JPH02170005A - 位置合わせ装置 - 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、サブミクロンの位置合わせ精度が要求される
半導体（ＬＳＩ）の露光装置において、マスクとウェハ
の位置合わせを行う位置合わせ装置に関するものである
。

従来の技術 従来より半導体露光装置の位置合わせ装置においては、
位置合わせマークとして回折格子が多く使用されてきた
。その理由として、既存の半導体プロセスで製作が容易
であることが考えられる。

反面、位置ずれの検出を行うことができるのは、回折格
子のワンピッチ分だけであるため（回折格子が周期的に
繰り返されているため、位置ずれ検７　ベージ 比信号も周期性を持ってしまう）、検出精度を上げよう
として回折格子のピッチを小さくすると、検出範囲が小
さくなってしまうという問題が生じる。そのため、回折
格子を位置合わせマークとして使用するときには、これ
とは別に組合わせマークを使用し、マスク、ウェハの位
置ずれが回折格子の検出範囲内に入るようにする必要が
ある。

従来、上記のような回折格子の問題点を解決するための
種々の提案がなされている。その−例として、ジャーナ
ル　オブ　バキューム　サイエンス　アンド　テクノロ
ジー；　Ｊ　、　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ　、Ｔｅｃｈｎｏｌ
。

Ｂ６（１）、　Ｊａｎ／Ｆｅｂ　１，９８８．　Ｐ、　
４１３〜４１６に記載されている構成について第８図を
参照しながら説明する。

第８図において、レーザ１０１からミラー１（１２）を
介してマスク１０３へ入射した光は、マスク１０３とウ
ェハ１０４上の回折格子１０５と１０６で回折され、±
１次方向にそれぞれ２本ずつの回折光を生ずる。

各回折格子１０５．１０６から４本の回折光が得られる
原理について説明する。マスク１０３上の回折格子１０
５は第９図に示すように６μｍピッチと７μｍピッチの
回折格子］０５ａと１０５ｂを合成したものよシ作成さ
れており（以後、このような回折格子を複合回折格子と
称す）、この複合回折格子１０５は１次回折光として、
θ１＝ｓｉｎ（λ／７ｔｔｍ）、θ２ｓｉｎ　（２７６
μｍ）に相当する方向に光を発する。

第８図において、マスク１０３の複合回折格子１０５か
ら出た光は誘電体キー−ブピームスプリｙり１０７に入
射し、ここで、＋１次回折光と一１次回折光が重ね合わ
される。この時、重ね合わせをわずかにずらした状態に
設定すると、フォトディテクタアレー１０８に得られる
スポットには何本かの干渉縞が生じる。マスク１０３上
の複合回折格子１０５が横方向に変位すると、±１次回
折光の間に光路差が生じ、このため、フォトディテクタ
アレー１０７上の干渉縞は、光路差に応じて移動する。

したがって、干渉縞の位置をフォトディテクタアレー１
０８上からビデオインターフェース１０９を介してコン
ビーータ１１０で読み取ることによりマスク１０３の変
位を知ることができる。しかも、ピノ９　ベージ チロμｍに対応する回折光から得られる位置ずれ信号と
ピン２−７μｍに対応する回折光から得られる位置ずれ
信号では、繰り返し周期が異なっているため、結果とし
てバーニアの原理から２１μｍの検出範囲を得ることが
でき、しかも、検出分解能は６μｍピッチの回折格子を
単独で使用した時と同じである。ウェハ１０４上の回折
格子１０６はマスク１０３の複合回折格子１０５とはピ
ッチを異にする８μｍと９μｍの複合回折格子となって
おり、上記と同様にしてウェハ１０４変位を計測するこ
とが可能であり、常にマスク１０３とウェハ１０４の相
対変位を知ることができる。そこで、コントローラ１１
１によシ、例えば直交方向Ｘ、Ｙと回転方向θに移動可
能なウェハステージ１１２を制御することによりマスク
１０３とウェハ１０４の位置合わせを行うことができる
。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来の位置合わせ装置では、検出分
解能を高めようとすると、次のような問題が生じる。つ
マシ、フォトディテクタアレー１０８１０　ベージ で検出した光強度をもとに位置ずれ量の検出をしている
ために、ウェハ１０４の反射率の変化や、ウェハ１０４
、マスク１０３間の多重反射による回折光の強度変化に
対して弱く、光強度が低下すると、フォトディテクタア
レー１０８のＳ／Ｎが下がり、検出精度が悪化する。

本発明は、以上のような従来の問題を解決するためにな
されたもので、マスクとウェハの位置合わせマークとし
てピッチの異なる回折格子を合成した複合回折格子を用
いると共に、回折光の持つ位相情報を直接用いて位置ず
れ量を検出し、光ヘテロダイン法とバーニアの原理を組
合わせることにより、光強度の変動に影響されることな
く、安定で、高分解能の位置ずれ検出を行うことができ
るようにした位置合わせ装置を提供することを目的とす
るものである。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するための本発明の技術的解決手段は、
互いにわずかに周波数が異なり、かつ偏光面が異なる２
光束を同時に出射するコヒーレン１１　ベージ ト光源と、所定の間隔で配置され、互いに位置合わせさ
れるマスクおよびウェハにそれぞれ設けられ、異なるピ
ッチの回折格子を合成した複合回折格子と、上記コヒー
レント光源からの光を上記マスクおよびウェハの複合回
折格子に照明し、これら複合回折格子からの異なる２波
長の回折光を光学的に合成させる合成手段と、上記マス
クおよびウェハの複合回折格子からのそれぞれ合成され
た回折光の光ヒート信号を検出する検出手段とを備え、
上記検出手段から得られる光ヒート信号の位相比較から
得られる位置ずれ信号により、上記マスクおよびウェハ
の相対位置を制御するように構成したものである。

