JPH021509A - 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、例えば半導体素子製造用
の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マスク
」と総称する。）等の第１物体面上に形成されている微
細な電子回路パターンをウェハ等の第２物体面上に露光
転写する際にマスクとウェハとの水平方向や垂直方向の
相対的な位置決め（アライメント）を行う場合に好適な
位置検出装置に関するものである。

（従来の技術） 従来より半導体製造用の露光装置においては、マスクと
ウェハの相対的な位置合わせは性能向上を図る為の重要
な一要素となっている。特に最近の露光装置における位
置合わせにおいては、半導体素子の高集積化の為に、例
えばサブミクロン以下の位置合わせ精度を有するものが
要求されている。

多くの位置合わせ装置においては、マスク及びウェハ面
上に位置合わせ用の所謂アライメントパターンを設け、
それらより得られる位置情報を利用して、双方のアライ
メントを行っている。このときのアライメント方法とし
ては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量を画
像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許第４
０３７９６９号や特開昭５６−１５７０３３号公報で提
案されているようにアライメントパターンとしてゾーン
プレートを用い該ゾーンプレートに光束を照射し、この
ときゾーンプレートから射出した光束の所定面上におけ
る集光点位置を検出すること等により行っている。

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、
単なるアライメントパターンを用いた方法に比べてアラ
イメントパターンの欠損に影響されずに比較的高精度の
アライメントが出来る特長がある。

第２４図はゾーンプレートを利用した従来の位置合わせ
装置の概略図である。

同図において光源７２から射出した平行光束はハーフミ
ラ−７４を通過後、集光レンズ７６で集光点７８に集光
された後、マスク６８面上のマスクアライメントパター
ン６８ａ及び支持台６２に載置したウェハ６０面上のウ
ェハアライメントパターン６０ａを照射する。これらの
アライメントパターン６８ａ、６０ａは反射型のゾーン
プレートより構成され、各々集光点７８を含む光軸と直
交する平面上に集光点を形成する。このときの平面上の
集光点位置のずれ量を集光レンズ７６とレンズ８０によ
り検出面８２上に導光して検出している。

そして検出器８２からの出力信号に基づいて制御回路８
４により駆動回路６４を駆動させてマスク６８をウェハ
６０の相対的な位置決めを行っている。

第２５図は第２４図に示したマスクアライメントパター
ン６゛８ａとウェハアライメントパターン６０ａからの
光束の結像関係を示した説明図である。

同図において集光点７８から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン６８ａよりその一部の光束が回折し、
信号光束として集光点７８近傍にマスク位置を示す集光
点７８ａを形成する。又、その他の一部の光束はマスク
６８を０次透過光として透過し、波面を変えずにウェハ
６０面上のウェハアライメントパターン６０ａに入射す
る。このとき光束はウェハアライメントパターン６０ａ
により回折された後、信号光束として再びマスク６８を
０次透過光として透過し、集光点７８近傍に集光しウェ
ハ位置をあられす集光点７８ｂを形成する。同図におい
てはウェハ６ｏにより回折された光束が集光点を形成す
る際には、マスク６８は単なる素通し状態としての作用
をする。

このようにして形成されたウェハアライメントパターン
６０ａによる集光点７８ｂの位置は、つエバ６０のマス
ク６８に対するずれ量Δσに応じて集光点７８を含む光
軸と直交する平面に沿って該ずれ量Δ０に対応した量の
ずれ量Δ０′として形成される。

このような方法においては、マスク面や半導体露光装置
内のマスクホルダー面等の基準面、そして露光装置の接
地面等に対してウェハ面が傾斜しているとセンサ上に入
射する光束の重心位置が変化し、アライメント誤差とな
ってくる。

一般にセンサ上に絶対座標系を設け、その基準原点を設
定し、これを基に評価することは他のアライメント誤差
要因、例えばウェハ面のそりやたわみ等を有する傾斜、
レジストの塗布ムラによる光束の重心位置の変動、アラ
イメント光源の発振波長、発振出力、光束出射角の変動
、センサ特性の変動、そしてアライメントヘット位置の
繰り返しによる変動等により、その原点の設定を高精度
に行うのが大変難しくなるという問題点があった。この
問題点を解決する為にマスクとウェハ間の間隔やウェハ
の傾き等を別途計測する必要があった。

このとき特にアライメントマーク程度の領域の局所的な
基板の傾き変化による影響は重要となっている。これは
ウェハ面上のマークの位置かどこにあるかによって、誤
差を発生する原因となっている。これは別途設けた測定
系の評価領域かずれていると、その間の形状変化か測定
誤差の原因となってくる。

第２６図は例えばウェハ面上の局所的な傾きによる光束
の重心位置の変化を示す説明図である。

同図（Ａ、）はウェハ２６がθ傾いている場合の検出部
２７面上の光束の重心位置の変動を示し、同図（Ｂ）は
ウェハ２６が場所によって異った傾きのある断面状態を
示している。

今、同図（Ａ）のようにマスクを通過したアライメント
光束がウェハ２６に入射するとする。

このとき、ウェハのアライメントマーク２６′のある場
所では角度θだけ平均的に面が傾いているとすれば、検
出部２７上での光量重心位置はＰθとなり、傾きがなか
った場合の集光点Ｐ。より、Δδθだけ移動したことに
なる。これを式で表わせば Δδθ＝ｂｗ−ｔａｎ２θ 今、 とすれば Δδθ＝　１８．７ｘ　ｌＱ＋３ｘ　２　　Ｘ　１０−
’＝＝　３．７４μｍとなる。

即ち、３．７４μｍの位置ずれ誤差となり、マスクとウ
ェハをこれ以上の精度で位置合わせをすることが出来な
くなる。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はマスク等の第１物体に対するウェハ等の第２物
体の水平方向や垂直方向の位置検出を行う際の局所的な
基板の影響を受けずに高精度な位置検出を可能とした位
置検出装置の提供を目的とする。

この他本発明では、マスクとウェハの位置合わせの際の
基準としてのアライメント光束に対する参照光束をアラ
イメントマークと略等しい領域より成る参照マークより
同時に得ている。

そして、信号光を得る為のアライメントマークと参照光
を得る為の参照マークの少なくとも一方の物理光学素子
（グレーティング等光の波動としての特徴を利用した波
面変換素子）を瞳分割した複数の領域より構成すると共
にアライメントマークと参照マークに各々異ったレンズ
作用を持たせている。

このとき基準光束（参照光束）のウェハ面の傾斜に対す
るセンサ上での重心移動の作用かアライメント光束（信
号光束）と全く等しくなるようにし、又、アライメント
ヘッドの位置の変動に対しても基準光束がアライメント
光束と全く等しい改心移動の作用を受けるように設定し
、これにより基準光束とアライメント光束のセンサ上で
の相対的な位置の変動が原理的にマスクとウェハとの位
置ずれのみに依存するようにし、高精度な位置合わせを
可能とした位置検出装置の提供を目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は位置検出を行う２つの物体面上に各々光を偏向
させる各々異った光学的性質を有する複数のマーク（例
えば物理光学素子や光を反射偏向させる反射面等）を面
積的に複数の領域に分割に形成し、これらの複数の領域
に形成したマークを介した光束より２種類以上の位置検
出に関する信号を得、これより２つの物体の横ずれ方向
である水平方向や間隔方向である垂直方向の位置検出を
行っていることを特徴としている。

具体的には、７ｆ、ｘ物体面上に第１１．第１２マーク
の少なくとも２つのマークを形成し、第２物体面上に第
２１．第２２マークの少なくとも２つのマークを形成し
、該第１１マークに光束を入射させたときに偏向される
光束を該第２１マークに入射させ、該第２１マークで偏
向される光束の位置を第１検出手段で検出し、該第１検
出手段から得られる第１信号と該第１２マークに光束を
入射させ、該第１２マークから偏向し射出した光束を該
第２２マークに入射させ、該第２２マークから偏向し射
出した光束の位置を第２検出手段で検出し、該第２検出
手段から得られる第２信号の双方の信号を利用して、該
第１物体に対する第２物体の位置検出を行う際、前記第
１１．第１２７−りが形成されている領域又は／及び前
記第２１゜第２２マークが形成されている領域のうち少
なくとも一方の領域を複数の分割した領域より構成した
ことを特徴としている。

特に本発明では、前記第１１．第１２マークと前記第２
１．第２２マークはいずれも物理光学素子より成り、前
記第１信号に基づく光束と前記第２信号に基づく光束は
いずれも前記マークのうち少なくとも１つのマークで少
なくとも１回の回折作用を受けていることを特徴として
いる。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の第１物体と第２物体の横
ずれである水平方向（Ｘ方向又はＹ方向）の位置合わせ
をアライメント光束の他に参照光束を用いて行う場合の
要部概略図である。

