JP2005337919A - Position detection apparatus, position detection method, exposure apparatus, and exposure method - Google Patents

Position detection apparatus, position detection method, exposure apparatus, and exposure method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a position detection apparatus and a position detection method allowing to perform position detection of a mark having a low stepped pattern with high precision. <P>SOLUTION: The position detection apparatus comprises an optical system which introduces light from a mark provided in an object to be subjected to position detection, a photoelectric detector which detects light from the mark photoelectrically, and a detection system which detects the position of the mark on the basis of an output signal of the photoelectric detector. The position of the mark is detected under a focus state in which when a predetermined reference pattern having a pair of facing edge sections is detected, signal intensity values of the output signals of the photoelectric detector for the parts corresponding to the edge sections respectively become nearly equal. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、位置検出装置、位置検出方法、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスを製造するリソグラフィ工程等で用いられる位置検出装置、位置検出方法、露光装置、および露光方法に関する。   The present invention relates to a position detection apparatus, a position detection method, an exposure apparatus, and an exposure method, and in particular, a position detection apparatus used in a lithography process or the like for manufacturing a microdevice such as a semiconductor element, an imaging element, a liquid crystal display element, and a thin film magnetic head. The present invention relates to a position detection method, an exposure apparatus, and an exposure method.

一般に、半導体素子等のデバイスの製造に際しては、感光材料の塗布されたウエハ(またはガラスプレート等の基板)上に複数層の回路パターンが重ねて形成される。このため、回路パターンをウエハ上に露光転写するための露光装置には、マスクのパターンと既に回路パターンの形成されているウエハの各露光領域との相対位置合わせ(アライメント)を行うためのアライメント装置が備えられている。近年、回路パターンの線幅の微細化に伴い、高精度のアライメントが必要とされるようになってきている。   In general, when a device such as a semiconductor element is manufactured, a plurality of layers of circuit patterns are formed on a wafer (or a substrate such as a glass plate) coated with a photosensitive material. Therefore, an exposure apparatus for exposing and transferring a circuit pattern onto a wafer includes an alignment apparatus for performing relative alignment (alignment) between the mask pattern and each exposure area of the wafer on which the circuit pattern is already formed. Is provided. In recent years, with the miniaturization of circuit pattern line widths, high-precision alignment has been required.

従来、この種のアライメント装置として、特開平4−65603号公報、特開平4−273246号公報等に開示されているように、オフ・アクシス方式で且つ撮像方式のアライメント装置が知られている。この撮像方式のアライメント装置の位置検出系は、FIA(Field Image Alignment)系の位置検出装置とも呼ばれている。FIA系の位置検出装置では、ハロゲンランプ等の光源から射出される波長帯域幅の広い光で、ウエハ上のアライメントマーク(ウエハマーク)を照明する。そして、結像光学系を介してウエハマークの拡大像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理することによりウエハマークの位置検出を行う。   Conventionally, as this type of alignment apparatus, as disclosed in JP-A-4-65603, JP-A-4-273246, and the like, an off-axis type and imaging type alignment apparatus is known. The position detection system of this imaging type alignment apparatus is also called an FIA (Field Image Alignment) position detection apparatus. In the FIA-based position detection device, an alignment mark (wafer mark) on a wafer is illuminated with light having a wide wavelength bandwidth emitted from a light source such as a halogen lamp. Then, an enlarged image of the wafer mark is formed on the image sensor via the imaging optical system, and the position of the wafer mark is detected by performing image processing on the obtained imaging signal.

一般に、低段差でマーク部と周囲の反射率差が小さいパターンのアライメントマークの場合、ベストフォーカス状態で得られるアライメントマーク像のコントラストは所定のデフォーカス状態で得られるそれよりも低くなる。そこで、特開平7−183186号公報、特開平9−6017号公報、特開平10−50592号公報等には、所定のデフォーカス状態下において低段差パターンのアライメントマークを検出することによりアライメントマーク像のコントラストを向上させる技術が開示されている。なお、近年の半導体素子に関する製造技術の進展に伴って、非対称な低段差パターンのアライメントマークであっても位置検出を高精度に行うことが求められるようになってきている。
特開平4−65603号公報 特開平4−273246号公報 特開平7−183186号公報 特開平9−6017号公報 特開平10−50592号公報 国際公開WO03/074966号パンフレット
In general, in the case of an alignment mark having a pattern with a low step and a small difference in reflectance between the mark portion and the surrounding area, the contrast of the alignment mark image obtained in the best focus state is lower than that obtained in a predetermined defocus state. In view of this, JP-A-7-183186, JP-A-9-6017, JP-A-10-50592 and the like disclose an alignment mark image by detecting an alignment mark of a low step pattern under a predetermined defocus state. A technique for improving the contrast is disclosed. With the recent progress in manufacturing technology related to semiconductor elements, it has become necessary to detect the position with high accuracy even with an alignment mark having an asymmetric low step pattern.
JP-A-4-65603 JP-A-4-273246 Japanese Patent Laid-Open No. 7-183186 Japanese Patent Laid-Open No. 9-6017 Japanese Patent Laid-Open No. 10-50592 International Publication WO03 / 074966 Pamphlet

低段差パターンをベストフォーカス位置で位置検出を行う従来技術では、アライメントマークが非対称な低段差パターンである場合にアライメントマーク像も非対称に歪むので、デフォーカスに伴って位置検出結果にかなりの誤差成分が含まれるようになり、結果として位置検出精度が悪化する可能性がある。また、結像光学系に誤差が残存している場合、例えば、結像開口絞りが光学系の光軸に対して位置ずれしている場合にも、アライメントマーク像が非対称に歪み、同様に位置検出精度が悪化する場合がある。   In the conventional technology that detects the position of the low step pattern at the best focus position, if the alignment mark is an asymmetrical low step pattern, the alignment mark image is also asymmetrically distorted. As a result, the position detection accuracy may deteriorate. Further, when an error remains in the imaging optical system, for example, when the imaging aperture stop is displaced with respect to the optical axis of the optical system, the alignment mark image is asymmetrically distorted and similarly positioned. The detection accuracy may deteriorate.

この点に関して、本願出願人による国際出願に係る上記特許文献6に開示されているように、光電検出器に達するマークからの回折光のうちの特定次数の1つの回折光と0次回折光との位相差がほぼ90度になるように位相差を付与した所定の光学状態においてマークの位置を検出するようにした技術が提案されている。この技術によれば、上述の従来技術の問題をほぼ解消できるが、実際の現場(製造工場等)においては検出対象のマークは、設計仕様上あるいはプロセス上、低段差パターンとは限らず様々であるので、場合によっては検出精度が向上せず、むしろ悪化する場合もある。   In this regard, as disclosed in the above-mentioned Patent Document 6 relating to the international application filed by the applicant of the present application, the diffracted light of a specific order among the diffracted light from the mark reaching the photoelectric detector A technique has been proposed in which the position of a mark is detected in a predetermined optical state in which a phase difference is given so that the phase difference is approximately 90 degrees. According to this technology, the above-mentioned problems of the prior art can be almost solved. However, in actual sites (manufacturing factories, etc.), the mark to be detected is not limited to a low step pattern in terms of design specifications or process, but varies. Therefore, in some cases, the detection accuracy is not improved but may be deteriorated.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、マークが非対称である場合やマークの結像光学系に残存誤差がある場合等の検出信号の波形が非対称となるような検出状況を、マーク側、検出装置側の構造を変更することなく改善して、より対称形状な出力信号波形を得る検出状況を作り出すことができ、低段差パターンのマークを高精度に位置検出することのできる位置検出装置および位置検出方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a detection situation in which the waveform of a detection signal is asymmetric when the mark is asymmetric or when there is a residual error in the imaging optical system of the mark. It can be improved without changing the structure on the mark side and the detection device side, and a detection situation where a more symmetrical output signal waveform is obtained can be created, and a mark with a low step pattern can be detected with high accuracy. An object is to provide a position detection device and a position detection method.

また、実際の現場において状況に柔軟に対応して高精度且つ迅速にマーク位置を検出することができる位置検出方法および位置検出装置を提供することを目的とする。   It is another object of the present invention to provide a position detection method and a position detection apparatus capable of detecting a mark position with high accuracy and speed in a flexible manner in response to actual situations.

さらに、高精度、高品質なマイクロデバイス等を高いスループットで製造することができる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。   It is another object of the present invention to provide an exposure apparatus and an exposure method that can manufacture high-precision, high-quality microdevices and the like with high throughput.

以下、この項に示す説明では、本発明を、実施形態を表す図面に示す部材符号に対応付けて説明するが、本発明の各構成要件は、これら部材符号を付した図面に示す部材に限定されるものではない。   Hereinafter, in the description shown in this section, the present invention will be described in association with the member codes shown in the drawings representing the embodiments. However, each constituent element of the present invention is limited to the members shown in the drawings attached with these member codes. Is not to be done.

本発明の第1の観点によると、位置検出すべき物体(W)に設けられたマーク(WM)からの光を導く光学系(7〜14,17)と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器(15,16)と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系(18)とを備えた位置検出装置において、所定の基準パターンを検出して得られる前記光電検出器の出力信号の対称性が略対称となるフォーカス状態下で前記マークの位置を検出するようにした位置検出装置が提供される。   According to the first aspect of the present invention, an optical system (7-14, 17) for guiding light from a mark (WM) provided on an object (W) whose position is to be detected, and photoelectric detection of light from the mark. And a detection system (18) for detecting the position of the mark based on an output signal of the photoelectric detector to detect a predetermined reference pattern. There is provided a position detection device that detects the position of the mark under a focus state in which the symmetry of the output signal of the photoelectric detector obtained is substantially symmetric.

パターンを光電検出して得られる信号の波形は、その対称性において崩れを生じることが多い。この対称性の崩れは、フォーカス状態(光学系とマークの該光学系の光軸方向の相対位置関係)に応じて連続的に変化するので、所定の基準パターンを種々のフォーカス状態で検出することにより、この対称性が最も良好となるフォーカス状態を特定することが可能である。本発明では、この特定されたフォーカス状態下でマークの検出を行うようにしたので、非対称な低段差マークであっても、あるいは光学系に残存誤差がある場合であっても、ほぼ対称で且つコントラストのほぼ良好なマーク像を得ることができ、ひいてはマーク位置を高精度に検出することができる。   The waveform of a signal obtained by photoelectrically detecting a pattern often breaks in symmetry. This loss of symmetry changes continuously according to the focus state (relative positional relationship between the optical system and the mark in the optical axis direction of the optical system), so that a predetermined reference pattern can be detected in various focus states. Thus, it is possible to specify the focus state in which this symmetry is the best. In the present invention, since the mark is detected under the specified focus state, even if it is an asymmetrical low step mark or there is a residual error in the optical system, it is substantially symmetrical and A mark image with substantially good contrast can be obtained, and the mark position can be detected with high accuracy.

