JPH09189520A - Position detection device - Google Patents

Position detection device

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JPH09189520A
JPH09189520A JP8003858A JP385896A JPH09189520A JP H09189520 A JPH09189520 A JP H09189520A JP 8003858 A JP8003858 A JP 8003858A JP 385896 A JP385896 A JP 385896A JP H09189520 A JPH09189520 A JP H09189520A
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JP
Japan
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light
position detection
illumination
image
limiting member
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP8003858A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naomasa Shiraishi
直正 白石
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH09189520A publication Critical patent/JPH09189520A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To surely detect a position even for a position detection mark with an extremely small amount of recess and projection change (level difference). SOLUTION: A member for limiting the luminous flux of illumination where a plurality of light transmission parts 32A-32J and 33A-33I are formed symmetrically to a light axis is arranged on a lighting system pupil surface (Fourier transform surface for a position detection mark) and a member for limiting the luminous flux for image-forming where a region which is conjugate with the light transmission parts 32A-32J and 33A-33I and a region including the periphery is light-screening parts 34A-34J and 35A-35I is arranged on an image- forming system pupil surface. 0-order diffraction light out of diffraction light due to the position detection mark of illumination light from, for example, one light transmission part 32E is screened by a corresponding light-screening part 34E and other diffraction beams 35A-36C and 37A-37D are transmitted and utilized as luminous flux for image-forming, thus effectively utilizing only the diffraction light and forming the image of the position detection mark.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
た位置検出マークの位置を検出するための位置検出装置
に関し、例えば半導体素子、撮像素子(CCD等)、液
晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフ
ォトリソグラフィ工程でマスクパターンを感光性の基板
上に転写するために使用される露光装置に備えられ、感
光性の基板上の位置検出マークの位置を検出するための
アライメントセンサに使用して好適なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a position detection device for detecting the position of a position detection mark formed on a substrate, for example, a semiconductor element, an image pickup element (CCD or the like), a liquid crystal display element, or a thin film magnetic. An alignment for detecting the position of the position detection mark on the photosensitive substrate, which is provided in the exposure device used to transfer the mask pattern onto the photosensitive substrate in the photolithography process for manufacturing the head and the like. It is suitable for use in a sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば、半導体素子等を製造するための
フォトリソグラフィ工程では、フォトマスク又はレチク
ル等(以下、一例として「レチクル」を用いる)に形成
された転写用のパターンを、投影光学系を介してフォト
レジストが塗布されたウエハ又はガラスプレート等(以
下、一例として「ウエハ」を用いる)上に転写する投影
露光装置、又はレチクルのパターンを近接して配置され
たウエハ上に直接転写するプロキシミティ方式の露光装
置等の露光装置が使用されている。
2. Description of the Related Art For example, in a photolithography process for manufacturing a semiconductor device or the like, a transfer pattern formed on a photomask or a reticle (hereinafter, a "reticle" is used as an example) is transferred to a projection optical system. A projection exposure apparatus for transferring onto a wafer or a glass plate or the like (hereinafter, “wafer” is used as an example) coated with a photoresist via a proxy, or a proxy for directly transferring a pattern of a reticle onto a wafer arranged in close proximity. An exposure apparatus such as a Mitty type exposure apparatus is used.

【0003】一般に、半導体素子等はウエハ上に多数層
の回路パターンを所定の位置関係で積み重ねて形成され
るため、斯かる露光装置においてウエハ上に2層目以降
の回路パターンを転写する際には、露光に先立ってレチ
クルとウエハとの位置合わせ(アライメント)を高精度
に行う必要がある。このアライメントを行うために、ウ
エハ上にはそれまでの工程によって回路パターンと共
に、位置検出マークとしてのアライメントマークが形成
されており、露光装置に装着されたアライメントセンサ
でそのアライメントマークの位置を検出することで、ウ
エハ上の各ショット領域内の回路パターンの正確な位置
を検出できるようになっている。
Generally, a semiconductor element or the like is formed by stacking a plurality of layers of circuit patterns on a wafer in a predetermined positional relationship. Therefore, when transferring the circuit patterns of the second and subsequent layers onto the wafer in such an exposure apparatus. Requires highly accurate alignment between the reticle and the wafer prior to exposure. In order to perform this alignment, an alignment mark as a position detection mark is formed on the wafer along with the circuit pattern by the steps up to that point, and the position of the alignment mark is detected by an alignment sensor mounted on the exposure apparatus. This makes it possible to detect the accurate position of the circuit pattern in each shot area on the wafer.

【0004】従来のアライメントセンサとしては、例え
ばスポット状又はシート状のレーザビームとアライメン
トマークとを計測方向に相対走査し、発生する散乱光や
回折光を検出し、その強度変化に基づいてマーク位置を
検出する方式(以下、「レーザビームスキャン方式」と
呼ぶ)や、回折格子状のアライメントマークに対して例
えば対称に可干渉なレーザビームを照射し、そのアライ
メントマークから発生する1対の回折光よりなる干渉光
の位相に基づいてマーク位置を検出する2光束干渉方式
等のように、レーザビームの散乱や回折を利用して位置
検出を行う方式がある。しかしながら、レーザビームを
使用する場合には、その可干渉性によって、ウエハ表面
とその上に塗布されたフォトレジスト表面との間で多重
干渉が生じ、マークの検出位置に大きな誤差が生じる恐
れがある。
As a conventional alignment sensor, for example, a spot-shaped or sheet-shaped laser beam and an alignment mark are relatively scanned in the measuring direction, scattered light or diffracted light generated is detected, and the mark position is detected based on the intensity change. (Hereinafter, referred to as “laser beam scanning method”) or a pair of diffracted light beams generated from the alignment mark by irradiating a diffraction grating-shaped alignment mark with, for example, a symmetrical coherent laser beam. There is a method of detecting the position by utilizing scattering or diffraction of the laser beam, such as a two-beam interference method of detecting the mark position based on the phase of the interference light. However, when a laser beam is used, its coherence may cause multiple interference between the wafer surface and the photoresist surface coated thereon, which may cause a large error in the mark detection position. .

【0005】これに対して、ハロゲンランプ等を光源と
してアライメントマークを含む所定範囲の領域をブロー
ドバンドな光束で照明し、そのマークの結像光学系によ
る像を撮像し、その画像信号に基づいて位置検出を行う
方式(以下、「結像式位置検出方式」と呼ぶ)のアライ
メントセンサも使用されている。この結像式位置検出方
式はFIA(Field Image Alignment)方式と呼ばれるこ
ともある。この結像式位置検出方式では、一般に照明光
束としてブロードバンドな光束が使用されるので、上記
のような多重干渉が生じる恐れはない。
On the other hand, a halogen lamp or the like is used as a light source to illuminate an area in a predetermined range including the alignment mark with a broadband light beam, an image of the mark is formed by an image forming optical system, and the position is determined based on the image signal. An alignment sensor that performs detection (hereinafter, referred to as "imaging type position detection method") is also used. This imaging type position detection method is sometimes called an FIA (Field Image Alignment) method. In this image formation type position detection method, since a broadband light flux is generally used as an illumination light flux, there is no possibility of causing the above-mentioned multiple interference.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路
等の微細化に伴い、成膜工程後で、フォトリソグラフィ
工程前に、ウエハ表面を平坦化する工程が導入されるよ
うになってきた。この工程には、形成する回路パターン
の元となる生成膜の厚さを均一化して素子特性を改善す
る効果と、フォトリソグラフィ工程においてウエハ表面
の凹凸が転写パターンに与える線幅の誤差等の悪影響を
改善する効果とがある。
In recent years, with the miniaturization of semiconductor integrated circuits and the like, a process of flattening the wafer surface has been introduced after the film forming process and before the photolithography process. In this step, the effect of making the thickness of the generated film, which is the basis of the circuit pattern to be formed, uniform to improve the device characteristics, and the adverse effect such as the line width error that the unevenness of the wafer surface gives to the transfer pattern in the photolithography step are adversely affected. Has the effect of improving.

【0007】しかしながら、従来の結像式位置検出方式
のアライメントセンサように、ウエハ表面のアライメン
トマーク部での凹凸変化や反射率変化に基づいて位置検
出を行う方式においては、平坦化工程によりアライメン
トマーク部での凹凸変化量が著しく減少するため、アラ
イメントマークを検出できなくなる恐れがある。特に、
不透明な生成膜(金属や半導体膜)に対する露光工程で
は、アライメントマーク部は一様な反射率の不透明膜で
被われるため、位置検出はアライメントマークの凹凸変
化のみに頼ることになり、平坦化を行うことによってア
ライメントマークの検出が極めて困難になるという不都
合があった。
However, in the method of detecting the position based on the unevenness change or the reflectance change in the alignment mark portion on the wafer surface like the conventional image-forming position detection type alignment sensor, the alignment mark is formed by the flattening process. Since the amount of change in unevenness in the portion is significantly reduced, there is a risk that the alignment mark cannot be detected. Especially,
In the exposure process for an opaque generation film (metal or semiconductor film), the alignment mark part is covered with an opaque film having a uniform reflectance, so position detection depends only on the unevenness of the alignment mark, and thus flattening is required. By doing so, there is an inconvenience that the detection of the alignment mark becomes extremely difficult.

【0008】これに関して、ほぼ平坦な被検物上の段差
部のみを検出する光学系としては、所謂暗視野顕微鏡が
周知である。暗視野顕微鏡には、先ず結像光学系を通過
しないような大きな開口数の照明光で被検物を照明し、
その被検物からの散乱光のみを用いて結像光学系を介す
る像を形成させる方式がある。更に、結像光学系中の被
検面に対する光学的フーリエ変換面(結像系瞳面)内の
一部に光軸を中心として円形の遮光部材を設け、これと
共役な照明光学系中の被検面に対する光学的フーリエ変
換面(照明系瞳面)内での照明光の分布を、前述の円形
の遮光部材と結像関係となる円内に限定するための絞り
(σ絞り)を設ける方式もある。
In this regard, a so-called dark field microscope is well known as an optical system for detecting only a stepped portion on a substantially flat object. The dark field microscope first illuminates the test object with illumination light having a large numerical aperture that does not pass through the imaging optical system.
There is a method of forming an image through an imaging optical system using only scattered light from the test object. Further, a circular light-shielding member having an optical axis as a center is provided in a part of an optical Fourier transform plane (image-forming system pupil plane) with respect to the surface to be inspected in the image-forming optical system, and a light-shielding member conjugate with this is provided in the illumination optical system. A diaphragm (σ diaphragm) is provided to limit the distribution of the illumination light in the optical Fourier transform plane (illumination system pupil plane) to the surface to be inspected within the circle forming an image-forming relationship with the circular light shielding member. There is also a method.

【0009】暗視野顕微鏡は、例えばウエハ上のアライ
メントマークのような被検物への照明光による回折光等
の内、0次回折光(正反射光)を遮光し、高次回折光
(及び散乱光)のみによる像を形成する作用がある。こ
れらの内の0次回折光は、被検物の凹凸や反射率変化に
関する情報を殆ど含まない回折光であり、これらの情報
は1次以上の高次回折光に含まれている。そして、暗視
野顕微鏡では0次回折光が遮光され高次回折光のみによ
り像が形成されるため、通常の明視野の顕微鏡よりも明
瞭に、即ち高コントラストで段差を可視化することが可
能となる。
The dark-field microscope shields 0th-order diffracted light (regularly reflected light) from diffracted light by illumination light to an object such as an alignment mark on a wafer, and diffracts higher-order diffracted light (and scattered light). ) Has the effect of forming an image only. Of these, the 0th-order diffracted light is the diffracted light that hardly contains information about the unevenness of the test object or the reflectance change, and these information are included in the 1st-order or higher-order diffracted light. In the dark field microscope, the 0th-order diffracted light is blocked and an image is formed only by the high-order diffracted light, so that the step can be visualized more clearly than in a normal bright-field microscope, that is, with high contrast.

【0010】しかしながら、従来の暗視野顕微鏡をウエ
ハ上のアライメントマークの位置検出に用いると、不要
な0次回折光のみでなく比較的低次の有益な回折光も遮
光されてしまい、像の光強度の忠実度が劣化するという
不都合があった。本発明は斯かる点に鑑み、凹凸変化量
(段差)の極めて小さい位置検出マークに対しても確実
に位置検出を行うことができる結像式位置検出方式の位
置検出装置を提供することを目的とする。
However, when the conventional dark-field microscope is used for detecting the position of the alignment mark on the wafer, not only unnecessary 0th-order diffracted light but also relatively low-order useful diffracted light is shielded, and the light intensity of the image is reduced. However, there is a problem that the fidelity of is deteriorated. In view of the above point, the present invention has an object to provide a position detecting device of an image forming type position detecting system capable of surely detecting a position even for a position detecting mark having an extremely small amount of unevenness change (step). And

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、処理対象の基板(10)上に形成された位置検出
マーク(11)を照明する照明光学系(1〜5,8,
9)と、その位置検出マークからの照明光よりその位置
検出マークの像を形成する結像光学系(9,8,18,
25,27)と、その位置検出マークの像を撮像する撮
像素子(28)と、を備え、この撮像素子から出力され
る画像信号に基づいてその位置検出マークの位置を検出
する位置検出装置において、その照明光学系中の、その
位置検出マークの形成面に対する光学的フーリエ変換面
である照明系瞳面上に離散的に分布する複数個の2次光
源(32A〜32J,33A〜33I;38A〜38
G)を形成する照明光束制限部材(6;6A)と、その
結像光学系中の、その位置検出マークの形成面に対する
光学的フーリエ変換面である結像系瞳面に配置され、且
つその照明系瞳面でそれら離散的に分布する複数個の2
次光源と結像関係となる領域及びその近傍の領域を含む
複数個の遮光領域(34A〜34J,35A〜35I;
39A〜39G)において照明光を遮光し、それ以外の
領域では照明光を通過せしめる結像光束制限部材(1
6;16A)と、を有するものである。
A position detecting apparatus according to the present invention comprises an illuminating optical system (1-5, 8, 8) for illuminating a position detecting mark (11) formed on a substrate (10) to be processed.
9) and an imaging optical system (9, 8, 18, which forms an image of the position detection mark from the illumination light from the position detection mark.
25, 27) and an image pickup element (28) for picking up an image of the position detection mark, and detecting the position of the position detection mark based on the image signal output from the image pickup element. , A plurality of secondary light sources (32A to 32J, 33A to 33I; 38A) which are discretely distributed on the pupil plane of the illumination system, which is an optical Fourier transform surface for the formation surface of the position detection mark in the illumination optical system. ~ 38
G) which forms the illumination light flux limiting member, and is disposed on the pupil plane of the imaging system which is an optical Fourier transform plane with respect to the surface on which the position detection mark is formed in the imaging optical system. A plurality of 2 which are discretely distributed on the pupil plane of the illumination system
A plurality of light shielding regions (34A to 34J, 35A to 35I) including a region having an image forming relationship with the secondary light source and a region in the vicinity thereof.
39A to 39G) which blocks the illumination light and allows the illumination light to pass through in other regions.
6; 16A).

