JPH01107102A - 光学式自動位置決め装置 - 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】 く゛産業上の利用分野〉 本発明は２物体間の相対位置を、回折格子を含む光学系
を利用して決める光学式自動位置決め装置に関するもの
である。。

〈従来の技術〉 半導体製造装置やパターン評価装置等において、例えば
第一の基板と第二の基板とにそれぞれ回折格子を設け、
これら２枚１組の回折格子の反射光から得られるモアレ
信号を用いて、双方の基板の相対位置を精度よく決定す
ることが行われており、特開昭６０−６７８２２号公報
に記載されているように高分解能の位置決め信号が得ら
れる利点がある。

例えば、第８図に示すように半導体製造の露光工程等に
おいて、第一基板たるマスク１００と第二基板たるウェ
ハ１０２とに、回折格子Ａ＋Ａｚと回折格子Ｂ＋Ｂ＊と
の２ｍを取り付ける。これらの回折格子は、第９図に示
すようにいずれもピッチＰの一次元回折格子で、位置決
め方向において、回折格子ＡｌＡｔの組とＢＩＢｔＯ組
とがそれぞれ反対方向にＰ／４ずつ位相がずらされてい
る。マスク側の格子Ａ＋Ｂ＋で回折を受けてウェハ側の
格子ＡｚＢｔに達した光は、その格子Ａ。

Ｂ２で再び回折を受けて入射方向へ戻っていく。

この光はマスク１００とウェハ１０２との横方向の相対
変位によって周期的に変化する第１０図に示すようなモ
アレ信号■。＋　　ＩＩに変換されるが、この例では回
折格子Ａ＋ＡｔとＢ、　Ｂｔとの各位相差により、１８
０°位相の異なる信号となる。

そしてこれら二つの信号の差（Ｉａ　−Ｉｍ　）がゼロ
となるように位置決めを行うのである。この例で２組の
回折格子を用いる目的は、回折光の強度変化が最大とな
る点で検出するためであり、また、入射方向へ戻ってい
く０次回折光以外に、±１次回折光や±２次回折光等を
利用しても、同様な方法での位置決めが可能となる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、マスク側の第一の格子Ａ３等で直接回折を受
けて入射方向に戻る光があり、この第一の格子Ａ１等の
みを経由する光は位置決めつまり位置ズレの検出には関
与しないものである。一方、第一の格子Ａ１等を経由し
てウェハ例の第二の格子Ａ２等で回折を受け、再び第一
の格子Ａ１等を経由して入射方向に戻る光は位置ズレの
検出に寄与するものである。しかし、第一の格子Ａ９等
のみで直接回折を受けた位置ズレに無関係な光が、第一
および第二の格子Ａ、Ａ２等を経由した位置ズレを検出
する光と干渉を起こし、その結果、位置ズレ検出のため
のモアレ信号が乱されてしまって、正しい位置へのアラ
イメントが困難になる問題があった。

これは、上述のようにＯ次回折光を利用する場合だけで
なく、±１次回折光、±２次回折光など高次の回折光を
利用する場合でも同様に生じる問題である。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は以上のような問題を解決するためになされたも
のであり、その特徴は、■第一部材に設けられた第一の
回折格子およびこれと平行に第二部材に設けられた第二
の回折格子と、■第一の回折格子にレーザ光等のコヒー
レントな光を照射する光源と、■第一の回折格子を経由
して第二の回折格子で反射し、再び第一の回折格子を経
由する回折光をモアレ信号として検出する検出装置と、
■位置決め方向において第一部材と第二部材との相対位
置を調整する駆動装置と、■上記モアレ信号に基づいて
駆動装置を制御する駆動制御手段とを備え、第一部材と
第二部材との相対位置を決める光学式自動位置決め装置
において、上記第二の回折格子に、第一部材と第二部材
との位置決め方向と直角な方向において線型フレネルゾ
ーンプレートを形成した点にある。

