JPH0361804A - 基板の位置合わせ装置 - 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］ 本発明は平板状の対象物を結像光学系の焦点位置に合わ
せる位置合わせ装置に関し、特に集積回路を作るための
半導体ウェハ上はマスクの回路パターンを転写するため
の露光装置において、つ工ハとマスクの間隙を設定する
のに適した位置合わせ装置に関する。

［従来の技術］ マスクと半導体ウェハ（以下ウェハと称する）を近接さ
せた状態で、マスク上のパターンをウェハ上の感光層に
転写する装置として、軟Ｘ線を用いたＸ線露光装置があ
る。

このＸ線露光装置においては、マスクとウェハ間の間隙
、すなわちプロキシ泉ティ・ギャップが所定値からずれ
ると、転写されたウェハ上のパターンに倍率誤差又は歪
が生じ、多数の層を焼き付ける場合に、ウェハ上に焼き
付けられた層に対して、新たに焼き付けるパターンが位
置ずれを起してしまう。第１図はこれを説明する為の従
来のＸ線露光装置の概略の構成系統図である。

Ｘ線発生用ターゲット１の点２に集束した電子ビーム（
不図示）を入組させてそこからＸ線を発生させ、発生し
たＸ線を距離■２だけ離してマスク３に入射させ、マス
ク３上のパターンをウェハ６」＝のレジストに転写する
場合、点２からマスク３の面に下した垂線の足を点４と
し、この垂線がウェハ表面を通る点を７とする。尚、通
常は点４がマスク３の面の中心と一致する。マスク３と
ウェハ６の、マスク３上の周辺の点５はおけるギャップ
量をｇｋし、点４と点５の距離がａであったとする。こ
のときマスク３上の点５はつＸハロ上に点８として転写
されるが、点８の点５に対する横シフト量△は近似的に Δ＝ｇ　（ａ／Ｌ）　　　　　　　・・・・・・（１）
と表わせる。

こでｇの値がδｇだけ誤差を持った場合の横シフト量Δ
からのずれ量δ△は式（１）よりδΔ＃δｇ　（ａ／Ｌ
）　　　　　・・・・・・（２）で表わせる０例えばＬ
＝　２００＋ｎｍ、　　ａ　＝　２０ｍｍ。

δｇを４μｍとすればδ△は０．４μｍとなり、所定の
転写位置から　０．４μｍずれてしまう。このδΔの量
はサブミクロン線幅（１μｍ以下）の転写を行なうＸ線
露光装置はおいては許容できないものである。

従来より、このようにギャップの設定には、（１）機械
的にマスクεウェハを接触さぜた後にギャップの距離だ
け離す方法、（２）２つの静電容量型ギャップセンサー
により、マスク面辷つェ八面を横に離した状態でギャッ
プを検出し、設定する方法、及び（３）マスクに固定さ
れた静電容量型ギャップセンサーを用いてギャップを検
出し、設定する方法、等が考えられている。

［発明が解決しようヒする課題］ このうち（１）の方法は、マスク又はウェハに傷をつけ
る恐れがあり、ゴミがマスクとウェハの間に存在すると
ギャップが所定の価にならないし、またウェハやマスク
の弾性の為にギャップの設定精度が悪いという欠点かあ
。（２）の方法はマスクとウェハが露光される状態にお
ける位置では計測できないので、露光時のギャップを測
定できない欠点を持つ。又（３）の方法ではマスク１枚
毎じギャップセンサーを較正しなければならないので手
数がかかる欠点がある。さらに容量型ギャップセンサー
を用いた共通の欠点としては、マスクのパターンが転写
される位置でマスクとクエへのギャップがわからないこ
Ｊ二、及び電気伝導度の悪いｓｏｓ　ｃシリコン・オン
・ザファイア）等の基板に対しては使用不可能なことが
挙げられる。

本発明は、従来の欠点を解決して、マスクとクエへ等の
２つの基板の間隔を目標値に設定するために、マスクや
ウェハの位置を対物レンズ等の結像光学系を用いて、露
光転写する時と同じ状態で検出して、マスクやウェハが
結像光学系の焦点位置にくるように制御する方式を採用
した位置合わせ装置を提供することを目的とするもので
ある。

さらに本発明は、結像光学系の焦点位置にマスクやウェ
ハを設定する過程で生じる誤検出を低減させた装置を提
供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の位置合わせ装置は、部分的に反射特性を有する
光透過性の第１基板と、該第１基板と平行に配置される
光反射性の第２基板とが所定間隔で対向するように、前
記第１基板と第２基板とを該基板面ヒ垂直な方向に位置
合わせする装置において、 前記第１基板を介して前記第２基板に光束を照射すると
共に、前記第１基板と第２基板の夫々からの反射光を入
射するように配置された結像光学系と、 該反射光に基づいて、前記結像光学系の第１合焦面と、
該第１合焦面に対して、前記所定間隔だけ前記結像光学
系から離れた第２合焦面とのいずれか定前記基板が位置
したとき、検知信号を出力する合焦検出手段と、 前記第１基板と前記結像光学系とを相対的に光軸方向に
移動させる第１駆動手段と、 前記第２基板と前記結像光学系とを相対的に光軸方向に
移動させる第２駆動手段と、 前記合焦検出手段の検知信号に基づいて前記第１駆動手
段を作動させる状態と、 前記検知信号に基づいて前記第２駆動手段を作動させる
状態とを選択する制御手段、 とを備えてなるものである。

本発明のひとつの好ましい態様では、前記制御手段は、
前記第１基板が前記結像光学系の第１合焦面に一方向か
ら近づくように前記第１駆動手段を制御した後、前記第
２基板が前記結像光学系の第２合焦面に一方向から近づ
くように前記第２駆動手段を制御するように構成されて
いる。

［作　用］ 本発明の基板の位置合わせ装置においては、結−像光学
系の二つの合焦面に対して各々第１と第２の基板の合焦
位置が前記合焦検出手段によって検出される。例えば第
１基板が第１合焦面に位置するか否かを表わす第１信号
と、第２基板が第２合焦面に位置するか否かを表わす第
２信号とが前記合焦検出手段から別々に得られる。第１
信号が非合焦の場合、第１駆動手段が第１基板を結像光
学系（対して相対的に光軸方向へ移動させ、第２信号が
非合焦の場合は第２駆動手段が第２基板を移動させ、こ
れらの移動状態の選択は前記制御手段により行われる。