図中、１は第１物体で、例えばマスクである。

２は第２物体で、例えばマスク１と位置合わせされるウ
ェハである。５．３は各々第１．第２アライメントマー
クであり、各々マスク１面上とウェハ２面上に設けられ
ている。６．４は第１．第２参照マークであり、複数の
分割された領域より成っており、各々マスク１面上とウ
ェハ２面上の第１．第２アライメントマーク５．３の両
側に隣接して設けられている。第１．第２アライメント
マーク５．３と第１．第２参照マーク６．４は、各々異
った光学的作用をする例えばフレネルゾーンプレート等
のグレーティングレンズより成り、マスク１面上とウェ
ハ２面上のスクライブライン９．１０上の後述するよう
に面積的に分割された複数の領域に設けられている。７
はアライメント光束、８は参照光束であり、これらの光
束７．８は不図示のアライメントヘッド内の光源から出
射し、所定のビーム径にコリメートされている。

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザー
、Ｈｅ−Ｎ　ｅレーザー、Ａ、レーザー等のコヒーレン
ト光束を放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒー
レント光束を放射する光源等である。１１．１２は各々
第１検出手段と第２検出手段としてのセンサ（受光器）
であり、アライメント光束７と参照光束８を受光する例
えば１次元ＣＯＤ等より成っている。

本実施例ではアライメント光束７と参照光束８は各々マ
スク１面上の第１アライメントマーク５と第１参照マー
ク６に所定の角度で入射した後、透過回折し、更にウェ
ハ２面上の第２アライメントマーク３と第２参照マーク
４で反射回折し、センサ１１，１２面上に入射している
。そしてセンサ１１，１２で該センサ面上に入射したア
ライメント光束と参照光束の重心位置を検出し、該セン
サ１１，１２からの出力信号を利用してマスク１とウェ
ハ２をスクライブライン９．１０方向（Ｘ方向）につい
て位置合わせな行っている。

尚、同図において８０は２つの参照マーク領域６からの
参照光８の中心線を示している。

次に本実施例における第１．第２アライメントマーク５
．３と第１．第２参照マーク６．４について説明する。

アライメントマーク３．５と参照マーク６．４は各々異
った光学的性質を有し、例えば異った値の焦点距離を有
するフレネルゾーンプレート（又はグレーティングレン
ズ）を面積的に、即ち瞳分割した構成より成っている。

これらのマークの寸法は各々スクライブライン方向に１
８０μｍ、スクライブライン幅方向（Ｘ方向）に５０μ
ｍである。

本実施例においてはアライメント光束７と参照光束８は
、いずれもマスク１に対して入射角１７．５°で、マス
ク１面への射影成分がスクライブライン方向（Ｘ方向）
に直交するように入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント光
束７と参照光束８は各々グレーティングレンズ５，６の
レンズ作用を受けて収束（又は発散）光となり、マスク
１からその主光線がマスク１の法線に対して所定角度に
なるように射出している。

そして第１アライメントマーク５と第１参照マーク６を
透過回折したアライメント光束７と参照光束８を各々ウ
ェハ面２の鉛直下方２１７μｍと１８．７ｍｍの点に集
光させている。このときのマスク１とウェハ２との間隔
は３０μｍにしている。

アライメントマーク５で透過回折した光はウェハ２面上
の第２アライメントマーク３でレンズ作用を受け、第１
検出手段としてのセンサ１１面上の一点に集光している
。このときセンサ１工面上へは光束がアライメントマー
ク５，３の位置ずれ、即ちレンズ中心のずれ量を拡大比
例した量だけ重心位置が変動して入射する。

ここでの光束の重心とは光束断面内において、断面的各
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
したものを受光面全面で積分したときに積分値が０ベク
トルになる点のことである。別の実施例として、光強度
がピークとなる点の位置を検出してもよい。

本実施例ではマスク１とウェハ２の位置すれか０のとき
、即ちマスク１上のアライメントマーク５とウェハ２上
のアライメントマーク３とが共軸系をなしたとき、アラ
イメント光束の主光線のウェハ２からの出射角が１３度
であり、所定位置、例えばウェハ２面から１８．７ｆｆ
１ｍの高さに位置しているセンサ１１面上に集光するよ
うに設定している。

又、第１参照マーク６で透過回折した光はウェハ２面上
の第２参照マーク４で単なる偏向作用を受け、出射角７
度で射出し第２検出手段としてのセンサ１２面上の一点
に集光している。

このとき参照マーク６．４を経た参照光束はマスク１と
ウェハ２との間に位置ずれの変動があってもセンサ１２
面への入射光束の重心位置は常に一定となっている。こ
れにより基準位置となる信号を得ている。

グレーティングレンズ５．３はマスク１とウェハ２が位
置ずれを起こすとそれぞれの光軸が相対的にずれる、所
謂レンズの軸ずれと同様の状態となる。この場合グレー
ティングレンズ５からの出射光の主光線は位ｊξずれを
起こす前と後でグレーティングレンズ３上の入射位置が
異なるので出射角も変動し、よってアライメント光束の
集光位置が変動する。この集光位置変動量は位置ずれ量
に比例する。

これに対しグレーティングレンズ６から出射した参照光
束は直線グレーティング４に入射し、所定角度で出射す
る。マスクとウェハが位置ずれを起こすとグレーティン
グレンズ６からの出射光の主光線の直線グレーティング
４への入射位置も変化するが、どこへ入射しても直線グ
レーティング４からの出射光の出射角は変化しない。マ
スクとウェハの位置ずれ検出の場合、一般にマスクは装
置に固定されているので、このマスクのグレーティング
レンズ６によって参照光束が集光するセンサ１２面の位
置は位置ずれか発生しても変化しない。これよりアライ
メント光束と参照光束の間隔は位置ずれ量に比例するこ
とがわかる。

従って、本実ｈ’ｈ例ではマスクとウェハの位置（アラ
イメント）ずれが０の場合のアライメント光束と参照光
束の重心位置の位置検出方向に沿った間隔を予め求めて
おき、位置検出時にアライメント光束と参照光束の重心
位置の位置検出方向に沿った間隔を検出し、この間隔の
ずれが０のときの間隔に対する変動量からマスクとウェ
ハのアライメントずれをＣＰＵ１１ａで求める。

次に本発明の位置ずれ量検知方法の原理を第２７図〜第
２９図を用いて更に詳細に説明する。

第２７図は本発明に係るマスク１、ウェハ２及びセンサ
１１の光学配置を示す説明図である。同図は第１光束と
しての信号光束の光路を示している。

今、マスク１とウェハ２とが平行方向にΔσ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３で反
射した信号光束の集光点までの路間をｂ、マスク１のグ
レーティングレンズ５を通過した信号光束の集光点まで
の距離をａとすると検出面１１上での集光点の重心ずれ
量Δδはとなる。即ち重心ずれ量Δδは（ｂ　／　ａ　
＋　１　）倍に拡大される。

例えば、ａ　＝　０　、　５　ｍｍ、　ｂ　＝　５０　
ｍｍとすれば重心ずれ量Δδは（ａ）式より１０１倍に
拡大される。

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは（ａ
）式より明らかのように比例関係となる。検出器１１の
分解能が０．１μｍであるとすると位置ずれ量Δσは０
．００１μｍの位置分解能となる。

次に本発明に係る第２光束としての参照光束を用いた位
置ずれ量検知の基本手順について説明する。

本発明において参照光束を発生する手段として第２８図
に示すようにマスク１面上にグレーティングレンズ６を
設定し、ウェハ２面上にレンズ作用のない物理光学素子
４（例えば直線格子、反射面など）を設定する。

グレーティングレンズ６に入射する所定の波面形状を有
する光束（例えば平面波、球面波など）はグレーティン
グレンズ６を出射後、所定面上で結像（集光）する収束
光となってウェハ２上の物理光学素子で反射してセンサ
１２に到達する。

この光束のセンサ１２上での入射位置（Ｒｇとする）を
基準点とし、アライメント信号光のセンサ１１上での入
射位置（Ｓ、とする）を測定することによってマスク１
、ウェハ２の位置ずれ量を求める。

本発明においては、例えば第２７図の光学配置で決まる
位置ずれ検出感度をＡとすると位置ずれ１■ｄは ｄ＝　（Ｓ、−Ｒｇ）／Ａ と求まり、位置ずれｌｄが０となるように位置合わせを
行なう物体のいずれか一方を動かせばよい。

ただし、位置ずれｌｉｄの値は必ずしもＯに収束するよ
うに光学系及び信号処理系を設定し、制御しなくてもよ
く例えば位置ずれｉｄが０のとき位置ずれｊｌｄが所定
の目標値６（有限値）に収束するようにしてもよい。以
上の手順を第２９図に示す。この目標値は例えばマスク
パターンの露光転写の後、重ね合わせ精度を評価して決
定しもよい。

