JPS59151114A - 時分割二重焦点検出法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、例えば半導体ウェハの露光装置などのように
、微小間隙を介して対向する検出体の少なくとも一方が
ほぼ透明である場合に、双方の検出体の相対的位置を光
学的に検出する方法に関する。

〔従来技術〕

微小間隙を介して対向しているウエノ・とマスクとの相
対位置を検出する方法として、従来、第１図に示す二重
焦点光学検出法が一般に用いられている。

第１図に示す１はウェハで、その面上には第２図例）に
示すようにパターン１′と、３個のアライメントマーク
６が設けられている。

第１図に示す２はマスクで、その面上には第２図（向に
示すようにパターン面２′と、６個のアライメントマー
ク４が設けられている。

第１図に示す二重焦点検出法においては、上記ウェハ１
のアライメントマーク６と、上記マスク２のアライメン
トマーク４とを後に詳述するようにしてセンサ８の上に
結像させ、第２図（Ｃ１のように双方のアライメントマ
ーク６．４の像をセンサ８の上に重ね合わせ、第１図に
付記したＺ軸方向の焦点合わせによってウエノ・１とマ
スク２との相対位置を検出する。

上述の従来の二重焦点法においては、ウエノ・１とマス
ク２との間隙ダを次のようにして検出する。

第３図は上記の検出方法の原理を示す説明図で、１はウ
ェハ、２はマスクであシ、第３図（Ａはウェハ１上のア
ライメントマーク（矢印で表わす）３が対物レンズ５に
よって拡大実像３′を結ぶ状態を示している。同図力）
は同様にマスク２上のアライメントマーク４が拡大実像
４′を結ぶ状態を示している。

本図（ハに示すことく、対物レンズ５の前側主点６から
α２の距離にあるマスク２上のアライメントマーク４は
後側主点７からｂ３の距離に倍率ｉＡ ’ＯＢ’＝約４３倍の実像４′を結像する。また、本図
（Ａに示すごとく、対物レンズ５の前側主点６かうｃＬ
ｌの距離にあるウェハ１上のアライメントマ４ −り３は後側主点７からｈｌの距離に倍率（−７Ｈ）＝
約４０倍の実像３′を結像する。

ウェハ１とマスク２の相対位置を検出するためにはセン
サ８上に、ウエノ凡１とマスク２それぞれのアライメン
トマーク６．４を等倍率で結Ａ 像させなければならないが、前述の様に■〉ニル、ｂ３
＞　ｂｌであるため、このままではセンＡ す８上に等倍率の像を結像させることは出来ない。

このため、対物レンズ５の後側主点７と、結像位置まで
の間の光路に光路補正系９を挿入して、ウェハ１のアラ
イメントマーク３０倍率補正を行な力、対物レンズ５の
後側主点７からｈ２の距離に倍率（ｈ５）−約４３倍−
Ｍの像を結像させＯＡ　　　　　　　　　　（ＪＢ ると共ｖｃ、ｂ”、光路を途中で胚曲させることでセン
サ８にウエノ１１とマスク２のアライメントマーク６．
４上等倍率で結像させてｒｈる。第１図において、光源
１０から出だ照明光は照明光学系１１、ハーフミラ−１
２、ミラー１３、対物レンズ５をへてマスク２、ウエノ
・１上に照射される。ウェハ１、およびマスク２から反
射した光は再び対物レンズ５、ミラー１３、）−−フミ
ラ１２を通ってビームスプリッタ−１４に達し、このビ
ームスプリッタ〜１４によって光路、４１５、光路Ｂ１
６に分肉１Ｆされる。

ここで、光路、４１５はマスク２上のアライメントマー
ク４をセンサ８上に結像させる光路であり、つ°Ｃ路Ｂ
１６はウェハ１上のアライメントマーク３をセンサ８に
結像させるだめの光路である。

光路Ｂ１６には、ウェハ１上のアライメントマーク３０
倍率をマスク２のアライメントマーク４の倍率制と同じ
倍率にするだめの倍率補正レンズ１７、及びミラー１８
が設けられて因る。