このようにしてひとつの合焦検出手段を第１基板の位置
合わせと第２基板の位置合わせとじ選択的に切替えて利
用するので、両基板が擬似信号の発生によって誤った位
置に設定されることがなく、また両基板同志の衝突も生
じない。

［実施例］ 次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第２図は本発明の実施例による位置合わせ装置のブロッ
ク図であり、レーザ光源９から射出したレーザ光はビー
ム径変換器１０により光束の径を変えられ、光偏向器１
１に入射する。光偏向器１１によって偏向された光束は
三光束化光学系１２及びリレー光学系１３を通り、ビー
ムスプリッタ−１４を経て、本発明の結像光学系として
の集光走査レンズ１５に入射する。このような構成の照
射手段の集光走査レンズ１５によって光束は二つの異な
る面に結像する光束２０及び光束２１となり、それぞれ
別の平板物体、すなわち光束２０はマスク１６のパター
ン１６ｂ側の面１６ａ（以下、パターン面１６ａとする
）の位置を検出するのに用いられ、光束２０と共軸な光
束２１はウェハ１７の表面１７ａの位置を検出するのに
用いられる。従フて、マスク１６とウェハ１７が所定の
ギャップとなったとき、光束２０はマスク１６のパター
ン面１６ａに結像し、光束２１はウェハ１７の表面１７
ａに結像する。

光束２０及び光束２１の集光点は、光偏向器１１の働き
でパターン面１６ａ及び表面１７ａに平行な面内で動く
ように走査される。第２図においては光束２０及び光束
２１はマスク１６の不透明なパターン１６ｂに入射して
いる。不透明なパターン１６ｂはチタン及び金の二層の
薄膜から形成されているので光の反射率が高く、鏡面と
して作用する。

光束２０．２１の入射点がパターン１６ｂからはずれた
位置に移動した様子を第３図に示しであるが、この場合
には光束２０．２１はマスク１６だけでなく、ウェハ１
７の表面１７ａにも到達する。ウェハ１７の表面１７ａ
は鏡面として働く。

コノ時マスク１６の透明なパターン面１６ａも入射光の
一部を反射する。マスク１６のパターン１６ｂ１パター
ン面１６ａ又はウェハ表面１７ａによって反射された光
は、再び集光走査レンズ１５を通り、ビームスプリッタ
−１４に、ｊ：って入射時の光路ε分岐され、ビームス
プリッタ−２５の方へ送られる。

ビームスプリッタ−２５は入射光束を光束２０用のマス
ク焦点検出光学系２６Ｍと、光束２１用のウェハ焦点検
出光学系２６Ｗ茫分割する働きをする。”ｑスフ焦点検
出光学系２６Ｍは光束２０の反剣光を結像させて、マス
ク１６上に形成された光束２０のスボ＝＋トｉの焦点ず
れを検出するための光学系で、ご（７）スポット像の情
報光は光電変換部２．７　Ｍに送られる。−ウェハ焦点
検出光学系２６Ｗも、同様に光束２１の反射光を結像さ
せて、ウェハ１７上に形成された光束２１のスポット・
像の焦点ずねを検出する為の光学系であり、このスポッ
ト像の情報光は光電変換部２７Ｗに送られる。

２３は基型発振器であり、光偏向器１１用の駆動回路２
４及び信号処理部２８へ基準クロック信号ＣＬを供給し
、信号処理部２８はこのクロック信号Ｃ１、に基づいて
光束２０．２１のマスク１６及びウェハ１７上における
位置情報を得る。充電変換部２７Ｍ及び２７Ｗの出力信
号は処理部２８に送られ、、信号処理部２８は、マスク
１６ヒ集光走査１ノンズ１５の間隔ヒを検出する。尚、
集光走査ｌノンズ１５は２つの光束２０．２１の結像位
置がギＱ　ｎ７１分だけ光＠力向ムー゛離わるように、
開口数（Ｎ、Ａ）が十分に大きく焦点深度もギャップよ
り小さくされている。

第４図は第２図におけるブ【１ツク図のうち光学系を具
体的「示したものであり、第２図のレーザ光源！］は２
：ζでは半導体レーザとし、ビーム径変換器１０はンリ
メータ１．・ンズとしである４、但し、本発明を実施す
る「唸必ずＬ６も半導体レーザを用いる必要！ｔ　ｔ、
ｃ　＜、ヘリウムネオンレーザ等の気体１７−ザでも使
用できる。また平行に近い光束を出す１ノ−ザ光源を用
いる場合（は、ビーム径変換器１０としてビームイクス
バンダーを用いることになる。

第４図においてコリメータレンズ１０によって平行にな
った光束は、矢印３３の向きに紙面内で回転振動する光
偏向器１１ヒしてのガルバノ之う−により角度偏向され
る。偏向された平行光束は、レンズ３４によって小さく
集光され、ビームスプリッタ−３５に達する。この実施
例では第２図に示した光偏向器１１をガルバノミラ−と
して示しているが、他の種類の偏向器、例えば回転ポリ
ゴンミラー、超音波偏向器等を用いてもよい。

