JP3890089B2

JP3890089B2 - Position detecting apparatus and semiconductor device manufacturing method using the same

Info

Publication number: JP3890089B2
Application number: JP20660295A
Authority: JP
Inventors: 和彦三島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: JPH0936030A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は位置検出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法に関し、特にＩＣ，ＬＳＩ，液晶パネル，ＣＣＤ等の半導体デバイスの製造用の露光装置において、マスクパターンとウエハ上の回路パターンの位置合わせで使用される位置合わせ用のマーク（位置検出用マーク）の位置情報を画像処理を用いて検出する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造技術の進展は近年益々速度を増しており、それに伴って微細加工技術の進展も著しいものがある。特にその中心をなす光加工技術は１ＭＤＲＡＭを境にサブミクロンの領域に達している。投影解像力を向上させる一手段としてこれまでは、波長を固定して、光学系のＮＡを大きくしていた。
【０００３】
一方、最近では露光波長をｇ線からより短い波長のｉ線に変えて、かつ所謂位相シフトマスク，変形照明等により、超高圧水銀灯の領域で光露光の限界を広げようという試みも行われている。
【０００４】
更にｉ線より波長の短いエキシマレーザ発振光を光源とした半導体デバイス製造用の露光装置も製造され、ＩＣパターンの微細化を行っている。
【０００５】
一方、それに伴って、露光装置におけるウエハとマスクの相対位置合わせ、いわゆるアライメントの精度に関しても、解像力の向上と共に、高精度化が必要とされている。
【０００６】
図３はマスクとウエハの位置合わせを行う位置検出装置を有した露光装置の要部概略図である。同図においては、ウエハ１面上の位置合わせ用マーク１８の画像を取り込み、位置合わせを行なう場合を示している。
【０００７】
次にこの位置検出装置においてｘ方向及びｙ方向の計測は同様なので、この中ではｙ方向の計測について解説する。Ｈｅ−Ｎｅレーザー等の光源Ｓから出射した照明光（検出光）１３はファイバー１１を通して照明光学系６に導かれる。照明光１３は偏光ビームスプリッタ９によりＳ偏光成分（ｙ方向成分）だけが反射される。
【０００８】
その後、λ／４板１７を透過して、円偏光に変換された後、結像光学系４，５，ミラー１０，投影光学系３を通して、ｘｙｚ方向に駆動可能なステージ２上に載置したウエハ１上に作成された位置検出用のマーク１８をケーラー照明する。マーク１８からの反射光、或は散乱光２２は該投影光学系３，ミラー１０，結像光学系４，５を通過した後、再びλ／４板１７を経てＰ偏光に変換される。Ｐ偏光は該偏光ビームスプリッタ９を通過し、結像レンズ７によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子１２上に入射し、その面上にマーク像を結像する。該マーク像の位置情報よりウエハ１上のパターン位置を検出して、ステージ２を駆動してウエハ１の位置合わせを行なう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図３の位置検出装置には検出精度の低下を招くいくつかの問題点が存在していた。ケーラー照明に於て、照明系を理論的なσ＝０（像面で完全な単一の平面波となる光源）で使用するのは、光量や結像性能に於ける空間周波数のカットオフ周波数の問題等があり、実用化するのは難しい。従って有限の大きさを持った光源を用いなければならない。
【００１０】
例えば、実際にはレーザー光源からの光をファイバーで照明系に導光したり、ランプからの光等が用いられている。従って、このような光源に於ては、検出面（ウエハ１面）で光軸に対してある角度をもった光も照明される。この時、その有効光源の光強度分布が不均一の場合、或は、マーク計測方向（図３の場合はｙ方向）に於て光軸に対称でない場合、検出面に対する入射角の違いによって、光強度が異なってくる。
【００１１】
例えば、図４（Ａ）には、ｙ方向計測のマークの鳥瞰図、同図（Ｂ）はｘ方向から見た断面を示している。光源の発光有限領域で光強度に不均一がある場合、例えば、矢印１３ａの方向から入射する照明光の強度が、矢印１３ｂから入射する照明光の強度より弱いと云う具合に、入射角に依存して光強度に変化が生じる場合がある。
【００１２】
このように偏った照明系で段差構造を持ったマーク１８を照明し、マーク１８の位置を検出する場合、検出像の散乱光強度に差が発生する為、正確な位置検出が出来ないと云った問題点がある。
【００１３】
例えば図４（Ｂ）の様に、照明光１３ａより照明光１３ｂの方が光強度が強いものとすると、マーク１８のエッヂからの散乱光に差が発生する。その為、マーク像の画像信号が図４（ｃ）の様にマーク中心３０に対して非対称になる。
【００１４】
この結果、正確なマーク位置の検出はできなくなってくる。実際のこのような信号の非対称性は、理想的なマーク段差のエッヂの散乱特性が入射光の強度に比例する場合や、反比例する場合とがあり、それはマークの段差構造の違いや、レジスト等の半導体デバイスの製造工程の違いによって異なってくる。何れにせよ、測定方向に対するある入射角に於ける照明光の強度に非対称性があるとマークの位置計測に誤差が発生してくる。
【００１５】
