JPH0274811A - 位置関係検出装置 - 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、半導体焼付露光装置のマスクとウェハ間のア
ライメント、ギャップ設定等の相対位置合わせなどに用
いられる高精度な相対位置検出装置に関する。

〔従来技術〕

従来より半導体製造装置においては、マスクとウェハと
の間隔を間隔測定装置等で測定し、所定の間隔となるよ
うに制御した後、マスク面上のパターンをウェハ面上に
露光転写している。これにより高精度な露光転写を行り
ている。

第５図は特開昭６１−１１１４０２号公報で提案されて
いる間隔測定装置の概略図である。同図においては第１
物体としてのマスクＭと第２物体としてのウェハＷとを
対向配置し、レンズＬ１によって光束をマスクＭとウェ
ハＷとの間の点Ｐｓに集光させている。

このとき光束はマスクＭ面上とウェハＷ面上で各々反射
し、レンズＬ２を介してスクリーンＳ面上の点ＰＷ、Ｐ
Ｍに集束投影されている。マスクＭとウェハＷとの間隔
はスクリーンＳ面上の光束の集光点ＰＷ、ＰＭとの間隔
を検出することにより測定している。

〔発明の解決しようとする問題点〕

この様なマスク・ウェハ間隔測定の場合、このままでは
マスクとウェハの対向方向に直交する方向（横方向）の
相対位置関係、いわゆるアライメント方向の相対位置ず
れを検知することはできない。従ってこの間隔測定装置
とは全（別に横方向の相対位置検出手段が必要であり、
装置の構造が複雑で小型化が困難になるという問題があ
った。

本発明は前述従来例の欠点に鑑み間隔測定用及び横方向
位置検出用の装置を少なくとも一部共通化して装置の簡
素化、小型化を可能にする位置関係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〕

本発明は、光源手段により出射され第１物体及び第２物
体の少なくとも一方によって偏向されかつ第１物体と第
２物体との対向方向に垂直な方向に沿った位置ずれに応
じて入射位置が変化する位置検出用光束を受光し、該受
光された位置検出用光束の入射位置から第１物体と第２
物体との位置ずれを検出する位置検出手段と、 位置検出用光束の少なくとも一部を受光し、該光束の入
射位置における光束径より第１物体と第２物体との間隔
変化を検出する間隔検出手段と、を設けた事により装置
の簡素化を実現している。

具体的に後述実施例では、第１物体と第２物体とを対向
させて相対的な位置決めを行う際、該第１物体面上に第
１物理光学素子を形成し、該第２物体面上に第２物理光
学素子を形成し、該第１物理光学素子に光を入射させた
ときに生ずる回折光を該第２物理光学素子に入射させ、
該第２物理光学素子により所定面上に生ずる回折光の光
密度から、該回折のセンサ面内での重心位置、および該
回折光の光束の径を検出手段により検出することにより
該第１物体と該第２物体との３次元的な相対位置決めを
行なっている。

ここで光束の重心とは光束断面内において、断面内容点
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Ｏベクトル
になる点のことであるが、別の例として代表点として、
光強度がピークとなる点の位置をとってもよい。

また光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）等のコヒーレンシーの高い光源を用いてもよいし、
発光ダイオード（ＬＥＤ）、Ｘｅランプ、水銀灯などコ
ヒーレンシーの低い光源を用いてもよい。

〔実施例〕

第１図（Ａ）は本発明を半導体素子製造用の露光装置に
適用したときの第１実施例の概略図である。

本実施例では光源１０から出射された光束を投光レンズ
系１１で平行光束とし、ハーフミラ−１２を介し、第１
物体１として例えばマスク面上のフレネルゾーンプレー
トの一種であるグレーティングレンズ等から成る第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は集光作用を有しており、反射光
を第１物体１の法線方向（＋２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、例えばウェハ面上に設けられているグレーティン
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は集光作用を有しており、光
束をアライメントヘッド６方向に射出させハーフミラ−
１２を介した後、検出器８の検出面９上に集光している
。

尚、同図において５は例えばウェハチャックであり、ウ
ェハ１を吸着している。６はアラインメントヘッドであ
り、アラインメント用の各種の要素を収納している。

又、マスク１とウェハ２は所定の範囲のギャップ値で保
持されている。

１００はＸＹｚステージであり、ウェハチャック５に吸
着されたウェハをｘＹＺ方向に移動させている。

１０１はステージドライバーであり、ＸＹＺステージ１
０１をｘＹＺ方向に駆動している。１０２はＣＰＵであ
り、検出器８の出力に基づき、マスクｌとウエハ２とを
ｘ、　ｙ方向位置合わせ及びギャップ設定する様にＸＹ
Ｚ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。

本実施例ではＸ１３’方向位置合わせギャップ設定の為
、ウェハ２を動かす構成になっているが、同様にマスク
チャック移動機構を設はマスク１を動かす構成としても
良い。

尚、ＸＹＺステージ１００はピエゾ駆動の精密ウェハス
テージとステッピングモータ駆動の粗ウェハステージと
を含み、ステージドライバー１０１は、このピエゾとス
テッピングモータとを含み、ＣＰＵ１０２はウェハを微
小移動させる時にはピエゾに、比較的大きな距離移動さ
せる時にはステッピングモータに指令信号を送っている
。

以下、便宜上第１物理光学素子３ａをマスク用のグレー
ティングレンズ３ａ、第２物理光学素子４ａをウェハ用
のグレーティングレンズ、第１物体をマスク、第２物体
をウェハという。

