JPH0145215B2

JPH0145215B2 -

Info

Publication number: JPH0145215B2
Application number: JP55178659A
Authority: JP
Inventors: Rakonba Misheru
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1980-12-17
Publication date: 1989-10-03
Also published as: US4402610A; JPS5694744A; DE3068078D1; FR2472209B1; EP0030899A1; FR2472209A1; EP0030899B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、光学格子型の位置合わせマークを含
む２つのパターンの自動的位置合わせを行なう光
学装置に係る。本発明は特に、シリコン上での直
接ホトレピテイシヨンに適用される。

集積回路の構造においては、インプランテーシ
ヨン又は処理を実行可能とする窓を基板に形成す
る工程が必要である。この基板は感光樹脂層で被
覆されている。レテイクルに設けられたマスクを
用いて前記樹脂をマスキングすることによつて窓
が形成される。以前は、転写方法として、直接コ
ンタクト法又はプロキシミテイ法が使用されてい
る。現行の方法に於いては、光学的投影による転
写方法が使用されている。

この投影は１：１比で実施され得る。この場合
マスク全体がウエハに投影される。この投影はま
た、解像によつても行うことができる。この解像
は、移動スロツトによるマスクの分解、又は１：
ｎ比のホトレピテイシヨンを用いることによつて
行なわれる。

直接ホトレピテイシヨンによつて回路を製造す
る場合、形成すべき各パターンは、所定のプログ
ラムにより感光樹脂層が予め被覆された半導体ウ
エハ上に直接投影される。ウエハの位置は、２方
向Ｘ，Ｙに沿つて干渉計により制御される。従来
の方法によれば、直交する２方向Ｘ，Ｙにウエハ
を移動させることによりホトレピテイシヨンが行
なわれていた。

いずれの場合にも、その上に集積回路を形成す
べき半導体材料のウエハとレテイクルとを互いに
極めて正確に位置決めすることが必要である。こ
のために、多数の位置合わせ方法が提案されてい
る。通常は、レテイクルと半導体ウエハとにそれ
ぞれ設けられた位置合わせマークを含む補助パタ
ーンが使用される。この方法において、これらの
マークの数、配置及び形状は、半導体ウエハの２
つの基準軸Ｘ、Ｙに沿つた位置合わせ及び角度的
位置合わせが可能であるように選択されねばなら
ない。

最も広汎に使用されている方法の一つとして、
転写光学系を介してマスク及び半導体ウエハ上の
位置合わせマークを重ね合させ、この重ね合せを
スプリツトフイールド型の２つのレンズを持つ顕
微鏡で観察する方法がある。操作者の眼に代えて
テレビジヨンスクリーンにデイスプレイするビジ
コン管を使用するのが有利である。

より精巧な方法によれば、テレビジヨンカメラ
により得られるビデオ信号を処理して、制御回路
で用いることのできるアナログ又はデジタル信号
が得られる。いくつかの方法においては、各信号
の前端間のギヤツプとなつて現れる位置合わせの
ずれを測定するために、例えばＸ字型十字の走査
及びその相補が用いられる。

従来の方法を使用する装置は、２つの大きな欠
点を有する。即ち、マスクと半導体ウエハとに設
けられている位置合わせマークの領域が完全に照
明されており、これらのマークの像上に無視でき
ないレベルの雑音（寄生反射、拡散、回折）が重
畳するため、信号対雑音比が悪化する。更に、酸
化物の厚みの変化又は付着層（多結晶シリコン、
アルミニウム）の性質を考慮すると、シリコンウ
エハ上の位置合わせマークのコントラストが集積
レベルごとに著しく異なつてしまい、従つて、位
置合わせの質が均一にならない。位置合わせの質
は、一方のコントラストに左右され、他方で、操
作者の視覚の鋭敏さ及び結合された電子回路の解
像力に左右される。

これらの欠点を除去するために、例えばバーカ
ー（Barker）型コードの如き擬似ランダムコー
ドに従う種々の間隔を有するか又は定間隔を有す
る光学領域又は格子を位置合わせマークとして使
用する方法が提案されている。このような方法は
特に、1980年９月３日に公開の本出願人によるヨ
ーロツパ特許出願第EP−A1−0015173号明細書
に記載されている。

この特許出願明細書に記載の方法によれば、２
つの座標軸（Ｘ、Ｙ）に沿つて配置された２つの
光学格子から成る第１のパターンは、基準を形成
する２つの光学格子を含む第２のパターンの像に
より照明され、複数次数の回折光を生成する。該
出願の一つの変形例によれば、光学格子は、平行
な線の連なりから成り、第１の方向Ｃにおけるこ
れらの線の厚み及び間隔分布は擬似ランダムコー
ドによつて決定される。第１のパターンの光学格
子の線は更に、第２の方向Ｒにおいて周期的に断
続して一定間隔の光学格子を形成する。光学位置
合わせ装置は、方向Ｒに於ける複数次数の回折光
の所定部の強度を検出する光電（オプトエレクト
ロニツク）手段を含む。

半導体ウエハに設けられた格子の上に、レテイ
クルに設けられた格子の像を投影させて位置合わ
せが直接的に行なわれるか、又はホトレピータの
シヤシーに結合した中間位置合わせパターンを使
用して位置合わせが順次的に行なわれることは公
知である。このような方法もまた前出の特許出願
明細書に記載されている。

自動的位置合わせを行なう場合、ホトレピータ
に結合して電子制御回路で使用可能な電気信号を
生成することが必要なことも公知である。これら
の回路は、通常、半導体ウエハを担持するテーブ
ルの駆動又は移動手段に作用する。これらの信号
の中で、位置合わせが達成されたときにゼロを通
る延ばされたＳ字形のバイポーラ信号を使用する
ことは公知である。この結果を得るためには、光
電検出手段の出力信号を変調することが必要であ
る。

公知技術において、この変調のために使用され
る手段は、通常、機械的手段である。非限定例と
して、振動ミラーにより位置合わせに用いられる
光ビームの反射角の角度変調を生起する方法、光
ビームを同様の振動運動を行なう光学プレートを
通過させる方法、半導体ウエハが載置されている
部分で線形振動を生起する方法がある。この最後
の方法は、半導体ウエハを担持する移動テーブル
XYに通常備えられている圧電モータによつて実
行できる。

