JPH0367103A - Device and method for detecting position - Google Patents

Device and method for detecting position

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JPH0367103A
JPH0367103A JP1203053A JP20305389A JPH0367103A JP H0367103 A JPH0367103 A JP H0367103A JP 1203053 A JP1203053 A JP 1203053A JP 20305389 A JP20305389 A JP 20305389A JP H0367103 A JPH0367103 A JP H0367103A
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優和 真継
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

PURPOSE:To allow position detection with high accuracy by detecting the relative positions of 1st and 2nd objects by the respective results of the detection at least at the two wavelengths by detecting means. CONSTITUTION:The alignment pattern on a mask 1 surface is constituted of a grating lens 3a having a prescribed focal length and the luminous flux for alignment made incident diagonally on the mask 1 surface from an alignment head 6 is deflected in the normal direction of the mask 1 surface and is con densed to a prescribed position. The alignment pattern on a wafer 2 is the grating lens 4a of the pattern asymmetrical with the Z-axis and guides the convergent light transmitted through and diffracted by the lens 3a toward the head 6. The alignment luminous flux 10a receives the lens effect of the lens 4a at this time and is made incident on the detector 8 in the head 6. A command signal is sent to a stage driver 101 in order to move an X-Y stage 100 so as to register the mask 1 and the wafer 2 in accordance with the output of the detector 8 in a CPU 102.

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及び方法、例えば半導体露光装置
のマスクあるいはレチクル(以下マスクで総称)とウェ
ハ間位置合わせなどに適用可能な高精度位置検出に関す
るものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a position detection device and method, for example, a high-precision position detection device applicable to alignment between a mask or reticle (hereinafter collectively referred to as mask) of a semiconductor exposure device and a wafer. It is about detection.

「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。
"Conventional technology" In exposure equipment for semiconductor manufacturing, relative alignment of the mask and wafer has traditionally been an important element for improving performance.Especially in alignment in recent exposure equipment, In order to increase the degree of integration of semiconductor devices, there is a need for alignment accuracy of, for example, submicron or less.

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号や第4514858号、特開昭56−1
57033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。
In many alignment devices, a so-called alignment pattern for alignment is provided on the mask and wafer surface.
Alignment of both is performed using the position information obtained from them. As an alignment method at this time, for example, the amount of deviation between both alignment patterns may be detected by performing image processing, or U.S. Pat.
No. 037969, No. 4514858, JP-A-56-1
As proposed in Publication No. 57033, a zone plate is used as an alignment pattern, a light beam is irradiated onto the zone plate, and the position of a converging point on a predetermined surface of the light beam emitted from the zone plate is detected at this time. ing.

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。
In general, alignment methods using zone plates are
Compared to a method using a simple alignment pattern, this method has the advantage of being able to perform alignment with relatively high precision without being affected by defects in the alignment pattern.

第9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。
FIG. 9 is a schematic diagram of a conventional alignment device using zone plates.

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−威する。このときの平面上
に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。
In the same figure, a parallel light beam emitted from a light source 72 passes through a half mirror 74 and is condensed at a condensing point 78 by a condensing lens 76, after which it is placed on a mask alignment pattern 68a on the surface of a mask 68 and a support base 62. The wafer alignment pattern 60a on the surface of the wafer 60 is irradiated. These alignment patterns 68a and 60a are composed of reflective zone plates, and each form a focal point on a plane perpendicular to the optical axis including the focal point 78. At this time, the amount of deviation of the focal point position on the plane is detected by guiding the light onto the detection surface 82 using the condensing lens 76 and the lens 80.

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。
Based on the output signal from the detector 82, the control circuit 8
4 drives the drive circuit 64 to position the mask 68 relative to the wafer 60.

第10図は第9図に示したマスクアライメントパターン
68a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。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the imaging relationship between the light beams from the mask alignment pattern 68a and the wafer alignment pattern 60a shown in FIG. 9.

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、
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、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。
In the figure, a part of the light beam diverging from the condensing point 78 is diffracted by the mask alignment pattern 68a,
A focal point 78a indicating the mask position is formed near the focal point 78. Further, the other part of the light beam passes through the mask 68 as zero-order transmitted light and enters the wafer alignment pattern 60a on the surface of the wafer 60 without changing its wavefront. At this time, the light beam is diffracted by the wafer alignment pattern 60a, and then passes through the mask 68 again as zero-order transmitted light, condensing near the converging point 78 and focusing on the wafer position.
form.

同図においてウェハ60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。
In the figure, when the light beam diffracted by the wafer 60 forms a condensing point, the mask 68 simply acts as a transparent state.

このようにした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、ウェハ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Δσに対応した量の
ずれ量Δσ′として形成される。
The position of the focal point 78b due to the wafer alignment pattern 60a formed in this way is determined according to the displacement amount Δσ of the wafer 60 with respect to the mask 68 along a plane perpendicular to the optical axis including the focal point 78. It is formed as a deviation amount Δσ' corresponding to Δσ.

〔発明が解決しようとしている問題点〕このような古注
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。
[Problem to be solved by the invention] In these old notes, the wafer surface is tilted with respect to the mask surface, the reference plane such as the mask holder surface in the semiconductor exposure equipment, and the ground plane of the exposure equipment. If there is a sensor, the center of gravity of the light beam incident on the sensor changes, resulting in an alignment error.

$111Jはウェハ60がθ傾いている場合の検出面1
27面上の光束の重心位置の変動を示し、今、同図のよ
うにマスクを通過したアライメント光束がウェハ60に
入射するとする。
$111J is the detection surface 1 when the wafer 60 is tilted by θ
It is assumed that the alignment light beam that has passed through the mask is now incident on the wafer 60 as shown in the figure.

このとき、ウェハのアライメントマーク60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
面127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と
なる。
At this time, if the surface of the wafer is tilted by an angle θ on average at the location where the alignment mark 60 is located, the center of gravity of the light amount on the detection surface 127 is Pθ, and the focal point P when there is no tilt. . Therefore, it has moved by Δδθ. This can be expressed as Δδθ=bw−tan2θ.

今、 とすれば Δδθ ==18,7X10”X2XIO’=3.74
μmとなる。
Now, if Δδθ ==18,7X10"X2XIO'=3.74
It becomes μm.

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。
That is, the positional deviation error is 3.74 μm, and it is no longer possible to align the mask and wafer with the above accuracy.

本発明は上述従来例の欠点に鑑み、ウェハ面傾きの影響
を受けない正確な相対位置検出を可能にする位置検出装
置及び方法を提供する事を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, it is an object of the present invention to provide a position detection device and method that enable accurate relative position detection that is not affected by wafer surface inclination.

〔問題点を解決するための手段及び作用〕本発明は第一
物体に複数の波長の光束あるいは波長の異なる多光束を
照射し、第一物体と第二物体の両方で集光あるいは発散
された前記多波長光束、あるいは波長の異なる多光束を
検出して、少なくとも二つの波長におけるそれぞれの検
出結果から第一物体と第二物体との相対位置を検出する
様にしている。
[Means and effects for solving the problems] The present invention irradiates a first object with a plurality of light beams of wavelengths or multiple light beams with different wavelengths, and the light beams are converged or diverged by both the first object and the second object. The multi-wavelength light flux or the multiple light fluxes with different wavelengths are detected, and the relative positions of the first object and the second object are detected from the respective detection results at at least two wavelengths.

