JP3223932B2 - Semiconductor device manufacturing method, and position detecting apparatus and exposure apparatus used in the method - Google Patents
Semiconductor device manufacturing method, and position detecting apparatus and exposure apparatus used in the methodInfo
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子等を
製造する際に用いられる投影露光装置の位置検出装置に
関し、特に投影光学系を介して感光基板上の位置合わせ
用のマークの位置を検出するため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 detecting device of a projection exposure apparatus used for manufacturing, for example, a semiconductor device or the like, and more particularly, to a position detecting mark position on a photosensitive substrate via a projection optical system. It is suitable for use in detecting.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体素子等をフォトリソグラフィ技術
を用いて製造する際に、被投影原版(以下、「レチク
ル」という)に形成された回路パターン像を投影光学系
を介してウエハ上のフォトレジスト層に転写する投影露
光装置が使用されている。一般に半導体素子はウエハ上
に多数層の回路パターンを重ねることにより形成される
ため、投影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、ウエハ上の前層に形成さ
れた回路パターンとこれから投影するレチクルとの相対
的な位置合わせ(アライメント)を正確に行うことが必
要である。2. Description of the Related Art When a semiconductor device or the like is manufactured using photolithography technology, a circuit pattern image formed on an original plate to be projected (hereinafter referred to as a "reticle") is exposed to a photoresist on a wafer through a projection optical system. A projection exposure apparatus for transferring to a layer is used. Generally, semiconductor elements are formed by superimposing a large number of circuit patterns on a wafer. Therefore, when a circuit pattern of a second layer or later is transferred onto a wafer in a projection exposure apparatus, the semiconductor element is formed on a front layer on the wafer. It is necessary to accurately perform relative alignment (alignment) between the circuit pattern thus formed and the reticle to be projected.
【0003】斯かる位置合わせを行うために、ウエハ上
には回路パターンと共に位置合わせ用のアライメントマ
ーク(ウエハマーク)が形成され、レチクル上にも位置
合わせ用のアライメントマーク(レチクルマーク)が形
成されている。そして、ウエハマークとレチクルマーク
との相対的な位置関係を所定の関係に設定することによ
り、ウエハとレチクルとの位置合わせが行われている。
このように位置合わせを行うためには、先ずウエハ上の
ウエハマークの位置を検出する装置が必要である。In order to perform such alignment, alignment marks (wafer marks) for alignment are formed on a wafer together with a circuit pattern, and alignment marks (reticle marks) for alignment are also formed on a reticle. ing. Then, by setting the relative positional relationship between the wafer mark and the reticle mark to a predetermined relationship, the alignment between the wafer and the reticle is performed.
In order to perform such positioning, an apparatus for detecting the position of a wafer mark on a wafer is first required.
【0004】従来のウエハマーク用の位置検出装置とし
ては、所定のアライメント光を用いて投影光学系を介し
てウエハマークを検出するスルー・ザ・レンズ(TT
L)方式や、更にレチクルを介してウエハマークを検出
するスルー・ザ・レチクル(TTR)方式の検出装置が
知られている。この際、投影露光装置の投影光学系は露
光光の波長に対してのみ良好に収差補正されているの
で、アライメント光を露光光と異なる波長にした場合に
は、投影光学系において諸収差が生じてしまう。As a conventional position detecting apparatus for a wafer mark, a through-the-lens (TT) for detecting a wafer mark through a projection optical system using predetermined alignment light is used.
L) and a through-the-reticle (TTR) type detection device for detecting a wafer mark via a reticle are known. At this time, since the projection optical system of the projection exposure apparatus is well corrected for aberration only with respect to the wavelength of the exposure light, when the alignment light has a different wavelength from the exposure light, various aberrations occur in the projection optical system. Would.
【0005】しかしながら、アライメント光を露光光と
同一波長とした場合、ウエハ上に塗布されたフォトレジ
スト層がアライメント光を吸収して感光してしまい、し
かもウエハマークからの反射光が減少し、ウエハマーク
検出時の検出信号のSN比が低下してしまうという問題
が起こる。このため、この種の位置検出装置としては、
例えば特開平1−227431号公報に開示されている
ように、露光光とは異なる波長のアライメント光を用
い、光軸方向の色収差(軸上色収差)を補正したもの
や、特公平2−35446号公報、特公平2−3544
7号公報等に開示されているように、単色光であるアラ
イメント光における非点収差、コマ収差を補正する光学
系を備えたものが提案されてきた。However, when the alignment light has the same wavelength as the exposure light, the photoresist layer applied on the wafer absorbs the alignment light and is exposed, and the reflected light from the wafer mark decreases, and There is a problem that the SN ratio of the detection signal at the time of mark detection is reduced. For this reason, as this type of position detecting device,
For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-227431, an alignment light having a wavelength different from that of exposure light is used to correct chromatic aberration (axial chromatic aberration) in the optical axis direction. Gazette, Tokuhei 2-3544
As disclosed in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 7-1995, there has been proposed an apparatus having an optical system for correcting astigmatism and coma in alignment light that is monochromatic light.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
に於いては、アライメント時には一般に検出対象とする
ウエハ上のウエハマークの位置は投影光学系の軸外にあ
り、このような軸外のマークの像を色収差のある投影光
学系で観察するために、アライメント光としては単色光
が使用されていた。In the prior art as described above, the position of a wafer mark on a wafer to be detected is generally off-axis of the projection optical system at the time of alignment. In order to observe an image of a mark with a projection optical system having chromatic aberration, monochromatic light has been used as alignment light.
【0007】しかしながら、アライメント光として単色
光を使用すると、ウエハ上に塗布されたフォトレジスト
上からの反射光とウエハの表面からの反射光とが干渉を
起こし、ウエハマークの位置を検出できなくなるか、又
はウエハマークの位置を誤って検出する虞があった。即
ち、一般にウエハマークはウエハ上に凹凸のパターンと
して形成されており、その上に塗布されるフォトレジス
トの厚さの分布は非対称となることが避けられず、これ
に伴って薄膜干渉により形成される干渉縞も非対称とな
る。従って、その干渉縞から得られる検出信号も非対称
且つ複雑となり、ウエハマークの検出ができないか、又
は検出誤差が増大する等の不都合が生じる。However, if monochromatic light is used as the alignment light, interference occurs between the reflected light from the photoresist applied on the wafer and the reflected light from the surface of the wafer, making it impossible to detect the position of the wafer mark. Alternatively, the position of the wafer mark may be erroneously detected. That is, in general, the wafer mark is formed as an uneven pattern on the wafer, and the distribution of the thickness of the photoresist applied thereon is unavoidably asymmetric, and thus the thin film is formed by thin film interference. Interference fringes are also asymmetric. Therefore, the detection signal obtained from the interference fringes is also asymmetric and complicated, which causes inconvenience such that a wafer mark cannot be detected or a detection error increases.
【0008】また、ウエハ上でフォトレジストの塗布む
らが生じている場合でも、形成される干渉縞が非対称且
つ複雑となり、ウエハマークの位置検出に支障が生じ
る。一方、フォトレジスト層による薄膜干渉の影響を受
けにくくするために、アライメント光として或る波長帯
域幅をもった光を用いると、アライメント光の波長帯域
内での波長差によって投影光学系でかなりの色収差が発
生し、ウエハマークの像がぼけてしまう。Further, even when the photoresist is unevenly coated on the wafer, the formed interference fringes are asymmetric and complicated, which hinders the position detection of the wafer mark. On the other hand, if light having a certain wavelength bandwidth is used as alignment light in order to reduce the influence of the thin film interference by the photoresist layer, a considerable amount of light will be generated in the projection optical system due to the wavelength difference within the wavelength band of the alignment light. Chromatic aberration occurs, and the image of the wafer mark is blurred.
【0009】特に、ウエハ上でのウエハマークをサジタ
ル方向(ウエハ上で投影光学系の光軸を含む面と直交す
る方向)に設けることが、メリジオナル方向(ウエハ上
で投影光学系の光軸を含む面内の方向)での位置合わせ
精度の向上に重要であるが、色収差中の倍率色収差(横
の色収差)が存在すると、メリジオナル方向での位置検
出に大きな支障をきたす。In particular, it is important to provide a wafer mark on the wafer in a sagittal direction (a direction orthogonal to a plane including the optical axis of the projection optical system on the wafer) in a meridional direction (an optical axis of the projection optical system on the wafer). (In-plane direction), it is important to improve the alignment accuracy. However, the presence of chromatic aberration of magnification (lateral chromatic aberration) in chromatic aberration greatly hinders position detection in the meridional direction.
