JPH042902A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は位置検出装置に関し、例えば半導体素子製造用
の露光装置において、マスクやレチクル（以下「マスク
」という。）等の第１物体面上に形成されている微細な
電子回路パターンをウェハ等の第２物体面上に露光転写
する際にマスクとウェハとの相対的な位置ずれ量を求め
、双方の位置決め（アライメント）を行う場合に好適な
位置検出装置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。

多くの位置検出装置においては、マスク及びウニ八面上
に位置合わせ用の所謂アライメントマークを設け、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マーク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４０３７
９６９号や米国特許第４５１４８５８号や特開昭５６−
１５７０３３号公報で提案されているようにアライメン
トマーク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。

般にゾーンプレートを利用したアライメント方法は、イ
１１なるアライメントマークを用いた方法に比べてアラ
イメントマークの欠損に影響されずに比較的高粒度のア
ライメントが出来る特長がある。

第１１図はゾーンプレートを利用した従来の位置検出装
置の概略図である。

同図においてマスクＭはメンブレン１１７に取り付けて
あり、それをアライナ−本体１１５にマスクヂャック１
１６を介して支持している。本体１１５Ｊ一部にアライ
メン１へへラド１１４が配置されている。マスクＭとウ
ェハＷの位置合わせを行う為にマスクアライメントマー
クＭＭ及びウェハアライメントマークＷＭがそれぞれマ
スクＭとウェハＷに焼き付けられている。

光源１１０から出射された光束は投光レンズ系１１１に
より平行光となり、ハーフミラ−１１２を通り、マスク
アライメントマークＭＭへ入射する。マスクアライメン
トマークＭＭは透過型のゾーンプレートより成り、入射
した光束は回折され、その＋１次回折光は点Ｑへ集光す
る凸レンズ作用を受ける。

又、ウェハアライメントマークＷＭは反射型のゾーンプ
レー１〜より成り点Ｑへ集光する光を反射回折させ検出
面１１９上へ結像する凸面鏡の作用（発散作用）を持っ
ている。

このときウェハアライメントマークＷＭで一１次で反射
回折作用を受けた信号光束はマスクアライメントマーク
ＭＭを通過する際、レンズ作用を受けずに０次光として
透過し検出面１１９上に集光してくるものである。

同図の位置検出装置においては、マスクＭに対しウェハ
Ｗか相対的に所定量位置ずれしていると、その位置ずれ
量ΔσＷに対して検出面１１９上に入射する光束の入射
位置（光量の重心位置）がずれてくる。このときの検出
面１１９上のずれ量ΔδＷと位置ずれ量ΔσＷとは一定
の関係があり、このときの検出面１１９上のずれ量Δδ
Ｗを検出することによりマスクＭとウェハＷとの相対的
な位置ずれ量ΔσＷを検出している。

（発明か解決しようとする問題点） しかしなから従来の位置検出装置においては位置合わせ
を行う為に対向配置した２つの物体間に予め設定された
値から外れて間隔が変動する場合がある。この場合、そ
の変動に伴い位置ずれ量ΔσＷに対する検出面上での光
束の入射位置のずれ量ΔδＷとの比ΔδＷ／ΔσＷであ
る位置ずれ検出倍率も変動し、位置ずれ量の検出誤差と
なってくるという問題点があった。

又、光源や該光源からの光束をマスク面一トに導光する
為の投光光学系或は信号光を受光する為の受光系等を内
蔵するアライメントヘッドかアライメントマークに対し
て相対的に位置変動を起こすと、検出部の検出面上への
光束の入射位置も変動し、結果的に位置ずれ量ΔδＷの
検出誤差となってくるという問題点があった。

本発明は位置合わせなすべき第１物体と第２物体の２つ
の物体間に予め設定した値から外れて間隔の変動があっ
ても、又アライメントヘットがアライメントマークに対
して相対的に位置変動しても第１物体と第２物体面上に
設けるアライメントマークの形状や投光光束のアライメ
ントマークへの入射角等の各要素を適切に設定すること
により、２つの物体の相対的位置ずれ量を精度良く検出
することのできる位置検出装置の提供を１］的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の位置検出装置は、少なくとも２つの物理光学素
子より成るアライメントマークを各々設けた第１物体と
第２物体とを対向配置し、投光手段からの光束を、光強
度分布調整手段を介して該第１物体と第２物体に設けた
各々のアライメントマークを介した後２つの光束を所定
面上に導光し、該所定面上における該２つの光束の入射
位置を検出手段により検出することにより、該第１物体
と第２物体との相対的な位置ずれ量の検出を行う際、２
つの光束のうち少なくとも一方の光束は該第１物体面」
−のアライメントマークと第２物体面上のアライメント
マークで各々結像作用を受けており、該光強度分布調整
手段は、該所定面−４二に入射する２つの光束の入射位
置の相対距離に基づいて通過光束の光強度分布を調整し
ていることを特徴としている。