これらの方法はいくつかの欠点を有する。即
ち、すべての機械的システムは固有の慣性を有し
ているため安定なゼロ点（明確に規定される静止
点）を得ることが困難であり、又これらの方法の
あるものにおいては、位置合わせ用光ビームの光
路中に挿入されこれらの光ビームを通過させる光
学手段が組込まれるので光学的収差が生じる。

本発明は上述の如き問題点を解消することを目
的としている。この目的を達成する本発明の光学
位置合わせ装置は、移動可能な支持体に設けられ
た少なくとも第１のパターンを、固定支持体に設
けられ基準を形成する第２のパターンに関して光
学的に位置合わせする装置であつて、前記第１及
び第２のパターンが一定間隔の光学格子型の位置
合わせマークをそれぞれ備えており、前記装置
は、前記第２のパターンの位置合わせマークを構
成する光学格子の像を前記第１のパターンの位置
合わせマークを構成する光学格子上に投影するた
めの所定倍率を有する光学手段を備えていて、該
投影によつて生じた次数の回折光の光強度を光電
手段で検出することにより位置合わせの達成を示
すように構成されており、前記第２のパターンの
位置合わせマークが同一構成の少なくとも第１及
び第２の光学格子を備えており、該各第１及び第
２の光学格子が第１の対称軸に平行な線の連なり
から構成され該対称軸の各側にそれぞれ配置され
ており、該同一構成の２つの光学格子が所定長だ
け互いに離れて位置しており、２つの窓が前記第
１及び第２の光学格子それぞれの一部を規定する
ように構成されており、前記光学手段が位置合わ
せ用ビームを発生する放射エネルギー源と所定周
波数の制御信号を受取り該周波数で前記窓の一つ
ずつを交番的に照明する選択的切換え手段とを備
えており、前記光電手段の出力信号が電子手段に
送られて前記制御信号の交番間のレベルの差を得
るように構成されている。

Ｐが前記第１及び第２の光学格子の共通の間
隔、ｎが整数、εが単位分数の場合に、前記所定
長がd_X＝Ｐ（ｎ＋ε）によつて与えられることが
望ましい。

｜Ｇ｜が前記所定倍率の絶対値の場合にl₂₁≧
｜Ｇ｜（2l＋d_X）が成立するように、前記光学格
子の第１の対称軸と垂直方向の長さがｌに等しく
かつ前記移動可能な支持体に設けられた対応する
光学格子の長さがl₂₁に等しく、Pc＝｜Ｇ｜・Ｐ
が成立するように、前記対応する光学格子が第１
の方向Ｃに平行な間隔Pcの線の連なりから構成
されていることも望ましい。

前記光学手段の前記選択的切換え手段が位置合
わせ用ビームの光路に配置された光学変調器から
構成されていることが好ましく、この光学変調器
が音響光学効果を有するセルであるか、あるいは
位置合わせ用ビームの光路に配置された電気光学
効果を有するセルから構成されており、該セルが
入力偏光手段と高周波数の方形波制御信号を受取
る２つの制御電極を具備しかつ出射ビームの偏光
を周期的にπ／２だけ回転させるための電気光学
特性を有する結晶プレートと前記入力偏光手段の
偏光軸に垂直な偏光軸を有する出力検光手段とを
備えており、前記結晶プレートの入力面に２分の
１波長板が配置されており、該２分の１波長板の
大きさは、位置合わせ用ビームを２つの等しい部
分に分割して前記制御信号が１つの周期から次に
交番したその各時点で該２つの部分のうちの一方
を伝達し前記２つの窓を周期的に照明するための
半割セルを形成するべく前記結晶プレートの半分
を被覆するように構成されていることが望まし
い。

前記結晶プレートがポツケルス効果による一次
電気光学効果を有していることも好ましい。

前記光学変調器が第１の対称軸と平行な方向に
移動可能な移動部材に固定されており、前記窓も
該軸に沿つて移動可能に構成されており、該移動
部材に固定されたミラーがコヒーレント源である
前記放射エネルギー源の発生した前記第１の対称
軸と平行な方向の位置合わせ用ビームを前記光学
変調器に反射するように構成されており、前記光
学変調器と前記固定支持体との間に、光学部材の
入射ひとみの中心に所定倍率で前記放射エネルギ
ー源の像を形成するように該光学部材が配置され
ていることも望ましい。

前記第１及び第２の光学格子の像が交番的に投
影される移動可能な支持体に設けられた対応する
光学格子を形成する線が、第２の方向Ｒで一定間
隔の光学格子を形成すべく該第２の方向Ｒに関し
て断続しており、前記光電手段が前記第２の方向
Ｒで零次と異なる次数の回折光を検出するように
構成されており、前記電子手段が前記制御信号の
１つのサイクルから次のサイクルへの交番におけ
る前記光学手段の出力信号のレベルの差に影響を
与えるべく該制御信号の周波数に同期しており、
該出力信号が１つのサイクルから次のサイクルま
で一定に維持された場合に位置合わせが達成され
るように構成されていることが望ましい。

前記第２のパターンの位置合わせマークが同一
構成の第３及び第４の光学格子を有しており、該
各第３及び第４の光学格子が第２の対称軸に平行
な線の連なりから構成され該対称軸の各側にそれ
ぞれ配置されており、該同一構成の２つの光学格
子が所定長だけ互いに離れて位置しており、前記
光学手段が、コヒーレント源である放射エネルギ
ー源と窓によつて規定された該第３及び第４の光
学格子の部分を交番的に照明するための選択的切
換え手段とを含む付加光学手段を備えていること
も好ましい。