【0010】ここで、アライメント光の波長帯域内での
倍率色収差の問題について図8〜図10を参照して説明
する。一般に或る波長帯域を持つアライメント光で、投
影光学系を介して軸外にあるアライメントマークをメリ
ジオナル方向に観察すると、各波長によって図8(a)
に示すように、ウエハマークの横ずれが生じる。アライ
メント光の基準波長を中心波長λ0 とすると、図8
(a)においては、その基準波長λ0 によるウエハマー
クの像の検出信号を実線の曲線14Aで、アライメント
光の波長帯域内の最小波長λ- によるウエハマークの像
の検出信号を点線の曲線14Bで、最大波長λ+ による
ウエハマークの像の検出信号を一点鎖線の曲線14Cで
それぞれ示す。Here, the problem of lateral chromatic aberration in the wavelength band of the alignment light will be described with reference to FIGS. In general, when an off-axis alignment mark is observed in the meridional direction via a projection optical system with alignment light having a certain wavelength band, FIG.
As shown in (1), lateral displacement of the wafer mark occurs. Assuming that the reference wavelength of the alignment light is the center wavelength λ 0 , FIG.
In (a), the detection signal of the image of the wafer mark at the reference wavelength λ 0 is a solid curve 14A, and the detection signal of the image of the wafer mark at the minimum wavelength λ − in the wavelength band of the alignment light is a dotted curve 14B. , The detection signal of the image of the wafer mark at the maximum wavelength λ + is shown by a dashed line curve 14C.
【0011】これに対して、ウエハマークは各波長によ
る像の合成像として検出され、図8(a)の場合のよう
に各波長のウエハマークからの反射光強度がほぼ同じで
あれば、それらの合成像として図8(b)に示すよう
に、波形15が中心16に関して対称な検出信号が得ら
れる。ところが、ウエハマークがフォトレジスト等の薄
膜で覆われている場合、僅かな塗布むらによって反射光
の強度が変化することがある。On the other hand, the wafer mark is detected as a composite image of the images at the respective wavelengths. If the reflected light intensity from the wafer mark at each wavelength is substantially the same as in the case of FIG. As shown in FIG. 8B, a detection signal whose waveform 15 is symmetric with respect to the center 16 is obtained as a composite image of. However, when the wafer mark is covered with a thin film such as a photoresist, the intensity of the reflected light may change due to slight coating unevenness.
【0012】図9はフォトレジストの膜厚tと各波長に
おける反射光の強度Iとの関係を示し、この図9におい
て、曲線17A,17B及び17Cがそれぞれアライメ
ント光の波長帯域内の基準波長λ0 、最小波長λ- 及び
最大波長λ+ に対する反射光の強度Iの変化を示してい
る。即ち、反射光の強度Iは波長に依存する周期をもっ
て膜厚tに関して周期的に変化し、膜厚tが僅かに変わ
るだけで、各波長の反射強度に大きな差が生じることに
なる。FIG. 9 shows the relationship between the thickness t of the photoresist and the intensity I of the reflected light at each wavelength. In FIG. 9, curves 17A, 17B and 17C respectively indicate the reference wavelength λ in the wavelength band of the alignment light. 0 , the change in the intensity I of the reflected light with respect to the minimum wavelength λ − and the maximum wavelength λ + . That is, the intensity I of the reflected light periodically changes with respect to the film thickness t with a wavelength-dependent period, and a slight change in the film thickness t causes a large difference in the reflection intensity at each wavelength.
【0013】例えば、図9において、フォトレジストの
膜厚がt1 であるとき、反射光の強度IはI(λ+ )>
I(λ0 )>I(λ- )となり、図10(a)に示すよ
うに、最大波長λ+ における像強度(曲線18Cで表さ
れる)が強くなり、最小波長λ- における像強度(曲線
18Bで表される)が弱くなる。その結果、ウエハマー
クは図10(b)に示す曲線19で表されるような非対
称な合成強度の像として観察され、像強度の中心20が
図8(b)の場合の中心16に対してΔxだけずれるこ
とになる。For example, in FIG. 9, when the thickness of the photoresist is t 1 , the intensity I of the reflected light is I (λ + )>
I (λ 0)> I (λ − ), and as shown in FIG. 10A, the image intensity at the maximum wavelength λ + (represented by the curve 18C) increases, and the image intensity at the minimum wavelength λ − (the curve 18B). As a result, the wafer mark is observed as an image having an asymmetric combined intensity as represented by a curve 19 shown in FIG. 10B, and the center 20 of the image intensity is different from the center 16 in the case of FIG. It will be shifted by Δx.
【0014】つまり、光の干渉による影響を低減するた
めに、アライメント光に或る波長幅を持たせた場合、新
たに倍率色収差の問題が生じ、各波長の像の合成像の形
がフォトレジストの膜厚のわずかな塗布むらによって変
化する。その結果、ウエハマークの位置検出結果に誤差
が生じることになる。また、投影光学系の色収差には軸
上色収差(縦の色収差)も含まれるが、この軸上色収差
が存在する場合に、アライメント光に或る波長帯域幅を
持たせると、検出素子の検出面上でウエハマークの像が
ぼけて、ウエハマークの位置検出精度が低下する虞があ
る。That is, when a certain wavelength width is given to the alignment light in order to reduce the influence of light interference, a problem of chromatic aberration of magnification newly arises, and the shape of the composite image of the image of each wavelength is changed to a photoresist. Changes due to slight coating unevenness of the film thickness. As a result, an error occurs in the result of detecting the position of the wafer mark. Further, the chromatic aberration of the projection optical system includes axial chromatic aberration (longitudinal chromatic aberration), and when this axial chromatic aberration exists, if the alignment light has a certain wavelength bandwidth, the detection surface of the detecting element Above, the image of the wafer mark may be blurred, and the accuracy of detecting the position of the wafer mark may be reduced.
【0015】本発明は斯かる点に鑑み、倍率色収差及び
軸上色収差を有する投影光学系を介して感光基板上の位
置合わせ用のマークの像を検出して、マスクと感光基板
との位置合わせを行うに際し、位置合わせ用のマークが
薄膜で覆われている場合においても、薄膜干渉の影響を
受けずに高精度にその感光基板上の位置合わせ用のマー
クの位置を検出できるようにすることを目的とする。In view of the above, the present invention detects an image of an alignment mark on a photosensitive substrate via a projection optical system having chromatic aberration of magnification and axial chromatic aberration, and aligns the mask with the photosensitive substrate. When performing the alignment, even if the alignment mark is covered with a thin film, the position of the alignment mark on the photosensitive substrate can be detected with high accuracy without being affected by the thin film interference. With the goal.
【0016】[0016]
【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、例えば図1に示すように、露光光をマスク(R)
上に照明し、マスク(R)上のパターンを基板(W)上
に転写する際に、基板(W)上のマーク(WM)の位置
を検出する装置において、基板(W)上のマーク(W
M)にその露光光とは異なる所定の波長域の位置検出光
を照明する照明光学系(1,2,6〜10)と、マーク
(WM)からのその位置検出光を集光して結像する投影
光学系(1)と、その投影光学系(1)により結像され
た像を再結像してマーク(WM)の像を形成する結像光
学系(2,4)と、マーク(WM)の像を検出する検出
手段(5)とを有する。According to the position detecting device of the present invention, for example, as shown in FIG.
Illuminate the pattern on the mask (R) on the substrate (W)
When transferring the mark (W) onto the substrate (W), the mark (W) on the substrate (W) is detected by an apparatus for detecting the position of the mark (WM) on the substrate (W).
M), the position detecting light from the mark (WM) is condensed with an illumination optical system (1, 2, 6 to 10) for illuminating position detecting light in a predetermined wavelength range different from the exposure light. Projection to image
An image is formed by the optical system (1) and the projection optical system (1).
An imaging optical system (2, 4) for re-imaging the image formed to form an image of the mark (WM), and detecting means (5) for detecting an image of the mark (WM). .