即ち、本発明は物体面Ａと物体面Ｂを位置合わせずへき
第１物体と第２物体としたとき物体面Ａに物理光学素子
としての機能を有する第１及び第２の信号用のアライメ
ントマークＡＩ及びＡ２を形成し、且つ物体面Ｂにも同
様に物理光学素子としての機能を有する第１及び第２の
信号用のアライメントマークＢ１及びＢ２を形成し、前
記アライメントマークＡ１に光束を入射させ、このとき
生しる回折光をアライメントマークＢ１に入射させ、ア
ライメントマークＢ１からの回折光の入射面内での光束
重心を第１信号光束の入射位置として第１検出部にて検
出する。

ここで光束の重心とは光束断面内において、断面円各点
のそ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ときに積分値が０ベクトル
になる点のことであるが、便宜上光束重心として光強度
がど−りとなる点を用いてもよい。同様にアライメント
マークＡ２に光束を入射させ、このとき生じる回折光を
アライメントマークＢ２に入射させアライメントマーク
Ｂ２からの回折光の入射面における光束重心を第２信号
光束の入射位置として第２検出部にて検出する。そして
第１及び第２検出部からの２つの位置情報を利用して物
体面Ａと物体面Ｂの位置決めを行う。このとき不均一な
光強度分布の光束を放射する投光手段からの光束を光強
度分布調整手段を介してアライメントマークに入射させ
ている。そして光強度分布調整手段により２つの光束の
所定面上における入射位置の相対距離の値の大きさに応
じて通過光束の光強度分布を調整している。

この池水発明では第１検出部に入射する光束の重心位置
と第２検出部に入射する光束の重心位置が物体面Ａと物
体面Ｂの位置ずれに対して互いに逆方向に変位するよう
に各アライメントマークＡＩ、Ａ２．Ｂ１．Ｂ２を設定
している。

（実施例） 第１図は本発明の原理及び構成要件等を展開して示した
説明図、第２図は第１図の構成に基つく本発明の第１実
施例の要部斜視図である。

図中、１は物体面Ａに相当する第１物体、２は物体面Ｂ
に相当する第２物体であり、第１物体１と第２物体２と
の相対的な位置ずれ量を検出する場合を示している。

第１図では第１物体１を通過し、第２物体２て反射した
光が再度第１物体１を通過する為、第１物体１が２つ示
されている。５は第１物体１に、３は第２物体２に設け
たアライメントマークであり、第１信号を得る為のもの
である。同様に６は第１物体１に、４は第２物体２に設
けたアライメントマークであり、第２信号光を得る為の
ものである。

各アライメントマーク３，４，５．６は１次元又は２次
元のレンズ作用のある又はレンズ作用のない物理光学素
子の機能を有している。９はウェハスクライブライン、
１０はマスクスクライブラインである。７，８は前述の
第１及び第２のアライメント用の第１．第２信号光束を
示す。１１１２は各々第１及び第２信号光束を検出する
為の第１及び第２検出部である。第２物体２から第１又
は第２検出部１１．１２までの光学的な距離を説明の便
宜上りとする。物体１と第２物体２の距離なｇ、アライ
メントマーク５及び６の焦点距離を各々ｆｉｌｌ＋ｆａ
２とし、第１物体１と第２物体２の相対位置ずれ量をΔ
σとし、そのときの第１゜第２検出部１１．１２の第１
及び第２信号光束重心の合致状態からの変位量を各々Ｓ
、、Ｓ２とする。尚、第１物体１に入射するアライメン
ト光束は便宜上平面波とし、符号は図中に示す通りとす
る。

信号光束重心の変位量８１及びＳ２はアライメントマー
ク５及び６の焦点Ｆ、、Ｆ、、とアライメントマーク３
，４の光軸中心を結ぶ直線Ｌｌ。

Ｌ２と、検出部１１及び１２の受光面との交点として幾
何学的に求められる。従って第１物体１と第２物体２の
相対位置ずれに対して各信号光束重心の変位量Ｓ、、Ｓ
２を互いに逆方向に得る為にアライメントマーク３．４
の光学的な結像倍率の符合を互いに逆とすることで達成
している。

次に第１図、第２図に示すアライメント用の第１．第２
信号光束７，８の主光線の光路について説明する。。

尚、以下の説明で主光線とはアライメントマークに結像
作用があるときはその軸を通過する光線をいい、結像作
用がないときは有効光束径の中心光線をいう。

不均一な光強度分布の光束を放射する不図示の光源より
射出した光束は不図示の投光光学系を経て所定のビーム
径に拡大され、略平行光となり、光強度分布調整手段２
０と偏光子２１を介して第１物体１」二のアライメント
マーク５，６に物体面法線に対し斜めに入射する。

光強度分布調整手段２０は例えば２次元的マトリックス
状のバターニングされた電極にはさまれた液晶セルアレ
ーより成り、これと偏光子２１とを用いて各液晶セルに
印加する電圧を制御することにより透過光の偏光状態の
分布を任意に実時間で制御し、更にこれと偏光子２１を
用いることによりマスク１面上の投射光の光強度分布を
任意に実時間で制御している。

