JPH10260010A - Mark measuring method and its device - Google Patents

Mark measuring method and its device

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Publication number
JPH10260010A
JPH10260010A JP9065974A JP6597497A JPH10260010A JP H10260010 A JPH10260010 A JP H10260010A JP 9065974 A JP9065974 A JP 9065974A JP 6597497 A JP6597497 A JP 6597497A JP H10260010 A JPH10260010 A JP H10260010A
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JP
Japan
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image
mark
periodic
signal
sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP9065974A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naomasa Shiraishi
直正 白石
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH10260010A publication Critical patent/JPH10260010A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure shape of a periodic mark accurately in an processing method for periodic mark images such as a wedge mark. SOLUTION: By photographing an evaluation mark image WMI which consists of wedge marks arranged periodically with an image pickup element 15, extracting scanning lines R1 -R8 in area where wedge mark images 311 exist from scanning lines Sj in the image pickup element 15, summing up image signals of these scanning lines R1 -R8 in the periodic direction, and comparing the summed image signals with specified slice level, for example, the length of the mark is determined. As necessary, the evaluation mark image WMI and the image pickup element 15 are shifted only by one integer-th of pixel arrangement pitch and the operation which is the image pickup and summing of image signals is repeated.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、周期的マークの形
状を計測するためのマーク計測方法及び装置に関し、例
えば半導体素子、液晶表示素子、撮像素子(CCD)又
は薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスを製造するため
のフォトリソグラフィ工程で使用される投影露光装置の
キャリブレーション用の周期的マークの形状を計測する
場合に使用して好適なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mark measuring method and apparatus for measuring the shape of a periodic mark, and relates to a micro device such as a semiconductor device, a liquid crystal display device, an image pickup device (CCD) or a thin film magnetic head. It is suitable for use in measuring the shape of a periodic mark for calibration of a projection exposure apparatus used in a photolithography process for manufacturing.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より半導体素子等を製造する際に、
マスクとしてのレチクル(又はフォトマスク等)のパタ
ーン像を、投影光学系を介して感光性基板としてのフォ
トレジストが塗布されたウエハ(又はガラスプレート
等)上に投影する投影露光装置(ステッパ等)が使用さ
れている。レチクルのパターン像を常に高い解像度で、
且つ重ね合わせ露光を行う際には所定の重ね合わせ精度
を維持して露光するためには、その投影露光装置の投影
光学系の結像特性やステージ系の位置決め精度等を常に
最高の状態に保つ必要がある。そこで、この種の投影露
光装置では、例えば定期的に結像特性等のキャリブレー
ションを含む自己診断を行うのが一般的である。
2. Description of the Related Art Conventionally, when manufacturing semiconductor devices and the like,
A projection exposure apparatus (stepper or the like) that projects a pattern image of a reticle (or a photomask or the like) as a mask onto a wafer (or a glass plate or the like) coated with a photoresist as a photosensitive substrate via a projection optical system. Is used. The reticle pattern image is always in high resolution,
In addition, when performing overlay exposure, in order to perform exposure while maintaining a predetermined overlay accuracy, always keep the imaging characteristics of the projection optical system of the projection exposure apparatus, the positioning accuracy of the stage system, and the like in the highest state. There is a need. Therefore, in this type of projection exposure apparatus, for example, self-diagnosis including calibration of the imaging characteristics and the like is generally performed periodically, for example.

【0003】その結像特性中で投影光学系の像面の位置
(ベストフォーカス位置)のキャリブレーションを行う
ために、ウエハの高さを段階的に変化させながら、例え
ば特定のテストパターンの像をウエハ上の一連のショッ
ト領域に順次露光し、現像によって各ショット領域に形
成される凹凸のレジストパターンの間隔や長さを測る方
法が従来より用いられている。この方法の内、第39回
(1992年春期)応用物理学関係連合講演会30p−
NA−1「投影露光装置のベストフォーカス自動計測方
法」で報告された、テストパターンとして計測方向に細
長い菱形パターンをそれと直交する方向に周期的に繰り
返して形成される所謂「楔型マーク」を用いる方法は、
簡便で計測精度も高いことから、広く用いられている。
In order to calibrate the position of the image plane of the projection optical system (best focus position) in the image forming characteristics, for example, an image of a specific test pattern is changed while the height of the wafer is changed stepwise. Conventionally, a method has been used in which a series of shot areas on a wafer are sequentially exposed to light, and the intervals and lengths of uneven resist patterns formed in each shot area by development are measured. Of these methods, the 39th (Spring 1992) Applied Physics-related Lecture 30p-
A so-called "wedge-shaped mark" formed by periodically repeating a diamond-shaped pattern elongated in a measurement direction in a direction perpendicular to the diamond-shaped pattern as a test pattern reported in NA-1 "Automatic Best Focus Measurement Method of Projection Exposure Apparatus" The method is
It is widely used because it is simple and has high measurement accuracy.

【0004】この計測方法は、ウエハのフォーカス位置
を変えながらウエハ上の異なる位置に順次投影光学系を
介してその楔型マーク像を露光し、現像後にウエハ上に
形成されるレジストパターンよりなる各楔型マークの長
手方向の長さを計測し、ウエハの表面がベストフォーカ
ス位置にあるときの楔型マークが最も長くなることを利
用して、そのベストフォーカス位置を検出するものであ
る。その楔型マークの長さ計測を行うために、従来は投
影露光装置にアライメント用に備えられているレーザス
キャン型センサが使用されていた。レーザスキャン型セ
ンサは、ウエハ上のアライメントマーク、又は上記の楔
型マークの近傍に、計測方向には数μm幅でそれと直交
する方向には50〜60μm程度の長さのレーザビーム
を照射し、そのときに検出対象のマークより発生する回
折光を受光するものである。この際に、例えばウエハが
載置されているウエハステージを計測方向に駆動するこ
とによって、そのレーザビームとその検出対象のマーク
とを計測方向に相対走査し、その回折光の光電変換信号
が例えば所定のスライスレベルを超えるときのウエハス
テージの位置の範囲より、その検出対象のマークの位
置、又は計測方向の長さが求められる。そのウエハステ
ージの位置はレーザ干渉計によって例えば0.01μm
程度の分解能で計測されている。
In this measurement method, wedge-shaped mark images are sequentially exposed to different positions on the wafer via a projection optical system while changing the focus position of the wafer, and each of the resist patterns formed on the wafer after development is formed. The length of the wedge-shaped mark in the longitudinal direction is measured, and the best focus position is detected by utilizing the fact that the wedge-shaped mark becomes the longest when the surface of the wafer is at the best focus position. In order to measure the length of the wedge-shaped mark, conventionally, a laser scanning sensor provided for alignment in a projection exposure apparatus has been used. The laser scan type sensor irradiates a laser beam having a width of several μm in the measurement direction and a length of about 50 to 60 μm in a direction orthogonal thereto in the vicinity of the alignment mark or the wedge-shaped mark on the wafer, At this time, it receives the diffracted light generated from the mark to be detected. At this time, for example, by driving the wafer stage on which the wafer is mounted in the measurement direction, the laser beam and the mark to be detected are relatively scanned in the measurement direction, and the photoelectric conversion signal of the diffracted light is, for example, The position of the mark to be detected or the length in the measurement direction is obtained from the range of the position of the wafer stage when the predetermined slice level is exceeded. The position of the wafer stage is, for example, 0.01 μm by a laser interferometer.
It is measured with about the same resolution.