【0017】そして、マーク(WM)からの位置検出光
が投影光学系(1)を介する事により投影光学系(1)
にて発生する倍率色収差と軸上色収差とを結像光学系
(2,4)に対する軸上色収差に変換するために、投影
光学系(1)の光軸に対して結像光学系(2,4)の光
軸を傾斜させて配置し、結像光学系(2,4)にその変
換された軸上色収差を補正する補正光学系(2)を設
け、その位置検出光の内の基準波長の光に関して基板
(W)上のマーク(WM)の形成面と共役な面(R1)
に対し、検出手段(5)の検出面を結像光学系(2,
4)に関してアオリの関係で配置したものである。The position detection light from the mark (WM) passes through the projection optical system (1), so that the projection optical system (1)
In order to convert the magnification chromatic aberration and the axial chromatic aberration generated in the above into the axial chromatic aberration for the imaging optical system (2, 4), the imaging optical system (2, 4) The optical axis of (4) is arranged obliquely, a correction optical system (2) for correcting the converted axial chromatic aberration is provided in the imaging optical system (2, 4), and a reference wavelength of the position detection light is provided. Plane (R1) conjugate with the plane of formation of the mark (WM) on the substrate (W)
In contrast, the detection surface of the detection means (5) is connected to the imaging optical system (2, 2).
4) is arranged in a tilt relationship.
【0018】この場合、その結像光学系(2,4)は、
マーク(WM)からの位置検出光を集光する対物レンズ
(2)とこの対物レンズ(2)を介した位置検出光によ
りマーク(WM)の像を形成する結像レンズ(4)とを
有し、対物レンズ(2)を、その補正光学系としても良
い。また、本発明による露光装置は、本発明の位置検出
装置と、そのマスクを照明する露光光学系とを備えたも
のである。 次に、本発明による半導体素子の製造方法
は、露光されるべき基板上のマークに所定に波長域の位
置検出光を照明する照明工程と、そのマークからのその
位置検出光を集光してそのマーク像を形成する結像工程
と、そのマーク像を検出する検出工程と、そのマーク像
を検出する際に発生する倍率色収差と軸上色収差とを軸
上色収差に変換する変換工程と、その変換工程にて変換
された軸上色収差を補正する補正工程と、露光光をマス
ク上に照明し、このマスク上のパターンを基板上に転写
する転写工程とを有するものである。 In this case, the imaging optical system (2, 4)
An objective lens (2) for condensing position detection light from the mark (WM) and an imaging lens (4) for forming an image of the mark (WM) by the position detection light passing through the objective lens (2). Then, the objective lens (2) may be used as the correction optical system. Further, the exposure apparatus according to the present invention provides the position detection according to the present invention.
And an exposure optical system for illuminating the mask.
It is. Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention
Mark on the substrate to be exposed
Lighting process to illuminate the position detection light, and the
An imaging process of forming a mark image by condensing position detection light
And a detecting step of detecting the mark image, and the mark image
The chromatic aberration of magnification and axial chromatic aberration that occur when detecting
Conversion process to convert to upper chromatic aberration and conversion in the conversion process
Correction process to correct the axial chromatic aberration,
Pattern on the mask and transfer the pattern on the mask onto the substrate
And a transfer step.
【0019】[0019]
【作用】斯かる本発明によれば、投影光学系(1)で発
生する軸上(縦の)色収差及び倍率(横の)色収差は、
位置検出用の光学系で観察する領域が狭い場合には、観
察視野全面でほぼ同一量である。また、投影光学系
(1)で発生する倍率色収差量は、位置検出光の波長域
においては波長に対してほぼリニアに変化する。従っ
て、その位置検出光の基準波長をその波長域内の中心波
長λ0 、その波長域内の最小波長をλ- 、最大波長をλ
+ とすると、図1の基板(W)上のマーク(WM)から
反射された位置検出光によるマーク(WM)の任意の1
点の像は、図2に示すように、面R1- 上の点A- 〜面
R1上の点A〜面R1+ 上の点A+ に分布する。そし
て、倍率色収差によりこれらの点A- 、点A及び点A+
を通る直線は投影光学系(1)の光軸に対して傾斜して
いる。According to the present invention, on-axis (longitudinal) chromatic aberration and magnification (lateral) chromatic aberration generated in the projection optical system (1) are as follows:
When the area to be observed by the position detecting optical system is narrow, the amount is almost the same over the entire observation visual field. The amount of chromatic aberration of magnification generated in the projection optical system (1) changes almost linearly with respect to the wavelength in the wavelength range of the position detection light. Therefore, the reference wavelength of the position detection light is the center wavelength λ 0 in the wavelength range, the minimum wavelength in the wavelength range is λ − , and the maximum wavelength is λ
If + , any one of the marks (WM) by the position detection light reflected from the marks (WM) on the substrate (W) in FIG.
Image of the point, as shown in FIG. 2, the surface R1 - distributed in A + point point A~ surface point A~ surface R1 + above on R1 above. Then, due to the chromatic aberration of magnification, these points A − , A and A +
Is inclined with respect to the optical axis of the projection optical system (1).
【0020】そこで、本発明では、図3に示すように、
結像光学系としての検出光学系(2,4)の光軸をそれ
らの点A- 、点A及び点A+ を通る直線に平行に設定す
る。これにより位置検出光の波長域に対する投影光学系
(1)の倍率色収差が軸上色収差に変換されたことにな
る。次は、それら検出光学系(2,4)の補正光学系
(2)によりその軸上色収差を補正するだけで、色収差
が補正される。Therefore, in the present invention, as shown in FIG.
The optical axis of the detection optical system (2, 4) as the imaging optical system is set parallel to a straight line passing through the points A − , A and A + . This means that the chromatic aberration of magnification of the projection optical system (1) with respect to the wavelength range of the position detection light has been converted into axial chromatic aberration. Next, the chromatic aberration is corrected only by correcting the axial chromatic aberration by the correction optical system (2) of the detection optical systems (2, 4).
【0021】但し、検出光学系(2,4)の光軸を傾斜
させたことにより、図3に示すように、位置検出光内の
基準波長λ0 の光のもとで、基板(W)上のマーク(W
M)と共役な面R1と検出光学系(2,4)の光軸とが
傾斜している。そこで、その面R1と検出手段(5)の
検出面とを検出光学系(2,4)に関してほぼアオリの
関係で配置する。これにより、検出手段(5)ではマー
ク(WM)の色収差が無く且つ鮮明な像を観察すること
ができる。However, since the optical axes of the detection optical systems (2, 4) are inclined, as shown in FIG. 3, under the light of the reference wavelength λ 0 in the position detection light, the substrate (W) Mark above (W
The plane R1 conjugate to M) and the optical axis of the detection optical system (2, 4) are inclined. Therefore, the surface R1 and the detection surface of the detection means (5) are arranged in a substantially tilt relationship with respect to the detection optical system (2, 4). Thus, the detection means (5) can observe a clear image without chromatic aberration of the mark (WM).
【0022】また、図4に示すように、面R1(物体
面)が検出光学系(2,4)の物側主平面に対して角度
θで交差し、検出手段(5)の検出面(像面)が検出光
学系(2,4)の像側主平面に対して角度αで交差して
いるものとして、検出光学系(2,4)の倍率をβとす
る。この場合、アオリの関係が成立していると、シャイ
ンプループの条件(即ち、tan α=β・tan θ)により
検出面の角度αが決定される。As shown in FIG. 4, the surface R1 (object surface) intersects the object side main plane of the detection optical system (2, 4) at an angle θ, and the detection surface (1) of the detection means (5). Assuming that the image plane) intersects the image-side principal plane of the detection optical system (2, 4) at an angle α, the magnification of the detection optical system (2, 4) is β. In this case, if the tilt relationship is established, the angle α of the detection surface is determined by the Scheimpflug condition (ie, tan α = β · tan θ).
【0023】但し、通常アオリの関係のもとでは、像高
により倍率が異なるため、図4の検出光学系(2,4)
が両側テレセントリックな光学配置をとることが望まし
い。それにより、像面に垂直な方向での倍率はβとな
る。但し、この場合でも像面に沿った倍率γは(β4・si
n2θ+β2・cos2θ)1/2 となる。更に、例えば図1に示
すように、その検出光学系(2,4)が、マーク(W
M)からの位置検出光を集光する対物レンズ(2)とこ
の対物レンズ(2)を介した位置検出光によりマーク
(WM)の像を形成する結像レンズ(4)とを有し、対
物レンズ(2)を、その軸上色収差補正用の補正光学系
とした場合には、検出光学系(2,4)の構成が簡略化
される。However, under a normal tilt relationship, the magnification differs depending on the image height, so that the detection optical system (2, 4) shown in FIG.