本発明の第2の観点によると、位置検出すべき物体(W)に設けられたマーク(WM)からの光を光電検出して得られる波形信号に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、相対する一対のエッジ部を有する所定の基準パターンを前記光電検出して得られる波形信号の該エッジ部にそれぞれ対応する部分の信号強度が略等しくなるフォーカス状態下で前記マークの位置を検出する検出工程(S2〜S4)を含む位置検出方法が提供される。   According to the second aspect of the present invention, the position detection detects the position of the mark based on the waveform signal obtained by photoelectrically detecting the light from the mark (WM) provided on the object (W) to be position-detected. In the method, the position of the mark is determined under a focus state in which signal strengths of portions corresponding to the edge portions of the waveform signal obtained by photoelectrically detecting a predetermined reference pattern having a pair of opposite edge portions are substantially equal. A position detection method including a detection step (S2 to S4) for detection is provided.

相対する一対のエッジ部を有するパターンを光電検出して得られる信号の波形は、一方のエッジ部に対応する部分(以下便宜的に左エッジ波形部という)と他方のエッジ部に対応する部分(以下便宜的に右エッジ波形部という)において、信号強度に差を生じることが多い。この差は、フォーカス状態(光学系とマークの該光学系の光軸方向の相対位置関係)に応じて連続的に変化するので、所定の基準パターンを種々のフォーカス状態で検出することにより、左エッジ波形部と右エッジ波形部の信号強度が実質的に等しくなるフォーカス状態を特定することが可能である。本発明では、この特定されたフォーカス状態下でマークの検出を行うようにしたので、非対称な低段差マークであっても、あるいは光学系に残存誤差がある場合であっても、ほぼ対称で且つコントラストのほぼ良好なマーク像を得ることができ、ひいてはマーク位置を高精度に検出することができる。   A waveform of a signal obtained by photoelectrically detecting a pattern having a pair of opposing edge portions is a portion corresponding to one edge portion (hereinafter referred to as a left edge waveform portion for convenience) and a portion corresponding to the other edge portion ( In the following description, for the sake of convenience, there is often a difference in signal intensity. This difference continuously changes in accordance with the focus state (relative positional relationship between the optical system and the mark in the optical axis direction of the optical system). Therefore, by detecting a predetermined reference pattern in various focus states, It is possible to specify a focus state in which the signal strengths of the edge waveform portion and the right edge waveform portion are substantially equal. In the present invention, since the mark is detected under the specified focus state, even if it is an asymmetrical low step mark or there is a residual error in the optical system, it is substantially symmetrical and A mark image with substantially good contrast can be obtained, and the mark position can be detected with high accuracy.

本発明の第3の観点によると、位置検出すべき物体(W)に設けられたマーク(WM)からの光学系(7〜14,17)を介した光を光電検出して得られる信号に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、前記信号に基づいて決定されたフォーカス状態下で前記マークの位置検出を行う検出工程(S2〜S4)と、前記検出工程に先立ち、前記マークのライン部の段差量に関する段差情報を取得し、該段差情報に基づいて前記検出工程を実施するか否かを判断する判断工程(S1)とを含む位置検出方法が提供される。   According to the third aspect of the present invention, a signal obtained by photoelectrically detecting light from the mark (WM) provided on the object (W) to be position-detected via the optical system (7-14, 17). In the position detection method of detecting the position of the mark based on the detection step (S2 to S4) for detecting the position of the mark under a focus state determined based on the signal, and prior to the detection step, the mark A position detection method is provided that includes step information regarding a step amount of the line portion and a determination step (S1) for determining whether to perform the detection step based on the step information.

この発明では、マークの段差量に関する段差情報に基づいて当該検出工程を実施するか否かを判断するようにしたので、例えば段差量が小さい場合には前記所定のフォーカス状態下で検出する当該検出工程を実施し、段差量が大きい場合には当該検出工程を実施せずに通常のフォーカス状態下で位置検出を行うようにできるので、実際の現場における状況に柔軟に対応しつつ高精度な位置検出を行うことができるようになる。また、このような判断を行うので、全体としてのスループットをそれほど低下させることなく、高精度検出を行うことができる。   In the present invention, since it is determined whether or not to perform the detection step based on the step information regarding the step amount of the mark, for example, the detection that is detected under the predetermined focus state when the step amount is small. If the step is large and the level difference is large, position detection can be performed under normal focus conditions without performing the detection step. Detection can be performed. In addition, since such a determination is made, highly accurate detection can be performed without significantly reducing the overall throughput.

本発明の第4の観点によると、位置検出すべき物体(W)に設けられたマーク(WM)からの光を導く光学系(7〜14,17)と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器(15,16)と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系(18)とを備えた位置検出装置において、前記光電検出器の出力信号に基づいて決定されたフォーカス状態下で、前記検出系による前記マークの位置検出を行うか否かを、前記マークの段差量に関する段差情報に基づいて判断する判断手段を有する位置検出装置が提供される。本発明の第3の観点に係る発明と同様の作用効果を得ることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, an optical system (7-14, 17) for guiding light from a mark (WM) provided on an object (W) whose position is to be detected, and photoelectric detection of light from the mark. And a detection system (18) for detecting the position of the mark based on the output signal of the photoelectric detector, the output signal of the photoelectric detector There is provided a position detection device having a determination unit that determines whether or not to detect the position of the mark by the detection system based on step information regarding the step amount of the mark under a focus state determined based on the focus state. . Effects similar to those of the invention according to the third aspect of the present invention can be obtained.

本発明の第5の観点によると、パターンが形成されたマスク(R)を照明する照明系(IL)と、前記マスクのパターン像を物体(W)上に投影する投影光学系(PL)と、本発明の第1又は第4の観点に係る位置検出装置(1〜18)とを備える露光装置が提供される。低段差マークを高精度検出できる本発明に係る位置検出装置を備えているので、マーク位置を高精度検出することができる結果、高精度、高品質なマイクロデバイス等を製造することができる。   According to a fifth aspect of the present invention, an illumination system (IL) that illuminates a mask (R) on which a pattern is formed, and a projection optical system (PL) that projects a pattern image of the mask onto an object (W) There is provided an exposure apparatus comprising the position detection devices (1 to 18) according to the first or fourth aspect of the present invention. Since the position detection apparatus according to the present invention capable of detecting the low step mark with high accuracy is provided, the mark position can be detected with high accuracy, and as a result, a high-precision and high-quality microdevice can be manufactured.

本発明の第6の観点によると、マスク(R)のパターンを介して物体(W)を露光する露光方法において、本発明の第2又は第3の観点に係る位置検出方法を用いて前記物体の位置を検出する工程を含む露光方法が提供される。低段差マークを高精度検出できる本発明に係る位置検出方法を用いてマークの位置を検出する工程を備えているので、マーク位置を高精度検出することができる結果、高精度、高品質なマイクロデバイス等を製造することができる。   According to a sixth aspect of the present invention, in an exposure method for exposing an object (W) through a mask (R) pattern, the object is detected using the position detection method according to the second or third aspect of the present invention. There is provided an exposure method including a step of detecting the position of. Since the step of detecting the position of the mark using the position detection method according to the present invention capable of detecting the low step mark with high accuracy is provided, the mark position can be detected with high accuracy. Devices and the like can be manufactured.

本発明によれば、マークが非対称である場合やマークの結像光学系に残存誤差がある場合であっても、低段差パターンのマークを高精度且つ迅速に位置検出することができるようになるという効果がある。   According to the present invention, even when the mark is asymmetrical or when there is a residual error in the imaging optical system of the mark, the position of the mark of the low step pattern can be detected with high accuracy and speed. There is an effect.

また、実際の現場において状況に柔軟に対応してスループットの低下を極力抑制しつつ高精度にマーク位置を検出することができるようになるという効果がある。   In addition, there is an effect that the mark position can be detected with high accuracy while flexibly responding to the situation at the actual site and suppressing a decrease in throughput as much as possible.

さらに、高精度、高品質なマイクロデバイス等を高いスループットで製造することができるようになるという効果がある。   Furthermore, there is an effect that high-precision and high-quality microdevices can be manufactured with high throughput.

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る位置検出装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。また、図2は、プロセスウエハ又は基準ウエハ(詳細後述)に形成された段差パターンからなるウエハマーク又は基準マークの一例を模式的に示す図である。   FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of an exposure apparatus provided with a position detection apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an example of a wafer mark or a reference mark formed of a step pattern formed on a process wafer or a reference wafer (details will be described later).

本実施形態では、半導体素子を製造するための露光装置において感光性基板の位置を検出するためのFIA系の位置検出装置に本発明を適用している。なお、図1では、露光装置の投影光学系PLの光軸AX0に対して平行にZ軸が、Z軸に垂直な平面内において図1の紙面に平行な方向にX軸が、Z軸に垂直な平面内において図1の紙面に垂直な方向にY軸がそれぞれ設定されている。   In the present embodiment, the present invention is applied to an FIA-based position detection device for detecting the position of a photosensitive substrate in an exposure device for manufacturing a semiconductor element. In FIG. 1, the Z axis is parallel to the optical axis AX0 of the projection optical system PL of the exposure apparatus, and the X axis is in the direction parallel to the plane of FIG. 1 in the plane perpendicular to the Z axis. In the vertical plane, the Y axis is set in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.

図示の露光装置は、適当な露光光でマスク(投影原版)としてのレチクルRを照明するための露光用照明系ILを備えている。照明系ILの光源としては、特に限定されないが、超高圧水銀ランプ(g線(波長436nm)、i線(波長365nm))、KrFエキシマレーザ(波長248nm)、ArFエキシマレーザ(波長193nm)、又はFレーザ(波長157nm)等が用いられる。レチクルRはレチクルステージ30上においてXY平面とほぼ平行に支持されており、そのパターン領域PAには転写すべき回路パターンが形成されている。レチクルRを透過した光は、投影光学系PLを介して、感光性基板としてのウエハWに達し、ウエハW上にはレチクルRのパターン像が投影される。 The illustrated exposure apparatus includes an exposure illumination system IL for illuminating a reticle R as a mask (projection original) with appropriate exposure light. The light source of the illumination system IL is not particularly limited, but an ultra-high pressure mercury lamp (g-line (wavelength 436 nm), i-line (wavelength 365 nm)), KrF excimer laser (wavelength 248 nm), ArF excimer laser (wavelength 193 nm), or An F 2 laser (wavelength 157 nm) or the like is used. The reticle R is supported on the reticle stage 30 substantially parallel to the XY plane, and a circuit pattern to be transferred is formed in the pattern area PA. The light transmitted through the reticle R reaches the wafer W as a photosensitive substrate via the projection optical system PL, and a pattern image of the reticle R is projected onto the wafer W.

