JP3955985B2

JP3955985B2 - Mark position detection apparatus and method

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Publication number: JP3955985B2
Application number: JP27322996A
Authority: JP
Inventors: 正弘中川; 綾子菅谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2016-10-16
Also published as: JPH10125572A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置及びマーク位置検出方法に関し、特に半導体や液晶等の製造に用いる露光装置に設けられてマスクと感光基板との位置合わせを行うためのマーク位置検出装置及びマーク位置検出方法、並びに露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置用の露光装置では、レチクル（或いはマスク）とウェハ等の感光基板との位置合わせをした後、露光光をレチクルに照射し、レチクル上の回路パターン像を投影レンズを介してウェハ上に転写露光する。上記位置合わせ（アライメント）はアライメントセンサによってウェハ上のアライメントマークの位置を光電検出し、その位置情報に基づいてレチクルとウェハの位置合わせを行うものである。
【０００３】
アライメントセンサとして、例えばＦＩＡ（ｆｉｅｌｄｉｍａｇｅａｌｉｇｎｍｅｎｔ）ではウェハ上のアライメントマークに広帯域波長の可視光を垂直に照射し、アライメントマークからの反射・回折光を結像光学系で集光し、ＣＣＤ撮像面上にアライメントマーク像を結像する。ＣＣＤから得られるアライメントマーク像の撮像信号を基にアライメントマークの位置検出を行っている。
【０００４】
また、ＦＩＡのようなオフアクシス方式、即ち光軸からはずれた箇所にアライメントマークを置いて位置合わせを行うようなアライメントセンサの場合、ベースラインの安定性がアライメント精度にとって重要である。その為、アライメントマークの計測位置と投影光学系の光軸との間隔を可能な限り近づける、即ちベースライン間隔をできるだけ短縮することで、熱変動等によるベースライン変化を受けにくくしている。
【０００５】
ＦＩＡの場合、アライメントセンサの対物レンズとアライメントマークとの間に偏向プリズムなどの偏向部材を設けることで、該対物レンズを露光装置の投影レンズ下に潜り込ませて上記間隔を狭めるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように結像系の光路中、特に物体空間に偏向部材を設ける場合には、偏向部材の偏向面において結像光の波面に位相飛びが発生することがある。単色光であれば位相飛びが起こらないようにすることも可能であるが、特に広域帯波長の可視光線では避けがたい。
【０００７】
結像開口数（ＮＡ）を十分に確保するためには、偏向プリズム等の偏向部材の偏向面に蒸着膜を施す必要があるが、その場合偏向面での結像光にその入射角度、波長、偏光成分に応じた位相変化が生じ、その影響を受けて結像面上でのアライメントマーク像にわずかではあるが分散が生じたり、その収差や位置が偏光成分毎に異なるといった現象が発生する。こうした結像性能の不具合を有するアライメント系で様々な種類のアライメントマークの位置を計測する場合、計測オフセットやランダムエラーといったマーク位置検出誤差が発生する虞れがある。
【０００８】
ＦＩＡのような比較的低い開口数（ＮＡ）であっても、広帯域波長の光を結像光として扱う光学系で高精度なマーク位置検出精度を確保するには、上記偏向面での偏光成分毎の位相飛び特性が、入射光の入射角度や波長によってほとんど変わらないような、極めて高性能な蒸着膜が必要である。
【０００９】
近年の回路線幅の微細化に伴い要求されるアライメント精度は益々厳しくなって来ており、上記蒸着膜の性能の更なる向上が求められている。しかし、こうした薄膜性能の向上はもはや設計製造上の限界近くにきており、このことが光学系の結像性能の向上の妨げとなり、アライメントマークの位置検出精度を左右するものとして問題になる。
【００１０】
したがって本発明は、基板と集光光学系との間に配された偏向部材における検出光の位相飛びに起因する検出誤差を補正する、マーク位置検出装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るマーク位置検出装置は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材と、該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するように構成され、該マークと該光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系とを備える。
【００１２】
また、前記偏光補償光学系が、該偏向部材と該光検出装置との間の光路中に配されてもよい。
【００１３】
このように構成すると、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正する。
【００１４】
また、前記偏光補償光学系が、該マークと該偏向部材との間の光路中に配されてもよい。
【００１５】
ここで、前記偏光補償光学系が、偏光デポライザーであってもよい。
【００１６】
このように構成すると、アライメントマークからの結像光束自体が常に無偏光化するので、後続の光学系に偏向部材などによる偏光特性が生じていても、アライメントマーク像の検出誤差を生じない。
【００１７】
さらに、本発明に係るマーク位置検出装置は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材とを備え、該光検出装置が、該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するために、該検出光を偏光成分毎に別々に検出する偏光選択光学系を有する。
【００１８】
このように構成すると、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００１９】
さらに、本発明に係る露光装置は、マスク上のパターンを前記基板上に露光転写する露光装置において、該露光装置は、該マスク上のパターンを該基板上に露光転写するに先だって該マスクと該基板との位置合わせをする、アライメント装置を含み、該アライメント装置は、以上述べたマーク位置検出装置と、前記検出された検出光に基づいて前記位置合わせマークの位置を求め、求めた位置に基づいて前記露光装置の一部を動かし、よって前記マスクと前記基板との位置合わせを行う制御部とを備える。
【００２０】
このように構成すると、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正することができ、マスクと基板との位置合わせを正確に行うことができる。
【００２１】
本発明に係るマーク位置検出方法は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、該位置合わせマークに照明光を照射する工程と、該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、該偏向された検出光を集光する工程と、該集光された検出光を検出する工程とを備え、該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備える。
【００２２】
このような方法によれば、位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程を備えるので、偏向する工程における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正できる。
【００２３】
また、本発明に係るマーク位置検出方法は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、該位置合わせマークを照明光で照射する工程と、該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、該偏向された検出光を集光する工程と、該集光された検出光を検出する工程とを備え、該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光を偏光成分毎に別々に検出する工程と、該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備える。
【００２４】
このような方法によれば、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図９は上記ＦＩＡの偏向部材である偏向プリズムの偏向面の位相飛び特性が入射光の入射角度や偏光に依存している場合に生じる現象の説明図である。以下、各図において対応する要素には同一の符号を付して、その重複した説明は省略する。
【００２６】
図９において、アライメントマークＷＭが施されたウエハ１１の上方に、偏向部材である偏向プリズム１３が、その偏向反射面１２がウエハ１１の表面にほぼ４５度の角度で傾斜して配置されている。アライメントマークＷＭからウエハ１１の表面に対して垂直上方に射出した光が反射面１２で反射されて進行する方向前方に第１対物レンズ１４が配されており、その光軸上前方に第２対物レンズ１５が配されている。さらにその光軸上前方にＣＣＤ撮像面１６が配置されている。
【００２７】
ここで、アライメントマークＷＭから反射・回折される結像光のうちのＰ偏光成分を考える。アライメントマークＷＭからほぼ垂直に射出する結像光ＰＣの偏向プリズム１３の偏向面１２での位相飛びの値を基準にして考えて、結像光ＰＣの左側、言い換えればアライメントマークＷＭから偏向面１２までの光路長が結像光ＰＣより短い側を進む結像光ＰＬの位相が＋θ_PLだけ進み、結像光ＰＣの右側、言い換えれば結像光ＰＣに対して結像光ＰＬと対称な光路を進む結像光ＰＲの位相が−θ_PRだけ遅れるものとする（進みを＋、遅れを−で示す）。ここで、第１対物レンズ１４の開口数をＮＡとすると、ウェハ１１上での見掛けのアライメントマークＷＭ位置Ｘ_Pは、△θ_P＝θ_PL＋θ_PRとして、
【数１】