このように本実施例ではウェハ２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ィングレンズ
（フレネルゾーンプレートの一種）より構成し、アライ
メントヘッド６からマスク１面に斜入射したアラインメ
ント用の光束をマスク１面の法線方向（−２方向）に偏
向し、所定の位置（例えばマスク面からＺ方向に−１８
７，０μｍ）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　　く　　８０ 程度が好ましい。

又、ウェハ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をしており、回折出射光の主光線
の方向が、入射光束の光軸方向と異なるようにされてい
るグレーティングレンズ（オフアクシス型のグレーティ
ングレンズ）で、例えば焦点距離−１８５，１５μｍと
なるように設計され、マスク１面上のグレーティングレ
ンズを透過、回折した収束（あるいは発散）光をアライ
ンメントヘッド方向に導光している。

このときアライメント光束１０ａはグレーティングレン
ズのレンズ作用を受け、アラインメントヘッド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ｌａ、　　２ａ方向（Ｘ方向）にア
ライメントする。

今、マスクｌとウェハ２とが平行方向に△σ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４ａで
反射した光束の集光点までの距離をａ。

マスク１のグレーティングレンズ３ａを通過した光束の
集光点までの距離をｂとすると検出面９上での集光点の
重心ずれ量△δは △δ＝△σＸ　（−＋　１　）　　・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）とな
る、即ち重心ずれ量△δ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１△δは（ａ）式より１０１倍に拡大される。

尚、このときの重心ずれ量△δと位置ずれ量△σは（ａ
）式より明らかのように、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△σ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Ｉ△σ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。

以上のようにアラインメント光束１０ａはマスク１上の
グレーティングレンズ３ａを透過し、ウェハ２上のグレ
ーティングレンズ４ａを反射回折することによって、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倍にグレーティングレンズ系の倍率で拡大されて
、アライメントヘッド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、グレーティングレンズの焦点距離は露光時のマ
スクとウェハ間のギャップ及びグレーティングレンズ系
の倍率を考慮して設定される。

例えばマスク、ウェ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ャッ
プを３０μｍのプロキシミテイ露光システムを考える。

今、アラインメント光束の波長を半導体レーザーからの
光束とし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ッド６内の透光レンズ系１１を通っ
て平行光束となり、ウェハ２、そしてマスク１を順次通
る場合の２枚のグレーティングレンズより成るグレーテ
ィ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２、第３図に示す。本図では２つのグレー
ティングレンズは透過型として書いであるが反射型でも
原理的には同じである。

第２図はウェハ２上のグレーティングレンズ４ａが負の
屈折力、マスク１上のグレーティングレンズ３ａが正の
屈折力の場合、第３図はウェハ２上のグレーティングレ
ンズ４ａが正の屈折力、マスク１上のグレーティングレ
ンズ３ａが負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
回折光を使うか、プラスの次数の回折光を使うかで決ま
る。

同図において、例えばウェハ２上のグレーティングレン
ズ４ａの口径は３００μｍ、マスクｌ上のグレーティン
グレンズ３ａの口径は２８０μｍとし、マスクとウェハ
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（エリアディスク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。

ここで、マスク１とウェハ２との間隔が、設定ギャップ
値より△Ｚずれているとすると、センサ面９上の光束１
０ａの径は、設定ギャップに対応する径２００μｍより
太き（なる。

本実施例・では、上記横方向の位置ずれ計測に加えてこ
のセンサ面上での光束１０ａのサイズを計測することに
より、マスクｌとウェハ２との間隔を測定するものであ
る。

次にマスク１、ウェハ２の間隔ｇとセンサ面上のスポッ
ト径との原理的な対応について第３図を参照しながら説
明する。

第３図においては、第１物体（マスク）１に平行光が入
射し、第１物体上の物理光学素子３ｃで回折され、更に
第２物体（ウェハ）２上の物理光学素子４Ｃで回折され
て、センサ８に入射する様子を幾何光学的に示している
。物理光学素子３Ｃ１４Ｃはそれぞれ凸レンズ作用（集
光作用）凹レンズ作用（光束発散作用）を示す、グレー
ティングレンズ（フレネルゾーンプレート）である。い
ま、第１物体１と第２物体２との間隔ｇがグレーティン
グレンズ３Ｃ，４Ｃとセンサ面９の結像配置関係を満た
す設定値で、グレーティングレンズ系が無収差とすれば
、光束はセンサ面９上で１点に収束する。ところが一般
には回折の作用により、光束は理想的な結像配置でも、
物理光学素子の開口形状、開口サイズ、センサ面までの
距離によってきまる、一定のサイズの径となり、無限小
サイズで一点に収束することはない。このようにしてき
まる光束の径を回折による光束径と言うと、概略的には
センサ面９上の光束の径は、幾何光学的に決まる点像強
度分布と開口による回折を考慮した強度分布の拡がりの
コンボリューションで表わされる。便宜的にセンサ面９
上の光束径δを、幾何光学的径σｇと、開口からの回折
による拡がりσｄの和 σ＝σｇ十σｄ で表わすと、σｄによる寄与は一定と見なせ、σｇは設
定ギャップ値からのずれ△２の絶対値に比例するから、
光束径が最小になる間隔値からのずれ△Ｚとセンサ面上
の光束径とは、δ＝Ａ・１△Ｚ＋σｄ（ただしＡ：定数
）と書くことができ、第４図に示す関係となる。