本発明の光学位置合わせ装置は、移動可能な支
持体に設けられた少なくとも第１のパターンを、
固定支持体に設けられ基準を形成する第２のパタ
ーンに関して光学的に位置合わせする装置であつ
て、前記第１及び第２のパターンが一定間隔の光
学格子型の位置合わせマークをそれぞれ備えてお
り、前記装置は、前記第２のパターンの位置合わ
せマークを構成する光学格子の像を前記第１のパ
ターンの位置合わせマークを構成する光学格子上
に投影するための所定倍率を有する光学手段を備
えていて、該投影によつて生じた次数の回折光の
光強度を光電手段で検出することにより位置合わ
せの達成を示すように構成されており、前記第２
のパターンの位置合わせマークが同一構成の少な
くとも第１及び第２の光学格子を備えており、該
各第１及び第２の光学格子が第１の対称軸に平行
な線の連なりから構成され該対称軸の各側にそれ
ぞれ配置されており、該同一構成の２つの光学格
子が所定長だけ互いに離れて位置しており、２つ
の窓が前記第１及び第２の光学格子それぞれの一
部を規定するように構成されており、前記光学手
段が位置合わせ用ビームを発生する放射エネルギ
ー源と所定周波数の制御信号を受取り該周波数で
前記窓の一つずつを交番的に照明する選択的切換
え手段とを備えており、前記光電手段の出力信号
が電子手段に送られて前記制御信号の交番間のレ
ベルの差を得るように構成されており、格子の周
期性に基く不確定性を除去してプリアライメント
を行うために、前記移動可能な支持体に設けられ
た前記各光学格子の各側に一定間隔を有する第１
及び第２の補助光学格子が配置されていている。

前記第１の補助光学格子が第２の方向Ｒに第１
の一定間隔を有する等距離の平行な線の第１の連
なりから構成されており、前記第２の補助光学格
子が該第２の方向Ｒに第２の一定間隔を有する等
距離の平行な線の第２の連なりから構成されてお
り、前記光電手段が前記第１及び第２の補助光学
格子によつて生成された前記第２の方向Ｒの零次
と異なる次数のうちの１つの回折光を検出する第
１及び第２の補助光電手段を備えていることが望
ましい。

また前記各第１及び第２の補助光学格子が、第
１の方向Ｃに対して零からπ／２までの異なる所
定角度をなす第３及び第４の方向にそれぞれ平行
な等距離の線の連なりから構成されており、前記
光電手段が前記第１及び第２の補助光学格子によ
つて生成された前記第３及び第４の方向の零次と
異なる次数のうちの１つの回折光を検出する第１
及び第２の補助光電手段を備えていることも好ま
しい。

あるいは前記第１及び第２の補助光学格子が同
一構成であると共に第１の方向Ｃに対して零から
π／２までの異なる所定角度をなす第５の方向に
平行な等距離の線の連なりからそれぞれ構成され
ており、前記光電手段が前記第１及び第２の補助
光学格子によつて生成された前記第５の方向の次
数のうちの１つの回折光を検出する補助光電手段
を備えており、位置合わせ誤り方向が該補助光電
手段の出力信号と前記制御信号との相対的な位相
を比較することによつて定められても良い。

添付図面に基く下記の記載より本発明が更に十
分に理解され、別の特徴及び利点が明らかにされ
るであろう。

先ず２つのパターンを互いに位置合わせするこ
とが可能な方法に関して簡単に説明する。各パタ
ーンは１対の光学格子から構成される。この方法
は例えば、前出のヨーロツパ特許出願明細書に記
載されている。説明を明瞭にするために、位置合
わせは、ホトレピータのシヤシーに結合した１つ
以上の中間のパターンを使用することによつて逐
次的に行なわれると仮定するが、このことは本発
明の範囲を少しも限定しない。

この場合レテイクルは、半導体ウエハに投影又
は転写すべきパターンに加えて、１つのパターン
を含む。この１つのパターンは、少くとも１対の
位置合わせマークを含む。レテイクルは、例えば
光学的に相補な第１の対のマーク（第１図の１１
及び１２に相当）を含む固定された中間のパター
ンに対して正確に位置決めされている。この中間
のパターンは第２の対の位置合わせマークを含ん
でおり、これらのマークは次の第２の位置合わせ
段階でこの中間のパターンに対して半導体ウエハ
を正確に位置決めするために使用される。

更に、第１の位置合わせ段階が従来方法で実施
され、第２の対の位置合わせマークと半導体ウエ
ハに設けられたマークとだけが光学格子型である
と仮定する。従つて、２つのマークの位置合わせ
の前記の第２の位置合わせ段階の範囲で本発明を
説明する。

第１図から第４図は本発明の光学位置合わせ装
置の一実施例を示す。領域２０において図示しな
いレテイクルに設けられたパターンの投影を受け
る移動可能な支持体としての半導体（シリコン）
ウエハ２は、ホトレピータのシヤシーに接続され
た固定支持体としてのサポート１に設けられた中
間のパターンに関して位置合わせされなければな
らない。このために、サポート１とウエハ２とは
夫々、光学格子１３及び１４，１５及び１６，２
１及び２２を含んでおり、これらの格子はウエハ
２とサポート１との位置合わせのために使用され
る。サポート１とウエハ２とは、光学手段の一部
を構成する投影レンズO_Pの光軸Z₁に垂直な平面
内に存在する。位置合わせのために使用されるマ
ークは、好ましくは互いに直交する２つの軸Ｘ、
Ｙに沿つた平行線から成る光学格子である。これ
らマークは光学格子１３−１４、及び１５−１６
から成り、さらにサポート１の格子と同種の光学
格子２１，２２から成る。更に、格子を形成する
線は、（第１の方向Ｃに垂直な）第２の方向Ｒに
おいて規則正しく断続しており、従つてこの方向
で規則正しい間隔を持つ格子が形成されている。
第１図では、Ｘ軸に沿つた格子の位置合わせのみ
が示されているが、Ｙ軸に沿つた位置合わせも同
様である。

本発明の範囲内で使用される格子は、方向Ｃに
おいて一定間隔を持つ。このような格子は第３図
及び第４図に更に詳細に示されている。本発明の
最も重要な特徴の一つによれば、サポート１に設
けられている格子は、実際、同一構成の格子の対
１３及び１４，１５及び１６からそれぞれ成る。
これらの格子は、２つの対称軸X₁及びY₁に平行
に配置されており、第１図に示す如く、これらの
軸の両側に軸に関して等距離で配置されている。
軸X₁及びY₁は、それぞれ軸Ｘ及びＹに平行であ
る。

