JPS6327703A - 位置検出用光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、被検物体の位置を光電的に検出するための位
置検出装置、特に半導体素子を製造するだめの露光装置
において、マスクやウェハ等の位置合わせ用マークの位
置検出に用いて好適な位置検出用光ｔＡ装置に関する。

（従来の技術） この種の位置検出装置は、−ｉにレーザのような光源か
らの光を、ビーム成形器（ビームイクスパングー、シリ
ンドリカルレンズを含む、）、ビームスプリッタおよび
対物レンズを通してマスクやウェハ上の位置合わせ用マ
ークに細長い楕円状の光スポットとして投射してその位
置合わせ用マークを走査し、位置合わせ用マークから対
物レンズを通して逆行する反射光（正反射光、回折光、
散乱光等）をビームスプリフタによって分岐された検出
光路上の空間フィルターに導き、その空間フィルターに
よって抽出された回折光等を光電変換してウェハ等の位
置検出を行うように構成されていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記の従来装置においては、空間フィル
ターを含む光電検出手段と光源とが、それぞれ別の位置
に設けられているため、装置が複雑で広いスペースを必
要とするばかりで無く、ビーム成形器を含む光源側と空
間フィルターを含む光電検出側の構成要素の光軸上の配
置についても、その光学調整に長い時間と熟練とを要す
る問題点が有った。

本発明は、上記従来装置の問題点を解決し、位置検出の
ための光学系をコンパクト化し、露光装置の小型化と光
学調整の簡素化とを可能にし、しかも、安定した検出が
できる位置検出用光源装置を提供することを目的とする
。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、光線からの光を投射光学
系を介して被検物面に所定の断面形状の光スポットとし
て投射し、投射された被検物面から発する回折光または
散乱光を検出して被検物の位置を検出する位置検出措置
において、本発明による位置検出用光源装置は、光源か
ら投射光学系に向う光束を通過させ且つ投射光学系に逆
入射する被検物面からの回折光または散乱光を抽出して
光電変換する光電検出手段と、光源からの前記光束を所
定の断面形状のビームに成形するためのビーム成形手段
と、光源と共にビーム成形手段と光電検出手段とを一体
に囲んで支持する支持手段とを備えていることを技術的
要点とするものである。

（作用） 上記の如き手段を備えた本発明による光源装置において
は、光源（２２）からの光束は、ビーム成形手段を構成
するビーム成形プリズム（２３）と、球面レンズ（２６
）またはトーリックレンズ（３２，３５）とによってビ
ーム成形され、光電検出手段を構成する空間フィルター
（２５）と光電素子（２４Ａ、２４Ｂ）の中央部分また
は、空間フィルターを兼用する光電素子（３４Ａ、３４
Ｂ）の中央部分を通過して投射光学系（６）から、所定
断面形状の光スポットとして被検物（７）の面に投射さ
れる。この光スポットが投射された被検物（７）の面か
ら発生する回折光または散乱光は、投射光学系（６）の
瞳（６ａ）を通り、光源（２２）からの投射光束の通路
に沿って逆行し、投射光学系（６）の瞳（６ａ）と共役
な位置に設けられた空間フィルター（２５）を介して光
電素子（２４Ａ、２４Ｂ）に受光されるか、あるいは、
その瞳共役位置に設けられた空間フィルター兼用の光電
素子（３４Ａ、３４Ｂ）によって受光される。この、ビ
ーム成形プリズム（２３）と球面レンズ（３２）、また
はトーリックレンズ（３２，３５）とから成るビーム成
形手段と、空間フィルター（２５）と光電素子（２４Ａ
、２４Ｂ）または空間フィルター兼用光電素子（３４Ａ
、３４Ｂ）から成る光電検出手段と、光源（２２）とは
、これ等を囲む支持手段としての外筒（２１）によって
一体に支持される。

従って、光電検出手段のうちの空間フィルター（２５）
または空間フィルター兼用光電素子（３４Ａ、３４Ｂ）
を投射光学系（６）の瞳（６ａ）と共役な位置に設置す
ると他の光源（２２）およびビーム成形手段とは同時に
それぞれ所定位置に設置固定される。

（実施例） 次に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説
明する。

第１図は本発明の実施例を示す縮小投影型露光装置の概
略構成図である。露光用光ａｌからの光は、集光レンズ
２、シャッタ３、コンデンサーレンズ４を介して、回路
パターンを有するレチクル５を均一に照明する。照明さ
れたレチクル５のパターン像は、投影レンズ（対物レン
ズ）６により例えば５／１乃至１６／１に縮小されてウ
ェハ７上に投影される。