第６図（Ａに仮想線で示した光路は、上記のよう（でし
て補正された光路を示して卦り、光路補正系９（第１図
の例では倍率補正レンズ１７）により、３″なる実像（
寸法ＩＡ、）を結ぶ、そしてこＡ の場合の倍率併が前記の倍率面と同じになるように補正
系９が設定されている。第１図において光路Ａ１５はマ
スク２上のアライメントマーク４をセンサ８上に結像す
るだめの光路であシ、ウェハ１とマスクのアライメント
マーク３．４をセンサ上に結像するために光路を屈曲さ
せ光路長の補正を行なうプリズム２０を通シ、さらにミ
ラー２１を通ってビームスプリッタ１９に達する。

ビームスプリッタ１９で光路、４１５と光路Ｂ１６は重
合されて、第一結像点２２にマスク２、ウェハ１のアラ
イメントマーク６．４の等倍率の実像を結像する。

ここからさらにリレーレンズ２３を通シセンサ８上に結
像させる。

従来一般に上述の様な方式でウェハ１とマスク２との相
対位置を検出していたが、この方式には次の様な間駅点
があった。第４図は前述のビームスプリッタ１４からセ
ンサ８までの間の光路図である。前述のようにしてウェ
ハ１とマスク２との間の距離を検出する場合、０．１μ
ｍ以下の精度で検出するためには、第４図に示す光路誤
差ε２、即ちセンサ８への入射点における光路Ａ１５と
（ｉｉｌ　Ｂ　’１６との間隔を０．１μｍ以下の精度
で重合しなければならないが、このためには、プリズム
２０の位置精度ε１を００５μｍ以下にしなければなら
ない、またこの他にも倍率補正レンズ１７、ミラ−１８
、ミラー２１等についても高精度に設定し、なければな
らなかった。

オたピント合せに方法につ−ても、光学系の伯爵精度が
厳しく、光学部品を動かすことが出来な層ためマスク２
とウェハ１を別々にＺ　Ｎ］力方向移動させて行なわな
ければならなかった。

まだ対物レンズ５はＸ線露光中に邪魔になるため退避し
なければならない。このため、ウェハ１、マスク２、対
物レンズ５の全てがＺ　１１＋方向に動くので、それぞ
れの絶対位置を精度良ぐ出すことが回部である。

上記の不具合を解消［〜、簡単な構成の光学系統を用い
て高精度の検出を行なうために、第５図乃至第８図に示
す方法が考えられる。この方法は本発明者が本発明を創
作する途中で案出したもので、その基本的原理は前述の
如き光路合わせ誤差ε、を生じさせな込ように双方のア
ライメントマークの結像光路を分解することなく、同一
の光路を用い、かつ、その光路長を変えて双方のアライ
メントマークの検出を順次に行なうものである。以下、
説明の便宜上、第５図乃至第８図に示す方法を試案と呼
ぶ。第５図は試案の光路図で、従来方法における第１図
に対応する。

光跡１０から出だ照明光は照明光学系１１、）・〜フミ
ラー１２、ミラー１３、対物レンズ５をへてマスク２．
ウェハ１に照射される。

ウェハ１及びマスク２から反射した光は再びＡ［物レン
ズ５、ミラー１３、）１−フミラ−１３、全ｉＭ　Ｉ）
、ミラー２５で曲げられてプリズム２４に達する。この
プリズム２４は往復矢印Ｆ方向に移動可能となっている
。

プリズム２４で反射した元は再びミラー２５を通り、第
一結像点に実像を結像し、さらにリレーレンズ２６によ
ってセンサ８にアライメントマーク３又はアライメント
マーク４を結像する。第６図は上記第５図を平面に展開
した光路図で、第７図は同ブロック図、２７はセンサで
ある。センサ８に結像する像は対物レンズ５の後側十点
７から第１結像点２２までの距離に係り、プリズム２４
の屈折率を１と仮定した場合には次のようになる。対物
レンズ５の前側主点６からα１の距１ｌｉ１トにウェハ
がある時には、ｔ、　＋４　＋ｚ、　＋ｔ、　＋ｔ。

＝力１の距離にプリズム２２を移動させた時にウェハ１
のアライメントマークろを結俄し、対物レンズ５の前側
主点６からσ２の距離にマスク２がある時は、ｔ、　＋
ｔ、−＋−ｔ３＋ｔ、　＋ｔ、−ｈ’ｈの距離にプリズ
ムを移動させた時にマスクのアライメントマーク４を結
像する。この試案のように光路中にプリズムを置き、こ
のプリズム孕移動させて光路長を変える方法を用いると
、光路長を無段階的に変えることができるので各種の測
定条件に応じて容易に精密な検出ができるという効果が
ある。