さて、ビームスプリッタ−３５はレンズ３４からの集光
光束を二つの光束に分離し、分けられた二つの光束は、
−旦、位置４０．４１に集光したのち、それぞれ反射鏡
３６．３７で反射され、ビームスプリッタ−４３により
再び同一の光学系を共有するように瓜ね合わされる。こ
こで、反射鏡３７を通る光束の光路長が、反射鏡３６を
通る光束の光路長よりも、等偏曲に短かくなるように平
行平板ガラス４２が入れられている。このガラス４２の
厚さによって、二つの光束２０．２１の結像位置の間隔
が決定される。ビームスプリッタ−４３で共軸さなるよ
うに重ね合わされた光束は、レンズ４４で再びほぼ平行
光束となり、ビームスプリッタ−１４を介して集光走査
レンズ１５によって結像される。尚、上記レンズ４４で
ほぼ平行光束はなるとしたが、反射鏡３６からレンズ４
４に一至る光路長と、反射鏡３７からレンズ４４に至る
光路長が平行平板ガラス４２のため異なるので、厳ｇ（
は重ね合わされた三光束は平行とはならない。そして集
光走査レンズ１５を射出１〕た光束は光束２０及び光束
２１となって異なった面内に各々微少スポットＬして結
像される。光束２０と光束２１の結像面の間隔は、平行
平板ガラス４２の厚さと、レンズ４４及び集光走査１／
ンズ１５の焦点距離の関係で決まるので、適当な平行平
板ガラスの選択により所定の値にすることができる。こ
の所定の値をｇ＆ＩＩ’Ｐぶ。ｇは設定すべきマスク１
６とウェハ１７の間のギャップ量に一致させておく。

ビームスプリッタ−３５とビームスプリッタ−４３の間
の二つの光路長の設定誤差の影響が考えられる場合Ｃは
１、平行平板ガラス４２の厚さを調節可能とすればよい
、また、ここでは平行平板ガラスの挿入によって走路差
をつける例を示しているが、他の方法、例えば反射鏡３
７とビームスプリッタ−４３による光軸の曲がり角を変
えて走路差をつける方法も考えられる。

さて、光束２０．２１はガルバノ主う−１１によってマ
スク１６やウェハ１７上で矢印４５のように紙面内を左
右方向に同時に走査駆動される。

その光束２０．２１はマスク１６あるいはウェハ１７で
反射され、集光走査レンズ１５を逆入射し、ビームスプ
リッタ−１４で反射されてレンズ４７に達する。このレ
ンズ４７を通った光束２０．２１の反射光はビームスプ
リッタ−２５で二つに分割される。ビームスプリッタ−
２５で反射されたほうの光束２０．２１の反射光は、さ
らにビームスプリッタ−４８Ｍで二つに分割されて、所
定の結像面５３ＭＡ、５３ＭＢ上にそれぞれ結像する。

この際、結像面５３ＭＡ、５３ＭＢは、光束２０がマス
ク１′６上に結像したときに、マスク１６上のスポット
光の像が結像する位置に予じめ定められている。すなわ
ち、光束２０の結像面と結像面５３Ａ、５３Ｂとは共役
に定められている。

もちろん、光束２１のウェハ１７での反射光もレンズ４
７を通り、ビームスプリッタ−２５で反射されるが、光
束２１の結像面と結像面５３ＭＡ、５３ＭＢとは共役に
ならず、光束２１のウェハ１７上のスポット像は結像面
５３ＭＡ、５３ＭＢとは異なる面に結像する。

一方、光束２０．２１のマスク１６やウェハ１７での反
射光のうち、ビームスプリッタ−２５を透過したほうの
光束は、ビームスプリッタ−４８Ｗでさらに二つに分割
され、所定の結像面５３ＷＡ、５３ＷＢ上に結像する。

この際、結像面５３ＷＡ、５３ＷＢは、光束２１がウェ
ハ１７上に結像したときに、ウェハ１７上のスポット像
が結像する位置に予じめ定められている。すなわち、光
束２１の結像面と結像面５３ＷＡ、５３ＷＢとは共役に
定められている。

もちろん、光束２０のマスク１６での反射光もビームス
プリッタ−２５を透過してくるが、光束２０のマスク１
６上のスポット像は結像面５３ＷＡ、５３ＷＢとは異な
る面に結像する。

さて、所定の結像面５３ＭＡの後方には格子部材４９Ｍ
Ａが配置され、所定の結像面５３ＭＢの前方には格子部
材４９ＭＢが配置される。格子部材４９ＭＡ、４９ＭＢ
は互いに周期′の等しい格子であり、透明平板上に光透
過部と不透過部とを周期的にストライブ状に配列したパ
ターンが形成されている。

また格子部材４９ＭＡと結像面５３ＭＡの間隔と、格子
部材４９ＭＢと結像面５３ＭＢの間隔とは、互いに等し
く定められている。このため、結像面５３ＭＡ、５３Ｍ
Ｂ上にスポット像が結像すると、格子部材４９ＭＡと格
子部材４９ＭＢ上では、結像面５３ＭＡ、５３ＭＢ上の
スポットサイズよりもやや大きなスポット像が形成され
る。さらに、スポット像はガルバノ亙う−１１の振動に
よって結像面５３ＭＡ、５３ＭＢ上を矢印５０ＭＡ、５
０ＭＢのように往復移動するが、格子部材４９ＭＡ、４
９ＭＢは格子の配列方向がスポット像の往復移動方向と
一致するように配置される。

さて格子部材４９ＭＡと格子部材４９ＭＢ上の透過部を
通過したスポット像の光束は、それぞれ集光レンズ５１
　ＭＡ、集光レンズ５１ＭＢによって検知器２７ＭＡ及
び検知器２７ＭＢに集光されて光電変換される。

以上はマスク面の検出系について説明したが、クエへ面
の検出系も同様である。

光束２１はウェハ１７で反射した後、光束２０の反射光
と同様に結像される。これらの光束はウニへ面の検出用
であり、所定の結像面５３ＷＡ。

５３ＷＢ上に結像するが、格子部材４９ＷＡと格子部材
４９ＷＢが、マスク面の検出系と同様に互いに等しい周
期のストライプパターンで出来ており、所定の結像面５
３ＷＡと格子部材４９ＷＡの間隔と、結像面５３ＷＢと
格子部材４９ＷＢの間隔とは互いに等しく、結像面５３
ＷＡ、５３ＷＢに対して相前後して置かれている。

格子部材４９ＷＡ％格子部材４９ＷＢを透過したウェハ
１７からのスポット像の光束は、集光レンズ５１　Ｗ　
Ａ％染先光レンズ５１　Ｗ　Ｂによって集光され、検知
器２７ＷＡ、２７ＷＢによって光電変換される。もちろ
ん、ビームスプリッタ−２５を透過した光束２１のスポ
ット像は結像面５３　ＷＡ、５３ＷＢ上を矢印５０ＷＡ
、５０ＷＢのようじ往復移動する。

