JP3106490B2 - Positioning apparatus and exposure apparatus having the same - Google Patents

Positioning apparatus and exposure apparatus having the same

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JP3106490B2
JP3106490B2 JP02254581A JP25458190A JP3106490B2 JP 3106490 B2 JP3106490 B2 JP 3106490B2 JP 02254581 A JP02254581 A JP 02254581A JP 25458190 A JP25458190 A JP 25458190A JP 3106490 B2 JP3106490 B2 JP 3106490B2
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は回折格子が形成された基板の位置合せ装置に
関するものであり、特に半導体露光装置(ステッパー、
アライナー)等に使われているアライメント装置に好適
なものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for aligning a substrate on which a diffraction grating is formed, and particularly to a semiconductor exposure apparatus (stepper,
This is suitable for an alignment device used for an aligner or the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、半導体素子等の微細パターンを高分解能で半導
体のウエハ上に転写する装置として、投影型露光装置、
所謂ステッパーが多用されるようになってきている。特
に最近は、これにより製造されるLSIの高密度化が要求
されてきており、より微細なパターンをウエハ上に転写
する必要がある。これに対応するには、より高精度な位
置合わせ(アライメント)が不可欠である。
In recent years, as a device for transferring a fine pattern such as a semiconductor element onto a semiconductor wafer with high resolution, a projection type exposure device,
So-called steppers have been used frequently. In particular, recently, it has been required to increase the density of LSIs manufactured thereby, and it is necessary to transfer a finer pattern onto a wafer. To cope with this, higher-precision alignment is indispensable.

そこで、より高分解能なアライメントセンサーとして
回折格子干渉型の位置合わせ装置が数多く提案されてい
る。
Therefore, many diffraction grating interference type alignment devices have been proposed as higher resolution alignment sensors.

回折格子干渉型のアライメントセンサーの中にもいく
つかの方式があるが、代表的には特開昭59−192917号公
報、特開昭60−67932号公報、又は特開昭62−56722号公
報に開示されているような2光束ホモダイン干渉方式
と、特開昭61−187615号公報、特開昭62−56818号公
報、特開昭63−283129号公報、又は特開平2−116116号
公報に開示されているような2光束ヘテロダイン干渉方
式とが知られている。
There are several types of diffraction grating interference type alignment sensors, but typically, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 59-192917, 60-67932, or 62-56722. And the two-beam homodyne interference method disclosed in JP-A-61-187615, JP-A-62-56818, JP-A-63-283129, or JP-A-2-116116. A two-beam heterodyne interference system as disclosed is known.

どちらの方式においても、基板(半導体ウエハ、又は
マスク)に形成された回折格子に2方向からレーザビー
ム等を照射して、回折格子上に一次元の干渉縞を作る点
は同じであるが、ヘテロダイン方式では2方向からのビ
ームに一定の周波数差(通常は1MHz以下)を与えて、干
渉縞をピッチ方向に高速に走らせている。
In either method, the diffraction grating formed on the substrate (semiconductor wafer or mask) is irradiated with a laser beam or the like from two directions to form one-dimensional interference fringes on the diffraction grating. In the heterodyne method, a certain frequency difference (usually 1 MHz or less) is given to beams from two directions, and interference fringes are run at high speed in the pitch direction.

2光束ホモダイン方式では、回折格子と干渉縞とをピ
ッチ方向に機械的に移動させたときに変化する回折格子
からの干渉光(例えば±1次回折光が同一方向に進むこ
とによって生じる干渉光)強度自体が回折格子の位置ず
れに対応している。これに対して2光束ヘテロダイン方
式では、回折格子からの干渉光が常に周波数差(ビート
周波数)で強度変化するために、光電信号はビート周波
数で正弦波状に変化する交流信号になる。このためヘテ
ロダイン方式では予め基準となるビート周波数の信号
(基準信号)を作っておき、回折格子からの干渉光の受
光によって作られた計測信号(ビート周波数)との間で
位相差を求めることで回折格子の位置ずれを検出してい
る。
In the two-beam homodyne method, the intensity of interference light (for example, interference light generated when ± 1st-order diffracted light travels in the same direction) from the diffraction grating that changes when the diffraction grating and the interference fringe are mechanically moved in the pitch direction. The light beam itself corresponds to the displacement of the diffraction grating. On the other hand, in the two-beam heterodyne system, since the intensity of the interference light from the diffraction grating always changes with the frequency difference (beat frequency), the photoelectric signal is an AC signal that changes in a sinusoidal manner at the beat frequency. Therefore, in the heterodyne method, a signal (reference signal) of a beat frequency serving as a reference is prepared in advance, and a phase difference between the signal and a measurement signal (beat frequency) generated by receiving the interference light from the diffraction grating is obtained. The displacement of the diffraction grating is detected.

第2図は、従来より知られている回折格子干渉型アラ
イメントセンサーの基本的な構成を示す斜視図である。
2本の平行なレーザビームLB1、LB2はアライメント系の
光軸AXaに対して角度−θFS、θFSだけ傾いて、照明視
野絞りFS上で交差する。絞りFSには矩形開口APが形成さ
れ、開口APを通過した2本のビームL1、L2はレンズ系3
a、ミラーMR、ビームスプリッタBS、及びレンズ系3bを
介して基板4上の1次元回折格子(マーク)WM上で再度
交差する。レンズ系3aと3bの合成系は絞りFSの開口APの
像を基板4上に結像する結像光学系として作用し、レン
ズ系3aと3bの間には瞳面(フーリエ面)EPが存在する。
FIG. 2 is a perspective view showing a basic configuration of a conventionally known diffraction grating interference type alignment sensor.
The two parallel laser beams LB 1 and LB 2 are inclined by angles −θ FS and θ FS with respect to the optical axis AXa of the alignment system, and intersect on the illumination field stop FS. A rectangular aperture AP is formed in the stop FS, and the two beams L 1 and L 2 that have passed through the aperture AP pass through the lens system 3.
a, the mirror MR, the beam splitter BS, and the lens system 3b intersect again on the one-dimensional diffraction grating (mark) WM on the substrate 4. The composite system of the lens systems 3a and 3b functions as an imaging optical system for forming an image of the aperture AP of the stop FS on the substrate 4, and a pupil plane (Fourier plane) EP exists between the lens systems 3a and 3b. I do.

基板4を照射する2本のビームL1、L2の主光線は、同
図中のX−Z平面内で光軸AXaに関して対称に傾いてい
る。従って、瞳面EP内では、2本のビームL1、L2が光軸
AXaを挾んでX方向に対称的に離れたスポットSP1、SP2
に集光する。
The principal rays of the two beams L 1 and L 2 irradiating the substrate 4 are symmetrically inclined with respect to the optical axis AXa in the XZ plane in FIG. Therefore, in the pupil plane EP, the two beams L 1 and L 2
Spots SP 1 and SP 2 symmetrically separated in the X direction across AXa
Focus on

このような構成によると、基板4の回折格子WM上に
は、ビームL1、L2の干渉によってX方向に一定ピッチで
並んだ複数の干渉縞が作られる。そこで回折格子WMのピ
ッチ方向をX方向にし、干渉縞のピッチPfと回折格子WM
のピッチPgとが2Pf=Pgの関係になるように、元々のビ
ームLB1、LB2の交差角2θFSを設定すると、回折格子WM
からは光軸AXaと平行に±1次回折光の干渉光BTLが発生
する。この干渉光BTLはレンズ3b、ビームスプリッタBS
を介して光電検出器(フォトマル、フォトダイオード
等)PDに受光される。ここでは光電検出器PDを瞳面(フ
ーリエ面)に配置して、干渉光BTLのスポット光を受光
するようにしてある。
According to such a configuration, a plurality of interference fringes arranged at a constant pitch in the X direction are formed on the diffraction grating WM of the substrate 4 by the interference of the beams L 1 and L 2 . Therefore, the pitch direction of the diffraction grating WM is set to the X direction, and the pitch Pf of the interference fringes and the diffraction grating WM
When the intersection angle 2θ FS of the original beams LB 1 and LB 2 is set so that the pitch Pg of the light beam becomes 2Pf = Pg, the diffraction grating WM
Then, an interference light BTL of ± 1st-order diffracted light is generated in parallel with the optical axis AXa. This interference light BTL is transmitted through the lens 3b and the beam splitter BS.
The light is received by a photoelectric detector (photomultiplier, photodiode, etc.) PD via the. Here, the photoelectric detector PD is arranged on the pupil plane (Fourier plane) to receive the spot light of the interference light BTL.

ホモダイン方式では、基板4上に作られる干渉縞は静
止しているため、基板4をX方向に微動させる。この微
動に伴って、検出器PDからの光電信号は正弦波状にレベ
ル変化する。ヘテロダイン方式ではビームLB1、LB2に周
波数差Δfが存在するため、基板4を動かさなくとも、
光電信号は周波数Δfの交流信号になる。
In the homodyne method, since the interference fringes formed on the substrate 4 are stationary, the substrate 4 is slightly moved in the X direction. With this fine movement, the level of the photoelectric signal from the detector PD changes sinusoidally. In the heterodyne method, since there is a frequency difference Δf between the beams LB 1 and LB 2 , even if the substrate 4 is not moved,
The photoelectric signal becomes an AC signal having a frequency Δf.

従ってホモダイン方式では、光電信号のレベルが所定
値になるように基板4を微動させれば、干渉縞を基準と
した回折格子4のX方向のアライメントが完了する。一
方、ヘテロダイン方式の場合は、基準となる参照信号
(周波数Δfの交流)と検出器PDの光電信号との位相差
(±180゜)を求めることによって回折格子WMの基準位
置からのX方向のずれ量が±1/4Pgの範囲で求まる。
Therefore, in the homodyne method, if the substrate 4 is slightly moved so that the level of the photoelectric signal becomes a predetermined value, the alignment of the diffraction grating 4 in the X direction with reference to the interference fringes is completed. On the other hand, in the case of the heterodyne method, the phase difference (± 180 °) between the reference signal serving as a reference (alternating current having a frequency Δf) and the photoelectric signal of the detector PD is obtained, whereby the diffraction grating WM in the X direction from the reference position is obtained. The amount of deviation is obtained in the range of ± 1/4 Pg.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来の技術では、専ら1次元の位置合せを前提に
しているため、回折格子WMも1次元であったが、基板4
上の同一点で2次元の位置ずれ検出を行なうとなると、
回折格子WMは2次元格子として、2本のビームL1、L
2(又はLB1、LB2)の照射方向を第2図の場合から90度
だけ光軸AXaの回りに回転させればよい。
In the above-mentioned prior art, the diffraction grating WM is also one-dimensional because it is premised on one-dimensional alignment exclusively.
When performing two-dimensional displacement detection at the same point above,
The diffraction grating WM is a two-dimensional grating and has two beams L 1 and L
2 (or LB 1 , LB 2 ) may be rotated around the optical axis AXa by 90 degrees from the case of FIG.

ところが、1次元回折格子の場合も同じであるが、2
次元回折格子の場合、その全体形状はほぼ正方形(又は
矩形)になるのが一般的である。そのために照明視野絞
りFSの開口APも正方形(又は矩形)になる。この絞りFS
は2本のビームL1、L2の基板4上での照野を制限して、
回折格子WM以外のパターン(回路パターンの一部等)を
不要に照射しないようにする機能を有している。すなわ
ち、回折格子WM以外のパターンからの反射光(特に回
折、散乱光)がノイズ光として検出器PDに入射するのを
事前に防止するものである。
However, the same applies to the case of a one-dimensional diffraction grating.
In the case of a two-dimensional diffraction grating, the overall shape is generally substantially square (or rectangular). Therefore, the aperture AP of the illumination field stop FS also becomes square (or rectangular). This aperture FS
Limits the illumination field on the substrate 4 of the two beams L 1 and L 2 ,
It has a function of preventing unnecessary irradiation of a pattern (a part of a circuit pattern or the like) other than the diffraction grating WM. That is, it prevents light reflected from patterns other than the diffraction grating WM (particularly, diffraction and scattered light) from entering the detector PD as noise light in advance.

しかしながら、この視野絞りFSにより発生する回折光
が検出精度に悪影響を及ぼすことが判明した。そこで、
以下の説明を容易にするために、第2図の系を簡潔的に
示した第3図を参照しながら視野絞りFSの影響を説明す
るが、ここではヘテロダイン方式で説明する。
However, it has been found that the diffracted light generated by the field stop FS has an adverse effect on the detection accuracy. Therefore,
In order to facilitate the following description, the effect of the field stop FS will be described with reference to FIG. 3 which shows the system of FIG. 2 in a simplified manner.

第3図の実線で示す如く、互いに異なる周波数のコヒ
ーレントな平行ビームLB1、LB2は、所定の入射角θFS
持った2方向から矩形絞りFSを照射した後、レンズ系3a
を通って瞳面EP(フーリエ面)で2つのビームスポット
SP1、SP2となって集光する。
As shown by the solid line in FIG. 3, the coherent parallel beams LB 1 and LB 2 having different frequencies irradiate the rectangular diaphragm FS from two directions having a predetermined incident angle θ FS, and then the lens system 3a
Beam spots on the pupil plane EP (Fourier plane)
The light is collected as SP 1 and SP 2 .

その後、2本のビームはレンズ系3bを通って基板4上
に形成された回折格子(以下マークとする)WMの照明領
域を所定の入射角±θWMを持った2方向から照射する。
Thereafter, the two beams pass through the lens system 3b and irradiate the illumination area of the diffraction grating (hereinafter referred to as a mark) WM formed on the substrate 4 from two directions having a predetermined incident angle ± θ WM .

ここで入射角±θWMは、マークWMの法線(光軸)方向
に±1次回折光が発生するように設定されているものと
する。
Here, it is assumed that the incident angle ± θ WM is set so that ± first-order diffracted light is generated in the direction of the normal line (optical axis) of the mark WM.

ところが、実際には、矩形形状の開口APを有する視野
絞りFSに所定の交差角(±θFS)を持った2方向から互
いに異なる周波数のビームLB1、LB2を照射すると、この
矩形絞りFSのエッジで回折光が発生する。
However, in practice, when the field stop FS having the rectangular aperture AP is irradiated with beams LB 1 and LB 2 having different frequencies from two directions having a predetermined intersection angle (± θ FS ), the rectangular stop FS Diffracted light is generated at the edge of.

