JP2514699C - - Google Patents
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- JP2514699C JP2514699C JP2514699C JP 2514699 C JP2514699 C JP 2514699C JP 2514699 C JP2514699 C JP 2514699C
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、測定基準尺を回折格子とし、回折光を光ヘテロダイン干渉させて得
られたビート信号の位相により、回折格子間の相対的な位置ずれ量を検出する、
例えば、半導体ICやLSIを製造するための露光装置等において形成されたパ
タン間の重ね合わせ精度を測定する場合に用いる位置ずれ検出方法、および位置
ずれ検出装置に関するものである。
〔従来の技術・発明が解決しようとする課題〕
従来、この種の位置ずれを測定する方法としては、第一に測定のパタンを焼付
けてパタン線幅測定装置でパタンの相互間のずれを測定するものがあり、第二に
ピッチの異なる格子を集積回路上に焼付けて丁度重なる格子の部分を読みとるバ
ーニア方式のもの、また第三に集積回路上に細長い抵抗体と電極と重ね合わせて
形成し、その抵抗体の各値を比較する方法、さらに第四に回折格子を集積回路上
に焼付けて回折光の位相差によりパタンのずれ量を測定する方法などがある。
ところが、第一のパタン線幅測定装置を用いた方法によると、通常その種の装
置の精度としては、高々0.01μm程度の精度しか得られず、また、第二のバーニ
ア方式によっても、0.04μm程度の精度しか得られない問題がある。さらに、第
三の抵抗測定法は、精度が得られる反面、測定をするためにかなり複雑な処理工
程を必要とする問題がある。
これに対し、第四の方法は、上記第一〜第三の問題を考慮し、簡易且つ安価な
方法として提案された方法である。第4図に、このような位相差信号を用いて位
置ずれ量を測定する装置の一例を示す(公開特許 昭和62-56818)。
図において、ステージ1上に検出対象となるウエハ2が載置されている。ウエ
ハ2は、露光装置によって2回焼付け、現像処理がなされており、かくして露光
装置のマスク又はレクチル上に形成された露光パタンがウエハ2の表面に重ね焼
きされている。ウエハ2には2枚の露光パタンが焼付けられる際に、当該露光パ
タンの焼付け位置を表す第5図に示すような2組の回折格子でなる回折格子MP
が形成される。第一の回折格子MA1及びMA2は第1回目の露光処理時に露光
パタンと一緒に焼付けられ、y軸方向に互いに距離dだけ離れた位置に形成され
且つx軸方向に延長する格子エレメントでなり、x方向に所定間隔を保って形成
されている。
これに対して、第2の回折格子MB1及びMB2は、第2回目の重ね合わせ露
光処理によって同様にしてy軸方向に互いに距離dだけ離れた位置に形成され且
つx軸方向に延長する格子エレメントでなり、y軸方向に第1の回折格子MA1
及びMA2の間に互い違いに挿入されるように焼付けられる。
ここで、y軸方向に第1の回折格子MA1、MA2及び第2の回折格子MB1
、MB2間に位置ずれがなければ、第1の回折格子MA1、MA2の各格子エレ
メントと、第2の回折格子MB1、MB2の各格子エレメントとがx軸方向の同
一直線上に並ぶように形成され、このとき第1及び第2の露光パタンに位置ずれ
がないと判定し得る。これに対し、第1及び第2の露光パタンの位置がy軸方向
に△yだけ互いにずれれば、この位置ずれが回折格子MA1、MA2及びMB1
、MB2の対応する格子エレメント間の位置ずれ△yとして現れるようになされ
ている。
そこで第5図に示すような構成の回折格子MPに対して互いに周波数の異なる
2つのコヒーレント光束、LL1及びLL2を照射し、回折格子MPによって発
生された第1のコヒーレント光LL1の1次回折光LF1の反射方向と第2のコ
ヒーレント光LL2の1次回折光LF2の反射方向とが一致するように選定され
、その方向はウエハ2の表面に対してほぼ垂直方向になるように選定されている
。
ここで互いに周波数の異なる2つのコヒーレント光束、LL1およびLL2は
、2つの超音波変調器14、18によって生成される。即ち、レーザー11において発
生されたレーザー光は、コリメータレンズ系12A、12Bを通って分路器(ビーム
スプリッタ)13に入射される。分路器13は、レーザを2つに分けて第1のレーザ
光を超音波変調器14によって変調信号S1(第6図参照。変調信号S1は発信器
34、37及び周波数変換回路38によって電気的に生成される。)によってその周波
数11だけ周波数をシフト変調させた後、ミラー15、16によって折り曲げながらウ
エハ2の回折格子MP上に第1のコヒーレント光束LL1として照射させる。
また、分路器13は、第2のレーザー光をミラー17を介して超音波変調器18
に入射し、変調信号S2(第6図参照。変調信号S2は発信器37によって得られ
る信号。)によってその周波数f2だけ周波数をシフト変調させた後、ミラー19
、20によって折り曲げながらウエハ2の回折格子MP上に第2のコヒーレント光
束LL2として照射させる。
かくして回折格子MPによって発生された回折光LF1及びLF2は互いに干
渉し、対物レンズ3、絞り4を通り、さらにハーフミラー5を通って光電変換素
子列6に入射する。ハーフミラー5は、絞り4を通った回折光を接眼鏡7に折り
返して干渉縞を観察し得るようになされている。光電変換素子列6は、回折格子
MPの各エレメントMA1、MA2、MB1、MB2に対応して回折光の干渉光
をそれぞれ光電変換素子DA1、DA2、DB1、DB2で検出し、周波数△f
(=f1−f2)の4つのビート信号SA1、SA2、SB1、SB2を生成し
、これら4つのビート信号は、位置ずれ検出制御回路25に送られる。
第6図に位置ずれ検出制御回路25の詳細構成図を示す。位置ずれ検出制御回路
25では、ビート信号SA1、SA2、SB1、SB2の位相をPLL回路32A、
32B、32C、32Dでそれぞれ位相ロックし、ノイズを除去した周波数△f(=f
0)の位相出力SFA、SFB、SFC、SFDを得る。この位相出力SFA、
SFB、SFC、SFDの位相と、発信器34から得られる基準周波数出力S0の
位相とを位相差検出回路33A、33B、33C、33Dで比較し、それぞれ位相差α、
β、γ、δに基づいて、位置ずれ算定回路35により位置ずれ量△yを次式
△y=(d/(4π))・((3β−3γ−α+δ)/4) (1)
によって演算し、位置ずれ量を表示装置36により表示する。ここで、dは回折格