第２図は第１図に示した第１実施例における光学系の基
本原理を示す説明図である。同図においては相対的な位
置ずれを評価したい第１物体１と第２物体２に各々ゾー
ンプレート等の第１．第２アライメントマーク５．３を
設けている。第１アライメントマーク５へ光束７を入射
させ、それからの出射光２１を第２アライメントマーク
３に入射させている。そして第２アライメントマーク３
からの出射光２２をポジションセンサー等の検出器の検
出面２７上に集光させている。

このとき第１物体１と第２物体２との相対的な位置ずれ
量Δσに応じて検出面２７上においては、光量の重心ず
れ量Δδが生じてくる。

本実施例では同図において、点線で示す光束２４による
検出面２７上の光量の重心位置を基準として、実線で示
す光束２２による検出面２７上における光量の重心ずれ
量Δδを求め、これより第１物体１と第２物体２との相
対的な位置ずれ量Δσを検出している。

第３図はこのときの第１物体１と第２物体２との相対的
な位置ずれ■１Δ０と、検出面２７上における光量の重
心ずれ量Δδとの関係を示す説明図である。

本実施例では以上のような基本原理を利用して第１物体
１と第２物体２との相対的な位置関係を検出している。

ここで、合筆１アライメントマーク５を基準とし、第２
アライメントマーク３が第１アライメントマーク５と平
行方向（Ｘ方向）にΔσずれていたとすると検出面２７
上での集光点の重心ずれ量Δδは 拡大される。

例えばａｗ＝０．５ｍｍ　、　ｂｗ＝５０ｍ−ｍとすれ
ば重心ずれ量Δδは＜１）式より１０１倍に拡大される
。

尚、このときの重心すれ量Δδと位置ずれ量Δσは（１
）式より明らかのように、例えば第４図に示すような比
例関係となる。検出器の分解能か０．１μｍであるとす
ると位置ずれ量Δσは０．００１μｍの位置分解能とな
る。

このようにして求めた位置ずれ量Δ０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。

本実施例において位置合わせな行う手順としては、例え
ば次に方法を採ることができる。

第１の方法としては２つの物体間の位置すれ量Δσに対
する検出器の検出面２７上での光量の重心すれ信号Δδ
Ｓとの関係を示す曲線を予め決めておき、重心ずれ信号
ΔδＳの値から双方の物体間との位置ずれ量Δσ求め、
そのときの位置ずれ量Δσに相当する量だけ第１物体若
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からの重心ずれ信号ΔδＳか
ら位置ずれ量Δσを打ち消す方向を求め、その方向に第
１物体若しくは第２物体を移動させて位置ずれ量Δσが
許容範囲内になるまで繰り返して行う。

次に本実施例における第１．第２アライメントマーク５
．３と第１．第２参照マーク６．４（グレーティングレ
ンズ）の製造方法の一実施例を述べる。

まず、マスク用のマーク５．３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
に設計される。一般にグレーティングレンズのパターン
は光源（物点）と像点にそれぞれ可干渉性の光源を置い
たときのレンズ而における干渉縞パターンとなる。今、
第１図のようにマスク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、スクライブラ
イン方向にＸｌｌ１ｄ＋、幅方向にｙ軸、マスク面１の
法線方向にＺ軸をとる。マスク面１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
交する平行光束がマスク用のマークを透過回折後、集光
点（Ｘ＋　＋　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で表わし ｙｓｉｎ　ａ　　　Ｐ、（ｘ、ｙ）−Ｐ２＝ｍλ／　２
　・（１）Ｐ＋（ｘ、ｙ）＝　　（Ｘ−ｘ＋）２＋　（
ｙ−ｙｌ）２＋　ｚ、２Ｐ２　　　＝Ｔ；’Ｔ’−冒７
］７７ で与えられる。ここにλはアライメント光の波長、ｍは
整数である。

主光線を角度αで入射し、マスク面１上の原点を通り、
集光点（ｘ＋　、、ＹＩ　、Ｚｌ　）に達する光線とす
ると（１）式の右辺はｍの値によって主光線に対して波
長のｍ　７２倍光路長が長い（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、０）を通
り点（Ｘ＋　、’ｊ１．Ｚ＋　）に到達する光線の光路
の長さの差を表わす。

一方、ウェハ２上のグレーティングレンズ３は所定の点
光源から出た球面波を所定の位置（センサ面上）に集光
させるように設計される。点光源はマスク１とウェハ２
の露光時のギャップをｇとおくと（Ｘ＋　、ＹＩ　、Ｚ
ｌ　ｇ）で表わされる。

（ｙは変数）マスクｌとウェハ２の位置合わせはＸ軸あ
るいはｙ軸方向に行なわれるとし、アライメント完了時
にセンサ面上の点（Ｘ２　、３’２　。

Ｚ２）の位置にアライメント光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 十ｍλ／２　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
・・・（２）と表わされる。

（２）式はウェハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がマスク
面上原点及びウニ八面上の点（０，０゜−ｇ）、更にセ
ンサ面上の点（Ｘ２　、　ｙ２Ｚ２）を通る光線である
として、ウニ八面上のグレーティング（ｘ、ｙ、−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。

以上のようにしてアライメント用と参照用のパターンを
重ねて１つのアライメントマークを作成している。

第５図（Ａ）　、　（Ｂ）は本実施例におけるマスク面
上とウニ八面上のマークのパターン図である。

同図において（ＡＩ）　、　（Ｉｌｌ）はマスク用とウ
ェハ用のアライメント用パターン、（Ａ２）　、　（Ｂ
２）はマスク用とウェハ用の参照用パターン、（Ａ３）
はパターン（層）とパターン（Ａ２）を瞳分割して１つ
のマークとしたパターンで第１アライメントマークと第
１参照マークを形成し、（Ｂ３）はパターン（８１）と
パターン（Ｂ２）を瞳分割して１つのマークとしたパタ
ーンで第２アライメントマークと参照マークを形成して
いる。

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の振幅型グレーティング素子として作成されている
。又、ウェハ用のゾーンプレートは、例えば矩形断面の
位相格子パターンとして作成される。　（］）　、　（
２）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１上
のグレーティングレンズでは透明部と遮光部の線幅の比
が１＝１であること、ウェハ２上のグレーティングレン
ズでは矩形格子のラインとスペースの比が１−１である
ことを意味している。

マスク１上のグレーティングレンズはポリイミド製の有
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した。

又、ウェハ１の上マーク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た。

次に本実施例における検出手段としてのセンサ（例えば
１次元の蓄積型の１次元ＣＣＤ等）に入射するアライン
メント光である信号光と参照光との関係について説明す
る。

本実施例においては参照光とアラインメント用の信号光
はウェハ面の法線に対して各々７０１３°の角度で出射
する。センサ１１，１２の空間的配置は、予めアライメ
ント完了時に光束がセンサのほぼ中央の位置に入射する
ようにセツティングされている。

センサ１１，１２の中心間隔は１．９６５　ｍｍであり
、約０．１μｍ精度でＳｉの同一基板上に設定されてい
る。又、センサ１１，１２の配置されたＳｉ基板は、そ
の法線が位置すれがＯのときのアライメント光出射角と
参照先出射角の２等分線と略平行に配置されている。

センサ１１，１２のサイズは信号光用のセンサ１１が幅
１　ｍｍ、長さ６［ｌ１ｒｎ、又参照光用のセンサ１２
が幅１ｍａ＋、長さＩＩＩＩＩｌｌである。又、各画素
のサイズは２５μｍ×５００μｍである。

各々のセンサは入射光束の重心位置を測定し、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。これによりアライメント光源の出力が多少変動
しても、センサ系から出力される測定値は正確に重心位
置を示すように設定している。尚、センサの重心位置の
分解能はアライメント光のパワーにもよるが、例えば５
０ｍＷ、波長０．８３μｍの半導体レーザーを用いて測
定した結果、約０．２μｍであつた。

本実施例に係るマスク用のグレーティングレンズとウェ
ハ用のグレーティングレンズの設計例では、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
面上で重心位置を移動する。従って、マスクとウニへ間
に０．０１μｍの位置ずれがあったとすると、センサ面
上では１μｍの実効的な重心移動が起こり、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。

本実施例において、ウニへ面２がｘｚ面内で１　ｍｒａ
ｄ傾斜したとすると、センサ１１上では信号光束は約３
７．４μｍ重心移動を起こす。一方、参照光束８も信号
光束７と同様の角度変化を受け、センサ１２上では、信
号光と同様の重心移動を起こす。これによりセンサ系で
は各々センサからの実効的重心位置の信号の差を出力す
るように信号処理をすると、ウェハ而がｘｚ面内で傾斜
してもセンサ糸からの出力信号は変わらない。