第１物体１面上に到達した略平行光束の光強度分布は２
つのアライメントマーク領域の中心で極小となる谷型分
布であり不均一な強度分布としている。

本発明に係るアライメントマークは中心間距離がゼロで
ない所定値となる２つの領域から成り、位置合わせな行
う各物体面上に形成されている。

アライメント用の光束は上記のとおり単一の不拘の光強
度分布の光束として第１物体面上のアライメントマーク
５．６に入射する。第１物体１面一４二のアライメント
マーク５，６て回折した光束は例えばアライメントマー
ク５で凸パワーの収斂作用、アライメントマーク６て凹
パワーの発散作用を受けた後、第２物体面一トのアライ
メントマーク３．４に到達する。

更に第２物体面上のアライメントマーク３で凹パワーの
発散作用、アライメントマーク４で凸パワーの収斂作用
を受けた光束はそれぞれ第１第２信号光７，８となり第
２物体２面を射出し、第１物体１面を透過した後、所定
位置にある検出部１１．１２に入射する。尚、本実施例
では図示のＸ方向に位置ずれ量を検出する場合を示して
いる。

本発明は光線追跡に基づくシュミレーションにより第１
検出部と第２検出部に入射する２つの信号光束の位置検
出方向であるＸ方向の入射位置の相対距＃（相対重心距
離）の長短に応じてアライメントマーク５，６への投射
光束の光強度分布を変えることが、第１物体１と第２物
体２との間の間隔の変動によりでもたらされる、位置ず
れ量検出誤差の発生を極めて良好に抑えることができる
ことを見出した。

即ち、本実施例では第１物体と第２物体間の相対位置ず
れ量か不変であっても従来問題となっていた第１物体と
第２物体の間隔の変動に伴って生じる検出部１１．１２
上での２つのアライメント用の信号光束の入射位置く等
価的に光強度重心位置）間の距離の変動による位置ずれ
量検出誤差を光強度分布調整手段を採用することにより
良好に抑えることができるようにしている。

更に本発明者は第１物体面上のアライメント光束の照射
中心位置の変動によってもたらされる位置ずれ量検出誤
差の発生も同様に良好に抑えることができることを見出
した。

本発明はこのように光強度分布調整手段を用い光束の光
強度分布を制御することにより、前述の位置ずれ量検出
誤差の発生を抑え第１物体と第２物体の相対的な位置ず
れ量の高精度な検出を可能としている。

第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシミテイ型
半導体製造装置に適用した際の装置周辺部分の構成図を
示すものである。第２図に示さなかった要素として光源
１３、コリメーターレンズ系（又はビーム径変換レンズ
）１４、投射光束折り曲げミラー１５、ピックアップ筐
体（アライメントヘッド筐体）１６．ウェハステージ１
７、位置ずれ信号処理部１８、ウェハステージ駆動制御
部１９等である。Ｅは露光光束幅を示す。

本実施例においても第１物体としてのマスク１と第２物
体としてのウェハ２の相対位置ずれ量の検出は第１実施
例で説明したのと同様にして行われる。

尚、本実施例において位置合わせを行う手順としては、
例えば次の方法を採ることかできる。

第１の方法としては２つの物体間の位置ずれ量Δσに対
する検出部１１．１２の検出面１１ａ。

１２ｂ上での光束重心ずれ量Δδの信号を得、信号処理
部１８で重心ずれ信号から双方の物体間との位置ずれ量
Δσを求め、そのときの位置ずれ量Δσに相当する量た
けステージ駆動制御部１９でウェハステージ１７を移動
させる。

第２の方法としては検出部１１，１２からの信号から位
置ずれ量Δσを打ち消す方向を信号処理部１８で求め、
その方向にステージ駆動制御部１９でウェハステージ１
７を移動させて位置ずれ量Δσが許容範囲内になるまで
縁り返して行う。

以上の位置合わせ手順のフローチャートを、それぞれ第
３図（Ｂ）、（Ｃ）に示す。

本実施例では第３図（Ａ）より分かるように光ｉ１３か
らの光束は露光光束の外側よりアライメントマーク５．
６に入射し、アライメントマーク３．４から露光光束の
外側に出射する回折光を露光光束外に設けられた検出部
１１．１２で受光して入射光束の位置検出を行っている
。

このような構成でピックアップ筐体１６は露光中退避動
作を必要としない系も具現化できる。

次に第１実施例の各部の構成の詳細について第２図、第
３図（Ａ）、第４図を参照して説明する。

第４図は第１．第２信号光束７．８の第１゜第２検出部
１１．１２への入射状態の説明図である。アライメント
用のピックアップ筺体１６内の光源１３である半導体レ
ーザー（中心波長０．７８５μｍ）から射出したアライ
メント光束はコリメーターレンズ系１４及びビームスプ
リッタ（又はハーフミラ−）１５から成る投光光学系を
経て略平行光束となって光強度分布調整手段２０を介し
た後マスク１面上にマスク面法線に対してｙｚ面内で１
７５°の角度で斜入射する。

