JPH04143607A - Device for detecting horizontal position - Google Patents

Device for detecting horizontal position

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JPH04143607A
JPH04143607A JP2267930A JP26793090A JPH04143607A JP H04143607 A JPH04143607 A JP H04143607A JP 2267930 A JP2267930 A JP 2267930A JP 26793090 A JP26793090 A JP 26793090A JP H04143607 A JPH04143607 A JP H04143607A
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JP
Japan
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light
irradiation
objective lens
optical system
receiving element
Prior art date
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Application number
JP2267930A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideo Mizutani
英夫 水谷
Naoyuki Kobayashi
直行 小林
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To improve S/N and to enable execution of detection of high precision by a method wherein the direction of illumination on a surface to be inspected is made different from each direction in the directional properties of two directions of a pattern on the surface which intersect each other perpendicularly. CONSTITUTION:In order for a resist applied on a wafer 3 not to be exposed to light, a light flux from a light source 11 supplying a light of a different wavelength from an exposure light is focused on a stop 13 and a light source image is formed. A light flux from the light source image is turned into a parallel light flux through a first relay lens 15 and focused at a focal position through a second relay lens 17. Then, a parallel light flux from an objective lens 18 for illumination having the focus at the focal position of the lens 17 illuminates obliquely an area to be inspected being also an area of exposure on the wafer, at an angle theta of incidence. Patterns formed on areas (WP1 to WP2) to be inspected have directional properties in the directions X and Y intersecting each other perpendicularly, and a construction is so made that the direction of illumination of the parallel light flux from the objective lens 18 for illumination is inclined by an angle gamma in respect to the axis X when the illuminated area 3a is viewed from just above it. By this method, execution of detection of high precision is enabled.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明対物レンズの光軸に対してウェハ面や被検物体面
を垂直位置に正確に設定するための基準位置検出装置、
特に傾斜検出装置に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] A reference position detection device for accurately setting a wafer surface or a test object surface at a perpendicular position to the optical axis of the objective lens of the present invention;
In particular, it relates to an inclination detection device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に集積回路製造用の縮小投影露光装置には大きな開
口数(N、 A、 ’)を有する投影対物レンズが用い
られているため、許容焦点範囲か極めて小さい。
In general, a reduction projection exposure apparatus for manufacturing integrated circuits uses a projection objective lens having a large numerical aperture (N, A, '), so the allowable focal range is extremely small.

このため、ウェハの露光領域を投影対物レンズの光軸に
対して正確な垂直位置に維持しない限り、露光領域全体
にわたって鮮明なパターンの露光を行うことができない
。ウェハ全体は別途に設けられたオートフォーカス機構
によりウェハ面上の3点の検出によって対物レンズの光
軸に対してほぼ垂直に位置合わせされ得るが、ウェハの
大型化やシリコンに代わるガリウム ヒ素等の新素材料
ではウェハ自体の平面性が不安定になるため、ウェハの
部分的な傾斜状態の検出が必要となる。そして、複数回
の露光及び化学処理によりさらにウェハの変形か増大さ
れるため、特に露光領域の正確な傾斜状態の検出が必要
となっていている。
Therefore, unless the exposure area of the wafer is maintained in a precise perpendicular position to the optical axis of the projection objective, it is not possible to expose a clear pattern over the entire exposure area. The entire wafer can be aligned almost perpendicularly to the optical axis of the objective lens by detecting three points on the wafer surface using a separate autofocus mechanism, but as the wafer becomes larger and With new materials, the flatness of the wafer itself becomes unstable, so it is necessary to detect the partially tilted state of the wafer. Since the deformation of the wafer is further increased by multiple exposures and chemical treatments, it is especially necessary to accurately detect the tilted state of the exposed area.

このように、露光領域の正確な傾斜検出することが不可
欠となっているが、かかる露光領域の傾斜を検出する装
置としては、例えば本発明と同一出願人により特開昭5
8−113706号公報において第9図に示す如きコリ
メータ型の傾斜検出装置を提案した。
As described above, it has become essential to accurately detect the inclination of the exposure area. For example, a device for detecting the inclination of the exposure area is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No.
In Japanese Patent No. 8-113706, a collimator-type tilt detection device as shown in FIG. 9 was proposed.

この装置を具体的に説明すると、第9図に示す如く、投
影対物レンズlに関してレチクル2とウェハ3とが共役
に維持され、図示なき照明光学系により照明されたレチ
クル2上のパターンがウェハ3上に縮小投影される。
To explain this apparatus in detail, as shown in FIG. 9, the reticle 2 and the wafer 3 are maintained conjugate with respect to the projection objective lens l, and the pattern on the reticle 2 illuminated by an illumination optical system (not shown) is projected onto the wafer 3. It is reduced and projected onto the top.

一方、投影対物レンズlの光軸に関して対称に照射光学
系10と集光光学系20とが配置されている。
On the other hand, the irradiation optical system 10 and the condensing optical system 20 are arranged symmetrically with respect to the optical axis of the projection objective lens l.

上記露光光とは別波長の光束を供給する照射光学系10
の光源11からの光束はコンデンサーレンズ12により
絞り13の開口部上に集光され、この絞り13上に焦点
を有する照射対物レンズ17により平行光束かウェハ3
上に導かれる。そして、ウェハ3を反射した平行光束は
、集光対物レンズ21により集光され、これの焦点位置
に設けられた4分割受光素子22上で受光される。すな
わち、この4分割受光素子22上では、照射光学系中の
絞り13の像が検出される。
Irradiation optical system 10 that supplies a light beam with a wavelength different from that of the exposure light
The light beam from the light source 11 is focused by a condenser lens 12 onto the aperture of the diaphragm 13, and the irradiation objective lens 17 having a focal point on the diaphragm 13 converts the light beam into a parallel beam or the wafer 3.
be led upwards. The parallel light beam reflected from the wafer 3 is condensed by a condensing objective lens 21, and is received on a four-division light receiving element 22 provided at its focal position. That is, the image of the aperture 13 in the irradiation optical system is detected on this four-part light receiving element 22.

この集光光は、ウェハ3上の露光領域が垂直に保たれて
いる時には、4分割受光素子22の中心で受光され、ウ
ェハ3上の露光領域が垂直面からψだけ傾いている時に
は、ウェハ3で反射される平行光束は、集光光学系20
の光軸20aに対し2ψ傾く。
When the exposure area on the wafer 3 is kept vertical, this condensed light is received at the center of the four-part light receiving element 22, and when the exposure area on the wafer 3 is tilted by ψ from the vertical plane, the wafer 3, the parallel light beam reflected by the condensing optical system 20
is tilted by 2ψ with respect to the optical axis 20a.

従って、受光素子22上での集光点位置によりウェハ3
上の露光領域の傾斜を検出し、制御手段31で受光素子
22上での集光7東Φ変位方向及び量に対応する制御信
号を発生し、駆動手段32により支持装置33を移動さ
せて、ウェハの露光表面の傾斜を補正している。
Therefore, depending on the position of the focal point on the light receiving element 22, the wafer 3
The inclination of the upper exposure area is detected, the control means 31 generates a control signal corresponding to the direction and amount of displacement of the condensed light 7 east Φ on the light receiving element 22, and the drive means 32 moves the support device 33. The tilt of the exposed surface of the wafer is corrected.

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

所定のパターンが形成されているウェハ上に別のパター
ンを重ね焼きする際に、所定のパターンか形成されてい
るウェハ3の露光領域の傾斜状態を検出しようとすると
、このウェハ上のパターンにより照射対物レンズ14か
らの平行光束は回折されて、受光素子22上には、ウェ
ハからの正反射光(0次回先光)による照射光学系中の
絞り13の像か検出されるのみならず、±1.±2−一
一一・±nn次回先光より絞り13の回折像も同時に検
出される。
When overprinting another pattern on a wafer on which a predetermined pattern is formed, when trying to detect the tilted state of the exposure area of wafer 3 on which the predetermined pattern is formed, the irradiation is caused by the pattern on this wafer. The parallel light beam from the objective lens 14 is diffracted, and an image of the aperture 13 in the irradiation optical system due to the specularly reflected light from the wafer (0th order forward light) is detected on the light receiving element 22, as well as ± 1. The diffraction image of the diaphragm 13 is also detected at the same time from the ±2-111·±nn next beam.

例えば、第1O図の(b)に示す如き規則的な凹凸形状
の格子状パターンが形成されたウェハの露光領域が水平
に維持されている場合には、第11図の1))に示す如
く、受光素子22上での回折光強度は左右対称な分布と
なる。そして、この受光素子22はこれの中心位置でこ
の回折光強度の光重心位置を検出できるため、第12図
の(blの点線で示す如く、実際に水平な面を平均面と
して検出することができる。
For example, when the exposure area of a wafer on which a grid-like pattern of regular unevenness is formed as shown in (b) of FIG. 1O is maintained horizontally, as shown in 1)) of FIG. , the diffracted light intensity on the light receiving element 22 has a laterally symmetrical distribution. Since the light-receiving element 22 can detect the light center of gravity of the diffracted light intensity at its center position, it is possible to actually detect a horizontal plane as an average plane, as shown by the dotted line in (bl) in FIG. can.

