JPS63201516A - 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、例えば半導体製造装置
、検査装置における位置検出装置に適用して好適なもの
である。

〔従来の技術〕

従来、半導体製造装置における位置検出装置として、特
開昭５６−４２２０５号公報に開示されているように、
投影レンズによってマスクパターンが転写される位置に
配設された対象物としての半導体ウェハに対して、斜め
に検出スリット光を照射する斜め入射型の位置検出装置
が用いられている。

第６図は、この従来の斜め入射型の位置検出装置を示す
もので、光源１において発生された光束ＬＯが集光レン
ズ２を通ってスリット３を照射する。スリット３は、紙
面に対して垂直方向に延長する関口３Ａを有し、この間
口３Ａの像が送光側結像レンズ４Ａによって半導体ウェ
ハ５の表面５Ａ上に結像され、かくして被検出面を構成
する表面５Ａ上に、スリット状の結像光束でなる検出ス
リット光ＬＬを照射する。

かくして光源１と、集光レンズ２と、スリット３と、送
光側結像レンズ４Ａとで照射系に１を構成している。

表面５Ａによって、反射されて得られるスリット反射光
Ｌ２は、受光側結像レンズ４Ｂを通り、振動ミラー６で
反射し、受光スリット７上に再結像され、その間ロアＡ
を通過した光が検出光Ｌ３として、例えば光電変換手段
としての光電変換素子９上に集光される。

振動ミラー６により、受光スリット７の開ロアＡ上に結
像した反射スリット像は振動し、半導体ウェハ５が合焦
位置にあるときに反射スリット像の振動中心が開ロアＡ
の中心と一致するように構成されている。受光スリット
７の開ロアＡを通過した反射スリット像の光は、光電変
換素子９により検出信号Ｓ１に変換され、信号処理回路
ＩＯにおいて振動ミラー６の振動周期で同期位相検波さ
れる。

かくして受光側結像レンズ４Ｂと、振動ミラー６と、受
光スリット７と、光電変換素子９とで受光系に２を構成
し、また信号処理回路１０により信号処理系に３を構成
する。

その同期位相検波信号Ｓ２は、第７図に示すように、半
導体ウェハ５の表面５Ａの高さＺが２＝＋２１から２＝
−２，までの検出可能範囲Ｒ内を変化したとき、反射ス
リット像の振動中心が開ロアＡの中心からずれることに
より、信号レベル■がＶ＝＋ＶイからＶ　＝　−Ｖ、の
範囲を変化する。

かくして信号処理回路１０は、同期位相検波信号Ｓ２の
信号レベルＶがＶ−０になるように半導体ウェハ５の位
置を調整することにより、投影レンズからの投影光を合
焦状態にオートフォーカシング制御をする。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところがこの種の斜め入射型位置検出装置を用いて、半
導体ウェハ５の位置を検出する場合、半導体ウェハ５の
合焦位置からの偏位量が小さい場合には、同期位相検波
信号Ｓ２の信号レベルＶが＋ｙ、〜−■、４内にあるの
で信号処理回路１０において合焦検出動作をし得るが、
半導体ウェハ５の合焦位置からの偏位量が大きくなって
、検出可能範囲Ｒから外側にずれると、振動ミラー６に
よって振動する反射スリット像が受光スリット７の開ロ
アＡを通過しなくなるため、同期位相検波信号Ｓ２が応
答しなくなる（すなわち０レベルを維持する状態になる
）。

この問題を解決する方法として、スリット像の振幅を拡
げることにより検出可能範囲Ｒを拡大することが考えら
れるが、このようにすると、同期位相検波信号Ｓ２によ
る焦点検出感度が低下するおそれがあり、望ましくない
。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、焦点検出
感度を劣化させることなく検出可能範囲を拡大できるよ
うにした位置検出装置を提案しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる問題点を解決するため本発明においては、対象物
５に対し斜めに検出光Ｌ１を照射する照射系に１と、対
象物５から反射して来る検出光Ｌ３を受光する受光系に
２と、受光系に２の出力Ｓ１を受ける信号処理系に３と
を有し、対象物５で反射した検出光Ｌ２が対象物５の移
動に伴い整光系に２に対し、移動するように照射系に１
と受光系に２とを配設し、信号処理系に３は受光系に２
に対して検出光Ｌ３が所定位置に照射されると検出信号
Ｓ１を発生する位置検出装置において、受光系に２は、
第１と第２の光電変換手段９．２１．２２を含み、第１
の光電変換手段９は所定位置に配設され、第２の光電変
換手段２１．２２は検出光Ｌ３の移動を検出する範囲が
第１の光電変換手段９より大きく、信号処理系に３は第
２の光電変換手段２１．２２の出力Ｓ１３により検出光
Ｌ３を第１の光電変換手段９に向けて移動させるために
対象物５を変位させる信号を発生するようにする。

〔作用〕

受光系に２は第１と第２の光電変換手段９．２１．２２
を含み、第１の光電変換手段９は所定位置に配設され、
第２の光電変換手段２１．２２は検出光Ｌ３の移動を検
出する範囲が第１の光電変換手段９より大きく、信号処
理系に３は第２の光電変換手段２１．２２の出力Ｓｌに
より検出光Ｌ３を第１の光電変換手段９に向けて移動さ
せるために対象物５を変位させる信号を発生するように
する。

