JP3658378B2

JP3658378B2 - Projection exposure apparatus and position detection apparatus

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Publication number: JP3658378B2
Application number: JP2002131589A
Authority: JP
Inventors: 和彦三島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: JP2002359186A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置及び位置検出装置に関するものであり、特に半導体ＩＣやＬＳＩを製造する際に、レチクル面上のパターンをウエハに投影するときにレチクルやウエハ等の物体の位置情報を該物体の像を観察することによって高精度に検出し、該検出した位置情報に基づいて物体の位置合わせを行う際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造技術の進展は近年ますます速度を増しており、それに伴って微細加工技術の進展も著しいものがある。特にその中心をなすレチクル面上のパターンをウエハに投影する投影露光装置を用いた光加工技術は１ＭＤＲＡＭを境にサブミクロンの領域に及んでいる。
【０００３】
投影パターン像の解像力を向上させる手段として投影露光装置に対して過去より行われてきた方法に露光光の波長を固定して投影光学系のＮＡを大きくしていく手法や、露光波長をｇ線からｉ線、さらにはエキシマレ−ザの発振波長というようにより短波長化していく手法がある。また最近では位相シフトマスクや変形照明等により、光露光による光加工の限界を広げる試みが行われている。
【０００４】
一方、解像力の向上に伴って、投影露光装置においてウエハとレチクルとを相対的に位置合わせするアライメントについても高精度化が必要とされている。半導体素子製造用の投影露光装置は露光装置と同時に位置検出装置としての機能も必要となっている。
【０００５】
図３は従来の半導体素子製造用の投影露光装置におけるアライメント用の位置検出系の構成を示したものである。ウエハ４の表面内に図に示したようにｘ、ｙ軸を取るが、投影露光装置の位置検出系はｘ及びｙ方向が同様なので、ここではｙ方向の計測について説明する。ここで位置検出光学系（位置検出系）とは光源から検出に到るまでの全ての光学系を総称した名称とする。
【０００６】
不図示のＨｅ−Ｎｅレ−ザ−等の光源から出射した光は、ファイバ−１２を通して照明光学系１１に導かれる。光は偏光ビ−ムスプリッタ１０により紙面に垂直なＳ偏光成分が反射され、λ／４板７を透過して円偏光に変換される。その後、光は結像光学系６、５、ミラー３０、投影露光光学系１を介し、ｘｙｚ方向に駆動可能なステ−ジ２の上に置かれたウエハ４上に作成されたマ−ク（アライメントマーク）３１をケ−ラ−照明する。マ−ク３１からの反射光、あるいは散乱光は再び投影露光光学系１、ミラー３０、結像光学系５、６を通過した後、λ／４板７を経て今度は紙面内成分であるＰ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換されたため、光は偏光ビ−ムスプリッタ１０を透過し、結像レンズ８によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子９上に前記マ−ク３１の像を結像する。該光電変換素子９で検出されたマーク像の信号は画像処理されてマ−ク３１の位置が高精度で検出され、該検出値からステ−ジ２を駆動してウエハ４の位置合わせを行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す従来の位置検出系では位置検出精度を低下させるいくつかの問題点が存在している。
【０００８】
第１に挙げられるのは検出波長に伴う問題である。このような位置検出系ではアライメント用の光源として、マーク像の検出時の露光を防ぐため非露光光を用いている。投影露光光学系１は露光波長に対して諸収差が最適化されているため、非露光光の波長では収差が発生し、また製造誤差による影響もあって位置検出時に計測誤差を発生させる要因となる。
【０００９】
第２の要因はケ−ラ−照明に関する問題である。該照明法において照明をσ＝０で使用するのは、光量や結像時における空間周波数のカットオフの問題があるため実用上困難で、一般には有限の大きさの発光面を持った光源が用いられる。例えば実際にはレ−ザ−光源からの光をファイバ−で照明系に導光したり、ランプそのものを光源として用いたりしている。
【００１０】
σがゼロでないため位置検出面のウエハ面では光軸に対してある角度を持った照明光が存在する。ケ−ラ−照明は検出面を一様に照明する手法であるが、検出光学系の瞳面の分布である有効光源の一様性まで保証するものではない。従って有効発光面の光強度分布がマ−クの計測方向に対して対称でない場合、即ち検出面に対する照明光の入射角分布が非対称な場合、観察されるマーク像の光強度分布が対称に照明されたものと異なり、計測誤差を発生させるという問題を生じる。
【００１１】
図４（ａ）はｙ方向の計測マ−ク３１の鳥瞰図、図４（ｂ）は該マ−クをｘ方向から見た断面図、図４（ｃ）は観察される信号波形を示す。
【００１２】
有効発光面の光強度分布は光源の発光強度分布と等価なので、検出面では該発光領域の強度に依存した入射角度の強度分布を生じる。図４で３２ａをマ−ク３１に対して垂直に入射する光、３２ｂと３２ｃをそれぞれ垂直方向に対して角度が等しいが方向の異なる方向からの入射光とし、段差構造を持ったマ−ク３１を照明して位置検出を行うケ−スを考える。図に示すように斜方向から入射する光３２ｂの照明光強度が、斜方向から入射する光３２ｃの照明光強度より弱いとすると、マ−ク３１を検出する場合、マ−クエッジ部の散乱光強度に差が発生し正確な位置検出ができないという問題が発生してくる。簡単のためマ−ク３１の断面形状が完全に対称と仮定すれば、マ−クエッジからの散乱光の干渉条件の差は考慮しなくてよいが、このように理想的な場合でも、光３２ｃの方が光３２ｂよりも強度が強ければマ−クエッジ部での光の散乱の様子が異なり、得られるマ−クの画像信号は図４（ｃ）に見られるように非対称となる。即ち、マ−ク自体が対称であるにもかかわらず、照明条件が非対称だと検出する画像信号の波形が歪んでしまい、正確なマ−ク位置の検出が困難となる。勿論、光３２ｂと光３２ｃの強度が等しければ対称性より、波形は完全に対称な形となる。
【００１３】
実際の信号の非対称性はマ−ク段差の構造の違いや、レジスト等の半導体製造工程の違いによっても生じる。また、エッジの散乱特性は入射光の強度に比例したり、反比例したりと千差万別な様相を示して信号の非対称性の発生を複雑化させる。しかしながら、装置自身としてはまず測定方向における照明光の入射角強度の非対称性によるマ−クの計測誤差を取り除くのが重要である。
【００１４】
このような現象を解決する方法としては位置検出系の瞳面や像面に拡散板等のフィルタを配置し、光強度分布及び角度分布の均一化を図っている。ところがこのように拡散板を用いると光強度の均一度に反比例して物体面での光量の減少を引き起こし、半導体素子の製造工程によってアライメントマ−クの検出が困難になる場合がある。本発明は上記の点及び幾つかの実験を通して判明した事実を考慮し、投影露光光学系も含む位置検出光学系の諸収差を除去するよう、該位置検出光学系の照明条件を最適化し、位置検出精度の向上を図り、高集積度の半導体素子を製造する際に好適な投影露光装置及び位置検出装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記説明したように位置検出装置の位置検出光学系の瞳面に当たる像面のフ−リエ変換面の一次元、あるいは二次元の光強度分布は、検出対象物体のマ−クをケ−ラ−照明する光の角度特性に対応する。そして該角度特性によって検出するべきマ−クの画像信号は影響を受ける。投影露光光学系を含む位置検出光学系が検出光に対して無収差の場合、検出される画像信号を対称にするためには、照明光の角度特性がマ−クの中心に対して対称になるようにすればよい。つまり、瞳面での光強度分布を光軸に対して対称になるようにすることが必要となる。なおここでの瞳面強度に要求される対称性はマ−クの計測方向に関するものである。
【００１６】
更に発明者の実験によれば、検出されるマ−クの画像信号が特に光強度分布の重心位置に依存して顕著に変化することが確認された。投影露光光学系を含む位置検出光学系自体に収差が存在する場合、これらの影響によるマ−クの画像信号の非対称性は瞳面の光学重心の調整によってキャンセルできること、及びこの光学重心の変化に対して信号が敏感に反応する構造のマ−クのあることも発明者によって確認された。本発明は以上の点を考慮してなされたもので、位置検出光学系を光学重心の調整可能な照明系で構成し、ある特定の画像信号を観察して照明条件を最適化することで、マ−クの位置検出精度の向上を図ったことを特徴としている。
【００１７】
次に具体的に各請求項の発明の構成を示す。
【００１８】
請求項１の発明の投影露光装置は光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出し、検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行う投影露光装置であって、前記位置検出光学系が収差を有しており、前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項２の発明は請求項１の発明において前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００２０】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００２１】
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴としている。
【００２２】
請求項５の発明は請求項１乃至４のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００２３】
請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００２４】
請求項７の発明は請求項１乃至６のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に設けられた、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴としている。
【００２５】
請求項８の発明は請求項７の発明において前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴としている。
【００２６】
請求項９の発明は請求項７又は８の発明において前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００２７】
請求項１０の発明は請求項１乃至９のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系は、ＴＴＬの位置検出光学系であることを特徴としている。
【００２８】
請求項１１の発明は請求項１乃至９のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系は、ＴＴＲの位置検出光学系であることを特徴としている。
【００２９】
請求項１２の発明は請求項１乃至９のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系は、オフアクシスの位置検出光学系であることを特徴としている。
【００３０】
請求項１３の位置検出装置は発明は光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出する位置検出装置であって、前記位置検出光学系が収差を有しており、前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴としている。
【００３１】
請求項１４の発明は請求項１３の発明において前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００３２】
請求項１５の発明は請求項１３又は１４の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００３３】
請求項１６の発明は請求項１３乃至１５のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴としている。
【００３４】
請求項１７の発明は請求項１３乃至１６のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００３５】
請求項１８の発明は請求項１３乃至１７のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００３６】
請求項１９の発明は請求項１３乃至１８のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴としている。
【００３７】
請求項２０の発明は請求項１９の発明において前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴としている。
【００３８】
請求項２１の発明は請求項１９又は２０の発明において前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００３９】
請求項２２の発明の投影露光装置は請求項１３乃至２１のいずれか１項記載の位置検出装置を有し、前記位置検出装置によって検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行うことを特徴としている。
【００４０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の半導体素子製造用の投影露光装置を示すものである。図中、従来例と同一の構成要素には同じ記号が付されている。ウエハ４の表面内に図に示したようにｘ、ｙ軸を取るが、本実施形態の投影露光装置の位置検出光学系はｘ及びｙ方向の計測は同等なので、ｙ方向の計測についてのみ説明する。
【００４１】
図１でＨｅＮｅレ−ザ−あるいはその他の非露光光源で構成される光源１３から出射した光はファイバ−１２を通して照明光学系１１に入射する。光は偏光ビ−ムスプリッタ１０により紙面に垂直なＳ偏光成分が反射され、λ／４板７を透過して円偏光に変換される。その後、光は結像光学系６、５、ミラー３０、投影露光光学系１を介してｘｙｚ方向に駆動可能なステ−ジ２の上に置かれたウエハ４上に作成されたマ−クあるいは調整用の基準マ−ク１４を照明する。マ−クからの反射光、あるいは散乱光は再び投影露光光学系１、ミラー３０、結像光学系５、６を通過した後、λ／４板７を経て今度は紙面内成分であるＰ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換されたため、光は偏光ビ−ムスプリッタ１０を透過し、結像レンズ８によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子９上に前記マ−クの像を結像させる。該光電変換素子９で検出された信号は画像処理されてマ−クの位置が検出され、該検出値からステ−ジ２を駆動してウエハ４の位置合わせを行っている。
【００４２】