上記の検出を行なうために動かすプリズムの移動化へは
（Ａ５−ＡＩ）／２である。

検出は、まずｈｌなる位置でウエノ・１上のアライメン
トマーク３をセンサ８で検出し、記憶装置図２６に記憶
する。次にプリズム２４をｈ３の距離になる位置に移動
し、マスク２上のアライメントマーク４を検出し第７図
に示す記憶装ｇ、２６に記憶する。さらにプリズム２４
を移動させた卵内１〔ｔ。

をセンサ２７で計測し記憶装置２６に記憶させる。

これら記憶装置２６に記憶された検出値は、ウェハ１の
アライメントマーク乙の結像倍率ｍ１＝崩 率ｍ２”ｏ″′Ｂと異なるため、ウェハ１のアライメン
トパターン３の検出値を計算機２８で下記割算をまた、
ウェハ１とマスク２の間隙（α１−ａ２）はで表わすこ
とが出来る。

以上説明したように、光路長さを測定して、結像の倍率
補正全計算によって行なうと、ウェハ１とマスク２との
間隙全自由に設定することができる。Ｊ：記の試案にふ
−いてｄ、この計ｐによる補正を施すことによりウェハ
、マスク間隔をＯ〜１００１Ｅｎの間で自由に設定し得
ることが確認された。

第８図は、上記の試案にかけるプリズム２４ヲ支承して
移動させるために構成したガイド機構の平面図に光路図
全付記した図である。

本実施例のガイド機構では、プリズム２４を載せた移動
ステージ２９及びセンサ２７１、駆動源２８をそなえだ
固定ステージ３０から成り、双方のステージを節、４３
１〜ＩＢ８と腕、４３９　、　Ｂ２Ｏからなる弾性変形
リンク機構によって構成する。

第９図は上記試案の変形例を示す。この変形例では光路
長を変える手段として、光路中に平面レンズを挿入した
り除去したシして光路の実効値を変える。その原理を第
３図メ）について次に略述する。マスク２のアライメン
トマーク３の結像距離ｈ１は既述のごと＜　ｈ２−ｂま
たけ不足している。ここで光路補正系９として、厚さｔ
−移動（−てアライメントマーク像３″が結像する。

この実施例のように、光路長の変更手段とじて光路中に
屈折率の異なる媒体全挿入、除去すると、簡単な構成の
部材を用いて光路長を高精度で段階的に変えることがで
きる。

しかし、上述の試案においては次記のような技術的田無
がある。即ち、第５図に示しだようにプリズム２４を動
かして光路長を変える方式においては、第１０図（−４
）に示す様にプリズム２４が移動する際にプリズム２４
の横振れ（ε３）や回転によって光軸振れ（ε、）が生
じる。プリズム２４のガイドを精密に行なっても、プリ
ズム２４の横振れや回転を完全になくすることは出来な
いので光軸振れに５’Ｅ全になくすことが出来なかった
。この場合、光軸撮れε４＝２×６３となる。

また、第９図に示したように平面レンズ４１を挿入して
光路長を変える方法においては、第１０図Ｂに示す様に
平面レンズ４１の傾き（θＩ）が生じると光軸振れ（ε
、）が生じると言う問題を含んでｓｉｎ　　θ いた。この場合の光軸振れε、はｔ　×−−ユとなる。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為され、以上に述べた試案
を更に改良して光軸振れを防止し得る時分割二重検出法
を提供しようとするものである。

〔発明の棚、要〕

上記の目的を達成するため、本発明は間隙を介して対向
している検出体Ａとほぼ透明な検出体Ｂとのそれぞれの
検出像を１個のセンサ上に結像させて双方の検出体の相
対位置を検出する光学検出法において、検出体Ａ及び検
出体Ｂの像を検出する対物レンズから結像位置との間に
、移動可能な１対のプリズムと、固定した１個の倒立プ
リズムとを設け、上記１対のプリズムの相対位置を変え
ることなく光路方向に移動せしめて光路長を変化せしめ
つつ双方の検出体Ａ。

Ｂの像を順次にセンサ上に結像することを特徴とする。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の１実施例を第１１１ＰＩＣ／ｆｌ、（詞
を参照しつつ説明する。