ウエハWは、ウエハホルダ31を介して、Zステージ32上においてXY平面とほぼ平行に支持されている。Zステージ32は、ステージ制御系34によって、投影光学系PLの光軸AX0に沿ってZ方向に駆動されるように構成されている。Zステージ32はさらに、XYステージ33上に支持されている。XYステージ33は、同じくステージ制御系34によって、投影光学系PLの光軸AX0に対して垂直なXY平面内において二次元的に駆動されるように構成されている。   The wafer W is supported on the Z stage 32 through the wafer holder 31 so as to be substantially parallel to the XY plane. The Z stage 32 is configured to be driven in the Z direction by the stage control system 34 along the optical axis AX0 of the projection optical system PL. The Z stage 32 is further supported on the XY stage 33. Similarly, the XY stage 33 is configured to be driven two-dimensionally in the XY plane perpendicular to the optical axis AX0 of the projection optical system PL by the stage control system 34.

このような構成の露光装置においては、投影露光に先立って、レチクルR上のパターン領域PAとウエハW上の各露光領域(ショット領域)とを光学的に位置合わせ(アライメント)する必要がある。そこで、位置検出すべき物体であるウエハWには、図2に模式的に示すようなパターンからなるウエハマーク(ウエハアライメントマーク)WMが形成されている。ウエハマークWMは図2に示したような段差構造をもつ場合もある。ウエハマークWMの位置を検出し、ひいてはウエハWの位置を検出するのに、本実施形態の位置検出装置が使用される。   In the exposure apparatus having such a configuration, it is necessary to optically align (align) the pattern area PA on the reticle R and each exposure area (shot area) on the wafer W prior to the projection exposure. Therefore, a wafer mark (wafer alignment mark) WM having a pattern as schematically shown in FIG. 2 is formed on the wafer W which is an object whose position is to be detected. The wafer mark WM may have a step structure as shown in FIG. The position detection apparatus of this embodiment is used to detect the position of the wafer mark WM, and thus detect the position of the wafer W.

具体的には、ウエハマークWMとして、X方向に周期性を有する一次元マークとしてのX方向のウエハマークWMXと、Y方向に周期性を有する一次元マークとしてのY方向ウエハマークWMY(不図示)とが、ウエハW上に形成されている。なお、本実施形態では、ウエハマークWMとして、X方向およびY方向にそれぞれ周期性を有する互いに独立した2つの一次元マークを採用しているが、X方向およびY方向に周期性を有する二次元マークを採用することもできる。   Specifically, as the wafer mark WM, a wafer mark WMX in the X direction as a one-dimensional mark having periodicity in the X direction, and a Y-direction wafer mark WMY (not shown) as a one-dimensional mark having periodicity in the Y direction. ) Is formed on the wafer W. In the present embodiment, two independent one-dimensional marks having periodicity in the X direction and the Y direction are employed as the wafer marks WM, but two-dimensional marks having periodicity in the X direction and the Y direction are used. Marks can also be adopted.

なお、ウエハマークとしては、このようなライン部とスペース部の幅がほぼ同一のマークに限定されず、いわゆる細溝マーク(ライン部の幅をスペース部の幅に対して細く設定したマークあるいはこれを逆転させたマーク)やセグメントマーク(複数の極細パターンを狭ピッチで配列したマークであり、パターン間の幅が結像光学系の解像限界以下に設定されたマーク)等であっても良い。   The wafer mark is not limited to such a mark having substantially the same width of the line portion and the space portion, but is a so-called fine groove mark (a mark in which the width of the line portion is set narrower than the width of the space portion or the same). Or a segment mark (a mark in which a plurality of ultrafine patterns are arranged at a narrow pitch and the width between the patterns is set to be equal to or less than the resolution limit of the imaging optical system). .

再度、図1を参照する。本実施形態に係る位置検出装置は、波長帯域幅の広い照明光(例えば、波長530nm〜800nm)を供給するための光源1を備えている。光源1として、ハロゲンランプのような光源を使用することができる。光源1から供給された照明光は、リレー光学系(不図示)を介して、光ファイバーのようなライトガイド2の入射端に入射する。ライトガイド2の内部を伝搬してその射出端から射出された照明光は、例えば円形状の開口部(光透過部)を有する照明開口絞り3を介して制限された後、コンデンサーレンズ4に入射する。   Reference is again made to FIG. The position detection apparatus according to the present embodiment includes a light source 1 for supplying illumination light having a wide wavelength bandwidth (for example, a wavelength of 530 nm to 800 nm). As the light source 1, a light source such as a halogen lamp can be used. Illumination light supplied from the light source 1 enters an incident end of a light guide 2 such as an optical fiber via a relay optical system (not shown). Illumination light propagating through the inside of the light guide 2 and exiting from the exit end thereof is restricted through an illumination aperture stop 3 having, for example, a circular opening (light transmission part), and then enters the condenser lens 4. To do.

コンデンサーレンズ4を介した照明光は、照明視野絞り5を介して、照明リレーレンズ6に入射する。照明リレーレンズ6を介した照明光は、ハーフプリズム7を透過した後、第1対物レンズ8に入射する。第1対物レンズ8を介した照明光は、反射プリズム9の反射面で図中下方に(−Z方向に)反射された後、ウエハW上に形成されたウエハマークWMを照明する。   The illumination light that has passed through the condenser lens 4 enters the illumination relay lens 6 through the illumination field stop 5. The illumination light that passes through the illumination relay lens 6 passes through the half prism 7 and then enters the first objective lens 8. The illumination light that has passed through the first objective lens 8 is reflected downward (in the −Z direction) in the figure by the reflecting surface of the reflecting prism 9 and then illuminates the wafer mark WM formed on the wafer W.

このように、光源1、ライトガイド2、照明開口絞り3、コンデンサーレンズ4、照明視野絞り5、照明リレーレンズ6、ハーフプリズム7、第1対物レンズ8および反射プリズム9は、ウエハマークWMを落射照明するための照明系を構成している。照明光に対するウエハマークWMからの反射光(回折光を含む)は、反射プリズム9および第1対物レンズ8を介して、ハーフプリズム7に入射する。ハーフプリズム7で図中上方に(+Z方向に)反射された光は、第2対物レンズ10を介して、指標板11上にウエハマークWMの像を形成する。   As described above, the light source 1, the light guide 2, the illumination aperture stop 3, the condenser lens 4, the illumination field stop 5, the illumination relay lens 6, the half prism 7, the first objective lens 8, and the reflection prism 9 are incident on the wafer mark WM. An illumination system for illumination is configured. Reflected light (including diffracted light) from the wafer mark WM with respect to the illumination light is incident on the half prism 7 via the reflective prism 9 and the first objective lens 8. The light reflected upward (in the + Z direction) in the drawing by the half prism 7 forms an image of the wafer mark WM on the index plate 11 via the second objective lens 10.

指標板11を介した光は、リレーレンズ系(12,13)を介して、XY分岐ハーフプリズム14に入射する。そして、XY分岐ハーフプリズム14で反射された光はY方向用CCD15に、XY分岐ハーフプリズム14を透過した光はX方向用CCD16に入射する。なお、リレーレンズ系(12,13)の平行光路中には、結像開口絞り17が配置されている。   The light that has passed through the index plate 11 enters the XY branch half prism 14 via the relay lens system (12, 13). The light reflected by the XY branch half prism 14 enters the Y direction CCD 15, and the light transmitted through the XY branch half prism 14 enters the X direction CCD 16. An imaging aperture stop 17 is disposed in the parallel optical path of the relay lens system (12, 13).

このように、反射プリズム9、第1対物レンズ8、ハーフプリズム7、第2対物レンズ10、指標板11、リレーレンズ系(12,13)、結像開口絞り17およびハーフプリズム14は、照明光に対するウエハマークWMからの反射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を構成している。また、Y方向用CCD15およびX方向用CCD16は、結像光学系を介して形成されたマーク像を光電検出するための光電検出器を構成している。   As described above, the reflecting prism 9, the first objective lens 8, the half prism 7, the second objective lens 10, the indicator plate 11, the relay lens system (12, 13), the imaging aperture stop 17 and the half prism 14 are provided with illumination light. An imaging optical system for forming a mark image based on the reflected light from the wafer mark WM is configured. Further, the Y-direction CCD 15 and the X-direction CCD 16 constitute a photoelectric detector for photoelectrically detecting a mark image formed through the imaging optical system.

こうして、Y方向用CCD15およびX方向用CCD16の撮像面には、マーク像が指標板11の指標パターン像とともに形成される。Y方向用CCD15およびX方向用CCD16からの出力信号は、信号処理系18に供給される。さらに、信号処理系18において信号処理(波形処理)により得られたウエハマークWMの位置情報は、主制御系35に供給される。主制御系35は、信号処理系18からのウエハマークWMの位置情報に基づいて、ステージ制御信号をステージ制御系34に出力する。   Thus, a mark image is formed together with the index pattern image of the index plate 11 on the imaging surfaces of the Y-direction CCD 15 and the X-direction CCD 16. Output signals from the Y-direction CCD 15 and the X-direction CCD 16 are supplied to a signal processing system 18. Further, the position information of the wafer mark WM obtained by signal processing (waveform processing) in the signal processing system 18 is supplied to the main control system 35. The main control system 35 outputs a stage control signal to the stage control system 34 based on the position information of the wafer mark WM from the signal processing system 18.

ステージ制御系34は、ステージ制御信号にしたがってXYステージ33を適宜駆動し、ウエハWのアライメントを行う。なお、主制御系35には、例えばキーボードのような入力手段36を介して、照明開口絞り3に対する指令や結像開口絞り17に対する指令が供給される。主制御系35は、これらの指令に基づき、駆動系19を介して照明開口絞り3を駆動したり、駆動系20を介して結像開口絞り17を駆動したりしてもよい。   The stage control system 34 appropriately drives the XY stage 33 in accordance with the stage control signal to align the wafer W. A command for the illumination aperture stop 3 and a command for the imaging aperture stop 17 are supplied to the main control system 35 via an input means 36 such as a keyboard. Based on these instructions, the main control system 35 may drive the illumination aperture stop 3 via the drive system 19 or drive the imaging aperture stop 17 via the drive system 20.

