JP2778231B2 - Position detection device - Google Patents

Position detection device

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JP2778231B2
JP2778231B2 JP2238186A JP23818690A JP2778231B2 JP 2778231 B2 JP2778231 B2 JP 2778231B2 JP 2238186 A JP2238186 A JP 2238186A JP 23818690 A JP23818690 A JP 23818690A JP 2778231 B2 JP2778231 B2 JP 2778231B2
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    • G03F9/7049Technique, e.g. interferometric

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は位置検出装置に関し、例えば半導体素子製造
用の露光装置において、マスクやレチクル(以下「マス
ク」という。)等の第1物体面上に形成されている微細
な電子回路パターンをウエハ等の第2物体面上に露光転
写する際にマスクとウエハの間隔を測定し、所定の値に
制御し、(間隔設定)更にマスクとウエハの相対的な面
内の位置決め(アライメント)を行う場合に好適な位置
検出装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a position detecting device, for example, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor element, on a first object surface such as a mask or a reticle (hereinafter, referred to as a “mask”). When exposing and transferring the fine electronic circuit pattern formed on the second object surface such as a wafer, the distance between the mask and the wafer is measured and controlled to a predetermined value (interval setting). The present invention relates to a position detection device suitable for performing positioning (alignment) in a relative plane.

(従来の技術) 従来より半導体素子製造用の露光装置においては、マ
スクとウエハの相対的な間隔設定及び位置合わせは性能
向上を図る為の重要な一要素となっている。特に最近の
露光装置における間隔設定及び位置合わせにおいては、
半導体素子の高集積化の為に、例えばサブミクロン以下
の精度を有するものが要求されている。
(Prior Art) Conventionally, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor element, relative spacing and alignment between a mask and a wafer are important factors for improving performance. Especially in the interval setting and alignment in a recent exposure apparatus,
For high integration of semiconductor devices, devices having an accuracy of, for example, submicron or less are required.

その際マスクとウエハとの間隔を面間隔測定装置等で
測定し、所定の間隔となるように制御した後に、マスク
及びウエハ面上に設けた位置合わせ用の所謂アライメン
トパターンより得られる位置情報を利用して、双方のア
ライメントを行っている。このときのアライメント方法
としては、例えば双方のアライメントパターンのずれ量
を画像処理を行うことにより検出したり、又は米国特許
第4037969号や特開昭56−157033号公報で提案されてい
るようにアライメントパターンとしてゾーンプレートを
用い該ゾーンプレートに光束を照射し、このときゾーン
プレートから射出した光束の所定面上における集光点位
置を検出すること等により行っている。
At that time, the distance between the mask and the wafer is measured by a plane distance measuring device or the like, and after controlling the distance to be a predetermined distance, position information obtained from a so-called alignment pattern for positioning provided on the mask and the wafer surface is obtained. Utilization is used to perform both alignments. As an alignment method at this time, for example, the amount of deviation between the two alignment patterns is detected by performing image processing, or alignment is proposed as proposed in U.S. Pat. No. 4,037,969 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-157033. This is performed by using a zone plate as a pattern, irradiating the zone plate with a light beam, and detecting the position of a light-converging point on a predetermined surface of the light beam emitted from the zone plate.

一般にゾーンプレートを利用したアライメント方法
は、単なるアライメントマークを用いた方法に比べてア
ライメントマークの欠損に影響されずに比較的高精度の
アライメントが出来る特長がある。
Generally, an alignment method using a zone plate has a feature that relatively high-precision alignment can be performed without being affected by a defect of an alignment mark, as compared with a method using a simple alignment mark.

第8図はゾーンプレートを利用した従来の位置検出装
置の概略図である。
FIG. 8 is a schematic view of a conventional position detecting device using a zone plate.

同図において光源72から射出した平行光束はハーフミ
ラー74を通過後、集光レンズ76で集光点78に集光された
後、マスク68面上のマスクアライメントパターン68a及
び支持台62に載置したウエハ60面上のウエハアライメン
トパターン60aを照射する。これらのアライメントパタ
ーン68a,60aは反射型のゾーンプレートより構成され、
各々集光点78を含む光軸と直交する平面上に集光点を形
成する。このときの平面上の集光点位置のずれ量を集光
レンズ76とレンズ80により検出面82上に導光して検出し
ている。
In the same figure, a parallel light beam emitted from a light source 72 passes through a half mirror 74 and is condensed at a converging point 78 by a converging lens 76, and is then placed on a mask alignment pattern 68a on a mask 68 and a support 62. The wafer alignment pattern 60a on the surface of the wafer 60 is irradiated. These alignment patterns 68a and 60a are constituted by reflection type zone plates,
Focus points are formed on planes orthogonal to the optical axis each including the focus point 78. At this time, the amount of shift of the condensing point position on the plane is detected by guiding the light onto the detection surface 82 by the condensing lenses 76 and 80.

そして検出器82からの出力信号に基づいて制御回路84
により駆動回路64を駆動させてマスク68をウエハ60の相
対的な位置決めを行っている。
Then, based on the output signal from the detector 82, the control circuit 84
Drives the drive circuit 64 to position the mask 68 relative to the wafer 60.

