JPH02165003A - 位置検出方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は１位置検出方法に関する。

（従来の技術） ２つの部材間の相対的な位置を検出する方法は幾つかあ
る。その中に振動型位置検出方法および差動スリット型
位置検出方法がある。これらの位置検出方法は、光電顕
微鏡等に応用されている。

振動型位置検出方法および差動スリット型位置検出方法
は、高い検出感度を得易いことから、最近では半導体製
造工程等の各種の自動位置決め工程の位置検出法として
利用されている。

振動型位置検出方法の原理を光電顕微鏡に利用した例を
用いて簡単に説明する。その基本構成は第１１図に示す
通りである。すなわち１図中１は光源、２は集束レンズ
、３はハーフミラ−１４は対物レンズ、５はマーク６の
付された被検査物。

７ぼスリット板、８は光電変換器、９はプリアンプ、１
０は同期検波回路、１１は発振器、１２は振動子、１３
は指示メータを示している。この例ではスリット板７を
振動させる機構として振動子１２を使用している。

マーク６によって反射された光は、ハーフミラ−３，ス
リット板７を通って光電変換器８で検出される。スリッ
ト板７が振動しているので、光電変換器８の出力信号の
波形は、マーク６の位置によって異なる。光電変換器８
の出力信号波形とマーク６の位ｆｆｉ　ｘとの関係を示
すと、第１２図（Ｓｌ）〜（Ｓ９）のようになる。第１
２図から判るように、出力信号の波形は振動周波数と等
しい周波数あるいはその倍周波数の同期信号となる。

そして、マーク６の位置がスリットの振動中心位置に一
致したとき、すなわち、（Ｓｓ）点では２倍の周波数の
信号となり、基本周波数成分がゼロとなる。この位置検
出方法では、基本周波数成分を同期検波回路１０で検出
している。マーク６の位置Ｘの変化に対して、基本周波
数成分ａｗがどのように変化するかを示したのが右図で
ある。この基本周波数成分の変化の仕方（出力特性曲線
）は、マークの幅、スリットの幅および振動振幅等によ
って変化するが、マーク６の位置がスリットの振動中心
に一致した（Ｓｓ）点ではゼロで、その前後で符号が逆
転する。したがって、同期検波回路１０の出力からスリ
ット板７と被検査物５との相対的な位置を検出できるこ
とになる。この方法では９両部材の相対的な位置の変化
に伴って同期検波回路１０の出力が上記のように変化す
るので、ゼロメータによる検出が可能であるばかりか。

サーボ系を駆動するような場合も有利である。

ところで、同期検波回路１０の出力、つまり出力特性曲
線の形は、マークの幅、マークのコントラスト、走査（
振動）振幅および照明の明るさ等によって変動する。し
たがって、正しい位置情報を得るには、その都度キャリ
ブレーションを行なう必要がある。そうしない場合には
、不正確な位置検出しか行なえないことになる。たとえ
ば、この位置検出方法で光露光工程に代表される半導体
製造′工程での位置検出を行なった場合を例にとると、
半導体製造工程では多種多様の処理工程を挟んで露光が
繰り返されるため、マークのコントラストが工程の違い
やレジスト条件の違い等により毎回異なり、その都度、
第１３図に示す如く出力ａｆｔ、ａｆ２．ａｆ３．ａｆ
、１のピーク値ＰＩ　ｒＰ２．Ｐ３．Ｐ４や傾きが異な
ったものとなる。

このように出力の形が異なると、出力のレベル値に基い
て位置検出を行なっていることからして正確な位置検出
を行なえないことになる。

そこで、このような不具合を解消するために。

工程の違いによるマークのコントラスト情報を予め計算
機に入れておき、この情報を基にして出力を補正する方
法が考えられる。しかし、この方法では、マークのコン
トラスト情報が予Ｍ１によるものであるため精度の高い
補正はできない。さらに。

上記出力は照度のふらつきによっても不安定になる。こ
のため、照度の安定性が十分得られない場合には、やは
り出力のピーク値および傾きが変化する。このような経
時的な変化は予測が難しいため、結局、出力を高精度に
補正することは困難となる。

一方、差動スリット型位置検出方法に関しても同様のこ
とが言える。第１４図は差動スリット型位置検出方法で
縮小投影露光装置のマスク・ウェハの位置合せを行なう
場合の例である。図中３１は第１の部材としてのマスク
、３２は縮小投影レンズ、３３は第２の部材としてのウ
ェハ、３４は移動テーブルである。位置信号検出系は、
レーザ光源４１．ＡＯＤ素子４３．ＡＯＤドライバ４４
、発振器４５．ハーフミラ−４７１反射ミラー４７′、
光電変換器５１．プリアンプ５２および同期検波回路５
３等から構成される。なお。