本発明の後述する実施例によればウニ/S面傾きの影響
を受けないだけでなく、光束照射手段や検出器の位置変
動の影響も受けない。他の作用は後述する実施例の説明
の中で明らかになるであろう。
According to the embodiments of the present invention, which will be described later, not only is it not affected by the inclination of the sea urchin/S surface, but also it is not affected by positional fluctuations of the light beam irradiation means or the detector. Other effects will become clear in the description of the embodiments below.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の第1実施例の位置検出装置を適用した
半導体素子製造用の露光装置の概略図である。図中1は
マスク、2はウェハ、3a、4aはそれぞれマスク1、
ウェハ2上に形成されたフレネルゾーンプレート(グレ
ーティングレンズ)から成る第1及び第2物理光学素子
である。5は例えばウエノ\チャックであり、ウェハ1
を吸着している。6はアライメントヘッドであり、アラ
イメント用の各種の要素を収納している。Eはマスク上
の回路パターンをウェハ上へ転写する為の露光領域であ
る。露光領域Eの図面上側に不図示の露光用光源がある
FIG. 1 is a schematic diagram of an exposure apparatus for manufacturing semiconductor devices to which a position detection apparatus according to a first embodiment of the present invention is applied. In the figure, 1 is a mask, 2 is a wafer, 3a and 4a are masks 1,
These are first and second physical optical elements consisting of Fresnel zone plates (grating lenses) formed on the wafer 2. 5 is, for example, a wafer chuck, and wafer 1
is adsorbed. 6 is an alignment head, which houses various elements for alignment. E is an exposure area for transferring the circuit pattern on the mask onto the wafer. There is an exposure light source (not shown) above the exposure area E in the drawing.

8はCCDラインセンサ等の検出器、9は検出器8の検
出面、IOは発振波長域の可変な、例えば半導体レーザ
である光源、11はコリメータ用の投光レンズ系、12
はハーフミラ−である。
8 is a detector such as a CCD line sensor, 9 is a detection surface of the detector 8, IO is a light source whose oscillation wavelength range is variable, for example, a semiconductor laser, 11 is a light projecting lens system for a collimator, 12
is a half mirror.

100はXYステージであり、ウェハチャック5に吸着
されたウェハをXY方向に移動させている。
Reference numeral 100 denotes an XY stage, which moves the wafer attracted to the wafer chuck 5 in the XY directions.

101はステージドライバーであり、102はCPUで
あり、検出器8の出力に基づき、マスク1とウエノ\2
とを位置合わせする様にxYステージ100を移動させ
る為、ステージドライバー101に指令信号を送ってい
る。
101 is a stage driver, 102 is a CPU, and based on the output of the detector 8, the mask 1 and Ueno\2
A command signal is sent to the stage driver 101 in order to move the xY stage 100 so as to align the two.

XYステージ100は又ウェハ4をZ方向の所定保持さ
れる。
The XY stage 100 also holds the wafer 4 in a predetermined position in the Z direction.

尚、XYステージ100はピエゾ駆動の精密ウェハステ
ージとステッピングモータ駆動の粗ウェハステージとを
含み、ステージドライバー101は、このピエゾとステ
ッピングモータとを含み、CPU102はウェハを微小
移動させる時にはピエゾに、比較的大きな距離移動させ
る時にはステッピングモータに指令信号を送っている。
The XY stage 100 includes a piezo-driven precision wafer stage and a stepping motor-driven rough wafer stage, the stage driver 101 includes this piezo and a stepping motor, and the CPU 102 uses the piezo to move the wafer minutely. When moving a target a large distance, a command signal is sent to the stepping motor.

本実施例では発振波長域の可変な光源10、例えば半導
体レーザから出射された光束を投光レンズ系11で略平
行光束とし、ハーフミラ−12を介し、第1物体である
マスク1上のフレネルゾーンプレートの一揮であるグレ
ーティングレンズから成る第1物理光学素子3aを斜方
向から照射している。
In this embodiment, a light beam emitted from a light source 10 having a variable oscillation wavelength range, for example, a semiconductor laser, is turned into a substantially parallel beam by a projection lens system 11, and is passed through a half mirror 12 to a Fresnel zone on a mask 1, which is a first object. A first physical optical element 3a consisting of a grating lens, which is part of the plate, is irradiated from an oblique direction.

第1物理光学素子3aは集光あるいは発散作用を有して
おり、透過光を第1物体1としてのマスク面の法線方向
(−2方向)に射出させ、第1物理光学素子3aから所
定の距離離れた第2物体2としての、ウェハ2面上に設
けられているグレーティングレンズより成る第2物理光
学素子4aに入射させている。
The first physical optical element 3a has a condensing or diverging effect, and emits the transmitted light in the normal direction (-2 direction) of the mask surface as the first object 1, so that it emits the transmitted light in the normal direction (-2 direction) from the first physical optical element 3a. The light beam is made incident on a second physical optical element 4a, which is a second object 2 and is formed by a grating lens provided on the surface of the wafer 2, at a distance of

第2物理光学素子4aは集光あるいは発散作用を有して
おり、光束をアライメントヘッド6方向に射出させハー
フミラ−12を介した後、検出器8の検出面9上に集光
している。マスク上照射領域は第1物理光学素子3aの
大きさより大きくしておき、第1物理光学素子3aの位
置がマスクの設置誤差で多少ずれても出射する光束の状
態が変化しない様にしている。
The second physical optical element 4a has a condensing or diverging function, and emits a light beam in the direction of the alignment head 6, passes through the half mirror 12, and then condenses it on the detection surface 9 of the detector 8. The irradiation area on the mask is made larger than the size of the first physical optical element 3a, so that the state of the emitted light flux does not change even if the position of the first physical optical element 3a is slightly shifted due to mask installation error.

以下、便宜上第i物理光学素子3aをマスクのグレーテ
ィングレンズ、第2物理光学素子4aをウェハのグレー
ティングレンズと呼ぶ。
Hereinafter, for convenience, the i-th physical optical element 3a will be referred to as a mask grating lens, and the second physical optical element 4a will be referred to as a wafer grating lens.

このように本実施例ではマスク1面上のアライメントパ
ターンを所定の焦点距離をもったグレーティングレンズ
より構成し、アライメントヘッド6からマスク1面に斜
入射したアライメント用の光束をマスク1面の法線方向
(−2方向)に偏向し、所定の位置(例えばZ=+27
6.0μm)に集光させている。
In this embodiment, the alignment pattern on one surface of the mask is composed of a grating lens with a predetermined focal length, and the alignment light beam obliquely incident on one surface of the mask from the alignment head 6 is directed to the normal of the one surface of the mask. direction (-2 direction) and a predetermined position (for example, Z=+27
6.0 μm).

本実施例においてマスク1面上に斜入射させる角度αは 10< a <80  (deg) 程度が好ましい。In this example, the angle α of oblique incidence on one surface of the mask is 10<a<80 (deg) degree is preferred.

又、ウェハ2上のアライメントパターン4aはZ軸に関
して非対称なパターンのグレーティングレンズで、例え
ば焦点距離278.78μmとなるように設計され、マ
スク1面上のグレーティングレンズを透過、回折した収
束(発散)光をアライメントヘッド方向に導光している
Further, the alignment pattern 4a on the wafer 2 is a grating lens with an asymmetric pattern with respect to the Z axis, designed to have a focal length of 278.78 μm, for example, and converging (diverging) light transmitted through and diffracted through the grating lens on the mask 1 surface. Light is guided toward the alignment head.

このときのアライメント光束10aはグレーティングレ
ンズのレンズ作用を受はアライメントヘッド6内の受光
器8に入射する。第1の実施例ではパターンの存在する
スクライブラインの長手方向(y方向)にアライメント
する。
At this time, the alignment light beam 10a receives the lens action of the grating lens and enters the light receiver 8 in the alignment head 6. In the first embodiment, alignment is performed in the longitudinal direction (y direction) of the scribe line where the pattern exists.