本実施例では、センサ８は光電変換機能をもつ一次元ま
たは二次元のＣＯＤで、画素サイズは一次元センサでは
３０μｍＸ４８０μｍのものを使用している。

以下、便宜上−次元センサの場合についてセンサからの
信号処理について説明する。

−次元センサからの電気的出力を各画素に対応して示す
と第５図のようになる。第５図に対応するセンサ面９上
の光量分布を波形メモリに電気的に記録した後、所定の
閾値で波形を２値化すると第６図のようになる。第６図
の２値化された波形からセンサ面上の光束の径を計測す
ることができ、第４図に示す関係から、マスク、ウェハ
間のギャップ値が求まる。一方、先述のとおり第５図に
示すセンサ上の光量分布に対応した波形からセンサ上の
光量分布の重心位置を計測することができ、その値から
、マスク、ウェハ間の横方向位置ずれ量を求めることが
できる。この様にしてマスク、ウェハそれぞれに１つず
つレンズ作用を有する物理光学素子（グレーティングレ
ンズ）を設定し、センサ面上の光束の径と重心位置の測
定からマスク、ウェハ間の３次元的な相対位置計測が可
能となる。間隔測定時センサ出力からの信号処理として
は、第６図に示すように所定の閾値をあらかじめ決めて
２値化してもよいし、光量分布のピーク値に対応するレ
ベルの１／Ａのレベルから光束の径を求めてもよい（Ａ
の値としては半値に相当する２、或いはガウシアン光束
としてｅ２〜７．３８９など）。マスク、ウェハ間隔と
光束径とは設定条件によっては必ずしも第４図に示す様
な比例関係と見なし得るとは限らないが、その場合も予
め両者の関係を計算予測するか、実験データで求めてお
き、これに基いて測定すれば良い。

第４図かられかる様に、所定の光束径γ１を与える△Ｚ
は△Ｚ１−△Ｚの２値あるので、このままでは光束径か
ら単一の測定間隔値は得られない。そこで、通常のマス
ク１、ウェハ２の間隔設定時に想定される設定値からの
最大誤差を士△とした場合、設定間隔値を中心にして士
△の範囲に光束径が最小になる間隔値が入らない様に設
定間隔値を定める（例えば、第４図で光束径が最小にな
る間隔値＋ΔＺＩに設定間隔値を定める）事により、常
に光束径から１値の間隔値が得られる様にする。

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
３ａとウェハ用のグレーティングレンズ４ａのグレーテ
ィング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。一般にグレーディングレン
ズ３ａ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。第１図（Ａ）に示すようにマウス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、スフラ
インブライン方向にＸ軸、幅方向にｙ軸、ウェハ面の法
線方向に２軸をとる。ウェハ面の法線に対し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３ａを透過回折後、
集光点（Ｘｌ＋Ｙｌ＋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で表わすと ｙｓｉｎα＋ｐ、　（ｘ、ｙ）　−Ｐ２＝ｍλ／２−・
−・−・−・・・（２−ａ）一方、ウェハ上のグレーテ
ィングレンズ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ェハの露光時のギャップをｇと
おくと（Ｘｚ　Ｙｚ　ｚｌ　　ｇ）で表わされる。マス
クとウェハの位置合わせはｙ軸方向に行なわれるとし、
アライメント完了時に検出面上の点（Ｘ２＋Ｖｚ＋２２
）の位置にアラインメント光沢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 で与えられる。ここにλはアラインド光束の波長、ｍは
整数である。

主光線を角度αで入射し、マスク面上の原点を通り、集
光点（Ｘ＋、Ｙ＋＋　Ｚ＋）に達する光線とすると（２
−ａ）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（あるいは短い）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
ｔ　ｏ）を通り点（Ｘ＋＋）’＋＋ｚ＋）に到達する光
線の光路の長さの差を表わす。

＋ｍλ／２・・・・・・・・・・・　・・・・・・・・
・・・・・　・・・・・・・・・・・・・・・・・・　
（２−ｂ）と表わされる。

（２−ｂ）式はウェハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマ
スク面上の原点及びウェハ面上の点（０，０゜−ｇ）、
更に検出面上の点（Ｘ２１　Ｙ２１　Ｚ２）を通る光線
であるとして、ウェハ面上グレーティング（ｘ、　Ｙｚ
　　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、ウェハ用のゾーンプレートは例えば矩形断面図
の位相格子パターンとして作成される。（２−ａ）、　
　（２−ｂ）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３ａでは透明部と遮光部
の線幅の比がｌ：１であること、そしてウェハ上のグレ
ーティングレンズ４ａでは矩形格子のラインとスペース
の比がｌ＝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
グレーティングレンズパターンを転写して形成、又はウ
ェハ上のグレーティングレンズ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ている。

次に、第１図（Ａ）に示す実施例において具体的にマス
クとウェ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。

まずアライン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ンメント
ヘッド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Ｍ面上のスクライブラインには幅６０μｍ。

長さ１８０μｍのグレーティングレンズ３ａが、又ウェ
ハ面上のスクライブラインには同じサイズのグレーティ
ングレンズ４ａが設定されている。マスクとウェハの相
対的位置ずれは、微小変位量をピエゾ駆動の精密ウェハ
ステージで、又、比較的大きい変位量はステッピングモ
ータ駆動のウェ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０．００１　ｌ１ｍ）を用
い、管理温度２３℃±０．５℃の恒温チャンバー中で測
定した。又、アラインメントヘッド６内の光束の重心位
置の検知用および光束の径測定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
。これによりアライン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から正確な重心
位置及び光束の径を求めることができる。

