（×方向）について位置合わせ
を行ってしする。

次に本実施例における第１．第２アライメントマーク５
，３について説明する。

アライメントマーク３．５は所定の値の焦点距離な有す
るフレネルゾーンプレート（又はグレーティングレンズ
）を同一領域内に複数重ね合わせたものより成っている
。これらのマークの寸法は各々スクライブライン方向に
１８０μｍ１スクライブライン幅方向（ｙ方向）に５０
μｍである。

本実施例においては入射光６は、マスク１に対して入射
角１７．５°・で、マスク１面への射影成分がスクライ
ブライン方向（×方向）に直交するように入射している
。

この所定角度でマスク１に入射した入射光６はグレーテ
ィングレンズ５の回折作用とレンズ作用を受けて複数の
回折した収束（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５を透過回折した複数の
回折光、例えばアライメント光束７と参照光束８を各々
ウェハ面２の鉛直下方２１７μｍと１８．７ｍｍの点に
集光させている。このときのマスク１とウェハ２との間
隔は３０μｍである。

アライメントマーク５で透過回折した複数の回折光のう
ちアライメント光はウェハ２面上の第２アライメントマ
ーク３でレンズ作用を受け、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
面上へは光束かアライメントマーク５．３の位置ずれ、
即ちレンズ中心のずれ昨を拡大比例した量だけ、重心位
置が変動して入射する。

ここで光束の重心とは光束断面内において、断面円各点
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
たものを受光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。

別の実施例として、光強度がピークとなる点の位置を検
出してもよい。

本実施例ではマスク１とウェハ２の位置ずれがＯのとき
、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウェハ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ェハ２からの出射角が１３度
であり、所定位置、例えばウェハ２面から１８．７ｍｍ
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。

又、アライメントマーク５で透過回折した複数の回折光
のうち参照先はウェハ２面上の第２アライメントマーク
３で単なる偏向作用を受け、出射角７度で射出し、第２
検出手段としてのセンサ１２面上の一点に集光している
。

このとき参照光束は第２アライメントマーク３によりレ
ンズ作用を受けない為に、マスク１とウェハ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。

グレーティングレンズ５．３のパターンＡＩ。

Ｂ１はマスク１とウェハ２が位置ずれを起こすとそれぞ
れの光軸が相対的にずれる、所謂レンズの軸ずれと同様
の状態となる。この場合パターンＡ１からの出射光の主
光線は位置ずれを起こす前と後でパターンＢｌ上の入射
位置が異なるので出射角も変動し、よってアライメント
光束の集光位置が変動する。この集光位置変動量は位置
ずれ量に比例する。

これに対しパターンＡ２から出射した参照光束はパター
ンＢ２に入射し、所定角度で出射する。

マスクとウェハが位置ずれを起こすとパターンＡ２から
の出射光の主光線のパターンＢ２への入射位置も変化す
るが、どこへ入射してもパターンＢ２からの出射光の出
射角は変化しない。マスクとウェハの位；ξずれ検出の
場合、一般にマスクは装置に固定されているので、この
マスクのパターンＡ２によって参照光束が集光するセン
サ１２面の位置は位置ずれが発生しても変化しない。こ
れよりアライメント光束と参照光束の間隔は位置ずれ量
に比例することがわかる。

従って、本実施例ではマスクとウェハの位置（アライメ
ント）ずれがＯの場合のアライメント光束と参照光束の
重心位置の位置検出方向に沿った間隔を予め求めておき
、位置検出時にアライメント光束と参照光束の重心位置
の位置検出方向に沿った間隔を検出し、この間隔のずれ
が０のときの間隔に対する変動量からマスクとウェハの
アライメントずれをＣＰＵ１１ａで求める。

次に本発明の位置ずれ量検知方法の原理を第２２図〜第
２４図を用いて更に詳細に説明する。

第２２図は本発明に係るマスター、ウェハ２及びセンサ
ー１の光学配置を示す説明図である。同図は第１光束と
しての信号光束の光路を示している。

今、マスク１とウェハ２とが平行方向にΔσずれており
、ウェハ２からウェハ２のグレーティングレンズ３で反
射した信号光束の集光点までの距離をｂ１マスク１のパ
ターンＡ１を通過した信号光束の集光点までの距離をａ
とすると検出面１１上での集光点の重心ずれ量Δδは Δδ＝Δσｘ（−＋１）　　　・・・・−−−−−（ａ
）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　、　５　ｍｍ、　ｂ　＝　５０　
＋ｎｍ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比例関係となる。検出器１１の
分解能が０．１μｍであるとすると位置ずれ量Δａは０
．００１μｍの位置分解能となる。

次に本発明に係る第２光束としての参照光束を用いた位
置ずれ量検知の基本手順について説明する。

本発明において参照光束を発生する手段として第２３図
に示すようにマスク１面上にパターンＡ２を設定し、ウ
ェハ２面上にレンズ作用のない物理光学素子４（例えば
直線格子、反射面など）を設定する。

パターンＡ２に入射する所定の波面形状を有する光束（
例えば平面波、球面波など）はパターンＡ２を出射後、
所定面上で結像（集光）する収束光となってウェハ２上
の物″埋光学素子で反射してセンサ１２に到達する。

この光束のセンサ１２上での入射位置（Ｒ，とする）を
基準点とし、アライメント信号光のセンサ１１上での入
射位置（Ｓ、とする）を測定することによってマスク１
、ウェハ２の位置ずれ量を求める。

本発明においては、例えば第２２図の光学配置て決まる
位置ずれ検出感度をＡとすると位置ずれ量ｄは ｄ＝　（Ｓｇ−Ｒ，）／Ａ と求まり、位置ずれｉｄが０となるように位置合わせを
行なう物体のいずれか一方を動かせばよい。

ただし、位置ずれｉｄの値は必ずしも０に収束するよう
に光学系及び信号処理系を設定し、制御しなくてもよく
例えば位置ずれｉｄが０のとき位置ずれ量ｄが所定の目
標値ε（有限値）に収束するようにしてもよい。以上の
手順を第１４図に示す。この目標値は例えばマスクパタ
ーンの露光転写の後、重ね合わせ精度を評価して決定し
もよい。