更に、本発明の第二の特徴によれば、前記格子
の上に形成された窓１７，１８のみが交番的に照
明される。その結果、これらの窓１７，１８の像
は、半導体ウエハ２が含む対応する格子２１上に
継続的に投影される。この投影は、投影レンズ
O_Pによつて行なわれる。この投影レンズO_Pは更
に、半導体ウエハ２の領域２０に、描画すべきパ
ターンを転写するために使用される。光学格子１
３，１４の像によつて部分的に照明される格子２
１は、好ましい２方向即ち方向Ｃ及びＲに沿つた
複数の次数の回折光を生じるであろう。これは方
向Ｘ及びＹと言い換えることもできる。複数次数
の回折光はフーリエ平面P_Fにおいて検出するこ
とができる。フーリエ平面P_Fに各次の回折光C₀、
C₁、C_-1が示されており、別方向にR₀、R₁、R_-1
が示されている。R₁次の回折光は光電手段とし
ての光電検出手段Ｄにより検出される。前記光電
検出手段の出力信号V_Sは第８図に基いて後述す
る電子手段に伝達される。R_-1次の回折光、又は
C₀次に一致するR₀次と異なる他の任意のR_±o次の
回折光を検出することも可能である。Ｙ方向の位
置合わせ用の光学格子２２は、光学格子２１の回
折方向に直交する方向で回折する。格子２２の
R₁次又はR_-1又は他の任意のR_±o次の回折光はＸ
軸上で検出され得る。この方法によつて、格子の
間隔が方向ＲとＣとにおいて異なつているときは
Ｘ及びＹ方向の位置合わせ信号を間隔的に弁別す
ることが可能である。そうでないときは、例えば
Ｘ方向及びＹ方向の格子に対して直交する２つの
偏光を使用することによつて弁別することができ
る。この場合、Ｘ方向及びＹ方向の検出装置は、
観察した方向に対応する光のみを選択することが
可能な検光子を備えている。

一般にフーリエ平面P_Fは投影レンズO_Pの入射
ひとみの像と一致する。

（窓１７又は１８によつて規定される）光学格
子１３又は１４のいずれの像が格子２１に投影さ
れた場合にも前記現象が生じる。光電検出手段Ｄ
により供給される電圧出力信号V_Sは第５図にお
いて格子１３（窓１７）の像と格子２１の相対位
置、又は格子１４（窓１８）の像と格子２１との
相対位置の関数として示されている。前者の関数
は実線の曲線Ａで示され、後者の関数は点線の曲
線Ｂで示される。軸ΔCは、方向Ｃの位置合わせ
誤り量を示す。

間隔P_Cを決定するためには勿論、レンズO_Pの
所定倍率Ｇを考慮しなけければならない。この倍
率は通常1/5〜1/10（絶対値）のオーダである。
次の等式を成立させることが必要である。

P_C＝｜Ｇ｜・Ｐ (1) Ｐは光学格子１３及び１４の間隔である。

更に、d_Xが２つの格子１３と１４とを隔てる距
離であり、夫々の格子の幅l₁₃、l₁₄（第３図参照）
が共通値ｌに等しいときは、方向Ｃに於ける格子
２１の幅l₂₁は下記の式が成立するような値でな
ければならない。

l₂₁≧｜Ｇ｜（2l＋d_X） (2) 方向Ｒに於ける間隔はP_Rに等しい。

更に、d_Xは次式で与えられる。

d_X＝Ｐ（ｎ＋ε） (3) Ｐは格子１３及び１４の間隔であり、ｎは整
数、εは単位分数（例えば0.25）である。

第５図において、R₁（又はR_-1）次の回折光に
ついて光電検出手段Ｄにより検出される信号を示
す曲線Ａ，Ｂは周期的かつ繰り返し的な非正弦曲
線であり互いにε、P_Cの位相差を有することが
わかる。ｎが１でも０でもない他のR_±o次の回折
光に関して考えると、応答曲線は正弦曲線とな
る。曲線Ａ及びＢの継続最大値は、格子１３又は
１４の像と格子２１との空間的相関関係に対応す
る。格子の周期性に起因する不確定性を除去する
方法は、第１０図及び第１６図に基いて後で説明
する。格子１３及び１４を交番的に照明すること
によりその像が半導体ウエハの任意の位置に投影
され、この位置がΔCの１つの値例えばΔC₁に対
応するときは、第５図に示す如く光電検出手段Ｄ
の出力電圧は、V_S13とV_S14との間で交互に変化す
る。V_S13とV_S14とは特別な位置ΔC₀を除く位置で
は互いに異なる値となる。ΔC₀は位置合わせが成
立した場合に対応する。この場合出力電圧はもは
や変化せずV_S0に等しい。

この結果を得るために、窓１７又は１８の１つ
を交番的に照明しなければならない。このため
に、サポート１に向き合つて光学手段の一部を構
成する選択的切換え手段としての光学変調器、例
えばポツケルス効果を有するポツケルスセルの如
き電気光学素子を配置する。（サポート１は、格
子１３，１４，１５及び１６を含む領域の外部で
光不透過性であり、これらの格子を構成する不透
明線の間で透明である）。前記の如くこれらの不
透明線は等間隔Ｐを隔てている（第４図参照）。

ポツケルスセル３の全表面領域は、第１図で長
方形断面を持つ光ビーム５０により照明される。
実際、光ビーム５０の断面は、セル３の上表面領
域全部が照明されさえすれば、いかなる性質を有
していてもよい。この場合、余剰の光ビームを遮
断するためにセルの周囲に不透明スクリーンを配
置し得る。

第９図基いてより詳細に後述するポツケルスセ
ルは、電気信号Veの制御により、印加されてい
る光ビームの半分を交番的に通過せしめる２つの
半割セルの如く作用する。電気信号Veは高周波
数ｆの方形波形状の信号であり、好ましい実施例
によればサイクル比が１である。

その結果、窓１７及び１８は、信号Veの変化
のタイミングで交番的に照明され、半割セルは、
このタイミングで光ビーム５０のそれらを通る部
分を遮断する。第１図において窓１８は半分のビ
ーム５１によつて照明され、格子１４の窓１８に
よつて規定される部分は格子２１に投影される。
光線の進路は符号５２及び５３によつて示され
る。第１図では回折光線５４の方向を１つだけ示
している。

第６図の線T₁及びT₂はポツケルスセル３の２
つの部分（半割セル）の透過係数を時間の関数と
して示す。これらの係数は実質的に、０（透過光
無し）と１（全部の光の透過）との間の値で変化
する。線T₁及びT₂により示される関数は互いに
逆位相である。光電検出手段Ｄにより検出された
信号は、交番振幅次式によるΔVを有しており、
この値は位置合せが達成されたときに０になる。