かくするにつき対象物５の位置が、第１の光電変換手段
９において検出できる範囲より、大幅にずれたような場
合においても、第２の光電変換手段２１．２２において
検出して確実に高い精度で合焦状態に制御することがで
きる。

〔実施例〕

以下図面について、本発明の一実施例を詳述する。

（１）第１の実施例 第１図に示すように、受光スリット７の振動ミラー６側
の面７Ｂ上に一対の粗調整用光電変換手段としての粗調
整用光電変換素子２１及び２２が設けられている。

一方の光電変換素子２１は、開ロアＡの一例位置におい
てこれと直交する方向に右方に反射スリット像Ｐが移動
したとき、反射スリット像Ｐの受光面積が大きくなるよ
うに三角形状に形成されている。

また他方の光電変換素子２２は、開ロアＡの他側位置に
おいてこれと直交する方向に左方に反射スリット像Ｐが
移動したとき、反射スリット像Ｐの受光面積が大きくな
るように三角形状に形成されている。

この実施例の場合、反射スリット像Ｐの中心が開ロアＡ
の中心と一致する位置Ｐ、にあるとき、一対の光電変換
素子２１及び２２に対する反射スリット像Ｐの受光面積
がほぼ等しくなることにより、その検出信号Ｄ１及びＤ
２の信号レベルが互いに等しくなってその差がほぼ０に
なるように構成されている。

この状態から反射スリット像Ｐが開ロアＡからはずれて
右方（又は左方）にずれた位置ＰＬ（又はＰ２）にある
とき、光電変換素子２１及び２２の検出信号ＤＩ及びＤ
２が差動的に（その和が一定値になる）変化することに
より、その差の値が正方向に増大しく又は負方向に減少
する）ように変化するように構成されている。

光電変換素子２１及び２２から得られる検出信号Ｄ１及
びＤ２は、信号処理回路１０内に設けられた粗調整信号
形成回路２３に入力される。

すなわち検出信号Ｄ１及びＤ２は、順次増幅回路２５及
び２６、低域通過フィルタ２７及び２８を通って減算回
路２９、加算回路３０に入力され、その減算出力３１１
及び加算出力Ｓ１２が割算回路３１に与えられる。

以上の構成において、検出信号Ｄ１及びＤ２は反射スリ
ット像Ｐの移動に従って差動的に変化するので（第１図
）、加算回路３０の加算出力Ｓ１２の値は、反射スリッ
ト像Ｐが左右方向に移動しても一定値を維持し、かつ反
射スリット像Ｐの明るさに応じて変化する。

これに対して減算回路２９の減算出力５ｌｌＯ値は、反
射スリット像Ｐが左方向に移動すれば、差動的に大きく
変化し、かつ反射スリット像Ｐの明るさに応じて変化す
る。

そこで割算回路３１において減算回路２９の減算出力Ｓ
ｌｌを分子としかつ加算回路３０の加算出力Ｓ１２を分
母として割算すれば、反射スリット像Ｐの明るさの変化
を受けずに、反射スリット像Ｐの左右方向の位置Ｐ、　
、Ｐ、　、Ｐ、に応じて直線的に信号レベルが変化する
粗調整信号３１３（第３図（Ｂ））を得ることができる
。

実際上この粗調整信号Ｓ１３は、光電変換素子９から得
られる検出信号Ｓｌ（精密調整用信号として用いる）と
共に、半導体ウェハ５のＺ方向の位置調整信号として用
いられる。

以上の構成によれば、光電変換素子９の同期位相検波信
号Ｓ２（第３図）が検出可能範囲Ｒに入るような位置に
反射スリット像Ｐがあるとき、信号処理回路１０は、こ
の同期位相検波信号Ｓ２を用いて精密なオートフォーカ
シング動作をし得る。

これに加えて光電変換素子９の同期位相検波信号Ｓ２が
検出可能範囲Ｒからはずれるような位置に反射スリット
像Ｐが移動したとき、信号処理回路１０は、第３図（Ｂ
）に示すように、粗調整信号３１３の範囲Ｒ１１及びＲ
１２の信号を用いて反射スリット像Ｐを検出可能範囲Ｒ
に対応する範囲Ｒ１に引き戻すような粗なオートフォー
カシング動作をし得る。

かくして上述の実施例によれば、半導体ウェハ５の位置
が従来の場合と比較して大幅にずれたような場合にも、
これを確実に検出して高い精度で合焦状態に制御するこ
とができる。

（２）第２の実施例 第４図及び第５図は、本発明の第２の実施例を示すもの
で、第１図及び第２図との対応部分に同一符号を付して
示すように、受光スリット７の開ロアＡの一側に、これ
と直交する方向に延長する位置検出素子（Ｐ　Ｓ　Ｄ　
（ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃ
Ｌｏｒ））でなる粗調整用光電変換素子３５が設けられ
ている。