又、ウェハがｙｚ面内で傾斜した場合も、信号光束、参
照光束ともに重心移動を起こすので同様にＩ　ＩＩＩｒ
ａｄ程度の微少な傾きでは実効的なアライメント誤差に
はならない。

更に、アライメント用光源、及び投光用レンズ系及びセ
ンサなどを内蔵するアライメントヘットか、マスク−ウ
ェハ系に対して位置の変動を起こした場合、ｙ方向の位
置変動はマーク領域の周辺にも略−様に投光光束を当て
ることで、原理的にアライメント誤差を回避している。

同様にマスク面とヘッドとの間にＺ方向の変動も投光系
をマスクに平行光が当たる系とすることで先のｙ方向の
変動と等価となり、原理的にアライメント誤差を回避し
ている。

又、Ｘ軸方向の位置の変動は信号光と参照先の一対の移
動となりアライメント誤差とならないことかわかる。

次に本実施例におけるマーク基板のそりによる誤差につ
いて説明する。

第１実施例においてはアライメントマークと参照マーク
を瞳分割し、各々のマークの中心が同一となるように設
定されている。この為、マーク基板にそりがあったとき
、その影響は平均化され誤差となってこない。

即ち、マーク基板のそりは傾き成分と湾曲成分とに分け
られるが、傾きに関しては前述の如くアライメント信号
と参照信号は同様の影響を受は実効的な誤差にならず、
又、湾曲に関してもマーク両側に瞳どうしで互いに逆方
向に光束が曲げられセンサ面上での光量重心の位置は変
化しない為、実効的な誤差を生じさせない。

第６図は第１図のアライメントマークによる点像の強度
分布が、どのようになるかを示したものである。同図（
Ａ）はアライメントマークの領域の説明図、同図（Ｂ）
は点像の強度分布の説明図である。同図に示すように回
折の影響で両側の極大が比較的大きくなる。しかしなが
ら全体の光量重心は通常の矩形開口と変らず誤差にはな
ってこない。

第７図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明においてマークの瞳
分割数を増加させた場合の概略図である。同図（Ａ）は
マスク用のマークパターン、同図（Ｂ）はウェハ用のマ
ークパターンである。同図（Ａ）では信号光用（ＡＡ用
）のマークを３箇所、参照光用（ＡＡＲＥｆ用）のマー
クを４箇所の領域に分割している。このように本実施例
では瞳分割数を適当に選択することができる。

尚、本実施例においては分割された領域の幅は等ピッチ
でなくても良い。

第８．第９．第１２図は各々本発明の第２゜第３．第４
実施例の光学系の概略図である。

第８．第９．第１２図において第１図に示す要素と同一
要素には同符番を付している。

又、同図（Ａ）は光学系の斜視図、同図（Ｂ）はマスク
用のマークパターン、同図（Ｃ）はウェハ用のマークパ
ターンである。

第２．第３．第４実施例において入射光が各々マスク１
面上の第１アライメントマーク５と第１参照マーク６に
入射し、回折透過し、ウェハ而２上の第２アライメント
マーク３と第２参照マーク４に入射し回折反射された後
、各々第１．第２検出手段としてのセンサ１１，１２に
入射する構成は第１図の第１実施例と同じである。

第２．第３．第４実施例では第１実Ｄ’ｔｈ例に比ベマ
スク面１上のマークパターンとウニへ面２上のマークパ
ターンの瞳分割の仕方が各々異なっている。

第８図に示す第２実施例ではマスク１及びウェハ２面上
のアライメントマークと参照マークを各々スクライブラ
イン９．１０方向の幅方向（ｙ方向）に分割している。

第９図に示す第３実施例は第１．第８図に示す第１．第
２実施例における瞳の分割方法を組み合わせて全体的に
市松模様となるようにマーク領域を分割している。

第１０図（Ａ）　、　（Ｂ）は第９図に示すようにマー
ク領域を市松状に瞳分割したときの瞳の分割された領域
と、このときの点像強度分布の説明図である。

同図（Ｂ）に示すように、このような点像分布でも全体
の光量重心は矩形開口と変らず誤差を生じない。

第１１図（Ａ）〜（Ｅ）は各々本発明において適用可能
なマーク領域の分割数と分割仕方を種々変化させた場合
の一実施例の説明図である。同図におてＡはアライメン
ト用の信号用領域、Ｒは参照充用の参照用領域を示す。

以上の各実施例においてマーク領域の分割方向はスクラ
イブライン方向及びこれに直交する方向を示したが、こ
の他、任意の角度で分割構成しても良い。

第１２図に示す第４実Ｄ’ｈ例はマーク領域の分割に際
して信号用領域と参照用領域を各々曲線により複数に分
割している。

本実施例においてはマークパターンの縞の本数が多くあ
るに従って分割数を増加させ１つの分割領域の編密度を
制御している。

第１３図（Ａ）は本発明の第５実施例の要部概略図であ
る。第１３図（Ｂ）は同図（Ａ）のマスク１面上の第１
アライメントマークの概略図、第１３図（Ｃ）は同図（
Ａ）のウェハ２面上の第２アライメントマークの概略図
である。

本実施例では前述の第１実施例における参照先の代わり
に前述の信号光（第１の信号光、アライメント光）と逆
向きの感度を有するような第２の信号光を用いた系であ
る所謂逆向きの２信号系を利用し、双方の信号光の検出
面上のスポット位置からマスクとウェハの位置ずれ量を
検出している。

次に本実施例で用いている所謂逆向き２信号系の原理及
び構成要件等について第１４図を用いて説明する。

図中、１は第１の物体、２は第２の物体、２０５．２０
３は第１の信号光を得る為のアライメントマークであり
、各々第１物体１と第２物体２の上に設けである。同様
に２０６，２０４は第２の信号光を得る為のアライメン
トマークであり、同じく各々第１物体１と第２物体２の
上に設けである。

同図では説明の都合上２つの信号系を上下にずらしてい
るが実際はアライメントマーク２０５゜２０６は同一平
面上の異った領域に隣接して設けられている。アライメ
ントマーク２０５と２０６よりアライメントマーク２０
５ａを形成し、アライメントマーク２０３と２０４より
アライメントマーク２０３ａを形成してる。

各アライメントマーク２０３，２０４゜２０５．２０６
は１次元又は２次元のレンズ作用のある物理光学素子の
機能を有している。

２０７．２０８は前述の第１及び第２のアライメント信
号光束を示す。２１１，２１２は各々第１及び第２の信
号光束を検出する為の第１及び第２の検出部であり、物
体２からの光学的な距離を説明の便宜上同じ値りとする
。更に物体１と物体２の距離なδ、アライメントマーク
２０５及び２０６の焦点距離を各々ｆａｌｒｆａ２とし
、物体１と物体２の相対位置ずれ量をεとし、そのとき
の第１及び第２の信号光束重心の合致状態からの変位量
を各々Ｓ、、Ｓ２とする。尚、物体２０１に入射するア
ライメント光束は便宜上平面波とし、符号は図中に示す
通りとする。

信号光束重心の変位ｆｌ　ｓ　＋及びＳ２はアライメン
トマーク２０５及び２０６の焦点Ｆ、、Ｆ２とアライメ
ントマーク２０３，２０４の光軸中心を結び直線と、検
出部２１１及び２１２の受光面との交点として幾何学的
に求められる。従って、物体１と物体２の相対位置ずれ
に対して各信号光束重心の変位ｆｆ１ｓ＋、ｓｚを互い
に逆方向に得る為にはアライメントマーク２０３，２０
４の光学的な結像倍率の符号を互いに逆とすることで達
成できる。また、定量的には と表わせ、ずれ倍率としてβ＋＝Ｓ＋／εβ２＝３２／
εと定義できる。従って、ずれ倍率を逆符号とするには を満たせば良い。この内、実用的に適切な構成条件の１
つとして ｔ、＞ｌｆ、、＋１ ｆ　ａ＋／　ｆ　ａ２＜　Ｏ ｆ＝＋ｌ＞δ ｆａ□　　〉δ の条件がある。

即ち、アライメントマーク２０５，２０６の焦点距離ｆ
ａ、、ｆ、□に対して検出部までの距ｆｉＬを大きく、
且つ物体１．２の間隔δを小さくし、更にアライメント
マークの一方を凸レンズ、他方を凹レンズとする構成で
ある。

