JPH0427683B2

JPH0427683B2 -

Info

Publication number: JPH0427683B2
Application number: JP58005184A
Authority: JP
Inventors: Junji Hazama; Shoichi Tanimoto; Kinya Kato; Hisao Izawa
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1992-05-12
Also published as: JPS59132126A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、マスクのパターンをウエハ上に露光
する際、マスクとウエハとの位置合わせを行なう
ための位置合わせ装置に関し、特にプロキシミテ
イー露光装置に於ける位置合わせ装置に関する。

従来のプロキシミテイー露光に於ける位置合わ
せ方式として、特開昭53−111280公報に示される
ように、レーザービームを開口数の小さな対物レ
ンズで絞ることにより、マスクとウエハの双方に
焦点の合つたスポツトを形成し、そのスポツトを
走査して、マスクとウエハ上のアライメントマー
クからの散乱光を検出する方式が知られている。
ところがこの方式のようにマスクとウエハの双方
に焦点を合わせる為にレーザビームを開口数の小
さな対物レンズで絞ると必然的にレーザースポツ
トが大きくなり、高い分解能が得られず高精度な
位置合わせを行うことが難しくなる。

そこで特公昭56−1777号公報に示されているよ
うに二重焦点レンズを用いてレーザービームを大
きな開口数の対物レンズで絞り、マスクとウエハ
を別々に焦点合わせするという方法も考えられ
る。しかしながら単に二重焦点レンズを用いたの
ではマスク上のマークとウエハ上のマークとがレ
ーザビームの光束等と干渉してしまい、十分な精
度での位置合わせができないという欠点が避けら
れない。

また、高精度で位置合わせを行う為には、上記
の方式では走査機構に高精度が要求され、例えば
振幅100μmで走査し0.01μmの位置精度を得るに
は、走査機構に0.01/100＝0.01％の精度が要求さ
れることになり、従来の捜査機構では高精度な位
置合わせには不十分であつた。

本発明は、マスクとウエハのように対面した２
つの平板の位置合わせを高精度で可能とする位置
合わせ装置を提供することを目的とする。

すなわち本発明の位置合わせ装置では、少なく
とも一方の平板が光透過性であると共に、位置合
わせ用の第１マークを有する第１平板と、位置合
わせ用の第２マークを有する第２平板とを対面さ
せて、両平板の相対的な位置を合わせる装置にお
いて、所定間隙で対面した第１平面上及び第２平
面上に各々結像すると共に、それら結像位置が前
記第１、第２平面の広がり方向に所定距離離れた
第１光束と第２光束とを射出する光束射出手段
と；第１平板と第２平板を対面させて、前記第
１，第２光束を光透過性の平板側から入射させた
とき、両平板上の各光束の結像状態に基づいて、
第１、第２平板が各々前記第１、第２平面と一致
するように制御する第１制御手段と；前記第１光
束が第１マークを照射し、前記第２光束が第２マ
ークを照射するように、第１平板と第２平板とを
前記第１、第２平面の広がり方向に相対的に変位
させるための第２制御手段とを備えてなるもので
ある。ひとつの態様において前記光束射出手段
は、前記第１、第２光束の波長において焦点深度
が前記第１平面と第２平面との所定間隙よりも小
さい対物レンズを有し、該対物レンズを介して前
記第１、第２光束を射出するようになされてい
る。

また前記光束射出手段は、前記第１，第２光束
を得るために、コヒーレント光束を偏光により２
光束に分離する偏光分離光学系と分離された２光
束の光路長を前記第１、第２平面の所定間隙に対
応して異ならせる光路長補正光学系とを備えてい
る。

前記第１制御手段は、第１、第２平板の各々に
照射された第１、第２光束の反射光を偏光によつ
て分離し、分離された各光束を個別に受光して、
第１、第２平板上に結像された第１、第２光束の
スポツト像の大きさを検出する一次元イメージセ
ンサーを含んでおり、一方前記第２制御手段は、
第１、第２平板の第１、第２マークからの光情報
を偏光によつて分離し、分離された光情報を個別
に受光して各マークを検出する光電検出器を含ん
でいる。

本発明を実施側面図と共に詳述すれば以下の通
りである。

第１図乃至第５図は本発明の実施例による位置
合わせ装置のアライメント光学系を示す光路図で
ある。

第１図において、レーザ光源１から射出したレ
ーザ光はビームエクスパンダ２、偏光板３及び
１／４波長板４、を介して平行光束となり、円筒レ
ンズ５に入射する。このとき偏光板３と1/4波長
板４によつてレーザ光は円偏光となる。円筒レン
ズ５によつて、断面が細長い帯状光束に変換され
た光束は、振動ミラー６に達する。尚、円筒レン
ズ５の焦点位置は振動ミラー６の中心と一致して
いる。円筒レンズ５を射出したレーザ光束は振動
ミラー６の反射面上では紙面内に収束された帯状
スポツト光となる。すなわち、円筒レンズ５は第
１図の紙面内ではパワーをもたず、紙面と垂直な
方向にパワーを有する。振動ミラー６で反射され
た光束は第１図中、紙面と垂直な方向に広がり、
振動ミラー６の中心に焦点が一致するレンズ７を
通り、光束を紙面内でシフトする平行平板ガラス
HGを通つてビームスプリツタ８に達する。尚、
振動ミラー６は第１図の紙面と垂直に振動回転の
回転軸Ｃを有し、レンズ７に達する光束を紙面
内で上下に微小振動させる。また第２図は第１図
中のAA矢視部分の光路図であり、振動ミラー６
は全体が反射面ではなく、帯状スポツト光の断面
形状に合わせた細長い反射部６ａと、透明部６ｂ
とから構成されている。このように反射部６ａを
細長くしたのは、レーザ光源１に戻り光が逆入射
（バツクトーク）しないようにするためである。
このバツクトーク防止は偏光板３と1/4波長板４
によつても行なわれる。