【0012】斯かる本発明においては、従来の暗視野顕
微鏡のように大きな2次光源からの照明光で被検物を照
明すると、結像系瞳面では0次回折光と例えば1次回折
光とが部分的に重なってしまうため、0次回折光を遮光
して1次回折光のみを取り出すことが困難であることに
鑑みて、照明光束制限部材(6;6A)による複数個の
小さい2次光源からの照明光で位置検出マーク(11)
を照明する。この結果、1つの2次光源からの照明光に
よる位置検出マーク(11)からの結像系瞳面での回折
光を考えると、例えば図5(B)に示すように、その分
布は遮光領域(34E)に0次回折光が入射し、その両
側をn次回折光(n=±1,±2,…)(36A,37
A,36B,37B,…)が通過するような分布とな
る。即ち、0次回折光と1次以上の回折光とがそれぞれ
異なる領域を通過して分離し易くなるために、結像光束
制限部材(16;16A)によって容易にほぼ0次回折
光のみを遮光することができ、有益な回折光を効率よく
利用することができる。その結果、凹凸変化量(段差)
の極めて小さい位置検出マークに対しても、確実に高コ
ントラストな像を形成でき、この像に基づいて高精度に
位置検出を行うことが可能となる。
According to the present invention, when an object to be examined is illuminated with illumination light from a large secondary light source as in the conventional dark field microscope, the 0th order diffracted light and the 1st order diffracted light are generated on the pupil plane of the imaging system. Considering that it is difficult to block the 0th-order diffracted light and extract only the 1st-order diffracted light because they partially overlap each other, in view of the fact that the illumination light flux limiting members (6; 6A) are used to emit light from a plurality of small secondary light sources, Position detection mark with illumination light (11)
To illuminate. As a result, considering the diffracted light on the pupil plane of the imaging system from the position detection mark (11) due to the illumination light from one secondary light source, its distribution is as shown in FIG. 5B. The 0th-order diffracted light enters (34E), and the nth-order diffracted light (n = ± 1, ± 2, ...) (36A, 37) on both sides thereof.
The distribution is such that A, 36B, 37B, ... That is, since the 0th-order diffracted light and the 1st-order and higher-order diffracted lights pass through different regions to be easily separated, it is possible to easily shield almost only the 0th-order diffracted light by the imaging light flux limiting member (16; 16A). The useful diffracted light can be efficiently used. As a result, the amount of unevenness change (step)
Even if the position detection mark is extremely small, a high-contrast image can be reliably formed, and the position can be detected with high accuracy based on this image.

【0013】この場合、位置検出マーク(11)が、計
測方向の幅がWで計測方向に周期Pの周期性を有するマ
ークであるとき、照明光束制限部材(6;6A)により
形成される複数個の2次光源(32A〜32J,33A
〜33I;38A〜38G)のそれぞれの、その位置検
出マークの計測方向に対応する方向の幅Dは、照明光の
最短波長をλ1 、最長波長をλ2 として、開口数を単位
として次式で定まる幅d1以下に設定されることが望ま
しい。開口数を単位とした場合、開口角をθとして幅D
はsin θに相当するため、光学系の焦点距離をfとし
て、その光学系のフーリエ変換面(瞳面)上での実際の
幅D’はf・Dで表される。
In this case, when the position detection mark (11) is a mark having a width in the measurement direction of W and a periodicity of the period P in the measurement direction, a plurality of illumination light flux limiting members (6; 6A) are formed. Secondary light sources (32A to 32J, 33A)
~33I; 38A~38G) of each width D of the direction corresponding to the measurement direction of the position detection mark 1 the shortest wavelength of the illumination light lambda, the longest wavelength as lambda 2, the following equation a numerical aperture as a unit It is desirable to set the width to be less than or equal to the width d1 determined by When the numerical aperture is used as a unit, the width D
Corresponds to sin θ, the actual width D ′ on the Fourier transform plane (pupil surface) of the optical system is represented by f · D, where f is the focal length of the optical system.

【0014】 d1=(λ1 /P−2λ2 /W) (1) これによって、結像系瞳面上で0次回折光と1次回折光
とがほぼ完全に分離されるため、0次回折光のみを遮光
し易くなる。また、結像光束制限部材(16;16A)
によって遮光される複数個の遮光領域(34A〜34
J,35A〜35I;39A〜39G)のそれぞれの、
位置検出マーク(11)の計測方向に対応する方向の幅
D1は、開口数を単位として照明光束制限部材(6;6
A)により形成される複数個の各2次光源(32A〜3
2J,33A〜33I;38A〜38G)の幅Dに対し
て次式で定まる値d2以上に設定されることが望まし
い。
D1 = (λ 1 / P-2λ 2 / W) (1) As a result, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are almost completely separated on the pupil plane of the imaging system. It becomes easier to block light. Further, an image forming light flux limiting member (16; 16A)
A plurality of light blocking regions (34A to 34)
J, 35A-35I; 39A-39G),
The width D1 of the position detection mark (11) in the direction corresponding to the measuring direction has an illumination light flux limiting member (6; 6) in units of numerical aperture.
A) each of a plurality of secondary light sources (32A to 3A)
2J, 33A to 33I; 38A to 38G) is preferably set to a value d2 or more determined by the following equation.

【0015】d2=(D+2λ2 /W) (2) これによって、位置検出マーク(11)の計測方向の幅
Wが有限でその0次回折光が±λ2 /W程度計測方向に
広がっていても、結像光束制限部材(16;16A)に
よってその0次回折光をほぼ全部遮光できる。更に、照
明光束制限部材(6;6A)により形成されるそれら複
数個の2次光源のそれぞれの、その位置検出マークの計
測方向に対応する方向の幅Dを、開口数を単位として
0.06以下に設定するようにしてもよい。これは、上
述の(1)式で波長λ12 をそれぞれ550nm,7
50nm、その位置検出マークの周期Pを6μm、その
位置検出マークの計測方向の幅Wを50μmとして幅d
1を0.06とした場合に相当する。即ち、通常の使用
条件では、その幅Dを0.06以下とすることによっ
て、結像系瞳面上で0次回折光と1次回折光とがほぼ完
全に分離されるようになる。
D2 = (D + 2λ 2 / W) (2) As a result, even if the width W of the position detection mark (11) in the measuring direction is finite and the 0th-order diffracted light spreads in the measuring direction by approximately ± λ 2 / W. The 0th-order diffracted light can be shielded almost entirely by the imaging light flux limiting member (16; 16A). Further, the width D of each of the plurality of secondary light sources formed by the illumination light flux limiting member (6; 6A) in the direction corresponding to the measurement direction of the position detection mark is 0.06 with the numerical aperture as a unit. It may be set as follows. This is because the wavelengths λ 1 and λ 2 are 550 nm and 7
50 nm, the period P of the position detection mark is 6 μm, and the width W of the position detection mark in the measurement direction is 50 μm.
This corresponds to the case where 1 is 0.06. That is, under normal use conditions, by setting the width D to 0.06 or less, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are almost completely separated on the pupil plane of the imaging system.

【0016】同様に、結像光束制限部材(16;16
A)によって遮光されるそれら複数個の遮光領域のそれ
ぞれの、その位置検出マークの計測方向に対応する方向
の幅D1を、開口数を単位として照明光束制限部材
(6;6A)により形成されるそれら複数個の各2次光
源の幅Dに対して(D+0.03)以上に設定してもよ
い。これも、上述の(2)式で波長λ2 を750nm、
その位置検出マークの計測方向の幅Wを50μmとした
場合に相当する。即ち、通常の使用条件では、それら遮
光領域の幅D1を(D+0.03)以上とすることによ
って、結像系瞳面上で0次回折光をほぼ完全に遮光でき
る。
Similarly, the imaging light flux limiting member (16; 16)
The width D1 of each of the plurality of light-shielded regions shielded by A) in the direction corresponding to the measurement direction of the position detection mark is formed by the illumination light flux limiting member (6; 6A) with the numerical aperture as a unit. The width D of each of the plurality of secondary light sources may be set to (D + 0.03) or more. This is also because the wavelength λ 2 is 750 nm in the above formula (2),
This corresponds to the case where the width W of the position detection mark in the measuring direction is 50 μm. That is, under normal use conditions, by setting the width D1 of these light-shielding regions to (D + 0.03) or more, the 0th-order diffracted light can be almost completely shielded on the pupil plane of the imaging system.

【0017】次に、上述の発明において、その照明光束
制限部材によりその照明系瞳面上に形成されるそれら複
数個の2次光源の一例は、例えば図6に示すように、そ
の照明光学系の光軸に関して点対称に分布すると共に、
その位置検出マークの非計測方向に対応する方向で同じ
位置に分布する2つの2次光源(38A,38B)を有
し、これら2つの2次光源のその位置検出マークの計測
方向に対応する方向の中心間隔D2は、照明光の中心波
長をλとして、λ/Pの整数倍とならないように設定さ
れるものである。
Next, in the above-mentioned invention, an example of the plurality of secondary light sources formed on the pupil plane of the illumination system by the illumination light flux limiting member is, for example, as shown in FIG. It is distributed point-symmetrically with respect to the optical axis of
It has two secondary light sources (38A, 38B) distributed in the same position in the direction corresponding to the non-measurement direction of the position detection mark, and the direction corresponding to the measurement direction of the position detection mark of these two secondary light sources. The center distance D2 of is set such that the center wavelength of the illumination light is λ and is not an integral multiple of λ / P.

【0018】この場合、それら2つの2次光源(38
A,38B)の一方からの照明光の回折光の結像系瞳面
上での計測方向の間隔は、λ/Pとなるため、2次光源
(38A,38B)の間隔をλ/Pからずらしておくこ
とによって、2次光源(38A,38B)に対応する結
像系瞳面での遮光領域(39A,39B)によってその
位置検出マークからの1次回折光が遮光されることがな
く、確実にその位置検出マークの像が形成される。ま
た、それら2次光源の分布を光軸に関して点対称とする
ことによって、得られる像の対称性が確保される。
In this case, these two secondary light sources (38
A, 38B), the distance in the measurement direction on the pupil plane of the imaging system of the diffracted light of the illumination light is λ / P, so the distance between the secondary light sources (38A, 38B) is from λ / P. By shifting them, the first-order diffracted light from the position detection mark is not shielded by the light-shielding regions (39A, 39B) on the pupil plane of the imaging system corresponding to the second-order light sources (38A, 38B), which ensures that An image of the position detection mark is formed on the. Further, by making the distribution of the secondary light sources point-symmetric with respect to the optical axis, the symmetry of the obtained image is secured.

【0019】更に、その間隔D2はλ/Pの半整数倍、
即ち整数nを用いて(n+1/2)λ/Pに設定される
ことが望ましい。これによって、1次回折光が最も通過
し易くなる。また、上述の発明において、その照明光束
制限部材によりその照明系瞳面上に形成されるそれら複
数個の2次光源の他の例(32A〜32J,33A〜3
3I)は、例えば図5に示すように、その照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、その位置検出マ
ークの非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の
2次光源が存在しないように分布するものである。
Further, the distance D2 is a half integer multiple of λ / P,
That is, it is desirable to set to (n + 1/2) λ / P using the integer n. This makes it easier for the first-order diffracted light to pass. Further, in the above-described invention, other examples (32A to 32J, 33A to 3A) of the plurality of secondary light sources formed on the pupil plane of the illumination system by the illumination light flux limiting member.
3I) is distributed point-symmetrically with respect to the optical axis of the illumination optical system as shown in FIG. 5, and a plurality of secondary light sources are arranged at the same position in the direction corresponding to the non-measurement direction of the position detection mark. It is distributed so that it does not exist.

【0020】これによって、例えば1つの2次光源(3
2E)によってその位置検出マークから発生する1次以
上の回折光(36A,37A,36B,37B,…)は
遮光されないため、その位置検出マークの像が確実に形
成される。
Thereby, for example, one secondary light source (3
2E) does not block the diffracted light (36A, 37A, 36B, 37B, ...) Of the first order or higher generated from the position detection mark, so that the image of the position detection mark is reliably formed.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明による位置検出装置
の実施の形態の一例につき、図面を参照して説明する。
本例は、投影露光装置に備えられるオフ・アクシス方式
で、且つ結像式位置検出方式のアライメントセンサに本
発明を適用したものである。先ず、図12は本例のアラ
イメントセンサを備えたステッパー型の投影露光装置の
一例を示し、この図12において、照明光学系51から
の露光用の照明光(水銀ランプのi線等の輝線、又はエ
キシマレーザ光等)ILはレチクル52の下面(パター
ン形成面)のパターンを均一な照度分布で照明し、その
パターンが投影光学系54により投影倍率β(βは例え
ば1/5)で縮小されて、フォトレジストが塗布された
半導体ウエハ(以下、単に「ウエハ」という)10上の
各ショット領域に投影される。以下では、投影光学系5
4の光軸AXPに平行にZ軸を取り、Z軸に垂直な平面
内で図12の紙面に平行にX軸を取り、図12の紙面に
垂直にY軸を取って説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An example of an embodiment of a position detecting device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
In this example, the present invention is applied to an alignment sensor of an off-axis type and an image forming type position detection type provided in a projection exposure apparatus. First, FIG. 12 shows an example of a stepper type projection exposure apparatus equipped with the alignment sensor of this example. In FIG. 12, the illumination light for exposure from the illumination optical system 51 (bright line such as i-line of mercury lamp, (Excimer laser light or the like) IL illuminates the pattern on the lower surface (pattern formation surface) of the reticle 52 with a uniform illuminance distribution, and the pattern is reduced by the projection optical system 54 at a projection magnification β (β is, for example, 1/5). Then, it is projected onto each shot area on the semiconductor wafer (hereinafter, simply referred to as “wafer”) 10 coated with the photoresist. In the following, the projection optical system 5
The Z axis is taken parallel to the optical axis AXP of FIG. 4, the X axis is taken parallel to the paper surface of FIG. 12 in the plane perpendicular to the Z axis, and the Y axis is taken perpendicular to the paper surface of FIG.

【0022】レチクル52は、このレチクル52をX方
向、Y方向に位置決めすると共に、所望の角度だけ回転
して固定するレチクルステージ53上に保持されてい
る。一方、ウエハ10は不図示のウエハホルダを介して
ウエハステージ12に保持されている。ウエハステージ
12は、X方向及びY方向にウエハ10の位置決めを行
い、ウエハ10のZ方向の位置(フォーカス位置)を制
御すると共に、ウエハ10の傾斜角の補正を行う。ま
た、ウエハステージ12の上面にその表面がウエハ10
の表面と同じ高さになるように基準板13が固定され、
基準板13の表面にベースライン計測(投影光学系54
の光軸AXPとアライメントセンサの検出中心との間隔
の計測)等に用いられる基準マークが形成されている。
The reticle 52 is held on a reticle stage 53 which positions the reticle 52 in the X and Y directions and rotates and fixes it by a desired angle. On the other hand, the wafer 10 is held on the wafer stage 12 via a wafer holder (not shown). The wafer stage 12 positions the wafer 10 in the X and Y directions, controls the position (focus position) of the wafer 10 in the Z direction, and corrects the tilt angle of the wafer 10. Further, the surface of the wafer 10 is on the upper surface of the wafer stage 12.
The reference plate 13 is fixed so that it is at the same height as the surface of
Baseline measurement on the surface of the reference plate 13 (projection optical system 54
A reference mark used for measuring the distance between the optical axis AXP and the detection center of the alignment sensor) is formed.