そして、上記合成手段が、異なるピッチの回折格子を合
成し、コヒーレント光源からの光を照明する複合回折格
子を有する基準格子と、この基準格子の複合回折格子で
回折された回折光を選択的に透過し、マスクおよびウェ
ハの複合回折格子に照明し、異なる２波長の回折光を上
記マスクおよびウェハの複合回折格子で合成する照明光
学系を備え、上記照明光学系が、基準格子の複合回折格
子からの０次、±１次回折光のうち、±１次回折光の少
なくとも一方の偏光面を入れ替える位相補償板と、上記
０次、±１次回折光を入射させ得る開口数と、上記０次
、＋１次、−１次回折光が輝点に分離するスペクトル面
と、０次回折光を遮へいし、±１次回折光に対し、偏光
面が異なる２光束のうち１光束を遮へいする空間フィル
ターを備え、少なくともマスク側でテレセントリックと
なるように構成するのが好ましく、または、上記位相補
償板をスペクトル面近傍に設けるのが好ましい。

また、上記検出手段が、マスクおよびウェハの複合回折
格子からの回折光における偏光面の異なる２光束のうち
、任意の１光束を遮へいするための偏光方向の指定が可
能な偏光子と、この偏光子を透過した回折光を受光する
２つのフォトディテクタを備え、捷たは、上記検出手段
が、マスクおよびウェハの複合回折格子からの回折光に
おける偏光面の異なる２光束を分離する偏光ビームスプ
１３　ベージ リッタと、分離された４本の回折光を受光する４つのフ
ォトディテクタを備えるのが好ましい。

また、上記合成手段が、コヒーレント光源からの光を２
光路に分割する第１の光学素子と、分割された光路を更
に２分割し、４本の照明光を、ピッチの異なる回折格子
を合成した複合回折格子による４つの回折角に相当する
角度でマスクおよびウェハの複合回折格子に照明するた
めの２組の第２の光学素子と、一方の組の第２の光学素
子と、マスクの間に配置された偏光面を入れ替える位相
補償板と、他方の組の第２の光学素子とマスクの間およ
び上記位相補償板とマスクの間に配置され、偏光面の異
なる２光束のうちの１光束を遮へいする偏光子を備え、
上記４本の照明光により異なる２波長の回折光を上記マ
スクおよびウェハの複合回折格子で合成するようにし、
上記第１の光学素子がビームスプリッタであり、上記第
２の光学素子がハーフミラ−と全反射ミラーとからなる
のが好ましい。

捷だ、上記合成手段が、コヒーレント光源から１４　ベ
ージ の光を２光路に分割する偏光ビームスプリッタと、分割
された光路をさらに２分割し、４本の照明光を、ピッチ
の異なる回折格子を合成した複合回折格子による４つの
回折角に相当する角度でマスクおよびウェハの複合回折
格子に照明するための２組のハーフミラ−および余財ミ
ラーと、一方の組のハーフミラ−および余財ミラーとマ
スクの間に配置された偏光面を入れ替える位相補償板を
備え、上記４本の照明光によシ異なる２波長の回折光を
上記マスクおよびウェハの複合回折格子で合成するよう
にするのが好ましい。

また、上記検出手段が、マスクおよびウェハの複合回折
格子からの回折光における偏光面の異なる２光束を分離
する偏光ビームスプリッタと、分離された４本の回折光
を受光する２つ以上のフォトディテクタを備えるのが好
ましい。

また、上記合成手段が、コヒーレント光源からの光の照
明により回折されたマスクおよびウェハの複合回折格子
からの±１次回折光のうち、少なくとも一方の回折光の
偏光面を入れ替える位相補１５　ページ 償板と、上記±１次回折光を合成するビームスプリッタ
とを備えるのが好ましい。

捷だ、上記検出手段が、ビームスプリッタにより合成さ
れたマスクおよびウェハの複合回折格子からの回折光に
おける偏光面の異なる２光束のうち、任意の１光束を遮
へいする偏光子と、この偏光子を透過した回折光から光
ヒート信号を検出するための４つの検出手段を備えるの
が好ましい。

作　　　　用 本発明は、上記構成により次のような作用を有する。

コヒーレント光源から互いにわずかに周波数が異なり、
かつ偏光面が異なる２光束を同時に出射し、マスクおよ
びウェハにそれぞれ設けられ、異なるピッチの回折格子
を合成したバーニア型の複合回折格子に照明すると共に
、合成手段により複合回折格子上で異なる２波長の回折
光を光学的に合成させ、若しくは複合回折格子で回折さ
れた後、異なる２波長の回折光を光学的に合成させ、そ
れぞれ合成された回折光の光ヒート信号を検出手段によ
り検出し、この光ヒート信号の位相比較から位置ずれ信
号を得る。そして、この光へテロタイン法によシ得た位
置ずれ信号により、上記マスクおよびウェハの相対位置
を制御し、マスクおよびウェハの位置合わせを行うこと
ができる。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