従来、この様な検出誤差を解決する為に、照明系の瞳面や像面に拡散板等のフィルタを配置し計測方向のみならず、すべての方向に渡ってほぼ、光強度が均一となるようにしていた。ところが、この拡散板等のフィルタを用いると、光強度の均一度に反比例して、物体面での全光量が減少してくる。その為、半導体デバイスの製造工程によっては検出が困難となる場合が発生してくる。
【００１６】
本発明は、位置合わせ用マークを検出する検出系を適切に構成することにより検出光量の減少を少なくし、瞳面の光量分布の均一化を容易に図ることが出来、位置検出用マークの位置情報を高精度に検出し、マスクとウエハとの位置合わせを高精度に行い、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することのできる位置検出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法の提供を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の位置検出装置は、
位置検出物体上に形成された位置検出用マークを所定の入射角度の照明光で照明する照明手段と、前記照明手段により照明された該位置検出用マークの像を所定面上に形成する結像手段と、該像の位置を検出することにより該位置検出用マークの位置情報を得る検出手段とを有する位置検出装置において、前記照明手段の瞳面又はその近傍に配置され、前記照明光の前記瞳面における強度分布を回転可能な回転手段を有することをことを特徴としている。
【００２６】
【実施例】
図１は本発明の実施例１の要部概略図、図２は図１の一部分の拡大説明図である。図１，図２では、レチクル面上のパターンをウエハ面上に投影しているか、このときのレチクルは省略しており、ウエハ１上に作成されたアライメントマーク（位置検出用マーク又はマークとも言う。）１８に、理想的な照明光（検出光）１９ａが照明されている場合を示している。
【００２７】
ここで理想的とは、点光源から出射した光が理想的なマークの段差構造に対して垂直に照明されている場合であり、マークの像は正確なエッヂ情報を持っている。ところが、有限領域の発光面から出射した光は、検出面（マーク１８の形成面）に対して傾いた光束（１９ｂ，１９ｃ）を含んでおり、更にその光強度が計測断面内の入射角度に依存して光軸に非対称の場合（以下この状態を、『光強度の非対称性な状態』と呼ぶ。）、マークの偏った情報が像として現われ、測定精度の低下を引き起こす。
【００２８】
入射角度に対する光強度の非対称性は、位置検出用マークの位置情報を検出する位置検出系（検出系）の瞳面（像のフーリエ変換面）での光強度分布の不均一性に依存する。従って、瞳面の光強度分布を光軸に対して計測方向面内に対称になる様に変化させて、この測定誤差を軽減している。
【００２９】
一般にある光源からの光をファイバーを使用して照明光学系に導いている場合、ファイバー断面の定在モードの影響や、バンドルファイバー等を使用すると、個々のファイバー端面の配向特性の相違等によって光強度分布に不均一が発生する。また光源に半導体レーザー（ＬＤ）を直接使用した場合、出射端面の光強度プロファイルに不均一が存在している為、同様の精度劣化が生じる。
【００３０】
本実施例ではこれらを解決している。即ち、本実施例では光源の発光有限領域における光強度分布を均一にしている。或は図６に示すマーク１８への照明光３１ａと照明光３１ｂの様に、検出方向に於て照明光の光強度が光軸に対称になる光源を作っている。
【００３１】
これは、光源と共役面となる瞳面（像のフーリエ変換面）３ａに於ける光強度分布を制御して、計測方向に於て光軸に対称になる様にしている。（像面での照明光の角度特性は瞳面の光強度分布に対応する為である。）実際には瞳面の光強度分布を計測方向に軸対称になる様、瞳面を観察しながら例えば瞳面の光強度分布を回転させ、適正な回転位置を制御し、画像取り込み時間に対して十分速く照明光の入射角度を一回スキャン或は複数回スキャンさせている。つまり検出画像を時間積分した時に光軸に対して照明強度が対称になる様にしている。
【００３２】
図７に照明光位置を検出用マーク１８上で入射角をスキャンした時の概略図を示す。図７（Ａ）はマーク断面に、ある瞬間において矢印３２ａの方向から照明した光束を示し、同図（Ｂ）はこの時の検出信号を示している。それに対して図７（Ｃ）ではそれからある時間経った後、検出光３２ｂで照明しているものを示し、図７（Ｄ）はその検出波形を表わしている。また図７（Ｅ）では、図７（Ｂ）から図７（Ｄ）までの状態を時間積分したマーク画像信号を示している。このように照明光の入射角をウエハ面の垂直方向を含む計測方向面内に、画像取り込み時間に対して十分速く、一回スキャン或は複数回スキャンしたり、入射角の最適値を見付けている。
【００３３】
次に図１の各構成要件について順次説明する。図１において図６で示した要素と同一要素には同符号をしている。図１において有限領域で不均一な光強度分布を有する光源８から出射した照明光（検出光）１３は、照明系レンズ６ａによって光源の像をイメージローテータ１４に結像する。ここで、要素８，６ａは照明手段の一要素を構成している。照明光１３はイメージローテータ１４を通過することで光軸Ｌａに対して回転される。尚、イメージローテータ１４は回転手段を構成しており、有効光源分布を回転する為、位置検出系の瞳面ないしは、その近傍に配置している。
【００３４】
その後、照明系レンズ６ｂによって平行光束に変換され、音響光学素子１５に入射する。音響光学素子１５は、位置検出系の物体面（ウエハ１面）の共役面ないしは、その近傍に配置されており、以下に解説する条件を満たすような変調信号が印加されている（音響光学素子１５は物体面１の共役面ないしは、その近傍に配置して、その位置での照明光の角度を変化させる入射角可変手段の一要素を構成している。これにより瞳面の光強度分布を制御している。つまり、瞳面のフーリエ変換面となる検出面の照明光の入射角を制御している。）。