ここで、円筒レンズ５、振動ミラー６、及びレ
ンズ７によつて形成される各光束について詳述す
ると、第８図のようになる。第８図において円筒
レンズ５を射出した光束は、振動ミラー６の反射
面上で細長い帯状のスポツト光SPに収束される。
その後、スポツト光SPは一定の角度で広がり、
レンズ７に入射するときには、同図中、斜線部の
ようにスポツト光SPの長手方向と直交する方向
に延びた光束SP′となる。従つて、光束SP′が矢
印ａのように微小振動するためには、スポツト光
SPの長手方向と直交する振動ミラー６の回転軸
Ｃを中心としてスポツト光SPを往復回転させ
ればよい。

さて、第１図の説明に戻つて、ビームスプリツ
タ８に入射した帯状光束は２つに分割されて、一
方の光束はウエハ照射用の光束BWとして1/2波
長板９を通りミラー１０で反射されて、光路長補
正プリズム１１を通つてビームスプリツタ１２に
達する。またビームスプリツタ８で分割された他
方の光は、マスク照射用の光束BMとして、1/2
波長板１３と、光束のシフトを行なうために傾斜
可能な平行平板ガラス１４（以下、ハービングガ
ラス１４とする）とを通り、ミーラ１５で反射さ
れてビームスプリツタ１２に達する。尚、本実施
例では、ビームスプリツタ８，１２として、光電
信号のＳ／Ｎを向上させるために、光束を偏光に
よつて分離する偏光ハーフプリズムを用いるもの
とする。そして、この分離のために1/2波長板９，
１３の後に、偏光方向が直交した偏光板９，１
３′を設ける。

さて、ビームスプリツタ１２に入射した光束
BWとBMは再び１つの光束に合成され、合成さ
れた光束はレンズ１６、ハーフミラー１７を介し
てミラー１８に達する。ミラー１８はハーフミラ
ー１７からの光束を紙面の下方へ反射するように
45°傾いて設けられている。また、ミラー１５は、
ビームスプリツタ１２で合成された光束BMの光
束中心が後述するウエハ上のアライメントマーク
とマスク上のアライメントマークとの所定のずれ
量に対応して、光束BWの光束中心に対して偏芯
するように設定されている。

さて、第３図はミラー１８をＢ方向から見た
図、第４図はミラー１８をＣ方向から見た図であ
り、対物レンズ１９は合成された光束BM、BW
を各々マスク２０のパターン面とウエハ２１の表
面とに収束させ、各面上に細長い帯状のスポツト
光を結像する。マスク２０とウエハ２１との間隙
（いわゆるブロキシミテイ・ギヤツプ）をｇとす
ると、対物レンズ１９の焦点深度が、このギヤツ
プｇよりも十分小さくなるように、その開口数が
大きく定められている。また、ギヤツプｇは露光
装置によつて最適に定められる固有値である。そ
こで光束BM、BWが各々ギヤツプｇだけ対物レ
ンズ１９の光軸方向に離れた位置で、帯状スポツ
ト光結像されるように、光路長補正プリズム１１
の２つの台形プリズム１１ａ，１１ｂを光軸に対
して垂直方向（第１図中、紙面内の上下方向）に
相対移動させて調整する。尚プリズム１１ａ，１
１ｂを通る光束は円筒レンズ５の作用で、紙面内
ていは収束光となり、紙面と垂直な方向では平行
光束となる。また、レンズ７とレンズ１６はアフ
オーカル系を構成するが、レンズ７の焦点位置に
は振動ミラー６の中心が一致し、レンズ１６の焦
点位置には対物レンズ１９の瞳１９ａが一致する
ように定められている。このため、光路長補正プ
リズム１１の有無にかかわらず、振動ミラー６と
対物レンズ１９の瞳１９ａとは光学的に共役とな
り、テレセントリツクな照射光学系が形成され
る。

このような構成された光束射出手段によつてマ
スク２０、ウエハ２１上に結像された帯状のスポ
ツト光が、各々マスク２０上のアライメントマー
クとウエハ２１上のアライメントマークとを照射
すると、各マークからは光情報として０次光を含
む回析光が生じる。また、マスク２０とウエハ２
１上でマークのない平坦面であつても、反射光が
生じる。この光情報は対物レンズ１９に逆入射
し、ミラー１８、ハーフミラー１７及びミラー２
２で反射されて、レンズ２３に達する。レンズ２
３を通つた光情報の一部は、ハーフミラー２４を
透過してレンズ２５に達する。尚、レンズ２３の
焦点位置は対物レンズ１９の瞳１９ａと一致する
ように定められている。そしてレンズ２連とレン
ズ２５とによつてアフオーカル系が形成され、そ
の平行な光路中にハーフミラー２４が配置され
る。

なお、レンズ２３に達する逆入射光束は第１図
の紙面内ではほぼ平行であり、紙面と垂直な方向
では収束光となる。従つて、レンズ２３と２５の
光路光は紙面と垂直な方向では平行光束となつて
いる。ハーフミラー２４で反射された光情報は、
ハーフプリズム８，１２と同様の偏光ハーフプリ
ズム２６に入射する。偏光ハーフプリズム２６は
マクス２０からの０次光DMoとウエハ２１から
の０次光DWoと偏光によつて２つに分離して、
各々CCD等の一次元イメージセンサー２７と２
８の受光面に導びく。一次元イメージサンセー２
７，２８は、マスク２０上のスポツト光とウエハ
２１上のスポツト光の大きさを検出するための光
電変換器である。第１制御手段はこの一次元イメ
ージセンサー２７，２８によつて、対物レンズ１
９の焦点位置に対するマスク２０とウエハ２１と
の位置ずれを検出し、マスク２０とウエハ２１と
を対物レンズ１９の光軸方向（以下、Ｚ方向とす
る）に相対的に移動させることによつて、スポツ
ト光をマスク２０とウエハ２１上に正確に合焦さ
せる。これはさらにギヤツプｇの自動設定にも利
用することができる。