尚、本実施例において第１アライメントマーク５からの
所定次数の１つの回折光が第２アライメントマーク３に
入射し、このとき生ずる複数の回折光のうち２つの回折
光をアライメント光７と参照光８として取扱い各々セン
サ１１，１２に導光させても良い。

第２図は第１図に示した第１実施例における光学系の基
本原理を示す説明図である。同図においては相対的な位
置ずれを評価したい第１物体１と第２物体２に各々ゾー
ンプレート等の第１．第２アライメントマーク５．３を
設けている。第１アライメントマーク５へ光束６を入射
させ、それからの出射光２１を第２アライメントマーク
３に入射させている。そして第２アライメントマーク３
からの出射光２２をポジションセンサー等の検出器の検
出面２７上に集光させている。

このとき第１物体１と第２物体２との相対的な位置ずれ
１Δσに応じて検出面２７上においては、光量の重心ず
れ量Δδが生じてくる。

本実施例では同図において、点線で示す光束２４による
検出面２７上の光量の重心位置を基準として、実線で示
す光束２２による検出面２７上における光量の重心ずれ
量Δδを求め、これより第１物体１と第２物体２との相
対的な位（ｌずれ■Δσを検出している。

第３図はこのときの第１物体１と第２物体２との相対的
な位置ずれ量Δσと、検出面２７上における光束の重心
ずれ量Δδとの関係を示す説明図である。

本実施例では以上のような基本原理を利用して第１物体
１と第２物体２との相対的な位置関係を検出している。

ここで、今第１アライメントマーク５を基準とし、第２
アライメントマーク３が第１アライメントマーク５と平
行方向にΔσずれていたとすると検出面２７上での集光
点の重心ずれ惜Δδはｗ となる。即ち重心ずれ量Δδは（−＋　１　）倍に　Ｗ 拡大される。

例えばａ　ｗ　＝　０．５ｍｍ　、　ｂ　ｗ＝５０ｍｍ
とすれば重心ずれ量Δδは（１）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（１
）式より明らかのように、例えば第４図に示すような比
例関係となる。検出器８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。

このようにして求めた位置ずれ■Δ０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。

本実施例において位置合わせを行う手順としては、例え
ば次に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
する検出器の検出面２７上での光量の重心ずれ信号Δδ
Ｓとの関係を示す曲線を予め決めておき、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からの重心ずれ信号ΔδＳか
ら位置ずれ量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。

次に本実施例における第１．第２アライメントマーク５
，３（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５は所定のビーム径の平行光束
か所定の角度で入射し、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　ｌｉｍｂ、幅方向にｙ軸、マスク面１の法線
方向に２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（
ＸＩ　＊　ｙＩ　＋　Ｚｌ　）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 ｙｓｉｎ　　ａ　　　　Ｐ、（ｘ、ｙ）−Ｐ２　　＝ｍ
λ／　２−（１）Ｐ　＋（ｘ、ｙ）＝　　（ｘ−ｘｉ）
”　　”　　（ｙ−３’＋）２”　Ｚｌ”Ｐ２　　＝５
コア７７ｙ了７ 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（ｘｌ　、ｙＩ　、Ｚｌ　）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（ＸＩ　、　ｙＩ　、Ｚｌ　）に到達する光線の光
路の長さの差を表わす。

方、ウェハ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。点光源はマスク１とウェハ２の
露光時のギャップをｇとおくと（Ｘ＋、　ｙ＋＋　ｚ＋
　　ｇ）で表わされる。

（ｙは変数）マスク１とウェハ２の位置合わせはＸ軸あ
るいはｙ軸方向に行なわれるとし、アライメント完了時
にセンサ面上の点（ｘ２　、ｙ２＋２２）の位置にアラ
イメント光が集光するものとすれば、ウェハ上のグレー
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 十ｍλ／２　　　　　　　　　　　・・・・・・・−（
２）と表わされる。

（２）式はウェハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマスク
面上原点及びウェハ面上の点（０，０゜−ｇ）、更にセ
ンサ面上の点（Ｘ２　＋　ｙ２Ｚ２）を通る光線である
として、ウェ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。

以上のようにして求めたアライメント用と参照用のパタ
ーンを重ねて１つのアライメントマークを作成している
。

第５図（Ａ）　、　（Ｂ）は本実施例におけるマスク用
の第１アライメントマークとウェハ用の第２アライメン
トマークのパターン図である。

同図において（ＡＩ）　、　（８１）はマスク用とウェ
ハ用のアライメント用パターン、（Ａ２）　、　（Ｂ２
）はマスク用とウェハ用の参照用パターン、（Ａ３）は
パターン（ＡＩ）とパターン（Ａ２）を重ね合わせたパ
ターンで第１アライメントマークを形成し、（Ｂ３）は
パターン（Ｉｌｌ）とパターン（口２）を重ね合わせた
パターンで第２アライメントマークを形成している。

−ｆＪ２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、ウェ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
１上のグレーティングレンズでは透明部と遮光部の線幅
の比が１：１であること、ウェハ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の比が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、ウェハ１の上マークはマスク上にウェハの露光パタ
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）に入射するアライン
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ンメント用の信号光
はウェハ面の法線に対して各々７０１３°の角度で出射
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
ようにセツティングされている。

センサ１１，１２の中心間隔は１．９６５０１１１１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
、その法線が位置すれがＯのときのアライメント光出射
角と参照先出射角の２等分線と略平行に配置されている
。

センサ１１，１２のサイズは信号充用のセンサ１１か幅
１＋１１０１、長さ６０１１１１、又参照充用のセンサ
１２が幅１ｍｍ、長さ１ｍｍである。又、各画素のサイ
ズは２５μｍ　ｘ　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１Ｎ
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、約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ェ
ハ用のグレーティングレンズの設計例では、マスクとウ
ェハの位置ずれを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、マスクとウェハ間
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、ウニへ面２がｘｚ面内で１　ｍｒａ
ｄ傾斜したとすると、センサ１１」二では信号光束は約
３７．４μｍ重心移動を起こす。一方、参照光束８も信
号光束７と同様の角度変化を受はセンサ１２上では、信
号光と同様の重心移動を起す。

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
置の変動の信号の差をＸ方向のマスク、ウェハの位置ず
れ量の真の値として出力するように信号処理をすると、
ウェハ而がｘｚ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。