【００３５】
一方、ブラック回折型の音響光学素子を用いた場合、音響光学素子１５によって計測方向である紙面に対して垂直方向（ｙ方向）の角度に偏向された光束はλ／２板４１に入射する。（但し、音響光学素子１５の材質、光源の種類によって回折光の偏光状態が異なる為、その偏光状態によって光量が最適になる様に、選択的にλ／２板４１を使用する。）音響光学素子１５では回折方向に対して、入射光のＰ偏光成分（紙面垂直方向）がＳ偏光成分（紙面平行方向，ｚ方向）になって偏向される。
【００３６】
その為、λ／２板４１が、偏光ビームスプリッタ９の反射面に於けるＳ偏光成分（紙面垂直方向）に偏光させている。（尚、音響光学素子１５の０次光が検出系に影響を与える場合、０次以外の回折光が検出系の光軸に一致するように音響光学素子１５間での光軸を傾けても良い。）垂直方向成分の光は、偏光ビームスプリッタ９を反射した後、順にλ／４板１７、検出光学系５，４、ミラー１０、更に投影光学系３を通して検出面（ウエハ）１をケーラー照明している。
【００３７】
アライメントマーク１８からの反射光、或は散乱光２１は再び投影光学系３、検出光学系４，５、λ／４板１７，偏光ビームスプリッター９を通した後、結像レンズ７によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子（受光素子）１２上に到達し、その面上にアライメントマーク１８の像を結像する。
【００３８】
音響光学素子１５によって、それを通過した光束は印加電圧の周波数に対応した角度に偏向される（検出光１９ｂ，１９ｃ）。偏向した光はウエハ１面上での照明光の入射角度を変えている。
【００３９】
図２はこの時のウエハ１面上を表わした模式図である。１８は段差構造をもつ理想的な位置検出用マーク（マークの中心軸に対して完全対称なマーク）で断面の端部は垂直になっている。１９ａは理想的な照明光束（検出光束）を表わしている。
【００４０】
それに対して１９ｂ，１９ｃは音響光学素子１５の印加電圧によって入射角度がスキャンされた検出光束を表わしている。照明光（検出光）がマーク段差方向に対して対称になる様、印加電圧をスイープ制御し、照明光を一回スキャン或いは複数回スキャンしている。この時、一回スキャン或は複数回スキャンの速さは、ＣＣＤカメラ等の光電変換素子１２の画像取り込み時間より十分速くしている。例えば、数十ｍｓの積分時間を有するＣＣＤカメラを用いた場合、１０回のスキャンを行うとすると、１スキャン当たり数ｍｓとなり、音響光学素子１５のアクセス時間が数十μｓであることを考慮すると十分可能である。
【００４１】
以上の様に照明光を積極的にスキャンしても、理想照明光による理想的マークの検出精度と同様の検出が可能である。また、それに対してイメージローテータ１４で、計測方向に沿った光軸に対する瞳面の光強度分布を変化させている。つまりマークの計測方向に光軸に対して対称となる様に瞳面の光強度分布を回転させ、その位置を固定する。この操作は光源に半導体レーザーの様な光軸に対して中心対称の光強度分布を持つ場合、特に有効である。更に音響光学素子１５、とイメージローテータ１４を組み合わせることで検出面に対して最適な照明条件となる様に調整している。
【００４２】
尚、上述した方法では音響光学素子１５、とイメージローテータ１４を同時に光学系内に保有していたが、瞳面の光強度分布が均一の時、測定精度向上の為、音響光学素子１５だけを用いて、画像取り込み時間内で、照明光の入射角度の一回スキャン或は複数回スキャンを行っても良い。また、照明光の入射角度に最適条件がある場合、スキャンをせず、最適な一定の入射角度になる様、音響光学素子１５を一定の周波数で駆動しても良い。また、半導体レーザーの様な光軸に対して対称な光強度分布を保有する光源の場合、音響光学素子１５を用いずにイメージローテータ１４だけで照明光の最適化を行っても良い。
【００４３】
また、照明光の最適化はマーク毎に行っても良いし、適宜、半導体デバイスの製造工程や、ウエハ毎に検出信号の調整状態を観察して、音響光学素子１５の印加電圧、及びイメージローテータ１４の回転角を自動的に最適化を行っても良い。その際、理想的なマークではない場合がある為、同じマークについてウエハを１８０度回転させて画像を検出する。そして、その画像信号が０度と１８０度回転した時に、画像が正確に回転する様、調整しても良い。
【００４４】
また、図５に示す様に、位置検出系内に瞳面の観察用光学系２０を自動的に挿入し、ＣＣＤカメラ１２で瞳面を適宜観察しながら、画像取り込み時間内で瞳面の光強度分布が均一になる様に自動最適化を行っても良いものとする。
【００４５】
尚、本発明の解説で使用している「マークの対称性」とは、図２で示す様な段差構造を持ったマークを観察し、その時検出されるマークのエッヂ信号が、図８で示した散乱強度ａ₁ ，ｂ₁ の値が等しくなった状態を意味する。この様に検出信号が現われるマークの種類としてＳｉ段差等が挙げられ、且つ、これは照明光の調整状態によって散乱強度ａ₁ ，ｂ₁ の発生量が敏感に変化する。
【００４６】
従って、図８に示す様にマークのエッヂ信号が強調される検出信号を持ち、照明光の調整状態に対して散乱強度ａ₁ ，ｂ₁ の発生量が敏感であるマークを使って最適な照明条件を見つけても良い。但し、上記以外のマークの対称性を定義する値、或は方法に関しても本発明が、適用出来ることは容易に推測でき、本発明の適用で上述と同様に測定精度の向上を図ることが出来る。
【００４７】
本実施例では以上のようにしてレチクルとウエハとの位置合わせをした後にレチクル面上のパターンをウエハ面上に投影露光し、該ウエハを現像処理工程を介して半導体デバイスを製造している。
【００４８】