ここで装置に固定されているマスクlに対し、ウェハ2
がy方向に位置変動を起こした場合、マスクとウェハの
グレーティングレンズ3a、  4aはレンズ光学系内
でレンズ同士が軸ずれを起こしたのと同じ状態になり、
出射光束の出射角が変動する。この為、受光面9上の光
束入射位置はマスクとウェハとのy方向相対ずれ量に応
じた量だけ受光面9上でy方向に移動する。ここでは検
出器8がCCDラインセンサで、その検出面9上の素子
配列方向はy方向に一致する。マスターとウェハ2との
相対ずれ量がそれ程大きくない範囲ではスポットのy方
向の移動量はマスクとウェハとのy方向相対ずれ量に比
例する。
Here, the wafer 2 is
When the grating lenses 3a and 4a of the mask and wafer cause a positional change in the y direction, the grating lenses 3a and 4a of the mask and wafer will be in the same state as if the lenses were misaligned with each other in the lens optical system.
The output angle of the output light flux varies. Therefore, the light beam incident position on the light receiving surface 9 moves in the y direction on the light receiving surface 9 by an amount corresponding to the relative displacement amount in the y direction between the mask and the wafer. Here, the detector 8 is a CCD line sensor, and the element arrangement direction on the detection surface 9 coincides with the y direction. In a range where the relative displacement between the master and the wafer 2 is not so large, the amount of movement of the spot in the y direction is proportional to the relative displacement between the mask and the wafer in the y direction.

今、マスクとウェハとがy方向にΔσずれており、ウェ
ハ2からマスクのグレーティングレンズ3aで集光(あ
るいは発散)されてウェハに入射する光束の集光点位置
(あるいは発散原点位置)までの距離をa1ウェハ2か
ら検出面9までの距離をbとすると、受光面9上での光
束の重心ずれ量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。A=(b/a+1)は光束重
心ずれの位置ずれ量に対する倍率となる。ただし、この
時の光束の波長はλとする。
Now, the mask and the wafer are shifted by Δσ in the y direction, and the beam from the wafer 2 is focused (or diverged) by the grating lens 3a of the mask and enters the wafer. When the distance is a1 and the distance from the wafer 2 to the detection surface 9 is b, the amount of gravity shift Δδ of the light beam on the light receiving surface 9 is Δδ = ΔσX (-+1)
...(a). In other words, the center of gravity shift amount Δδ is (b/
a+1) times. A=(b/a+1) is the magnification of the deviation of the center of gravity of the light beam relative to the amount of positional deviation. However, the wavelength of the luminous flux at this time is assumed to be λ.

例えば、a==0.5mm、b=50mmとすれば重心
ずれ量Δδは(a)式より101倍に拡大される。ここ
で光束の重心とは、光束検出面内において、検出面内各
点のこの点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算
したものを断面全面で積分した時に積分値が0ベクトル
になる点のことである。
For example, if a==0.5 mm and b=50 mm, the center of gravity shift amount Δδ is expanded by a factor of 101 according to equation (a). Here, the center of gravity of the luminous flux is defined as the center of gravity of the luminous flux, within the luminous flux detection plane, when the product of the position vector from this point of each point in the detection plane multiplied by the light intensity of that point is integrated over the entire cross section, the integral value becomes 0 vector. It refers to a point.

ここで、波長λにおけるマスク1のグレーティングレン
ズ3aの焦点距離をf1マスクl、ウェハ2間の間隔を
gとおくと、 a = f + g る となり、従って波長λにおけ勺光束重心ずれ量の位置ず
れ量に対する倍率Aは である。次に、光源の波長をλ、グレーティングレンズ
の輪帯の半径をrm (mは輪帯番号)とすると、焦点
距離fとのあいだに、 n7TT−f=mλ の関係が威り立ち、これよりfは アライメント光束の波長がΔλ変化したとすると焦点距
離fは、 λ で表わされるΔf変化する。
Here, if the focal length of the grating lens 3a of the mask 1 at the wavelength λ is f1, and the distance between the wafers 2 and 2 is set as f1, then a = f + g, and therefore, the deviation of the center of gravity of the light beam at the wavelength λ is The magnification A for the amount of positional deviation is. Next, if the wavelength of the light source is λ and the radius of the annular zone of the grating lens is rm (m is the annular zone number), then the relationship with the focal length f is n7TT-f=mλ, and from this, If the wavelength of the alignment light beam changes by Δλ, then the focal length f changes by Δf, which is expressed by λ.

このとき光束重心ずれ量の位置ずれ量に対する倍率は、 (f+g)2 λ r十g λ で表わされるΔAだけ変化し、A+ΔAの倍率となる。At this time, the magnification of the amount of deviation of the center of gravity of the light beam relative to the amount of positional deviation is: (f+g)2 λ r10g λ It changes by ΔA represented by , and becomes a magnification of A+ΔA.

例えばA = 1.01、波長λにおける焦点距離r−
o。
For example, A = 1.01, focal length r- at wavelength λ
o.

187mm、g=0.03mmとすれば、ス Δ λ また、−= 0 、1とすると、ΔA=8.6となる。If 187mm and g=0.03mm, then Δ λ Further, if -=0 and 1, ΔA=8.6.

λ 従って、マスク1とウニ/%2が所定の位置ずれ量Δσ
のときに光源の波長を、例えば10%変調、または選択
的にスフレすることにより検出面9上での光束の重心位
置は、 Δδ′=ΔA・Δσ       ・・・(b)=8.
6 Δ σ て表わされるΔδ′だけ移動する。
λ Therefore, mask 1 and sea urchin/%2 have a predetermined positional deviation amount Δσ
By modulating the wavelength of the light source by, for example, 10% or selectively souffling, the center of gravity of the light beam on the detection surface 9 is determined as follows: Δδ′=ΔA·Δσ (b)=8.
It moves by Δδ', expressed as 6 Δ σ .

従ってマスクlとウェハ2とがy方向に位置ずれのない
状態、即ちΔσ=0の時に、波長が変化しても検出面9
上での光束の重心位置が変動しない(即ちΔδ′−〇と
なる)様にマスク及びウェハのグレーティングレンズを
設計しておけば、Δδ′はマスクとウェハとのずれ量に
比例する事になる。よって、あらかじめλ、Δλ9gの
値を設定し、f、 Aの値を求めて、ΔAの値を算出し
ておく事により、Δδ′の値を検出器8の検出結果より
求め(b)式に代入して簡単にマスク、ウェハずれΔσ
を検出できる。又この時、波長をΔλだけ変動させた時
の光束重心位置移動方向はマスク、ウェハのy方向のず
れ方向、すなわちΔδ′の正負に対応しており、あらか
じめこの対応関係を求めておけば、波長変動時の光束重
心位置移動方向からずれ方向も検出する事ができる。
Therefore, when the mask l and the wafer 2 are in a state where there is no misalignment in the y direction, that is, when Δσ = 0, even if the wavelength changes, the detection surface 9
If the grating lenses of the mask and wafer are designed so that the center of gravity of the light beam at the top does not change (that is, Δδ' - 〇), Δδ' will be proportional to the amount of misalignment between the mask and the wafer. . Therefore, by setting the values of λ and Δλ9g in advance, finding the values of f and A, and calculating the value of ΔA, the value of Δδ' can be calculated from the detection result of the detector 8 using equation (b). Easy mask and wafer deviation Δσ by substitution
can be detected. Also, at this time, when the wavelength is varied by Δλ, the moving direction of the center of gravity of the light beam corresponds to the direction of displacement of the mask and wafer in the y direction, that is, the positive and negative of Δδ′, and if this correspondence is determined in advance, It is also possible to detect the direction in which the center of gravity of the light beam deviates from the direction of movement when the wavelength changes.