尚、ラインセンサの重心位置分解能はアラインメント光
束のパワーにもよるが５０　ｍ　Ｗ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ィングレンズ３
ａとウェハ用のグレーティングレンズ４ａ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光束の重心位置が移動するように設
定している。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、ラインセンサ面上では１
μｍの実効的な重心移動が起こり、ラインセンサ系はこ
れを０．２μｍの分解能で測定することができる。

またセンサ面上の光束の径の変化量△γは設定ギャップ
値からのずれ量△Ｚに比例し、次式％式％（３） で示される。この例ではＡ＝１５３．５となる。ここで
、前述の様にマスクとウェ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ィングレンズ系の倍率を比
例定数とする線形関係をもつが、但し、線形性は位置ず
れ量が一定値（この実施例では２０μｍ）以上になると
成り立たなくなり、非線形性が現われて（る。

これはマスク及びウェハ上のグレーティングレンズ間の
軸ずれ量が太き（なるに従い、光束の波面収差が顕著に
なり、センサ上のスポッ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ィングレンズの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ィングレ
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０．００２μｍ２位置ずれ測定レンジ±２０
μｍ（線形領域）を得ている。

次にマスクとウェハ間に所定のギャップ変動を与えたと
きの結果を第７図に示す。所定のギャップからの変動に
対し、アラインメント用のラインセンサで計測された光
束径の変化は（３）式で示される。グレーティングレン
ズのパワー配置で決まる比例定数を持つ線形関係が見ら
れ、スポット径に対応したギャップ値計測が可能である
。

尚、本実施例においてギャップ設定と位置合ゎせを行う
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ｌ△σ及び
間隔変化△２に対する検出器８の検出面上での重心ずれ
信号△δＳおよび径変化信号△σとの関係を示す曲線を
予めもとめて記憶しておき、径変化信号△σ、重心ずれ
信号△δＳの値から双方の物体間の間隔変化△Ｚ１位置
ずれ量△σを求め、そのときの間隔変化量△Ｚ１位置ず
れ量△σに相当する量だけ第１物体もしくは第２物体を
移動させる。

第２の方法としては検出器８からの径変化信号△σ、重
心ずれ信号△δＳから間隔変化量△Ｚ１位置ずれ慣△σ
を打ち消す方向を求め、その方向に第１物体もしくは第
２物体を移動させて間隔変化量△Ｚ、位置ずれ量△σが
許容範囲内になるまで繰り返して行う。

いずれの場合もまずギャップ設定より行なう。

以上のＣＰＵの位置合わせ手順を、それぞれ第１図（Ｂ
）、（Ｃ）に示す。

本発明による第２の実施例を第７図に示す。

主な構成要素に付した番号は第１の実施例と共通である
が、構成上の相違はマスク１１ウエハ２の間隔計測用光
束と、マスク１１ウエハ２の横方向相対位置ずれ計測用
の光路を分離し、それぞれをセンサ基板９上の２つのセ
ンサで受光するようにしたこと及び所定次数の光束が７
２面内でマスク面法線に対し所定の角度βで出射するよ
うに、第１の実施例で示した設計方程式に従ってグレー
ティングレンズパターンを設計した事である。以下の実
施例ではウェハチャック５、ＸＹｚステージ１００゜ス
テージドライバ１０１．ＣＰＵ１０２は第１実施例同様
なので省略しである。第８図は、第２図に示すＹＺ面に
投影した、それぞれの光束の光路を示す図で、（１）は
横方向相対的位置検出用光束の光路図、（ｎ）は間隔測
定用光束の光路図で、不図示の光源（半導体レーザ、波
長８３０ｎｍ）から出射した光束はマスクｌに１７．５
°の角度で斜入射したのち、ＹＺ面内でマスク面法線に
対し所定の角度βで出射するようにマスクｌ上の物理光
学素子３ａの回折作用を受けて進行する。ここまでは横
方向相対位置検出用光束も、間隔測定用光束も共通光路
である。

それぞれの光束はウェハ２上の物理光学素子４ａの回折
、反射作用を受けた後、それぞれ異なる光路に分離して
ウェハ面を出射し、センサ９ａ、　９ｂに到達する。物
理光学素子３ａ、　　４ａはそれぞれ所定の単一の焦点
距離を有するグレーティング素子であり、サイズはいず
れも５０μｍＸ１８０μｍで、焼付露光用半導体回路パ
ターン領域に隣接するスクライブラインｌａ、２ａ上（
模しくはスクライブラインに対応する領域上）に形成さ
れる。

次に横方向位置ずれ計測用光束と、間隔測定用光束がマ
スクｌ、ウェハ２上の物理光学素子（それぞれ３ａ、　
４ａ）上で受ける回折の作用について、説明する。

マスクｌに斜入射した光束は、グレーティングレンズ３
ａで透過、回折の作用を受け、０次、＋１次、±２次、
・・・のように回折次数の異なる種々の光束が発生する
。本実施例では第１の実施例と異なり、＋２次の透過回
折光を利用する。グレーティングレンズとしての作用は
次数が正の場合、凸レンズ（集光作用）、負の場合、凹
レンズ（光束発散作用）となる。

本実施例では、ウェハ２上のグレーティングレンズ４ａ
で横方向位置ずれ計測用光束は一１次の反射、回折作用
をうける。（即ち凹レンズとしての作用を受ける）一方
、間隔測定用光束はウェハ２上のグレーティングレンズ
４ａで０次で反射し、グレーティングレンズ素子４ａの
レンズ作用を受けない。