第9図は第8図に示したマスクアライメントパターン
68aとウエハアライメントパターン60aからの光束の結像
関係を示した説明図である。
FIG. 9 shows the mask alignment pattern shown in FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an image forming relationship of a light beam from 68a and a wafer alignment pattern 60a.

同図において集光点78から発散した光束はマスクアラ
イメントパターン68aよりその一部の光束が回折し、集
光点78近傍にマスク位置を示す集光点78aを形成する。
又、その他の一部の光束はマスク68を0次透過光として
透過し、波面を変えずにウエハ60面上のウエハアライメ
ントパターン60aに入射する。このとき光束はウエハア
ライメントパターン60aにより回折された後、再びマス
ク68を0次透過光として透過し、集光点78近傍に集光し
ウエハ位置をあらわす集光点78bを形成する。同図にお
いてはウエハ60により回折された光束が集光点を形成す
る際には、マスク68は単なる素通し状態としての作用を
する。
In the figure, a part of the luminous flux diverging from the converging point 78 is diffracted from the mask alignment pattern 68a to form a converging point 78a indicating the mask position near the converging point 78.
Further, some other light beams pass through the mask 68 as zero-order transmission light and enter the wafer alignment pattern 60a on the wafer 60 without changing the wavefront. At this time, after the light beam is diffracted by the wafer alignment pattern 60a, the light beam is transmitted again through the mask 68 as zero-order transmission light, condensed in the vicinity of the converging point 78, and forms a converging point 78b representing the wafer position. In the figure, when the light beam diffracted by the wafer 60 forms a converging point, the mask 68 acts as a simple transparent state.

このようにして形成されたウエハアライメントパター
ン60aによる集光点78bの位置は、ウエハ60のマスク78に
対するマスク・ウエハ面に沿った方向(横方向)のずれ
量Δσに応じて集光点78を含む光軸と直交する平面に沿
って該ずれ量Δσに対応した量のずれ量Δσ′として形
成される。
The position of the focal point 78b by the wafer alignment pattern 60a formed in this way is determined by the amount of deviation Δσ in the direction (lateral direction) along the mask / wafer surface with respect to the mask 78 of the wafer 60. It is formed as a shift amount Δσ ′ of an amount corresponding to the shift amount Δσ along a plane orthogonal to the included optical axis.

第10図は特開昭61−111402号公報で提案されている間
隔測定装置の概略図である。同図においては第1物体と
してのマスクMと第2物体としてのウエハWとを対向配
置し、レンズL1によって光束をマスクMとウエハWとの
間の点Psに集光させている。
FIG. 10 is a schematic view of an interval measuring device proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-111402. In the figure, a mask M as a first object and a wafer W as a second object are arranged to face each other, and a light beam is focused on a point Ps between the mask M and the wafer W by a lens L1.

このとき光束はマスクM面上とウエハW面上で各々反
射し、レンズL2を介してスクリーンS面上の点PW,PM
収束投影されている。マスクMとウエハWとの間隔はス
クリーンS面上の光束の集光点PW,PMとの間隔を検出す
ることにより測定している。
In this case the light beam is respectively reflected by the above mask M surface and the wafer W surface, a point P W on the screen S surface through the lens L2, the are converged projected to P M. The distance between the mask M and the wafer W focal point P W of the light beam on the screen S surface is measured by detecting the distance between the P M.

(発明が解決しようとする問題点) 前述した位置検出装置や間隔測定装置では、光源手段
として光出力が大きく、かつ指向性の良いレーザ光源が
用いられている。
(Problems to be Solved by the Invention) In the above-described position detecting device and interval measuring device, a laser light source having a large light output and good directivity is used as a light source means.

一方、レーザ光源は可干渉性が良い為、マスクとウエ
ハ間の多重反射による干渉縞やマスクとウエハの微細な
凹凸部からのスペックル散乱光による干渉縞等のノイズ
光の影響により検出面上に入射するレーザ光束の光強度
分布、或いは光束断面形状が検出面上への入射位置毎に
変化してくるという問題点があった。ノイズ光の検出面
上への入射位置が一定であれば空間的に固定されている
ことが多いので時間が経過しても検出信号は変化せず、
入射光束の光強度分布を時間平均してもこのノイズ光を
打ち消すことができない。従って検出面上でのレーザ光
束の集光点(例えば円光束の中心)や光強度に基づいた
基準点(例えば光強度がピークの点)等の移動を検出し
ようとすると、光束断面形状や光強度が変動してしまう
為、レーザ光束の入射点の移動量が実際のレーザ光束の
集光点の移動量と一致せず、この結果位置ずれ検出及び
間隔ずれ検出に検出誤差が生じてくるという問題点があ
った。
On the other hand, since the laser light source has good coherence, the detection surface is affected by noise light such as interference fringes due to multiple reflections between the mask and the wafer and interference fringes due to speckle scattered light from fine irregularities between the mask and the wafer. There is a problem in that the light intensity distribution of the laser beam incident on the laser beam or the light beam cross-sectional shape changes for each incident position on the detection surface. If the incident position of the noise light on the detection surface is constant, it is often spatially fixed, so the detection signal does not change even after a lapse of time,
Even if the light intensity distribution of the incident light beam is averaged over time, this noise light cannot be canceled out. Therefore, when trying to detect the movement of the converging point (for example, the center of a circular light beam) or the reference point (for example, the point where the light intensity is a peak) based on the light intensity on the detection surface, the light beam cross-sectional shape or light Since the intensity fluctuates, the amount of movement of the incident point of the laser beam does not match the actual amount of movement of the converging point of the laser beam, and as a result, a detection error occurs in position shift detection and interval shift detection. There was a problem.