矩形絞りFSに入射する2本のビームLB1、LB2は平面波
として扱えるため、レンズ系3a、3bの瞳面EPでは、フラ
ンフォフアー回折として解析することができる。
Since the two beams LB 1 and LB 2 incident on the rectangular stop FS can be handled as plane waves, the pupil plane EP of the lens systems 3a and 3b can be analyzed as a Fraunhofer diffraction.

瞳面EPでのフランフォフアー回折光分布は、2本のビ
ームLB1、LB2の絞りFSに対する入射角θFS、波長λ、及
び開口APのエッジの方向性によって決ってくる。
The distribution of the Fraunhofer diffracted light on the pupil plane EP is determined by the incident angle θ FS of the two beams LB 1 and LB 2 with respect to the stop FS , the wavelength λ, and the directionality of the edge of the aperture AP.

第2図に示すように、2本のビームLB1、LB2の両主光
線を含む面が絞りFSの面と交わってできる線の方向に対
して、開口APの対向する2辺のエッジが直交する場合、
このエッジで生じたフランフォフアー回折光の一部が、
基板4を照射する2本のビームの品質(特に各ビームの
周波数単一性)をそこなわせるといった問題が生じる。
そこで絞りFSの開口APによって生じるフランフォフアー
回折について第4図を参照して説明する。
As shown in FIG. 2, the edges of two opposite sides of the aperture AP are aligned with the direction of the line formed by the plane including both the principal rays of the two beams LB 1 and LB 2 intersecting the plane of the stop FS. When orthogonal,
A part of the franfofer diffraction light generated at this edge is
There is a problem that the quality of the two beams irradiating the substrate 4 (particularly, the frequency uniformity of each beam) is deteriorated.
Therefore, the Fraunhofer diffraction caused by the aperture AP of the stop FS will be described with reference to FIG.

定性的には、第4図に示す如く、レンズ系3a、3bの瞳
面EP(フーリエ面)において、実線で示すビームLB1
よる回折強度分布DF1と、破線で示すビームLB2による回
折強度分布DF2とが瞳中心Oを対称に形成される。
Qualitatively, as shown in FIG. 4, a lens system 3a, the 3b of the pupil plane EP (Fourier plane), and the diffraction intensity distribution DF 1 by the beam LB 1 shown by a solid line, the diffraction intensity of the beam LB 2 shown by a broken line It formed a distribution DF 2 Hitomi Toga center O symmetrically.

ここでは、特に、検出精度に悪影響を及ぼす回折光に
ついて説明する。
Here, especially, the diffracted light that has a bad influence on the detection accuracy will be described.

図示の如く、瞳面EPのSP1の位置でビームスポットを
形成する強度IOのビームLB1に、強度INを有するビームL
B2の回折光が混入する一方、瞳面EPのSP2の位置でビー
ムスポットを形成する強度IOのビームLB2に、強度IN
有するビームLB1の回折光が混入する。
As shown, the beam LB 1 intensity I O to form a beam spot at the position of SP 1 of the pupil plane EP, the beam L having an intensity I N
While diffracted light B 2 is mixed, the beam LB 2 intensity I O to form a beam spot at the position of SP 2 of the pupil plane EP, the diffracted light beam LB 1 having an intensity I N is mixed.

この事から、先に述べた第3図では、破線で示す如
く、周波数f1のビームLB1により発生するノイズ回折光l
b1が、周波数f2のビームLB2と同一光路上を進行するた
め、このビームLB2はノイズ光lb1によりビートした状態
でマークWMを−θWMの入射角で照射することになる。
From this fact, in the FIG. 3 described above, as shown by the broken line, the noise diffracted beam l generated by the beam LB 1 frequency f 1
b 1 is, in order to advance the same optical path and the beam LB 2 frequency f 2, the beam LB 2 will be irradiated a mark WM at an incident angle of - [theta] WM while beat by noise light lb 1.

一方、周波数f2のビームLB2により発生するノイズ回
折光lb2も、周波数f1のビームLB1と同一光路上を進行す
るため、このビームLB1はノイズ光lb2によりビートした
状態でマークWMを+θWMの入射角で照射することにな
る。
On the other hand, the mark in a state noise diffracted light lb 2 generated by the beam LB 2 of frequency f 2 also, in order to advance the same optical path and the beam LB 1 frequency f 1, the beam LB 1 is obtained by beat by noise light lb 2 WM is irradiated at an incident angle of + θ WM .

第5図は以上の条件ともとでマークWMから回折光が発
生する様子を示しており、図示の如く、このマークWMの
法線(光軸)方向にビームLB2の−1次回折光LB2(−
1)とノイズ回折光lb1の−1次回折光lb1(−1)とが
発生するとともに、ビームLB1の+1次回折光LB1(+
1)とノイズ回折光lb2との+1次回折光lb2(+1)と
が発生する。
FIG. 5 shows how diffracted light is generated from the mark WM under the above conditions. As shown in FIG. 5, the -1st-order diffracted light LB 2 of the beam LB 2 extends in the direction of the normal (optical axis) of the mark WM. (-
With 1) and the -1st-order diffracted light lb 1 noise diffracted light lb 1 and (-1) is generated, the beam LB 1 +1 order diffracted light LB 1 (+
1) and the + 1st-order diffracted light lb 2 (+1) of the noise diffracted light lb 2 is generated.

また、今述べた第4図では、レンズ系3a、3bの瞳位置
の中心Oにも各ビームLB1、LB2の回折光が混入している
ことが分かる。このため、第3図では、矩形形状の開口
部を有する視野絞りFSによる各ビームLB1、LB2のノイズ
回折光lb1′、lb2′同士がビートした状態で光軸上を進
行し、マークWMを垂直に照射することになる。すると、
第5図に示した如く、このマークWMの法線方向に0次回
折光lb1(0)′、lb2(0)′が発生する。
Further, in FIG. 4 just described, it can be seen that the diffracted light of each beam LB 1 and LB 2 is also mixed in the center O of the pupil position of the lens systems 3a and 3b. For this reason, in FIG. 3, the noise diffracted light beams lb 1 ′ and lb 2 ′ of the beams LB 1 and LB 2 by the field stop FS having a rectangular opening progress on the optical axis in a beat state, The mark WM is irradiated vertically. Then
As shown in FIG. 5, zero-order diffracted light beams lb 1 (0) ′ and lb 2 (0) ′ are generated in the normal direction of the mark WM.

以上の如く、瞳面EP(又はそれと共役な位置)に設け
られた検出器PDは、マークWMの法線方向(光軸方向)に
発生する全ての光を干渉光BTとして検出するため、検出
光中にノイズ回折光が含まれると、検出された干渉ビー
ト信号には大きな誤差(位相誤差)が含まれることにな
る。
As described above, the detector PD provided on the pupil plane EP (or a position conjugate with the pupil plane) detects all the light generated in the normal direction (optical axis direction) of the mark WM as the interference light BT. If noise diffracted light is included in the light, the detected interference beat signal will include a large error (phase error).

以上の説明では、マークWMを1次元回折格子として回
折してきたが、2次元回折格子を使う場合であっても、
絞りFSの開口APによるフランフォフアー回折の影響は全
く同じに議論することができる。
In the above description, the mark WM is diffracted as a one-dimensional diffraction grating, but even when a two-dimensional diffraction grating is used,
The effect of the Franchoff diffraction due to the aperture AP of the aperture FS can be exactly the same.

従って本発明は、上記の問題点を解決して、照明視野
絞りにより発生する回折光が回折格子の位置検出精度に
悪影響を及ぼすことがないようにし、常に高精度、かつ
安定したアライメントを可能とした位置合せ装置を提供
することを目的とする。
Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems, and prevents the diffracted light generated by the illumination field stop from adversely affecting the position detection accuracy of the diffraction grating, and enables highly accurate and stable alignment at all times. It is an object of the present invention to provide a positioning device which is provided.

〔課題を解決する為の手段〕[Means for solving the problem]

本発明は、コヒーレント光、もしくは準単色光を射出
する光源と、該光源からの光を位置合せすべき基板上に
形成された2次元回折格子に照射するための照明光学系
と、前記2次元回折格子から発生した複数の回折光を 検知する検知光学系と、該検知光学系を介して前記複
数の回折光のうち特定の回折光を受光し、該特定の回折
光の強度に応じた光電信号を出力する光電検出器とを備
え、該光電信号に基づいて前記基板を2次元に位置合せ
する装置に関するものである。そして、特徴とする点
は、前記2次元回折格子の2つのピッチ方向のいずれに
対しても傾いた開口エッジで規定される照明視野絞り
を、前記照明光学系中の前記基板とほぼ共役な位置に設
けたことにある。
The present invention provides a light source that emits coherent light or quasi-monochromatic light, an illumination optical system for irradiating light from the light source onto a two-dimensional diffraction grating formed on a substrate to be aligned, and the two-dimensional light source. A detection optical system for detecting a plurality of diffracted lights generated from the diffraction grating, and a photodetector that receives a specific diffracted light of the plurality of diffracted lights via the detection optical system and that corresponds to the intensity of the specific diffracted light A photoelectric detector that outputs a signal; and a device that two-dimensionally positions the substrate based on the photoelectric signal. The feature is that the illumination field stop defined by the opening edge inclined with respect to any of the two pitch directions of the two-dimensional diffraction grating is positioned at a position substantially conjugate with the substrate in the illumination optical system. It has been established in.

さらに本発明は、 所定の第1方向にピッチを有する1次元の第1回折格
子と、前記第1方向と異なる第2方向にピッチを有する
1次元の第2回折格子とが形成された基板に、光源から
のコヒーレント光もしくは準単色光の平行ビームを照射
するビーム照射手段と、該平行ビームの照射により前記
第1回折格子、又は第2回折格子から生ずる回折光を検
知する検知光学系と、該検知光学系を介して前記回折光
を受光し、該回折光の強度に応じた光電信号を出力する
光電検出器とを備え、該光電信号に基づいて前記基板を
前記第1方向と第2方向の少なくとも一方に関して位置
合せする装置に関するものである。
Further, the present invention provides a method for manufacturing a substrate, comprising: a one-dimensional first diffraction grating having a pitch in a predetermined first direction; and a one-dimensional second diffraction grating having a pitch in a second direction different from the first direction. A beam irradiation means for irradiating a parallel beam of coherent light or quasi-monochromatic light from a light source, and a detection optical system for detecting the first diffraction grating or the diffraction light generated from the second diffraction grating by irradiating the parallel beam, A photoelectric detector that receives the diffracted light through the detection optical system and outputs a photoelectric signal corresponding to the intensity of the diffracted light, and moves the substrate in the first direction and the second direction based on the photoelectric signal. Alignment device for at least one of the directions.

そして、特徴とする点は、前記ビーム照射手段とし
て、前記基板と共役な面を形成するための照射光学系
と;前記光源からの光を、前記基板上、及び前記共役面
において所定角度で交差する2本の平行ビームに変換し
て前記照射光学系へ導く2光束化手段と;前記共役面に
配置され、前記第1方向と第2方向のいずれに対しても
傾いたエッジで規定された開口を有する照明視野絞りと
を設け、さらに前記光源と前記照明視野絞りとの間に、
前記2光束化手段からの2本のビームを含む面と前記基
板とが成す交線の方向を前記第1方向と第2方向に択一
的に切り替える切替手段を設けることにある。
The feature is that the beam irradiating means intersects the light from the light source at a predetermined angle on the substrate and on the conjugate plane with the irradiation optical system for forming a plane conjugate with the substrate. A two-beam forming means for converting the two parallel beams into two parallel beams to be guided to the irradiation optical system; and arranged on the conjugate plane and defined by edges inclined in both the first direction and the second direction. An illumination field stop having an aperture is provided, and further between the light source and the illumination field stop,
A switching means is provided for selectively switching the direction of an intersecting line formed between the surface including the two beams from the two light beam forming means and the substrate between the first direction and the second direction.

〔作用〕[Action]

第5図に示した如く、ビームLB1の照射によりマークW
Mの法線方向に発生する+1次回折光LB1(+1)の振幅
をA1、ビームLB2の照射によりマークWMの法線方向に発
生する−1次回折光LB2(−1)の振幅をA2、ビームLB2
と同一光路上を進行するノイズ光回折光lb1の照射によ
りマークWMの法線方向に発生する−1次回折光lb1(−
1)の振幅をb1、ビームLB1と同一光路上を進行するノ
イズ回折光lb2の照射によりマークWMの法線方向に発生
する+1次回折光lb2(+1)の振幅をb2とするとき、
検出器にて光電検出される光ビート信号SWMは、次式に
て与えられる。
As shown in FIG. 5, marked by the irradiation of the beam LB 1 W
The amplitude of the + 1st-order diffracted light LB 1 (+1) generated in the normal direction of M is A 1 , and the amplitude of the -1st-order diffracted light LB 2 (-1) generated in the normal direction of the mark WM by the irradiation of the beam LB 2 is A 2 , beam LB 2
-1st-order diffracted light lb 1 (−) generated in the normal direction of the mark WM by irradiation of the noise light diffracted light lb 1 traveling on the same optical path as
The amplitude of 1) is b 1 , and the amplitude of the + 1st- order diffracted light lb 2 (+1) generated in the normal direction of the mark WM by irradiation of the noise diffracted light lb 2 traveling on the same optical path as the beam LB 1 is b 2 . When
The optical beat signal SWM photoelectrically detected by the detector is given by the following equation.

SWM=A1cos(ω1t+φ)+A2cos(ω2t+φ) +b1cos(ω1t+δ)+b2cos(ω2t+δ)………
(1) 検出器で検出される信号は、強度(振幅の2乗)の時
間平均であるため、Δω=ω−ωとするときの検出
信号強度は、以下の如くなる。
S WM = A 1 cos (ω 1 t + φ 1 ) + A 2 cos (ω 2 t + φ 2 ) + b 1 cos (ω 1 t + δ 1 ) + b 2 cos (ω 2 t + δ 2 )
(1) Since the signal detected by the detector is a time average of the intensity (square of the amplitude), the detected signal intensity when Δω = ω 1 −ω 2 is as follows.