本発明は光学重心の調整用の基準マ−ク１４をステージ２上に設けたことを特徴としている。調整用の基準マ−ク１４は図９に示す構造を持ったメカニズムの上に形成されている。即ち基準マ−ク１４は第２基板２１の上に取り付けられているが、第２基板２１はｚ軸方向の調整が可能となるようにピエゾ素子等の歪電素子２２を介して第１基板２３の上に設置されており、更に第１基板２３は回転軸２４によって保持されている。このような構造を持っているためピエゾ素子２２の印加電圧を制御することで基準マ−ク１４のフォ−カスを調整し、更に基準マ−ク１４を所定の角度回転することが可能となっている。特に基準マ−ク１４を１８０°回転させて観察し、回転前の観察と比較して、基準マ−ク１４の構造自体の非対称性による影響を削除するようにしている。本実施形態では、調整用の基準マ−ク１４のような特別なマ−クを装置に設け、これによってウエハと関係なく簡易に計測でき、且つ安定した調整基準を持つことを可能としている。
【００４３】
ここでは特別にステ−ジ２上に調整用の基準マ−ク１４を設けたが、同じことは同様のマ−クを持つウエハあるいはそれに類するマ−クを持つウエハを用いて行うことも可能である。
【００４４】
ここで位置検出光学系の瞳面の光学重心が計測方向を含む面内で光軸に関して対称ではあるが、検出波長の光に対して投影露光光学系を含む位置検出光学系が偏心コマ収差を持つ場合を例に考える。図６は本実施形態で得られる検出信号の模式図である。図６（ａ）は計測方向断面の段差形状を持ったマ−クと照明光４１、及び偏心コマを考慮した散乱光４２ａ、４２ｂを示す。図６（ｂ）は図６（ａ）の状態での基準マ−クの画像信号である。マ−クエッジ部からの検出光はマ−ク中心に対して非対称な波形となる。ここで一方のエッジの強度をａ、もう一方のエッジの強度をｂ、マ−ク全体の強度をｃとして、評価値Ｅを、
Ｅ＝（ａ−ｂ）／ｃ（１）
とする。評価値Ｅは波形歪みを表すパラメ−タ−と考えられる。このような定義の下、シリコン（Ｓｉ）で矩形段差構造を持つアライメントマ−クの段差の高さｄを幾つか変え、そのときの評価値Ｅを計測した結果を図７に示す。図で横軸は検出光のＨｅＮｅレ−ザ−の波長λでｍｏｄｕｌｕｓを取った段差（高さ）ｄ、縦軸は評価値Ｅである。検討の結果、評価値Ｅは図７（ａ）に示すように周期関数的に変化することが実験及びシミュレ−ションから確認された。
【００４５】
これに対し図７（ｂ）は投影露光光学系を含む位置検出光学系に収差がない状態で、図１に示したファイバ−１２の端面（瞳面）が偏心した時の段差に対する評価値Ｅを示したものである。実線は瞳面での光学重心の偏心を計測方向に検出系のＮＡの３％ずらした場合の特性、破線は同様に１．５％偏心させた時の特性を示す。縦軸、及び横軸は図７（ａ）と同じである。瞳面での光学重心の偏心量に応じて評価値Ｅが振幅を持って変化していることが分かる。即ち位置検出光学系に収差が存在しない場合は、瞳面の光学重心を光軸上に調整することで、段差の高さに依存しない、つまり多数ある半導体製造工程間でマ−クの構造に依存したオフセット（工程間オフセット）の少ない位置検出光学系を達成することができる。
【００４６】
図７（ａ）と図７（ｂ）の両者は類似した正弦波状の特性を持っている。従って投影露光光学系を含む位置検出光学系に偏心コマ成分がある場合、偏心コマによるマ−クに基づく画像信号の波形歪みを打ち消す方向に光学重心を調整することで、理想的な場合と同様に段差の高さに影響されない位置検出光学系を達成することができる。また図７（ａ），（ｂ）より段差がλ／８、または３λ／８近辺の段差を持つマ−クを用いることで敏感に、且つ効率よく光学重心の調整を行うことができることも分かった。実際の調整ではＳｉウエハを使って矩形段差マ−クを作成すると、段差量ｄの制御が容易であるため都合が良い。しかしながらその他の材質を用いてこれに類似するマ−ク、つまり矩形段差構造を持ち、検出光に対してエッジ部のみ干渉現象を持つようなマ−クを用いても同様の効果が達成できる。また、図７で示した様に段差に対する評価値は周期的に変化するので、λ／８，３／８λに限定されず、１／８λの奇数倍の段差を用いることで、同様の効果が得られることは、このグラフからも容易に推測できる。
【００４７】
図５は実際の調整手順を示したフローチャートである。調整はこれまで説明したように段差がλ／８、またはλ／８近辺の段差を持つウエハを用いても行うことができるが、ここでは図１に従って、調整用の基準マ−ク１４を用いた場合について説明する。
【００４８】
まず調整用の基準マ−ク１４を回転がない初期状態においてピエゾ２２を用いてフォ−カス位置に駆動して、該基準マ−ク１４の画像デ−タの取り込みを行う。この状態での計測を添字_nを付けて表す事とし、得られた画像デ−タのエッジ信号の高さをａ_n、ｂ_n、信号の全体強度をｃ_nとすると、（１）式より評価値Ｅ_nを計算することができる。
【００４９】
次に調整用の基準マ−ク１４を回転軸２４により１８０°回転し、再びピエゾ２２によりフォ−カス駆動を行って画像デ−タを取り込む。この状態での計測を添字_rを付けて表す事とし、得られた画像デ−タのエッジ信号の高さをａ_r、ｂ_r、信号の全体強度をｃ_rとすれば、（１）式より評価値Ｅ_nを計算することができる。その後、２つの評価値を平均化して
Ｅ₀＝（Ｅ_n＋Ｅ_r）／２（２）
を最終評価値とする。評価値Ｅ₀が所定の判断基準Ｅ_thよりも小さければ、検出光学系の調整が十分になされていることになり通常のアライメント・ル−チンを続けることができる。なお、判断基準Ｅ_thは位置検出光学系ごとに、発生する工程間オフセットが許容範囲となるような判断基準値として予め設定されている。評価値Ｅ₀が条件（２）を満足しない場合は評価値Ｅ₀に関する情報をＣＲＴ等の表示手段に表示する。この場合は位置検出光学系の調整が不十分であるため評価値Ｅ_０の値が判断基準Ｅ_ｔｈ以下になるまで光学重心の最適化が繰り返し行われる。
【００５０】
以上述べたように調整用の基準マ−ク１４の回転しない画像と、１８０°回転した画像を用いることで、使用する基準マ−ク１４が保有する非対称性によるオフセットの影響を除去している。従って基準マ−ク１４の段差構造がマ−ク中心に対して完全に対称なことが予め分かっている場合は１８０°回転して計測するという操作を割愛することができる。また１８０°の回転により発生するオフセット量が予め分かっている場合も、回転操作を割愛し、代わりに該オフセット量を評価値Ｅ_nに反映させて最終評価値Ｅ₀を求めることができる。
【００５１】
これまでの説明は一方向の調整、即ち図１のｙ方向の計測の調整について述べてきたが、最終的な位置合わせは二次元的になされねばならない。その場合、前記ｙ方向と直交するｘ方向、即ち図１のｘ方向についての調整も同様に行うことができる。即ちｘ方向については調整用の基準マ−ク１４を９０°、２７０°と回転させ、ｙ方向と同様に互いに１８０°異なる２つの状態にして計測を行えば、一つの調整用マ−ク１４でｘ、ｙ両方向を賄うことができる。一つのマ−クを用いると省スペ−スとなると同時に、マ−ク自体が２つの方向で共通となるため、オフセットの管理上からも実用的に価値が大きい。
【００５２】
図２は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は半導体素子製造用の投影露光装置等の位置検出装置によって光学重心の最適化を自動的に行う補正システムを備えたことを特徴としている。図２においても前に説明したものと同一の部材については同一の符号が付されている。本実施形態の最も特徴となっている部分は位置検出光学系の照明部の構成で、その他は図１と同じなのでここでは照明部に着目して説明を行う。
【００５３】
ファイバ−１２から出射した光源１３からの光は照明系レンズ１５を通過した後、ファイバ−端面（瞳面）の像を照明系１１内で少なくとも１度結像する。該結像位置には検出系のσが１以下となる開口１６、またはそれと同等な空間フィルタが配置される。照明系レンズ１５はファイバ−端面を開口１６の位置に開口部の大きさより十分大きい大きさで結像させるため、開口１６の位置を照明系の光軸に対して直交する方向に動かすことで光学重心を調整でき、最適な位置検出系を達成している。
【００５４】
開口１６の駆動は実施形態１で説明した評価値Ｅ₀をもとに演算処理装置１７で開口１６の最適移動量を算出して行っている。該算出値に従い基板５４上に設けたピエゾ素子等の駆動装置５３を使って開口１６を駆動し、自動で且つ容易に高精度な位置検出光学系の調整を行っている。
【００５５】
このような自動補正シ−ケンスは装置の定期メンテナンス時や、装置に不具合が発生した時に行うとよい。評価値Ｅ₀の計測値が判断基準Ｅ_thより大きければ、自動補正のクロ−ズト・ル−プ・シ−ケンスに入り、小さければ前述のとうり通常のアライメント・ル−チンに入る。
【００５６】
図８は本発明の実施形態３の要部概略図である。これまでの実施形態では位置検出光学系として、投影露光光学系を介して位置検出する所謂ＴＴＬオフアクシス系について説明してきたが、図８は投影露光光学系を介さない単純なオフアクシスの位置検出光学系に本発明を適用した場合を示している。図中これまでの説明図で用いたものと同じ構成要素については同じ符号を付してある。光源１３から出射した光は位置検出光学系５０に導光され、ウエハまたは調整用の基準マ−ク１４を照明する。調整用の基準マ−ク１４はステ−ジ２上に載せられており、図９に示す構造を持っていることは他の実施形態と同様である。基準マ−ク１４からの反射光はＣＣＤカメラ等の光電変換素子９上に結像されて、電気信号に変換される。該電気信号から得られた情報より演算処理装置１７が評価値Ｅ₀の値を計算し、判断基準Ｅ_ｔｈと比較する。照明系の光学重心の位置を調整するか否かを決定する以降の手順は先の２つの実施形態１，２と同一である。
【００５７】
またレチクル５１を通してウエハ上のマ−クを観察する所謂ＴＴＲオンアクシス位置検出系についても、実施形態１〜３と同様の機能及び手段を持つことで、検出光学系の調整状態をチェックし、位置検出精度の向上を図ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明は半導体素子製造用の投影露光装置のような位置検出装置における位置検出光学系を光学重心の調整可能な照明系で構成し、ある特定の画像信号を観察して照明条件を最適化することで、マ−クの位置検出精度の向上を可能としている。また本発明では特定の画像信号を得るためにステ−ジ上に所定の条件を持つ調整用の基準マ−クを配置することにより、位置検出光学系の調整状態を自動で簡単に評価することを可能とした。調整が不良な場合には位置検出光学系内の照明系の開口部の位置を光軸と直交する方向に動かして検出光学系の光学重心の最適化を行い、各種誤差成分をキヤンセルできるため、工程間オフセットの少ない位置検出装置を実現して、位置検出精度の向上を図っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の位置検出装置の構成図
【図２】本発明の実施形態２の位置検出装置の構成図
【図３】従来の位置検出装置の構成図
【図４】アライメント・マ−クと照明光と信号の関係を示す図
【図５】光学重心最適化のフロ−チャ−ト
【図６】位置検出光学系に収差がある場合の検出信号
【図７】位置検出光学系の調整状態によるマ−クの段差量と評価量との関係を示す図
【図８】本発明の実施形態３の位置検出装置の構成図
【図９】ステ−ジ上に配置する調整用基準マ−クの構成図
【符号の説明】
１投影露光光学系２ＸＹＺステ−ジ
３ウエハチヤック材４ウエハ
５検出光学系６検出光学系
７ λ／４板８結像光学系
９光電変換素子１０偏光ビ−ムスプリッタ
１１照明光学系１２ファイバ−
１３光源１４調整用基準マ−ク
１５照明系レンズ１６開口
１７演算処理装置
２１第一基板２２歪電素子
２３第二基板２４回転軸
３０ミラ− ３１アライメントマ−ク
３２照明光３４マ−ク中心
４１照明光４２エッジ散乱光
５０位置検出光学系５１レチクル
５２露光照明系５３駆動装置
５４駆動基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a projection exposure apparatus and a position detection apparatus. In particular, when manufacturing a semiconductor IC or LSI, position information of an object such as a reticle or wafer is projected when a pattern on a reticle surface is projected onto the wafer. This is suitable when the object is positioned with high accuracy by observing the image of the object and based on the detected position information.
[0002]
[Prior art]
The progress of semiconductor element manufacturing technology has been increasing in recent years, and in accordance with this, the progress of microfabrication technology has been remarkable. In particular, an optical processing technique using a projection exposure apparatus that projects a pattern on a reticle surface at the center onto a wafer extends to a submicron region with 1 MDRAM as a boundary.
[0003]
As a means for improving the resolution of the projection pattern image, a method of fixing the exposure light wavelength to increase the NA of the projection optical system to the method used for the projection exposure apparatus from the past, and the exposure wavelength to g-line In other words, there is a technique of shortening the wavelength such as the oscillation wavelength of the i-line or the excimer laser. Recently, an attempt has been made to expand the limit of optical processing by light exposure using a phase shift mask, modified illumination, or the like.
[0004]
On the other hand, with the improvement in resolution, high precision is also required for the alignment for relatively aligning the wafer and the reticle in the projection exposure apparatus. A projection exposure apparatus for manufacturing semiconductor elements also needs a function as a position detection apparatus simultaneously with the exposure apparatus.