図示されてはいないが、マスク３１の上方に露光用の光
源が配置される。

マスク３１の下面には位置検出用の一対のマーク３５が
設けてあり、またウェハ３３の上面には位置検出用の一
対のマーク３６が設けである。マスクマーク３５は、第
１５図（ａ）に示す如く一対の長方形パターンを、その
長手方向と直交する方財に距離ｇ１だけ離して形成され
る。ウェハマーク３６も同様に、第１５図（ｂ）に示す
如く。

一対の長方形パターンを距離ｆＩ２　（ｇ２−Ｆｇ］）
だけ離して形成される。

上記構成において、レーザ光源４１から出射された光ビ
ームは、ＡＯＤ素子４３およびミラー４７．４７’を通
してマスクマーク３５に照射される。ここで、ＡＯＤ素
子４３によるビーム偏向量を適当に定めておき、マスク
マーク３５を交互に照明する。マーク３５を通過した光
ビームは投影レンズ３２を介してウェハ３３上に照射さ
れ。

ウェハ３３からの反射光が投影レンズ３２．マスク３１
およびハーフミラ−４７を介して光電変換器５１で受光
される。光電変換器５１の検出信号は、同期検波回路５
３によって交互の照射に同期して検波される。ここで、
マスクマーク３５の一方（Ａ領域）を照明したときと、
他方（Ｂ領域）を照明したときの光電変換器５１で得ら
れる位置ずれに対する出力特性は第１６図（ａ）に示す
如くなる。図から判かるように、Ａ領域とＢ領域の出力
最大（ピーク）位置が異なり、交わった点Ｐｏで２つの
光量がバランスする。

そこで、レーザ照射光の光路の途中にＡＯＤ素子４３を
設置し、この素子４３にＡＯＤドライバ４４で所定の高
周波信号を印加する。これによって、照射ビームの方向
が周期的に変化し、Ａ領域。

Ｂ領域を交互に照明することになる。この場合。

光電変換器５１の出力信号のＡＣ成分のみを考えると、
第１６図（ａ）に示す実線と破線との差が最大のときに
最大となり、バランス位置Ｐｏではゼロとなる。したが
って、同期検波を行って得た出力特性は第１６図（ｃ）
に示す曲線となり、２曲線が交わるバランス位置Ｐｏで
位置合わせを行うと、ゼロ点サーボが可能であるばかり
か、直線性の良い理想的な位置合わせが可能となる。し
かも２機械的な振動を与えずに同期検波型の位置検出が
可能となるため、ドリフト等の影響を受は難く、高精度
な位置検出が可能となる。

しかしながら、上述した位置検出方法においても、前述
した振動型位置検出方法と同様の問題か生ビる。すなわ
ち、半導体製造工程では多種多様の処理工程をはさんで
露光が繰り返されるため。

マークのコントラストが工程の違いやレジスト条件の違
い等により毎回異なり、結局、第１３図に示した状態と
ほぼ同様の結果しか得られないことになる。

このようなことから、最近では、より高精度な位置検出
を実現するために、信号のＡＧＣ（オートゲインコント
ロール二自動利得調節）を行い。

出力特性曲線の傾きを常に一定にする必要性が生じてき
た。ＡＧＣの方法としては、マークを常に一方向から近
づけ、出力特性曲線のピーク値が一定になるようにゲイ
ンをコントロールすることが簡単である。しかしながら
、この方法では、マークをある期間走査しながら検出を
行う必要があり。

位置検出時間の遅延につながり、装置のスルーブツトの
低下を招く。しかも、出力特性曲線のピーク値を検出す
る間の経時的な信号の変化に対応できず、短時間に精密
な位置検出を行なうことは困難である。

従来、リアルタイムでＡＧＣを行なう方法としては、信
号のＡＣ成分の実効値や波高値を検出し。

その値が常に一定になるようにゲインを調整する方法が
考えられている。しかしながら、振動型位置検出方法に
おける検出信号には、基本波成分だけではなく高次の周
波数成分が含まれており、またマーク位置によりそれら
の出力成分が大きく異なる等複雑な信号波形となる。し
たがって、このような方法では位置情報をなくさずに高
精度にＡＧＣを行うことが困難である。