子MPのピッチを表す。
ところが、前記第4の方法では、電子回路により生成させた基準信号を用いて
位相差を求めているため、検出光学系の微小揺らぎ、光路系の空気雰囲の温度、
気圧などの変動の影響を受けやすく、位相差信号が変動し位置ずれ量の誤差要因
となる。また、光学系と回折格子との傾きの影響を前記(1)式により消去する
方法では、位相差を検出する4つの電子回路系の不安定性の他に相互の回路特性
の違いによる演算誤差を含みやすく、高精度の位置ずれ検出が難しいという問題
がある。
本発明の目的は、上述の欠点を除去するため、第一、および第二の回折格子を
測定基準尺として用い、該回折格子に対して位置ずれ量測定用の第三の回折格子
を形成し、前記第一、第二、および第三の回折格子に、周波数が互いにわずかに
異なる2波長の単色光を入射させ、該回折格子から生じる回折光を光ヘテロダイ
ン干渉させ、前記第一、第二に、および第三の回折格子からそれぞれ第一、第二
、および第三の光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成し、これら第一、第二、お
よび第三の光ヘテロダイン干渉ビート信号間の位相差変化を検出することによっ
て、前記第一、第二、および第三の回折格子間の位置ずれ量を測定することによ
り、従来のものよりも、高安定、高精度である回折格子による位置ずれ検出方法
および位置ずれ検出装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の位置ずれ検出方法は、物体上に固定、或は形成した第一、および第二
の回折格子を測定基準尺として用い、前記第一の回折格子、前記第二の回折格子
、第三の回折格子の順序に配列するように、前記第一、および第二の回折格子に
対して位置合わせをして前記第三の回折格子を形成し、前記第一、第二、および
第三の回折格子に、周波数が互いにわずかに異なる2波長の単色光を入射させ、
前記第一、第二、および第三の回折格子から生じる回折光を光ヘテロダイン干渉
させ、前記第一、第二、および第三の回折格子からそれぞれ第一、第二、および
第三のヘテロダイン干渉ビート信号を生成し、前記第一と第二の光ヘテロダイン
干渉ビート信号間の第一の位相差と前記第二と第三の光ヘテロダイン干渉ビート
信号間の第二の位相差とを検出し、前記第一と第二の位相差の差分処理を行って
、回折格子間の相対的位置ずれ量を検出できる特徴がある。
また、本発明の位置ずれ検出装置は、物体上に固定、或は形成した第一、およ
び第二の回折格子と、前記第一の回折格子、前記第二の回折格子、第三の回折格
子の順序に配列するように、前記第一、および第二の回折格子に対して位置合わ
せをして固定、或は形成した前記第三の回折格子と、周波数が互いにわずかに異
なる2波長の単色光を発生する光源と、その光源から発せられた2波長の単色光
を前記第一、第二、および第三の回折格子に入射させる入射手段と、前記第一、
第二、および第三の回折格子から生じる2波長の回折光を合成し、前記第一、第
二、および第三の回折格子からそれぞれ第一、第二、および第三の光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号を生成する光合成検出手段と、前記第一と第二の光ヘテロダイ
ン干渉ビート信号間の第一の位相差と前記第二と第三の光ヘテロダイン干渉ビー
ト信号間の第二の位相差とを検出し、前記第一と第二の位相差の差分処理を行っ
て、前記第一、第二、および第三の回折格子間の位置ずれ量を測定する信号処理
装置との装置構成から、前記第一、第二、および第三の回折格子間の位置ずれ量
を測定できる特徴がある。
本発明は基準回折格子間の位相差と測定用回折格子間の位相差の差により、基
準回折格子と測定用回折格子間の相対的位置ずれ量、即ち、半導体ICやLSI
を製造するための露光装置等において形成されたパタン間の重ね合わせ精度を測
定するものである。従って、本発明では測定基準となるビート信号が相対的位置
じれ量を測定するビーム信号と同一の光学系により生成されるため、検出光学系
の微小揺らぎ、光路系の空気の温度、気圧等の変動の影響を除去することができ
、高安定、高精度で相対的位置ずれ量を検出できる。
〔実施例〕
以下、第1図ないし第3図を参照して、本発明の実施例を説明する。なお、第
4図ないし第6図と同一の符号は同一の部材を示すものとする。
第1図は本発明に係わる位置ずれ検出装置の実施例を示すものである。第1図
において、2波長直交偏光レーザー光源40から発したレーザー光は、ミラー41を
介して、偏光ビームスプリッター42により、それぞれ水平成分(p偏光成分)、
または垂直成分(s偏光成分)のみを有する直線偏光でしかも周波数がわずかに
異なる2波長の光に分離される。このうちp偏光成分は、ミラー43を介し、円筒
レンズ44と対物レンズ45とからなる光学系により楕円状ビーム46となり、xyス
テージ51上に設置したウエハ47上に形成された回折格子48に回折格子面に垂直な
法線方向(z方向)に対し一次回折角の方向から入射する。一方、s偏光成分は
、同様に、円筒レンズ49と対物レンズ45とからなる光学系により楕円状ビーム50
となり、回折格子面に垂直な法線方向(z方向)に対し楕円状ビーム46と対称の
一次回折角の方向から回折格子48に入射する。
回折格子48は、第2図に示すように露光装置による2回の焼付け、現像処理
により形成されたパタンである。即ち、ウエハ47には、2枚の露光装置のマスク
又はレチクル上に形成された2種類の露光パタンが重ね焼きされている。2種類
の露光パタンが焼付けられる際に、当該露光パタンの焼き付け位置を表す第2図
に示すような3組の回折格子でなる回折格子が形成される。第1の回折格子HD
1及びHD2は第1回目の露光処理時に露光パタンと一緒に焼付けられ、y軸方
向に互いに距離dだけ離れた位置に形成され且つx軸方向に延長する格子エレメ
ントでなり、x方向に所定間隔を保って形成されている。
これに対して、第3の回折格子HD3は、第2回目の重ね合わせ露光処理によ
って同様にしてy軸方向に互いに距離dだけ離れた位置に形成され、第1の回折
格子HD1及び第2の回折格子HD2に対し、x方向に所定間隔を保って形成さ
れている。
ここで、y軸方向について、第1の回折格子HD1、及び第2の回折格子HD
2と、第3の回折格子HD3との間に位置ずれがなければ、第1、および第2の
回折格子HD1、HD2の各格子エレメントと、第3の回折格子HD3の格子エ
レメントとがx軸方向の同一直線上に並ぶように形成され、このとき第1回目及
び第2回目の露光パタンに位置ずれがないと判定し得る。これに対し、第1回目