更に、横方向位置ずれ計測用光束としては、マスクｌの
グレーディングレンズ３ａを０次で透過する光束を利用
する。このようにして横方向位置ずれ計測用光束は光源
出射後マスク上グレーディングレンズ３ａで＋２次（凸
レンズ作用）で回折し、ウェハ上グレーティングレンズ
４ａで−１次（凹レンズ作用）で回折し、マスクを再び
透過する際０次の回折作用を受ける。

また、間隔測定用光束は、ウェハ上グレーティングレン
ズ４ａを０次で反射した後マスク上グレーティングレン
ズ３ａを０次で透過する。

本実施例の様に横方向相対位置検出用光束と間隔測定用
光束を光路の途中で分離し、別々に検出する様にしても
よい。

又、本実施例の様にマスク１に斜入射したのち、ウェハ
側に出射する光束の向きは第７図に示す７２面内でマス
クあるいはウェハの法線に対し傾いていても良い。

検出用光束として利用する回折光の次数はこれに限定さ
れるものではなく、他の次数の回折光でも良い。例えば
、横方向位置ずれ検出光束と間隔測定用光束はマスク上
グレーティングレンズで必ずしも同一回折次数の回折作
用を受けたものを利用する必要はなく、例えば＋２次で
回折された光束を横方向位置ずれ検出用に、＋１次で回
折された光束を間隔測定用に利用してもよい。

第９図に本発明による第３の実施例を示す。本実施例に
おいては、アラインメントピックアップヘッド６内の投
光光学系中に、マスク１面の物理光学素子３ａに投射さ
れる光束の発散角を所定の範囲で設定可能なように、可
変焦点距離様構成はズーミング機構１３を設けた。その
他の構成は、第１の実施例と同様であるが、このように
構成することによりセンサ面９上での信号光束の径を可
変にすることができるとともに、マスク１、ウェハ２間
の相対位置ずれ量の拡大倍率を所定の範囲で可変にとる
ことが可能となる。センサ９上での光束の径の調整は、
投射光の発散角の変化に対応して、マスク１上のレンズ
作用を有する物理光学素子（例えばグレーティングレン
ズ）３ａで結像される点の位置が、マスク面法線方向に
変化するために、更にウェハ上物理光学素子のレンズ作
用を受けた後の結像点の位置が主として光軸方向に移動
することを利用している。

このようにして、推定される間隔変動範囲において１つ
の光束径を与える間隔値が２つ出ない様に調節した後、
第４図に示すセンサ上の光束の径の変化を測定すること
により△２の符号が判別可能となり、マスクｌ、ウェハ
２間の間隔の絶対量を測定することができる。

第４の実施例を第１０図に示す。横ずれ（位置ずれ）測
定用物理光学素子としてマスクｌ上に２つのグレーティ
ングレンズ４１Ｍ１．４１Ｍ２を並列して形成し、ウェ
ハ２上にグレーティングレンズ４１Ｗ１と、レンズ作用
はなく光束を屈折させるグレーティング４１Ｗ２を形成
し、間隔測定用物理光学素子としてマスク１上に、第１
パターンとして光束の屈折作用を有するグレーティング
４２ｏｕｔを形成し、第２パターンとして、レンズ作用
を有するグレーティングレンズ４２ｉｎを形成した。グ
レーティングレンズ４１Ｍ１．４１Ｍ２及びグレーティ
ング４２ｉｎに入射する光束は単一の平行光束で、それ
ぞれに入射して集光あるいは屈折されることによりそれ
ぞれ光束４４．　４５．　４６に分離される。

第１Ｉ図（１）に、７２面に平行な面に投影した横方向
相対位置検出用光束４４．　４５の光路図を同（ｎ）に
間隔測定用光束４６の光路図を示す（横ずれ検知方向は
Ｘ方向とする。）。

アライメントアップヘッド内の投光光学系および受光光
学系の構成は第１の実施例と同様となるが、第１１図に
示すように横ずれ検知系の検知手段として、平板状同一
基板上に、２つの一次元Ｃ０Ｄ３８−１゜３８−２を並
列して配置し、更に、間隔検知系の検知手段として、上
記−次元ＣＯＤに並列して、１つの一次元ＣＣＤ３９を
配置した。

本実施例において、物理光学素子４１Ｍ１と４１Ｗ１は
第１実施例のグレーティングレンズ３ａ、４ａとそれぞ
れ同じもので、前述と同じ原理により、マスク１、ウェ
ハ２の相対位置ずれ量をセンサ３８−■への入射位置変
動量に拡大して変換して光束４４をセンサ３８−１へ入
射させる。物理光学素子４１Ｍ２と４１Ｗ２により発生
する光束４５は、物理光学素子４１Ｗ２がレンズ作用を
持たず光束がどこに入射しても同じ角度に屈折させて出
射させるので、横方向の相対位置ずれが発生しても、セ
ンサ３８−２への入射位置は変化しない。マスク１に対
しウェハ２が傾きを生じると、光束４４のセンサ３８−
１への入射位置と、光束４５のセンサ３８−２への入射
位置は同じ量だけ変動する。本装置はセンサ３８−１に
よって検出された変動量をセンサ３８−２によって検出
された変動量で差し引いた量を真の入射位置変動量とし
、この値に基いて横方向相対ずれを検出する。これによ
り、ウェハ２の傾き変動の影響を受けない横方向相対位
置ずれ検出が可能である。

物理光学素子４２ｉｎで集光され、ウェハ２のスクラン
ブライン２ａ上で反射して、物理光学素子４２ｏｕｔで
センサ３９方向に屈折される光束４６は、マスクｌ、ウ
ェハ２の間隔が変動すれば前述の（３）式に従ってセン
サ３９上での光束径が変化する。第１実施例と同様にこ
の光束系をセンサ３９により検出して間隔測定を行なう
。

