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JP2814520B2 - Position detecting apparatus, position detecting method, and projection exposure apparatus - Google Patents
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JP2814520B2 - Position detecting apparatus, position detecting method, and projection exposure apparatus - Google Patents

Position detecting apparatus, position detecting method, and projection exposure apparatus

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JP2814520B2
JP2814520B2 JP1048293A JP4829389A JP2814520B2 JP 2814520 B2 JP2814520 B2 JP 2814520B2 JP 1048293 A JP1048293 A JP 1048293A JP 4829389 A JP4829389 A JP 4829389A JP 2814520 B2 JP2814520 B2 JP 2814520B2
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optical system
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子等の物体上に形成された回折格
子を用いた位置検出装置に関し、特にリソグラフィ用の
露光装置のアライメント時に使用され、原画パターンを
有するマスクと、この原画パターンが転写される基板と
の相対的な位置関係を検出する装置に関するものであ
る。
The present invention relates to a position detection apparatus using a diffraction grating formed on an object such as a semiconductor element, and is used particularly when aligning an exposure apparatus for lithography. The present invention relates to an apparatus for detecting a relative positional relationship between a mask having an original pattern and a substrate onto which the original pattern is transferred.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、半導体素子等の微細パターンを高分解能で半導
体ウェハ上に転写する装置として、投影型露光装置(ス
テッパー)が多用されるようになった。従来よりこの種
のステッパーにおいては、レチクル(マスクと同義)と
ウェハ上の1つのショット領域との位置合わせ、所謂ア
ライメント方式として、レチクルの回路パターン周辺に
形成されたアライメントマークと、ウェハ上のショット
領域周辺に形成されたアライメントマークとを同時検出
するTTR(スルーザレチクル)方式のアライメント系を
もつ装置が知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, a projection type exposure apparatus (stepper) has been frequently used as an apparatus for transferring a fine pattern such as a semiconductor element onto a semiconductor wafer with high resolution. Conventionally, in a stepper of this type, alignment between a reticle (synonymous with a mask) and one shot area on a wafer is performed by using a so-called alignment method. An apparatus having a TTR (through-the-reticle) type alignment system for simultaneously detecting an alignment mark formed around a region is known.

このアライメント方式ではレチクル上のマークとウェ
ハ上のマークとをともに高精度に検出し、その相対位置
ずれ量を求め、このずれ量が補正されるようにレチク
ル、又はウェハを微動させている。一般に投影型露光装
置では、レチクルのパターンをウェハ上に高解像力で結
像するために、投影光学系は露光用の照明光(例えば波
長436nmのg線、波長365nmのi線、あるいは波長248nm
のKrFIキシマレーザ光等)のみに対して良好に色収差補
正されているのが現状である。このことは投影光学系を
介してレチクルのマークとウェハのマークとを検出する
アライメント光学系において、マーク照明用の光が露光
光の波長と同一、もしくは極めてそれに近い波長に制限
されることを意味する。
In this alignment method, both the mark on the reticle and the mark on the wafer are detected with high accuracy, the relative positional shift amount is obtained, and the reticle or wafer is finely moved so as to correct the shift amount. In general, in a projection type exposure apparatus, in order to form a reticle pattern on a wafer with high resolution, a projection optical system uses an illumination light for exposure (for example, a g-line having a wavelength of 436 nm, an i-line having a wavelength of 365 nm, or a wavelength of 248 nm).
At present, chromatic aberration is well corrected for only the KrFI xima laser beam. This means that in an alignment optical system that detects a reticle mark and a wafer mark via a projection optical system, the light for illuminating the mark is limited to the same wavelength as or very close to the wavelength of the exposure light. I do.

露光工程のウェハには表面にレジスト層が形成されて
おり、アライメント時にはレジスト層を介してウェハ上
のマークを検出する。このレジスト層は、より高解像の
パターン形成を可能とするために、露光光に対する吸収
率が高く、透過率が低くなるような多層レジスト構造等
を採用することが考えられてきた。この場合、アラメン
ト用の照明光がウェハ上のマークに達するまでに減衰を
受けることと、マークからの反射光(正反射光、散乱
光、回折光等)も減衰を受けることによって、ウェハ上
のマークがアライメント光学系によって十分な光量で認
識されず、マークの検出精度を低下させるといった問題
が生じる。
A resist layer is formed on the surface of the wafer in the exposure step, and a mark on the wafer is detected via the resist layer during alignment. In order to enable the formation of a pattern with higher resolution, it has been considered to adopt a multilayer resist structure or the like having a high absorption rate for exposure light and a low transmittance rate. In this case, the illumination light for alignment is attenuated before reaching the mark on the wafer, and the reflected light (specular reflection light, scattered light, diffracted light, etc.) from the mark is also attenuated. There is a problem that the mark is not recognized by the alignment optical system with a sufficient light amount, and the mark detection accuracy is reduced.

またアライメントのためにアライメント用照明光がウ
ェハ上のマークに照射されると、その部分のレジスト層
は当然に感光してしまい、現像後に各種プロセスを通す
と、ウェハ上の当該マークが破壊されてしまい、次の層
の重ね合わせ露光のときのアライメントに使えないとい
った問題も、本質的ではないが生じてしまう。
When the alignment illumination light is applied to the mark on the wafer for alignment, the resist layer at that part is naturally exposed, and when the film passes through various processes after development, the mark on the wafer is destroyed. As a result, although not essential, there arises a problem that it cannot be used for alignment at the time of overlay exposure of the next layer.

そこで、例えば特開昭63−153820号公報に開示された
TTR方式の別波長アライメント系(アライメント用照明
光が露光光の波長と異なる方式)をベースにして、ウェ
ハ、又はレチクル上に形成された一次元の回折格子マー
クを光学的に検出して、そのピッチ情報からウェハ、又
はレチクルの位置を高分解能(ピッチの数分の1〜数十
分の1)に検出する方式が特開昭63−283129号公報で提
案されている。
Therefore, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-153820 discloses
Based on another wavelength alignment system of the TTR method (a method in which the illumination light for alignment is different from the wavelength of the exposure light), optically detects a one-dimensional diffraction grating mark formed on the wafer or reticle, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-283129 proposes a method of detecting the position of a wafer or a reticle from pitch information with a high resolution (one-several to several tenths of a pitch).

回折格子マークを用いる位置検出には様々な手法が提
案され、実用可されてきた。特開昭63−283129号公報に
開示された手法は、そのなかでも回折格子マークに対し
て2方向からほぼ平行なレーザビームを同時に照射して
1次元の干渉縞を作り、この干渉縞を使って回折格子マ
ークの位置を特定しようとする方法であり、干渉縞を使
うことから干渉縞アライメント法とも呼ばれている。
Various methods have been proposed for position detection using a diffraction grating mark, and have been put to practical use. In the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-283129, a diffraction grating mark is simultaneously irradiated with laser beams substantially parallel from two directions to form one-dimensional interference fringes. In this method, the position of the diffraction grating mark is specified by using the interference fringes, which is also called an interference fringe alignment method.

このような干渉縞アライメント法にも、さらに2つの
方法があり、2方向から照射されるレーザビーム(2
本)に一定の周波数差を与えるヘテロダイン法と、周波
数差のないホモダイン法である。ホモダイン法では、回
折格子と平行に静止した干渉縞が作られ、位置検出にあ
たっては回折格子(物体)をそのピッチ方向に微動させ
る必要があり、回折格子の位置は干渉縞を基準として求
められる。これに対してヘテロダイン法では2本のレー
ザビームの周波数差(ビート周波数)のために、干渉縞
がそのピッチ方向にビート周波数で高速に流れることに
なり、回折格子の位置は干渉縞を基準として求めること
はできず、もっぱら干渉縞の高速移動に伴なう時間的な
要素(位相差)を基準にして求めることになる。
There are two more methods for such interference fringe alignment, and a laser beam (2
A heterodyne method for giving a constant frequency difference to the book, and a homodyne method without a frequency difference. In the homodyne method, a stationary interference fringe is formed parallel to the diffraction grating, and it is necessary to finely move the diffraction grating (object) in the pitch direction for position detection, and the position of the diffraction grating is obtained based on the interference fringe. On the other hand, in the heterodyne method, because of the frequency difference (beat frequency) between the two laser beams, the interference fringes flow at high speed at the beat frequency in the pitch direction, and the position of the diffraction grating is based on the interference fringes. It cannot be determined, but is determined solely on the basis of the temporal element (phase difference) associated with the high-speed movement of the interference fringes.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

上記、干渉縞アライメント法を採用した位置検出系で
は、実験の結果、2方向から回折格子を照射する2本の
ビームの入射角の対称性が極めて重要であることが明ら
かになった。入射角の対称性がほんのわずかでも不安定
に変動すると、テレセン性を悪化させ、もともと測定分
解能が高いこともあって、測定分解能に対する検出誤差
量の割合が大きな問題となる。測定分解能が高ければ高
い程、高精度なアライメントが可能である訳だが、検出
誤差量の割合が大きいと、結局はその誤差量の幅でアラ
イメント精度は制限されてしまい、干渉縞アライメント
法を用いたメリットがなくなってしまう。
In the position detection system employing the above-described interference fringe alignment method, as a result of an experiment, it has become clear that the symmetry of the incident angles of the two beams that irradiate the diffraction grating from two directions is extremely important. If the symmetry of the incident angle is very small and unstable, the telecentricity is deteriorated, and the ratio of the detection error to the measurement resolution becomes a serious problem because the measurement resolution is originally high. The higher the measurement resolution, the higher the accuracy of the alignment.However, if the ratio of the detection error is large, the alignment accuracy is ultimately limited by the width of the error. The merit that was there is gone.

2つのビームの入射角の対称性を狂わし、不安定にさ
せる要因は色々考えられるが代表的には装置構造に起因
する問題と、位置検出時の物体(格子マーク)側に起因
する問題とに分けられる。
There are various factors that can degrade the symmetry of the incident angles of the two beams and destabilize them. Typically, there are a problem due to the device structure and a problem due to the object (grating mark) side at the time of position detection. Divided into

装置側の問題としては、露光装置等ではアライメント
系の対物レンズやミラー等がマーク位置の変化に対応し
て可動する構造を余儀なくされていること、2本のビー
ムを作るための光源から回折格子までの光路内には様々
の光学素子が介在し、それらにも多かれ少なかれ製造誤
差、組立誤差が生じること等である。
As a problem on the apparatus side, in an exposure apparatus or the like, it is necessary to have a structure in which an objective lens and a mirror of an alignment system can be moved in response to a change in a mark position, and a diffraction grating is required from a light source for producing two beams. Various optical elements are interposed in the optical path up to this point, and these also cause more or less manufacturing errors and assembly errors.

物体側の計測時の問題としては、主に入射角の対称性
に起因するが、2本のビームが交差している領域内で、
計測すべき回折格子の部分表面が、計測のたびに光軸方
向にわずかに変位することである。これはウェハ等のア
ライメントのように、ウェハ上の複数点の回折格子マー
クを順次計測する場合、各マーク毎にサイン誤差が生じ
ることを意味する。その多くの原因はウェハ表面のフラ
ットネス(そり、湾曲等)によるものである。
The problem at the time of measurement on the object side is mainly due to the symmetry of the incident angle, but within the area where the two beams intersect,
The partial surface of the diffraction grating to be measured is slightly displaced in the direction of the optical axis each time measurement is performed. This means that when sequentially measuring a plurality of diffraction grating marks on a wafer as in the alignment of a wafer or the like, a sine error occurs for each mark. Many of the causes are due to flatness (warpage, curvature, etc.) of the wafer surface.

従来のTTRアライメント系のうち、レーザビームをス
リット状に集光し、ウェハ上のバーマーク等を相対走査
して、その散乱、回折光を光電検出する方式のもので
も、同様の問題点はかかえていたが、その影響はマーク
の検出時のノイズ誤差、波形歪み等を考慮した総合検出
精度にくらべて少なく、ほとんど気にならなかった。ま
た、レーザビームをスリット状のスポットに集光する方
式では、投影レンズやアライメント対物レンズの瞳面内
で、ウェハ上のスポットのスリット長手方向と直交する
方向にビーム断面の形状を細長くすることになる。従っ
てスリット状のマークの検出方向(スリット状スポット
の幅方向)については、それと直交する方向にくらべて
ビームの開口数が大きくなる。一般にビームの開口数を
大きくすれば、それだけスポット光の径(幅)を微小に
することができ、検出分解能の向上が可能であるが、そ
れに対応してビームウエストの光軸方向の幅は小さくな
ってしまい、結局のところマーク検出時の安定性を欠い
たものになってしまう。さらにビームをスポットに集光
する方式では、ビームの波面がビームウエストの中心を
挾んで光軸方向に変化してくるため、ウェハ表面のフラ
ットネス等の影響でビームウエストに対してマークが光
軸方向に変位して走査されると、本来のシャープな光電
信号波形が得られない。
Similar problems exist with conventional TTR alignment systems that focus the laser beam in a slit shape and relatively scan bar marks on the wafer to detect the scattered and diffracted light photoelectrically. However, the influence was small compared to the total detection accuracy in consideration of noise error, waveform distortion, and the like at the time of mark detection, and was hardly noticed. In the method of condensing a laser beam on a slit-shaped spot, the shape of the beam cross section is made elongated in the direction perpendicular to the slit longitudinal direction of the spot on the wafer within the pupil plane of the projection lens or alignment objective lens. Become. Therefore, in the detection direction of the slit-like mark (the width direction of the slit-like spot), the numerical aperture of the beam is larger than that in the direction orthogonal to the direction. In general, the larger the numerical aperture of the beam, the smaller the diameter (width) of the spot light and the higher the detection resolution. However, the width of the beam waist in the optical axis direction is correspondingly reduced. As a result, stability at the time of mark detection is eventually lost. Furthermore, in the method of condensing a beam on a spot, the wavefront of the beam changes in the direction of the optical axis with the center of the beam waist sandwiched. If scanning is performed while displacing in the direction, an original sharp photoelectric signal waveform cannot be obtained.

そこで本発明は、上述の問題点に鑑みてなされ、干渉
縞アライメント法で使われる2ビーム干渉式位置検出装
置において、2ビームの入射角の対称性を安定に保つこ
とを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to stably maintain the symmetry of the incident angle of two beams in a two-beam interference type position detecting device used in the interference fringe alignment method.

〔問題点を解決する為の手段〕[Means to solve the problem]

本発明では、物体上の回折格子を、対物光学系を介し
て2方向から照射するビームが、対物光学系の瞳面内で
所定間隔だけ離れることに着目し、瞳面内を通る2つの
ビームの間隔はほぼ一定に保ったまま、瞳面内でともに
格子配列方向に同量だけ変位させる第1光学部材を、ビ
ーム発生用の光源と対物光学系との間の光路中に設け
た。第1光学部材は、2本のビームの物体への入射角の
対称性を調整するものであって、物体と対物光学系との
間隔を光軸方向に変位させる間隔調整手段と、回折格子
から発生した回折光(干渉光)を対物光学系を介して光
電検出したときの検出信号に応じて、第1光学部材を調
整する制御手段とを設け、これによって2本のビームの
対称性を安定に保つようにした。
In the present invention, focusing on the fact that beams that irradiate the diffraction grating on the object from the two directions via the objective optical system are separated by a predetermined distance in the pupil plane of the objective optical system, two beams passing through the pupil plane The first optical member, which is displaced by the same amount in the grating arrangement direction in the pupil plane while keeping the distance substantially constant, is provided in the optical path between the light source for beam generation and the objective optical system. The first optical member adjusts the symmetry of the incident angle of the two beams to the object, and includes a gap adjusting means for displacing the gap between the object and the objective optical system in the optical axis direction, and a diffraction grating. Control means for adjusting the first optical member in accordance with a detection signal when photoelectrically detecting the generated diffracted light (interference light) via the objective optical system, whereby the symmetry of the two beams is stabilized. I tried to keep it.

〔作 用〕(Operation)

本発明では、従来の結像式、又はビームスポット式の
位置検出装置にくらべて、2ビーム干渉式の方が、光軸
方向に関する実効的な検出範囲を数倍〜数十倍以上に広
げられる点、すなわち、実効的な検出範囲内で2本のビ
ームの交差によって作られる波面が光軸方向の各位置で
ほぼ一定である点に着目している。
In the present invention, the two-beam interference type can expand the effective detection range in the optical axis direction several times to several tens times or more as compared with the conventional imaging type or beam spot type position detecting device. Attention is paid to the point, that is, the point that the wavefront created by the intersection of the two beams within the effective detection range is substantially constant at each position in the optical axis direction.

そのことについて、第2図を参照して説明する。第2
図は2本の平行なビームLB1、LB2を仮想的な平面IP上で
丁度交差するように投射し、平面IPに一次元の回折格子
WP(デューティは1:1)を平行に配置した様子を示す。
2つのビームLB1、LB2の波長をλ、回折格子WPのピッチ
をP、2つのビームLB1、LB2を投射する対物光学系の光
軸を面IPと垂直なAXaとし、ビームLB1、LB2の入射角を
それぞれ光軸AXaを挾んでθa、θbとすると、回折格
子WPから光軸AXaと平行に干渉光(回折光)BTLを発生さ
せるためには、(1)式を満す必要がある。
This will be described with reference to FIG. Second
In the figure, two parallel beams LB 1 and LB 2 are projected so as to intersect on a virtual plane IP, and a one-dimensional diffraction grating is projected on the plane IP.
This figure shows how WP (duty is 1: 1) are arranged in parallel.
The wavelength of the two beams LB 1 and LB 2 is λ, the pitch of the diffraction grating WP is P, the optical axis of the objective optical system that projects the two beams LB 1 and LB 2 is AXa perpendicular to the plane IP, and the beam LB 1 , .theta.a incident angle of LB 2 a by respective interposing the optical axis AXa, When .theta.b, in order to generate the optical axis AXa parallel to interference light (diffracted light) BTL from the diffraction grating WP is satisfy the equation (1) Need to be

この(1)式を満すと、2つのビームLB1、LB2が交差
している空間領域内で、平面IPと平行な任意の面内には
ピッチ1/2Pで一次元の干渉縞IFwが作られる。
When this equation (1) is satisfied, a one-dimensional interference fringe IFw at a pitch of 1 / 2P is set in an arbitrary plane parallel to the plane IP in a spatial region where the two beams LB 1 and LB 2 intersect. Is made.