今、マークWMのピッチをPgとして、例えば基板がX方
向へΔxだけ変位すると、これに対応する位相変化量
は、 となる。
Now, assuming that the pitch of the mark WM is Pg, for example, when the substrate is displaced by Δx in the X direction, the corresponding phase change amount is: Becomes

そこで、説明をより簡単とするために、A1=A2≡A、
b1=b2≡bとし、また上記のウエハの移動による位相差
以外の初期位相は全て零とすると、(2)式は次式で与
えられる この(3)式から分かるように、検出器にて観測され
る光ビート信号は、(3)式の右辺の第2項及び第3項
のみとなり、基板のX方向への変位に従って第2項の位
相のみが変化し、第3項は基板のX方向への変位に全く
関係ないノイズ成分となる。
Therefore, to make the explanation easier, A 1 = A 2 ≡A,
Assuming that b 1 = b 2 ≡b and all initial phases other than the phase difference due to the movement of the wafer are zero, the equation (2) is given by the following equation. As can be seen from the equation (3), the optical beat signal observed by the detector is only the second and third terms on the right side of the equation (3), and the second term depends on the displacement of the substrate in the X direction. Only the phase changes, and the third term is a noise component that is completely unrelated to the displacement of the substrate in the X direction.

したがって、検出器により観測される光ビート信号S
WMの参照信号に対する位相差は、(3)式の右辺の第2
項及び第3項の合成波長との差として検出されることが
理解できる。
Therefore, the optical beat signal S observed by the detector
The phase difference between the WM and the reference signal is expressed by the second value on the right side of the equation (3).
It can be understood that the difference is detected as a difference from the combined wavelength of the term and the third term.

ここで、基板のX方向の変位Δxに伴う位相の変化α
は次式で表現することができる。
Here, a change α in phase due to a displacement Δx in the X direction of the substrate
Can be expressed by the following equation.

先に述べた(3)式の第3項の誤差成分項の悪影響に
より、実際に検出される位相差は、第6図に示したベク
トル図の如く、αとなり、位相誤差が最大となる時
は、α=π/2の時である。
Due to the adverse effect of the error component term of the third term in the equation (3), the actually detected phase difference becomes α P as shown in the vector diagram of FIG. 6, and the phase error is maximized. The time is when α = π / 2.

この場合において、A2+b2>>2Abであるとすると、
位相誤差量α(=α−α)は、 と近似することができる。
In this case, if A 2 + b 2 >> 2Ab,
The phase error amount α e (= α−α P ) is Can be approximated.

さらに、A>>bであるとすると、この(5)式は、 と近似することができる。Further, assuming that A >> b, this equation (5) becomes: Can be approximated.

このように、実際のアライメントにあたっては、参照
信号と、検出にて得られる光ビーム信号SWMとの相対的
位相差を、基板の変位量に対応させて検出するため、位
相誤差が直接、位置の誤差となって検出精度に大きな影
響を及ぼしていることが理解できる。
As described above, in the actual alignment, the relative phase difference between the reference signal and the light beam signal SWM obtained by the detection is detected in accordance with the displacement amount of the substrate. It can be understood that the error has a great effect on the detection accuracy.

ここで、位相誤差をα、基板上に形成される回折格
子マークWMのピッチをPgとするとき、マーク上に形成さ
れる干渉縞のピッチPfがPg/2なので、基板の位置誤差Xe
は、 となる。
Here, the phase error alpha e, when the pitch of the diffraction grating mark WM formed on the substrate and Pg, pitch Pf is because Pg / 2 of the interference fringes formed on the mark, position error X e of the substrate
Is Becomes

一例として、マークWMのピッチを8μm、必要とされ
る基板の位置誤差検出分解能を0.02μm以下とすると、
上式の(4)から、 となる。
As an example, if the pitch of the mark WM is 8 μm and the required position error detection resolution of the substrate is 0.02 μm or less,
From (4) in the above equation, Becomes

この場合において、矩形絞りFSの存在によって生じる
ノイズ回折光lb1、lb2のビームLB1、LB2に対する強度比
率は(6)式のb/A=αe/2より以下の条件を満足させる
必要がある。
In this case, the intensity ratio of the noise diffracted lights lb 1 and lb 2 generated by the existence of the rectangular aperture FS to the beams LB 1 and LB 2 satisfies the following condition from b / A = α e / 2 of the equation (6). There is a need.

そこで、レンズ系の瞳面EP(フーリエ面)にて各ビー
ムLB1、LB2に実際に混入するノイズ回折光の振幅を求め
る。この瞳面では、先に述べた如く、フランフォフアー
回折として解析することができるため、視野絞りFSから
発生する回折光の射出角の正弦の値をξとし、このξを
瞳面(フーリエ面)での座標とすると、瞳面での各回折
光の振幅分布は、次式にて与えられる。
Therefore, the amplitude of the noise diffracted light actually mixed into each of the beams LB 1 and LB 2 is obtained on the pupil plane EP (Fourier plane) of the lens system. On this pupil plane, as described above, since it can be analyzed as a Fraunhofer diffraction, the sine value of the exit angle of the diffracted light generated from the field stop FS is defined as ξ, and this ξ is defined as the pupil plane (Fourier plane). ), The amplitude distribution of each diffracted light on the pupil plane is given by the following equation.

但し、回折光の振幅をb、視野絞りFSに入射する平面
波の振幅をAo、ビームLB1、LB2の波長をλ(厳密には波
長は異なるが、周波数差は1MHz以下なので、波長オーダ
で考えるときは実質同一と言える)、視野絞りの幅w、
瞳面の中心O(光軸と交わる点)からビームスポットSP
1、SP2までの距離を±ξ(=sin±θFS=±λ/2
PFS)、視野絞りFSを照射するビームLB1、LB2の入射角
を±θFS、視野絞り上で形成される干渉縞のピッチをP
FS、sin 0/0=1とする。
However, the amplitude of the diffracted light is b, the amplitude of the plane wave incident on the field stop FS is A o , and the wavelengths of the beams LB 1 and LB 2 are λ (strictly, the wavelengths are different, but the frequency difference is 1 MHz or less. It can be said that they are practically the same when thinking with
Beam spot SP from center O of pupil plane (point intersecting with optical axis)
1 , the distance to SP 2 is ± ξ 0 (= sin ± θ FS = ± λ / 2
P FS ), the incident angles of the beams LB 1 and LB 2 irradiating the field stop FS are ± θ FS , and the pitch of the interference fringes formed on the field stop is P
FS , sin 0/0 = 1.

第7図は、(9)式を実際にグラフ化したものであ
り、第7図の(a)はレンズ系3a、3bの瞳面EPにおいて
ビームLB2の照射で絞りFSで発生する回折振幅分布を示
しており、第7図(b)はレンズ系3a、3bの瞳面EPにお
いてビーム光LB1の照射により絞りFSで発生する回折振
幅分布を示している。尚、この2つの図は、先に示した
第4図の回折強度分布から裏付けられることが分かる。
Figure 7 is (9) is obtained by actually graphed equation diffraction amplitude of FIG. 7 (a) is generated in the FS stop irradiation of the beam LB 2 in the lens system 3a, 3b of the pupil plane EP shows a distribution diagram the 7 (b) shows the lens system 3a, 3b diffraction amplitude distribution generated by the FS stop by irradiation of the light beam LB 1 at the pupil plane EP of. It can be seen that these two figures are supported by the diffraction intensity distribution shown in FIG.

例えば、瞳面EPにおいて、第7図(a)に示す如く、
ビームLB1のビームスポット位置SP1(ξ=+ξ)にお
けるノイズ回折光lb2の振幅b、もしくは第7図(b)
に示す如く、ビームLB2のビームスポット位置SP2(ξ=
−ξ)におけるノイズ回折光lb1の振幅bの大きさ求
めると、(9)式は以下の如くなる。
For example, in the pupil plane EP, as shown in FIG.
The amplitude b of the noise diffracted light beam lb 2 at the beam spot position SP 1 (ξ = + ξ 0 ) of the beam LB 1 or FIG. 7B
As shown, the beam spot position SP 2 of the beam LB 2 (ξ =
When the magnitude of the amplitude b of the noise diffracted light lb 1 at −ξ 0 ) is obtained, the expression (9) is as follows.

一例として、視野絞り上で形成される干渉縞のピッチ
PFSを4μm、矩形絞りの幅wを50μmであるとする
と、(10)式は、 となり、先に述べた(8)式のb/A0≦0.016という値よ
りも大きくなる。
As an example, the pitch of interference fringes formed on the field stop
Assuming that P FS is 4 μm and the width w of the rectangular aperture is 50 μm, the expression (10) becomes: Which is larger than the value of b / A 0 ≦ 0.016 in the equation (8) described above.

すなわち、この場合、矩形形状の視野絞りFSを適用し
た構成では、この絞りFSからの回折の影響のため、0.02
μm以下の精度(位置誤差検出分解能)を確保すること
が困難となることが分かる。
That is, in this case, in the configuration in which the rectangular field stop FS is applied, due to the effect of diffraction from the stop FS, 0.02
It can be seen that it is difficult to ensure the accuracy (position error detection resolution) of μm or less.

また、矩形絞りFSから光軸方向に進行して瞳面EPの中
心O(ξ=0)を通過する別のノイズ光の振幅bは、
(9)式より、 となり、視野絞りの幅w、視野絞り上で形成される干渉
縞のピッチPFSを先に述べた値と同様にすれば、 となり、先に述べた(8)式の条件値0.016よりも大き
くなって、結果的に、高精度なアライメントが困難とな
る。
The amplitude b of another noise light that travels from the rectangular aperture FS in the optical axis direction and passes through the center O (ξ = 0) of the pupil plane EP is
From equation (9), If the width w of the field stop and the pitch P FS of the interference fringes formed on the field stop are the same as the values described above, Is larger than the condition value 0.016 of the expression (8) described above, and as a result, it is difficult to perform high-precision alignment.

以上の解析に基づいて、本発明では系の瞳面に照明視
野絞りの存在によって現われるフランフォフアー回折の
分布上の極値点が、マーク照明用の本来のビームの瞳通
過位置と合致してノイズ光とならないように、絞りエッ
ジの方向性を決めたのである。
Based on the above analysis, in the present invention, the extremum point on the distribution of the Franchoffer diffraction that appears due to the presence of the illumination field stop on the pupil plane of the system matches the pupil passing position of the original beam for mark illumination. The direction of the aperture edge was determined so as not to generate noise light.

尚、上記解析は、ヘテロダイン方式について行なった
が、ホモダイン方式においても絞りで発生した回折光が
ノイズ光として悪影響をおよぼすことがあり、同様の解
析手法によってノイズ光による誤差を定量的に求めるこ
とができる。
Although the above analysis was performed for the heterodyne method, even in the homodyne method, the diffracted light generated at the aperture may have an adverse effect as noise light, and the error due to the noise light may be quantitatively determined by the same analysis method. it can.

〔実施例〕〔Example〕

第1図(a)、(b)は本発明の第1の実施例による
位置合せ装置の構成を示し、第1図(a)は投影型露光
装置(ステッパー等)に組み込んだ例を示す。投影レン
ズPLはレチクル(マスク)の回路パターンをウエハ上の
ショット領域4aに投影するものであるが、第1図(a)
では、そのレチクルの図示を省略してある。投影レンズ
PLの内部にも瞳面(フーリエ面)epが存在する。位置合
せ用の光学系の光軸AXaは、投影レンズPLの軸外を通る
ように設けられる。また位置合せ用の光学系の基本構成
は、従来のもの(第2図)と同じであるが、ここではレ
ンズ系3bを特に対物レンズと呼び、レンズ系3aと対物レ
ンズ3bとの間には、投影レンズPLの瞳epと共役な位置が
作られ、その位置は位置合せ光学系の瞳面EPとほぼ一致
しているものとする。
1 (a) and 1 (b) show a configuration of a positioning apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) shows an example in which the positioning apparatus is incorporated in a projection type exposure apparatus (such as a stepper). The projection lens PL projects the circuit pattern of the reticle (mask) onto the shot area 4a on the wafer, as shown in FIG. 1 (a).
Here, illustration of the reticle is omitted. Projection lens
A pupil plane (Fourier plane) ep also exists inside the PL. The optical axis AXa of the alignment optical system is provided so as to pass off the axis of the projection lens PL. The basic configuration of the optical system for positioning is the same as that of the conventional one (FIG. 2), but here, the lens system 3b is particularly called an objective lens, and the lens system 3a is located between the lens system 3a and the objective lens 3b. It is assumed that a position conjugate with the pupil ep of the projection lens PL is created, and the position substantially coincides with the pupil plane EP of the positioning optical system.

さて、本実施例ではウエハ上のマークWMとして、2次
元回折格子を使う。第1図(a)においてマークWMはX
方向とY方向との2方向に周期構造(ピッチ)を有して
いるものとする。
In the present embodiment, a two-dimensional diffraction grating is used as the mark WM on the wafer. In FIG. 1 (a), the mark WM is X
It is assumed that a periodic structure (pitch) is provided in two directions, a direction and a Y direction.

第1図(a)では、絞りFSの開口APを通って2本のビ
ームLB1、LB2はウエハ上ではX−Z面と平行な面内で傾
いており、マークWMのX方向の位置ずれを検出してい
る。
In FIG. 1A, the two beams LB 1 and LB 2 are inclined on a wafer in a plane parallel to the XZ plane through the aperture AP of the stop FS, and the position of the mark WM in the X direction. Misalignment is detected.