本発明は光源手段として可干渉性の良いレーザ光束を
用いたときのスペックル散乱光による検出誤差を少なく
し、対向配置した第1物体と第2物体の相対的位置ずれ
や相対的間隔ずれを高精度に検出することができる位置
検出装置の提供を目的とする。
The present invention reduces a detection error due to speckle scattered light when a laser beam having good coherence is used as a light source means, and reduces a relative displacement or a relative displacement between a first object and a second object arranged opposite to each other. It is an object of the present invention to provide a position detecting device capable of detecting with high accuracy.

(問題点を解決する為の手段) 本発明の位置検出装置は、対向配置した第1物体面上
と第2物体面上に各々双方の相対的な面内の位置ずれ又
は/及び相対的間隔ずれを検出する為のアライメントマ
ークを設け、投光手段からの光束のうち該第1物体面上
と該第2物体面上のアライメントマークで各々波面変換
作用を受けた光束を所定面上に導光し、該所定面上にお
ける該光束の入射位置を検出手段で検出することによ
り、該第1物体と第2物体の相対的位置ずれ又は/及び
相対的間隔ずれを検出する際、該第1物体又は第2物体
の少なくとも一方を駆動手段により相対的位置ずれ又は
相対的間隔ずれ検出方向とは不感知な方向に微少振動さ
せたことを特徴としている。
(Means for Solving the Problems) The position detecting device of the present invention provides a position shift and / or a relative distance between a first object surface and a second object surface which are opposed to each other. An alignment mark for detecting a shift is provided, and among the light beams from the light projecting means, the light beams which have been subjected to the wavefront conversion by the alignment marks on the first object surface and the second object surface are guided to a predetermined surface. When detecting the relative position shift and / or relative distance shift between the first object and the second object by detecting the incident position of the light beam on the predetermined surface by the detecting means, At least one of the object and the second object is slightly vibrated by the driving means in a direction insensitive to the direction of detecting the relative displacement or relative displacement.

例えば本発明では、前記第1物体又は第2物体の少な
くとも一方を相対的位置ずれ検出面内と直交する方向に
微少振動させたことを特徴としている。本発明の露光装
置は前述の位置検出装置を用いて、第1物体と第2物体
との相対的な位置合わせを行い、該第1物体面上のパタ
ーンを第2物体面上に露光転写していることを特徴とし
ている。
For example, the present invention is characterized in that at least one of the first object and the second object is slightly vibrated in a direction orthogonal to the relative displacement detection plane. The exposure apparatus of the present invention performs relative alignment between a first object and a second object using the above-described position detection apparatus, and transfers a pattern on the first object surface onto a second object surface by exposure and transfer. It is characterized by having.

(実施例) 第1図(A)は本発明の第1実施例の要部断面図、第
1図(B)は第1図(A)の主要部分を展開した概略図
である。尚第1図(B)ではXY面内の位置ずれ検出を行
う場合を示している。
(Embodiment) FIG. 1 (A) is a sectional view of a main part of a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (B) is a schematic view in which main parts of FIG. 1 (A) are developed. FIG. 1 (B) shows a case in which a positional shift in the XY plane is detected.

本実施例ではプロキシミティ型半導体素子製造用の露
光装置に適用した場合を示している。
This embodiment shows a case where the present invention is applied to an exposure apparatus for manufacturing a proximity type semiconductor element.

1は第1物体としてのマスクであり、その面上には電
子回路パターンが形成されている。2は第2物体として
のウエハである。5はマスク1面上に設けたアライメン
トマーク、3はウエハ2面上に設けたアライメントマー
クである。アライメントマーク3,5は各々1次元又は2
次元のレンズ作用をするグレーティングレンズやフレネ
ルゾーンプレート又はレンズ作用のない回折格子等の物
理光学素子より成っている。
Reference numeral 1 denotes a mask as a first object, on which an electronic circuit pattern is formed. Reference numeral 2 denotes a wafer as a second object. Reference numeral 5 denotes an alignment mark provided on the mask 1 surface, and reference numeral 3 denotes an alignment mark provided on the wafer 2 surface. Alignment marks 3 and 5 are each one-dimensional or two
It consists of a physical optical element such as a grating lens, a Fresnel zone plate, or a diffraction grating without a lens function that performs a two-dimensional lens function.