となって、図９の＋Ｘ方向にずれる。
【００２８】
一方、結像光のＳ偏光成分については、アライメントマークＷＭからほぼ垂直に射出する結像光ＳＣの偏向プリズム１３の偏向面１２での位相飛びの値を基準にして考えて、Ｐ偏光の場合と同様に結像光ＳＣの左側を進む結像光ＳＬの位相が−θ_SLだけ遅れ、結像光ＳＣの右側を進む結像光ＳＲの位相が＋θ_SRだけ進むものとする。ウェハ１１上でのアライメントマークＷＭの見掛けの位置Ｘ_Sは、△θ_S＝θ_SL＋θ_SRとして、
【数２】

となって、図９の−Ｘ方向にずれる。
【００２９】
こうして、偏向プリズム１３の偏向面１２での偏光と入射角度に関する位相飛び特性により、ウェハ１１上での見掛け上のアライメントマークＷＭの位置はＰ偏光とＳ偏光とで互いに乖離し、その乖離量△Ｘ＝Ｘ_P−Ｘ_Sは、
【数３】

である。
【００３０】
図９で、第１対物レンズ１４の入射瞳上でのＰ波とＳ波のそれぞれの位相ずれを示したのが、Ｐ波面２１とＳ波面２２である。またその位相ずれによる乖離は、撮像面では、Ｐ波による結像位置３１とＳ波による結像位置３２で示されている。
【００３１】
ウェハ１１上のアライメントマークＷＭ位置が偏光成分毎に見掛け上互いにずれる現象があると、アライメントマークＷＭ自身に偏光特性、例えばアライメントマークＷＭの結像光にＰ偏光よりもＳ偏光の成分が多い場合、ウェハ１１上のアライメントマークＷＭの見掛けの位置がＳ偏光の見掛け上の位置の方向にやや偏ることになり、アライメントマークＷＭの位置計測誤差を発生させる。
【００３２】
偏向プリズム１３の偏向面１２に施される蒸着膜は△θ_P＋△θ_Sの位相飛び量を照明光の波長全域に渡って極力押さえるようにしているが、こうした要求を満たす性能の薄膜を得ることは設計・製造上かなり困難なものであり、このことが光学系の結像性能の向上の妨げとなって、アライメントマークの位置検出精度を左右するものとして問題になる。
【００３３】
図１は、本発明によるマーク位置検出装置及びそれを露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合を一般的に説明する第１の実施の形態を示している。従来の装置との相違は偏光補償光学系１２０が追加されたことである。
【００３４】
図１において、ウエハ１１を照明するための照明光学系は、光源であるハロゲンランプ（ＨＬ）１０１、その光路中の前方に配されたコンデンサレンズ（ＣＬ）１０２、その光軸上前方に、順に配された、ウェハ１１と共役な位置に設けられた視野絞り（ＦＳ）１０３、照明リレーレンズ１０４とからなる。そしてその光軸上前方に照明光１３０を分割するためのハーフプリズム（ＨＰ）１０５が、その反射面を光軸にほぼ４５度に傾斜させて配されている。
【００３５】
ハロゲンランプ１０１から射出する広帯域波長の照明光１３０は、コンデンサレンズ１０２で集光され、視野絞り１０３を均一に照明する。視野絞り１０３から射出する照明光は、照明リレーレンズ１０４でほぼ平行光に変換され、ハーフプリズム１０５で分岐された後、その反射光の方向で前記光軸上に配された第１対物レンズ（Ｏ１）１４の入射瞳ＩＰ上にハロゲンランプ１０１の像を形成する。
【００３６】
第１対物レンズ１４で集光された照明光は、その光軸上前方に配された偏向プリズム（ＲＰ）１３で偏向されて、プリズム１３の反射光の光軸上に置かれたウェハ１１上のアライメントマークＷＭをほぼ垂直に照射する。
【００３７】
プリズム１３は、露光装置を構成する、レチクル４２の像をウエハ１１上に投影する投影レンズ４１とウエハ１１との間に、投影レンズ４１の光軸にできるだけ近接させて、したがってウエハ１１に近接させて配されている。
【００３８】
アライメントマークＷＭで照明光は反射・回折されて結像光束１３１となって、もと来た光路を逆進する。この結像光１３１は偏向プリズム１３で偏向された後、第１対物レンズ１４に再入射し、第１対物レンズ１４の入射瞳ＩＰ上にアライメントマークＷＭの回折像を形成する。
【００３９】
入射瞳ＩＰを射出した結像光１３１は、ほぼ平行光束となってハーフプリズム１０５を通過し、その前方光軸上に配された第２対物レンズ１５を経てさらにその前方に置かれたＣＣＤ１０８上に集光され、アライメントマークＷＭの像を結像する。
【００４０】
このように、ＦＩＡの光学系が構成されているが、本第１の実施の形態では偏光補償光学系１２０が、第２対物レンズ１５とＣＣＤ１０８との間の光軸上に配されている。
【００４１】
さらに、ＣＣＤ１０８から得られるアライメントマークＷＭの像の撮像信号を基に、ＣＣＤ１０８と電気的に接続された制御系１０９は、アライメントマークＷＭの位置を求める。ウェハ１１上の複数箇所のアライメントマークを、ウエハ１１を載置したウェハステージ１１０を駆動して、ＦＩＡの計測域に移動させて、上記と同様の仕方でその位置を計測し、得られた各アライメントマークの位置情報を統計処理することで、ウェハ１１の位置を正確に求めることが出来る。
【００４２】
こうして得られたウェハ１１の位置情報を基にウェハステージ１１０を駆動して、ウェハ１１上の各ショット領域とレチクル４２の投影レンズ４１を介したレチクル像とを正確にアライメントして逐次露光を繰り返す。
【００４３】
偏向補償光学系１２０は、必ずしも第２対物レンズ１５とＣＣＤ１０８の間ではなく、その性質により、アライメントマークＷＭとＣＣＤ１０８との間の光路中の適切な箇所に配することができる。
【００４４】
図２〜図８は、本発明に用いる偏光補償光学系の具体例を順次説明している。偏光補償光学系（図１で１２０で示される）の働きは、偏向部材１３の偏向面１２で生じた前記のような結像光の偏光毎のＣＣＤ１０８上での位置の乖離や収差を光学的手法で補正することである。
【００４５】
図２から図６は、偏光補償光学系として複像素子を利用する場合の実施例である。複像素子の媒質としては常光線と異常光線との屈折率差が分散を生じる照明光の波長間の屈折率差に比べて十分大きい方解石などがこの場合に適している。
【００４６】
図２の（Ａ）では、図１の場合と違って、第１対物レンズ１４と第２対物レンズ１５との間の、第１対物レンズ１４の入射瞳面上に偏光補償光学系が設けられている。この実施の形態では偏光補償光学系は方解石より成るウオラストン・プリズム（ＷＰ）１２１ａである。ここで、プリズム１２１ａの一方の構成部分に示した両端に矢印のある線分は、この構成部分の結晶軸の方向が矢印の方向即ち紙面内にあることを示し、黒点は紙面に直交する方向であることを示す。以下の図においても、プリズムに示した同様な矢印と黒点は結晶軸の方向を示すものである。
【００４７】
図２の（Ａ）において、第１対物レンズ１４を射出して、ウオラストン・プリズム１２１ａに入射した結像光は、ウオラストン・プリズム１２１ａの作用により、結像光の成分であるＰ偏光とＳ偏向とは互いに異なる角度でウオラストン・プリズム１２１ａを射出するので、第２対物レンズ１５を経てＣＣＤの撮像面１６上に結像する上記Ｐ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離する。ウオラストン・プリズム１２１ａを射出する際のＰ偏光とＳ偏光の分離角度と分離方向はウオラストン・プリズム１２１ａを構成する２組の互いに結晶軸が直交する方解石の楔角の大きさと楔角の方向を適当に設定することで制御可能であり、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離をウオラストン・プリズム１２１ａを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。ウオラストン・プリズム１２１ａを上記入射瞳上に配置できない場合には、特に入射瞳が第１対物レンズの中に入り込んでいるような場合にはノマルスキープリズムなどを用いても良い。なお、ウオラストン・プリズム１２１ａは、必ずしも入射瞳に置く必要はなく、例えば図２の（Ｂ）のようにしてもよい。
【００４８】
図２の（Ｂ）は、第２対物レンズ１５とＣＣＤの撮像面１６との間の像空間に、方解石より成るウオラストン・プリズム（ＷＰ）１２１ｂが設けられている場合を示している。この場合も、図２の（Ａ）の実施例と同様な効果が得られる。ウオラストン・プリズム１２１ｂを置く光軸上の位置によって、ＣＣＤの撮像面１６上の像の乖離量を調節できる。
【００４９】
図３ではＣＣＤの手前の像空間に、方解石より成るサバール板（ＳＶ）１２２を設けている。このサバール板１２２に入射した結像光は、サバール板１２２の作用により、結像光の成分であるＰ偏光は光軸からずれてサバール板１２２を射出するので、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離する。サバール板１２２を射出する際のＰ偏光の光軸からのズレ量と方向はサバール板１２２の結晶軸と光軸のなす角度により制御可能であり、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を、サバール板１２２を用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。
【００５０】
図４と図５は、偏光補償光学系として光学ガラスなどの等方性媒質と１軸結晶などの複屈折媒質を組み合わせて利用する場合である。１軸結晶の常光線と異常光線との屈折率差が分散を生じる照明光の波長間の屈折率差とほぼ等しい水晶などがこの場合に適している。
【００５１】
図４ではＣＣＤの撮像面１６から適当に離した像空間に、クラウンガラスを媒質とするの楔プリズム（ＫＰ）１２３ａと水晶を媒質とする楔プリズム（ＳＰ）１２３ｂとを組み合わせて配置する。双方の楔角はほぼ等しく設定し、楔角の方向を互いに反対向きにする。楔プリズム１２３ａを射出する結像光は、分散角を有するが、楔プリズム１２３ｂを射出する結像光は楔プリズム１２３ｂとは反対方向の分散角を有することになる。また、楔プリズム１２３ａからは結像光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いに反対方向の角度で射出するので、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離し、その際ＣＣＤの撮像面１６上に分散は生じない。
【００５２】
楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを、光軸に対して１８０度回転すると、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置を上記と逆転することが可能である。
【００５３】
こうして上記楔角の大きさやＣＣＤからの距離と楔角の方向とを適当に設定することで、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。また、楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを、第１対物レンズ１４と第２対物レンズ１５の間の瞳空間に配置しても上記と同様の効果がある。
【００５４】
図５では、ＣＣＤの撮像面１６の手前の像空間にクラウンガラスを媒質とする平行平面板（ＫＨ）１２４ａと水晶を媒質とする平行平面板（ＳＨ）１２４ｂとを組み合わせて配置する。双方を光軸に対してほぼ等しい角度で傾斜させ、傾斜の方向を互いに反対向きにする。平行平面板１２４ａを射出する結像光は、分散を生じて波長毎にずれるが、平行平面板１２４ｂを射出する結像光は平行平面板１２４ｂとは反対方向の分散を生じて波長毎にずれる。また、平行平面板１２４ａからは結像光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いにずれて射出するので、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離し、その際ＣＣＤ上に分散は生じない。平行平面板１２４ａと平行平面板１２４ｂの組み合わせを光軸に対して１８０度回転すると、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置を上記と逆転することが可能である。こうして平行平面板１２４ａや１２４ｂの厚さや光軸に対する傾斜角及び傾斜角の方向とを適当に設定することで、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を平行平面板１２４ａと１２４ｂの組み合わせを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。
【００５５】
図６は、偏光補償光学系として偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）と結像光の偏光成分毎の位置と収差の補正手段とを組み合わせて利用する場合である。図２から図５に示す偏光補償光学系は、主に結像光の偏光成分同士のＣＣＤの撮像面１６上での位置の乖離を低減する働きをしていたが、図６では偏光同士の位置だけでなく偏向部材１３の偏向面１２で生じる結像光の偏光成分毎のわずかな収差をもきめ細かく補正する。
【００５６】
図６で、第２対物レンズ１５を射出した結像光は、その前方光軸上に反射面を光軸に対してほぼ４５度に傾斜して配された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ１）１４１でＰ偏向成分とＳ偏光成分とに分岐される。偏光ビームスプリッター１４１で偏光され反射されたＳ偏光成分は偏向部材１３で発生した波面の乱れを、偏光ビームスプリッター１４１の反射光の進行する前方光軸上に配されたＳ偏光収差補正手段１４２で整えられた後、その前方に反射面を光軸に対しほぼ４５度に傾斜して配された偏向ミラー（ＭＳ）１４３で偏向され、その反射光の進行する前方光軸上に反射面をほぼ４５度に傾斜して配された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）１４４の反射面で反射されて、その反射光の進行する前方に配されたＣＣＤの撮像面１６上にＳ偏光成分のアライメントマークＷＭ像を形成する。
【００５７】
一方、偏光ビームスプリッター１４１を通過したＰ偏光成分は偏向部材１３で発生した波面の乱れを、偏光ビームスプリッター１４１の通過光の進行する前方光軸上に配されたＰ偏光収差補正手段１４５で整えられた後、その前方に反射面を光軸に対しほぼ４５度に傾斜して配された偏向ミラー（ＭＰ）１４６で偏向さる。
【００５８】
前述の偏光ビームスプリッター１４４は、偏向ミラー１４６で反射されたＰ偏光の進行方向と反射面がほぼ４５度の角度をもつようにも配されており、そのＰ偏光は偏光ビームスプリッター１４４に入射し、ここを通過しＣＣＤの撮像面１６上にＰ偏光成分のアライメントマークＷＭ像を形成する。偏光ミラー１４６には入射光軸の方向に沿って微動可能な調整機構１４７が設けられており、ＣＣＤの撮像面１６上のＰ偏光成分のアライメントマークＷＭ像の位置を微調整することが可能である。
【００５９】
上述の各偏向収差補正手段１４２、１４５は、例えば等倍アフォーカル系様のレンズ系に偏心微動機構が設けられたもので構成されていて、各偏光成分毎の横収差などを補正する働きをする。こうしてＣＣＤの撮像面１６上には各偏光毎に収差が補正され、かつ各々の像位置が合致したアライメントマークＷＭ像が形成される。
【００６０】
以上述べたように、偏向部材とＣＣＤ等の光電検出手段の間に設けた方解石や水晶などの１軸性結晶よりなる偏光補償手段は、その結晶の楔角、厚み、結晶軸の向きや方向、偏心を適当に設定することで生じる複像作用の為に偏光補償手段を通過したアライメントマーク像のＰ偏向成分とＳ偏向成分の撮像面上での位置を別々に制御する事が出来る。この像面乖離の量と方向を適当に設定することで、アライメント光学系の対物レンズの物体空間に配した偏向部材の偏向面が有する位相飛び特性が原因で生じるアライメントマーク像のＰ偏向成分とＳ偏向成分とが撮像手段の撮像面での乖離現象をある程度まで打ち消すことが可能である。こうした偏光補償手段としては結晶などの複屈折性部材を用いずに、偏光ビームスプリッターと偏光成分毎のアライメント像の位置や収差をを補正する光学系とを組み合わせたものでも実現可能である。
【００６１】
図７は、本発明を露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合の第２の実施の形態を示している。
【００６２】
従来の装置との相違は、偏向部材１３とウェハ１１の間の物空間に偏光デポライザー（ＨＤ）１５１を配置していることである。アライメントマークＷＭからの広帯域波長の結像光を無偏光化するためには、例えば２組の適当な厚みの水晶板を互いの結晶軸が光軸を中心にして４５度回転させた白色光デポライザーを用いる。偏向部材１３の偏向面１２でアライメントマークＷＭからの結像光のＰ偏光とＳ偏光の波面間に変化が生じて、ＣＣＤの撮像面１６上の各偏光同士の結像位置がずれるような場合でも、偏光デポライザー１５１の作用により偏向部材１３に入射するアライメントマークＷＭからの結像光は無偏光化するので、このＦＩＡは偏光特性の実質的に無い光学系とみなせる。よって、アライメントマークＷＭの偏光特性に左右されない正確なアライメントマークＷＭの位置検出が可能になる。
【００６３】
図８は、本発明を露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合の第３の実施の形態を示している。