又、ウェハがｙｚ面内で傾斜した場合も、信号光束、参
照光束ともに重心移動を起こすので同様に１　ｍｒａｄ
程度の微少な傾きでは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
ンサなどを内蔵するアライメントヘッドか、マスク−ウ
ェハ系に対して位置の変動を起こした場合、Ｘ方向の位
置変動はマーク領域の周辺にも略−様に投光光束を当て
ることで原理的にアライメント誤差を回避している。

四柱にマスク面とヘッドとの間に２方向の変動も投光系
をマスクに平行光が当たる系とすることで先のＸ方向の
変動と等価となり、原理的にアライメント誤差を回避し
ている。

又、Ｘ軸方向の位置の変動は信号光と参照先の対の移動
となりアライメント誤差とならないことかわかる。

次にマーク基板の傾きの影響は第１実施例においては信
号充用と参照充用のマークが全く同一領域に設定されて
いる為、各々平均的なマーク基板の傾きは等しくなり、
この影響は受けない。

第６図（Ａ）、第７図（Ａ）は各々本発明の第２．第３
実施例の概略図である。第２．第３実施例において入射
光６がマスク１面上の第１アライメントマーク５に入射
し、回折した後、ウェハ２面上の第２アライメントマー
ク３に入射し、該第２アライメントマーク３から射出し
たアライメント光７と参照光８が各々センサ１１，１２
に入射する状態は第１図の第１実施例と同様である。

第６図（Ａ）の第２実７１ζ例は第１．第２アライメン
トマーク５．３を構成するグレーティングの遮光部と透
過部の線幅の比を１：２にし、透過部を広げている。

第６図（Ｂ）はマスク用の第１アライメントマークのパ
ターン、第６図（Ｃ）はウェハ用の第２アライメントマ
ークのパターンを示している。

第７図（Ａ）の第３実施例は第１．第２アライメントマ
ーク５．３を構成するグレーティングの遮光部と透過部
の比が異なっている。第１アライメントマーク５の遮光
部と透過部の線幅の比は１：１、参照用の第２アライメ
ントマーク３の遮光部と透過部の線幅の比は１：２であ
る。

第７図（Ｂ）は第１アライメントマークのパターン、第
７図（Ｃ）はウェハ用の第２アライメントマークのパタ
ーンを示している。

尚、本発明においては第１物体１と第２物体２との間隔
及び第１．第２アライメントマークの開口の大きさに応
じて各マークの屈折力を選択するのが良い。

例えば、第１．第２アライメントマークの開口に比較し
て間隔が大きい場合は凸曲系が良い。

又、逆に開口にＹヒ較して間隔が小さい場合は第９図に
示す凹凸系、又は第８図に示す凸凹系が良い。

更に第８．第９図に示すように第２アライメントマーク
が第１アライメントマークよりも開口を大きくとれる場
合は第９図に示す凹凸系が良く、逆に第１アライメント
マークが第２アライメントマークよりも開口を大きくと
れる場合は第８図に示す凸凹系が良い。

以上の各実施例においては、透過型の物理光学素子につ
いて示したが反射型の物理光学素子を用いても同様に本
発明の目的を達成することができる。

第１０図は本発明の第４実施例の概略図である。本実施
例は所謂プロキシミティー法による半導体製造用の露光
装置において、マスクとウェハとのアライメントを行う
位置合わせ装置に関し、特にそのうちのアライメント光
のみを示すものである。

第１０図において第１図で示した要素と同一要素には同
一符番な付しである。図中、１はマスク、２はウェハで
あり各々相対的な位置合わせを行う第１物体と第２物体
に相当している。５はマスク面上のマスクアライメント
パターンで第１物理光学素子に相当し、３はウェハ２面
上のウェハアライメントパターンで反射型の第２物理光
学素子に相当している。

同図において光源９１から出射された光束を投光レンズ
系９２で平行光束とし、ハーフミラ−９３を介してマス
ク用のアライメントパターン５を照射している。マスク
アライメントパターン５は入射光束をウェハの前方の点
Ｑで集光させるゾーンプレートより成っている。点Ｑに
集光した光束はその後発散し、ウェハ用のアライメント
パターン３に入射する。アライメントパターン３は反射
型のゾーンプレートより成っており、入射光束を反射さ
せマスクとハーフミラ−９３とを通過させた後、検出面
１１上に集光している。

これによりアライメント信号を得ている。尚、参照先に
よる参照信号も同様の方法で得ている。

第１４図ぐＡ）は本発明の第５実施例の要部概略図であ
る。第１４図（Ｂ）は同図（Ａ）のマスク１面上の第１
アライメントマークの概略図、第１４図（Ｃ）は同図（
Ａ）のウェハ２面上の第２アライメントマークの概略図
である。

本実施例では前述の第１実施例における参照先の代わり
に前述の信号光（第１の信号光、アライメント光）と逆
向きの感度を有するような第２の信号光を用いた系であ
る所謂逆向きの２信号系を利用し、双方の信号光の検出
面上のスポット位置からマスクとウェハの位置ずれ量を
検出している。

次に本実施例で用いている所謂逆向き２信号系の原理及
び構成要件等について第１５図を用いて説明する。

図中、ｌは第１の物体、２は第２の物体、２０５．２０
３は第１の信号光を得る為のアライメントマークであり
、各々第１物体ｌと第２物体２の上に設けである。同様
に２０６，２０４は第２の信号光を得る為のアライメン
トマークであり、同じく各々第１物体１と第２物体２の
上に設けである。

同図では説明の都合上２つの信号系を上下にずらしてい
るが実際はアライメントマーク２０５゜２０６の中心及
びアライメントマーク２０３゜２０４の中心は一致して
いる。アライメントマーク２０５と２０６を重ね合わせ
てアライメントマーク２０５ａを形成し、アライメント
マーク２０３と２０４を重ね合わせてアライメントマー
ク２０３ａを形成してる。そしてこの重ね合わしたアラ
イメントマーク２０５ａ、、２０３ａは重ね合わせる前
の２つのアライメントマークの機能を各々有している。