しかしながら、第10図の(alに示す如き規則的な鋸
状の格子(ブレーズ格子)のパターンが形成されたウェ
ハの露光領域か水平に維持されている場合には、第11
図の(a)に示す如く、受光素子22上での回折光強度
は非対称な分布となり、光重心位置は中心から右側へず
れることになる。従って、この受光素子22は、これの
中心から右側へずれた光重心位置分だけウェハ面の露光
領域か傾斜していると誤検出するため、このずれ分か零
となるように支持装置33によってウェハ面か傾けられ
る。この結果、第12図の(blの点線で示す如く、実
際に傾斜した面を正しい水平な平均面として検出してい
まう。
However, if the exposure area of the wafer on which a regular serrated grating (blazed grating) pattern as shown in FIG. 10 (al) is maintained horizontally,
As shown in (a) of the figure, the intensity of the diffracted light on the light receiving element 22 has an asymmetric distribution, and the light center of gravity shifts to the right from the center. Therefore, this light-receiving element 22 incorrectly detects that the exposure area of the wafer surface is tilted by the light gravity center position shifted to the right from the center of the light-receiving element 22. The wafer surface can be tilted. As a result, as shown by the dotted line (bl) in FIG. 12, an actually inclined surface is detected as a correct horizontal average surface.

このように、従来の装置では、非対称な回折光強度分布
となるようなパターンを持つウェハ面上の露光領域の傾
斜検出には全く対応ができない問題かある。
As described above, the conventional apparatus has a problem in that it is completely unable to detect the inclination of an exposure area on a wafer surface that has a pattern with an asymmetrical diffracted light intensity distribution.

そこで、前述の特開昭58−113706号公報には、
第9図に示した構成に加えて、4分割受光素子22をリ
レーするリレーレンズと、集光光学系21の焦点位置に
微小開口部を有する絞りとを配置することにより、ウェ
ハ上の被検面領域からの不要な回折光は、集光光学系2
1を通過した後、この絞りで除去されるため高精度な検
出が実現できる。
Therefore, in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-open No. 58-113706,
In addition to the configuration shown in FIG. 9, by arranging a relay lens that relays the four-split light receiving element 22 and a diaphragm having a minute aperture at the focal position of the condensing optical system 21, it is possible to Unnecessary diffracted light from the surface area is collected by the condensing optical system 2.
After passing through 1, it is removed by this aperture, so highly accurate detection can be achieved.

しかしなから、この絞りの微小開口部を通過したウェハ
3からの正反射光(0次光)を検出光として取り出して
いるため、受光素子22上で多くの光量か得られないた
め、より安定した高精度な検出か達成できない問題かあ
る。
However, since the specularly reflected light (0th order light) from the wafer 3 that has passed through the micro aperture of this diaphragm is extracted as the detection light, a large amount of light cannot be obtained on the light receiving element 22, making it more stable. However, there are problems in achieving highly accurate detection.

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、受光
素子上での検出光量を格段に向上させることにより、S
/N比をより向上させて、極めて優れた検出精度を達成
し得る傾斜検出装置を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above problems, and by significantly improving the amount of light detected on the light receiving element,
It is an object of the present invention to provide a tilt detection device that can further improve the /N ratio and achieve extremely excellent detection accuracy.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明は、上記の目的を達成するために、第1図に示す
如く、互いに直交した2方向に方向性を持つパターンが
形成された被検面上の所定の領域を所定の共役関係に形
成するための主対物レンズ1と、該主対物レンズの光軸
1a外から前記被検面上へ平行光束を供給するための光
源11と照射対物レンズ18とを有する照射光学系10
と、該照射光学系10から供給され前記被検面上で反射
される光束を受光素子22上で集光させるための集光対
物レンズ21を有する集光光学系20とを設けるととも
に、前記照射光学系lO中に前記受光素子22とほぼ共
役なる位置に所定形状の開口部13を有する絞りを設す
、前記両光学系の光軸10a、 20aを前記主対物レ
ンズの光軸1aに関して対称に配置し、前記受光素子2
2の出力信号に基づいて前記被検面上の共役領域の水平
位置を検出する水平位置検出装置において、 前記照射光学系の光軸10aと前記主対物レンズの光軸
1aとを含む平面と前記被検面の共役領域とが交わる被
検面上での照射方向が、前記被検面上のパターンが持つ
互い直交した2方向の方向性での各々の方向に対して異
なるようにしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention forms a predetermined region on a test surface in which a pattern having directionality in two mutually orthogonal directions is formed in a predetermined conjugate relationship, as shown in FIG. An irradiation optical system 10 includes a main objective lens 1 for the purpose of irradiation, a light source 11 for supplying a parallel light beam onto the test surface from outside the optical axis 1a of the main objective lens, and an irradiation objective lens 18.
and a condensing optical system 20 having a condensing objective lens 21 for condensing the light beam supplied from the irradiation optical system 10 and reflected on the test surface on the light receiving element 22, and A diaphragm having an aperture 13 of a predetermined shape is provided in the optical system IO at a position substantially conjugate with the light receiving element 22, and the optical axes 10a and 20a of both the optical systems are symmetrical with respect to the optical axis 1a of the main objective lens. and the light receiving element 2
2, the horizontal position detection device detects the horizontal position of a conjugate region on the test surface based on the output signal of the irradiation optical system; The irradiation direction on the test surface where the conjugate region of the test surface intersects is different for each of the two mutually orthogonal directions of the pattern on the test surface. be.

そして、上記の基本構成に基づいて、前記絞り13は、
スリット状の開口部を有することが望ましい。
Based on the above basic configuration, the diaphragm 13 is
It is desirable to have a slit-like opening.

より好ましき構成は、前記照射光学系の光軸10aと前
記主対物レンズの光軸1aとを含む平面と前記被検面の
共役領域とが交わる被検面上での照射方向と、前記被検
面上のパターンが持つ互い直交した2方向の方向性での
各々の方向の内の一方の方向とのなす角をγとし、前記
主対物レンズの光軸1aと前記照射光学系の光軸10a
とのなす角をθとするとき、以下の条件を満足すること
が良い。
A more preferable configuration is that the irradiation direction on the surface to be inspected is such that a plane including the optical axis 10a of the irradiation optical system and the optical axis 1a of the main objective lens intersects a conjugate region of the surface to be inspected; Let γ be the angle formed by one of the two mutually orthogonal directions of the pattern on the test surface, and the optical axis 1a of the main objective lens and the light of the irradiation optical system. Axis 10a
When the angle formed with is θ, it is preferable that the following conditions are satisfied.

tan−1(cos  θ)≦γ≦tan −’  (
1/cos  θ)〔作 用〕 第9図に示した従来の構成における照射光学系10から
の平行光束がウェハ上に形成されたパターンを照射した
際に、受光素子22上においてこのパターンから発生す
る回折光の様子について見る。
tan-1(cos θ)≦γ≦tan-' (
1/cos θ) [Function] When the parallel light beam from the irradiation optical system 10 in the conventional configuration shown in FIG. Let's look at the state of the diffracted light.

第13図はウェハ3上の被検面を真上から見た時の様子
を示しており、ウェハ3上には互いに直交したX、 X
方向において、所定の等しいピッチ(X方向ではP、、
X方向ではPア)を有する2次元的な回折格子状のパタ
ーンが形成されている。
FIG. 13 shows the surface to be tested on the wafer 3 viewed from directly above.
in the direction, with a predetermined equal pitch (P in the X direction,
In the X direction, a two-dimensional diffraction grating-like pattern having P a) is formed.

今、照射対物レンズ18からの平行光束の照射方向を、
ウェハ上に形成されているパターンの方向と等しいX方
向とし、照射光学系10からの千行光束かウェハ3上の
回折格子状のパターンを直径りの円形の照射領域3aて
照射するものとする。
Now, the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation objective lens 18 is
The X direction is the same as the direction of the pattern formed on the wafer, and the irradiation optical system 10 irradiates the diffraction grating pattern on the wafer 3 with a circular irradiation area 3a. .

すると、この照射領域3a内の回折格子パターンにより
回折光か発生する。
Then, diffracted light is generated by the diffraction grating pattern within the irradiation area 3a.