【0023】更に、ウエハステージ12上に固定された
移動鏡14と、対向するように配置されたレーザ干渉計
15とによりウエハステージ12(ウエハ10)のX座
標、及びY座標が常時0.01μm程度の分解能で計測
されている。このようにレーザ干渉計15により計測さ
れる座標に基づいて定まる座標系を、ステージ座標系
(X,Y)と呼ぶ。レーザ干渉計15により計測された
座標は装置全体の動作を統轄制御する主制御系55、及
び後述の画像処理系29に供給され、その供給された座
標に基づいて主制御系55は、ウエハステージ駆動系5
6を介してウエハステージ12の位置決め動作を制御す
る。具体的に、ウエハ10上の或るショット領域への露
光が終了すると、ウエハステージ12のステッピング動
作によって次のショット領域を投影光学系54の露光フ
ィールド内に位置決めして露光を行うという、ステップ
・アンド・リピート方式で露光が行われる。
Further, the X-coordinate and Y-coordinate of the wafer stage 12 (wafer 10) are always 0.01 μm by the movable mirror 14 fixed on the wafer stage 12 and the laser interferometer 15 arranged so as to face each other. It is measured with a resolution of the order of magnitude. The coordinate system determined based on the coordinates measured by the laser interferometer 15 in this way is called a stage coordinate system (X, Y). The coordinates measured by the laser interferometer 15 are supplied to a main control system 55 that supervises and controls the operation of the entire apparatus, and an image processing system 29 described later. Based on the supplied coordinates, the main control system 55 uses the wafer stage. Drive system 5
The positioning operation of the wafer stage 12 is controlled via 6. Specifically, when the exposure of a certain shot area on the wafer 10 is completed, the stepping operation of the wafer stage 12 positions the next shot area in the exposure field of the projection optical system 54 to perform the exposure. The exposure is performed by the and repeat method.

【0024】また、図12の投影露光装置には、ウエハ
10上の各ショット領域に付設された位置検出マークと
してのアライメントマーク(ウエハマーク)の座標を検
出するための、オフ・アクシス方式で且つ結像式位置検
出方式のアライメント光学系57、及び画像処理系29
よりなるアライメントセンサが設けられている。このア
ライメントセンサのアライメント光学系57の詳細な構
成については後述する。
Further, the projection exposure apparatus of FIG. 12 uses an off-axis method for detecting the coordinates of an alignment mark (wafer mark) as a position detection mark attached to each shot area on the wafer 10. Image formation type position detection type alignment optical system 57 and image processing system 29
Is provided. The detailed configuration of the alignment optical system 57 of this alignment sensor will be described later.

【0025】アライメント光学系57で光電変換して出
力される撮像信号DSが画像処理系29に供給され、画
像処理系29にはレーザ干渉計15で計測されるウエハ
ステージ12の座標も供給されている。画像処理系29
では、その撮像信号DSを処理して得られるアライメン
トマークのアライメント光学系57内の指標マークに対
する相対位置に、レーザ干渉計15で計測される座標を
加算することによって、検出対象のアライメントマーク
のステージ座標系での座標値を検出し、この座標値を主
制御系57に供給する。主制御系57では、例えばウエ
ハ上の所定個数のショット領域(サンプルショット)に
付設されたアライメントマークの座標の計測値、及びウ
エハ上の全部のショット領域の設計上の配列座標より所
謂エンハンスト・グローバル・アライメント(EGA)
方式でそれら全部のショット領域のステージ座標系での
配列座標を算出する。
The image pickup signal DS photoelectrically converted and output by the alignment optical system 57 is supplied to the image processing system 29, and the coordinates of the wafer stage 12 measured by the laser interferometer 15 are also supplied to the image processing system 29. There is. Image processing system 29
Then, by adding the coordinates measured by the laser interferometer 15 to the relative position of the alignment mark obtained by processing the image pickup signal DS with respect to the index mark in the alignment optical system 57, the stage of the alignment mark to be detected is detected. The coordinate value in the coordinate system is detected and this coordinate value is supplied to the main control system 57. In the main control system 57, for example, the so-called enhanced global is obtained from the measured values of the coordinates of the alignment marks attached to a predetermined number of shot areas (sample shots) on the wafer and the designed arrangement coordinates of all the shot areas on the wafer.・ Alignment (EGA)
The array coordinates in the stage coordinate system of all the shot areas are calculated by the method.

【0026】また、アライメント光学系57の検出中心
(例えば指標マークの中心)から投影光学系54の光軸
AXP(露光中心)までの距離であるベースライン量
は、予め基準板13を用いて求められて主制御系55内
の記憶装置に記憶されている。従って、主制御系55
は、算出された配列座標をそのベースライン量で補正し
て得られた座標に基づいてウエハステージ12を駆動す
ることにより、ウエハ上の各ショット領域に高い重ね合
わせ精度でレチクルのパターン像を転写できる。
The baseline amount, which is the distance from the detection center of the alignment optical system 57 (for example, the center of the index mark) to the optical axis AXP (exposure center) of the projection optical system 54, is obtained in advance using the reference plate 13. It is stored in the storage device in the main control system 55. Therefore, the main control system 55
Drives the wafer stage 12 based on the coordinates obtained by correcting the calculated array coordinates with the baseline amount, and transfers the reticle pattern image to each shot area on the wafer with high overlay accuracy. it can.

【0027】次に、本例の結像式位置検出方式のアライ
メントセンサの構成につき詳細に説明する。以下では計
測方向がX方向(X軸に平行な方向)のアライメントマ
ークを検出する機構につき説明するが、計測方向をY方
向とするアライメントマークについても同様の機構で検
出される。図1は、本例のアライメント光学系57の概
略構成、及び画像処理系29を示し、この図1のアライ
メント光学系57において、ハロゲンランプ等の光源1
から射出された広帯域の照明光束は、コンデンサレンズ
2、及びシャープカットフィルタ又は干渉フィルタ等か
らなる波長選択素子3を経て、照明視野絞り4に入射す
る。波長選択素子3は、ウエハ10上に塗布されたフォ
トレジストに対して非感光性の波長域(本例では波長5
50nm以上)の光束のみを透過させる光学フィルタで
ある。但し、本例のアライメントセンサを、例えば露
光、及び現像後のウエハ上の回路パターンと転写された
レジストパターンとの重ね合わせ誤差の検出装置として
使用するのであれば、フォトレジストの感光を防ぐ必要
はないため、波長選択素子3を設けなくともよい。
Next, the structure of the alignment sensor of the image formation type position detection system of this example will be described in detail. A mechanism for detecting an alignment mark whose measurement direction is the X direction (direction parallel to the X axis) will be described below, but an alignment mark whose measurement direction is the Y direction is also detected by the same mechanism. FIG. 1 shows a schematic configuration of an alignment optical system 57 of this example and an image processing system 29. In the alignment optical system 57 of FIG. 1, a light source 1 such as a halogen lamp is used.
The broadband illumination light flux emitted from the laser beam passes through the condenser lens 2 and the wavelength selection element 3 including a sharp cut filter or an interference filter, and then enters the illumination field stop 4. The wavelength selection element 3 has a wavelength range that is non-photosensitive to the photoresist coated on the wafer 10 (wavelength 5 in this example).
It is an optical filter that transmits only a light flux of 50 nm or more). However, if the alignment sensor of this example is used as a device for detecting an overlay error between the circuit pattern on the wafer after exposure and development and the transferred resist pattern, it is not necessary to prevent the exposure of the photoresist. Since it does not exist, the wavelength selection element 3 may not be provided.

【0028】照明視野絞り4を透過した照明光束は、リ
レーレンズ系5を経て、照明光束制限部材6に入射す
る。そして、照明光束はビームスプリッタ8、及び対物
レンズ群9を介して、ウエハ10の表面のアライメント
マーク11を含む照明領域(観察視野)に入射する。本
例では、照明光束制限部材6は、ウエハ10の表面(ア
ライメントマーク11の形成面)に対して、対物レンズ
群9とビームスプリッタ8とを介して光学的にフーリエ
変換の関係となっている面(以下、「照明系瞳面」と呼
ぶ)に配置されている。即ち、照明光束制限部材6内で
照明系光軸AXIから位置ずれ量ΔRIの位置を通過し
た照明光束が、ウエハ10の表面に入射する際の入射角
をθinとすると、その位置ずれ量ΔRIはその入射角θ
inの正弦に比例する。
The illumination light flux that has passed through the illumination field stop 4 enters the illumination light flux limiting member 6 via the relay lens system 5. Then, the illumination luminous flux enters the illumination region (observation visual field) including the alignment mark 11 on the surface of the wafer 10 via the beam splitter 8 and the objective lens group 9. In this example, the illumination light flux limiting member 6 has an optical Fourier transform relationship with the surface of the wafer 10 (the surface on which the alignment mark 11 is formed) via the objective lens group 9 and the beam splitter 8. It is arranged on a plane (hereinafter referred to as “illumination system pupil plane”). That is, assuming that the incident angle when the illumination light flux which has passed through the position of the positional deviation amount ΔRI from the illumination system optical axis AXI in the illumination light flux limiting member 6 is incident on the surface of the wafer 10 is θ in , the positional deviation amount ΔRI. Is its incident angle θ
It is proportional to the sine of the in.

【0029】また、光源1の発光部は照明光束制限部材
6の配置面と光学的にほぼ共役となっており、ウエハ1
0の表面は光源1からの照明光によってほぼケーラー照
明されている。但し、本例では照明光束制限部材6内の
後述の複数の透光部(2次光源)は2次元的に分布して
いるため、それらの透光部をほぼ均一に照明するため
に、照明光束制限部材6を光源1の発光部との共役面か
ら或る程度デフォーカスさせてもよい。また、光源1か
らの照明光の代わりに、所定の大きさの断面形状を有す
る光ファイバ束で導いた照明光等を使用してもよい。
Further, the light emitting portion of the light source 1 is optically conjugate with the arrangement surface of the illumination light flux limiting member 6, and the wafer 1
The surface of No. 0 is almost Koehler illuminated by the illumination light from the light source 1. However, in this example, since a plurality of light-transmitting portions (secondary light sources), which will be described later, in the illumination light flux limiting member 6 are two-dimensionally distributed, in order to illuminate those light-transmitting portions substantially uniformly, The light flux limiting member 6 may be defocused to some extent from the conjugate plane with the light emitting portion of the light source 1. Further, instead of the illumination light from the light source 1, illumination light guided by an optical fiber bundle having a predetermined cross-sectional shape may be used.

【0030】一方、照明視野絞り4は、リレーレンズ系
5〜対物レンズ群9までの一連の光学系を介して、ウエ
ハ10の表面(アライメントマーク11)と共役(結像
関係)となっており、照明視野絞り4の光透過部の形状
に応じてウエハ10上での照明領域を制限することがで
きる。また、照明光束制限部材6は交換機構7に取り付
けられ、必要に応じて光路外に退避できるようになって
いる。
On the other hand, the illumination field stop 4 is conjugate (image formation relationship) with the surface (alignment mark 11) of the wafer 10 via a series of optical systems from the relay lens system 5 to the objective lens group 9. The illumination area on the wafer 10 can be limited according to the shape of the light transmitting portion of the illumination field stop 4. The illumination light flux limiting member 6 is attached to the exchange mechanism 7 so that it can be retracted out of the optical path as needed.

【0031】ウエハ10上のアライメントマーク11を
含む照明領域で反射、回折、又は散乱された光束は、対
物レンズ群9、ビームスプリッタ8を経て結像光束制限
部材16に至る。結像光束制限部材16は、ウエハ10
の表面(アライメントマーク11の形成面)に対して、
対物レンズ群9とビームスプリッタ8とを介して光学的
にフーリエ変換の関係となっている面(以下、「結像系
瞳面」と呼ぶ)に配置されている。即ち、ウエハ10の
表面から射出角θout で射出された光束が、結像光束制
限部材16内で結像系光軸AXから位置ずれ量ΔRJの
位置を通過するものとすると、その位置ずれ量ΔRJは
その射出角θout の正弦に比例する。
The light flux reflected, diffracted, or scattered in the illumination area including the alignment mark 11 on the wafer 10 reaches the imaging light flux limiting member 16 through the objective lens group 9 and the beam splitter 8. The image formation light flux limiting member 16 is provided on the wafer 10
To the surface (the surface on which the alignment mark 11 is formed)
It is arranged on a surface (hereinafter, referred to as “imaging system pupil surface”) optically in a Fourier transform relationship via the objective lens group 9 and the beam splitter 8. That is, assuming that the light beam emitted from the surface of the wafer 10 at the exit angle θ out passes through the position of the positional deviation amount ΔRJ from the optical axis AX of the imaging system in the imaging light beam limiting member 16, the positional deviation amount is ΔRJ. ΔRJ is proportional to the sine of the exit angle θ out .

【0032】これらの光学的なフーリエ変換の関係を図
2を用いて説明するが、図2中では簡単のために図1の
対物レンズ群9を1枚のレンズで表している。図2にお
いて、対物レンズ群9の一方の焦点面(焦点距離をfと
する)上にウエハ10の表面を配置すれば、他方の焦点
面が光学的なフーリエ変換面(瞳面)FPとなる。そし
て、ウエハ10上での入射角、及び射出角がθである光
束は、それぞれフーリエ変換面(瞳面)FP上で光軸A
Xからf・sin θだけ離れた位置を通ることになる。
The relationship of these optical Fourier transforms will be described with reference to FIG. 2. In FIG. 2, the objective lens group 9 of FIG. 1 is represented by one lens for simplicity. In FIG. 2, if the surface of the wafer 10 is arranged on one focal plane (the focal length is f) of the objective lens group 9, the other focal plane becomes an optical Fourier transform plane (pupil plane) FP. . Then, the light flux with the incident angle and the exit angle on the wafer 10 being θ respectively has an optical axis A on the Fourier transform plane (pupil plane) FP.
It will pass a position away from X by f · sin θ.

【0033】図2では、対物レンズ群9を1枚のレンズ
で表しているが、これが複数枚からなるレンズ系であっ
ても本質的には何ら変わりはなく、複数枚のレンズの合
成焦点面にウエハ10の表面を配置すれば他方の焦点面
がフーリエ変換面(瞳面)となる。そして、対物レンズ
群9と瞳面との間に図1に示すようにビームスプリッタ
8を配することにより、送光側である照明系瞳面と受光
側である結像系瞳面とを分離することが可能となる。ま
た、分離された両瞳面は共にウエハ10の表面に対する
フーリエ変換面であり、即ち両瞳面は、ウエハ10、対
物レンズ群9、及びビームスプリッタ8を介して共役
(結像関係)となっている。
In FIG. 2, the objective lens group 9 is represented by a single lens, but there is essentially no difference even if this is a lens system composed of a plurality of lenses, and the composite focal plane of the plurality of lenses is shown. If the surface of the wafer 10 is arranged on the other side, the other focal plane becomes the Fourier transform plane (pupil plane). By arranging the beam splitter 8 between the objective lens group 9 and the pupil plane as shown in FIG. 1, the illumination system pupil plane on the light transmitting side and the imaging system pupil plane on the light receiving side are separated. It becomes possible to do. Further, both of the separated pupil planes are Fourier transform planes with respect to the surface of the wafer 10, that is, both pupil planes are conjugate (image formation relationship) via the wafer 10, the objective lens group 9 and the beam splitter 8. ing.