各アライメントマーク２０３，２０４゜２０５．２０６
は１次元又は２次元のレンズ作用のある物理光学素子の
機能を有している。

２０７．２０８は前述の第１及び第２のアライメント信
号光束を示す。２１１，２１２は各々第１及び第２の信
号光束を検出する為の第１及び第２の検出部であり、物
体２からの光学的な距離を説明の便宜上同じ値りとする
。更に物体１と物体２の距離をδ、アライメントマーク
２０５及び２０６の焦点距離を各々ｆａｌ＋ｆａ２とし
、物体１と物体２の相対位置ずれ量を６とし、そのとき
の第１及び第２の信号光束重心の合致状態からの変位１
を各々ｓ、、Ｓ２とする。尚、物体２０１に入射するア
ライメント光束は便宜上平面波とし、符号は図中に示す
通りとする。

信号光束重心の変位ｆｆｉ　ｓ　＋及びＳ２はアライメ
ントマーク２０５及び２０６の焦点Ｆ、、Ｆ２とアライ
メントマーク２０３，２０４の光軸中心を結び直線と、
検出部２１１及び２１２の受光面との交点として幾何学
的に求められる。従って、物体１と物体２の相対位置ず
れに対して各信号光束重心の変位ｉｓ１．ｓ２を互いに
逆方向に得る為にはアライメントマーク２０３，２０４
の光学的な結像倍率の符号を互いに逆とすることで達成
できる。また、定量的には ｓ、＝　　Ｌ−ｆ、けδ ｆａｌ−δ　　６ ｓ２＝　　Ｌ−ｆ、計δ ｆ。２−δ　　６ と表わせ、ずれ倍率としてβ１＝Ｓ１／ε。

β２＝Ｓ２／εと定義できる。従って、ずれ倍率を逆符
号とするには を満たせば良い。この内、実用的に適切な構成条件の１
つとして Ｌ＞ｌｆ、１ ｆ　ａ＋／　ｆ　β２＜　０ Ｉｆ−＋Ｉ＞δ ｌｆ、ｚｌ＞δ の条件がある。

即ち、アライメントマーク２０５，２０６の焦点路＠ｆ
ａ、、　　ｆａ□に対して検出部までの距１１ｉＬを大
きく、且つ物体１，２の間隔δを小さくし、更にアライ
メントマークの一方を凸レンズ、他方を凹レンズとする
構成である。

第１５図の上側にはアライメントマーク２０５で入射光
束を集光光束とし、その集光点Ｆ、に至る前にアライメ
ントマーク２０３に光束を照射し、これを更に第１の検
出部２１１に結像させているアライメントマーク２０３
の焦点路１！１　ｆ　ｂ　Ｉはレンズの式 を満たす様に定められる。同様に第１５図の下側にはア
ライメントマーク２０６により入射光束を入射側の点で
あるＦ２より発散する光束に変え、これをアライメント
マーク２０４を介して第２の検出部２１２に結像させる
アライメントマーク２０４の焦点路ａｌｆｂｚは を満たす様に定められる。

以上の構成条件でアライメントマーク２０３、アライメ
ントマーク２０５の集光像に対する結像倍率は図より明
らかに正の倍率であり、物体２の移動εと検出部２１１
の光点変位量Ｓ、の方向は逆となり、先に定義したずれ
倍率β１は負となる。同様にアライメントマーク２０６
の点像（虚像）に対するアライメントマーク２０４の結
像倍率は負であり、物体２の移動６と検出部２１２上の
光点変位ｆｆｉ　Ｓ　２の方向は同方向で、ずれ倍率β
２は正となる。

従って、物体１と物体２の相対ずれεに対してアライメ
ントマーク２０５，２０３の系とアライメントマーク２
０６，２０４の系の信゛号光束ずれＳ、、Ｓ、は互いに
逆方向となる。

第１４図（Ａ）に示す第５実施例は以上の逆向き２信号
系の原理を用いて第１物体と第２物体の位置合わせを行
っている。

次に第１４図（Ａ）の第５実施例を説明する。

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
ェハである。第１５図で示した各アライメントマーク２
０３．２０４と２０５，２０６は、例えば１次元あるい
は２次元の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、それぞれマスク１面上とウェハ２面上
のスクライブライン１０．９上にアライメントマーク２
０５゜２０６は重ね合わされてアライメントマーク２０
５ａとして、アライメントマーク２０３゜２０４は重ね
合わされてアライメントマーク２０３ａとして設けられ
ている。

２０７は第１光束、２０８は第２光束であり、これらの
光束（信号光束）２０７，２０８は不図示のアライメン
トヘット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。

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザー
　Ｈａ−Ｎ、レーザー　Ａｒ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。２１１，２１２は各
々第１検出部と第２検出部としてのセンサ（充電変換素
子）であり、光束２０７及び２０８を受光する、例えば
１次元ＣＣＤ等より成っている。

本実施例では光束２０７及び２０８は各々マスク１面上
のアライメントマーク２０５ａに所定の角度で入射した
後、透過回折し、更にウェハ２面上のアライメントマー
ク２０３ａで反射回折し、センサ２１１，２１２面上に
入射している。そしてセンサ２１１，２１２で該センサ
面上に入射したアライメント光束重心位置を検出し、該
センサ２１１．２１２からの出力信号を利用してマスク
１とウェハ２について位置ずれ検出を行っている。

次に重ね合わされる前の各アライメントマーク２０３．
２０４，２０５．２０６のパターン形状について説明す
る。

アライメントマーク２０３，２０４，２０５゜２０６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１４図ＣＢ）のアライメントマーク２０５ａはアライ
メントマーク２０５，２０６を重ね合わせたマスク上の
マークであり、第１４図（Ｃ）のアライメントマーク２
０３ａはアライメントマーク２０３，２０４を重ね合わ
せたウェハ上のマークである。

マークの寸法は各々スクライブライン９及び１０の方向
に５０〜３００μｍ５スクライブライン幅方向（Ｘ方向
）に２０〜１００μｍが実用的に適当なサイズである。

本実施例においては光束２０７と２０８は、いずれもマ
・スフ１に対して入射角駒１７．５””（マスク１面へ
の射影成分がスクライプライン方向く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ｌに入射したアライメント光
束２０７及び２０８は各々グレーティングレンズ２０５
ａ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
になるように出射している。