次に本実施例に於いて、音響光学素子１５を使用することの効果を、図８を用いて解説する。図８（Ａ）の散乱強度ａ₁ ，ｂ₁ はそれぞれある瞬間時間ｔ₁ のマークのエッヂの検出信号の散乱強度を表わしている。また図８（Ｂ）の散乱強度ａ₂ ，ｂ₂ は別の瞬間時間ｔ₂ でのマークのエッヂの検出信号の強度を表わしている。これらの信号ａ₁ 、ｂ₁ 、ａ₂ 、ｂ₂ は照明光の入射角度θ、及び光電変換の積分時間ｔｉの関数となる。つまり、
ａ₁ （θ₁ ，ｔｉ₁ ），ｂ₁ （θ₁ ，ｔｉ₁ ）
ａ₂ （θ₂ ，ｔｉ₂ ），ｂ₂ （θ₂ ，ｔｉ₂ ）
となる。音響光学素子はその印加電圧のＦＭ変調で、容易にθ及びｔｉを制御できる。従って印加電圧のＦＭ変調によって、最適なθ及びｔｉを見つけ、
ａ₁ ＋ａ₂ ＝ｂ₁ ＋ｂ₂
を達成している。つまり音響光学素子を用いることで上記の問題を容易に解決している。特にミラー等によるスキャンとは異なり、音響光学素子を用いて、θ及びｔｉを高速で、しかもステップ的に変動させて、より容易に最適な照明条件を見つけている。
【００４９】
この様に本実施例によれば、段差構造を持ったマーク等に対して計測方向で照明光を対称に照明することにより、段差構造におけるエッヂ散乱特性の差による測定誤差の発生を抑えている。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、位置合わせ用マークを検出する検出系を適切に構成することにより検出光量の減少を少なくし、瞳面の光量分布の均一化を容易に図ることが出来、位置検出用マークの位置情報を高精度に検出し、マスクとウエハとの位置合わせを高精度に行い、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することのできる位置検出装置及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の要部概略図
【図２】図１の一部分の拡大説明図
【図３】従来の位置検出装置の要部概略図
【図４】従来の位置検出装置におけるアライメントマークと照明光の説明図
【図５】本発明の実施例２の要部概略図
【図６】理想的な照明光とマークのエッヂ検出信号の説明図
【図７】マークの計測方向に照明光をスキャンしている概略図、及び計測信号の説明図
【図８】照明光入射角θ、及び信号取り込み積分時間ｔｉのちがいによりマーク信号に差が発生の説明図
【符号の説明】
１ウエハ
２ウエハステージ
３投影露光光学系
４，５位置検出レンズ
６ａ，６ｂ照明系レンズ
７結像レンズ
８不均一光強度分布を持った光源
９，１０反射ミラー
１１ファイバー
１２光電変換素子
１３照明光（検出光）
１４イメージローテータ
１５音響光学素子
１７ λ／４板
１８位置検出マーク
１９ａ検出面に対する垂直照明光（理想的照明光）
１９ｂ，１９ｃ検出面に対する傾き照明光
２０瞳観察レンズ
２１，２２位置検出マークの散乱、又は反射光
３０位置検出マーク中心
３１ａ，３１ｂ傾き照明光
３２ａ，３２ｂスキャンした照明光
４１ λ／２板[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a position detection apparatus and a semiconductor device manufacturing method using the same, and in particular, in an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device such as an IC, LSI, liquid crystal panel, CCD, etc., alignment of a mask pattern and a circuit pattern on a wafer. This is suitable for detecting position information of an alignment mark (position detection mark) used in the image processing using image processing.
[0002]
[Prior art]
Advances in semiconductor device manufacturing technology have increased in recent years, and along with this, there have been significant advances in microfabrication technology. In particular, the optical processing technology that forms the center of the technology reaches the sub-micron region with 1MDRAM as a boundary. Until now, as a means for improving the projection resolving power, the wavelength was fixed and the NA of the optical system was increased.
[0003]
On the other hand, recently, an attempt has been made to expand the limit of light exposure in the ultra-high pressure mercury lamp region by changing the exposure wavelength from g-line to i-line of shorter wavelength and using a so-called phase shift mask and modified illumination. Yes.