[0005]
FIG. 3 shows the configuration of an alignment position detection system in a conventional projection exposure apparatus for manufacturing semiconductor elements. Although the x and y axes are taken in the surface of the wafer 4 as shown in the drawing, since the position detection system of the projection exposure apparatus has the same x and y directions, measurement in the y direction will be described here. Here, the position detection optical system (position detection system) is a generic name for all optical systems from the light source to the detection.
[0006]
Light emitted from a light source such as a He—Ne laser (not shown) is guided to the illumination optical system 11 through the fiber 12. The S-polarized light component perpendicular to the paper surface is reflected by the polarization beam splitter 10, and the light passes through the λ / 4 plate 7 and is converted into circularly polarized light. Thereafter, the light passes through the imaging optical systems 6 and 5, the mirror 30, and the projection exposure optical system 1, and a mark created on the wafer 4 placed on the stage 2 that can be driven in the xyz direction ( Aligner mark) 31 is illuminated with a collar. Reflected light or scattered light from the mark 31 passes through the projection exposure optical system 1, the mirror 30, and the imaging optical systems 5 and 6 again, then passes through the λ / 4 plate 7 and is now an in-paper component P. Converted to polarized light. Since the light has been converted to P-polarized light, the light passes through the polarization beam splitter 10, and the image of the mark 31 is formed on the photoelectric conversion element 9 such as a CCD camera by the imaging lens 8. The signal of the mark image detected by the photoelectric conversion element 9 is image-processed to detect the position of the mark 31 with high accuracy, and the stage 2 is driven from the detected value to align the wafer 4. ing.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional position detection system shown in FIG. 3, there are some problems that lower the position detection accuracy.
[0008]
The first is a problem with the detection wavelength. In such a position detection system, non-exposure light is used as a light source for alignment in order to prevent exposure when a mark image is detected. Since the projection exposure optical system 1 is optimized for various aberrations with respect to the exposure wavelength, aberrations are generated at the wavelength of the non-exposure light, and a factor that causes measurement errors at the time of position detection is affected by manufacturing errors. Become.
[0009]
The second factor is a problem with Kohler illumination. It is difficult to use illumination with σ = 0 in the illumination method because of the problem of light quantity and spatial frequency cutoff at the time of image formation. Generally, a light source having a light emitting surface of a finite size is used. Used. For example, light from a laser light source is actually guided to an illumination system by a fiber, or a lamp itself is used as a light source.
[0010]
Since σ is not zero, there is illumination light having an angle with respect to the optical axis on the wafer surface of the position detection surface. Kohler illumination is a technique for uniformly illuminating the detection surface, but does not guarantee the uniformity of the effective light source, which is the distribution of the pupil plane of the detection optical system. Therefore, when the light intensity distribution on the effective light emitting surface is not symmetrical with respect to the measurement direction of the mark, that is, when the incident angle distribution of the illumination light on the detection surface is asymmetric, the light intensity distribution of the observed mark image is illuminated symmetrically. In contrast to what has been done, there is a problem of causing measurement errors.
[0011]
4A is a bird's-eye view of the measurement mark 31 in the y direction, FIG. 4B is a cross-sectional view of the mark viewed from the x direction, and FIG. 4C shows an observed signal waveform.
[0012]
Since the light intensity distribution of the effective light emitting surface is equivalent to the light intensity distribution of the light source, an intensity distribution of incident angles depending on the intensity of the light emitting region is generated on the detection surface. In FIG. 4, 32a is light incident perpendicularly to the mark 31, and 32b and 32c are light incident from different directions but having the same angle with respect to the vertical direction. Consider the case where the position is detected by illuminating 31. As shown in the figure, assuming that the illumination light intensity of the light 32b incident from the oblique direction is weaker than the illumination light intensity of the light 32c incident from the oblique direction, when the mark 31 is detected, the scattered light at the mark edge portion is detected. There arises a problem that the position cannot be accurately detected due to a difference in intensity. For the sake of simplicity, assuming that the cross-sectional shape of the mark 31 is completely symmetric, the difference in the interference condition of the scattered light from the mark edge does not have to be taken into account, but even in this ideal case, the light 32c If the intensity is higher than that of the light 32b, the state of light scattering at the mark edge portion is different, and the obtained image signal of the mark becomes asymmetric as seen in FIG. That is, although the mark itself is symmetric, the waveform of the image signal to be detected is distorted if the illumination conditions are asymmetric, making it difficult to accurately detect the mark position. Of course, if the intensity | strength of the light 32b and the light 32c is equal, a waveform will become a symmetrical form from symmetry.
[0013]
The actual signal asymmetry is caused by the difference in the mark step structure and the difference in the semiconductor manufacturing process such as resist. Further, the scattering characteristics of the edge are proportional to the intensity of the incident light or inversely proportional to each other, thereby making it difficult to generate signal asymmetry. However, it is important for the apparatus itself to first remove the mark measurement error due to the asymmetry of the incident angle intensity of the illumination light in the measurement direction.
[0014]