粗調整用光電変換素子３５は、反射スリット像Ｐの照射
位置が、開ロアＡを中心にして右方（又は左方）にずれ
ると、これに応じて差動的に変化する一対の検出信号Ｄ
ｌｌ及びＤ１２を送出し、この検出信号Ｄｌｌ及びＤ１
２を増幅回路２５及び２６を介して低域通過フィルタ２
７及び２８に入力する。

第４図及び第５図の構成において、粗調整用光電変換素
子３５から得られる検出信号Ｄｌｌ及びＤ１２は、第１
に共に反射スリット像Ｐの明るさに対応する値を存し、
また第２に反射スリット像Ｐの位置がＰ、−Ｐ、〜Ｐ、
の間を変化すればこれに応じて変化する。

従ってこの実施例においても、上述の場合と同様の効果
を得ることができる。

（３）他の実施例 （ａ）　　なお上述の実施例においては、受光スリット
７の面７Ｂ上に粗調整用光電変換素子２１及び２２を、
受光スリット７の開ロアＡを挟んで、両側に向かい合う
位置に設け、しかも光電変換素子２１及び２２が、三角
形状をしている場合について述べたが、これに代え、受
光スリット７の開ロアＡの一側にまとめて、一対の光電
変換素子２１及び２２を設けるように変更したり、一対
の光電変換素子２１及び２２により発生する検出出力が
結果的に差動的に変化するような形状に成形したりする
など、種々変更し得、要は光電変換素子２１及び２２に
より得られた検出出力により、反射スリット像Ｐの受光
スリット７の開ロアＡに対するずれ看及びずれの方向を
検知することができるようにすれば良い。

（ｂｌ　　また上述の実施例においては、振動ミラー６
により、反射スリット像Ｐを振動させ受光スリット７が
固定している場合について述べたが、これに代え、振動
ミラーを取り除いて又はミラーを固定させて、受光スリ
ット７が、受光スリット７の開ロアＡと直交する方向に
所定の振幅で振動するようにしても良い。

（Ｃ）　　さらに上述の実施例においては、受光スリッ
ト７に第２の光電変換素子２１及び２２を取り付けるよ
うにした場合について述べたが、これに代え、受光スリ
ット７と振動ミラー６との間に、第２の光電変（負素子
２１及び２２が取り付けられた検出器を設けるようにし
ても良い。

（ｄ）　　さらに上述の実施例においては、微調整の検
出方法として、第２の光電変換素子２１及び２２が設け
られた受光スリット７の開ロアＡを通過した検出光Ｌ３
を第１の光電変換素子９で検出するようにしたが、受光
スリット７に代え、当該受光スリット７とほぼ同じ形状
の光電変換素子９を第２の光電変換素子２１及び２２と
同一平面上に設けるようにしても、上述の場合と同様の
効果を得ることができる。

（ｅ）　　さらに上述の実施例においては、反射スリッ
ト像Ｐと所定の幅の開ロアＡを有する受光スリット７と
を相対的に振動させる（換言すれば繰り返し往復移動さ
せる）ようにした場合について述べたが、これに代え反
射スリット像Ｐと所定の幅の開ロアＡを有する受光スリ
ット７とを相対的に開ロアＡを少なくとも１回横切るよ
うに移動させ、その際の検出結果に基づいて半導体ウェ
ハ５の位置を検出するようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、被検出対象の位置が合焦
位置より大幅にずれたとき、これを確実に検出し得、か
くするにつき従来の場合と同様にオートフォーカシング
動作の精度を高い値に維持し得る位置検出装置を容易に
実現し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光電変換素子の第１の実施例を示
す路線的平面図、第２図はその光電変換素子の信号処理
を示すブロック図、第３図（八）及び（Ｂ）はその信号
波形図、第４図は本発明による光電変換素子の第２の実
施例を示す路線的平面図、第５図はその光電変換素子の
信号処理を示すブロック図、第６図は位置検出装置の全
体構成を示す路線図、第７図はその検出信号の波形図で
ある。 １・・・・・・光源、５・・・・・・半導体ウェハ、６
・・・・・・振動ミラー、７・・・・・・受光スリット
、９・・・・・・第１の光電変換素子、１０・・・・・
・信号処理回路、２１．２２．３５・・・・・・第２の
光電変換素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 対象物に対し斜めに検出光を照射する照射系と、該対象
   物から反射して来る該検出光を受光する受光系と、該受
   光系の出力を受ける信号処理系とを有し、該対象物で反
   射した検出光が該対象物の移動に伴い該受光系に対し、
   移動するように該照射系と受光系とを配設し、該信号処
   理系は該受光系に対して該検出光が所定位置に照射され
   ると検出信号を発生する位置検出装置において、 前記受光系は、第１と第２の光電変換手段を含み、該第
   １の光電変換手段は前期所定位置に配設され、該第２の
   光電変換手段は前記検出光の移動を検出する範囲が該第
   １の光電変換手段より大きく、前記信号処理系は該第２
   の光電変換手段の出力により前記検出光を該第１の光電
   変換手段に向けて移動させるために前記対象物を変位さ
   せる信号を発生する ことを特徴とする位置検出装置。