[0004]
Furthermore, an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device using an excimer laser oscillation light having a wavelength shorter than that of the i-line as a light source is also manufactured, and the IC pattern is miniaturized.
[0005]
On the other hand, with respect to the relative alignment between the wafer and the mask in the exposure apparatus, so-called alignment accuracy, it is necessary to improve the resolution and improve the accuracy.
[0006]
FIG. 3 is a schematic view of the main part of an exposure apparatus having a position detecting device for aligning a mask and a wafer. This figure shows a case where an image of the alignment mark 18 on the wafer 1 surface is captured and alignment is performed.
[0007]
Next, since the measurement in the x direction and the y direction is the same in this position detection apparatus, the measurement in the y direction will be described here. Illumination light (detection light) 13 emitted from a light source S such as a He—Ne laser is guided to the illumination optical system 6 through the fiber 11. Only the S-polarized light component (y-direction component) of the illumination light 13 is reflected by the polarization beam splitter 9.
[0008]
Then, after passing through the λ / 4 plate 17 and converted into circularly polarized light, it was placed on the stage 2 that can be driven in the xyz direction through the imaging optical systems 4, 5, the mirror 10, and the projection optical system 3. The position detection mark 18 created on the wafer 1 is Koehler illuminated. Reflected light or scattered light 22 from the mark 18 passes through the projection optical system 3, the mirror 10, and the imaging optical systems 4 and 5, and is converted again to P-polarized light through the λ / 4 plate 17. The P-polarized light passes through the polarization beam splitter 9 and is incident on the photoelectric conversion element 12 such as a CCD camera by the imaging lens 7 and forms a mark image on the surface thereof. The pattern position on the wafer 1 is detected from the position information of the mark image, and the stage 2 is driven to align the wafer 1.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The position detection device of FIG. 3 has several problems that cause a decrease in detection accuracy. In Koehler illumination, the use of the illumination system with a theoretical σ = 0 (a light source that forms a complete single plane wave on the image plane) is due to the amount of spatial frequency in the light quantity and imaging performance. There are problems and it is difficult to put it into practical use. Therefore, a light source having a finite size must be used.
[0010]
For example, light from a laser light source is actually guided to an illumination system with a fiber, or light from a lamp is used. Therefore, in such a light source, light having an angle with respect to the optical axis on the detection surface (the surface of the wafer 1) is also illuminated. At this time, if the light intensity distribution of the effective light source is not uniform, or if it is not symmetrical with respect to the optical axis in the mark measurement direction (y direction in FIG. 3), the difference in the incident angle with respect to the detection surface The light intensity is different.
[0011]
For example, FIG. 4A shows a bird's-eye view of a mark in the y-direction measurement, and FIG. 4B shows a cross section viewed from the x-direction. When the light intensity is non-uniform in the light emission finite region of the light source, for example, the intensity of illumination light incident from the direction of the arrow 13a is dependent on the incident angle such that the intensity of illumination light incident from the arrow 13b is weaker. As a result, the light intensity may change.
[0012]
When the mark 18 having a step structure is illuminated with such a biased illumination system and the position of the mark 18 is detected, there is a difference in the scattered light intensity of the detected image, so that accurate position detection cannot be performed. There is a problem.
[0013]
For example, as shown in FIG. 4B, if the illumination light 13b has a higher light intensity than the illumination light 13a, a difference occurs in the scattered light from the edge of the mark 18. Therefore, the image signal of the mark image is asymmetric with respect to the mark center 30 as shown in FIG.
[0014]
As a result, the accurate mark position cannot be detected. The actual signal asymmetry may be that the ideal mark step edge scattering characteristics are proportional to the incident light intensity or inversely proportional to the difference in mark step structure, resist, etc. It differs depending on the manufacturing process of semiconductor devices. In any case, if there is an asymmetry in the intensity of the illumination light at a certain incident angle with respect to the measurement direction, an error occurs in the mark position measurement.
[0015]
Conventionally, in order to solve such a detection error, a filter such as a diffusion plate is arranged on the pupil plane or image plane of the illumination system so that the light intensity is almost uniform not only in the measurement direction but also in all directions. It was like that. However, when a filter such as a diffusion plate is used, the total amount of light on the object surface decreases in inverse proportion to the uniformity of the light intensity. For this reason, detection may be difficult depending on the manufacturing process of the semiconductor device.
[0016]
According to the present invention, by appropriately configuring a detection system for detecting the alignment mark, the decrease in the detected light amount can be reduced, the light amount distribution on the pupil plane can be easily uniformed, and the position of the position detection mark Providing a position detection device capable of detecting information with high accuracy, aligning a mask and a wafer with high accuracy, and easily manufacturing a highly integrated semiconductor device, and a method of manufacturing a semiconductor device using the same With the goal.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The position detection device of the invention of claim 1
Illumination means for illuminating a position detection mark formed on the position detection object with illumination light having a predetermined incident angle, and image formation for forming an image of the position detection mark illuminated by the illumination means on a predetermined surface In the position detection device having the means and the detection means for obtaining the position information of the position detection mark by detecting the position of the image, the position detection apparatus is disposed on or near the pupil plane of the illumination means, and It is characterized by having a rotating means capable of rotating the intensity distribution on the pupil plane .