これをより具体的かつ説明を簡単にするために、照射領
域3aの中心を原点0としてXY座標をとり、照射対物
レンズ18の光軸10a上を進行する光線を考えると、
第14図に示す如く、ウェハ上の2次元的な格子パター
ンにより0次回先光(正反射光)は集光対物レンズ21
の光軸2Oa上を進行し、±1次回折光は、この集光対
物レンズ21の光軸20aを原点0′ とした仮想平面
PのX’ Y’座標の直交したX’ Y’力方向広がる
。そして、受光素子22上は、集光対物レンズ21の焦
点位置に、即ち瞳位It(フーリエ面)に配置されてい
るため、受光素子22上でのこれらの回折光は、フラン
フォーファー回折として解析することができる。
To make this more concrete and easy to explain, let us take the XY coordinates with the center of the irradiation area 3a as the origin 0, and consider a ray traveling on the optical axis 10a of the irradiation objective lens 18.
As shown in FIG. 14, due to the two-dimensional lattice pattern on the wafer, the 0th order forward light (regularly reflected light) is focused on the condensing objective lens 2.
Proceeding on the optical axis 2Oa of . Since the light-receiving element 22 is placed at the focal point of the condensing objective lens 21, that is, at the pupil position It (Fourier plane), these diffracted lights on the light-receiving element 22 are processed as Franhofer diffraction. can be analyzed.

そこで、集光対物レンズ21の光軸20aと照射領域3
aのX軸(仮想平面PではX°軸)とを含む平面内で発
生する±1次回折光の集光対物レンズ21の光軸20a
に対する回折角をα8とし、集光対物レンズ22の光軸
20aと照射領域3aのY軸(仮想平面PではY′軸)
とを含む平面内で発生する±1次回折光の集光対物レン
ズ22の光軸20aに対する回折角をα2、水平位置検
出装置の光源波長をλ、前記主対物レンズIの光軸1a
と前記照射対物レンズ18の光軸10aとのなす角をθ
とするとき、次式の如くなる。
Therefore, the optical axis 20a of the condensing objective lens 21 and the irradiation area 3
Optical axis 20a of the condensing objective lens 21 for the ±1st-order diffracted light generated within a plane including the X axis of a (X° axis in the virtual plane P)
The diffraction angle is α8, and the optical axis 20a of the condensing objective lens 22 and the Y axis of the irradiation area 3a (Y' axis in the virtual plane P)
α2 is the diffraction angle of the ±1st-order diffracted light generated in a plane containing the optical axis 20a of the condensing objective lens 22, λ is the light source wavelength of the horizontal position detection device, and is the optical axis 1a of the main objective lens I.
The angle formed by the optical axis 10a of the irradiation objective lens 18 is θ
Then, the following equation is obtained.

λ 5in(θ+a、 )  = −+sin  θ  −
−(11P。
λ 5in(θ+a, ) = −+sin θ −
-(11P.

λ sin  αア=           −−・−(2
)Y そして、±1次回折光の回折角は小さいため、sin 
all#a、 、sin a、 岬α、 、cos a
t #l、cosar#1とすると、上式(1)及び(
2)は、λ λ αア = Y となる。
λ sin αa = −−・−(2
)Y And since the diffraction angle of the ±1st-order diffracted light is small, sin
all#a, , sin a, cape α, , cos a
t #l, cosar #1, the above equations (1) and (
2) becomes λ λ αa = Y.

次に、 第13図に示した被検領域中の2次元格子パターンによ
り発生する受光素子22上での回折光の様子について見
る。
Next, the state of the diffracted light on the light receiving element 22 generated by the two-dimensional grating pattern in the test area shown in FIG. 13 will be explained.

今、照射光学系10からの平行光束により照射される円
形状の照射領域3a内のウェハ3上の被検領域WP、が
水平な状態であるものとし、受光素子22の受光面22
aの形状を矩形、受光素子22と共役な位置に配置され
た絞り13の開口部の形状を円形とすると、第15図に
示す如く、絞り13の像Sは受光素子22上の受光面2
2aの中心に形成される。
Now, it is assumed that the test area WP on the wafer 3 within the circular irradiation area 3a irradiated by the parallel light beam from the irradiation optical system 10 is in a horizontal state, and the light receiving surface 22 of the light receiving element 22
Assuming that the shape of a is rectangular and the shape of the aperture of the aperture 13 disposed at a position conjugate with the light receiving element 22 is circular, the image S of the aperture 13 is formed on the light receiving surface 2 on the light receiving element 22, as shown in FIG.
It is formed at the center of 2a.

ここで、受光素子22の受光面22a上の中心を原点O
とするxy座漂は、第14図に示したウェハ3上の照射
領域3aの中心としたXY座標及び集光対物レンズ21
の光軸20aを原点とした仮想平面PのX’ Y’座標
に対応している。
Here, the center on the light receiving surface 22a of the light receiving element 22 is the origin O
The xy drift is determined by the XY coordinates of the center of the irradiation area 3a on the wafer 3 and the focusing objective lens 21 shown in FIG.
This corresponds to the X'Y' coordinates of a virtual plane P whose origin is the optical axis 20a.

従って、第14図にて示した±1次回折光(D〜D、)
は、受光素子22上の受光面22aのxy軸上に沿って
絞り13の開口部の±1回折像(DS。
Therefore, the ±1st-order diffracted light (D to D,) shown in FIG.
is a ±1 diffraction image (DS) of the aperture of the aperture 13 along the xy axis of the light receiving surface 22a on the light receiving element 22.

〜DS、)が2次元的に形成される。~DS,) is formed two-dimensionally.

今、受光素子の受光面22aの中心からx、y方向での
±1回折像(DS、〜DS4)の中心までの距離をそれ
ぞれI!1.!、とし、集光対物レンズ21の焦点距離
をf、x方向での受光素子22の受光面22aの長さを
り、、y方向での受光素子22の受光面22aの長さを
Lア、絞り13の像S(回折像DS、)の半径をrとし
、さらに第14図に示した、集光対物レンズ21の光軸
20aと照射領域3aのX軸(仮想平面PではX゛軸)
とを含む平面内で発生する±1次回折光の集光対物レン
ズ21の光軸20aに対する回折角をα1、集光対物レ
ンズ21の光軸20aと照射領域3aのY軸(仮想平面
PではY″軸)とを含む平面内で発生する±1次回折光
の集光対物レンズ21の光軸20aに対する回折角をα
Now, the distances from the center of the light-receiving surface 22a of the light-receiving element to the centers of ±1 diffraction images (DS, to DS4) in the x and y directions are respectively I! 1. ! , the focal length of the condensing objective lens 21 is f, the length of the light receiving surface 22a of the light receiving element 22 in the x direction is L, the length of the light receiving surface 22a of the light receiving element 22 in the y direction is L, and the aperture 13 The radius of the image S (diffraction image DS) is r, and the optical axis 20a of the condensing objective lens 21 and the X axis of the irradiation area 3a (X' axis in the virtual plane P) shown in FIG.
The diffraction angle with respect to the optical axis 20a of the condensing objective lens 21 of the ±1st-order diffracted light generated in a plane including α is the diffraction angle of the ±1st-order diffracted light generated in a plane including
.

とすると、受光素子22の受光面22aのとりつる大き
さは1次式の如くなる。
Then, the size of the light-receiving surface 22a of the light-receiving element 22 is expressed by a linear equation.

1、=fα、≧□ + r     −−−−(5)L
1, = fα, ≧□ + r −−−− (5) L
.

lア=fα、≧□十r    −(6)そして、この(
5)、 +6+式に上式(3)、 (41をそれぞれ代
入すると、以下の如くなる。
la=fα, ≧□r−(6) and this (
By substituting the above equations (3) and (41) into the equations 5) and 6+, the following results are obtained.

2 f λ PxCOS  θ P。2 f λ PxCOS θ P.

従って、この(7)式、(8)式を満足するように受光
素子22の受光面の大きさを選択することにより、検出
誤差を招く回折光を除去できる。
Therefore, by selecting the size of the light-receiving surface of the light-receiving element 22 so as to satisfy equations (7) and (8), it is possible to remove the diffracted light that causes detection errors.

さらに、第13図に示した如く、照射領域3a内のY軸
、Y軸において2次元格子パターンかそれぞれN、個、
NY個だけ含まれているとすると、上式(7)、(8)
は次式の如(なる。
Furthermore, as shown in FIG. 13, there are N, N, two-dimensional grid patterns on the Y-axis and
Assuming that only NY items are included, the above formulas (7) and (8)
is as follows.

Dcos  θ 2N、f λ Lア +2r≦ −・−m 一例として、N t = N y = 10、D = 
20mm、 λ=700nm 、  θ=75°とする
と、(9)式及びαα式より、L x + 2 r≦0
.135mm L、+2r≦0.035mm となる。そして、絞り13の像の半径rが0.01mm
であるとすると、 L、  ≦0.115mm L、  ≦0.015+nm となる。
D cos θ 2N, f λ L +2r≦ −・−m As an example, N t = N y = 10, D =
20mm, λ=700nm, θ=75°, then from equation (9) and αα equation, L x + 2 r≦0
.. 135mm L, +2r≦0.035mm. The radius r of the image of the aperture 13 is 0.01 mm.
Assuming that, L, ≦0.115 mm L, ≦0.015+nm.