ここでΔσ=0の時のΔδ′は必ずしもOでなくてもよ
く、Δσ=Oの時のΔδ′の絶対値及び波長変動時の光
束重心位置移動方向をあらかじめ求めておけば、位置ず
れ検出時のΔδ′の値とΔσ=0の時のΔδ′の値の差
分を(b)式に代入してマスク、ウェハずれ量を求める
事ができる。イfL里41>−rcJ第1の方法として
はマスク、ウェハ間の位置ずれ量Δσに対する前述波長
変更時の光束重心位置移動量Δδ′の関係式、即ち(b
)式を予め求めておき、位置検出時に光源から所定の2
波長の光束を順次出射させてそれぞれの波長における光
束重心位置を検出器8で検出して光束重心位置移動量Δ
δ′を求め、このΔδ′の値から(b)式を用いて双方
の物体間の位置ずれ量Δσを求め、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。
Here, Δδ' when Δσ = 0 does not necessarily have to be O, but if the absolute value of Δδ' when Δσ = O and the direction of movement of the center of gravity of the light beam when the wavelength fluctuates are obtained in advance, position deviation can be detected. By substituting the difference between the value of Δδ' when Δσ=0 and the value of Δδ′ when Δσ=0 into equation (b), the amount of mask and wafer deviation can be determined. IfLri41>-rcJThe first method is to use the relational expression of the shift amount Δδ' of the center of gravity position of the light beam when changing the wavelength with respect to the amount of positional deviation Δσ between the mask and the wafer, that is, (b
) equation is determined in advance, and a predetermined 2
The light beams of different wavelengths are sequentially emitted, the center of gravity of each wavelength is detected by the detector 8, and the amount of movement Δ of the center of gravity of the light beam is detected.
δ′ is calculated, and from this value of Δδ′, the amount of positional deviation Δσ between both objects is calculated using equation (b), and the first object or the second object is moved by an amount corresponding to the amount of positional deviation Δσ at that time. move it.

第2の方法としては、位置検出時に光源から所定の2波
長の光束を順次出射させて受光器8で得られた光束重心
位置からΔδ′と位置ずれ量Δσを打ち消す方向を検出
し、その方向にΔδ′に見合った所定量だけ第1物体若
しくは第2物体を移動させ、移動が終わればその時点で
再び所定の2波長の光束を順次出射させてΔσが許容範
囲になるまで上述の検出、移動を繰り返して行う。
The second method is to sequentially emit light beams of two predetermined wavelengths from a light source at the time of position detection, and detect a direction that cancels out Δδ′ and positional deviation amount Δσ from the center of gravity of the light beam obtained by the receiver 8. The first object or the second object is moved by a predetermined amount commensurate with Δδ', and at that point, the light beams of two predetermined wavelengths are sequentially emitted again until Δσ falls within the allowable range. Repeat the movement.

以」二のCPUの位置合わせ手順を、それぞれ第2図(
1)、  (2)に示す。
The following two CPU positioning procedures are shown in Figure 2 (
Shown in 1) and (2).

上述実施例のようにする事で検出面上にアライメント光
束の重心位置検出のための基準点、すなわちΔσ=0の
ときの受光面上の光束重心位置を求めておく必要がなく
、光源の波長を変調または選択的にシフトすることによ
り、被測定物体間の相対位置ずれ量を簡単に検出するこ
とができる。
By doing as in the above embodiment, there is no need to determine the reference point for detecting the position of the center of gravity of the alignment light beam on the detection surface, that is, the position of the center of gravity of the light beam on the light receiving surface when Δσ = 0. By modulating or selectively shifting , the amount of relative positional deviation between the objects to be measured can be easily detected.

また、ウェハ2が傾いた場合、この傾きによる検出面上
での光束重心位置移動量分は光源の波長を変化させても
変化しないので、Δδ′に変化はない。
Further, when the wafer 2 is tilted, the amount of movement of the center of gravity of the light beam on the detection surface due to this tilt does not change even if the wavelength of the light source is changed, so Δδ' remains unchanged.

これは光束照射手段や検出手段に位置の変化があっても
同様である。従ってΔδ′を検出することによりウェハ
の傾き、光束照射手段や検出器の位置変化の影響を受け
ない検出ができる。
This is the same even if there is a change in the position of the light beam irradiation means or the detection means. Therefore, by detecting Δδ', detection can be performed without being affected by the tilt of the wafer or changes in the position of the light beam irradiation means or the detector.

本実施例では光源として半導体レーザを用い、注入電流
を制御することにより、発振波長を変調した。
In this example, a semiconductor laser was used as a light source, and the oscillation wavelength was modulated by controlling the injection current.

この結果、1つの光束の重心位置の変動を検出するだけ
で、相対位置ずれ量の絶対値を検出することができ、波
長の異なる2光束を別光源から発生させる場合の2光束
間の相対位置ずれ等を問題にせずにすむ。
As a result, the absolute value of the relative positional shift can be detected simply by detecting the variation in the center of gravity of one light beam, and the relative position between two light beams when two light beams with different wavelengths are generated from different light sources. There is no need to worry about misalignment, etc.

このようにして求めた位置ずれ量Δσをもとに第2物体
であるウェハを移動させれば第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。
By moving the wafer, which is the second object, based on the positional deviation amount Δσ determined in this way, the first object and the second object can be positioned with high precision.

以上のようにアライメント光束10aはマスク1上のグ
レーティングレンズ3aで透過回折され、ウェハ2上の
グレーティングレンズ4aで反射回折されることによっ
て、マスクとウェハ上のグレーティングレンズの間の光
軸のずれが波長に依存する所定の倍率でn倍にグレーテ
ィングレンズ系で拡大されて、アライメントヘッド6内
の受光面9に入射する。そして受光器8によりその光束
の重心位置を検出している。
As described above, the alignment light beam 10a is transmitted and diffracted by the grating lens 3a on the mask 1, and reflected and diffracted by the grating lens 4a on the wafer 2, thereby reducing the optical axis shift between the mask and the grating lens on the wafer. The light is magnified n times by a grating lens system at a predetermined magnification that depends on the wavelength, and then enters the light receiving surface 9 in the alignment head 6 . The light receiver 8 detects the center of gravity of the light beam.

ここで、グレーティングレンズの焦点距離は露光時のマ
スクとウェハ間のギャップ及び所定波長での位置ずれΔ
σに対する光束重心位置ずれΔδの倍率を考慮して設定
される。
Here, the focal length of the grating lens is the gap between the mask and wafer during exposure and the positional deviation Δ at a given wavelength.
It is set in consideration of the magnification of the beam gravity center position shift Δδ with respect to σ.

例えば所定波長においてマスク、ウェハ間の位置ずれ量
を100倍に拡大して受光面9上で光束の重心位置を検
知する露光ギャップを30μmのプロキシミテイ露光シ
ステムを考える。
For example, consider a proximity exposure system in which the position of the center of gravity of the light beam is detected on the light-receiving surface 9 by magnifying the positional deviation between the mask and the wafer by 100 times at a predetermined wavelength with an exposure gap of 30 μm.

今、アライメント光束の波長を半導体レーザーからの光
束として0.83μmとする。このときアライメント光
束がアライメントヘッド6内の投光レンズ系11を通っ
て平行光束となり、ウエノX2、そしてマスクlを順次
通る場合の2枚のグレーティングレンズより成るグレー
ティングレンズ系を通過する。このときの系の屈折力配
置の模式図を第3図、第4図に示す。尚、この図ではウ
ェハのグレーティングレンズ4aを反射と等価な透過型
のグレーティングレンズに置換した系として示す。
Now, assume that the wavelength of the alignment light beam from the semiconductor laser is 0.83 μm. At this time, the alignment light flux passes through the projection lens system 11 in the alignment head 6, becomes a parallel light flux, and passes through the grating lens system consisting of two grating lenses when passing sequentially through the Ueno X2 and then the mask 1. Schematic diagrams of the refractive power arrangement of the system at this time are shown in FIGS. 3 and 4. Note that this figure shows a system in which the grating lens 4a of the wafer is replaced with a transmission type grating lens that is equivalent to reflection.

第3図はウェハ2上のグレーティングレンズ4aが正の
屈折力、マスクl上のグレーティングレンズ3aが負の
屈折力の場合、第4図はウェハ2上のグレーティングレ
ンズ4aが負の屈折力、マスク1上のグレーティングレ
ンズ3aが正の屈折力の場合である。
3 shows a case where the grating lens 4a on the wafer 2 has a positive refractive power and a grating lens 3a on the mask l has a negative refractive power. FIG. 4 shows a case where the grating lens 4a on the wafer 2 has a negative refractive power and a mask This is a case where the grating lens 3a on the top has a positive refractive power.