本実施例ではアライメントマーク5,3で波面変換作用
を受けた光束を利用してマスク1とウエハ2とのXY面内
の相対的な位置ずれ検出を行っている。アライメントマ
ーク3,(5)をフレネルゾーンプレートより構成したと
きのパターンの一例を第2図に示す。
In the present embodiment, the relative positional deviation between the mask 1 and the wafer 2 in the XY plane is detected using the light beam that has undergone the wavefront conversion action by the alignment marks 5 and 3. FIG. 2 shows an example of a pattern when the alignment marks 3 and (5) are constituted by Fresnel zone plates.

10はレーザ光源であり、指向性の良い、可干渉性の光
束を放射している。12は投光レンズであり、レーザ光源
10からのレーザ光を平行光束にしてマスク1面上のアラ
イメントマーク5に投光している。11は検出部であり、
例えばCCD等のラインセンサから成っている。13は受光
レンズでありマスク1面からの光束を受光し、検出部11
に導光している。17はウエハステージであり、ウエハ2
を載置している。18はステージ駆動手段であり、ウエハ
ステージ17を駆動及び後述するように微少ストロークで
振動させている。Eは露光領域である。
Reference numeral 10 denotes a laser light source which emits a coherent light beam having good directivity. Reference numeral 12 denotes a projection lens, which is a laser light source.
The laser beam from 10 is emitted as a parallel light beam onto the alignment mark 5 on the mask 1 surface. 11 is a detection unit,
For example, it is composed of a line sensor such as a CCD. Reference numeral 13 denotes a light receiving lens which receives a light beam from the mask 1 surface, and
The light is guided. Reference numeral 17 denotes a wafer stage, and a wafer 2
Is placed. Reference numeral 18 denotes a stage driving means which drives and vibrates the wafer stage 17 with a small stroke as described later. E is an exposure area.

本実施例ではレーザ光源10からのレーザ光を投光レン
ズ11で平行光束としてウエハ1面上のアライメントマー
ク5に入射させているアライメントマーク5で波面変換
作用、例えば透過回折作用を受けた光束をウエハ2面上
のアライメントマーク3に入射させる。アライメントマ
ーク3で光学的作用、例えば反射回折作用を受けた光束
はマスク1のアライメントマークで回折作用を受けずに
透過して受光レンズ13で集光してアライメント光束とし
て検出部11面上に入射する。
In the present embodiment, the laser beam from the laser light source 10 is incident on the alignment mark 5 on the surface of the wafer 1 as a parallel light beam by the light projecting lens 11 so that the light beam that has undergone a wavefront conversion action, for example, a transmission diffraction action, is applied to the alignment mark 5. The light is incident on the alignment mark 3 on the surface of the wafer 2. A light beam that has been subjected to an optical action, for example, reflection / diffraction action, at the alignment mark 3 is transmitted without undergoing a diffraction action at the alignment mark of the mask 1 and condensed by the light receiving lens 13 to be incident on the surface of the detection unit 11 as an alignment light flux. I do.

第3図は検出部11面上に入射したアライメント光の強
度分布の説明図である。検出部11に入射したアライメン
ト光束は光電変換され、例えば第3図に示すのと同様な
波形の信号が得られる。検出部11からの出力信号はAD変
換部19でA/D変換されて演算手段20に送出される。そし
て演算手段20により検出部11へのアライメント光束の入
射位置(重心位置)よりマスク1とウエハ2との相対的
な面内(XY面内)の位置ずれを求めている。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the intensity distribution of the alignment light incident on the surface of the detection unit 11. The alignment light beam incident on the detection unit 11 is photoelectrically converted, and a signal having a waveform similar to that shown in FIG. 3 is obtained, for example. The output signal from the detection unit 11 is A / D-converted by the AD conversion unit 19 and sent to the arithmetic unit 20. Then, the relative displacement between the mask 1 and the wafer 2 in the plane (XY plane) is obtained from the incident position (center of gravity) of the alignment light beam to the detection unit 11 by the calculating means 20.

今、第1図(B)に示すようにマスク1とウエハ2と
が平行方向にΔσずれており、ウエハ2からウエハ2の
アライメントマーク3で反射した光束の集光点までの距
離をa、マスク1のアライメントマーク5を通過した光
束の集光点までの距離をbとすると検出部11面上でのア
ライメント光束の集光点の重心ずれ量Δδは となる。即ち重心ずれ量Δδは(b/a+1)倍に拡大さ
れる。
Now, as shown in FIG. 1 (B), the mask 1 and the wafer 2 are displaced by Δσ in the parallel direction, and the distance from the wafer 2 to the focal point of the light beam reflected by the alignment mark 3 on the wafer 2 is a, Assuming that the distance from the converging point of the light beam that has passed through the alignment mark 5 of the mask 1 is b, the center-of-gravity shift amount Δδ of the converging point of the alignment light beam on the detection unit 11 surface is Becomes That is, the center-of-gravity shift amount Δδ is enlarged by (b / a + 1) times.

例えば、a=0.5mm,b=50mmとすれば重心ずれ量Δδ
は(a)式より101倍に拡大される。
For example, if a = 0.5 mm and b = 50 mm, the center of gravity shift amount Δδ
Is magnified 101 times from the equation (a).