ここで第２図におけるマスク黒点検出光学系２６Ｍは第
４図においてはｌノノズ４フ、ビームスプリッタ−４８
Ｍ、格子部材４９ＭＡ、４９ＭＢ５集光Ｉ／ンズ５１Ｍ
八及び５１ＭＢより構成さね、第２図におけるウェハ焦
点検出光学系２６Ｗは、第４図においてはレンズ４７、
ビームスプリッタ−４８Ｗ１格子部材４９ＷＡ、４９Ｗ
Ｂ。

集光レンズ５１ＷＡ、及び５１　Ｗ　Ｂより構成されて
いる。

次に、第５図及び第６図を用いてマスク１６及びウェハ
１７社対する焦点検出の原理についても説明する。マス
クに対しても、ウェハに対しても焦点検出の基本原理は
同じであるので、本実施例ではマスクの焦点検出につい
てのみ説明する。

第５図（ａ）はマスクの焦点検出光学系の模式図であり
、第４図においてビームスプリッタ−４８Ｍで分けられ
た２つの光束をひとつに合成して示したものである。尚
、ビームスプリッタ−１４の使い力が第４図とは異なる
が、説明を部層にするためこのようにした。

ビームスプリッタ−１４を介して入射してきたレーザ光
源９からの平行光束は集光走査レンズ１５から光束２０
ヒして射出し、点５７にスポット光として結像されてい
る。この際、点５７より集光走査１／ンズ１５ヒ反対側
にｄだけ離れた位置（、マスク１６の反射面、例えばパ
ターン面１６ａがあったとする。尚、その反対面はマス
ク１６の不透明部を形成する金属膜の表面であっても良
いし、マスク１６の支持体である透明部の表側、裏側の
とちらかの表面、又は透明部の厚さが焦点深度より薄い
場合、その中間的な面であってもよい。但ｌ）、透明部
を用いる場合は、光束を入射させる位置に不透明部が形
成されていないことが必要であるし、マスク１６の支持
体の厚さは１〜２μｍのものが最もよく使用され、焦点
深度のできるだけ浅いような集光状態を実現しようとし
ても実用的には焦点深度の限界が１〜２μｍであるので
、実際にはマスク支持体の透明膜両面からの反射光束が
重なったものとして観測される。第５図（ａ）では簡単
の為にマスク支持体の両面を１つの反射面で表わしパタ
ーン面１６ａｈする。パターン面１６ａにより点５７の
鏡像が、パターン面１６ａからｄだけ離れた点５９にで
きると考えられる。そこで、光束２０はパターン面１６
ａで反射して光束６２となり、集光走査レンズ１５に入
射する。その光束６２、すなわちスポット像の光束は、
ビームスプリッタ−１４、及びレンズ４７によって格子
部材４９ＭＢ上に微小なスポット像として結像される。

点５７に共役な点は所定の結像面５３ＭＡ、５３ＭＢ上
に一致する。そこで格子部材４９ＭＢと結像面５３ＭＡ
、５３ＭＢとのずれ量をｅとし、集光走査レンズ１５と
結像レンズ４７の熱煮距離をそれぞれｆ　ｌ＋ｆ　２と
するＬｅ　＝　２　　（ｆ　ｚ／ｆ　＋）２・ｄ　　　
　　　＝・＝　（３）と表わされる。

また格子部材４９ＭＢは第５図（ｂ）に平面図で示した
ように、光の透過部６９ａと不透過部６９ｂとが格子状
に周期的に配列されており、ｆｊ、Ａ部６９ａヒ不透過
部６９Ｎ）の輻は、第５図（ａ）のようにスポット像が
格子部材４９ＭＢ上に結像したときのスポットサイズε
はぼ等しく定められている。

さて、ガルバノミラ−１１の働きじより、光束２０が矢
印４５の方向にマスク１６のパターン面１６ａを走査す
ると、格子部材４９ＭＢ上のスポットは矢印６４の方向
に走査される。従って第５図（ｂ）のように格子部材４
９ＭＢ上のスポット７０は矢印７１の方向に移動し、透
過部６９ａを通過する時には入射光がほぼ全部透過し、
不透過部６９ｂを通過する時はほぼ全部遮断される。

第６図（ａ）は第５図（ａ）の結像状態の時に、検知器
２７ＭＢが受光する透過光量に対応した充電出力信号の
大きさを縦軸に表わし、横軸に時間ｔを示したもので、
スポット７０の移動速度に応じた周波数の交流信号波形
７３が得られる。この時の波形７３の最大値と最小値の
差を２□１とする。

次にパターン面１６ａが点５７の位置にある場合には、
結像されたスポット像は所定の結像面５３ＭＡ、５３Ｍ
Ｂ上にでき、格子部材４９ＭＢ上のスポットサイズは大
きくなる。従って第５図（ｂ）に示した格子部材４９Ｍ
Ｂの透過部６９ａ１不透過部６９ｂの幅よりスポットサ
イズが少し大きくなって、得られる信号波形は第６図（
ｂ）に示す波形７５となり、最大値と最小値の差２．２
は２１より小さくなる。さらにパターン面１６ａが点５
７からｄだけ集光走査レンズ１５側に近づいた点６０を
含むように位置に来ると、スポット像は格子部材４９Ｍ
Ａ上に結像し、格子部材４９ＭＢ上のスポットサイズは
さらに広くなる。従って格子部材４９ＭＢの透過部６・
９ａを通る光量は小さくなり、検知器２７ＭＢの出力信
号は第６図（Ｃ）に示した波形７７のよう（なり、この
時の最大値と最小値の差２１．は２．２よりさらに小さ
くなる。

尚、第６図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）で、それぞれの状態
のときに信号の振動中心は変らず、検知器の光電素子上
にはスポット像の振動中にわたり常に光があったている
。このため振幅が小さくなっても、すなわち合焦状態か
ら大きくずれて、振動中心に対応したＤＣレベルの光電
出力信号が得られ、換言すれば検知器の光電素子にバイ
アス光が照射された状態となるので、検知器の光電変換
の応答性を改善できることになる。