本実施例に係るマスク１１ウエハ２の位置合せ、ギャッ
プ設定の基本アルゴリズムは以下のとおりである。

■センサ３９上の間隔測定用光束４６の光束径を検出す
る。

■光束径よりギャップ量Ｚを求める。

■Ｚを設定値２゜と比較し、差が許容値ε。内にあるか
否かを判定する。

■許容値内にない場合ウェハ２を＜２−２０＞だけ駆動
ステージにより動かす。

■■〜■を１　ｚ−ｚｏｌ　＜ε。になるまで繰り返す
。

■センサ３８−１上の光束４４の光強度分布を測定した
のち、先に定義した重心位置Ｘｓを求める。

■このとき、センサ３８−２上の光束４５の光強度分布
から基準光束の重心位置ＸＲを求める。

■ＸｓとＸＲの差△δＳを求め（１）式に示す倍率から
マスク１、ウェハ２間の相対位置ずれ量△σ１を求める
。

■△σ、が指定許容値範囲ε１．ε２の間にあるかどう
かを判定する。

０△σ１が指定許容値範囲ε１．ε２の間にない時ウェ
ハ２を相対位置ずれ量△ｖ１だけ駆動ステージにより動
かし、位置ずれを補正する。

■ε１≦ΔσＩ≦ε２になるまで■〜［相］を繰り返す
。

上記の手続の概要を第１２図にフローチャートとして示
す。

上述実施例において、間隔測定は、光束４６を設けなく
てもセンサ３８−１上の光量分布から、光束の径を計測
して求めてもよいし、センサ３８−２上の基準光束の光
量分布から光束の径を計測して求めてもよい。

第１３図（ａ）に本発明による第５実施例を示す。

マスクｌ上に焦点距離がｒ、、　’２　（ｆ＋≠ｆ２）
の２つの焦点距離を持つ、グレーティングレンズ３ｂを
形成し、ウェハ上にはグレーティングレンズ３ｂに対応
した位置に焦点距離がｆ３．ｆ４（ｈ≠ｆ４）の２つの
焦点距離をもつグレーティングレンズ４ｂを形成した。

第１３図（ｂ）　（ｃ）にそれぞれグレーティングレン
ズ３ｂ、４ｂのパターンの例を示す。また第１４図に７
２面に平行な断面でみた位置ずれ（横ずれ）および間隔
測定用の光束１０ａ、１０ｂの光路断面図を示す。なお
、本実施例における横ずれおよび間隔測定の原理は第１
の実施例と同じである。

本実施例では不図示の光源から出射しマスクｌ上のグレ
ーティングレンズ３ｂに入射した平行光束は回折の作用
を受けて、結像点の位置の異なる２つの光束が生じ、更
にウェハ２上のグレーティングレンズ４ｂで回折の作用
を受けて、それぞれの光束はアライメントピックアップ
ヘッド内のセンサ９ａ。

９ｂ（例えばＣＣＤタイプの一次元センサ）に入射する
ようにそれぞれのグレーティングレンズパターンが設計
される。センサ９ａ、　　９ｂでそれぞれの光束の光強
度分布から、光束重心位置および光束の径を測定し、以
下の処理を行なうことによりマスク１、ウェハ２間の相
対位置ずれ量および間隔を計測することができる。

まずグレーティングレンズ３ｂの焦点距離ｆ１の作用と
、グレーティングレンズ４ｂの焦点距離ｆ３の作用を受
けた光束のマスク１、ウェハ２間の相対位置ずれ量△Ｘ
に対応するセンサ９ａ上での重心移動量δ釦は、第１の
実施例に対応して、δＳ　ｒ　＝　Ａ　＋・△ｘ（Ａ＋
はｆ、、ｆ３による拡大倍率） 同様にしてグレーティングレンズ３ｂ、４ｂのそれぞれ
焦点距離ｆ２．ｆ４の作用を受けた光束のセンサ９ｂ上
での重心移動量δＳ２は δＳ２：Ａ２・Δｘ（Ａ２はｆ２．ｆ４による拡大倍率
、Ａ２≠Ａ＋） となる。従ってセンサ９ａ、　　９ｂのゼロ点位置（マ
スクとウェハの位置ずれかない状態での光束入射位置の
位置検出方向成分）が等しく、かつ光電変換特性が等し
いとすれば、それぞれのセンサ上の重心位置Ｘｇ＋、Ｘ
ｇ２は Ｘｇ＋　＝Ａ２・△ｘ＋Ｃ Ｘｇ２＝Ａ２・△ｘ＋Ｃ（Ｃはオフセット値）と表わす
ことができ、距離△Ｘとして △Ｘ　＝　Ｘ　ｇ　＋　　Ｘ　ｇ　２ ”（Ａ＋　　Ａ２）△Ｘ を求めることにより、マスク１１ウ工ハ２間の相対位置
ずれ量△Ｘは と求まる。

また、マスク１、ウェハ２間の間隔は、センサ９ａ。

９ｂ上の光束の径を測定して行なわれる。第１５図は、
本実施例の光学系配置の模式図であり、マスク１、ウェ
ハ２上の物理光学素子３ｂ、４ｂは便宜上、透過型レン
ズ素子として示しである。センサ９ａ。