【0034】なお、照明光束制限部材6、及び結像光束
制限部材16の遮光、透過部の形状の詳細については後
述する。結像光束制限部材16を通過した光束(結像光
束)は、レンズ系18、ビームスプリッタ19を経て、
指標板24上にアライメントマーク11の像を形成す
る。一方、指標板24は指標板照明用光学系から射出さ
れてビームスプリッタ19で反射された照明光によって
も照明されている。この指標板照明用光学系は、発光ダ
イオード等の光源20、コンデンサレンズ21、指標板
照明視野絞り22、及びリレーレンズ系23より構成さ
れ、指標板照明視野絞り22は、リレーレンズ系23、
及びビームスプリッタ19を介して指標板24と共役、
ひいてはウエハ10の表面と共役になっている。
The details of the shapes of the light shielding and transmitting portions of the illumination light flux limiting member 6 and the image formation light flux limiting member 16 will be described later. The light flux (imaging light flux) that has passed through the imaging light flux limiting member 16 passes through the lens system 18 and the beam splitter 19,
An image of the alignment mark 11 is formed on the index plate 24. On the other hand, the index plate 24 is also illuminated by the illumination light emitted from the index plate illumination optical system and reflected by the beam splitter 19. The index plate illumination optical system includes a light source 20 such as a light emitting diode, a condenser lens 21, an index plate illumination field stop 22, and a relay lens system 23. The index plate illumination field stop 22 includes a relay lens system 23,
And conjugate with the index plate 24 via the beam splitter 19,
As a result, it is conjugated with the surface of the wafer 10.

【0035】また、指標板24には後述するようにアラ
イメントマーク11の位置検出に際しての基準となる指
標マークが形成されている。指標板照明用光学系(以
下、「20〜23」で表す)は、この指標マークを照明
するためのものであり、光源20からの照明光は、アラ
イメントマーク11への照明光と異なり単色光でもよ
い。また、光源20からの照明光はウエハ10への照射
も行われないため、その波長がフォトレジストの感光波
長であっても構わない。そこで、光源20として波長5
00nm程度の照明光を発光する発光ダイオードを使用
して、ビームスプリッタ19の反射面を、波長選択素子
3で選択された照明光を透過させて光源20からの照明
光を反射するダイクロイックミラー面とすることで、ウ
エハ10からの結像光束、及び指標マークの照明光の利
用効率を高めることができる。
Further, as will be described later, the index plate 24 is formed with an index mark serving as a reference when detecting the position of the alignment mark 11. The index plate illuminating optical system (hereinafter referred to as “20 to 23”) is for illuminating this index mark, and the illumination light from the light source 20 is a monochromatic light unlike the illumination light to the alignment mark 11. But it's okay. Further, since the illumination light from the light source 20 does not irradiate the wafer 10, the wavelength may be the photosensitive wavelength of the photoresist. Therefore, the light source 20 has a wavelength of 5
Using a light emitting diode that emits illumination light of about 00 nm, the reflecting surface of the beam splitter 19 is a dichroic mirror surface that transmits the illumination light selected by the wavelength selection element 3 and reflects the illumination light from the light source 20. By doing so, it is possible to improve the utilization efficiency of the imaging light flux from the wafer 10 and the illumination light of the index mark.

【0036】指標板24上の像は、リレーレンズ系2
5、開口絞り26、及びリレーレンズ系27によりCC
D等の撮像素子28上の撮像面に再び結像される。画像
処理系29は、撮像素子28からの撮像信号DSに基づ
いて、前述の指標マークの像とアライメントマーク11
の像との位置関係を算出する。これによりアライメント
マーク11の位置検出が可能となる。なお、開口絞り2
6はウエハ10の表面に対するフーリエ変換面(結像光
束制限部材16の配置面と結像関係にある面)に配置さ
れ、この開口絞り26によって対物レンズ群9〜リレー
レンズ系27よりなる結像光学系の開口数が制限され
る。また、結像光束制限部材16も交換機構17に取り
付けられ、必要に応じて光路外に退避できるようになっ
ている。
The image on the index plate 24 is the relay lens system 2
5, the aperture stop 26, and the relay lens system 27 for CC
An image is again formed on the image pickup surface of the image pickup device 28 such as D. The image processing system 29, based on the image pickup signal DS from the image pickup device 28, the image of the index mark and the alignment mark 11 described above.
The positional relationship with the image of is calculated. Thereby, the position of the alignment mark 11 can be detected. The aperture stop 2
Reference numeral 6 is arranged on a Fourier transform surface (a surface having an image forming relationship with the arrangement surface of the image forming light beam limiting member 16) with respect to the surface of the wafer 10, and the aperture stop 26 forms an image by the objective lens group 9 to the relay lens system 27. The numerical aperture of the optical system is limited. The imaging light flux limiting member 16 is also attached to the exchange mechanism 17 so that it can be retracted out of the optical path as needed.

【0037】ここで、本例のアライメントマーク11の
形状、指標板24、指標板照明視野絞り22、及び照明
視野絞り4の透過部の形状、並びに撮像素子28上に形
成される像の光強度分布の一例につき、図3、及び図4
を用いて説明する。先ず、図4(A)はアライメントマ
ーク11の拡大平面図を示し、図4(B)は図4(A)
の計測方向(X方向)に沿った断面図を示す。即ち、ア
ライメントマーク11はウエハ10の表面において、他
の部分に比べて凹部となった3本の帯状のパターンをX
方向に周期(ピッチ)Pで配列した周期的マークよりな
る。そして、アライメントマーク11上に図4(B)に
示すように、フォトレジスト31が塗布され、計測方向
にアライメントマーク11を含み照明光で照明されてい
る幅Wの領域をマーク領域MAと呼ぶ。本例ではその幅
Wをアライメントマーク11の計測方向の幅とみなす。
Here, the shape of the alignment mark 11 of this example, the shape of the index plate 24, the index plate illumination field stop 22, and the transmission part of the illumination field stop 4, and the light intensity of the image formed on the image sensor 28. An example of the distribution is shown in FIG. 3 and FIG.
This will be described with reference to FIG. First, FIG. 4A shows an enlarged plan view of the alignment mark 11, and FIG. 4B shows FIG.
The cross-sectional view along the measurement direction (X direction) is shown. That is, the alignment mark 11 has three strip-shaped patterns, which are concave portions on the surface of the wafer 10 and are recessed as compared with other portions.
It is composed of periodic marks arranged in a direction with a period (pitch) P. Then, as shown in FIG. 4B, a region having a width W, which is coated with a photoresist 31 on the alignment mark 11 and includes the alignment mark 11 in the measurement direction and is illuminated with illumination light, is called a mark region MA. In this example, the width W is regarded as the width of the alignment mark 11 in the measurement direction.

【0038】また、図3(A)は照明視野絞り4を示す
図、図3(C)は指標板24を示す図であり、図3
(A)に示す通り、照明視野絞り4上では中央の矩形の
透過部4M以外は全て斜線を施した遮光部となってい
る。その透過部4Mがウエハ10の表面に投影され、透
過部4Mの明るい共役像がアライメントマーク11の照
明領域となる。この照明領域は、図4(B)中の幅Wの
マーク領域MAに相当し、この照明領域を図3(C)に
示す指標板24上に投影した像が、マーク像領域MIと
なっている。即ち、指標板24上のマーク像領域MI内
にアライメントマーク11の像が形成される。
Further, FIG. 3A is a diagram showing the illumination field diaphragm 4, and FIG. 3C is a diagram showing the index plate 24.
As shown in (A), on the illumination field stop 4, all are shaded parts except for the rectangular transmission part 4M in the center. The transmissive portion 4M is projected onto the surface of the wafer 10, and the bright conjugate image of the transmissive portion 4M becomes the illumination area of the alignment mark 11. This illumination area corresponds to the mark area MA of width W in FIG. 4B, and an image obtained by projecting this illumination area on the index plate 24 shown in FIG. 3C becomes the mark image area MI. There is. That is, an image of the alignment mark 11 is formed in the mark image area MI on the index plate 24.

【0039】一方、図3(B)は指標板照明視野絞り2
2を示し、この図3(B)において、指標板照明視野絞
り22内の2箇所の矩形の透過部22L,22R以外は
全て斜線を施して示す遮光部となっている。これらの透
過部22L,22Rからの透過光は、図3(C)に示す
指標板24上においてそれぞれ照明領域LI,RIを照
明する。そして、左右の照明領域LI,RI内には、そ
れぞれ遮光部である前述の指標マーク24L,24Rが
形成されている。
On the other hand, FIG. 3 (B) shows the indicator plate illumination field stop 2
In FIG. 3B, all the parts except the two rectangular transmission parts 22L and 22R in the index plate illumination field stop 22 are shaded parts shown by hatching. The transmitted light from these transmission parts 22L and 22R illuminates the illumination areas LI and RI on the index plate 24 shown in FIG. 3C, respectively. In the left and right illumination areas LI and RI, the above-mentioned index marks 24L and 24R, which are light shielding portions, are formed.

【0040】これらの結果、撮像素子28上に形成され
る像の光強度(像強度)の分布は図4(C)の如くな
る。なお、図4(C)では撮像素子28から出力される
撮像信号DSでその像強度を表している。図4(C)に
おいて、図1の光源1からの照明光で照明されたアライ
メントマーク11の像11Pを中心として、その左右に
光源20からの照明光で照明された指標マーク24L,
24Rの像(暗像)24LP,24RPが形成されてい
る。なお、本例においては、アライメントマーク11へ
の照明が実質的に暗視野照明であるため、アライメント
マーク11の像11Pはアライメントマーク11に対し
て倍周期となる。また、図4(B)の断面図において、
アライメントマーク11の計測方向の左右の領域LA,
RAは平坦な領域とされているが、これらの領域LA,
RAの状態はアライメントマーク11の位置検出には全
く影響しない(照明光で照明されていない)ので、ここ
に回路パターン等が存在しても全く問題はない。
As a result, the distribution of the light intensity (image intensity) of the image formed on the image pickup device 28 is as shown in FIG. 4 (C). In FIG. 4C, the image intensity is represented by the image pickup signal DS output from the image pickup device 28. In FIG. 4C, centering on the image 11P of the alignment mark 11 illuminated by the illumination light from the light source 1 of FIG. 1, index marks 24L illuminated by the illumination light from the light source 20 on the left and right sides of the image 11P.
Images of 24R (dark images) 24LP and 24RP are formed. In this example, since the illumination of the alignment mark 11 is substantially dark-field illumination, the image 11P of the alignment mark 11 has a double cycle with respect to the alignment mark 11. In addition, in the cross-sectional view of FIG.
Left and right areas LA of the alignment mark 11 in the measuring direction,
Although RA is a flat area, these areas LA,
Since the RA state has no influence on the position detection of the alignment mark 11 (not illuminated by the illumination light), there is no problem even if a circuit pattern or the like exists here.

【0041】図1の画像処理系29では、撮像素子28
からの出力される図4(C)に示す撮像信号DSに基づ
いて、アライメントマーク11と指標マーク24L,2
4Rとの位置関係の算出を行う。この過程は、従来の結
像式位置検出方式のアライメントセンサで一般に行われ
ている処理と全く同様である。例えば、或るスライスレ
ベルSLでの撮像信号DSのスライス位置L2,L1,M1
〜Mn,R1,R2 を求め、これらのスライス位置に基づい
て位置検出を行うことができる。それ以外に、或るテン
プレート信号とアライメントマークの像11Pに対応す
る撮像信号DSとの相関に基づいて位置検出を行っても
よい。
In the image processing system 29 shown in FIG.
The alignment mark 11 and the index marks 24L, 2 based on the image pickup signal DS shown in FIG.
The positional relationship with 4R is calculated. This process is exactly the same as the process generally performed in the conventional imaging type position detection type alignment sensor. For example, the slice positions L 2 , L 1 , M 1 of the image pickup signal DS at a certain slice level SL
~ M n , R 1 , R 2 can be obtained, and position detection can be performed based on these slice positions. Alternatively, the position detection may be performed based on the correlation between a certain template signal and the image pickup signal DS corresponding to the image 11P of the alignment mark.

【0042】また、これらの位置検出に先立ち、検出位
置の基準となる指標マーク24L,24Rのウエハステ
ージ12(ウエハ10)に対する位置関係の計測、即ち
ベースラインチェックを行う必要がある。このため、図
12において例えばウエハステージ12を駆動して、基
準部材13上の基準マークを投影光学系54の露光フィ
ールド内に移動して、不図示のレチクル用のアライメン
トセンサでその基準マークとレチクル52上のアライメ
ントマークとを所定の関係に合わせ込み、そのときのウ
エハステージ12の座標値(レーザ干渉計15により計
測されるステージ座標系での座標値)を第1の計測値と
して記憶する。
Further, prior to these position detections, it is necessary to measure the positional relationship of the index marks 24L and 24R, which are the reference of the detection positions, with respect to the wafer stage 12 (wafer 10), that is, a baseline check. For this reason, in FIG. 12, for example, the wafer stage 12 is driven to move the reference mark on the reference member 13 into the exposure field of the projection optical system 54, and the reference mark and the reticle are aligned by the alignment sensor for the reticle (not shown). The alignment mark on 52 is adjusted to a predetermined relationship, and the coordinate value of the wafer stage 12 at that time (the coordinate value in the stage coordinate system measured by the laser interferometer 15) is stored as the first measured value.

【0043】その後、図1において、ウエハステージ1
2を駆動して基準部材13上に形成された基準マークを
対物レンズ群9の下の観察視野内に移動し、その基準マ
ークと指標マーク24L,24Rとの位置関係を検出す
る。同時に、このときのウエハステージ12の座標値
(ステージ座標系での座標値)を計測し、この計測値と
上記の基準マークに対する検出値との和を第2の計測値
として記憶し、この第2の計測値から先の第1の計測値
を差し引いて得られる量をベースライン量として記憶す
る。この場合、アライメントマーク11の計測時のレー
ザ干渉計15による計測値と、前述の撮像信号DSから
求めたアライメントマーク11と基準指標24L,24
Rとの位置関係との和から、そのベースライン量を差し
引いたものが、アライメントマーク11の露光中心に対
する相対位置となる。
Then, in FIG. 1, the wafer stage 1
2 is driven to move the reference mark formed on the reference member 13 into the observation field of view under the objective lens group 9, and the positional relationship between the reference mark and the index marks 24L and 24R is detected. At the same time, the coordinate value of the wafer stage 12 at this time (coordinate value in the stage coordinate system) is measured, and the sum of this measured value and the detected value for the reference mark is stored as the second measured value. The amount obtained by subtracting the first measured value from the measured value of 2 is stored as the baseline amount. In this case, the alignment mark 11 and the reference indices 24L and 24 obtained from the measurement value of the laser interferometer 15 at the time of measuring the alignment mark 11 and the above-described image pickup signal DS.
A value obtained by subtracting the baseline amount from the sum of the positional relationship with R is the relative position of the alignment mark 11 with respect to the exposure center.