【0005】また、単一の楔型マーク像をウエハ上に露
光するのではなく、2つの配列方向が僅かに異なるライ
ン・アンド・スペースパターン像を重ね合わせ露光して
モアレ縞を形成することによって、その楔型マークと実
質的に等価な合成パターンを形成し、この合成パターン
の長さを計測することによって、2つのライン・アンド
・スペースパターンの位置ずれ量、即ち重ね合わせ精度
を計測する方法も提案されている。
Further, instead of exposing a single wedge-shaped mark image on a wafer, two lines and space pattern images having slightly different arrangement directions are superposed and exposed to form moire fringes. Forming a composite pattern substantially equivalent to the wedge-shaped mark, and measuring the length of the composite pattern to measure the amount of misalignment between the two line-and-space patterns, ie, the overlay accuracy. Has also been proposed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
において、レーザスキャン型センサでは、検出光がレー
ザビーム(単色光)であることより、ウエハ上のアライ
メントマークの検出時にはフォトレジスト内での多重干
渉の影響を受け易く、フォトレジストの塗布むらやマー
ク形状の非対称性によって検出精度が低下する恐れがあ
る。また、レジストパターンの検出時にも、マーク形状
の非対称性によって検出精度が低下する恐れがある。そ
こで、アライメントセンサとしては、ブロードバンドな
光源を使用する結像式センサが主流となりつつある。そ
して、最近は結像式センサのみを装備し、レーザスキャ
ン型センサを装備しない露光装置も使用され始めてい
る。
In the prior art as described above, in the laser scan type sensor, since the detection light is a laser beam (monochromatic light), when the alignment mark on the wafer is detected, the laser beam is detected in the photoresist. It is easily affected by multiple interference, and there is a possibility that the detection accuracy may be reduced due to uneven coating of the photoresist or the asymmetry of the mark shape. Also, when detecting the resist pattern, the detection accuracy may be reduced due to the asymmetry of the mark shape. Thus, as an alignment sensor, an imaging sensor using a broadband light source is becoming mainstream. Recently, an exposure apparatus equipped only with an imaging sensor and not equipped with a laser scan sensor has begun to be used.

【0007】ところで、レーザスキャン型センサの場
合、計測位置の分解能がほぼレーザ干渉計の分解能であ
り、例えば0.01μm程度と小さいのに対し、結像式
センサの分解能は撮像素子の分解能程度であり、結像倍
率を考慮しても0.1μm程度以上が限度である。その
ため、結像式センサを用いて画像信号に対して通常の画
像処理を行うだけでは、上記のテストパターンの長さ計
測には分解能が不足する恐れがある。
In the case of a laser scan type sensor, the resolution of a measurement position is almost the resolution of a laser interferometer, for example, as small as about 0.01 μm, whereas the resolution of an imaging sensor is about the resolution of an image sensor. There is a limit of about 0.1 μm or more even in consideration of the imaging magnification. Therefore, simply performing normal image processing on an image signal using an imaging sensor may result in insufficient resolution for measuring the length of the test pattern.

【0008】また、通常の結像式センサでは、撮像素子
から得られる画像信号を非計測方向(計測方向と直交す
る方向)については積算して、1次元信号として処理し
ている。そのため、上記の楔型マークのように非計測方
向に周期性を持つパターンでは、マーク部の画像情報は
非マーク部からの画像信号に埋もれ、マーク長を正確に
測定することが困難である。
In a normal imaging sensor, an image signal obtained from an image sensor is integrated in a non-measurement direction (a direction orthogonal to the measurement direction) and processed as a one-dimensional signal. Therefore, in a pattern having periodicity in the non-measurement direction such as the wedge-shaped mark, image information of the mark portion is buried in an image signal from the non-mark portion, and it is difficult to accurately measure the mark length.

【0009】本発明は斯かる点に鑑み、楔型マークのよ
うな周期的マークの像を画像処理する方式でその周期的
マークの形状を高精度に求めることができるマーク計測
方法を提供することを目的とする。更に本発明は、その
ようなマーク計測方法を実施できるマーク計測装置を提
供することをも目的とする。
In view of the above, the present invention provides a mark measuring method capable of determining the shape of a periodic mark with high accuracy by a method of image processing a periodic mark image such as a wedge-shaped mark. With the goal. Still another object of the present invention is to provide a mark measuring device capable of performing such a mark measuring method.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明によるマーク計測
方法は、処理対象の基板(W)上に形成された周期的マ
ーク(WM)の像を所定の撮像素子(15)を介して撮
像し、この撮像によって得られる画像信号を処理してそ
の周期的マークの形状を計測するマーク計測方法におい
て、その画像信号の内で、その周期的マークの像(WM
I)の周期方向(y方向)においてその周期的マークの
像が有る部分の画像信号を抽出し、このように抽出され
た画像信号をその周期的マークの像の周期方向に積算
し、このように積算された画像信号よりその周期的マー
クの像の周期方向に交差する計測方向(x方向)のマー
ク長を求めるものである。
According to the mark measuring method of the present invention, an image of a periodic mark (WM) formed on a substrate (W) to be processed is picked up via a predetermined image pickup device (15). In a mark measuring method for processing an image signal obtained by this imaging to measure the shape of the periodic mark, an image (WM) of the periodic mark is included in the image signal.
In the period direction (y direction) of I), the image signal of the portion having the image of the periodic mark is extracted, and the image signal thus extracted is integrated in the period direction of the image of the periodic mark. The mark length in the measurement direction (x direction) intersecting with the periodic direction of the image of the periodic mark is obtained from the image signal integrated in the above.

【0011】斯かる本発明によれば、その周期的マーク
の像が無い非マーク部(背景部)の画像信号は積算対象
から外されて、その周期的マークの像が有る部分の画像
信号のみによってマーク長が求められる。従って、使用
される画像信号のSN比が向上して、高精度にマーク長
を求めることができる。この場合、その周期的マークの
像(WMI)の周期方向においてその周期的マークの像
が有る部分の画像信号を抽出する際に、その画像信号を
その周期的マークの像の周期方向に所定ピッチで配列さ
れた複数列の画素からの画像信号(Sj)に分割し、これ
ら複数列の画素からの画像信号(Sj)の内で最大レベル
と最小レベルとのコントラストが所定の閾値を超える信
号、又は信号レベルが所定の長さ以上に亘って所定のス
ライスレベルの範囲内に有る信号を抽出することが望ま
しい。その周期的マークの像が有る部分では非マーク部
に比べて画像信号のレベルが変化するため、コントラス
ト、又は所定のスライスレベルとの比較によって正確に
その周期的マークの像がある部分を検出できる。
According to the present invention, the image signal of the non-mark portion (background portion) having no image of the periodic mark is excluded from the integration target, and only the image signal of the portion having the image of the periodic mark is included. Determines the mark length. Therefore, the SN ratio of the used image signal is improved, and the mark length can be obtained with high accuracy. In this case, when extracting an image signal of a portion having the image of the periodic mark in the periodic direction of the image of the periodic mark (WMI), the image signal is extracted at a predetermined pitch in the periodic direction of the image of the periodic mark. in divided into image signals (S j) from the pixel of arrayed plurality of rows, the contrast between the maximum and minimum levels within the image signals from the pixels of plural rows (S j) exceeds a predetermined threshold value It is desirable to extract signals or signals whose signal level is within a predetermined slice level range over a predetermined length. Since the level of the image signal changes in the portion where the image of the periodic mark is present as compared with the non-mark portion, the portion where the image of the periodic mark exists can be accurately detected by comparing with the contrast or a predetermined slice level. .

【0012】また、その周期的マークの像と撮像素子
(15)とをその周期的マークの周期方向、又はこの周
期方向に交差する計測方向の少なくとも一方に順次撮像
素子(15)の画素の配列ピッチの1/n(nは2以上
の整数)だけ相対的にずらして、それぞれその周期的マ
ークの像を撮像する動作をn回繰り返し、この繰り返し
によって得られるn組の画像信号より、その周期的マー
クの像の周期方向においてその周期的マークの像が有る
部分の画像信号を抽出することが望ましい。これによっ
て、例えば図4(a)に示すように、その周期的マーク
の像が撮像素子(15)の画素列の境界部にある場合で
も、その周期的マークの像と撮像素子(15)とを画素
ピッチの1/2だけずらすことで、図4(b)に示すよ
うにその周期的マークの像が撮像素子(15)の所定の
画素列の中央に移動するため、それら2組の画像信号を
用いることで正確にマーク長を検出できる。
The image of the periodic mark and the image sensor (15) are sequentially arranged in at least one of the periodic direction of the periodic mark or the measurement direction intersecting the periodic direction. The operation of picking up an image of the periodic mark is repeated n times while being relatively shifted by 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the pitch, and the period is calculated from n sets of image signals obtained by this repetition. It is desirable to extract an image signal of a portion where the image of the periodic mark exists in the periodic direction of the image of the target mark. Thereby, as shown in FIG. 4A, even if the image of the periodic mark is at the boundary of the pixel column of the image sensor (15), the image of the periodic mark and the image sensor (15) Is shifted by の of the pixel pitch, the image of the periodic mark moves to the center of a predetermined pixel row of the image sensor (15) as shown in FIG. The mark length can be accurately detected by using the signal.