すなわち、第一の回折格子は従来と同様に位置決め方向
において一定のピッチで格子が形成されたものであり、
一方、第二の回折格子は位置決め方向においては第一の
回折格子に対応するピッチの格子パターンとされるが、
位置決め方向と直角な方向においては線型フレネルゾー
ンプレートが形成されたものなのである。この線型フレ
ネルゾーンプレートは、−次元フレネル帯板とも称され
、周知のように光の透過度分布が段階的に減少するパタ
ーンを有して集光作用を有するものである。

〈作用および効果〉 この線型フレネルゾーンプレートがいわばレンズのよう
な集光機能を果たすため、第一の回折格子のみを経由し
た回折光の出射方向と、第一の回折格子のみならず第二
の回折格子をも経由した回折光の出射方向とが異ならさ
れる。言い換えれば、第一の回折格子のみを経由した位
置ズレ検出に関与しない光信号と、第一および第二双方
の回折格子を経由した位置ズレ検出用光信号とが切り離
されるのである。したがって、位置ズレ検出に関与しな
い信号が位置ズレ検出信号と干渉することが回避されて
、干渉による乱れのない正規のパターンのモアレ信号が
得られる。そのため高精度の位置決めが可能となるので
ある。

〈実　施　例〉 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第４図は半導体製造におけるＸ線露光装置の位置決め機
構部に本発明を適用した例を示すものである。第一部材
としてのＸ線マスク１０と第二部材としてのウェハ１２
とが、それぞれマスクステージ１４とウェハステージ１
６とに互いに平行に固定され、何れかのステージ例えば
マスクステージ１４が横方向に移動可能とされて、マス
ク１０とウェハ１２との位置決め方向における相対位置
が調節可能である。マスク１０側にはＸ線発生装置１８
が設置され、そのＸ線の照射によりマスク１０によって
規定されるパターンでウェハ１２上に露光されるように
なっている。

マスク１０には第一の回折格子として機能するマスク側
回折格子２０が設けられ、ウェハ１２には第二の回折格
子として機能するウェハ側回折格子２２が互いに平行に
設けられている。これらは詳しい図示は省略するが、回
折光の強度変化が最大となる点で位置検出を行い得るよ
うに２組のものが設置されている。

マスク側回折格子２０にコヒーレントな光、すなわち位
相・波長がそろった干渉を起こしやすい光を照射する光
源として、例えばヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レー
ザを発生するレーザ光源２４が設置されている。ここか
らのレーザ光はミラー２６で反射され、ハーフミラ−２
８を経てマスク側回折格子２０に照射されて、その格子
２０およびウェハ側回折格子２２で回折を受け、入射方
向へ戻っていく。この回折光はステージ１４の横方向の
変位に対してのみ敏感に強度が変化するモアレ光である
。このモアレ光はハーフミラ−２８で直角に曲げられ、
光検出器（ディテクタ部）３０でサイン波状の電気信号
つまりモアレ信号に変換される。このモアレ信号は信号
処理装置３２で処理され、制御信号として駆動信号発生
装置３４へ指令を与える。それにより、駆動信号発生装
置３４から積層圧電素子３６へ駆動信号が供給され、積
層圧電素子３６がマスクステージ１４を所定位置まで移
動させる。モアレ信号が所定の強度となったとき、例え
ば先に説明したように１８０°位相の異なるモアレ信号
の出力差（Ｉａ　　Ｉｍ）がゼロになったとき、位置決
め完了であり、その後Ｘ線発生装置１８によりウェハ１
２にＸ線が照射され、所定パターンでレジストが感光さ
れるのある。

本実施例では光検出器３０が、マスク側回折格子２０お
よびウェハ側回折格子２２を経由した回折光をモアレ信
号として検出する検出装置を構成している。また、積層
圧電素子３６がマスク１０とウェハ１２との位置決め方
向における相対位置を調整する駆動装置を構成し、さら
に信号処理装置３２と駆動信号発生装置３４とが、上述
のモアレ信号に基づいて積層圧電素子３６を制御する駆
動制御手段を構成している。