一方、差動スリット型位置検出方法においては。

その検出信号は基本波成分のみの矩形波となるが。

そのＡＣ成分の大きさがマーク位置情報を持って現われ
る。この場合、ＡＣ成分の実効値や波高値が一定になる
ようゲイン調整することは１位置情報そのものを失うこ
とになるため１位置検出そのものが不可能となる。

（発明が解決しようとする課題） 上述の如く、従来の位置検出方法では、短時間に高精度
な位置検出を行なうことが困難であった。

そこで本発明は、検出時間や検出精度を損うことなく、
シかも入力位置信号のレベルが変化しても位置検出出力
特性を一定にできる位置検出方法を提供することを目的
としている。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、振動等により変調
された位置信号のピーク値が位置信号のレベルを代表す
る基準となり得ることを見い出した。

すなわち１本発明は、第１の部材にマーク部を設け、こ
のマーク部を介して得られるビームをマーク部材もしく
はスリットを有する第２の部材に照射し、この第２の部
材から得られるビームをビーム検出器で検出するととも
に上記ビームと上記第２の部材とを相対的に振動せし、
め、この振動に同期させて上記ビーム検出器の出力信号
を同期検波し、この検波出力を用いて上記第１の部材と
上記第２の部材との相対位置を検出する位置検出方法に
おいて、前記ビーム検出器の出力信号のピーク値を検出
して基準信号を作り、この基準信号で−［―記ビーム検
出器の出力信号を割算して得た信号を同期検波するよう
にしている。

（作　用） −ｈ記方法であれば、変調された位置信号のレベルが一
時的に変化しても、それを代表するピーク値に基いて作
られた基準信号で上記位置信号を割算して得られた信号
を同期検波しているので。

同期検波出力のレベルはおおよそ一定となる。したがっ
て、検出時間や検出精度を損うことなしに位置検出が可
能となる。

（実施例） 以下１図面を参照しながら本発明方法を説明する。

第１図は本発明を振動型位置検出方法に適用した例の概
略構成図である。

光源１および集束レンズ２等からなるビーム照射源から
放射された先ビームは、ハーフミラ−３および対物レン
ズ４を介して被検査物５（第１の部材）上に照射される
。被検査物５上には、たとえば直線状の位置検出用のマ
ーク６が形成されており、上記光ビームはマーク６の近
傍に照射される。光ビーム照射によるマーク６からの反
射光は。

対物レンズ４およびハーフミラ−３を介して上方に進み
、スリット板７（第２部材）の微小間隙７ａを通過して
光電変換器８で受光される。

光電変換器８で変換された検出信号は、プリアンプ９．
ＡＧＣ回路１４．同期検波回路１ｏを通って指示メータ
１３に出力される。ここで。

ＡＧＣ回路１４を除く他の構成および信号処理原理等に
ついては従来例で述べたものと同じであり。

その詳細な説明は省略する。従来と異なる点は。

ＡＧＣ回路］４で信号処理を行なわせるようにしたこと
にある。

第２図はＡＧＣ回路１４の概略構成を示すブロック図で
ある。入力信号は２つに分岐され、一方はバイパスフィ
ルタ２０を経由して割算器２３１；入る。これをＨとす
る。他方はピークディテクタ２１、リミッタ回路２２を
経由して割算器２３に入る。これをＰとする。割算器２
３はＨ／Ｐの演算を行ない、その結果を出力する。これ
がＡＧＣ回路１４の出力となる。

このＡＧＣ回路１４の動作を第３図を使って説明する。

入力信号はマーク６の位置に応じて様々な波形となるが
、第３図には第１２図における（Ｓ３　）　、　　（Ｓ
４　）　、　　（Ｓｓ　）点に相当する位置の信号だけ
が示しである。まず、（Ｓ３）の位置について考える。

前述の如く、入力信号のレベルはマーク部の反射率の違
い等による光量変化に対応して、■［入力信号コに実線
、破線、−点鎖線で示すような異なったものとなる。こ
の信号が）１イパスフイルタ２０を通ると、■［バイパ
ス出力コに示す波形となる。一方、ピークディテクタ２
１は、入力信号のピーク値が到来する度にピーク値を検
出してホールドし、■［ピークディテクタ出力］に示す
直流出力を送出する。ここで、光量変化に対する各々の
信号のレベル比は一定の関係となる。すなわち、■［バ
イパス出力コでは振幅（Ｐ−Ｐ値）が光量変化に応じて
変化し、■［ピークディテクタ出力］のレベルも光量変
化に応じて変化する。したがって１割算器２３で割算し
た結果は、■［割算器出力］に示すように光量変化に依
存しないＡＣ成分の波形となる。マーク位置（Ｓ、ｉ　
）　、　　（Ｓｓ　）についても、同様に考えることが
でき７割算器２３の出力は光量変化に依存しないＡＣ成
分の波形となる。図では省略されているが、マーク位置
（Ｓ６　）　、　　（Ｓ？　）においても同じ効果が得
られる。マーク位置（Ｓｌ）（Ｓ２　）、（Ｓ８）、（
Ｓｇ　）で得られる信号では、ＤＣ成分が小さくなるた
め１割算器２３の分母が許容値以下となることが考えら
れるが、この実施例ではリミッタ回路２２でこれを解決
している。すなわち、許容値以下の場合にはリミッタ回
路２２が一定値を出力し１割算器２３では許容値以下に
よる割算が行なわれない構成となっている。