さて、レンズ２５を通つたマスク２０とウエハ
２１とからの光情報はミラー２９で反射されて、
０次光DMo，DWoをカツトし、他の次数の回折
光を透過する空間フイルター３０に達する。空間
フイルター３０を通つた１次以上の回折光は集光
レンズ３１によつて集光されて、偏光ハーフプリ
ズム３２に入射する。偏光ハーフプリズム３２は
その回折光をマスク２０からの回折光DMとウエ
ハ２１からの回折光DWとに偏光により分離し
て、各々光源検出器３３と３４に導びく。

第５図は空間フイルター３０、集光レンズ３１
及び光電検出器３４の配置と、０次元DWoと回
折光DWとの関係を示す図である。ここで空間フ
イルター３０はレンズ２５の焦点位置に配置され
る。このため対物レンズ１９の瞳１９ａと空間フ
イルター３０とは共役になり、空間フイルター３
０上には対物レンズ１９の瞳像が結像する。尚、
空間フイルター３０としては、スポツト光の形状
に合わせて０次元カツトのための細長い遮光部を
設けた透明板でよい。第１図の光学系の場合、ビ
ームスプリツタ８に入射したレーザ光束のうち、
偏光方向のＰ成分はビーユスプリツタ８を透過
し、Ｓ成分は反射する。もし、1/2波長板９，１
３がないと、光束BMはＳ成分となり、ミラー１
５で反射された後、ビームスプリツタ１２で反射
されずに透過してしまう。一方、光束BWはＰ成
分となり、ミラー１０で反射された後、ビームス
プリツタ１２で透過せずに反射してしまう。そこ
で1/2波長板９，１３を入れて光束BM，BWの
偏光方向をそれぞれ90°回転させ、第１図のよう
にビームスプリツタ１２から図中左側に光束
BM，BWを合成して射出するようにしてある。

尚、ビームスプリツタ１２から図中下方に光束
BM，BWを合成して射出する場合には、上記1/
２波長板９，１３は不要となる。

次に、対物レンズ１９によつて結像されたスポ
ツト光とマスク２０、ウエハ２１の各マークとの
関係について、第６図、第７図に基づき説明す
る。第６図ａは第４図の拡大図であり、第６図ｂ
は第３図の拡大図である。第７図は対物レンズ１
９の視野１９ｂ内でのスポツト光と各マークの配
置を示す。

さて、光束BWはその中心が対物レンズ１９の
光軸と一致するように対物レンズ１９に入射す
る。光束BWによる帯状のスポツト光WSは、マ
スク２０の透明部分を通つてウエハ２１上に形成
された幅5μm、長さ100μm程度の回折格子状パタ
ーンのマーク２１ａに結像される。一方、光束
BMによる帯状のスポツト光MSは、対物レンズ
１９の光軸から水平方向に距離ｄだけ偏芯した位
置に結像し、マスク２０に形成された幅5μm、長
さ100μm程度の格子状パターンのマーク２０ａに
結像される。また、スポツト光WSとMSは互い
に平行となるように定められ、その長手方向はマ
ーク２０ａ，２１ａの格子の配列方向とも一致し
ている。さらにスポツト光WS，MSの幅はマー
ク２０ａ，２１ａの幅とほぼ等しく定められてい
る。そして、スポツト光WS，MSは、その長手
方向と直交する方向に同時に振動する。尚、本実
施例では、この振動の振幅は、マーク２０ａ，２
１ａの幅と略等しく定められている。従つて本実
施例ではマーク２０ａ，２１ａからの回折光
DM、DWは第６図ｂのように、スポツト光MS，
WSの長手方向に広がるような角度で対物レンズ
１９に逆入射する。尚、スポツト光MS，WSの
幅に対する長さｈを大きくすることによつて、マ
ーク２０ａとマーク２１ａの位置検出精度が向上
する。これは長さｈが大きいと、回折光が多く生
じることになり、検出信号のＳ／Ｎが向上するか
らである。また、マスク２０にはマーク２０ａの
平行に同様のマーク２０ｂが形成されている。こ
のマーク２０ａと２０ｂの間隔は、対物レンズ１
９の開口数とギヤツプｇとによつて決まる光束
BWの光路を遮へいしないように定められてい
る。またマーク２０ｂは実際には光電的なマーク
検出に寄与しない。しかしながら、マーク２０ａ
と２０ｂとの間隔が２ｄとなるようにマーク２０
ｂを設けておけば、目視で位置合わせする際極め
て都合がよい。

また、第１図、第２図において、対物レンズ１
９に逆入射した０次の光束DMo，DWo及び回折
光DM，DWのうち、光束DMo，DWoはミラー
１８，ハーフミラー１７，ビームスプリツタ１
２，８を通つて振動ミラー６に達し、レーザ光源
１にバツクトークとなつて入射してしまう。そこ
で第９図に示すように、光束DMo，DWoが振動
ミラー６の透明部６ｂを通るように、レーザ光源
１からの帯状光束BM，BWと光束DMo，DWo
との光路をわずかにずらせる。このために本実施
例では第１，３，４図に示したミラー１８を45°
からわずかに傾ける。具体的には、第３図に示し
たミラー１８の位置を紙面内でわずかに回転させ
るようにする。このようにすると、第７図のスポ
ツト光MS，WSが共に視野１９ｂ内で若干長手
方向にシフトする。しかしながらこのシフトはス
ポツト光MS，WSの間隙ｄを変えるものではな
いので、マーク２０ａ，２１ａの検出において何
ら誤差要因とはならず、精度を低下させることは
ない。

次に、本発明の実施例によるアライメント光学
系を備えたマスクとウエハの位置合わせ装置につ
いて、第１０図を参照して説明する。第１０図は
位置合わせ装置の構成を一部ブロツク図の形式で
示した模式図である。第１０図において、ベース
５０上にはウエハ２１を２次元移動するためのス
テージ５１が配置され、ステージ５１は２次元駆
動手段５２（以下、ACT５２とする）によつて
ベース５０上をxy平面（図中ｘ方向と、これと
垂直な方向（紙面表裏方向）によつてできる面）
に沿つて移動可能とされている。このステージ５
１の座標位置はレーザ干渉計５３によつて検出さ
れている。またステージ５１上にはウエハ２１を
載置するとともに、ウエハ２１をステージ５１に
対して微小回転させたり、傾けたり、あるいは
xy平面と垂直なｚ軸方向に上下動させたりする
ためのウエハホルダ５４が設けられている。これ
はウエハホルダ５４の各運動はステージ５１に設
けられた駆動部５５によつて行なわれる。またウ
エハホルダ５４上にはアライメント光学系の校正
やマスク２０とウエハ２１のギヤツプｇを検定す
るために、マーク２０ａ，２１ａと同様の回折格
子状の基準マーク５６（以下FM５６とする）が
設けられている。