従って、受光素子の大きさを0.015mm XO,1
15mm(L□×Lア)以下とすれば、受光素子22は
不要な回折光による像(DS、−DS4)を検出するこ
となく、必要な正反射光による像Sを検出できるため、
高精度な被検面の検出が可能となる。
Therefore, the size of the light receiving element is set to 0.015 mm XO,1
If it is 15 mm (L x L a) or less, the light receiving element 22 can detect the image S due to the necessary specular reflection light without detecting the image (DS, -DS4) due to unnecessary diffracted light.
Highly accurate detection of the test surface is possible.

また、先にも述べた如く、第9図に示した構成に加えて
、4分割受光素子22をリレーするリレーレンズと、集
光対物レンズ21の焦点位置に微小開口部を有する絞り
とを配置した場合にも、上記(9)式及びαα式を満足
すように集光対物レンズ21の焦点位置に設けられた絞
りの開口部を構成とすることにより、必要な正反射光に
よる絞り13の像Sのみを検出できるという効果を有す
る。
In addition, as mentioned above, in addition to the configuration shown in FIG. Even in this case, by configuring the opening of the diaphragm provided at the focal position of the condensing objective lens 21 so as to satisfy the above equations (9) and αα, the diaphragm 13 can be filled with the necessary specularly reflected light. This has the effect that only the image S can be detected.

ところが、受光素子22と共役な位置に設けられた照射
光学系中の絞りによって制限された点光源の像しか受光
素子22上では得られず、しかも回折光を除去している
ため、被検面の水平検出をするための検出光の光量が微
弱となる。
However, only a point light source image limited by the diaphragm in the irradiation optical system provided at a position conjugate with the light receiving element 22 can be obtained on the light receiving element 22, and since diffracted light is removed, The amount of detection light for horizontal detection becomes weak.

従って、検出精度は受光素子22の性能に大きく左右さ
れるのみならず、S/N比の劣化を免れることができず
、より安定しかつ高精度な被検面の水平位置の検出が望
めない。
Therefore, the detection accuracy not only greatly depends on the performance of the light receiving element 22, but also deterioration of the S/N ratio cannot be avoided, and more stable and highly accurate detection of the horizontal position of the test surface cannot be expected. .

そこで、本発明は、被検面上に形成された2次元パター
ンに対し照射光束の照射方向による回折光の方向性に着
目し、検出光量を大幅に増大させて検出精度を格段に向
上させ得る水平位置検出装置の最適な構成を見出したも
のである。
Therefore, the present invention focuses on the directionality of the diffracted light depending on the irradiation direction of the irradiation light beam with respect to the two-dimensional pattern formed on the surface to be inspected, and it is possible to significantly increase the amount of detected light and significantly improve the detection accuracy. The optimal configuration of the horizontal position detection device has been discovered.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の実施例についての構成図であり、第9
図と機能的に同一の部材については同一の記号を付しで
ある。そして、この第1図を参照しながら本発明につい
て説明する。
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention, and FIG.
The same symbols are attached to the members that are functionally the same as those in the figures. The present invention will be explained with reference to FIG.

図示の如く、レチクル2とウェハ3はそれぞれ主対物レ
ンズとしての投影対物レンズlに関して共役な位置に維
持されており、レチクル2上のパターンが図示していな
い照明光学系によって照明されて、ウェハ3上に縮小投
影される。このようなウェハ3の焼付露光はステップ、
アンド、リピート方式と呼ばれ、ウェハ3を所定量だけ
移動させて繰り返し露光を行うものである。
As shown, the reticle 2 and the wafer 3 are each maintained at a conjugate position with respect to the projection objective l as the main objective lens, and the pattern on the reticle 2 is illuminated by an illumination optical system (not shown), and the wafer 3 is It is reduced and projected onto the top. The printing exposure of the wafer 3 is performed in steps,
This is called the AND/REPEAT method, in which the wafer 3 is moved by a predetermined amount and exposure is performed repeatedly.

投影対物レンズlの光軸に対して対称に照明光学系lO
と集光光学系20とが斜設されており、この両光学系に
より水平位置検出装置が構成される。
Illumination optical system lO symmetrically with respect to the optical axis of projection objective l
and a condensing optical system 20 are installed diagonally, and these two optical systems constitute a horizontal position detection device.

照明光学系lOは、光源11、コンデンサーレンズ12
、紙面と垂直な方向に長手方向を有するスリット状の開
口部を持つ絞り13、反射鏡14、第1リレーレンズ、
検出範囲を制限する視野絞り16、第2リレーレンズ1
7、照射対物レンズ18とがらなる。
The illumination optical system IO includes a light source 11 and a condenser lens 12.
, an aperture 13 having a slit-shaped opening having a longitudinal direction perpendicular to the paper surface, a reflecting mirror 14, a first relay lens,
Field diaphragm 16 and second relay lens 1 that limit the detection range
7. Consists of an irradiation objective lens 18.

この照明光学系装置において、ウェハ3上に紛布された
レジストを感光させないために、露光光とは異なる波長
光を供給する光源11からの光束はコンデンサー12に
よって絞り13上で集光され、ここに光源像が形成され
る。そして、この光源像からの光束は、反射鏡14を反
射した後、絞り13上に焦点を有する第1リレーレンズ
15によって平行光束となり、視野絞り16を通過して
第2リレーレンズ17によりこれの焦点位置に集光され
る。その後、この第2リレーレンズ17の焦点(集光)
位置に焦点を存する照射対物レンズ18からの平行光束
かウェハ上の露光領域でもある被検領域を入射角θで斜
め照明する。
In this illumination optical system, in order to prevent the resist spread on the wafer 3 from being exposed to light, a light beam from a light source 11 that supplies light with a wavelength different from that of the exposure light is condensed by a condenser 12 on an aperture 13. A light source image is formed. The light flux from this light source image is reflected by the reflecting mirror 14, then becomes a parallel light flux by the first relay lens 15 having a focal point on the aperture 13, passes through the field aperture 16, and is converted into a parallel light flux by the second relay lens 17. The light is focused at the focal point. After that, the focus (focusing) of this second relay lens 17
A parallel light beam from an irradiation objective lens 18 having a focal point at a certain position obliquely illuminates a test region, which is also an exposure region on a wafer, at an incident angle θ.

この被検領域(WP+〜WP、)上に形成されたパター
ンは、第2図に示す如く、互いに直交したXX方向に方
向性を育し、この照射領域3aを真上から見た時の照射
対物レンズ18からの平行光束の照射方向はX軸に対し
て角度γだけ傾くように構成されている。この構成によ
り、受光素子上における被検面のパターンからの回折光
の発生する方向をコントロールでき、上記絞り13の開
口部の形状に合わせて受光素子の受光の形状を大きくす
ることができる。これについては、後で詳述する。
As shown in FIG. 2, the pattern formed on this test area (WP+ to WP) has directionality in the XX directions perpendicular to each other, and the irradiation area 3a is irradiated when viewed from directly above. The irradiation direction of the parallel light beam from the objective lens 18 is configured to be inclined by an angle γ with respect to the X axis. With this configuration, the direction in which diffracted light is generated from the pattern of the surface to be detected on the light receiving element can be controlled, and the shape of the light receiving element of the light receiving element can be enlarged in accordance with the shape of the aperture of the aperture 13. This will be explained in detail later.

視野絞り16は第2リレーレンズ17と照射対物レンズ
18とに関してウェハ上の被検領域(露光領域WP+〜
wp、 >と共役に配置されており、視野絞り16の開
口部の像か例えば矩形の露光領域とばば同じ大きさとな
るように形成される。これを換言すれば、照射光学系1
0からの平行光束により照射される被検領域上での照射
領域3aは、ウェハ3上の露光領域(WP 、〜WP、
)とほぼ一致するように形成される。
The field diaphragm 16 is connected to the test area on the wafer (exposure area WP+~
wp, >, and is formed so that the image of the aperture of the field stop 16 has the same size as, for example, a rectangular exposure area. In other words, the irradiation optical system 1
The irradiation area 3a on the test area irradiated by the parallel light beam from 0 is the exposure area (WP, ~WP,
) is formed to approximately match the

例えば、照射領域3aの形状は、第3図の(a)及び(
blに示す如く、矩形状の露光領域WP6に内接あるい
は外接する円領域となるように、円形の開口部を有する
視野絞り16はアオリの原理により光路中に斜設されて
いる。
For example, the shape of the irradiation area 3a is as shown in (a) and (
As shown in bl, the field diaphragm 16 having a circular opening is provided obliquely in the optical path according to the tilt principle so as to form a circular area inscribed or circumscribed in the rectangular exposure area WP6.