アライメント光束のマスク１面上の光強度分布（１（ｘ
、ｙ））は初期設定値として同図に示すように座標系を
とると （１ａ） σＸ　＝６８０　μｍ　　　、　　ａ、＝　　１２０ｐ
ｍとなる。又位置ずれ量の検出はＸ方向に行う。

マスクとウェハ面上の２つのアライメントマークの領域
のサイズはともにＸ方向に９０μｍ、Ｘ方向に５０μｍ
てあり第２図のよ、うに隣接して配置されている。

マスク１面上のアライメントマーク５は光束収斂作用を
有する凸パワーのグレーティングレンズであり、＋１次
回折光に対応する焦点距離は２１４７２３μｍ、＋１次
透過回折光の主光線のｙｚ面内の偏向角は１７．５６で
マスク１面を射出する主光線方向はマスク面法線と平行
になる。

又、マスク１面上のアライメントマーク６は光束発散作
用を有する凹パワーのグレーティングレンズであり、＋
１次回折光に対応する焦点距離は１５８．４５５μｍ、
アライメントマーク５と同様に主光線の偏向角はｙｚ面
内で１７．５°になる。

両方のアライメントマーク５．６ともｘｚ面内では偏光
角はＯｏで主光線方向は変らない。

本実施例においてマスク１面への光束入射位置αは １０°　〈　　α　　〈８０゜ の範囲で設定されることが望ましい。

ウェハ２面上のアライメントマーク３においてはマスク
１面上のアライメントマーク５で＋１次で回折透過した
光束が入射する。ここで更に＋１次で回折、反射する第
１信号光束７は発散作用を受ける。アライメントマーク
３は凹パワーのグレーティングレンズであり、焦点距離
は−１８２，９１２μｍであり、ｘｚ面内では主光線方
向はウェハ面法線に対して一３°の角度をなすように射
出した後、第４図に示すように該角度を保ちながら検出
部１１−Ｆに到達する。

同様にウェハ１トのアライメントマーク４は＋１次反射
回折光に対応して凸パワーのグレーティングレンズ（焦
点距離１９０．３７８μｍ）であり、マスク１上のアラ
イメントマーク６で透過回折した光束８に対して光学的
作用を及はしている。

又、第４図に示すようにアライメントマーク４から射出
する第２信号光束８はその主光線方向がウェハ２面の法
線に対してｘｚ面内で＋３．３５°の角度をなすように
射出した後、該角度を保ちながら検出部１２上に到達す
る。以十のような光路に対して本実施例では２つの光路
のなす角は正であるとしている。

方、ウェハ２面から射出する際の第１．第２信号光束７
．８のｙｚ面内での射出角度はウニへ面法線に対してそ
れぞれ７°、１３°であり、空間的に分離配置された２
つの検出部１１．１２に入射するようにアライメントマ
ーク形状及び光学系等の各要素が設定されている。

今、マスク１とウェハ２とが位置ずれ検出方向（Ｘ方向
）に平行方向にΔσずれており、ウェハ２からウェハ２
のグレーティングレンズ３て反射した光束の集光点０１
まての距離をｂ、マスク１のグレーティングレンズ５を
通過した光束の集光点Ｆ１までの距離をａとすると検出
部１１上での集光点の重心ずれ量Δδは Δδ＝ΔσＸ（−＋１）　　　・・・・・・・・・（ａ
）となる、即ち重心ずれ量Δδは（ｂ　／　ａ　＋１　
）倍に拡大サレル。例えば、ａ　＝　０　、　５　ｍｍ
、　ｂ　＝　５０ｍｍとずれば重心ずれ量Δδは（ａ）
式より１０１倍に拡大される。

尚、本実施例において凹パワー、凸パワーはマイナスの
次数の回折光を使うか、プラスの次数の回折光を使うか
で決まるものとする。

又、ウェハ２上のグレーティングレンズ３４０全径は１
８０μｍ、マスク１上のクルーティンクレンズ５，６の
傘径は１８０μｍとし、マスクとウニへ間の位置ずれ（
軸ずれ）を１００倍に拡大して検出部１１．１２上で光
束の重心が移動を起こし、この結果検出部１１．１２上
の光束の径（エアリディスクｅ　−２径）が２００μｍ
程度となるように配置及び各要素の焦点距離を決めた。

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは（ａ
）式より明らかのように、比例関係となる。検出部１１
．１２の分解能か０．１μｍであるとすると位置ずれ量
Δσは０．００１μｍの位置分解能となる。

本実施例ではマスクとウェハ上の各アライメントマーク
の焦点距離を前記のとおり設定しマスクとウニへ間の間
隔を３０．０μｍ、検出部１１゜１２の中心位置をそれ
ぞれ（０，０，−４，２０３，１８，２０４）（０，０
，−２，２７７，１８，５４３）　　（単位＋ｎｍ）と
することにより、第１．第２信号光７．８の検出部１１
１２面上での設計上の検出感度（即ちマスクとウェハと
の間の相対位置ずれ変動量（Ｘ方向）に対する検出部面
上の光束入射位置の変動量の割合）はそれぞれ＋１００
．−１００にすることができる。