尚、このときの重心ずれ量Δδと位置ずれ量Δσは
(a)式より明かのように比例関係となる。検出部11の
分解能が0.1μmであるとすると位置ずれ量Δσは0.001
μmの位置分解能となる。
It should be noted that the center-of-gravity shift amount Δδ and the positional shift amount Δσ at this time are in a proportional relationship as apparent from the equation (a). Assuming that the resolution of the detection unit 11 is 0.1 μm, the displacement Δσ is 0.001
A position resolution of μm is obtained.

本実施例において光束の重心とは検出部の受光面内に
おいて、受光面内各点の位置ベクトルにその点の光強度
を乗算したものを断面全面で積分した時に積分値が0ベ
クトルになる点のことであるが代表点として光強度が最
高となる点を用いても良い。
In the present embodiment, the center of gravity of the light beam is a point on the light receiving surface of the detection unit where a value obtained by multiplying the position vector of each point in the light receiving surface by the light intensity at the point is integrated into a zero vector when integrated over the entire cross section. However, a point having the highest light intensity may be used as a representative point.

尚、本実施例におけるこの位置ずれ検出方法の原理と
しては本出願人が例えば特開平1−233305号公報や特開
平2−1506号公報で提案している。
The principle of the method for detecting the displacement in this embodiment has been proposed by the present applicant in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 1-233305 and 2-1506.

次に本実施例の特徴について説明する。 Next, features of the present embodiment will be described.

一般にマスク面上の微細な凹凸部やウエハ一面上の表
面のAl皮膜されている微細な凹凸部(〜1000Å)にレー
ザ光束が入射すると、これらの凹凸部によりスペックル
散乱光が生じノイズ光となって検出部面上でアライメン
ト光束に重畳してくる。このスペックル散乱光によるノ
イズ光の強度はレーザ光源の可干渉性が大きい程大きく
なってくる。このノイズ光の入射位置や大きさはマスク
やウエハの相対的位置や間隔により変化してくる。レー
ザ光源、マスク、ウエハ等が相対的に変化しないとノイ
ズ光も時間的に変化しないので電気的に時間平均しても
ノイズ光を除去することができない。
In general, when a laser beam is incident on fine irregularities on the mask surface or fine irregularities (up to 1000 mm) on the surface of the wafer on which Al is coated, speckle scattered light is generated by these irregularities and noise light is generated. As a result, it is superimposed on the alignment light beam on the detection unit surface. The intensity of the noise light due to the speckle scattered light increases as the coherence of the laser light source increases. The incident position and size of the noise light vary depending on the relative positions and intervals of the mask and the wafer. If the laser light source, the mask, the wafer, and the like do not relatively change, the noise light does not change over time, so that even if the time average is electrically performed, the noise light cannot be removed.

又、ノイズ光のスポット径はアライメント光束の径と
略等しいので検出部面上でアライメント光束に重なった
ときには、空間的に分離したり、又空間周波数軸上で分
離することができない。
Further, since the spot diameter of the noise light is substantially equal to the diameter of the alignment light beam, when it overlaps with the alignment light beam on the detection unit surface, it cannot be spatially separated or separated on the spatial frequency axis.

この結果、例えば第4図に示すように検出部からの出
力信号の波形が乱れてきて検出部面上における入射光束
の重心位置が変動し、この結果位置ずれ検出誤差が発生
してくる。この検出誤差は検出部面上の光スポットの位
置に発生しているので電気信号に変換された後に平均化
しても位置ずれ検出誤差を減少させることが出来ない。
As a result, for example, as shown in FIG. 4, the waveform of the output signal from the detection unit is disturbed, and the position of the center of gravity of the incident light beam on the detection unit surface fluctuates. As a result, a position shift detection error occurs. Since this detection error is generated at the position of the light spot on the detection unit surface, even if it is converted to an electric signal and then averaged, the error in detecting the displacement cannot be reduced.

そこで本実施例では局所的に集中したアライメント光
束に重畳したスペックル散乱光によるノイズ光を光空間
的に平均化する為にマスク1又はウエハ2を位置ずれ検
出に際して不感知な方向に微少振動させている。
Therefore, in the present embodiment, the mask 1 or the wafer 2 is slightly vibrated in an insensitive direction at the time of detecting a position shift in order to average spatially noise light caused by speckle scattered light superimposed on the locally concentrated alignment light beam. ing.

例えばマスクとウエハの対向方向(Z方向)にウエハ
2をウエハ駆動手段18により1000〜2000Åの範囲内で微
少振動させている。
For example, the wafer 2 is slightly vibrated in the direction (Z direction) between the mask and the wafer within the range of 1000 to 2000 ° by the wafer driving means 18.