この干渉縞IFwの各明暗縞は、回折格子WPの各格子エ
レメント(バーパターン)と平行になるように設定され
ている。ここで重要なことは、入射角θa、θbが面IP
と垂直な光軸AXaに対して対称性を保っていることにあ
る。第2図ではθa=θbとして図示してあり、回折格
子WPの上方空間と下方空間との2ケ所に作られる干渉縞
IFwのピッチ方向の位相は、相互に横ずれすることな
く、垂直方向のどこの面内でも位相情報が同一に保存さ
れている。すなわち、上面側と下面側との干渉縞間で同
一位相点を結ぶ線lkが面IPと垂直になっている。
Each bright and dark fringe of the interference fringe IFw is set to be parallel to each grating element (bar pattern) of the diffraction grating WP. What is important here is that the incident angles θa and θb
And the symmetry is maintained with respect to the optical axis AXa perpendicular to the optical axis AXa. In FIG. 2, it is shown as θa = θb, and interference fringes formed at two places, a space above and below the diffraction grating WP.
The phase of IFw in the pitch direction does not laterally shift, and the phase information is stored identically in any plane in the vertical direction. That is, the line lk connecting the same phase point between the interference fringes on the upper surface side and the lower surface side is perpendicular to the plane IP.

ここで入射角θa、θbの対称性がくずれると、線lk
はビームLB1、LB2の光主線の丁度2等分線となるように
Δθだけ傾くことになる。このため、回折格子WPが垂直
方向にΔZ変位すると、回折格子WP上にできる干渉縞IF
wの同一位相点は、格子配列方向にsinΔθだけ相対変位
してしまい、回折格子WPの位置検出にsinΔθ分の誤差
が生じる。
Here, if the symmetry of the incident angles θa and θb is lost, the line lk
Is tilted by Δθ so as to be exactly a bisector of the optical principal lines of the beams LB 1 and LB 2 . Therefore, when the diffraction grating WP is displaced by ΔZ in the vertical direction, interference fringes IF formed on the diffraction grating WP are generated.
The same phase point of w is relatively displaced by sin Δθ in the grating arrangement direction, and an error of sin Δθ occurs in the position detection of the diffraction grating WP.

以上は、2つのビームLB1、LB2に周波数差Δfがない
ホモダイン法の場合で説明したが、差Δfがあるヘテロ
ダイン法の場合、干渉縞IFwは速度Vで矢印の方向(格
子配列方向)に移動することになるが、同一位相点の保
存の重要性は、上述の説明と全く同じである。ここで速
度Vは、干渉縞IFwのピッチをP′(=1/2P)とする
と、(2)式で表わされる。
In the above description, the homodyne method in which the two beams LB 1 and LB 2 do not have the frequency difference Δf has been described. The importance of preserving the same phase point is exactly the same as described above. Here, the speed V is expressed by the equation (2), where the pitch of the interference fringes IFw is P '(= 1 / 2P).

V=Δf・P′ ………(2) ところで入射角θa、θbの対称性がくずれて、線lk
が光軸AXaに対してΔθだけ傾くと、干渉光BTL発生方向
にも傾きが生じることになり、光電検出の際に不都合が
生じることもある。それは、ビームLB1の照射より回折
格子WPから発生する高次回折光のうちの1次光が垂直に
戻り、ビームLB2の照射により発生する高次回折光のう
ちの1次光が垂直に戻ることによって干渉光BTLが作ら
れるためであり、入射角θa、θbが異なってくると、
それら2つの1次光の同軸性が失なわれてしまい、極端
な場合は干渉光BTLが得られなくなる。
V = Δf · P ′ (2) By the way, the symmetry of the incident angles θa and θb is broken, and the line lk
Is tilted by Δθ with respect to the optical axis AXa, a tilt also occurs in the direction in which the interference light BTL is generated, which may cause inconvenience during photoelectric detection. It returns to the first-order light of the high-order diffracted light generated from the diffraction grating WP than the irradiation of the beam LB 1 is vertical, the primary light of the high-order diffracted light generated by irradiation of the beam LB 2 to return to the vertical The interference light BTL is created by the
The coaxiality of these two primary lights is lost, and in extreme cases, the interference light BTL cannot be obtained.

さて、2つのビームLB1、LB2の交差角をθ(θa+θ
b)、ビームの幅(径)をDとすると、2つのビームLB
1、LB2の交差空間領域の光軸AXa(Z軸)方向の最大幅Z
mは、(3)式で与えられる。
Now, let the intersection angle of the two beams LB 1 and LB 2 be θ (θa + θ
b), assuming that the beam width (diameter) is D, two beams LB
1 , the maximum width Z in the optical axis AXa (Z-axis) direction of the intersection space area of LB 2
m is given by equation (3).

さらに先の(1)式から、sin(θ/2)=n・λ/Pと
すれば、最大幅Zmを簡単に算出できる。
Further, if sin (θ / 2) = n · λ / P from the above equation (1), the maximum width Zm can be easily calculated.

一例として、ビームLB1、LB2を幅100μmで波長632.8
nmのHe−Neレーザとし、回折格子WPのピッチPを8μm
(4μmラインアンドスペース)、n=1にすると、2
本のビームLB1、LB2の入射角θ/2は、 θ/2=sin-1(0.6328/8)≒4.5368゜となり、最大幅Z
mは、 となる。しかしながら、回折格子WPは格子ピッチ方向に
ある幅を有し、その幅内で干渉縞IFwが安定に生じてい
る必要があるため、実際に有効な範囲は第2図に示すよ
うな幅Zlに制限される。ところが、幅Zlは、上述の条件
で見積っても300μm程度、すなわち面IPの上下に150μ
m程度とれることがわかった。しかも、この幅Zl内で
は、どの面内でみても干渉縞IFwの波形が極めて正確再
現され、波面の変化が生じていないことがわかる。
As an example, beams LB 1 and LB 2 have a width of 100 μm and a wavelength of 632.8
nm He-Ne laser and the pitch P of the diffraction grating WP is 8 μm
(4 μm line and space), when n = 1, 2
The incident angle θ / 2 of the beams LB 1 and LB 2 is θ / 2 = sin −1 (0.6328 / 8) {4.5368}, and the maximum width Z
m is Becomes However, since the diffraction grating WP has a certain width in the grating pitch direction, and the interference fringes IFw need to be stably generated within the width, the actually effective range is the width Zl as shown in FIG. Limited. However, the width Zl is about 300 μm even when estimated under the above conditions, that is, 150 μm above and below the surface IP.
m was obtained. In addition, within this width Zl, the waveform of the interference fringe IFw is reproduced extremely accurately in any plane, and it can be seen that the wavefront does not change.

ここで従来のスポット走査方式との比較をしてみる
と、物体上で2μmに結像するHe−Neレーザの実効的な
ビームウエスト保存距離(焦点深度)は、ビームの開口
数を小さくしても8μm程度しか取れず、±150μmも
デフォーカスさせた状態では物体上のスポットサイズは
約50μmにもなってしまう。また従来のスポット光結像
では、対物光学系、投影レンズによってビームを集光す
るため、光軸方向に関しては波面の形状が順次変化して
いることになる。
Here, comparing with the conventional spot scanning method, the effective beam waist storage distance (depth of focus) of the He-Ne laser which forms an image at 2 μm on the object is obtained by reducing the numerical aperture of the beam. Is about 8 μm, and the spot size on the object becomes about 50 μm in a state where ± 150 μm is defocused. Further, in the conventional spot light imaging, since the beam is condensed by the objective optical system and the projection lens, the shape of the wavefront changes sequentially in the optical axis direction.

本発明では、このように2ビーム干渉方式が光軸方向
に関して極めて広い安定な検出範囲(Zl)を有する点に
着目して、2つのビームLB1、LB2の入射角の対称性を極
めて高精度に検出するものである。
In the present invention, focusing on the fact that the two-beam interference method has an extremely wide stable detection range (Zl) in the optical axis direction, the symmetry of the incident angles of the two beams LB 1 and LB 2 is extremely enhanced. It is to detect with accuracy.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例による位置検出装置を投影型露
光装置(ステッパー)に組み込んだ構成について第1
図、第3図、第4図、第5図、第6図、及び第7図を参
照して説明するが、基本的な構成は特開昭63−283129号
公報に開示されたものと同様である。
Next, a configuration in which the position detecting device according to the embodiment of the present invention is incorporated in a projection type exposure apparatus (stepper) will be described.
FIG. 3, FIG. 4, FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6, and FIG. 7 will be described, but the basic configuration is the same as that disclosed in JP-A-63-283129. It is.

第1図において、所定の回路パターンとアライメント
用の回折格子マークとを有するレチクル1は2次元移動
可能なレチクルステージ2に保持される。レチクル1上
の各パターンは両側テレセントリックな投影レンズ3に
よって露光光のもとでウェハ4上に結像される。ただし
この投影レンズ3は露光用の照明光波長(g線、i線
等)に関して良好に色収差補正されており、その露光用
の波長に関してレチクル1とウェハ4とが互いに共役に
なるように配置される。またウェハ4上にもレチクル1
に形成された格子マークと同様の回折格子マークが形成
されている。さて、ウェハ4はステップアンドリピート
方式でx、y方向に2次元移動するとともに、z方向に
微動するステージ5上に吸着され、ウェハ4上の1つの
ショット領域に対するレチクル1の転写露光が終了する
と、次のショット位置までステッピングされる。レチク
ルステージ2の一部には、レチクル1の水平面内でのx
方向、y方向及び回転(θ)方向の位置を検出するため
のレーザ光波干渉式測長器(以下、干渉計とする)43か
らのレーザビームを反射する移動鏡6が固定されてい
る。この干渉計43はx方向、y方向、θ方向の位置を独
立に検出するために3本の測長用レーザビームを有する
が、ここでは説明を簡単にするため図示を一部省略して
ある。レチクルステージ2の移動ストロークは数ミリメ
ートル以下であり、干渉計43の検出分解能は、例えば0.
01μm程度に定められている。一方、ウェハステージ5
の一部にはウェハ4の水平面内でのx方向、y方向の位
置を検出するための干渉計45からのレーザビームを反射
する移動鏡7が固定されている。この干渉計45もx方
向、y方向の位置を独立に検出するために2本の測長用
レーザビームを有するが、ここでは説明を簡単にするた
め図示を一部省略してある。レチクルステージ2のx方
向、y方向、θ方向の駆動は駆動モータ42で行なわれ、
ウェハステージ5の2次元移動及びZ軸移動は駆動モー
タ46で行なわれる。
In FIG. 1, a reticle 1 having a predetermined circuit pattern and a diffraction grating mark for alignment is held on a reticle stage 2 which can move two-dimensionally. Each pattern on the reticle 1 is imaged on the wafer 4 under exposure light by the projection lens 3 which is telecentric on both sides. However, the projection lens 3 is satisfactorily corrected for chromatic aberration with respect to the wavelength of illumination light for exposure (g-line, i-line, etc.), and the reticle 1 and the wafer 4 are arranged so as to be conjugate to each other with respect to the wavelength of exposure. You. Also, reticle 1 on wafer 4
A diffraction grating mark similar to the grating mark formed in the above is formed. When the wafer 4 moves two-dimensionally in the x and y directions in a step-and-repeat manner and is attracted onto a stage 5 that slightly moves in the z direction, when the transfer exposure of the reticle 1 to one shot area on the wafer 4 is completed. Is stepped to the next shot position. A part of the reticle stage 2 has x in the horizontal plane of the reticle 1.
A movable mirror 6 that reflects a laser beam from a laser light wave interferometer (hereinafter referred to as an interferometer) 43 for detecting the position in the direction, the y direction, and the rotation (θ) direction is fixed. The interferometer 43 has three laser beams for length measurement for independently detecting the positions in the x, y, and θ directions, but some of them are not shown here for the sake of simplicity. . The movement stroke of the reticle stage 2 is several millimeters or less, and the detection resolution of the interferometer 43 is, for example, 0.
It is set to about 01 μm. On the other hand, the wafer stage 5
A movable mirror 7 for reflecting a laser beam from an interferometer 45 for detecting the position of the wafer 4 in the x and y directions in a horizontal plane is fixed to a part of the mirror. The interferometer 45 also has two laser beams for length measurement for independently detecting the positions in the x and y directions, but some of them are not shown here for simplicity. The reticle stage 2 is driven in the x, y, and θ directions by a drive motor 42,
The two-dimensional movement and the Z-axis movement of the wafer stage 5 are performed by a drive motor 46.

ところで露光用の照明系は、水銀ランプ30、楕円鏡3
1、集光レンズや干渉フィルター等を含む入力レンズ群3
2、オプチカルインテグレータ(フライアイレンズ)3
3、ミラー34、メインコンデンサーレンズ35及びダイク
ロイックミラー22等によって構成される。ダイクロイッ
クミラー22はレチクル1の上方に45゜で斜設され、コン
デンサーレンズ35からの露光光を垂直に下方に反射さ
せ、レチクル1を均一に照射する。このダイクロイック
ミラー22は露光光の波長に対しては90%以上の反射率を
有し、アライメント用の照明光の波長(露光光よりも長
波長)に対しては50%以上の透過率を有する。
By the way, the illumination system for exposure is a mercury lamp 30, an elliptical mirror 3
1, input lens group 3 including condenser lens and interference filter
2, Optical integrator (fly-eye lens) 3
3, the mirror 34, the main condenser lens 35, the dichroic mirror 22, and the like. The dichroic mirror 22 is inclined at an angle of 45 ° above the reticle 1, reflects the exposure light from the condenser lens 35 vertically downward, and irradiates the reticle 1 uniformly. The dichroic mirror 22 has a reflectance of 90% or more with respect to the wavelength of the exposure light, and has a transmittance of 50% or more with respect to the wavelength of the illumination light for alignment (wavelength longer than the exposure light). .