第１４図の−Ｆ側にはアライメントマーク２０５で入射
光束を集光光束とし、その集光点Ｆ、に至る前にアライ
メントマーク２０３に光束を照射し、これを更に第１の
検出部２１１に結像させているアライメントマーク２０
３の焦点距ｇ　ｆ　ｂ　Ｉはレンズの式 を満たす様に定められる。同様に第１５図の下側にはア
ライメントマーク２０６により入射光束を入射側の点で
あるＦ２より発散する光束に変え、これをアライメント
マーク２０４を介して第２の検出部２１２に結像させる
アライメントマーク２０４の焦点距離ｆｂ２は を満たす様に定められる。

以上の構成条件でアライメントマーク２０３、アライメ
ントマーク２０５の集光像に対する結像倍率は図より明
らかに正の倍率であり、物体２の移動εと検出部２１１
の光点変位ｆｆｌ　ｓ　＋の方向は逆となり、先に定義
したずれ倍率β、は負となる。同様にアライメントマー
ク２０６の点像（虚像）に対するアライメントマーク２
０４の結像倍率は負であり、物体２の移動εと検出部２
１２上の光点変位ｉ１　Ｓ　２の方向は同方向で、ずれ
倍率β２は正となる。

従って、物体１と物体２の相対ずれεに対してアライメ
ントマーク２０５，２０３の系とアライメントマーク２
０６，２０４の系の信号光束ずれＳ、、Ｓ２は互いに逆
方向となる。

第１３図（Ａ）に示す第５実力ζ例は以上の逆向き２信
号系の原理を用いて第１物体と第２物体の位置合わせを
行っている。

次に第１３図（Ａ）の第５実施例を説明する１、図中、
１は第１物体で、例えばマスクである。

２は第２物体で、例えばマスク１と位置合わせされるウ
ェハである。第１４図で示した各アライメントマーク２
０３，２０４と２０５，２０６は、例えば１次元あるい
は２次元のフレネルゾーンプレート等のクレーテインク
レンズより成り、それぞれマスク１面上とウェハ２面上
のスクライブライン１０．９上にアライメントマーク２
０５゜２０６は複数の領域に分割されてアライメントマ
ーク２０５ａとして、アライメントマーク２０３．２０
４は複数の領域に分割されてアライメントマーク２０３
ａとして設けられている。

２０７は第１光束、２０８は第２光束であり、これらの
光束（信号光束）２０７，２０８は不図示のアライメン
トヘッド内の光源がら出射し、所定のビーム径にコリメ
ートされている。

本実施例において、光源の種類としては半導体レーザー
、Ｈ，−Ｎａレーザー、Ａｒレーザー等のコヒーレント
光束を放射する光源や、発光ダイオード等の非コヒーレ
ント光束を放射する光源等である。２１１．２１２は各
々第１検出部と第２検出部としてのセンサ（充電変換素
子）であり、光束２０７及び２０８を受光する、例えば
１次元ＣＣＤ等より成っている。

本実施例では光束２０７及び２０８は各々マスク１面上
のアライメントマーク２０５ａに所定の角度で入射した
後、透過回折し、更にウェハ２面上のアライメントマー
ク２０３ａで反射回折し、。

センサ２１１．２１２面上に入射している。そしてセン
サ２１１，２１２で該センサ面上に入射したアライメン
ト光束重心位置を検出し、該センサ２１１．２１２から
の出力信号を利用してマスク１とウェハ２について位置
ずれ検出を行っている。

次にアライメントマーク２０３，２０４゜２０５．２０
６のパターン形状につし）て説明する。

アライメントマーク２０３，２０４，２０５゜２０６は
各々異った値の焦点距離を有するフレネルゾーンプレー
ト（又はグレーティングレンズ）より成っている。

第１３図（Ｂ）のアライメントマーク２０５ａはアライ
メントマーク２０５，２０６より成っており、第１４図
（Ｃ）のアライメントマーク２０３ａはアライメントマ
ーク２０３，２０４より成っている。

マークの寸法は各々スクライブライン９及び１０の方向
に５０〜３００μｍ、スクライブライン幅方向（ｙ方向
）に２０〜１００μｍが実用的に適当なサイズである。

本実施例においては光束２０７と２０８は、いずれもマ
スク１に対して入射角駒１７．５°でマスク１面への射
影成分がスクライブライン方Ｕ（Ｘ方向）に直交するよ
うに入射している。

これらの所定角度でマスク１に入射したアライメント光
束２０７及び２０８は各々グレーティングレンズ２０５
ａのレンズ作用を受けて収束、又は発散光となり、マス
ク１からその主光線がマスク１の法線に対して所定角度
になるように出射している。

そして、アライメントマーク２０５ａを透過回折した光
束２０７と２０８は各々ウニへ面２の鉛直下方１８４．
７２２８μｍ、鉛直上方１８８．４５４５μｍの点に集
光点、発散原点をもつ。このときのアライメントマーク
２０５ａの焦点距離は各々２１４．７２２８゜−１５８
，４５４５μｍである。又、マスク１とウェハ２との間
隔は３０μｍである、第１信号光束はアライメントマー
ク２０５ａのうちマーク２０５の作用で透過回折し、ウ
ェハ２面上のアライメントマーク２０３ａのうちマーク
２０３の作用で凹レンズ作用を受け、第１検出部として
のセンサ２１１面上の一点に集光している。このとき、
センサ２１１面上のへは光束がこの光束の入射位置の変
動量がアライメントマーク２０５，２０３のＸ方向にお
ける位置ずれ量、即ち軸ずれ量に対応し、かつその量が
拡大された状態となって入射する。この結果、入射光束
の重心位置の変動がセンサ２１１で検出される。

本実施例ではマスク１とウェハ２の位置ずれが０のとき
、即ちマスク１上のアライメントマーク２０５とウェハ
２上のアライメントマーク２０３とが共軸系をなしたと
き、アライメント光束の主光線のウェハ２からの出射角
入射面射影成分が１３度、ｘｚ面内射影成分が３度、又
、このときの出射光のウェハ２面上への射影成分かスク
ライブライン幅方向（ｙ方向）と直交した所定位置、例
えばウェハ２面から１８．６５７ｍｍの高さに位置して
いるセンサ２１１面上に集光するように設定している。

又第２信号光束はアライメントマーク２０５ａのうちア
ライメントマーク２０６の作用で透過回折し、ウェハ２
面上のアライメントマーク２０３ａのうちアライメント
マーク２０４の作用で結像点でのスポット位置を第１信
号光束と異なる方向に移動せしめ、かつ出射角入射面内
成分１３度、ｘｚ面内成分が一３度で出射・し、第２検
出部としてのセンサ２１２面上の一点に集光している。

以上のアライメントマークのレンズパラメータにより物
体１と物体２の相対位置ずれに対する検出部上の２つの
信号光束重心の変位量が１００倍で、且つ互いに逆方向
に設定できる。即ち、ずれ倍率β＋＝　１００．β２＝
＋１００となる。センサ２１１，２１２上に得られた光
束位置のＸ方向の移動量が、アライメントのずれ量を与
える。

アライメントのずれがＯの場合の２つの光束のスポット
２１１ａ、２１２ａのＸ方向の間隔りを設計値あるいは
実焼等によりあらかじめ求めておき、それに対する２つ
のスポット２１１ａ。

２１２ａの間隔の値のＤからのずれからＸ方向のアライ
メントずれが求まる。

本実施例においては物体２，３が傾斜することに起因す
る誤差を原理的に補償する利点がある。

本実施例においてウェハ面２が第１３図（Ａ）のｘｚ面
内で１　ｍｒａｄ傾斜したとすると、センサ２１１上で
は第１の信号光束２０７は約３７．３μｍ重心移動を起
こす。

一方、第２信号光束２０８も信号光束２０７との間でｙ
ｚ而と平行な対称面を有し、且つ光路長の等しい光路を
通るようにし、センサ２１２上では信号光２０７と全く
等しい重心移動を起こすようにしている。これによりセ
ンサ系では各々センサからの実効的重心位置の信号の差
を出力するように信号処理をすると、ウェハ面がｙｚ面
内で傾斜してもセンサ系からの出力信号は変わらない。

一方、ウェハがｙｚ面内て傾斜すると、２つの信号光束
２０７，２０８ともにセンサの長手方向と直交する幅方
向に重心移動を起こすが、これはセンサ上で検出する、
位置ずれに伴う光束の重心移動の方向と直交する方向な
ので、２光束でなくても実効的なアライメント誤差には
ならない。

更に、アライメント用光源、及び投光用レンズ系及びセ
ンサなどを内蔵するアライメントヘットが、マスク−ウ
ェハ系に対して位置の変動を起こした場合は１対１に変
化する。例えば、ヘッドなマスクに対して５μｍｙ方向
に移動したとすると、信号光はセンサ２１１上で５μｍ
の実効的重心移動を起こし、これに対してもせフサ２１
２上で全く等しく５μｍの重心移動を起こす。