そして、アライメントマーク２０５ａを透過回折した光
束２０７と２０８は各々ウニへ面２の鉛直下方１８４．
７２２８μｍ、鉛直上方１８８．４５４５μｍの点に集
光点、発散原点をもつ。このときのアライメントマーク
２０５ａの焦点距離は各々２１４．７２２８．−１５８
．４５４５　μｍである。又、マスク１とウェハ２との
間隔は３０μｍである、第１信号光束はアライメントマ
ーク２０５ａのうち重ね合う前のマーク２０５の作用で
透過回折し、ウェハ２面上のアライメントマーク２０３
ａのうち重ね合される前のマーク２０３の作用で凹レン
ズ作用を受け、第１検出部としてのセンサ２１１面上の
一点に集光している。このとき、センサ２１１面上のへ
は光束がこの光束の入射位置の変動量がアライメントマ
ーク２０５，２０３のＸ方向における位置ずれ量、即ち
軸ずれ量に対応し、かつその量が拡大された状態となっ
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２１１で検出される。

本実施例ではマスク１とウェハ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２０５とウェハ
２上のアライメントマーク２０３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ェハ２からの出射角
入射面射影成分が１３度、ｘｚ面***影成分が３度、又
、このときの出射光のウェハ２面上への射影成分がスク
ライブライン幅方向（Ｘ方向）と直交した所定位置、例
えばウェハ２面から１８．６５７１１１０１の高さに位
置しているセンサ２１１面上に集光するように設定して
いる。

又第２信号光束はアライメントマーク２０５ａのうち重
ね合わせ前のアライメントマーク２０６の作用で透過回
折し、ウェハ２面上のアライメントマーク２０３ａのう
ち重ね合わせ前のアライメントマーク２０４の作用で結
像点でのスポット位置を第１信号光束と異なる方向に移
動せしめ、かつ出射角入射面内成分１３度、ｘｚ面内成
分が一３度で出射し、第２検出部としてのセンサ２１２
面上の一点に集光している。

以上のアライメントマークのレンズパラメータにより物
体１と物体２の相対位置ずれに対する検出部上の２つの
信号光束重心の変位量が１００倍で、且つ互いに逆方向
に設定できる。即ち、ずれ倍率β、＝−１００，β２＝
＋１００となる。センサ２１１，２１２上に得られた光
束位置のＸ方向の移動量が、アライメントのずれ量を与
える。

アライメントのずれが０の場合の２つの光束のスポット
２１１ａ、２１２ａのＸ方向の間隔りを設計値あるいは
実焼等によりあらかじめ求めておき、それに対する２つ
のスポット２１１ａ。

２１２ａの間隔の値のＤからのずれからＸ方向のアライ
メントずれが求まる。

本実施例においては物体２．３が傾斜することに起因す
る誤差を原理的に補償する利点がある。

本実施例においてウェハ面２が第１４図（Ａ）のＸＺ面
内で１　ｍｒａｄ傾斜したとすると、センサ２１１上で
は第１の信号光束２０７は約３７．３μｍ重心穆動移動
こす。

一方、第２信号光束２０日も信号光束２０７との間でｙ
ｚ面と平行な対称面を有し、且つ光路長の等しい光路を
通るようにし、センサ２１２上では信号光２０７と全く
等しい重心移動を起こすようにしている。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、ウェハ面が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、ウェハがｙｚ面内で傾斜すると、２つの信号光束
２０７，２０８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、２光束で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
ンサなどを内蔵するアライメントヘットが、マスターウ
ェハ系に対して位置の変動を起こした場合は１対１に変
化する。例えば、ヘットをマスクに対して５μｍｙ方向
に移動したとすると、信号光はセンサ２１１上で５μｍ
の実効的重心移動を起こし、これに対してもせフサ２１
２上で全く等しく５μｍ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、第１の信
号光の重心位置出力と第２の信号光の重心位置出力の差
信号は何ら変動しない。

又、ｚ　＋Ｉ’ｑｂ方向の位置の変動は２光束なくても
本質的なアライメント誤差にはならないことがわかる。

以上の各実施例では第１物体と第２物体の水平方向の位
置検出をアライメント光束と参照光束の２つの光束を用
いて行った場合を示した。

本発明はこの他第１物体と第２物体に設けた２つのアラ
イメントマークを用いて第１物体と第２物体の水平方向
の位置検出と共に対向する垂直方向の位置検出、即ち第
１物体と第２物体の間隔検出を行うことも可能である。

例えば第１．第２物体面上に設けた第１．第２アライメ
ントマークのうち一方の種類のマークより水平方向の位
置検出を行う為のアライメント信号を得、他方の種類の
マークより垂直方向の間隔信号を得、これより水平方向
と垂直方向の双方の位置検出を行うこともできる。

尚、このときは参照信号は第１．第２アライメントマー
ク中に設けた他のマークから得るようにしても良く、又
参照信号を用いずに第１物体に対する第２物体の位置検
出を行うようにしても良い 第１６図は第１物体と第２物体との間隔検出を行う場合
の一部分を示す本発明の第６実施例の要部概略図である
。

本実施例では第１物体１面上に設けた２つの間隔検出用
マーク４　ｉｎｎ　５ｏｕｔを用いて第１物体と第２物
体との間隔検出を行う場合を示している。

第１７図は第１６図の第１物体と第２物体近傍の拡大模
式図である。

第１６図、第１７図において１０１は光束で例えばＨ、
−Ｎ　、レーザーや半導体レーザー等からの光束、１０
２は板状の第１物体で例えばマスク、１０３は板状の第
２物体で例えばウェハである。

４、ｎ、５゜、は各々マスク１０２面上の一部に設けた
第１．第２物理光学素子で、これらの物理光学素子４１
．．５゜、は例えば回折格子やゾーンプレート等から成
っている。１０７は集光レンズであり、その焦点距離は
ｆ３であり、１６３は集光レンズ１０７の光軸である。

１０８は受光手段で集光レンズ１０７の焦点位置に配置
されており、ラインセンサーやＰＳＤ等から成り、入射
光束の重心位置を検出している。

１０９は信号処理回路であり、受光手段１０８からの信
号を用いて受光手段１０８面上に入射した光束の重心位
置を求め、後述するようにマスク１０２とウェハ１０３
との間隔ｄ。を演算し求めている。

１００は光プローブであり、集光レンズ１０７や受光手
段１０８、そして必要に応じて信号処理回路１０９を有
しており、マスク１０２やウェハ１０３とは相対的に移
動可能となっている。