次にこのステッパーのアライメント系について説明す
る。アライメント用の照射光(ビーム)LBはレーザ光源
10から射出され、2つの音響光学変調器(AOM)を含む
2光束周波数シフター12に入射し、互いに周波数が異な
るとともに、共に直交した直線偏光を含む2本のビーム
LB1、LB2に変換される。その周波数差は2つのAOMをド
ライブする高周波信号SF1、SF2の周波数の差に対応して
いる。周波数シフター12からの2本の平行なビームL
B1、LB2はビームスプリッター14で反射された後、瞳リ
レー系17Aを通り、ビームスプリッター20を透過した
後、本件発明の第1光学部材としての平行平面ガラス50
(傾斜可能)を透過して2焦点光学系21に入射する。2
焦点光学系21は、アライメント系の瞳、すなわち投影レ
ンズ3の瞳EPと共役に配置された複屈折物質(水晶、方
解石等のレンズ)21bと顕微鏡用等のテレセントリック
な対物レンズ21aとを一体に組み合わせたもので構成さ
れ、ビームLB1、LB2の偏光成分(ダイクロイックミラー
22に対して図中で紙面と平行な偏波面をもつ光をP偏光
とし、それと垂直な偏波面をもつ光をS偏光とする。)
に応じて異なるパワーを与えるものである。ここでレー
ザ光源10は直交直線偏光のレーザ光を発振するものとす
る。このため2焦点光学系21を射出した一方の偏光(例
えばP偏光)成分からなるビームLB1、LB2はレチクル1
の上方空間の焦点26aで結像(交差)し、他方の偏光
(例えばS偏光)成分からなるビームLB1、LB2はレチク
ル1の下面のパターン面と一致した焦点27aで結像(交
差)する。また2焦点光学系21の他方の焦点、すなわち
レーザ光源10側で焦点26a、27aの夫々と共役な面は、2
光束周波数シフター12内に存在する。ここで2焦点光学
系21の2つの焦点26a、27の光軸方向の間隔はアライメ
ント用のレーザ光の波長における投影レンズ3のレチク
ル1側での色収差量に対応している。この空間中の焦点
面26aは投影レンズ3によってウェハ4の表面と一致し
た結像面26bと共役になり、焦点面27a(レチクルパター
ン面)は投影レンズ3によってウェハ4の表面から空間
的に下方に離れた結像面27bと共役になる。結像面26bと
27bの間隔は投影レンズ3のウェハ4側での色収差量に
対応している。ここで結像面26bと27bの間隔距離をDw、
焦点面26aと27aの間隔距離をDr、そして投影レンズ3の
投影倍率を1/M(通常Mは1、2.5、5、10のうちいずれ
か1つ)とすると、一般的にDr=M2・Dwの関係がある。
アライメント用のレーザ光の波長が露光光の波長から離
れれば離れる程、投影レンズ3の収差特性に応じてDw、
Drは大きくなる。この種の投影レンズの焦点深度は極め
て浅く、±1μm程度であり、アライメント用照明光の
波長にもよるが間隔Dwは数10μm程度に達することもあ
る。尚、アライメント用照明光(レーザ光)はウェハ4
に塗布されたレジストに対してほとんど感度をもたない
波長にすることが望ましいが、本発明においては必ずし
も満たされるべき条件ではない。それは投影レンズによ
って露光光の波長とアライメント用照明光の波長とで極
端に大きな収差が生じ、特にウェハ4上の回折格子マー
クからの光情報自体に大きな歪みが加えられてしまう恐
れがあるからである。このためその収差との兼ね合いで
最適なアライメント用照明光を定めることを優先するこ
との方が重要である。従ってアライメント用照明光が長
時間(例えば1分以上)レジストを照射すると、感光さ
せてしまう(現像後に薄減りが生じる)ような弱い感度
の波長になる場合もある。この場合は2つのビームL
B1、LB2の送光路中に、アライメント時に開放するシャ
ッターを設ける。
Next, the alignment system of this stepper will be described. The irradiation light (beam) LB for alignment is a laser light source
The two beams emitted from 10 are incident on a two-beam frequency shifter 12 including two acousto-optic modulators (AOMs), and have different frequencies from each other and include linearly polarized beams orthogonal to each other.
Converted to LB 1 and LB 2 . The frequency difference corresponds to the frequency difference between the high-frequency signals SF 1 and SF 2 driving the two AOMs. Two parallel beams L from the frequency shifter 12
After B 1 and LB 2 are reflected by the beam splitter 14, pass through the pupil relay system 17 A, and pass through the beam splitter 20, the parallel flat glass 50 as the first optical member of the present invention
The light passes through the tiltable lens and enters the bifocal optical system 21. 2
The focusing optical system 21 integrates a birefringent substance (a lens such as quartz or calcite) 21b arranged conjugate with a pupil EP of the alignment system, that is, a pupil EP of the projection lens 3, and a telecentric objective lens 21a for a microscope or the like. The polarization components of the beams LB 1 and LB 2 (dichroic mirrors)
On the other hand, light having a plane of polarization parallel to the plane of the drawing is defined as P-polarized light, and light having a plane of polarization perpendicular thereto is defined as S-polarized light. )
Different powers depending on the power. Here, it is assumed that the laser light source 10 oscillates laser light of orthogonal linear polarization. For this reason, the beams LB 1 and LB 2 composed of one polarized light (for example, P-polarized light) component emitted from the bifocal optical system 21 are applied to the reticle 1
The beams LB 1 and LB 2 composed of the other polarized light (for example, s-polarized light) components are formed (crossed) at the focal point 27 a coincident with the pattern surface on the lower surface of the reticle 1. I do. The other focal point of the bifocal optical system 21, that is, the surface conjugate with each of the focal points 26a and 27a on the side of the laser light source 10, is
It is present in the beam frequency shifter 12. Here, the distance in the optical axis direction between the two focal points 26a and 27 of the bifocal optical system 21 corresponds to the amount of chromatic aberration on the reticle 1 side of the projection lens 3 at the wavelength of the alignment laser light. The focal plane 26a in this space is conjugated with the imaging plane 26b coincident with the surface of the wafer 4 by the projection lens 3, and the focal plane 27a (reticle pattern plane) is spatially below the surface of the wafer 4 by the projection lens 3. Becomes conjugate with the imaging plane 27b far away from With imaging surface 26b
The interval 27b corresponds to the amount of chromatic aberration on the wafer 4 side of the projection lens 3. Here, the distance between the imaging planes 26b and 27b is Dw,
Assuming that the distance between the focal planes 26a and 27a is Dr, and the projection magnification of the projection lens 3 is 1 / M (usually M is one of 1, 2.5, 5, and 10), generally, Dr = M 2 -There is a relationship of Dw.
As the wavelength of the laser light for alignment becomes farther from the wavelength of the exposure light, Dw,
Dr grows up. The depth of focus of this type of projection lens is extremely shallow, about ± 1 μm, and the interval Dw may reach several tens μm depending on the wavelength of the alignment illumination light. The illumination light (laser light) for alignment is
Although it is desirable that the wavelength has little sensitivity to the resist applied to the resist, the condition is not necessarily satisfied in the present invention. This is because the projection lens causes an extremely large aberration between the wavelength of the exposure light and the wavelength of the illumination light for alignment, and may cause a large distortion particularly to the optical information itself from the diffraction grating mark on the wafer 4. is there. Therefore, it is more important to give priority to determining the optimal illumination light for alignment in consideration of the aberration. Therefore, when the alignment illumination light irradiates the resist for a long time (for example, 1 minute or more), the wavelength may be weakly sensitive such that the resist is exposed (a thinning occurs after development). In this case, two beams L
A shutter that opens during alignment is provided in the light transmission path of B 1 and LB 2 .

さて、アライメント用のレーザ光のうちP偏光の2つ
のビームLB1、LB2は焦点面27aでレチクル1の回折格子
マーク部分に、そのビームLB1とLB2との成す角度で2方
向から入射し結像する。またレチクル1の透明部を透過
した焦点面26aからのS偏光の2本のビームLB1、LB
2は、投影レンズ3を介して焦点面26bでウェハ4の回折
格子マーク部分に、そのビームLB1、LB2との成す角度で
2方向から入射し結像する。そしてレチクル1の回折格
子マークからの反射回折光(干渉光BTL)はダイクロイ
ックミラー22、2焦点光学系21、平行平面ガラス50を介
してビームスプリッタ20で反射された後、瞳リレー系17
Bを通って瞳共役面(フーリエ面)に配置された空間フ
ィルター23で軸上を進む回折光(BTL)のみがフィルタ
リングされ、さらに集光レンズ24によって光電検出器25
に達する。またウェハ4の回折格子マークからの反射回
折光(干渉光BTL)は投影レンズ3を介して元の光路を
戻り、レチクル1の透明部を透過してダイクロイックミ
ラー22、2焦点光学系21、平行平面ガラス50、ビームス
プリッタ20、瞳リレー系17B、空間フィルター23、及び
集光レンズ24を通って光電検出器(受光素子)25に達す
る。空間フィルター23はアライメント光学系の瞳面とほ
ぼ共役な位置、すなわち投影レンズ3の瞳(射出瞳)と
実質共役な位置もしくはその近傍に配置され、レチクル
1、又はウェハ4からの正反射光(0次光)を遮断し、
レチクル1又はウェハ4の回折格子に垂直(面の法線方
向)に回折される光のみを通すように定められている。
そして光電検出器25の前には、2焦点光学系21、瞳リレ
ー系17B、及びレンズ24を介してレチクル1、ウエハ4
の夫々と共役に配置されたアパーチャ板25′が設けられ
ている。
The two P-polarized beams LB 1 and LB 2 of the laser beam for alignment are incident on the diffraction grating mark portion of the reticle 1 at the focal plane 27a from two directions at an angle formed by the beams LB 1 and LB 2. And form an image. Also, two S-polarized beams LB 1 and LB from the focal plane 26a transmitted through the transparent portion of the reticle 1.
Numeral 2 enters the diffraction grating mark portion of the wafer 4 on the focal plane 26b through the projection lens 3 at two angles from the beams LB 1 and LB 2 to form an image. The reflected diffracted light (interference light BTL) from the diffraction grating mark of the reticle 1 is reflected by the beam splitter 20 via a dichroic mirror 22, a bifocal optical system 21, and a plane-parallel glass 50, and then a pupil relay system 17
Only the diffracted light (BTL) traveling on the axis is filtered by the spatial filter 23 arranged on the pupil conjugate plane (Fourier plane) through B, and furthermore, the photoelectric detector 25
Reach The diffracted light (interference light BTL) reflected from the diffraction grating mark on the wafer 4 returns to the original optical path via the projection lens 3 and passes through the transparent portion of the reticle 1, and passes through the dichroic mirror 22, the bifocal optical system 21, The light reaches the photoelectric detector (light receiving element) 25 through the flat glass 50, the beam splitter 20, the pupil relay system 17B, the spatial filter 23, and the condenser lens 24. The spatial filter 23 is disposed at a position substantially conjugate with the pupil plane of the alignment optical system, that is, at a position substantially conjugate with the pupil (exit pupil) of the projection lens 3 or near the pupil, and specularly reflected light from the reticle 1 or the wafer 4 ( 0th order light)
It is set so that only light diffracted perpendicularly (in the direction of the normal to the plane) through the diffraction grating of the reticle 1 or the wafer 4 passes.
In front of the photoelectric detector 25, the reticle 1, the wafer 4 via the bifocal optical system 21, the pupil relay system 17B, and the lens 24.
And an aperture plate 25 'arranged conjugate with each of the above.

さて光電検出器25から得られる光電信号DSr、DSwは、
レチクル1又はウェハ4を2方向から照射するビームLB
1、LB2によって作られた干渉縞が各回折格子マーク上で
ピッチ方向に流れるように照射されることになるので、
高周波ドライブ信号SF1、SFの差Δfに応じた周波数の
正弦波状の交流信号(ビート周波数)となる。ところで
2光束周波数シフター12からの2つのビームLB1、LB
2は、ビームスプリッタ14を透過し、瞳(フリーエ面)
を像面に変換するレンズ系(逆フーリエ変換レンズ)16
によって参照用回折格子18上に結像(交差)する。この
参照用回折格子18は装置上で固定されているものであ
る。この回折格子18にも、ビームLB1とビームLB2とが所
定の交差角度で2方向から入射する。光電検出器(受光
素子)19は参照格子18を透過した0次光以外の回折光
(又は干渉光)を受光して、正弦波状の光電信号DRを出
力する。この光電信号DRは2つのビームLB1、LB2の差周
波数に比例した周波数となり、基準ビート信号となる。
位相検出系40は、光電検出器25からのレチクル側の光電
信号DSr、ウェハ側の光電信号DSwと光電検出器19からの
光電信号DRを入力し、信号DRを基準とした両信号DSr、D
Swの波形上の位相差を検出する。検出された位相差(±
180゜)はそれぞれレチクル1、ウェハ4の夫々に形成
された回折格子マークの格子ピッチの1/2内の相対位置
ずれ量に一義的に対応している。主制御系41は検出され
た位相差(位置ずれ量)の情報、サーボシステム44を介
して得られる干渉計43、45の各々からの位置情報等に基
づいて駆動モータ42、46を制御し、レチクル1とウェハ
4の相対位置合わせ(アライメント)を行なう。尚、第
1図の説明では、2つのビームLB1、LB2は紙面内で交差
するように示したが、実際は投影レンズ3の光軸AXを含
め平面と垂直な面内で互いに傾いている。そして平行平
面ガラス50は、駆動制御系52によって2本のビームL
B1、LB2が対物レンズ21bの光軸(AXa)を含む面内で同
一方向に平行移動するように傾斜駆動される。
Now, the photoelectric signals DSr and DSw obtained from the photoelectric detector 25 are
Beam LB for irradiating reticle 1 or wafer 4 from two directions
1 , because the interference fringes created by LB 2 will be irradiated on each diffraction grating mark so as to flow in the pitch direction,
A high-frequency drive signal SF 1 becomes a sinusoidal AC signal (beat frequency) having a frequency corresponding to the difference Δf between SF. By the way, the two beams LB 1 and LB from the two-beam frequency shifter 12
2 is transmitted through the beam splitter 14, and the pupil (Flier surface)
Lens system (inverse Fourier transform lens) for converting image to image plane 16
Forms (crosses) on the reference diffraction grating 18. The reference diffraction grating 18 is fixed on the device. In this diffraction grating 18, a beam LB 1 and beam LB 2 is incident from two directions at a predetermined intersection angle. The photoelectric detector (light receiving element) 19 receives diffracted light (or interference light) other than the zero-order light transmitted through the reference grating 18 and outputs a sinusoidal photoelectric signal DR. This photoelectric signal DR has a frequency proportional to the difference frequency between the two beams LB 1 and LB 2 and serves as a reference beat signal.
The phase detection system 40 receives the reticle-side photoelectric signal DSr from the photoelectric detector 25, the wafer-side photoelectric signal DSw, and the photoelectric signal DR from the photoelectric detector 19, and receives both signals DSr, D based on the signal DR.
Detects the phase difference on the Sw waveform. Detected phase difference (±
(180 °) uniquely corresponds to the relative positional deviation within 1/2 of the grating pitch of the diffraction grating marks formed on the reticle 1 and the wafer 4, respectively. The main control system 41 controls the drive motors 42 and 46 based on information on the detected phase difference (position shift amount), position information from each of the interferometers 43 and 45 obtained via the servo system 44, The relative positioning (alignment) between the reticle 1 and the wafer 4 is performed. In the description of FIG. 1 , the two beams LB 1 and LB 2 are shown to intersect in the plane of the paper. However, actually, the two beams LB 1 and LB 2 are mutually inclined in a plane perpendicular to the plane including the optical axis AX of the projection lens 3. . The parallel flat glass 50 is driven by the drive control system 52 so that the two beams L
B 1 and LB 2 are tilted and driven so as to move in the same direction in a plane including the optical axis (AXa) of the objective lens 21b.

以上の全体構成において、アライメント光学系の一
部、特に2焦点光学系21はレチクル1上のアライメント
マークの配置に応じて任意の位置に可動とされ、どのよ
うなマーク配置であってもマーク検出が可能となってい
る。そのことについては後で詳しく述べる。さらにレチ
クル1の上方に斜設したダイクロイックミラー22によっ
て露光光とアライメント用照明光とを分離するため、露
光動作中であってもマーク検出が可能となる。これは露
光中において何らかの外乱でレチクル1とウェハ4との
アライメント状態が狂った場合も、その時点でただちに
検出できることを意味する。さらに位相検出系40からの
位相差情報に基づいて露光動作中であってもレチクルス
テージ2とウェハステージ5との位置決めサーボをクロ
ーズド・ループで実効できることをも意味する。このた
め露光されたレジストパターンの線幅も、わずかな像ぶ
れによって太ることがない。尚、露光光の光源は水銀ラ
ンプ以外のエキシマレーザ光源等に置きかえてもよい。
In the above overall configuration, a part of the alignment optical system, particularly the bifocal optical system 21, can be moved to an arbitrary position in accordance with the arrangement of the alignment mark on the reticle 1, and the mark detection can be performed regardless of the mark arrangement. Is possible. More on that later. Furthermore, since the exposure light and the alignment illumination light are separated by the dichroic mirror 22 obliquely provided above the reticle 1, the mark can be detected even during the exposure operation. This means that even if the alignment between the reticle 1 and the wafer 4 is out of order due to some disturbance during the exposure, it can be detected immediately at that time. Further, it means that the positioning servo between the reticle stage 2 and the wafer stage 5 can be executed in a closed loop even during the exposure operation based on the phase difference information from the phase detection system 40. Therefore, the line width of the exposed resist pattern does not increase due to slight image blur. The light source of the exposure light may be replaced with an excimer laser light source other than the mercury lamp.

次に第3図を用いてアライメント系のみの詳細な構
成、及びアライメントの原理を模式的に説明する。第3
図において、ダイクロイックミラー22、ビームスプリッ
タ14、は簡単にするために省略してあり、第1図中のも
のと同一の部材には同じ符号をつけてある。さらに第3
図中の平行平面ガラス50の配置は模式的なもので、実際
には第1図の配置が正しい。2光束周波数シフター12か
ら射出して、瞳リレー系17Aに入射する2つのビームL
B1、LB2は、瞳リレー系17Aの内部では平行光束となり、
一度交差した後に射出する。このとき、対物レンズ21a
等の光軸AXaに対して射出したビームLB1、LB2の各主光
線LA1、LA2は平行になるとともに、瞳面内でスポットと
して、集光する結像光束となる。
Next, the detailed configuration of only the alignment system and the principle of alignment will be schematically described with reference to FIG. Third
In the figure, the dichroic mirror 22 and the beam splitter 14 are omitted for simplification, and the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Third
The arrangement of the parallel plane glass 50 in the figure is a schematic one, and the arrangement in FIG. 1 is actually correct. Two beams L emitted from the two-beam frequency shifter 12 and incident on the pupil relay system 17A
B 1 and LB 2 become parallel light beams inside the pupil relay system 17A,
Fire after crossing once. At this time, the objective lens 21a
The principal rays LA 1 , LA 2 of the beams LB 1 , LB 2 emitted to the optical axis AXa, etc., are parallel to each other, and are formed as spots in the pupil plane to be focused light fluxes.