尚、ここで負の屈折力、正の屈折力はマイナスの次数の
回折光を使うか、プラスの次数の回折光を使うかで決ま
る。
Here, the negative refractive power and the positive refractive power are determined by whether minus order diffracted light or positive order diffracted light is used.

同図において、例えばマスク1上のグレーティングレン
ズ3aの口径300μm1ウエハ2上のグレーティング
レンズ4aの口径は280μmとし、マスクとウェハ間
の位置ずれ(軸ずれ)を100倍に拡大して検出面9上
で光束の重心が移動を起こし、この結果受光面9上の光
束の径(エアリディスクe −2径)が200μ・m程
度となるように配置及び各要素の焦点距離を決めた。
In the figure, for example, the aperture of the grating lens 3a on the mask 1 is 300 μm, and the aperture of the grating lens 4a on the wafer 2 is 280 μm, and the positional misalignment (axis misalignment) between the mask and the wafer is magnified 100 times, and The arrangement and the focal length of each element were determined so that the center of gravity of the light beam would shift and, as a result, the diameter of the light beam on the light-receiving surface 9 (Airy disk e-2 diameter) would be about 200 μm.

次に本実施例におけるマスク用のグレーティングレンズ
3aとウェハ用のグレーティングレンズ4aの光学的形
状について説明する。
Next, the optical shapes of the mask grating lens 3a and the wafer grating lens 4a in this embodiment will be explained.

まず、マスク用のグレーティングレンズ3a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
集光するように設定される。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、それぞれに可干渉
光源を置いたときのレンズ面における干渉縞パターンと
なる。
First, the mask grating lens 3a is set so that a parallel light beam having a predetermined beam diameter enters at a predetermined angle and is condensed at a predetermined position. Generally, the pattern of a grating lens is an interference fringe pattern on the lens surface when a coherent light source is placed at each of the light source (object point) and image point.

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X軸、幅方向にy軸、マスク面の法線
方向に2軸をとる。マスク面の法線に対し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
平行光束がグレーティングレンズ3aを透過回折後、集
光点(Xl+  Y l+  z、)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、で表わすと、 ysinα+P H(x+ y) −P2 = mλ/
2    ・(1)で与えられるここにλはアライメン
ト光束の使用波長域の中心波長、mは整数である。
Here, the origin is located at the center of the scribe line width, with the X axis in the scribe line direction, the Y axis in the width direction, and the two axes in the normal direction of the mask surface. A parallel beam of light that is incident at an angle of α to the normal line of the mask surface and whose projected component is orthogonal to the scribe line direction passes through the grating lens 3a, is diffracted, and is then imaged at the focal point (Xl+ Y l+ z,). The equation of the curve group of the grating lens is as follows, where the contour position of the grating is represented by
2 (1) where λ is the center wavelength of the used wavelength range of the alignment beam, and m is an integer.

主光線を角度αで入射し、マスク面上の原点を通り、集
光点(x++  YI+ Z+)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 / 2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、 O)
を通り点(X l+  V l+  Z’l)に到達す
る光線の光路の長さの差を表わす。
Assuming that the principal ray is incident at an angle α, passes through the origin on the mask surface, and reaches the focal point (x++ YI+ Z+), the right side of equation (1) is determined by the value of m, which is the wavelength m/ Indicates that the double optical path length is long (short), and the left side is the point (x + y, O) on the mask with respect to the optical path of the chief ray.
It represents the difference in the length of the optical path of a ray that passes through and reaches the point (X l+ V l+ Z'l).

一方、ウェハ上のグレーティングレンズ4aは所定の点
光源から出た球面波を所定の位置(検出面上)に集光さ
せるように設定される。点光源の位置はマスクとウェハ
の露光時のギャップをgとおくと(x、、Y+、zl 
 g)で表わされる。マスクとウェハの位置合わせはy
軸方向に行われるとし、アライメント完了時に検出面上
の点(X2+72+z2)の位置にアライメント光束が
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 11X2+Y2+22    r丁7十mλ/2・・・
 (2) と表わされる。
On the other hand, the grating lens 4a on the wafer is set so as to condense a spherical wave emitted from a predetermined point light source onto a predetermined position (on the detection surface). The position of the point light source is determined by (x, , Y+, zl), where g is the gap between the mask and wafer during exposure.
g). The mask and wafer alignment is y
Assuming that the alignment is performed in the axial direction, and that the alignment beam is focused at the point (X2+72+z2) on the detection surface when the alignment is completed, the equation of the curve group of the grating lens on the wafer is expressed in the coordinate system defined earlier. 11X2+Y2+22 r70mλ/2...
(2) It is expressed as

(2)式はウェハ面がz=−gにあり、主光線がマスク
面上の原点及びウェハ面上の点(0,0,−g)、更に
検出面」二の点(X21  y21 22)を通る光線
であるとして、ウェハ面上グレーティング(X+Y+3
)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。
Equation (2) shows that the wafer surface is at z=-g, the chief ray is at the origin on the mask surface, the point on the wafer surface (0, 0, -g), and the second point on the detection surface (X21 y21 22) Assuming that the ray passes through the grating (X+Y+3
) is an equation that satisfies the condition that the difference in optical path length between the ray passing through and the principal ray is an integral multiple of a half wavelength.

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Iこ形成される
0、1の振幅型のグレーティング素子として作成される
。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。(1)、  (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、マスク上のグレ
ーティングレンズ3aでは透明部と遮光部の線幅の比が
1:1であること、そしてウェハ上のグレーティングレ
ンズ4aでは矩形格子のラインとスペースの比が1:l
であることを意味する。
Generally, a zone plate (grating lens) for a mask is a 0, 1 amplitude type grating in which two areas are alternately formed: a region through which light rays pass (transparent part) and a region through which light rays do not pass (shade part). Created as an element. Further, a zone plate for a wafer is made, for example, as a phase grating pattern with a rectangular cross section. (1), (2)
In the formula, the outline of the grating is defined at a position that is an integer multiple of a half wavelength with respect to the principal ray, which means that in the grating lens 3a on the mask, the line width ratio of the transparent part and the light shielding part is 1:1. In the grating lens 4a on the wafer, the ratio of the lines and spaces of the rectangular grating is 1:l.
It means that.

マスク上のグレーティングレンズ3aは例えばポリイミ
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、又はウ
ェハ上のグレーティングレンズ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ている。
The grating lens 3a on the mask is formed, for example, by transferring a grating lens pattern of a reticle previously formed by EB exposure onto an organic thin film made of polyimide, or the grating lens on a wafer is formed after forming the exposure pattern of the wafer on the mask. It is formed by exposure transfer.

第5図(A)にウェハ面上のグレーティングレンズ4a
、同図(B)にマスク面上のグレーティングレンズ3a
の・一実施例のパターンを示す。
FIG. 5(A) shows a grating lens 4a on the wafer surface.
, the grating lens 3a on the mask surface is shown in FIG.
・A pattern of one example is shown.

次に第1図(A)に示す実施例において具体的にマスク
とウェハ間に所定の位置ずれ量を与えた場合について説
明する。
Next, a case will be specifically described in which a predetermined positional shift amount is given between the mask and the wafer in the embodiment shown in FIG. 1(A).

まずアライメント光源としての半導体レーザー(波長8
 :30 n m )から出射した光束は投光レンズ系
11を通って半値幅600μmの平行光束となりアライ
メントヘッド6からマスク1面の法線に対して17.5
度で入射する。
First, a semiconductor laser (wavelength 8
:30 nm) passes through the projection lens system 11 and becomes a parallel light beam with a half-width of 600 μm.
incident at degrees.