As a method for solving such a phenomenon, a filter such as a diffusion plate is disposed on the pupil plane or image plane of the position detection system to achieve uniform light intensity distribution and angular distribution. However, when the diffusion plate is used in this way, the amount of light on the object surface is reduced in inverse proportion to the uniformity of the light intensity, and it may be difficult to detect the alignment mark depending on the manufacturing process of the semiconductor element. In consideration of the above points and facts found through some experiments, the present invention optimizes the illumination conditions of the position detection optical system so as to remove various aberrations of the position detection optical system including the projection exposure optical system, and An object of the present invention is to provide a projection exposure apparatus and a position detection apparatus suitable for manufacturing a highly integrated semiconductor element by improving detection accuracy.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As described above, the one-dimensional or two-dimensional light intensity distribution of the image plane corresponding to the pupil plane of the position detection optical system of the position detection apparatus determines the mark of the detection target object as a marker. Corresponds to the angle characteristics of the illuminating light. The mark image signal to be detected is affected by the angle characteristic. When the position detection optical system including the projection exposure optical system has no aberration with respect to the detection light, in order to make the detected image signal symmetrical, the angle characteristic of the illumination light is symmetrical with respect to the center of the mark. What should I do. That is, it is necessary to make the light intensity distribution on the pupil plane symmetrical with respect to the optical axis. Note that the symmetry required for the pupil surface intensity here relates to the measurement direction of the mark.
[0016]
Further, according to the experiment by the inventor, it was confirmed that the detected mark image signal remarkably changes depending on the position of the center of gravity of the light intensity distribution. When there is aberration in the position detection optical system itself including the projection exposure optical system, the asymmetry of the mark image signal due to these effects can be canceled by adjusting the optical centroid of the pupil plane, and the change in the optical centroid. The inventor has also confirmed that there is a mark with a structure in which the signal reacts sensitively. The present invention has been made in consideration of the above points, and the position detection optical system is configured by an illumination system capable of adjusting the optical center of gravity, and by observing a specific image signal and optimizing the illumination conditions, It is characterized by improving the mark position detection accuracy.
[0017]
Next, the structure of the invention of each claim is shown concretely.
[0018]
A projection exposure apparatus according to a first aspect of the present invention includes a photoelectric conversion element, a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source, and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element. A projection exposure apparatus that detects a position of the test object based on an image signal detected by the photoelectric conversion element, and performs wafer alignment based on the detected position of the test object, The position detection optical system has an aberration, and the position detection optical system of the light that illuminates the test object acts in a direction that cancels the asymmetry due to the aberration of the image signal of the test object. The center of gravity position of the light intensity distribution on the pupil plane is set.
[0019]
The invention of claim 2 is characterized in that, in the invention of claim 1, the position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system is decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0020]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the optical fiber according to the first or second aspect of the present invention, wherein the end surface on the light output side is located near the pupil position of the position detection optical system, and the end surface on the light output side of the optical fiber is It is characterized by being decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical fiber according to any one of the first to third aspects, further comprising an optical fiber disposed so that an end surface on the light emission side is in the vicinity of a pupil position of the position detection optical system. It has a means for adjusting the eccentricity of the end face on the emission side.
[0022]
A fifth aspect of the invention includes an aperture or a spatial filter arranged at a position conjugate with a pupil position of the position detection optical system in the invention of any one of the first to fourth aspects. It is characterized by being decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0023]
The invention of claim 6 has an aperture or a spatial filter arranged at a position conjugate with the pupil position of the position detection optical system in the invention of any one of claims 1 to 5, and the aperture or the spatial filter is It has a drive device for driving.
[0024]
A seventh aspect of the present invention is the optical fiber according to any one of the first to sixth aspects, wherein the end surface on the light output side is arranged near the pupil position of the position detection optical system, and the light output side of the optical fiber. And an opening having an opening smaller than the image of the end face provided at a position where the image of the end face is formed.
[0025]
The invention of claim 8 is characterized in that, in the invention of claim 7, the aperture is an aperture in which σ of the position detection optical system is 1 or less.
[0026]
A ninth aspect of the invention is characterized in that in the seventh or eighth aspect of the invention, there is provided an arithmetic processing unit that calculates an optimum movement amount of the opening, and a driving unit that drives the opening according to a value calculated by the arithmetic processing unit. .
[0027]
A tenth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to ninth aspects, the position detection optical system is a TTL position detection optical system.
[0028]
An eleventh aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to ninth aspects, the position detection optical system is a TTR position detection optical system.
[0029]
A twelfth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of any one of the first to ninth aspects, the position detection optical system is an off-axis position detection optical system.
[0030]