Preferably have a telecentric optical arrangement on both sides. Thereby, the magnification in the direction perpendicular to the image plane becomes β. However, even in this case, the magnification γ along the image plane is (β 4 · si
n 2 θ + β 2 · cos 2 θ) 1/2 . Furthermore, as shown in FIG. 1, for example, the detection optical system (2, 4)
An objective lens (2) for condensing the position detection light from M) and an imaging lens (4) for forming an image of the mark (WM) by the position detection light passing through the objective lens (2); When the objective lens (2) is a correction optical system for correcting axial chromatic aberration, the configuration of the detection optical system (2, 4) is simplified.
【0024】[0024]
【実施例】以下、本発明の第1実施例につき図1〜図6
を参照して説明する。図1は、本実施例の位置検出装置
が組み込まれた投影露光装置の要部を示し、この図1に
おいて、不図示の露光光学系からの露光光は、転写用の
回路パターンが形成されたレチクルRを均一に照明し、
その露光光のもとでレチクルRの回路パターン像が投影
光学系1を介してウエハW上に投影されて転写される。
即ち、レチクルRのパターン形成面とウエハWの露光面
とは投影光学系1に関して共役に配置されている。1 to 6 show a first embodiment of the present invention .
This will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a main part of a projection exposure apparatus in which the position detecting device of the present embodiment is incorporated. In FIG. 1, exposure light from an exposure optical system (not shown) has a transfer circuit pattern formed thereon. Illuminate the reticle R uniformly,
A circuit pattern image of the reticle R is projected and transferred onto the wafer W via the projection optical system 1 under the exposure light.
That is, the pattern forming surface of the reticle R and the exposure surface of the wafer W are conjugated with respect to the projection optical system 1.
【0025】一方、ウエハW上の各ショット領域の近傍
に形成されたアライメントマークとしてのウエハマーク
WMの位置を検出するための位置検出装置が、レチクル
Rの上方に配置されている。その位置検出装置とレチク
ルR上のアライメントマークとしてのレチクルマーク
(不図示)の位置を検出するための位置検出装置(不図
示省略)とより、ウエハW上の各ショット領域とレチク
ルRとの相対的な位置合わせを行うためのアライメント
系が構成される。この場合、ウエハマークWMの位置を
検出するための本例の位置検出装置により、同時にレチ
クルR上のレチクルマークの位置を検出するものであっ
てもよい。即ち、本実施例のアライメント系は、レチク
ルマークとウエハマークWMとを同時に検出できる所謂
TTR(スルー・ザ・レチクル)方式である。On the other hand, a position detecting device for detecting the position of a wafer mark WM as an alignment mark formed near each shot area on the wafer W is disposed above the reticle R. The relative position between each shot area on the wafer W and the reticle R is determined by the position detecting device and a position detecting device (not shown) for detecting the position of a reticle mark (not shown) as an alignment mark on the reticle R. An alignment system for performing accurate alignment is configured. In this case, the position of the reticle mark on the reticle R may be simultaneously detected by the position detection device of the present example for detecting the position of the wafer mark WM. That is, the alignment system of the present embodiment is a so-called TTR (through-the-reticle) system that can simultaneously detect a reticle mark and a wafer mark WM.
【0026】以下では、ウエハW上のウエハマークWM
の位置を検出するための本例の位置検出装置の構成につ
き説明する。図1において、光源10は本例のアライメ
ント光用の光源であり、光源10としては或る波長幅の
光を射出する光源、例えば白色光源、ハロゲンランプ、
発光ダイオード又は多波長レーザー光源等が使用でき
る。光源10から射出された或る波長帯域を持つ光束
は、コリメータレンズ9により平行光束に変換された
後、所定の波長帯の光束のみを通過させるダイクロイッ
ク・フィルター8により波長域が狭帯化される。即ち、
ダイクロイック・フィルター8を通過した光束は、露光
光と波長が異なり、且つ所定の波長域を持つアライメン
ト光である。Hereinafter, the wafer mark WM on the wafer W will be described.
The configuration of the position detecting device of the present example for detecting the position of the position will be described. In FIG. 1, a light source 10 is a light source for alignment light of the present embodiment, and the light source 10 emits light of a certain wavelength width, for example, a white light source, a halogen lamp,
Light emitting diodes or multi-wavelength laser light sources can be used. A light beam having a certain wavelength band emitted from the light source 10 is converted into a parallel light beam by the collimator lens 9, and then the wavelength band is narrowed by the dichroic filter 8 that passes only a light beam in a predetermined wavelength band. . That is,
The light beam that has passed through the dichroic filter 8 is alignment light having a wavelength different from that of the exposure light and having a predetermined wavelength range.
【0027】そのように狭帯化されたアライメント光
は、集光レンズ7により集束されてハーフミラー6に入
射し、ハーフミラー6で反射されたアライメント光が、
対物レンズ2を経て平行光束化される。このように平行
光束化されたアライメント光がレチクルR及び投影光学
系1を介してウエハW上のウエハマークWMを照明す
る。この際に、光源10、コリメータレンズ9、ダイク
ロイック・フィルター8、集光レンズ7、ハーフミラー
6及び対物レンズ2によって位置検出装置の照明光学系
が構成されている。The alignment light narrowed in this way is focused by the condenser lens 7 and enters the half mirror 6, and the alignment light reflected by the half mirror 6 is
The light is converted into a parallel light beam through the objective lens 2. The alignment light thus converted into a parallel light beam illuminates the wafer mark WM on the wafer W via the reticle R and the projection optical system 1. At this time, the light source 10, the collimator lens 9, the dichroic filter 8, the condenser lens 7, the half mirror 6, and the objective lens 2 constitute an illumination optical system of the position detecting device.
【0028】本例では照明光学系から射出されるアライ
メント光の波長域中の基準波長をその波長域中の中心波
長λ0 とする。図1においては、その基準波長λ0 のも
とでの結像光束を実線で示し、この図1に示すように、
その照明光学系により照明されたウエハW上のウエハマ
ークWMからの基準波長λ0 の反射光は、投影光学系1
及びレチクルRを介して、レチクルRから上方へ△Lだ
け離れた面R1、即ち投影光学系1の軸上色収差の分だ
けずれた面R1上にウエハマークWMの像を結像する。
従って、その面R1は、基準波長λ0 の光のもとで投影
光学系1に関してウエハWの露光面と共役である。In this embodiment, the reference wavelength in the wavelength range of the alignment light emitted from the illumination optical system is set to the center wavelength λ 0 in the wavelength range. In FIG. 1, the imaging light flux under the reference wavelength λ 0 is shown by a solid line, and as shown in FIG.
The reflected light of the reference wavelength λ 0 from the wafer mark WM on the wafer W illuminated by the illumination optical system is transmitted to the projection optical system 1.
Then, via the reticle R, the image of the wafer mark WM is formed on the surface R1 separated upward from the reticle R by ΔL, that is, the surface R1 shifted by the axial chromatic aberration of the projection optical system 1.
Therefore, the surface R1 is conjugate with the exposure surface of the wafer W with respect to the projection optical system 1 under the light of the reference wavelength λ 0 .
【0029】また、アライメント光の波長域中の最小波
長をλ- 、最大波長をλ+ とすると、最小波長λ- の光
のもとでウエハWの露光面と共役な面は面R1- 、最大
波長λ+ の光もとでウエハWの露光面と共役な面は面R
1+ となる。面R1- と面R1+ と投影光学系1の光軸
方向の間隔ΔL1が、アライメント光に対する投影光学
系1による軸上色収差(縦の色収差)量である。また、
基準波長λ0 の光のもとで、投影光学系1に関してウエ
ハマークWMと共役な面R1上の像点の像高をYとす
る。Assuming that the minimum wavelength in the wavelength range of the alignment light is λ − and the maximum wavelength is λ + , the surface conjugate with the exposure surface of the wafer W under the light of the minimum wavelength λ − is a surface R1 − , The plane conjugate with the exposure plane of the wafer W under the light of the maximum wavelength λ + is the plane R
1 + Surface R1 - and the optical axis direction between ΔL1 surface R1 + and the projection optical system 1 is a axial chromatic aberration (longitudinal chromatic aberration) amount by the projection optical system 1 with respect to the alignment light. Also,
Under the light of the reference wavelength λ 0 , let Y be the image height of an image point on the plane R 1 conjugate with the wafer mark WM with respect to the projection optical system 1.