一方、その投影レンズ６の瞳６ａと共役な位置に、本発
明の要部をなし、後で詳しく述べられる位置検出用光源
装置としての送光受光一体センサ２０が設けられている
。送光受光一体センサ２０から射出されるアライメント
光は、レンズ１０にて集束され、一方向に長く伸びた矩
形状の光スポットとして一旦レチクル５上に結像される
。

このアライメント光は、レチクル５を通過した後、投影
レンズ６の瞳位置を通り、ウェハ７上に第２図に示すよ
うに細長い光スボツＩ−ＬＳとして再結像される。この
場合、投射される主光線がウェハ７の上面に垂直となる
ように、投影レンズ６は、少なくともウェハ７側の主光
線が光軸に対して平行となるテレセンドリンク系に構成
されている。第１図では、レチクル５側でも主光線が光
軸に平行となる両テレセントリック系として構成されて
いるが、レチクル５側では、主光線が光軸に対して傾斜
する片テレセンドリンク系としても差支えない。

ウェハ（被検物）７は、２次元移動ステージ（以下単に
「ステージ」と略称する。）１１上に載置され、そのス
テージ１１の位置は、レーザ光波干渉測長器（以下「レ
ーザ干渉計」と略称する。

）１２によって検出される。また、ウェハ７上にはアラ
イメントマーク７Ａが設けられ、ステージ９は、送光受
光一体センサ２０からの光によって形成される光スポッ
トＬＳがウェハ７上のアライメントマーク７Ａを走査す
るように移動される。

そのアライメントマーク７Ａは、第２図に示すように回
折格子パターンに形成されており、光スポットＬＳによ
って照射されると、回折格子の並びの方向（第２図中で
上下方向）に回折光が発生する。

アライメントマーク７Ａから発した回折光は、投影レン
ズ６の瞳６ａを通り、さらにレチクル５、レンズ１０、
反射鏡９および８を介して送光受光一体センサ２０に入
射する。送光受光一体センサ２０で受光された回折光は
光電変換され、その光電信号は、プリアンプ回路（ＡＭ
Ｐ）１３で振幅制御された後、ＡＤコンバータ回路（Ａ
ＤＣ）１４によってレーザ干渉計１２から構成される装
置パルス（例えば０．０２μｍ毎に１パルス）に応答し
てデジタル信号に変換され、位置パルスの発生毎に順次
、メモリ回路（ＲＡＭ）１５に取り込まれる。ＲＡＭ１
５に取り込まれた信号（マーク波形）は、ＣＰＵ１６か
らの指令によって信号処理専用プロセッサユニット（Ｂ
ＳＰ）１７で信号処理され、位置検出結果をＣＰＵ１６
に戻す。ＣＰＵ１６は、その位置検出結果に基づいて図
示されない駆動モータを制御してステージ１１を移動さ
せ、装置に対して予め正確に位置決めされたレチクル５
に対するウェハ７の位置合わせを行わせるように構成さ
れている。この場合、レチクル５のアライメント光通過
部分には透明窓５Ａが形成されている。

なお、第１図は、レチクル５が予め装置に対して正確に
位置決めされており、ウェハ７のみを位置合わせする場
合の実施例であるが、レチクル５とウェハ７との相対的
位置合わせを行う場合には、上記の透明窓５Ａの位置に
、レチクル用のアライメントマークを設け、そのレチク
ル５上のアライメントマークとウェハ７上のアライメン
トマーク７Ａとを光スポットによって同時に走査するよ
うに構成すればよい。この場合には、送光受光一体セン
サ２０とレチクル５との間の光路中に、投影レンズ６の
ｆｆｆｆ１６ａと共役な面を作るリレー光学系が付加さ
れ、さらに、その瞳共役面にガルバノミラ−や回転ポリ
ゴンミラー・等が設けられる。さらにまた、レチクル５
上のパターンを投影するための露光波長に対して、アラ
イメント光の波長が大きく相違している場合には、投影
レンズ６を例えば広帯２色色消光学系に構成するか、あ
るいはレチクル５とウェハ７との間のアライメント光路
上に色収差補正用の光学系を設ければよい。