【００６４】
従来のＦＩＡとの相違は偏光選択手段として、アライメントマークＷＭからの結像光を各偏光成分ごとに選択検出するために、第２対物レンズ１５の射出光の進行方向光軸上に偏光ビームスプリッター１４１と各偏光成分の検出専用のＣＣＤ、即ちＰ偏光用ＣＣＤ１０８ＰとＳ偏光用ＣＣＤ１０８Ｓとを配置した。上記各ＣＣＤの撮像面上には偏向部材の偏光面で発生した波面変化をそのまま保持した偏光成分毎のアライメントマークＷＭ像が形成される。
【００６５】
各ＣＣＤから得られるＳ偏光、Ｐ偏光それぞれの撮像信号は、各ＣＣＤに電気的に接続された制御系１４２に伝達される。制御系１４２では、例えば各撮像信号毎にアライメントマークＷＭ位置を検出した後、その２組の位置の平均を取ってアライメントマークＷＭの真の位置としている。こうすることで、たとえＦＩＡ光学系に偏光に関する不具合があってもアライメントマークＷＭの偏光特性に左右されない正確なアライメントマークＷＭの位置検出が可能になる。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるマーク位置検出装置は、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正でき、アライメントマークの位置検出精度を高めることができる。
【００６７】
偏光補償光学系が、偏光デポライザーであるときは、アライメントマークからの結像光束自体が常に無偏光化するので、後続の光学系に偏向部材などによる偏光特性が生じていても、アライメントマーク像の検出誤差を生じず、アライメントマークの位置検出精度を高めることができる。
【００６８】
また、検出光を偏光成分毎に別々に検出する偏光選択光学系を有するときは、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００６９】
さらに、本発明に係る露光装置は、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正することができ、マスクと基板との位置合わせを高精度で行うことができる。
【００７０】
本発明に係るマーク位置検出方法は、位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程を備えるので、偏向する工程における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正でき、高精度の位置検出が可能になる。
【００７１】
また、偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光を偏光成分毎に別々に検出する工程と、該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備えるので、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す、偏光補償光学系を有するＦＩＡの全体図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図９】偏向プリズムの偏向面での位相飛びにより生じる現象の説明図である。
【符号の説明】
１１ウエハ
１２偏向面
１３偏向部材
１４第１対物レンズ
１５第２対物レンズ
１６ＣＣＤの撮像面
１０１ハロゲンランプ
１０５ハーフプリズム
１０８ＣＣＤ
１０９制御系
１２０偏向補償光学系
１２１ａ、１２１ｂウオラストン・プリズム
１２２サバール板
１２３ａ、１２３ｂ楔プリズム
１２４ａ、１２４ｂ平行平面板
１４１、１４４偏光ビームスプリッター
１４２Ｓ偏光収差補正手段
１４５Ｐ偏光収差補正手段
１４３、１４６偏向ミラー
１４７調整機構[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mark position detection apparatus and a mark position detection method for detecting the position of an alignment mark on a substrate, and more particularly to alignment between a mask and a photosensitive substrate provided in an exposure apparatus used for manufacturing semiconductors, liquid crystals, and the like. The present invention relates to a mark position detection apparatus, a mark position detection method, and an exposure apparatus.
[0002]
[Prior art]
In an exposure apparatus for a semiconductor manufacturing apparatus, after aligning a reticle (or mask) with a photosensitive substrate such as a wafer, exposure light is irradiated onto the reticle, and a circuit pattern image on the reticle is projected onto the wafer via a projection lens. Transfer exposure. In the alignment (alignment), the position of the alignment mark on the wafer is photoelectrically detected by an alignment sensor, and the reticle and the wafer are aligned based on the positional information.
[0003]
As an alignment sensor, for example, FIA (field image alignment) irradiates the alignment mark on the wafer perpendicularly with visible light having a wide-band wavelength, condenses the reflected / diffracted light from the alignment mark with the imaging optical system, and the CCD imaging surface. An alignment mark image is formed on the top. The position of the alignment mark is detected based on the imaging signal of the alignment mark image obtained from the CCD.
[0004]
Further, in the case of an alignment sensor such as FIA, that is, an alignment sensor that performs alignment by placing an alignment mark at a location off the optical axis, the stability of the baseline is important for alignment accuracy. For this reason, the distance between the measurement position of the alignment mark and the optical axis of the projection optical system is made as close as possible, that is, the baseline interval is shortened as much as possible, thereby making it difficult to receive baseline changes due to thermal fluctuations.
[0005]
In the case of FIA, a deflection member such as a deflection prism is provided between the objective lens of the alignment sensor and the alignment mark, so that the objective lens is submerged under the projection lens of the exposure apparatus to narrow the interval.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, when a deflection member is provided in the optical path of the imaging system, particularly in the object space, a phase jump may occur in the wavefront of the imaging light on the deflection surface of the deflection member. It is possible to prevent phase jumps if monochromatic light is used, but it is unavoidable especially for visible light having a wide band wavelength.
[0007]
In order to secure a sufficient imaging numerical aperture (NA), it is necessary to deposit a vapor deposition film on the deflecting surface of a deflecting member such as a deflecting prism. In that case, the incident angle and wavelength of the imaging light on the deflecting surface The phase changes according to the polarization component, and the influence causes the dispersion of the alignment mark image on the imaging surface, and the phenomenon that the aberration and position differ for each polarization component occurs. . When measuring the position of various types of alignment marks with an alignment system having such imaging performance defects, there is a risk that mark position detection errors such as measurement offsets and random errors may occur.
[0008]
Even if the numerical aperture (NA) is relatively low such as FIA, in order to ensure high accuracy mark position detection accuracy in an optical system that handles light of a broadband wavelength as imaging light, the polarization component on the deflection surface There is a need for an extremely high performance vapor deposition film in which the phase jump characteristics for each light hardly change depending on the incident angle and wavelength of incident light.
[0009]
With the recent miniaturization of circuit line width, the required alignment accuracy has become increasingly severe, and further improvement in the performance of the above-mentioned deposited film is required. However, such improvement in thin film performance is no longer near the limit of design and manufacturing, which hinders improvement in the imaging performance of the optical system and poses a problem as it affects the position detection accuracy of the alignment mark.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a mark position detection apparatus and method for correcting a detection error caused by a phase jump of detection light in a deflection member arranged between a substrate and a condensing optical system.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a mark position detection device according to the present invention is a mark position detection device that detects the position of an alignment mark on a substrate, and collects detection light from the alignment mark on the substrate. A condensing optical system for emitting light, a light detection device for detecting the detection light collected by the condensing optical system, and an optical path between the mark and the condensing optical system, A deflection member that deflects the detection light; and a wavefront change between polarization components of the detection light caused by a phase jump of the detection light on a deflection surface of the deflection member, the mark and the light detection device A polarization compensation optical system disposed in the optical path between the two.
[0012]
The polarization compensation optical system may be disposed in an optical path between the deflecting member and the light detection device.
[0013]