本実施例においては半導体レーザーＬＤからの光束１０
１（波長λ＝８３０ｎｍ　）をマスク１０２面上の第１
フレネルゾーンプレート（以下ＦＺＰと略記する）４□
。面上の点Ａに垂直に入射させている。そして第１のＦ
ＺＰ４＋ｎからの角度θ１で偏向する、即ち回折する所
定次数の回折光なウェハ１０３面上の点Ｂ　（Ｃ）で偏
向、即ち反射させている。このうち反射光１３１はウェ
ハ１０３がマスク１０２との間隔ｄ０の位置Ｐ１に位置
しているときの反射光、反射光１３２はウェハ１０３が
位置Ｐ１から距ＪｌＩＩｄａだけ変位して、位置Ｐ２に
あるときの反射光である。

次いでウェハ１０３からの反射光を第１物体１０２面上
の第２のＦＺＰ５゜１面上の点Ｄ（ウェハ１０３が位置
Ｐ２にあるときは点Ｅ）に入射させている。

尚、第２のＦＺＰ５゜ｕｔは集光レンズのように入射光
束の入射位置に応じて出射回折光の射出角を変化させる
光学作用を有している。

そして第２のＦＺＰ５゜、から角度θ２で回折した所定
次数の回折光１６１（ウェハ１０３が位置Ｐ２にあると
きは回折光１６２）を集光レンズ１０７を介して受光手
段１０８面上に導光している。

そして、このときの受光手段１０８面上における入射光
束１６１（ウェハ１０３が位置Ｐ２にあるときは回折光
１６２）の重心位置を検出してマスク１０２とウェハ１
０３との間隔を演算し求めている。

本実施例ではマスク１０２面上に設けた第１゜第２のＦ
ＺＰ４ムｎｏ　５ｏｕｔは予め設定された既知のピッチ
で構成されており、それらに入射した光束の所定次数（
例えば±１次）の回折光の回折角度θ１．θ２は予め求
められている。

第１８図はマスク１０２面上の第１．第２のＦＺＰ４ｉ
、、５゜、の機能及びマスク１０２とウェハ１０３との
間隔との関係を示す説明図である。

第１８図（Ａ）は物理光学素子４．ｎ、５゜、の上面図
、第１８図（Ｂ）は物理光学素子４ｉｎ。

５　ｏｕｔを通過する光路をＢ方向から見た説明図、第
１８図（Ｃ）は同じくＣ方向から見た説明図である。

本実施例においては、第１のＦＺＰ４．。は単に入射光
を折り曲げる作用をしているが、この他収束、又は発散
作用を持たせるようにしても良い。

同図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（（：）に示すように第
２のＦＺＰ５゜ｕｔは場所によって回折方向が少しずつ
変えられる構成になっており、例えば点１１１はマスク
１０２とウェハ１０３との間隔が１００μｍのときの出
射光束の重心透過点でマスク１０２とウェハ１０３との
間隔が増すにつれて出射光束の透過点は同図（Ａ）にお
いて右方に移動し、間隔が２００μｍになったときは点
１１２を透過するように設定している。

ＦＺＰのパターンは同図（Ａ）においてＢ方向には収束
、発散のパワーを持たせていないが光束の拡がりを調整
する為に持たせても良い。

本実施例では六方向に対しては第１６図に示すように出
射角度５°方向に距１！ｉｆ、＝１０００μｍの位置に
集光するように第２のＦＺＰ５゜、に収束のパワーを持
たせている。

尚、第１８図においてマスク１０２とウェハ１０３との
間隔測定範囲を例えば１００μｍ〜２００μｍとした場
合には、これに対応させて第１゜第２のＦＺＰ４．。、
５゜、の領域の大きさを設定すれば良い。

次に第１６図を用いてマスク１０２とウェハ１０３との
間隔を求める方法について説明する。

第１６図に示すように回折光１６１と回折光１６２との
交点Ｆからマスク１０２までの距離をｆＭとすると ＡＤ　　−２ｄｏｔａｎ　　θＩ ＡＥ　　＝　　２（ｄ、＋　　ｄａ）ｔａｎθｌ　。

、°、ｄＭ　−ＤＥ　　−八Ｅ　　−ＡＤ　　−２ｄ（
ｌｔａｎθｌ　　−−−−−−（３）ｄｙ　−２・ｆＭ
’　　ｔａｎθ２　　　　　　　　−−−−−−　（４
）である。間隔がｄ。からｄ。たけ変化したときの受光
手段１０８面上における入射光の動き量ＳはＳ　＝　　
２・ｆｓ−ｔａｎθ２　　　　　　　　−−−−−−　
（５）従フて（１）　、　（２）　、　（３）式よりと
なる。

マスク１０２とウェハ１０３の単位ギャップ変化量に対
する受光手段１０８面上の入射光束のずれ量ΔＳ、即ち
感度ΔＳは となる。

本実施例では受光手段１０８面上の入射光束の位置ずれ
Ｓを検出することにより、（６）式より距５１　ａ　ａ
を求め、この値ｄ。よりマスク１０２に対するウェハ１
０３の所定間隔位置Ｐ１からの間隔ずれ量を求め、これ
によりマスク１０２とウェハ１０３との間隔を測定して
いる。

マスク１０２とウェハ１０３は最初に例えば第１８図に
示すように基準となる間隔ｄｏを隔てて対向配置されて
いる。このときの間隔ｄｏは例えばＴＭ−２３ＯＮ　（
商品名：キヤノン株式会社製）等の装置を用いて測定さ
れている。

本実施例では第１のＦＺＰ４．。に入射光を折り曲げる
偏向作用を持たせることで以下の様な効果を得ている。

第１のＦＺＰ４．。からの出射光の角度θ１は（７）式
かられかる様に感度ΔＳを設定する為のパラメータとな
る。第１のＦ　Ｚ　Ｐ　４　ｉｎが無くマスクの透過光
を使用する状態ではこの角度θ１はマスクへの入射光の
入射角、即ち光源側の投射方向に一致する。この場合、
投光手段の配置は感度ΔＳを考慮して制約を受ける。折
り曲げ偏向作用を有する第１のＦＺＰ４．。を設けるこ
とで投光手段からの入射角をどれだけに設計しても第１
のＦＺＰ４　＋　ｎの方で出射角を角度θ１にする様に
簡単に調整でき、これにより投光手段側の自由度を増し
ている。