【0030】そして、アライメント光の内の最小波長λ
- の光に対する面R1上のウエハマークWMのデフォー
カスされた像の位置と、最大波長λ+ の光に対する面R
1上のウエハマークWMのデフォーカスされた像の位置
との、面R1に沿った方向の間隔はΔYである。この間
隔ΔYはアライメント光に対する投影光学系1による倍
率色収差(横の色収差)量である。Then, the minimum wavelength λ of the alignment light
- the position of the defocused image of the wafer mark WM on the surface R1 to light, the surface R with respect to the maximum wavelength lambda + light
The distance between the position of the defocused image of the wafer mark WM on the surface 1 and the direction along the surface R1 is ΔY. This interval ΔY is the amount of lateral chromatic aberration (lateral chromatic aberration) of the alignment light by the projection optical system 1.
【0031】この場合、本例ではレチクルRの上方に順
に配置されている対物レンズ2、ハーフミラー6、シリ
ンドリカルレンズ3及び結像レンズ4により検出光学系
が構成され、投影光学系1の色収差により面R1- 〜面
R1+ に分布するウエハマークWMのぼけた像が、その
検出光学系により2次元CCD等よりなる検出素子5の
検出面上に鮮明な像として再結像される。その検出光学
系の光軸は、投影光学系1の光軸AX0に対して所定の
交差角で交差しており、基準波長λ0 に関してウエハW
の露光面と共役な面R1と、検出素子5の検出面とは、
その検出光学系に関してアオリの結像関係を満たしてい
る。In this case, in this embodiment, a detection optical system is constituted by the objective lens 2, the half mirror 6, the cylindrical lens 3, and the imaging lens 4 arranged in order above the reticle R. surface R1 - blurred image of the wafer mark WM distributed to ~ face R1 + is, by the detection optical system is re-imaged as sharp image on the detection surface of the detection element 5 consisting of two-dimensional CCD or the like. The optical axis of the detecting optical system, intersects at a predetermined crossing angle to the optical axis AX0 of the projection optical system 1, the wafer W with respect to a reference wavelength lambda 0
The surface R1 conjugate to the exposure surface of
The detection optical system satisfies the tilt image formation relationship.
【0032】以下では、本例の検出光学系及び検出素子
5の構成につき詳細に説明する。そのため、先ず面R1
におけるウエハマークWMの像高をYとしたときの投影
光学系1の色収差について具体的に説明する。図5は、
露光光の波長λe を基準にとった場合の投影光学系1の
軸上(縦の)色収差を示し、図6は、アライメント光の
基準波長λ0 を基準にとった場合の投影光学系1の倍率
(横の)色収差を示す。図5において、投影光学系1は
露光光の波長λe に対してのみ収差補正されているの
で、露光光の波長λe の結像位置に対してアライメント
光の基準波長λ0 の結像位置は光軸方向にΔLだけずれ
る。また、基準波長λ0 による結像位置に対して最小波
長λ- による結像位置は下方にΔL1- だけずれ、基準
波長λ0 による結像位置に対して最大波長λ+ による結
像位置は上方にΔL1+ だけずれる。幅ΔL1- と幅Δ
L1+ との和が図1の軸上色収差量ΔL1である。Hereinafter, the configurations of the detection optical system and the detection element 5 of this embodiment will be described in detail. Therefore, first, the surface R1
The chromatic aberration of the projection optical system 1 when the image height of the wafer mark WM is Y is described below. FIG.
FIG. 6 shows the axial (vertical) chromatic aberration of the projection optical system 1 based on the wavelength λ e of the exposure light. FIG. 6 shows the projection optical system 1 based on the reference wavelength λ 0 of the alignment light. 2 shows lateral (horizontal) chromatic aberration. In FIG. 5, since the projection optical system 1 is aberration-corrected only for the wavelength λ e of the exposure light, the image forming position of the reference light λ 0 of the alignment light is compared with the image forming position of the exposure light λ e. Are shifted by ΔL in the optical axis direction. The minimum wavelength lambda relative imaging position of the reference wavelength lambda 0 - imaging position of the ΔL1 downwards - shifted, an imaging position of the maximum wavelength lambda + relative imaging position of the reference wavelength lambda 0 Above ΔL1 + . Width ΔL1 - and width Δ
The sum with L1 + is the axial chromatic aberration amount ΔL1 in FIG.
【0033】また、図6において、アライメント光の基
準波長λ0 による結像位置に対して最大波長λ+ による
結像位置は、光軸と直交する面内でΔY+ だけずれ、最
小波長λ- による結像位置は最大波長λ+ の場合とは反
対方向に、基準波長λ0 による結像位置に対してΔY-
だけずれる。幅ΔY- と幅ΔY+ との和が図1の倍率色
収差量ΔYである。In FIG. 6, the image forming position at the maximum wavelength λ + is shifted from the image forming position at the reference wavelength λ 0 of the alignment light by ΔY + in a plane orthogonal to the optical axis, and the minimum wavelength λ − ΔY by the imaging position in the opposite direction to the case of the maximum wavelength lambda +, with respect to an imaging position of the reference wavelength lambda 0 -
Just shift. The sum of the width ΔY − and the width ΔY + is the chromatic aberration of magnification ΔY in FIG.
【0034】図2は、図1中の面R1- 〜面R1+ のウ
エハマークWMの像の結像領域100を拡大して示し、
この図2において、図1のウエハW上のウエハマークの
任意の1点の像は、最小波長λ- 、基準波長λ0 及び最
大波長λ+ のアライメント光に対してそれぞれ面R1-
上の点A- 、面R1上の点A及び面R1+ 上の点A+に
分布する。そして、軸上色収差及び倍率色収差により、
これらの点A- 、点A及び点A+ を通る直線は投影光学
系(1)の光軸に対して傾斜している。例えば点A- と
点Aとの横方向及び縦方向のずれ量はそれぞれΔY- 及
びΔL1- である。従って、点A- 、点A及び点A+ を
通る直線の投影光学系1の光軸に対する傾斜角はほぼΔ
Y- /ΔL1- で表される。[0034] FIG. 2, the surface R1 in Figure 1 - shows an enlarged-surface R1 + of the wafer mark WM imaging area 100 of the image of,
In FIG. 2, an image of an arbitrary point of the wafer mark on the wafer W in FIG. 1 is formed on the surface R1 − with respect to the alignment light having the minimum wavelength λ − , the reference wavelength λ 0, and the maximum wavelength λ +.
A point above A -, distributed in A + a point A and a surface R1 + on a point on the surface R1. And, by the axial chromatic aberration and the chromatic aberration of magnification,
These points A -, a straight line passing through the points A and A + is inclined with respect to the optical axis of the projection optical system (1). Eg, point A - Each deviation amount in the lateral direction and the longitudinal direction between the point A [Delta] Y - and .DELTA.L1 - a. Accordingly, the inclination angle of the straight line passing through the points A − , A and A + with respect to the optical axis of the projection optical system 1 is substantially Δ
Y - / .DELTA.L1 - represented by.
【0035】図3は、図1の検出光学系及び検出素子5
を含む検出部200を拡大して示し、この図3では図1
のハーフミラー6は省略している。本例では、図3に示
すように、対物レンズ2、シリンドリカルレンズ3及び
結像レンズ4よりなる検出光学系の光軸AX1を、点A
- 、点A及び点A+ を通る直線に平行に設定する。これ
によりアライメント光の波長域に対する投影光学系1の
軸上色収差及び倍率色収差が、軸上色収差のみに変換さ
れたことになる。FIG. 3 shows the detection optical system and the detection element 5 shown in FIG.
3 is an enlarged view of the detection unit 200 including FIG.
Of the half mirror 6 is omitted. In this example, as shown in FIG. 3, the optical axis AX1 of the detection optical system including the objective lens 2, the cylindrical lens 3, and the imaging lens 4 is set to a point A.
- , Set parallel to a straight line passing through point A and point A + . As a result, the axial chromatic aberration and the lateral chromatic aberration of the projection optical system 1 with respect to the wavelength range of the alignment light are converted into only the axial chromatic aberration.