【0013】また、本発明によるマーク計測装置は、処
理対象の基板(W)上に形成された周期的マーク(W
M)の像を形成する結像光学系(13,14)と、その
周期的マークの像を撮像する撮像素子(15)とを有
し、この撮像素子からの画像信号を処理してその周期的
マークの形状を計測するマーク計測装置において、その
周期的マークの像と撮像素子(15)とをその周期的マ
ークの像の周期方向、又はこの周期方向に交差する計測
方向の少なくとも一方に相対移動する相対移動装置
(4,7)と、この相対移動装置を介してその周期的マ
ークの像と撮像素子(15)とを相対移動させる毎に撮
像素子(15)にその周期的マークの像を撮像させる制
御部(6)と、撮像素子(15)によって得られる画像
信号の内で、その周期的マークの像の周期方向において
その周期的マークの像が有る部分の画像信号を抽出し、
この抽出された画像信号をその周期的マークの像の周期
方向に積算し、この積算された画像信号よりその周期的
マークの像のその計測方向のマーク長を求める演算部
(16)と、を備えたものである。
Further, the mark measuring apparatus according to the present invention provides a periodic mark (W) formed on a substrate (W) to be processed.
M) having an imaging optical system (13, 14) for forming an image and an image sensor (15) for picking up an image of the periodic mark. In a mark measuring device for measuring the shape of a target mark, the image of the periodic mark and the image sensor (15) are moved relative to at least one of the periodic direction of the image of the periodic mark or the measurement direction intersecting the periodic direction. A moving relative moving device (4, 7) and an image of the periodic mark on the image pickup device (15) each time the image of the periodic mark and the image pickup device (15) are relatively moved via the relative moving device. A control unit (6) for capturing an image of the image and an image signal of a portion having the image of the periodic mark in the periodic direction of the image of the periodic mark are extracted from the image signals obtained by the image sensor (15).
An arithmetic unit (16) that integrates the extracted image signal in the periodic direction of the image of the periodic mark and obtains a mark length of the image of the periodic mark in the measurement direction from the integrated image signal. It is provided.

【0014】斯かる本発明のマーク計測装置によれば、
その相対移動装置を介してその周期的マークの像とその
撮像素子とを例えばその周期方向に画素ピッチの1/n
ずつずらして得られるn組の画像信号を使用することに
よって、本発明のマーク計測方法が実施できる。
According to the mark measuring device of the present invention,
The image of the periodic mark and the image sensor are moved, for example, 1 / n of the pixel pitch in the periodic direction through the relative moving device.
The mark measurement method of the present invention can be implemented by using the n sets of image signals obtained by shifting each other.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。本例は投影露光装置で
ベストフォーカス位置のキャリブレーションを行う場合
に本発明を適用したものである。図5は本例で使用する
投影露光装置の概略構成を示し、この図5において、露
光時には、露光用の照明光学系1からの露光光IL(例
えば水銀ランプのi線、又はエキシマレーザ光等)によ
ってレチクルRのパターン領域が照明され、露光光IL
のもとでレチクルRのパターンが、投影光学系PLを介
して投影倍率β(βは例えば1/4,1/5等)でフォ
トレジストが塗布されたウエハWの各ショット領域に投
影露光される。以下では、投影光学系PLの光軸AXに
平行にZ軸を取り、Z軸に垂直な平面で図5の紙面に平
行にX軸を、図5の紙面に垂直にY軸を取って説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a case where calibration of a best focus position is performed by a projection exposure apparatus. FIG. 5 shows a schematic configuration of a projection exposure apparatus used in this example. In FIG. 5, at the time of exposure, exposure light IL (for example, i-line of a mercury lamp, excimer laser light, or the like) from an illumination optical system 1 for exposure is used. ) Illuminates the pattern area of the reticle R, and the exposure light IL
, The pattern of the reticle R is projected and exposed through the projection optical system PL onto each shot area of the wafer W coated with the photoresist at a projection magnification β (β is, for example, 4 ,, 5, etc.). You. In the following description, the Z axis is taken parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL, the X axis is taken parallel to the plane of FIG. 5 on a plane perpendicular to the Z axis, and the Y axis is taken perpendicular to the plane of FIG. I do.

【0016】レチクルRは、投影光学系PLの光軸AX
に垂直な平面内で2次元移動、及び回転自在なレチクル
ステージ2上に載置され、装置全体の動作を統轄制御す
る主制御系6によりレチクルステージ2の位置決め動作
が制御される。一方、ウエハWは、ウエハホルダ(不図
示)を介してZステージ3上に保持されている。Zステ
ージ3は、ウエハWのZ方向の位置(フォーカス位置)
を例えば数μm〜数十μm程度の範囲で制御できるよう
に構成されている。Zステージ3はXYステージ4上に
固定され、XYステージ4はX方向、Y方向にZステー
ジ3(ウエハW)の位置決めを行う。Zステージ3上の
移動鏡5m及びレーザ干渉計5によって計測されるXY
ステージ4の位置が主制御系6に供給され、主制御系6
はその位置情報に基づいて例えば送りねじ方式の駆動系
7を介してXYステージ4の動作を制御する。Zステー
ジ3及びXYステージ4よりウエハステージが構成され
ている。
The reticle R is an optical axis AX of the projection optical system PL.
The reticle stage 2 is mounted on a reticle stage 2 which is two-dimensionally movable and rotatable in a plane perpendicular to the reticle stage. On the other hand, the wafer W is held on the Z stage 3 via a wafer holder (not shown). The Z stage 3 is a position (focus position) of the wafer W in the Z direction.
, For example, in a range of several μm to several tens μm. The Z stage 3 is fixed on an XY stage 4, and the XY stage 4 positions the Z stage 3 (wafer W) in the X and Y directions. XY measured by moving mirror 5m and laser interferometer 5 on Z stage 3
The position of the stage 4 is supplied to the main control system 6, and the main control system 6
Controls the operation of the XY stage 4 via a drive system 7 of, for example, a feed screw system based on the position information. The Z stage 3 and the XY stage 4 constitute a wafer stage.

【0017】また、投影光学系PLの側面部には、光軸
AXに対して斜めにウエハWの表面にスリット像等を形
成するためのフォトレジストに対して非感光性の検出光
を照射する照射光学系8aと、そのスリット像等からの
反射光を受光して例えば振動スリット上にそのスリット
像を再結像し、その振動スリットを通過した検出光を受
光する受光光学系8bとからなる、斜入射方式のフォー
カス位置検出系(以下、「AFセンサ」と呼ぶ)8が配
置されている。受光光学系8bからは、所定範囲内でウ
エハWの表面のフォーカス位置の像面(ベストフォーカ
ス位置)からのずれ量にほぼ比例して変化するフォーカ
ス信号が出力され、このフォーカス信号が主制御系9に
供給されている。
Further, a non-photosensitive detection light is applied to a photoresist for forming a slit image or the like on the surface of the wafer W obliquely to the optical axis AX on the side surface of the projection optical system PL. An irradiation optical system 8a and a light receiving optical system 8b that receives reflected light from the slit image or the like, re-images the slit image on, for example, a vibration slit, and receives detection light passing through the vibration slit. And an oblique incidence type focus position detection system (hereinafter, referred to as an “AF sensor”) 8. From the light receiving optical system 8b, a focus signal that changes in proportion to the amount of deviation of the focus position on the surface of the wafer W from the image plane (best focus position) within a predetermined range is output, and this focus signal is output to the main control system. 9.

【0018】例えば初期状態で、ウエハWの表面が像面
に合焦している状態でそのフォーカス信号が0となるよ
うに調整が行われ、主制御系9は、そのフォーカス信号
が0に維持されるように、Zステージ3を駆動する。こ
れにより、オートフォーカス方式でウエハWの表面が常
に像面に合焦される。また、受光光学系8b内には、主
制御系9からの指令に応じて角度が変化する平行平板ガ
ラス(プレーンパラレル)が備えられており、その平行
平板ガラスの角度を変えることによりそのフォーカス信
号に所望のオフセットを付与できるようになっている。
露光時には、そのようにオートフォーカス動作を行った
状態で、ウエハW上の1つのショット領域に対するレチ
クルRのパターン像の露光が終了すると、XYステージ
4のステッピングによってウエハW上の次のショット領
域が露光位置に設定されるという、ステップ・アンド・
リピート方式で露光が繰り返される。
For example, in the initial state, adjustment is performed so that the focus signal becomes 0 while the surface of the wafer W is focused on the image plane, and the main control system 9 maintains the focus signal at 0. The Z stage 3 is driven as described above. Thus, the surface of the wafer W is always focused on the image plane by the autofocus method. In the light receiving optical system 8b, a parallel flat glass (plane parallel) whose angle changes according to a command from the main control system 9 is provided, and by changing the angle of the parallel flat glass, the focus signal is changed. Can be provided with a desired offset.
At the time of exposure, when the exposure of the pattern image of the reticle R to one shot area on the wafer W is completed in such a state where the autofocus operation is performed, the next shot area on the wafer W is moved by the stepping of the XY stage 4. Step-and-
Exposure is repeated in a repeat mode.