【0044】次に、本例の照明光束制限部材6、及び結
像光束制限部材16とそれらの変形例とについて、それ
ぞれ図5と図6とを参照して説明する。図5(A)は図
1中の照明光束制限部材6を示し、図5(B)は図1中
の結像光束制限部材16を示し、これら図5(A)及び
(B)において横軸であるU軸は図4(A)に示したア
ライメントマーク11のX軸に対応し、縦軸であるV軸
はそのアライメントマーク11のY軸に対応する。照明
光束制限部材6、及び結像光束制限部材16は、それぞ
れアライメントマーク11に対する瞳面に配置されるの
で、慣例に従ってU軸、及びV軸を使用している。
Next, the illumination light flux limiting member 6, the imaging light flux limiting member 16 of this example, and their modifications will be described with reference to FIGS. 5 and 6, respectively. 5A shows the illumination light flux limiting member 6 in FIG. 1, FIG. 5B shows the imaging light flux limiting member 16 in FIG. 1, and the horizontal axis in FIGS. 5A and 5B. U axis corresponds to the X axis of the alignment mark 11 shown in FIG. 4A, and the vertical axis V axis corresponds to the Y axis of the alignment mark 11. Since the illumination light flux limiting member 6 and the imaging light flux limiting member 16 are respectively arranged on the pupil plane with respect to the alignment mark 11, the U axis and the V axis are used according to the convention.

【0045】図5(A)に示すように、本例の照明光束
制限部材6は、斜線を施して示す遮光部上に複数個の微
小な矩形(正方形も可)の透光部32A〜32I,32
J,33A〜33Iを形成したものである。この場合、
照明光束制限部材6の上半分の領域(V>0となる領
域)内の透光部32A〜32Iと光軸(U軸及びV軸の
原点)に対して対称に、下半分の領域に透光部33A〜
33Iが設けられていると共に、光軸上に透光部32J
が設けられている。なお、必ずしも光軸上に透光部32
Jを設ける必要はない。また、透光部の個数及び分布位
置は図5(A)に限定されない。
As shown in FIG. 5 (A), the illumination light flux limiting member 6 of this example has a plurality of minute rectangular (square) light-transmitting portions 32A to 32I on a light-shielding portion shown by hatching. , 32
J, 33A to 33I are formed. in this case,
The light transmissive portions 32A to 32I in the upper half area (area where V> 0) of the illumination light flux limiting member 6 and the lower half area are symmetrical with respect to the optical axes (origins of the U axis and the V axis). Light part 33A ~
33I is provided and the light transmitting portion 32J is provided on the optical axis.
Is provided. In addition, the translucent portion 32 is not necessarily located on the optical axis.
It is not necessary to provide J. Further, the number and distribution positions of the light transmitting portions are not limited to those shown in FIG.

【0046】このように各透光部を光軸に関して対称に
配置することによって、照明光束制限部材6上の各透光
部の配置は各透光部の照明光量分布の重心位置が光軸と
一致する。これによって、撮像素子28上に得られる像
の対称性が確保される。なお、検出対象とするアライメ
ントマークの形状等によって必ずしも像の対称性を確保
する必要のないときには、照明光束制限部材6上で透光
部を光軸に対して対称に配置する必要はない。
By arranging the translucent parts symmetrically with respect to the optical axis in this manner, the translucent parts on the illumination light flux limiting member 6 are arranged such that the barycentric position of the illumination light amount distribution of each translucent part coincides with the optical axis. Match. This ensures the symmetry of the image obtained on the image sensor 28. When it is not necessary to ensure the symmetry of the image due to the shape of the alignment mark to be detected, it is not necessary to arrange the translucent portion on the illumination light flux limiting member 6 symmetrically with respect to the optical axis.

【0047】一方、図5(B)に示すように、結像光束
制限部材16は、照明光束制限部材6上の各透光部32
A〜32I,32J,33A〜33Iと共役な位置に、
それぞれそれよりやや大きい遮光部34A〜34I,3
4J,35A〜35Iが形成され、それ以外の領域が光
透過部となっている。このような照明光束制限部材6と
しては、金属遮光板上の特定箇所に透過開口を設けたも
のや、ガラス等の透明基板上に金属等で遮光膜を形成し
特定箇所の遮光膜を除去したものが使用できる。また、
結像光束制限部材16としては、ガラス等の透明基板上
の特定箇所に金属薄膜等で遮光部を形成したものが使用
できる。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, the image forming light beam limiting member 16 includes the light transmitting portions 32 on the illumination light beam limiting member 6.
A to 32I, 32J, 33A to 33I at a conjugate position,
The light-shielding portions 34A to 34I, 3 which are slightly larger than that, respectively
4J and 35A to 35I are formed, and the other region is a light transmitting portion. As such an illumination light flux limiting member 6, one having a transparent opening provided at a specific location on a metal light-shielding plate, or a light-shielding film made of metal or the like on a transparent substrate such as glass and the light-shielding film at a specific location is removed. Things can be used. Also,
As the image forming light flux limiting member 16, a member in which a light shielding portion is formed of a metal thin film or the like at a specific position on a transparent substrate such as glass can be used.

【0048】そして、アライメントマーク11が図4
(A)に示すような周期的なパターンであるとき、図5
(A)の照明光束制限部材6上の1つの透光部32Eを
透過した照明光によりアライメントマーク11から発生
した回折光は、結像光束制限部材16上で(結像系瞳面
内で)図5(B)に示すような分布となる。即ち、発生
する回折光の内、0次回折光は透光部32Eと共役な遮
光部34Eによって遮光され、+1次,+2次,+3次
の回折光36A,36B,36C、及び−1次〜−4次
の回折光37A〜37Dは透過部を透過し、指標板24
及び撮像素子28に到達し、像形成に寄与することにな
る。
The alignment mark 11 is shown in FIG.
When the periodic pattern is as shown in FIG.
The diffracted light generated from the alignment mark 11 by the illumination light that has passed through one light transmitting portion 32E on the illumination light flux limiting member 6 in (A) is on the imaging light flux limiting member 16 (in the pupil plane of the imaging system). The distribution is as shown in FIG. That is, of the generated diffracted light, the 0th-order diffracted light is blocked by the light-shielding portion 34E that is conjugate with the light-transmitting portion 32E, and the + first-order, + second-order, and + third-order diffracted light 36A, 36B, 36C, and −1st to − The 4th-order diffracted lights 37A to 37D are transmitted through the transmission part, and
And reaches the image sensor 28 and contributes to image formation.

【0049】ところで、照明光束制限部材6上の各透光
部32A〜32J,33A〜33IのU方向(計測方
向)の幅をDとして、幅Dが仮に0であったとしても、
アライメントマーク11からの0次回折光は結像光束制
限部材16上でU方向に幅を持ったものとなる。これ
は、アライメントマーク11の計測方向(X方向)の幅
Wが有限であるために生じるものであり、その広がりは
照明光の波長をλとして、2λ/W(単位は開口数)程
度となり、実際の広がりの幅は、図2に示すような焦点
距離fの対物レンズ群9では、f・2λ/W程度とな
る。即ち、アライメントマーク11の幅Wが大きい程
(例えば、マーク1本当たりの線幅が大きく、マーク本
数が多い程)結像光束制限部材16上での結像光束の広
がりは小さくなるわけである。また、照明光が所定の波
長幅を有する場合、最長の波長をλ2 とすると、その0
次回折光の最大の広がりの幅は開口数単位で2λ2 /W
となる。
By the way, assuming that the width of each of the light transmitting portions 32A to 32J and 33A to 33I on the illumination light flux limiting member 6 in the U direction (measurement direction) is D, even if the width D is 0,
The 0th-order diffracted light from the alignment mark 11 has a width in the U direction on the imaging light flux limiting member 16. This occurs because the width W of the alignment mark 11 in the measurement direction (X direction) is finite, and its spread is about 2λ / W (the unit is the numerical aperture), where λ is the wavelength of the illumination light. The actual width of spread is about f · 2λ / W in the objective lens group 9 having the focal length f as shown in FIG. That is, the larger the width W of the alignment mark 11 (for example, the larger the line width per mark and the larger the number of marks), the smaller the spread of the image forming light beam on the image forming light beam limiting member 16. . Further, when the illumination light has a predetermined wavelength width, if the longest wavelength is λ 2 , then 0
The maximum spread width of the second-order diffracted light is 2λ 2 / W in numerical aperture unit
Becomes

【0050】そこで、本例では、結像光束制限部材16
上での各遮光部34A〜34J,35A〜35IのU方
向の幅D1を、照明光束制限部材6上の透光部(32E
等)のU方向の幅Dと、上記の2λ2 /Wとの和程度以
上と設定する(単位は開口数、以下、特に断らない限り
瞳面上の単位は開口数とする)。即ち、開口数を単位と
してほぼ次式が成立する。
Therefore, in this example, the image forming light flux limiting member 16 is used.
The width D1 in the U direction of each of the light shielding portions 34A to 34J and 35A to 35I above is set to the light transmitting portion (32E) on the illumination light flux limiting member 6.
Etc.) and the above-mentioned 2λ 2 / W are set to be equal to or more than the sum of the width D in the U direction (the unit is the numerical aperture, and the unit on the pupil plane is the numerical aperture unless otherwise specified). That is, the following equation is substantially established with the numerical aperture as a unit.

【0051】D1≧D+2λ2 /W (3) これにより、アライメントマーク11からの0次回折光
を結像光束制限部材16で完全に遮光することができ
る。なお、結像光束制限部材16上の各遮光部のU方向
の幅D1が余りに大きくなると、1次以上の回折光も遮
光されてしまうため、当然のことながら、その各遮光部
の幅D1は(3)式の右辺の(D+2λ2/W)以上
で、且つ1次以上の回折光を遮光しない範囲に設定され
る。
D1 ≧ D + 2λ 2 / W (3) As a result, the 0th-order diffracted light from the alignment mark 11 can be completely blocked by the imaging light flux limiting member 16. If the width D1 of each light shield on the imaging light flux limiting member 16 in the U direction becomes too large, the diffracted light of the first and higher orders will also be shielded, and, of course, the width D1 of each light shield is It is set to a range not less than (D + 2λ 2 / W) on the right side of the equation (3) and not blocking the diffracted light of the first order or more.

【0052】他の次数、例えばm次(mは0以外の整
数)の回折光は、結像光束制限部材16上で0次回折光
の中心からU方向に、m・λ/P(Pはアライメントマ
ーク11の周期)だけ離れた所を通り、その広がり幅は
0次回折光と同様となる。更に、照明光束がブロードバ
ンドであると各光束の波長λの差によりそれぞれの中心
位置も変化するため、各回折光の幅はより広がったもの
となる。そして、各次数の回折光の間隔は最も短い波長
λ1 において最も狭くなり、各波長での各次数の回折光
の広がりは最も長い波長λ2 において最大となる。
Diffracted light of another order, for example, m-th order (m is an integer other than 0), is m · λ / P (P is an alignment) on the imaging light beam limiting member 16 in the U direction from the center of the 0th-order diffracted light. It passes through a position separated by the mark 11 period), and its spread width is similar to that of the 0th-order diffracted light. Furthermore, if the illumination light flux is broadband, the respective center positions also change due to the difference in the wavelength λ of each light flux, so that the width of each diffracted light becomes wider. Then, the interval of the diffracted light of each order becomes the smallest at the shortest wavelength λ 1 , and the spread of the diffracted light of each order at each wavelength becomes the maximum at the longest wavelength λ 2 .

【0053】0次回折光と1次回折光との位置関係に着
目すると、照明光束制限部材6上の透光部32EのU方
向の幅Dがあまり広いと、それに伴って0次回折光遮光
用の遮光部34EのU方向の幅D1と、1次回折光自身
の広がり幅とが共に大きくなり、その結果、±1次回折
光36A,37Aの一部も遮光部34Eによって遮光さ
れることになる。
Focusing on the positional relationship between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light, if the width D of the light transmitting portion 32E on the illumination light flux limiting member 6 in the U direction is too wide, the 0th-order diffracted light is shielded. The width D1 of the portion 34E in the U direction and the spread width of the first-order diffracted light itself increase, and as a result, a part of the ± first-order diffracted light 36A, 37A is also shielded by the light shield portion 34E.

【0054】これを避けるためには、照明光束制限部材
6上の各透光部のU方向の幅Dを、0次回折光と1次回
折光との最小間隔λ1 /Pから、幅Dが0の場合の各回
折光の広がり幅の最大値2λ2 /Wを差し引いた値以下
として、0次回折光と1次回折光とが結像光束制限部材
6上で重なり合わないようにすればよい。即ち、次式が
成立するようにすればよい。なお、幅Dは(4)式を満
たし、且つ0より大きければ良い。
In order to avoid this, the width D of each light transmitting portion on the illumination light flux limiting member 6 in the U direction is set to 0 from the minimum distance λ 1 / P between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light. In such a case, the maximum value 2λ 2 / W of the spread width of each diffracted light may be set to a value less than or equal to the value so that the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light do not overlap on the imaging light flux limiting member 6. That is, the following equation may be satisfied. The width D may satisfy the equation (4) and may be larger than 0.

【0055】D≦λ1 /P−2λ2 /W (4) なお、実際のアライメントマークではその周期Pは6μ
m〜16μm程度であり、アライメントマークの計測方
向の幅Wは50μm程度であることが多い。例えば、照
明光がブロードバンドで、波長域が550nm(λ1)か
ら780nm(λ2)であるとき、周期Pが6μm(一
般的なマークの中で最も細かい、即ち0次光と1次光が
最も離れる)のアライメントマークを検出するなら、
(4)式より照明光束制限部材6上の各透光部の幅D
を、0.06(≒0.55/6−2・0.78/50)
以下とすればよいことになる。このとき、照明光束制限
部材6上での0次回折光の広がり(D+2λ2 /W)
は、約(D+0.031)となるので、(3)式より結
像光束制限部材16の各遮光部の幅D1は(D+0.0
3)程度以上とすればよい。
D ≦ λ 1 / P-2λ 2 / W (4) In the actual alignment mark, the period P is 6 μm.
The width W in the measurement direction of the alignment mark is often about 50 μm. For example, when the illumination light is broadband and the wavelength range is 550 nm (λ 1 ) to 780 nm (λ 2 ), the period P is 6 μm (the finest among general marks, that is, the 0th order light and the 1st order light are If you want to detect the most distant alignment mark,
From the formula (4), the width D of each light transmitting portion on the illumination light flux limiting member 6
To 0.06 (≈ 0.55 / 6-2 · 0.78 / 50)
The following should be done. At this time, the spread of the 0th-order diffracted light on the illumination light flux limiting member 6 (D + 2λ 2 / W)
Is about (D + 0.031), the width D1 of each light-shielding portion of the imaging light flux limiting member 16 is (D + 0.03) according to the equation (3).
It may be 3) or more.