及び第2回目の露光パタンの位置がy軸方向に△yだけ互いにずれれば、この位
置ずれが回折格子HD1、HD2とHD3の対応する格子エレメント間の位置ず
れ△yとして現れるようになされている。
3つの回折格子HD1、HD2、HD3は、2波長の各入射光46、50の同一楕
円ビームスポット52内に配置されている。また、回折格子ピッチdは互いに等し
く設定されている。
入射光46、50により、3つの回折格子HD1、HD2、HD3からそれぞれZ
方向に3つの2波長の−1次回折光の合成回折光、つまり第1の回折格子HD1
による入射光46の−1次回折光と、入射光50の−1次回折光との光ヘテロダイン
干渉合成回折光53と、第2の回折格子HD2から同様にZ方向に得られる光ヘテ
ロダイン干渉合成回折光54と、第3の回折格子HD3から同様にZ方向に得られ
る光ヘテロダイン干渉合成回折光55とが得られる。3つの合成光53、54、55は、
ハーフミラー56により2方向に分割さられた後、一方は、プリズム状ミラー
57、58、59により分離され、それぞれ集光レンズ60、61、62、偏光板63、64、65
介して光検出66、68で検出され、光ヘテロダイン干渉ビート信号HY1、HY2
、HY3として信号処理制御部69に入力される。ハーフミラー56により分割され
た他の一方は、接眼鏡70により回折光を観察し得るようになされている。
信号処理制御部69では、第1、第2の回折格子HD1、HD2から得られる光
ヘテロダイン干渉ビート信号HY1、HY2についてHY1に対するHY2の位
相差△φ0と、第3の回折格子HD3から得られる光ヘテロダイン干渉ビート信
号HY3とHY2について、HY2に対するHY3の位相差△φYとから回折格
子HD1、HD2とHD3との位置ずれ量△yに対応した位相差△φを次式より
求める。
△φ=△φY−△φ0
=2π・2・△y/d (2)
ここで、△φ0は位置ずれ検出光学系と回折格子HD1、HD2、及びHD3
とのxy平面の回転ずれにより生ずる位相差である。即ち、本来位置ずれ検出光
学系は、第3図(a)に示すような各格子エレメントが同一直線上に並ぶように
形成された基準回折格子71、72、73をxyステージ上に格子エレメントの方向を
x軸に平行になるように設定して調整し、光学系の重なり合った2つの入射楕円
ビームの長径方向を光学系の基準線とした時に、光学系の基準線と回折格子の格
子エレメントの中心線とが一致するに設定されているものとする。従って、回折
格子の格子エレメントの方向がx軸に平行に設定されているならば、上記(2)
式で△φ0=0となる。また、第3図(b)に示すように、回折格子の格子エレ
メントの方向がx軸の方向に対してずれている場合は、回折格子の格子エレメン
トの方向が完全に一致し、一直線上に並んでいる第1の回折格子HD1と第2の
回折格子HD2との間にも、HY1とHY2とに位相差△φ0を生じる。従って
、光ヘテロダイン干渉ビート信号HY3とHY2について、HY2に対するHY
3の位相差△φYから回転ずれから生じた誤差分△φ0を減じる必要がある。信
号処理制御部69では、上記(2)式より△yを求め、その値の表示等することは
容易に可能である。
なお、上記の実施例においては、2波長の単色光光源として2波長直交偏光レ
ーザー光源を用いたが、2波長の単色光としてブラッグセルなどの音響光学素子
を用いて生成した光を用いても同様の効果を得ることができる。この場合、音響
光学素子と半導体レーザーとを組み合わせることにより、2波長単色光光源のコ
ンパクト化が可能である。さらに、2波長レーザー光の入射光学系に偏波面保存
光ファイバー等の光ファイバーを用いて、移動量検出光学系本体と2波長単色光
光源とを分離させ、両者を光ファイバーで結合させる等の技術を適用させること
により、位置検出光学系をさらにコンパクト化させることが可能である。
また、回折格子への入射光の方向、及び回折格子からの回折光の方向が回折格
子面に垂直なyz平面に含まれる例について説明したが、回折格子への入射光の
方向、及び回折格子からの回折光の方向として、回折格子面に垂直なyz平面に
含まれない斜め入射、及び斜め出射の2波長の回折光を光学的に合成して光ヘテ
ロダイン干渉ビート信号を検出するようにしても同様の効果を得ることができる
。
さらになお、本発明における回折格子としては、吸収型回折格子、位相型回折
格子のいずれを用いてもよく、またバイナリー回折格子に限らず正弦波状回折格
子、フレーズ回折格子等、種々の回折格子を用いることが可能であるし、回折格
子として透過型の他に反射型回折格子を用いることも可能である。
さらにまた、上記の実施例においては、回折格子として格子エレメントがx軸
の方向に平行に並んだものを用いているが、x軸に垂直なy軸の方向にも同様の
回折格子を形成し、x、yの2方向の位置ずれ量△x、△yを検出できるように
光学系をx、yの2方向に設定することも可能である。この場合、回折格子とし
て前記実施例のようなものの他に市松模様の回折格子によりx、yの2方向兼用
にしても可能である。
〔発明の効果〕
以上で詳細に説明したように、本発明によれば、基準となる第一、第二の回折
格子対を設け、さらに位置ずれ量測定の第三の回折格子設定し、これら回折格子
に周波数がわずかに異なる2波長の単色光を入射し、これら回折格子から生じる
3つの光ヘテロダイン干渉光から基準となる第一、第二の回折格子対から得られ
た光ヘテロダイン干渉ビーム信号間の位相差を基準値とし、第二と第三の光ヘテ
ロダイン干渉ビート信号間の位相差との差により、回折格子間の相対的位置ずれ
量検出することにより、検出光学系の微小揺らぎ、光路系の空気の温度、気圧等
の変動の影響を除去することができ、高安定、高精度で相対的位置ずれ量を検出
できる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention uses a diffraction grating as a measurement standard, and uses a phase of a beat signal obtained by optically heterodyne-interfering diffracted light to determine a relative distance between diffraction gratings. Detect the amount of displacement,