検知器２７ＭＢの出力信号の変化を第７図に示す。第７
図は横軸にパターン面１６ａの集光走査レンズ１５に対
する光軸方向の位置Ｚを示したグラフで、縦軸（は出力
信号の波形の最大値と最小値の差の半分、すなわち振幅
をとっである。尚、横軸の０点は光束２０が結像する点
５７とパターン面１６ａとが一致したときの位置を表わ
し、パターン面１６ａが０点よりもレンズ１５側に位置
したときを正（しである、パターン面１６ａが−ｄの位
置にある時、出力信号の振幅はａｌである。またパター
ン面１６ａが０点に一致すると、第６図（ｂ）に示した
ように振幅はａ２である。

さらに第６図（Ｃ）　に示したようにパターン面１６ａ
が＋ｄの位置にあると振幅はａ３である。

従って、パターン面１６ａが連続的に集光走査レンズ１
５に近づく時、振幅の変化は波形７９のようになる。

一方、第５図（ａ）に示した格子部材４９ＭＡによるス
ポット像の検出は、格子部材４９ＭＢと同様に検知器２
７ＭＡによっても行なわれる。この時、検知器２７ＭＡ
の出力信号の振幅変化は、第７図に破線で示したように
、波形７９と相似で、かつ波形７９に対してＺ方向にシ
フトした波形８３として得られる。波形８３の０点での
振幅は波形７９の振幅ａ２とほぼ等しく十ｄの位置にお
いて最大の振幅ａ、となる。従って第４図に示したよう
にビームスプリッタ−４８Ｍで強度がほぼ等しい三光束
に分け、二つの格子部材４９ＭＢ及び４９ＭＡを所定の
結像面５３ＭＡ、５３ＭＢの前後（光軸方向に、所定路
＠ｅだけ離して配置すると、検知器２７ＭＢと検知器２
７ＭＡの両光型出力信号の振幅変化は、第７図に示した
波形７９及び波形８３のようになる。

次に上記検出光学系を用いた自動焦点検出の信号処理系
を第８図のブロック図に基づき説明する。

まず検知器２７ＭＡ及び２７ＭＢ　（第４図）の光電出
力信号は、各々プリアンプ８４Ａ、８４Ｂによって増幅
されてバンドパスフィルタ８５Ａ。

８５Ｂに人力される。このバンドパスフィルタ８５Ａ、
８５Ｂは、第６図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）に示したよう
に、信号の基本周波数成分を選択的に通過させるもので
ある。

変調成分検出回路８６Ａ、８６Ｂは、バンドパスフィル
タ８５Ａ、８５Ｂの出力信号を入力して第６図（ａ）　
（ｂ）　（ｃ）に示した波形の変調成分の最大値と最小
値の差の半分、すなわち振幅値を出力する。

第２図における基準発振器２３からの信号ＣＬは、光走
査に同期した信号で、サンプルホールド回路８７Ａと８
７Ｂに対して変調成分検出回路８６Ａと８６Ｂからそわ
ぞれ出力されるｆｓ号をサンプルし、ホールドするタイ
ミングを制御する。

ここでサンプルホールド回路８６Ａ、８６Ｂが用いられ
る理由は、光偏向器の種類によっては光偏向に使用でき
ない時間があったり、又マスク上で鏡面的に光束を反射
させる領域が限られていたりして、自動焦点検出の為の
信号を得る時間が周期的な光偏向器の動作のうちで限ら
れていたりするからであり、変調成分検出回路８６Ａ、
８６Ｂからの出力信号が得られる間Ｃサンプルし、そう
でない間はホールドされる。

引算器８９はサンプル・ホールドされた岡山力信号の差
を演算し、その出力信号９０は第９図のようなＳカーブ
信号９２となる。

第９図で縦軸は第８図の出力信号９０の大きさを表わし
、検知器２７ＭＢの出力信号の振幅と検知器２７ＭＡの
出力信号の振幅とが等しくなった時に零５なる。また第
９図で横軸は第７図のグラフの横軸と同一に定められて
いる。

この時はマスク１６と集光走査レンズ１５の間隔が所定
の値になり、集光走査レンズ１５から射出する光束２０
がマスク１６のパターン面１６ａに合焦したこヒになる
や従ってＳカーブ信号９２の零点０が得られるようにマ
スク１６と集光走査レンズ１５の光軸方向の相対位置を
制御すればよい。

ここで第８図において変調成分検出回路８６Ａ、８６Ｂ
は信号の最大値と最小値の差を検出するものとしたが、
全波整流又は半波整流とローパス回路を組み合わせて変
調成分の大きさを抽出しても同等の効果が得られる。

また第８図Ｃは示していないが、サンプルホールド回路
８７Ａと８７Ｂの出力値を加算して、その値で引算器８
９の出力値を割れば、マスクの反射率が変化しても第９
図のＳカーブ信号９２の形は変わらなくなり、すなわち
自動利得制御が行なえるようになる。このような自動利
得制御により、第９図の零点Ｏの付近におけるＳカーブ
信号９２の直線部９４は常に一定の傾きとなり、出力信
号９０の値からマスク１６と集光走査レンズ１５との間
隔がわかり、ギャップ制御をする場合に有利である。

尚、光束２１の焦点検出用の検知器２７ＷＡ。

２７ＷＢの出力信号についても、第８図のブロックと同
様の回路で処理され、ウェハ１７と集光走査レンズ１５
との間隔が検出される。

以上の説明は１つの光束がマスク１６に入射している場
合の焦点検出の説明であったが、実際Ｃはウェハ検出用
の光束２１もマスク１６に同時社入射している。このた
め、以下に述べるような原信号の発生が問題ヒなる。本
発明は、その原信号の発生によって、焦点合わせ（ギャ
ップ設定）が誤動作しないようにしたものである。