【0019】また、本例の投影露光装置には、ウエハW
上の各ショット領域に形成されているアライメントマー
ク(ウエハマーク)の位置を検出するための、オフ・ア
クシス方式で結像式のアライメントセンサ9が設けられ
ている。アライメントセンサ9において、ハロゲンラン
プ等の広帯域の光源10からのフォトレジストに対して
非感光性の照明光ALは、集光レンズ11、ハーフプリ
ズム12及び対物レンズ13を介してウエハW上の被検
マークを照明する。そして、その被検マークからの照明
光ALは、対物レンズ13、ハーフプリズム12、及び
結像レンズ14を経てCCD等の2次元の撮像素子15
の撮像面にその被検マークの像を形成し、撮像素子15
からの画像信号Sはアライメント信号処理系16に供給
される。
In the projection exposure apparatus of this embodiment, the wafer W
An off-axis imaging type alignment sensor 9 for detecting the position of an alignment mark (wafer mark) formed in each of the above shot areas is provided. In the alignment sensor 9, the illumination light AL that is insensitive to the photoresist from a broadband light source 10 such as a halogen lamp passes through a condenser lens 11, a half prism 12 and an objective lens 13, Light the mark. Then, the illumination light AL from the test mark passes through an objective lens 13, a half prism 12, and an imaging lens 14, and a two-dimensional image sensor 15 such as a CCD.
The image of the test mark is formed on the imaging surface of
Is supplied to the alignment signal processing system 16.

【0020】通常のアライメント時には、アライメント
信号処理系16ではその画像信号Sを処理して、所定の
基準位置に対する被検マークの位置ずれ量を求め、この
位置ずれ量を主制御系6に供給する。主制御系6では、
その位置ずれ量にレーザ干渉計5で計測されるZステー
ジ3(ウエハW)の座標を加算することによって、被検
マークの位置を求めることができ、この結果よりレチク
ルRのパターン像に対するウエハWの各ショット領域の
位置合わせを正確に行うことができる。また、本例で
は、投影光学系PLのベストフォーカス位置のキャリブ
レーションを行う際の評価用マークの計測にもアライメ
ントセンサ16が使用される。そして、図5のアライメ
ント信号処理系16内のブロック図は、その評価用マー
クの計測時の機能ブロック図である(詳細後述)。
At the time of normal alignment, the alignment signal processing system 16 processes the image signal S to determine the amount of displacement of the test mark with respect to a predetermined reference position, and supplies the amount of displacement to the main control system 6. . In the main control system 6,
By adding the coordinates of the Z stage 3 (wafer W) measured by the laser interferometer 5 to the positional deviation amount, the position of the test mark can be obtained, and from this result, the wafer W with respect to the pattern image of the reticle R can be obtained. Can be accurately positioned. Further, in this example, the alignment sensor 16 is also used to measure the evaluation mark when calibrating the best focus position of the projection optical system PL. The block diagram in the alignment signal processing system 16 of FIG. 5 is a functional block diagram when measuring the evaluation mark (details will be described later).

【0021】上述のように本例ではAFセンサ8を使用
することによって、オートフォーカス方式でウエハWの
表面を投影光学系PLの像面に合焦させておくことがで
きる。しかしながら、経時変化等によってAFセンサ8
で検出されるベストフォーカス位置(フォーカス信号が
0になる位置)と実際のベストフォーカス位置との間に
ずれが生ずる恐れがある。そこで、例えば定期的に次の
ようにしてベストフォーカス位置のキャリブレーション
が行われる。即ち、図5においてレチクルRとして所定
の評価用マークが形成されたテストレチクルを使用し、
フォトレジストが塗布された未露光のシリコンウエハ
(これをウエハWとする)上の一連のショット領域に順
次そのテストレチクルの評価用マークの像を露光する。
この際に、AFセンサ8の検出結果に基づいて、ショッ
ト領域毎に順次ウエハWのフォーカス位置を所定ステッ
プで変化させていく。その後、ウエハWの現像を行う
と、各ショット領域にそれぞれその評価用マークの像の
レジストパターンが形成され、この現像後のウエハWを
再び図5のZステージ3上に載置する。
As described above, in this embodiment, the use of the AF sensor 8 allows the surface of the wafer W to be focused on the image plane of the projection optical system PL by the autofocus method. However, the AF sensor 8
There is a possibility that a deviation may occur between the best focus position detected at (2) (the position where the focus signal becomes 0) and the actual best focus position. Therefore, for example, calibration of the best focus position is periodically performed as follows. That is, a test reticle on which a predetermined evaluation mark is formed is used as the reticle R in FIG.
A series of shot areas on an unexposed silicon wafer (hereinafter referred to as a wafer W) coated with a photoresist are sequentially exposed to an image of an evaluation mark of the test reticle.
At this time, based on the detection result of the AF sensor 8, the focus position of the wafer W is sequentially changed in a predetermined step for each shot area. Thereafter, when the wafer W is developed, a resist pattern of the image of the evaluation mark is formed in each shot area, and the wafer W after the development is mounted on the Z stage 3 in FIG. 5 again.

【0022】図6は、現像後にZステージ3上に載置さ
れたウエハWを示し、この図6において、ウエハWの表
面にはX方向、Y方向に所定ピッチでショット領域21
A,21B,21C,…,21Uが配列され、代表的に
ショット領域21で示すように、各ショット領域内には
それぞれ評価用マークの像のレジストパターン(以下、
これも「評価用マーク」と呼ぶ)WM,WMAが形成さ
れている。但し、各ショット領域21A〜21Uは互い
に異なるフォーカス位置で露光されているため、ベスト
フォーカス位置に最も近い位置で露光されたショット領
域程評価用マークWM,WMAが高い解像度で露光され
ている。一方の評価用マークWMは、基本パターンをY
方向に配列したマークであり、他方の評価用マークWM
Aはその評価用マークWMを90°回転したマークであ
る。2つの評価用マークでそれぞれ求められるベストフ
ォーカス位置の差が非点収差となるが、以下では前者の
評価用マークWMの計測を行う場合につき説明する。
FIG. 6 shows the wafer W placed on the Z stage 3 after development. In FIG. 6, the surface of the wafer W has shot areas 21 at predetermined pitches in the X and Y directions.
A, 21B, 21C,..., 21U are arranged, and as typically shown by a shot area 21, a resist pattern of an image of an evaluation mark (hereinafter, referred to as “shot pattern”)
These are also called “evaluation marks”) WM and WMA are formed. However, since the shot areas 21A to 21U are exposed at different focus positions, the evaluation marks WM and WMA are exposed at a higher resolution as the shot area is exposed closer to the best focus position. One evaluation mark WM has a basic pattern of Y
Marks arranged in the same direction, and the other evaluation mark WM
A is a mark obtained by rotating the evaluation mark WM by 90 °. The difference between the best focus positions obtained for the two evaluation marks becomes astigmatism. Hereinafter, the former case of measuring the evaluation mark WM will be described.