図2に示したマークは理想的な形状を有しているが。実際のプロセスを経て形成されるマークは、非対称に歪んだものとなる場合がある。図3は、非対称な低段差パターンの一例を概略的に示す図である。図3を参照すると、例えばシリコンからなるウエハW上にSiO(酸化シリコン)からなる絶縁層40が形成され、この絶縁層40においてW(タングステン)からなる複数のライン部41が形成されている。ここで、複数のライン部41は、Y方向に沿って細長く直線状に延びた形態を有し、X方向に沿って所定のピッチにしたがって配置されている。また、絶縁層40および複数のライン部41の表面はCMP(Chemical Mechanical Polishing)手法により平坦化され、絶縁層40及びライン部41の表面上にアルミニウム層42が形成されている。 Although the mark shown in FIG. 2 has an ideal shape. A mark formed through an actual process may be asymmetrically distorted. FIG. 3 is a diagram schematically showing an example of an asymmetric low step pattern. Referring to FIG. 3, for example, an insulating layer 40 made of SiO 2 (silicon oxide) is formed on a wafer W made of silicon, and a plurality of line portions 41 made of W (tungsten) are formed in the insulating layer 40. . Here, the plurality of line portions 41 have a shape that is elongated in a straight line along the Y direction, and are arranged according to a predetermined pitch along the X direction. The surfaces of the insulating layer 40 and the plurality of line portions 41 are planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, and an aluminum layer 42 is formed on the surfaces of the insulating layer 40 and the line portions 41.

一般に、上述した工程でCMP手法を用いて絶縁層40および複数のライン部41の表面を平坦化すると、ライン部41の表面が非対称に窪んだ形態になり、ライン部41の表面部分に対応するアルミニウム層42の表面部分も非対称に窪んだ形態になる。本実施形態では、この反射層としてのアルミニウム層42をX方向のウエハマークWMXとして用いる。その結果、ウエハマークWMXは、凹部(ライン部41の表面部分に対応するアルミニウム層42の表面部分)および凸部(絶縁層40の表面部分に対応するアルミニウム層42の表面部分)がピッチ方向(X方向)に関してそれぞれ非対称に形成された非対称低段差パターンで構成されることになる。このことは、Y方向のウエハマークWMYについても同様である。   In general, when the surfaces of the insulating layer 40 and the plurality of line portions 41 are flattened using the CMP method in the above-described steps, the surface of the line portions 41 is asymmetrically recessed and corresponds to the surface portion of the line portion 41. The surface portion of the aluminum layer 42 is also asymmetrically recessed. In the present embodiment, the aluminum layer 42 as the reflective layer is used as the wafer mark WMX in the X direction. As a result, in the wafer mark WMX, the concave portion (the surface portion of the aluminum layer 42 corresponding to the surface portion of the line portion 41) and the convex portion (the surface portion of the aluminum layer 42 corresponding to the surface portion of the insulating layer 40) have a pitch direction ( It is constituted by asymmetric low step patterns formed asymmetrically with respect to (X direction). The same applies to the wafer mark WMY in the Y direction.

図4(A)〜図4(C)は、非対称な段差パターンをガウス像面において検出したときに得られる信号波形を示す図である。図4(C)のように中心軸に対して非対称な段差パターンを、図4(B)のような残存誤差の無い理想的な結像光学系を介して検出した場合には、図4(A)に示すように、中心軸に対して非対称な(歪んだ)信号波形が得られる。この歪みは、結像光学系により集光されてCCD(光電検出器)15,16に達する回折光においてプラスの次数の回折光と対応するマイナスの次数の回折光とが光軸に関して非対称な分布になることが主な要因の1つである。結果としてマーク像が非対称に歪み検出誤差を引き起こす。この場合、段差パターンの非対称性に応じた誤差を含んだ検出結果が得られることになる。   4A to 4C are diagrams showing signal waveforms obtained when an asymmetric step pattern is detected on the Gaussian image plane. When a step pattern asymmetric with respect to the central axis as shown in FIG. 4C is detected via an ideal imaging optical system having no residual error as shown in FIG. 4B, FIG. As shown in A), an asymmetric (distorted) signal waveform with respect to the central axis is obtained. This distortion is asymmetrically distributed with respect to the optical axis between the plus-order diffracted light and the corresponding minus-order diffracted light in the diffracted light collected by the imaging optical system and reaching the CCDs (photoelectric detectors) 15 and 16. Is one of the main factors. As a result, the mark image causes an asymmetric distortion detection error. In this case, a detection result including an error corresponding to the asymmetry of the step pattern is obtained.

また、図5及び図8は、対称なパターンを残存誤差のある結像光学系を介してガウス像面において検出したときに得られる信号波形を示す図である。図5に符号WMで示したウエハマークのように中心軸に対して対称な段差パターンを、図5のような光軸に対して結像開口絞り17が位置ずれ(光軸ずれ)している結像光学系を介して検出した場合、図8に示すように、図4(A)と同様に中心軸に対して非対称な(歪んだ)信号波形が得られる。この歪みは、図5に示すように、物体面OP(ウエハマークWM)からの回折光のうち、高次の回折光(同図では3次回折光)の一部が結像開口絞り17の位置ずれによって遮断され、像面IP(CCD)に到達しないために生じるものである。この場合も、結像光学系の残存誤差に応じた誤差を含んだ検出結果が得られることになる。   5 and 8 are diagrams showing signal waveforms obtained when a symmetric pattern is detected on the Gaussian image plane through an imaging optical system having a residual error. As shown in the wafer mark indicated by WM in FIG. 5, the stepped pattern symmetrical to the central axis is shifted in position (optical axis shift) with respect to the optical axis as shown in FIG. When detected via the imaging optical system, as shown in FIG. 8, a signal waveform that is asymmetric (distorted) with respect to the central axis is obtained as in FIG. As shown in FIG. 5, this distortion is caused by the fact that a part of the higher-order diffracted light (third-order diffracted light in the figure) out of the diffracted light from the object plane OP (wafer mark WM) is located at the position of the imaging aperture stop 17. This is because it is blocked by the deviation and does not reach the image plane IP (CCD). Also in this case, a detection result including an error corresponding to the residual error of the imaging optical system is obtained.

図6はパターン(マーク)をベストフォーカス状態(即ち結像光学系の物体面に対してマークを一致させたフォーカス状態)で検出した場合の検出誤差(計測位置ずれ)とパターンの段差量との関係をシミュレーションした結果を示す図である。同図中、符号AEO(結像開口絞りの位置ずれ:Aperture Stop Eccentricity for Optical Axis)を付して表示した線から明らかなように、結像開口絞り17の位置ずれが残存している場合、パターンが低段差化すると検出誤差は急激に大きくなることがわかる。なお、同図には、位置検出装置の誤差要因の他の一つとしてのコマ収差についての段差量と検出誤差との関係も示しているが(同図中、符号Comaを付して表示)、コマ収差の残存による検出誤差は、マークの段差量には依存しないので、ここでは結像開口絞りの位置ずれに着目して、これに伴う検出誤差の低減を図る。   FIG. 6 shows the difference between the detection error (measurement position deviation) and the pattern step amount when the pattern (mark) is detected in the best focus state (that is, the focus state in which the mark coincides with the object plane of the imaging optical system). It is a figure which shows the result of having simulated the relationship. In the same figure, as apparent from the line indicated by the reference AEO (Aperture Stop Opticality for Optical Axis), the positional deviation of the imaging aperture stop 17 remains. It can be seen that the detection error increases rapidly when the pattern is lowered. The figure also shows the relationship between the step amount and the detection error with respect to coma aberration as another error factor of the position detection device (in the figure, indicated by the symbol Coma). Since the detection error due to the remaining coma aberration does not depend on the step amount of the mark, here, focusing on the positional deviation of the imaging aperture stop, the detection error associated therewith is reduced.

図7は、マークの段差量と像のコントラスト(Iac)、非対称量(ΔI)、および非対称度(Q)との関係を示す図である。一対のエッジ部を有するパターン(通常のラインパターン)についての検出波形は、マーク自体が非対称である場合又は結像光学系に誤差がある場合、図8に示すように、当該エッジ部に対応する部分(以下便宜上、左エッジ波形部、右エッジ波形部という)の信号強度が左右エッジ波形部で非対称となる。左右エッジ波形部のうちの一方(信号強度の大きい方、ここでは右エッジ波形部)の信号強度をIac(像のコントラスト)とし、左右エッジ波形部の信号強度の差をΔI(非対称量)とし、ΔI/IacをQ(非対称度)としている。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the mark level difference, image contrast (Iac), asymmetry (ΔI), and asymmetry (Q). The detection waveform for a pattern having a pair of edge portions (normal line pattern) corresponds to the edge portion as shown in FIG. 8 when the mark itself is asymmetric or when there is an error in the imaging optical system. The signal intensity of the portion (hereinafter, referred to as the left edge waveform portion and the right edge waveform portion) is asymmetric in the left and right edge waveform portions. The signal intensity of one of the left and right edge waveform parts (the signal edge having the larger signal intensity, here the right edge waveform part) is Iac (contrast of the image), and the difference in signal intensity between the left and right edge waveform parts is ΔI (asymmetric amount). , ΔI / Iac is defined as Q (degree of asymmetry).

上述した図6において、パターンが低段差化すると検出誤差が急激に大きくなるのは、マークの段差θが小さくなるのに伴う像のコントラスト(Iac)の劣化が、
Iac∝1−cosθ…(1)
の関係を持つのに対し、像の非対称量(ΔI)の劣化の関係が、
ΔI∝sinθで変化するために起こる現象で、非対称の程度を表す非対称度Qが、
Q=ΔI/Iac∝sinθ/(1−cosθ)=1/tan(θ/2)…(2)
の関係となり、段差θが小さくなると非対称度Qが急激に悪化するためである。
In FIG. 6 described above, the detection error rapidly increases when the pattern is lowered, because the deterioration of the contrast (Iac) of the image as the mark step θ decreases.
Iac∝1-cos θ (1)
Whereas the relationship of image asymmetry (ΔI) degradation is
Asymmetry degree Q representing the degree of asymmetry is a phenomenon that occurs because ΔI∝sinθ changes.
Q = ΔI / Iac∝sinθ / (1-cosθ) = 1 / tan (θ / 2) (2)
This is because the degree of asymmetry Q rapidly deteriorates when the step θ becomes smaller.

上述したように、一般的にCCD(光電検出器)に達する回折光が光軸に関して非対称になると、マーク像も非対称に歪み、その検出信号の波形も非対称になり検出誤差(計測誤差)を生じる。   As described above, generally, when diffracted light reaching the CCD (photoelectric detector) becomes asymmetric with respect to the optical axis, the mark image is also asymmetrically distorted, and the waveform of the detection signal is also asymmetrical, resulting in a detection error (measurement error). .

この点について、さらに詳しく説明する。マークの検出に際し、ベストフォーカス状態からデフォーカスさせると、光軸に対称な波面収差(位相ずれ)が発生する。ここで、デフォーカス量の大きさをΔZとし、マークからの光の中心波長をλとし、マークのピッチをPとし、回折光の次数をN(N=0,±1,±2,…)とすると、発生する位相ずれの大きさΔW(ラジアン)は次の式(3)で表される。   This point will be described in more detail. When the mark is detected and defocused from the best focus state, wavefront aberration (phase shift) symmetrical to the optical axis occurs. Here, the magnitude of the defocus amount is ΔZ, the center wavelength of the light from the mark is λ, the pitch of the mark is P, and the order of the diffracted light is N (N = 0, ± 1, ± 2,...) Then, the magnitude ΔW (radian) of the generated phase shift is expressed by the following equation (3).