ところでビームLB1、LB2の偏光方向は、2焦点光学系
21によってP偏光とS偏光に分離されて焦点26a、27aに
集光するとき、P偏光とS偏光とでその光強度(光量)
が所定の比になるように調整されている。通常、ウェハ
4に達する光の方が損失が多いので、ウェハ4への光量
を増やすようにする。そのためには、2重焦点素子21b
を光軸AXaの回りに所定角度だけ回転させたり、レーザ
光源10と2光束周波数シフター12との間にλ/2板を挿入
し、それを光軸の回りに所定角度だけ回転させたりする
構造を採用すればよい。すなわち、それによってレチク
ル1に達する偏光成分とウェハ4へ達する偏光成分との
光量比を最適なものに調整できる。さて、平行平面ガラ
ス50が光軸AXaと正確に直交するように配置されている
と、2本のビームLB1、LB2は、瞳リレー系17Aの作用で
テレセントリックな2焦点光学系21の瞳面、すなわち複
屈折物質21b内で光軸AXaを挾んで点対称な2点にスポッ
トとしてするように入射し、ビームLB1は複屈折物質21b
のところで偏光成分によってP偏光のビームLB1PとS偏
光のビームLB1Sとに分離され、2焦点光学系21の光軸AX
aに対する瞳面内でのスポット位置で決まる角度だけ傾
いた平行光束となってレチクル1に達する。同様にビー
ムLB2もP偏光のビームLB2PとS偏光のビームLB2Sとに
分離され、対物レンズ21aの光軸AXaをはさんでビームLB
1P、LB1Sの夫々と対象的な角度の平行光束となってレチ
クル1に達する。P偏光に関しては焦点27aと瞳リレー
系17Aの内部の交差面(共役像面)IP′とが共役である
ため、P偏光のビームLB1P、LB2Pは回折格子マークRMの
ところでほぼ平行光束となって交差(結像)する。第3
図においてマークRMの格子配列方向は紙面内の左右方向
であり、ビームLB1P、LB2Pの各々の光軸AXaからの傾き
方向も第3図の紙面内に定められる。レチクル1には第
4図(a)に示すように回折格子マークRMと透明な窓部
P0とが形成されており、ビームLB1P、LB2Pはともにマー
クRMと窓部P0とをカバーする大きさでレチクル1を照射
する。第4図(a)に示したマークRMはx方向(格子配
列方向)の位置検出に使われるものであり、ウェハ4上
の回折格子マークWMも第4図(b)に示すように、これ
と対応している。マークWMはアライメント時(又は露光
時)にレチクル1の窓部P0の位置に整列するように定め
られている。さて2焦点光学系21を射出したほぼ平行な
S偏光のビームLB1S、LB2Sは空間上の焦点26aで一度結
像(交差)した後、レチクル1の窓部P0を透過し、投影
レンズ3の瞳EPで一度スポット光として集光し、そして
ウェハ4の回折格子又はWMに互いに異なる2方向から入
射するように結像される。これはS偏光に関しては焦点
26a(ウェハ共役面)と瞳リレー系17Aの内部の交差面I
P′とが共役だからである。投影レンズ3から射出した
ほぼ平行なS偏光のビームLB1S、LB2Sの各々は、回折格
子マークWMの格子配列方向に関して対称的に傾いて入射
する。ウェハ4に達したS偏光のビームLB1S、LB2Sの主
光線の成す角度θは大きくても投影レンズ3の射出(ウ
ェハ)側の開口数を越えることはない。尚瞳リレー系17
A内部の交差面IP′に対してレチクル1とウェハ4とは
それぞれ共役に配置されるため、交差面IP′を通るビー
ムLB1、LB2が平行光束であるとすると、レチクル、ウェ
ハ上の夫々で各ビームLB1S、LB2S、LB1P、LB2Pはともに
平行光束となる。
By the way, the polarization directions of the beams LB 1 and LB 2 are bifocal optical systems.
When the light is separated into P-polarized light and S-polarized light by 21 and condensed at the focal points 26a and 27a, the light intensity (light amount) of the P-polarized light and the S-polarized light
Is adjusted to have a predetermined ratio. Normally, the light reaching the wafer 4 has more loss, so the amount of light to the wafer 4 is increased. For that purpose, the dual focus element 21b
Or a λ / 2 plate inserted between the laser light source 10 and the two-beam frequency shifter 12 and rotated by a predetermined angle around the optical axis AXa. Should be adopted. That is, it is possible to adjust the light amount ratio between the polarized light component reaching the reticle 1 and the polarized light component reaching the wafer 4 to an optimum value. By the way, if the parallel plane glass 50 is arranged so as to be orthogonal to the optical axis AXa exactly, the two beams LB 1 and LB 2 generate the pupil of the telecentric bifocal optical system 21 by the action of the pupil relay system 17A. The beam LB 1 is incident on the surface, that is, two points symmetrical with respect to the optical axis AXa in the birefringent material 21b so as to sandwich the optical axis AXa.
At this point, the beam is separated into a P-polarized beam LB 1P and an S-polarized beam LB 1S by the polarization component, and the optical axis AX of the bifocal optical system 21
A parallel light beam inclined by an angle determined by the spot position in the pupil plane with respect to a reaches the reticle 1. Similarly, the beam LB 2 is separated into a P-polarized beam LB 2P and an S-polarized beam LB 2S, and the beam LB 2 is sandwiched between the optical axis AXa of the objective lens 21a.
1P and LB 1S , respectively, reach the reticle 1 as parallel light beams having a target angle. As for the P-polarized light, the focal point 27a and the intersection plane (conjugate image plane) IP 'inside the pupil relay system 17A are conjugate, so that the P-polarized beams LB 1P and LB 2P become almost parallel light beams at the diffraction grating mark RM. And cross (image). Third
In the figure, the grid arrangement direction of the marks RM is the horizontal direction in the plane of the paper, and the inclination direction of each of the beams LB 1P and LB 2P from the optical axis AXa is also determined in the plane of the paper in FIG. The reticle 1 has a diffraction grating mark RM and a transparent window as shown in FIG.
P 0 is formed, and the beams LB 1P and LB 2P irradiate the reticle 1 with a size that covers the mark RM and the window P 0 . The mark RM shown in FIG. 4A is used for detecting the position in the x direction (grid arrangement direction), and the diffraction grating mark WM on the wafer 4 is also used as shown in FIG. 4B. It corresponds to. Mark WM is determined so as to align the position of the window P 0 of the reticle 1 during the alignment (or exposure). Now, the substantially parallel S-polarized beams LB 1S and LB 2S emitted from the bifocal optical system 21 form an image (intersect) once at a focal point 26a in space, and then pass through the window P 0 of the reticle 1 to form a projection lens. The light is once focused as a spot light by the third pupil EP, and is imaged so as to be incident on the diffraction grating or WM of the wafer 4 from two different directions. This is the focus for S-polarized light
Intersection I between 26a (wafer conjugate plane) and pupil relay system 17A
This is because P ′ is conjugate. Each of the substantially parallel S-polarized beams LB 1S and LB 2S emitted from the projection lens 3 is incident symmetrically inclined with respect to the grating arrangement direction of the diffraction grating mark WM. Even if the angle θ formed by the principal rays of the S-polarized beams LB 1S and LB 2S reaching the wafer 4 is large, it does not exceed the numerical aperture of the projection lens 3 on the exit (wafer) side. Naomi relay system 17
Since the reticle 1 and the wafer 4 are respectively conjugated with respect to the intersection plane IP 'inside A, if the beams LB 1 and LB 2 passing through the intersection plane IP' are parallel light beams, the reticle and the wafer 4 Each of the beams LB 1S , LB 2S , LB 1P , and LB 2P becomes a parallel light beam.

以上のようにマークRM上に異なる2方向からビームLB
1P、LB2Pが照射されると、マークRM上には干渉縞が生じ
るが、その干渉縞はマークRMの格子配列方向に2つのビ
ームLB1、LB2の差周波数に対応して移動する(流れる)
ことになる。マークRMから2焦点光学系21の光軸AXa上
に沿って回折光104が発生するが、干渉縞の移動によっ
て、回折光104は明暗の変化を周期的に繰り返すビート
波面になる。よって光電検出器25からの信号DSrは、そ
の明暗変化の周期に応じた正弦波状の交流信号となる。
As described above, the beam LB from two different directions on the mark RM
When 1P and LB 2P are irradiated, interference fringes are generated on the mark RM, and the interference fringes move in the grid arrangement direction of the mark RM in accordance with the difference frequency between the two beams LB 1 and LB 2 ( Flowing)
Will be. A diffracted light 104 is generated from the mark RM along the optical axis AXa of the bifocal optical system 21, but due to the movement of the interference fringe, the diffracted light 104 has a beat wavefront that periodically repeats a change in brightness. Therefore, the signal DSr from the photoelectric detector 25 is a sine-wave AC signal corresponding to the cycle of the change in brightness.

以上のことは、ウェハ4上の回折格子マークWMとS偏
光のビームLB1S、LB2Sとの関係においても全く同様であ
り、マークWMからはビート波面をもつ回折光105が垂直
に発生し、これは投影レンズ3の主光線に沿って進み、
レチクル1の窓部P0を介して光電検出器25に達する。
The above is exactly the same for the relationship between the diffraction grating mark WM on the wafer 4 and the S-polarized beams LB 1S and LB 2S. A diffracted light 105 having a beat wavefront is generated vertically from the mark WM, This travels along the principal ray of the projection lens 3,
It reaches the photoelectric detector 25 via a window portion P 0 of the reticle 1.

さて、光電検出器25は2焦点光学系21を介してマーク
RMとマークWMの夫々と共役に配置されるとしたが、実際
には第3図に示すように、マークRM、WMの夫々と共役な
位置に、第4図(C)に示すようなアパーチャ板25′を
設け、このアパーチャ板25′のアパーチャAP、ASを透過
した回折光104、105を別々に光電検出するように構成さ
れる。ここでアパーチャAPは、例えばレチクル1のマー
クRMからの回折光104による回折像を取り出すものであ
り、アパーチャASはウェハ1のマークWMから回折光105
による回折像を取り出すものである。従って光電検出器
25の受光面を各アパーチャAP、ASの後に別個に設けるこ
とによって、マークRMによるレチクル1の位置検出とマ
ークWMによるウェハ4の位置検出とが独立に可能とな
る。尚、アパーチャAPにはP偏光のビームLB1P、LB2P
よって照射されたレチクル1のマークRMの像ができる
が、同時にS偏光のビームLB1S、LB2Sの反射回折光もバ
ックグラウンドノイズとして入ってくる。このためアパ
ーチャAPにはP偏光を通す偏光板を設け、アパーチャAS
にはS偏光を通す偏光板を設けるとよい。こうすると、
2つの光電検出器25の夫々で、ウェハからの光とレチク
ルからの光とが混在してしまうクロストークは十分に低
減される。
Now, the photoelectric detector 25 is marked through the bifocal optical system 21.
Although it is assumed that the RM and the mark WM are arranged conjugate with each other, actually, as shown in FIG. 3, an aperture as shown in FIG. 4C is provided at a position conjugate with each of the marks RM and WM. 'provided, the aperture plate 25' plate 25 aperture a P of, configured to detect separately the photoelectric diffracted light 104, 105 transmitted through the a S. Here the aperture A P is, for example, those taking out the diffraction image by the diffracted light 104 from the mark RM on the reticle 1, the aperture A S diffracted light 105 from the mark WM on the wafer 1
To extract the diffraction image by So the photoelectric detector
25 each aperture A P the receiving surface of, by providing separately after A S, the position detecting wafer 4 by the position detection mark WM of the reticle 1 by mark RM is possible independently. Incidentally, the aperture A P A P-polarized light beam LB 1P, but it is an image of the irradiated mark RM on the reticle 1 by LB 2P, simultaneously S-polarized light beam LB 1S, reflected diffracted light LB 2S as background noise Come in. Therefore the aperture A P provided a polarizing plate through a P-polarized light, the aperture A S
It is preferable to provide a polarizing plate for transmitting S-polarized light. In this case,
In each of the two photoelectric detectors 25, crosstalk in which light from the wafer and light from the reticle are mixed is sufficiently reduced.

さて、回折光104、105は周期的(正弦波状)な明暗情
報となり、得られる光電信号DSr、DSwは、レチクル1又
はウェハ4が静止していたとしても、正弦波状の交流信
号となる。従ってこの場合は、第1図中に示した光電検
出器19からの光電信号DRを参照信号として、マークRMか
らの回折光104の光電信号DSrとの位相差φrを位相検出
系40で検出する。同様にして、マークWMからの回折光10
5の光電信号DSwと参照信号DRとの位相差φwを検出す
る。そして、位相差φrとθwの差を求めれば、レチク
ル1とウェハ4のx方向のずれ量がわかる。この検出方
式は所謂光ヘテロダイン方式と呼ばれ、レチクル1とウ
ェハ4が格子ピッチPの1/2の位置誤差範囲(プリアラ
イメント精度)内であれば、静止状態であっても高分解
能で位置ずれ検出できる。そのためレチクル1のパター
ンをウェハ4のレジストへ露光している間に微小な位置
ずれが生じないようにクローズド・ループの位置サーボ
をかけるのに好都合である。この検出方式では、φr−
φwが零(又は所定値)になるようレチクル1又はウェ
ハ4を移動させてアライメントを完了させた後、引き続
きそのアライメント位置でレチクル1とウェハ4とが相
対移動しないようにサーボ・ロックをかけることができ
る。
Now, the diffracted lights 104 and 105 become periodic (sinusoidal) brightness information, and the obtained photoelectric signals DSr and DSw are sinusoidal AC signals even if the reticle 1 or the wafer 4 is stationary. Therefore, in this case, the phase difference φr between the photoelectric signal DSr of the diffracted light 104 from the mark RM and the photoelectric signal DSr is detected by the phase detection system 40 using the photoelectric signal DR from the photoelectric detector 19 shown in FIG. 1 as a reference signal. . Similarly, diffracted light 10 from mark WM
The phase difference φw between the photoelectric signal DSw of No. 5 and the reference signal DR is detected. Then, if the difference between the phase difference φr and θw is obtained, the amount of displacement between the reticle 1 and the wafer 4 in the x direction can be determined. This detection method is called a so-called optical heterodyne method. If the reticle 1 and the wafer 4 are within a position error range (pre-alignment accuracy) of 1/2 of the grating pitch P, the position is shifted with high resolution even in a stationary state. Can be detected. Therefore, it is convenient to apply a closed-loop position servo so that a minute positional deviation does not occur while exposing the pattern of the reticle 1 to the resist of the wafer 4. In this detection method, φr−
After completing the alignment by moving reticle 1 or wafer 4 so that φw becomes zero (or a predetermined value), servo lock is applied so that reticle 1 and wafer 4 do not move relative to each other at the alignment position. Can be.

尚、本実施例ではステップアンドリピート方式の露光
時、ウェハ上の各ショット領域へのウェハステージの移
動は、干渉計45の計測値に基づいて行ない、2つのビー
ムLB1S、LB2Sの照射領域内にマークWMが±1/2ピッチの
精度で位置決めされたら、位相検出系40からの情報のみ
に基づいてレチクルステージ、又はウェハステージをサ
ーボ制御することができる。このときレチクルステージ
やウェハステージの駆動をDCモータで行ない、位相差φ
r−φwに対応したアナログ電圧をD/Aコンバータ等で
作り出し、このアナログ電圧をDCモータのサーボ回路に
偏差電圧として直接印加することもできる。このサーボ
は、そのショット領域の露光終了時まで行なわれる。
In this embodiment, during the exposure of the step-and-repeat method, the movement of the wafer stage to each shot area on the wafer is performed based on the measurement value of the interferometer 45, and the irradiation area of the two beams LB 1S and LB 2S When the mark WM is positioned within ± 1/2 pitch accuracy, the reticle stage or the wafer stage can be servo-controlled based only on information from the phase detection system 40. At this time, the reticle stage and wafer stage are driven by a DC motor, and the phase difference φ
An analog voltage corresponding to r-φw can be generated by a D / A converter or the like, and this analog voltage can be directly applied as a deviation voltage to a servo circuit of a DC motor. This servo is performed until the exposure of the shot area is completed.

このようにすると、干渉計の計測値に応じたサーボで
はないので、干渉計のビーム光路の空気密度のゆらぎ等
によるステージの微小ゆらぎを低減させることが可能で
ある。そのため、位相検出系40からサーボ制御が可能な
位相差情報が得られた時点で、ウェハステージ側の干渉
計の計測値をウェハステージ側のサーボ系から切り離し
てウェハステージのモータへの印加電圧を零にし、上述
のアナログ電圧をレチクルステージ側のサーボ系に印加
する。
With this configuration, since the servo is not performed in accordance with the measurement value of the interferometer, it is possible to reduce the minute fluctuation of the stage due to the fluctuation of the air density in the beam path of the interferometer. Therefore, when the phase difference information capable of servo control is obtained from the phase detection system 40, the measured value of the interferometer on the wafer stage side is separated from the servo system on the wafer stage side, and the voltage applied to the motor on the wafer stage is reduced. The voltage is set to zero, and the above-described analog voltage is applied to the servo system on the reticle stage side.

このようにすると露光動作中に、特にウェハステージ
側で発生する微小ゆらぎは押えられ、ゆるやかなドリフ
ト的な微動にすることができ、レチクルステージを高速
に追従移動させることで、レチクルとウェハとの相対位
置ずれをほぼ零に保つことが可能である。このため露光
されたパターンの線幅の太りや解像低下がなく、極めて
忠実な転写が達成される。
In this manner, during the exposure operation, minute fluctuations generated particularly on the wafer stage side are suppressed, and a gentle drift-like fine movement can be achieved. By moving the reticle stage at high speed, the reticle and the wafer can be moved. It is possible to keep the relative displacement substantially zero. Therefore, there is no increase in the line width of the exposed pattern and no reduction in resolution, and extremely faithful transfer is achieved.

次に、第5図、第6図、第7図を参照して2光束周波
数シフター12の構成を説明する。
Next, the configuration of the two-beam frequency shifter 12 will be described with reference to FIGS. 5, 6, and 7. FIG.