With this configuration, since the polarization compensation optical system disposed in the optical path between the mark and the light detection device is provided, the wavefront change between the polarization components of the detection light due to the phase jump of the detection light in the deflection member is compensated. The error of mark position detection is corrected.
[0014]
The polarization compensation optical system may be disposed in an optical path between the mark and the deflecting member.
[0015]
Here, the polarization compensation optical system may be a polarization depolarizer.
[0016]
With this configuration, since the imaging light beam itself from the alignment mark is always non-polarized, even if a polarization characteristic due to a deflecting member or the like is generated in the subsequent optical system, an alignment mark image detection error does not occur.
[0017]
Furthermore, the mark position detection apparatus according to the present invention is a mark position detection apparatus that detects the position of the alignment mark on the substrate, and condenses light for condensing the detection light from the alignment mark on the substrate. An optical system, a light detection device that detects the detection light collected by the light collection optical system, and a deflection that is arranged in an optical path between the mark and the light collection optical system to deflect the detection light A detecting member for each polarization component in order to compensate for a wavefront change between polarization components of the detection light caused by a phase jump of the detection light on the deflection surface of the deflection member. It has a polarization selective optical system that detects separately.
[0018]
With this configuration, the average value of the alignment mark positions obtained by image processing of the imaging signals of the respective polarization components is obtained, or the combined mark obtained by synthesizing the imaging signals is subjected to image processing to obtain the alignment mark position. Thus, it is possible to detect the position with high accuracy without being affected by the polarization characteristic of the alignment mark or the polarization defect of the optical system.
[0019]
Furthermore, the exposure apparatus according to the present invention is an exposure apparatus that exposes and transfers a pattern on a mask onto the substrate. The exposure apparatus includes the mask and the mask prior to exposing and transferring the pattern on the mask onto the substrate. An alignment device for aligning with the substrate, the alignment device obtaining the position of the alignment mark based on the mark position detection device described above and the detected detection light, and based on the obtained position; And a control unit for moving a part of the exposure apparatus and thus aligning the mask and the substrate.
[0020]
With this configuration, since the polarization compensation optical system disposed in the optical path between the mark and the light detection device is provided, the wavefront change between the polarization components of the detection light due to the phase jump of the detection light in the deflection member is compensated. The error of mark position detection can be corrected, and the mask and the substrate can be accurately aligned.
[0021]
A mark position detection method according to the present invention is a mark position detection method for detecting the position of an alignment mark on a substrate, the step of irradiating the alignment mark with illumination light, and the irradiation of the alignment mark. And a step of condensing the deflected detection light, and a step of detecting the collected detection light, wherein the detection light is phase-shifted in the deflection step. Compensating for a wavefront change between the polarization components of.
[0022]
According to such a method, since there is a step of compensating for the wavefront change between the polarization components of the phase-shifted detection light, the wavefront change between the polarization components of the detection light due to the phase jump of the detection light in the deflection step is compensated. In addition, errors in mark position detection can be corrected.
[0023]
The mark position detection method according to the present invention is a mark position detection method for detecting the position of an alignment mark on a substrate, the step of irradiating the alignment mark with illumination light, and the irradiated alignment. A step of deflecting detection light from the mark, a step of condensing the deflected detection light, and a step of detecting the collected detection light, wherein the phase is skipped in the step of deflecting A step of separately detecting the detection light for each polarization component, and a step of compensating for a wavefront change between the polarization components of the detection light caused by a phase jump of the detection light.
[0024]
According to such a method, the average value of the alignment mark positions obtained by image processing of the image pickup signals of the respective polarization components is obtained, or the combined signal obtained by combining the image pickup signals is subjected to image processing to obtain the alignment mark position. By obtaining the position, it is possible to detect the position with high accuracy without being affected by the polarization characteristic of the alignment mark or the polarization defect of the optical system.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 9 is an explanatory diagram of a phenomenon that occurs when the phase jump characteristic of the deflecting surface of the deflecting prism, which is the deflecting member of the FIA, depends on the incident angle and polarization of incident light. In the following, corresponding elements in the drawings are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
[0026]
In FIG. 9, a deflection prism 13 that is a deflection member is disposed above a wafer 11 on which an alignment mark WM has been provided, with a deflection reflection surface 12 inclined at an angle of approximately 45 degrees with respect to the surface of the wafer 11. . A first objective lens 14 is arranged in front of the direction in which light emitted vertically upward from the alignment mark WM with respect to the surface of the wafer 11 is reflected by the reflecting surface 12 and travels forward on the optical axis. A lens 15 is arranged. Further, a CCD image pickup surface 16 is disposed in front of the optical axis.
[0027]
Here, consider the P-polarized light component of the imaging light reflected / diffracted from the alignment mark WM. Considering the phase jump value of the imaging light PC emitted from the alignment mark WM almost perpendicularly on the deflection surface 13 of the deflection prism 13 as a reference, the left side of the imaging light PC, in other words, from the alignment mark WM to the deflection surface 12. The phase of the imaging light PL that travels on the shorter side of the optical path length than the imaging light PC is + θ _PL The phase of the imaging light PR that travels on the right side of the imaging light PC, in other words, on the optical path symmetrical to the imaging light PL with respect to the imaging light PC is −θ. _PR It is assumed that the delay is only (delay is indicated by + and delay is indicated by-). Here, assuming that the numerical aperture of the first objective lens 14 is NA, the apparent alignment mark WM position X on the wafer 11 _P Is △ θ _P = Θ _PL + Θ _PR As
[Expression 1]