なお、この斜設した円形の開口部を有する視野絞り16
の代わりに、楕円形状の開口部を有する視野絞りを光路
と垂直に配置し、照射領域3aか矩形状の露光領域WP
、に内接あるいは外接する円領域となるようにしても良
い。また、第3図の(C1に示す如く、照射領域3aの
形状は円形に限ることなく、視野絞り16の開口部形状
を矩形にして、矩形の露光領域WP5とほぼ一致させる
ようにしても良い。
Note that the field stop 16 having this obliquely provided circular opening
Instead, a field stop having an elliptical opening is arranged perpendicular to the optical path, and the irradiation area 3a or the rectangular exposure area WP is
, may be a circular area inscribed or circumscribed by . Furthermore, as shown in FIG. 3 (C1), the shape of the irradiation region 3a is not limited to a circle, and the opening shape of the field stop 16 may be made rectangular so that it almost coincides with the rectangular exposure region WP5. .

さらには、特開平1−164033号公報に開示されて
いる如く、露光領域の形状変化に応じて照射領域を変更
できるようにしても良い。
Furthermore, as disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-164033, the irradiation area may be changed in accordance with changes in the shape of the exposure area.

さて、集光光学系20は集光対物レンズ21と受光素子
としての4分割受光素子22とがらなる。
Now, the condensing optical system 20 consists of a condensing objective lens 21 and a four-part light receiving element 22 as a light receiving element.

照射光学系lOからの平行光束は、被検面としてのウェ
ハ3上で反射され、集光対物レンズ21によってこれの
焦点位置に設けられた4分割受光素子22上で集光され
る。
The parallel light beam from the irradiation optical system 10 is reflected on the wafer 3 as the surface to be inspected, and is focused by the condensing objective lens 21 on the four-divided light receiving element 22 provided at its focal position.

この4分割受光素子22の受光面22aは紙面方向に長
手方向を有する矩形状(長方形状)で形成されており、
この受光面22aの大きさは、被検面でのパターンによ
る不要な回折光を排除できるような所定の大きさで形成
されている。
The light-receiving surface 22a of this four-part light-receiving element 22 is formed in a rectangular shape (rectangular shape) having a longitudinal direction in the plane of the paper.
The light-receiving surface 22a is formed to a predetermined size so as to eliminate unnecessary diffracted light due to the pattern on the surface to be measured.

以上の構成により、この4分割受光素子22の受光面に
は、絞り13のスリット状の開口部の像Sが形成される
ため、受光できる光量を大幅に増大でき、格段に安定か
つ高精度な水平位置検出か達成できる。
With the above configuration, the image S of the slit-shaped aperture of the diaphragm 13 is formed on the light-receiving surface of the four-part light-receiving element 22, so the amount of light that can be received can be greatly increased, resulting in a much more stable and highly accurate light receiving surface. Horizontal position detection can be achieved.

なお、この4分割受光素子22は、レチクル3の結像面
3aの傾きとウェハ3の上面の傾きとが一致したときに
照射光学系10からの光束か4分割受光素子22の受光
面の中心に集光されるようにな位置に予め設定されてい
る。
Note that this 4-split light-receiving element 22 is configured such that when the inclination of the image-forming surface 3a of the reticle 3 and the inclination of the upper surface of the wafer 3 match, the light beam from the irradiation optical system 10 or the center of the light-receiving surface of the 4-split light-receiving element 22 The position is set in advance so that the light is focused on the

なお、上記構成による傾斜検出の動作については、従来
技術の項目で説明した特開昭58−113706号公報
と同一なのでこれについての説明を省略する。
Note that the operation of detecting inclination with the above configuration is the same as that in Japanese Patent Application Laid-open No. 113706/1983 described in the section of the prior art, so a description thereof will be omitted.

次に、以上の構成による本発明の実施例についての原理
を説明する。この説明に先立って、まず照射対物レンズ
18からの平行光束の照射方向を被検面上のパターンの
方向に対して傾けた場合についての受光素子22上での
回折の現象について説明する。
Next, the principle of the embodiment of the present invention having the above configuration will be explained. Prior to this explanation, first, the phenomenon of diffraction on the light receiving element 22 will be explained when the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation objective lens 18 is tilted with respect to the direction of the pattern on the test surface.

ここで、受光素子22と共役な位置に設けられた照射光
学系IO中に絞り13の開口部形状は上述したスリット
状とは異なる従来のものと同様な円形であるものとする
。また、説明を簡単にするために、第4図に示す如く、
互いに直交したX、 X方向において、所定の等しいピ
ッチ(X方向ではP工。
Here, it is assumed that the aperture shape of the diaphragm 13 in the irradiation optical system IO provided at a position conjugate with the light receiving element 22 is a circular shape similar to the conventional one, which is different from the above-mentioned slit shape. In addition, in order to simplify the explanation, as shown in Fig. 4,
A predetermined equal pitch in the X and X directions, which are orthogonal to each other (P work in the X direction).

X方向ではP、)を有する2次元的な回折格子状のパタ
ーンが形成されているものとし、被検面上に形成されて
いる2次元回折パターンのX、 Y方向でのピンチ(P
、、Pア)は共に等しいピッチPとする。
It is assumed that a two-dimensional diffraction grating-like pattern with P, ) in the X direction is formed, and a pinch in the X and Y directions of the two-dimensional diffraction pattern formed on the test surface is
, , Pa) are both assumed to have the same pitch P.

本発明の実施例では、前述の如く、このウェハ3上を真
上で見たときに、照射光学系lOからの平行光束の照射
方向を、2次元的な回折格子状のパターンの形成されて
いるX、X方向に対して異なる(非平行となる)ように
しており、すなわち、照射光学系10からの平行光束の
照射方向をウェハ3上の回折格子状のパターンのX方向
に対してγだけ傾けている。
In the embodiment of the present invention, as described above, when the wafer 3 is viewed directly above, the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system 1O is controlled by the formation of a two-dimensional diffraction grating pattern. In other words, the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system 10 is γ with respect to the X direction of the diffraction grating pattern on the wafer 3. I'm only tilting it.

これにより、受光素子22の受光面では、第5図に示す
如く、±1次回折光による絞り13の像(DS1〜DS
、)が発生する方向が変化し、y′はX軸に対しβだけ
傾き、X°軸はX軸に対しδだけ傾く。そして、±1次
回折光による絞り13の像(DS、〜DS4)は、原点
0から等しい距離だけ離れた位置に発生する。
As a result, on the light-receiving surface of the light-receiving element 22, as shown in FIG.
, ) changes, y' is tilted by β with respect to the X axis, and the X° axis is tilted by δ with respect to the X axis. The images (DS, to DS4) of the diaphragm 13 formed by the ±1st-order diffracted light are generated at positions separated by the same distance from the origin 0.

このため、絞り13の回折像(DS、〜DS、)をX方
向に大きく伸ばしても、この回折像(DS〜DS、)か
検出されることがない。従って、絞りI3の開口部の形
状を例えば長方形状にすれば、第6図に示す如く、受光
素子上において、検出されるための絞り13の像Sの面
積か増大し、これによる検出光量を格段に大きくするこ
とができる。
Therefore, even if the diffraction image (DS, to DS,) of the aperture 13 is extended greatly in the X direction, this diffraction image (DS to DS,) will not be detected. Therefore, if the shape of the aperture of the diaphragm I3 is made rectangular, for example, as shown in FIG. It can be made significantly larger.

そこで、この被検面上に形成された2次元パターンに対
する照射光束の照射方向による受光素子上での回折光の
方向性に着目し、第6図の場合での回折現象を解析する
Therefore, focusing on the directionality of the diffracted light on the light receiving element depending on the irradiation direction of the irradiation light beam with respect to the two-dimensional pattern formed on the surface to be inspected, the diffraction phenomenon in the case of FIG. 6 will be analyzed.