ΔV＝V_S13−V_S14 (4) 第６図の下部はΔVの２つの値を示す。ΔV₁は
位置合せ成立から遠い値であり、別のΔV₂は位置
合せ成立に近い値である。

信号V_Sの最大振幅ΔV_naxは次式で示される。

ΔV_nax＝V_Snax−V_Snio (5) 位置合せが達成されたとき又は格子１３及び１
４のエツジが格子２１の有効領域外に投影された
ときはΔV＝０である。後述する近似方法を使用
する装置と組合わせた簡単な論理回路によつて、
後者の場合を排除し得る。この場合は、例えば第
５図の横座標ΔC₂に対応する。この横座標に対し
V_S＝V_S01≠V_Snioである。従つて、所定のしきい
値V_Rより大きいV_Sの値を検出するしきい値回路
を使用するだけで十分である。論理回路はV_S≦
V_Rの出現を検出する。この簡単な論理回路は、
第７図に示す２つの値ΔC_R1とΔC_R2との間でのみ
制御回路の作動を許可する２進信号を出力する。

図面上で(4)式の曲線ΔVは静止横座標としての
時間の関数ではなく位置合せ誤り量ΔCの関数で
あり、第７図に中央部の曲線ΔVuとして示すよ
うにＳ字形である。この図の上部は前述の曲線
Ａ，ＢとV_Sのしきい値V_Rとを示す。V_Sがしきい
値V_Rより高い場合、装置はもはや作動しない。
即ち、前記論理回路から与えられる信号を表わす
線V₁の区間ΔC_R1−ΔC_R2の外側では装置はもはや
作動しない。この線V_Lは第７図の下部に示され
ている。従来同様に論理値１は装置の能動状態を
示す。曲線ΔVuは下記の特性を有する。

(a) 座標（０、ΔC0）に関して対称。

(b) 最大値及び最小値の絶対値は値V_Snax−V_Snio
にだけ従う。

(c) 中央部の曲線の傾きは、電流値εP_Cにのみ従
い、従つて前もつて定めることができる。曲線
のこの部分は極めて直線に近い。

(d) 各横座標点ΔCに対し、信号ΔVuは、周波数
ｆの信号のタイミングで変化する方形波信号で
ある。

最後の(d)の特性により、基準軸Ｘに沿つた位置
合せ系の信号とＹ軸に関する同様の信号との簡単
な選択を行なうことが可能となる。このために、
Ｘ軸用にはf_X及びＹ軸用にはf_Yという別個の２つ
の周波数を利用し、Ｘ及びＹ軸に関する信号を弁
別する選択フイルタを使用すれば十分である。

曲線ΔVuに従つて振幅及び符号即ち位相が変
化する被変調信号は、制御された回路で直接使用
され得る。ΔVuの絶対値は位置合せ誤り量ΔCの
振幅を示しており、符号はこの位置合せ誤り量の
方向を示す。

電子手段としての制御回路の一例が第８図に示
されている。半導体ウエハ２は、２つのサーボモ
ータM_X，M_Yにより公知の方法で基準軸Ｘ，Ｙに
平行な２方向に駆動されるテーブル６と一体的に
固定されている。Ｘ軸に関する系のみが図示され
ているが、Ｙ軸に関する系も同様である。この図
に示した主な素子は、第１図に関して説明したの
で繰返して説明しない。第１の光電検出器D_Xの
出力V_Sは、選択増幅器A₁を介してその出力に伝
達される。Ｙ軸の系のために第２の光電検出器
D_Yが備えられている。選択増幅器A₁は、方形波
信号の発振器OSCにより生成される制御信号の
周波数に等しい周波数f_Xに同調される。この制御
信号はポツケルスセル３に制御入力Veとして伝
達され、また結線１００を介して同期検波器D_S
に伝達される。この同期検波器D_Sの第２の入力
は結線１０１を介して増幅器A₁の出力信号を受
け取る。同期検波器D_Sの機能は、第７図に示す
信号ΔVuを処理し、結線１０２を介して電力増
幅器A₂に伝達される信号を生成することである。
この電力増幅器A₂は１０３を介してテーブル駆
動用のサーボモータM_Xを制御する。このために、
信号V_Sは周期的に制御信号Veと比較される。前
記の如く処理された信号の極性は、値ΔVu＝０
が検出されたために位置合せのずれが減少するよ
うに信号ΔVuの極性と同じでなければならない。

第８図に記載の制御回路の製造に必要な電子構
成部材は当業者に十分に公知なのでより詳細に説
明しない。

位置合せ光ビームを選択的に得るために使用さ
れる光電ポツケルスセルは第９図により詳細に示
されている。その能動素子は、一次電気光学効果
（ポツケルス効果）を有する結晶プレート３３か
ら成る。２つの電極３４，３５を備えており偏光
された光ビームを透過させるこのプレート３３
は、電極の端子に印加される電圧Veに従つてこ
れらの光ビームの偏光をπ／２だけ回転させる。
本発明によれば、発振器OSC（第８図）より供給
される印加電圧Veは、高周波の方形波信号であ
る。非限定例として周波数は100KHz〜1MHzの範
囲であり得る。プレート３３の材料としてKDP
を使用し得る。一次電気光学効果は別の材料によ
つても示される（例えば、ADP、ニオブ酸リチ
ウム、ニオブ酸バリウムナトリウム等）。これら
の材料は透明であるか、又は、使用光の波長に対
して限られた吸収性でなければならない。光がま
だ偏光されていないときは、電気光学効果結晶で
あるプレート３３の手前に入力偏光手段としての
偏光子３１を配置し、後方に出力検光手段として
の検光子３２を配置する。更に、プレート３３の
表面の半分に２分の１波長板３６を配置し、この
ようにして半割セルを形成する。この２分の１波
長板３６のニユートラル軸１３６は、偏光子３１
及び検光子３２の夫々の交差する偏光軸１３１，
１３２に関してπ／４の角度をなしている。ここ
で偏光軸１３１が基準軸Ｙに平行であると仮定す
る。動作を説明するために、第９図では、夫々が
前記の如く形成された半割セルの１つを透過する
狭い２つの未偏光のビーム３８及び３９を示す。
電圧Veは、プレート３３が２分の１波長板３６
から放出されたビームの偏光軸を回転させるよう
な電圧なので、ビーム３８のみが検光子３２から
出射され、軸Ｙに平行な偏光を持つ。半波長板３
６の偏光はπ／２（Ｓ×π／４）だけ回転させら
れている。実際には、前記の如く狭いビーム３
８，３９は結合して、セルの表面全体を覆う適当
な断面積を持つ単一のビームを形成する。従つ
て、電極３４及び３５の端子に印加される信号
Veの交番タイミングに合せて２３２及び２３３
において半分のビームのみが交互に出射され、そ
の結果、窓１７及び１８の一方又は他方を照明す
る。セル３の対称性を維持するために、偏光子３
１の偏光軸に平行なニユートラル軸を持つニユー
トラル又は２分の１波長板を符号３７の位置に導
入し得る。従つて、２つの半割セルの光路は等し
い。