第３図は、本発明の要部をなす送光受光一体センサ２０
の構成を示す断面図である。センサ外筒２１の内部には
、半導体レーザ２２とビーム整形プリズム２３および２
個一対の光電素子２４Ａ、２４Ｂが設けられ、センサ外
筒２１の一端には空間フィルター２５が設けられている
。この空間フィルター２５は、第４図に示すように、中
央部にレーザ光束が通過する矩形状の開口２５ａが設け
られ、その間口２５ａを挟んで両側に、ウェハ７のアラ
イメントマーク７Ａから発生する回折光を受け入れる窓
２５ｂが設けられている。この空間フィルター２５は、
投影レンズ６と瞳共役な位置に置かれる。また、光電素
子２４Ａ、２４Ｂは、第５図に示すようにビーム整形プ
リズム２３を挟んで両側に設けられ、空間フィルター２
５の窓２５ｂを通過した回折光を受光するように構成さ
れている。さらに、空間フィルター２５の外面中央には
、コリメーターレンズ２６が固設され、ビーム整形プリ
ズム２３を通して入射したレーザ光をほぼ平行光束とし
てレンズ１０に向けて射出する。

なお、ビーム整形プリズム２３とコリメーターレンズ２
６とをもってビーム整形手段が構成される。

第６図は、ビーム整形プリズム２３の斜視図で、断面矩
形の角柱状をなし、半導体レーザ２２に対向する側の端
部は断面矩形の角錐台状に形成されている。この角錐台
部の傾斜した四つの側面２３ａは、光源２２からの光を
反射する鏡面または塗装面に形成され、中央の細長い矩
形状端面２３ｂ（第３図参照）のみがレーザ光を透過す
るように構成されている。なお角錐台部側面２３ａにて
反射された不用のレーザ光は、センサ外筒２１の内面で
吸収される。また、ビーム成形プリズム２３の矩形状端
面２３ｂおよび空間フィルター２５の矩形状開口２５ａ
の長手方向は、半導体レーザ２２の発光面の長手方向と
一敗するように取り付けられる。

また、レチクル５に設けられたアライメントマークが光
スポットで走査するように構成されている場合には、そ
のレチクル５のアライメントマークから発生する回折光
も、ウェハ上のアライメントマーク７Ａから発する回折
光と共に空間フィルター２５の窓２５ｂを通して光電素
子２４Ａ、２４Ｂにて受光される。

第１図に示す縮小投影型露光装置の位置検出装置は上記
の如く構成されているので、第３図に示す送光受光一体
センサ２０内の半導体レーザ２２から発したレーザ光束
の一部の軸外光束は、ビーム整形プリズム２３の角錐台
部の側面２３ａによって除去され、はぼ近軸光線のみが
端面２３ｂを透過して、断面が細長い矩形状のレーザ光
束に整形される。この整形されたレーザ光束は、空間フ
ィルター２５の中央部間口２５ａ（第４図参照）を通過
した後、コリメーターレンズ２６によってほぼ平行な光
束となって射出される。

送光受光一体センサ２０のコリメーターレンズ２６から
射出されたレーザ光束は、第１図に示すようにレンズ１
０に入射する。レンズ１０は、そのレーザ光束を集束し
て、レチクル５上にビーム整形プリズム２３の入射端面
２３ｂの長手方向と一敗する細長い矩形状の光スポット
を投射する。

さらに、レチクル５を通過したレーザ光束は、投影レン
ズ６の瞳６ａを通り、レチクル５に投射された光スポッ
トと相似の細長い矩形状の光スポットＳＬとしてウェハ
面上に垂直投射される。そこで、ステージ１１を移動す
るとウェハ７上のアライメントマーク７Ａは光スポット
ＳＬによって走査され、その際、ウェハ上のアライメン
トマーク７Ａから回折光が発生する。なお、その際のス
テージ１１の位置はレーザ干渉計１２６４よって検出さ
れ、ＡＤコンバータ回路（ＡＤＣ）１４に送られる。

アライメントマーク７Ａからの回折光は、投影レンズ６
の瞳６ａを通り、レチクル５を通過した後、レンズ１０
に入射する。レンズ１０に入射したアライメントマーク
７Ａからの回折光は、投影レンズ６の瞳６ａと瞳共役の
位置に設けられた空間フィルター２５　（第３図および
第４図参照）の窓２５ｂ内に入射する。窓２５ｂ内に入
射した回折光は、光電素子２４Ａ、２４Ｂによって受光
されて光電変換され、その回折光に応じた検出信号はプ
リアンプ回路（ＡＭＰ）１３に送られ、アライメントマ
ーク７の位置検出が行われる。