【0036】次に本例では、点A- 〜点A〜点A+ に分
布する軸上色収差を対物レンズ2により補正し、投影光
学系1によって生ずる非点収差を、図3の紙面と直交す
る方向に集光作用を有するシリンドリカルレンズ3によ
って補正し、シリンドリカルレンズ3を通過した光束が
結像レンズ4を経て検出素子5の検出面上にウエハマー
クWMの鮮明な像を結像する。[0036] In this example then, the longitudinal chromatic aberration distribution point A~ point A~ point A + is corrected by the objective lens 2, the astigmatism caused by the projection optical system 1, perpendicular to the plane of FIG. 3 The light flux passing through the cylindrical lens 3 passes through the imaging lens 4 to form a clear image of the wafer mark WM on the detection surface of the detection element 5 through the imaging lens 4.
【0037】具体的に、軸上色収差を補正するための対
物レンズ2の構成につき説明すると、図3において、対
物レンズ2の基準波長λ0 での主平面をHとする。そし
て、最大波長λ+ の光での主平面H+ を、主平面Hに対
して{(ΔL1+ )2 +(ΔY+ )2 }1/2 だけ上方に
ずらし、最小波長λ- の光での主平面H- は主平面Hに
対して{(ΔL1- )2 +(ΔY- )2 }1/2 だけ下方
にずらすように設計し、なお且つ、基準波長λ0 、最大
波長λ+ 及び最小波長λ- の光に対する対物レンズ2の
焦点距離が等しくなるようにする。また、既に説明した
ように、対物レンズ2の光軸AX1は、点A+ 、点A及
び点A- の3点を通る直線と一致するように配置されて
いる。この構成により、投影光学系1によって生ずる軸
上色収差及び倍率色収差が、対物レンズ2の軸上色収差
によって補正される。Specifically, the structure of the objective lens 2 for correcting longitudinal chromatic aberration will be described. In FIG. 3, the principal plane of the objective lens 2 at the reference wavelength λ 0 is H. Then, the main plane H + at the maximum wavelength lambda + light, relative to the main plane H {(ΔL1 +) 2 + (ΔY +) 2} shifted upward by 1/2, the minimum wavelength lambda - in the light principal plane H -, a main plane H {(ΔL1 -) 2 + (ΔY -) 2} was designed by 1/2 so as to shift downward, Note and the reference wavelength lambda 0, the maximum wavelength lambda + and The focal length of the objective lens 2 with respect to the light having the minimum wavelength λ- is made equal. Further, as already described, the optical axis AX1 of the objective lens 2, + point A, point A and point A - are arranged to coincide with the straight line passing through the three points. With this configuration, axial chromatic aberration and lateral chromatic aberration caused by the projection optical system 1 are corrected by the axial chromatic aberration of the objective lens 2.
【0038】但し、図3において、対物レンズ2の光軸
AX1を傾斜させたため、対物レンズ2の光軸に垂直な
面11に対して、基準波長λ0 に関してウエハWの露光
面と共役な面R1は、角度θだけ傾いてしまう。従っ
て、面R1上のウエハマークWMの像を検出素子5の検
出面上に鮮明に結像するためには、対物レンズ2、シリ
ンドリカルレンズ3及び結像レンズ4に関して面11と
共役な面12に対して、検出素子5の検出面を角度θ′
だけ傾斜させ、その検出面とその面R1とをアオリの結
像関係を満たすように配置する必要がある。However, in FIG. 3, since the optical axis AX1 of the objective lens 2 is inclined, a plane conjugate with the exposure plane of the wafer W with respect to the reference wavelength λ 0 with respect to the plane 11 perpendicular to the optical axis of the objective lens 2. R1 is inclined by the angle θ. Therefore, in order to clearly form the image of the wafer mark WM on the surface R1 on the detection surface of the detection element 5, the surface 12 conjugate with the surface 11 with respect to the objective lens 2, the cylindrical lens 3, and the imaging lens 4 is formed. On the other hand, the detection surface of the detection element 5 is set at an angle θ ′.
It is necessary to arrange the detection surface and the surface R1 so as to satisfy the tilt image forming relationship.
【0039】アオリの結像関係を満たすようにするに
は、検出素子5の検出面を面12に対してシャインプル
ーフの条件を満たす角度で傾斜させればよい。これによ
り、その検出面にウエハマークWMの像が鮮明に結像さ
れる。図4は、図3を簡略化して示し、この図4におい
て、対物レンズ2及び結像レンズ4の焦点距離をそれぞ
えf1 及びf2 として、対物レンズ2及び結像レンズ4
よりなる結像光学系を結像光学系2,4で表す。図3の
シリンドリカルレンズ3は非点収差を除くためにあるの
で、ここでは省略してある。シャインプルーフの条件と
は、面R1(物体面)の延長線と結像光学系2,4の物
側主平面との交点から光軸までの距離と、検出素子5の
検出面(像面)の延長線と結像光学系2,4の像側主平
面との交点から光軸までの距離とが等しい条件である。
従って、簡単のため、物側主平面と像側主平面とが等し
いとすると、シャインプルーフの条件により、面R1の
延長線と検出素子5の検出面の延長線とはその結像光学
系2,4の主平面上で交差する。In order to satisfy the tilt image formation relationship, the detection surface of the detection element 5 may be inclined with respect to the surface 12 at an angle which satisfies the condition of Scheimpflug. Thus, the image of the wafer mark WM is clearly formed on the detection surface. FIG. 4 shows a simplified version of FIG. 3. In FIG. 4, the focal lengths of the objective lens 2 and the imaging lens 4 are denoted by f 1 and f 2 , respectively.
The imaging optical system composed of the imaging optical systems 2 and 4. Since the cylindrical lens 3 in FIG. 3 is provided to remove astigmatism, it is omitted here. The conditions for Scheimpflug include the distance from the intersection of the extension of the surface R1 (object surface) and the object-side principal plane of the imaging optical systems 2 and 4 to the optical axis, and the detection surface (image surface) of the detection element 5 Are the same as the distance from the intersection of the extension line of with the image-side principal planes of the imaging optical systems 2 and 4 to the optical axis.
Therefore, for the sake of simplicity, assuming that the object-side main plane is equal to the image-side main plane, the extension of the surface R1 and the extension of the detection surface of the detection element 5 are defined by the imaging optical system 2 under the condition of Scheimpflug. , 4 intersect on the main plane.
【0040】また、その主平面と面R1との角度をθ、
その主平面と検出素子5の検出面との角度をα、結像光
学系2,4の物体面から像面への投影倍率をβとする
と、角度αは次式により定まる。 tan α=β・tan θ (1) しかしながら、単にアオリの結像関係が成立するだけで
は、一般に像高Y′により倍率が異なってしまう。そこ
で、図4に示すように、その結像光学系2,4の主平面
の近傍に絞り13を配置して、結像光学系2,4を両側
テレセントリックになるように配置する。これにより、
図4の紙面に垂直な方向の倍率はβで一定となる。但
し、この場合でも、像面に沿った倍率γは次のようにな
る。The angle between the principal plane and the surface R1 is θ,
Assuming that the angle between the principal plane and the detection surface of the detection element 5 is α and the projection magnification of the imaging optical systems 2 and 4 from the object plane to the image plane is β, the angle α is determined by the following equation. tan α = β · tan θ (1) However, simply establishing a tilt image-forming relationship generally results in a different magnification depending on the image height Y ′. Therefore, as shown in FIG. 4, a stop 13 is arranged near the main plane of the imaging optical systems 2 and 4, and the imaging optical systems 2 and 4 are arranged so as to be telecentric on both sides. This allows
The magnification in the direction perpendicular to the plane of FIG. 4 is constant at β. However, even in this case, the magnification γ along the image plane is as follows.
【0041】 γ=(β4・sin2θ+β2・cos2θ)1/2 (2) 従って、検出素子5の検出面上ではウエハマークWMの
像の縦横比が、ウエハW上のウエハマークウエハWM自
体の縦横比とは異なったものとなる。このような倍率の
相違を予め記憶しておくことにより、そのウエハマーク
WMの位置を正確に検出することができる。また、予め
ウエハW上のウエハマークWMの縦横比をそれら倍率β
及び倍率γを考慮して調整しておいてもよい。そして、
その検出面上に結像されるウエハマークの像の位置を、
例えば固定されている指標マークの位置と比較すること
により、ウエハW上のウエハマークWMの位置が検出さ
れる。Γ = (β 4 · sin 2 θ + β 2 · cos 2 θ) 1/2 (2) Accordingly, on the detection surface of the detection element 5, the aspect ratio of the image of the wafer mark WM is The aspect ratio of the wafer WM itself is different. By storing such a difference in magnification in advance, the position of the wafer mark WM can be accurately detected. Further, the aspect ratio of the wafer mark WM on the wafer W is previously determined by the magnification β
The adjustment may be made in consideration of the magnification γ. And
The position of the image of the wafer mark formed on the detection surface is
For example, the position of the wafer mark WM on the wafer W is detected by comparing with the position of the fixed index mark.