第９図に示す実施例において、横形変調が使用
されるので、電極３４，３５が透明であることが
必要である。縦形変調の使用も可能である。ポツ
ケルス効果を利用した前述の如きセルに代えて、
２つの出射ビーム領域間で入射ビームを切換える
偏向器を使用することも可能である。

カー効果を有するカーセルのような二乗効果
（二次電気光学効果）を有する別の電気光学効果
素子の使用も可能であり、また、制御電圧により
偏光を回転させるねじれネマチツク効果を有する
液晶セルの使用も可能である。後者の場合、制御
電圧の周波数は、ポツケルス又はカー効果によつ
て得られる値に達し得ない。これらの効果はいず
れも公知であり、より詳細な記載は不要と考え
る。音響光学効果を有するセルの使用もまた可能
である。

第１図及び第２図に示すように、本発明の重要
な特徴によれば、前述の如く形成されたセルは、
軸Ｙに平行な方向Y₂に移動する（図示しない）
移動部材に固定されている（図示しない第２のセ
ルは軸Ｘに平行な方向X₂に移動する）。第１図及
び第２図に示す矢印は移動を示す。第１図のの窓
１７及び１８もまた軸Ｙに平行な方向Y₁で移動
する。これにより本発明の位置合せ装置を半導体
ウエハ上に存在する回路の大きさに、特に軸Z₁に
関する格子２１，２２の位置に、適合させること
ができる。

位置合せのために使用される放射エネルギ源
が、投影レンズひとみの中心に位置せねばならな
い同一点０で常に結像するように、本発明の別の
有利な特徴によれば、セル３と格子１３，１４，
１５，１６を担持するサポート１との間に集光レ
ンズ４が挿入されている。この装置は第２図によ
り詳細に示されている。

位置合せ用の光ビームを生成する放射エネルギ
源５はコヒーレント源であり例えば波長λ＝6328
ÅのHeNeレーザである。この放射エネルギ源５
は光学手段の一部を構成している。ビームは軸Ｙ
に平行な光ビーム５０から成り、移動ミラーｍに
よつてセル３に反射される。これらの光線はセル
３と集光レンズ４とを通過し、符号５１で示す位
置から出る。これらは窓の１つ（例えば１７）に
入射される符号５２の位置から出て、次に、セル
３の位置に関り無く軸Z₁上の位置Ｏに収束する。
セル３は３′で示す別の位置に移動可能である。
この位置に対応して同じ要素はm′、51′、17′、
52′で示されている。従つて、移動ミラーｍは、
セル３を駆動する移動部材と一体的に設けられな
ければならない。軸Y₂に沿つたこの位置調整は
位置合せのための絶対条件ではない。その理由は
格子１３，１４がサポート１の全長のわたつて伸
びているからである。軸X₂に沿つた位置調整に
関しては、約0.1mmの精度で行うことが適当であ
る。従つて、第３図に示す如く、窓１７，１８の
分割線１９が２つの格子１３と１４との間に投影
されれば十分である。交差は、これらの２つの格
子を隔てる距離d_Xの近似値である。Ｘ軸に平行な
軸X₁に沿つた窓１７及び１８の有効幅は、格子
の幅l₁₃及びl₁₄によりサポート１の処理中に高精
度で規定される。選択した実施例においてこのサ
ポート１はホトレピータのシヤシーに固定されて
いる。

前記の如く、本発明で使用される格子は周期的
又は繰り返し的な格子である。別種の格子、例え
ば擬似ランダムコードに従つた種々の間隔を持つ
格子に比較して本発明の格子はすぐれたダイナミ
ツク応答特性を有する。前述のヨーロツパ特許出
願明細書においてこれらの二種の格子の応答特性
が比較されている。周期的格子の場合、値V_Snio
（第５図）は極めて低い。即ち、バツクグラウン
ド騒音が極めて低い。他方、擬似ランダムコード
に従つた種々の問題を持つ格子の場合、V_Snioは
V_Snaxの約20〜50％である。しかしながら周期的
格子の場合、以後プリアライメントと称する初期
位置合せ処理を実施して周期性から生じる不確定
性を除去することが必要である。

やはり前述の特許出願明細書に記載されている
第１の方法を、第１０図及び第１１図に基いて説
明する。不確定性を除去するために、２つの補助
光学格子２１０，２１１は方向Ｃにおける格子２
１の両側に配置されている。（２１０，２１１は
互いに異なつており且つ主格子２１の間隔P_Rか
らも異なつている定間隔P_R1及びP_R2を有する。）
位置合せがなされていない場合、これらの格子２
１０，２１１の１つが方向Ｒで回折光を生じる。
この回折光は、格子２１に投影される格子１３，
１４の像が方向Ｃにおいて右寄りすぎか又は左寄
りすぎかに基いて生起される。第１１図において
は、主格子のR₁次の回折光以外に格子２１０，
２１１のR′₁、R″₁次の回折光が示されている。後
者の２つの回折光は互いに両立できない。選択し
た実施例では、それぞれ補助光電手段、光電手段
及び補助光電手段としての３つの検出器D″、Ｄ
及びD′を方向Ｒで位置決めすると共にP_R2＞P_R＞
P_R1が成立すると仮定すると、位置合せが２段階
で行なわれる。第１段階即ちプリアライメントの
間に、２つの回折光R′₁及びR″₁のうちの一方が検
出される。従つて、位置合せがずれている方向が
検出され、ウエハの移動を制御する部材が起動す
る。精密位置合せを行なう第２段階の間は、主格
子のR₁次の回折光の強度のみが測定される。前
記の如く、R_-1次又はR₀次でない別の任意のR_±o
次の回折光検出も可能である。