９ｂは同一面上に形成され、それぞれに入射する光束１
０ａ、　　１０ｂはＱａ、Ｑｂが集光点となるように、
グレーティングレンズ３ｂ、４ｂの焦点距離ｆ１゜ｆ２
．ｆ３．ｆ４は設計されている。

このとき、第１６図に示すようにそれぞれのセンサ上で
の光束の系をＤｌ、Ｄ２とすると、Ｄ＋　＝Ｐ＋　１２
　Ｚ＋　ｌ＋α＋　　　ＣＰ＋、α１〉０）Ｄ２＝Ｐ２
１ＺＺ２１＋α２　　　（Ｐ２．α２〉０）ここにＺは
マスク１１ウ工ハ２間隔値、Ｚ２．Ｚ２はそれぞれセン
サ９ａ、９ｂ上で光束径が最小になる時のマスク１、ウ
ェハ２間隔値、Ｐ、、Ｐ２．　　α１゜α２は定数であ
る。これよりり、、Ｄ２を測定することによりマスク１
１ウ工ハ２間の間隔値Ｚは次式に示すように常に１値で
求まることがわかるこの様に光束径が最小になる時のマ
スク１、ウェハ２間隔値の異なる２つの光束を用いて間
隔測定をする事で、光束径の示す間隔値が２値になる事
を防ぎ、測定が簡易になる。

第１７図は本発明の第６実施例の概略図である。

本実施例は２つ、の反射鏡２５．２６を利用した等倍結
像系の半導体素子製造用の露光装置に適用したものであ
る。同図においてはレチクルし面上のパターンを反射鏡
２５及び２６によりウェハＷ面上へ結像させる際、不図
示の露光系により照射された露光光束によりウェハＷ面
上にレチクル面上のパターンを焼き付けている。

これに対し、アラインメント系は光源１０から出射され
た光束を投光レンズ１１により平行光とし、レチクルし
面上のレチクルアラインメントパターン３Ｌを通過後、
反射鏡２５．２６を通り、ウェハアライメントパターン
４Ｗへ照射している。そしてウェハアライメントパター
ン４Ｗで反射されハーフミラ−１９で更に反射させた後
、検出器８の検出面９へ導光している。このとき、レチ
クルアライメントパターン３Ｌ及びウェハアライメント
パターン４Ｗは、いずれも本発明に係る光学性質を有し
た物理光学素子であり、レチクルアラインメントパター
ンは凸レンズの作用を有し、−度点Ｑ。で集光された光
束は反射鏡２５．２６により点Ｑへ集光する。

ウェハアラインメントパターン４Ｗは凸面鏡の機能を持
ち点Ｑへ集光する光束を反射し、検出面９へ集光してい
る。

このようにして検出される検出面９上の重心ずれ量△δ
からレチクルＬとウェハＷの位置ずれ量△σを、又検出
面９上の光束径を求めることによりレチクルＬとウェハ
Ｗの間隔を前記実施例と同様に求めている。ここでレチ
クルＬとウェハＭとの間隔とはレチクルＬからウェハＭ
までの光路長の事である。

第１８図は本発明の第７実施例の概略図である。

本実施例は３つの反射鏡２５ａ、２６ａ、２７を利用し
た縮少結像系の半導体素子製造用の露光装置に適用した
ものである。

同図においてはレチクルＬ面上のパターンを反射鏡２５
ａ、　２６ａ、　２７よりウェハＷ面上へＡに縮少結像
している。このとき゛不図示の露光系により照射された
露光光束によりウェハＷ面上にレチクル面上のパターン
を焼き付けている。

これに対し、アラインメント系は光源１０から出射され
た光束を投光レンズ１１により平行光とし、レチクルＬ
上にあるレチクルアラインメントパターン３Ｌを通過後
、反射鏡２５ａ、　２６ａ、　２７を通り、ウェハアラ
イメントパターン４Ｗへ照射している。

そしてウェハアライメントパターン４Ｗで反射されハー
フミラ−１９で更に反射させた後、検出器８の検出面９
へ導光している。このとき、レチクルアライメントパタ
ーン３Ｌ及びウェハアライメントパターン４Ｗは、いず
れも本発明に係る前述の光学性質を有した物理光学素子
であり、レチクルアラインメントパターン３Ｌは凸レン
ズの作用を有し、−底点Ｑ０で集光された光束は反射鏡
２５ａ、　２６ａ、　２７により点Ｑへ集光する。ウェ
ハアラインメントパターン４Ｗは凸面鏡の機能を持ち点
Ｑへ集光する光束を反射し、検出面９へ集光している。

このようにして検出される′検出面９上の光量の重心ず
れ量△δからレチクルＬとウェハＷの位置ずれ量△σを
、又検出面９上の光束径を求めることによりレチクルＬ
とウェハＷの間隔を、前記実施例と同様に求めている。

第１９図は本発明の第８実施例の概略図である。

本実施例は半導体素子製造用の縮少投影型の電子照射装
置に適用したものである。

同図においてはエレクトロンガン３２から出射した電子
ビームはブランキングプレート３３を通り、第１コンデ
ンサーレンズ３４、第２コンデンサーレンズ３５及び第
３コンデンサーレンズ３６により平行ビームとなり、レ
チクルＬに照射される。レチクルＬ上は金属箔に図形状
の孔があいたパターンから構成され、それを通過した電
子線は第１プロジエクシヨンレンズ３７、及び開口アラ
イメントコイル３８、及び第２プロジエクシヨンレンズ
３９によりウェハＷ面上にマスク図形の１／１０縮小像
を結像する。