第１図にマスク側回折格子２０とウェハ側回折格子２２
との具体的な格子パターンを示す。マスクステージ１４
の変位方向、換言すればマスク１０とウェハ１２との位
置決め方向を図中Ｘ方向とすると、マスク側回折格子２
０はＸ方向において等ピッチで光透過部と光吸収部が交
互に表れる格子パターンとされている。一方、ウェハ側
回折格子２２は、Ｘ方向においてはマスク側回折格子２
０と同一のピッチで格子が形成されているが、これと直
角なＹ方向においては線型フレネルゾーンプレートが形
成されて、透過度分布が段階的に減少するパターンとさ
れている。すなわち、マスク側回折格子２０は従来通り
の一次元回折格子であるが、ウェハ側回折格子２２はＸ
方向には等ピッチの透過度分布とされ、Ｙ方向には不等
ピンチおよびパターンのフレネルゾーンプレートとされ
た二次元回折格子となっているのである。

第１図の下段には、不等ピッチの透過・吸収パターンが
Ｙ方向に５本記載されているが、その１本１本をフレネ
ルゾーンプレートとみることができ、その見地に立てば
、本実施例においてはＹ方向に延びるフレネルゾーンプ
レートがＸ方向に等ピッチで複数形成されていると見る
ことができる。

線型フレネルゾーンプレートは、いわば円筒レンズのよ
うに光を集光する性質を有していることは既に知られて
いるところである。本実施例においては第２図に示すＯ
次回折光を位置決めに利用するのであるが、第３図に概
念的に示すように、マスク側回折格子２０を経由してウ
ェハ側回折格子２２で反射する回折光を、フレネルゾー
ンプレートの集光作用によりＸ方向において集光しつつ
、再度マスク側回折格子２０を経由させ、その光学系の
焦点位置に設置されたディテクタたる光検出器３０によ
って（実際にはミラー２８で光経路が曲げられた後であ
るが）、モアレ信号となるべき再回折格子２０および２
２を経た光を効率よく取り入れることができる。本実施
例の場合、０次回折光の利用であるから信号強度が高く
、Ｓ／Ｎ比の向上１位置決め精度の向上を図ることがで
きる。

従来の回折格子パターンの不都合は、第５図の左側に示
すように、マスク側回折格子Ａ、のみで回折を受けたマ
スク側回折光と、マスク側およびウェハ側双方の回折格
子Ａ、およびＡ２で回折を受けたウェハ側回折光との飛
び先つまり出射方向が同じであり、両回折光の干渉が起
こることにあった。これに対して本実施例では、第５図
の右側に示すように、線型フレネルゾーンプレートの集
光作用により、ウェハ側回折光の出射方向とマスク側回
折光の出射方向とが異なる方向とされて、これらの回折
光が完全に分離されるため、上述の干渉の問題が解消し
、マスク１０とウェハ１２とを完全に平行に保ったまま
、正確な位置決めができるのである。

そして、マスク１０とウェハ１２とがＸ方向において相
対的に移動させられると、ウェハ側回折格子２２のゾー
ンプレート部をマスク側回折格子２０が遮る・程度が周
期的に変化するため、マスク側回折格子２０を経てウェ
ハ側回折格子２２で反射する光の強度も周期的に変化す
る。したがって、従来と同様に第１０図に示すようなサ
イン波状のモアレ信号が得られ、これを位置決め信号と
して使うことができる。

なお、ウェハ１２をマスク１０に対して位置決め方向と
直角なＸ方向に相対的に変位させると、ウェハ側回折格
子２２の集光作用を奏するフレネルゾーンプレートがＸ
方向に変位し、いわば円筒レンズを動かす場合と同様に
、その光学系の焦点位置がＸ方向に変位することとなる
。このことを利用してＸ方向の比較的粗い位置決めを行
うことができる。つまり、Ｘ方向には微調整の位置決め
を、Ｘ方向には粗調整用の位置決めをそれぞれ行い得る
のである。

以上は本来の位置決め方向をＸ方向に設定した場合であ
るが、第６図および第７図に示すような１組の４分割回
折格子を、それぞれマスク側回折格子４０およびウェハ
側回折格子４２として用いることにより、互いに直交す
るＸ方向とＸ方向の２方向で同時に位置決めを行うこと
ができる。マスク側回折格子４０は、Ｘ方向位置決め用
の格子部Ａ　Ｘ　＋およびＡＸ２と、Ｘ方向位置決め用
の格子部ＡＹ、およびＡＹ、とが、格子中心に関してそ
れぞれ対称となるように形成されている。何れの格子部
も、中間部のパターンは省略して示すが（回折格子４２
側についても同じ）、第１図に示す回折格子２０と同様
のパターンのものである。