一方、ベース５０から延びたコラム５７の先端
にはマスク２０の位置を調整するための駆動部５
８が設けられている。この駆動部５８はマスク５
０を保持するマスクホルダ５９を回転させたり、
ｚ方向に上下動させたり、あるいは、傾かせたり
するように作動する。またマスク２０の上方には
前述の対物レンズ１９が位置するように、アライ
メント光学系６０が配置される。アライメイト光
学系６０はマスク２０の上方に出し入れできるよ
うに駆動部６１によつて矢印のように移動する。
また駆動部６１はその出し入れの量も検出する。
尚、アライメント光学系６０は第１〜４図全体の
構成を含むものとするが、出し入れのために対物
レンズ１９，ミラー１８，ハーフミラー１７，レ
ンズ１６，ミラー２２，及びレンズ２３のみを一
体として移動させるようにしてもよい。検出装置
６２は、アライメント光学系６０の内、すなわち
第１図の構成で一次元イメージセンサー２７，２
８，光電検出器３３，３４の各光電信号を入力と
して受けとつて、マークの検出や焦点検出を行な
う。すなわち、一次元イメージセンサー２７，２
８の出力信号に基づいてマスクやウエハ上のスポ
ツト像の大きさを検出するほか、光束BM，BW
のマスクやウエハ上の結像状態、すなわち位置ず
れを検出する。また検出装置６２は第１図に示し
た平行平板ガラスHGの傾きも制御する。また
ACT５２，レーザ干渉計５３，駆動部５５，５
８，６１及び検出装置６２は全体を統括制御する
マイクロ・コンピユータ等の制御手段６３によつ
て制御される。本実施例ではこれら検出装置６２
と制御装置６３の各機能で第１と第２の制御手段
の役目を果たすようにしてある。

尚、第１０図にはアライメント光学系が１つし
か表わされていないが、実際には第１１図のよう
に３つのアライメント光学系６０ｘ，６０ｙ，６
０θがマスク２０のまわりに配置される。第１１
図で丸印で示されたアライメント光学系６０ｘ，
６０ｙ，６０θは各々対物レンズ１９の視野を表
わすものとし、各対物レンズ１９は矢印のように
マスク２０上に出し入れされる。またこの場合、
マスク２０としては図中斜線部のようにストリー
トラインSLで区切られた４つの回路パターン領
域CP（以下チツプCPとする）が形成されたもの、
いわゆるマルチ・ダイのものが使用できる。そし
て、ストリートラインSL上のマスク２０の周辺
部には、第７図で示したマーク２０ａ，２０ｂが
アライメント光学系６０ｘ，６０ｙ，６０θの位
置に対応して３ケ所に設けられている。また、マ
スク２０上のマーク２０ａ，２０ｂはマスク２０
の中心から放射方向に延びるように定められてい
る。そして、３ケ所のマーク２０ａ，２０ｂは同
時に観察され、アライメント光学系６０ｘはマス
ク２０とウエハ２１のｘ方向の位置を検出し、ア
ライメント光学系６０ｙは同様にｙ方向の位置を
検出し、アライメント光学系６０θは６０ｙと共
にマスク２０及びウエハ２１の回転を検出する。

尚、３つのアライメント光学系６０ｘ，６０
ｙ，６０θは各々第１図で示した一次元イメージ
センサ２７，２８を備えており、マスク２０上の
３ケ所でマスク２０とウエハ２１とのギヤツプｇ
も検出する。

また第１０図のFM５６としては、第１２図の
ようにxy方向のアライメントのために、各々xy
方向に延びた２つの格子状パターンを設けたもの
が使われる。さらに、FM５６としては、レーザ
光の２つのスポツト光MS，WSの各結像位置に
対応するように第１３図ａ，ｂのようなものとし
てもよい。この場合、２つの平行な格子状パター
ンは間隔ｄだけ離れており、かつギヤツプｇに相
当する分だけ段差となるように配置されている。
このようなFM５６を用いると、アライメント光
学系の校正やアライメント動作が極めて簡単にで
きるという利点がある。

さて、第１０図において、検出装置６２に組み
込まれた検出回路の一例を第１４図により説明す
る。

第１４図はマスク２０のマーク２０ａを検出す
る回路のブロツク図である。尚、ウエハ２１のマ
ーク２１ａの検出もほぼ同じ構成の回路で行なわ
れるので説明を省略する。

第１４図において、マーク２０ａからの回折光
DMを受光する光電検出器３３の出力信号はプリ
アンプ１００に入力され、DMの光量に応じた電
圧信号として出力される。プリアンプ１００の出
力信号は位相検波回路（PSD）１０１に入力さ
れる一方、コンパレータ１０３にも入力されて基
準電圧１０２と比較される。PSD１０１の出力
信号はローパスフイルタ（LPF）１０４に入力
され、LPF１０４からマーク２０ａとスポツト
光MSとの位置ずれに対応した直流レベル信号と
して出力される。

発振器（OSC）１０５は同一周波数の矩形波
信号S₁と正弦波信号S₂とを出力し、矩形波信号S₁
はPSD１０１に基準信号として入力されてプリ
アンプ１０１の出力信号との位相差の検出に用い
られ、正弦波信号S₂はパワーアンプ１０６で電力
増幅されて第１図の振動ミラー６の駆動信号に用
いられる。前記PSD１０１は一般的には乗算器
などで構成することができ、その出力信号にはリ
ツプル（高周波成分）が含まれるためLPF１０
４で直流レベル信号のみとり出すようにするのは
前述の通りである。