まず、本発明の第１の実施例について説明する。

第１図ないし第４図は本発明の第１の実施例における位
置合わせ装置を示し、第１図は全体の概略構成図、第２
図は複合回折格子の説明図、第３図はマスクとウェハの
複合回折格子の拡大斜視図、第４図は信号処理動作の説
明図である。

第１図に示すように空間的および時間的コヒーレントの
高いアライメント照明用光源としてＨｅＮｅゼー？７Ｌ
／−ザ１を用い、コＩＤ　Ｈｅ　−Ｎｅ　Ｌ／　−ザ１
かられずかに異なった周波数ｆ１、ｆ２で、偏光方向が
互いに直交する２波長のレーザ光２を出射スる。このレ
ーザ光２はビームエキスパンダ３１７　ページ によりそのビーム径を拡大し、ミラー４で光路を折り曲
げ、基準格子５の複合回折格子６で振幅分割する。複合
回折格子６は、ピッチａ、ｂの異なる回折格子、本実施
例では、第２図に示すように４μｍ　ピッチの回折格子
６ａと５μｍピッチの回折格子６ｂを重ね合わせて作成
したもので、垂直に入射された光に対しては、９．１　
　と７，３　　の方向に４本の±１次回折光７．８．９
．１０を生ずる。

２分された光路の一方の一次回折光９．１０は位相補償
板である１／２波長板１１で偏光方向を互いに入れ替え
る。両光路、すなわち基準格子５の複合回折格子６で回
折された＋１次回折光７．８と、複合回折格子６で回折
され、１／２波長板１１で偏光された一１次回折光１２
．１３は、２つのフーリエ変換レンズ１４．１５と、こ
れらフーリエ変換レンズ１４．１５の間の空間フィルタ
１６からなる両側テレセンドリンクに構成された光学系
に導かれる。この光学系は０次、±１次回折光を入射さ
せ得る開口数を有し、０次、±１次回折光が輝点に分離
するスペクトル面に設けられた空間１８　ページ フィルタ１６が０次回折光を遮へいすると共に、±１次
回折格子７．８．１２．１３に対し、偏光面が異なる２
光束のうち、１光束を遮へいする偏光子、本実施例では
Ｐ波（垂直成分）を透過し、Ｓ波（水平成分）を遮へい
するＰ波透過偏光子１７．１９　とＳ波（水平成分）を
透過し、Ｐ波（垂直成、分）を遮へいするＳ波過偏光子
１８．２０を有している。そして、この空間フィルタ１
６のＰ波透過偏光子１８、Ｐ波透過偏光子１９、Ｓ波透
過偏光子２０で偏光された±１次回折光２１．２２．２
３．２４は、近接して配置され、それぞれ例えばＸ１Ｙ
１Ｚ、θの４軸移動可能なステージ（図示省略）に支持
されたマスク２５　とウェハ２６上に形成された位置合
わせマークである複合回折光子２６　と２７に入射する
。マスク２５とウェハ２６上の複合回折光子２７　と２
８は第３図に示すように上記基準格子５の複合回折格子
６と同一に形成され、フーリエ変換レンズ１５から入射
する±１次回折光２１．２２．２３．２４　　の４本の
光を回折する。±１次回折光２１．２２．２３．２４　
の位相は複合回折１９　ベーン 格子２７．２８の変位に対応した位相遅れ、進みを持ち
、４μｍ　ピッチの回折格子６ａに対応した回折光は変
位２μｍに対して３６０の位相変化を、５μｍピッチの
回折格子６ｂに対応した回折光は変位２５μｍに対して
３６０の位相変化を受ける。マスク２５、ウェハ２６上
の複合回折格子２７．２８で回折された回折光２９．３
０のうち、マスク　２５の複合回折格子２７で回折され
た回折光２９は結像レンズ３１　により、光路を折り曲
げるミラー３２を介し、２光束のうちの１光束、すなわ
ちＰ波、Ｓ波のいずれかを遮へいする可動偏光子３３で
偏光させ、この回折光３４をナイフェツジミラー３６の
上方を通過させ、第１のフォトディテクタ３７へ導き、
ｆｌ、＋２成分を干渉させてヒートを生じさせる。他方
のウェハ２６の複合回折格子２８で回折された回折光３
０は結像レンズ３１によりミラー３２を介して上記と同
様、可動偏光子３３で偏光させ、この回折光３５をナイ
フェツジミラー３６上に結像させて反射させ、光路を折
り曲げるミラー３８を介して第２のフォトディテクタ３
９へ導き、ｆｌ、＋２成分を干渉させてヒートを生じさ
せる。したがって、第１と第２のフォトディテクタ３７
．３９で２つの異なる周波数ｆ１、［２の光ヒート信号
が観測され、この２つのヒート信号の位相差を計測する
ことにより、この位相差はｆｌ、＋２の２光束の位相差
に等しいので、２つの複合回折格子２７．２８の位置ず
れ量を検出することができる。複合回折格子２７．２８
の５μｍ　ピンチに相当する回折光を抽出するときには
、可動偏光子３３でＳ波を選び、４μｍ　ピッチに相当
する回折光を抽出するときには、可動偏光子３３でＰ波
を選ぶ。