なお、先にも述べたように、レチクル５およびウェハ７
に投射される光スポットによって、レチクル５上のアラ
イメントマークとウェハ７上のアライメントマークとが
同時に走査される場合には、レチクル５とウェハ７との
双方のアライメントマークから発生する回折光が、空間
フィルター２５の窓２５ｂを通して光電素子２４Ａ、２
４Ｂに受光される。これにより、双方の回折光に応じた
検出信号に基づいて、ウェハ７とレチクル５との相対的
位置検出が行われる。

第７図および第８図は、第３図中のコリメーターレンズ
２６のかわりに、光スポットを長く伸びた細長い断面形
状とするために、シリンドリカルレンズまたはトーリッ
クレンズを設けたそれぞれ別の実施例を示す断面図であ
る。第３図と同じ機能を有する部材には同一符号を付し
、その構成についての詳しい説明は省略する。

第７図において、送光受光一体センサ２への内部に設け
られたビーム整形プリズム２３は、隔壁板３１に固設さ
れ、その射出端面に、トーリックレンズ３２が設けられ
ている。このトーリックレンズ３２は、ビーム整形プリ
ズム２３の矩形端面２３ｂの長手方向に対しては弱い収
斂性の屈折力を持ち且つこれに垂直な方向に対しては、
強い収斂性の屈折力を有するように構成されている。従
って、その長手方向の面内のレーザビームは破線で示す
ようにほぼ平行光束となってレンズ１ｏに入射した後、
レチクル５上に集光される。また、その長手方向に直角
な面内のレーザビームは、トーリックレンズ３２の強い
屈折力により第７図中で実線にて示すように２１点に一
旦集束され、レンズ１０によって平行光束となる。これ
により、レンズ１０によってレチクル５上に投射される
レーザビームは、第７図中で左右方向に長い矩形上の光
スポットとなる。

また、その集束点Ｐ１の位置は、投影レンズ６の瞳６ａ
と瞳共役な位置となる。従って、この点Ｐ１を含む瞳共
役面に一致して、透明基板３３を配置し、その透明基板
３３に、第４図に示す空間フィルター２５の窓２５ｂと
同形状の光電素子３４Ａおよび３４Ｂを配置すれば、ア
ライメントマークからの回折光を、空間フィルター２５
と同様に抽出すると同時に、その回折光を光電変換する
ことが可能となる。これにより、第３図の実施例より充
分明瞭で細長い光スポットとすることができるので、検
出精度を向上させることができる。

第８図においては、トーリックレンズ３５が送光受光一
体センサ２０Ｂのセンサ外筒の先端部分を密封する透明
板３６に固設されている。このトーリックレンズ３５は
、ビーム整形プリズム２３の矩形端面２３ｂの長手方向
に対しては、収斂性の屈折力を持ち、これに直角な方向
に対しては発散性の屈折力を有するように構成されてお
り、これに入射する長手方向のレーザビームは破線にて
示すように、はぼ平行光束となってレンズ１０に入射し
、レチクル５上に集光される。また、長手方向に対して
直角方向のレーザビームは実線にて示すように発散して
レンズ１０に入射し、はぼ平行光束となって射出される
。従って、レーザ光源２２から発したレーザビームは、
第８図中で左右に細長い光スポットとなってレチクル５
上に投射される。この場合、投影レンズ６の瞳６ａと共
役な瞳共役面はトーリックレンズ３５とレーザ光源２２
との間の点Ｐ２に位置させることができる。

従って、その瞳共役点Ｐ２の位置に第９図に示す空間フ
ィルターを兼用する光電素子３４Ａ、３４Ｂを設け、こ
れを遮光板３７上に保持させれば、ウェハ７上のアライ
メントマーク７Ａからの回折光を抽出して光電変換する
ことができる。この第８図の実施例では、第７図の実施
例より外筒２１を短くすることができるので、送光受光
一体センサ２０Ｂをコンパクトにし、しかも第３図のも
のより高精度の検出が可能となる。