一方、アライメント光学系は次のように設定されている
。即ち、アライメント用の光源１０から出射した光束を
投光レンズ１１により平行光とし、ミラー２８によりレ
チクルＬ上のアラインメントパターン３Ｌを照射する。

アラインメントパターン３Ｌにより平行光束は集光作用
を受は点Ｑ０ヘミラー２９で一度反射した後、集光する
。その後、ミラー３０で方向を変換し、レンズ１８によ
り再び集光光束となりハーフミラ−１９及びミラー３１
により方向を変換しながら点Ｑへ集光する。ウェハＷ上
に設けられたアラインメントパターン４Ｗは点Ｑへ集光
する光を反射し、ミラー３１及びハーフミラ−１９を通
り検出器８上の検出面９へ集光する。

このときレチクルアライメントパターンはレンズ１８に
より、ｌＯ：１の縮小投影関係となるように設定されて
おり、電子線露光系と同倍率となっている。この為、レ
チクル上の図形とレチクルアライメントパターン３Ｌの
横ずれはｌ：１に対応している。

このようにして検出される検出面９上の光量の重心ずれ
量△δからレチクルＬとウェハＷの位置ずれ量△σを、
又検出面９上の光束径を求めることによりレチクルＬと
ウェハＷの間隔を、前記実施例と同様にして求めている
。

以上の実施例に示したような、間隔の計測の際、間隔の
変動と、センサ上での光束の径は線形な関係にあると規
定する事の必要は無く、予め別の計測系で間隔に対応す
る光束の径の変化を測定しておき、非線形性を有する測
定データを本発明による間隔測定に利用してもよい。ま
た、間隔の変動の＋、−符号の判定の為には、第３、第
５実施例のほかに、センサの位置を略光軸方向に微少に
動かす（ピエゾ素子等）を設けてもよい。

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ツティングの際の位置合わ
せ、多色印刷機械の位置会わせ、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（
適用可能である。間隔測定用光束としては、例えばマス
ク面入射光束がマスクグレーティングレンズで、０次以
外の次数で回折され、レンズ作用を受けた後、ウェハで
０次反射し、更にマスクを０次以外の次数で回折される
光束を用いてもよいし、或は、入射光束かマスクを０次
で透過し、ウェハ上グレーティングレンズで０次以外の
次数で回折、反射され、マスクを０次を含む所定の次数
で回折される光束を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、光源手段により出射され第１物体及
び第２物体の少なくとも一方によって偏向されかつ第１
物体と第２物体との対向方向に垂直な方向に沿った位置
ずれに応じて入射位置が変化する前記位置検出用光束を
受光し、該受光された位置検出用光束の入射位置から第
１物体と第２物体との位置ずれを検出する位置検出手段
と、位置検出用光束の少なくとも一部を受光し、該光束
の入射位置における光束径より第１物体と第２物体との
間隔変化を検出する間隔検出手段と、を設けた事により
横方向相対位置検出用と間隔検出用の装置を少なくとも
一部共通化する事が可能になり、装置が簡素化できた。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例に係る位置合わせ、
装置の概略図、 第１図（Ｂ）（Ｃ）は第１図（Ａ）の装置における位置
合わせの手順のフローチャート、 第２図、第３図はグレーティングレンズのパワー配置の
説明図、 第４図は第１図（Ａ）の装置における間隔変化と光束径
の関係図、 第５図はセンサからの光強度分布の出力の１例を示す図
、 第６図は第５図の光強度分布出力における２値化出力を
示す図、 第７図は本発明の第２実施例に係る位置合わせ装置の概
略図、 第８図は第７図の装置における光路図、第９図は本発明
の第３実施例に係る位置合わせ装置の概略図、 第１０図は本発明の第４実施例に係る位置合わせ装置の
概略図、 第１１図は第１０図の装置における光路図、第１２図は
第１０図の装置における位置合わせの手順のフローチャ
ート、 第１３図（ａ）は本発明の第５実施例に係る位置合わせ
装置の概略図、 第１３図（ｂ）　（ｃ）は第１３図（ａ）の装置に用い
られるアラインメントマークの図、 第１４図、第１５図は第１３図（ａ）の装置における光
路図、 第１６図は第１３図（ａ）の装置における間隔変化と光
束径の関係図、 第１７図は本発明の第６実施例に係る位置合わせ装置の
構成図、 第１８図は本発明の第７実施例に係る位置合わせ装置の
概略図、 第１９図は本発明の第８実施例に係る位置合わせ装置の
概略図、 第２０図は従来例の説明図、 である。 図中　ｌ：マスク ２：ウェハ ３ａ、４ａニゲレーテイングレンズ ８二受光器 ！Ｏ：光源 １０２：ＣＰＵである。 第 図 ＜８） （Ｃ） 第 １／ 図 第７３図 ろ 第７３図 （ｂ） （Ｃ） ΔＳ 第７？図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 互いに対向する、相対位置関係を検出すべき第１物体及
   び第２物体の方向に位置検出用の光束を射出する光源手
   段と、 前記光源手段により出射され第１物体及び第２物体の少
   なくとも一方によって偏向されかつ第１物体と第２物体
   との前記対向方向に垂直な方向に沿った位置ずれに応じ
   て入射位置が変化する前記位置検出用光束を受光し、該
   受光された位置検出用光束の入射位置から第１物体と第
   ２物体との位置ずれを検出する位置検出手段と、 前記位置検出用光束の少なくとも一部を受光し、該光束
   の入射位置における光束径より第１物体と第２物体との
   間隔変化を検出する間隔検出手段と、を有することを特
   徴とする位置関係検出装置。