一般に検出部11は第5図に示すように位置ずれ検出方
向(X方向)に複数の素子(11a,11b,11c,…)を配置し
て構成されている。この為本実施例では位置ずれ検出に
際して、不感知な方向、例えばZ方向にウエハ2を振動
させている。(尚Y方向に微少振動させても良い。) このときスペックル散乱光によるノイズ光はマスクか
らウエハの微細構造の平均的周期で現われる。アライメ
ント光の位置ずれ検出方向の重心位置は変化せず検出部
からの出力信号の波形を時間的に平均化することにより
スペックル散乱光によるアライメント光束の重心変動を
少なくし、位置ずれ検出誤差を低減している。
In general, the detecting unit 11 is configured by arranging a plurality of elements (11a, 11b, 11c,...) In a direction of detecting a displacement (X direction) as shown in FIG. For this reason, in the present embodiment, the wafer 2 is vibrated in an insensitive direction, for example, in the Z direction when detecting the positional deviation. (Furthermore, fine vibration may be performed in the Y direction.) At this time, noise light due to speckle scattered light appears at an average period of the fine structure of the wafer from the mask. The position of the center of gravity of the alignment light in the direction of displacement detection does not change, and the waveform of the output signal from the detection unit is averaged over time to reduce fluctuations in the center of gravity of the alignment light beam due to speckle scattered light, thereby reducing misregistration detection errors. Has been reduced.

第6図はウエハ駆動手段18として圧電素子を用いてウ
エハステージ17をXY面内で微少振動させるときの圧電素
子に印加する電圧と検出部11としてCCDを用いたときの
検出部からの出力信号との関係を示すタイミングチャー
トの説明図である。
FIG. 6 shows the voltage applied to the piezoelectric element when the wafer stage 17 is slightly vibrated in the XY plane using the piezoelectric element as the wafer driving means 18 and the output signal from the detecting section when the CCD is used as the detecting section 11. FIG. 4 is an explanatory diagram of a timing chart showing a relationship with the above.

尚、本実施例においてはウエハ駆動手段18としてバイ
モルフを用いても同様の効果を得ることができる。
In this embodiment, the same effect can be obtained even if a bimorph is used as the wafer driving means 18.

以上の実施例はマスクとウエハのXY面内での位置ずれ
検出を行う場合について説明したが、マスクとウエハと
の予め設定した間隔からの間隔ずれ量を求める相対的な
間隔ずれ検出に対しても本発明は同様に適用することが
できる。
In the above embodiment, the case where the positional deviation between the mask and the wafer is detected in the XY plane is described. However, the relative positional deviation detection for calculating the amount of positional deviation from a preset distance between the mask and the wafer is described. The present invention can be similarly applied.

第7図(A)は本発明を半導体製造装置のマスクとウ
エハとの間隔を測定する装置に適用した場合の一実施例
の光学系の概略図、第7図(B),(C)は同図(A)
の一部分の光路を示す要部概略図である。
FIG. 7 (A) is a schematic view of an optical system according to an embodiment when the present invention is applied to an apparatus for measuring the distance between a mask and a wafer in a semiconductor manufacturing apparatus, and FIGS. 7 (B) and (C) are Figure (A)
FIG. 3 is a schematic diagram of a main part showing an optical path of a part of FIG.

同図において71は例えばHe−Neレーザーや半導体レー
ザーLD等からの光束、72は第1物体で例えばマスク、73
は第2物体で例えばウエハであり、マスク72とウエハ73
は最初に間隔dOを隔てた位置に対向配置されている。7
4,75は各々マスク72面上の一部例えばスクライブライン
内に設けたアライメントマークとしての第1,第2物理光
学素子で、これらの物理光学素子74,75は例えば回折格
子やゾーンプレートフレネルレンズ等から成っている。
Light beam from 71, for example H e -N e laser or a semiconductor laser LD, etc. In the figure, 72 is a first object, for example a mask, 73
Is a second object, for example, a wafer, and the mask 72 and the wafer 73
Are initially opposed to each other at a position separated by a distance d O. 7
Reference numerals 4 and 75 denote first and second physical optical elements as alignment marks provided in a part of the surface of the mask 72, for example, a scribe line. These physical optical elements 74 and 75 are, for example, a diffraction grating or a zone plate Fresnel lens. Etc.

78は受光手段であり、例えばラインセンサーやPSD等
から成り、入射光束の重心位置を検出している。79は信
号処理回路であり、受光手段8からの信号を用いて受光
手段78面上に入射した光束の重心位置を求め、後述する
ようにマスク72とウエハ73との間隔を演算し求めてい
る。80を光プローブであり、受光手段78、そして必要に
応じて信号処理回路79を有しており、マスク72やウエハ
73とは相対的に移動可能となっている。
Reference numeral 78 denotes a light receiving means, which is composed of, for example, a line sensor or a PSD, and detects the position of the center of gravity of the incident light beam. Reference numeral 79 denotes a signal processing circuit which calculates the center of gravity of the light beam incident on the surface of the light receiving means 78 by using a signal from the light receiving means 8 and calculates the distance between the mask 72 and the wafer 73 as described later. . Reference numeral 80 denotes an optical probe, which includes a light receiving means 78 and, if necessary, a signal processing circuit 79.
73 is relatively movable.