[0026]
【Example】
FIG. 1 is a schematic diagram of a main part of Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a part of FIG. 1 and 2, the pattern on the reticle surface is projected onto the wafer surface, or the reticle at this time is omitted, and an alignment mark (also referred to as a position detection mark or mark) created on the wafer 1 is omitted. 18) shows a case where ideal illumination light (detection light) 19a is illuminated.
[0027]
Here, “ideal” means that the light emitted from the point light source is illuminated perpendicularly to the ideal mark step structure, and the image of the mark has accurate edge information. However, the light emitted from the light emitting surface in the finite region includes a light beam (19b, 19c) tilted with respect to the detection surface (the surface on which the mark 18 is formed), and the light intensity is at an incident angle in the measurement section. Therefore, when the optical axis is asymmetrical (hereinafter, this state is referred to as “light intensity asymmetrical state”), information with a biased mark appears as an image, causing a reduction in measurement accuracy.
[0028]
The asymmetry of the light intensity with respect to the incident angle depends on the non-uniformity of the light intensity distribution on the pupil plane (image Fourier transform plane) of the position detection system (detection system) that detects the position information of the position detection mark. Therefore, the measurement error is reduced by changing the light intensity distribution on the pupil plane so as to be symmetric in the measurement direction plane with respect to the optical axis.
[0029]
In general, when light from a certain light source is guided to an illumination optical system using a fiber, the effect of the standing mode of the fiber cross section or the use of a bundle fiber or the like causes the light to vary depending on the orientation characteristics of the individual fiber end faces. Inhomogeneity occurs in the intensity distribution. Further, when a semiconductor laser (LD) is directly used as a light source, there is a nonuniformity in the light intensity profile on the emission end face, and the same accuracy deterioration occurs.
[0030]
In the present embodiment, these are solved. That is, in this embodiment, the light intensity distribution in the light emission finite region of the light source is made uniform. Alternatively, a light source in which the light intensity of the illumination light is symmetric with respect to the optical axis in the detection direction is made like the illumination light 31a and illumination light 31b to the mark 18 shown in FIG.
[0031]
This controls the light intensity distribution on the pupil plane (Fourier transform plane of the image) 3a which is a conjugate plane with the light source so as to be symmetric with respect to the optical axis in the measurement direction. (The angle characteristic of the illumination light on the image plane corresponds to the light intensity distribution on the pupil plane.) Actually, while observing the pupil plane, the light intensity distribution on the pupil plane is axisymmetric in the measurement direction. For example, the light intensity distribution on the pupil plane is rotated, the appropriate rotation position is controlled, and the incident angle of the illumination light is scanned once or a plurality of times sufficiently quickly with respect to the image capture time. That is, the illumination intensity is symmetrical with respect to the optical axis when the detected image is integrated over time.
[0032]
FIG. 7 shows a schematic diagram when the incident light position is scanned on the detection mark 18 for the illumination light position. FIG. 7A shows a light beam illuminated from the direction of the arrow 32a at a certain moment on the mark cross section, and FIG. 7B shows a detection signal at this time. On the other hand, FIG. 7C shows what is illuminated with the detection light 32b after a certain period of time, and FIG. 7D shows the detection waveform. FIG. 7E shows a mark image signal obtained by time-integrating the states from FIG. 7B to FIG. 7D. In this way, the incident angle of the illumination light is sufficiently fast with respect to the image capture time within the measurement direction plane including the vertical direction of the wafer surface, scanning once or multiple times, or finding the optimum value of the incident angle. Yes.
[0033]
Next, each component in FIG. 1 will be described sequentially. In FIG. 1, the same elements as those shown in FIG. In FIG. 1, illumination light (detection light) 13 emitted from a light source 8 having a non-uniform light intensity distribution in a finite region forms an image of the light source on an image rotator 14 by an illumination system lens 6a. Here, the elements 8 and 6a constitute one element of the illumination means. The illumination light 13 is rotated with respect to the optical axis La by passing through the image rotator 14. The image rotator 14 constitutes a rotating means, and is arranged on the pupil plane of the position detection system or in the vicinity thereof in order to rotate the effective light source distribution.
[0034]
Thereafter, the light is converted into a parallel light beam by the illumination system lens 6 b and enters the acoustooptic device 15. The acoustooptic element 15 is arranged on the conjugate plane of the object plane (the wafer 1 plane) of the position detection system or in the vicinity thereof, and a modulation signal that satisfies the conditions described below is applied (acoustooptic element). Reference numeral 15 denotes a component of an incident angle varying unit that is arranged on the conjugate plane of the object plane 1 or in the vicinity thereof and changes the angle of the illumination light at that position. In other words, the incident angle of illumination light on the detection surface, which is the Fourier transform plane of the pupil plane, is controlled.
[0035]
On the other hand, when a black diffraction type acoustooptic element is used, the light beam deflected by the acoustooptic element 15 at an angle in the direction perpendicular to the paper (measurement direction) (y direction) is incident on the λ / 2 plate 41. (However, since the polarization state of the diffracted light differs depending on the material of the acoustooptic element 15 and the type of the light source, the λ / 2 plate 41 is selectively used so that the amount of light is optimized depending on the polarization state.) In the element 15, the P-polarized component of the incident light (perpendicular to the paper surface) is deflected into the S-polarized component (parallel to the paper surface, z direction) with respect to the diffraction direction.