【0023】図1(a)は、図6のショット領域21に
形成されている評価用マークWMを示し、この図1
(a)において、評価用マークWMは、同一のマーク群
32A,32B,32CをY方向にピッチPLで形成し
たマークであり、各マーク群32A,32B,32Cは
それぞれ基本パターンとしてのX方向に細長い菱型マー
ク(以下、「楔型マーク」と呼ぶ)31をY方向にピッ
チPSで4個形成したものである。即ち、評価用マーク
WMは、楔型マーク31をY方向に配列してなるマーク
群32A,32B,32Cを更にY方向に配列した周期
的マークであり、楔型マーク31の長手方向の長さLは
ベストフォーカス位置では例えば5〜15μm程度であ
り、楔型マーク31の短手方向(図1(a)ではY方
向)の幅は0.5μm程度である。そして、楔型マーク
31の配列のピッチPSは1μm程度であり、マーク群
32A,32B,32Cの配列のピッチPLは8μm程
度である。但し、マーク群32A,32B,32Cの個
数は3個に限らず、7〜8個であってもよく、更にはも
っと多くてもよい。
FIG. 1A shows an evaluation mark WM formed in the shot area 21 of FIG.
In (a), the evaluation mark WM is a mark in which the same mark group 32A, 32B, 32C is formed at a pitch PL in the Y direction, and each mark group 32A, 32B, 32C is in the X direction as a basic pattern. This is formed by forming four elongated rhombic marks (hereinafter referred to as “wedge-shaped marks”) 31 at a pitch PS in the Y direction. That is, the evaluation mark WM is a periodic mark in which the mark groups 32A, 32B, and 32C in which the wedge-shaped marks 31 are arranged in the Y-direction are further arranged in the Y-direction. L is, for example, about 5 to 15 μm at the best focus position, and the width of the wedge-shaped mark 31 in the short direction (Y direction in FIG. 1A) is about 0.5 μm. The pitch PS of the arrangement of the wedge-shaped marks 31 is about 1 μm, and the pitch PL of the arrangement of the mark groups 32A, 32B, 32C is about 8 μm. However, the number of the mark groups 32A, 32B, 32C is not limited to three, but may be seven to eight, or even more.

【0024】このように評価用マークWMを複数のマー
ク群32A,32B,32Cから構成しているのは、ピ
ッチPLの周期性により評価用マークWMから回折光を
発生せしめることで、従来のレーザスキャン型センサで
も検出可能とするためである。従って、仮に本例の結像
方式のアライメントセンサ9のみで検出を行うのであれ
ば、そのように複数のマーク群32A,32B等を配列
する必要はなく、単に楔型マーク31をピッチPSで多
数本(例えば数十本)形成した評価用マークを使用する
ことができる。
As described above, the evaluation mark WM is composed of a plurality of mark groups 32A, 32B, 32C because the diffraction light is generated from the evaluation mark WM by the periodicity of the pitch PL, so that the conventional laser WM is used. This is to make it possible to detect even with a scan type sensor. Therefore, if the detection is performed only by the imaging type alignment sensor 9 of the present example, there is no need to arrange a plurality of mark groups 32A, 32B and the like, and a large number of wedge-shaped marks 31 are simply formed at a pitch PS. An evaluation mark formed of books (for example, several tens) can be used.

【0025】その楔型マーク31は、ベストフォーカス
位置付近で露光されている場合には、図3(b)の実線
で示すように長手方向の長さがL1と長くなり、ベスト
フォーカス位置から離れた位置で露光された場合には、
点線のマーク31Dで示すように長手方向の長さがL2
と短くなるため、その長手方向の長さLを計測すること
によって露光光のもとでの正確なベストフォーカス位置
を求めることができる。そこで、図1(a)において、
評価用マークWMの周期方向はY方向であり、その計測
対象は各楔型マーク31の長手方向の長さLの平均値で
ある。従って、計測方向はX方向となる。
When the wedge-shaped mark 31 is exposed in the vicinity of the best focus position, its length in the longitudinal direction becomes L1 as shown by the solid line in FIG. If the exposure is performed at
As shown by the dotted line mark 31D, the length in the longitudinal direction is L2.
By measuring the length L in the longitudinal direction, an accurate best focus position under the exposure light can be obtained. Therefore, in FIG.
The periodic direction of the evaluation mark WM is the Y direction, and the measurement target is the average value of the length L of each wedge-shaped mark 31 in the longitudinal direction. Therefore, the measurement direction is the X direction.

【0026】そのため、評価用マークWMの像を図5の
アライメントセンサ9内の撮像素子15で撮像する。図
2は、そのようにして撮像された評価用マークWMの像
WMIを示し、この図2の撮像素子15の撮像面で、図
1(a)のX方向(計測方向)及びY方向(周期方向)
に対応する方向をそれぞれx方向及びy方向とする。ま
た、撮像素子15の撮像面では多数の画素がx方向にピ
ッチEX、Y方向にピッチEYで配列されているものと
して、各画素から画像信号を読み出す際の電気的な走査
方向はx方向(計測方向)に一致させてある。x方向に
配列される一連の多数の画素列を走査線S1 ,S2 ,…
とすると、評価用マーク像WMIを構成する各楔型マー
ク31の像31Iの長手方向(計測方向)と平行に撮像
素子15の各走査線Sj(j=1,2,…)が並ぶことに
なる。
Therefore, the image of the evaluation mark WM is picked up by the image pickup device 15 in the alignment sensor 9 shown in FIG. FIG. 2 shows an image WMI of the evaluation mark WM imaged in this manner. The X-direction (measurement direction) and the Y-direction (period) in FIG. direction)
Are defined as an x direction and a y direction, respectively. Further, on the imaging surface of the imaging element 15, it is assumed that a number of pixels are arranged at a pitch EX in the x direction and a pitch EY in the Y direction, and the electrical scanning direction when reading an image signal from each pixel is x direction ( Measurement direction). A series of many pixel rows arranged in the x direction are divided into scanning lines S 1 , S 2 ,.
Then, the respective scanning lines S j (j = 1, 2,...) Of the image sensor 15 are arranged in parallel to the longitudinal direction (measurement direction) of the image 31I of each wedge-shaped mark 31 constituting the evaluation mark image WMI. become.

【0027】次に、図5に戻って撮像素子15からの画
像信号Sの処理方法につき説明する。先ず、主制御系6
からアライメント信号処理系16内の制御部20に対し
て撮像素子15の画像信号Sを取り込むように指令が出
されると、画像信号Sは、アライメント信号処理系16
内で画像メモリ17に蓄積される。その後、画像メモリ
17内の画像信号Sは、図2の各走査線Sj の画像信号
毎にマーク部抽出部18に供給され、マーク部抽出部1
8では走査線Sj の画像信号毎にそれぞれ楔型マーク像
31Iが存在する部分かどうかを判定する。
Next, returning to FIG. 5, a method of processing the image signal S from the image sensor 15 will be described. First, the main control system 6
Issues a command to the control unit 20 in the alignment signal processing system 16 to take in the image signal S of the image sensor 15 from the alignment signal processing system 16.
Is stored in the image memory 17. Thereafter, the image signal S in the image memory 17 is supplied to the mark extracting unit 18 for each image signal of each scanning line Sj in FIG.
Each 8, for each image signal of the scanning line S j determines whether parts are present wedge-shaped mark image 31I.

【0028】図3の点線の曲線はその走査線Sj の画像
信号の一例を示し、この図3において、横軸は撮像面の
x方向の位置であり、縦軸はその画像信号のレベルを示
している。この例では楔型マーク像が存在する部分の画
像信号は小さく(暗く)なり、楔型マーク像が存在しな
い部分の画像信号は大きく(明るく)なっている。この
画像信号の最小レベルをSjmin、最大レベルをSjmax
すると、マーク部抽出部18では一例として次のように
その画像信号のコントラストCj を算出する。
The dotted curve in FIG. 3 shows an example of the image signal of the scanning line Sj . In FIG. 3, the horizontal axis represents the position of the image pickup surface in the x direction, and the vertical axis represents the level of the image signal. Is shown. In this example, the image signal of the portion where the wedge-shaped mark image exists is small (dark), and the image signal of the portion where the wedge-shaped mark image is not present is large (bright). Assuming that the minimum level of the image signal is S jmin and the maximum level is S jmax , the mark extraction unit 18 calculates the contrast C j of the image signal as follows, for example.

【0029】 コントラストCj =(Sjmax−Sjmin)/(Sjmax+Sjmin) (1) そして、このコントラストCj が所定の値Cth以上であ
る走査線Sj は楔型マーク像が存在すると判定し、それ
以外の走査線Sj は楔型マーク像が存在しないと判定す
る。このような判定を行うと、図2で示すように、走査
線Sj の内で楔型マーク像31Iが存在する走査線
1 ,R2 ,…,R8 のみが抽出される。マーク部抽出
部18は、そのように抽出された走査線Ri(i=1〜
8)の画像信号を図5の積算計測部19に供給する。
Contrast C j = (S jmax −S jmin ) / (S jmax + S jmin ) (1) A wedge-shaped mark image exists on the scanning line S j where the contrast C j is equal to or more than a predetermined value C th. Then, it is determined that no wedge-shaped mark image exists for the other scanning lines Sj . When such a determination is made, only the scanning lines R 1 , R 2 ,..., R 8 where the wedge-shaped mark image 31I exists are extracted from the scanning lines S j as shown in FIG. The mark part extraction unit 18 outputs the scanning line R i (i = 1 to 1) thus extracted.
The image signal of 8) is supplied to the integration measuring unit 19 of FIG.