A position detection device according to a thirteenth aspect of the present invention is a photoelectric conversion element, a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source, and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element. And a position detection device that detects the position of the object to be detected based on an image signal detected by the photoelectric conversion element, wherein the position detection optical system has an aberration, and the object to be detected The position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system of the light that illuminates the test object is set so as to act in the direction of canceling the asymmetry due to the aberration of the image signal of It is a feature.
[0031]
The invention of claim 14 is characterized in that, in the invention of claim 13, the position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system is decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0032]
A fifteenth aspect of the present invention includes the optical fiber according to the thirteenth or fourteenth aspect of the present invention, wherein the light emitting side end surface is disposed in the vicinity of the pupil position of the position detection optical system, and the light emitting side end surface of the optical fiber is It is characterized by being decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0033]
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided the optical fiber according to any one of the thirteenth to fifteenth aspects, further comprising an optical fiber disposed so that an end surface on the light emitting side is in the vicinity of a pupil position of the position detection optical system. It has a means for adjusting the eccentricity of the end face on the emission side.
[0034]
The invention of claim 17 has an aperture or a spatial filter arranged at a position conjugate with the pupil position of the position detection optical system in the invention of any one of claims 13 to 16, and the aperture or spatial filter is the It is characterized by being decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.
[0035]
The invention of claim 18 has an aperture or a spatial filter arranged at a position conjugate with the pupil position of the position detection optical system in the invention of any one of claims 13 to 17, and the aperture or the spatial filter is It has a drive device for driving.
[0036]
A nineteenth aspect of the present invention is the optical fiber according to any one of the thirteenth to eighteenth aspects of the present invention, wherein the end surface on the light output side is arranged near the pupil position of the position detection optical system, and the light output side of the optical fiber. And an opening having an opening smaller than the image of the end face at a position where the image of the end face is formed.
[0037]
A twentieth aspect of the invention is characterized in that, in the nineteenth aspect of the invention, the aperture is an aperture in which σ of the position detection optical system is 1 or less.
[0038]
The invention of claim 21 is characterized in that in the invention of claim 19 or 20, there is provided an arithmetic processing device for calculating an optimum movement amount of the opening, and a driving device for driving the opening in accordance with a value calculated by the arithmetic processing device. .
[0039]
A projection exposure apparatus according to a twenty-second aspect of the invention has the position detection device according to any one of the thirteenth to twenty-first aspects, and performs wafer alignment based on the position of the test object detected by the position detection apparatus. It is characterized by that.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a projection exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the same symbols are attached to the same components as in the conventional example. The x and y axes are taken as shown in the figure on the surface of the wafer 4, but since the position detection optical system of the projection exposure apparatus of this embodiment is equivalent to the measurement in the x and y directions, only the measurement in the y direction will be described. To do.
[0041]
In FIG. 1, light emitted from a light source 13 composed of a HeNe laser or other non-exposure light source enters an illumination optical system 11 through a fiber 12. The S-polarized light component perpendicular to the paper surface is reflected by the polarization beam splitter 10, and the light passes through the λ / 4 plate 7 and is converted into circularly polarized light. Thereafter, the mark is formed on the wafer 4 placed on the stage 2 that can be driven in the xyz direction via the imaging optical systems 6 and 5, the mirror 30, and the projection exposure optical system 1. The reference mark 14 for adjustment is illuminated. Reflected light or scattered light from the mark again passes through the projection exposure optical system 1, the mirror 30, and the imaging optical systems 5 and 6, then passes through the λ / 4 plate 7 and is now P-polarized light which is an in-plane component. Is converted to Since the light has been converted to P-polarized light, the light passes through the polarization beam splitter 10, and the image of the mark is formed on the photoelectric conversion element 9 such as a CCD camera by the imaging lens 8. The signal detected by the photoelectric conversion element 9 is image-processed to detect the mark position, and the stage 2 is driven from the detected value to align the wafer 4.
[0042]
The present invention is characterized in that a reference mark 14 for adjusting the optical center of gravity is provided on the stage 2. The adjustment reference mark 14 is formed on a mechanism having the structure shown in FIG. In other words, the reference mark 14 is mounted on the second substrate 21, but the second substrate 21 is connected to the first substrate via a strain-electric element 22 such as a piezo element so that the adjustment in the z-axis direction is possible. Further, the first substrate 23 is held by a rotating shaft 24. Since it has such a structure, it is possible to adjust the focus of the reference mark 14 by controlling the voltage applied to the piezo element 22 and to further rotate the reference mark 14 by a predetermined angle. ing. In particular, the reference mark 14 is observed by being rotated by 180 °, and the influence due to the asymmetry of the structure of the reference mark 14 is eliminated as compared with the observation before the rotation. In the present embodiment, a special mark such as a reference mark 14 for adjustment is provided in the apparatus, whereby it is possible to easily measure regardless of the wafer and to have a stable adjustment reference.
[0043]
Here, the reference mark 14 for adjustment is specially provided on the stage 2, but the same can be performed by using a wafer having a similar mark or a similar mark. It is.
[0044]