このように構成されたＡＧＣ回路１４を経た信号に対し
て同期検波処理を行った結果の出力特性を第４図に示す
。この図での実線、破線、−点鎖線が第３図に対応した
入力信号の違い（光量変化による違い）を示している。

この図から判るように、特に位置検出で問題となるマー
ク位置（Ｓ３）〜（Ｓ７）の範囲では光量に違いが生じ
ても検出出力には違いが生じない。つまり、光量に違い
が生じてもＡＧＣの効果により１問題とすべき検出範囲
においてその検出出力は変化しない。

したがって、上述した位置検出方法では、光量の違いよ
って入力信号に変化があっても自動利得調整（ＡＧＣ）
された位置検出信号が得られことになる。このため、半
導体製造装置等における位置決めに適用すると絶大な効
果が得られる。

なお、本発明は上述した例に限定されるものではない。

第５図は縮小投影露光装置において、マスク・ウェハの
位置合せに差動スリット型位置検出方法を採用したもの
に本発明方法を適用した例を示す概略構成図である。

この例の場合もＡＧＣ回路１４を除く他の（１Ｍ成につ
いては従来例で示したものと同じであり、同一番号を付
してその説明は省略する。

この例において、前述した第３図に相当する入力信号お
よび検出信号の変化は第６図に示すようになる。入力信
号の波形としては、第３図の場合と異なりＡＣ成分はす
べて矩形波成分のみ−・となる。

しかし、ピーク値のレベルは光量変化に応じて変化して
おり、■［バイパス出力コを■［ピークディテクタ出力
］で割算することにより、第３図の場合と同様のＡＧＣ
効果が働く。つまり得られる出力信号は光量変化に係わ
らない矩形波成分のみとなる。

したがって、この例の場合も光量の違いによって人力信
号レベルに変化が生じても自動利得調整（ＡＧＣ）され
た位置検出信号が得られ、高精度な位置検出および位置
合せが可能となる。

第７図はＡＧＣ回路の変形例であり、このＡＧＣ回路１
４ａが第２図に示すＡＧＣ回路と異なる点は割算器２３
の分母に入力する信号から予め求めた所定のオフセット
量を減算すべく減算器２５を付加したことにある。この
ように減算器２５を付加した目的は、入力信号が第８図
に示すようにオフセットを含んでいる場合に対応するた
めである。このオフセットの原因としては、遮断しきれ
ない外部からの光の影響や電気回路で生じるノイズ等が
考えられる。このオフセット量を予め測定しておき、減
算回路２５でピークディテクタ２１の出力成分からオフ
セット量を差引く。その結果１割算器２３の分母に人力
する成分には。

オフセットが含まれないことになる。したがってオフセ
ット量によって位置検出の精度が低下するのを防止でき
ることになる。

なお、オフセット量の測定方法としては、入力光をカッ
トした状態で信号（人力信号）のレベルを測定すればよ
い。また、これをリアルタイムで行うには、ＷＲ動数に
比べて十分に高い周波数で輝度変調をかけること等が考
えられる。第９図は輝度変調をかけたときの入力信号波
形の例であり。

変調信号に同期してＶｌ−Ｖ２を測定すれば、オフセッ
ト量を求めることができる。

前記各側ではマークのパターン形状としては通常用いら
れる１本の直線状のパターンの場合で説明し゛たが、こ
のマークパターン形状は第１０図に示すような格子状の
ものであってもよい。

また、前記光ビームを振動させるためのスリット板を光
入射側、つまりビーム照射源とマークとの間に配置する
ようにしてもよい。さらに、検出光として反射光の代り
にマークおよび試料を通過した透過光を用いることも可
能である。また、ビーム照射源は光の代りに電子ビーム
を放射するものであってもよい。この場合、ビームの振
動手段としては電子ビームを偏向すればよい。さらに。