本実施例においては半導体レーザーLDからの光束71
(波長λ=830nm)をマスク72面上の第1物理光学素子
であるフレネルゾーンプレート(以下FZPと略記する)7
4面上の点Aに入射させている。そして第1のFZP74から
の角度θ1で回折する所定次数の回折光をウエハ73面上
の点B(ウエハ73が位置P2にあるときは点C)で反射さ
せている。このうち反射光31はウエハ73がマスク72に近
い基準位置P1に位置しているときの反射光、反射光32は
ウエハ73が位置P1から距離dGだけ変位した位置P2にある
ときの反射光である。尚本実施例ではウエハ73面上のア
ライメントマークは単なる反射面より構成している。
In this embodiment, the light beam 71 from the semiconductor laser LD is used.
(Wavelength λ = 830 nm) is a Fresnel zone plate (hereinafter abbreviated as FZP) 7 as the first physical optical element on the surface of the mask 72.
It is incident on point A on four surfaces. The diffracted light of a predetermined order diffracted at an angle θ1 from the first FZP 74 is reflected at a point B (point C when the wafer 73 is at the position P2) on the surface of the wafer 73. Reflected light when these reflected light 31 is the wafer 73 is positioned at the reference position P1 near the mask 72, the reflected light 32 reflected light when the wafer 73 is from the position P1 at a distance d G only displaced position P2 It is. In this embodiment, the alignment mark on the surface of the wafer 73 is constituted by a simple reflection surface.

次いでウエハ73からの反射光を第1物体72面上の第2
のFZP75面上の点D(ウエハ73が位置P2にあるときは点
E)に入射させている。尚第2のFZP75は入射光束の入
射位置に応じて出射回折光の射出角を変化させる光学作
用を有している。
Next, the reflected light from the wafer 73 is transferred to the second object on the first object 72 surface.
At the point D on the FZP75 surface (point E when the wafer 73 is at the position P2). The second FZP 75 has an optical function of changing the exit angle of the output diffracted light according to the incident position of the incident light beam.

そして第2のFZP75から角度θ2で回折した所定次数
の回折光61(ウエハ73が位置P2にあるときは回折光62)
を受光手段78面上に導光している。
A predetermined order diffracted light 61 diffracted at an angle θ2 from the second FZP 75 (a diffracted light 62 when the wafer 73 is at the position P2)
Is guided on the surface of the light receiving means 78.

そして、このときの受光手段78面上における入射光束
61(ウエハ73が位置P2にあるときは入射光62)の重心位
置を用いてマスク72とウエハ73との間隔を演算し求めて
いる。
Then, the incident light beam on the light receiving means 78 surface at this time
The distance between the mask 72 and the wafer 73 is calculated using the position of the center of gravity of 61 (the incident light 62 when the wafer 73 is at the position P2).

本実施例ではマスク72面上に設けた第1,第2のFZP74,
75は予め設定された既知のピッチで構成されており、そ
れらに入射した光束の所定次数(例えば±1次)の回折
光の回折角度θ1,θ2は予め求められている。
In this embodiment, the first and second FZPs 74 provided on the surface of the mask 72,
The reference numeral 75 denotes a predetermined known pitch, and the diffraction angles θ1 and θ2 of the diffracted light having a predetermined order (for example, ± 1st order) of the light beam incident thereon are obtained in advance.

今、第2のFZP75の焦点距離をfM2(μm)(但しfM2
は正又は負のどちらとも適用可能)、第2のFZP75から
受光手段78面に相当する光束評価面までの距離をlとす
ると、この場合、基準位置P1からウエハ73が距離dGだけ
変位したときの受光手段78面上での重心位置移動量Sは で与えられる。ウエハ73が基準位置P1にあるときの重心
位置(基準点)を予め求めておき、間隔測定時に重心位
置の基準点からのずれを求めて、これを重心位置移動量
Sとして上式に代入することにより、ウエハ73の位置P1
からの間隔ずれ量dGが求められる。
Now, let the focal length of the second FZP75 be fM2 (μm) (where fM2
Is applicable to either positive or negative), and assuming that the distance from the second FZP 75 to the luminous flux evaluation surface corresponding to the surface of the light receiving means 78 is l, in this case, the wafer 73 is displaced by the distance d G from the reference position P1. The amount of movement S of the center of gravity position on the surface of the light receiving means 78 is Given by The position of the center of gravity (reference point) when the wafer 73 is at the reference position P1 is obtained in advance, and the deviation of the center of gravity from the reference point at the time of the interval measurement is obtained. As a result, the position P1 of the wafer 73 is
Distance deviation amount d G from is determined.

尚、位置P1にあるときのマスク・ウエハ間隔dOは予め
他の間隔測定手段により求めておく。
The mask-wafer distance d O at the position P1 is obtained in advance by another distance measuring means.

本実施例においても第1実施例と同様にスペックル散
乱光によるノイズ光の悪影響を除去する為に、駆動手段
(不図示)によりマスク又はウエハ73を間隔ずれ検出方
向(Z方向)に対して不感知方向、例えばXY面内で微少
振動させている。
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, in order to remove the adverse effect of noise light due to speckle scattered light, the mask or wafer 73 is moved by the driving means (not shown) in the gap detection direction (Z direction). A minute vibration is made in a non-sensing direction, for example, in the XY plane.