コンパレータ１０３はプリアンプ１０１の出力
信号と基準電圧１０２とを比較してスポツト光
MSとマーク２０ａが概ね重なつたかどうかを判
定するものであり、この結果をもつて粗位置合わ
せに利用可能である。即ち第１５図ａに示すよう
に、振動ミラー６の振動を止めておき、マーク２
０ａをスポツト光MSで走査すると第１５図ｂに
示すようにスポツト光MSがマーク２０ａと一致
したときに最大の回折光が発生してプリアンプ１
００の出力信号の時間的変化にピークが現れる。
これを基準電圧１０２と比較することによりコン
パレータ１０３は第１５図ｃに示す様なパルス信
号を出力する。

このパルス信号は「Ｈ」レベルである間はスポ
ツト光MSとマーク２０ａとが概ね重なつている
ことを示しており、これによりラフな位置合わせ
が達成可能である。尚、プリアンプ１００の出力
信号をローパスフイルタを介してコンパレータ１
０３に入力するようにすれば、振動ミラー６を振
動させたままでも同様のラフな位置合わせが果さ
れよう。

次に高精度の位置合わせを行なうためには、振
動ミラー６を振動させたままスポツト光MSをマ
ーク２０ａに対して走査する。このとき振動ミラ
ー６によつてスポツト光MSはマーク面において
微小振動するが、その振幅はほぼマーク２０ａの
幅に定められている。この場合のマーク２０ａと
スポツト光MSの様子および得られる信号波形を
第１６図ａおよびｂに示す。すなわち第１６図ａ
のようにスポツト光MSが微小振動しながらマー
ク２０ａを走査すると、LPF１０４の出力信号
は第１６図ｂのようにＳカーブ信号となる。つま
りスポツト光MSの中心とマーク２０ａの中心が
完全に一致したときにはプリアンプ１００の出力
信号とOSC１０５の矩形波信号との位相差が零
となる。尚、厳密にはこのときのプリアンプ１０
０の出力信号の周波数成分はOSC１０５の発振
周波数に対しては零となり、OSC１０５の発振
周波数の倍の周波数成分だけとなる。さらにこの
場合、マーク２０ａの中心Ｏに対して両側で位相
が反転した波形が得られ、従つてマーク２０ａの
中心とスポツト光MSの中心が完全に一致した状
態ではLPF１０４の出力は零となり、ずれてい
るときはその方向に応じてLPF１０４の出力に
正または負の信号が現われ、この零点合わせを行
なうことで極めて正確な位置合わせが達成され
る。

尚、ウエハ２１上のマーク２１ａもスポツト光
WSによる光電検出器３４の出力を全く同様の検
出回路で信号処理することで検出される。

次に本実施例による装置の全体的な動作を実際
の位置合わせ手順に従つて説明する。

まず、前述の如くウエハ２０のマーク２０ａと
マスク２１のマーク２１ａはスポツト光MS，
WSによつて位置合わせされるため、間隔ｄが正
確に決定されていないと位置合わせ誤差が生じ
る。この誤差を除くため高精度の調整によつて間
隔ｄを決定することもできるが、長期的安定性の
点では問題がある。従つて本実施例ではまず第１
に以下の方式によつて２つのスポツト光MS，
WSの間隔決定を行なう。

第１７図はこの間隔決定の説明に必要な部分を
第１０図から抜き出して示した模式図で、同一符
号は同一部分を示す。

はじめにステージ５１を移動して第１２図に示
した基準マーク（FM）５６とウエハアライメン
ト用光束BWによるスポツト光WSとの位置合わ
せを行なう。このときスポツト光WSの焦点位置
とFM５６の高さとが一致するように一次元イメ
ージセンサ２８によつてフオーカス合わせを行な
う。またFM５６との位置合わせは、光束BWの
中心とFM５６の中心とが一致するように第１４
図の回路を用いてステージ５１を移動させて行な
う。このようにしてFM５６の回折格子状パター
ンとスポツト光WSとが一致したら、次にプロキ
シミテイーのギヤツプｇに相当する量だけウエハ
ホルダ５４の上方に移動し、さらにマーク２０ａ
と２１ａの所定の間隔ｄに等しい量だけステージ
５１をマスクアライメント用の光束BM側に移動
する。この移動はレーザ干渉計５３の測定値を読
み取りながら行ない、従つて1/100μmオーダーの
制御が可能である。

次にFM５６の格子状パターンの中心にマスク
アライメント用の光束BMによるスポツト光MS
の中心が一致するように光束BMを移動する。光
束BMの移動は、第１４図のLPF１０４のＳカー
ブ信号の零点合わせをとりながら、第１図のハー
ピングガラス１４の回転で行なう。

このような手順によつて２つのスポツト光MS
とWSとの間隔は、マスク２０のマーク２０ａと
ウエハ２１のマーク２１ａとの間隔ｄに正確に等
しく決定され、以後のマスク２０とウエハ２１と
の位置合わせはこの２つのスポツト光MSとWS
を基準として行なわれる。

尚、以上の手順に際してFM５６として第１３
図のものを用いるとステージ５１の移動等の必要
がなくなり、その分だけ間隔ｄの設定が短時間に
済む。

また前述の手順に際してFM５６を用いて第１
１図に示したアライメント光学系６０ｙと６０θ
の平行出しも行なう。すなわちアライメント光学
系６０ｙのスポツト光の長手方向とアライメント
光学系６０θのスポツト光の長手方向とを結ぶ線
分が、ステージ５１のｘ方向と一致するように調
整する。

具体的には、アライメント光学系６０ｙの光束
BWによるスポツト光WSがFM５６と一致する
ようにステージ５６を位置決めしたのち、ステー
ジ５６をｘ方向に移動させて、FM５６がアライ
メント光学系６０θの直下にくるようにする。そ
して、アライメント光学系６０θの光束BWによ
るスポツト光WSがFM５６と一致するように、
アライメント光学系６０θ中の対物レンズ１９の
視野１９ｂ内でスポツト光WSとMSをｙ方向
（微小信号の方向）に変位させる。この変位は、
第１図で示したハーピングガラスHGを回転させ
て行なう。