[0036]
Therefore, the λ / 2 plate 41 is polarized in the S polarization component (perpendicular to the paper surface) on the reflection surface of the polarization beam splitter 9. (Note that when the zero-order light of the acoustooptic element 15 affects the detection system, the optical axis between the acoustooptic elements 15 may be tilted so that the diffracted light other than the zeroth order coincides with the optical axis of the detection system. The light of the vertical component is reflected by the polarization beam splitter 9 and then passes through the λ / 4 plate 17, the detection optical systems 5 and 4, the mirror 10, and the projection optical system 3 in order to Koehler the detection surface (wafer) 1. Illuminated.
[0037]
The reflected light or scattered light 21 from the alignment mark 18 passes again through the projection optical system 3, the detection optical systems 4 and 5, the λ / 4 plate 17, and the polarization beam splitter 9, and then the CCD camera or the like by the imaging lens 7. The image of the alignment mark 18 is formed on the surface of the photoelectric conversion element (light receiving element) 12.
[0038]
The acousto-optic element 15 deflects the light beam passing therethrough at an angle corresponding to the frequency of the applied voltage (detection light 19b, 19c). The deflected light changes the incident angle of the illumination light on the wafer 1 surface.
[0039]
FIG. 2 is a schematic view showing the surface of the wafer 1 at this time. Reference numeral 18 denotes an ideal position detection mark having a step structure (a mark that is completely symmetric with respect to the central axis of the mark), and the end of the cross section is vertical. Reference numeral 19a represents an ideal illumination light beam (detection light beam).
[0040]
On the other hand, reference numerals 19b and 19c denote detected light beams whose incident angles are scanned by the applied voltage of the acousto-optic element 15. The applied voltage is swept so that the illumination light (detection light) is symmetrical with respect to the mark step direction, and the illumination light is scanned once or a plurality of times. At this time, the speed of the single scan or the multiple scans is sufficiently faster than the image capturing time of the photoelectric conversion element 12 such as a CCD camera. For example, when a CCD camera having an integration time of several tens of ms is used, if 10 scans are performed, it takes several ms per scan and the access time of the acousto-optic device 15 is several tens of μs. It is possible enough.
[0041]
Even if the illumination light is actively scanned as described above, detection similar to the detection accuracy of the ideal mark by the ideal illumination light is possible. On the other hand, the image rotator 14 changes the light intensity distribution on the pupil plane with respect to the optical axis along the measurement direction. That is, the light intensity distribution on the pupil plane is rotated so that the mark measurement direction is symmetric with respect to the optical axis, and the position is fixed. This operation is particularly effective when the light source has a light intensity distribution that is symmetric about the optical axis, such as a semiconductor laser. Further, by combining the acoustooptic device 15 and the image rotator 14, the detection surface is adjusted so as to have an optimum illumination condition.
[0042]
In the above-described method, the acoustooptic device 15 and the image rotator 14 are simultaneously held in the optical system. However, when the light intensity distribution on the pupil plane is uniform, only the acoustooptic device 15 is used to improve measurement accuracy. It is also possible to perform a single scan or multiple scans of the incident angle of the illumination light within the image capture time. Further, when there is an optimum condition for the incident angle of the illumination light, the acoustooptic device 15 may be driven at a constant frequency so that the optimum constant incident angle is obtained without scanning. In the case of a light source having a symmetrical light intensity distribution with respect to the optical axis, such as a semiconductor laser, the illumination light may be optimized using only the image rotator 14 without using the acoustooptic device 15.
[0043]
In addition, the illumination light may be optimized for each mark, or by appropriately observing the manufacturing process of the semiconductor device and the adjustment state of the detection signal for each wafer, the applied voltage of the acousto-optic element 15 and the image rotator. The rotation angle of 14 may be automatically optimized. At this time, since the mark may not be ideal, the image is detected by rotating the wafer 180 degrees with respect to the same mark. Then, adjustment may be made so that the image rotates accurately when the image signal rotates by 0 degrees and 180 degrees.
[0044]
In addition, as shown in FIG. 5, the pupil plane observation optical system 20 is automatically inserted into the position detection system, and the pupil plane light is observed within the image capture time while appropriately observing the pupil plane with the CCD camera 12. Automatic optimization may be performed so that the intensity distribution is uniform.
[0045]
The “symmetry of the mark” used in the description of the present invention refers to a mark having a step structure as shown in FIG. 2, and the edge signal of the mark detected at that time is shown in FIG. This means that the scattering intensities a ₁ and b ₁ are equal. Examples of the type of mark in which the detection signal appears in this way include Si steps, and the amount of generated scattering intensities a ₁ and b ₁ changes sensitively depending on the adjustment state of the illumination light.
[0046]
Therefore, as shown in FIG. 8, an optimum illumination is performed using a mark having a detection signal in which the edge signal of the mark is emphasized and the generation amounts of the scattering intensities a ₁ and b ₁ are sensitive to the adjustment state of the illumination light. You may find conditions. However, it can be easily estimated that the present invention can be applied to values or methods defining the symmetry of marks other than those described above, and the application of the present invention can improve the measurement accuracy as described above. .