(発明の効果) 本発明によれば前述の如くマスク又はウエハの少なく
とも一方を検出方向に不感知な方向に振動させることに
より、光源手段として可干渉性の良いレーザ光源を用い
たときのマスクやウエハの微細な凹凸部より生じるスペ
ックル散乱光に基づくノイズ光の悪影響を除去すること
ができ、マスクとウエハとの相対的な位置ずれ検出及び
相対的な間隔ずれ検出を高精度に求めることができる位
置検出装置を達成することができる。
(Effects of the Invention) According to the present invention, as described above, at least one of the mask and the wafer is vibrated in a direction insensitive to the detection direction, so that a mask when a laser light source having good coherence is used as the light source means. It is possible to remove the adverse effect of noise light based on speckle scattered light generated by fine irregularities on the wafer, and to accurately detect relative displacement between the mask and wafer and relative displacement. A possible position detecting device can be achieved.

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

第1図(A),(B)は本発明の第1実施例の要部概略
図と一部分の展開説明図、第2図は第1図(A)のアラ
イメントマークのパターン図、第3図,第4図は第1図
(A)の検出部面上へのアライメント光束の強度分布の
説明図、第5図は第1図(A)の検出部の概略図、第6
図は本発明の第1実施例の駆動手段への印加電圧と検出
部からの出力信号との関係を示すタイミングチャート
図、第7図(A),(B),(C)は本発明の第2実施
例の要部説明図、第8図,第9図は従来のゾーンプレー
トを用いた位置検出装置の概略図、第10図は従来の間隔
測定装置の概略図である。 図中、1,72は第1物体(マスク)、2,73は第2物体(ウ
エハ)、3,5,74,75はアライメントマーク、10はレーザ
光源、11は検出部、12は投光レンズ、13は受光レンズ、
17はウエハステージ、18はウエハ駆動手段、19はA/D変
換器、20は演算手段である。
1 (A) and 1 (B) are schematic views of a main part of the first embodiment of the present invention and explanatory views showing a part of the development, FIG. 2 is a pattern diagram of an alignment mark of FIG. 1 (A), and FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of the intensity distribution of the alignment light beam on the detection unit surface in FIG. 1 (A), FIG. 5 is a schematic diagram of the detection unit in FIG. 1 (A), and FIG.
FIG. 7 is a timing chart showing the relationship between the voltage applied to the driving means and the output signal from the detection unit according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 7 (A), (B) and (C) show the timing chart of the present invention. 8 and 9 are schematic diagrams of a conventional position detecting device using a zone plate, and FIG. 10 is a schematic diagram of a conventional interval measuring device. In the figure, 1,72 is a first object (mask), 2,73 is a second object (wafer), 3,5,74,75 are alignment marks, 10 is a laser light source, 11 is a detection unit, and 12 is light projection Lens, 13 is a light receiving lens,
17 is a wafer stage, 18 is a wafer driving means, 19 is an A / D converter, and 20 is an arithmetic means.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−98829(JP,A) 特開 平2−47822(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/00 - 11/30 H01L 21/31 501 - 531,561 - 5 79 G03F 7/20 - 7/24 G03F 9/00 - 9/02──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-56-98829 (JP, A) JP-A-2-47822 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01B 11/00-11/30 H01L 21/31 501-531,561-5 79 G03F 7/20-7/24 G03F 9/00-9/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】対向配置した第1物体面上と第2物体面上
に各々双方の相対的な面内の位置ずれ又は/及び相対的
間隔ずれを検出する為のアライメントマークを設け、投
光手段からの光束のうち該第1物体面上と該第2物体面
上のアライメントマークで各々波面変換作用を受けた光
束を所定面上に導光し、該所定面上における該光束の入
射位置を検出手段で検出することにより、該第1物体と
第2物体の相対的位置ずれ又は/及び相対的間隔ずれを
検出する際、該第1物体又は第2物体の少なくとも一方
を駆動手段により相対的位置ずれ又は相対的間隔ずれ検
出方向とは不感知な方向に微少振動させたことを特徴と
する位置検出装置。
An alignment mark is provided on a first object surface and a second object surface which are opposed to each other to detect a relative displacement and / or a relative displacement in a relative surface of each of them. Of the light beams from the means, the light beams having undergone wavefront conversion by the alignment marks on the first object surface and the second object surface, respectively, are guided on a predetermined surface, and the incident position of the light beam on the predetermined surface Is detected by the detecting means, and when detecting the relative positional deviation and / or the relative distance deviation between the first object and the second object, at least one of the first object and the second object is relatively driven by the driving means. A position detecting device characterized in that it is slightly vibrated in a direction insensitive to a direction of detecting a target position deviation or a relative distance deviation.
【請求項2】前記第1物体又は第2物体の少なくとも一
方を相対的位置ずれ検出面内と直交する方向に微少振動
させたことを特徴とする請求項1記載の位置検出装置。
2. The position detecting device according to claim 1, wherein at least one of the first object and the second object is slightly vibrated in a direction orthogonal to a relative position detection plane.
【請求項3】請求項1又は2の位置検出装置を用いて第
1物体と第2物体との相対的な位置合わせを行い、該第
1物体面上のパターンを第2物体面上に露光転写してい
ることを特徴とする露光装置。
3. A relative position between a first object and a second object is adjusted by using the position detecting device according to claim 1, and a pattern on the first object surface is exposed on a second object surface. An exposure apparatus that performs transfer.
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