尚、位置合せ用光学系の光軸AXaは、少なくとも像側
テレセントリックな投影レンズPLの瞳epの中心を通るよ
うに設定され、これによって投影レンズPLの像側(ウエ
ハ側)では2本のビームLB1、LB2の対称中心線(光軸AX
a)が投影レンズPLの光軸AXと平行になる。すなわち、
照明ビームのテレセン性が補償される。また絞りFSは、
レンズ系3a、対物レンズ3bによってミラーMRの下方の空
間位置Prと共役になるとともに、投影レンズPLを介して
ウエハ面とも共役になる。そして本実施例では、2本の
ビームLB1、LB2の交差位置(像共役面)に設けた視野絞
りFSの開口APの4辺のエッジが、ウエハ上ではX方向、
Y方向のいずれとも平行にならないように配置した。そ
の意味については後で詳しく述べる。
The optical axis AXa of the alignment optical system is set so as to pass at least through the center of the pupil ep of the image-side telecentric projection lens PL, whereby two beams are formed on the image side (wafer side) of the projection lens PL. Symmetry center line of LB 1 and LB 2 (optical axis AX
a) becomes parallel to the optical axis AX of the projection lens PL. That is,
The telecentricity of the illumination beam is compensated. The aperture FS is
The lens system 3a and the objective lens 3b are conjugate with the spatial position Pr below the mirror MR, and are also conjugate with the wafer surface via the projection lens PL. In this embodiment, the four edges of the aperture AP of the field stop FS provided at the intersection (image conjugate plane) of the two beams LB 1 and LB 2 are aligned in the X direction on the wafer.
They were arranged so as not to be parallel to any of the Y directions. The meaning will be described later in detail.

第1図(b)は、第1図(a)中の絞りFSに向う2本
のビームLB1、LB2を作り出す2光束化手段の構成を示
す。不図示のレーザ光源(He−Ne、Arイオン、He−Cd
等)からのレーザビーム(又はそれらの第2高調波)LB
はビームスプリッタBS1で2つに分離され、一方のビー
ムはミラーMr1で反射された後、周波数f1の高周波信号
でドライブされるAOM(音響光学変調器)10aに入射す
る。ビームスプリッタBS1からの他方のビームは周波数f
2の高周波信号でドライブされるAOM10bに入射する。AOM
10aはビームLBの元々の周波数f0に対してf1だけ高い周
波数の1次回折ビームLB1を出力し、このビームLB1は0
次光カットフィルター11aを通過してレンズ12aに入射す
る。
FIG. 1B shows a configuration of a two-beam forming means for generating two beams LB 1 and LB 2 toward the stop FS in FIG. 1A. Laser light source not shown (He-Ne, Ar ion, He-Cd
Etc.) (or their second harmonic) LB
Is separated into two by the beam splitter BS 1, One beam is reflected by the mirror Mr 1, incident on the AOM (acousto-optic modulator) 10a driven by the high-frequency signal of the frequency f 1. The other beam from beam splitter BS 1 has frequency f
AOM 10b is driven by the high frequency signal of 2 . AOM
10a outputs the first-order diffraction beams LB 1 only high frequency f 1 with respect to the original frequency f 0 of the beam LB, the beam LB 1 is 0
The light passes through the next light cut filter 11a and enters the lens 12a.

AOM10bはビームLBの周波数f0に対してf2だけ高い周波
数の1次回折ビームLB2を出力し、このビームLB2は0次
光カットフィルター11bを通過してレンズ12bに入射す
る。
AOM10b outputs first-order diffraction beams LB 2 of high frequency by f 2 for the frequency f 0 of the beam LB, the beam LB 2 is incident on the lens 12b passes through the 0-order light cut filter 11b.

このレンズ12a、12bに入射する前のビームLB1、LB2
いずれも平行ビームである。
The beams LB 1 and LB 2 before being incident on the lenses 12a and 12b are both parallel beams.

さて、レンズ12aを通ったビームLB1は収れん光束とな
って合成用のビームスプリッタBS2に入射し、レンズ12b
を通ったビームLB2は収れん光束となってミラーMr2で反
射された後、ビームスプリッタBS2に入射する。このビ
ームスプリッタBS2は2本のビームLB1、LB2の主光線を
互いに平行に、かつ一定の間隔になるように合成するも
のである。ビームスプリッタBS2で合成された2本のビ
ームLB1、LB2はさらにビームスプリッタBS3で振幅分割
される。ビームスプリッタBS3で反射した2本のビームL
B1、LB2はシャッターSHxにさえぎられることなく、ミラ
ーMr3を介してビームスプリッタBS4に入射する。ビーム
スプリッタBS3を透過した2本のビームLB1、LB2はシャ
ッターSHyにさえぎられる。このシャッターSHx、SHyは
択一的に切り替えられ、シャッターSHxが開いていると
きは、ウエハ上のマークWMのX方向の位置ずれを検出す
るようにビームLB1、LB2が配向され、シャッターSHyが
開いているときはY方向の位置ずれを検出するようにビ
ームLB1、LB2が配向される。シャッターSHyが開いてい
る場合、2本のビームLB1、LB2はミラーMr3で反射した
後、イメージローテータIRTに入射し、2本のビームL
B1、LB2は光軸のまわりに90゜だけ回転させられた後、
ビームスプリッタBS4に入射する。ミラーMr4からの2本
のビームLB1、LB2は、同図中、X−Y面内で平行であ
り、ビームスプリッタBS4で2つに振幅分割された一方
は、レンズ13を介して第1図(a)中の絞りFS上で交差
する。ビームスプリッタBS4から上方にぬけてきた2本
のビームはレンズ13、ミラーMr5を介して透過型の基準
格子15上で交差する。レンズ13とレンズ14の後では、2
本ビームLB1、LB2はとも平行光束である。
Now, the beam LB 1 that has passed through the lens 12a becomes a converged light beam and is incident on the beam splitter BS 2 for synthesis.
The beam LB 2 that has passed through the after being reflected by the mirror Mr 2 becomes convergent light beam is incident on the beam splitter BS 2. The beam splitter BS 2 is to synthesize such that the two principal rays of beams LB 1, LB 2 in parallel to each other, and at predetermined intervals. Two beams LB 1, LB 2 that has been synthesized by the beam splitter BS 2 is amplitude divided further by the beam splitter BS 3. Two beams L reflected by beam splitter BS 3
B 1 and LB 2 enter the beam splitter BS 4 via the mirror Mr 3 without being interrupted by the shutter SHx. The two beams LB 1 and LB 2 transmitted through the beam splitter BS 3 are blocked by the shutter SHy. The shutters SHx and SHy are selectively switched. When the shutter SHx is open, the beams LB 1 and LB 2 are oriented so as to detect the displacement of the mark WM on the wafer in the X direction. When is open, the beams LB 1 and LB 2 are oriented so as to detect a displacement in the Y direction. When the shutter SHy is open, the two beams LB 1 and LB 2 are reflected by the mirror Mr 3 and then incident on the image rotator IRT, where the two beams L
After B 1 and LB 2 are rotated by 90 ° around the optical axis,
It enters the beam splitter BS 4. The two beams LB 1 and LB 2 from the mirror Mr 4 are parallel in the XY plane in the figure, and one of the two beams is amplitude-divided by the beam splitter BS 4 via the lens 13. They intersect on the stop FS in FIG. Beam splitter BS 4 from two beams that have missing upward lens 13, crossing over reference grid 15 of the transmission through the mirror Mr 5. After lens 13 and lens 14, 2
Both the main beams LB 1 and LB 2 are parallel light beams.

従って基準格子15上には2本のビームの干渉によって
一次元の干渉縞が周波数差(f1−f2=Δf)に応じた速
度で流れる。
Therefore, one-dimensional interference fringes flow on the reference grating 15 at a speed corresponding to the frequency difference (f 1 −f 2 = Δf) due to interference between the two beams.

光電検出器PD2は基準格子15から垂直に発生する+1
次回折光(周波数f0+f1)と−1次回折光(周波数f0
f2)との干渉ビート光Brefを受光して、基準信号を出力
する。この検出器PD2からの基準信号は周波数差Δf(f
1−f2)の正弦波状交流信号であり、第1図(a)中の
光電検出器PD1からの信号との間での位相差検出に使わ
れる。
The photoelectric detector PD 2 generates +1 generated vertically from the reference grid 15
Order diffracted light (frequency f 0 + f 1 ) and −1 order diffracted light (frequency f 0 +
f 2 ), and receives a reference beat signal Bref. Reference signal from the detector PD 2 is the frequency difference Delta] f (f
1- f 2 ), which is used for detecting a phase difference with the signal from the photoelectric detector PD 1 in FIG. 1 (a).

さて、第8図(a)はウエハ上に形成されたマークWM
の平面形状を示し、正方形の微小格子要素(凸、又は
凹)がX、Y方向にデューティ50%で規則的に配置され
ている。このマークWMはウエハ上のショット領域4aを区
画するスクライブ線領域(幅50〜100μm程度)の中に
形成される。
FIG. 8A shows a mark WM formed on a wafer.
In this figure, square minute lattice elements (convex or concave) are regularly arranged in the X and Y directions at a duty of 50%. The mark WM is formed in a scribe line area (about 50 to 100 μm in width) that divides the shot area 4a on the wafer.

また第8図(b)は視野絞りFSの開口APの形状とマー
クWMとの平面的な配置関係を示し、本実施例では絞りFS
の開口APは正方形とし、X−Y面(光軸AXaと垂直な
面)内でマークWMの外形形状に対して光軸AXaを中心に
角度θだけ回転しているものとする。
FIG. 8B shows a planar arrangement relationship between the shape of the aperture AP of the field stop FS and the mark WM, and in this embodiment, the stop FS
The opening AP is a square, and is rotated by an angle θ about the optical axis AXa with respect to the outer shape of the mark WM in the XY plane (plane perpendicular to the optical axis AXa).

すなわち、開口APを規定する4辺のエッジe1、e2
e3、e4の夫々が、マークWMの外形を規定する4辺(X
軸、Y軸のいずれかと平行)に対してともに角度θだけ
傾くようにする。
That is, four edges e 1 , e 2 ,
Each of e 3 and e 4 defines four sides (X
(Parallel to either the axis or the Y-axis).

このように絞りFSのエッジをX、Y軸に対してθだけ
傾けると、投影レンズPLの瞳面epに形成される開口APに
よる回折光分布は第9図(a)、(b)のようになる。
第9図(a)、(b)は瞳面epを斜めに見たもので、原
点0は瞳中心(光軸AXとの交点)であり、座標系ξ−η
は、絞りFSからの回折光のX、Y方向に対応する射出角
の正弦の値で規定されている。
When the edge of the stop FS is inclined by θ with respect to the X and Y axes in this manner, the diffraction light distribution due to the aperture AP formed on the pupil plane ep of the projection lens PL is as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). become.
9 (a) and 9 (b) show the pupil plane ep viewed obliquely, the origin 0 is the pupil center (intersection with the optical axis AX), and the coordinate system ξ−η
Is defined by the sine value of the exit angle corresponding to the X and Y directions of the diffracted light from the stop FS.

また第9図(a)は2本のビームLB1、LB2がX(ξ)
方向計測用に設定されたときの回折光強度分布を示し、
第9図(b)はY(η)方向計測用に設定されたときの
回折光強度分布を示す。
FIG. 9A shows that two beams LB 1 and LB 2 are X (ξ).
Shows the diffracted light intensity distribution when set for direction measurement,
FIG. 9 (b) shows the diffracted light intensity distribution when set for Y (η) direction measurement.

X方向、Y方向とも原理は同一であるため、以下の説
明は第9図(a)のX方向計測の場合のみを参照して行
なう。
Since the principle is the same in the X direction and the Y direction, the following description will be made only with reference to the case of the X direction measurement in FIG. 9A.

第9図(a)において、瞳面ep上にできる2本のビー
ムLB1、LB2のスポット位置SP1、SP2は、それぞれξ軸上
に点0に関して対称に位置する。従ってこのスポット位
置SP1、SP2の座標値をそれぞれ(ξ、0)、(−
ξ、0)とする。
In FIG. 9A, the spot positions SP 1 , SP 2 of the two beams LB 1 , LB 2 formed on the pupil plane ep are symmetrically located about the point 0 on the ξ axis. Accordingly, the coordinate values of the spot positions SP 1 and SP 2 are (ξ 0 , 0) and (−
ξ 0 , 0).

ビームLB1の照射により絞りFSで発生した回折光分布D
F1は、位置SP1で最大値を取り周辺に向っていくつかの
極大値を繰り返しながら広がっていく。回折光分布DF1
の広がりは主にlx1軸とly1軸の夫々に沿っている。軸lx
1とly1は点SP1を原点としてξ−η面内では互いに直交
しているが、ξ軸、η軸の夫々に対しては、絞りFSの傾
き角に対応してξ−η面内でθだけ傾いている。
Diffracted light distribution D generated at stop FS by irradiation of beam LB 1
F 1 is spread while repeating some of the maximum value toward the peripheral takes a maximum value at the position SP 1. Diffracted light distribution DF 1
The spread is mainly along each of the lx 1 axis and the ly 1 axis. Axis lx
1 and ly 1 are orthogonal to each other in the ξ-η plane with the point SP 1 as the origin, but each of the ξ axis and the η axis corresponds to the inclination angle of the diaphragm FS in the ξ-η plane. And tilted by θ.

軸lx1に沿った回折光の分布は第8図(b)に示した
絞りFSのエッジe1、e2によって生じたものであり、軸ly
1に沿った回折光の分布は絞りFSのエッジe3、e4によっ
て生じたものである。
Distribution of the diffracted light along the axis lx 1 was caused by the edge e 1, e 2 of the stop FS shown in Figure No. 8 (b), axial ly
The distribution of the diffracted light along 1 is caused by the edges e 3 and e 4 of the stop FS.

ビームLB2の照射により絞りFSで発した回折光分布DF2
についても、その分布特性は回折光分布DF1と同一であ
り、位置SP2を中心として軸lx2、ly2に沿って2次元に
分布する。軸lx2、ly2も軸ξ、ηの夫々に対してθだけ
傾いている。
Diffracted light emitted by the stop FS by the irradiation of the beam LB 2 distribution DF 2
For also the distribution characteristics are identical to the diffracted light distribution DF 1, distributed in two dimensions along the axis lx 2, ly 2 around the position SP 2. The axes lx 2 and ly 2 are also inclined by θ with respect to the axes ξ and η, respectively.

ここで第9図(a)の回折光強度分布を平面位置的に
表したものを第10図に示す。第10図中、SP1、SP2に示し
た黒丸は、それぞれビームLB1、LB2のスポット(回折光
分布DF1、DF2中の最大値)を表し、その周辺に分布する
白丸は回折光分布DF1、DF2中の極大値を表している。
Here, FIG. 10 shows the diffraction light intensity distribution of FIG. 9 (a) in a plan view. In FIG. 10, the black circles indicated by SP 1 and SP 2 represent the spots of the beams LB 1 and LB 2 (maximum values in the diffracted light distributions DF 1 and DF 2 ), respectively. This represents the maximum value in the light distributions DF 1 and DF 2 .