なお、第７図および第８図において、ビーム成形プリズ
ム２３とトーリックレンズ３２．３５をもって、ビーム
成形手段が構成される。また、半導体レーザ２２の発光
面の長手方向の光束の発散角度が小さい場合には、これ
に直角な方向にのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズ
にトーリックレンズ（３２，３５）を置き換えてもよい
。また、光電検出手段としての光電素子３４Ａ、３４Ｂ
は、第３図に示すように空間フィルター２５と光電素子
２４Ａ、２４Ｂとにて構成してもよい。

また、上記の第１図では、レチクル５を通してウェハ７
の位置検出を行うように構成されているが、レチクル５
、投影レンズ６を介することなく、直接ウェハ７または
レチクル５の位置検出を単独にて行うアライメント装置
に、本発明の送光受光一体センサを用いてもよい。また
、露光装置ばかりでなく、ウェハ７のパターン検査装置
のアライメント光学系にも用いて有効なことは言うまで
もない。さらに、第１図の実施例においては、回折格子
に形成されたアライメントマークからの回折光を空間フ
ィルター２５の窓２５ａ、２５ｂを通して光電素子２４
Ａ、２４Ｂが受光するように構成されているが、散乱光
を受け入れるように窓２５ａ、２５ｂを配置形成しても
よい。また、ビーム整形のために第３図においては断面
矩形のプリズム２３が用いられているが、矩形状の開口
を有する絞りをプリズム入射端面の位置に設けて、ビー
ム整形してもよい。さらにまた、第３図の実施例では、
空間フィルター２５と光電素子２４Ａ、２４Ｂとを設け
たが、空間フィルター２５を単なる透明板とし、その透
明板に第９図に示すような空間フィルター兼用の光電素
子３４Ａ、３４Ｂを設けてもよい。

〔発明の効果〕

以上の如（本発明によれば、光源とビーム成形手段とを
含む送光部と空間フィルターと光電素子または空間フィ
ルター兼用の光電素子から成る受光部とが一体化されて
いるため位置検出装置がコンパクトになり、投射光学系
（投影レンズ）から光電素子に向う検出光路上に、その
光路を光源からの往路から分岐させるための光線分割プ
リズム（光源分割器）が設けられていないため、光電素
子に達する光の損失が少なく、検出精度の向上をはかる
ことができる。さらに、送光部と受光部が一体化されて
いるので、投射光学系に対する光学調整を容易且つ迅速
に行うことができ利点が有る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を組み込んだ縮小投影型露光装
置の概略構成図、第２図は第１図に示すウェハ上のアラ
イメントマークと光スポットとの拡大説明図、第３図は
本発明の第１実施例を示す位置検出用光源装置の断面図
、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶの断面図、第５図は第３
図のＶ−Ｖの断面図、第６図は第３図におけるビーム整
形プリズムの斜視図、第７図は本発明の第２実施例を示
す位（主要部分の符号の説明）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光を投射光学系を介して被検物面に光
   スポットとして投射し、前記被検物面から発する回折光
   または散乱光を前記投射光学系を通して受光して前記被
   検物の位置を検出可能な位置検出装置において、前記光
   源から前記投射光学系に向う光束を所定断面形状のビー
   ムに成形するためのビーム成形手段と、前記光源からの
   前記光束を通過させ且つ前記投射光学系を通して逆行す
   る前記回折光または散乱光を抽出して光電変換する光電
   検出手段と、前記光源と共に前記ビーム成形手段と前記
   光電検出手段とを一体に囲んで支持する支持手段とを設
   けたことを特徴とする位置検出用光源装置。
2. （２）前記光電検出手段は、前記光源（２２）から前記
   投射光学系（６）に向う光束の通路に近接して設けられ
   た空間フィルター兼用の光電素子（３４Ａ、３４Ｂ）か
   ら構成されるか、あるいは、中央部分に前記光源からの
   光束を通過させる開口（２５ａ）、外周部分に前記回折
   光または散乱光を受け入れる窓（２５ｂ）を有する空間
   フィルターと、前記窓（２５ｂ）から入射する光束を受
   光する光電素子（２４Ａ、２４Ｂ）とから構成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位置検
   出用光源装置。
3. （３）前記ビーム成形手段は、半導体レーザ（２２）か
   らのレーザ光束を通過させる所定断面形状の開口部材（
   ２３）とレンズ部材（２６、３２、３５）とから成り、
   前記光電検出手段は該ビーム成形手段の外側または前方
   に近接して設けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の位置検出用光源装置。