JPH042904A - 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、マスクやレヂクル（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か
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、単
なるアライメントマークを用いた方法に比へてアライメ
ントマークの欠損に影晋されすに比較的高精度のアライ
メントが出来る特長がある。

第１１図はゾーンプレー１〜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にマスクチャック１
１６を介して支持している。本体１１５上部にアライメ
ントヘッド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グアライメン１〜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
レートより成り点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が相対的に所定量位置すれしていると、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。

（発明が解決しようとする問題点） しかしなが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
る位置すれ検出倍率も変動し、位置すれ量の検出誤差と
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上に導光する為
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が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、結果的に位置すれ量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をすべき第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
によリ、２つの物体の相対的位置す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目的とする。

（問題点を解決するだめの手段） 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、不拘な光強度分布の光束を放
射する投光手段からの光束を、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所定面上に
導光し、該所定面上における該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
の相対的な位置すれ量の検出を行う際、該第１物体と第
２物体のうち少なくとも一方の物体面上に設けた２つの
アライメントマークから射出する２つの光束の主光線の
光路が、該主光線を該物体面上に射影したとき互いに所
定の角度で交叉するように該２つのアライメントマーク
の物理光学素子等の各要素を設定したことを特徴として
いる。

即ち、本発明は物体面Ａと物体面Ｂを位置合わせすべき
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Ａ１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
かピーク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。このとき少なくと
も一方の物体面上の前記２つのアライメントマークから
射出する２つの光束の光路か該物体面」二に射影したと
き、その軌跡が互いに所定の角度で交叉するように各要
素を設定している。

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か物体面Ａと物
体面Ｂの位置す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図の構成に基づく本発明の第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
光か再度第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はマスクスクライプラインである。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。１１゜１２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の距離をｇ、アラ
イメントマーク５及び６の焦点距離を各々ｆ’ａｌ＋　
　ｆ　ａ２とし、第１物体１と第２物体２の相対位置ず
れ量を△σとし、そのときの第１゜第２検出部１１．１
２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−」二平面波とし、符号は図中に
示す通りとする。

信号光束重心の変位量Ｓ１及びＳ２はアライメントマー
ク５及び６の焦点Ｆ、、Ｆ２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ｌと第２物体２の
相対位置す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、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而」二に到達した略平行光束の光強度分布
は一般には不拘なガウシアン分布である。

本発明に係るアライメントマークは中心間距離かゼロで
ない所定の値となる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面一」二のアライメントマーク５，６て回折した光
束は例えは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１　
ま 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方向位置すれ量を検出するものとし、検
出部１１．１２はＸ方向の光強度分布を計測する１次元
センサを用いている。

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。

本発明者は先に光路追跡に基つくシミュレーションによ
る検討の結果、交叉光路を採用することにより、ガウシ
アン状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との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
れ量が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
１での２つのアライメント用の信号光束の入射位置（等
測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。

更に本発明者は交叉光路により第１物体面トのアライメ
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。

本発明はこのような交叉光路が形成されるように各要素
を設定することにより、前述の位置すれ量検出誤差の発
生を抑え第１物体と第２物体の相対的な位置すれ量の高
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筺体）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の相対位置すれ量の検出は第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ができる。

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

１２ｂ」−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てウェハステーシェフを移
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を移動させて位置すれ量Δσが許容範囲内になるまで
縁り返して行う。

以−ト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源１３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筺体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マスク１面上にマスク面法線に
対してｙｚ面内で１７．５°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））はガウシアン分布であり、図に示すように座標
系をとると ａＸ　＝６８０　μｍ　　　、　　σ、＝＝１２０μｍ
となる。又位置ずれ量の検出はＸ方向に行う。

マスクとウニ八面上の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５０μ
ｍであり第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
有する凸パワーのク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１７．５°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ク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面内ては偏光
角は０°で主光線方向は変らない。

本実施例においてマスク１面への光束斜入射角度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面一に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て＋１次で回折透過し
た光束か入射する。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から検出
部１２上に到達する。

同様にウェハ１上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クレティンクレンズ（焦点
距ｌｉｔ　１９０．３７８μｍ）、であり、マスク１上
のアライメントマーク６て透過回折した光束８に対して
光学的作用を及ぼしている。