第9図、第10図から明らかなように、投影レンズPLの
瞳面epと共役な面(あるいはウエハに関して共役な面)
に配置した検出器PD1に達するノイズ光の影響を軽減す
るには、ビームLB1、LB2をマークWMへ送光するときに絞
りFSによって瞳面epに生じる回折光分布中の極大値が、
2つのビームスポットの位置SP1、SP2、及び瞳中心点O
からずれるように絞りFSのエッジの傾き角θを決めてや
ればよい。
9 and 10, a plane conjugate with the pupil plane ep of the projection lens PL (or a plane conjugate with the wafer).
In order to reduce the influence of the noise light reaching the detector PD 1 arranged at the position, when the beams LB 1 and LB 2 are transmitted to the mark WM, the maximum value in the diffracted light distribution generated on the pupil plane ep by the aperture FS is reduced. ,
Two beam spot positions SP 1 , SP 2 and pupil center point O
What is necessary is just to determine the inclination angle θ of the edge of the aperture FS so as to deviate from the above.

そこで絞りFSのエッジの傾き角の決め方について以下
に説明す。
Therefore, how to determine the inclination angle of the edge of the aperture FS will be described below.

第11図は、第8図(b)に示した絞りFPの開口形状を
一般化して表したもので、対向するエッジe1、e2は互い
に平行で間隔a2とし、エッジe1、e2と垂直な線(ly1、l
y2)とY軸との傾きをφとしてある。同様に、対向する
エッジe3、e4は互いに平行で間隔a1とし、エッジe3、e4
と垂直な線(lx1、lx2)とX軸との傾きをψとしてあ
る。第8図(b)に示した例では、a1=a2、φ=ψ=θ
である。
FIG. 11 is a generalized representation of the aperture shape of the stop FP shown in FIG. 8 (b). The opposing edges e 1 and e 2 are parallel to each other and have an interval a 2 , and the edges e 1 and e A line perpendicular to 2 (ly 1 , l
The inclination between y 2 ) and the Y axis is denoted by φ. Similarly, opposing edges e 3 and e 4 are parallel to each other and have an interval a 1, and edges e 3 and e 4
And the inclination between the line (lx 1 , lx 2 ) perpendicular to the X axis and the X axis. In the example shown in FIG. 8 (b), a 1 = a 2 , φ = ψ = θ
It is.

このような絞りFSに対して、2本のビームLB1、LB2
それぞれ垂直から±θFSだけ傾けて入射したときに瞳面
で生じる振幅分布uは、第11図中の軸ly1(ly2)と軸lx
1(lx2)とを座標軸とする斜交座標系 において、次式のように表わされる。
The amplitude distribution u generated on the pupil plane when the two beams LB 1 and LB 2 are incident on the stop FS at an angle of ± θ FS from the vertical is represented by the axis ly 1 (FIG. 11). ly 2 ) and axis lx
Oblique coordinate system with 1 (lx 2 ) as the coordinate axis Is represented by the following equation.

斜交座標系 は直交座標系ξη(XY)に対して以下のように対応付け
られる。
Oblique coordinate system Is associated with the orthogonal coordinate system ξη (XY) as follows.

尚、式(12)中のkは、k=2π/λであり、またウ
エハ上の回折格子WMのピッチがPgであることからsin θ
FS=λ/Pg(ただし投影倍率を1としたとき)である。
Note that k in the equation (12) is k = 2π / λ, and since the pitch of the diffraction grating WM on the wafer is Pg, sin θ
FS = λ / Pg (provided that the projection magnification is 1).

ところで、視野絞りFSの開口によるノイズ光の混入に
ついては、先の第3図を使って説明したように2つの要
因が存在する。そこで第12図を参照して再度説明する。
第12図において、1本の送光ビームLB1を考えてみる。
このビームLB1が絞りFSの開口を通過するとき、フラン
フォフアー回折によって、他方の送光ビームと同一光路
を通るノイズ光成分lb1と、瞳EPの中心に向うノイズ光
成分lb1′とが生じる。
By the way, there are two factors regarding the entry of noise light due to the aperture of the field stop FS as described with reference to FIG. Therefore, description will be made again with reference to FIG.
In FIG. 12, consider one light transmission beam LB1.
When this beam LB 1 passes through the aperture of the stop FS, the noise light component lb 1 passing through the same optical path as the other light transmission beam and the noise light component lb 1 ′ toward the center of the pupil EP are obtained by the Frann-Fore diffraction. Occurs.

このうちノイズ光lb1はウエハ4上の格子WMによって
回折され、1次回折光N(lb1)となって瞳EPの中心に
戻る。またノイズ光lb1′はウエハ4上の格子WMに垂直
に入射するため、その0次回折光(正反射光)N(l
b1)が瞳EPの中心に戻る。従って格子WMから垂直に生じ
る信号光としての1次回折光BTL以外に、ノイズ光N(l
b1)、N(lb1′)が混入して光電検出される。
Among noise light lb 1 is diffracted by the grating WM on the wafer 4, returns to the center of the pupil EP becomes first-order diffracted light N (lb 1). Since the noise light lb 1 ′ is perpendicularly incident on the grating WM on the wafer 4, its zero-order diffracted light (specular reflection light) N (l
b 1 ) returns to the center of the pupil EP. Therefore, in addition to the first-order diffracted light BTL as signal light generated vertically from the grating WM, the noise light N (l
b 1 ) and N (lb 1 ′) are mixed and photoelectrically detected.

そこで、格子WMにおける0次光、1次光の各振幅反射
率をr0、r1とし、瞳EPを通ってウエハ4へ向うフランフ
ォーフア回折光の瞳面での振幅分布をu(ξ、η)とす
ると、信号光BTLの瞳上での振幅 は次式で表わされる。
Therefore, the respective amplitude reflectances of the 0th-order light and the 1st-order light in the grating WM are defined as r 0 and r 1, and the amplitude distribution on the pupil plane of the franfofa diffraction light traveling toward the wafer 4 through the pupil EP is represented by u (ξ , Η), the amplitude of the signal light BTL on the pupil Is represented by the following equation.

さらに2つのノイズ光N(lb1)、N(lb1′)の瞳上
での合成振幅 は次式で表わされる。
Furthermore, the combined amplitude of the two noise lights N (lb 1 ) and N (lb 1 ′) on the pupil Is represented by the following equation.

これら信号成分の振幅 とノイズ成分の振幅 とはベクトル的な和となって実測され、それが位相差計
測時の誤差量となる。この様子を第13図に示すが、実質
的には第6図と同じことを意味する。第13図に示すよう
に、光電検出された結果から実測される格子WMの位置ず
れに対応した位相差はφmであり、真の位相差はφtで
ある。
The amplitude of these signal components And the amplitude of the noise component Is actually measured as a vector-like sum, and this is the amount of error when measuring the phase difference. FIG. 13 shows this state, which means substantially the same as FIG. As shown in FIG. 13, the phase difference corresponding to the displacement of the grating WM actually measured from the result of the photoelectric detection is φm, and the true phase difference is φt.

従ってノイズ成分 による位相差上の誤差量Δが含まれることになる。そこ
でノイズ成分 による誤差量Δが最大になる条件を想定してみると、信
号成分 とノイズ成分 とが直交するときに誤差量Δが最大となる。このことか
ら、位相の計測誤差量Δは次式で表わされる。
Therefore the noise component The error amount Δ on the phase difference due to the above is included. So the noise component Assuming the condition that the error amount Δ due to And noise components Are orthogonal to each other, the error amount Δ becomes maximum. From this, the phase measurement error amount Δ is expressed by the following equation.

一方、アライメント(格子マークの位置計測)時の許
容誤差量をεとすると、 2kε sinθFS>Δ ………(17) であることが必要になる。
On the other hand, assuming that the allowable error amount at the time of alignment (measurement of the position of the lattice mark) is ε, it is necessary that 2kε sin θ FS > Δ (17).

先の式(16)より、Δが十分に小さいものとすると、 によって式(17)を近似できる。From the above equation (16), assuming that Δ is sufficiently small, Equation (17) can be approximated by

ところで実際には、第12図のように送光ビームは1本
ではなく、対称的なもう1本の送光ビームLB2が第6図
のように同時に存在する。そこでビームLB2によるノイ
ズ光成分lb2、lb2′の瞳面での振幅をN(lb2)、N(l
b2′)とすると、瞳中心に現われる光(光電検出される
光)振幅Ψは次式で表わされる。
Actually, as shown in FIG. 12, there is not one light transmitting beam, but another symmetrical light transmitting beam LB 2 exists simultaneously as shown in FIG. Therefore, the amplitudes of the noise light components lb 2 and lb 2 ′ due to the beam LB 2 on the pupil plane are N (lb 2 ) and N (l
b 2 ′), the amplitude Ψ of light (light that is photoelectrically detected) appearing at the center of the pupil is expressed by the following equation.

この式(19)でE1はビームLB1の振幅、E2はビームLB2
の振幅、w1、w2は夫々、ビームLB1、LB2の角周波数、i
は複素数である。
In this equation (19), E 1 is the amplitude of the beam LB 1 and E 2 is the beam LB 2
, W 1 and w 2 are the angular frequencies of beams LB 1 and LB 2 , respectively.
Is a complex number.

この式(19)を強度Iに直すと、式(20)のように表
される。
When this equation (19) is converted into the intensity I, it is expressed as equation (20).

ただし、 r1E1+r0N(lb1′)+r1N(lb1)=A1 r2E2+r0N(lb2′)+r1N(lb2′)=A2 r0N(lb1′)+r1N(lb1)=N1 r0N(lb2′)+r1N(lb2)=N2 としてある。Where r 1 E 1 + r 0 N (lb 1 ′) + r 1 N (lb 1 ) = A 1 r 2 E 2 + r 0 N (lb 2 ′) + r 1 N (lb 2 ′) = A 2 r 0 N (lb 1 ') + r 1 N (lb 1) = N 1 r 0 N (lb 2') + r 1 N (lb 2) = is the N 2.

ここでr1 、E1 、E2 、N1 、N2 は共役複素数を
表わす。
Here, r 1 * , E 1 * , E 2 * , N 1 * , and N 2 * represent conjugate complex numbers.

この式(20)において、ノイズ光成分N1、N2は信号光
成分E1、E2に対して十分小さいとして無視すると、誤差
量tanΔは先の式(16)のと同じ考え方に従って、次式
の関係にある。
In this equation (20), if the noise light components N 1 and N 2 are ignored because they are sufficiently small with respect to the signal light components E 1 and E 2 , the error amount tanΔ is calculated according to the same concept as in the above expression (16). It is in the relationship of the expression

ここで簡単のために、2本の送光ビームLB1、LB2の強
度が等しく、かつ各回折光の強度が対称であるとする
と、E1=E2=E、N(lb1′)=N(lb2′)=No N
(lb1)=N(lb2)=Ndになり、式(21)は次のように
交換できる。
Here, for the sake of simplicity, assuming that the intensity of the two transmitted light beams LB 1 and LB 2 is equal and the intensity of each diffracted light is symmetric, E 1 = E 2 = E, N (lb 1 ′) = N (lb 2 ') = No N
(Lb 1 ) = N (lb 2 ) = Nd, and the equation (21) can be exchanged as follows.

そして先の式(16)、(18)の関係があること、及び
瞳面での振幅分布u(ξ、η)から式(22)中のNo、N
d、Eが特定できることから、 の関係が成り立つ。
From the fact that there is a relationship of the above equations (16) and (18) and the amplitude distribution u (u, η) on the pupil plane, No, N in the equation (22)
Since d and E can be specified, Holds.

ここで瞳面の直交座標系ξη(XY)における振幅分布
u(ξ、η)は、先の式(12)、(13)に基づいて次式
のように交換できる。
Here, the amplitude distribution u (ξ, η) of the pupil plane in the orthogonal coordinate system ξη (XY) can be exchanged as in the following equation based on the above equations (12) and (13).

これより、瞳中心での振幅分布u(0、0)、2本の
送光ビームLB1、LB2が通る位置での振幅分布u(sin θ
FS、0)、u(−sin θFS、0)は以下のように求めら
れる。
Thus, the amplitude distribution u (0,0) at the center of the pupil and the amplitude distribution u (sin θ at the position where the two light transmission beams LB 1 and LB 2 pass.
FS , 0) and u (−sin θ FS , 0) are obtained as follows.

従って、式(23)は次式のようにまとめられる。 Therefore, equation (23) can be summarized as follows.

以上の式(25)より、絞りFSのエッジe3、e4と直交す
る線lx1(lx2)のX(ξ)軸と成す角度ψと、エッジ間
隔a1、a2との関係は式(26)のように与えられる。
From the above equation (25), the relationship between the angle 成 formed with the X (ξ) axis of the line l x1 (l x2 ) orthogonal to the edges e 3 and e 4 of the aperture FS and the edge intervals a 1 and a 2 is It is given as in equation (26).

この式は、2本のビームLB1、LB2を、X−Z軸を含み
絞りFSの面と垂直な面内で傾けて入射させたX方向計測
時の場合の解析であるが、Y方向計測時の場合の解析に
ついても同様に可能である。この場合、式(23)中の瞳
面での振幅分布u(sin θFS、0)、u(−sin θFS
0)がそれぞれu(0、sin θFS)、u(0、−sin θ
FS)に変わる。よって、u(0、sin θFS)、u(0、
−sin θFS)は式(24)から、 となり、この式を式(23)中に代入すればよい。ただ
し、式(25)と同様に、演算過程中に現れる分数の分子
にあるsinの項は1(最悪値)として扱うものとする。
This equation is an analysis in the case of measurement in the X direction in which the two beams LB 1 and LB 2 are inclined and incident on a plane including the XZ axis and perpendicular to the plane of the stop FS. An analysis at the time of measurement is also possible. In this case, the amplitude distribution u (sin θ FS , 0), u (−sin θ FS ,
0) are u (0, sin θ FS ) and u (0, −sin θ
FS ). Therefore, u (0, sin θ FS ), u (0,
−sin θ FS ) is given by equation (24). And this equation may be substituted into equation (23). However, as in equation (25), the term of sin in the numerator of the fraction that appears during the calculation process is treated as 1 (worst value).