２個のプリズム４２．４６を移動ステージ４８に載置し
て固定する。これによシ、１対のプリズム４２．４６は
相対的な位置を変えることなく移動し得る。そして、上
記１対のプリズムの対称線上に倒立プリズム４４を固定
する。

ウェハ１、及びマスク２からそれぞれ反射した光はハー
フミラ−１２を通りプリズム４２に反射しミラー４３を
通り、倒立プリズム４４で像を反転し１、ミラー４５を
通り、プリズム４６に反射して、ミラー４７を通り第一
結像点２２に実像を結像する。

さらにリレーレンズ２６によってセンサー８上に実像を
結像し、位舒検出を行なう。

この光路構成において、倒立プリズム４４ヲ設けること
により、プリズム４２とプリズム４６は互いに対称形な
光路を形成する。プリズム４４ドブリズム４６を同一の
移動ステージ４日に載せ、この移動ベース４８を往復失
印イのごと〈動かすことによって光路長変更を行なり得
る。

以上のように構成して試案におけると同様の手順で時分
割二重検出を行なうと、第１１図（，４１のように移動
ステージ４８が矢印口方同に傾すた場合、１対のプリズ
ム４２．４６には同じ量の回転０２を生じる。従ってプ
リズム４２で生じた光軸振れＵ　倒立フＩＪズム４４で
反転されてプリズム４６に入シ、ここで光軸振れが相殺
される。

壕だ、第１１図（ツノ）のように移動ステージ４８が矢
印ハの如く偏っプξ場合、プリズム４２．４６にハ等縫
の横振れε、を生じ、倒立プリズム４４を介し７て上記
の横振れε、が相殺される。

上記のごとく、移動ステージを往←矢印イ方１ｉＪに動
かして光路長を変える場合、矢印Ｑ方向の回転−や矢印
ハ方向の横撮れを生じても、光軸振れを発生しな（への
で高閘度の検出ができる。

第１４図は本実施例における光学要素の配置を示し７た
光路図である。プリズム４２．４　（Ｓ　は移動ステー
ジ４８に固定され、移動ステージ４８と固定部材５０の
間はボールガイド４９で摺動自在に支持されて卦り、ネ
ジ５１、駆動モータ５２で前述した摺動自在の方向に動
かすことが出来る。

ネジ５１はホルダー５３によｐ固定部材に回転自在な方
法で取付けられている。

移動ステージ４日の移動量はセンサ２７で検出し、この
検出値によシ前述した倍率補正及びウエノ・構成の光学
系統を用−て、微小間隙を隔てて対向する２個の検出体
の相対的位置を容易かつ迅速に高精度で検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方法の二重焦点光学系の光路図、第２図（
Ａ、　（Ｂ＋　、　（Ｃ１はアライメントマーク合わせ
の説明図、第６図（Ａｌａは光路長補正の説明図、第４
図は第１図の光路図の要部拡大図、第５図は時分割二重
検出法に関する試案における光路の斜視図、第６図は同
士面図、第７図は同ブロック図、第８図は同光学系の平
面図、第９図は上記と異なる試案の光路の斜視図、第１
０図（Ａ）。 β）は四元軸振れの説明図である。第１１図及び第１２
図は本発明の時分割二重焦点検出法を示し、第１１図（
，４１，（７３＋は作用説明のための光路図、第１２図
は光学系の配置図である。 １・・−ウェハ　　　　　　２・・・マスク５・・・対
物レンズ　　　　４２・・・〕ＩＪ　、７：　ム４４・
・倒立プリズム　　　４６・・・プリズム８・・センサ
ー　　　　　２７・・センサ４８・・・移動ステージ 第　１　口 第７引△）　　　第２図ＣＢ）　　　　　窮２図（Ｃ）
笛３　図（ハ）　　　　　　　　第　３　図（Ｂ）第４
　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 間隙を介して対向している検出体Ａとほぼ透明な検出体
   Ｂとのそれぞれの検出像を１個のセンサ上に結像させて
   双方の検出体の相対位置を検出する光学検出法にｂｌ、
   ｎて、検出体Ａ及び検出体Ｂの像を検出する対物レンズ
   から結像位置との間に、移動可能な１対のプリズムと、
   固定したプリズムとを設け、上記１対のプリズムの相対
   位置を変えることなく光路方向に移動せしめで光路長を
   変化せしめつつ双方の検出体Ａ。 Ｂの像を順次にセンサ上に結像することを特徴とする時
   分割二重焦点検出法。