従って、最終的なセンサ系からの出力、即ち、第１の信
号光の重心位置出力と第２の信号光の重心位置出力の差
信号は何ら変動しない。

又、ｚ％力方向位置の変動は２光束なくても本質的なア
ライメント誤差にはならないことがわかる。

以上の各実施例では第１物体と第２物体の水平方向の位
置検出をアライメント光束と参照光束の２つの光束を用
いて行った場合を示した。

本発明はこの他第１物体と第２物体に設けた２つのマー
クを用いて第１物体と第２物体の水平方向の位置検出と
共に対向する垂直方向の位置検出、即ち第１物体と第２
物体の間隔検出を行うことも可能である。

例えば第１．第２物体面上に設けた２種類のマークのう
ち一方の種類のマークより水平方向の位置検出を行う為
のアライメント信号を得、他方の種類のマークより垂直
方向の間隔信号を得、これより水平方向と垂直方向の双
方の位置検出を行うこともできる。

尚、このときは参照信号は第１物体と第２物体に設けた
他のマークから得るようにしても良く、又参照信号を用
いずに第１物体に対する第２物体の位置検出を行うよう
にしても良い。

第１５図は第１物体と第２物体との間隔検出を行う場合
の一部分を示す本発明の第６実施例の要部概略図である
。

本実施例では第１物体１面上に設けた２つの間隔検出用
マーク４．。＋５ｏｕｔを用いて第１物体と第２物体と
の間隔検出を行う場合を示している。

第１６図は第１４図の第１物体と第２物体近傍の拡大模
式図である。

第１５図、第１６図において１０１は光束で例えばＨ６
−Ｎ　ａレーザーや半導体レーザー等からの光束、１０
２は板状の第１物体で例えばマスク、１０３は板状の第
２物体で例えばウェハである。

４．。＋５０ＬＩｔは各々マスク１０２面上の一部に設
けた第１．第２物理光学素子で、これらの物理光学素子
４１ｎ＋　　５　ｏｕｔは例えば回折格子やゾーンプレ
ート等から成っている。１０７は集光レンズであり、そ
の焦点距離はｆｓであり、１６３は集光レンズ１０７の
光軸である。

１０８は受光手段で集光レンズ１０７の焦点位置に配置
されており、ラインセンサーやＰＳＤ等から成り、入射
光束の重心位置を検出している。

１０９は信号処理回路であり、受光手段１０８からの信
号を用いて受光手段１０８面上に入射した光束の重心位
置を求め、後述するようにマスク１０２とウェハ１０３
との間隔ｄｏを演算し求めている。

１００は光プローブであり、集光レンズ１０７や受光手
段１０Ｂ、そして必要に応じて信号処理回路１０９を有
しており、マスク１０２やウェハ１０３とは相対的に移
動可能となっている。

本実施例においては半導体レーザーＬＤからの光束１０
１（波長λ＝８３００１）をマスク１０２面一トの第１
フレネルゾーンプレート（以下ＦＺＰと略記する）４．
ｎ面上の点Ａに垂直に入射させている。そして第１のＦ
　Ｚ　Ｐ　４　ｉｎからの角度θ１で偏向する、即ち回
折する所定次数の回折光をウェハ１０３面上の点Ｂ　（
Ｃ）で偏向、即ち反射させている。このうち反射光１３
１はウェハ１０３がマスク１０２との間隔ｄ０の位置Ｐ
１に位置しているときの反射光、反射光１３２はウェハ
１０３が位置Ｐｌから距離ｄａだけ変位して、位置Ｐ２
にあるときの反射光である。

次いでウェハ１０３からの反射光を第１物体１０２面上
の第２のＦＺＰ５ｏｕｔ面上の点Ｄ（ウェハ１０３が位
置Ｐ２にあるときは点Ｅ）に入射させている°。

尚、第２のＦＺＰ５゜ｕｔは集光レンズのように入射光
束の入射位置に応じて出射回折光の射出角を変化させる
光学作用を有している。

そして第２のＦＺＰ５゜ｕｔから角度θ２で回折した所
定次数の回折光１６１（ウェハ１０３か位置Ｐ２にある
ときは回折光１６２）を集光レンズ１０７を介して受光
手段１０８面上に導光している。

そして、このときの受光手段１０８面上における入射光
束１６１（ウェハ１０３が位置Ｐ２にあるときは回折光
１６２）の重心位置を検出してマスク１０２とウェハ１
０３との間隔を演算し求めている。

本実施例ではマスク１０２面上に設けた第１゜第２のＦ
ＺＰ４ｉｎ、５゜、は予め設定された既知のピッチで構
成されており、それらに入射した光束の所定次数（例え
ば±１次）の回折光の回折角度θ１．θ２は予め求めら
れている。

第１７図はマスク１０２面上の第１．第２のＦＺＰ４□
。＋５０Ｌｌｔの機能及びマスク１０２とウェハ１０３
との間隔との関係を示す説明図である。

第１７図（Ａ）は物理光学素子４．。、５゜ｕｔの上面
図、第１７図（Ｂ）は物理光学素子４ｉｎ＋５゜、を通
過する光路をＢ方向から見た説明図、第１７図（Ｃ）は
同じくＣ方向から見た説明図である。

本実施例においては、第１のＦＺＰ４．。は単に入射光
を折り曲げる作用をしているが、この他収束、又は発散
作用を持たせるようにしても良い。

同図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｇ）に示すように第２
のＦＺＰ５　ｏｕｔは場所によって回折方向が少しずつ
変えられる構成になっており、例えば点１１１はマスク
１０２とウェハ１０３との間隔が１００μｍのときの出
射光束の重心透過点でマスク１０２とウェハ１０３との
間隔が増すにつれて出射光束の透過点は同図（Ａ）にお
いて右方に移動し、間隔が２００μｍになったときは点
１１２を透過するように設定している。

ＦＺＰのパターンは同図（Ａ）においてＢ方向には収束
、発散のパワーを持たせていないが光束の拡がりを調整
する為に持たせても良い。

本実施例ではＡ方向に対しては第１３図に示すように出
射角度５°方向に距離ｆＭ＝ｔｏｏｏμｍの位置に集光
するように第２のＦ　Ｚ　Ｐ　５　ｏｕｔに収束のパワ
ーを持たせている。

尚、第１７図においてマスク１０２とウェハ１０３との
間隔測定範囲を例えば１００μｍ〜２００μｍとした場
合には、これに対応させて第１第２のＦ　Ｚ　Ｐ　４　
ｉｎ＋　　５　ｏｕｔの領域の大きさを設定すれば良い
。

次に第１５図を用いてマスク１０２とウェハ１０３との
間隔を求める方法について説明する。

第１５図に示すように回折光１６１と回折光１６２との
交点Ｆからマスク１０２までの距離をｆＭとすると ＡＤ　　＝　　２ｄｏｔａｎ　　θ　ｌ　。

ＡＥ　＝　２（ｄｏ　＋　ｄ、）ｔａｎθｌ。

、’、　ｄ、４−　　ＤＥ　　−八Ｅ　　−ＡＤ　　−
２ｄＧｔａｎθ　ｌ　　・・−・−（３）ｄＭ−２−ｆ
Ｍ−ｔａｎθ２　　　　　　　　・・−−−・（４）で
ある。間隔がｄ。からｄ６だけ変化したときの受光手段
１０８面上における入射光の動きＨ８はＳ　＝　　２・
ｆｓ−ｔａｎθ２　　　　　　　　　・−・−（５）従
って（１）　、　（２）　、　（３）式よりとなる。

マスク１０２とウェハ１０３の単位ギャップ変化４ｉ１
に対する受光手段１０８面上の入射光束のずれｆ社ΔＳ
、即ち感度ΔＳは となる。

本実ｈｈ例では受光手段１０８面上の入射光束の位置ず
れＳを検出することにより、（６）式より距ｍ　ｄ　ａ
を求め、この値ｄ６よりマスク１０２に対するウェハ１
０３の所定間隔位置Ｐ１からの間隔すれ！■を求め、こ
れによりマスク１０２とウェハ１０３との間隔を測定し
ている。

マスク１０２とウェハ１０３は最初に例えば第１５図に
示すように基準となる間隔ｄ。を隔てて対向配置されて
いる。このときの間隔ｄ。は例えばＴＭ−２３ＯＮ　（
商品名：キヤノン株式会社製）等の装置を用いて測定さ
れている。