第5図に示すように、レーザ光源10からの平行なビー
ムLB(直交直線偏光)はミラー70で反射され、偏光ビー
ムスプリッタ71でP偏光成分のビームLBPとS偏光成分
のビームLBSとに分けられる。ビームLBPはミラー102で
反射され、AOM(音響光学変調器)73に入射し、ビームL
BSは偏光ビームスプリッタ101で反射され、AOM74に入射
する。AOM73は周波数f1の高周波信号SF1でドライブさ
れ、その周波数f1で決まる回折角だけ偏向された1次光
をビームLBPとして出力する。AOM74は周波数f2(f2=f1
−Δf)の高周波信号SF2でドライブされ、その周波数f
2で決まる回折角だけ偏向された1次元をビームLBSとし
て出力する。(各AOMに対する)入射ビームのうちの0
次光D0は適当な位置に配置されたスリット等で遮光され
る。尚、ドライブ周波数f1、f2と差周波数Δfとの関係
は、f1≫Δf、f2≫Δfであるのが望ましく、Δfの上
限は光電検出器19、25の応答性によって決まる。さて、
AOM74からのビームLBSはミラー75で反射され偏光ビーム
スプリッタ76に入射し、AOM73からのビームLBPはそれと
直交する方向から偏光ビームスプリッタ76に入射する。
ここで偏光ビームスプリッタ76は、2つのビームLBP、L
BSを完全に同軸に合成するのではなく、ある量だけ間隔
をあけるように互いに平行に合成する。この間隔は、本
実施例の場合、レチクル1、ウェハ4を照射する2本の
ビームLB1、LB2の交差角θを規定することになる。
As shown in FIG. 5, the parallel beam LB (orthogonal linearly polarized light) from the laser light source 10 is reflected by the mirror 70, and the polarization beam splitter 71 converts the P-polarized component beam LB P and the S-polarized component beam LB S Divided into Beam LB P is reflected by the mirror 102, is incident on the AOM (acousto-optic modulator) 73, the beam L
B S is reflected by the polarization beam splitter 101 and enters the AOM 74. AOM73 is driven by the high-frequency signal SF 1 of frequency f 1, and outputs a primary beam deflected by the diffraction angle determined by the frequency f 1 as the beam LB P. AOM74 has a frequency f 2 (f 2 = f 1
−Δf) driven by the high-frequency signal SF 2 and its frequency f
Only the diffraction angle determined by the 2 outputs a 1-dimensional deflected as beam LB S. 0 of incident beam (for each AOM)
Order light D 0 is blocked by a slit or the like disposed in appropriate positions. The relationship between the drive frequencies f 1 and f 2 and the difference frequency Δf is desirably f 1 ≫Δf and f 2 ≫Δf, and the upper limit of Δf is determined by the responsiveness of the photoelectric detectors 19 and 25. Now,
Beam LB S from AOM74 is incident on the polarization beam splitter 76 is reflected by the mirror 75, the beam LB P from AOM73 is incident from a direction perpendicular thereto on the polarizing beam splitter 76.
Here, the polarizing beam splitter 76 has two beams LB P and L
Instead of synthesizing B S completely coaxially, they are synthesized parallel to each other at a certain distance. In the case of the present embodiment, this interval defines the intersection angle θ between the two beams LB 1 and LB 2 that irradiate the reticle 1 and the wafer 4.

2本の平行なビームLBP、LBSは、次に第6図に示す光
学系に入射する。ビームLBP(P偏光)とLBS(S偏光)
とはΔfだけの周波数差をもつが、本実施例では、レチ
クル上に周波数をもつ2本のP偏光ビームを照射し、ウ
ェハ上には周波数差をもつ2本のS偏光ビームを照射す
る必要がある。すなわち第6図の系は、周波数f1の1本
のS偏光ビームLBSと周波数f2の1本のP偏光ビームLBP
との2本から、4本のビームLB1P、LB2P、LB1S、LB2S
作り出すものである。
Two parallel beam LB P, LB S is then incident on the optical system shown in Figure 6. Beam LB P (P polarization) and LB S (S polarization)
Has a frequency difference of Δf, but in this embodiment, it is necessary to irradiate two P-polarized beams having a frequency on the reticle and irradiate two S-polarized beams having a frequency difference on the wafer. There is. That system of Figure 6 is one of S-polarized beam LB S and one of P polarized light beam LB P of the frequency f 2 of the frequency f 1
From these two beams, four beams LB 1P , LB 2P , LB 1S , and LB 2S are created.

2本のビームLBS、LBPは第6図に示すような偏光方向
45゜の1/2波長板117、偏光ビームスプリッタ118、119等
で周波数f1のP偏光ビームLB1PとS偏光ビームLB1Sが同
軸に合成されてビームLB1となり、周波数f2(f1−Δ
f)のP偏光ビームLB2PとS偏光ビームLB2Sが同軸に合
成されてビームLB2となって偏光ビームスプリッタ119を
射出する。
Two beams LB S, polarization direction as LB P is shown in Figure 6
The P-polarized beam LB 1P of frequency f 1 and the S-polarized beam LB 1S are coaxially combined by a 45 ° half-wave plate 117, polarizing beam splitters 118, 119, etc., to become a beam LB 1 , and a frequency f 2 (f 1 −Δ
f) The P-polarized light beam LB 2P and the S-polarized light beam LB 2S are coaxially combined to form a beam LB 2 and exit from the polarizing beam splitter 119.

第6図に示したように、1/2波長板117にS偏光のビー
ムLBS(周波数f2が入射すると、その偏光方向が45゜だ
け回転する。このため偏光ビームスプリッタ118ではP
偏光のビームLB2PとS偏光のビームLB2Sとに分けられ
る。1/2波長板117を通ったP偏光のビームLBP(周波数f
1)についても同様に偏光方向が45゜だけ回転するた
め、ビームスプリッタ118ではP偏光のビームLB1PとS
偏光のビームLB1Sに分割される。各ビームは金属反射面
を有する直角プリズム120、121を介して偏光ビームスプ
リッタ119で合成され、再び2本の平行なビームLB1、LB
2として射出する。2本のビームLB1、LB2はアライメン
ト光学系の光軸AXaをはさんで対称に位置する。
As shown in FIG. 6, when the S-polarized beam LB S (frequency f 2) is incident on the half-wave plate 117, its polarization direction is rotated by 45 °.
It is divided into a polarized beam LB 2P and an S-polarized beam LB 2S . P-polarized beam LB P passing through a half-wave plate 117 (frequency f
In the case of 1 ), the polarization direction is also rotated by 45 °, so that the beam splitter 118 outputs the P-polarized beams LB 1P and S
It is split into polarized beams LB 1S . Each beam is synthesized by the polarizing beam splitter 119 via right-angle prisms 120 and 121 having a metal reflecting surface, and again two parallel beams LB 1 and LB
Inject as 2 The two beams LB 1 and LB 2 are located symmetrically with respect to the optical axis AXa of the alignment optical system.

2本のビームLB1、LB2は次に例えば第7図に示すよう
な光学系に入射する。この光学系は2本のビームLB1、L
B2を入射して面(像共役面)IPmにおいて所定の角度で
交差させるプリズム122と、面IPmを前側焦点面と一致さ
せたレンズ123とを含む。面IPmで交差した2本の平行ビ
ームLB1、LB2はレンズ123の後側焦点面(瞳共役面)に
スポットSP1、SP2として集光した後発散し、瞳リレー系
17Aに入射する。第3図で示したように、ビームLB1の主
光線をLA1、ビームLB2の主光線をLA2とすると、本実施
例ではレンズ123と瞳リレー系17Aとの間においても主光
線LA1、LA2は光軸AXaと平行になっている。
Next, the two beams LB 1 and LB 2 are incident on an optical system as shown in FIG. 7, for example. This optical system has two beams LB 1 and L
Including incident the B 2 in the plane (the image plane conjugate) IPm the prism 122 to cross at a predetermined angle, and a lens 123 to match the surface IPm the front focal plane. The two parallel beams LB 1 and LB 2 that intersect at the plane IPm converge as spots SP 1 and SP 2 on the rear focal plane (pupil conjugate plane) of the lens 123, and then diverge, resulting in a pupil relay system.
It is incident on 17A. As shown in FIG. 3, a principal ray LA 1 of the beam LB 1, when the principal ray of the beam LB 2 and LA 2, the principal ray LA also between the lens 123 and the pupil relay system 17A in this embodiment 1 and LA 2 are parallel to the optical axis AXa.

さらに、瞳リレー系17Aの前側焦点面をスポット(ビ
ームのウエスト位置)SP1、SP2の面と一致させるため、
第7図に示したスポットSP1、SP2は瞳リレー17Aにより
第3図で示した通り、複屈折物質21bの位置する瞳面に
リレーされる。
Further, in order to the front focal plane of the pupil relay system 17A coincide with the spot (beam waist position) SP 1, SP 2 surface,
The spots SP 1 and SP 2 shown in FIG. 7 are relayed by the pupil relay 17A to the pupil plane where the birefringent substance 21b is located as shown in FIG.

次に本実施例の動作、作用について、さらに第8図を
参照して説明する。第8図はアライメント光学系の一部
を可動にして、マーク位置の変化に対応させる構成を示
す。第1図、第3図中で説明した部材と同一のものには
同じ符号をつけてある。レチクル1上のマークRM1、RM2
はレチクルによって位置が異なるものであって、通常同
一レチクル内ではいずれか一方のみが形成されている。
実際のアライメント光学系では、対物レンズ21a、複屈
折物質21bによる2焦点光学系21は水平に配置され、対
物レンズ21aの先端には光軸AXaを垂直に折り曲げるミラ
ーM1が設けられる。このミラーM1、対物レンズ21a、複
屈折物質21bは一体に水平な光軸AXa方向に移動するよう
に保持金物62に固定され、金物62は駆動制御系60によっ
て水平方向に移動される。そして第1図、第3図の異な
る点は、複屈折物質21bと平行平面ガラス50との間に、
ミラーM2とリレー系17Cとを設けることにある。リレー
系17Cは、複屈折物質21bの位置する瞳面EP1を、平行平
面ガラス50の近傍の面EP2へリレーするものである。尚I
Pm′は像共役面であり、レチクル1、ウェハ4、及び2
つのビームLB1、LB2の最初の交差面IPmとそれぞれ共役
である。ミラーM2、リレー系17Cは装置本体に固定さ
れ、複屈折物質21bとリレー系17Cとの間の物理的な光路
長は、マークRMの位置に応じて変化するが、その間の光
路がアフォーカル系になっているため、リレー系17Cの
内部にできる像共役面IPm′は、常にレチクル1、ウェ
ハ4と共役になる。
Next, the operation and operation of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a configuration in which a part of the alignment optical system is made movable to cope with a change in the mark position. The same members as those described in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals. Marks RM 1 and RM 2 on reticle 1
Are different in position depending on the reticle, and usually only one of them is formed in the same reticle.
The actual alignment optical system, an objective lens 21a, 2-focus optical system 21 by the birefringence material 21b is positioned horizontally, the mirror M 1 that bends the optical axis AXa vertically is provided at the tip of the objective lens 21a. The mirror M 1 , the objective lens 21a, and the birefringent substance 21b are fixed to the holding hardware 62 so as to move integrally in the direction of the horizontal optical axis AXa, and the hardware 62 is moved in the horizontal direction by the drive control system 60. The difference between FIGS. 1 and 3 is that the birefringent substance 21b and the parallel plane glass 50
In the provision of the mirror M 2 and the relay system 17C. Relay system 17C is a pupil plane EP 1 located birefringent material 21b, is intended to relay the plane EP 2 in the vicinity of the parallel plane glass 50. Incidentally I
Pm ′ is an image conjugate plane, and the reticle 1, the wafer 4 and the reticle 2
It is conjugate with the first intersection plane IPm of the two beams LB 1 and LB 2 respectively. The mirror M 2 and the relay system 17C are fixed to the apparatus body, and the physical optical path length between the birefringent substance 21b and the relay system 17C changes according to the position of the mark RM, but the optical path between them is afocal. Therefore, the image conjugate plane IPm ′ formed inside the relay system 17C is always conjugate with the reticle 1 and the wafer 4.

さて、レチクルが交換されてマークがRM1からRM2の位
置(光軸AXa′)に変化すると、駆動制御系60は金物62
を水平移動させて、光軸AXaをAXa′と一致させる。
Now, when the reticle is replaced and the mark changes from RM 1 to the position of RM 2 (optical axis AXa ′), the drive control system 60
Is moved horizontally to make the optical axis AXa coincide with AXa '.

この場合、その一致度はあまり厳しくする必要はな
く、2つのビームLB1、LB2がマークRM2と窓部P0とをカ
バーする程度でよい。従って金物62の送りはエンコー
ダ、ポジションセンサー等の安価な位置モニター系を用
いて制御するだけで十分である。こうして、新たなレチ
クルがセットされ、アライメント光学系の観察位置がセ
ットされると、第9図に示すようにウェハステージ5の
一部に、ウェハ4とほぼ同じ高さで設けられた基準マー
ク板FMを、レチクルのマークRM2の投影位置にもってく
る。基準マーク板FMには、ウェハ4上の回折格子マーク
WMと全く同様の回折格子マークが形成されている。そこ
でそのマークのことを以降、フィデューシャル・マーク
と呼ぶ。
In this case, the degree of coincidence does not need to be very strict, and it is sufficient that the two beams LB 1 and LB 2 cover the mark RM 2 and the window P 0 . Therefore, it is sufficient to control the feeding of the hardware 62 using an inexpensive position monitor system such as an encoder and a position sensor. In this way, when a new reticle is set and the observation position of the alignment optical system is set, a reference mark plate provided at substantially the same height as the wafer 4 on a part of the wafer stage 5 as shown in FIG. the FM, bring to the projection position of the mark RM 2 of the reticle. The reference mark plate FM has a diffraction grating mark on the wafer 4
The same diffraction grating mark as WM is formed. Therefore, the mark is hereinafter referred to as a fiducial mark.

レチクルのマークRM2の中心の回折格子エレメント
は、第4図(a)、(b)で示したように投影レンズ3
の光軸AXへ向うy方向に線状に伸びているので、フィデ
ューシャル・マークも、それと平行になるものをマーク
RM2の直下(窓P0の下)へ位置付ける。
Diffraction grating element of the center of the reticle mark RM 2 is 4 (a), the projection lens 3 as shown in (b)
Since it extends linearly in the y direction toward the optical axis AX of the
Just below the RM 2 position to the (bottom of the window P 0).

その状態で、ウェハステージ5の少なくともx方向の
位置が固定されるように干渉計45、モータ46等によって
サーボロックをかける。
In this state, the servo lock is applied by the interferometer 45, the motor 46, and the like so that at least the position of the wafer stage 5 in the x direction is fixed.

次にウェハステージ5に含まれるZステージ(不図
示)を所定の範囲内でz(光軸AX)方向に上下動させ
て、そのとき位相検出系40で検出される信号DSwと信号D
Rとの位相差φwの変化を、Zステージのz方向の微小
変位量毎にサンプリングしていく。これは主制御系41に
よって行なわれる。尚、この際、第9図には示していな
いが、公知の斜入射光式焦点検出系によって、投影レン
ズ3と基準マーク板FMとのz方向の間隔をモニターして
いく。また第9図では、2本のビームLB1S、LB2Sは基準
マーク板FM上でアライメント光学系の光軸AXaに対して
紙面内で傾斜しているが、実際は紙面と垂直な面内で傾
斜している。こうして、Zステージのz方向の位置毎に
位相差φwをモニターしていくと、第10図のような特性
VT1が得られる。第10図で横軸は基準マーク板FMのz方
向の位置を表わし、縦軸は位相差φwを表わす。また位
置Z1、Z2、Z3、Z4の順に基準マーク板FMが投影レンズ3
へ近づくものとする。先に第2図を用いて説明したよう
に、z方向の検出領域の幅Zlは、300μmもあるため、
位置Z1とZ4の間隔は300μm程度にできる。また、本実
施例の場合、位相差φwは±180゜の範囲内では連続し
て検出できるため、x方向の変位はそれに対応して±1/
2ピッチの範囲内で位置ずれ計測できる。フィデューシ
ャル・マークの格子ピッチを8μmとし、位相検出系40
の分解能が0.2゜であるものとすると、位置ずれの計測
分解能は0.0044μmにもなる。実際はノイズの影響もあ
るため、実用的な分解能は0.01μm(位相で0.4゜)程
度になる。従って、仮りに位置Z1とZ4が300μmで、そ
のときの位置の位相差φw1とφw4との差Δφwが0.8゜
(横ずれ量では約0.02μm)であったものとすると、特
性VT1の傾き、すなわち2つのビームLB1SとLB2Sとの2
等分線である2ビームの主光線の法線からの傾き(投影
レンズ3の光軸AXを含む面内でのテレセンの傾き)は、
差Δφwに相当した横ずれ量をΔXとして、 ΔX/|Z1−Z4|=0.02/300≒6.7×10-5 と求められる。
Next, a Z stage (not shown) included in the wafer stage 5 is moved up and down in the z (optical axis AX) direction within a predetermined range, and the signal DSw and the signal Dw detected by the phase detection system 40 at that time.
The change in the phase difference φw from R is sampled for each minute displacement of the Z stage in the z direction. This is performed by the main control system 41. At this time, although not shown in FIG. 9, the distance between the projection lens 3 and the reference mark plate FM in the z direction is monitored by a well-known oblique incident light type focus detection system. In FIG. 9, the two beams LB 1S and LB 2S are inclined on the reference mark plate FM with respect to the optical axis AXa of the alignment optical system in the plane of the paper, but are actually inclined in the plane perpendicular to the plane of the paper. doing. When the phase difference φw is monitored at each position of the Z stage in the z direction, the characteristic as shown in FIG. 10 is obtained.
VT 1 is obtained. In FIG. 10, the horizontal axis represents the position of the reference mark plate FM in the z direction, and the vertical axis represents the phase difference φw. The position Z 1, Z 2, Z 3 , Z reference mark plate FM is the projection lens 3 in the order of 4
Shall be approached. As described above with reference to FIG. 2, since the width Zl of the detection area in the z direction is 300 μm,
Spacing position Z 1 and Z 4 can be about 300 [mu] m. Further, in the case of the present embodiment, the phase difference φw can be continuously detected within the range of ± 180 °, so that the displacement in the x direction is correspondingly ± 1/1.
Position shift can be measured within the range of 2 pitches. The grid pitch of the fiducial mark is 8 μm, and the phase detection system 40
Assuming that the resolution is 0.2 °, the measurement resolution of the displacement is as high as 0.0044 μm. Actually, due to the influence of noise, the practical resolution is about 0.01 μm (0.4 ° in phase). Thus, at 300μm position Z 1 and Z 4 to temporarily, the difference Δφw the phase difference .phi.w 1 and .phi.w 4 position at that time is assumed (in lateral deviation of about 0.02 [mu] m) 0.8 ° was characteristic VT The inclination of 1 , that is, 2 of two beams LB 1S and LB 2S
The inclination (the inclination of telecentricity in the plane including the optical axis AX of the projection lens 3) from the normal line of the principal ray of the two beams, which are equal lines, is
Assuming that the amount of lateral displacement corresponding to the difference Δφw is ΔX, ΔX / | Z 1 −Z 4 | = 0.02 / 300 ≒ 6.7 × 10 −5 .