【0042】上述のように本例によれば、対物レンズ2
の光軸を傾斜させることにより、投影光学系1で発生す
る軸上色収差及び倍率色収差を軸上色収差に変換し、対
物レンズ2によりその軸上色収差を補正している。そし
て、対物レンズ2の光軸を傾斜させたことにより、基準
波長でのウエハマークWMの像の結像面R1と検出素子
5の検出面とをアオリの関係に設定して、検出面での像
のぼけを防止している。従って、アライメント光として
ウエハW上に塗布されるフォトレジストでの薄膜干渉が
生じにくい所定の波長域の光を使用した上で、投影光学
系1で生じる色収差を簡単な構成で補正することができ
る。As described above, according to this embodiment, the objective lens 2
By converting the axial chromatic aberration and the chromatic aberration of magnification generated in the projection optical system 1 into axial chromatic aberration, the objective lens 2 corrects the axial chromatic aberration. Then, by inclining the optical axis of the objective lens 2, the imaging surface R1 of the image of the wafer mark WM at the reference wavelength and the detection surface of the detection element 5 are set in a tilt relationship, and Prevents blurring of the image. Therefore, the chromatic aberration generated in the projection optical system 1 can be corrected with a simple configuration by using light in a predetermined wavelength range in which thin film interference with the photoresist applied on the wafer W is unlikely to occur as alignment light. .
【0043】また、図1において、シリンドリカルレン
ズ3は、メリジオナル像とサジタル像とを一致させるこ
とにより非点収差の補正を行うものであるが、シリンド
リカルレンズ3の代わりに例えば平行平面板を傾けて配
置してもよい。In FIG. 1, the cylindrical lens 3 corrects astigmatism by matching the meridional image and the sagittal image. Instead of the cylindrical lens 3, for example, a parallel flat plate is inclined. It may be arranged.
【0044】次に、本発明の第2実施例につき図7を参
照して説明する。本例はTTL(スルー・ザ・レンズ)
方式のアライメント系に本発明を適用したものである。
また、図7において図1に対応する部分には同一符号を
付してその詳細説明を省略する。図7は本実施例の位置
検出装置が組み込まれた投影露光装置の要部を示し、こ
の図7において、不図示の露光光学系からの露光光は、
転写用の回路パターンが形成されたレチクルRを均一に
照明し、その露光光のもとでレチクルRの回路パターン
像が投影光学系1を介してウエハW上に投影されて転写
される。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This example is TTL (through the lens)
The present invention is applied to an alignment system of a system.
In FIG. 7, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 7 shows a main part of a projection exposure apparatus in which the position detecting device of the present embodiment is incorporated. In FIG. 7, exposure light from an exposure optical system (not shown)
The reticle R on which the transfer circuit pattern is formed is uniformly illuminated, and a circuit pattern image of the reticle R is projected and transferred onto the wafer W via the projection optical system 1 under the exposure light.
【0045】また、ウエハW上の各ショット領域の近傍
に形成されたウエハマークWMの位置を検出するための
位置検出装置が投影光学系1の側方に配置されている。
この実施例においては、光源10から射出された或る波
長帯域を持つ光束は、コリメータレンズ9により平行光
束に変換された後、ダイクロイック・フィルター8によ
り波長域が狭帯化される。A position detecting device for detecting the position of a wafer mark WM formed in the vicinity of each shot area on the wafer W is arranged on the side of the projection optical system 1.
In this embodiment, a light beam having a certain wavelength band emitted from a light source 10 is converted into a parallel light beam by a collimator lens 9, and the wavelength band is narrowed by a dichroic filter 8.
【0046】そのように狭帯化されたアライメント光
は、集光レンズ7により集束されてハーフミラー6に入
射し、ハーフミラー6で反射されたアライメント光が、
対物レンズ2を経て平行光束化される。このように平行
光束化されたアライメント光がミラー21で反射された
後、レチクルR及び投影光学系1を介してウエハW上の
ウエハマークWMを照明する。The alignment light narrowed in this way is focused by the condenser lens 7 and enters the half mirror 6, and the alignment light reflected by the half mirror 6 is
The light is converted into a parallel light beam through the objective lens 2. After the collimated alignment light is reflected by the mirror 21, it illuminates the wafer mark WM on the wafer W via the reticle R and the projection optical system 1.
【0047】そして、そのように照明されたウエハW上
のウエハマークWMからの基準波長λ0 の反射光は、投
影光学系1及びミラー21を介して、ミラー21から側
方へ所定間隔だけ離れた面R1上にウエハマークWMの
像を結像する。また、アライメント光の波長域中の最小
波長λ- の光のもとでウエハWの露光面と共役な面は面
R1- 、最大波長λ+ の光もとでウエハWの露光面と共
役な面は面R1+ となる。面R1- と面R1+ と投影光
学系1の光軸方向の間隔ΔL1が、アライメント光に対
する投影光学系1による軸上色収差(縦の色収差)量で
ある。Then, the reflected light of the reference wavelength λ 0 from the wafer mark WM on the wafer W thus illuminated is separated from the mirror 21 by the predetermined distance to the side via the projection optical system 1 and the mirror 21. An image of the wafer mark WM is formed on the surface R1. Further, the surface conjugate with the exposure surface of the wafer W under the light of the minimum wavelength λ − in the wavelength range of the alignment light is conjugate with the surface R1 − and the exposure surface of the wafer W under the light of the maximum wavelength λ +. The surface becomes surface R1 + . Surface R1 - and the optical axis direction between ΔL1 surface R1 + and the projection optical system 1 is a axial chromatic aberration (longitudinal chromatic aberration) amount by the projection optical system 1 with respect to the alignment light.
【0048】そして、アライメント光の内の最小波長λ
- の光に対する面R1上のウエハマークWMのデフォー
カスされた像の位置と、最大波長λ+ の光に対する面R
1上のウエハマークWMのデフォーカスされた像の位置
との、面R1に沿った方向の間隔はΔYである。この間
隔ΔYはアライメント光に対する投影光学系1による倍
率色収差(横の色収差)量である。Then, the minimum wavelength λ of the alignment light
- the position of the defocused image of the wafer mark WM on the surface R1 to light, the surface R with respect to the maximum wavelength lambda + light
The distance between the position of the defocused image of the wafer mark WM on the surface 1 and the direction along the surface R1 is ΔY. This interval ΔY is the amount of lateral chromatic aberration (lateral chromatic aberration) of the alignment light by the projection optical system 1.
【0049】このように収差が混入した結像光束が対物
レンズ2、ハーフミラー6、シリンドリカルレンズ3及
び結像レンズ4により検出素子5の検出面上に集束さ
れ、この検出面上にウエハマークWMの鮮明な像が結像
される。本例においても、対物レンズ2の光軸は、投影
光学系1による倍率色収差及び軸上色収差を軸上色収差
い変換するように傾斜し、変換後の軸上色収差が対物レ
ンズ2により補正される。更に、面R1と検出素子5の
検出面とは、対物レンズ2〜結像レンズ4よりなる結像
光学系に関してアオリの関係を満たすように配置されて
いる。The image-forming light beam having the aberrations mixed as described above is focused on the detection surface of the detection element 5 by the objective lens 2, the half mirror 6, the cylindrical lens 3 and the imaging lens 4, and the wafer mark WM is placed on the detection surface. Is formed. Also in this example, the optical axis of the objective lens 2 is inclined so as to convert the lateral chromatic aberration and the axial chromatic aberration by the projection optical system 1 into the axial chromatic aberration, and the axial chromatic aberration after the conversion is corrected by the objective lens 2. . Further, the surface R1 and the detection surface of the detection element 5 are arranged so as to satisfy a tilt relationship with respect to an imaging optical system including the objective lens 2 to the imaging lens 4.
【0050】また、図7の例においても、対物レンズ2
と結像レンズ4との間に結像光学系を両側テレセントリ
ックにするための絞りを配置してもよい。なお、上述実
施例では所定の波長域のアライメント光が使用されてい
るが、アライメント光としては連続スペクトル光又は波
長が異なる複数の単色光よりなる多色光の何れでもよ
い。In the example shown in FIG.