本実施例では第１のＦ　Ｚ　Ｐ　４　ｉｎに入射光を折
り曲げる偏向作用を持たせることで以下の様な効果を得
ている。

第１のＦＺＰ４．。からの出射光の角度θ１は（７）式
かられかる様に感度ΔＳを設定する為のパラメータとな
る。第１のＦＺＰ４．。が無くマスクの透過光を使用す
る状態ではこの角度θ１はマスクへの入射光の入射角、
即ち光源側の投射方向に致する。この場合、投光手段の
配置は感度ΔＳを考慮して制約を受ける。折り曲げ偏向
作用を有する第１のＦ　Ｚ　Ｐ　４　ｉｎを設けること
で投光手段からの入射角をどれだけに設計しても第１の
ＦＺＰ４□。の方で出射角を角度θ１にする様に簡単に
調整でき、これにより投光手段側の自由度を増している
。

又本実力＆例では第１のＦ２Ｐ４ｉｎに入射する光束の
大きさを第１のＦＺＰ４．。の大きさより大きくするこ
とにより、入射光がマスク面方向に多少変動しても第１
のＦＺＰ４．ｎからの出射する光束の状態か変化しない
ようにしている。

本実施例における感度ΔＳは集光レンズ１０７の焦点距
ｔｍ　ｆｓを３０ｍｍとすると（７）式より：］０００
０　　　　５０ ΔＳ・□・□−１５（μｍ／μｍ） ＋０００　　　　１００ となり、マスク１０２とウェハ１０３との間隔１μｍ当
たりの変化に対して、受光手段１０８面上の光束は１５
μｍ移動することになる。受光手段１０８として位置分
解能が０．３μｍのＰＳＤを用いると、原理的には０．
０２μｍの分解能でマスク１０２とウェハ１０３の間隔
を測定することが可能となる。

本実施例ではウェハ１０３の１つの位置に対する第２物
理光学素子５゜、からの回折光は、光軸１６３に対して
特定の角度をもって集光レンズ１０７に入射し、受光手
段１０８が集光レンズ１０７の焦点位置に設置されてい
るので光プローブ１００を光軸１６３上の、どの位置に
設置しても、又、光軸と垂直方向に多少ズしてぃても受
光手段１０８への入射光位置は不変である。これにより
光プローブの変動に伴う測定誤差の軽減させている。

但し、光プローブ１００の位置誤差がある程度許容され
ている場合や位置誤差が生じても別手段で補正された場
合には、受光手段１０８は集光レンズ１０７の焦点位置
に厳密に設置される必要はない。

尚、第１５図の実施例において集光レンズ１０７を用い
ずに第１８図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すように構成して
も第１５図の実施例に比べて受光手段１０８に入射する
光束が多少大きくなるが本発明の目的を略達成すること
ができる。

第１８図（Ａ）は第１５図の実施例において集光レンズ
１０７を省略したときの実施例の概略図である。

第１８図（Ｂ）は第１８図（Ａ）の実施例におけるマス
ク１０２面上の物理光学素子５゜、は入射光束に対して
一定方向に出射させる光学作用を有し、集光作用を有さ
ない実施例を示している。

具体的には物理光学素子、そして平行等間隔な線状格子
よりなる回折格子等が用いられる。この場合も第１８図
（Ａ）の実施例と同様、本発明の目的な略達成すること
ができる。

尚、第１８図（Ｂ）に示す実施例において回折格子５゜
ｕｔを省略し、ウェハ１０３から反射した光束がマスク
１０２を透過する様にし、この透過光を受光する位置に
受光手段を配置するようにしても良い。又第１８図（Ａ
）　、　（Ｂ）の入射側の回折格子４．。を省略し、光
源ＬＤからの入射光束がマスク１０２に入射する前から
マスク面法線に対して傾斜している様に構成しても良い
。

更に第１８図（Ａ）　、　（Ｂ）において、ウェハ１０
３上に回折格子を形成し、回折格子４．。からの回折光
を該回折格子で回折させて回折格子５゜ｕｔの方向に導
光する様に構成しても良い。

第１９図（Ａ）は本発明の第７実施例の要部概略図でる
。

本実施例では第１物体と第２物体の水平方向（横ずれ方
向）と垂直方向（間隔方向）の双方の位置検出を行うも
のである。

同図（Ｂ）は同図（Ａ）のマスク１面上のマークの配置
を示す概略図、同図（Ｃ）は同図（Ａ）のウェハ２面上
のマークの配置を示す概略図である。

同図（Ｂ）に示すマスク１面上には横ずれ信号検出用の
マーク５Ａ、５Ｂと間隔検出用のマーク４２１ｎＡ、４
２１ｎＢ、４２゜ｕｔＡ、４２゜ｕｔＢが面積的に分割
された複数の領域に設けられている。（ここでｉｎは入
射用、ｏｕｔは出射用を各々示している。） 又ウェハ２面上には横ずれ信号検出用のマーク３Ａ、３
Ｂが設けられ、間隔検出用のマークは光束が反射偏向す
る為の無地パターンから成っている。

水平方向の位置検出方法は以下の如くである。

アライメント光束７はマスク１上のグレーティングレン
ズＳＡ　（５Ｂ）を透過回折し、ウェハ２上のグレーテ
ィングレンズ３Ａ（３Ｂ）を反射回折することによって
、マスクとウェハとのずれ量に対応した量、かつ拡大さ
れた量だけ所定面への入射位置が変化する。

即ち、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倍の入射光束重心位置すれとしてグレー
ティングレンズ系の倍率で拡大変換されて、アライメン
トヘッド内の受光器１１に入射する。そして受光器１１
によりその光束の重心位置を検出している。

今、マスクｌとウェハ２とが平行方向にΔσ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３Ａ（
３Ｂ）で反射した光束の集光点までの距離をｂ、マスク
１のグレーティングレンズＳＡ　（５Ｂ）を通過してウ
ェハ２に入射する光束の集光点くあるいは発散原点）ま
での距離なａとすると検出面１１上での集光点の重心ず
れ量Δδは Δδ＝Δσｘ（−＋１）　　　　・・・・・・・・・（
ａ）となる。即ち重心ずれ量Δδは（ｂ　／　ａ　＋　
１　）倍に拡大される。

例えば、ａ　＝　０　、　５　ｍｍ、　ｂ　＝　５０　
ｍｍとすれば重心ずれ川Δδは（ａ）式より１０１倍に
拡大される。

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは（ａ
）式より明らかのように、比例関係となる。検出器１１
の光束入射位置検出分解能が０．１μｍであるとすると
位置ずれ量Δσ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量Δσ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。

検出面１１上の基準位置（第１．第２物理光学素子が位
置ずれのない状態のときの光束の重心位置）は以下の様
にして求める。まず第１物理光学素子５Ａ（５Ｂ）を有
する、例えばマスクを適当な位置に固定する。次に第２
物理光学素子３Ａ（３Ｂ）を有する、例えばウェハをマ
スクに対して適当な位置に配置する。このとき光束を第
１゜第２物理光学素子に入射させて、この状態における
検出面ｌｌ上での光束の重心位置を検出する。

次にこの状態で、例えばマスク上のパターンをウェハ上
に転写する。転写されたパターンを他の顕微鏡等で観察
し、ずれの量と方向を計測する。求めたずれ量及び方向
が（ａ）式における第２物理光学素子のずれΔσになる
。従って（ａ）式より前に検出した光束の重心位置が基
準位置よりどれだけずれていたか、即ちΔδが求められ
るので、このΔδと検出した重心位置から基準位置を逆
算する。

垂直方向検出（間隔検出）方法は第１５図に示した第５
実施例と同様である。尚、３９は間隔検出用のセンサー
である。

第２０図（Ａ）は本発明の第８実施例の要部概略図であ
る。

本実施例では第１物体と第２物体の水平方向く横ずれ方
向）と垂直方向（間隔方向）の双方の位置検出を行うも
のである。

同図（Ｂ）は同図（Ａ）のマスク１面上のマークの配置
を示す概略図、同図（Ｃ）は同図（Ａ）のウェハ２面上
のマークの配置を示す概略図である。

本実施例ではマスク（第１物体）とウェハ（第２物体）
が位置変化するとき受光手段１１゜１２．３９．４０面
上に入射する２つの光束が互いに逆方向に移動するよう
に各要素を設定し、この逆方向に動く２光束の間隔がそ
れぞれの方向の相対位置関係に対応するので、これを検
出して高精度な位置検出を行っている。この為、同図で
は各々の機能を有するマークを各々マスクとウェハに設
けている。

同図（Ｂ）に示すマスク１面上には横ずれ信号検出用の
マーク５Ａ１，５Ａ２．５Ｂ１，５８２と間隔検出用の
マーク４２．。ＩＡ、４２．。ＩＢ。

４２、ｕｔ　　Ｉ　Ａ、　　４２．ｕｔ　　Ｉ　Ｂ、　
　４２　＋。２Ａ。

４２ｉ、２Ｂ、４２．ｕｔ　２Ａ、４２゜、ｔ　２Ｂが
面積的に分割された複数の領域に設けられている。

（ここでｉｎは入射用、ｏｕｔは出射用を各々示してい
る。） 又ウェハ２面上には横ずれ信号検出用のマーク３Ａ１，
３Ｂ１．３Ａ２，３８２が設けられ、間隔検出用のマー
クは光束が反射偏向する為の無地パターンから成ってい
る。