次にマスク２５　とウェハ２６の位−合わせ動作の詳細
について説明する。

光の偏光方向は水平偏光を記号「〆」、垂直偏光を記号
「土」で表記し、複合回折格子６．２７．２８の２つの
ピッチを「ａ」、「ｂ」で表記することとし、例えば、
周波数ｆ１、水平偏光〃、１次回折光はＵｆ、ａ（−１
）、若しくはＵｆｚｂ（−１）と表記する。なお、回折
を２回行った回折光は、２１　ページ 回折次数の２値表示を行う。例えば、周波数１２、垂直
偏光上、＋１次回折の後、＋１次回折を受けた光はＵｆ
２ａ（＋１、＋１）、若しくは、Ｕｆ２ｂ（＋１、＋１
）で表記する。この表記方法を用いると、ゼーマンレー
ザーから出るレーザ光２はＵｆ。

（０）、Ｕｆ２（０）で表わすことができる。このレー
ザ光２が基準格子５の複合回折格子６で回折されて生じ
る＋１次回折光７．８と一１次回折光９．１０のうち、
＋１次回折光７はＵｆ□８（＋１．）、Ｕｆ２ａ（＋１
）で表わされ、＋１次回折光８はＵｆ□、（＋１）、Ｕ
「２５（＋１）で表わされ、−１次回折光９はＵｆｌａ
（−１）、Ｕｆｚａ（”）で表わさ上 れ、−１次回折光１０はＵγ□、（−１）、Ｕｆ２ｂ（
−１）で表わされる。−１次回折光１２と　１３は一１
次回折光９と１０が１／２波長板１１を透過したもので
あシ、偏光方向が９０°変換している。

よって、−１次回折光１２はＵｆｌａ（−１）、Ｕｆ２
ａ（−１）で表され、−１次回折光１３はＵｆ１６（−
１）、ＵｆｚＨ（１）　　で表わされる。空間フィルタ
１５のＰ波透過偏光子１７を透過して得られ２２ベーゾ た＋１次回折光２１はＵｆ２３（＋１）で表わされ、Ｓ
波透過偏光子］８を透過して得られた＋１次回折光２２
はＵｆｌｂ（＋１）で表わされ、Ｐ波透過偏光子１９を
透過して得られた一１次回折光２３は上 Ｕｆｌａ（−１）で表わされ、Ｓ波透過偏光子２０を透
過して得られた一１次回折光２４はＵｆｚｂ（Ｄで表わ
される。これら＋１次回折光２１．２２と１次回折光２
３．２４がマスク２５とウェハ２６の複合回折格子２７
と２８でそれぞれ＋１次と一１次に回折された回折光２
９と３０はＵｆ２．（＋１、＋１）、Ｕｆ□ｂ（＋１、
＋１）、Ｕｆｌａ（−１、−１）、Ｕｆ２ｂ（１、−１
）で表わされる。

ここで、回折光２９．３０の複素振幅は次式で与えられ
る。

工 Ｕｆｌａ（−１、−１）＝Ａ１　ｅｘｐｉ　（２ｙｒ　
ｆ　１ａ　ｔ−δ）　−（１）Ｕｆ２ｂ（’、−１）＝
Ａ２　ｅｘｐｉ　（２ｒｒ　ｆ　２ｂ　を−δ）（２）
”Ｆ□ｂ（＋１、＋１　）−Ａ１　ｅｘｐｉ　（２ｘｆ
□５を十δル、（３）工 Ｕｆ２ａ（＋１、−１−１　）−Ａ２　ｅｘｐｉ　（２
πｆ　２ａ　を十δ）　−（４）ΔＸ ここで、δ−２π下である。

（１）〜（４）式中の変数δはマスク２５の複合回折格
２３　ベー／ 子２７がＸ方向に△Ｘだけ変位することにより生ずる。

複合回折格子２７で回折された回折光２９は＋１次回折
光２０．２１、−１次回折光２２．２３の各回折光が同
一光路上に存在するため、（１）式で表わされたＵｆｌ
ａ（−１、−１）および（４）式で表されたＵｆ２ａ（
＋１、＋１）とは偏光方向が等しいため、光路上で干渉
して合成され、（２）式で表わされたＵｆ２ｂ（”、−
１）および（３）式で表わされたＵｆ１５（＋１、＋１
）とは偏光方向が等しいため、光路上で干渉して合成さ
れる。これらの合成光をＥ（１）ａ、Ｅ（／／）ｂとお
くと、それぞれ次式％式％ マスク２５の複合回折格子２７からの回折光２９は上記
Ｅ（１）３１Ｅ（／／）ｂの混在したものであり、Ｅ（
上）ａｌＢ（／／）ｂは偏光方向が直交しているため、
光路上では干渉しない。

ここで、可動偏光子３３によシ回折光２９のうち、Ｅ（
２）ａ成分のみを分離し、光強度Ｉ５１を検出すれば、
■５１は次式で与えられる。

Ｉｓ”　＝　ｌ　Ｅ（−Ｌ）　ａ　１２Ａ１２＋Ａ２２
＋２ＡＩＡ２ｃｏｓ（２π（ｆｌａ　　ｆ２ａ）ｔ　’
；ｌδ）（力 （７）式における第３項が光ヒート信号と呼ばれるもの
であり、周波数（［１−１２）の交流信号が得られる。