For example, the present invention relates to a position shift detection method and a position shift detection apparatus used when measuring the overlay accuracy between patterns formed in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor IC or an LSI. [Problems to be Solved by the Related Art] Conventionally, as a method of measuring this kind of misalignment, first, a pattern for measurement is burned and a misalignment between patterns is measured by a pattern line width measuring device. Second, a vernier type in which grids with different pitches are baked on an integrated circuit to read the part of the grid that just overlaps, and thirdly, a thin elongated resistor and an electrode are formed on the integrated circuit by superimposing them. Fourth, there is a method of comparing each value of the resistor, and fourthly, a method of printing a diffraction grating on an integrated circuit and measuring a pattern shift amount based on a phase difference of diffracted light. However, according to the method using the first pattern line width measuring device, usually, the accuracy of such a device can only be obtained at most about 0.01 μm, and also by the second vernier method, 0.04 μm There is a problem that only a degree of accuracy can be obtained. Further, the third resistance measurement method has a problem that, although accuracy is obtained, a considerably complicated processing step is required for the measurement. On the other hand, the fourth method is a method proposed as a simple and inexpensive method in consideration of the first to third problems. FIG. 4 shows an example of an apparatus for measuring the amount of displacement using such a phase difference signal (Japanese Patent Publication No. 62-56818). In the figure, a wafer 2 to be detected is placed on a stage 1. The wafer 2 has been baked and developed twice by the exposure apparatus, and thus the exposure pattern formed on the mask or reticle of the exposure apparatus is overprinted on the surface of the wafer 2. When two exposure patterns are printed on the wafer 2, a diffraction grating MP composed of two sets of diffraction gratings as shown in FIG.
Is formed. The first diffraction gratings MA1 and MA2 are grating elements that are baked together with the exposure pattern during the first exposure processing, are formed at positions separated from each other by a distance d in the y-axis direction, and extend in the x-axis direction, It is formed at a predetermined interval in the x direction. On the other hand, the second diffraction gratings MB1 and MB2 are similarly formed at positions separated by a distance d in the y-axis direction and extended in the x-axis direction by the second superposition exposure process. And the first diffraction grating MA1 in the y-axis direction.
And MA2 so as to be inserted alternately. Here, the first diffraction gratings MA1, MA2 and the second diffraction grating MB1 are arranged in the y-axis direction.