しかしなから一般的にこの設計上の検出感度は、マスク
とウニへ間の間隔の変動などに伴って変化し一定に保つ
ことが難しい。

本実施例では第１図に示すようにマスクとウニへ面」二
にそれぞれ配置された左右の２つのアライメントマーク
に光束を投射し、最終的にアライメントマークから受光
部に到達する光線光路がマスク面法線に対し左手側のア
ライメントマークからは左手斜めに右手側のアライメン
トマークからは右手斜めに射出する構成において、 （イ）投射光の光強度分布を第４図に示すような逆カウ
シアン分布（中心部で光強度が最小となる、例えば（Ａ
１）式で示される分布）とする。

（ロ）上記分布の形状を受光部面上での２つの光束の重
心距離（Ｘ方向に計測した値）に応して変調する。具体
的には上記重心距離が長くなるほど分布の急峻度か小（
即ち緩やかな分布）となるようにする（但し極小点は概
ね定に保つ）。

特に（ロ）は受光部からの出力信号に基づき実時間で光
強度分布調整手段２０（本実施例では液晶セルアレー）
と偏光子２１を用いて投射光の光強度分布を変調する。

以上のように構成することによりマスクとウニへ間の間
隔変動に伴う位置ずれ検出感度の変動を最大限に抑制す
ることかできる。

例えば（１ａ）式で示される光強度分布の光束のＸ方向
分布形状１　（ｘ、ｙ）を実時間の光強度分布調整手段
２０を用いて次のように変調する。

σＸ（ρ）＝　α １　σ・０（３） Ｉｌ。

〃　、２信号光束間重心距離 ρ０；位置ずれ０のときの２信号光束間Ｘ方向距離 ここでαは実験、或はシュミレーションにより求めた数
値でマスクとウェハの間隔変動に対して位置ずれ検出感
度の変動幅か最小となるように選んだ値である。

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
５，６とウェハ用のグレーティングレンズ３．４のパタ
ーン形状について説明する。

ます、マスク用のグレーティングレンズ５，６は所定の
ビーム径の平行光束が所定の角度で人射し、所定の位置
に集光するように設定される。

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Ｚ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５又は６を透過回折後
、集光点（Ｘ＋　、　ｙ＋　、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、り
レーティングの輪郭位置をｘ、ｙで表わすとｙｓｉｎ　
ａ　　　ｐ＋（ｘ、ｙ）−Ｐ２　＝ｍλ／　２−（１）
Ｐ＋（ｘ、ｙ）＝　　（Ｘ−ｘ＋）２”　（ｙ−Ｌ）２
＋ｚ、２Ｐ２　−１扉２．Ｔ丁＋　ｚ　、　２ 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て入射し、マスク面上の原点を通り、集
光点（ｘ＋　、　ｙ＋　、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倍光路長か長い（短い）ことを示し、左辺
は主光線の光路に対し、マスク−Ｌの点（Ｘ、　ｙ、０
）を通り点（Ｘ＋　＋　ｙ＋　＋　Ｚ＋　）に到達する
光線の光路の長さの差を表わす。

方、ウェハ」二のグレーティングレンズ３，４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＋　
、Ｚ＋　　ｇ）で表わされる。マスクとウニへの位置合
わせはＸ軸方向に行なわれるとし、アライメント完了時
に検出面上の点（Ｘ２　＋　ｙ２　＋　２２　）の位置
にアライメント光束が集光するものとずれば、ウェハ上
のクレーティングレンズの曲線群の方程式は先に定めた
座標系て 十ｍλ／２　　　　　　　　　　・・・・・・・−（２
）と表わされる。

（２）式はウェハ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がウェハ
面−にの原点及びマスク面上の点（０，０゜ｇ）、更に
検出面−Ｆの点（Ｘ２　、’１２．Ｚ２　）を通る光線
であるとして、マスク面上クレーティンク（ｘ、ｙ、−
ｇ）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。

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つの領域が交互に形成される０、
１の振幅型のグレーティンク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。（＋）、（２１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５又は６では透明部と遮光部の線幅の比が１：
１であること、そしてウェハ上のクレーティングレンズ
３又は４ては矩形格子のラインとスペースの比か１：１
であることを意味する。

マスク」二のグレーティングレンズ５，６はイ列えばポ
リイミド製の有機薄膜上に予めＥＢ露光で形成したレチ
クルのクレーティングレンズパターンを転写して形成、
又はウェハ上のク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１０図（Ａ）にマスク面上のクレーティングレンズ５
，６、同図（Ｂ）にウェハ面上のクレーティングレンズ
３，４の一実施例のパターンを示す。

以上説明した構成によりマスクとウェハ間のギャップ（
間隔）変動及びピックアップ筐体１６の位置変動（平行
移動）に伴う第１．第２信号光束のＸ方向に沿って測っ
た光量重心位置の間隔（スポット間隔と以下綿する）の
変動の大きさを測定した。

この結果光強度分布調整手段２０を用い前述の（２）　
、　（３）式で示される光強度分布の光束をアライメン
トマークに照射することによりギャップ変動±３．０μ
ｍに対し、スポット間隔の変動量は１．９μｍとなり、
マスクとウェハ間の相対位置ずれ検出誤差は０．０００
４μｍになった。