【0056】同様に、周期Pが8μmのアライメントマ
ークに対しては、照明光束制限部材6の各透光部の幅D
を0.038以下とし、周期Pが12μmのアライメン
トマークに対しては、その各透光部の幅Dを0.015
以下とすればよい。また、図5に示したように、或る値
のV座標上には、結像光束制限部材16上の各遮光部
(34E等)及びそれに対応する照明光束制限部材6上
の透光部(32E等)を1つしか配置しないものとして
ある。図5(B)中のU軸に平行な破線群はこのことを
明示するための補助線であり、各破線の間には遮光部3
4A〜34J,35A〜35Iが1つしかないことにな
る。このような配列にすると、任意の1つの透光部(3
2E等)の透過光のアライメントマークによる計測方向
(周期方向)への0次以外の回折光は、結像光束制限部
材16上の遮光部に全く遮られることがない。このた
め、撮像素子28上に形成される像として極めて忠実度
の高いものを得ることができる。
Similarly, for an alignment mark having a period P of 8 μm, the width D of each light transmitting portion of the illumination light flux limiting member 6 is set.
Is 0.038 or less, and the width D of each transparent portion is 0.015 for an alignment mark having a period P of 12 μm.
The following may be performed. Further, as shown in FIG. 5, on the V-coordinate of a certain value, each light-shielding portion (34E or the like) on the imaging light flux limiting member 16 and the corresponding light transmitting portion (on the illumination light flux limiting member 6). 32E, etc.). A group of broken lines parallel to the U-axis in FIG. 5B is an auxiliary line for clarifying this, and the light shielding portion 3 is provided between the broken lines.
There is only one 4A to 34J and 35A to 35I. With such an arrangement, any one transparent part (3
2E and the like), the diffracted light other than the 0th order in the measurement direction (period direction) by the alignment mark of the transmitted light is not blocked at all by the light blocking portion on the imaging light flux limiting member 16. Therefore, an image with extremely high fidelity can be obtained as an image formed on the image pickup device 28.

【0057】次に、図6(A)は照明光束制限部材の他
の例を示し、図6(B)は結像光束制限部材の他の例を
示し、図5と同様に、これら図6(A)及び(B)のU
軸及びV軸は、それぞれ図4(A)に示したアライメン
トマーク11のX軸及びY軸に対応している。図6
(A)に示すように、この照明光束制限部材6A上には
遮光部中にそれぞれU方向には細く、V方向には長い長
方形の透光部38A〜38Gが形成されている。また、
同一のV座標上に複数個の(2ないし3個の)透過部が
形成され、本例でも透光部38A〜38Gは光軸に関し
て対称に配置されている。なお、図6(A)では透光部
38A〜38Gの個数は6個であるが、透光部の個数は
複数個であれば任意であり、配置も図6(A)には限定
されない。本例では、それらの複数の透光部(2次光
源)の計測方向(U方向)の間隔は、照明光束の中心波
長をλとして開口数を単位として、透光部38Dと38
Eとの間隔D3、及び透光部38Dと38Cとの間隔D
3では2.5・λ/Pに、透光部38Aと38Bとの間
隔D2、及び透光部38Fと38Gとの間隔D2では
3.5・λ/Pに、それぞれ設定してある。
Next, FIG. 6A shows another example of the illumination light beam limiting member, and FIG. 6B shows another example of the image forming light beam limiting member, which are similar to FIG. U of (A) and (B)
The axis and the V axis respectively correspond to the X axis and the Y axis of the alignment mark 11 shown in FIG. FIG.
As shown in (A), on the illumination light flux limiting member 6A, rectangular light transmitting portions 38A to 38G that are thin in the U direction and long in the V direction are formed in the light shielding portion. Also,
A plurality of (2 to 3) transmissive portions are formed on the same V coordinate, and in this example, the translucent portions 38A to 38G are also arranged symmetrically with respect to the optical axis. Note that although the number of the light-transmitting portions 38A to 38G is six in FIG. 6A, the number of the light-transmitting portions is arbitrary, and the arrangement is not limited to that in FIG. 6A. In this example, the intervals in the measurement direction (U direction) of the plurality of light-transmitting portions (secondary light sources) are the light-transmitting portions 38D and 38 with the central wavelength of the illumination light flux as λ and the numerical aperture as a unit.
The distance D3 from E and the distance D from the translucent portions 38D and 38C
3, the distance D2 between the translucent portions 38A and 38B and the distance D2 between the translucent portions 38F and 38G are set to 3.5 · λ / P.

【0058】また、図6(B)に示す結像光束制限部材
16Aにおいて、図6(A)中の照明光束制限部材6A
上の透過部38A〜38Gに共役な領域、及びその周辺
が遮光部39A〜39Gとなっていることは、図5の例
と同様である。このとき、例えば透光部38Dよりアラ
イメントマーク11に照射される照明光束による回折光
の内で、図6(B)の結像光束制限部材16A上で0次
回折光は遮光部39Dで遮光され、+1次〜+4次の回
折光42A〜42D、及び−1次〜−4次の回折光43
A〜43Dは遮光部の間を透過している。本例では、上
述のように、透光部38Dと透光部38C,38Eとの
間隔、及び遮光部39Dと遮光部39C,39Eとの間
隔が、2.5・λ/Pに設定されているために、上記の
回折光43D〜42Dは遮光部39C,39Eにより遮
光されることなく結像光束制限部材16を透過すること
ができる。
Further, in the imaging light flux limiting member 16A shown in FIG. 6B, the illumination light flux limiting member 6A shown in FIG.
Similar to the example of FIG. 5, the light-shielding portions 39A to 39G are formed in the region conjugate with the upper transmission portions 38A to 38G and the periphery thereof. At this time, for example, in the diffracted light by the illumination light flux irradiated to the alignment mark 11 from the light transmitting portion 38D, the 0th-order diffracted light is shielded by the light shielding portion 39D on the imaging light flux limiting member 16A of FIG. 6B, + 1st order to + 4th order diffracted light 42A to 42D, and -1st order to -4th order diffracted light 43
A to 43D are transmitted between the light shielding portions. In this example, as described above, the distance between the light transmitting portion 38D and the light transmitting portions 38C and 38E and the distance between the light shielding portion 39D and the light shielding portions 39C and 39E are set to 2.5 · λ / P. Therefore, the diffracted lights 43D to 42D can be transmitted through the imaging light flux limiting member 16 without being shielded by the light shields 39C and 39E.

【0059】また、別の透光部38Bからの照明光によ
り生じる−5次の回折光41D〜+2次の回折光40B
までの回折光も、透光部38Aと透光部38Bとの間
隔、及び遮光部39Aと遮光部39Bとの間隔が、それ
ぞれ3.5・λ/Pに設定されているために、遮光部3
9Aに遮光されることなく結像光束制限部材16を透過
することができる。なお、これらの透光部38A〜38
G、及び遮光部39A〜39Gの計測方向(U方向)の
間隔は、上記の2.5・λ/P、3.5・λ/Pに限定
されるわけではなく、λ/Pの半整数倍であれば如何な
る値であってもよい。
Further, the -5th-order diffracted light 41D to the + 2nd-order diffracted light 40B generated by the illumination light from the other transparent portion 38B.
For the diffracted light up to, the distance between the light-transmitting portion 38A and the light-transmitting portion 38B and the distance between the light-shielding portion 39A and the light-shielding portion 39B are set to 3.5 · λ / P, respectively. Three
It is possible to pass through the imaging light flux limiting member 16 without being blocked by 9A. In addition, these translucent portions 38A to 38
The distance between G and the light shielding portions 39A to 39G in the measurement direction (U direction) is not limited to the above 2.5 · λ / P and 3.5 · λ / P, and is a half integer of λ / P. Any value may be used as long as it is double.

【0060】更に、或る程度回折光が遮光されてもよけ
れば、それらの間隔は、λ/Pの整数倍にならないよう
に設定すればよい。ところで、図6(A)中の透光部3
8C,38Eの照明光により発生する回折光について
は、それぞれ−5次及び+5次の回折光が互いに他の透
光部に対応する遮光部39E,39Cにより遮光されて
しまう。しかし、このような高次(5次以上)の回折光
が像形成に及ぼす影響は、実用上無視できる程度に小さ
く問題となることは殆どない。但し、照明光の波長域が
広い場合、図6のような構成では、例えば透光部38D
からの照明光による+2次回折光42Bの内、最も波長
の長いものはより大きく回折し、遮光部39Eにより遮
光され、また+3次回折光42Cの内最も波長の短いも
のもあまり回折せずに遮光部39Eにより遮光される恐
れがある。従って、透光部38A〜38G及び遮光部3
9A〜39Gの各幅は図5の例の場合よりも細くするこ
とが望ましい。
Further, if the diffracted light may be shielded to some extent, the interval between them may be set so as not to be an integral multiple of λ / P. By the way, the translucent part 3 in FIG.
Regarding the diffracted light generated by the illumination light of 8C and 38E, the −5th order and the + 5th order diffracted light are blocked by the light blocking sections 39E and 39C corresponding to the other light transmitting sections. However, the influence of such higher-order (fifth-order or more) diffracted light on image formation is so small as to be practically negligible, and hardly poses a problem. However, when the wavelength range of the illumination light is wide, in the configuration as shown in FIG.
Of the + 2nd-order diffracted light 42B from the illumination light from, the longest wavelength is diffracted to a greater extent and is shielded by the light shielding portion 39E, and the + 3rd-order diffracted light 42C from the shortest wavelength is also not significantly diffracted. There is a risk of being blocked by 39E. Therefore, the light transmitting portions 38A to 38G and the light shielding portion 3
Each width of 9A to 39G is preferably narrower than that in the example of FIG.

【0061】勿論、照明光の波長域がそれ程広くない場
合には、透光部及び遮光部の各幅は図5の例と同様でよ
い。このとき、更に透光部の総面積を同一のV座標につ
いて複数の透光部が存在する分だけ大きくすることがで
きるため、照明光量を大きく、即ち像を明るくできると
いう利点がある。ここで、上述の実施の形態と比較する
ために、図7(A)及び(B)にそれぞれ従来の暗視野
顕微鏡での照明系瞳面及び結像系瞳面での光量分布を示
す。図7でも、計測方向に対応する方向をU軸、計測方
向に直交する非計測方向に対応する方向をV軸としてい
る。
Of course, when the wavelength range of the illumination light is not so wide, the widths of the light transmitting portion and the light shielding portion may be the same as those in the example of FIG. At this time, the total area of the light-transmitting portions can be further increased by the presence of the plurality of light-transmitting portions for the same V coordinate, which has an advantage of increasing the amount of illumination light, that is, brightening the image. Here, for comparison with the above-described embodiment, FIGS. 7A and 7B show light amount distributions on the illumination system pupil plane and the imaging system pupil plane in the conventional dark-field microscope, respectively. Also in FIG. 7, the direction corresponding to the measurement direction is the U axis, and the direction corresponding to the non-measurement direction orthogonal to the measurement direction is the V axis.

【0062】図7では、照明系瞳面での光量分布が光軸
AXを中心とする円形領域44に制限され、結像系瞳面
での遮光部がその円形領域44とほぼ共役な円形の遮光
部45とされているタイプを表している。このとき、図
7(A)の円形領域44からの照明光によりアライメン
トマークから発生する回折光は、図7(B)に示すよう
にそれぞれ円形の+1次〜+4次の回折光46A〜46
D、及び−1次〜−4次の回折光47A〜47Dとな
る。しかしながら、例えば±1次回折光46A,47A
は大部分が円形の遮光部45により遮光されてしまう。
この結果、得られる像は忠実度の極めて低いものとなっ
てしまうことになり、当然ながらその像を用いた位置検
出精度も劣化することとなる。それに対して本発明の実
施の形態によれば、図5及び図6に示すように、1次以
上の回折光が殆ど全部結像光束として利用されるため、
得られる像の忠実度は極めて高くなっている。
In FIG. 7, the light quantity distribution on the pupil plane of the illumination system is limited to the circular area 44 centered on the optical axis AX, and the light-shielding portion on the pupil plane of the imaging system has a circular shape substantially conjugate with the circular area 44. The type of the light-shielding portion 45 is shown. At this time, the diffracted light generated from the alignment mark by the illumination light from the circular area 44 of FIG. 7A is circular + 1st order to + 4th order diffracted light 46A to 46, respectively, as shown in FIG. 7B.
D and −1st to −4th order diffracted lights 47A to 47D. However, for example, ± 1st-order diffracted lights 46A and 47A
Most of the light is blocked by the light blocking portion 45 having a circular shape.
As a result, the obtained image has extremely low fidelity, and naturally, the position detection accuracy using the image also deteriorates. On the other hand, according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, almost all the diffracted light of the first order or higher is used as the image forming light flux.
The fidelity of the image obtained is extremely high.

【0063】次に、上述の実施の形態のアライメントセ
ンサを用いて、凹凸変化量(段差)の極めて小さいアラ
イメントマークの像を形成した場合の計算機によるシミ
ュレーション結果につき説明する。図8は、図1のアラ
イメントセンサにより得られる段差5nmのアライメン
トマークの像強度分布のシミュレーション結果を示し、
図8において横軸はウエハ上での計測方向(X方向)の
位置を示したものであり、縦軸はそのアライメントマー
クの像の光強度を示している。また、アライメントマー
クの詳細な構成は、周期が12μm、凹部の本数が5本
であり、凹部の幅と凸部の幅とが等しく、マーク表面の
材質は屈折率が3.55の一様な材質であり、その上に
屈折率が1.68のフォトレジストが厚さ1μmで塗布
されているものとした。なお、照明光の波長域を550
nm(λ1)から750nm(λ2)として、照明光束制限
部材6上の透光部は図5に示すように分布しているもの
として、結像光学系の開口数は0.2とした。
Next, a simulation result by a computer when an image of an alignment mark having an extremely small amount of unevenness change (step) is formed using the alignment sensor of the above-described embodiment will be described. FIG. 8 shows a simulation result of an image intensity distribution of an alignment mark having a step of 5 nm obtained by the alignment sensor of FIG.
In FIG. 8, the horizontal axis indicates the position in the measurement direction (X direction) on the wafer, and the vertical axis indicates the light intensity of the image of the alignment mark. Further, the detailed structure of the alignment mark has a period of 12 μm, the number of concave portions is 5, the width of the concave portions is equal to the width of the convex portions, and the material of the mark surface has a uniform refractive index of 3.55. It is assumed that it is made of a material and a photoresist having a refractive index of 1.68 is applied thereon with a thickness of 1 μm. The wavelength range of the illumination light is set to 550
nm (λ 1 ) to 750 nm (λ 2 ), assuming that the light transmitting portions on the illumination light flux limiting member 6 are distributed as shown in FIG. 5, the numerical aperture of the imaging optical system is 0.2. .