この数値はアライメント用の2つのビームLB1S、LB2S
の2等分線のテレセン度(光軸AXと光軸AXaのウェハ側
での平行度)を表わし、小さければ小さい程、テレセン
性が良いことを示す。また位置Z1からZ4の間で位相差φ
w1とφw4とが丁度180゜(1/2ピッチ分)変化したものと
すると、テレセン度は、 ΔX/|Z1−Z4|≒4/300≒1333×10-5 となる。
This figure shows two beams LB 1S and LB 2S for alignment.
(The parallelism of the optical axis AX and the optical axis AXa on the wafer side), and the smaller the smaller, the better the telecentricity. Also, the phase difference φ between the positions Z 1 and Z 4
Assuming that the w 1 and .phi.w 4 is changed just 180 ° (1/2 pitch), telecentricity, [Delta] X / | a ≒ 4/300 ≒ 1333 × 10 -5 | Z 1 -Z 4.

以上のようにしてテレセン度が求まったら、主制御系
41は、そのテレセン度が許容範囲内か否かを判断する。
テレセン度が悪化していた場合、主制御系41は目標とす
るテレセン度と計測したテレセン度との差に基づいて、
平行平面ガラス50の傾斜量を算出し、その量だけ平行平
面ガラス50を傾けるための指令を駆動制御系52へ出力す
る。
Once the telecentricity is determined as described above, the main control system
41 determines whether the telecentricity is within an allowable range.
If the telecentricity has deteriorated, the main control system 41 determines, based on the difference between the target telecentricity and the measured telecentricity,
The tilt amount of the parallel flat glass 50 is calculated, and a command for tilting the parallel flat glass 50 by the calculated amount is output to the drive control system 52.

この平行平面ガラス50の傾斜は、アライメント光学系
内及び投影レンズ3内の各瞳面にできるビームLB1、LB2
のスポット光の位置を、その間隔は一定に保ったまま、
回折格子(又は干渉縞)のピッチ方向に同一量だけシフ
トさせるように定められている。
The inclination of the parallel plane glass 50 is caused by the beams LB 1 and LB 2 formed on each pupil plane in the alignment optical system and the projection lens 3.
While keeping the position of the spot light at a constant distance,
It is determined that the diffraction grating (or the interference fringes) is shifted by the same amount in the pitch direction.

この調整によって、投影レンズ3のウェハ側において
は、2本のビームLB1S、LB2Sの物体への入射角θaとθ
bとが極めて正確に合致し、入射角の対称性が保たれ
る。
With this adjustment, the incident angles θa and θa of the two beams LB 1S and LB 2S to the object on the wafer side of the projection lens 3 are obtained.
b matches very accurately, and the symmetry of the incident angle is maintained.

次に、第11図を参照して平行平面ガラス50の傾きをマ
ニュアル調整する方法を説明する。
Next, a method for manually adjusting the inclination of the parallel plane glass 50 will be described with reference to FIG.

第11図は、第1図に示したステッパーに付属して設け
られた制御ラック200と入力キーボードを含むオペレー
ションコンソール210とを示す。制御ラック200にはステ
ッパーの各種アライメント系で観察されたマーク像を表
示するためのCRT(カソード・レイ・チューブ)202が組
み込まれている。そこでCRT表示制御系204に切り替え機
能をもたせ、通常はマーク像等の表示信号(ビデオ信号
等)208を、CRT202に印加するようにし、平行平面ガラ
ス50の傾き調整のときは、信号DR、DSrのうち少なくと
も一方と、信号DSwとを入力して、その各波形をCRT202
へ表示するように切り替える。すなわちCRT202を2現象
のオシロスコープの機能に切り替え、縦軸は信号、DR、
DSr、DSwの電圧を表示し、横軸は実時間を表示するよう
にする。そして、例えばレチクルがアライメントされて
いる状態で、CRT202には信号DSrの波形WF1と信号DSwの
波形WF2とを表示しておく。
FIG. 11 shows a control rack 200 attached to the stepper shown in FIG. 1 and an operation console 210 including an input keyboard. The control rack 200 incorporates a CRT (cathode ray tube) 202 for displaying mark images observed by various alignment systems of the stepper. Therefore, the CRT display control system 204 is provided with a switching function, and a display signal (video signal or the like) 208 such as a mark image is normally applied to the CRT 202. When the inclination of the parallel flat glass 50 is adjusted, the signals DR and DSr are used. , And a signal DSw, and each waveform is
Switch to display. That is, switch the CRT202 to the oscilloscope function of two phenomena, the vertical axis is the signal, DR,
The voltages of DSr and DSw are displayed, and the horizontal axis indicates the real time. Then, for example, in a state where the reticle is aligned in advance by displaying the waveform WF 2 waveform WF 1 and signal DSw signal DSr the CRT 202.

次に、コンソール210のジョイスティック212を前後に
倒して、ウェハステージ5上の基準マーク板FMを所定の
範囲(例えば±20μm)で上下動させる。ジョイスティ
ック212を前後に倒すと、コンソール210からはZステー
ジを上下動させるための指令Sazがラック200へ送られ、
ラック200を介してZステージのモータが制御される。
Next, the joystick 212 of the console 210 is tilted back and forth, and the reference mark plate FM on the wafer stage 5 is moved up and down within a predetermined range (for example, ± 20 μm). When the joystick 212 is tilted back and forth, a command Saz for moving the Z stage up and down is sent from the console 210 to the rack 200,
The motor of the Z stage is controlled via the rack 200.

そしてオペレータは、Zステージの上下動の間、CRT2
02に表示された2つの波形WF1、WF2の位相関係が時間軸
方向に変位するかどうかをチェックする。
Then, during the vertical movement of the Z stage, the operator
It is checked whether or not the phase relationship between the two waveforms WF 1 and WF 2 displayed in 02 is displaced in the time axis direction.

この際、波形WF1は時間軸方向には変位しないので、
波形WF2がZステージの上下動によって左右に変位す
る。そこでオペレータはジョイスティック212を左右に
倒して平行平面ガラス50の傾きを調整する。ジョイステ
ィック212を左右に倒すと、コンソール210からは平行平
面ガラス50の傾き方向と傾き量に対応した指令Sbがラッ
ク200へ送られ、ラック200を介して駆動制御系52へ所定
の駆動信号206が送られる。こうして、例えばZステー
ジの±20μmの上下動の間に信号DSrとDSwとの位相関係
が大きく変化しないようになったら、さらにZステージ
の上下動範囲を拡大(例えば±100μm)として同様に
調整を行なう。以上の操作によって、平行平面ガラス50
の傾きは最適なものに調整される。
At this time, since the waveform WF 1 does not displace in the time axis direction,
Waveform WF 2 is displaced to the left and right by the vertical movement of the Z stage. Therefore, the operator adjusts the inclination of the parallel flat glass 50 by tilting the joystick 212 left and right. When the joystick 212 is tilted left and right, a command Sb corresponding to the tilt direction and the tilt amount of the parallel flat glass 50 is sent from the console 210 to the rack 200, and a predetermined drive signal 206 is sent to the drive control system 52 via the rack 200. Sent. Thus, if the phase relationship between the signals DSr and DSw does not change significantly during, for example, the vertical movement of ± 20 μm of the Z stage, the vertical movement range of the Z stage is further expanded (for example, ± 100 μm), and the adjustment is similarly performed. Do. By the above operation, the parallel flat glass 50
Is adjusted to the optimal one.

従来、ビームスポットをウェハ面に投射するアライメ
ント系でも同様の調整が行なわれたが、この種の調整は
光学調整と呼ばれ、専門の保守作業者が時間をかけて行
なっていたものであるが、本実施例によればCRT202に表
示されたビート信号波形の位相関係(リサージュ波形に
してもよい)をチェックするといった極めて簡単な作業
に置きかえられるため、通常のステッパーオペレータで
も容易に調整できる。
Conventionally, similar adjustments have been made in an alignment system that projects a beam spot on a wafer surface, but this kind of adjustment is called optical adjustment, which is performed by a specialized maintenance worker over time. According to the present embodiment, since the operation can be replaced with a very simple operation such as checking the phase relationship (may be a Lissajous waveform) of the beat signal waveform displayed on the CRT 202, the adjustment can be easily performed even by a normal stepper operator.

尚、本実施例でも先の実施例と同様に信号DRと信号DS
wとの位相関係をチェックしても同じ効果が得られる。
In this embodiment, the signal DR and the signal DS are used in the same manner as in the previous embodiment.
The same effect can be obtained by checking the phase relationship with w.

さらに本実施例の変形例として、Zステージの上下動
の移動量と、干渉計45の計測値とを使って、第1図で示
した位相検出系40を用いたアライメントサーボを利用し
てテレセン度を調整する方法を説明する。今までの方法
では、2つのビート信号波形の位相差をチェックするた
め、マニュアルではあまり問題はないが、オートチェッ
クの際、その位相差がZステージの移動に伴って±180
゜の範囲を飛びこえてしまうこともある。この場合、テ
レセン度の計測データ(第10図)は±180゜の境界をこ
えたところで不連続になってしまうので、計算上でnπ
(n=1、2、…)のオフセットを与えて連続にする等
の操作が必要になる。しかしながら、位相検出系40を用
いたアライメントサーボを基準マーク板FMに対して行う
と、テレセン度の計測はZステージの上下動の量(マイ
クロセンス、ポテンショメータ等の計測値)と干渉計45
の計測値との2つだけで可能である。
Further, as a modified example of the present embodiment, the telecentricity using the alignment servo using the phase detection system 40 shown in FIG. 1 using the amount of vertical movement of the Z stage and the measurement value of the interferometer 45 is used. A method for adjusting the degree will be described. In the conventional method, the phase difference between the two beat signal waveforms is checked, so there is not much problem with the manual operation. However, at the time of the automatic check, the phase difference is ± 180 due to the movement of the Z stage.
You may jump out of the range of ゜. In this case, the telecentricity measurement data (FIG. 10) becomes discontinuous beyond the boundary of ± 180 °.
(N = 1, 2,...) To give an offset and make it continuous. However, when the alignment servo using the phase detection system 40 is performed on the reference mark plate FM, the measurement of the telecentricity is based on the amount of vertical movement of the Z stage (measured value of a micro sense, a potentiometer, etc.) and the interferometer 45
It is possible only with the two measured values.

以下、その動作を簡単に述べる。 Hereinafter, the operation will be briefly described.

まず、Zステージを最も上、又は最も下に位置付け
る。このとき2つのビームLB1S、LB2Sが基準マーク板FM
を照射して、信号DSwが正常に得られるようにする。そ
して位相検出系40により、2つの信号の位相差Δφt
を、Δφt=DR−DSw、又はΔφt=DSr−DSwのいずれ
か一方で求め、その位相差Δφtが零になるようにウェ
ハステージ5をアライメントサーボにより駆動する。以
後、ウェハステージ5は位相差Δφtが零になるように
サーボロックが働き続ける。
First, the Z stage is positioned at the top or bottom. At this time, the two beams LB 1S and LB 2S are moved to the reference mark plate FM.
So that the signal DSw can be normally obtained. The phase difference Δφt between the two signals is obtained by the phase detection system 40.
Is obtained by either Δφt = DR−DSw or Δφt = DSr−DSw, and the wafer stage 5 is driven by the alignment servo so that the phase difference Δφt becomes zero. Thereafter, the servo lock of the wafer stage 5 continues to operate so that the phase difference Δφt becomes zero.

次にZステージを所定の検出範囲(例えば200μm)
だけ一方向に移動させる。そして、例えば一定のZ位置
毎(5μm毎)に、干渉計45の計測値をサンプリングし
ていく。この動作は、Zステージを所定の検出範囲内で
上方及び下方へ複数回移動させて、繰り返し行なうとよ
い。
Next, the Z stage is moved to a predetermined detection range (for example, 200 μm).
Just move in one direction. Then, for example, the measurement value of the interferometer 45 is sampled at each fixed Z position (every 5 μm). This operation may be performed repeatedly by moving the Z stage upward and downward several times within a predetermined detection range.

こうして得られたサンプリングデータは、第10図と同
じ傾向のものになるが、第10図と異なる点は縦軸は干渉
計45の計測値になることだけである。その後の平行平面
ガラス50の調整は、オート調整、又はマニュアルの駆動
調整のいずれでもよい。
The sampling data obtained in this way has the same tendency as in FIG. 10, but the only difference from FIG. 10 is that the vertical axis is the measured value of the interferometer 45. Subsequent adjustment of the parallel flat glass 50 may be either automatic adjustment or manual drive adjustment.

この方法によれば、基準マーク板FMがz方向に分布す
る干渉縞波面にそって横ずれしていく量を計測すること
になるので、位相の飛び等を考慮する必要がなく、テレ
セン度の程度がどのようなものであっても、いきなり広
い範囲に渡ってZステージを上下動できるといった利点
がある。
According to this method, the amount by which the reference mark plate FM laterally shifts along the interference fringe wavefront distributed in the z direction is measured. However, there is an advantage that the Z stage can be moved up and down over a wide range.

以上、第1図のステッパーを用いた実施例では、アラ
イメント系は1組しか図示していないが、同様のアライ
メント系を2〜3組を設けることによって、レチクル1
とウェハ4のx、y方向及び回転方向のアライメント及
び倍率誤差の計測が可能である。また本実施例では、参
照信号DRを基準に位相検出しているため、例えばウェハ
4に対する第1層の露光(ファーストプリント)時は、
レチクル1のマークRMから得られた信号DSrと信号DRと
の位相差が、露光動作中に常に一定の値になるように、
レチクルステージをサーボロックしておくこともでき
る。
As described above, in the embodiment using the stepper of FIG. 1, only one set of the alignment system is shown, but by providing two to three sets of similar alignment systems, the reticle 1
Alignment of the wafer 4 and the wafer 4 in the x, y and rotation directions and measurement of a magnification error are possible. In this embodiment, since the phase is detected based on the reference signal DR, for example, when the first layer is exposed (first printed) on the wafer 4,
The phase difference between the signal DSr and the signal DR obtained from the mark RM of the reticle 1 is always constant during the exposure operation.
The reticle stage can be servo-locked.

次に本発明の第2の実施例によるステッパーの構成を
第12図(A)、(B)を用いて説明する。
Next, a configuration of a stepper according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12 (A) and 12 (B).

第12図(A)、(B)は、第3図に示した瞳リレー系
17Bの後の部分のみを示し、他の構成は第3図と同一で
ある。本実施例では瞳リレー系17Bの後に設けられてい
た空間フィルター23の位置に、分割受光素子300R、300W
を直接配置し、系の瞳面で、回折光(ビート信号)10
4、105を受光するようにした。第12図(A)に示すよう
に、リレー系17Bの後には、偏光ビームスプリッタ310が
斜設され、ウェハ4からの回折光105はS偏光成分であ
るためここで反射して受光素子300Wへ達する。一方レチ
クル1からの回折光104はP偏光成分であるため、ビー
ムスプリッタ310を透過して受光素子300Rへ達する。受
光素子300R、300Wは、例えば第12図(B)のような受光
面を有し、中心部には回折光104、又は105を受光する面
300aが形成され、これを挾んで上下(又は左右)に0次
光L0を受光する面300b、300cが形成されている。これら
3つの受光面300a、300b、300cは電気的に絶縁されてい
て、それぞれ個別に光電信号を出力する。また受光面30
0a、300b、300cは、系の瞳面、すなわち投影レンズ3の
瞳EPとほぼ共役に配置されている。
12 (A) and (B) show the pupil relay system shown in FIG.
Only the part after 17B is shown, and the other configuration is the same as FIG. In the present embodiment, at the position of the spatial filter 23 provided after the pupil relay system 17B, the divided light receiving elements 300R, 300W
Is placed directly on the pupil plane of the system and diffracted light (beat signal) 10
4, 105 was received. As shown in FIG. 12 (A), after the relay system 17B, a polarizing beam splitter 310 is provided obliquely, and since the diffracted light 105 from the wafer 4 is an S-polarized component, it is reflected here to the light receiving element 300W. Reach. On the other hand, since the diffracted light 104 from the reticle 1 is a P-polarized component, it passes through the beam splitter 310 and reaches the light receiving element 300R. Each of the light receiving elements 300R and 300W has a light receiving surface as shown in, for example, FIG.
300a is formed, the upper and lower sandwiching it (or lateral) to the surface 300b for receiving the 0-order light L 0, 300c are formed. These three light receiving surfaces 300a, 300b, and 300c are electrically insulated, and individually output photoelectric signals. Light receiving surface 30
0a, 300b, and 300c are arranged substantially conjugate with the pupil plane of the system, that is, the pupil EP of the projection lens 3.

従って、受光素子300Rの受光面300aの光電信号が信号
DSrとなり、受光素子300Wの受光面300aの光電信号が信
号DSwとなり、先の実施例と全く同様に位相検出に使わ
れる。
Therefore, the photoelectric signal of the light receiving surface 300a of the light receiving element 300R is a signal.
DSr, and the photoelectric signal of the light receiving surface 300a of the light receiving element 300W becomes a signal DSw, which is used for phase detection just like the previous embodiment.