マスク面上のスクライブラインには幅60μm1長さ2
80μmのグレーティングレンズ3aが、又、ウェハ面
上のスクライブラインには同じサイズのグレーティング
レンズ4aが設定されている。マスクとウェハの相対的
位置ずれは、微小変位量をピエゾ駆動の精密ウェハステ
ージで、又、比較的大きい変位量はステッピングモータ
駆動のウェハ用の粗ステージによって与えている。又、
変位量は副長機(分解能0.001μm)を用い、管理
温度23℃±0.5℃の恒温チャンバー中で測定した。
The scribe line on the mask surface has a width of 60 μm and a length of 2.
A grating lens 3a of 80 μm is set, and a grating lens 4a of the same size is set on the scribe line on the wafer surface. The relative positional deviation between the mask and the wafer is controlled by a precision wafer stage driven by a piezo to provide a small amount of displacement, and a coarse stage for the wafer driven by a stepping motor to provide a relatively large amount of displacement. or,
The amount of displacement was measured using a sub-length machine (resolution: 0.001 μm) in a constant temperature chamber at a controlled temperature of 23° C.±0.5° C.

又、アライメントヘッド6内の光束の重心位置の検知用
としての受光器は1次元CCDラインセンサを用いた。
Further, a one-dimensional CCD line sensor was used as a light receiver for detecting the center of gravity position of the light beam within the alignment head 6.

ラインセンサの素子配列方向は位置ずれ検出方向(アラ
イメント向)に一致する。ラインセンサの出力は受光領
域の全光強度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ライ
ンセンサ系から出力される測定値は正確に重心位置を示
している。
The element arrangement direction of the line sensor matches the positional deviation detection direction (alignment direction). The output of the line sensor is subjected to signal processing so as to be normalized by the total light intensity of the light receiving area. As a result, even if the output of the alignment light source varies somewhat, the measured value output from the line sensor system accurately indicates the position of the center of gravity.

尚、ラインセンサの重心位置分解能はアライメント光束
のパワーにもよるが50 m wの半導体レーザーで測
定した結果0,2μmであった。
The resolution of the center of gravity position of the line sensor was 0.2 μm when measured with a 50 mW semiconductor laser, although it depends on the power of the alignment light beam.

第1の実施例に係るマスク用のグレーティングレンズ3
aとウェハ用のグレーティングレンズ4a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光束の重心位置が移動するように設
定している。
Grating lens 3 for a mask according to the first embodiment
In the design example of grating lens 4a for grating lens 4a and wafer, the positional deviation between the mask and wafer is magnified 100 times, and the center of gravity of the signal light flux is set to move on the sensor surface.

ここで、マスクとウェハ間の位置ずれ量が3.0μmで
あるとすると、位置ずれ量が010μmの場合のライン
センサ上のアライメント光束重心位置を基準点として約
30011.mの位置に光量重心柱することになる。
Here, assuming that the amount of misalignment between the mask and the wafer is 3.0 μm, approximately 30011. The center of gravity of the light quantity will be at the position m.

位置ずれ量0.0μmとなるときのセンサ上光束重心位
置は不明であるから、アライメントヘッド内半導体レー
ザー注入電流を50mA変化させることにより、発振中
心波長を830nmから838nmに従って横ずれ検出
倍率変動幅ΔAは0.82となり、ラインセンサ上光量
重心移動量は2.48μmとなる。
Since the position of the center of gravity of the light beam on the sensor when the positional deviation amount is 0.0 μm is unknown, by changing the semiconductor laser injection current in the alignment head by 50 mA, the lateral deviation detection magnification variation width ΔA is changed from 830 nm to 838 nm by changing the oscillation center wavelength from 830 nm to 838 nm. 0.82, and the shift amount of the center of gravity of the light amount on the line sensor is 2.48 μm.

またマスク、ウェハ間の位置ずれ量が7,0μmのとき
、同じ波長変調率でセンサ上光量重心移動量は5.74
μmとなる。
Furthermore, when the amount of misalignment between the mask and the wafer is 7.0 μm, the amount of light intensity shift on the sensor at the same wavelength modulation rate is 5.74.
It becomes μm.

このように光源の波長変調率が一定であるとして、発振
波長の変調前後でのセンサ上光量重心位置の移動量Δδ
′ から1.マスク、ウエノへ゛間相対位置ずれ量Δσ
は、下式のように求められる。
In this way, assuming that the wavelength modulation rate of the light source is constant, the amount of movement Δδ of the center of gravity of the light amount on the sensor before and after the modulation of the oscillation wavelength is
' to 1. Relative positional deviation amount Δσ between mask and ueno
is calculated as shown below.

第6図は実際にマスクとウェハ間に所定量の位置ずれを
与えたときのアライメント用のラインセンサで検出した
重心位置の変化を示す。第6図から明らかなようにマス
クとウェハ間の位置ずれ量に対し、検出された重心位置
はグレーティングレンズ系の倍率を比例定数とする線形
関係をもつ。但し、線形性は位置ずれ量が一定値(20
μm)以上になると成り立たなくなり、非線形性が現わ
れてくる。
FIG. 6 shows the change in the center of gravity position detected by the alignment line sensor when a predetermined amount of positional deviation is actually applied between the mask and the wafer. As is clear from FIG. 6, the detected gravity center position has a linear relationship with the amount of positional deviation between the mask and the wafer, with the magnification of the grating lens system being a proportionality constant. However, linearity is determined when the amount of positional deviation is a constant value (20
μm), this no longer holds true and nonlinearity appears.

これはマスク及びウェハ上のグレーティングレンズ間の
軸ずれ量が大きくなるに従い、光束の波面収差が顕著に
なり、センサ上のスポット形状に非対称性が現われた為
である。
This is because as the amount of axial misalignment between the mask and the grating lens on the wafer increases, the wavefront aberration of the light beam becomes significant, and asymmetry appears in the spot shape on the sensor.

この波面収差はグレーティングレンズのNAが大きいほ
ど顕在化する。従って一定の面積にグレーティングレン
ズを設定する際はなるべ(NAを小さくすることが望ま
しい。
This wavefront aberration becomes more obvious as the NA of the grating lens increases. Therefore, when setting a grating lens in a fixed area, it is desirable to make the NA as small as possible.

本実施例における位置合わせ装置においては、位置ずれ
の分解能が0.002μm1位置ずれ測定レンジ上20
μm(線形領域)を得ている。
In the positioning device in this embodiment, the resolution of positional deviation is 0.002 μm 1 20mm above the positional deviation measurement range.
μm (linear region) is obtained.

本実施例はマスク面上に光束を斜め入射させ、更に斜め
受光光路を設定している為、アライメントヘッド6が露
光領域Eに入り込まずにマスクとウェハ間の位置ずれ量
を計測制御することができる。
In this embodiment, since the light beam is obliquely incident on the mask surface and the oblique receiving optical path is set, it is possible to measure and control the amount of positional deviation between the mask and the wafer without the alignment head 6 entering the exposure area E. can.

本非明による第2の実施例を適用した半導体露光装置の
要部斜視図を第7図に示す。第1図と同一部材は同一符
号で示しである。主な構成要素は第1実施例と同じであ
るが、本実施例ではアライメントヘッド内に光源として
発振中心波長の異なる2つの半導体レーザIQ−1,1
0−2を設けた。半導体レーザ10−1.10−2から
の光束はハーフミラ−12aにより出射した時に主光線
が重なる様に光路調整されている。
FIG. 7 shows a perspective view of a main part of a semiconductor exposure apparatus to which a second embodiment of the invention is applied. Components that are the same as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. The main components are the same as in the first embodiment, but in this embodiment, two semiconductor lasers IQ-1, 1 with different oscillation center wavelengths are installed as light sources in the alignment head.
0-2 was set. The optical paths of the light beams from the semiconductor lasers 10-1 and 10-2 are adjusted so that their principal rays overlap when emitted by the half mirror 12a.