, MB2, the respective grating elements of the first diffraction gratings MA1, MA2 and the respective grating elements of the second diffraction gratings MB1, MB2 are formed so as to be aligned on the same straight line in the x-axis direction. At this time, it can be determined that there is no displacement between the first and second exposure patterns. On the other hand, if the positions of the first and second exposure patterns are shifted from each other by .DELTA.y in the y-axis direction, this position shift is caused by the diffraction gratings MA1, MA2 and MB1.
, MB2 as a displacement Δy between the corresponding lattice elements. Therefore, the diffraction grating MP having the configuration shown in FIG. 5 is irradiated with two coherent light beams LL1 and LL2 having different frequencies from each other, and the first-order diffraction light LF1 of the first coherent light LL1 generated by the diffraction grating MP. And the direction of reflection of the first-order diffracted light LF2 of the second coherent light LL2 are selected so as to be substantially perpendicular to the surface of the wafer 2. Here, two coherent light beams having different frequencies from each other, LL1 and LL2, are generated by the two ultrasonic modulators 14 and 18. That is, the laser light generated by the laser 11 is incident on the shunt (beam splitter) 13 through the collimator lens systems 12A and 12B. The shunt 13 divides the laser into two parts, and divides the first laser beam into a modulation signal S1 by the ultrasonic modulator 14 (see FIG. 6. The modulation signal S1 is a transmitter
It is generated electrically by 34, 37 and the frequency conversion circuit 38. ), The frequency is shifted and modulated by the frequency 11, and the beam is irradiated as a first coherent light beam LL 1 onto the diffraction grating MP of the wafer 2 while being bent by the mirrors 15 and 16. Further, the shunt device 13 irradiates the second laser beam to the ultrasonic modulator 18 via the mirror 17 and modulates the signal S2 (see FIG. 6. The modulation signal S2 is a signal obtained by the transmitter 37). After the frequency is shifted by the frequency f2, the mirror 19
, 20 and irradiates the diffraction grating MP of the wafer 2 as a second coherent light beam LL2. Thus, the diffracted lights LF1 and LF2 generated by the diffraction grating MP interfere with each other, pass through the objective lens 3, the diaphragm 4, and further enter the photoelectric conversion element array 6 through the half mirror 5. The half mirror 5 is configured to turn the diffracted light passing through the stop 4 back to the eyepiece 7 to observe interference fringes. The photoelectric conversion element array 6 detects the interference light of the diffracted light with the photoelectric conversion elements DA1, DA2, DB1, and DB2 corresponding to the elements MA1, MA2, MB1, and MB2 of the diffraction grating MP, respectively.
Four beat signals SA1, SA2, SB1, and SB2 (= f1-f2) are generated, and these four beat signals are sent to the displacement detection control circuit 25. FIG. 6 shows a detailed configuration diagram of the displacement detection control circuit 25. Position shift detection control circuit
At 25, the phases of the beat signals SA1, SA2, SB1, and SB2 are changed to PLL circuits 32A,
The frequency Δf (= f) from which the phases are locked at 32B, 32C, and 32D, and the noise is removed.
0) phase outputs SFA, SFB, SFC, SFD are obtained. This phase output SFA,
The phases of SFB, SFC, SFD and the phase of the reference frequency output S0 obtained from the transmitter 34 are compared by phase difference detection circuits 33A, 33B, 33C, 33D, and the phase differences α,
Based on β, γ and δ, the displacement calculating circuit 35 calculates the displacement △ y by the following formula に よ っ て y = (d / (4π)) · ((3β−3γ−α + δ) / 4) (1) Then, the position shift amount is displayed on the display device 36. Here, d represents the pitch of the diffraction grating MP. However, in the fourth method, since the phase difference is obtained using the reference signal generated by the electronic circuit, the fluctuation of the detection optical system, the temperature of the air atmosphere of the optical path system,
It is susceptible to fluctuations such as atmospheric pressure, and the phase difference signal fluctuates, causing an error in the amount of displacement. In the method of eliminating the influence of the inclination between the optical system and the diffraction grating by the above equation (1), in addition to the instability of the four electronic circuit systems for detecting the phase difference, a calculation error due to a difference in circuit characteristics between the four electronic circuit systems is eliminated. There is a problem that it is difficult to detect misalignment with high accuracy because it is easily included. An object of the present invention is to use the first and second diffraction gratings as measurement scales and form a third diffraction grating for measuring the amount of displacement with respect to the diffraction grating in order to eliminate the above-mentioned disadvantages. The first, second, and third diffraction gratings are irradiated with two wavelengths of monochromatic light slightly different in frequency from each other, and diffracted light generated from the diffraction grating is subjected to optical heterodyne interference; And the first, second, and third optical heterodyne interference beat signals are generated from the first, second, and third diffraction gratings, respectively, and the phase difference between the first, second, and third optical heterodyne interference beat signals is changed. By detecting the position shift amount between the first, second, and third diffraction gratings, a position shift detection method using a diffraction grating that is more stable and more accurate than a conventional one. And misalignment detector It is to provide a. [Means for Solving the Problems] The displacement detection method of the present invention uses the first or second diffraction grating fixed or formed on an object as a measurement standard, and the first diffraction grating, The second diffraction grating and the third diffraction grating are arranged in the order of the third diffraction grating so that the first and second diffraction gratings are aligned with each other to form the third diffraction grating. The first, second, and third diffraction gratings are irradiated with two wavelengths of monochromatic light whose frequencies are slightly different from each other,
The first, second, and third diffraction gratings cause optical heterodyne interference of diffracted light, and the first, second, and third diffraction gratings cause first, second, and third heterodyne interference, respectively. Generating a beat signal, detecting a first phase difference between the first and second optical heterodyne interference beat signals and a second phase difference between the second and third optical heterodyne interference beat signals, There is a feature that the relative position shift amount between the diffraction gratings can be detected by performing the difference processing of the first and second phase differences. Further, the position shift detecting device of the present invention includes first and second diffraction gratings fixed or formed on an object, the first diffraction grating, the second diffraction grating, and the third diffraction grating. The first and second diffraction gratings are aligned and fixed or formed so as to be arranged in the order described above. A light source that generates light, and an incidence unit that causes two wavelengths of monochromatic light emitted from the light source to enter the first, second, and third diffraction gratings;
The two-wavelength diffracted light generated from the second and third diffraction gratings is combined, and the first, second, and third optical heterodyne interference beat signals are respectively obtained from the first, second, and third diffraction gratings. Detecting the first phase difference between the first and second optical heterodyne interference beat signals and the second phase difference between the second and third optical heterodyne interference beat signals Then, the difference processing of the first and second phase difference, the first, the second, from the device configuration with a signal processing device that measures the amount of displacement between the third diffraction grating, the second There is a feature that the amount of displacement between the first, second, and third diffraction gratings can be measured. The present invention is directed to a relative displacement between a reference diffraction grating and a measurement diffraction grating, that is, a semiconductor IC or an LSI, based on a difference between a phase difference between the reference diffraction grating and a phase difference between the measurement diffraction gratings.