Here, the optical center of gravity of the pupil plane of the position detection optical system is symmetric with respect to the optical axis in the plane including the measurement direction, but the position detection optical system including the projection exposure optical system has a decentration coma aberration with respect to the light of the detection wavelength. Take the case of having it as an example. FIG. 6 is a schematic diagram of a detection signal obtained in this embodiment. FIG. 6A shows a mark having a stepped shape in the cross section in the measurement direction, illumination light 41, and scattered light 42a and 42b considering the eccentric top. FIG. 6B is an image signal of the reference mark in the state of FIG. The detection light from the mark edge portion has an asymmetric waveform with respect to the mark center. Here, the strength of one edge is a, the strength of the other edge is b, the strength of the entire mark is c, and the evaluation value E is
E = (a−b) / c (1)
And The evaluation value E is considered to be a parameter representing waveform distortion. FIG. 7 shows the result of measuring the evaluation value E at that time by changing several heights d of the step of the alignment mark having a rectangular step structure with silicon (Si) under such a definition. In the figure, the horizontal axis represents the step (height) d obtained by taking the modulus at the wavelength λ of the HeNe laser of the detection light, and the vertical axis represents the evaluation value E. As a result of the examination, it has been confirmed from experiments and simulations that the evaluation value E changes in a periodic function as shown in FIG.
[0045]
On the other hand, FIG. 7B shows an evaluation value E for the step when the end face (pupil plane) of the fiber 12 shown in FIG. 1 is decentered in a state where there is no aberration in the position detection optical system including the projection exposure optical system. Is shown. The solid line shows the characteristic when the eccentricity of the optical center of gravity on the pupil plane is shifted by 3% of the NA of the detection system in the measurement direction, and the broken line shows the characteristic when the eccentricity is similarly 1.5%. The vertical axis and the horizontal axis are the same as those in FIG. It can be seen that the evaluation value E changes with amplitude according to the amount of eccentricity of the optical center of gravity on the pupil plane. In other words, when there is no aberration in the position detection optical system, the optical center of gravity of the pupil plane is adjusted on the optical axis, so that it does not depend on the height of the step, that is, it becomes a mark structure between many semiconductor manufacturing processes. A position detection optical system with little dependent offset (inter-process offset) can be achieved.
[0046]
Both FIG. 7 (a) and FIG. 7 (b) have similar sinusoidal characteristics. Therefore, if the position detection optical system including the projection exposure optical system has an eccentric coma component, the optical center of gravity is adjusted in the direction to cancel the waveform distortion of the image signal based on the mark by the eccentric coma, as in the ideal case. Therefore, a position detection optical system that is not affected by the height of the step can be achieved. 7 (a) and 7 (b), it is understood that the optical center of gravity can be adjusted sensitively and efficiently by using a mark having a step near λ / 8 or 3λ / 8. It was. In actual adjustment, it is convenient to create a rectangular step mark using a Si wafer because the step amount d can be easily controlled. However, the same effect can be achieved by using a mark similar to this by using other materials, that is, a mark having a rectangular step structure and having an interference phenomenon only at the edge portion with respect to the detection light. Further, as shown in FIG. 7, since the evaluation value for the step changes periodically, it is not limited to λ / 8, 3 / 8λ, and the same effect can be obtained by using a step that is an odd multiple of 1 / 8λ. What can be obtained can be easily estimated from this graph.
[0047]
FIG. 5 is a flowchart showing an actual adjustment procedure. As described above, the adjustment can also be performed using a wafer having a step of λ / 8 or a step in the vicinity of λ / 8. Here, the reference mark 14 for adjustment is used according to FIG. The case will be described.
[0048]
First, the reference mark 14 for adjustment is driven to the focus position by using the piezo 22 in the initial state where there is no rotation, and the image data of the reference mark 14 is captured. Subscript the measurement in this state _n The height of the edge signal of the obtained image data is expressed as a. _n , B _n , C _n Then, the evaluation value E from equation (1) _n Can be calculated.
[0049]
Next, the reference mark 14 for adjustment is rotated by 180 ° by the rotating shaft 24, and the focus drive is again performed by the piezo 22 to capture the image data. Subscript the measurement in this state _r The height of the edge signal of the obtained image data is expressed as a. _r , B _r , C _r Then, the evaluation value E from equation (1) _n Can be calculated. After that, average the two evaluation values
E ₀ = (E _n + E _r ) / 2 (2)
Is the final evaluation value. Evaluation value E ₀ Is a predetermined criterion E _th If it is smaller than that, the detection optical system is sufficiently adjusted, and the normal alignment routine can be continued. Judgment criteria E _th Is preset for each position detection optical system as a judgment reference value so that the generated inter-process offset falls within an allowable range. Evaluation value E ₀ Does not satisfy the condition (2), the evaluation value E ₀ Is displayed on a display means such as a CRT. In this case, since the position detection optical system is not sufficiently adjusted, the evaluation value E ₀ Is the criterion E _th The optical center of gravity is repeatedly optimized until:
[0050]
As described above, by using the image in which the reference mark 14 for adjustment does not rotate and the image rotated by 180 °, the influence of the offset due to the asymmetry possessed by the reference mark 14 to be used is eliminated. . Therefore, when it is known in advance that the step structure of the reference mark 14 is completely symmetric with respect to the center of the mark, the operation of rotating by 180 ° and measuring can be omitted. Also, when the offset amount generated by the 180 ° rotation is known in advance, the rotation operation is omitted, and the offset amount is replaced with the evaluation value E instead. _n Reflected in the final evaluation value E ₀ Can be requested.
[0051]