CPU102は前述の実施例で説明した波長変更の実行
している。これはそれぞれの半導体レーザーの前にシャ
ッタを設け、交互にシャッタを開閉する様に制御しても
良い。
The CPU 102 executes the wavelength change described in the above embodiment. This may be achieved by providing a shutter in front of each semiconductor laser and controlling the shutters to open and close alternately.

半導体レーザ10−1の中心波長は830nm、半導体
レーザエ0−2の中心波長は780nmで、グレーティ
ングレンズの設計方程式は波長が805nmのアライメ
ント光に適用すると仮定して、バラノー6.2X10−
2 マスクlのグレーティングレンズ3aの焦点距離f1マ
スク、ウェハ間隔gは第1実施例と同じとし、波長80
5nmの光束に対し、グレーティングレンズ系の位置ず
れ検出倍率AがlOOになろうとすると、倍率変動幅Δ
Aは5.33となる。
Assuming that the center wavelength of the semiconductor laser 10-1 is 830 nm and the center wavelength of the semiconductor laser 0-2 is 780 nm, and that the grating lens design equation is applied to alignment light with a wavelength of 805 nm, the Balano 6.2X10-
2 Focal length f1 of grating lens 3a of mask l Mask, wafer spacing g are the same as in the first embodiment, wavelength 80
When the positional deviation detection magnification A of the grating lens system approaches lOO for a 5 nm light beam, the magnification variation width Δ
A becomes 5.33.

本発明に係る第3の実施例を適用した半導体露光装置の
要部斜視図を第8図に示す。本実施例では光源として、
白色光源10’を用い、波長選択手段として回折格子1
3およびスリット板I4をアライメントヘッド6内に設
定している。回折格子13は入射光束に対し、その入射
角を変化させる事により各波長毎に回折光の出射角が変
動する。回折光を受光可能な所定位置にスリット・ピン
ホール等を設けたスリット板I4を配置し、回折格子1
3を入射角が変化する様に回転させる事によってスリッ
ト板14を通過する光束の波長を変化させる事ができる
。従ってCPU102は前述の実施例で説明した波長変
更の際に、回折格子13を所定の角度回転させる事によ
って照射用光束の波長変更を実行している。
FIG. 8 shows a perspective view of essential parts of a semiconductor exposure apparatus to which a third embodiment of the present invention is applied. In this embodiment, as a light source,
Using a white light source 10', a diffraction grating 1 is used as a wavelength selection means.
3 and a slit plate I4 are set within the alignment head 6. The diffraction grating 13 changes the angle of incidence of the diffracted light for each wavelength by changing the angle of incidence of the incident light beam. A slit plate I4 with slits, pinholes, etc. is placed at a predetermined position where it can receive diffracted light, and the diffraction grating 1
By rotating the light beam 3 so that the angle of incidence changes, the wavelength of the light beam passing through the slit plate 14 can be changed. Therefore, when changing the wavelength as described in the above embodiment, the CPU 102 changes the wavelength of the irradiation light beam by rotating the diffraction grating 13 by a predetermined angle.

本実施例のように、コヒーレンシーの低い光源を用いる
ことにより、ウェハ2面上のレジスト表面粗をマスク、
ウェハ上のアライメントマークのエツジからの散乱光等
の要因により発生する受光面9上のスペックルなどの不
要光を抑えることができる。
As in this example, by using a light source with low coherency, the resist surface roughness on the two sides of the wafer can be masked and
Unnecessary light such as speckles on the light receiving surface 9 caused by factors such as scattered light from the edges of alignment marks on the wafer can be suppressed.

尚、波長選択手段としては、回折格子を用いる事に限定
されることなく、例えばプリズムなどを用いてよい。又
、波長選択手段は光源10’  のすぐ後ではなく、検
出器8の検出面9の直前に配置し、白色光をグレーティ
ングレンズ3a、 4aに照射し、回折された光束を波
長選択手段によって検出したい波長のみ検出面9上に入
射させる様に制御してもよい。この場合スリット板14
はマスク、ウェハいずれによって光束の出射角が変動し
ても、マスクとウェハとが所定の位置ずれ範囲内にあれ
ば、検出用の波長の光が遮光されない様にスリットの大
きさを設定しておく。
Note that the wavelength selection means is not limited to using a diffraction grating, and for example, a prism or the like may be used. Further, the wavelength selection means is arranged not immediately after the light source 10' but just before the detection surface 9 of the detector 8, and the grating lenses 3a and 4a are irradiated with white light, and the diffracted light beam is detected by the wavelength selection means. It may be controlled so that only the desired wavelength is incident on the detection surface 9. In this case, the slit plate 14
The size of the slit is set so that even if the emission angle of the light beam changes due to either the mask or the wafer, as long as the mask and wafer are within a predetermined misalignment range, the light of the detection wavelength will not be blocked. put.

本発明による第4の実施例を第12図に示す。A fourth embodiment according to the present invention is shown in FIG.

本実施例は前記実施例と同様、半導体露光装置のマスク
(レチクル)、ウェハ間の位置合わせ装置であり、ウェ
ハ上には所定膜厚のレジストがスピンコードされている
Like the previous embodiment, this embodiment is an alignment device between a mask (reticle) and a wafer of a semiconductor exposure apparatus, and a resist having a predetermined thickness is spin-coded on the wafer.

本実施例ではアライメント用光束の波長をレジストの膜
厚、分光反射率に基づいて選択し、センサ面上に集光す
る光束の強度レベルが常に一定以上に保たれるようにし
ている。
In this embodiment, the wavelength of the alignment light beam is selected based on the film thickness of the resist and the spectral reflectance, so that the intensity level of the light beam focused on the sensor surface is always maintained above a certain level.

本実施例ではレジスト膜厚によってきまる分光反射率の
計測を位置ずれ量計測制御に先立って光学手段によって
行う。
In this embodiment, the spectral reflectance determined by the resist film thickness is measured by optical means prior to positional deviation amount measurement control.

分光反射率計測用光学手段としては、位置ずれ計測用光
ヘツド6と露光装置本体に取り付けられたセンサ13、
ミラー14から威る系を用い、マスク1を露光エリアE
にマウントする前(マウント後でも良い)にヘッド6内
光源lOより、ウェハ2面に光束10aを投射し、ウェ
ハ面からの反射光Jobのセンサ13上強度を測定して
行う。
The optical means for measuring spectral reflectance includes an optical head 6 for measuring positional deviation, a sensor 13 attached to the main body of the exposure apparatus,
Using the mirror 14, the mask 1 is placed in the exposure area E.
Before mounting on the wafer (or after mounting), a light beam 10a is projected onto the wafer 2 surface from the light source 10 in the head 6, and the intensity of the reflected light Job from the wafer surface on the sensor 13 is measured.

光源10は複数の発振波長の異なるレーザまたは発振波
長の制御可能な可変波長レーザ(半導体レーザ、色素レ
ーザなど)、または準単色なスーパールミネッセントダ
イオード(SLD)或は白色光源と波長選択手段(プリ
ズムまたは回折格子)から成る光学手段で構成されてお
り、選択可能な波長域で波長をスキャンしてレジストが
塗布されたウェハ面からの分光反射率を測定し、該測定
データに基づき位置ずれ計測時に選択する少なくとも2
つの波長を決定する。
The light source 10 includes a plurality of lasers with different oscillation wavelengths, a tunable laser with a controllable oscillation wavelength (semiconductor laser, dye laser, etc.), a quasi-monochromatic superluminescent diode (SLD), or a white light source and wavelength selection means ( It consists of an optical means consisting of a prism or a diffraction grating, which scans wavelengths in a selectable wavelength range to measure the spectral reflectance from the wafer surface coated with resist, and then measures positional deviation based on the measured data. At least 2 to choose from
Determine the two wavelengths.