マスク２５の複合回折格子２７が△Ｘ移動すると、（７
）式の第３項で表わされる光ヒート信号△Ｘ　− の位相が４π丁（フジアン）だけ変化する。光ヒート信
号の位相を１°（実際にはもっと細かく読める）で検出
すると、そのときの△Ｘは△Ｘ＝Ｐ／７２０となる。

これが光ヒート信号を検出することによシ、マスク複合
回折格子２７の移動量△Ｘを検出する原理である。本実
施例においては、回折光２９に存在するＥ（１）ａ、Ｅ
（／７）ｂを分離するために２５６−ノ 可動偏光子３３を用いており、分離されたＥ（土）ａ若
しくはＥ（／／）ｂは第１のフォトディテクタ３７で光
強度■５１に変換され、光ヒート信号を検出している。

これとまったく同様にして、ウェハ２６上に設けた複合
回折格子２８の移動量へＸ′も検出できる。

ウェハ２６の複合回折格子２８で回折されだ回折光３０
は（５）、（６）式と同様にして定義され、（８）、（
９）式で表わされる。

上 Ｅ（土）ａ−Ｕｆｌａ　（−１、１）＋Ｕ　（２ａ　（
＋ｉ、　＋１　）Ａｘｅｘｐｉ　（２πｆｉａ　を−δ
’）　＋Ａ２ｅｘｐｉ　（２πｆ２ａ　ｔ−δ′）・・
・・・（８） Ｅ（／／）　ｂ　＝　Ｕ　ｆ□、（＋１、＋１）十Ｕｆ
２．（−１、−１）−Ａｌｅｘｐｉ（２πｆｌｂｔ−δ
’）　＋Ａｚｅｘｐｉ　（２πｆｚｂｔ−δ′）ここで
、Ｅ（／／）ｂ成分のみを可動偏光子３３で分解し、ナ
イフェツジ３６、ミラー３８を介して光強度■ｓ２を第
２のフォトディテクタ３９で検出すると、■５２は次式
で表わされる。

２６　ベーン ■５ｌ−ＩＥ（／／）ｂ Ａ１２＋Ａ２２＋２ＡＩＡ２ＣＯ３（２ｙｒ（ｆｉｂ−
ｆ２ｂ）ｔ＋２δ′）・・・・・（１０） （力式で表わされる第１のフォトディテクタ　３７で検
出できる光ヒート信号と、θ０）式で表わされる第２の
フォトディテクタ３９で検出できる光ヒート信号の位相
差△φは次式で表わされる。

△φ−２δ−２δ′−４π（△Ｘ−△Ｘ’　）　／Ｐ　
　・・・・α１）ここで、△Ｘ′−ΔＸ１Ｘ／／′と置
くと、（１２１式で表わされる。

△φ＝４π△Ｘ　　／Ｐ　　　　　　　　　　・・　・
・α２（１２１式において、ΔＸ　はマスク２５とウェ
ハ２６との相対移動量にほかならない。

よって第１のフォトディテクタ３７と第２のフォトディ
テクタ３９で検出できる光ヒート信号の位相比較をする
ことにょシ、第４図に示すようにマスク２５　とウェハ
２６の相対変位量Ｘが位置すれ信号ａ、ｂとして検出で
き、その位置ずれ信号により、現在の位置ずれ量が２０
μｍの検出範囲４１内でわかる。そこで、上記位置ずれ
量をステ２７　べ一ン 一ジ移動によシ補正し、マスク２５、ウェハ２６の相対
変位を精合わせ範囲４０内に納める。このような動作に
より、検出範囲２０μｍ１検出分解能５μｍ　以下の位
置合わせが可能になる。

以上のように本実施例によれば、マスク２５　とウェハ
２６の位置合わせマークとして複合回折格子２７．２８
を用い、合成手段として、複合回折格子６を有する基準
格子５．１／２波長板］１、フーリエ変換レンズ１４．
１５、空間フィルタ１６を用い、上記複合回折格子２７
．２８からのそれぞれ合成された回折光２９．３０の光
ヒート信号を検出して光ヒート信号の位相比較から位置
ずれ信号を得るようにしているので、バーニア法と光ヘ
テロダイン法の原理から、広い検出範囲と高い分解能を
持った位置ずれ検出光学系を容易に構成することができ
る。また、フーリエ変換レンズ１４．１５による結像の
原理を用いているため、複合回折格子６を用いても、光
学系調整が複雑にならないという利点もある。

なお、１／２波長板１１は０次、１次、−１次回折光が
輝点に分離するスペクトル面に設けてもよい。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第５図は本発明の第２の実施例における位置合わせ装置
を示す全体の概略構成図である。