第3図に示した光路からも明らかなように、系の瞳面
で回折光104、105(及び0次光L0)は全て美粧なスポッ
ト(ビームウエスト)に集光してしまう。そのため受光
面300a、300b、300cの面積は極めて小さくすることがで
き、これは受光素子としての応答性を上げるのに有利で
ある。また回折光104、105の瞳面における開口数(N.
A.)はかなり小さく(例えば0.01以下)なっているの
で、受光面300aを回折光104、105の正確なスポットサイ
ズよりも少し大きな面積にすることによって、受光素子
300R、300Wの光軸方向の位置設定精度はそれ程きびしい
ものにする必要がなくなり、装置製造は簡単になる。こ
のことはアライメントの際に対物レンズ21aの位置が変
更されたことによる瞳共役のずれにも対応できることを
意味する。また、平行平面ガラス50は、2つのビームLB
1、LB2の送光路と回折光104、105の受光路とが共存して
いる部分に設けられているため、平行平面ガラス50がど
のように傾いても、回折光104、105と受光面300aとの相
対位置関係は変化しない。
As is clear from the optical path shown in FIG. 3, the diffracted lights 104 and 105 (and the zero-order light L 0 ) all converge on a beautiful spot (beam waist) on the pupil plane of the system. Therefore, the areas of the light receiving surfaces 300a, 300b, and 300c can be made extremely small, which is advantageous for improving the responsiveness as a light receiving element. Also, the numerical aperture (N.
A.) is considerably smaller (for example, 0.01 or less), so that the light receiving surface 300a is made to have an area slightly larger than the exact spot size of the diffracted lights 104 and 105 so that the light receiving element
It is not necessary to make the position setting accuracy in the optical axis direction of 300R, 300W so strict, and the device manufacturing becomes simple. This means that it is possible to cope with a shift in pupil conjugate due to a change in the position of the objective lens 21a during alignment. The parallel plane glass 50 has two beams LB.
1 , since the light transmission path of the LB 2 and the light reception path of the diffracted lights 104 and 105 coexist, the diffracted lights 104 and 105 and the light receiving surface are provided no matter how the parallel flat glass 50 is tilted. The relative positional relationship with 300a does not change.

以上、本発明の第1、第2実施例では、テレセン度調
整用の平行平面ガラス50を対物レンズ21aの瞳EP1よりも
少し光源側に配置したが、瞳EP1と対物レンズ21aとの間
でもよく、さらに望ましくは、瞳EP1、もしくはそれと
共役な面内と一致させて配置するのがよい。このため、
第1図、第3図、第8図に示したように複屈折物質(2
焦点素子)21bが全体的に平行平面の形状でできている
場合は、この素子21bを傾斜可能にしてテレセン度調整
に使ってもよい。
Above, the first present invention, in the second embodiment, although plane-parallel glass 50 for telecentricity adjustment slightly light source side than the pupil EP 1 of the objective lens 21a, the pupil EP 1 and the objective lens 21a It is preferable that the pupil EP 1 is arranged so as to coincide with the pupil EP 1 or a plane conjugate with the pupil EP 1 . For this reason,
As shown in FIGS. 1, 3, and 8, the birefringent substance (2
When the focusing element 21b is formed in a parallel plane shape as a whole, the element 21b may be tilted and used for adjusting the telecentricity.

また、平行平面ガラス50の位置は、第1図と第3図と
で異なっているが、第12図のように瞳空間中で光電検出
する場合は、送光ビームLB1、LB2と回折光104、105の共
通光路に設ける必要があり、第3図のように像空間中で
光電検出する場合はどちらに設けてもよい。
The position of the parallel plane glass 50 is different between FIG. 1 and FIG. 3. However, when photoelectric detection is performed in the pupil space as shown in FIG. 12, the transmitted light beams LB 1 and LB 2 are diffracted. It is necessary to provide them in the common optical path of the light 104 and 105, and they may be provided in either case when photoelectrically detecting in the image space as shown in FIG.

次に本発明の第3の実施例を第5図、第6図とともに
第13図を参照して説明する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 13 together with FIG. 5 and FIG.

今までの各実施例ではテレセン度の調整に平行平面ガ
ラス50を用いたが、本実施例では機械的な駆動を行なわ
ずに、さらに高精度なテレセン度調整を可能とする。た
だし、テレセン度の調整範囲は平行平面ガラスを使った
場合よりも小さなものに制限される。従って本実施例に
よるテレセン調整は、平行平面ガラスで粗調した後の微
調に使うと効果的である。
Although the parallel plane glass 50 is used for the adjustment of the telecentricity in each of the embodiments described above, the present embodiment enables the telecentricity to be adjusted with higher accuracy without performing mechanical driving. However, the adjustment range of the telecentricity is limited to a smaller range than when the parallel flat glass is used. Therefore, the telecentric adjustment according to the present embodiment is effective when used for fine adjustment after coarse adjustment with parallel plane glass.

さて、第5図で示したように、2つのビームLBP、LBS
はそれぞれAOM73、74から射出した1次回折光である。
2つのビームLBP、LBSは通常光軸AXaをはさんで点対称
に位置するように設定されている。2つのAOM73、74の
ドライブ信号SF1、SF2の周波数は、それぞれ例えば80.0
25M Hz、80.000M Hzに定められている。
Now, as shown in FIG. 5, the two beams LB P and LB S
Are the first-order diffracted lights emitted from the AOMs 73 and 74, respectively.
Two beams LB P, LB S is set so as to be positioned symmetrically across the normal optical axis AXa. The frequencies of the drive signals SF 1 and SF 2 of the two AOMs 73 and 74 are, for example, 80.0
It is set to 25 MHz and 80.000 MHz.

その周波数差は25K Hzと低いため、2つのAOM73、74
での1次回折光の回折角はともに等しい。そこで2つの
AOM73、74の回折角の方向を、光軸AXa、ビームLBP、LBS
の3者を含む面内で同一方向に合わせておき、信号S
F1、SF2の周波数を同じ値だけ増減させてやると、ビー
ムスプリッタ106で合成された後のビームLBP、LBSの間
隔はほぼ一定にしたまま、光軸AXaに対する点対称な関
係を変化させることができる。
Since the frequency difference is as low as 25 KHz, the two AOM73, 74
Are the same. So two
Change the direction of the diffraction angles of AOM73 and 74 to the optical axis AXa, beams LB P and LB S
In the same direction within the plane including the three
When F 1, I'll frequencies SF 2 is increased or decreased by the same value, the beam LB after being synthesized by the beam splitter 106 P, while spacing of LB S was approximately constant, a point symmetrical relationship with respect to the optical axis AXa Can be changed.

尚、本実施例を効果的に作用させるためには、第5図
中のAOM73とビームスプリッタ106との間、及びAOM74と
ビームスプリッタ106との間にそれぞれ凸レンズを設
け、さらに第7図のプリズム122を凸レンズに代えれば
よい。それら凸レンズは全て焦点距離の関係でつながれ
る。そしてAOM73、74の回折点と第7図中の像共役面IPm
とをさらに共役することが望ましい。第13図(A)は、
上述の構成を模式的に表わしたものであり、第5図のビ
ームスプリッタ106から第7図の像共役面IPmまでの光路
を示し、新たに凸レンズ400a、400b、402が設けられ
る。その他の構成(特に第6図)は同一でよい。またPe
は瞳共役面になり、2つのビームLBP、LBSは凸レンズ40
0a、400bの作用によりそこでスポットに集光している。
凸レンズ402から射出するビームLB1、LB2は同様に平行
光束となって面IPmで交差する。
In order to effectively operate the present embodiment, convex lenses are provided between the AOM 73 and the beam splitter 106 in FIG. 5 and between the AOM 74 and the beam splitter 106, respectively. What is necessary is just to replace 122 with a convex lens. These convex lenses are all connected by a focal length relationship. Then, the diffraction points of AOM73 and AOM73 and the image conjugate plane IPm in FIG.
It is desirable to further conjugate. FIG. 13 (A)
This is a schematic representation of the above configuration, showing the optical path from the beam splitter 106 in FIG. 5 to the image conjugate plane IPm in FIG. 7, and new convex lenses 400a, 400b, and 402 are provided. Other configurations (particularly, FIG. 6) may be the same. Also Pe
Is a pupil conjugate plane, and the two beams LB P and LB S are convex lenses 40
The light is focused on the spot there by the action of 0a and 400b.
The beams LB 1 and LB 2 emitted from the convex lens 402 similarly become parallel light beams and intersect at the surface IPm.

さて、第13図(B)はドライブ信号SF1、SF2の発生回
路の構成を模式的に表わしたブロック図である。ドライ
ブ信号SF1、SF2は、水晶発振器Cxを用いた周波数シンセ
サイザー部410、412で作られる。出力周波数の設定は分
周比等をセットするカウンタ414、416で行なわれ、設定
値CN1、CN2は主制御系41(第1図)等から与えられる。
設定値CN1、CN2は信号SF1、SF2の周波数差が25K Hzにな
るように定められている。
FIG. 13 (B) is a block diagram schematically showing a configuration of a circuit for generating drive signals SF 1 and SF 2 . The drive signals SF 1 and SF 2 are generated by frequency synthesizers 410 and 412 using a crystal oscillator Cx. The output frequency is set by counters 414 and 416 for setting the frequency division ratio and the like, and the set values CN 1 and CN 2 are given from the main control system 41 (FIG. 1) and the like.
The set values CN 1 and CN 2 are determined so that the frequency difference between the signals SF 1 and SF 2 is 25 KHz.

さて、設定値CN1、CN2を同量だけ増減させて、信号SF
1、SF2の周波数を元の値に対して10%程度変化させる
と、2つのビームLBP、LBSはAOM73、74を射出するとき
元の回折角に対して10%程度変化する。AOM73、74の回
折点はほぼ像共役であるため、レチクル1、又はウェハ
4に達する2本のビームLB1、LB2の傾き(入射角)が同
じ方向に同量だけ変化することになる。すなわち、ビー
ムLB1の入射角が元の値よりも10%だけ大きくなると、
ビームLB2の入射角は元の値よりも10%だけ小さくな
る。その結果、2つのビームLB1、LB2の交差角を変化さ
せずに、テレセン度のみを調整することができる。
Now, increase or decrease the set values CN 1 and CN 2 by the same amount, and
1, varying about 10% the frequency of the SF 2 with respect to the original value, the two beams LB P, LB S varies about 10% relative to the original diffraction angle when emitting the AOM73,74. Since the diffraction points of the AOMs 73 and 74 are almost image conjugate, the inclinations (incident angles) of the two beams LB 1 and LB 2 reaching the reticle 1 or the wafer 4 change in the same direction by the same amount. That is, when the incident angle of the beam LB 1 is increased by 10% from the original value,
Angle of incidence of the beam LB 2 is reduced by 10% than the original value. As a result, only the telecentricity can be adjusted without changing the intersection angle of the two beams LB 1 and LB 2 .

本実施例では機械的な可動部がないため、調整に要す
る時間が極めて短くなる。そのため、第8図に示したよ
うに、レチクル1を交換してマークRMの位置が変わった
ときに、金物62をセットした後のテレセン度調整時間が
短くなり、装置の稼動率を上げられる。
In this embodiment, since there is no mechanical movable part, the time required for adjustment is extremely short. Therefore, as shown in FIG. 8, when the reticle 1 is replaced and the position of the mark RM is changed, the time required for adjusting the telecentricity after the hardware 62 is set is reduced, and the operating rate of the apparatus can be increased.

以上、本実施例では2つのAOM73、74が本発明の第1
光学部材に相当する機能を有する。このようにAOM73、7
4を使ってテレセン度調整する場合、2つのビームLB1
LB2の送光路側だけでテレセン補正するため、受光路
側、すなわち回折光104、105は瞳面内で微妙に位置変化
することになる。しかしながら、AOM73、74による調整
を微小範囲に限って使うだけならば、その位置変化を見
込んで、第12図(B)の受光面300aの大きさを定めてお
くだけで、十分に対応できる。もちろん、第3図に示す
ように、像共役面にアパーチャ板25′を設け、光電検出
器25でビート信号を受光する方式では、ビームLB1、LB2
のテレセンAOM73、74で変化させても、全く影響を受け
ない。
As described above, in the present embodiment, the two AOMs 73 and 74 are the first of the present invention.
It has a function corresponding to an optical member. Thus AOM73, 7
When adjusting the telecentricity using 4, two beams LB 1 ,
Since the telecentric correction is performed only on the light transmission path side of the LB 2 , the light receiving path side, that is, the diffracted lights 104 and 105 slightly changes in position in the pupil plane. However, if the adjustment by the AOMs 73 and 74 is used only in a very small range, it is sufficient to determine the size of the light receiving surface 300a in FIG. Of course, as shown in FIG. 3, in a system in which an aperture plate 25 'is provided on the image conjugate plane and the beat signal is received by the photoelectric detector 25, the beams LB 1 and LB 2
It is not affected at all even if it is changed by Telesen AOM73, 74.

〔その他の変形例〕[Other modifications]

(1) 回折格子マークRM、又はWMを照射する2つのビ
ームLB1、LB2は偏光方向が異なっていてもよい。例えば
ビームLB1をP偏光、ビームLB2をS偏光にすると、格子
マーク上では干渉縞が発生しないが、受光素子19、25、
300の前に偏光板(検光子)複屈折素子等を入れると同
様にビート信号が得られる。
(1) The two beams LB 1 and LB 2 irradiating the diffraction grating mark RM or WM may have different polarization directions. For example beam LB 1 to P polarized light, when the beam LB 2 to S-polarized light, on the grating mark but interference fringe does not occur, light-receiving elements 19 and 25,
If a polarizing plate (analyzer) birefringent element or the like is inserted before 300, a beat signal can be obtained in the same manner.

(2) ビームLB1、LB2の周波数差を得るために、レー
ザ光源10をゼーマンレーザにしてもよい。この場合、AO
M73、74は省略できる。
(2) The laser light source 10 may be a Zeeman laser in order to obtain a frequency difference between the beams LB 1 and LB 2 . In this case, AO
M73 and M74 can be omitted.

(3) ビームLB1とLB2の周波数差を零にしたホモダイ
ン方式の場合であっても、同様にテレセン度調整と交差
角調整とができる。
(3) Even if the homodyne scheme to zero frequency difference between the beams LB 1 and LB 2, likewise can the crossing angle adjustment and telecentricity adjustment.

(4) AOMを用いると、ドライブ信号の周波数を変え
るだけでホモダイン方式とヘテロダイン方式とを簡単に
切替えられるので、ホモダイン方式にしてウェハステー
ジ5をスキャンするアライメントシーケンスと、ヘテロ
ダイン方式による露光中のウェハステージのサーボロッ
クとを選択的に高速に切り替えて処理できる。
(4) When the AOM is used, it is possible to easily switch between the homodyne method and the heterodyne method only by changing the frequency of the drive signal. Therefore, the alignment sequence for scanning the wafer stage 5 using the homodyne method and the wafer during the exposure using the heterodyne method The processing can be selectively switched at high speed between the stage servo lock and the servo lock.

(5) TTR、TTL方式のアライメント系では、2つのビ
ームLB1とLB2の波長を露光光の波長に近似させて、2焦
点素子21aを省略してもよい。
(5) TTR, the alignment system of the TTL system, the two wavelengths of the beam LB 1 and LB 2 by approximating the wavelength of the exposure light, may be omitted bifocal element 21a.

その場合は、ビームLB1、LB2の送光路中の像共役面IP
mに照明視野絞りを配置して、ウェハ上のレジスト層の
照射領域をマークWMの部分に制限する。
In that case, the image conjugate plane IP in the light transmission path of the beams LB 1 and LB 2
An illumination field stop is arranged at m, and the irradiation area of the resist layer on the wafer is limited to the mark WM.

(6) AOM73、74の発熱によってビームの回折角がド
リフトする場合、その発熱を温度センサーでモニター
し、温度上昇にともなってドライブ信号SF1、SF2の周波
数を自動調整してビームLB1、LB2の入射角の対称性を一
定に保つようにしてもよい。
(6) When the diffraction angle of the beam drifts due to the heat generated by the AOMs 73 and 74, the generated heat is monitored by a temperature sensor, and the frequency of the drive signals SF 1 and SF 2 is automatically adjusted as the temperature rises to thereby adjust the beam LB 1 , The symmetry of the incident angle of the LB 2 may be kept constant.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上、本発明によれば2つのビームを回折格子上で交
差するように照射するアライメント光学系等において、
対物光学系(投影光学系)の瞳面で2つのビームの位置
を格子配列方向に同量だけシフトさせる第1光学部材を
設けたので、2つのビームのテレセン度が容易に調整で
きる。
As described above, according to the present invention, in an alignment optical system or the like that irradiates two beams so as to intersect on a diffraction grating,
Since the first optical member for shifting the positions of the two beams on the pupil plane of the objective optical system (projection optical system) by the same amount in the grid array direction is provided, the telecentricity of the two beams can be easily adjusted.

従って、回折格子と干渉縞を用いた位置検出の精度
が、本来の高分解能であることの利点を保ったまま安定
に得られるといった効果がある。
Therefore, there is an effect that the accuracy of position detection using the diffraction grating and the interference fringes can be stably obtained while maintaining the advantage of the original high resolution.

また干渉縞と回折格子とが相対的に光軸方向に大きく
変位しても、極めて高いテレセン性を維持しているた
め、何ら位置検出の障害にならないといった格別な効果
も得られる。
Further, even if the interference fringes and the diffraction grating are relatively displaced relatively in the optical axis direction, an extremely high telecentricity is maintained, so that a special effect that no hindrance to position detection is obtained.