【0030】なお、そのように楔型マーク像が存在する
走査線Ri を抽出するための別の方法として、図3の画
像信号を最大レベルSjmaxよりも低い所定のスライスレ
ベルSLで仕切り、その画像信号がそのスライスレベル
SLよりも低い範囲のx方向の長さLj を求めてもよ
い。そして、全部の走査線Sj について求めた長さLj
の最大値をLmax とすると、例えば長さLj が所定の係
数k(kは例えば0.8)を用いてk・Lmax 以上の走
査線Sj は楔型マーク像が存在し、それ以外は楔型マー
ク像が存在しないと判定すればよい。
As another method for extracting the scanning line R i in which the wedge-shaped mark image exists, the image signal shown in FIG. 3 is divided at a predetermined slice level SL lower than the maximum level S jmax . the image signals may be obtained length L j of the x-direction of the lower range than the slice level SL. The length L j calculated for all the scan lines S j
Of the maximum value and L max, for example k · L max or more scan lines S j with length L j is a predetermined coefficient k (k is, for example, 0.8) is present wedge mark image, it Otherwise, it may be determined that the wedge-shaped mark image does not exist.

【0031】次に、積算計測部19では、楔型マーク像
が存在する全部の走査線Ri の画像信号を評価用マーク
像WMIの周期方向(図2のy方向)に積算して、積算
画像信号ΣRを生成し、この積算画像信号ΣRを所定の
スライスレベルSLで区切るようにする。図3の実線の
曲線はその積算画像信号ΣRを示し(但し、縦軸の値は
積算数で割って規格化してある)、この図3において、
積算計測部19は積算画像信号ΣRの最大レベルTL
(この場合には楔型マーク像が無い位置での信号レベ
ル)を求め、例えばその最大レベルTLの70%のレベ
ルでスライスレベルSLを設定する。そして、積算画像
信号ΣRがそのスライスレベルSL以下である範囲のx
方向の長さLMをマーク像の長さとして求める。この長
さLMに、図5のアライメントセンサ9の撮像素子15
からウエハWへの倍率αを乗じて得られる値LM・α
が、図1(a)の評価用マークWMのマーク長Lにほぼ
等しい。
Next, the integrated measuring unit 19, by integrating the image signals of all the scanning lines R i of the wedge-type mark image is present in the evaluation mark images WMI period direction (y direction in FIG. 2), integration An image signal ΣR is generated, and the integrated image signal ΣR is divided at a predetermined slice level SL. The solid line curve in FIG. 3 shows the integrated image signal ΔR (however, the value on the vertical axis is divided by the number of integrations and normalized).
The integrated measuring unit 19 is configured to output the maximum level TL of the integrated image signal ΣR.
(In this case, the signal level at a position where there is no wedge-shaped mark image) is obtained, and the slice level SL is set at, for example, 70% of the maximum level TL. Then, x in a range where the integrated image signal ΣR is equal to or less than the slice level SL.
The length LM in the direction is obtained as the length of the mark image. The image sensor 15 of the alignment sensor 9 shown in FIG.
LM · α obtained by multiplying the wafer W by the magnification α
Is substantially equal to the mark length L of the evaluation mark WM in FIG.

【0032】但し、その測定値LM・αは厳密には評価
用マークWMの長さLとは一致せず、上記のスライスレ
ベルSLや結像式のアライメントセンサ9の光学系の所
定数により決まるオフセットΔLだけずれた値となる。
このオフセットΔLを求めるために、本例では例えば走
査型電子顕微鏡(SEM)等を用いて最初にあるいは定
期的にその評価用マークWMの長さLを実測し、そのと
きにアライメントセンサ9を介して計測されるマーク長
LM・αとの差分を求める。そして、そのオフセットΔ
Lを積算計測部19内に記憶させておく。積算計測部1
9では、積算画像信号ΣRから計測されるマーク長LM
・αからそのオフセットΔLを差し引いた長さをマーク
長として制御部20に供給し、制御部20はこのマーク
長を主制御系6に供給する。このようにすれば、計測時
間は計測毎にSEM等を用いる場合に比べ圧倒的に短縮
されることは言うまでもない。
However, the measured value LM · α does not exactly coincide with the length L of the evaluation mark WM, and is determined by the slice level SL and a predetermined number of optical systems of the imaging type alignment sensor 9. The value is shifted by the offset ΔL.
In order to determine the offset ΔL, in this example, the length L of the evaluation mark WM is first or periodically measured using, for example, a scanning electron microscope (SEM) or the like. The difference from the mark length LM · α measured is calculated. And the offset Δ
L is stored in the integration measuring unit 19. Integrated measurement unit 1
9, the mark length LM measured from the integrated image signal ΣR
The length obtained by subtracting the offset ΔL from α is supplied to the control unit 20 as a mark length, and the control unit 20 supplies this mark length to the main control system 6. By doing so, it goes without saying that the measurement time is significantly shortened as compared with the case where an SEM or the like is used for each measurement.

【0033】そのようにして、図6のウエハW上の各シ
ョット領域21A〜21Uに形成された評価用マークW
Mのマーク長が計測されて順次主制御系6に供給され、
主制御系6では、例えばマーク長が最も長いショット領
域でのフォーカス位置をベストフォーカス位置と判定
し、このベストフォーカス位置でAFセンサ8のフォー
カス信号が0となるように調整を行う。これによって、
投影光学系PLのベストフォーカス位置のキャリブレー
ションが完了する。
The evaluation marks W formed in the respective shot areas 21A to 21U on the wafer W in FIG.
The mark length of M is measured and sequentially supplied to the main control system 6,
The main control system 6 determines, for example, the focus position in the shot area having the longest mark length as the best focus position, and performs adjustment so that the focus signal of the AF sensor 8 becomes 0 at this best focus position. by this,
The calibration of the best focus position of the projection optical system PL is completed.

【0034】上述のように本例では、楔型マーク像が存
在する走査線Ri を抽出し、これらの走査線Ri を積算
した画像信号に基づいてマーク長を計測しているため、
図2において楔型マーク像31Iが存在しない範囲の画
像信号は除去されて、検出対象の積算画像信号のSN比
が向上する。従って、高精度にマーク長を計測でき、ひ
いては高精度にベストフォーカス位置のキャリブレーシ
ョンを行うことができる。これにより、レーザスキャン
型センサを装備しない露光装置においても、楔型マーク
よりなる評価用マークが使用可能となると共に、露光装
置からレーザスキャン型センサを除くことも可能とな
り、露光装置のコストダウンや省スペース化を図ること
が可能となる。
As described above, in the present embodiment, the scanning line R i on which the wedge-shaped mark image exists is extracted, and the mark length is measured based on the image signal obtained by integrating these scanning lines R i .
In FIG. 2, the image signal in the range where the wedge-shaped mark image 31I does not exist is removed, and the S / N ratio of the integrated image signal to be detected is improved. Therefore, the mark length can be measured with high accuracy, and the calibration of the best focus position can be performed with high accuracy. This makes it possible to use an evaluation mark composed of a wedge-shaped mark even in an exposure apparatus that is not equipped with a laser scan sensor, and to eliminate the laser scan sensor from the exposure apparatus. Space can be saved.