第２の方法は第１２図及び第１３図に示されて
いる。半導体ウエハに設けられた格子例えば格子
２１の両側に、方向Ｃに対して所定角度を成す線
から成る２つの補助光学格子２１２，２１３が設
けられている。好ましい構造においてこの角度
は、格子２１２がπ／４及び格子２１３が3π／
４である。その結果、互いに同じ角度π／４、
3π／４か又は方向Ｒに関して移動したときは±
π／４の好ましい３方向に沿つた異なる３つの回
折がフーリエ平面P_F中に現れる。第１の方法と
同様に３つの検出器Ｄ、D′及びD″によつてR₁、
R′₁及びR″₁次の回折光を検出し得る。

この方法の変形例が第１４図から第１６図に示
されている。同じ傾斜（例えば＋π／４）を有す
る補助光学格子２１４，２１５が格子２１の両側
に配置されている。この変形では、例えばR′₁次
の回折光を検出する１つの検出器D′のみで良い。
位置合せ誤り方向の測定に必要な弁別は、第１６
図に示す如く、電気光学効果を有するセル３の制
御信号Veの位相に対する検出器D′の出力信号
V′の位相を検出すれば良い。Ve及びV′は、格子
２１上の格子１３，１４の像の相対移動の方向に
従つて同位相又は逆位相となる。

以上特にホトレピータを例にとり、夫々が位置
合せパターンを含む半導体ウエハに対するレテイ
クルの正確な位置決めを中間の位置合せパターン
を使用して行なう場合に関して本発明を説明し
た。しかしながら本発明は前述の実施例に少しも
限定されない。位置合せパターンを含む２つの物
体相互間の自動精密位置決めを行なういかなる場
合にも本発明を適用し得る。本発明によれば、前
記の位置合せパターンのうちで基準を形成するパ
ターンは、交互に照明される少くも１対の等しい
２つの光学格子から成る。

本発明の主な利点を以下に要約する。

(a) 制御のために使用される信号を電子及び電気
光学効果手段によつて高周波変調しているの
で、慣性が小さい。

(b) 静止基準又はゼロ基準（機械的ゼロ）を正確
に決定することができる。

(c) 高い変調周波数を用いているため電気信号を
有効に波できる。

(d) ２種の位置合せパターンを隔てる空間内に
（ホトレピテイシヨンに関する図示しない補正
レンズ及び投影レンズ以外の）光学又は電気光
学素子を導入しないで良い。

(e) 基準パターンの位置決めに関して特別な制約
なしに２種の位置合せパターンの種々の相対位
置及び寸法に装置を容易に適合させることがで
きる。

(f) 値εとP_Cとに応じるだけで制御用信号ΔVu
の最適化を容易に行なうことができる（第７
図）。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学位置合せ装置の一実施例
の概略説明図、第２図から第４図は第１図の実施
例の細部又は特徴の説明図、第５図から第７図は
第１図の実施例の動作の説明図、第８図は第１図
の実施例で使用される制御ループの電子回路の概
略説明図、第９図は第１図の実施例で使用される
ポツケルスセル型の電気光学効果セルの説明図、
第１０図から第１６図はプリアライメントを得る
ための方法の３つの変形例の説明図である。１……サポート、２……半導体ウエハ、３……
ポツケルスセル、４……集光レンズ、５……放射
エネルギ源、１３，１４，１５，１６，２１，２
２……光学格子、１７，１８……窓、３１……偏
光子、３２……検光子、３３……結晶プレート、
３４，３５……電極、３６……２分の１波長板、
５０……光ビーム、Ｄ……光電検出手段、D_X，
D_Y……光電検出器、O_P……投影レンズ。