こうして、Y方向計測時の場合の条件式を導びくと、
基本的には先の式(26)と同様に、絞りFSのエッジe1
e2と直交する線ly1(ly2)のη(Y)軸に対する角度φ
と、絞りFSの開口のエッジ間隔a1、a2等との関係式が得
られる。
In this way, when the conditional expression in the case of measuring in the Y direction is derived,
Basically, similarly to the above equation (26), the edge e 1 of the aperture FS,
Angle φ of line ly 1 (ly 2 ) orthogonal to e 2 with respect to η (Y) axis
And a relational expression between the edge spacing a 1 , a 2, etc. of the aperture of the stop FS.

ところで上述の解析においては、投影レンズPLの瞳EP
と共役な光電センサーに受光される干渉ビート光BTLの
振幅を表す式(19)又は(20)でウエハ4上のマークWM
の位置ずれ情報を考慮していなかった。そこで再び第12
図を参照して、マークWMの位置ずれ量Δxを考慮した解
析について述べる。ここでは2本の送光ビームLB1、LB2
が同時にレンズ系3a、3b(第12図参照)に入射している
ものとすると、瞳面EPからウエハ4へ向む各回折光の瞳
上での強度分布は、2本のビームLB1、LB2の強度が等し
いとして、 u1(sin θFS、0)=u2(−sin θFS、0)=U(0) u1(0、0)=u2(0、0)=U(1) u1(−sin θFS、0)=u2(sin θFS、0)=U(2) となる。
By the way, in the above analysis, the pupil EP of the projection lens PL
Expression (19) or (20) representing the amplitude of the interference beat light BTL received by the photoelectric sensor conjugate with the mark WM on the wafer 4
Was not considered. So again the twelfth
With reference to the drawings, an analysis in which the positional deviation amount Δx of the mark WM is considered will be described. Here, two light transmission beams LB 1 and LB 2
Are simultaneously incident on the lens systems 3a and 3b (see FIG. 12), the intensity distribution on the pupil of each diffracted light from the pupil plane EP toward the wafer 4 is represented by two beams LB 1 , Assuming that the intensities of LB 2 are equal, u 1 (sin θ FS , 0) = u 2 (−sin θ FS , 0) = U (0) u 1 (0, 0) = u 2 (0, 0) = U (1) u 1 (−sin θ FS , 0) = u 2 (sin θ FS , 0) = U (2)

そしてウエハ4上のマークWMによって回折されて光電
検出される光の強度I(絶対値)は次式で得られる。
The intensity I (absolute value) of light diffracted by the mark WM on the wafer 4 and photoelectrically detected is obtained by the following equation.

ここでr(0)、r(−1)、r(1)はマークWMの
0次光、−1次光、+1次光の夫々に対する反射率を表
し、θWMは2本のビームLB1、LB2のウエハ4上での入射
角である。回折効率が同一であるとすると、光電検出さ
れるビート周波数成分は、ビームLB1、LB2によって作ら
れる信号成分と、ビームlb1′とLB2、又はビームlb2
とLB1との混入、あるいはビームlb1とLB2、又はビームl
b2とLB1との混入によって生ずるノイズ成分との合成と
して得られる。
Here r (0), r (-1 ), r (1) represents the zero order light, -1 order light, reflectance to each of the + 1-order light of the mark WM, theta WM is two beams LB 1 , LB 2 on the wafer 4. Assuming that the diffraction efficiencies are the same, the beat frequency component photoelectrically detected includes the signal components generated by the beams LB 1 and LB 2 and the beams lb 1 ′ and LB 2 or the beam lb 2 ′.
And LB 1 or beam lb 1 and LB 2 or beam l
obtained as the synthesis of a noise component caused by contamination of the b 2 and LB 1.

上記、式(27)に瞳面での強度分布U(0)、U
(1)、U(2)の夫々を代入してまとめると、信号成
分の強度 は、 ビームlb1′とLB2、又はビームlb2′とLB1の混入による
ノイズ成分の強度 は、 そしてビームlb1とLB2、又はビームlb2とLB1の混入によ
るノイズ成分の強度 は、 と表わされる。
In the above equation (27), the intensity distributions U (0), U
Substituting each of (1) and U (2) and summing up, the intensity of the signal component Is Intensity of noise component due to mixing of beam lb 1 ′ and LB 2 or beam lb 2 ′ and LB 1 Is And the intensity of the noise component due to the mixing of the beams lb 1 and LB 2 or the beams lb 2 and LB 1 Is It is expressed as

また実際には、それ以外の微小成分もノイズ光として
混入してくるが、その量は極めて小さく実用上は無視で
きる。
Actually, other minute components also enter as noise light, but the amount is extremely small and can be ignored in practical use.

上記式(29)のノイズ成分は、ウエハマークWMの1ピ
ッチ分のずれに対して計測される位相差が丁度1周期
(360゜)変化する感度で、位置ずれ量Δxに比例して
変化する成分であり、上記式(30)のノイズ成分はマー
クWMの位置ずれに関係しない成分である。尚、式(28)
の信号成分は、マークWMの1ピッチ分のずれに対して位
相差が2周期(720゜)変化する感度をもつ。
The noise component in the above equation (29) has a sensitivity that the phase difference measured for one pitch shift of the wafer mark WM changes exactly one cycle (360 °), and changes in proportion to the positional shift amount Δx. The noise component of the above equation (30) is a component that is not related to the displacement of the mark WM. Equation (28)
Has a sensitivity such that the phase difference changes by two periods (720 °) with respect to a shift of one pitch of the mark WM.

以上の式(29)、(30)より、ノイズ成分の振幅の和
が予め設定されたアライメント許容誤差(ε)又は位相
差計測許容値より小さくなるように、式(29)、(30)
中の振幅項、 4r(1)r(0)U(0)U(1)と4r(1)2U
(0)U(2)の値を定める強度分布U(0)、U
(1)、U(2)を求めた後、先の解析と同様にして、
その強度分布を満足する絞りFSの各エッジの傾き角を求
めればよい。
From the above equations (29) and (30), equations (29) and (30) are set such that the sum of the amplitudes of the noise components is smaller than the preset alignment tolerance (ε) or the phase difference measurement tolerance.
Medium amplitude terms, 4r (1) r (0) U (0) U (1) and 4r (1) 2 U
(0) intensity distributions U (0), U that determine the value of U (2)
After obtaining (1) and U (2), similar to the previous analysis,
The inclination angle of each edge of the stop FS that satisfies the intensity distribution may be obtained.

以上の実施例で明らかなように、視野絞りFSの開口で
生じるフランフォーフア回折の影響によって、回折格子
マークWMから生じて光電検出器に受光される計測光に混
入するノイズ光成分を、アライメントのための許容誤差
εを考慮した範囲内に押えるようにしたので、格子マー
クWMの位置計測精度を高めることができる。
As is clear from the above embodiment, the noise light component generated from the diffraction grating mark WM and mixed into the measurement light received by the photoelectric detector due to the influence of the franfoa diffraction generated at the aperture of the field stop FS is aligned. , The accuracy of the position measurement of the lattice mark WM can be improved.

第14図は、本発明の他の実施例による視野絞りFSの開
口形状の例を示す図である。第14図(A)は、2次元回
折格子マークWMの計測方向X、Yに対して4辺全てが45
゜に配置される正方形開口APである。第14図(B)は対
角線をマークWMの計測方向X、Yと一致させたひし形開
口APを示す。第14図(C)は矩形(長方形)開口APを所
定量だけ回転させたものを示し、第14図(D)は4辺の
エッジのうち対向する2辺がいずれも平行ではなく、か
つ4辺がどれも計測方向X、Yと平行でない不等脚台形
開口を示す。第14図(E)は、全体的な形が正方形では
あるが、各辺に相当する部分をX、Y方向と交差する方
向に伸びた微小エッジで階段状にした開口を示す。
FIG. 14 is a view showing an example of an aperture shape of a field stop FS according to another embodiment of the present invention. FIG. 14 (A) shows that all four sides are 45 with respect to the measurement directions X and Y of the two-dimensional diffraction grating mark WM.
This is a square opening AP arranged at ゜. FIG. 14 (B) shows a rhombic opening AP in which the diagonal line is aligned with the measurement directions X and Y of the mark WM. FIG. 14 (C) shows a rectangular (rectangular) opening AP rotated by a predetermined amount, and FIG. 14 (D) shows that none of the two opposing edges of the four edges are parallel and Each side shows an unequal leg trapezoidal opening in which none of the sides is parallel to the measurement directions X and Y. FIG. 14 (E) shows an opening in which the overall shape is a square, but the portion corresponding to each side is stepped with minute edges extending in a direction intersecting the X and Y directions.

第14図(F)はマークWMを包含する円形開口を示し、
第14図(G)は楕円開口を示す。この円形開口、楕円開
口ではエッジの傾きが連続的に変化し、輪帯状の干渉縞
が発生する。そのため、瞳中心へ回折する光強度が零に
なるように、開口APの径を決定する必要がある、円形開
口の場合であれば、ベッセル関数が零となる径の値であ
る。以上の第14図(A)〜(G)までの各絞り開口形状
は、2次元マークWMのみならず、1次元回折格子を対称
とした場合でもそのまま使用できる。
FIG. 14 (F) shows a circular opening containing the mark WM,
FIG. 14 (G) shows an elliptical aperture. In the circular aperture and the elliptical aperture, the inclination of the edge continuously changes, and an annular interference fringe is generated. Therefore, it is necessary to determine the diameter of the aperture AP so that the light intensity diffracted toward the center of the pupil becomes zero. In the case of a circular aperture, this is a value of the diameter at which the Bessel function becomes zero. Each of the aperture shapes shown in FIGS. 14A to 14G can be used as it is not only for the two-dimensional mark WM but also for the case where the one-dimensional diffraction grating is symmetric.

また上記実施例では、計測方向が直交する2次元回折
格子マークを考えたが、計測方向が直交しない格子マー
クを検出する場合でも同様に適用できる。
Further, in the above embodiment, a two-dimensional diffraction grating mark whose measurement direction is orthogonal is considered, but the present invention can be similarly applied to a case where a grating mark whose measurement direction is not orthogonal is detected.

さらに先の実施例の第1図(b)では、X方向用とY
方向用の2本のビームLB1、LB2の切り替えを、2個のAO
M10a、10bの後のシャッターSHx、SHyで行なうようにし
たが、レーザ光源からのビームを2つに分けた後で、一
方の光路についてX方向計測用の2個のAOMを設け、他
方の光路についてY方向計測用の2個のAOMを設けるよ
うにし、X方向計測時には、Y方向用の2個のAOMへの
高周波ドライブ信号を遮断し、Y方向計測時にはX方向
用の2個のAOMへのドライブ信号を遮断するようにすれ
ばよい。ドライブ信号が遮断されたAOMからは0次光の
みが射出し、この0次光は第1図(b)中のスリット11
a、11bで全て遮断されてしまう。従ってX方向用2個の
AOMからの2本のビームとY方向用の2個のAOMからの2
本のビームとは択一的に第1図(b)中のビームスプリ
ッタBS4の位置で合成される。このように4個のAOMを使
うときは、第1図(b)のようなイメージローテーター
IRTやシャッターSHx、SHyは不要である。また4個のAOM
を使う場合でも、X方向用の2個のAOMへのビーム入射
と、Y方向用の2個のAOMへのビーム入射とを択一的に
切り替える方式にしてもよい。その際、メカニカルなシ
ャッターで切り替えてもよいが、第15図(a)のように
音響光学偏向器(AOD)100と頂角ミラー102とを組み合
せたもの、又は第15図(b)のように偏向ビームスプリ
ッタ(PBS)104と回転可能な1/2波長板106とを組み合せ
たものでも同様に切り替えが行なえる。
In FIG. 1 (b) of the further embodiment, the X direction and the Y direction are shown.
Switching between the two beams LB 1 and LB 2 for the direction is performed by two AOs.
The shutters SHx and SHy after M10a and 10b were used, but after splitting the beam from the laser light source into two, two AOMs for measuring the X direction were provided for one optical path, and the other optical path was used. , Two AOMs for measurement in the Y direction are provided. In the measurement in the X direction, the high-frequency drive signal to the two AOMs for the Y direction is cut off. The drive signal may be cut off. Only the zero-order light is emitted from the AOM from which the drive signal has been cut off, and the zero-order light is emitted from the slit 11 in FIG. 1 (b).
All are blocked at a and 11b. Therefore, two X direction
Two beams from the AOM and two from the AOM for the Y direction
Alternatively, the beam is synthesized at the position of the beam splitter BS4 in FIG. 1 (b). When using four AOMs like this, an image rotator as shown in Fig. 1 (b)
IRT and shutter SHx, SHy are unnecessary. Also 4 AOMs
Is used, a method may be adopted in which beam incidence on two AOMs for the X direction and beam incidence on two AOMs for the Y direction are selectively switched. At this time, switching may be performed by a mechanical shutter, but a combination of an acousto-optic deflector (AOD) 100 and an apex mirror 102 as shown in FIG. 15 (a), or as shown in FIG. 15 (b) A combination of a deflection beam splitter (PBS) 104 and a rotatable half-wave plate 106 can be similarly switched.