回折像(DS、−DS、)についてのx、  yの各成
分方向での原点0からの長さは、集光対物レンズ21の
焦点距離をf、被検面上に形成されている2次元回折パ
ターンのX、X方向でのピッチ(P、、P、)をPとす
るとき、次式の関係が成立する。尚、この事は第5図で
も同様に成立し、これらは、回折角が小さい場合、すな
わちλ/2(lとした場合での近似である。
The length of the diffraction image (DS, -DS,) from the origin 0 in each component direction of x and y is determined by the focal length of the condensing objective lens 21 being f, and the length of the two-dimensional image formed on the test surface. When the pitch (P, , P,) of the diffraction pattern in the X and X directions is P, the following relationship holds true. Incidentally, this holds true in FIG. 5 as well, and these are approximations when the diffraction angle is small, that is, when λ/2 (l).

tan γ  cos θ tan  δ= cos  θ・tan  7  ”−
””’αG従って、X方向での受光素子22の受光面2
2aの長さをLつ、X方向での受光素子22の受光面2
2aの長さをり、、X方向での絞り13の像S(回折像
DS、’)の長さをS!、X方向での絞り13の像S(
回折像DS、 )の長さをSア、照射領域の直径をD、
照射領域3a内のX軸、Y軸において2次元格子パター
ンがそれぞれN8個、Nv個だけ含まれているとすると
、受光素子22の受光面22aの大きさは、上式011
゜ α2゜ 0組 α9より 一−−−−αη ・−・−■ となり、上式を全て同時に満足するように構成すること
が好ましい。
tan γ cos θ tan δ= cos θ・tan 7 ”−
""'αG Therefore, the light receiving surface 2 of the light receiving element 22 in the X direction
The length of 2a is L, and the light receiving surface 2 of the light receiving element 22 in the X direction
2a, the length of the image S (diffraction image DS,') of the aperture 13 in the X direction is S! , the image S of the aperture 13 in the X direction (
The length of the diffraction image DS, ) is Sa, the diameter of the irradiation area is D,
Assuming that the irradiation area 3a includes N8 and Nv two-dimensional lattice patterns on the X-axis and Y-axis, respectively, the size of the light-receiving surface 22a of the light-receiving element 22 is determined by the above formula 011.
From the set α9 of ゜α2゜0, 1---αη .

但し、Nx =Ny 、  tanβ= cos  θ
/lanγ、tanδ=tan7−CO3θである。
However, Nx = Ny, tanβ = cos θ
/lanγ, tanδ=tan7−CO3θ.

ここで、0〈β≦45°とすると、第6図からも分かる
ように、I y’、≧I!y’アとなり、検出に不要と
なる絞り13の像(DSa 、DSa)を検出させない
ためには、I!y’、の長さのみを考慮すれば良い。す
なわち、αη式満足するようなX方向での受光素子22
の受光面の大きさを考慮すれば良く、これによりX方向
での受光素子22の受光面を任意に長くすることができ
る。
Here, if 0<β≦45°, as can be seen from FIG. 6, I y', ≧I! In order to avoid detecting the image of the aperture 13 (DSa, DSa) which becomes y'a and is unnecessary for detection, I! It is sufficient to consider only the length of y'. In other words, the light receiving element 22 in the X direction that satisfies the αη equation
The size of the light-receiving surface of the light-receiving surface of the light-receiving element 22 in the X direction can be made arbitrarily long.

また、これと同様に、0くδ≦45°とすると、12 
X’、≧lx’アとなり、検出に不要となる絞り13の
像(DS、、DS、)を検出させないためには、ix’
、の長さのみを考慮すれば良い。すなわち、09式満足
するようなX方向での受光素子22の受光面の大きさを
考慮すれば良く、上記と同様にX方向での受光素子22
の受光面を任意に長くすることができる。
Similarly, if 0 and δ≦45°, then 12
X', ≧lx'a, and in order not to detect the image of the aperture 13 (DS, DS,) which is unnecessary for detection, ix'
, only the length of . In other words, it is sufficient to consider the size of the light receiving surface of the light receiving element 22 in the X direction that satisfies formula 09, and similarly to the above, the size of the light receiving surface of the light receiving element 22 in the
The light-receiving surface of can be made arbitrarily long.

そこで、上述の如く受光素子22の受光面の一方向での
長さを長くできる場合において、被検面上に形成された
2次元的なパターンか形成されるX。
Therefore, when the length of the light-receiving surface of the light-receiving element 22 in one direction can be increased as described above, a two-dimensional pattern X is formed on the surface to be inspected.

X方向に対して、照射光学系10からの平行光束の照射
方向が傾けられ得る最適な範囲について第7図を参照し
なから説明する。
The optimum range in which the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system 10 can be tilted with respect to the X direction will be described without reference to FIG.

第7図の(alに示す如く、±1次回折像(DS2、D
S、)が受光素子22上の検出面でのX軸に対しβ=4
5°だけ傾いたy′輪軸上発生する場合において、被検
面上に形成された2次元的なパターンか形成されるX方
向に対する照射光学系lOからの平行光束の照射方向の
傾きγは、03式より、7=tan ”’ (cosθ
)−−(21)となる。
As shown in Figure 7 (al), the ±1st order diffraction images (DS2, D
S, ) is β=4 with respect to the X axis on the detection surface on the light receiving element 22.
In the case of occurrence on the y′ wheel axis tilted by 5°, the inclination γ of the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system lO with respect to the X direction in which the two-dimensional pattern formed on the test surface is formed is: From formula 03, 7=tan "' (cosθ
) --(21).

また、X軸に対しδだけ傾いたX′細軸上±1次回折像
(DS、 、DS、)か発生し、この時のδの値は、α
3式、 05式より、 δ=tan −1(cos” θ)      ・−一
−−(22)となる。
In addition, a ±1st-order diffraction image (DS, , DS,) on the X′ fine axis tilted by δ with respect to the X axis is generated, and the value of δ at this time is α
From Equations 3 and 05, δ=tan −1(cos” θ) ·−1−(22).

例えば、照射光学系lOからの平行光束の入射角をθ(
照射光学系の光軸10aと主対物レンズの光軸1aとの
なす角)を75°とすると、δ= 3.83°となり、
上式(21)より、γ=14.51 ’となる。
For example, the incident angle of the parallel light beam from the irradiation optical system IO is set to θ(
If the angle between the optical axis 10a of the irradiation optical system and the optical axis 1a of the main objective lens is 75°, then δ=3.83°,
From the above equation (21), γ=14.51'.

従って、この場合には、ZYx≦l X’ 、どなるの
で、受光素子22の受光面は、I!y’ 、の大きさを
考慮すれば良く、X方向において上式αηを満足するよ
うな大きさで構成すれば、X方向では任意に大きくする
ことができる。
Therefore, in this case, ZYx≦l X', so the light receiving surface of the light receiving element 22 is I! It is sufficient to consider the size of y', and as long as it is configured to a size that satisfies the above expression αη in the X direction, it can be made arbitrarily large in the X direction.

次に、第7図のfalに示した状態からγの値を小さく
して、受光素子22上の検出面でのX軸に対し±1次回
折像(DSt 、DS、)か発生するy゛軸とのなす角
βと、X軸に対し±1次回折像(DSI、DS2)か発
生するX°軸とのなす角δとが等しくなる第7図の(b
)に示す如き場合について見る。
Next, by decreasing the value of γ from the state shown in fal in FIG. 7, ±1st-order diffraction images (DSt, DS,) are generated with respect to the (b) in Fig. 7, where the angle β with the axis is equal to the angle δ with the
).

この状態での被検面上に形成された2次元的なパターン
か形成されるX方向に対する照射光学系10からの平行
光束の照射方向の傾きγは、03式。
In this state, the inclination γ of the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system 10 with respect to the X direction in which the two-dimensional pattern is formed on the surface to be inspected is expressed by formula 03.

00式より、 γ=45°       −・−、、(23)となる。From the 00 type, γ=45° −・−, (23).

そして、この時のβ及びδの値は、03式、00式より
、 β=δ=tan ”(cosθ)   −(24)とな
り、例えば、照射光学系10からの平行光束の入射角を
θ(照射光学系の光軸10aと主対物レンズの光軸1a
とのなす角)を75°とすると、β=δ=14.5°と
なる。
Then, the values of β and δ at this time are β=δ=tan ”(cosθ)−(24) from equations 03 and 00, and for example, the incident angle of the parallel light flux from the irradiation optical system 10 is set as θ( Optical axis 10a of the irradiation optical system and optical axis 1a of the main objective lens
If the angle formed by

従って、この場合には、1.y’、=1x’よとなるの
で、受光素子22の受光面は、X方向で09式又は測成
を満足するような大きさで構成すれば、X方向では任意
に大きくすることができる。
Therefore, in this case, 1. y', = 1x', so the light receiving surface of the light receiving element 22 can be made arbitrarily large in the X direction as long as it is configured to a size that satisfies Equation 09 or measurement formula in the X direction.

次に、第7図の(blに示した状態からγの値を小さく
し、±1次回折像(DSI 、DS3)か受光素子22
上の検出面でのX軸に対しδ=45°だけ傾いたX′細
軸上発生する第7図のFC+に示す如き場合について見
る。
Next, the value of γ is decreased from the state shown in (bl) in FIG.
Let us consider the case shown in FC+ in FIG. 7, which occurs on the X' fine axis tilted by δ=45° with respect to the X axis on the upper detection plane.