第１０図（ａ）はマスク検出用の光束２０及びウェハ検
出用の光束２１が同一の光軸を通って集束している様子
を模式的じ示した図であり、光束２０はマスクの設定さ
れるべき面９５上に結像し、光束２１はウェハの設定さ
れるべき面９７に結像している。従って面９５と面９７
の間隔はマスク検出用への所定のギャップ量ｇ＆なって
いる。ここに鏡面ヒしてのマスク１６が集光走査レンズ
１５に近づくように光軸方向に沿って移動した場合を考
える。第１０図（ｂ）は′ｓ８図に示したマスク１６の
焦点検出系の検出信号の大きさを縦軸に示したもので、
横軸はマスク１６の光軸方向の位置を表わしたものであ
る。マスク１６をレンズ！５の方へ移動し、マスク１６
が面９６の付近に来ると、光束２１の反射光が面９５の
付近は集束され、Ｓカーブ信号１００のような擬ｆ８号
が現われ、面９５の付近にマスク１６がきたときに始め
て真のＳカーブ信号１０１が現われる。従ってマスク１
６の設定の時には原信号１ｏＯを誤って真の信号１０１
と見なさないようにしなければならない。そこで本実施
例では、例えば一定レベル１０４と、Ｓカーブ信号の大
きさとを比較する比較器を設け、マスク１６をプラスＺ
方向（レンズ１５に近づく方向）に移動してい（時に、
第１回目にＳカーブ信号が一定レベル１０４を越えた時
は原信号１００であるとして無視し、第２回目に一定レ
ベル１０４を越えた時に始めて真のＳカーブ信号１０１
であると認識して真の、信号１０１を利用し始める構成
とする。

以上でマスク１６に対する焦点検出について説明をした
が、ウェハ１７に対してもマスク１６に対するのと同様
の方法で検出が行なえる。ただしクエ！７の検出におい
ても大きく異なるのはマスク１６の透過部分でしか検出
が行なえないとう点である。

ウェハ１７の焦点検出においても第１０図（ａ）と（ｂ
）を用いて説明したように、二つの光束２０と２１が入
射している為に縦信号が生じる。第１０図（Ｃ）はウェ
ハ１７の検出信号であり、ウェハ１７の表面が面９７の
付近ヒある時は真のＳカーブ信号１０５が得られるが、
面９６の付近ではマスク検出用の光束２０の反射光がウ
ェハ１７用の焦点検出系に入り、縦信号１０６が現われ
る。

従ってマスクの検出の場合と同様（縦信号１０６を真の
信号と区別する必要がある。そこでウェハ１７をレンズ
１５から十分に離した位置からプラスＺ方向にマスク１
６へ近づけるように移動させるとき、一定のレベル１０
９とＳカーブ信号の大きさを比較する比較器を用いて、
Ｓカーブ信号がはじめて一定レベル１０９を越えた時に
真のＳカーブ信号１０５であることを検出すればよい。

また、マスク１６やウェハ１７を移動する駆動装置をＳ
カーブ信号を用いてサーボ制御するとき、サーボ運動の
誤動作等によりＳカーブ信号が零となってしまった場合
には、ウェハ１７を再びマイナスをＺの方向に離してか
ら、上述のように真のＳカーブ信号１０５を捜せばよい
。

第１１図は以上で説明したマスク１６とウェハ１７に対
する焦点検出系を用いてマスク１６とウェハ１７のギャ
ップを設定する装置の実施例を示す機能ブロック図であ
る。マスク１６の下に破線で示したウェハ１７があり、
それぞれマスク姿勢制御部１１６及びウェハ姿勢制御部
１１７により、独立して傾き及び紙面に垂直な向きの位
置ＺをＩＩＪａされる。三つの検出光学系１１２Ｌ、１
１２Ｒ，及び１１２Ｙはそれぞれ第２図に示した検出光
学系から成り、各検出光学系から射出する二つの光束２
０．２１の結像位置の間隔はすべて一定値ｇに設定され
ている。

１５Ｌ、１５Ｒ及び１５Ｙは第２図や第４図で集光走査
レンズ１５として示した例えば顕微鏡で、○印はマスク
１６やウェハ１７上のギャップを検出する位置を表わす
。直交座標系の軸ｘ、ｙに対し、集光走査レンズ１５Ｌ
と１５Ｒの両光軸はＸ軸上Ｃ１集光走査レンズｆ５Ｙの
光軸はｙ釉上に載っている。そして、その三つのレンズ
の位置は、円形のマスク１６またはウェハ１７をほぼ三
等分する位置に定められ、ウェハ１７またはマスク１６
の中心ＯＩから互いＣ等距離で離心するようになされて
いる。

尚、第１１図において集光走査レンズ１５Ｌと１５Ｒの
両中心を結ぶ線分（Ｘ軸）は、マスク１６（又はウェハ
１７）の中心ＯＬを通っていないが、本発明ではこの線
分が中心Ｏ１を通るように集光走査レンズ１５Ｌ、１５
Ｒの配置を決めることを妨げるものではない、但し、線
分（Ｘ軸）が中心０１を通るように集光走査レンズ１５
Ｌ。

１５Ｒを配置した場合も、やはり中心Ｏ１から各集光走
査レンズ１５Ｙ、１５Ｌ、１５Ｒの各中心までの距離を
互いにほぼ等しく定めておくのがよい。

検出光学系１１２Ｌ、１１２Ｒ，１１２Ｙの各光電検知
器からの出力信号は第８図の回路を含む演算部１１４に
送られて処理され、演算部１１４の出力はｉｌＪ御部１
１５に伝えられてマスク姿勢制御部１１６及びウェハ姿
勢制御部１１７を介してマスク１６とウェハ１７のギャ
ップ設定に用いられる。尚、姿勢制御部１１６，１１７
はマスク１６とウェハ１７を各々座標軸Ｘとｙを中心に
して回転させると共虻、上下方向に移動する機構を備え
ている。マスク１６及びウェハ１７を所定のギャップに
設定する前に、三つの検出光学系から射出するマスク検
出用の光束２０の結像位置は同一のＺ座標値（紙面と垂
直な方向の位置）を持つように調整されている。マスク
１６をそれぞれの検出光学系のマスク検出用の光束２０
の結像位置上配置するには、マスク１６を下方から一定
速度＋Ｚ方向（集光走査レンズ１５１．、、　１５Ｒ，
１５Ｙに近づく方向）に上昇させていき、検出光学系１
１２Ｌ、１１２Ｒ，１１２Ｙの少なくεもひとつの光束
２０がマスク１６に結像するようにする。それは演算部
１１４中の各検出処理回路のＳカーブ信号のうち、第１
０図（ｂ）のような真のＳカーブ信号１０１を検出する
ことによって行なわれる。三つの検出光学系のうちひＬ
つによって真のＳカーブイ３号１０１を検出したならば
、次に他の検出光学系によっても真のＳカーブ信号１０
１を検出するような探索動作が行なわれる。この探索動
作は演算部１１４、制御部１１５の制御のもとに、マス
ク１６の姿勢を変えることによって行なわれる。