本実施例においては、上記第１の実施例における可動偏
光子３３の切り換え操作を不要とするために、ナイフェ
ツジミラー３６の上方を通過するマスク２５の複合回折
格子２７からの回折光２９のうち、Ｅ（２）ａ、Ｅ（〃
）ｂの成分を分離する偏光ビームスプリッタ４２　と、
ナイフェツジミラー３６で反射されるウェハ２６の複合
回折格子２８からの回折光３０のうち、Ｅ（２）ａとＥ
（／／）ｂの成分を分離する偏光ビームスプリッタ４３
　　と、各ビームスプリッタ４２．４３で分解された成
分の光束を導く４つのフォトディテクタ４４．４５．４
６．４７を用い、フォトディテクタ４４と４６により格
子ピッチａにおけるマスク２５　とウェハ２７の相対位
置ずれ量を検出し、フォトディテクタ４５と４７により
格子ピッチｂにおけるマスク２９　ベーン ２５　　とウェハ２６　の相対位置ずれ量を検出し、こ
の位置ずれ信号により、上記マスク２５　およびウェハ
２６の相対位置を制御して位置合わせするようにしたも
のであシ、その他の構成は上記第１の実施例と同様であ
る。

次に本発明の第３の実施例について説明する。

第６図は本発明の第３の実施例における位置合わせ装置
を示す全体の概略構成図である。

本実施例においては、上記第１の実施例における複合回
折格子６を有する基準格子５、フーリエ変換レンズ１４
．１５を第１の光学素子であるビームスプリッタ４８　
と、２組の第２の光学素子であるハーフミラ−４９，５
０および全反射ミラー５１．５２に置き換えると共に、
ナイフェツジミラー３６、可動偏光子３３、フォトディ
テクタ３７．３９等を偏光ビームスプリッタ５３．２分
割フォトディテクタ５４．５５に置き換えたものである
。

そして、ゼーマンレーザ１から出射したわずかに異なっ
た周波数１１、ｆ２で、偏光方向が互いに〃ｌ上 直交する２波長のレーザ光２（Ｕｆｌ、Ｕｆ２）は、３
０　ページ ビームエキスパンダ３によりビーム径を拡大し、ビーム
スプリッタ４８で２分割する。この２分割したレーザ光
５６　（Ｕｆ□、Ｕｆ２）、５７（Ｕτ□、Ｕす。）を
ハーフミラ−４９，５０と全半射ミラー５１．５２によ
り２分割し、４本の照明光５８（Ｕｆｌ、Ｕｆｚ）、ｌ
　　　ユ　　　　　　　　　　〃　　　ユ５９（Ｕｆよ
、Ｕ［２）、６０（ｔＪ（□、Ｕｆ２）、６１（Ｕ［１
、工 Ｕｆ２）をピッチの異なる回折格子を合成した複合回折
格子（第１の実施例の基準格子５の複合回折格子６に相
当）による４つの回折角（第１の実施例の±１次回折光
７．８．９．１０に相当）に相当する角度でマスク２５
およびウェハ２６の複合回折格子２７および２８に照明
するように設定する。照明光６０と６１は１／２波長板
１１によシ偏光面が入れ替えられた照明光６２．６３　
（Ｕｆｌ、Ｕｆ２）になる。照明光５８がＰ波透過偏光
子１７を透過して得られた照明光６４（Ｕｆ２）、照明
光５つ　がＳ波透過偏光子１８を透過して得られた照明
光６５（Ｕｆｌ）、照明光６２がＰ波透過偏光子１９透
過して得られた照明光６６（Ｕｒ□）、照明光６３がＳ
波透過偏光子２０を透過して得られた照３１　ヘーノ 明光６７（Ｕ（２）は、上記第１の実施例の±１次回折
光２１．２２．２３．２４　と同様の関係となる。これ
らの照明光６４．６５．６６．６７はマスク２５、ウェ
ハ２６の複合回折格子２７．２８て回折され、これらの
回折光６８．６つは偏光ビームスプリッタ５３で同じ偏
光方向の回折光のみが分離され、２分割フォトディテク
タ５４．５５へ導かれ、干渉する。したがって、２分割
フォトディテクタ５４．５５で２つの異なる周波数ｆｌ
、ｆ２の光ヒート信号を観測し、この２つの光ヒート信
号の位相差を計測することにより、２つの複合回折格子
２７．２８の位置ずれ量を検出することができ、この位
置ずれ信号により、マスク２５およびウェハ２６の相対
位置を制御して位置合わせすることができる。

以上のように本実施例によれば、マスク２５　とウェハ
２６の位置合わせマークとして複合回折格子２７．２８
を用い、合成手段として、ビームスプリッタ４８、ハー
フミラ−４９，５０、を全半対ミラー５１．５２．１／
２波長板１１、Ｐ波透過偏光子１７．１９、Ｓ波透過偏
光子１８．２０を用い、上記複合回折格子２７．２８か
らのそれぞれ合成された回折光の６８．６９の光ヒート
信号を検出して光ヒート信号の位相比較から位置ずれ信
号を得るようにしているので、バーニア法と光ヘテロダ
イン法の原理から、広い検出範囲と高い分解能を持った
位置ずれ検出光学系を容易に構成することができる。

なお、本実施例において、ビームスプリンタ４８に替え
て偏光ビームスプリッタを用い、Ｐ波透過偏光子１７．
１９、Ｓ波透過偏光子１８．２０を除去することにより
、上記と同様の作用効果を得ることができる。