この場合、被検面上に形成された2次元的なパターンか
形成されるX方向に対する照射光学系1゜からの平行光
束の照射方向の傾きγは、05式より、7 = tan
 −’ (1/cosθ)   −−一(25)となる
In this case, the inclination γ of the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system 1° with respect to the X direction in which the two-dimensional pattern is formed on the surface to be inspected is calculated from equation 05 as 7 = tan
-' (1/cos θ) --1 (25).

また、X軸に対しβだけ傾いたy°輪軸上±1次回折像
(DS、 、DS4)が発生し、この時のβの値は、α
3式、00式より、 β=tan ”(cos” θ)    −一−−−−
(26)となる。
In addition, ±1st-order diffraction images (DS, , DS4) on the y° wheel axis tilted by β with respect to the X axis are generated, and the value of β at this time is α
From formula 3 and formula 00, β=tan ”(cos” θ) −1−−−−
(26).

例えば、照射光学系lOからの平行光束の入射角をθ(
照射光学系の光軸10aと主対物レンズの光軸1aとの
なす角)を75°とすると、β= 3.83°となり、
上式(25)より、γ= 75.49°となる。
For example, the incident angle of the parallel light beam from the irradiation optical system IO is set to θ(
If the angle between the optical axis 10a of the irradiation optical system and the optical axis 1a of the main objective lens is 75°, β = 3.83°,
From the above equation (25), γ=75.49°.

従って、この場合には、I!y’、≧/X’、となるの
で、受光素子22の受光面は、1x°、の大きさおみを
考慮すれば良い。このため、X方向における上式〇9を
満足するような大きさで構成すれば、X方向では任意に
大きくすることができる。
Therefore, in this case, I! Since y', ≧/X', the light-receiving surface of the light-receiving element 22 may have a size of 1x°. Therefore, if it is configured to a size that satisfies the above formula 09 in the X direction, it can be made arbitrarily large in the X direction.

このように、受光素子22の受光面の一方向での長さを
長くできる場合において、被検面上に形成された2次元
的なパターンが形成されるX、X方向の内の一方向に対
して、照射光学系lOからの平行光束の照射方向が傾け
られ得る最適な範囲は、上記の(21)及び(25)式
より、次式に示す範囲となる。
In this way, when the length of the light-receiving surface of the light-receiving element 22 in one direction can be increased, the length of the light-receiving surface of the light-receiving element 22 in one direction can be increased. On the other hand, the optimal range in which the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system 1O can be tilted is the range shown in the following equation from the above equations (21) and (25).

tan −’  (cos  θ)≦γ≦tan −’
  (1/cos  θ)従って、この(27)式を満
足するように、照射光学系10からの平行光束の照射方
向を決定することにより、受光素子22の受光面の一方
向での長さをを任意に大きく選択でき、しかも受光素子
22の受光面と共役な位置に設けられた絞り13の開口
部は、長方形状、楕円状等の長手方向を持つスリット状
にてきるため、検出光量を大幅に増大させることが達成
できる。
tan-' (cos θ)≦γ≦tan-'
(1/cos θ) Therefore, by determining the irradiation direction of the parallel light beam from the irradiation optical system 10 so as to satisfy this equation (27), the length of the light receiving surface of the light receiving element 22 in one direction can be determined. The aperture of the diaphragm 13, which is provided at a position conjugate with the light-receiving surface of the light-receiving element 22, has a slit shape with a longitudinal direction, such as a rectangular shape or an ellipse shape. Significant increases can be achieved.

よって、被検面の検出精度を格段に向上させることが達
成でき、しかも検出精度の安定化も同時に達成できる。
Therefore, it is possible to significantly improve the detection accuracy of the surface to be inspected, and also to stabilize the detection accuracy at the same time.

ここで、−例として、被検領域でのX方向のパターンの
数N、をlO1集光対物レンズ21の焦点距離fを10
0+nm 、光源11の波長λを700nm 、照射領
域の径りを20111m1被検面に対する照射光学系1
0からの入射角θを75°、X方向での絞り13の像の
長さS8を0.02mmとし、第7図に示した(al、
 (bl、 (C1の3つの場合での受光素子の大きさ
について見る。
Here, as an example, the number N of patterns in the X direction in the test area is 1O1, the focal length f of the condensing objective lens 21 is 10
0+nm, the wavelength λ of the light source 11 is 700 nm, and the diameter of the irradiation area is 20111 m1.Irradiation optical system 1 for the test surface
The incident angle θ from 0 is 75°, and the length S8 of the image of the aperture 13 in the X direction is 0.02 mm, as shown in FIG.
(bl, (Let's look at the size of the light receiving element in the three cases of C1.

第7図の(alの場合では、上式(21)よりγ=14
、51°となり、上式(17)からL8≦0.270x
sin(14,51’ ) −0,02=0.048と
なる。
In the case of (al in FIG. 7, γ=14 from the above formula (21)
, 51°, and from the above formula (17), L8≦0.270x
sin(14,51')-0,02=0.048.

よって、受光素子の受光面22aのX方向での長さし、
を0.048 mm以下とすれば良い。
Therefore, the length of the light receiving surface 22a of the light receiving element in the X direction is
may be set to 0.048 mm or less.

第7図の(blの場合では、上式(13)、 (16)
よりγ=45°となり、上式(17)または(19)か
らり、≦0.270xcos(45°) −0,02=
O1171となる。
In the case of (bl in Fig. 7), the above equations (13), (16)
Therefore, γ=45°, and from the above formula (17) or (19), ≦0.270xcos(45°) −0,02=
It becomes O1171.

よって、受光素子の受光面22aのX方向での長さL8
を0.171mm以下とすれば良い。
Therefore, the length L8 of the light receiving surface 22a of the light receiving element in the X direction
may be set to 0.171 mm or less.

第7図の(C1の場合では、上式(25)よりγ=75
、49°となり、上式(19)からL1≦0.270 
x cos (75,49°) −0,02=0.04
8となる。
In Figure 7 (in the case of C1, γ = 75 from the above formula (25)
, 49°, and from the above formula (19), L1≦0.270
x cos (75,49°) −0,02=0.04
It becomes 8.

よって、受光素子22の受光面22aのX方向での長さ
L8を0.048 ff1m以下とすれば良い。
Therefore, the length L8 of the light receiving surface 22a of the light receiving element 22 in the X direction may be set to 0.048 ff1m or less.

このように、第7図の(blにて示すγ=45°の場合
では、受光素子の受光面22aでのX方向での長さを最
も長くとることができる。
In this way, in the case of γ=45°, which is indicated by (bl) in FIG. 7, the length of the light receiving surface 22a of the light receiving element in the X direction can be made the longest.

以上においては、説明を簡単にするために、被検面上で
のパターンを2次元的な回折格子に基づいて述べてきた
が、上式(27)は、その場合に限ることない。すなわ
ち、(27)式は、第2図のWF2で示した如く、−船
釣に互いに直交した2方向に方向性を持つ被検パターン
であれば一般的に適用てき、以上に述べた如き場合と同
様な効果が得られることは言うまでもない。
In the above, in order to simplify the explanation, the pattern on the test surface has been described based on a two-dimensional diffraction grating, but the above equation (27) is not limited to that case. In other words, equation (27) can be generally applied to any test pattern that has directionality in two orthogonal directions for boat fishing, as shown in WF2 in Figure 2, and in cases such as those described above. Needless to say, the same effect can be obtained.

また、受光素子22と共役な位置に設けられている照射
光学系lO中の絞り13の開口部形状は本実施例では第
8図の(alに示す如き長方形状としたが、第8図の(
b)に示す如き楕円状等の長手方向を持つ形状であれば
良い。
In addition, in this embodiment, the aperture shape of the aperture 13 in the irradiation optical system 10, which is provided at a position conjugate with the light receiving element 22, is rectangular as shown in FIG. (
Any shape having a longitudinal direction such as an ellipse as shown in b) may be used.

さらに、受光素子の受光面22aの形状は、矩形状(正
方形状、長方形状)、円形状、楕円状等の形状で構成す
ることもできる。
Furthermore, the shape of the light-receiving surface 22a of the light-receiving element may be rectangular (square, rectangular), circular, elliptical, or the like.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の如く、本発明によれば、受光素子上で発生する回
折像の発生する方向を最適な状態にコントロールできる
ため、受光素子と共役な位置に設けられた照射光学系中
の絞りの開口部をスリット状に大きくでき、検出光量の
大幅な向上が達成できる。
As described above, according to the present invention, the direction in which the diffraction image generated on the light receiving element is generated can be optimally controlled. can be enlarged into a slit-like shape, and a significant improvement in the amount of detected light can be achieved.

このため、S/N比を向上が実現できるため、被検面の
検出精度を格段に向上でき、しかもより安定した水平位
置検出を達成することができる。
Therefore, since the S/N ratio can be improved, the detection accuracy of the surface to be inspected can be significantly improved, and moreover, more stable horizontal position detection can be achieved.