Is a method for measuring the overlay accuracy between patterns formed in an exposure apparatus or the like for manufacturing the device. Therefore, in the present invention, since the beat signal serving as the measurement reference is generated by the same optical system as the beam signal for measuring the relative displacement, the fluctuation of the detection optical system, the temperature of the air in the optical path system, the atmospheric pressure, etc. The influence of the fluctuation can be removed, and the relative displacement can be detected with high stability and high accuracy. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. The same reference numerals as those in FIGS. 4 to 6 denote the same members. FIG. 1 shows an embodiment of a position shift detecting apparatus according to the present invention. In FIG. 1, a laser beam emitted from a two-wavelength orthogonally polarized laser light source 40 is transmitted through a mirror 41 by a polarizing beam splitter 42 to a horizontal component (p-polarized component),
Alternatively, the light is separated into two wavelengths of linearly polarized light having only a vertical component (s-polarized component) and slightly different frequencies. The p-polarized light component is converted into an elliptical beam 46 by an optical system including a cylindrical lens 44 and an objective lens 45 via a mirror 43, and is diffracted by a diffraction grating 48 formed on a wafer 47 installed on an xy stage 51. The light enters from the direction of the primary diffraction angle with respect to the normal direction (z direction) perpendicular to the lattice plane. On the other hand, the s-polarized light component is similarly converted into an elliptical beam 50 by the optical system including the cylindrical lens 49 and the objective lens 45.
Then, the light enters the diffraction grating 48 from the direction of the primary diffraction angle symmetrical to the elliptical beam 46 with respect to the normal direction (z direction) perpendicular to the diffraction grating surface. As shown in FIG. 2, the diffraction grating 48 is a pattern formed by two printing and developing processes by an exposure device. That is, two types of exposure patterns formed on masks or reticles of two exposure apparatuses are overprinted on the wafer 47. When two types of exposure patterns are printed, a diffraction grating composed of three sets of diffraction gratings as shown in FIG. 2 representing the printing positions of the exposure patterns is formed. First diffraction grating HD
Reference numerals 1 and 2 denote lattice elements which are printed together with the exposure pattern during the first exposure processing, are formed at positions separated from each other by a distance d in the y-axis direction, and extend in the x-axis direction. Is formed. On the other hand, the third diffraction grating HD3 is similarly formed at a position apart from each other by the distance d in the y-axis direction by the second overlapping exposure process, and the first diffraction grating HD1 and the second diffraction grating HD3 are formed. The diffraction grating HD2 is formed at a predetermined interval in the x direction. Here, in the y-axis direction, the first diffraction grating HD1 and the second diffraction grating HD
If there is no displacement between the second diffraction grating HD3 and the third diffraction grating HD3, each of the first and second diffraction gratings HD1 and HD2 and the third diffraction grating HD3 will have an x-axis. The exposure patterns are formed so as to be aligned on the same straight line in the direction. At this time, it can be determined that the first and second exposure patterns have no positional deviation. On the other hand, if the positions of the first and second exposure patterns are displaced from each other by y in the y-axis direction, this displacement will cause a displacement between the corresponding grating elements of the diffraction gratings HD1, HD2, and HD3. It is made to appear as y. The three diffraction gratings HD1, HD2, HD3 are arranged in the same elliptical beam spot 52 of each of the incident lights 46, 50 of two wavelengths. The diffraction grating pitches d are set equal to each other. By the incident light 46, 50, the three diffraction gratings HD1, HD2, HD3
Synthetic diffraction light of three -1st-order diffraction lights of two wavelengths in the direction, that is, the first diffraction grating HD1
Optical heterodyne interference combined diffracted light 53 of the -1st-order diffracted light of the incident light 46 and the -1st-order diffracted light of the incident light 50, and the optical heterodyne interference combined diffracted light similarly obtained in the Z direction from the second diffraction grating HD2 54 and an optical heterodyne interference combined diffracted light 55 similarly obtained in the Z direction from the third diffraction grating HD3. The three combined lights 53, 54, 55 are
After being split and exposed in two directions by a half mirror 56, one is separated by prism mirrors 57, 58, 59, and condensed lenses 60, 61, 62, polarizing plates 63, 64, 65 respectively.