【0064】このとき、アライメントマークの計測方向
の幅Wは60(=12×5)μmとなるので、照明光束
制限部材6の各透過部のU方向の幅Dは、(4)式の条
件に従って0.02とした。また、結像光束制限部材1
6上の各遮光部の幅D1は、(3)式の条件に従って、
0.045とした。図8の像強度分布はアライメントマ
ークの1周期分であり、横軸(位置)の原点はアライメ
ントマークの中央の凹部の中心を示し、±P/4の位置
に表示した破線はアライメントマークの凹部のエッジ
(凹部と凸部との境界)を示す。また、縦軸の光強度
は、1周期内でのマーク像の光強度の最大値が1となる
ように規格化してある。
At this time, since the width W of the alignment mark in the measuring direction is 60 (= 12 × 5) μm, the width D in the U direction of each transmitting portion of the illumination light flux limiting member 6 is the condition of the expression (4). To 0.02. Further, the image forming light flux limiting member 1
The width D1 of each light-shielding portion on 6 is calculated according to the condition of Expression (3).
It was set to 0.045. The image intensity distribution in FIG. 8 is for one cycle of the alignment mark, the origin of the horizontal axis (position) indicates the center of the concave portion at the center of the alignment mark, and the broken line shown at the position of ± P / 4 is the concave portion of the alignment mark. Shows the edge (boundary between the concave portion and the convex portion). Further, the light intensity on the vertical axis is standardized so that the maximum value of the light intensity of the mark image within one cycle is 1.

【0065】一方、図9及び図10はそれぞれ通常(明
視野)の顕微鏡、及び暗視野顕微鏡により得られるアラ
イメントマークの像のシミュレーション結果を示す。明
視野顕微鏡の照明光のコヒーレンスファクタであるσ値
は0.8とし、暗視野顕微鏡のσ値は0.3とした。ま
た、暗視野顕微鏡の結像系瞳面での遮光部の半径はその
σ値(0.3)よりやや大きい0.33NA(NAは開
口数)とした。他の条件(アライメントマークの形状、
照明光の波長、開口数、横軸の位置、縦軸の光強度の規
格化)は、図8に示す本発明の実施の形態でのシミュレ
ーション条件と同様である。
On the other hand, FIGS. 9 and 10 show simulation results of images of alignment marks obtained by a normal (bright field) microscope and a dark field microscope, respectively. The σ value, which is the coherence factor of the illumination light of the bright field microscope, was 0.8, and the σ value of the dark field microscope was 0.3. Further, the radius of the light shielding portion on the pupil plane of the imaging system of the dark field microscope was set to 0.33 NA (NA is the numerical aperture), which is slightly larger than the σ value (0.3). Other conditions (alignment mark shape,
The wavelength of the illumination light, the numerical aperture, the position of the horizontal axis, and the standardization of the light intensity of the vertical axis are the same as the simulation conditions in the embodiment of the present invention shown in FIG.

【0066】図9に示すように、明視野顕微鏡の像は明
暗変化(コントラスト)が殆どなく、このような像から
のマーク位置検出は殆ど不可能なことが分かる。一方、
図10に示すように、暗視野顕微鏡の像ではコントラス
トは大きいが、前述の如くかなりの1次回折光が遮光さ
れているために像の忠実度が劣化し、アライメントマー
クの周期に対して4倍の周期の像が形成されている。実
際の位置検出においては、位置検出以前には真のマーク
位置は不明であるから、このような4倍周期の像に対し
ての位置検出を行うと、P/4だけマーク位置を誤検出
してしまう恐れがある。
As shown in FIG. 9, it is understood that the image of the bright-field microscope has almost no change in contrast (contrast), and mark position detection from such an image is almost impossible. on the other hand,
As shown in FIG. 10, the contrast in the image of the dark field microscope is large, but as described above, the fidelity of the image is deteriorated because a considerable amount of the first-order diffracted light is shielded, and the contrast is four times the period of the alignment mark. The image of the period is formed. In the actual position detection, the true mark position is unknown before the position detection. Therefore, if position detection is performed on an image with such a quadruple cycle, the mark position is erroneously detected by P / 4. There is a risk that

【0067】これに対して、図8に示した本発明の実施
の形態のアライメントセンサによる像では、コントラス
トが十分であるばかりでなく、その最暗部がマークエッ
ジと一致するような像であるため、これを用いて確実な
位置検出を行うことができる。また、図11は、従来の
暗視野顕微鏡でありながら照明光束のσ値を0.05
(開口数としては0.01)とし、結像系瞳面での遮光
部の半径を0.12NA(開口数としては0.024)
とした場合の像のシミュレーション結果を示す。このと
き、照明系瞳面の透過部及び結像系瞳面の遮光部の各全
幅(0.02及び0.048)は上述の実施の形態の条
件を満たすものではある。従って、アライメントマーク
からの回折光の内の0次回折のみが遮光され、1次以上
の回折光は透過することになるが、その像は図11に示
す通りやはり4倍周期に近いものとなっている。これ
は、このように照明光束のσ値の小さい照明条件(コヒ
ーレント照明)では、アライメントマーク上の照明光の
コヒーレンスが高くなり過ぎ、このために像質が劣化す
るためである。
On the other hand, in the image by the alignment sensor according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 8, not only the contrast is sufficient, but also the darkest part thereof coincides with the mark edge. Using this, reliable position detection can be performed. Further, FIG. 11 shows that the σ value of the illumination luminous flux is 0.05 even though the conventional dark field microscope is used.
(The numerical aperture is 0.01), and the radius of the light shielding portion on the pupil plane of the imaging system is 0.12 NA (the numerical aperture is 0.024).
The simulation result of the image in the case of is shown. At this time, the entire widths (0.02 and 0.048) of the transmission part of the illumination system pupil plane and the light shielding part of the imaging system pupil plane satisfy the conditions of the above-described embodiment. Therefore, only the 0th-order diffraction of the diffracted light from the alignment mark is shielded and the 1st-order and higher-order diffracted lights are transmitted, but the image is also close to the quadruple period as shown in FIG. ing. This is because the coherence of the illumination light on the alignment mark becomes too high under the illumination condition (coherent illumination) in which the σ value of the illumination light flux is small as described above, which deteriorates the image quality.

【0068】一方、本発明の実施の形態においては、照
明系瞳面の2次光源の1個当たりの大きさは小さいもの
の、それが複数個配置され、2次光源群全体としてはσ
値の大きな照明系となっており、上記の如き像質の劣化
の恐れは全くない。なお、以上の本発明の実施の形態で
は、計測方向に周期的なアライメントマークを検出対象
として説明したが、本発明の位置検出装置により周期的
でないマークを検出することも勿論可能である。この場
合、検出対象のマークから発生する回折光は上記のよう
に離散的なものとはならないが、本発明の位置検出装置
ではこの場合にも遮光する回折光をより低次(0次に近
い)のものに限定することができ、より多くの有益な回
折光を結像に寄与させることができ、より正確な位置検
出が可能となる。
On the other hand, in the embodiment of the present invention, although the size of each secondary light source on the pupil plane of the illumination system is small, a plurality of secondary light sources are arranged, and the entire secondary light source group has σ.
The illumination system has a large value, and there is no fear of image quality deterioration as described above. In the above embodiment of the present invention, the alignment mark that is periodic in the measurement direction is described as the detection target, but it is of course possible to detect an aperiodic mark by the position detection device of the present invention. In this case, the diffracted light generated from the mark to be detected is not discrete as described above, but in the position detecting device of the present invention, the diffracted light blocked in this case is also of a lower order (close to the 0th order). 1), more useful diffracted light can be contributed to the image formation, and more accurate position detection is possible.

【0069】また、本発明の実施の形態の照明光束制限
部材6,6A及び結像光束制限部材16,16Aは、段
差の小さなマークの検出に極めて有効であることは前述
の通りであるが、段差の大きな(例えば100nm以
上)のマークに対しては従来の検出光学系においても十
分な検出精度を有しているので、段差の大きなマークを
検出する際には、照明光束制限部材6,6A及び結像光
束制限部材16,16Aをそれぞれ図1に示す交換機構
7及び17を用いて光路外へ退避させるようにしてもよ
い。なお、ガラス基板よりなる結像光束制限部材16,
16A(あるいは照明光束制限部材6,6A)の退避に
より、光学系の収差状態が変動してしまう恐れのある場
合には、これらの部材の退避時に同等な光学的厚さを有
する透明部材を挿入する必要がある。
As described above, the illumination light flux limiting members 6 and 6A and the imaging light flux limiting members 16 and 16A according to the embodiment of the present invention are extremely effective in detecting marks with small steps. Since the conventional detection optical system has sufficient detection accuracy for a mark having a large step (for example, 100 nm or more), when detecting a mark having a large step, the illumination light flux limiting members 6, 6A are used. Alternatively, the imaging light flux limiting members 16 and 16A may be retracted from the optical path by using the exchange mechanisms 7 and 17 shown in FIG. 1, respectively. The image-forming light flux limiting member 16 made of a glass substrate,
If there is a risk that the aberration state of the optical system will change due to the withdrawal of 16A (or the illumination luminous flux limiting members 6, 6A), insert a transparent member having an equivalent optical thickness when withdrawing these members. There is a need to.

【0070】また、実施の形態中で用いた照明光束制限
部材6,6Aは、特定部分の光束のみを透過し、他は遮
光するというものであったが、照明光束を照明系瞳面上
の特定の複数箇所に集光するような部材、例えばフライ
アイレンズのような光学系を用いてもよい。また、図1
の照明用の光源1として半導体レーザ素子等のレーザ光
源を用いてもよい。この場合も、照明光束としては或る
程度の波長域を有することが望ましいので、多波長(マ
ルチモード)で発振する半導体レーザ素子、色素レーザ
光源、又はその他の複数個の異なる波長で発振するレー
ザ光源を使用するとよい。
Further, the illumination light flux limiting members 6 and 6A used in the embodiment are designed to transmit only the light flux of a specific portion and shield the other light flux, but the illumination light flux is on the pupil plane of the illumination system. A member that condenses light at a plurality of specific places, for example, an optical system such as a fly-eye lens may be used. Also, FIG.
A laser light source such as a semiconductor laser element may be used as the light source 1 for illuminating. Also in this case, since it is desirable that the illumination light flux has a certain wavelength range, a semiconductor laser element that oscillates at multiple wavelengths (multimode), a dye laser light source, or another laser that oscillates at a plurality of different wavelengths. Use a light source.

【0071】なお、以上の実施の形態は、半導体ウエハ
上のアライメントマークの位置検出を行うアライメント
センサに本発明を適用したものであるが、本発明による
位置検出装置は他の用途の光学装置に対しても適用する
ことが可能である。例えば、目視検査や観察に使用する
ような一般の光学顕微鏡に対して本発明を適用すれば、
上述の実施の形態と同様に低段差パターンに対して高コ
ントラストな像を得ることができる。更には、生物顕微
鏡のように透過照明を使用する顕微鏡に対しても本発明
を適用することができる。
In the above embodiment, the present invention is applied to the alignment sensor for detecting the position of the alignment mark on the semiconductor wafer. However, the position detecting device according to the present invention can be applied to optical devices for other purposes. It can also be applied to. For example, if the present invention is applied to a general optical microscope used for visual inspection or observation,
Similar to the above-described embodiment, a high-contrast image can be obtained for a low step pattern. Furthermore, the present invention can be applied to a microscope using transmitted illumination such as a biological microscope.

【0072】このように、本発明は上述の実施の形態に
限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構
成を取り得る。
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.

【0073】[0073]

【発明の効果】本発明によれば、照明系瞳面上に離散的
に分布する複数個の2次光源を形成し、対応する結像系
瞳面上の複数個の遮光領域で照明光を遮光しているた
め、位置検出マークからの0次回折光を遮光して1次以
上の回折光を高い効率で利用できる。従って、凹凸変化
量(段差)の極めて小さい位置検出マークに対しても高
い忠実度で像を形成でき、確実に位置検出を行うことが
できる利点がある。そのため、例えば平坦化工程等によ
り凹凸変化(段差)が極めて小さくなったアライメント
マークに対しても十分にコントラストの高いマーク像を
得ることができ、そのマーク像の光強度分布を用いてマ
ーク位置の検出を高精度に行うことができる。
According to the present invention, a plurality of secondary light sources which are discretely distributed are formed on the pupil plane of the illumination system, and the illumination light is emitted by the plurality of light-shielding regions on the pupil plane of the corresponding imaging system. Since the light is shielded, the 0th-order diffracted light from the position detection mark can be shielded and the 1st-order or higher-order diffracted light can be used with high efficiency. Therefore, there is an advantage that an image can be formed with high fidelity even on a position detection mark having an extremely small amount of unevenness change (step), and position detection can be performed reliably. Therefore, for example, it is possible to obtain a mark image with sufficiently high contrast even for an alignment mark whose unevenness (step) is extremely small due to a flattening process, and the light intensity distribution of the mark image is used to determine the mark position. The detection can be performed with high accuracy.

【0074】また、表面段差等が小さく、あるいは光束
の位相変化の少ない各種パターンを従来例より高いコン
トラストで検出できる光学系を実現することができる。
この場合、その位置検出マークが、計測方向の幅がWで
計測方向に周期Pの周期性を有するマークであり、照明
光束制限部材により形成される複数個の2次光源のそれ
ぞれの、その位置検出マークの計測方向に対応する方向
の幅Dが、照明光の最短波長をλ1 、最長波長をλ2
して、開口数を単位として(λ1 /P−2λ2 /W)以
下に設定される場合には、結像系瞳面上で0次回折光と
1次回折光とがほぼ完全に分離されるため、0次回折光
のみを遮光し易くなる。
Further, it is possible to realize an optical system capable of detecting various patterns having a small surface level difference or a small change in the phase of a light beam with a higher contrast than the conventional example.
In this case, the position detection mark is a mark having a width of W in the measurement direction and a periodicity of P in the measurement direction, and the position of each of the plurality of secondary light sources formed by the illumination light flux limiting member. The width D of the detection mark in the direction corresponding to the measurement direction is set to (λ 1 / P-2λ 2 / W) or less in units of numerical aperture, where λ 1 is the shortest wavelength of illumination light and λ 2 is the longest wavelength. In such a case, since the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are almost completely separated on the pupil plane of the imaging system, it becomes easy to shield only the 0th-order diffracted light.

【0075】また、結像光束制限部材によって遮光され
る複数個の遮光領域のそれぞれの、その位置検出マーク
の計測方向に対応する方向の幅が、開口数を単位として
その照明光束制限部材により形成される複数個の各2次
光源の幅Dに対して(D+2λ2 /W)以上に設定され
るときには、その位置検出マークの計測方向の幅Wによ
って0次回折光が広がりを有しても、その結像光束制限
部材によってその0次回折光をほぼ完全に遮光できる。
Further, the width of each of the plurality of light-shielding regions shielded by the imaging light flux limiting member in the direction corresponding to the measuring direction of the position detection mark is formed by the illumination light flux limiting member in units of the numerical aperture. When the width D of each of the plurality of secondary light sources is set to (D + 2λ 2 / W) or more, even if the zero-order diffracted light has a spread due to the width W of the position detection mark in the measurement direction, The 0th-order diffracted light can be shielded almost completely by the imaging light flux limiting member.