【0035】なお、図2における各走査線Sj と楔型マ
ーク像31Iとの位置関係によっては、楔型マーク像3
1Iの短手方向の中心が2つの走査線の境界部に位置し
て、マーク長の計測値に誤差を生じせしめる恐れもあ
る。図4(a)はそのような状態を示し、1つの楔型マ
ーク像31Iの中心がy方向に2つの走査線Sj 及びS
j+1 の境界部に位置している。このような場合を考慮し
て、図5の主制御系6では、図4(a)の状態で一度評
価用マーク像WMIを撮像素子15で撮像させて、上述
のように画像信号の抽出及び積算を行わせた後、XYス
テージ4を駆動して図4(b)に示すように、評価用マ
ーク像WMIと撮像素子15とをy方向(周期方向)に
走査線Sj の配列ピッチEYの1/2だけ相対的にずら
すようにする。そして、主制御系6は図4(b)の状態
でも評価用マーク像WMIを撮像素子15で撮像させ
て、上述のように画像信号の抽出及び積算を行わせ、積
算計測部19では得られた2つの積算画像信号ΣRに基
づいてマーク長を算出する。これによって、常に高精度
にマーク長が計測できる。なお、2回の撮像後に2つの
元の画像信号に対して、マーク部の画像信号の抽出及び
積算を行ってもよい。
Incidentally, depending on the positional relationship between each scanning line Sj and the wedge-shaped mark image 31I in FIG.
The center in the short direction of 1I may be located at the boundary between two scanning lines, causing an error in the measured value of the mark length. FIG. 4A shows such a state, in which the center of one wedge-shaped mark image 31I has two scanning lines S j and S in the y direction.
It is located at the boundary of j + 1 . In consideration of such a case, in the main control system 6 in FIG. 5, the evaluation mark image WMI is once imaged by the image sensor 15 in the state of FIG. after performing the integration, by driving the XY stage 4 as shown in FIG. 4 (b), the array pitch EY scan lines S j and the evaluation mark image WMI and the imaging element 15 in the y direction (the period direction) Relative to each other. Then, the main control system 6 causes the image pickup device 15 to capture the evaluation mark image WMI even in the state of FIG. 4B and causes the image signal to be extracted and integrated as described above. The mark length is calculated based on the two integrated image signals ΔR. Thereby, the mark length can always be measured with high accuracy. Note that the image signal of the mark portion may be extracted and integrated with respect to the two original image signals after the two imagings.

【0036】また、上記の相対移動及び撮像のシーケン
スは、2回に限られるわけではなく、相対移動及び撮像
をn回(nは自然数)に分割し、それぞれの相対移動で
は撮像素子15と評価用マーク像WMIとを走査線の配
列ピッチEYの1/nだけ動かすようにしてもよい。一
方、撮像素子15として特にCCDを用いる場合には、
図2において、CCDの各画素と評価用マーク像WMI
との位置関係によって、楔型マーク像31Iの計測方向
(x方向)の端部が丁度隣接する画素の境界部に一致し
てしまい、長さ計測値に1画素分程度の誤差を生じせし
める恐れもある。これを避けるには、上記と同様に所定
の位置での撮像及び画像信号の積算に引き続き、主制御
系6の指令によりXYステージ4を駆動し、ウエハWを
計測方向(X方向)に、CCDの各画素の配列ピッチE
Xの1/2だけ動かし、再度撮像及び画像信号の積算を
行い、これらの合成信号よりマーク長を算出すればよ
い。この際にも、2回の撮像及び積算に限るわけではな
く、撮像及び積算をm回(mは自然数)に分割し、それ
ぞれの相対移動時に撮像素子15とXYステージ4とを
画素ピッチの1/mだけ動かすようにしてもよい。
The sequence of the relative movement and the imaging is not limited to two times, but the relative movement and the imaging are divided into n times (n is a natural number). The use mark image WMI may be moved by 1 / n of the arrangement pitch EY of the scanning lines. On the other hand, particularly when a CCD is used as the image sensor 15,
In FIG. 2, each pixel of the CCD and the evaluation mark image WMI
May cause the edge of the wedge-shaped mark image 31I in the measurement direction (x direction) to coincide with the boundary of the immediately adjacent pixel, thereby causing an error of about one pixel in the length measurement value. There is also. In order to avoid this, the XY stage 4 is driven by the command of the main control system 6 and the wafer W is moved in the measurement direction (X direction) in the same manner as described above. Pitch E of each pixel
The mark length may be calculated from the combined signal by moving the image by の of X, again performing the imaging and the integration of the image signal. Also in this case, the imaging and the integration are not limited to two times, and the imaging and the integration are divided into m times (m is a natural number), and the image sensor 15 and the XY stage 4 are set to the pixel pitch of 1 at each relative movement. / M.

【0037】なお、上述の実施の形態ではベストフォー
カス位置のキャリブレーションを行う場合に本発明を適
用しているが、それ以外に2つのレイヤ間の重ね合わせ
精度を計測する場合に、2つの互いに傾斜したライン・
アンド・スペースパターンの像を重ねて露光して、この
露光の結果モアレ縞として形成される楔型マークの長さ
を計測するような場合にも本発明が適用できる。この場
合にも、マーク長を高精度に計測できるため、結果とし
て重ね合わせ精度を高精度に評価できる。
In the above-described embodiment, the present invention is applied to the case where the calibration of the best focus position is performed. Inclined line
The present invention can also be applied to a case in which an image of an and space pattern is superposed and exposed, and the length of a wedge-shaped mark formed as a moire fringe as a result of this exposure is measured. Also in this case, since the mark length can be measured with high accuracy, the overlay accuracy can be evaluated with high accuracy as a result.

【0038】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、例えばステップ・アンド・スキャン方式等の走査
露光型の投影露光装置でマーク計測を行う場合に適用す
るなど、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を
取り得ることは勿論である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is applicable to a case where mark measurement is performed by a scanning exposure type projection exposure apparatus such as a step-and-scan method. Of course, various configurations can be taken without departing from the scope.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明のマーク計測方法によれば、周期
的マークの像が無い非マーク部の画像信号は積算対象か
ら除外されて、マーク部の画像信号のみによってマーク
長が求められる。従って、使用される画像信号のSN比
が向上して、画像処理方式でそのマーク長を高精度に求
めることができる利点がある。これによって、従来はレ
ーザスキャン型センサでのみ高精度な長さ計測が可能で
あった楔型マークのような周期的マークの測長を、結像
式センサを用いても高精度に行うことが可能となる。
According to the mark measuring method of the present invention, the image signal of the non-mark portion having no periodic mark image is excluded from the object of integration, and the mark length is obtained only by the image signal of the mark portion. Therefore, there is an advantage that the SN ratio of the used image signal is improved, and the mark length can be obtained with high accuracy by the image processing method. This makes it possible to measure the length of a periodic mark such as a wedge-shaped mark with high accuracy even using an imaging sensor, which was previously possible only with a laser scan sensor. It becomes possible.

【0040】また、周期的マークの像の周期方向におい
て周期的マークの像が有る部分の画像信号を抽出する際
に、画像信号を周期的マークの像の周期方向に所定ピッ
チで配列された複数列の画素からの画像信号に分割し、
この複数列の画素からの画像信号の内で最大レベルと最
小レベルとのコントラストが所定の閾値を超える信号、
又は信号レベルが所定の長さ以上に亘って所定のスライ
スレベルの範囲内に有る信号を抽出する場合には、定量
的に容易にマーク部の画像信号を抽出できる。
Further, when extracting the image signal of the portion having the image of the periodic mark in the periodic direction of the image of the periodic mark, the image signal is extracted by a plurality of pixels arranged at a predetermined pitch in the periodic direction of the image of the periodic mark. Split into image signals from the pixels in the column,
A signal in which the contrast between the maximum level and the minimum level among the image signals from the pixels in the plurality of columns exceeds a predetermined threshold,
Alternatively, when extracting a signal whose signal level is within a predetermined slice level range over a predetermined length, it is possible to quantitatively and easily extract an image signal of the mark portion.

【0041】また、周期的マークの像と撮像素子とを周
期的マークの周期方向、又はこの周期方向に交差する計
測方向の少なくとも一方に順次撮像素子の画素の配列ピ
ッチの1/n(nは2以上の整数)だけ相対的にずらし
て、それぞれ周期的マークの像を撮像する動作をn回繰
り返し、この繰り返しによって得られるn組の画像信号
より、その周期的マークの像の周期方向においてその周
期的マークの像が有る部分の画像信号を抽出する場合に
は、最初の撮像時に周期的マーク像の輪郭が撮像素子の
画素の境界部に位置している場合でも、最終的に高精度
にマーク長を計測できる。また、本発明のマーク計測装
置によれば、本発明のマーク計測方法を実施できる。
Further, the image of the periodic mark and the image pickup device are sequentially arranged in at least one of the periodic direction of the periodic mark and the measurement direction intersecting with the periodic direction by 1 / n of the arrangement pitch of the pixels of the image pickup device (n is The operation of picking up an image of a periodic mark is repeated n times while being relatively shifted by an integer of 2 or more). From the n sets of image signals obtained by this repetition, the image in the periodic direction of the image of the periodic mark is obtained. When extracting the image signal of the portion having the image of the periodic mark, even if the contour of the periodic mark image is located at the boundary between the pixels of the image sensor at the time of the first imaging, the image is finally obtained with high accuracy. Mark length can be measured. According to the mark measuring device of the present invention, the mark measuring method of the present invention can be implemented.