次に本発明の第４の実施例について説明する。

第７図は本発明の第４の実施例における位置合わせ装置
を示す全体の概略構成図である。

本実施例においては、第７図に示すようにゼーマンレー
ザ１から出射したわずかに異なった周波数１１、［２て
、偏光方向が互いに直交する２波長ｌ　　　工 のレーザ光２（Ｕｆｏ、Ｕｆ２）をミラー７０で折シ３
３　ヘ一／ 曲げ、マスク２５　とウェハ２６上の複合回折格子２７
　と２８に照射させる。各複合回折格子２７と７３、と
７４と７７．７８の偏光面を１／２波長板光７】、７２
．８０．８１　および７５．７６．８２．８３を誘電体
キューブビームスプリッタ８４に入射させ、＋１次回折
光７１．７２．７５．７６　　と−１次回折光８０．８
１．８２．８３　　を重ね合わせる。ここで、本実施例
におけるマスク２５　とウェハ２６上の複合回折格子２
７と２８が同一のピッチであり、上記従来例のような回
折角の違いによる回折光の分離が困難であるだめ、シリ
ンドリカルレンズ８５を用い、マスク２５とウェハ２６
の複合（ロ）折格子３４　ぺ一７ ２７　と２８からの回折光の分離を行う。そして、偏光
子８６によシ上記回折光のうち、Ｐ波、あるいはＳ波の
みを透過し、この透過した光を４つのフォトディテクタ
８７．８８．８９．９０　　上で干渉させることにより
光ヒート信号を検出することができ、位相計９１で位置
ずれ２μｍに対して３６０°の位相変化をする位置ずれ
信号を得ることができ、位相計９２で位置ずれ２．５μ
ｍに対して３６０００位相変化をする位置ずれ信号を得
ることができる。

これらの位置ずれ信号と第４図に示したグラフに基づい
て２０μｍの検出範囲４１のマスク２５とウェハ２６間
の相対変位を知ることができ、マスク２５とウェハ２６
の相対位置を制御して位置合わせするようにしたもので
ある。

以上のように本実施例によれば、マスク２５　とウェハ
２６の位置合わせマークとして複合回折格子２７．２８
を用い、誘電体キー−ブビームスプリッタ８４　による
複合回折格子２７．２８からのそれぞれ合成された回折
光のヒート信号を検出して光ヒート信号の位相比較から
位置ずれ信号を得るよ３５　へ−ノ うにしているので、光ヘテロダイン法とバーニア法の原
理から、広い検出範囲と高い分解能を持った位置ずれ検
出光学系を容易に構成することができる。

発明の効果 以上述べたように本発明によれば、コヒーレント光源か
ら互いにわずかに周波数が異なり、かつ偏光面が異なる
２光束を同時に出射し、マスクおよびウェハにそれぞれ
設けられ、異なるピッチの回折格子を合成したバーニア
型の複合回折格子に照明すると共に、合成手段によシ複
合回折格子上で異なる２波長の回折光を光学的に合成さ
せ、若しくは複合回折格子で回折された後、異なる２波
長の回折光を光学的に合成させ、それぞれ合成された回
折光の光ヒート信号を検出手段により検出し、この光ヒ
ート信号の位相比較から位置ずれ信号を得る。そして、
この光ヘテロダイン法により得た位置ずれ信号により、
上記マスクおよびウェハの相対位置を制御し、マスクお
よびウェハの位置合わせを行うようにしている。このよ
うに光へテロダイン法とバーニアの原理を組合わせるこ
とにより、光強度の変動に影響されることなく、安定で
、高分解能の位置ずれ検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の第１の実施例における位
置合わせ装置を示し、第１図は全体の概略構成図、第２
図は複合回折格子の説明図、第３図はマスクとウェハの
複合回折格子の拡大図、第４図は信号処理動作の説明図
、第５図は本発明の第２の実施例を示す全体の概略構成
図、第６図は本発明の第３の実施例を示す全体の概略構
成図、第７図は本発明の第４の実施例を示す全体の概略
構成図、第８図および第９図は従来の位置合わせ装置を
示し、第８図は全体の概略構成図、第９図は複合回折格
子の説明図である。 １・・・ゼーマンレーザ、５・・・基準格子、６・・・
複合回折格子、１１・　１／２波長板、１４．１５・フ
ーリエ変換レンズ、１６　　・空間フィルター　１７　
　・・Ｐ波透過偏光子、１８−８波透過偏光子、１９　
　・３７　ベーン Ｐ波透過偏光子、２０・　Ｓ波透過偏光子、２５マスク
、２６　　　ウェハ、２７．２８・・・複合回折格子、
３１・・・結像レンズ、３３・・可動偏光子、３６・・
・ナイフェツジミラー　３７．３９・・・フォトディテ
クタ、４２．４３・・・偏光ビームスプリッタ、４４．
４５．４６．４７・・フォトディテクタ、４８・・・ビ
ームスプリッタ、４９．５０・・・ハーフミラ−５１，
５２・・全反射ミラー　５３−・・偏光ビームスプリッ
タ、５４．５５・・・２分割フォトディテクタ、７９・
・・１／２波長板、８４・・・誘電体キューブビームス
プリッタ、８５　・シリトリカルレンズ、８６　　・偏
光子、８７．８８．８９．９０・・・フォトディテクタ
、９１．９２・・・位相計。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名派