This shifts in the + X direction of FIG.
[0028]
On the other hand, regarding the S-polarized light component of the imaging light, in the case of P-polarization, considering the value of the phase jump at the deflection surface 12 of the deflection prism 13 of the imaging light SC that is emitted almost vertically from the alignment mark WM. The phase of the imaging light SL traveling on the left side of the imaging light SC is -θ _SL The phase of the imaging light SR traveling on the right side of the imaging light SC is delayed by + θ _SR Shall only proceed. Apparent position X of alignment mark WM on wafer 11 _S Is △ θ _S = Θ _SL + Θ _SR As
[Expression 2]

This shifts in the -X direction in FIG.
[0029]
Thus, the apparent alignment mark WM position on the wafer 11 is deviated between the P-polarized light and the S-polarized light due to the phase jump characteristic relating to the polarization and the incident angle on the deflecting surface 12 of the deflecting prism 13, and the divergence amount Δ X = X _P -X _S Is
[Equation 3]

It is.
[0030]
In FIG. 9, the P wavefront 21 and the S wavefront 22 show the respective phase shifts of the P wave and the S wave on the entrance pupil of the first objective lens 14. Further, the divergence due to the phase shift is indicated by the imaging position 31 by the P wave and the imaging position 32 by the S wave on the imaging surface.
[0031]
If there is a phenomenon in which the alignment mark WM position on the wafer 11 is apparently shifted for each polarization component, the alignment mark WM itself has polarization characteristics, for example, the image light of the alignment mark WM has more S-polarized components than P-polarized light. As a result, the apparent position of the alignment mark WM on the wafer 11 is slightly deviated in the direction of the apparent position of the S-polarized light, causing a position measurement error of the alignment mark WM.
[0032]
The vapor deposition film applied to the deflection surface 12 of the deflection prism 13 is Δθ. _P + △ θ _S However, it is extremely difficult to design and manufacture a thin film with performance that satisfies these requirements, and this is the result of the optical system. This hinders improvement in image performance, and causes a problem as it affects the position detection accuracy of the alignment mark.
[0033]
FIG. 1 shows a first embodiment for generally explaining a mark position detection apparatus according to the present invention and a case where the mark position detection apparatus is applied to an FIA mounted in an exposure apparatus. The difference from the conventional apparatus is that a polarization compensation optical system 120 is added.
[0034]
In FIG. 1, an illumination optical system for illuminating a wafer 11 includes a halogen lamp (HL) 101 as a light source, a condenser lens (CL) 102 arranged in front of the optical path, and forward on the optical axis in order. A field stop (FS) 103 and an illumination relay lens 104 provided at a position conjugate with the wafer 11 are arranged. A half prism (HP) 105 for dividing the illumination light 130 forward on the optical axis is disposed with its reflection surface inclined at approximately 45 degrees with respect to the optical axis.
[0035]
Broadband wavelength illumination light 130 emitted from the halogen lamp 101 is condensed by the condenser lens 102 and uniformly illuminates the field stop 103. The illumination light emitted from the field stop 103 is converted into substantially parallel light by the illumination relay lens 104, branched by the half prism 105, and then the first objective lens (on the optical axis in the direction of the reflected light) ( O1) An image of the halogen lamp 101 is formed on the entrance pupil IP 14.
[0036]
The illumination light condensed by the first objective lens 14 is deflected by a deflecting prism (RP) 13 disposed forward on the optical axis thereof and placed on the wafer 11 placed on the optical axis of the reflected light of the prism 13. The alignment mark WM is irradiated almost vertically.
[0037]
The prism 13 is located as close as possible to the optical axis of the projection lens 41 between the projection lens 41 and the wafer 11 that project the image of the reticle 42 on the wafer 11 and constitutes the exposure apparatus. Are arranged.
[0038]
The illumination light is reflected and diffracted by the alignment mark WM to become an imaged light beam 131 and travels backward in the original optical path. The imaging light 131 is deflected by the deflecting prism 13 and then reenters the first objective lens 14 to form a diffraction image of the alignment mark WM on the entrance pupil IP of the first objective lens 14.
[0039]
The imaging light 131 emitted from the entrance pupil IP passes through the half prism 105 as a substantially parallel light beam, passes through the second objective lens 15 arranged on the front optical axis thereof, and further on the CCD 108 placed in front of the second objective lens 15. And an image of the alignment mark WM is formed.
[0040]
As described above, the FIA optical system is configured. In the first embodiment, the polarization compensation optical system 120 is disposed on the optical axis between the second objective lens 15 and the CCD 108.
[0041]
Further, the control system 109 electrically connected to the CCD 108 obtains the position of the alignment mark WM based on the imaging signal of the image of the alignment mark WM obtained from the CCD 108. A plurality of alignment marks on the wafer 11 are moved to the FIA measurement area by driving the wafer stage 110 on which the wafer 11 is placed, and the positions thereof are measured in the same manner as described above. By statistically processing the position information of the alignment mark, the position of the wafer 11 can be accurately obtained.
[0042]
The wafer stage 110 is driven based on the position information of the wafer 11 thus obtained, and each shot area on the wafer 11 and the reticle image through the projection lens 41 of the reticle 42 are accurately aligned, and the sequential exposure is repeated. .
[0043]
The deflection compensation optical system 120 is not necessarily between the second objective lens 15 and the CCD 108, but can be disposed at an appropriate position in the optical path between the alignment mark WM and the CCD 108 due to its nature.
[0044]
2 to 8 sequentially describe specific examples of the polarization compensation optical system used in the present invention. The function of the polarization compensation optical system (denoted by 120 in FIG. 1) is to optically measure the position deviation and aberration on the CCD 108 for each polarization of the imaging light as described above generated on the deflection surface 12 of the deflection member 13. It is to correct by the technique.
[0045]
FIGS. 2 to 6 show an embodiment in which a double image element is used as the polarization compensation optical system. As the medium of the double image element, calcite that is sufficiently large in comparison with the refractive index difference between the wavelengths of the illumination light in which the refractive index difference between the ordinary ray and the extraordinary ray causes dispersion is suitable.
[0046]
In FIG. 2A, unlike the case of FIG. 1, a polarization compensation optical system is provided on the entrance pupil plane of the first objective lens 14 between the first objective lens 14 and the second objective lens 15. ing. In this embodiment, the polarization compensation optical system is a Wollaston prism (WP) 121a made of calcite. Here, the line segment with arrows at both ends shown in one constituent part of the prism 121a indicates that the direction of the crystal axis of this constituent part is in the direction of the arrow, that is, in the paper, and the black dot is a direction perpendicular to the paper. Indicates that In the following figures, similar arrows and black dots shown on the prism indicate the direction of the crystal axis.
[0047]
In FIG. 2A, the imaging light that has exited the first objective lens 14 and entered the Wollaston prism 121a is converted into P-polarized light and S-polarized light, which are components of the imaging light, by the action of the Wollaston prism 121a. Since the Wollaston prism 121a is emitted at different angles, the P-polarized imaging position and the S-polarized imaging position formed on the imaging surface 16 of the CCD via the second objective lens 15 are different from each other. To do. The separation angle and the separation direction of the P-polarized light and the S-polarized light when exiting from the Wollaston prism 121a are appropriately set according to the size and the direction of the wedge angle of the two sets of calcite whose crystal axes are orthogonal to each other constituting the Wollaston prism 121a. And the imaging positions of P-polarized light and S-polarized light on the imaging surface 16 of the CCD can be arbitrarily determined. Therefore, the apparent divergence of the P and S polarization components of the imaging light generated on the deflection surface 12 of the deflection prism 13 on the wafer 11 can be corrected on the imaging surface 16 of the CCD using the Wollaston prism 121a. I can do it. In the case where the Wollaston prism 121a cannot be disposed on the entrance pupil, a Nomarski prism or the like may be used particularly when the entrance pupil enters the first objective lens. The Wollaston prism 121a is not necessarily placed on the entrance pupil, and may be as shown in FIG.