検出ビームとしては反射電子、２次電子あるいはＸ線等
を用いればよい。その他２本発明の要旨を逸脱しない範
囲で２種々変形して実施することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、比較的簡単な手段
でマークや試料の反射率の違い等によって起こる位置検
出特性の劣化を防止でき、検出時間や検出精度を損なう
ことなしに位置検出特性を常に一定化できる。したかっ
て、多種にわたる工程を経た試料に対して、高い精度で
マーク位置を検出したり位置合せすることかでき、たと
えばう 半導体製造工程等においてそ猫効果はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を振動型光電顕微鏡の位置検出に適
用した例を説明するための概略構成図。 第２図はＡＧＣ回路の具体的構成を示すブロック図、第
３図はＡＧＣ効果を説明するための信号波形図、第４図
は入力信号のレベルが変化したときのＡＧＣ回路による
特性曲線の変化を示す波形図。 第５図は本発明方法の別の適用例を説明するための概略
構成図、第６図は同側におけるＡＧＣ効果を説明するた
めの信号波形図、第７図はＡＧＣ回路の変形例を示すブ
ロック図、第８図はオフセットを含んだ入力信号の波形
図、第９図は輝度変調をかけたときの入力信号の波形図
、第１０図はマークパターンの変形例を示す平面図、第
１１乃至第１６図は従来方法を説明するための図である
。 １・・・光源、２・・・集束レンズ、３・・・ハーフミ
ラ−４・・・対物レンズ、５・・・被検査物（試料）、
６・・・位置検出用マーク、７・・・スリット板、８・
・・光電変換器、９・・・プリアンプ、１０．５３・・
・同期検波回路。 １１．４５・・・発振器、１２・・・振動子、１３・・
・指示メータ、１４，１４ａ−ＡＧＣ回路、２０−／−
イバスフィルタ、２１・・・ピークディテクタ、２２・
・・リミッタ回路、２３・・・割算器、２５・・・減算
器。 ２６・・・オフセット設定回路、３１・・・マスク、３
２・・・投影レンズ、３３・・・ウェハ、４１・・・レ
ーザ光源。 ４３・・・音響光学偏向素子（ＡＯＤ）。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 第 図 第 図 第 図 入カイ宮号 第 図 入カイ言号 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の部材にマーク部を設け、このマーク部を介
   して得られるビームをマーク部材もしくはスリットを有
   する第２の部材に照射し、この第２の部材から得られる
   ビームをビーム検出器で検出するとともに上記ビームと
   上記第２の部材とを相対的に振動せしめ、この振動に同
   期させて上記ビーム検出器の出力信号を同期検波し、こ
   の検波出力を用いて上記第１の部材と上記第２の部材と
   の相対位置を検出する方法において、前記ビーム検出器
   の出力信号のピーク値を検出して基準信号を作り、この
   基準信号で上記ビーム検出器の出力信号を割算して得た
   信号を同期検波するようにしたことを特徴とする位置検
   出方法。
2. （２）前記ビームとして光を用いている請求項１に記載
   の位置検出方法。
3. （３）前記基準信号は、前記ピーク値から所定のオフセ
   ット量を減算したレベルの信号である請求項１に記載の
   位置検出方法。
4. （４）前記所定のオフセット量は、位置検出用信号とは
   無関係に混入する信号成分である請求項３に記載の位置
   検出方法。
5. （５）第１の部材に所定の距離ｌ＿１だけ隔てて一対の
   長方形パターンあるいは回折格子状パターンからなる第
   １のマーク部を設け、第２の部材に所定の距離ｌ＿２だ
   け隔てて一対の長方形パターンあるいは回折格子状パタ
   ーンからなる第２のマーク部を設け、上記第１のマーク
   部に光ビームを一定周期で交互に照射し、上記第１のマ
   ーク部から上記第２のマーク部を経由して得られる光ビ
   ームを光電変換器で検出し、この光電変換器の出力信号
   を光ビーム照射の周期に同期させて同期検波し、この検
   波出力に基いて上記第１の部材と第２の部材との相対的
   な位置ずれ量を求める位置検出方法において、前記光電
   変換器の出力信号のピーク値を検出して基準信号を作り
   、この基準信号で上記光電変換器の出力信号を割算して
   得た信号を同期検波するようにしたことを特徴とする位
   置検出方法。
6. （６）前記基準信号は、前記光電変換器の出力信号のピ
   ーク値から位置検出には無関係な外乱光成分、回路によ
   って決まる成分等のオフセット量を減算したレベルの信
   号である請求項５に記載の位置検出方法。