以上のようにして、アライメント光学系６０ｙ
の検出中心（スポツト光の微小振動中心）と、ア
ライメント光学系６０θの検出中心とを結ぶ線分
を、ステージ５１のｘ方向の移動軌跡と一致（又
は平行）させる。

さて、以上のように２つのスポツト光MS，
WSの中心が間隔ｄ，ギヤツプｇに設定される
と、第１０図のようにウエハホルダ５４上にウエ
ハ２１が載置され、マスクホルダ５９にはマスク
２０が支持される。尚、マスク２０は一度ウエハ
ホルダ５４上に載置された後、ウエハホルダ５４
を上方へ（又はマスクホルダ５９を下方へ）移動
させることによつてマスクホルダ５９に受け渡さ
れる。

次に、第１０，１１図のようにアライメント光
学系６０（６０ｘ，６０ｙ，６０θ）がマスク２
０の上方にくり出される。このくり出される位置
は、マスク２０上の３ケ所のマーク位置に対応し
ている。

こうして、各アライメント光学系６０でマスク
２０の３つのマーク２０ａを光束BMのスポツト
光MSにより検出して、スポツト光MSの微小振
動の中心が、マーク２０ａの中心と一致するよう
にマスクホルダ５９を駆動部５８によつて動か
す。このとき、アライメント光学系６０の３カ所
の位置で、同時に焦点検出を行ない、その３ケ所
のマーク２０ａが共にスポツト光MSと合焦する
ように、マスク２０の傾きも調整する。

このようにマスク２０を各アライメント光学系
６０からの光束BMに対して位置決めし、以後マ
スクホルダ５９はその位置に固定される。

一方、ウエハ２１にはマスク２０のチツプCP
に対応したパターン領域がマトリツクス状に形成
されており、またストリート線上にはアライメン
ト用のマーク２１ａが形成されているものとす
る。

また、ウエハ２１は通常平坦な切欠き部、すな
わちフラツトを有し、ウエハホルダ５４に載置さ
れる時、ウエハ２１はこのフラツトを用いてウエ
ハホルダ５４上の所定位置に位置決めされる。こ
のため、ウエハ２１内のパターン領域の配列が予
めわかつていれば、FM５６からウエハ２１内の
各パターン領域までの距離や方向は概ね求めるこ
とができる。それには、各アライメント光学系６
０の光束BWのスポツト光WSがFM５６と一致
したとき、レーザ干渉計５３によつてステージ５
１の座標値を計測して記憶しておけばよい。

そこで、そのFM５６の座標値に応じてステー
ジ５１を移動させて、マスク２０のチツプCPの
直下にウエハ２１のパターン領域が位置するよう
にする。これによりチツプCPとパターン領域と
は数十μm程度の誤差で位置合わせされる。

そして、３つのアライメント光学形６０ｘ，６
０ｙ，６０θによつてウエハ２１上の３つのマー
ク２１ａの検出を開始する。

次に、第１４図に示した処理回路で、ウエハ２
１上のスポツト光WSの振動中心とマーク２１ａ
の中心とが一致するようにステージ５１をxy平
面内で移動する。これによつて、ウエハ２１上の
３ケ所のマーク２１ａとマスク２０上の３ケ所の
マーク２０ａとが各々間隔ｄで位置合わせされ、
マスク２０上のチツプCPとウエハ２１上のパタ
ーン領域とが精密に重ね合わされる。

こうして、マスク２０とウエハ２１が位置合わ
せされると、アライメント光学系６０が退避し、
マスク２０の上方から露光用の照明光やｘ線等を
照射して、マスク２０のパターンをウエハ２１上
の感光層に転写する。ウエハ２１の一部の領域に
転写が行なわれると、ステージ５１は一定距離だ
け移動する。そして再びアライメント光学系６０
がマスク２０の上方の所定位置までくり出され
る。このくり出し位置は、光束BMのスポツト光
MSの振動中心がマスク２０のマーク２０ａと一
致するように定められている。ところが、アライ
メント光学系６０のくり出しは機械的に行なわれ
るため、機械的な位置ずれが生じてしまう。そこ
でアライメント光学系６０を所定位置までくり出
した後、スポツト光MSの振動中心とマスク２０
のマーク２０ａとが正確に一致するように、第１
図に示したハーピングガラスHGを回転させる。
その後、前述のようにウエハ２１上のマーク２１
ａとスポツト光WSの振動中心とが一致するよう
にステージ５１を移動して位置合わせを行なう。
このようにして順次露光してはステージ５１を一
定距離動かすことを繰り返す、いわゆるステツ
プ・アンド・リピートによつて、ウエハ２１上の
全領域にマスク２０のパターンが転写される。

以上のように本実施例ではアライメント用のマ
ークとして回折格子状のパターンを使い、このマ
ークを帯状の細長いスポツト光で微小振動走査し
て、マークからの回折光を検出しているので、振
動中心とマークの中心とを正確に一致させること
ができる。しかも、スポツト光の振動振幅をマー
ク幅とほぼ等しくしたので、振動ミラー６の振動
も小さくてすみ、極めて高精度なアライメントが
達成される。また、マスク２０とウエハ２１は、
ギヤツプｇよりも焦点深度の浅い対物レンズ１９
から射出する間隔ｄだけ離れた２つの光束BM，
BWによつてマーク検出が行なわれるから、マス
ク２０からの回折光とウエハ２１からの回折光と
が互いに干渉することなく極めて高精度の位置決
めができる。さらに、光束BM，BWはレーザ光
を偏光によつて２つに分離され、回折光DM，
DWも偏光によつて２つに分離されたものである
から、アライメント動作中、ウエハ２１を照射す
る光束BW中にマスク２０のマーク２０ａ位置し
たとしても、ウエハ２１からの回折光DWの強さ
が低下するのみで、位置合わせ精度を低下させる
ことはない。