[0048]
FIG. 2B shows a case where a Wollaston prism (WP) 121b made of calcite is provided in the image space between the second objective lens 15 and the imaging surface 16 of the CCD. Also in this case, the same effect as the embodiment of FIG. The amount of deviation of the image on the imaging surface 16 of the CCD can be adjusted by the position on the optical axis where the Wollaston prism 121b is placed.
[0049]
In FIG. 3, a Savart plate (SV) 122 made of calcite is provided in the image space in front of the CCD. The imaging light incident on the Savart plate 122 is emitted onto the imaging surface 16 of the CCD because the P-polarized light, which is a component of the imaging light, is shifted from the optical axis and exits the Savart plate 122 by the action of the Savart plate 122. The imaging position of P-polarized light to be imaged and the imaging position of S-polarization are deviated from each other. The amount of deviation and direction of the P-polarized light from the optical axis when exiting the Savart plate 122 can be controlled by the angle formed by the crystal axis of the Savart plate 122 and the optical axis, and the P-polarized light and S on the imaging surface 16 of the CCD are controlled. An imaging position of polarized light can be arbitrarily determined. Therefore, the apparent deviation on the wafer 11 of the P and S polarization components of the imaging light generated on the deflection surface 12 of the deflection prism 13 can be corrected on the imaging surface 16 of the CCD using the Savart plate 122. I can do it.
[0050]
4 and 5 show a case where an isotropic medium such as optical glass and a birefringent medium such as uniaxial crystal are used in combination as the polarization compensation optical system. In this case, a crystal or the like in which the refractive index difference between the ordinary ray and the extraordinary ray of the uniaxial crystal is approximately equal to the difference in refractive index between the wavelengths of the illumination light that causes dispersion is suitable.
[0051]
In FIG. 4, a wedge prism (KP) 123a using a crown glass as a medium and a wedge prism (SP) 123b using a quartz as a medium are arranged in combination in an image space appropriately separated from the imaging surface 16 of the CCD. Both wedge angles are set to be approximately equal, and the directions of the wedge angles are opposite to each other. The imaging light emitted from the wedge prism 123a has a dispersion angle, but the imaging light emitted from the wedge prism 123b has a dispersion angle in the opposite direction to the wedge prism 123b. Further, since the P-polarized component and the S-polarized component of the imaging light are emitted from the wedge prism 123a at opposite angles, the imaging position of the P-polarized image formed on the imaging surface 16 of the CCD and the S-polarized light. The positions deviate from each other, and no dispersion occurs on the imaging surface 16 of the CCD.
[0052]
When the combination of the wedge prism 123a and the wedge prism 123b is rotated by 180 degrees with respect to the optical axis, the imaging position of the P-polarized light and the imaging position of the S-deflection formed on the imaging surface 16 of the CCD are reversed. Is possible.
[0053]
Thus, by appropriately setting the size of the wedge angle, the distance from the CCD, and the direction of the wedge angle, the imaging positions of P-polarized light and S-polarized light on the imaging surface 16 of the CCD can be arbitrarily determined. Therefore, the apparent divergence of the P and S polarization components of the imaging light generated on the deflecting surface 12 of the deflecting prism 13 on the wafer 11 is detected on the CCD image sensing surface 16 using a combination of the wedge prism 123a and the wedge prism 123b. Can be corrected. Further, even if the combination of the wedge prism 123a and the wedge prism 123b is arranged in the pupil space between the first objective lens 14 and the second objective lens 15, the same effect as described above is obtained.
[0054]
In FIG. 5, a parallel plane plate (KH) 124a using a crown glass as a medium and a plane parallel plate (SH) 124b using a quartz as a medium are arranged in combination in the image space in front of the imaging surface 16 of the CCD. Both are inclined at substantially the same angle with respect to the optical axis, and the directions of inclination are opposite to each other. The imaging light emitted from the plane-parallel plate 124a is dispersed and shifted for each wavelength, while the imaging light emitted from the plane-parallel plate 124b is dispersed in the opposite direction to the plane-parallel plate 124b and shifted for each wavelength. . Further, since the P-polarized component and the S-polarized component of the imaging light are emitted from the plane-parallel plate 124a so as to deviate from each other, the imaging position of the P-polarized image formed on the imaging surface 16 of the CCD and the S-polarized imaging. The positions deviate from each other, and no dispersion occurs on the CCD. When the combination of the plane parallel plate 124a and the plane parallel plate 124b is rotated by 180 degrees with respect to the optical axis, the P polarization image forming position and the S deflection image forming position formed on the image pickup surface 16 of the CCD are reversed. It is possible. In this way, by appropriately setting the thickness of the parallel flat plates 124a and 124b, the inclination angle with respect to the optical axis, and the direction of the inclination angle, the imaging positions of P-polarized light and S-polarized light on the imaging surface 16 of the CCD are arbitrarily determined. It is done. Therefore, the apparent divergence of the P and S polarization components of the imaging light generated on the deflecting surface 12 of the deflecting prism 13 on the wafer 11 is measured on the CCD image sensing surface 16 using a combination of parallel plane plates 124a and 124b. It can be corrected.
[0055]
FIG. 6 shows a case where a polarization beam splitter (PBS), a position for each polarization component of imaging light, and aberration correction means are used in combination as a polarization compensation optical system. The polarization compensation optical system shown in FIGS. 2 to 5 mainly serves to reduce the deviation of the position of the polarization components of the imaging light on the imaging surface 16 of the CCD, but in FIG. Not only the position but also a slight aberration for each polarization component of the imaging light generated on the deflecting surface 12 of the deflecting member 13 is finely corrected.
[0056]
In FIG. 6, the imaged light emitted from the second objective lens 15 is reflected by the polarization beam splitter (PBS1) 141 disposed on the front optical axis thereof with the reflection surface inclined at approximately 45 degrees with respect to the optical axis. It is branched into a deflection component and an S polarization component. The S-polarized light component polarized and reflected by the polarizing beam splitter 141 causes the wavefront disturbance generated by the deflecting member 13 to be corrected by the S-polarization aberration correcting unit 142 disposed on the front optical axis along which the reflected light of the polarizing beam splitter 141 travels. After the adjustment, the reflecting surface is deflected by a deflecting mirror (MS) 143 disposed at an inclination of approximately 45 degrees with respect to the optical axis, and the reflecting surface is substantially placed on the front optical axis on which the reflected light travels. An alignment mark WM image of an S-polarized component reflected on the imaging surface 16 of the CCD, which is reflected by the reflection surface of the polarization beam splitter (PBS2) 144 arranged at an inclination of 45 degrees and travels the reflected light. Form.
[0057]
On the other hand, the P-polarized light component that has passed through the polarizing beam splitter 141 adjusts the wavefront disturbance generated by the deflecting member 13 by the P-polarization aberration correcting means 145 disposed on the front optical axis along which the light passing through the polarizing beam splitter 141 travels. After that, the reflecting surface is deflected by a deflecting mirror (MP) 146 disposed in front of it at an inclination of approximately 45 degrees with respect to the optical axis.
[0058]