【0076】次に、その照明光束制限部材により形成さ
れる複数個の2次光源のそれぞれの、その位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の幅Dが、開口数を単位と
して0.06以下に設定されるときには、通常の使用条
件(照明光の波長λ12 がそれぞれ550nm,75
0nm、位置検出マークの周期Pが6μm、位置検出マ
ークの計測方向の幅Wが50μm程度)下では、(1)
式の幅d1に対して、D≦d1が成立するため、結像系
瞳面上で0次回折光と1次回折光とがほぼ完全に分離さ
れるようになる。
Next, the width D of each of the plurality of secondary light sources formed by the illumination light flux limiting member in the direction corresponding to the measuring direction of the position detection mark is 0.06 or less in units of numerical aperture. When set to, normal operating conditions (illumination light wavelengths λ 1 and λ 2 are 550 nm and 75 nm, respectively)
0 nm, the period P of the position detection mark is 6 μm, and the width W of the position detection mark in the measuring direction is about 50 μm), (1)
Since D ≦ d1 holds for the width d1 of the equation, the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light are almost completely separated on the pupil plane of the imaging system.

【0077】同様に、結像光束制限部材によって遮光さ
れる複数個の遮光領域のそれぞれの、その位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の幅D1を、開口数を単位
としてその照明光束制限部材により形成される複数個の
各2次光源の幅Dに対して(D+0.03)以上に設定
される場合には、その通常の使用条件下で、(2)式の
幅d2に対して、D1≧d2が成立するため、結像系瞳
面上で0次回折光をほぼ完全に遮光できる。
Similarly, the width D1 of each of the plurality of light-shielding regions shielded by the image-forming light flux limiting member in the direction corresponding to the measurement direction of the position detection mark is set to the illumination light-flux limiting member in units of numerical aperture. When (D + 0.03) or more is set for the width D of each of the plurality of secondary light sources formed by, the width d2 of the formula (2) is Since D1 ≧ d2 holds, the 0th-order diffracted light can be shielded almost completely on the pupil plane of the imaging system.

【0078】また、照明光束制限部材によりその照明系
瞳面上に形成される複数個の2次光源が、照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、位置検出マーク
の非計測方向に対応する方向で同じ位置に分布する2つ
の2次光源を有し、これら2つの2次光源の位置検出マ
ークの計測方向に対応する方向の中心間隔が、照明光の
中心波長をλとして、λ/Pの整数倍とならないように
設定されるときには、その結像系瞳面での遮光領域によ
ってその位置検出マークからの1次以上の回折光が殆ど
遮光されることがなく、高い忠実度でその位置検出マー
クの像が形成される。また、それら2次光源の分布を光
軸に関して点対称とすることによって、得られる像の対
称性が確保される。更に、計測方向に複数の2次光源が
あるため、得られる像が明るくなる。
Further, the plurality of secondary light sources formed on the pupil plane of the illumination system by the illumination light flux limiting member are distributed point-symmetrically with respect to the optical axis of the illumination optical system, and in the non-measurement direction of the position detection mark. It has two secondary light sources distributed in the same position in corresponding directions, and the center interval of the direction detection marks of these two secondary light sources in the direction corresponding to the measurement direction is λ, where λ is the center wavelength of the illumination light. When it is set not to be an integral multiple of / P, the first-order or higher-order diffracted light from the position detection mark is hardly blocked by the light-blocking region on the pupil plane of the imaging system, and the fidelity is high. An image of the position detection mark is formed. Further, by making the distribution of the secondary light sources point-symmetric with respect to the optical axis, the symmetry of the obtained image is secured. Further, since there are a plurality of secondary light sources in the measurement direction, the obtained image becomes bright.

【0079】また、照明光束制限部材によりその照明系
瞳面上に形成される複数個の2次光源が、照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、位置検出マーク
の非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の2次
光源が存在しないように分布するときには、その結像系
瞳面でその位置検出マークからの1次以上の回折光が殆
ど遮光されることなく、高い忠実度でその位置検出マー
クの像が形成される。
Further, the plurality of secondary light sources formed on the pupil plane of the illumination system by the illumination light flux limiting member are distributed point-symmetrically with respect to the optical axis of the illumination optical system, and are arranged in the non-measurement direction of the position detection mark. When a plurality of secondary light sources are distributed so as not to exist at the same position in the corresponding direction, the first-order or higher-order diffracted light from the position detection mark is hardly blocked at the pupil plane of the imaging system and is high. An image of the position detection mark is formed with high fidelity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による位置検出装置の実施の形態の一例
のアライメントセンサを示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an alignment sensor of an example of an embodiment of a position detecting device according to the present invention.

【図2】図1中の対物レンズ群9の瞳面の説明図であ
る。
2 is an explanatory diagram of a pupil plane of an objective lens group 9 in FIG.

【図3】(A)は図1中の照明視野絞り4のパターンを
示す図、(B)は図1中の指標板照明視野絞り22のパ
ターンを示す図、(C)は図1中の指標板24のパター
ンを示す図である。
3A is a diagram showing a pattern of an illumination field diaphragm 4 in FIG. 1, FIG. 3B is a diagram showing a pattern of an index plate illumination field diaphragm 22 in FIG. 1, and FIG. It is a figure which shows the pattern of the index board 24.

【図4】(A)は図1中のアライメントマーク11の一
例を示す拡大平面図、(B)は図4(A)の断面図、
(C)はそのアライメントマーク11の像の撮像信号
(光強度分布)を示す波形図である。
4A is an enlarged plan view showing an example of the alignment mark 11 in FIG. 1, FIG. 4B is a sectional view of FIG.
(C) is a waveform diagram showing an image pickup signal (light intensity distribution) of the image of the alignment mark 11.

【図5】(A)は図1中の照明光束制限部材6の透光部
の配置を示す図、(B)は図1中の結像光束制限部材1
6の遮光部の配置を示す図である。
5A is a diagram showing an arrangement of a light transmitting portion of the illumination light flux limiting member 6 in FIG. 1, and FIG. 5B is an imaging light flux limiting member 1 in FIG.
It is a figure which shows arrangement | positioning of the light-shielding part of 6.

【図6】(A)は照明光束制限部材の他の例6Aの透光
部の配置を示す図、(B)は結像光束制限部材の他の例
16Aの遮光部の配置を示す図である。
6A is a diagram showing an arrangement of a light transmitting portion of another example 6A of the illumination light flux limiting member, and FIG. 6B is a diagram showing an arrangement of a light shielding portion of another example 16A of the imaging light flux limiting member. is there.

【図7】従来の暗視野顕微鏡における照明系瞳面及び結
像系瞳面での光量分布を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing light amount distributions on an illumination system pupil plane and an imaging system pupil plane in a conventional dark field microscope.

【図8】本発明の実施の形態で得られるアライメントマ
ークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す図
である。
FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of a light intensity distribution of an alignment mark image obtained in the embodiment of the present invention.

【図9】通常の明視野の顕微鏡で得られるアライメント
マークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す
図である。
FIG. 9 is a diagram showing a simulation result of a light intensity distribution of an image of an alignment mark obtained by a normal bright-field microscope.

【図10】従来の暗視野顕微鏡で得られるアライメント
マークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of a light intensity distribution of an image of an alignment mark obtained by a conventional dark field microscope.

【図11】従来の暗視野顕微鏡でコヒーレント照明とし
た場合に得られるアライメントマークの像の光強度分布
のシミュレーション結果を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a simulation result of a light intensity distribution of an image of an alignment mark obtained when coherent illumination is performed by a conventional dark field microscope.

【図12】本発明の実施の形態のアライメントセンサを
備えた投影露光装置を示す構成図である。
FIG. 12 is a configuration diagram showing a projection exposure apparatus provided with an alignment sensor according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源 4 照明視野絞り 6,6A 照明光束制限部材 7,17 交換機構 9 対物レンズ群 10 ウエハ 11 アライメントマーク 12 ウエハステージ 16,16A 結像光束制限部材 22 指標板照明視野絞り 24 指標板 26 開口絞り 28 撮像素子 29 画像処理系 32A〜32J,33A〜33I 透光部 34A〜34J,35A〜35I 遮光部 38A〜38G 透光部 39A〜39G 遮光部 57 アライメント光学系 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 light source 4 illumination field stop 6,6A illumination light flux limiting member 7,17 exchange mechanism 9 objective lens group 10 wafer 11 alignment mark 12 wafer stage 16, 16A imaging light flux limiting member 22 index plate illumination field stop 24 index plate 26 aperture stop 28 Image sensor 29 Image processing system 32A-32J, 33A-33I Light transmission part 34A-34J, 35A-35I Light shielding part 38A-38G Light transmission part 39A-39G Light shielding part 57 Alignment optical system

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 処理対象の基板上に形成された位置検出
マークを照明する照明光学系と、前記位置検出マークか
らの照明光より前記位置検出マークの像を形成する結像
光学系と、前記位置検出マークの像を撮像する撮像素子
と、を備え、該撮像素子から出力される画像信号に基づ
いて前記位置検出マークの位置を検出する位置検出装置
において、 前記照明光学系中の、前記位置検出マークの形成面に対
する光学的フーリエ変換面である照明系瞳面上に離散的
に分布する複数個の2次光源を形成する照明光束制限部
材と、 前記結像光学系中の、前記位置検出マークの形成面に対
する光学的フーリエ変換面である結像系瞳面に配置さ
れ、且つ前記照明系瞳面で前記離散的に分布する複数個
の2次光源と結像関係となる領域及びその近傍の領域を
含む複数個の遮光領域において照明光を遮光し、それ以
外の領域では照明光を通過せしめる結像光束制限部材
と、を有することを特徴とする位置検出装置。
1. An illumination optical system for illuminating a position detection mark formed on a substrate to be processed; an imaging optical system for forming an image of the position detection mark from illumination light from the position detection mark; An image pickup device for picking up an image of a position detection mark, wherein the position detection device detects the position of the position detection mark based on an image signal output from the image pickup device, the position in the illumination optical system, An illumination light flux limiting member that forms a plurality of secondary light sources that are discretely distributed on an illumination system pupil surface that is an optical Fourier transform surface with respect to a detection mark formation surface, and the position detection in the imaging optical system. A region which is arranged on an image forming system pupil plane which is an optical Fourier transform plane with respect to a mark forming plane and which has an image forming relationship with the plurality of discretely distributed secondary light sources on the illumination system pupil plane and the vicinity thereof. Area of Shields the illumination light at a plurality of light-shielding region, the position detecting device characterized by having, an imaging light beam limiting member allowed to pass through the illumination light in the other regions.
【請求項2】 請求項1記載の位置検出装置であって、 前記位置検出マークは、計測方向の幅がWで計測方向に
周期Pの周期性を有するマークであり、 前記照明光束制限部材により形成される前記複数個の2
次光源のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向に
対応する方向の幅Dは、照明光の最短波長をλ 1 、最長
波長をλ2 として、開口数を単位として(λ1 /P−2
λ2 /W)以下に設定されることを特徴とする位置検出
装置。
2. The position detection device according to claim 1, wherein the position detection mark has a width W in the measurement direction and is in the measurement direction.
A mark having a periodicity of a period P, wherein the plurality of marks 2 formed by the illumination light flux limiting member
In the measuring direction of the position detection mark of each secondary light source
The width D in the corresponding direction is the shortest wavelength of the illumination light is λ 1Longest
Wavelength λTwoAs a unit of numerical aperture (λ1/ P-2
λTwo/ W) Position detection characterized by being set below
apparatus.
【請求項3】 請求項2記載の位置検出装置であって、 前記結像光束制限部材によって遮光される前記複数個の
遮光領域のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向
に対応する方向の幅は、開口数を単位として前記照明光
束制限部材により形成される前記複数個の各2次光源の
幅Dに対して(D+2λ2 /W)以上に設定されること
を特徴とする位置検出装置。
3. The position detecting device according to claim 2, wherein the width of each of the plurality of light-shielding regions shielded by the imaging light flux limiting member in a direction corresponding to the measurement direction of the position detection mark. Is set to (D + 2λ 2 / W) or more with respect to the width D of each of the plurality of secondary light sources formed by the illumination light flux limiting member with a numerical aperture as a unit.
【請求項4】 請求項1記載の位置検出装置であって、 前記照明光束制限部材により形成される前記複数個の2
次光源のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向に
対応する方向の幅Dは、開口数を単位として0.06以
下に設定されることを特徴とする位置検出装置。
4. The position detecting device according to claim 1, wherein the plurality of 2 formed by the illumination light flux limiting member.
The width D of each of the next light sources in the direction corresponding to the measurement direction of the position detection mark is set to 0.06 or less with a numerical aperture as a unit.
【請求項5】 請求項4記載の位置検出装置であって、 前記結像光束制限部材によって遮光される前記複数個の
遮光領域のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向
に対応する方向の幅は、開口数を単位として前記照明光
束制限部材により形成される前記複数個の各2次光源の
幅Dに対して(D+0.03)以上に設定されることを
特徴とする位置検出装置。
5. The position detecting device according to claim 4, wherein a width of each of the plurality of light-shielding regions shielded by the imaging light flux limiting member in a direction corresponding to a measurement direction of the position detection mark. Is set to (D + 0.03) or more with respect to the width D of each of the plurality of secondary light sources formed by the illumination light flux limiting member with the numerical aperture as a unit.
【請求項6】 請求項2又は3記載の位置検出装置であ
って、 前記照明光束制限部材により前記照明系瞳面上に形成さ
れる前記複数個の2次光源は、前記照明光学系の光軸に
関して点対称に分布すると共に、前記位置検出マークの
非計測方向に対応する方向で同じ位置に分布する2つの
2次光源を有し、該2つの2次光源の前記位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の中心間隔は、照明光の中
心波長をλとして、λ/Pの整数倍とならないように設
定されることを特徴とする位置検出装置。
6. The position detection device according to claim 2, wherein the plurality of secondary light sources formed on the pupil plane of the illumination system by the illumination light flux limiting member are light of the illumination optical system. It has two secondary light sources which are distributed point-symmetrically with respect to the axis and which are distributed in the same position in a direction corresponding to the non-measurement direction of the position detection mark, and the measurement direction of the position detection mark of the two secondary light sources. The position detection device is characterized in that the center spacing in the direction corresponding to is set so as not to be an integral multiple of λ / P, where λ is the center wavelength of the illumination light.
【請求項7】 請求項1〜5の何れか一項記載の位置検
出装置であって、 前記照明光束制限部材により前記照明系瞳面上に形成さ
れる前記複数個の2次光源は、前記照明光学系の光軸に
関して点対称に分布すると共に、前記位置検出マークの
非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の2次光
源が存在しないように分布することを特徴とする位置検
出装置。
7. The position detecting device according to claim 1, wherein the plurality of secondary light sources formed on the pupil plane of the illumination system by the illumination light flux limiting member are the plurality of secondary light sources. Position detection which is distributed point-symmetrically with respect to the optical axis of the illumination optical system, and is distributed so that a plurality of secondary light sources are not present at the same position in the direction corresponding to the non-measurement direction of the position detection mark. apparatus.
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