尚、上記実施例ではマスク２０とウエハ２１と
の位置合わせを、小領域の露光毎に行なつている
がこれに限られるものではない。例えばアライメ
ント光学系６０ｙ，６０θの平行出しを行なつて
マスク２０の位置を決めた後、ウエハ２１上でｘ
方向に離れた２ケ所（例えばウエハ２１の周辺付
近）にあるマーク２１ａをアライメント光学系６
０ｙで相互に検出するようにステージ５１をｘ方
向に移動させて、ウエハ２１の回転を検出しても
よい。そしてその回転量だけ、ウエハホルダ５４
又はマスクホルダ５９を相対的に回転させて、マ
スク２０とウエハ２１の相対位置を合わせ込むよ
うにした後、順次露光してもよい。いわゆるグロ
ーバル・アライメントのみで露光してもよい。ま
たウエハホルダ５４又はマスクホルダ５９を回転
させたとしても、その回転誤差は機械的な精度以
上には向上しない。そこでアライメント光学系６
０ｙでウエハ２１上でｘ方向に離れた２ケ所のマ
ーク２１ａを交互に検出するとき、一方のマーク
２１ａを６０ｙの検出中心に合わせたときのステ
ージ５１のｙ方向の位置y₁と、他方のマーク２１
ａを６０ｙの検出中心に合わせたときのステージ
５１の位置y₂とから、σ＝y₁−y₂／ｘ（ただし、ｘは２つのマーク２１ａのｘ方向の間隔）を計算
する。これによつてウエハ２１上の２つのマーク
２１ａを結ぶ線分とステージ５１のｘ方向の移動
軌跡との微小な傾き角σが検出できる。そこで、
ステージ５１を露光するために歩進させる際、そ
の傾き角σに応じてステージ５１をxy座標軸に
対して斜めに送るようにすれば、傾き角σ、すな
わちウエハローテーシヨンを補正したステツプ・
アンド・リピート露光ができ、高精度で高速度の
アライメントが達成される。また、第１図中のハ
ーピングガラスHGは３つのアライメント光学系
６０ｘ，６０ｙ，６０θの全ての設けなくとも、
少なくともアライメント光学系６０θに設けてお
けばよく、まつたく同様の効果が得られる。

次に本発明の第２の実施例について第１８図に
基づいて説明する。

第１８図は第１４図の回路を変形したものであ
り、第１４図と同様の作用、効果を有するブロツ
クには同一の番号をつけてある。ただし、第１８
図の回路はウエハ２１からの回折光DWを検出す
るのに適した実施例である。

さて、第１８図の回路で第１４図と異なる点
は、プリアンプ１００の出力信号がローパスフイ
ルタ（LPF）２００に入力された後、コンパレ
ータ１０３に印加される点である。コンパレータ
２０１にはLPF１０４の出力信号を入力して、
PSD１０１からのＳカーブ信号の零クロス点を
検出する。アンドゲート２０２はコンパレータ１
０３とコンパレータ２０１の出力信号を入力し
て、ウエハ２１上のマーク２１ａの中心とスポツ
ト光WSの振動中心とが一致したときに検出パル
ス信号を出力する。カウンタ２０４は第１０図の
制御手段６３中に設けられ、レーザ干渉計５３か
ら得られる干渉縞を計数するとともに、アンドゲ
ート２０２からの検出パルス信号の立上りでの計
数値をラツチして出力する。

さて、このような構成で微小振動するスポツト
光WSに対してステージ５１を振動させ、第１９
図ａのように、マーク２１ａを矢印のように走査
すると、LPE１０４は第１９図ｂのようにＳカ
ーブ信号を出力する。一方、LPF２００は第１
９図ｃのようなピーク信号を出力し、コンパレー
タ１０３の出力信号は基準レベル１０２と比較さ
れて、第１９図ｄのようなパルス信号となる。ま
たコンパレータ２０１は第１９図ｅのようにＳカ
ーブ信号の正極性のみハイ・レベルとなるパルス
信号を出力する。従つてアンド・ゲート２０２は
第１９図ｆのようなパルス信号を出力し、その立
上りはＳカーブ信号の零クロス点あるいは、
LPF２００のピーク信号の最大点に一致してい
る。このように、アンド・ゲート２０２の検出パ
ルス信号の立上りでカウンタ２０４の計数値をラ
ツチすると、スポツト光WSの振動中心とマーク
２１ａの中心とが一致したときのステージ５１の
位置、すなわちマーク２１ａの位置が求められ
る。その後、ラツチした計数値にするようにステ
ージ５１を戻せば、正確なアライメントが達成さ
れる。この第２の実施例によればスポツト光WS
に対してマーク２１ａを一度通過させるだけで、
後はレーザ干渉計５３の計測値によつて位置合わ
せができるから、高速のアライメントが可能とな
る。さらに、PSD１０１のＳカーブ信号の零ク
ロス点のパルス信号と、回折光DWの光強度に対
応したパルス信号とのアンドによつて、マーク２
１ａの中心の位置を検出しているため、ステージ
５１を走査するとき、ことさら等速度に移動させ
なくても正確な位置検出ができる。

もちろん、この第２の実施例はウエハ２１上の
マーク２１ａの検出のみに有効なのではなく、
FM５６を用いた２つのスポツト光MS，WSの調
整の際にも極めて有効である。

尚、本発明の各実施例では、第７図のように２
つのスポツト光MS，WSが対物レンズの視野１
９ｂ内で平行に並ぶように位置させた場合を述べ
ている。しかしなから、マスク２０とウエハ２１
との一方向の位置決めのためには２つのスポツト
光MS，WSは単に長手方向が一致しさえすれば
よいから、例えば第２０図ａのように、２つのス
ポツト光MS，WSの中心が一直線上になるよう
にしてもよく、また第２０図ｂのように一直線上
の位置から左右（長手方向と直交する方向）にず
らしてもよい。もちろん、アライメント用の各マ
ークは、このスポツト光MS，WSの位置に合わ
せて、マスク２０上やウエハ２１上に設けておけ
ばよい。