又本実施例では第１のＦ　Ｚ　Ｐ　４　ｉｎに入射する
光束の大きさを第１のＦＺＰ４＋、、の大きさより大き
くすることにより、入射光がマスク面方向に多少変動し
ても第１のＦ　Ｚ　Ｐ　４　ｉｎからの出射する光束の
状態が変化しないようにしている。

本実施例における感度ΔＳは集光レンズ１０７の焦点距
Ｋｎ　ｔ　ｓを３０ｍｍとすると（７）式よりΔＳ−□
・　　　−１５（μｍ／μｍ）１０００　　　　　＋０
０ となり、マスク１０２とウェハ１０３との間隔１μｍ当
たりの変化に対して、受光手段１０８面上の光束は１５
μｍ移動することになる。受光手段１０８として位置分
解能が０．３μｍのＰＳＤを用いると、原理的には０．
０２μｍの分解能でマスク１０２とウェハ１０３の間隔
を測定することが可能となる。

本実施例ではウェハ１０３の１つの位置に対する第２物
理光学素子５゜ｕｔからの回折光は、光軸１６３に対し
て特定の角度をもって集光レンズ１０７に入射し、受光
手段１０８が集光レンズ１０７の焦点位置に設置されて
いるので光プローブ１００を光軸１６３上の、どの位置
に設置しても、又、光軸と垂直方向に多少ズしていても
受光手段１０８への入射光位置は不変である。これによ
り光プローブの変動に伴う測定誤差の軽減させている。

但し、光プローブ１００の位置誤差がある程度許容され
ている場合や位置誤差が生じても別手段で補正された場
合には、受光手段１０８は集光レンズ１０７の焦点位置
に厳密に設置される必要はない。

尚、第１６図の実施例において集光レンズ１０７を用い
ずに第１９図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すように構成して
も第１６図の実施例に比べて受光手段１０８に入射する
光束が多少大きくなるが本発明の目的を略達成すること
ができる。

第１９図（Ａ）は第１６図の実施例において集光レンズ
１０７を省略したときの実施例の概略図である。

第１９図（Ｂ）は第１９図（Ａ）の実施例におけるマス
ク１０２面上の物理光学素子５゜、は入射光束に対して
一定方向に出射させる光学作用を有し、集光作用を有さ
ない実施例を示している。

具体的には物理光学素子、そして平行等間隔な線状格子
よりなる回折格子等が用いられる。この場合も第１９図
（Ａ）の実施例と同様、本発明の目的を略達成すること
ができる。

尚、第１９図（Ｂ）に示す実施例において回折格子５゜
、を省略し、ウェハ１０３から反射した光束がマスク１
０２を透過する様にし、この透過光を受光する位置に受
光手段を配置するようにしても良い。又第１９図（Ａ）
　、　（Ｂ）の入射側の回折格子４．。を省略し、光源
ＬＤからの入射光束がマスク１０２に入射する前からマ
スク面法線に対して傾斜している様に構成しても良い。

更に第１９図（Ａ）　、　（８）におイテ、つ！ハ１０
３上に回折格子を形成し、回折格子４．。からの回折光
を該回折格子で回折させて回折格子５゜ｕｔの方向に導
光する様に構成しても良い。

第２０図（Ａ）は本発明の第７実施例の要部概略図でる
。

本実施例では第１物体と第２物体の水平方向（横ずれ方
向）と垂直方向（間隔方向）の双方の位置検出を行うも
のである。

同図（Ｂ）は同図（Ａ）のマスク１面上の第１アライメ
ントマーク５の配置を示す概略図、同図（Ｃ）は同図（
Ａ）のウェハ２面上の第２アライメントマーク３の配置
を示す概略図である。

同図（Ｂ）に示すマスク１面上には横ずれ信号検出用の
マーク５Ａと間隔検出用のマーク４２、。、４２゜、が
同一領域内に重複して設けられ第１アライメントマーク
５を形成している。

（ここでｉｎは入射用、ｏｕｔは出射用を各々示してい
る。） 又ウェハ２面上には第２アライメントマーク３として横
ずれ信号検出用のマーク３Ａのみが設けられ、間隔検出
用には単に反射する０次回折光を用いている。

水平方向の位置検出方法は以下の如くである。

アライメント光束７はマスク１上のマーク５Ａを透過回
折し、ウェハ２上のマーク３Ａを反射回折することによ
って、マスクとウェハとのずれ量に対応した量、かつ拡
大された量だけ所定面への入射位置が変化する。

即ち、マスクとウェハ上のグレーティングレンズの間の
光軸のずれがｎ倍の入射光束重心位置すれとしてグレー
ティングレンズ系の倍率で拡大変換されて、アライメン
トヘッド内の受光＠１１に入射する。そして受光器１１
によりその光束の重心位置を検出している。

今、マスク１とウェハ２とが平行方向にΔσずれており
、ウェハ２からウェハ２のマーク３Ａで反射した光束の
集光点までの距離をｂ、マスク１のマーク５Ａを通過し
てウェハ２に入射する光束の集光点（あるいは発散原点
）までの距離をａとすると検出面１１上での集光点の重
心ずれ量Δδは ｂ Δδ＝Δσｘ（−＋１）　　　　・・・・・・・・・（
ａ）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　、５　ｍｍ、　ｂ　＝　５０１１
１０１とすれば重ひずれ量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、比例関係となる。検出器１１
の光束入射位置検出分解能が０．１μｍであるとすると
位置ずれ量Δσはｏ、ｏｏｔμｍ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。

検出面１１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ときの光束の重心位置）は以下の様
にして求める。まず第１物理光学素子５Ａを有する、例
えばマスクを適当な位置に固定する。次に第２物理光学
素子３Ａを有する、例えばウェハをマスクに対して適当
な位置に配置する。このとき光束を第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１１上での
光束の重心位置を検出する。次にこの状態で、例えばマ
スク上のパターンをウェハ上に転写する。

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Δδが求められるので、この
Δδと検出した重心位置から基準位置を逆算する。

垂直方向検出（間隔検出）方法は第１６図に示した第６
実施例と同様である。尚、３９．４０は間隔検出用のセ
ンサーである。

第２１図（Ａ）は本発明の第８実施例の要部概略図であ
る。

本実施例では′ｆＪ１物体と第２物体の水平方向（横ず
れ方向）と垂直方向（間隔方向）の双方の位置検出を行
うものである。

同図（Ｂ）は同図（Ａ）のマスク１面上の第１アライメ
ントマーク５の配置を示す概略図、同図（Ｃ）は同図（
Ａ）のウェハ２面上の第２アライメントマーク３の配置
を示す概略図である。