The polarization beam splitter 144 is also arranged so that the traveling direction of the P-polarized light reflected by the deflecting mirror 146 and the reflection surface have an angle of approximately 45 degrees, and the P-polarized light is incident on the polarization beam splitter 144. Through this, an alignment mark WM image of the P-polarized component is formed on the imaging surface 16 of the CCD. The polarizing mirror 146 is provided with an adjustment mechanism 147 that can be finely moved along the direction of the incident optical axis, and can finely adjust the position of the alignment mark WM image of the P-polarized component on the imaging surface 16 of the CCD. is there.
[0059]
Each of the above-mentioned deflection aberration correcting means 142 and 145 is configured by, for example, a lens system similar to the axial afocal system provided with an eccentric fine movement mechanism, and functions to correct lateral aberration for each polarization component. To do. Thus, an alignment mark WM image in which the aberration is corrected for each polarized light and the respective image positions are matched is formed on the image pickup surface 16 of the CCD.
[0060]
As described above, the polarization compensator made of uniaxial crystal such as calcite or quartz provided between the deflecting member and the photoelectric detecting means such as CCD has the wedge angle, thickness, crystal axis direction and direction of the crystal. The position of the P-deflection component and the S-deflection component on the imaging surface of the alignment mark image that has passed through the polarization compensator can be controlled separately for the double image effect that occurs by setting the decentration appropriately. By appropriately setting the amount and direction of this image plane deviation, the P deflection component of the alignment mark image caused by the phase jump characteristic of the deflection surface of the deflection member arranged in the object space of the objective lens of the alignment optical system It is possible to cancel the deviation phenomenon on the imaging surface of the imaging means to some extent with the S deflection component. Such polarization compensation means can be realized by combining a polarization beam splitter and an optical system for correcting the position and aberration of the alignment image for each polarization component without using a birefringent member such as a crystal.
[0061]
FIG. 7 shows a second embodiment when the present invention is applied to an FIA mounted on an exposure apparatus.
[0062]
The difference from the conventional apparatus is that a polarization depolarizer (HD) 151 is disposed in the object space between the deflecting member 13 and the wafer 11. In order to depolarize the imaging light having a broad wavelength from the alignment mark WM, for example, a white light depolarizer in which two sets of crystal plates having appropriate thicknesses are rotated 45 degrees about the optical axis of each crystal axis. Is used. When a change occurs between the wavefronts of the P-polarized light and S-polarized light of the imaging light from the alignment mark WM on the deflecting surface 12 of the deflecting member 13, and the imaging positions of the polarized lights on the imaging surface 16 of the CCD are shifted. However, since the imaging light from the alignment mark WM incident on the deflecting member 13 is depolarized by the action of the polarization depolarizer 151, this FIA can be regarded as an optical system having substantially no polarization characteristics. Therefore, it is possible to accurately detect the position of the alignment mark WM regardless of the polarization characteristics of the alignment mark WM.
[0063]
FIG. 8 shows a third embodiment when the present invention is applied to an FIA mounted on an exposure apparatus.
[0064]
A difference from the conventional FIA is that a polarization beam splitter is provided on the optical axis of the traveling direction of the emitted light of the second objective lens 15 in order to selectively detect the imaged light from the alignment mark WM for each polarization component as a polarization selection means. 141 and a CCD dedicated to detection of each polarization component, that is, a P-polarization CCD 108P and an S-polarization CCD 108S are arranged. On the imaging surface of each CCD, an alignment mark WM image for each polarization component that retains the wavefront change generated on the polarization plane of the deflecting member as it is is formed.
[0065]
Image signals of S-polarized light and P-polarized light obtained from each CCD are transmitted to a control system 142 electrically connected to each CCD. In the control system 142, for example, after the position of the alignment mark WM is detected for each imaging signal, the average of the two sets of positions is taken as the true position of the alignment mark WM. This makes it possible to accurately detect the position of the alignment mark WM regardless of the polarization characteristics of the alignment mark WM even if the FIA optical system has a defect related to polarization.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, the mark position detection device according to the present invention includes the polarization compensation optical system arranged in the optical path between the mark and the light detection device. The wavefront change between the polarization components can be compensated, the mark position detection error can be corrected, and the alignment mark position detection accuracy can be improved.
[0067]
When the polarization compensation optical system is a polarization depolarizer, the imaging light beam itself from the alignment mark is always non-polarized. Therefore, even if the polarization characteristic due to a deflecting member or the like occurs in the subsequent optical system, the alignment mark image It is possible to improve the position detection accuracy of the alignment mark without causing a detection error.
[0068]
In addition, when having a polarization selection optical system that detects the detection light separately for each polarization component, the average value of each alignment mark position obtained by image processing of the image pickup signal by each polarization component is obtained, or each image pickup signal By performing image processing on the synthesized signal obtained by synthesizing the signal and obtaining the alignment mark position, it becomes possible to detect the position with high accuracy without being affected by the polarization characteristic of the alignment mark or the polarization defect of the optical system.
[0069]
Furthermore, since the exposure apparatus according to the present invention includes a polarization compensation optical system disposed in the optical path between the mark and the light detection apparatus, the wavefront between the polarization components of the detection light due to the phase jump of the detection light in the deflection member The change can be compensated for, and the mark position detection error can be corrected, and the alignment between the mask and the substrate can be performed with high accuracy.
[0070]
Since the mark position detection method according to the present invention includes a step of compensating for a wavefront change between the polarization components of the phase-shifted detection light, the wavefront change between the polarization components of the detection light due to the phase jump of the detection light in the deflection step Thus, the mark position detection error can be corrected, and the position can be detected with high accuracy.
[0071]
A step of separately detecting the detection light that has been phase-shifted in the step of deflecting for each polarization component; and a step of compensating for a wavefront change between the polarization components of the detection light caused by the phase jump of the detection light. Therefore, the alignment mark position is obtained by calculating the average value of the alignment mark positions obtained by image processing of the image pickup signals of the respective polarization components, or by obtaining the alignment mark position by image processing of the combined signal obtained by combining the image pickup signals. It is possible to detect the position with high accuracy without being affected by the polarization characteristics of the optical system and the polarization failure of the optical system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of an FIA having a polarization compensation optical system, showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a phenomenon that occurs due to a phase jump on a deflection surface of a deflection prism.
[Explanation of symbols]
11 Wafer
12 Deflection surface
13 Deflection member
14 First objective lens
15 Second objective lens
16 CCD imaging surface
101 Halogen lamp
105 half prism
108 CCD
109 Control system
120 deflection compensation optical system
121a, 121b Wollaston prism
122 Savart board
123a, 123b wedge prism
124a, 124b plane parallel plate
141, 144 Polarizing beam splitter
142 S polarization aberration correcting means
145 P polarization aberration correcting means
143, 146 Deflection mirror
147 Adjustment mechanism