And the optical heterodyne interference beat signals HY1 and HY2
, HY3 to the signal processing controller 69. The other one split by the half mirror 56 is configured so that diffracted light can be observed by the eyepiece 70. In the signal processing control unit 69, the phase difference Δφ0 of HY2 with respect to HY1 with respect to the optical heterodyne interference beat signals HY1 and HY2 obtained from the first and second diffraction gratings HD1 and HD2, and the light obtained from the third diffraction grating HD3. For the heterodyne interference beat signals HY3 and HY2, the phase difference Δφ corresponding to the amount of displacement Δy between the diffraction gratings HD1, HD2 and HD3 is obtained from the following equation from the phase difference ΔY of HY3 with respect to HY2. Δφ = ΔφY−Δφ0 = 2π · 2 · Δy / d (2) where Δφ0 is the position deviation detection optical system and the diffraction gratings HD1, HD2, and HD3.
And a phase difference caused by a rotational displacement of the xy plane with the above. In other words, the positional deviation detection optical system originally includes the reference diffraction gratings 71, 72, 73 formed such that the grating elements are arranged on the same straight line as shown in FIG. The direction is set and adjusted so as to be parallel to the x-axis. When the major axis direction of two overlapping elliptical beams of the optical system is set as the reference line of the optical system, the reference line of the optical system and the grating element of the diffraction grating are used. It is assumed that the center line is set to match. Therefore, if the direction of the grating element of the diffraction grating is set parallel to the x-axis, the above (2)
△ φ0 = 0 in the equation. Further, as shown in FIG. 3 (b), when the direction of the grating element of the diffraction grating is shifted with respect to the direction of the x-axis, the directions of the grating element of the diffraction grating completely match, and are aligned on a straight line. A phase difference Δφ0 is generated between HY1 and HY2 also between the first diffraction grating HD1 and the second diffraction grating HD2 which are arranged. Therefore, for the optical heterodyne interference beat signals HY3 and HY2, HY2
It is necessary to subtract the error Δφ0 caused by the rotational deviation from the phase difference ΔφY of 3. The signal processing control unit 69 can easily obtain Δy from the above equation (2) and display the value, etc. In the above embodiment, a two-wavelength orthogonally polarized laser light source is used as the two-wavelength monochromatic light source. However, the same applies when using light generated using an acousto-optic device such as a Bragg cell as the two-wavelength monochromatic light. The effect of can be obtained. In this case, the two-wavelength monochromatic light source can be made compact by combining the acousto-optic element and the semiconductor laser. Furthermore, using an optical fiber such as a polarization-maintaining optical fiber for the incident optical system of the two-wavelength laser light, a technique is used in which the movement amount detection optical system body and the two-wavelength monochromatic light source are separated, and the two are coupled by an optical fiber. By doing so, it is possible to make the position detecting optical system more compact. Also, an example has been described in which the direction of the incident light on the diffraction grating and the direction of the diffracted light from the diffraction grating are included in the yz plane perpendicular to the plane of the diffraction grating. The optical heterodyne interference beat signal is detected by optically combining two wavelengths of diffracted light of oblique incidence and oblique emission not included in the yz plane perpendicular to the diffraction grating surface as the direction of the diffracted light from Can obtain the same effect. Furthermore, as the diffraction grating in the present invention, any of an absorption type diffraction grating and a phase type diffraction grating may be used, and various diffraction gratings such as a sinusoidal diffraction grating and a phrase diffraction grating are not limited to the binary diffraction grating. It is possible to use, and it is also possible to use a reflection type diffraction grating in addition to a transmission type diffraction grating. Furthermore, in the above-described embodiment, a grating element in which the grating elements are arranged in parallel to the x-axis direction is used as the diffraction grating, but a similar diffraction grating is also formed in the y-axis direction perpendicular to the x-axis. , X, y, it is also possible to set the optical system in the two directions x, y so that the amount of displacement Δx, Δy in the two directions, x, y, can be detected. In this case, a diffraction grating having a checkered pattern may be used in two directions of x and y in addition to the diffraction grating as in the above embodiment. [Effects of the Invention] As described above in detail, according to the present invention, the first and second diffraction grating pairs serving as references are provided, and further, the third diffraction grating for measuring the amount of displacement is set. Optical heterodyne interference beam signals obtained from first and second pairs of diffraction gratings, in which two wavelengths of monochromatic light having slightly different frequencies are incident on the diffraction grating and three optical heterodyne interference lights generated from these diffraction gratings are used as references. With the phase difference between the reference value and the difference between the phase difference between the second and third optical heterodyne interference beat signals, by detecting the relative displacement between the diffraction gratings, the minute fluctuation of the detection optical system, The effects of fluctuations in the temperature, pressure, etc. of the air in the optical path system can be removed, and the relative displacement can be detected with high stability and high accuracy.