次の表Ａは、この探索動作の時じ制御すべきマスク１６
の回転軸と回転方向及びＺ軸方向の上下動を示したもの
である。尚、表Ａ＆：おいてり。

Ｒ，Ｙは１１２Ｌ、１１２Ｒ，１１２Ｙを省略して記し
たもので、真のＳカーブ信号が検出された検出光学系を
示し、Ｘ軸及びＸ軸中心の回転、２軸の移動についでは
マスク１６の姿勢側御装置１６によって独立に行なえる
ようになっているので、それぞれの動きＣついて示した
。但し、回転軸の回転方向は各座標軸ｘ、ｙを負方向側
から正方向側を見た場合の向きとして示されており、第
１１図に表わしたように、時計方向の回転をＣＷ、反時
計方向の回転をＣＣＷとした。

また、各回転軸の動忽の速さｈｚ軸方向の移動の速さは
一定の関係は定められており、−度、真のＳカーブ信号
を捕えた検出光学系が、マスクのその位置を逃すこεの
ないように、マスクの姿勢が制御される。

この表Ａにおいて、マスク１６を上昇させていったとき
、最初に真のＳカーブ信号を検出した検出光学系が１１
２したったヒすると、マスク姿勢制御装置１１６はマス
ク１６のＸ軸中心の回転を停止したまま、Ｘ軸中心にＣ
ＣＷの回転を行ないつつ、Ｚ方向の上昇を行なう。この
ようにすると、検出光学系１１２ＬによってＳカーブ信
号が検出されたまま、他の検出光学系１１２Ｒ，１１２
Ｙによっても真のＳカーブ信号が捕えられる。

このたき２番目に検出光学系１１２Ｒによって真のＳカ
ーブ信号が検出されると、その時点でマスク姿勢制御装
置１１６はマスク１６のＸ軸中心の回転を停止したまま
、ｘｉｈｈ中心にＣＷの回転を行ないつつ、Ｚ方向の上
昇を続ける。これによって最後に検出光学系１１２Ｙに
よっても真のＳカーブ信号が検出される。

以上のような探索動作は三つの検出光学系１１２Ｌ、１
１２Ｒ，１１２Ｙが全ての真のＳカーブ信号を捕えるε
終了し、次に制御部１１５は真のＳカーブ信号の零点を
含む直線部分を用いたサーボ動作に切り換えられる。

三つの検出光学系１１２Ｌ、１１２Ｒ，１１２ＹＣよっ
て検出されたＳカーブ信号の直線部分の出力電圧をそれ
ぞれＶＬ、Ｖ、、ＶＹとすると、ｙ＠中心の回転は時計
回り（ＣＷ）に（■□−■、５）に比例した量だけ行な
い、Ｘ＠中心の回転は時計回り（ＣＷ）に（１／２　（
Ｖ　ｂ亭Ｖ　Ｒ）　−Ｖ　Ｊ　Ｃ比例した量だけ行ない
、Ｚ軸方向の移動はｌ／３（ｖＬ＋ｖｌｌ＋ＶＹ）Ｃ比
例した量だけ行なう。以上の動作でマスク１６の設定が
終了する。

ウェハ１７の設定の時はマスク１６は一定値だけプラス
２の方向Ｃ平行に移動され、ウェハ１７が大きく傾いて
も接触しないような位置で待機する。ウェハ１７の設定
もマスク１６の設定と全く同様に行なわれる。ウェハ１
７の表面が、検出光学系１１２Ｌ、１１２ＦＬ、１１２
Ｙからの、光束２１の各結像点を含む面と一致したらマ
スク１６を待機している位置からマスナスＺの方向に平
行に移動して、マスク設定の位置にもどす。最後にマス
ク１６及びウェハ１７の両方の姿勢制御をＳカーブ信号
を用いたサーボ・ループ制御によってＦ！密に行ない、
マスク１６とウェハ１７のギャップが所定値ｇに設定さ
れる。

以上、本実施例を説明したが、要するに本実施例では、
第１０図に示したように、２つの光束２０．２１に対し
て反射性基板（マスク１６でもウェハ１７でもよい）を
光軸方向に位置合わせする際、焦点検出光学系２６Ｍと
光電変換部２７Ｍを使ってマスク１６を検出する動作と
、焦点検出光学系２６Ｗと光電変換部２７Ｗを使ってウ
ェハ１７を検出する動作とを選択的に、又は同時に実行
することができる。

マスク１６とウェハ１７とを集光走査レンズ１５の下に
はじめにセットする場合は、光電変換部２７Ｍ、２７Ｗ
からの信号が、セットすべき基板に対応して択一的に使
用され、両基板が真のＳカーブ信号（１０１，１０５）
の範囲内に補足された後は、充電変換部２７Ｍ、２７Ｗ
の両方の信号が同時に使用されて、両基板はより精密な
ギヤツブ値ｇ＆：追い込まれることになる。

以上に述べた実施例は、プロキシミテイ露光装置のギャ
ップ制御の場合であるが、本発明はマスクやレチクルの
パターンをウェハ上に投影して露光する投影露光装置に
おいても同様に適用し得る。この場合、投影光学系が結
像レンズ１５に相当する。