また、受光素子の受光面での一方向の長さを任意に大き
くすることができるので、これに応じて、受光素子と共
役な位置に設けられた照射光学系中の絞りの開口部を大
きくでき、さらなる検出光量の増大化を図ることができ
る。
In addition, since the length of the light-receiving surface of the light-receiving element in one direction can be arbitrarily increased, the aperture of the diaphragm in the irradiation optical system provided at a position conjugate with the light-receiving element can be increased accordingly. This makes it possible to further increase the amount of detected light.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による実施例の装置を示す構成図である
。 第2図はウェハ上に形成された露光領域中の直交した2
方向に方向性を持つパターンに対し光束を斜め方向に照
射させた様子を示すウェハの平面図である。 第3図は露光領域に対する照射領域の様子を示す図であ
る。 第4図は被検面上に形成された2次元的な格子パターン
に対し光束を斜め方向に照射させた様子を示す被検領域
の平面図である。 第5図は絞り13の開口部の形状を円形状とした場合に
、第4図に示す被検面上に形成された2次元的な格子パ
ターンに対し光束を斜め方向に照射させることにより、
受光素子の受光面上で形成される回折像の様子を示す図
である。 第6図は絞り13の開口部の形状を長方形状とした場合
に、第4図に示す被検面上に形成された2次元的な格子
パターンに対し光束を斜め方向に照射させることにより
、受光素子の受光面上で形成される回折像の様子を示す
図である。 第7図は第4図に示す被検面上に形成された2次元的な
格子パターンに対して光束の照射方向を変えた場合での
受光素子の受光面上形成される回折像の様子を示す図で
ある。 第8図は本発明における照射光学系中の絞り13の開口
部の様子を示す図である。 第9図は従来の装置の構成図である。 第10図は被検面上に形成されたパターンの様子を示す
図である。 第11図は第10図のパターンによる回折光の光量分布
の様子を示す図である。 第12図は第10図のパターンによる水平位置を検出し
た様子を示す図である。 第13図は被検面上に形成された2次元的な格子パター
ンのX方向に対し光束を平行に照射させた様子を示す被
検領域の平面図である。 第14図は被検面上に形成された2次元的な格子パター
ンのX方向に対し光束を平行に照射させた様子を示す斜
示図である。 第15図は第14図に示す被検面上に形成された2次元
的な格子パターンのX方向に対し光束を平行に照射させ
た場合における受光素子の受光面上で形成される回折像
の様子を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 1 ・・−投影対物レンズ 2− レチクル3−・・ウ
ェハ     10 −・−照射光学系11  ・−・
・光源       13  ・−絞り20 −集光光
学系   22  ・−4分割受光素子la  −・・
投影対物レンズの光軸 10a −一照射光学系の光軸 20a−・集光光学系
FIG. 1 is a block diagram showing an apparatus according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows two perpendicular lines in the exposure area formed on the wafer.
FIG. 2 is a plan view of a wafer showing a state in which a light beam is obliquely irradiated onto a pattern having directionality. FIG. 3 is a diagram showing the state of the irradiation area with respect to the exposure area. FIG. 4 is a plan view of the test area showing a state in which a two-dimensional grating pattern formed on the test surface is irradiated with a light beam in an oblique direction. FIG. 5 shows that when the aperture of the diaphragm 13 has a circular shape, by irradiating the light beam obliquely onto the two-dimensional grating pattern formed on the surface to be inspected shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a diffraction image formed on the light receiving surface of a light receiving element. FIG. 6 shows that when the aperture of the diaphragm 13 is rectangular in shape, by irradiating the light beam in an oblique direction onto the two-dimensional grating pattern formed on the test surface shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing a diffraction image formed on the light receiving surface of a light receiving element. Figure 7 shows the state of the diffraction image formed on the light-receiving surface of the light-receiving element when the irradiation direction of the light beam is changed with respect to the two-dimensional grating pattern formed on the test surface shown in Figure 4. FIG. FIG. 8 is a diagram showing the aperture of the diaphragm 13 in the irradiation optical system according to the present invention. FIG. 9 is a block diagram of a conventional device. FIG. 10 is a diagram showing the pattern formed on the surface to be inspected. FIG. 11 is a diagram showing the distribution of the amount of diffracted light according to the pattern of FIG. 10. FIG. 12 is a diagram showing how the horizontal position is detected using the pattern of FIG. 10. FIG. 13 is a plan view of the test area showing a state in which a light beam is irradiated parallel to the X direction of a two-dimensional lattice pattern formed on the test surface. FIG. 14 is a perspective view showing a state in which a light beam is irradiated parallel to the X direction of a two-dimensional grating pattern formed on a surface to be inspected. Figure 15 shows the diffraction image formed on the light-receiving surface of the light-receiving element when a light beam is irradiated parallel to the X direction of the two-dimensional grating pattern formed on the test surface shown in Figure 14. FIG. [Explanation of symbols of main parts] 1 --- Projection objective lens 2-- Reticle 3 --- Wafer 10 --- Irradiation optical system 11 ---
-Light source 13 -Aperture 20 -Condensing optical system 22 -4-split light receiving element la -.
Optical axis 10a of projection objective lens - Optical axis 20a of irradiation optical system - Condensing optical system

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)互いに直交した2方向に方向性を持つパターンが形
成された被検面上の所定の領域を所定の共役関係に形成
するための主対物レンズと、該主対物レンズの光軸外か
ら前記被検面上へ平行光束を供給するための光源と照射
対物レンズとを有する照射光学系と、該照射光学系から
供給され前記被検面上で反射される光束を受光素子上で
集光させるための集光対物レンズを有する集光光学系と
を設けるとともに、前記照射光学系中に前記受光素子と
ほぼ共役なる位置に所定形状の開口部を有する絞りを設
け、前記両光学系の光軸を前記主対物レンズの光軸に関
して対称に配置し、前記受光素子の出力信号に基づいて
前記被検面上の共役領域の水平位置を検出する水平位置
検出装置において、 前記照射光学系の光軸と前記主対物レンズの光軸とを含
む平面と前記被検面の共役領域とが交わる被検面上での
照射方向が、前記被検面上のパターンが持つ互い直交し
た2方向の方向性での各々の方向に対して異なるように
することを特徴とする水平位置検出装置。 2)前記絞りは、スリット状の開口部を有することを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の水平位置検出装置
。 3)前記照射対物レンズの光軸と主対物レンズの光軸と
を含む平面と前記被検面の共役領域とが交わる被検面上
での照射方向と、前記被検面上のパターンが持つ互い直
交した2方向の方向性での各々の方向の内の一方の方向
とのなす角をγとし、前記主対物レンズの光軸と前記照
射対物レンズの光軸とのなす角をθとするとき、以下の
条件を満足することを特徴とする特許請求の範囲第1項
または至第2項記載の水平位置検出装置。 tan^−^1(cosθ)≦γ≦tan^−^1(1
/cosθ)
[Scope of Claims] 1) A main objective lens for forming a predetermined region on a test surface in a predetermined conjugate relationship on which a pattern having directionality in two mutually orthogonal directions is formed, and the main objective lens. an irradiation optical system having a light source and an irradiation objective lens for supplying a parallel light beam onto the test surface from off the optical axis of the irradiation optical system; and receiving a light flux supplied from the irradiation optical system and reflected on the test surface. a condensing optical system having a condensing objective lens for condensing light on the element, and a diaphragm having an aperture of a predetermined shape at a position substantially conjugate with the light receiving element in the irradiation optical system, In the horizontal position detection device, the optical axes of both optical systems are arranged symmetrically with respect to the optical axis of the main objective lens, and the horizontal position of the conjugate region on the test surface is detected based on the output signal of the light receiving element, The irradiation directions on the test surface where the plane including the optical axis of the irradiation optical system and the optical axis of the main objective lens intersect with the conjugate region of the test surface are mutually orthogonal, which the patterns on the test surface have. A horizontal position detection device characterized in that the directionality is different for each direction in two directions. 2) The horizontal position detection device according to claim 1, wherein the diaphragm has a slit-like opening. 3) The pattern on the test surface has an irradiation direction on the test surface where a plane including the optical axis of the irradiation objective lens and the optical axis of the main objective lens intersects with a conjugate region of the test surface. Let γ be the angle formed by one of the two mutually orthogonal directions, and θ be the angle formed by the optical axis of the main objective lens and the optical axis of the irradiation objective lens. The horizontal position detecting device according to claim 1 or 2, wherein the horizontal position detecting device satisfies the following conditions. tan^-^1(cosθ)≦γ≦tan^-^1(1
/cosθ)
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07153670A (en) * 1993-12-01 1995-06-16 Nec Corp Projection aligner

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