ウェハ側回折格子４２は、Ｘ方向位置決め用の格子部Ｂ
Ｘ、およびＢＸ、と、Ｘ方向位置決め用の格子部ＢＹ、
およびＢＹ２とが、いずれも線型フレネルゾーンプレー
トとして格子中心に関しそれぞれ対称に形成されている
。個々の格子部そのものは第１図に示す回折格子２２と
同じパターンとされている。そして、Ｘ方向位置決め用
の格子部ＡＸ、、ＡＸ！およびＢＸ、、ＢＸ２が対応し
、またＸ方向位置決め用の格子部ＡＹ、、ＡＹ２および
ＢＹ、、ＢＹ、が対応するように、各４分割回折格子４
０および４２がマスク１０およびウェハ１２に互いに平
行に設けられ、それによってＸ方向およびＸ方向の位置
決め用の各モアレ信号が得られるのである。

以上説明した実施例では０次回折光を利用しているが、
０次のものに限らず、例えば第２図に示す±１次の回折
光等、高次の回折光を利用する場合でも、本発明は同様
に適用することができる。

また、本発明はＸ線露光装置における位置決めに限らず
、その他の光学式露光装置あるいは縮小投影型露光装置
（ステッパ）、さらにはＸ線マスク検査装置（例えば特
願昭６１−８３９１号公報に開示のもの）など、各種装
置における位置決めに適用することができる。また、位
置決めの対象についても、マスクおよびウェハ以外の２
基板間、さらには基板以外の２部材間の位置決めにも適
用可能である。

その他、逐一説明はしないが、本発明は当業者の知識に
基づき種々の変更を施した態様で実施し得ることは勿論
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における第一および第二の回
折格子たるマスク側回折格子およびウェハ側回折格子を
示す斜視図であり、第２図は第１図における■祖国、第
３図は同じく■祖国である。 第４図は本発明の適用対象の一例であるＸ線露光装置の
全体を概念的に示す図である。第５図は従来の回折格子
と本発明に係る回折格子との機能の違いを比較して示す
説明図である。第６図および第７図は、マスク側回折格
子およびウェハ側回折格子にそれぞれ４分割回折格子を
使用する例を示す平面図である。第８図は基板位置決め
用回折格子の従来例を示す正面図であり、第９図はそれ
ら格子のパターンを示す平面図である。第１０図は位置
決めに供されるモアレ信号の例を示す図である。 １０：マスク　　　　　　１２：ウエハ１４：マスクス
テージ　　１６：ウエハステージ１８：Ｘ線発生装置 ２０：マスク側回折格子 ２２：ウェハ側回折格子 ２４：レーザ光源　　　　２６：ミラー２８：ハーフ≦
ラー　　　３０：光検出器３２：信号処理装置 ３４：駆動信号発生装置　３６：積層圧電素子出願人　
株式会社　豊田自動織機製作所第１図 瓜 第２図　　　　第３図 ０１視）（［ネ覧） 第４図 第５図 第８図　　　　　　第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第一部材に設けられた第一の回折格子およびこれと平
   行に第二部材に設けられた第二の回折格子と、 第一の回折格子にレーザ光等のコヒーレントな光を照射
   する光源と、 第一の回折格子を経由して第二の回折格子で反射し、再
   び第一の回折格子を経由する回折光をモアレ信号として
   検出する検出装置と、 位置決め方向において第一部材と第二部材との相対位置
   を調整する駆動装置と、 前記モアレ信号に基づいて駆動装置を制御する駆動制御
   手段と を備え、第一部材と第二部材との相対位置を決める光学
   式自動位置決め装置において、 前記第二の回折格子に、前記第一部材と第二部材との位
   置決め方向と直角な方向において線型フレネルゾーンプ
   レートを形成した特徴とする光学式自動位置決め装置。