本実施例ではマスク（第１物体）とウェハ（第２物体）
が位置変化するとき受光手段１１゜１２．３９．４０面
上に入射する２つの光束が互いに逆方向に移動するよう
に各要素を設定し、この逆方向に動く２光束の間隔がそ
れぞれの方向の相対位置関係に対応するので、これを検
出して高精度な位置検出を行っている。この為、同図で
は各々の機能を有するマークを各々マスクとウェハに設
けている。

同図（Ｂ）に示すマスク１面上には互いに逆向きの感度
を有する横ずれ信号検出用のマーク５Ａと間隔検出用の
マーク４２．ｒ、ＩＡ、４２．、Ｉ　Ｂ。

４２ｏｕｔ　Ｉ　Ａ、　４２ｏｕｔ　Ｉ　Ｂが同一領域
内に重複して設けられ第１アライメントマーク５を形成
している。（ここでｉｎは入射用、ｏｕｔは出射用を各
々示している。） 又ウェハ２面上には第２アライメントマーク３として横
ずれ信号検出用のマーク３Ａのみが設けられ、間隔検出
用には単に反射する０次回折光を用いている。

水平方向の位置検出方法は第１図に示した第１実施例と
同様で、又垂直方向検出（間隔検出）方法は第１６図に
示した第６実施例と同様である。

（発明の効果） 本発明によれば第１物体と第２物体面上の第１．第２ア
ライメントマークを前述のような各々異った光学的性質
を有する複数のマークを同一領域内に重複して形成して
構成することにより、同一領域より複数の位置検出用の
信号を得るようにし、局所的なそり等に影ツされない高
精度な位置検出を可能とした位置検出装置を達成するこ
とができる。

この他前述の実施例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第１゜第２物体面上に
設け、各々のマークを介した光束を利用し、例えば第１
物体としてのマスクと第２物体としてのウェハの位置合
わせな行う際、次のような効果が得られる。

（イ）ウニへ面が傾斜するか、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、ウニへ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。

（０）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−ウェ
ハ間の位置ずれを検出することができる。

（八）更にマスクとウェ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。

【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
、第３図は各々第１図の光学作用の原理を示す説明図、
第４図は本発明における位置ずれ量と重心ずれ量との関
係を示す説明図、第５図（八）　、　（Ｂ）は本発明に
係る第１アライメントマークと第２アライメントマーク
の説明図、第６．第７図は本発明の第２．第３実施例の
光学系の概略図、第８．第９図は各々第１図の一部分の
一変形を示す説明図、第１０図は本発明をプロキシミテ
ィー法の半導体露光装置に適用したときの第４実施例の
概略図、第１１．第１２．第１３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１４図は
本発明の第５実施例の要部概略図、第１５図は第１４図
の第５実施例の位置検出原理を示す説明図、第１６図は
本発明において間隔検出を行う様子を示す第６実Ｍｉ例
の要部概略図、第１７．第１８．第１９図は第１６図の
一部分の説明図、第２０図、第２１図は各々本発明の第
７．第８実施例の要部概略図、第２２図〜第２４図は本
発明の位置ずれ検知方法の原理説明図である。 図中、１，１０２は第１物体（マスク）、２゜１０３は
第２物体（ウェハ）、ｓ、３は各々第１．第２アライメ
ントマーク、７はアライメント光、８は参照光、９，１
ｏ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。 第 図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体面上に第１アライメントマークを形成し
   、第２物体面上に第２アライメントマークを形成し、該
   第１アライメントマークと該第２アライメントマークの
   双方で偏向された第１光束の位置を第１検出手段で検出
   し、得られる第１信号と、該第１アライメントマークと
   第２アライメントマークで偏向される該第１光束とは異
   なった第２光束の光束位置を第２検出手段で検出し、得
   られる第２信号の双方の信号を利用して、該第１物体に
   対する第２物体の位置検出を行う際、該第１アライメン
   トマーク又は／及び第２アライメントマークを光学的性
   質を異にする少なくとも２つのマークを同一領域内に重
   複して形成して構成したことを特徴とする位置検出装置
   。
2. （２）前記第１アライメントマーク又は／及び第２アラ
   イメントマークに設けた２つのマークはいずれも物理光
   学素子であり、前記第１光束又は／及び第２光束は該物
   理光学素子で少なくとも１回の回折作用を受けているこ
   とを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. （３）前記第１信号と第２信号を利用して対向配置した
   前記第１物体に対する第２物体の水平方向における位置
   検出又は／及び双方が対向配置されている垂直方向の位
   置検出を行ったことを特徴とする請求項１記載の位置検
   出装置。
4. （４）所定の物体に対して対向して配置して位置検出を
   行う為の位置検出用物体であって、該位置検出用物体は
   その表面上の一領域には位置検出用の光束が光学的作用
   を受ける光学的性質の異なる少なくとも２種類のマーク
   が重複して形成されていることを特徴とする位置検出用
   物体。
5. （５）第１物体面上に物理光学素子としての機能を有す
   る第１アライメントマークを形成し、第２物体面上に物
   理光学素子としての機能を有する第２アライメントマー
   クを形成し、該第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該第２アライメントマークに
   入射させ、該第２アライメントマークからの回折光の光
   束位置を第１検出手段で検出し、得られる第１信号と、
   該第１アライメントマーク、又は第２アライメントマー
   クから生ずる複数の回折光のうち前記回折光とは異なる
   回折光の光束位置を第２検出手段で検出し、該第２検出
   手段から得られる第２信号を基準信号とし、双方の信号
   を利用して、該第１物体と第２物体との位置決めを行っ
   たことを特徴とする位置検出装置。
6. （６）前記第１アライメントマーク、又は第２アライメ
   ントマークのパターンを異った出射角度の光束を発生す
   る複数の物理光学素子パターンを重ね合わせて形成した
   ことを特徴とする請求項５記載の位置検出装置。
7. （７）前記第２検出手段で検出される回折光は、前記第
   １、又は第２アライメントマークによりレンズ作用を受
   けていない光束であることを特徴とする請求項５記載の
   位置検出装置。