第16図は本発明をTTR(スルーザレチクル)方式のア
ライメント系に適用した場合の構成を示す。2本ビーム
LB1、LB2はミラーMRで反射された後に、照射視野絞りFS
上で交差する。第16図の場合、ビームLB1、LB2は同図中
の紙面と垂直な面内で傾いているものとする。絞りFSを
通った2本のビームLB1、LB2は、投影レンズPLで色(波
長)のちがいで生じる非点収差やコマ収差を補正する光
学素子(傾いた平行平板ガラス等)120を介してフーリ
エ変換レンズ122に入射する。レンズ122は2本のビーム
LB1、LB2の主光線を平行にするとともに、ビームLB1、L
B2を瞳面(フーリエ面)でスポットとして収れんさせ
る。そのビームはさらにビームスプリッタ124を介して
テレセントリックな対物レンズ126に入射し、ミラー127
で垂直に反射されてレチクルR上のマーク(回折格子
状)RMを照射する。
FIG. 16 shows a configuration in which the present invention is applied to a TTR (through-the-reticle) type alignment system. Two beams
After LB 1 and LB 2 are reflected by the mirror MR, the irradiation field stop FS
Cross on In the case of FIG. 16, it is assumed that the beams LB 1 and LB 2 are inclined in a plane perpendicular to the sheet of FIG. The two beams LB 1 and LB 2 that have passed through the stop FS pass through an optical element (tilted parallel flat glass or the like) 120 that corrects astigmatism or coma caused by differences in color (wavelength) with the projection lens PL. Incident on the Fourier transform lens 122. Lens 122 has two beams
The principal rays of LB 1 and LB 2 are made parallel, and the beams LB 1 and L
The B 2 to converge as a spot in the pupil plane (Fourier plane). The beam is further incident on a telecentric objective lens 126 via a beam splitter 124 and a mirror 127
And irradiates the mark (diffraction grating shape) RM on the reticle R.

ここで投影レンズPLは両側テレセントリックであるた
め、対物レンズ126の光軸はレチクルR側のウエハW側
の両方で投影レンズPLの光軸AXと平行になる。
Here, since the projection lens PL is telecentric on both sides, the optical axis of the objective lens 126 is parallel to the optical axis AX of the projection lens PL on both the reticle R side and the wafer W side.

レチクルR上のマークRM周辺透明窓を通った2本の平
行ビームLB1、LB2は、投影レンズPLの瞳EPの中心に対し
て対称な位置を通って、ウエハW上のマークWMで再び平
行光束となって交差する。
The two parallel beams LB 1 and LB 2 passing through the transparent window around the mark RM on the reticle R pass through positions symmetrical with respect to the center of the pupil EP of the projection lens PL, and are again reflected by the mark WM on the wafer W. They intersect as parallel beams.

マークWMから垂直に発生する干渉ビート光(計測光)
BTLは投影レンズPLの瞳EPの中心を通った後、レチクル
RのマークRM周辺の透明部、ミラー127、対物レンズ12
6、及びビームスプリッタ124を介して受光系130まで戻
る。この受光系130は、同時にレチクルR上のマークRM
からの反射回折光も検知する。駆動制御系132は、対物
レンズ126とミラー127とを一体に保持する金物128を1
次元に移動させて、投影レンズPLのイメージフィールド
内でのアライメント位置の変更(マークRMの位置変更)
に対応するものである。さらに駆動制御系132は、絞りF
Sを対物レンズ126の光軸方向に微動させたり、光軸に対
して任意の方向に傾斜させたりする駆動モータを有す
る。ここで金物128は対物レンズ126の光軸方向に移動す
ることによって、投影レンズPLのイメージフィールド内
の異なる像高位置に存在するマークRMに対応する。また
マークRMの位置変更に対して2次元に対応しなければい
けないときには、金物128を含むアライメント系全体、
又は一部を、X−Y面内で対物レンズ126の光軸と直交
する方向に移動させればよい。ところで、第16図におけ
る2本のビームLB1、LB2の入れ方は、ウエハW上のX方
向計測用の格子マークWMと、レチクルR上のX方向計測
用の格子マークRMとを検出することに対応している。従
ってマークWMとRMのピッチ方向は第16図の紙面と垂直な
方向になっている。
Interference beat light (measurement light) generated vertically from mark WM
After the BTL passes through the center of the pupil EP of the projection lens PL, the transparent portion around the mark RM of the reticle R, the mirror 127, the objective lens 12
6, and return to the light receiving system 130 via the beam splitter 124. The light receiving system 130 simultaneously operates the mark RM on the reticle R.
And the reflected diffracted light from The drive control system 132 controls the hardware 128 for holding the objective lens 126 and the mirror 127 integrally.
Change the alignment position in the image field of the projection lens PL by moving it to the dimension (change the position of the mark RM)
It corresponds to. Further, the drive control system 132
There is a drive motor for finely moving S in the optical axis direction of the objective lens 126 or tilting the S in an arbitrary direction with respect to the optical axis. Here, the hardware 128 moves in the optical axis direction of the objective lens 126, and thus corresponds to the marks RM existing at different image height positions in the image field of the projection lens PL. When the position of the mark RM must be changed two-dimensionally, the entire alignment system including the hardware 128,
Alternatively, a part may be moved in a direction perpendicular to the optical axis of the objective lens 126 in the XY plane. By the way, the way of inserting the two beams LB 1 and LB 2 in FIG. 16 is to detect the grid mark WM for measuring the X direction on the wafer W and the grid mark RM for measuring the X direction on the reticle R. It corresponds to that. Therefore, the pitch direction of the marks WM and RM is a direction perpendicular to the paper surface of FIG.

さらに、ビームLB1、LB2は投影露光に用いる照明光の
波長(436nm、356nm、又は284nm等)とは大きく離れた
波長(例えばHe−Neレーザの633nm)になるため、各種
の色収差(軸上色収差、倍率色収差、色によるコマ、非
点収差等)が発生する。このうち軸上色収差の影響によ
って、ウエハW上のマークWMで2本のビームLB1、LB2
交差させようとする場合、レチクルR上では最早交差さ
せることができないことがある。
Further, since the beams LB 1 and LB 2 have wavelengths (for example, 633 nm of a He-Ne laser) far apart from the wavelength of illumination light (436 nm, 356 nm, 284 nm, or the like) used for projection exposure, various chromatic aberrations (axial Upper chromatic aberration, lateral chromatic aberration, color-based coma, astigmatism, etc.) occur. Of these, due to the influence of axial chromatic aberration, when trying to cross the two beams LB 1 and LB 2 at the mark WM on the wafer W, it may not be possible to cross the reticle R any longer.

第17図はその様子を示し、2本ビームLB1、LB2の波長
においてはレチクルRから上方に距離ΔZCの位置にウエ
ハWと共役な面IMPが存在する。この場合、ΔZCを軸上
色収差量と呼び、投影レンズによっては数+mm以上にな
ることもある。そこで対物レンズ126を射出した2本の
平行ビームLB1、LB2は、面IMPで交差するように設定す
る。すると、この2本ビームはレチクルR上では互いに
分離(もしくは一部のみ重畳)して通るが、投影レンズ
PLを介してウエハW上に達したときは、マークWM上で正
確に交差することになる。従って照明視野絞りFSは面IM
Pと共役に配置すればよい。
FIG. 17 shows this state, and at the wavelength of the two beams LB 1 and LB 2 , there is a plane IMP conjugate with the wafer W at a distance ΔZC above the reticle R. In this case, ΔZC is called an axial chromatic aberration amount, and may be several + mm or more depending on the projection lens. Therefore, the two parallel beams LB 1 and LB 2 emitted from the objective lens 126 are set to intersect at the plane IMP. Then, the two beams pass on the reticle R while being separated from each other (or partially overlapped), but the projection lens
When the light reaches the wafer W via the PL, it crosses exactly on the mark WM. Therefore, the illumination field stop FS is the surface IM
What is necessary is just to arrange in conjugate with P.

さて、レチクルR上で2本ビームが分離する場合、第
17図に示すように、レチクル格子マークRMは各ビームLB
1、LB2が通る位置に別々に設ける。この2ケ所のマーク
RMのピッチ方向はともにY方向であって、ピッチの連続
性は保たれているものとする。また2ケ所のマークRMの
中央にはウエハマークWMからの干渉ビート光BTLを通す
ための透明部が設けられ、この干渉ビート光BTLは受光
系130内の瞳共役の光電検出器に受光される。
Now, when two beams are separated on the reticle R,
As shown in Fig. 17, the reticle grating mark RM is
1 and LB 2 are provided separately at the location where they pass. These two marks
The pitch directions of the RMs are both the Y direction, and the continuity of the pitch is maintained. At the center of the two marks RM, a transparent portion for passing the interference beat light BTL from the wafer mark WM is provided, and the interference beat light BTL is received by a pupil conjugate photoelectric detector in the light receiving system 130. .

一方、レチクルマークRMからはビームLB1の0次光
(正反射光)LB10とともに1次回折光LB11が発生する
が、この1次光LB11はビームLB1と同一光路を戻るよう
にマークRMのピッチが定められる。同様にマークRMから
はビームLB2の0次光LB20とともに1次回折光LB21がビ
ームLB2の光路を逆進するように発生する。これら1次
光(ビーム)LB11、LB21は面IMPで一度交差した後、対
物レンズ126、ビームスプリッタ124を介して受光系130
に入射する。受光系130内には、面IMPと共役な面を作る
レンズ系と、その共役面に配置された透過型のレチクル
基準格子とが設けられ、2本のビームLB11、LB21がレチ
クル基準格子を照射することによって発生する干渉ビー
ト光(±1次回折光が同軸となって干渉したも)を光電
検出器で受光する。この光電検出器からの光電信号(ビ
ート周波数Δfの交流)とマークWMからの干渉ビート光
BTLを受ける光電検出器からの信号(Δfの交流)との
位相差がレチクルRとウエハWとの位置ずれ量に相当す
る。さて、このような構成において、レチクルR上の回
路パターン領域の大きさが異なるレチクルが装着される
と、当然にマークRMの位置が変わるため金物128はその
マークRMが検出できるように移動する。このとき、ビー
ムLB1、LB2の波長による著しい収差のために像面湾曲等
が生じていると、金物128を移動した前後で、絞りFSの
共役面がウエハ表面からずれてしまうこと、すなわち絞
りFSの開口像がウエハW上でボケてしまうことになる。
そこで駆動制御系132は、投影レンズPLのイメージフィ
ールド内の各アライメント位置に応じた像面湾曲の量を
予めマップとして記憶し、金物128の移動に連動して絞
りFSを光軸方向に微動させる。尚、非点収差やコマ収差
等の量がアライメント位置の変更に応じて変化する場合
は、光学素子120を可動にして適宜調整すればよい。
On the other hand, the zero-order light beam LB 1 from the reticle mark RM (regular reflected light) but 1-order diffracted light LB 11 with LB 10 occurs, marked as the primary light LB 11 returns the same optical path and the beam LB 1 The pitch of the RM is determined. Similarly, from the mark RM 0 order light LB 20 with 1-order diffracted light LB 21 of beam LB 2 is generated so as to reverse the optical path of the beam LB 2. After these primary lights (beams) LB 11 and LB 21 intersect once at the plane IMP, the light receiving system 130 passes through the objective lens 126 and the beam splitter 124.
Incident on. In the light receiving system 130, a lens system to create a surface IMP plane conjugate, are provided and the reticle reference grating of the transmission type disposed in the conjugate plane, the two beams LB 11, LB 21 reticle reference grid The interference beat light (even though ± 1st-order diffracted light becomes coaxial and interferes) generated by irradiating the light is received by the photoelectric detector. The photoelectric signal (alternating current of beat frequency Δf) from the photoelectric detector and the interference beat light from the mark WM
The phase difference between the signal from the photoelectric detector receiving the BTL (AC of Δf) corresponds to the amount of displacement between the reticle R and the wafer W. Now, in such a configuration, when a reticle having a different size of the circuit pattern area on the reticle R is mounted, the position of the mark RM naturally changes, so that the hardware 128 moves so that the mark RM can be detected. At this time, if curvature of field or the like occurs due to significant aberrations due to the wavelengths of the beams LB 1 and LB 2 , the conjugate plane of the stop FS is shifted from the wafer surface before and after moving the hardware 128, that is, The aperture image of the aperture FS is blurred on the wafer W.
Therefore, the drive control system 132 stores the amount of field curvature corresponding to each alignment position in the image field of the projection lens PL as a map in advance, and finely moves the diaphragm FS in the optical axis direction in conjunction with the movement of the hardware 128. . When the amount of astigmatism, coma, or the like changes in accordance with the change in the alignment position, the optical element 120 may be moved and appropriately adjusted.

以上、本発明の各実施例では2次元回折格子マークを
使うことを前提としたが、X方向計測用の1次元格子マ
ークとY方向計測用の1次元格子マークとが互いに隣接
して(又は一定距離だけ離して)形成されているような
場合であって、この2つの1次元格子マークの夫々に、
単一の対物光学系を介して2本のビームLB1、LB2をX方
向用とY方向用とで切り替えて照射する場合にも、本発
明と全く同様の効果が得られる。
As described above, in each embodiment of the present invention, it is assumed that a two-dimensional diffraction grating mark is used. However, the one-dimensional grating mark for X-direction measurement and the one-dimensional grating mark for Y-direction measurement are adjacent to each other (or (At a fixed distance), and each of these two one-dimensional grid marks is
Even when the two beams LB 1 and LB 2 are switched between the X direction and the Y direction through a single objective optical system, exactly the same effects as those of the present invention can be obtained.

また回折格子マークによる計測方向は、必らずしも直
交座標系XYの各軸方向と直交する必要はなく、任意の角
度で傾いたものであってもよい。さらに本発明は、2本
の送光ビームLB1、LB2に周波数差を与えないホモダイン
方式であっても同様に実施できる。
Further, the measurement direction by the diffraction grating mark does not necessarily need to be orthogonal to each axis direction of the orthogonal coordinate system XY, and may be inclined at an arbitrary angle. Further, the present invention can be similarly implemented even in a homodyne system in which no frequency difference is given to the two light transmission beams LB 1 and LB 2 .

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の様に本発明によれば、アライメントマーク位置
を2次元に計測する際、マーク照明系に設けられた視野
絞りによって発生する回折光の影響でマークからの計測
光に混入するノイズ光成分をほぼ零に押えることができ
るため、マーク位置の計測精度が高まるといった効果が
ある。
As described above, according to the present invention, when measuring the alignment mark position two-dimensionally, the noise light component mixed into the measurement light from the mark due to the influence of the diffracted light generated by the field stop provided in the mark illumination system. Since it can be suppressed to almost zero, there is an effect that the measurement accuracy of the mark position is enhanced.