これに対し、従来の光強度分布がガウシアン分布の光束
と照射する系（位置ずれ検出感度同じ）ではスポット間
隔の変動量は１２．５６μｍとなり、位置ずれ検出誤差
は０．０６３μｍであった。即ち本発明に係る光強度分
布調整手段を用いれば前記検出誤差は約１３０分の１に
縮少する。

方、ピックアップ筺体１６の位置変動（ｘｙ平面に平行
移動）に対しては±１０μｍの変動に対して位置ずれ検
出誤差は０００３μｍ（従来光路系では０．０１９μｍ
）となり従来に比べて約６分の１に縮少した。

第５図は本発明の第２実施例の要部斜視図である。

本実施例では半導体レーザ又はスーパールミネッセント
タイオート等からなる２つの光源１３−１．１３−２を
用い、これら２つの光源１３−１．１３−２を所定間隔
離して並置し、各光源の出力を調整することにより光強
度分布調整手段としての機能を発揮させている。このと
きのアライメントマーク面上の光強度分布は例えば第１
図又は第４図に示したのと同様である。（但し光強度分
布の極小点は概ね一定に保つ）２つの信号光束７，８の
主光線の光路、アライメントマークの配置、その他の要
素の構成は第１実施例と同様である。このとき投射光の
光強度分布の変調は第１実施例と同様に行い、検出部面
上の２つの光束の重心間隔が長くなるにつれて、２つの
光源１３−１，１３−２の分離間隔も長くなるように設
定している。

本実施例ではこのように２つの光源１３−１゜１３−２
を所定距離、離間させ、２つのアライメントマーク５．
６面上の光強度分布を左右のアライメントマーク５，６
間の中心付近で強度か極小となり、該中心から離れる程
増大するように構成している。そして最終的に左右のア
ライメントマーク５，６から受光部１１．１２に到達す
る２つの信号光束７．８の光路を位置ずれ検出方向を含
む断面内において左手側のアライメントマーク５からは
左手に、右手側のアライメントマーク６からは右手物体
面法線に対して斜めに射出するように構成している。こ
れによりマスク１とウェハ２の間隔変動、アライメント
ヘット筐体とマスクとの位置変動等に伴う位置ずれ量の
検出誤差の発生量を第１実施例と同様に良好に抑えてい
る。

第６図は本発明の第３実施例の要部斜視図である。

本実施例においてはアライメント用の第１゜第２信号光
束７，８用のアライメントマーク領域がマスク１とウェ
ハ２面上で各々所定距離、例えば１００μ離間するよう
に配置されている。

ここでマスク１面上のアライメントマーク５６に投射さ
れる投射光ビーム径が第１実施例と同じであるとすると
、光路構成における第１．第２信号光束の最終相対角度
は最適値とはならず、キャップ変動、アライメントヘッ
ト筐体の位置の変動に対する位置ずれ計測誤差は増大し
てくる。

そこで本実施例では投射光ビーム径の光強度分布の調整
は第１実施例と同じとし、第１．第２信号光束のｘｚ面
内の最終射出角をそれぞれ４．０°、　＋４．８°とし
てし）る。

第１０図（Ａ）　、　（Ｂ）にそれぞれ本実施例におけ
るマスクとウェハ面上のアライメントマークのパターン
例を示す。

このように光路の設定及び投射光の光強度分布の最適条
件は投光ビーム径、アライメントマークのサイズ、配置
、焦点距離なとの各要素によってきまる。本実施例はこ
れを光線追跡によるシミュレーションによって最適値を
求め、これに基づいて各要素を構成している。

第７図は本発明の第４実施例の要部斜視図である。

本実施例ではアライメント用の第１．第２信号光束７．
８用のアライメントマーク領域を同図に示すように一部
、重複するように隣接配置している。

第１０図（Ｃ）　、　（Ｄ）はマスク１面上のアライメ
ントマーク５，６とウェハ２面上のアライラン１〜マー
ク３，４のパターンを示す一実施例である。

第８図と第１０図（Ｇ）　、　（Ｄ）におイテ領域７０
１゜７０２が互いにアライメントマークが重複している
領域である。

本実施例では光束の投射光ビーム径は第１実施例と同じ
とし、第１．第２信号光束のｘｚ面内の最終射出角をそ
れぞれ−２，５°、　＋２．８°とした。又各面上のア
ライメントマーク中心間距離は６０μｍであり、Ｘ方向
のアライメントマークの重なる領域（７０１，７０２）
は３０μｍとなっている。

第８図は本発明を縮少投影露光装置に適用した位置検出
部分を示す第５実施例の要部概略図である。

同図において光源１３から出射した光束を投光レンズ系
１４で平行光として光強度分布調整手段２０を介して第
１物体としてのレチクル５面のレチクルアライメントマ
ーク３Ｌ１，３Ｌ２を照射している。このときレチクル
アライメントマーク３Ｌ１，３Ｌ２は通過光をそれぞれ
点Ｑ。。