また各実施例において２つの光束BMとBWは
マスクやウエハ上に垂直に照射させているが、こ
れも必ずしもそうする必要はなく、２つの光束の
結像位置がマスクとウエハのギヤツプｇだけ間隙
方向に離れ、この方向と垂直なマスクやウエハの
面方向に所定間隔ｄだけ離れていれば、２つの光
束の入射角は0°である必要はない。さらにスポツ
ト光の形状も帯状に限らず円形であつてもよいこ
とは述べるまでもない。

以上のように本考案によれば、２つの対面する
平板の各々に、ギヤツプｇ，間隔ｄとなるように
スポツト光を結像させ、両平板からの光情報に基
づいて、２つの平板の相対位置（間隙方向と、そ
の方向と垂直なアライメント方向）を制御するの
で、両平板からの光情報は互いに干渉し合うこと
がなく、極めて高精度な位置合わせができる。ま
た、２つのスポツト光を各平板に独立に結像させ
るので、スポツトサイズも極めて小さなものとな
り、アライメントが高精度になるとともに、２つ
の平板を高速に位置合わせできる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る位置合わせ装置
のアライメント光学系を示す光路図、第２図、第
３図、第４図、および第５図はそれぞれ第１図中
の要部の部分光路図、第６図ａは第４図を拡大し
て示した光路図、第６図ｂは第３図を拡大して示
した光路図、第７図は対物レンズの視野内でのス
ポツト光とマークの位置関係を示す説明図、第８
図は振動ミラー部分での光束の様子を示す模式説
明図、第９図はレーザー光源へのバツクトーク防
止のための振動ミラーの工夫を示す模式説明図、
第１０図は本発明の装置構成の一例を一部ブロツ
ク図の形式で示す模式図、第１１図はアライメン
ト光学系のマスク、ウエハに対する配置例を示す
模式平面図、第１２図は基準マークの一例を示す
拡大平面図、第１３図ａ，ｂは基準マークの別の
例を示す拡大平面図および正面図、第１４図は検
出回路の一例を示すブロツク図、第１５図ａは振
動ミラーを振動させないで位置合わせする際のマ
ークとスポツト光との様子を示す模式図、第１５
図ｂ，ｃは前図の場合の検出信号を示す波形図、
第１６図ａは振動ミラーを振動させて位置合わせ
する際のマークとスポツト光との様子を示す模式
図、第１６図ｂは前図の場合の検出信号を示す波
形図、第１７図は２つのスポツト光の間隔決定の
説明のために第１０図から一部を抜き出して示し
た模式図、第１８図は別の実施例に係る検出回路
のブロツク図、第１９図ａは前図の例による場合
の位置合わせにおけるマークとスポツト光との様
子を示す模式図、第１９図ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは
前図の場合の検出信号を示す波形図、第２０図
ａ，ｂは対物レンズ視野内での２つのスポツト光
の配列のそれぞれ別の例を示す説明図である。１……レーザー光源、６……振動ミラー、８，
１２……ビームスプリツタ、１１……光路長補正
プリズム、１９……対物レンズ、２０……マス
ク、２１……ウエハ、２０ａ，２１ａ……マー
ク、２７，２８……一次元イメージセンサ、３０
……空間フイルター、３３，３４……光電検出
器、５１……ステージ、５２，５３……ステージ
駆動部、５４……ウエハホルダ、５５……ウエハ
駆動部、５８……マスク駆動部、５９……マスク
ホルダ、６０，６０ｘ，６０ｙ，６０θ……アラ
イメント光学系、６２……検出装置、６３……制
御装置、１００……プリアンプ、１０１……位置
検波器、１０３，２０１……コンパレータ、１０
４，２００……ローパスフイルタ、１０５……発
振器、１０６……パワーアンプ、２０２……アン
ドゲート、２０４……カウンタ。

Claims

【特許請求の範囲】１少なくとも一方の平板が光透過性であると共
に、位置合わせ用の第１マークを有する第１平板
と、位置合わせ用の第２マークを有する第２平板
とを対面させて、両平板の相対的な位置を合わせ
る装置において、所定間隙で対面した第１平面上
及び第２平面上に各々結像すると共に、それら結
像位置が前記第１，第２平面の広がり方向に所定
距離離れた第１光束と第２光束とを射出する光束
射出手段と；第１平板と第２平板を対面させて、
前記第１、第２光束を光透過性の平板側から入射
させたとき、両平板上の各光束の結像状態に基づ
いて、第１、第２平板が各々前記第１、第２平面
と略一致するように制御する第１制御手段と；前
記第１光束が第１マークを照射し、前記第２光束
が第２マークを照射するように、第１平板と第２
平板とを前記第１、第２平面の広がり方向に相対
的に変位させるための第２制御手段とを備えたこ
とを特徴とする位置合わせ装置。２前記光束射出手段は、前記第１、第２光束の
波長において焦点深度が前記第１平面と第２平面
との所定間隙よりも小さい対物レンズを有し、該
対物レンズを介して、前記第１、第２光束を射出
するようにしてなることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の位置合わせ装置。３前記光束射出手段は、前記第１、第２光束を
得るために、コヒーレント光束を偏光により２光
束に分離する偏光分離光学系と；分離された２光
束の光路長を前記第１、第２平面の所定間隙に対
応して異ならせる光路長補正光学系とを備えるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の位
置合わせ装置。４前記第１制御手段は、第１、第２平板の各々
に照射された第１、第２光束の反射光を偏光によ
つて分離し、分離された各光束を個別に受光し
て、第１、第２平板上に結像された第１、第２光
束のスポツト像の大きさを検出する一次元イメー
ジセンサーを含むことを特徴とする特許請求の範
囲第３項に記載の位置合わせ装置。５前記第２制御手段は、第１、第２平板の第
１、第２マークからの光情報を偏光によつて分離
し、分離された光情報を個別に受光して各マーク
を検出する光電検出器を含むことを特徴とする特
許請求の範囲第３項に記載の位置合わせ装置。