[0047]
In this embodiment, after aligning the reticle and the wafer as described above, a pattern on the reticle surface is projected and exposed onto the wafer surface, and a semiconductor device is manufactured through the development processing step.
[0048]
Next, the effect of using the acoustooptic element 15 in this embodiment will be described with reference to FIG. The scattering intensities a ₁ and b _{1 in} FIG. 8A represent the scattering intensities of the detection signal of the mark edge at a certain instantaneous time t ₁ , respectively. Further, the scattering intensities a ₂ and b _{2 in} FIG. 8B represent the intensity of the detection signal of the edge of the mark at another instantaneous time t ₂ . These signals a ₁ , b ₁ , a ₂ and b ₂ are functions of the incident angle θ of the illumination light and the integration time ti of photoelectric conversion. That means
a ₁ (θ ₁ , ti ₁ ), b ₁ (θ ₁ , ti ₁ )
a ₂ (θ ₂ , ti ₂ ), b ₂ (θ ₂ , ti ₂ )
It becomes. The acoustooptic device can easily control θ and ti by FM modulation of the applied voltage. Therefore, the optimum θ and ti are found by FM modulation of the applied voltage,
a ₁ + a ₂ = b ₁ + b ₂
Has achieved. That is, the above problem is easily solved by using an acoustooptic device. In particular, unlike scanning with a mirror or the like, an optimal illumination condition is found more easily by changing θ and ti at high speed and stepwise using an acousto-optic element.
[0049]
As described above, according to the present embodiment, the illumination light is symmetrically illuminated in the measurement direction with respect to a mark or the like having a step structure, thereby suppressing measurement errors due to the difference in edge scattering characteristics in the step structure. .
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, as described above, by appropriately configuring a detection system for detecting the alignment mark, it is possible to reduce a decrease in the detected light amount, and to easily achieve a uniform light amount distribution on the pupil plane, Position detection apparatus capable of detecting position information of a position detection mark with high accuracy, aligning a mask and a wafer with high accuracy, and easily manufacturing a highly integrated semiconductor device, and a semiconductor using the same A device manufacturing method can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a main part of a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a part of FIG. 1. FIG. 3 is a schematic diagram of a main part of a conventional position detection device. FIG. 5 is a schematic diagram of the main part of the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is an explanatory diagram of ideal illumination light and the edge detection signal of the mark. FIG. 8 is a schematic diagram of scanning illumination light and an explanatory diagram of a measurement signal. FIG. 8 is an explanatory diagram of a difference in the mark signal caused by the difference in the illumination light incident angle θ and the signal capture integration time ti.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wafer 2 Wafer stage 3 Projection exposure optical system 4, 5 Position detection lens 6a, 6b Illumination system lens 7 Imaging lens 8 Light source 9, 10 with non-uniform light intensity distribution Reflection mirror 11 Fiber 12 Photoelectric conversion element 13 Illumination light (Detection light)
14 Image rotator 15 Acousto-optic element 17 λ / 4 plate 18 Position detection mark 19a Vertical illumination light (ideal illumination light) with respect to the detection surface
19b, 19c Tilt illumination light with respect to detection surface 20 Pupil observation lens 21, 22 Scattered or reflected light of position detection mark 30 Position detection mark centers 31a, 31b Tilt illumination light 32a, 32b Scanned illumination light 41 λ / 2 plate

Claims

Illumination means for illuminating a position detection mark formed on the position detection object with illumination light having a predetermined incident angle, and image formation for forming an image of the position detection mark illuminated by the illumination means on a predetermined surface In the position detection device having the means and the detection means for obtaining the position information of the position detection mark by detecting the position of the image, the position detection apparatus is disposed on or near the pupil plane of the illumination means, and A position detecting device comprising a rotating means capable of rotating an intensity distribution on a pupil plane .

The detecting means has a light receiving element for photoelectrically detecting the image of the position detecting mark, and the rotating means is arranged so that the waveform of the photoelectric detection signal from the light receiving element is symmetric with respect to the center of the position detecting mark. The position detection apparatus according to claim 1, wherein an intensity distribution of illumination light on the pupil plane is rotated .

3. The position detection according to claim 2, wherein the intensity distribution rotating means rotates the intensity distribution of the illumination light on the pupil plane in time so that the waveform of the photoelectric detection signal is symmetrical in time. apparatus.

Claims wherein having an observation optical system for observing a pupil plane of the imaging means, the measurement cross-sectional direction of the mark detecting the position in the pupil plane, characterized in that it a uniform light intensity distribution in a pupil plane 1. A position detection device.

It said position conjugate plane of the detection object plane or the position detecting device according to claim 1, characterized in that it comprises an acoustic optical element arranged in the vicinity thereof.

2. The position detecting apparatus according to claim 1, wherein the rotating means includes an image rotator.

When the wafer is manufactured through a development process after the pattern on the reticle surface is projected onto the wafer surface after the relative alignment between the reticle and the wafer, the position detection formed on the wafer surface is performed. detected using the position detection apparatus according to positional information of the mark to any one of claims 1 to 6, the semiconductor device is characterized in that performing the alignment of the wafer by using the position information Production method.