ΔW=(1/2)×(N・λ/P)×ΔZ×(2π/λ)…(3) ΔW = (1/2) × (N · λ / P) 2 × ΔZ × (2π / λ) (3)

また、パターンの非対称性や結像開口絞りの光軸ずれにより、0次回折光および+1次回折光のみが光電検出器に達し−1次回折光が光電検出器に達しない場合、光電検出面に形成されるパターン像の強度分布Iは、パターンのライン部とスペース部との間の段差量をdとし、パターンのピッチ方向の位置座標をXとし、0次回折光のフーリエ振幅をCとし、±1次回折光のフーリエ振幅をCとすると、次の式(4)で表される。 In addition, when only the 0th-order diffracted light and the + 1st-order diffracted light reach the photoelectric detector and the −1st-order diffracted light does not reach the photoelectric detector due to the pattern asymmetry or the optical axis shift of the imaging aperture stop, they are formed on the photoelectric detection surface. The intensity distribution I of the pattern image is defined as follows: d is the step amount between the line portion and the space portion of the pattern, X is the position coordinate in the pitch direction of the pattern, C 0 is the Fourier amplitude of the 0th-order diffracted light, and ± 1 When the Fourier amplitude of the diffracted light is C 1, it is expressed by the following equation (4).

I=2C +2C +(C−2C )cosθ
+2Csinθ(cosXsinΔW+sinXcosΔW)…(4)
ここで、
θ=2d×(2π/λ)
である。したがって、デフォーカス量がΔZ=0のベストフォーカス状態では、0次回折光と1次回折光との位相差がΔW=0となり、パターン像の強度分布Iは次の式(5)で表される。
I = 2C 0 2 + 2C 1 2 + (C 0 −2C 1 2 ) cos θ
+ 2C 1 sin θ (cosXsinΔW + sinXcosΔW) (4)
here,
θ = 2d × (2π / λ)
It is. Therefore, in the best focus state where the defocus amount is ΔZ = 0, the phase difference between the 0th-order diffracted light and the first-order diffracted light is ΔW = 0, and the intensity distribution I of the pattern image is expressed by the following equation (5).

I=2C +2C +(C−2C )cosθ+2CsinθsinX…(5) I = 2C 0 2 + 2C 1 2 + (C 0 −2C 1 2 ) cos θ + 2C 1 sin θsinX (5)

即ち、デフォーカス量がΔZ=0のベストフォーカス状態では、パターン像の強度分布Iを表す式(5)にXの奇関数sinの項が現れることにより、パターン像に非対称が生じる。これに対し、0次回折光と1次回折光との位相差がΔW=π/2になるように、所定のデフォーカス量ΔZだけデフォーカスさせると、パターン像の強度分布Iは次の式(6)で表される。また、0次回折光と1次回折光との位相差がΔW=π/2になるデフォーカス量ΔZは、次の式(7)で表される。 That is, in the best focus state where the defocus amount is ΔZ = 0, the term of the odd function sin of X appears in the expression (5) representing the intensity distribution I of the pattern image, thereby causing asymmetry in the pattern image. On the other hand, when defocusing is performed by a predetermined defocus amount ΔZ 0 so that the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is ΔW = π / 2, the intensity distribution I of the pattern image is expressed by the following formula ( 6). The defocus amount ΔZ 0 where the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is ΔW = π / 2 is expressed by the following equation (7).

I=2C +2C +(C−2C )cosθ+2CsinθcosX…(6)
ΔZ=(1/2)×(P2/λ)…(7)
I = 2C 0 2 + 2C 1 2 + (C 0 −2C 1 2 ) cos θ + 2C 1 sin θcosX (6)
ΔZ 0 = (1/2) × (P2 / λ) (7)

即ち、0次回折光と1次回折光との位相差がΔW=π/2になるような所定のデフォーカス状態では、パターン像の強度分布Iを表す式(6)にXの奇関数sinの項がなくなりXの偶関数cosの項が現れることにより、パターン像の非対称性がなくなり対称なパターン像が得られることになる。また、この場合には、得られるパターン像のコントラストも良好になる。   That is, in a predetermined defocus state in which the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is ΔW = π / 2, the term of the odd function sin of X is expressed in Equation (6) representing the intensity distribution I of the pattern image. Since the term of the even function cos of X appears and the term of the even function cos of X appears, the asymmetry of the pattern image disappears and a symmetric pattern image is obtained. In this case, the contrast of the obtained pattern image is also good.

以上のように、マークからの0次回折光と1次回折光とに基づいて非対称な低段差パターンのマークを検出する場合、0次回折光と1次回折光との位相差が90度(π/2)になる所定のデフォーカス状態に設定すると、完全に対称でコントラストの良好なマーク像を得ることができる。   As described above, when detecting an asymmetric low step pattern mark based on the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light from the mark, the phase difference between the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light is 90 degrees (π / 2). When a predetermined defocus state is set, a completely symmetrical image with good contrast can be obtained.

以上の説明は簡単のためにマークからの0次回折光と1次回折光とに基づいてマークを検出する場合を想定しているが、実際の位置検出装置では1次よりもさらに高次の回折光も光電検出する構成になっている場合が多い。この場合にも、光電検出器に達するマークからの回折光のうち、最高次回折光と0次回折光との位相差が90度になる所定のデフォーカス状態において非対称の低段差パターンのマークを検出すると、ほぼ対称で且つコントラストのほぼ良好なマーク像を得ることができる。さらに、一般的には、光電検出器に達するマークからの回折光のうち、特定次数の1つの回折光または複数の特定次数の回折光と0次回折光との位相差がほぼ90度になるように位相差を付与した所定の光学状態において、非対称な低段差パターンのマークを検出すると、ほぼ対称で且つコントラストのほぼ良好なマーク像を得ることができる。   In the above description, for the sake of simplicity, it is assumed that the mark is detected based on the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light from the mark. In many cases, photoelectric detection is also configured. Also in this case, when a mark having an asymmetric low step pattern is detected in a predetermined defocus state in which the phase difference between the highest order diffracted light and the zeroth order diffracted light is 90 degrees out of the diffracted light from the mark reaching the photoelectric detector. Thus, it is possible to obtain a mark image that is substantially symmetrical and has a substantially good contrast. Further, in general, among the diffracted lights from the mark reaching the photoelectric detector, the phase difference between one diffracted light of a specific order or a plurality of diffracted lights of a specific order and zero-order diffracted light is approximately 90 degrees. When a mark having an asymmetrical low step pattern is detected in a predetermined optical state in which a phase difference is added to the mark image, it is possible to obtain a mark image that is substantially symmetric and has a substantially good contrast.

このような0次回折光と高次回折光の位相差が90度になるようなフォーカス状態でマーク検出を実施するため、本実施形態では、図8における左エッジ波形部と右エッジ波形部の信号強度が略等しくなるフォーカス状態を特定し、当該フォーカス状態でマークの検出を行う。なお、このフォーカス状態は、通常はガウス像面からデフォーカスされた状態となるが、ガウス像面と実質的に一致することもあり得る。   In order to perform mark detection in such a focus state that the phase difference between the 0th-order diffracted light and the high-order diffracted light is 90 degrees, in this embodiment, the signal intensity of the left edge waveform portion and the right edge waveform portion in FIG. A focus state in which is substantially equal is specified, and a mark is detected in the focus state. Note that this focus state is usually a defocused state from the Gaussian image plane, but may be substantially coincident with the Gaussian image plane.

以下、このようなフォーカス状態(図8の左右エッジ波形部が略等しくなるフォーカス状態)を特定する具体的手法について説明する。   Hereinafter, a specific method for specifying such a focus state (a focus state in which the left and right edge waveform portions in FIG. 8 are substantially equal) will be described.

まず、基準ウエハ(工具ウエハ)を用いて段差データ収集工程を実施する。この基準ウエハ上には、段差量が互いに段階的に異なる複数の基準パターンが予め形成されている。基準パターンは、対称性の良好な理想に近いパターンであり、ここではシリコンウエハをエッチングすることにより形成された図2に示したような構成のライン・アンド・スペースパターンである。基準パターンのライン部と、該ライン部の周囲のスペース部の反射率は、実質的に等しくなるように設定されている。各基準パターンのそれぞれの段差量は、露光工程で形成(使用)され得、かつ段差の変化が精度に影響を与え始める適切な段差量(図7の例では、200nm程度)から最小段差量までの間で、適宜なピッチで選択される。なお、基準パターンのライン部の幅およびスペース部の幅(即ち配列ピッチ)は、プロセスウエハに形成されるウエハマークと実質的に同一のものの方が望ましい。プロセスウエハに形成されるウエハマークが複数種類ある場合には、これらのそれぞれに対応した基準パターンを前記基準ウエハ上に一括的に形成し、あるいは他の基準ウエハに形成して適宜に交換して用いるようにすると良い。   First, a step data collection process is performed using a reference wafer (tool wafer). On the reference wafer, a plurality of reference patterns having different step amounts from one another are formed in advance. The reference pattern is a near-ideal pattern with good symmetry, and here is a line-and-space pattern having a configuration as shown in FIG. 2 formed by etching a silicon wafer. The reflectances of the line portion of the reference pattern and the space portion around the line portion are set to be substantially equal. Each step amount of each reference pattern can be formed (used) in the exposure process, and from a suitable step amount (about 200 nm in the example of FIG. 7) to which the step change starts to affect the accuracy to the minimum step amount. Are selected at an appropriate pitch. It is desirable that the width of the line portion and the width of the space portion (that is, the arrangement pitch) of the reference pattern are substantially the same as the wafer mark formed on the process wafer. When there are a plurality of types of wafer marks formed on the process wafer, a reference pattern corresponding to each of them is formed on the reference wafer at once, or formed on another reference wafer and replaced as appropriate. It should be used.

次いで、基準ウエハをウエハステージ上にローディングし、段差量の互いに異なる各基準パターンについて、ガウス像面からのデフォーカス量を段階的に変更しつつ、CCDの出力信号(FIA信号)の波形について、図8の左右のエッジ波形部が実質的に等しくなるデフォーカス量(以下、便宜上、最適デフォーカス量又は最適フォーカス状態ということがある)を特定する。このデータ収集工程で収集されたデータを基に、各段差量とこれに対応する最適デフォーカス量とを含む段差データ(段差情報)を、例えばテーブルとして作成し、記憶保持する。なお、段差データ収集の際のデフォーカス量の変更は、ガウス像面に対してプラス方向とマイナス方向の両方において行っても勿論よいが、デフォーカス量の変更に伴う図8の左右のエッジ波形部の相対変化(ΔIの変化)はプラス方向とマイナス方向で対称に現れるパターンについては、何れか一方のみについて収集するようにしても良い。   Next, the reference wafer is loaded onto the wafer stage, and for each reference pattern having a different step amount, the defocus amount from the Gaussian image plane is changed in stages, and the waveform of the output signal (FIA signal) of the CCD is as follows. A defocus amount at which the left and right edge waveform portions in FIG. 8 are substantially equal (hereinafter, sometimes referred to as an optimal defocus amount or an optimal focus state for convenience) is specified. Based on the data collected in this data collection step, step data (step information) including each step amount and the corresponding optimum defocus amount is created as a table, for example, and stored. It should be noted that the change of the defocus amount when collecting the step data may be performed in both the plus direction and the minus direction with respect to the Gaussian image plane, but the left and right edge waveforms in FIG. 8 accompanying the change of the defocus amount. The relative change (change in ΔI) of the part may be collected for only one of the patterns appearing symmetrically in the plus direction and the minus direction.