Ｑｏ　′に集光させるレンズ作用を有する透過型の物理
光学素子を構成している。そして点Ｑ。。

Ｑｏ′からの光束を縮少レンズ系１８により第２物体と
してのウェハＷから距１１ａｗ、ａｗ′たけ離れた点Ｑ
、Ｑ′に集光している。

図中、７，８はそれぞれアライメントマーク３Ｌ１，３
．Ｌ２により生じる第１．第２信号光束を示し、８０７
，８０８はそれぞれの主光線である。

ウェハＷ上にはウエハアライメントマーク４ｗｌ、４ｗ
２が設けられており、このウェハアライメントマーク４
ｗｌ、４ｗ２は反射型の物理光学素子を構成し、それぞ
れ点Ｑ、Ｑ′に集光する光束７．８が入射してくると、
その光束を反射させハーフミラ−１９を介して検出部１
１面上に結像させる凸面鏡の機能を有している。

ウニへ面北のアライメントマーク４ｗ１゜４　ｗ　２の
作用によって生じる第１．第２信号光束は第８図におい
て主光線８０７，８０８のみ代表して示している。

第９図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第６実施例の要部斜視
図と光路概略図である。

本実施例においては上記のような第１．第２信号光束７
，８は第２物体２面を射出した後、検出部１１．１２に
到達するまでの過程で、それぞれの光路の第２物体面（
或は第１物体面）上の射影軌跡が必ず交叉するようにア
ライメントマークや投光光束の入射角等を構成している
。このような光路構成を以下「交叉光路」と称すること
にする。

又２つの信号光束７，８の光路のなす角度は同図の場合
は負と定義する。

本発明者は先にシミュレーションによる検討の結果、前
述の光強度分布調整手段と、交叉光路を採用することに
より、不均一なカラシアン分布等の光強度分布を有する
アライメント光束で前述のアライメントマーク系に照射
する場合は第１物体１と第２物体２間の間隔の変動によ
ってもたらされる、位置ずれ量検出誤差の発生を極めて
良好に抑えることができることを見出した。

即ち、本実施例では第１物体と第２物体間の相対位置ず
れ量か不変であっても従来問題となっていた第１物体と
第２物体の間隔の変動による検出部１１．１２上での２
つのアライメント用の信号光束の入射位置（等価的に光
強度重心位置）間の距離の変動による位置ずれ量検出誤
差を前述の光強度分布調整手段と交叉光路を採用するこ
とにより良好に抑えることができるようにしている。

更に本発明者は光強度分布調整手段と交叉光路を利用す
ることにより、第１物体面上のアライメント光束の強度
が１／ｅ２にまで低下する径を適切に設定することによ
り同様の間隔の変動によってもたらされる位置ずれ量検
出誤差の発生も同様に良好に抑えることができることを
見出した。

本発明はこのような交叉光路か形成されるように各要素
を設定することにより、前述の位置ずれ量検出誤差の発
生を抑え第１物体と第２物体の相対的な位置ずれ量の高
精度な検出を可能としている。

次に第９図（Ａ）に示すアライメント用の第１．第２信
号光束７，８の主光線の光路について説明する。

不均一な光強度分布の光束を放射する不図示の光源より
射出した光束は不図示の投光光学系を経て所定のビーム
径に拡大され、略平行光となり、光強度分布調整手段を
介し第１物体１上のアライメントマーク５，６に物体面
法線に対し斜めに入射する。第１物体１面上に到達した
略平行光束の光強度分布は不均一なカラシアン分布であ
る。

本発明に係るアライメントマークは中心間距離がゼロで
ない所定値となる２つの領域から成り、位置合わせを行
う各物体面上に形成されている。

アライメント用の光束は上記のとおり単一のガウシアン
ビームとして第１物体面上のアライメントマーク５．６
に入射する。第１物体１血上のアライメントマーク５，
６て回折した光束は例えばアライメントマーク５で凸パ
ワーの収斂作用、アライメントマーク６て凹パワーの発
散作用を受けた後、第２物体面七のアライメントマーク
３．４に到達する。

更に第２物体面上のアライメントマーク３で凹パワーの
発散作用、アライメントマーク４で凸パワーの収斂作用
を受けた光束はそれぞれ第１゜第２信号光７．８となり
第２物体２面を射出し、第１物体１面を透過した後、所
定位置にある検出部１１．１２に入射する。

本実施例において投射光の光強度分布の変調の仕方とし
ては検出部面上の２つの信号光束間の重心距＃！に対応
して次式のように定めればよい。

′Ｊ２０　　＋σｘｏ　　　　　　（＋ｉ）σＸ（Ｊｌ
）＝α　文 ここに℃。は位置ずれ０のときの２つの信号光束間のＸ
方向の距離、α′は実験またはシミコーレーションによ
り求めた数値てマスクとウェハの間隔の変動に対して位
置ずれ検出感度の変動幅が最小となるように選んだ値で
あり、文に依存して変化してもよい。即ちα′−α′（
ｆｌ）でもよい。