水平方向の位置検出方法は第１図に示した第１実施例と
同様で、又垂直方向検出（間隔検出）方法は第１５図に
示した第５実施例と同様である。

尚、本発明においては第１物体ｌと第２物体２との間隔
及び第１．第２アライメントマーク、又は第１．第２参
照マークの開口の大きさに応じて各マークの屈折力を選
択するのが良い。

例えば、第１．第２アライメントマークの開口に比較し
て間隔が大きい場合は凸画系が良い。

又、逆に開口に比較して間隔が小さい場合は第１４図に
示す凹凸系、又は第１９図に示す凸凹系が良い。

更に第２１．第２２図に示すように第２アライメントマ
ークが第１アライメントマークよりも開口を大きくとれ
る場合は第２２図に示す凹凸系が良く、逆に第１アライ
メントマークが第２アライメントマークよりも開口を大
きくとれる場合は第２１図に示す凸凹系が良い。

以上の各実施例においては、透過型の物理光学素子につ
いて示したが反射型の物理光学素子を用いても同様に本
発明の目的を達成することができる。

第２３図は本発明の第９実施例の概略図である。本実施
例は所謂プロキシミテイー法による半導体製造用の露光
装置において、マスクとウェハとのアライメントを行う
位置合わせ装置に関し、特にそのうちのアライメント光
のみを示すものである。

第２３図において第１図で示した要素と同一要素には同
一符番な付しである。図中、１はマスク、２はウェハで
あり各々相対的な位置合わせを行う第１物体と第２物体
に相当している。５はマスク面上のマスクアライメント
パターンで第１物理光学素子に相当し、３はウェハ２面
上のウェハアライメントパターンで反射型の第２物理光
学素子に相当している。

同図において光源９１から出射された光束を投光レンズ
系９２で平行光束とし、ハーフミラ−９３を介してマス
ク用のアライメントパターン５を照射している。マスク
アライメントパターン５は入射光束をウェハの前方の点
Ｑで集光させるゾーンプレートより成っている。点Ｑに
集光した光束はその後発散し、ウェハ用のアライメント
パターン３に入射する。アライメントパターン３は反射
型のゾーンプレートより成っており、入射光束を反射さ
せマスクとハーフミラ−９３とを通過させた後、検出面
１１上に集光している。

これによりアライメント信号を得ている。尚、参照先に
よる参照信号も同様の方法で得ている。

（発明の効果） 本発明によれば第１物体と第２物体面上に前述のような
各々異った光学的性質を有する複数のマークを面積的に
分割した複数の領域に設けることにより、局′所的な基
板のそり等に１９９されない高績度な位置検出を可能と
した位置検出装置を達成することができる。

この他前述の実施例によれば前述の光学的性質を有する
第１．第２アライメントマークと第１゜第２参照マーク
を各々第１．第２物体面上に設け、各々のマークを介し
た光束を利用し、例えばアライメント信号と参照信号を
平均的に同一領域から同時に得ることにより、第１物体
としてのマスクと第２物体としてのウェハの位置合わせ
を行う際、次のような効果が得られる。

（イ）ウニへ面が傾斜するか、或はレジストの塗布むら
や、露光プロセス中に生じるそりなどのローカルな傾き
等によってアライメント光の重心位置が変動しても参照
信号光とアライメント信号光との相対的な重心位置検知
を行うことにより、ウニへ面の傾斜に左右されずに正確
に位置ずれを検出することができる。

（ロ）アライメントヘットの位置がマスクに対して相対
的に変動した為に、アライメント信号光のセンサ上の重
心位置が変動しても参照信号光とアライメント信号光と
の相対的な重心位置検知を行うことにより、アライメン
トヘッドの位置ずれに左右されずに正確にマスターウニ
へ間の位置ずれを検出することができる。

（八）更にマスクとウェハ間のギャップが変動して、信
号光のアライメントセンサ上のアライメント検知方向の
重心位置が変動しても参照信号光とアライメント信号光
との相対的な重心位置検知を行うことにより、ギャップ
変動に左右されずに正確に位置ずれを検出することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の概略図、第２．
第３図は各々第１図の光学作用の原理を示す説明図、第
４図は本発明における位置ずれ量と重心ずれ量との関係
を示す説明図、第５図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明に係
るマスク上のマークとウェハ上のマークのパターン説明
図、第６図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明に係るアライメ
ントマークによる点像の強度分布の説明図、第７図（Ａ
）　、　（Ｂ）は本発明に係るマスク用とウェハ用のマ
ークのパターン説明図、第８．第９．第１２．第１３図
は本発明の第２．第３．第４．第５実施例の光学系の概
略図、第１４図は第１３図の光学的作用の説明図、第１
０図は第９図におけるマークの点像の強度分布の説明図
、第１１図、第２１図、第２２図は第１図の一部分の一
変形を示す説明図、第１５図は本発明において間隔検出
を行う様子を示す第６実施例の要部概略図、第１６．第
１７．第１８図は第１５図の一部分の説明図、第１９図
、第２０図は各々本発明の第７．第８実施例の概略図、
第２３図は本発明をプロキシミティー法の半導体露光装
置に適用したときの第９実施例の概略図、第２４．第２
５図、第２６図は各々従来のゾーンプレートを用いた位
置合わせ装置の説明図、第２７〜第２９図は本発明の位
置ずれ検知方法の原理説明図である。 図中、１，１０２は第１物体（マスク）、２゜１０３は
第２物体くウェハ）、５．３は各々第１．第２アライメ
ントマーク、６，４は各々第１．第２参照マーク、７は
アライメント光、８は参照光、９．１０はスクライブラ
イン、１１は第１検出系（センサ）、１２，１０８は第
２検出系（センサ）である。 第 図 ン、７ 鵠 Ｇ 図 図 遍 図 （Ａ） 令 ■ （Ａ） 男 区 べ　　　　　　　７ｆ／／Δ 勇 図 第 図 第 図 （Ａ） ・レニ 第 図 図 め１３図（Ｂ） ６１３区（Ｃ） も 図 （Ｂ） 図 （Ａ） 第 ５Ａ２ ｆ）２０図（Ｂ） 第 図 夷 図 図 ：フ）−一−４−−＝ も 図 呟 ２つ 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体面上に第１１、第１２マークの少なくと
   も２つのマークを形成し、第２物体面上に第２１、第２
   ２マークの少なくとも２つのマークを形成し、該第１１
   マークに光束を入射させたときに偏向される光束を該第
   ２１マークに入射させ、該第２１マークで偏向される光
   束の位置を第１検出手段で検出し、該第１検出手段から
   得られる第１信号と該第１２マークに光束を入射させ、
   該第１２マークから偏向し射出した光束を該第２２マー
   クに入射させ、該第２２マークから偏向し射出した光束
   の位置を第２検出手段で検出し、該第２検出手段から得
   られる第２信号の双方の信号を利用して、該第１物体に
   対する第２物体の位置検出を行う際、前記第１１、第１
   ２マークが形成されている領域又は／及び前記第２１、
   第２２マークが形成されている領域のうち少なくとも一
   方の領域を複数の分割した領域より構成したことを特徴
   とする位置検出装置。
2. （２）前記第１１、第１２マークと前記第２１、第２２
   マークはいずれも物理光学素子より成り、前記第１信号
   に基づく光束と前記第２信号に基づく光束はいずれも前
   記マークのうち少なくとも１つのマークで少なくとも１
   回の回折作用を受けていることを特徴とする請求項１記
   載の位置検出装置。
3. （３）前記物理光学素子をグレーティングレンズの組み
   合わせより構成し、該グレーティングレンズの縞本数に
   応じて前記分割領域の幅を変えて構成したことを特徴と
   する請求項２記載の位置検出装置。
4. （４）前記第１信号と第２信号を利用して対向配置した
   前記第１物体に対する第２物体の水平方向における位置
   検出又は／及び双方が対向配置されている垂直方向の位
   置検出を行ったことを特徴とする請求項１記載の位置検
   出装置。
5. （５）所定の物体に対して対向して配置して位置検出を
   行う為の位置検出用物体であって、該位置検出用物体は
   その表面上の一部が複数の領域に分割されており、該複
   数の領域には位置検出用の光束が光学的作用を受ける光
   学的性質の異なる少なくとも２種類のマークが形成され
   ていることを特徴とする位置検出用物体。