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反
射射出した後、該角度を保ちながら更にマスク面を０次
で透過して検出部１２上に到達する。

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ｘｚ面内での射出角度はウェハ面法線に対してそ
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。

尚、検出部１１．１２は第１図のように同一平面」二に
配置される必要はなく各信号光の結像点位置がＺ（或は
ｙ）方向に異なれば像点位置に対応して設置してもよい
。

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すれており、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
までの距離を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までの距離なａとすると検出
部１１上での集光点の重心ずれ量Δδは Δδ＝Δσ×　（−十１）　　　　・・・・・・・・・
（ａ）となる、即ち重心ずれ量Δδは（ｂ　／　ａ　＋
　１　）倍に拡大される。例えば、ａ　＝　０　、　５
　ｍｍ、　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。

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、つ゛エバ２上のグレーティングレンズ３，４の傘径
は１８０μｍ、マスク１上のグレーティングレンズ５．
６の傘径は１８０μｍとし、マスクとウニへ間の位置す
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１１．１
２上の光束の径（エアリディスクｅ−２径）か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
。

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の分解能が０．１μｍであるとすると位置ずれ量
△σ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」−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１２１１の中心位置をそれ
ぞれ（０，０，−４，２０３，１８，２０４）（０，０
，−２，２７７，１８，５４３）　　（単位ｍｍ）とし
た結果、第１．第２信号光７．８の検出部１１．１２面
上での検出感度（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にな
った。

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
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か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。

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ｙｚ面内て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クレーティングレンズ５又は６を
透過回折後、集光点（Ｘｌ　＋　、Ｙ＋　、Ｚｌ　）の
位置で結像するようなりレーテインクレンズの曲線群の
方程式は、グレーティングの輪郭位置をｘ、ｙで表わす
と ｙｓｉｎ　　ａ　　　　Ｐ、（ｘ、ｙ）　−Ｐ２　＝ｍ
＾／　２−（］）で与えられる。ここに＾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（Ｘｌ　、Ｙ＋　、Ｚｌ　）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、０）を通
り点（Ｘｌ　＋　ｙ＋　＋　Ｚｌ　）に到達する光線の
光路の長さの差を表わす。

方、ウェハ上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ニへ
の露光時のギャップなｇとおくと（Ｘｌ　、　ｙ＋　、
Ｚｌ　　ｇ）で表わされる。マスクとウェハの位置合わ
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．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 ＋ｍλ／２ ・・・・・・・・・（２） と表わされる。

（２）式はウニへ面がｚ＝−ｇにあり、主光線がウニ八
面上の原点及びマスク面上の点（０，Ｏｇ）、更に検出
面上の点（Ｘ２．ｙ２．Ｚ２）を通る光線であるとして
、マスク面上グレーティング（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、マスク上のクレーテ
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」二のグレーティング
レンズ３又は４ては矩形格子のラインとスペースの比が
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はイ列えはポ
リイミド製の有機薄膜」二に予め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１０図（Ａ）にマスク面上のグレーティングレンズ５
，６、同図（Ｂ）にウニ八面上のグ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ニへ間のキャップ（
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称する）の
変動の大きさを測定した。この結果、前述した本発明に
係る交叉光路方式を用いるとギャップ変動±３．０μｍ
に対しスポット間隔の変動量は１，９μｍとなり、マス
クとウニへ間の相対位置すれ検出誤差は０．００９５μ
ｍになった。

これに対し、従来の光路系（第１１図；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
ち本発明に係る交叉光路方式を用いれば検出誤差は約６
０分の１に縮少する。

一方、ピックアップ筐体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０．００９μｍ（従来光路系では０．０１９
μｍ）となり従来に比べて約２分の１に縮少した。

第５図は本発明の第２実施例の光路概略図であり、第４
図の光路と同様に示している。同図において位置ずれ検
出方向はＸ方向である。

本実施例の主要な特徴はマスク１面上の２つのアライメ
ントマーク５ａ、６ａの結像作用により交叉光路を実現
したことであり、ウェハ２面一トのアライメントマーク
３ａ、４ａはｘｚ面内では信号光の主光線に対して偏向
作用を持たないことにある。各アライメントマークの焦
点距離、サイズ、配置及び光学系の構成等の主要な特徴
は第１実施例と同様である。