Claims

【特許請求の範囲】１移動可能な支持体に設けられた少なくとも第
１のパターンを、固定支持体に設けられ基準を形
成する第２のパターンに関して光学的に位置合わ
せする装置であつて、前記第１及び第２のパター
ンが一定間隔の光学格子型の位置合わせマークを
それぞれ備えており、前記装置は、前記第２のパ
ターンの位置合わせマークを構成する光学格子の
像を前記第１のパターンの位置合わせマークを構
成する光学格子上に投影するための所定倍率を有
する光学手段を備えていて、該投影によつて生じ
た次数の回折光の光強度を光電手段で検出するこ
とにより位置合わせの達成を示すように構成され
ており、前記第２のパターンの位置合わせマーク
が同一構成の少なくとも第１及び第２の光学格子
を備えており、該各第１及び第２の光学格子が第
１の対称軸に平行な線の連なりから構成され該対
称軸の各側にそれぞれ配置されており、該同一構
成の２つの光学格子が所定長だけ互いに離れて位
置しており、２つの窓が前記第１及び第２の光学
格子それぞれの一部を規定するように構成されて
おり、前記光学手段が位置合わせ用ビームを発生
する放射エネルギー源と所定周波数の制御信号を
受取り該周波数で前記窓の一つずつを交番的に照
明する選択的切換え手段とを備えており、前記光
電手段の出力信号が電子手段に送られて前記制御
信号の交番間のレベルの差を得るように構成され
ていることを特徴とする光学位置合わせ装置。２Ｐが前記第１及び第２の光学格子の共通の間
隔、ｎが整数、εが単位分数の場合に、前記所定
長がd_X＝Ｐ（ｎ＋ε）によつて与えられる特許請
求の範囲第１項に記載の装置。３｜Ｇ｜が前記所定倍率の絶対値の場合にl₂₁
≧｜Ｇ｜（2l＋d_X）が成立するように、前記光学
格子の第１の対称軸と垂直方向の長さがｌに等し
くかつ前記移動可能な支持体に設けられた対応す
る光学格子の長さがl₂₁に等しく、Pc＝｜Ｇ｜・
Ｐが成立するように、前記対応する光学格子が第
１の方向Ｃに平行な等間隔Pcの線の連なりから
構成されている特許請求の範囲第２項に記載の装
置。４前記光学手段の前記選択的切換え手段が位置
合わせ用ビームの光路に配置された光学変調器か
ら構成されている特許請求の範囲第１項に記載の
装置。５前記光学変調器が音響光学効果を有するセル
である特許請求の範囲第４項に記載の装置。６前記光学変調器が位置合わせ用ビームの光路
に配置された電気光学効果を有するセルから構成
されており、該セルが入力偏光手段と高周波数の
方形波制御信号を受取る２つの制御電極を具備し
かつ出射ビームの偏光を周期的にπ／２だけ回転
させるための電気光学特性を有する結晶プレート
と前記入力偏光手段の偏光軸に垂直な偏光軸を有
する出力検光手段とを備えており、前記結晶プレ
ートの入力面に２分の１波長板が配置されてお
り、該２分の１波長板の大きさは、位置合わせ用
ビームを２つの等しい部分に分割して前記制御信
号が１つの周期から次に交番したその各時点で該
２つの部分のうちの一方を伝達し前記２つの窓を
周期的に照明するための半割セルを形成するべく
前記結晶プレートの半分を被覆するように構成さ
れている特許請求の範囲第４項に記載の装置。７前記結晶プレートがポツケルス効果による一
次電気光学効果を有している特許請求の範囲第６
項に記載の装置。８前記光学変調器が第１の対称軸と平行な方向
に移動可能な移動部材に固定されており、前記窓
も該軸に沿つて移動可能に構成されており、該移
動部材に固定されたミラーがコヒーレント源であ
る前記放射エネルギー源の発生した前記第１の対
称軸と平行な方向の位置合わせ用ビームを前記光
学変調器に反射するように構成されており、前記
光学変調器と前記固定支持体との間に、光学部材
の入射ひとみの中心に所定倍率で前記放射エネル
ギー源の像を形成するように該光学部材が配置さ
れている特許請求の範囲第６項に記載の装置。９前記第１及び第２の光学格子の像が交番的に
投影される移動可能な支持体に設けられた対応す
る光学格子を形成する線が、第２の方向Ｒで一定
間隔の光学格子を形成すべく該第２の方向Ｒに関
して断続しており、前記光電手段が前記第２の方
向Ｒで零次と異なる次数の回折光を検出するよう
に構成されており、前記電子手段が前記制御信号
の１つのサイクルから次のサイクルへの交番にお
ける前記光学手段の出力信号のレベルの差に影響
を与えるべく該制御信号の周波数に同期してお
り、該出力信号が１つのサイクルから次のサイク
ルまで一定に維持された場合に位置合わせが達成
されるように構成されている特許請求の範囲第１
項に記載の装置。１０前記第２のパターンの位置合わせマークが
同一構成の第３及び第４の光学格子を有してお
り、該各第３及び第４の光学格子が第２の対称軸
に平行な線の連なりから構成され該対称軸の各側
にそれぞれ配置されており、該同一構成の２つの
光学格子が所定長だけ互いに離れて位置してお
り、前記光学手段が、コヒーレント源である放射
エネルギー源と窓によつて規定された該第３及び
第４の光学格子の部分を交番的に照明するための
選択的切換え手段とを含む付加光学手段を備えて
いる特許請求の範囲第１項に記載の装置。１１移動可能な支持体に設けられた少なくとも
第１のパターンを、固定支持体に設けられ基準を
形成する第２のパターンに関して光学的に位置合
わせする装置であつて、前記第１及び第２のパタ
ーンが一定間隔の光学格子型の位置合わせマーク
をそれぞれ備えており、前記装置は、前記第２の
パターンの位置合わせマークを構成する光学格子
の像を前記第１のパターンの位置合わせマークを
構成する光学格子上に投影するための所定倍率を
有する光学手段を備えていて、該投影によつて生
じた次数の回折光の光強度を光電手段で検出する
ことにより位置合わせの達成を示すように構成さ
れており、前記第２のパターンの位置合わせマー
クが同一構成の少なくとも第１及び第２の光学格
子を備えており、該各第１及び第２の光学格子が
第１の対称軸に平行な線の連なりから構成され該
対称軸の各側にそれぞれ配置されており、該同一
構成の２つの光学格子が所定長だけ互いに離れて
位置しており、２つの窓が前記第１及び第２の光
学格子それぞれの一部を規定するように構成され
ており、前記光学手段が位置合わせ用ビームを発
生する放射エネルギー源と所定周波数の制御信号
を受取り該周波数で前記窓の一つずつを交番的に
照明する選択的切換え手段とを備えており、前記
光電手段の出力信号が電子手段に送られて前記制
御信号の交番間のレベルの差を得るように構成さ
れており、格子の周期性に基く不確定性を除去し
てプリアライメントを行うために、前記移動可能
な支持体に設けられた前記各光学格子の各側に一
定間隔を有する第１及び第２の補助光学格子が配
置されていていることを特徴とする光学位置合わ
せ装置。１２前記第１の補助光学格子が第２の方向Ｒに
第１の一定間隔を有する等距離の平行な線の第１
の連なりから構成されており、前記第２の補助光
学格子が該第２の方向Ｒに第２の一定間隔を有す
る等距離の平行な線の第２の連なりから構成され
ており、前記光電手段が前記第１及び第２の補助
光学格子によつて生成された前記第２の方向Ｒの
零次と異なる次数のうちの１つの回折光を検出す
る第１及び第２の補助光電手段を備えている特許
請求の範囲第１１項に記載の装置。１３前記各第１及び第２の補助光学格子が、第
１の方向Ｃに対して零からπ／２までの異なる所
定角度をなす第３及び第４の方向にそれぞれ平行
な等距離の線の連なりから構成されており、前記
光電手段が前記第１及び第２の補助光学格子によ
つて生成された前記第３及び第４の方向の零次と
異なる次数のうちの１つの回折光を検出する第１
及び第２の補助光電手段を備えている特許請求の
範囲第１１項に記載の装置。１４前記第１及び第２の補助光学格子が同一構
成であると共に第１の方向Ｃに対して零からπ／
２までの異なる所定角度をなす第５の方向に平行
な等距離の線の連なりからそれぞれ構成されてお
り、前記光電手段が前記第１及び第２の補助光学
格子によつて生成された前記第５の方向の次数の
うちの１つの回折光を検出する補助光電手段を備
えており、位置合わせ誤り方向が該補助光電手段
の出力信号と前記制御信号との相対的な位相を比
較することによつて定められる特許請求の範囲第
１１項に記載の装置。