波長選択の方法としては、第12図に示す系においては
光束投射角αとマスク面上マーク3aから回折して、ウ
ェハ2面上に到達する信号光束10aの入射角α′に基
づいて以下のように決める。
In the system shown in FIG. 12, the wavelength selection method is as follows based on the beam projection angle α and the incident angle α' of the signal beam 10a diffracted from the mark 3a on the mask surface and reaching the wafer 2 surface. Decide as follows.

一般に屈折率noの基板上に形成された膜厚l屈折率n
の膜厚に角度θで入射した強度■、波長λの光線の反射
強度Inは多重反射を考慮して次式で与えられる。
In general, film thickness l formed on a substrate with refractive index no, refractive index n
The intensity ■ of a light beam incident on the film thickness at an angle θ and the reflection intensity In of a light beam of wavelength λ are given by the following equation, taking into account multiple reflections.

λ 二二にrは薄膜と基板との界面での振幅反射率r′は薄
膜と接する大気などとの第2の界面での振幅反射率を表
わす。
λ22, r represents the amplitude reflectance at the interface between the thin film and the substrate, and r' represents the amplitude reflectance at the second interface between the thin film and the atmosphere, etc.

1rはδがδ=  (2m−1) yr (m :整数
)となるとき最大となるから、 を満たすと多重反射を考慮した反射率は極大になる。
Since 1r becomes maximum when δ becomes δ=(2m-1) yr (m: integer), when the following is satisfied, the reflectance considering multiple reflections becomes maximum.

いま入射角度θに対応する反射率極大を与える波長をλ
(θ)とおくと、 従って他の入射角度θ′ に対応する反射率極大 を与える波長λ(θ′)はλ(θ)を用いてで与えられ
る。一般には反射率が極大値に対して所定の割合となる
ような波長の入射角θ依存性も(3)式で与えられる。
The wavelength that gives the maximum reflectance corresponding to the incident angle θ is now λ
(θ). Therefore, the wavelength λ(θ') that provides the maximum reflectance corresponding to other incident angles θ' is given by using λ(θ). In general, the dependence of the wavelength on the incident angle θ such that the reflectance is at a predetermined ratio with respect to the maximum value is also given by equation (3).

従って、予め入射角度α で分光反射特性を測定してお
けば、(3)式に基づいて反射率が極大値に対して所定
の割合となる波長を求めることができる。
Therefore, by measuring the spectral reflection characteristics at the incident angle α 2 in advance, it is possible to determine the wavelength at which the reflectance is at a predetermined ratio with respect to the maximum value based on equation (3).

また反射率が極大に対して何%となる波長を選択するか
は任意に設定可能であり、光源の選択可能な波長域を考
慮して決定すればよい。
Further, the wavelength at which the reflectance is selected as a percentage of the maximum can be set arbitrarily, and may be determined by taking into consideration the selectable wavelength range of the light source.

尚、レジスト膜厚に応じたセンサ上での信号光束の分光
強度特性を光ヘツド6とマスクlおよびウェハ2から威
る位置ずれ計測光学系において測定してもよい。
Incidentally, the spectral intensity characteristics of the signal light flux on the sensor according to the resist film thickness may be measured using a positional deviation measuring optical system that includes the optical head 6, the mask 1, and the wafer 2.

尚、前実施例と同様、本実施例では2つの異なる波長の
光束をマスク、ウェハ上に形成されたグレーティングレ
ンズ投射して波長による位置ずれ検出感度の違いを利用
して位置ずれ量の計測を行うが、その原理及び信号処理
等は既に説明したとおりである。
Note that, as in the previous embodiment, in this embodiment, light beams of two different wavelengths are projected onto a grating lens formed on a mask and a wafer, and the amount of positional deviation is measured by utilizing the difference in positional deviation detection sensitivity depending on the wavelength. The principle, signal processing, etc. are as described above.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明した様に、本発明によればウェハ等の第2物体
に傾きが生じたり、光束照射手段や検出器に位置変化が
生じても、誤差を生じない高精度な位置検出が可能とな
る。
As explained above, according to the present invention, even if a second object such as a wafer is tilted or a positional change occurs in the light beam irradiation means or the detector, highly accurate position detection without causing errors is possible. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明による第1実施例の概略図、第2図は本
発明の位置合わせ制御手順の実施例を示すフローチャー
ト図、 第3図、第4図はグレーティングレンズ屈折力配置説明
図、 第5図はアライメントマークパターンの一例の図、第6
図は本発明の位置ずれ検出特性を示すグラフ、第7図は
本発明による第2の実施例の概略図、第8図は本発明に
よる第3の実施例の概略図、第9図、第10図、第11
図は従来例の説明図、第12図は本発明による第4実施
例の概略図である。 図中、1:マスク、2:ウェハ 3a、4a:グレーテ
ングレンズ 8:検出器、9:検出面、10:光源10
2 : CPUである。 第5□□□ (A) (臼ン
FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment according to the present invention, FIG. 2 is a flowchart showing an embodiment of the alignment control procedure of the present invention, FIGS. 3 and 4 are explanatory diagrams of grating lens refractive power arrangement, Figure 5 is an example of an alignment mark pattern, Figure 6 is an example of an alignment mark pattern.
The figures are graphs showing the positional deviation detection characteristics of the present invention, Figure 7 is a schematic diagram of the second embodiment of the present invention, Figure 8 is a schematic diagram of the third embodiment of the present invention, Figures 9 and 7 are graphs showing the positional deviation detection characteristics of the present invention. Figures 10 and 11
The figure is an explanatory diagram of a conventional example, and FIG. 12 is a schematic diagram of a fourth embodiment according to the present invention. In the figure, 1: mask, 2: wafer, 3a, 4a: grating lens, 8: detector, 9: detection surface, 10: light source 10
2: CPU. 5th □□□ (A) (Usuun

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)レンズ作用を有する第一物理光学素子を設けた第
一物体とレンズ作用を有する第二物理光学素子を設けた
第二物体との相対位置を検出する装置で、第一物理光学
素子に複数の波長の光を各波長同時あるいは順次に照射
する光源手段、前記光源手段によって照射され前記第一
物理光学素子によって集光あるいは発散されかつ前記第
二物理光学手段によって集光あるいは発散された前記複
数の波長の光を検出する検出手段、を有し、前記検出手
段による少なくとも二つの波長におけるそれぞれの検出
結果によって第一物体と第二物体との相対位置を検出す
ることを特徴とする位置検出装置。
(1) A device for detecting the relative position of a first object provided with a first physical optical element having a lens function and a second object provided with a second physical optical element having a lens function, a light source means for emitting light of a plurality of wavelengths simultaneously or sequentially; a detection means for detecting light of a plurality of wavelengths, and the relative position of the first object and the second object is detected based on the detection results of each of the at least two wavelengths by the detection means. Device.
(2)第一物体と第二物体との相対位置を検出する方法
で、第一物体にレンズ作用を有する第一物理光学素子を
、第二物体にレンズ作用を有する第二物理光学素子をそ
れぞれ設け、前記第一物理光学素子に複数の波長の光を
各波長同時あるいは順次に照射し、前記第一物理光学素
子によって集光あるいは発散されかつ前記第二物理光学
素子によって集光あるいは発散された前記複数の波長の
光を検出し、少なくとも二つの波長におけるそれぞれの
検出の結果に基づいて前記第一および第二物体の相対位
置を検出することを特徴とする位置検出方法。
(2) A method of detecting the relative position of a first object and a second object, in which a first physical optical element having a lens effect is attached to the first object, and a second physical optical element having a lens effect is attached to the second object. and irradiate the first physical optical element with light of a plurality of wavelengths simultaneously or sequentially, and the light is focused or diverged by the first physical optical element and the light is focused or diverged by the second physical optical element. A position detection method, comprising: detecting the plurality of wavelengths of light; and detecting the relative positions of the first and second objects based on the detection results of at least two wavelengths.
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