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を１つの受光領域から成る単の受光部６１１で
受光するように構成し、該受光部面上での２つの入射光
束位置間のスポット間隔を検出することによりマスクと
ウニへ間の位置すれ量を検出する。

交叉光路はウェハ１面上のアライメントマーク３．４の
結像作用により実現され、第１．第２信号光束の主光線
のウェハ面（またはマスク面）から射出する際のｘｚ面
内での角度アライメントマークの配置及び光学系の構成
（特にガウシアンビーム径）なとは第１実施例と同様で
ある。但し、上記受光部６１１面上に２つの信号光束７
゜８を入射させるためにｘｚ面内での両光束の最終射出
角はともにマスク１面（又はウェハ２面）法線に対して
１３°となるように各アライメントマークのグレーティ
ングパターン形状が設計されている。

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５゜６に投射
されるガウシアンビーム径か第１実施例と同じであると
すると、交叉光路における第１゜第２信号光束の最終射
出角は最適値とはならす、ギャップ変動、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。

そこて本実施例ではガウシアンビーム径は第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＋４．０°、−４，８゜としている。

第１０図（Ａ）　、　（Ｂ）にそれぞれ本実施例におけ
るマスクとウニ八面上のアライメントマークのパターン
例を示す。

このように交叉光路の設定の最適条件はガウシアン投光
ビーム径、アライメントマークのサイズ、配置、焦点距
離などの各要素によってきまる。本実施例はこれを多数
の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８図は本発明の第５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（Ｇ）　、　（Ｄ）はマスク１面」二のアライ
メントマーク５，６とウェハ２面上のアライメントマー
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（Ｃ）　、　（Ｄ）において領域８０
１゜８０２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ガウシアンビーム径は第１実施例と
同じとし、第１．第２信号光束７，８のｘｚ面内の最終
射出角をそれぞれ＋２．５０２．８°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（８０１，８０
２）は３０μｍとなりでいる。

第９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６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で平行光として第１物体としてのレチクルＬ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３Ｌ１，３Ｌ
２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から距離ａｗ、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、９０７，
９０８はそれぞれの主光線である。

ウェハＷ上にはウェハアライメントマーク４ｗｌ、４ｗ
２か設けられており、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面上に結像させる凹面鏡の機能を有している。

交叉光路は第１実施例と同様、ウェハ面上のアライメン
トマーク４ｗｌ、４ｗ２の作用により設定され、交叉角
度は第１実施例と同様である。ウェハ面上のアライメン
トマーク４ｗｌ、４ｗ２の作用によって生じる第１．第
２信号光束は第９図において主光線９０７，９０８のみ
代表して示している。

（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、上記２つの
信号光束の光路を位置すれ検出方向を含む断面円射影成
分が交叉するように各要素を設定することにより、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
ずれ量検出か可能な位置検出装置を達成することができ
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１、第３
図（Ｂ）、（Ｃ）は第３図（Ａ）の計測制御のフローヂ
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図は本発明の第２実施例の光路断面説明図、第６
図〜第９図は各々本発明の第３〜第６実施例の要部斜視
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１１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（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はマスクスクライブライン、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ト筐体、１８は
信号処理部、１９はウェハステージ駆動制御部である。 第 図 （Ｂ） （Ｃ）

Claims (3)

【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、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、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所定面上に導光し、該所定面
   上における該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、該第１物体と第２物体のうち少な
   くとも一方の物体面上に設けた２つのアライメントマー
   クから射出する２つの光束の主光線の光路が、該主光線
   を該物体面上に射影したとき互いに所定の角度で交叉す
   るように該２つのアライメントマークの物理光学素子等
   の各要素を設定したことを特徴とする位置検出装置。
2. （２）前記不均一な光強度分布はガウシアン分布である
   ことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. （３）前記第１物体に設けた２つのアライメントマーク
   と前記第２物体に設けた２つのアライメントマークは結
   像作用を有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。