以上の各実施例に示すように本発明によれば光強度分布
調整手段を用い物体面上に照射された光束の位置ずれ量
検出方向の光強度分布を２つのアライメントマークから
射出した２つの光束の所定面−ににおける相対距離に基
ついて不均一な分布とし、該２つのアライメントマーク
から射出した２つの光束を各々受光部に導光する際、 （ハ）位置ずれ検出方向に対して＋側のアライメントマ
ークから受光部に到達する光線はアライメントマーク面
の法線に対して＋側に斜めに射出し、同様に一側のアラ
イメントマークからはアライメントマーク面の法線に対
して側に斜めに射出するような光路構成において、２つ
の信号光束の所定面トにおける入射位置の相対距離が予
め設定された値よりも長いときは２つのアライメン１へ
マークを合わせた全体領域の中心付近で位置ずれ量検出
方向の光強度が極小となり、光強度が極小となる点から
位置ずれ検出方向に離れるにつれて所定の勾配で光強度
が増大するような光強度分布を（３）　、　（４）式に
基ついてアライメントマークに照射する。

（ニ）位置ずれ検出方向に対して（ハ）と同様に＋側の
アライメントマークからはアライメントマーク面の法線
に対して一側に斜めに射出し、−側のアライメントマー
クからはアライメントマーク面の法線に対して＋側に斜
めに射出するような光路構成において２つの信号光束の
所定面上における入射位置の相対距離が予め設定された
値よりも短いときは２つのアライメントマークを合わせ
た全体領域の中心付近で位置ずれ量検出方向に光強度が
極大となり、その極大点から位置ずれ検出方向に離れる
につれて所定の勾配で光強度が減少するような光強度分
布を（５）　、　（６）式に基づいてアライメントマー
クに照射する。

以上のような構成を採ることを特徴としている。

（発明の効果） 本発明によれば位置合わせを行う第１．第２物体面上に
各々結像作用（光学作用）を有する異なる２つの波面変
換素子（物理光学素子）をアライメントマークとして形
成し、該アライメントマークの結像作用を各物体面上で
順次（例えば第１゜第２物体又は第２．第１物体面の順
など）うけた２つの第１．第２信号光束の所定面上にお
ける入射位置情報により位置ずれ量を検出する際、光強
度分布調整手段を用いてアライメントマーク面上に照射
する光束の光強度分布を２つのアライメントマークから
射出し、所定面トに入射する２つの光束の入射位置の相
対距離に基づいて調整することにより、位置合わせを行
う２つの物体間の間隔変動や光源からの投射光束の位置
変動の影響を非常にうけにくい高精度な位置ずれ量検出
が可能な位置検出装置を達成することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理及び構成要件等を示す説明図、第
２図は第１図の構成に基づく本発明の第１実施例の要部
斜視図、第３図（Ａ）は第２図の第１実施例をプロキシ
ミティ型半導体製造装置に適用した要部概略図、第３図
（Ｂ）、（Ｃ）は第３図（Ａ）の計測制御のフローチャ
ート図、第４図は第２図の第１実施例光路断面説明図、
第５図〜第８図は各々本発明の第２〜第５実施例の要部
斜視図、第９図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第６実施例の
要部斜視図と光路断面説明図、第１０図（Ａ）〜（Ｄ）
は本発明に係るアライメントマークの配置説明図、第１
１図は従来の位置検出装置の要部概略図である。 図中、１は第１物体くマスク）、２は第２物体（ウェハ
）、３，４，５．６は各々アライメントマーク、７．８
は各々第１．第２信号光束、９はウェハスクライブライ
ン、１０はマスタスクライブライン、１１．１２は検出
部、１３は光源、１４はコリメーターレンズ系、１５は
ハーフミラ−１１６はアライメントヘッド筐体、１８は
信号処理部、１９はウェハステージ駆動制御部である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２つの物理光学素子より成るアライメ
   ントマークを各々設けた第１物体と第２物体とを対向配
   置し、投光手段からの光束を、光強度分布調整手段を介
   して該第１物体と第２物体に設けた各々のアライメント
   マークを介した後２つの光束を所定面上に導光し、該所
   定面上における該２つの光束の入射位置を検出手段によ
   り検出することにより、該第１物体と第２物体との相対
   的な位置ずれ量の検出を行う際、２つの光束のうち少な
   くとも一方の光束は該第１物体面上のアライメントマー
   クと第２物体面上のアライメントマークで各々結像作用
   を受けており、該光強度分布調整手段は、該所定面上に
   入射する２つの光束の入射位置の相対距離に基づいて通
   過光束の光強度分布を調整していることを特徴とする位
   置検出装置。
2. （２）前記光強度分布調整手段は前記所定面上に入射す
   る２つの光束の入射位置の相対距離が予め設定された距
   離よりも長いときには通過光束の光強度分布が２つのア
   ライメントマークの配列中心付近で極小となり、又距離
   が短いときは２つのアライメントマークの配列中心付近
   で極大となるように調整していることを特徴とする請求
   項１記載の位置検出装置。