また実施例に示したような2次元回折格子マークとす
ることによって、ウエハ面上で占めるマーク面積を半分
にすることができる。さらにマーク検出系が2次元計測
を可能とした構成になっているため、スループットが高
いとともに、1次元格子マークにもそのまま使用できる
ことからマーク形態(1次元か2次元か)の異なるウエ
ハ同志をそのまま処理できるといった利点もある。
Further, by using a two-dimensional diffraction grating mark as shown in the embodiment, the mark area occupied on the wafer surface can be halved. Furthermore, since the mark detection system is configured to enable two-dimensional measurement, throughput is high and one-dimensional lattice marks can be used as they are, so wafers with different mark forms (one-dimensional or two-dimensional) can be used as they are. There is also an advantage that it can be processed.

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

第1図(a)、第1図(b)は本発明の実施例による位
置合せ装置の構成を示す斜視図、第2図は従来装置の構
成を示す斜視図、第3図は照明視野絞りの影響を説明す
る図、第4図は系の瞳面におけるフランフォーフア回折
光の強度分布の一例を示す図、第5図はノイズ光の混入
を説明する図、第6図は誤差要因を説明するベクトル
図、第7図(a)、第7図(b)は瞳面でのフランフォ
ーフア回折の強度を示す図、第8図(a)、第8図
(b)は本発明の第1の実施例に基づく2次元回折格子
マークの形状と照明視野絞りの形状とを示す平面図、第
9図(a)、第9図(b)は第1の実施例による視野絞
りによって生じるフランフォーフア回折の瞳面での強度
分布を示す斜視図、第10図は第9図(a)の状態を瞳面
上でみた平面図、第11図は照明視野絞りの平面形状を解
析するための一般的な形状を示す図、第12図は、1本の
ビームが絞り開口を通ることによって生じるノイズ光の
混入を解析するための系を示す図、第13図はノイズによ
る誤差の発生を説明するベクトル図、第14図(A)〜
(G)は照明視野絞りの他の開口形状を示す平面図、第
15図(a)、(b)は計測方向を切り替えるためのビー
ム切り替え方式の他の例を示す図、第16図、第17図は本
発明の第2の実施例による位置合せ装置を投影露光装置
に適用した場合の構成を示す図である。 〔符号の簡単な説明〕 LB1、LB2……レーザビーム、 FS……照明視野絞り、 AP……開口、 PL……投影レンズ、 WM……2次元解回折子マーク。
1 (a) and 1 (b) are perspective views showing the configuration of an alignment device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of a conventional device, and FIG. 3 is an illumination field stop. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the intensity distribution of the Fraunhofer diffracted light on the pupil plane of the system, FIG. 5 is a diagram illustrating the mixing of noise light, and FIG. FIG. 7 (a) and FIG. 7 (b) are diagrams showing the intensity of the Fraunhofer diffraction on the pupil plane, and FIGS. 8 (a) and 8 (b) are diagrams of the present invention. FIGS. 9 (a) and 9 (b) are plan views showing the shape of a two-dimensional diffraction grating mark and the shape of an illumination field stop based on the first embodiment, and FIGS. 9 (a) and 9 (b) are generated by the field stop according to the first embodiment. FIG. 10 is a perspective view showing the intensity distribution on the pupil plane of the Fraunhofer diffraction, FIG. 10 is a plan view showing the state of FIG. 9 (a) on the pupil plane, and FIG. FIG. 12 is a diagram showing a general shape for analyzing the planar shape of the illumination field stop, FIG. 12 is a diagram showing a system for analyzing noise light mixing caused by one beam passing through the aperture opening, FIG. 13 is a vector diagram for explaining an error caused by noise, and FIGS.
(G) is a plan view showing another opening shape of the illumination field stop, and FIG.
FIGS. 15 (a) and 15 (b) show another example of a beam switching method for switching the measurement direction, and FIGS. 16 and 17 show projection exposure of the positioning apparatus according to the second embodiment of the present invention. It is a figure showing the composition at the time of applying to an apparatus. BRIEF DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS] LB 1, LB 2 ...... laser beam, FS ...... illumination field stop, AP ...... opening, PL ...... projection lens, WM ...... 2-dimensional solutions Kaisetsuko mark.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 和哉 東京都品川区西大井1丁目6番3号 株 式会社ニコン大井製作所内 (56)参考文献 特開 平3−9204(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/027 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (72) Inventor Kazuya Ota 1-6-3 Nishioi, Shinagawa-ku, Tokyo Nikon Oi Works Co., Ltd. (56) References JP-A-3-9204 (JP, A) (58) ) Surveyed field (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/027

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】光源と;該光源からの光を位置合せすべき
基板上に形成された2次元回折格子に照射するための照
明光学系と;前記2次元回折格子から発生した複数の回
折光を検知する検知光学系と;該検知光学系を介して前
記複数の回折光のうち特定の回折光を受光し、該特定の
回折光の強度に応じた光電信号を出力する光電検出器
と;を備え、該光電信号に基づいて前記基板を2次元的
に位置合せする装置において、 前記2次元回折格子の2つのピッチ方向のいずれに対し
ても傾いた開口エッジを有する視野絞りを前記基板とほ
ぼ共役な位置に配置したことを特徴とする位置合せ装
置。
An illumination optical system for irradiating a light from the light source onto a two-dimensional diffraction grating formed on a substrate to be aligned; and a plurality of diffracted lights generated from the two-dimensional diffraction grating. And a photoelectric detector that receives a specific diffracted light of the plurality of diffracted lights via the detection optical system and outputs a photoelectric signal corresponding to the intensity of the specific diffracted light; An apparatus for two-dimensionally aligning the substrate based on the photoelectric signal, comprising: a field stop having an opening edge inclined with respect to any of two pitch directions of the two-dimensional diffraction grating; An alignment device, wherein the alignment device is arranged at a substantially conjugate position.
【請求項2】前記照明光学系は、テレセントリックな対
物レンズ系と;前記光源からの光を該対物レンズ系の瞳
面で光軸とほぼ平行で、かつ対称に通る2本のビームに
変換するとともに、該2本のビームを前記対物レンズ系
を介して前記2次元回折格子上で所定の角度で交差させ
る2光束化手段と;を有し、 前記視野絞りは、該2光束化手段の光路中で前記2次元
回折格子とほぼ共役な位置に設けたことを特徴とする請
求項1に記載の装置。
2. An illumination optical system comprising: a telecentric objective lens system; and a light source for converting light from the light source into two beams which are substantially parallel to an optical axis and pass symmetrically at a pupil plane of the objective lens system. And a two-beam unit for intersecting the two beams at a predetermined angle on the two-dimensional diffraction grating via the objective lens system; and the field stop comprises an optical path of the two-beam unit. 2. The device according to claim 1, wherein the device is provided at a position substantially conjugate with the two-dimensional diffraction grating.
【請求項3】前記2光束化手段は前記2本のビームに周
波数差を与えることを特徴とする請求項2に記載の装
置。
3. The apparatus according to claim 2, wherein said two beam forming means gives a frequency difference between said two beams.
【請求項4】前記2光束化手段による前記2本のビーム
は同じ周波数であることを特徴とする請求項2に記載の
装置。
4. The apparatus according to claim 2, wherein said two beams by said two beam forming means have the same frequency.
【請求項5】前記2次元回折格子の2つのピッチ方向を
互いに直交するx、y方向としたとき、前記視野絞りの
4辺の開口エッジの全てを前記x、y方向のいずれに対
しても傾けた矩形開口、平行四辺形開口、台形開口の少
なくとも1つで構成したことを特徴とする請求項1乃至
4の何れか一項に記載の装置。
5. When the two pitch directions of the two-dimensional diffraction grating are x and y directions orthogonal to each other, all the aperture edges of the four sides of the field stop are set in both the x and y directions. 5. The device according to claim 1, wherein the device comprises at least one of an inclined rectangular opening, a parallelogram opening and a trapezoidal opening.
【請求項6】前記視野絞りの前記開口エッジの傾きは、
連続的に変化することを特徴とする請求項1乃至4の何
れか一項に記載の装置。
6. The inclination of the aperture edge of the field stop is:
5. The device according to claim 1, wherein the device changes continuously.
【請求項7】前記視野絞りは、円形開口または楕円開口
を有することを特徴とする請求項6記載の装置。
7. The apparatus according to claim 6, wherein said field stop has a circular aperture or an elliptical aperture.
【請求項8】所定の第1方向にピッチを有する1次元の
第1回折格子と、前記第1方向と異なる第2方向にピッ
チを有する1次元の第2回折格子とが形成された基板
に、光源からの平行ビームを照射するビーム照射手段
と;該平行ビームの照射により前記第1回折格子、又は
第2回折格子から生ずる回折光を検知する検知光学系
と;該検知光学系を介して前記回折光を受光し、該回折
光の強度に応じた光電信号を出力する光電検出器と;を
備え、該光電信号に基づいて前記基板を前記第1方向と
第2方向の少なくとも一方に関して位置合せする装置に
おいて、 前記ビーム照射手段は、前記基板と共役な面を形成する
ための照射光学系と;前記光源からの光を、前記基板
上、及び前記共役面において所定角度で交差する2本の
平行ビームに変換して前記照射光学系へ導く2光束化手
段と;前記共役面に配置され、前記第1方向と第2方向
のいずれに対しても傾いたエッジで規定された開口を有
する照明視野絞りとを有し、 さらに前記光源と前記照明視野絞りとの間に配置され、
前記2光束化手段からの2本のビームを含む面と前記基
板とが成す交線の方向を前記第1方向と第2方向に択一
的に切り換える切替手段を設けたことを特徴とする位置
合せ装置。
8. A substrate on which a one-dimensional first diffraction grating having a pitch in a predetermined first direction and a one-dimensional second diffraction grating having a pitch in a second direction different from the first direction are formed. Beam irradiation means for irradiating a parallel beam from a light source; a detection optical system for detecting diffracted light generated from the first diffraction grating or the second diffraction grating by irradiating the parallel beam; A photoelectric detector that receives the diffracted light and outputs a photoelectric signal according to the intensity of the diffracted light; and wherein the substrate is positioned with respect to at least one of the first direction and the second direction based on the photoelectric signal. In the apparatus for matching, the beam irradiation means includes: an irradiation optical system for forming a plane conjugate with the substrate; and two light beams intersecting light from the light source at a predetermined angle on the substrate and on the conjugate plane. To a parallel beam And an illumination field stop disposed on the conjugate plane and having an aperture defined by an edge inclined with respect to both the first direction and the second direction. Having, further disposed between the light source and the illumination field stop,
A position provided with switching means for selectively switching the direction of an intersecting line formed by the substrate and the plane including the two beams from the two light beam generating means between the first direction and the second direction. Matching device.
【請求項9】レチクル上のパターンをウエハ上に転写す
る露光装置において、 前記レチクル及び前記ウエハの少なくとも一方の位置を
検出するために、請求項1乃至8の何れか一項記載の位
置合せ装置を備えることを特徴とする露光装置。
9. An exposure apparatus for transferring a pattern on a reticle onto a wafer, wherein the aligning apparatus according to claim 1, detects at least one of the positions of the reticle and the wafer. An exposure apparatus comprising:
【請求項10】前記レチクルを所定の波長で照明するた
めの露光照明手段をさらに有し、 前記光源からの光の波長は、該露光照明手段による波長
とは異なることを特徴とする請求項9に記載の装置。
10. An exposure illumination means for illuminating said reticle with a predetermined wavelength, wherein a wavelength of light from said light source is different from a wavelength of said exposure illumination means. An apparatus according to claim 1.
【請求項11】前記レチクルと前記ウエハとの間には、
前記レチクル上の前記パターンの像を形成するための投
影光学系が配置されることを特徴とする請求項9又は10
に記載の装置。
11. The apparatus according to claim 11, wherein said reticle and said wafer are
11. A projection optical system for forming an image of the pattern on the reticle is arranged.
An apparatus according to claim 1.
【請求項12】光源からの光を位置合せすべき基板上に
形成された2次元回折格子に照射し、該2次元回折格子
から発生した複数の回折光のうち特定の回折光を受光
し、該特定の回折光の強度に応じて光電信号を出力し、
該光電信号に基づいて前記基板を2次元的に位置合せす
る方法において、 前記基板とほぼ共役な位置に配置されて前記2次元回折
格子の2つのピッチ方向のいずれに対しても傾いた開口
エッジを有する視野絞りを通過した光に基づいて前記光
電信号を出力することを特徴とする位置合せ方法。
12. A two-dimensional diffraction grating formed on a substrate to be aligned, which is irradiated with light from a light source, and receives a specific diffraction light of a plurality of diffraction lights generated from the two-dimensional diffraction grating; Outputting a photoelectric signal according to the intensity of the specific diffracted light,
A method of two-dimensionally aligning the substrate based on the photoelectric signal, comprising: an opening edge disposed at a position substantially conjugate with the substrate and inclined with respect to any of two pitch directions of the two-dimensional diffraction grating. And outputting the photoelectric signal based on light passing through a field stop having the following.
【請求項13】 前記2次元回折格子の2つのピッチ方向を互いに直交す
るx、y方向としたとき、前記視野絞りの4辺の開口エ
ッジの全ては、前記x、y方向のいずれに対しても傾け
た矩形開口、平行四辺形開口、台形開口の少なくとも1
つであることを特徴とする請求項12に記載の方法。
13. Assuming that two pitch directions of the two-dimensional diffraction grating are x and y directions orthogonal to each other, all four opening edges of the field stop are in any of the x and y directions. At least one of an inclined rectangular opening, a parallelogram opening, and a trapezoidal opening
13. The method of claim 12, wherein:
【請求項14】前記視野絞りの前記開口エッジの傾き
は、連続的に変化することを特徴とする請求項12に記載
の方法。
14. The method of claim 12, wherein the slope of the aperture edge of the field stop changes continuously.
【請求項15】前記視野絞りは、円形開口または楕円開
口を有することを特徴とする請求項14記載の方法。
15. The method of claim 14, wherein said field stop has a circular or elliptical aperture.
【請求項16】レチクル上のパターンをウエハ上に転写
する露光方法において、 請求項12乃至15の何れか一項記載の位置合せ方法を用い
て、前記レチクル及び前記ウエハの少なくとも一方の位
置を検出する工程を有することを特徴とする露光方法。
16. An exposure method for transferring a pattern on a reticle onto a wafer, wherein the position of at least one of the reticle and the wafer is detected by using the alignment method according to any one of claims 12 to 15. An exposure method, comprising the step of:
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