上述の例では、図2に示したようなデューティー比が1対1の基準パターンを用いた場合を示したが、基準パターンは図9(A)に示すような光学系が各エッジを解像しない細溝のパターンであってもよい。この場合もパターンは対称で、ライン部とスペース部の反射率はほぼ等しいものを用いる。その場合、図9(B)の波形の対称性が図9(C)のように実質的に対称になるデフォーカス量を特定する。   In the above example, the reference pattern having a duty ratio of 1: 1 as shown in FIG. 2 is used, but the optical system as shown in FIG. 9A resolves each edge. It may be a narrow groove pattern. Also in this case, the pattern is symmetrical, and the line portion and the space portion have substantially the same reflectance. In that case, the defocus amount is determined such that the symmetry of the waveform in FIG. 9B is substantially symmetric as shown in FIG. 9C.

実際のプロセスウエハのアライメント工程(アライメントのためのウエハマークの検出工程)においては、計測対象(露光対象)としてのプロセスウエハに形成されたウエハマーク(アライメントマーク)の段差量を取得し、上記の段差データを参照して、当該段差量に対応する最適デフォーカス量を取得し、ガウス像面から当該最適デフォーカス量に相当する分だけデフォーカスさせた状態で、該ウエハマークの位置を検出する。   In the actual process wafer alignment step (wafer mark detection step for alignment), the step amount of the wafer mark (alignment mark) formed on the process wafer as the measurement target (exposure target) is acquired, Referring to the step data, the optimum defocus amount corresponding to the step amount is obtained, and the position of the wafer mark is detected in a state where the defocus is made from the Gaussian image plane by the amount corresponding to the optimum defocus amount. .

これにより、結像開口絞りがずれている場合やウエハマークが非対称な低段差パターンの場合であっても、左右対称な波形を有する出力信号を得ることができ、コントラストも良好となるので、ウエハマークの位置検出精度を向上することができる。また、マーク検出を実際に行う際のフォーカス位置の変動(位置決め精度に基づく変動)に対して検出波形の変化が小さくなる。つまり、検出結果のフォーカス依存性が小さくなり、安定した高精度な位置検出が可能となる。   This makes it possible to obtain an output signal having a symmetrical waveform even when the imaging aperture stop is shifted or when the wafer mark is an asymmetrical low step pattern, and the contrast becomes good. Mark position detection accuracy can be improved. In addition, the change in the detected waveform is small with respect to the change in the focus position (the change based on the positioning accuracy) when the mark detection is actually performed. That is, the focus dependency of the detection result is reduced, and stable and highly accurate position detection is possible.

ウエハマークの段差量は、実際のプロセスにおいて設計上あるいは実測することにより既知である場合には、オペレータにより入力され、あるいはプロセスデータ(レシピ)に予め設定されたものから取得するようにできる。但し、ウエハマークの段差量を実測する段差量測定器を併設して、ウエハマークの検出前にこれを実測して取得するようにしても良い。   If the step amount of the wafer mark is known by design or actual measurement in an actual process, it can be input by an operator or acquired from a preset process data (recipe). However, a step amount measuring device for actually measuring the step amount of the wafer mark may be provided, and this may be obtained by actually measuring the wafer mark before detecting it.

また、ウエハマークの段差量に対応する段差データが必ずしも存在しない場合があるが、この場合にはウエハマークの段差量に最も近いものを選択するようにしても良いし、あるいは段差データの一部又は全部を用いて適宜な補間関数で補間して、対応するデフォーカス量を求めるようにしても良い。この補間は、ウエハマークの段差量を間に含む2点を直線補間し、あるいはさらに他の点をも用いて直線ないし曲線補間しても良い。   In some cases, the step data corresponding to the step amount of the wafer mark does not necessarily exist. In this case, the step data closest to the step amount of the wafer mark may be selected or a part of the step data may be selected. Alternatively, all may be interpolated with an appropriate interpolation function to obtain the corresponding defocus amount. In this interpolation, two points including the step amount of the wafer mark may be linearly interpolated, or another point may be used for linear or curved interpolation.

なお、露光工程におけるウエハマークの計測時におけるガウス像面からのデフォーカスは、プラス方向とマイナス方向とで何れか一方の方向に行ってウエハマークの位置を検出してこれを計測結果としても良いし、あるいは両者において行って検出されたウエハマークの位置の平均を計測結果としても良い。   Note that defocusing from the Gaussian image plane during measurement of the wafer mark in the exposure process may be performed in one of the plus direction and the minus direction to detect the position of the wafer mark, and this may be used as the measurement result. Alternatively, the average of the positions of the wafer marks detected in both cases may be used as the measurement result.

また、上述した説明では、段差データの収集時に基準ウエハを結像光学系に対してその光軸方向に移動して最適デフォーカス量を得るようにするとともに、露光工程におけるウエハマークの計測時にもプロセスウエハを結像光学系に対してその光軸方向に移動してデフォーカスさせているが、光電検出器(CCDの光電検出面)を結像光学系の光軸方向に移動したり、レンズ(図1の8,10,12,13など)を光軸方向に移動するようにしても良い。   In the above description, the reference wafer is moved in the optical axis direction with respect to the imaging optical system at the time of collecting the step data so as to obtain the optimum defocus amount, and also at the time of measuring the wafer mark in the exposure process. The process wafer is moved and defocused in the optical axis direction with respect to the imaging optical system, but the photoelectric detector (the photoelectric detection surface of the CCD) is moved in the optical axis direction of the imaging optical system, or a lens. (8, 10, 12, 13, etc. in FIG. 1) may be moved in the optical axis direction.

さらに、上述の実施形態では、基準パターンが形成された基準ウエハを用いて段差データを収集するものとしたが、ウエハが搭載されるウエハステージ上に常設されるベースライン計測用のフィジューシャルマーク板(FM板)上に該基準パターンを形成しても良いし、他の部材に該基準パターンを形成してウエハステージ上に常設し、あるいは交換可能に設置するようにしても良い。   Further, in the above-described embodiment, the step data is collected using the reference wafer on which the reference pattern is formed. However, a fiducial mark for baseline measurement that is permanently installed on the wafer stage on which the wafer is mounted. The reference pattern may be formed on a plate (FM plate), or the reference pattern may be formed on another member and permanently installed on the wafer stage, or may be installed interchangeably.

また、上述の実施形態では、ウエハマークを落射照明しているが、これに限定されることはなく、ウエハマークを透過照明する位置検出装置に本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、X方向マーク検出とY方向マーク検出とにそれぞれ別のCCDを用いているが、1つのCCDでX方向マーク検出とY方向マーク検出との双方を行ってもよい。   In the above-described embodiment, the wafer mark is incidentally illuminated. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a position detection apparatus that transmits and illuminates the wafer mark. In the above-described embodiment, separate CCDs are used for X-direction mark detection and Y-direction mark detection. However, both X-direction mark detection and Y-direction mark detection may be performed by one CCD. .

ところで、上述した説明では、プロセスウエハ上のマークの段差量の大小にかかわらず、常に基準ウエハの図8の左右のエッジ波形部の信号強度が実質的に一致するようなフォーカス状態下で、プロセスウエハのウエハマークを検出するようにしている(以下、このフォーカス状態は通常はガウス像面からデフォーカスした状態となるので、便宜上、「本発明のデフォーカス状態における位置検出」ということがある)。しかし、実際の製造現場においては、ウエハマークの位置検出に要求される精度(以下、「要求精度」ということがある)は様々であり、高精度が要求される場合には上述した本発明のデフォーカス状態における位置検出は極めて有効であるものの、それほど高精度が要求されていない場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施せずに、従来のベストフォーカス状態における位置検出を実施した方がスループット上有利になる場合がある。また、同様に実際の製造現場においては、パターンの段差量が小さいものから大きいものまで様々であり、段差量が比較的に小さい場合には本発明のデフォーカス状態における位置検出は極めて有効であるものの、段差量が比較的に大きい場合には、従来のベストフォーカス状態で検出した方が、検出誤差が小さい場合もあり得る。   By the way, in the above description, the process is performed under a focus state in which the signal intensities of the left and right edge waveform portions of the reference wafer in FIG. The wafer mark of the wafer is detected (hereinafter, since the focus state is usually a defocused state from the Gaussian image plane, it may be referred to as “position detection in the defocused state of the present invention” for convenience) . However, in actual manufacturing sites, the accuracy required for detecting the position of the wafer mark (hereinafter sometimes referred to as “required accuracy”) varies, and when high accuracy is required, Although position detection in the defocus state is extremely effective, when position accuracy is not so required, position detection in the conventional best focus state is performed without performing position detection in the defocus state of the present invention. Doing so may be advantageous in terms of throughput. Similarly, in an actual manufacturing site, the pattern step amount varies from small to large, and the position detection in the defocused state of the present invention is extremely effective when the step amount is relatively small. However, when the step amount is relatively large, there may be a case where the detection error is smaller when the detection is performed in the conventional best focus state.

このような場合に対応するため、本実施形態では、以下のように対策している。これを図10に示すフローチャートを参照して説明する。   In order to cope with such a case, the present embodiment takes the following measures. This will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

図10を参照すると、後述するような所定の条件に基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断する判断工程S1を有する。判断工程S1においては、例えば、ウエハマークWMの位置検出に要求される要求精度に基づいて、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断する。即ち、要求精度が所定の基準精度よりも高い場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために、段差データから対応するデフォーカス量を取得する取得工程S2へ移行する。一方、要求精度が所定の基準精度よりも低い場合には、本発明に係る位置検出を実施することなく、例えば特開2002−324746号公報に開示された従来技術にしたがって従来のベストフォーカス状態における位置検出を実施するフォーカス検出工程S10へ移行する。   Referring to FIG. 10, there is a determination step S1 for determining whether or not to perform position detection in the defocused state of the present invention based on a predetermined condition as will be described later. In the determination step S1, for example, it is determined whether or not to perform position detection in the defocused state of the present invention based on the required accuracy required for position detection of the wafer mark WM. That is, when the required accuracy is higher than the predetermined reference accuracy, the process proceeds to an acquisition step S2 for acquiring the corresponding defocus amount from the step data in order to perform position detection in the defocus state of the present invention. On the other hand, when the required accuracy is lower than the predetermined reference accuracy, the position detection according to the present invention is not performed, and the conventional best focus state is achieved in accordance with the prior art disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-324746. The process proceeds to a focus detection step S10 for performing position detection.

