JPH0367103A - 位置検出装置及び方法 - 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】 〔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。

「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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔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。

＄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。

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。

今、 とすれば Δδθ　＝＝１８，７Ｘ１０”Ｘ２ＸＩＯ’＝３．７４
μｍ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。

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。

〔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。

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。

〔実施例〕

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
。

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。

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。

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。

ＸＹステージ１００は又ウェハ４をＺ方向の所定保持さ
れる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

例えばＡ　＝　１．０１、波長λにおける焦点距離ｒ−
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明による第４の実施例を第１２図に示す。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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。
2. （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。