A diaphragm for making the imaging optical system telecentric on both sides may be arranged between the imaging lens 4 and the imaging lens 4. In the above embodiment, the alignment light in the predetermined wavelength range is used, but the alignment light may be either continuous spectrum light or polychromatic light composed of a plurality of monochromatic lights having different wavelengths.
【0051】このように、本発明は上述実施例に限定さ
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 embodiment, and can take various configurations without departing from the gist of the present invention.
【0052】[0052]
【発明の効果】本発明によれば、ウエハ等の基板上のマ
ークを所定の波長域の光又は互いに波長が異なる複数の
光よりなる多色光で照明し、投影光学系を介して観察す
る際に、投影光学系で生ずる軸上色収差及び倍率色収差
を光軸の傾斜及び補正光学系により補正し、その光軸の
傾斜の影響をアオリの光学配置を用いて補正している。
従って、簡単な構成で良好な像を形成でき、基板上の薄
膜による干渉の影響を受けにくくできるという利点があ
る。According to the present invention, when a mark on a substrate such as a wafer is illuminated with light in a predetermined wavelength range or polychromatic light composed of a plurality of lights having different wavelengths from each other and observed through a projection optical system. In addition, on-axis chromatic aberration and lateral chromatic aberration generated in the projection optical system are corrected by the tilt of the optical axis and the correction optical system, and the influence of the tilt of the optical axis is corrected by using a tilt optical arrangement.
Therefore, there is an advantage that a good image can be formed with a simple configuration and the influence of interference by a thin film on a substrate can be reduced.
【0053】また、結像光学系が、そのマークからの位
置検出光を集光する対物レンズと、この対物レンズを介
した位置検出光によりそのマークの像を形成する結像レ
ンズとを有し、その対物レンズがその補正光学系である
場合には、光学系の構成が簡略化される。The imaging optical system has an objective lens for condensing position detection light from the mark and an imaging lens for forming an image of the mark by the position detection light passing through the objective lens. When the objective lens is the correction optical system, the configuration of the optical system is simplified.
【図1】本発明の第1実施例の位置検出装置が組み込ま
れた投影露光装置の要部を示す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a main part of a projection exposure apparatus in which a position detection device according to a first embodiment of the present invention is incorporated.
【図2】図1のウエハマークWMの像の結像領域100
を示す拡大図である。FIG. 2 is an image forming area 100 of an image of a wafer mark WM in FIG. 1;
FIG.
【図3】図1の検出光学系及び検出素子5を含む検出部
200を示す拡大図である。FIG. 3 is an enlarged view showing a detection unit 200 including the detection optical system and the detection element 5 of FIG.
【図4】アオリの光学配置とそれを両側テレセントリッ
ク系で構成したときの配置の説明に供給する図である。FIG. 4 is a diagram that is supplied to explain the optical arrangement of the tilt and the arrangement when the optical arrangement is configured as a double-sided telecentric system.
【図5】或る像高における投影光学系の軸上色収差(縦
の色収差)の波長による変化の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a change in axial chromatic aberration (longitudinal chromatic aberration) of a projection optical system at a certain image height with wavelength.
【図6】或る像高における投影光学系の倍率色収差(横
の色収差)の波長による変化の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a change in chromatic aberration of magnification (lateral chromatic aberration) of a projection optical system at a certain image height depending on a wavelength.
【図7】本発明の第2実施例が組み込まれた投影露光装
置の要部を示す概略構成図である。FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a main part of a projection exposure apparatus in which a second embodiment of the present invention is incorporated.
【図8】(a)は波長別の像の一例を示す図、(b)は
その合成像を示す図である。8A is a diagram illustrating an example of an image for each wavelength, and FIG. 8B is a diagram illustrating a composite image thereof.
【図9】フォトレジストの膜厚が変化したときの波長別
の反射光の強度の変化を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a change in the intensity of reflected light for each wavelength when the thickness of a photoresist changes.
【図10】(a)は波長別の像の他の例を示す図、
(b)はその合成像を示す図である。FIG. 10A illustrates another example of an image for each wavelength.
(B) is a diagram showing the composite image.
1 投影光学系 2 対物レンズ 3 シリンドリカルレンズ 4 結像レンズ 5 検出素子 6 ハーフミラー 7 集光レンズ 8 ダイクロイック・フィルター 9 コリメータレンズ 10 光源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Projection optical system 2 Objective lens 3 Cylindrical lens 4 Imaging lens 5 Detection element 6 Half mirror 7 Condensing lens 8 Dichroic filter 9 Collimator lens 10 Light source
Claims (4)
のパターンを基板上に転写する際に、前記基板上のマー
クの位置を検出する装置において、 前記基板上の前記マークに前記露光光とは異なる所定の
波長域の位置検出光を照明する照明光学系と、 前記マークからの前記位置検出光を集光して結像する投
影光学系と、前記投影光学系により結像された像を再結
像して前記マーク像を形成する結像光学系と、 前記マーク像を検出する検出手段とを有し、 前記マークからの前記位置検出光が前記投影光学系を介
する事により前記投影光学系にて発生する倍率色収差と
軸上色収差とを前記結像光学系に対する軸上色収差に変
換するために、前記投影光学系の光軸に対して前記結像
光学系の光軸を傾斜させて配置し、 前記結像光学系に前記変換された軸上色収差を補正する
補正光学系を設け、 前記位置検出光の内の基準波長の光に関して前記基板上
の前記マークの形成面と共役な面に対し、前記検出手段
の検出面を前記結像光学系に関してアオリの関係で配置
することを特徴とする位置検出装置。1. An apparatus for irradiating an exposure light onto a mask and detecting a position of a mark on the substrate when transferring a pattern on the mask onto the substrate , comprising: An illumination optical system for illuminating position detection light in a predetermined wavelength range different from light, and a projection system for condensing the position detection light from the mark to form an image.
The image formed by the shadow optical system and the projection optical system is re-formed.
An imaging optical system for forming the mark image by image, and detection means for detecting the mark image, on the position detection light from the mark is the projection optical system by through the projection optical system to convert the axial chromatic aberration and a lateral chromatic aberration and longitudinal chromatic aberration occurring Te with respect to the imaging optical system, tilting the optical axis of the imaging <br/> optical system with respect to the optical axis of the projection optical system The image forming optical system is provided with a correction optical system for correcting the converted axial chromatic aberration, and conjugate with the mark forming surface on the substrate with respect to light having a reference wavelength of the position detection light. A position detecting device, wherein a detecting surface of the detecting means is arranged in a tilted relationship with respect to the image forming optical system with respect to a simple surface.
記位置検出光を集光する対物レンズと、該対物レンズを
介した前記位置検出光により前記マークの像を形成する
結像レンズとを有し、 前記対物レンズは、前記補正光学系であることを特徴と
する請求項1記載の位置検出装置。Wherein said imaging optical system, an objective lens for condensing the position detection light from the mark, and an imaging lens for forming an image of the mark by the position detection light through an objective lens The position detecting device according to claim 1, wherein the objective lens is the correction optical system.
前記マスクを照明する露光光学系とを備えたことを特徴
とする露光装置。 3. The position detecting device according to claim 1 or 2,
An exposure apparatus comprising: an exposure optical system that illuminates the mask.
波長域の位置検出光を照明する照明工程と、前記マーク
からの前記位置検出光を集光して前記マーク像を形成す
る結像工程と、前記マーク像を検出する検出工程と、前
記マーク像を検出する際に発生する倍率色収差と軸上色
収差とを軸上色収差に変換する変換工程と、前記変換工
程にて変換された軸上色収差を補正する補正工程と、露
光光をマスク上に照明し、該マスク上のパターンを基板
上に転写する転写工程とを有することを特徴とする半導
体素子の製造方法。 4. An illuminating step of illuminating a mark on a substrate to be exposed with position detection light in a predetermined wavelength range, and forming an image of the mark by condensing the position detection light from the mark. Step, a detecting step of detecting the mark image, a converting step of converting the chromatic aberration of magnification and axial chromatic aberration generated when detecting the mark image into axial chromatic aberration, and an axis converted in the converting step. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a correction step of correcting upper chromatic aberration; and a transfer step of irradiating exposure light onto a mask and transferring a pattern on the mask onto a substrate.
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