Claims

A mark position detection device for detecting the position of an alignment mark on a substrate,
A condensing optical system for condensing detection light from the alignment mark on the substrate;
A light detection device that detects the detection light collected by the light collection optical system;
A deflection member arranged in an optical path between the mark and the condensing optical system to deflect the detection light;
Configured to compensate for a wavefront change between polarization components of the detection light caused by a phase jump of the detection light on a deflection surface of the deflection member, and disposed in an optical path between the mark and the light detection device A mark position detection apparatus comprising: a polarization compensation optical system.

2. The mark position detection apparatus according to claim 1, wherein the polarization compensation optical system is disposed in an optical path between the deflecting member and the light detection apparatus.

2. The mark position detection apparatus according to claim 1, wherein the polarization compensation optical system is disposed in an optical path between the mark and the deflection member.

The mark position detection apparatus according to claim 3, wherein the polarization compensation optical system includes a polarization depolarizer.

A mark position detection device for detecting the position of an alignment mark on a substrate,
A condensing optical system for condensing detection light from the alignment mark on the substrate;
A light detection device that detects the detection light collected by the light collection optical system;
A deflection member arranged in an optical path between the mark and the condensing optical system to deflect the detection light;
Polarization in which the light detection device detects the detection light separately for each polarization component in order to compensate for a wavefront change between polarization components of the detection light caused by a phase jump of the detection light on the deflection surface of the deflection member A mark position detection apparatus having a selection optical system.

In an exposure apparatus for exposing and transferring a pattern on a mask onto the substrate, the exposure apparatus aligns the mask and the substrate before exposing and transferring the pattern on the mask onto the substrate. Including
The alignment apparatus comprises:
A mark position detection device according to any one of claims 1 to 5,
A control unit that obtains the position of the alignment mark based on the detected detection light, moves a part of the exposure apparatus based on the obtained position, and thus aligns the mask and the substrate. An exposure apparatus characterized by that.

A mark position detection method for detecting a position of an alignment mark on a substrate,
Irradiating the alignment mark with illumination light;
Deflecting detection light from the irradiated alignment mark;
Condensing the deflected detection light;
A step of detecting the collected detection light,
And a step of compensating for a wavefront change between polarization components of the detection light that has been phase-shifted in the step of deflecting.

A mark position detection method for detecting a position of an alignment mark on a substrate,
Irradiating the alignment mark with illumination light;
Deflecting detection light from the irradiated alignment mark;
Condensing the deflected detection light;
A step of detecting the collected detection light,
A step of separately detecting the detection light phase-shifted in the step of deflecting for each polarization component;
And a step of compensating for a wavefront change between polarization components of the detection light caused by a phase jump of the detection light.