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いにわずかに周波数が異なり、かつ偏光面が異
   なる２光束を同時に出射するコヒーレント光源と、所定
   の間隔で配置され、互いに位置合わせされるマスクおよ
   びウェハにそれぞれ設けられ、異なるピッチの回折格子
   を合成した複合回折格子と、上記コヒーレント光源から
   の光を上記マスクおよびウェハの複合回折格子に照明し
   、これら複合回折格子からの異なる２波長の回折光を光
   学的に合成させる合成手段と、上記マスクおよびウェハ
   の複合回折格子からのそれぞれ合成された回折光の光ヒ
   ート信号を検出する検出手段とを備え、上記検出手段か
   ら得られる光ヒート信号の位相比較から得られる位置ず
   れ信号により、上記マスクおよびウェハの相対位置を制
   御するように構成したことを特徴とする位置合わせ装置
   。
2. （２）合成手段が、異なるピッチの回折格子を合成し、
   コヒーレント光源からの光を照明する複合回折格子を有
   するこの基準格子と、この基準格子の複合回折格子で回
   折された回折光を選択的に透過し、マスクおよびウェハ
   の複合回折格子に照明し、異なる２波長の回折光を上記
   マスクおよびウェハの複合回折格子で合成する照明光学
   系を備えた請求項１記載の位置合わせ装置。
3. （３）照明光学系が、基準格子の複合回折格子からの０
   次、±１次回折光のうち、±１次回折光の少なくとも一
   方の偏光面を入れ替える位相補償板と、上記０次、±１
   次回折光を入射させ得る開口数と、上記０次、＋１次、
   −１次回折光が輝点に分離するスペクトル面と、０次回
   折光を遮へいし、±１次回折光に対し、偏光面が異なる
   ２光束のうちの１光束を遮へいする空間フィルターを備
   え、少なくともマスク側でテレセントリックとなってい
   る請求項２記載の位置合わせ装置。
4. （４）位相補償板がスペクトル面近傍に設けられた請求
   項３記載の位置合わせ装置。
5. （５）検出手段が、マスクおよびウェハの複合回折格子
   からの回折光における偏光面の異なる２光束のうち、任
   意の１光束を遮へいするための偏光方向の指定が可能な
   偏光子と、この偏光子を透過した回折光を受光する２つ
   のフォトディテクタを備えた請求項１ないし４のいずれ
   かに記載の位置合わせ装置。
6. （６）検出手段が、マスクおよびウェハの複合回折格子
   からの回折光における偏光面の異なる２光束を分離する
   偏光ビームスプリッタと、分離された４本の回折光を受
   光する４つのフォトディテクタを備えた請求項１ないし
   ４のいずれかに記載の位置合わせ装置。
7. （７）合成手段が、コヒーレント光源からの光を２光路
   に分割する第１の光学素子と、分割された光路を更に２
   分割し、４本の照明光を、ピッチの異なる回折格子を合
   成した複合回折格子による４つの回折角に相当する角度
   でマスクおよびウェハの複合回折格子に照明するための
   ２組の第２の光学素子と、一方の組の第２の光学素子と
   、マスクの間に配置された偏光面を入れ替える位相補償
   板と、他方の組の第２の光学素子とマスクの間および上
   記位相補償板とマスクの間に配置され、偏光面の異なる
   ２光束のうちの１光束を遮へいする偏光子を備え、上記
   ４本の照明光により異なる２波長の回折光を上記マスク
   およびウェハの複合回折格子で合成する請求項１記載の
   位置合わせ装置。
8. （８）第１の光学素子がビームスプリッタである請求項
   ７記載の位置合わせ装置。
9. （９）第２の光学素子がハーフミラーと全反射ミラーと
   からなる請求項７記載の位置合わせ装置。
10. （１０）合成手段が、コヒーレント光源からの光を２光
    路に分割する偏光ビームスプリッタと、分割された光路
    をさらに２分割し、４本の照明光を、ピッチの異なる回
    折格子を合成した複合回折格子による４つの回折角に相
    当する角度でマスクおよびウェハの複合回折格子に照明
    するための２組のハーフミラーおよび全射ミラーと、一
    方の組のハーフミラーおよび全射ミラーとマスクの間に
    配置された偏光面に入れ替える位相補償板を備え、上記
    ４本の照明光により異なる２波長の回折光を上記マスク
    およびウェハの複合回折格子で合成する請求項１記載の
    位置合わせ装置。
11. （１１）検出手段が、マスクおよびウェハの複合回折格
    子からの回折光における偏光面の異なる２光束を分離す
    る偏光ビームスプリッタと、分離された４本の回折光を
    受光する２個以上のフォトディテクタを備えた請求項１
    ０記載の位置合わせ装置。
12. （１２）合成手段が、コヒーレント光源からの光の照明
    により回折されたマスクおよびウェハの複合回折格子か
    らの±１次回折光のうち、少なくとも一方の回折光の偏
    光面を入れ替える位相補償板と、上記±１次回折光を合
    成するビームスプリッタとを備えた請求項１記載の位置
    合わせ装置。
13. （１３）検出手段が、ビームスプリッタにより合成され
    たマスクおよびウェハの複合回折格子からの回折光にお
    ける偏光面の異なる２光束のうち、任意の１光束を遮へ
    いする偏光子と、この偏光子を透過した回折光から光ヒ
    ート信号を検出するための４つの検出手段を備えた請求
    項１２記載の位置合わせ装置。