また、上記実施例で、格子部材の透過部と遮光部のスリ
ット幅は、スポット像の最小の大きさと等しく定めたが
、これはスポット像の合焦状態からのずれに対する検出
信号の振幅変化が最も大きくなり、ダイナミックレンジ
が広がるからである。しかしながら、格子部材の透過部
と遮光部を合わせた幅、すなわち格子の１周期の幅より
もスポット像が小さけれ−ば、振幅変化として焦点位置
が検出できる。

また格子部材は、透過部（あるいは遮光部）と反射部と
をスリット状に交互に配列したものでもよい。

さらに前述の実施例においてスポット光は円形スポット
としたが、これは円形スポットに限らず、格子部材のス
トライブに平行に合わせて、細長い帯状のスポットを用
いるようにしてもよし）。

この場合、例えば照明光学系中に円柱レンズを配置すれ
ば帯状スポットを容易に得ることができる。

［発明の効果］ 以上、本発明によれば２つの基板を対向させるように位
置合わせする際、結像光学系を介してそれら基板からの
反射光を受光して焦点合わせする合焦検出手段を、一方
の基板（マスク）を光軸方向に駆動して位置合わせする
動作と、他方の基板（ウェハ）を光軸方向に駆動して位
置合わせする動作とに選択的に切り替えて利用できるよ
うにした。このため、５２つの基板が擬信号の発生によ
って誤った位置に設定されることがなくなり、２つの基
板の衝突が防止される。

さらに合点検出手段は結像光学系を介して２つの基板を
同時に焦点合わせすることもでき、２つの基板の間隔を
厳密に設定するときには、同時検出に切り替えることで
迅速な位置合わせが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はパターンの位置ずれを説明するための従来のＸ
線露光装置の概略の構成を示す系統図、第２図は本発明
の実施例の構成を示すブロック図、第３図は前図の一部
について異なる状態下の様子を示す模式光路図、第４図
は第２図における光学系の具体的構成例を示す光路図、
第５図（ａ）はマスクの焦点検出光学系の一例を示す模
式光路図、第５図（ｂ）は格子部材を部分的に拡大して
示す模式平面図、第６図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）はマス
ク焦点検出光学系の検知器による焦点前後での光電出力
の経時変化を示す線図、第７図はマスクパターン面の集
光走査レンズに対する光軸方向の位置（横軸）と前記検
知器の光電信号の振幅（縦軸）との関係を示す線図、第
８図は本実施例における自動焦点検出信号処理系の構成
例を示すブロック図、第９図は前図の信号処理系の出力
の振幅と前記マスクパターン面位置との関係を示すＳ字
特性線図、第１０図（ａ）はマスク検出用とウェハ検出
用の両光束の集束状況をマスク面近傍に関して示した模
式光路図、第１０図（ｂ）　（ｃ）はウェハとマスクの
各焦点検出信号の大きさを光軸方向の位置に関して示す
線図、第１１図はマスクおよびウェハの焦点検出系を用
いてマスクとウェハのギャップを設定する装置の実施例
を示す機能ブロック図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ９：レーザ光源、１０：ビーム径変換器、１１、光偏向
器、１２：三光束化光学系、１３：リレー光学系、１４
：ビームスブリッタ−１５＝集光走査レンズ、１６：マ
スク、１７：ウェハ、２０．２１：光束、２３二基準発
振器、２４：駆動回路、２５：ビームスブリツタ−２６
Ｍ：マスク焦点検出光学系、２６Ｗ：ウェハ焦点検出光
学系、２７Ｍ、２７Ｗ：光電変換部、２７ＭＡ。 ２７ＭＢ、２７ＷＡ、２７ＷＢ：検知器、２８：信号処
理部、３４ニレンズ、３５＝ビームスプリッタ−３６，
３７：反射鏡、４２：平行平板ガラス、４３：ビームス
ブリツタ−４４，４７：レンズ、４８Ｍ、４８Ｗ：ビー
ムスブリッタ−４９ＭＡ、４９ＷＡ、４９ＷＢ：格子部
材、５１ＭＡ、５１ＭＢ、５１ＷＡ、５１ＷＢ：集光レ
ンズ、５３ＭＡ、５３ＭＢ、５３ＷＡ。 ５３ＷＢ：結像面、６９ａ：光透過部、６９ｂ：光不透
過部、７０ニスポツト像、８４Ａ、８４Ｂ：ブリアンプ
、８５Ａ、８５Ｂ＋バンドパスフイルタ、８６Ａ、８６
Ｂ：変調成分検出回路、８７Ａ、８７Ｂ＋サンプルホ一
ルド回路、８９：引算器、１１２Ｌ、１１２Ｒ，１１２
Ｙ：検出光学系、１１４：演算部、１１５：制御部、１
１６：マスク姿勢制御部、１１７：ウェハ姿勢制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）部分的に反射特性を有する光透過性の第１基板と
   、該第１基板と平行に配置される光反射性の第２基板と
   が所定間隔で対向するように、前記第１基板と第２基板
   とを該基板面と垂直な方向に位置合わせする装置におい
   て、 前記第１基板を介して前記第２基板に光束を照射すると
   共に、前記第１基板と第２基板の夫々からの反射光を入
   射するように配置された結像光学系と、 該反射光に基づいて、前記結像光学系の第１合焦面と、
   該第１合焦面に対して、前記所定間隔だけ前記結像光学
   系から離れた第２合焦面とのいずれかに前記基板が位置
   したとき、検知信号を出力する合焦検出手段と、 前記第１基板と前記結像光学系とを相対的に光軸方向に
   移動させる第１駆動手段と、 前記第２基板と前記結像光学系とを相対的に光軸方向に
   移動させる第２駆動手段と、 前記合焦検出手段の検知信号に基づいて前記第１駆動手
   段を作動させる状態と、 前記検知信号に基づいて前記第２駆動手段を作動させる
   状態とを選択する制御手段、 とを備えたことを特徴とする基板の位置合わせ装置。
2. （２）前記制御手段は、前記第１基板が前記結像光学系
   の第１合焦面に一方向から近づくように前記第１駆動手
   段を制御した後、前記第２基板が前記結像光学系の第２
   合焦面に一方向から近づくように前記第２駆動手段を制
   御することを特徴とする特許請求の範囲の第１項記載の
   装置。