このため従来のステッパー等で実行されていたアライ
メント時のフォーカス合わせ(AF)動作が省略できるの
で、E・G・A法を併用したシーケンスではスループッ
トが向上するといった利点もある。またギャップの設定
精度や光源とマスクとの間隔設定精度が比較的低いプロ
キシミティ露光装置(例えばSORを用いたX線ステッパ
ー等)では、ほとんど機械的にマスクとウェハとをセッ
トするだけで、ただちにアライメント、露光といった動
作に移行でき、同様にスリープットの向上が期待でき
る。
For this reason, the focusing (AF) operation at the time of alignment, which is performed by a conventional stepper or the like, can be omitted, and there is also an advantage that the throughput is improved in the sequence using the EGA method in combination. In a proximity exposure apparatus (for example, an X-ray stepper using SOR, etc.) in which the gap setting accuracy and the interval setting accuracy between the light source and the mask are relatively low, the mask and the wafer are almost mechanically set and immediately. Operations such as alignment and exposure can be performed, and similarly, improvement in sleep can be expected.

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

第1図は本発明の第1の実施例によるステッパーの構成
を示す図、第2図は干渉縞と回折格子の様子を説明する
本発明の原理図、第3図は第1図に示した光学系の主要
部をさらに詳細に説明した図、第4図は第3図中の回折
格子マークとアパーチャ板の関係を示す平面図、第5
図、第6図、第7図は第1図中の周波数シフターの詳細
な構成を示す図、第8図は第1図中のアライメント系の
実用的な構造を示す図、第9図は投影レンズの像面側で
のテレセン度の計測方法を説明する図、第10図はテレセ
ン性の計測値を表わすグラフ、第11図はテレセン度調整
に好適なステッパーの制御系の一例を示すブロック図、
第12図(A)、(B)は本発明の第2の実施例による受
光系の構造を示す図、第13図(A)は、本発明の第3の
実施例による光学系を示す図、第13図(B)は第13図
(A)の光学系とともに使われる周波数シフターのドラ
イブ回路の一例を示すブロック図である。 〔主要部分の符号の説明〕 1……レチクル、3……投影レンズ、4……ウェハ 5……ウェハステージ、10……レーザ光源、 12……周波数シフター、 17A、17B、17C……リレー系、 18……基準格子板、 19……光電検出器(受光素子)、 21a……対物レンズ、21b……複屈折物質、 23……空間フィルター、25……受光素子、 40……位相検出系、41……主制御系、 50……平行平面ガラス、 WP、RM、WM……回折格子マーク、 104、105……マークRM、WMからの干渉ビート光(回折
光)、 73、74……音響光学変調器(AOM)、 200……制御ラック、202……CRT表示器、 210……コンソール、 300、300R、300W……受光素子、 LB……レーザビーム、LBP……P偏光ビーム、 LBS……S偏光ビーム、 LB1……周波数f1のビーム、 LB2……周波数f2のビーム、 EP、EP1……瞳面、 SF1、SF2……AOMドライブ信号、 DR……参照信号、DSw、DSr……計測信号、 LA1、LA2……主光線、 AXa……アライメント系の光軸、 IFw……干渉縞、IP′、IPm……像共役面、 FM……基準マーク板
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a stepper according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a principle diagram of the present invention for explaining the state of interference fringes and a diffraction grating, and FIG. 3 is shown in FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating the main part of the optical system in further detail. FIG. 4 is a plan view showing the relationship between the diffraction grating mark and the aperture plate in FIG.
FIGS. 6, 6 and 7 show the detailed structure of the frequency shifter in FIG. 1, FIG. 8 shows the practical structure of the alignment system in FIG. 1, and FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating a method of measuring telecentricity on the image plane side of a lens, FIG. 10 is a graph showing measured values of telecentricity, and FIG. 11 is a block diagram illustrating an example of a control system of a stepper suitable for telecentricity adjustment ,
12 (A) and 12 (B) are diagrams showing the structure of a light receiving system according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 13 (A) is a diagram showing an optical system according to a third embodiment of the present invention. FIG. 13 (B) is a block diagram showing an example of a frequency shifter drive circuit used with the optical system of FIG. 13 (A). [Description of Signs of Main Parts] 1 reticle, 3 projection lens, 4 wafer 5 wafer stage, 10 laser light source, 12 frequency shifter, 17A, 17B, 17C relay system 18 Reference grid plate 19 Photodetector (light receiving element) 21a Objective lens 21b Birefringent substance 23 Spatial filter 25 Light receiving element 40 Phase detection system , 41… Main control system, 50… Parallel plane glass, WP, RM, WM… Diffraction grating mark, 104, 105… Interference beat light (diffraction light) from marks RM, WM, 73, 74… Acoustic-optic modulator (AOM), 200 Control rack, 202 CRT display, 210 Console, 300, 300R, 300W Photodetector, LB Laser beam, LB P P-polarized beam LB S …… S polarized light beam, LB 1 …… Frequency f 1 beam, LB 2 …… Frequency f 2 beam, EP, EP 1 …… pupil plane, SF 1 , SF 2 …… AOM drive signal, DR …… Reference signal, DSw, DSr …… Measurement signal, LA 1 , LA 2 …… Main ray, AXa …… Alignment system optical axis, IFw …… Interference fringe, IP ', IPm… ... image conjugate plane, FM ... fiducial mark plate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 宏一郎 東京都品川区西大井1丁目6番3号 株 式会社ニコン大井製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−56917(JP,A) 特開 昭63−282603(JP,A) 特開 昭63−283129(JP,A) 特開 昭64−64319(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/00 - 11/30 H01L 21/30──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Koichiro Komatsu 1-6-3 Nishioi, Shinagawa-ku, Tokyo Nikon Oi Works Co., Ltd. (56) References JP-A-63-56917 (JP, A) JP-A-63-282603 (JP, A) JP-A-63-283129 (JP, A) JP-A-64-64319 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01B 11 / 00-11/30 H01L 21/30

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】物体上に形成された回折格子を所定の交差
角で2方向から照射するための2つのビームを作り出す
ビーム発生手段と、該ビーム発生手段と前記物体との間
に配置され、前記2つのビームを瞳面内で所定間隔だけ
離して通すことによって、前記物体上に所定の交差角で
照射する対物光学系と、前記回折格子からの回折光を前
記対物光学系を介して受光する光電検出器とを備え、該
光電検出器からの検出信号に基づいて前記物体の位置を
検出する装置において、 前記2つのビームの前記物体への入射角を変化させる光
学手段を有することを特徴とする位置検出装置。
1. A beam generating means for generating two beams for irradiating a diffraction grating formed on an object from two directions at a predetermined intersection angle, and disposed between the beam generating means and the object. An objective optical system that irradiates the object at a predetermined intersection angle by passing the two beams at a predetermined interval in a pupil plane, and receives a diffracted light from the diffraction grating through the objective optical system. A photoelectric detector that detects the position of the object based on a detection signal from the photoelectric detector, comprising: an optical unit that changes an incident angle of the two beams to the object. Position detecting device.
【請求項2】前記光学手段は、前記ビーム発生手段に含
まれる光源から前記物体までの光路中に配置され、前記
2つのビームの前記物体への入射角を変化させる光学部
材と; 前記対物光学系と前記物体との光軸方向の間隔を相対的
に変化させる間隔調整手段と; 前記光電検出器からの検出信号に基づいて前記光学部材
を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項
第1項に記載の装置。
2. The optical unit is disposed in an optical path from a light source included in the beam generating unit to the object, and changes an incident angle of the two beams on the object; and the objective optics. Interval adjusting means for relatively changing the distance between the system and the object in the optical axis direction; and control means for adjusting the optical member based on a detection signal from the photoelectric detector. The device according to claim 1.
【請求項3】前記制御手段は、前記間隔調整手段によっ
て前記間隔を所定範囲内で変化させたとき、前記光電検
出器からの検出信号が所定の状態を保つように前記光学
部材を調整することを特徴とする請求項第2項に記載の
装置。
3. The control means adjusts the optical member such that a detection signal from the photoelectric detector maintains a predetermined state when the distance is changed within a predetermined range by the distance adjusting means. The device according to claim 2, characterized in that:
【請求項4】前記ビーム発生手段は前記2つのビーム間
に所定の周波数差を与える周波数変調器と、該周波数差
に応じた参照信号を作る参照信号発生部とを有し; 前記制御手段は前記光電検出器からの検出信号の前記参
照信号に対する位相関係に基づいて前記光学部材を調整
することを特徴とする請求項第2項に記載の装置。
4. The beam generating means has a frequency modulator for giving a predetermined frequency difference between the two beams, and a reference signal generating unit for generating a reference signal according to the frequency difference; The apparatus according to claim 2, wherein the optical member is adjusted based on a phase relationship between a detection signal from the photoelectric detector and the reference signal.
【請求項5】前記制御手段は前記光電検出器からの検出
信号の前記参照信号に対する位相差がほぼ一定となるよ
うに前記光学部材を調整することを特徴とする請求項第
4項に記載の装置。
5. The apparatus according to claim 4, wherein said control means adjusts said optical member such that a phase difference between a detection signal from said photoelectric detector and said reference signal is substantially constant. apparatus.
【請求項6】前記間隔調整手段は、前記対物光学系の光
軸とほぼ直交する方向に関して前記対物光学系と前記物
体との相対位置変化量を検出する座標検出系を含み; 前記制御手段は、前記間隔調整手段によって前記間隔を
変化させたときに前記座標検出系で検出される変位量
を、前記光学部材の調整時の補正量として入力する補正
系として入力する補正系を含むことを特徴とする請求項
第2項から第5項に記載の装置。
6. The distance adjusting means includes a coordinate detecting system for detecting a relative position change amount between the objective optical system and the object in a direction substantially orthogonal to an optical axis of the objective optical system; A correction system for inputting a displacement amount detected by the coordinate detection system when the interval is changed by the interval adjusting unit as a correction amount at the time of adjusting the optical member. The apparatus according to any one of claims 2 to 5, wherein
【請求項7】前記光学部材は、前記2つのビームの交差
角をほぼ一定に保ったまま、前記入射角を変化させるこ
とを特徴とする請求項第2項から第6項に記載の装置。
7. The apparatus according to claim 2, wherein the optical member changes the incident angle while keeping the intersection angle of the two beams substantially constant.
【請求項8】前記光学手段は、前記2つのビームの2等
分線である2つのビームの主光線の傾きを変化させる前
記光学部材を含むことを特徴とする請求項第2項から第
6項に記載の装置。
8. The optical device according to claim 2, wherein said optical means includes said optical member for changing a tilt of a principal ray of two beams which are bisectors of said two beams. The device according to item.
【請求項9】前記ビーム発生手段は前記2つのビーム間
に所定の周波数差を与える周波数変調器を有し、該周波
数発生器を前記光学部材として使用することを特徴とす
る請求項第2項に記載の装置。
9. The apparatus according to claim 2, wherein said beam generating means has a frequency modulator for providing a predetermined frequency difference between said two beams, and uses said frequency generator as said optical member. An apparatus according to claim 1.
【請求項10】前記光学手段は、前記2つのビームの交
差角をほぼ一定に保ったまま、前記入射角を変化させる
前記光学部材を含むことを特徴とする請求項第1項に記
載の装置。
10. The apparatus according to claim 1, wherein said optical means includes said optical member for changing said angle of incidence while keeping the crossing angle of said two beams substantially constant. .
【請求項11】前記光学手段は、前記2つのビームの2
等分線である2つのビームの主光線の傾きを変化させる
前記光学部材を含むことを特徴とする請求項第1項に記
載の装置。
11. The optical means according to claim 2, wherein said two beams are two-dimensional.
The apparatus according to claim 1, further comprising the optical member that changes a tilt of a chief ray of the two beams that are bisectors.
【請求項12】マスクに形成されたパターンを基板上に
投影する投影光学系と、前記基板を保持するとともに、
前記投影光学系の光軸方向及び該光軸と直交する方向に
移動可能な基板ステージと、前記基板上に設けられた回
折格子を所定の交差角で2方向から照射するための2つ
のビームを作り出すビーム発生手段と、該ビーム発生手
段と前記物体との間に配置され、前記2つのビームを瞳
面内で所定間隔だけ離して通すことによって、前記物体
上に所定の交差角で照射する対物光学系と、前記回折格
子からの回折光を前記対物光学系を介して受光する光電
検出器とを備え、該光電検出器からの検出信号に基づい
て前記物体の位置を検出する位置検出装置とを備えた投
影露光装置において、 前記基板ステージは前記基板上に形成された回折格子と
同様の基準格子が形成された基準板を有し、該基準板を
前記光軸と平行な方向に移動するように前記基板ステー
ジを制御する制御手段と; 前記基準格子からの回折光による検出信号に基づいて、
前記2つのビームの傾きを調整する調整手段とを有する
ことを特徴とする投影露光装置。
12. A projection optical system for projecting a pattern formed on a mask onto a substrate, holding the substrate,
A substrate stage movable in an optical axis direction of the projection optical system and a direction orthogonal to the optical axis, and two beams for irradiating a diffraction grating provided on the substrate from two directions at a predetermined intersection angle. An object for irradiating the object at a predetermined intersection angle on the object by passing the two beams at a predetermined interval in a pupil plane, the object being disposed between the beam generating means and the object; An optical system, comprising a photoelectric detector that receives the diffracted light from the diffraction grating via the objective optical system, and a position detection device that detects the position of the object based on a detection signal from the photoelectric detector. Wherein the substrate stage has a reference plate on which a reference grating similar to a diffraction grating formed on the substrate is formed, and moves the reference plate in a direction parallel to the optical axis. So that the substrate Control means for controlling a stage; based on a detection signal by diffracted light from the reference grating,
A projection exposure apparatus comprising: an adjustment unit that adjusts the inclination of the two beams.
【請求項13】マスクに形成されたパターンを基板上に
投影する投影光学系と、前記基板を保持するとともに、
前記投影光学系の光軸方向及び該光軸と直交する方向に
移動可能な基板ステージと、前記基板上に設けられた回
折格子を所定の交差角で2方向から照射するための2つ
のビームを作り出すビーム発生手段と、該ビーム発生手
段と前記物体との間に配置され、前記2つのビームを瞳
面内で所定間隔だけ離して通すことによって、前記物体
上に所定の交差角で照射する対物光学系と、前記回折格
子からの回折光を前記対物光学系を介して受光する光電
検出器とを備え、該光電検出器からの検出信号に基づい
て前記物体の位置を検出する位置検出装置とを備えた投
影露光装置において、 前記基板ステージは前記基板上に形成された回折格子と
同様の基準格子が形成された基準板を有し、 前記基準格子からの回折光による検出信号に基づいて、
前記基板ステージの前記光軸と垂直な方向の位置を制御
するとともに、前記基板ステージをサーボ制御する第1
制御手段と; 前記サーボ制御の下で、前記基準板を前記光軸と平行な
方向に移動するように前記基板ステージを制御する第2
制御手段と; 前記第2制御手段により前記基板ステージが制御されて
いる間の基準格子からの回折光による検出信号に基づい
て、前記2つのビームの傾きを調整する調整手段とを有
することを特徴とする投影露光装置。
13. A projection optical system for projecting a pattern formed on a mask onto a substrate, holding the substrate,
A substrate stage movable in an optical axis direction of the projection optical system and a direction orthogonal to the optical axis, and two beams for irradiating a diffraction grating provided on the substrate from two directions at a predetermined intersection angle. An object for irradiating the object at a predetermined intersection angle on the object by passing the two beams at a predetermined interval in a pupil plane, the object being disposed between the beam generating means and the object; An optical system, comprising a photoelectric detector that receives the diffracted light from the diffraction grating via the objective optical system, and a position detection device that detects the position of the object based on a detection signal from the photoelectric detector. In the projection exposure apparatus, the substrate stage has a reference plate on which a reference grating similar to the diffraction grating formed on the substrate is formed, based on a detection signal based on diffracted light from the reference grating,
A first step of controlling a position of the substrate stage in a direction perpendicular to the optical axis and servo-controlling the substrate stage;
Controlling means for controlling the substrate stage to move the reference plate in a direction parallel to the optical axis under the servo control;
Control means; and adjusting means for adjusting the inclination of the two beams based on a detection signal based on diffracted light from a reference grating while the substrate stage is being controlled by the second control means. Projection exposure apparatus.
【請求項14】前記調整手段は前記2つのビームの2等
分線である2つのビームの主光線の傾きを調整すること
を特徴とする請求項第12項または第13項に記載の装置。
14. The apparatus according to claim 12, wherein said adjusting means adjusts an inclination of a principal ray of the two beams, which is a bisector of the two beams.
【請求項15】物体上に形成された回折格子を所定の交
差角で2方向から対物光学系を介して2つのビームで照
射し、前記回折格子からの回折光を受光する光電検出器
からの検出信号に基づいて前記物体の位置を検出する方
法において、 前記2つのビームの2等分線である2つのビームの主光
線の傾きを変化させることを特徴とする位置検出方法。
15. A diffraction grating formed on an object is irradiated with two beams from two directions through an objective optical system at predetermined crossing angles through an objective optical system, and receives a diffraction light from the diffraction grating from a photoelectric detector. A method of detecting a position of an object based on a detection signal, wherein the inclination of a principal ray of two beams, which is a bisector of the two beams, is changed.
【請求項16】前記対物光学系と前記物体との光軸方向
の間隔を相対的に変化させた時の前記光電検出器からの
検出信号に基づいて前記傾きを調整することを特徴とす
る請求項第15項に記載の方法。
16. The apparatus according to claim 1, wherein the inclination is adjusted based on a detection signal from the photoelectric detector when an interval between the objective optical system and the object in the optical axis direction is relatively changed. Item 16. The method according to Item 15.
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