The description so far has described the adjustment in one direction, that is, the adjustment in the measurement in the y direction in FIG. 1, but the final alignment must be made two-dimensionally. In that case, the adjustment in the x direction orthogonal to the y direction, that is, the x direction in FIG. That is, in the x direction, if the adjustment reference mark 14 is rotated by 90 ° and 270 ° and measurement is performed in two states different from each other by 180 ° as in the y direction, one adjustment mark 14 is obtained. Can cover both x and y directions. When one mark is used, space is saved, and at the same time, the mark itself is common in two directions, so that it is practically valuable in terms of offset management.
[0052]
FIG. 2 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 2 of the present invention. The present embodiment is characterized in that a correction system for automatically optimizing the optical center of gravity is provided by a position detection device such as a projection exposure apparatus for manufacturing semiconductor elements. In FIG. 2, the same members as those described above are denoted by the same reference numerals. The most characteristic part of the present embodiment is the configuration of the illumination unit of the position detection optical system, and the other parts are the same as those in FIG.
[0053]
The light from the light source 13 emitted from the fiber 12 passes through the illumination system lens 15, and then forms an image of the fiber end face (pupil plane) at least once in the illumination system 11. At the imaging position, an aperture 16 where the σ of the detection system is 1 or less, or a spatial filter equivalent to the aperture 16 is arranged. Since the illumination system lens 15 forms an image of the fiber end face at the position of the aperture 16 with a size sufficiently larger than the size of the aperture, the position of the aperture 16 is moved in a direction perpendicular to the optical axis of the illumination system to optically The center of gravity can be adjusted to achieve an optimal position detection system.
[0054]
The driving of the opening 16 is the evaluation value E described in the first embodiment. ₀ Based on the above, the arithmetic processing unit 17 calculates the optimum movement amount of the opening 16. The aperture 16 is driven using a driving device 53 such as a piezo element provided on the substrate 54 in accordance with the calculated value, and the position detection optical system is adjusted automatically and easily with high accuracy.
[0055]
Such an automatic correction sequence may be performed during periodic maintenance of the apparatus or when a malfunction occurs in the apparatus. Evaluation value E ₀ Measured value is the criterion E _th If it is larger, it enters the automatic correction closed loop sequence, and if it is smaller, it enters the normal alignment routine as described above.
[0056]
FIG. 8 is a schematic view of the essential portions of Embodiment 3 of the present invention. In the above embodiments, a so-called TTL off-axis system that detects a position via a projection exposure optical system has been described as the position detection optical system. FIG. 8 illustrates simple off-axis position detection without using a projection exposure optical system. The case where this invention is applied to an optical system is shown. In the figure, the same reference numerals are given to the same components as those used in the above explanation diagrams. The light emitted from the light source 13 is guided to the position detection optical system 50 and illuminates the wafer or the reference mark 14 for adjustment. The reference mark 14 for adjustment is placed on the stage 2 and has the structure shown in FIG. 9 as in the other embodiments. The reflected light from the reference mark 14 is imaged on a photoelectric conversion element 9 such as a CCD camera and converted into an electrical signal. From the information obtained from the electrical signal, the arithmetic processing unit 17 evaluates the evaluation value E. ₀ The value of J _th Compare with The subsequent procedure for determining whether or not to adjust the position of the optical center of gravity of the illumination system is the same as in the first and second embodiments.
[0057]
A so-called TTR on-axis position detection system for observing the mark on the wafer through the reticle 51 also has the same functions and means as in the first to third embodiments to check the adjustment state of the detection optical system and The detection accuracy can be improved.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a position detection optical system in a position detection apparatus such as a projection exposure apparatus for manufacturing a semiconductor element is configured by an illumination system whose optical center of gravity can be adjusted, and a specific image signal is observed. By optimizing the illumination conditions, the mark position detection accuracy can be improved. In the present invention, the adjustment state of the position detection optical system can be automatically and simply evaluated by arranging an adjustment reference mark having a predetermined condition on the stage in order to obtain a specific image signal. Made possible. If the adjustment is poor, the position of the aperture of the illumination system in the position detection optical system is moved in the direction perpendicular to the optical axis to optimize the optical center of gravity of the detection optical system, and various error components can be cancelled. A position detection device with little inter-process offset is realized to improve position detection accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a position detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a position detection device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional position detection device.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between an alignment mark, illumination light, and signals.
[Figure 5] Flow chart for optical center of gravity optimization
FIG. 6 is a detection signal when there is aberration in the position detection optical system.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a mark step amount and an evaluation amount according to an adjustment state of a position detection optical system.
FIG. 8 is a configuration diagram of a position detection device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of an adjustment reference mark placed on a stage.
[Explanation of symbols]
1 projection exposure optical system 2 XYZ stage
3 Wafer chuck material 4 Wafer
5 Detection optical system 6 Detection optical system
7 λ / 4 plate 8 Imaging optical system
9 Photoelectric conversion element 10 Polarization beam splitter
11 Illumination optics 12 Fiber
13 Light source 14 Reference mark for adjustment
15 Illumination system lens 16 Aperture
17 Arithmetic processing unit
21 First substrate 22 Strain element
23 Second substrate 24 Rotating shaft
30 mirror 31 alignment mark
32 Illumination light 34 Mark center
41 Illumination light 42 Edge scattered light
50 Position detection optical system 51 Reticle
52 Exposure illumination system 53 Drive device
54 Drive board