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

【図1】(a)は本発明の実施の形態の一例で計測対象
となる評価用マークWMを示す拡大平面図、(b)はフ
ォーカス位置によって楔型マーク31のマーク長が変化
する状態を示す図である。
FIG. 1A is an enlarged plan view showing an evaluation mark WM to be measured in an example of an embodiment of the present invention, and FIG. 1B shows a state in which the mark length of a wedge-shaped mark 31 changes depending on a focus position. FIG.

【図2】図1の評価用マークWMの像を撮像素子15上
に投影した状態を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a state in which an image of an evaluation mark WM in FIG. 1 is projected on an image sensor 15.

【図3】図2の走査線Sj の画像信号、及び積算画像信
号ΣRを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an image signal of a scanning line Sj and an integrated image signal ΔR of FIG. 2;

【図4】評価用マークWMの像と撮像素子15とを周期
方向に相対的にずらして撮像を繰り返す場合の説明図で
ある。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a case in which an image of an evaluation mark WM and an image sensor 15 are repeatedly shifted in a periodic direction and image capturing is repeated.

【図5】本発明の実施の形態の一例で使用される投影露
光装置を示す概略構成図である。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a projection exposure apparatus used in an example of an embodiment of the present invention.

【図6】ウエハW上に露光されたショット領域及び評価
用マークの配列を示す平面図である。
FIG. 6 is a plan view showing an arrangement of shot areas and evaluation marks exposed on a wafer W;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

R レチクル PL 投影光学系 W ウエハ 4 XYステージ 6 主制御系 8 AFセンサ 9 結像式のアライメントセンサ 15 撮像素子 Sj 走査線 16 アライメント信号処理系 18 マーク部抽出部 19 積算計測部 WM 評価用マーク 31 楔型マーク 32A,32B,32C マーク群 WMI 評価用マーク像R Reticle PL Projection optical system W Wafer 4 XY stage 6 Main control system 8 AF sensor 9 Imaging type alignment sensor 15 Image sensor S j scan line 16 Alignment signal processing system 18 Mark extraction unit 19 Integration measurement unit WM evaluation mark 31 wedge-shaped mark 32A, 32B, 32C mark group WMI evaluation mark image

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 処理対象の基板上に形成された周期的マ
ークの像を所定の撮像素子を介して撮像し、該撮像によ
って得られる画像信号を処理して前記周期的マークの形
状を計測するマーク計測方法において、 前記画像信号の内で、前記周期的マークの像の周期方向
において前記周期的マークの像が有る部分の画像信号を
抽出し、 該抽出された画像信号を前記周期的マークの像の周期方
向に積算し、 該積算された画像信号より前記周期的マークの像の周期
方向に交差する計測方向のマーク長を求めることを特徴
とするマーク計測方法。
1. An image of a periodic mark formed on a substrate to be processed is imaged via a predetermined image sensor, and an image signal obtained by the imaging is processed to measure the shape of the periodic mark. In the mark measurement method, among the image signals, an image signal of a portion where the image of the periodic mark is present in the periodic direction of the image of the periodic mark is extracted, and the extracted image signal is extracted from the periodic mark. A mark measuring method, wherein the mark length is integrated in a period direction of an image, and a mark length in a measurement direction intersecting with the period direction of the image of the periodic mark is obtained from the integrated image signal.
【請求項2】 請求項1記載のマーク計測方法であっ
て、 前記周期的マークの像の周期方向において前記周期的マ
ークの像が有る部分の画像信号を抽出する際に、前記画
像信号を前記周期的マークの像の周期方向に所定ピッチ
で配列された複数列の画素からの画像信号に分割し、 該複数列の画素からの画像信号の内で最大レベルと最小
レベルとのコントラストが所定の閾値を超える信号、又
は信号レベルが所定の長さ以上に亘って所定のスライス
レベルの範囲内に有る信号を抽出することを特徴とする
マーク計測方法。
2. The mark measuring method according to claim 1, wherein, when extracting an image signal of a portion where the image of the periodic mark is present in a periodic direction of the image of the periodic mark, the image signal is extracted. The image is divided into image signals from a plurality of columns of pixels arranged at a predetermined pitch in the period direction of the image of the periodic mark, and the contrast between the maximum level and the minimum level among the image signals from the plurality of columns of pixels is predetermined. A mark measurement method comprising: extracting a signal exceeding a threshold value or a signal whose signal level is within a predetermined slice level over a predetermined length or more.
【請求項3】 請求項1記載のマーク計測方法であっ
て、 前記周期的マークの像と前記撮像素子とを前記周期的マ
ークの周期方向、又は該周期方向に交差する計測方向の
少なくとも一方に順次前記撮像素子の画素の配列ピッチ
の1/n(nは2以上の整数)だけ相対的にずらして、
それぞれ前記周期的マークの像を撮像する動作をn回繰
り返し、 該繰り返しによって得られるn組の画像信号より、前記
周期的マークの像の周期方向において前記周期的マーク
の像が有る部分の画像信号を抽出することを特徴とする
マーク計測方法。
3. The mark measuring method according to claim 1, wherein the image of the periodic mark and the image sensor are arranged in at least one of a periodic direction of the periodic mark or a measurement direction intersecting the periodic direction. Sequentially shifted relative to each other by 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the arrangement pitch of the pixels of the image sensor,
The operation of picking up the image of the periodic mark is repeated n times. From the n sets of image signals obtained by the repetition, the image signal of the portion having the image of the periodic mark in the periodic direction of the image of the periodic mark is obtained. A mark measurement method characterized by extracting a mark.
【請求項4】 処理対象の基板上に形成された周期的マ
ークの像を形成する結像光学系と、前記周期的マークの
像を撮像する撮像素子とを有し、該撮像素子からの画像
信号を処理して前記周期的マークの形状を計測するマー
ク計測装置において、 前記周期的マークの像と前記撮像素子とを前記周期的マ
ークの像の周期方向、又は該周期方向に交差する計測方
向の少なくとも一方に相対移動する相対移動装置と、 該相対移動装置を介して前記周期的マークの像と前記撮
像素子とを相対移動させる毎に前記撮像素子に前記周期
的マークの像を撮像させる制御部と、 前記撮像素子によって得られる画像信号の内で、前記周
期的マークの像の周期方向において前記周期的マークの
像が有る部分の画像信号を抽出し、該抽出された画像信
号を前記周期的マークの像の周期方向に積算し、該積算
された画像信号より前記周期的マークの像の前記計測方
向のマーク長を求める演算部と、を備えたことを特徴と
するマーク計測装置。
4. An image forming optical system that forms an image of a periodic mark formed on a substrate to be processed, and an image sensor that captures an image of the periodic mark, wherein an image from the image sensor is provided. In a mark measuring device that processes a signal to measure the shape of the periodic mark, a periodic direction of the image of the periodic mark and the imaging device, or a measurement direction that intersects the periodic direction of the image of the periodic mark. A relative movement device that relatively moves to at least one of the following: and control for causing the image sensor to capture the image of the periodic mark each time the image of the periodic mark and the image sensor are relatively moved via the relative movement device. Part, from among the image signals obtained by the imaging device, extracts an image signal of a portion where the image of the periodic mark is present in the periodic direction of the image of the periodic mark, and converts the extracted image signal to the period Target A mark measuring device comprising: a calculating unit that integrates in the periodic direction of a mark image and obtains a mark length of the periodic mark image in the measurement direction from the integrated image signal.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001065591A1 (en) * 2000-03-02 2001-09-07 Nikon Corporation Position measuring apparatus and aligner
JP2002015992A (en) * 2000-04-25 2002-01-18 Nikon Corp Lithographic process, evaluating method for lithography system, adjusting method for substrate-processing apparatus, lithography system, method and apparatus for exposure, and method for measuring condition of photosensitive material

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