また、判断工程S1において、ウエハマークWMのパターン情報に基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断しても良い。即ち、ウエハマークWMの段差量が所定の閾値以下の場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために取得工程S2へ移行する。なお、この時に使用されるパターン情報(段差情報)は、ユーザーによるプロセス等の設定情報に応じて一義的に予め決まっている段差値(いわゆる設計値に類するもの)であっても良いし、或いは段差測定器で実際に測定した実測値を用いても良い。一方、ウエハマークWMの段差量が所定の閾値を越える場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施することなく、従来のベストフォーカス状態における位置検出を実施するためにフォーカス検出工程S10へ移行する。なお、この段差量に関する閾値(前述の所定の閾値)としては、図6において、検出誤差が急激に悪化し始める50nm程度とすることができ、あるいは若干の余裕をみて100nm程度とすることができる。   Further, in the determination step S1, it may be determined whether or not to perform position detection in the defocus state of the present invention based on the pattern information of the wafer mark WM. That is, when the step amount of the wafer mark WM is equal to or smaller than the predetermined threshold value, the process proceeds to the acquisition step S2 in order to perform position detection in the defocus state of the present invention. The pattern information (step information) used at this time may be a step value (similar to a so-called design value) that is uniquely determined in accordance with setting information such as a process by the user, or You may use the actual value actually measured with the level | step difference measuring device. On the other hand, when the step amount of the wafer mark WM exceeds a predetermined threshold value, the focus detection step S10 is performed in order to perform the conventional position detection in the best focus state without performing the position detection in the defocus state of the present invention. Migrate to Note that the threshold value regarding the step amount (the above-mentioned predetermined threshold value) can be about 50 nm in FIG. 6 where the detection error begins to deteriorate rapidly, or about 100 nm with some margin. .

また、上述したように、像の非対称度Qは、Q∝1/tan(θ/2)にしたがって変化するので、落射照明の場合には、この非対称度が急激に大きくなる段差θがθ≦λ/10である場合に、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために取得工程S2へ移行し、θ>λ/10である場合には、従来のベストフォーカス状態における位置検出を実施するためにフォーカス検出工程S10へ移行するようにしても良い。なお、ここでの段差θとは、マークのライン部とその周囲のスペース部との高さの違いにより、該マークを照明する光に加わる位相差である。従って、透過照明の場合には、θ≦λ/5である場合に、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために取得工程S2へ移行し、θ>λ/5である場合に、従来のベストフォーカス状態における位置検出を実施するためにフォーカス検出工程S10へ移行する。なお、λはマークを照明する照明光の中心波長である。   As described above, the degree of asymmetry Q of the image changes according to Q∝1 / tan (θ / 2). Therefore, in the case of epi-illumination, the step θ at which the degree of asymmetry suddenly increases is θ ≦ θ. When λ / 10, the process proceeds to the acquisition step S2 to perform position detection in the defocus state of the present invention. When θ> λ / 10, position detection in the conventional best focus state is performed. Therefore, the process may proceed to the focus detection step S10. Here, the step θ is a phase difference added to light that illuminates the mark due to a difference in height between the line portion of the mark and the surrounding space portion. Therefore, in the case of transmitted illumination, when θ ≦ λ / 5, the process proceeds to the acquisition step S2 to perform position detection in the defocused state of the present invention, and when θ> λ / 5, In order to perform position detection in the conventional best focus state, the process proceeds to the focus detection step S10. Note that λ is the center wavelength of the illumination light that illuminates the mark.

さらに、判断工程S1において、ベストフォーカス状態でウエハマークWMから得られた光電検出信号の波形情報に基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断するようにしても良い。即ち、例えばベストフォーカス状態で得られた波形のコントラストが比較的低い場合あるいは波形の対称性が比較的に悪い場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために取得工程S2へ移行し、ベストフォーカス状態で得られた波形のコントラストが比較的高い場合あるいは波形の対称性が比較的に良い場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施することなく、従来のフォーカス検出工程S10へ移行する。この場合の波形の対称性の判断としては、マークを光電検出して得られる波形信号の崩れ量に関する条件として、例えば上述した像の非対象度Q又は像の非対象量ΔIについて閾値を設定し、これに基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか、従来のベストフォーカス状態における位置検出を実施するかを判断するようにできる。   Furthermore, in the determination step S1, it may be determined whether or not to perform position detection in the defocus state of the present invention based on the waveform information of the photoelectric detection signal obtained from the wafer mark WM in the best focus state. . That is, for example, when the contrast of the waveform obtained in the best focus state is relatively low or the symmetry of the waveform is relatively poor, the process proceeds to the acquisition step S2 in order to perform position detection in the defocus state of the present invention. If the contrast of the waveform obtained in the best focus state is relatively high or the symmetry of the waveform is relatively good, the conventional focus is not performed without performing position detection in the defocus state of the present invention. The process proceeds to the detection step S10. In this case, as the determination of the symmetry of the waveform, for example, a threshold value is set for the non-target level Q of the image or the non-target level ΔI of the image as a condition regarding the amount of collapse of the waveform signal obtained by photoelectrically detecting the mark. Based on this, it is possible to determine whether to perform position detection in the defocus state of the present invention or to perform position detection in the conventional best focus state.

加えて、例えばパターンの材質や膜厚(ひいては屈折率や吸収率)に関するパターン情報に基づいてコントラストの比較的低い光学像しか得られないことが予想されるか否かに応じて、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか、従来のベストフォーカス状態における位置検出を実施するかを判断するようにしても良い。   In addition, for example, depending on whether it is expected that only an optical image having a relatively low contrast can be obtained on the basis of the pattern information related to the material and film thickness (and thus the refractive index and the absorptivity) of the pattern. It may be determined whether position detection in the defocus state is performed or position detection in the conventional best focus state is performed.

取得工程S2においては、まず処理対象としてのプロセスウエハのマークの段差量を取得する。この段差量は前述した如くオペレータ等により入力され、あるいは実測して求められるので、これを取得する。次いで、取得した段差量に基づいて段差データを検索し、対応する最適デフォーカス量ΔZを取得する。その後、設定工程S3において、取得したデフォーカス量ΔZにしたがってウエハステージ(32,33)を駆動することにより、ウエハWを(ひいてはウエハマークWMを)所定のデフォーカス状態に設定する。その後、検出工程S4に進み、設定工程S3で設定されたデフォーカス状態において、光電検出器(15,16)の出力信号に基づいて当該ウエハマークWMの位置を検出する。なお、いわゆるEGA(Enhanced Global Alignment)の手法にしたがって、ウエハW上に配置された複数(例えば6つまたは8つ)のウエハマークWMの位置を検出するために、ウエハステージ(32,33)をXY平面に沿って二次元的に駆動しながら設定工程S3と検出工程S4とを複数回に亘って繰り返す。 In the acquisition step S2, first, a step amount of a mark on a process wafer as a processing target is acquired. Since the step amount is input by an operator or the like as described above, or obtained by actual measurement, it is obtained. Next, the step data is searched based on the acquired step amount, and the corresponding optimum defocus amount ΔZ 0 is acquired. Then, in the setting step S3, by driving the wafer stage (32, 33) in accordance with the defocus amount [Delta] Z 0 obtained, the wafer W (and hence the wafer marks WM) set to a predetermined defocus state. Thereafter, the process proceeds to detection step S4, and the position of the wafer mark WM is detected based on the output signal of the photoelectric detector (15, 16) in the defocus state set in the setting step S3. In order to detect the positions of a plurality of (for example, six or eight) wafer marks WM arranged on the wafer W according to a so-called EGA (Enhanced Global Alignment) technique, the wafer stage (32, 33) is used. The setting step S3 and the detection step S4 are repeated a plurality of times while being driven two-dimensionally along the XY plane.

なお、上述した説明では、本発明のデフォーカス状態における位置検出を行うか、従来のベストフォーカス状態における位置検出を行うかを各種の条件により判断するようにしたが、このような判断処理は、従来技術の項で参考文献として列挙したものに記載のデフォーカス状態における位置検出を行うか、従来のベストフォーカス状態における位置検出を行うかについての判断に用いることもできる。   In the above description, whether to perform position detection in the defocus state of the present invention or position detection in the conventional best focus state is determined based on various conditions. It can also be used to determine whether to perform position detection in the defocused state described in the references listed in the prior art section or to perform position detection in the conventional best focus state.

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。従って、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。   The embodiment described above is described for facilitating understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment includes all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.

例えば、上述の実施形態では、ウエハマークからの光に基づいてその像を形成する結像光学系を備えた位置検出装置に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、一般的にウエハマークからの光を導く光学系を備えた位置検出装置に対しても本発明を適用することもできる。   For example, in the above-described embodiment, the present invention is applied to a position detection apparatus including an imaging optical system that forms an image based on light from a wafer mark. However, the present invention is not limited to this. In general, the present invention can also be applied to a position detection apparatus having an optical system for guiding light from a wafer mark.

また、本発明は、半導体素子や液晶表示素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、プラズマディスプレイ、薄膜磁気ヘッド、および撮像素子(CCD等)の製造にも用いられる露光装置、およびレチクル、又はマスクを製造するために、ガラス基板、又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも適用することができる。即ち本発明は、露光装置の露光方式や用途等に関係なく適用可能である。   Further, the present invention is not limited to an exposure apparatus used for manufacturing a semiconductor element or a liquid crystal display element, but also an exposure apparatus and reticle used for manufacturing a plasma display, a thin film magnetic head, and an imaging element (CCD, etc.), or In order to manufacture a mask, the present invention can also be applied to an exposure apparatus that transfers a circuit pattern to a glass substrate or a silicon wafer. In other words, the present invention can be applied regardless of the exposure method and application of the exposure apparatus.

さらに、上記実施形態では本発明を露光装置に適用した場合について説明したが、本発明は、搬送装置、計測装置、検査装置、試験装置、その他のマークの位置を計測して物体の位置合わせを行う装置全般について適用が可能である。   Furthermore, although the case where the present invention is applied to an exposure apparatus has been described in the above embodiment, the present invention measures the position of a transport apparatus, a measurement apparatus, an inspection apparatus, a test apparatus, and other marks to align an object. Applicable to all devices to be performed.