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例として示した位置ずれ検出装置の構成図、第2図は
第1図の回折格子48の詳細構成を示す図、第3図(a)、(b)は第1図の回折
格子48の詳細構成を示す別の図、第4図は従来の位置ずれ検出装置の構成図、第
5図は第4図の回折格子MPの詳細構成を示す図、第6図は第4図の位置ずれ検
出制御回路25の詳細構成を示すブロック図である。
40…2波長直交偏光レーザー光源、41、43…ミラー、42…偏光ビームスプリッタ
ー、44、49…円筒レンズ、45…対物レンズ、46、50…楕円状入射ビーム、47…ウ
エハ、48…回折格子、51…xyステージ、52…楕円ビームスポット、53、54、55
…光ヘテロダイン干渉合成回折光、56…ハーフミラー、57、58、59…プリズム状
ミラー、60、61、62…集光レンズ、63、64、65…偏光板、66、67、68…光検出器
、69…信号処理制御部、70…接眼鏡、71、72、73…基準回折格子。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a position shift detecting device shown as an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of a diffraction grating 48 of FIG. 1, and FIG. a) and (b) are other views showing the detailed configuration of the diffraction grating 48 in FIG. 1, FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional displacement detection device, and FIG. 5 is a detail of the diffraction grating MP in FIG. FIG. 6 is a block diagram showing a detailed configuration of the position shift detection control circuit 25 of FIG. 40: two-wavelength orthogonally polarized laser light source, 41, 43: mirror, 42: polarizing beam splitter, 44, 49: cylindrical lens, 45: objective lens, 46, 50: elliptical incident beam, 47: wafer, 48: diffraction grating , 51 ... xy stage, 52 ... elliptical beam spot, 53, 54, 55
… Optical heterodyne interference synthetic diffracted light, 56… Half mirror, 57, 58, 59… Prism mirror, 60, 61, 62… Condensing lens, 63, 64, 65… Polarizer, 66, 67, 68… Light detection Device, 69: signal processing control unit, 70: eyepiece, 71, 72, 73: reference diffraction grating.
Claims (1)
して用い、前記第一の回折格子、前記第二の回折格子、第三の回折格子の順序に
配列するように、前記第一、および第二の回折格子に対して位置合わせをして前
記第三の回折格子を形成し、前記第一、第二、および第三の回折格子に、周波数
が互いにわずかに異なる2波長の単色光を入射させ、前記第一、第二、および第
三の回折格子から生じる回折光を光ヘテロダイン干渉させ、前記第一、第二、お
よび第三の回折格子からそれぞれ第一、第二、および第三のヘテロダイン干渉ビ
ート信号を生成し、前記第一と第二の光ヘテロダイン干渉ビート信号間の第一の
位相差と前記第二と第三の光ヘテロダイン干渉ビート信号間の第二の位相差とを
検出し、前記第一と第二の位相差の差分処理を行って、前記第一、第二、および
第三の回折格子間の位置ずれ量を測定することを特徴とする回折格子による位置
ずれ検出方法。 (2)物体上に固定、或は形成した第一、および第二の回折格子と、前記第一の
回折格子、前記第二の回折格子、第三の回折格子の順序に配列するように、前記
第一、および第二の回折格子に対して位置合わせをして固定、或は形成した前記
第三の回折格子と、周波数が互いにわずかに異なる2波長の単色光を発生する光
源と、その光源から発せられた2波長の単色光を前記第一、第二、および第三の
回折格子に入射させる入射手段と、前記第一、第二、および第三の回折格子から
生じる2波長の回折光を合成し、前記第一、第二、および第三の回折格子からそ
れぞれ第一、第二、および第三の光ヘテロダイン干渉ビート信号を生成する光合
成検出手段と、前記第一と第二の光ヘテロダイン干渉ビート信号間の第一の位相
差と前記第二と第三の光ヘテロダイン干渉ビート信号間の第二の位相差とを検出
し、前記第一と第二の位相差の差分処理を行って、前記第一、第二、および第三
の回折格子間の位置ずれ量を測定する信号処理装置とを具備してなることを特徴 とする回折格子による位置ずれ検出装置。Claims: (1) The first diffraction grating, the second diffraction grating, and the third diffraction grating fixed or formed on an object are used as measurement reference scales. The first, second and third diffraction gratings are aligned with respect to the first and second diffraction gratings so as to be arranged in the order of the diffraction gratings. On the diffraction grating, monochromatic light of two wavelengths whose frequencies are slightly different from each other is made incident, and the first, second, and third diffraction gratings cause light heterodyne interference of the diffracted light, and the first, second, and First, second, and third heterodyne interference beat signals are generated from a third diffraction grating, respectively, and a first phase difference between the first and second optical heterodyne interference beat signals and the second and And the second phase difference between the three optical heterodyne interference beat signals. Detecting and performing a difference process between the first and second phase differences to measure the amount of misalignment between the first, second, and third diffraction gratings. Detection method. (2) First and second diffraction gratings fixed or formed on an object, and arranged in the order of the first diffraction grating, the second diffraction grating, and the third diffraction grating, The first and second diffraction gratings are aligned and fixed or formed, or the third diffraction grating, and a light source that generates monochromatic light of two wavelengths whose frequencies are slightly different from each other, Incident means for causing the monochromatic light of two wavelengths emitted from the light source to enter the first, second, and third diffraction gratings; and a diffraction of two wavelengths generated from the first, second, and third diffraction gratings. Combining the light, the first, second, and first, second, and third from the diffraction grating, respectively, photosynthesis detection means for generating a third optical heterodyne interference beat signal, the first and second, A first phase difference between the optical heterodyne interference beat signal and the second and third Detecting a second phase difference between the optical heterodyne interference beat signals and performing a difference process between the first and second phase differences to obtain a displacement between the first, second, and third diffraction gratings. And a signal processing device for measuring the quantity.
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