Claims

光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出し、検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行う投影露光装置であって、
前記位置検出光学系が収差を有しており、
前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴とする投影露光装置。A photoelectric conversion element and a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element, and is detected by the photoelectric conversion element A projection exposure apparatus that detects the position of the object to be detected based on the image signal that has been detected, and performs wafer alignment based on the detected position of the object to be detected;
The position detection optical system has an aberration;
The position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system of the light that illuminates the test object is set so that the image signal of the test object acts in a direction that cancels the asymmetry due to the aberration. A projection exposure apparatus.

前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。2. The projection exposure apparatus according to claim 1, wherein the position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system is decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.

光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１又は２記載の投影露光装置。An optical fiber is disposed so that an end surface on the light output side is in the vicinity of the pupil position of the position detection optical system, and an end surface on the light output side of the optical fiber is decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system The projection exposure apparatus according to claim 1 or 2, wherein

光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の投影露光装置。It has an optical fiber arranged so that an end face on the light emitting side is near the pupil position of the position detection optical system, and has means for adjusting the eccentricity of the end face on the light emitting side of the optical fiber. The projection exposure apparatus according to any one of claims 1 to 3.

前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の投影露光装置。An aperture or a spatial filter disposed at a position conjugate with a pupil position of the position detection optical system, wherein the aperture or the spatial filter is decentered with respect to an optical axis of the position detection optical system. Item 5. The projection exposure apparatus according to any one of Items 1 to 4.

前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の投影露光装置。6. The apparatus according to claim 1, further comprising: an aperture or a spatial filter disposed at a position conjugate with a pupil position of the position detection optical system, and a driving device that drives the aperture or the spatial filter. 2. A projection exposure apparatus according to item 1.

光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に設けられた、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の投影露光装置。From the optical fiber arranged so that the end face on the light exit side is in the vicinity of the pupil position of the position detection optical system, and the image of the end face provided at the position where the image of the end face on the light exit side of the optical fiber is formed 7. The projection exposure apparatus according to claim 1, further comprising an opening having a small opening.

前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴とする請求項７記載の投影露光装置。The projection exposure apparatus according to claim 7, wherein the aperture is an aperture in which σ of the position detection optical system is 1 or less.

前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項７又は８記載の投影露光装置。9. The projection exposure apparatus according to claim 7, further comprising: an arithmetic processing unit that calculates an optimum movement amount of the aperture; and a driving unit that drives the aperture according to a value calculated by the arithmetic processing unit.

前記位置検出光学系は、ＴＴＬの位置検出光学系であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の投影露光装置。10. The projection exposure apparatus according to claim 1, wherein the position detection optical system is a TTL position detection optical system.

前記位置検出光学系は、ＴＴＲの位置検出光学系であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の投影露光装置。10. The projection exposure apparatus according to claim 1, wherein the position detection optical system is a TTR position detection optical system.

前記位置検出光学系は、オフアクシスの位置検出光学系であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の投影露光装置。The projection exposure apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the position detection optical system is an off-axis position detection optical system.

光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出する位置検出装置であって、
前記位置検出光学系が収差を有しており、
前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴とする位置検出装置。A photoelectric conversion element and a position detection optical system that illuminates a test object with light from a light source and forms an image of reflected light from the test object on the photoelectric conversion element, and is detected by the photoelectric conversion element A position detection device for detecting the position of the object to be detected based on the image signal,
The position detection optical system has an aberration;
The position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system of the light that illuminates the test object is set so that the image signal of the test object acts in a direction that cancels the asymmetry due to the aberration. A position detecting device characterized by that.

前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１３記載の位置検出装置。14. The position detection apparatus according to claim 13, wherein the position of the center of gravity of the light intensity distribution on the pupil plane of the position detection optical system is decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system.

光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１３又は１４記載の位置検出装置。An optical fiber is disposed so that an end surface on the light output side is in the vicinity of the pupil position of the position detection optical system, and an end surface on the light output side of the optical fiber is decentered with respect to the optical axis of the position detection optical system The position detection device according to claim 13 or 14,

光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項記載の位置検出装置。It has an optical fiber arranged so that an end face on the light emitting side is near the pupil position of the position detection optical system, and has means for adjusting the eccentricity of the end face on the light emitting side of the optical fiber. The position detection device according to claim 13.

前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項記載の位置検出装置。An aperture or a spatial filter disposed at a position conjugate with a pupil position of the position detection optical system, wherein the aperture or the spatial filter is decentered with respect to an optical axis of the position detection optical system. Item 17. The position detection device according to any one of Items 13 to 16.

前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか１項記載の位置検出装置。18. The apparatus according to claim 13, further comprising: an aperture or a spatial filter disposed at a position conjugate with a pupil position of the position detection optical system, and a driving device that drives the aperture or the spatial filter. The position detection device according to claim 1.

光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれか１項記載の位置検出装置。An optical fiber disposed so that the end face on the light exit side is in the vicinity of the pupil position of the position detection optical system, and an opening smaller than the image on the end face at a position where an image of the end face on the light exit side of the optical fiber is formed. The position detection device according to claim 13, further comprising an opening having a portion.

前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴とする請求項１９記載の位置検出装置。The position detection device according to claim 19, wherein the opening is an opening in which σ of the position detection optical system is 1 or less.

前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項１９又は２０記載の位置検出装置。21. The position detection device according to claim 19, further comprising: an arithmetic processing device that calculates an optimum movement amount of the opening; and a driving device that drives the opening according to a value calculated by the arithmetic processing device.

請求項１３乃至２１のいずれか１項記載の位置検出装置を有し、前記位置検出装置によって検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行うことを特徴とする投影露光装置。A projection exposure apparatus comprising the position detection device according to any one of claims 13 to 21, wherein wafer alignment is performed based on the position of the test object detected by the position detection device.