本発明の実施形態に係る位置検出装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the structure of the exposure apparatus provided with the position detection apparatus which concerns on embodiment of this invention. ウエハマーク又は基準パターンの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of a wafer mark or a reference pattern. 非対称な低段差パターンの一例を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly an example of an asymmetrical low level | step difference pattern. 非対称な段差パターンを残存誤差のない結像光学系を介して検出したときに得られる信号波形を示す図である。It is a figure which shows the signal waveform obtained when an asymmetrical level | step difference pattern is detected through the imaging optical system without a residual error. 結像開口絞りのずれにより信号波形が非対称に歪む原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle which a signal waveform distorts asymmetrically by the shift | offset | difference of an imaging aperture stop. パターンの段差量と検出誤差との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the level | step difference amount of a pattern, and a detection error. パターンの段差量と像のコントラスト(Iac)、非対称量(ΔI)、および非対称度(Q)との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the level | step difference amount of a pattern, the contrast (Iac) of an image, an asymmetry amount ((DELTA) I), and an asymmetry degree (Q). マーク自体が非対称である場合又は結像光学系に誤差がある場合の検出信号の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of a detection signal when a mark itself is asymmetric or when there is an error in an imaging optical system. 細溝パターンで構成されたマーク及びその信号波形について説明する図である。It is a figure explaining the mark comprised by the fine groove pattern, and its signal waveform. 本発明の実施形態のマーク位置の検出処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detection process of the mark position of embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ハロゲンランプ
2 ライトガイド
3 照明開口絞り
5 照明視野絞り
7 ハーフプリズム
8 第1対物レンズ
9 反射プリズム
10 第2対物レンズ
11 指標板
14 XY分岐ハーフプリズム
15,16 CCD
17 結像開口絞り
18 信号処理系
30 レチクルステージ
31 ウエハホルダ
32 Zステージ
33 XYステージ
34 ステージ制御系
35 主制御系
36 キーボード
IL 露光用照明系
R レチクル
PA パターン領域
PL 投影光学系
W ウエハ
WM ウエハマーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Halogen lamp 2 Light guide 3 Illumination aperture stop 5 Illumination field stop 7 Half prism 8 First objective lens 9 Reflective prism 10 Second objective lens 11 Indicator plate 14 XY branch half prisms 15 and 16 CCD
17 imaging aperture stop 18 signal processing system 30 reticle stage 31 wafer holder 32 Z stage 33 XY stage 34 stage control system 35 main control system 36 keyboard IL exposure illumination system R reticle PA pattern area PL projection optical system W wafer WM wafer mark

Claims (17)

位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
所定の基準パターンを検出して得られる前記光電検出器の出力信号の対称性が略対称となるフォーカス状態下で前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
An optical system for guiding light from a mark provided on an object to be position-detected, a photoelectric detector for photoelectrically detecting light from the mark, and detecting the position of the mark based on an output signal of the photoelectric detector In a position detection device comprising a detection system,
A position detection apparatus for detecting the position of the mark under a focus state in which the symmetry of the output signal of the photoelectric detector obtained by detecting a predetermined reference pattern is substantially symmetric.
前記基準パターンは相対する一対のエッジ部を有しており、前記対称性は該エッジ部にそれぞれ対応する部分の信号強度が略等しいことを特徴とする請求項1に記載の位置検出装置。   The position detection device according to claim 1, wherein the reference pattern has a pair of opposing edge portions, and the symmetry is such that signal strengths of portions corresponding to the edge portions are substantially equal. 前記基準パターンは、ライン部と該ライン部の周囲の非ライン部との反射率が互いに実質的に等しいパターンであることを特徴とする請求項1又は2に記載の位置検出装置。   The position detection apparatus according to claim 1, wherein the reference pattern is a pattern in which the reflectance of the line portion and the non-line portion around the line portion is substantially equal to each other. 位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を光電検出して得られる波形信号に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、
相対する一対のエッジ部を有する所定の基準パターンを前記光電検出して得られる波形信号の該エッジ部にそれぞれ対応する部分の信号強度が略等しくなるフォーカス状態下で前記マークの位置を検出する検出工程を含むことを特徴とする位置検出方法。
In a position detection method for detecting the position of the mark based on a waveform signal obtained by photoelectrically detecting light from a mark provided on an object to be position-detected,
Detection for detecting the position of the mark under a focus state in which signal intensities corresponding to the edge portions of the waveform signal obtained by photoelectrically detecting a predetermined reference pattern having a pair of opposing edge portions are substantially equal to each other. A position detection method comprising a step.
前記基準パターンは、ライン部と該ライン部の周囲の非ライン部との反射率が互いに実質的に等しいパターンであることを特徴とする請求項4に記載の位置検出方法。   The position detection method according to claim 4, wherein the reference pattern is a pattern in which the reflectance of the line portion and the non-line portion around the line portion is substantially equal to each other. 予め決められた所定の条件に基づいて前記検出工程を実施するか否かを判断する判断工程を更に含む請求項4又は5に記載の位置検出方法。   The position detection method according to claim 4, further comprising a determination step of determining whether or not to perform the detection step based on a predetermined condition determined in advance. 前記所定の条件は、前記マークの位置の検出に要求される精度に関する条件であることを特徴とする請求項6に記載の位置検出方法。   The position detection method according to claim 6, wherein the predetermined condition is a condition related to accuracy required for detection of the position of the mark. 前記所定の条件は、前記マークの段差量に関する条件であることを特徴とする請求項6に記載の位置検出方法。   The position detection method according to claim 6, wherein the predetermined condition is a condition related to a step amount of the mark. 前記判断工程では、前記段差量が100nm以下である場合に前記検出工程を実施すると判断することを特徴とする請求項8に記載の位置検出方法。   The position detection method according to claim 8, wherein in the determination step, it is determined that the detection step is performed when the step amount is 100 nm or less. 前記判断工程では、前記マークを照明する照明光の波長をλとし、前記マークのライン部からの光と該ライン部の周囲の非ライン部からの光の位相差をθとして、落射照明の場合はθ≦λ/10である場合に、透過照明の場合はθ≦λ/5である場合に、前記検出工程を実施すると判断することを特徴とする請求項8に記載の位置検出方法。   In the determination step, the wavelength of illumination light for illuminating the mark is λ, and the phase difference between the light from the line portion of the mark and the non-line portion around the line portion is θ, and the case of epi-illumination 9. The position detection method according to claim 8, wherein the detection step is determined to be performed when θ ≦ λ / 10 and when θ ≦ λ / 5 in the case of transmitted illumination. 前記判断工程に係る前記所定の条件は、前記マークを前記光電検出して得られる波形信号の対称性に関する条件であることを特徴とする請求項6に記載の位置検出方法。   The position detection method according to claim 6, wherein the predetermined condition related to the determination step is a condition related to symmetry of a waveform signal obtained by photoelectrically detecting the mark. 位置検出すべき物体に設けられたマークからの光学系を介した光を光電検出して得られる信号に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、
前記信号に基づいて決定されたフォーカス状態下で前記マークの位置検出を行う検出工程と、
前記検出工程に先立ち、前記マークの段差量に関する段差情報を取得し、該段差情報に基づいて前記検出工程を実施するか否かを判断する判断工程と
を含むことを特徴とする位置検出方法。
In a position detection method for detecting the position of the mark based on a signal obtained by photoelectrically detecting light from the mark provided on an object to be position-detected via an optical system,
A detection step of detecting the position of the mark under a focus state determined based on the signal;
Prior to the detection step, the method includes a step of acquiring step information regarding the step amount of the mark and determining whether to perform the detection step based on the step information.
前記判断工程では、前記マークを照明する照明光の波長をλとし、前記マークのライン部からの光と該ライン部の周囲の非ライン部からの光の位相差をθとして、落射照明の場合はθ≦λ/10である場合に、透過照明の場合はθ≦λ/5である場合に、前記検出工程を実施すると判断することを特徴とする請求項12に記載の位置検出方法。   In the determination step, the wavelength of illumination light for illuminating the mark is λ, and the phase difference between the light from the line portion of the mark and the non-line portion around the line portion is θ, and the case of epi-illumination 13. The position detection method according to claim 12, wherein the detection step is determined to be performed when θ ≦ λ / 10, and in the case of transmitted illumination, when θ ≦ λ / 5. 位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
前記光電検出器の出力信号に基づいて決定されたフォーカス状態下で、前記検出系による前記マークの位置検出を行うか否かを、前記マークの段差量に関する段差情報に基づいて判断する判断手段を有することを特徴とする位置検出装置。
An optical system for guiding light from a mark provided on an object to be position-detected, a photoelectric detector for photoelectrically detecting light from the mark, and detecting the position of the mark based on an output signal of the photoelectric detector In a position detection device comprising a detection system,
Judgment means for judging whether or not to detect the position of the mark by the detection system based on step information on the step amount of the mark under a focus state determined based on an output signal of the photoelectric detector. A position detection device comprising:
パターンが形成されたマスクを照明する照明系と、
前記マスクのパターン像を物体上に投影する投影光学系と、
請求項1,2,3又は14に記載の位置検出装置と、
を備えることを特徴とする露光装置。
An illumination system for illuminating the mask on which the pattern is formed;
A projection optical system that projects a pattern image of the mask onto an object;
The position detection device according to claim 1, 2, 3 or 14,
An exposure apparatus comprising:
前記物体上のマークの位置を検出するよりも前に、前記所定の基準パターンとして、互いに段差量が異なり、且つそれぞれ一対のエッジ部を備える複数種の基準パターンを用意し、その用意された複数の基準パターンを光電検出して、それぞれの前記エッジ部に対応する部分の信号強度が略等しくなるフォーカス状態を求め、該求められたそれぞれのフォーカス状態を該基準パターン毎に記憶し、
前記物体上のマークの位置を検出する際には、前記マークの構造に関する情報、前記基準パターンの構造に関する情報、および前記記憶されている複数のフォーカス状態に基づいて、前記マークに最適なフォーカス状態を特定し、該特定されたフォーカス状態下で該マークの位置を検出することを特徴とする請求項4又は5に記載の位置検出方法。
Prior to detecting the position of the mark on the object, as the predetermined reference pattern, a plurality of types of reference patterns having different step amounts and having a pair of edge portions are prepared. Photoelectrically detecting the reference pattern of each, obtaining a focus state in which the signal intensity of the portion corresponding to each of the edge portions is substantially equal, storing the obtained respective focus state for each reference pattern,
When detecting the position of the mark on the object, an optimal focus state for the mark is determined based on the information on the structure of the mark, the information on the structure of the reference pattern, and the plurality of stored focus states. The position detection method according to claim 4 or 5, wherein the position of the mark is detected under the specified focus state.
マスクのパターンを介して物体を露光する露光方法において、
請求項4〜13,16の何れか1項に記載の位置検出方法を用いて前記物体の位置を検出する工程を含むことを特徴とする露光方法。
In an exposure method for exposing an object through a mask pattern,
An exposure method comprising a step of detecting the position of the object using the position detection method according to any one of claims 4 to 13 and 16.
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