JP4565248B2

JP4565248B2 - Position detection apparatus and adjustment method thereof

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Publication number: JP4565248B2
Application number: JP2001022452A
Authority: JP
Inventors: 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2021-01-30
Also published as: JP2002231604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出装置およびその調整方法に関し、特に半導体素子や液晶表示素子等を製造するリソグラフィ工程で用いる露光装置に搭載される位置検出装置（重ね合わせ検査装置を含む）の調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や液晶表示素子の製造に際して、レジストが塗布された基板上に露光装置を用いてパターンを焼き付け、現像処理により不要なレジストを除去する。そして、エッチングや蒸着などの加工工程により、所定の性質を有するパターン層を形成する。こうして、上述の処理を数回から数十回ほど繰り返すことにより、半導体素子や液晶表示素子が製造される。
【０００３】
近年、半導体素子や液晶表示素子では、パターンの微細化が進み、その形成位置に対する許容度が小さくなってきている。このため、露光装置でパターンを焼き付ける際に以前の工程で焼き付けられたパターンの位置を検出するための位置検出装置のパターン検出精度が厳しくなってきている。同様に、以前の工程で焼き付けられたパターンに対して今回のパターンが正しく焼き付けられたことを検査するための重ね合わせ検査装置のパターン検出精度も厳しくなってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体素子や液晶表示素子の位置合わせマークや重ね合わせ検査用マークは、段差状のパターンで形成されている。この場合、これらのマークを検出する際に、照明系による照明光束のテレセントリシティの調整状態が正しくないと、段差状のパターンに対して照明光が斜めから照射されることになる。その結果、段差パターンの段差によって影のでき方が異なるため、パターン像の位置検出（ひいてはマークの位置検出）に誤差が生じてしまう。
【０００５】
そこで、従来技術では、パターン像の光電検出により得られる信号波形を参照して、照明光束のテレセントリシティを調整している。このように、従来技術では、照明光の傾きを定量的に把握して照明系を調整しているわけではないので、照明光束のテレセントリシティの調整が十分でなく、高精度な位置検出を行うことができなかった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行うことのできる位置検出装置およびその調整方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、被検物体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置の調整方法において、
前記被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整用マークとが同一の検出視野内に入るように設定し、
前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量を検出し、
検出した相対ずれ量と前記デフォーカス量との関係に基づいて前記照明系による照明光束の傾きを検出し、
検出した照明光束の傾きに応じて前記照明系を調整することを特徴とする調整方法を提供する。
【０００８】
本発明の好ましい態様によれば、前記第１調整用マークは、第１のピッチＰ１を有する第１明暗パターンで形成され、前記第２調整用マークは、前記第１のピッチＰ１とは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有する第２明暗パターンで形成されている。あるいは、前記第１調整用マークは、第１の段差を有する第１段差パターンで形成され、前記第２調整用マークは、前記第１段差パターンと同じピッチを有し且つ前記第１の段差とは実質的に異なる第２の段差を有する第２段差パターンで形成されていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の別の局面によれば、被検物体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置において、同一の検出視野内に入るように前記被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせたときのデフォーカス量と前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量とに基づいて、前記照明系による照明光束の傾きを検出するための傾き検出部を備えていることを特徴とする位置検出装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明では、被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整用マークとが同一の検出視野（結像光学系または撮像素子で規定される検出視野）内に入るように、被検物体を位置検出装置の結像光学系に対して位置決めする。次に、結像光学系に対して被検物体をデフォーカスさせた状態で、すなわち第１調整用マークと第２調整用マークとを結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、第１調整用マークの像と第２調整用マークの像との間の相対ずれ量を検出する。
【００１１】
こうして、得られた相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出し、検出した照明光束の傾きに応じて照明系を調整することができる。具体的には、たとえば照明系中の開口絞りを光軸に直交する面に沿って、照明光束の傾きに応じた所定距離だけ微動させることにより、照明光束のテレセントリシティを調整することができる。
【００１２】
以上のように、本発明では、一対の調整用マークが同一の検出視野内に入るように設定し、結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整用マーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出する。ここで、一対の調整用マークとして、照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して敏感な調整用マークと鈍感な調整用マークとを用いることができる。
【００１３】
また、位置検出装置は、被検物体上に設けられたマークの位置を高精度に検出するように構成されており、非常に高い検出精度を有する信号処理系を備えている。したがって、本発明では、デフォーカス操作に際して被検物体の移動誤差などの影響を受けることなく、照明光束の傾きを高精度に検出することができる。
その結果、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行うことができる。
【００１４】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる位置検出装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、露光装置に搭載された位置検出装置の調整方法に本発明を適用している。図示の位置検出装置は、波長帯域幅の広い照明光（たとえば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）を供給するための光源１を備えている。光源１として、ハロゲンランプのような光源を使用することができる。
【００１５】
光源１から供給された照明光は、リレー光学系（不図示）を介して、光ファイバーのようなライトガイド２の入射端に入射する。ライトガイド２の内部を伝搬してその射出端から射出された照明光は、第１照明リレーレンズ系３を介して、たとえば円形状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞り４を照明する。照明開口絞り４を介して制限された照明光は、第２照明リレーレンズ系５を介して、ハーフプリズム７に入射する。なお、第２照明リレーレンズ系５の光路中には、照明視野絞り６が配置されている。
【００１６】
ハーフプリズム７で反射された照明光は、対物レンズ８を介して、ウェハＷ上に設けられたウェハマーク（位置合わせマーク）ＷＭを照明する。ここで、ウェハＷは、図中水平面内および鉛直方向に移動可能なウェハステージＷＳ上に保持されている。このように、光源１、ライトガイド２、第１照明リレーレンズ系３、照明開口絞り４、第２照明リレーレンズ系５、照明視野絞り６、ハーフプリズム７、および対物レンズ８は、被検物体であるウェハＷ上に設けられたウェハマークＷＭを照明するための照明系を構成している。
【００１７】
照明光に対するウェハマークＷＭからの反射光（回折光を含む）は、対物レンズ８および結像開口絞り９を介して、ハーフプリズム７に入射する。ハーフプリズム７を透過した光は、結像レンズ１０を介して、ＣＣＤのような撮像素子１１の撮像面１１ａ上にウェハマークＷＭの像を形成する。このように、対物レンズ８、結像開口絞り９、ハーフプリズム７、および結像レンズ１０は、照明されたウェハマークＷＭからの光に基づいてウェハマークＷＭの像を形成するための結像光学系を構成している。
【００１８】
ＣＣＤ１１の出力は、信号処理系１２に供給される。信号処理系１２では、ＣＣＤ１１から供給された画像信号を信号処理（パターンのエッジ検出のような波形処理）することにより、ウェハマークＷＭの位置情報が得られる。こうして、得られたウェハマークＷＭの位置情報からパターンの形成された位置を検出し、次の工程で焼き付けるべきパターンの位置を補正して露光を行うことになる。
【００１９】
なお、照明視野絞り６は、結像光学系に対して合焦状態に設定された（対物レンズ８の前側焦点面に設定された）ウェハＷの表面と光学的に共役な位置に配置されている。したがって、照明系によりウェハＷ上に形成される照明領域は、照明視野絞り６によって規定される。また、照明開口絞り４は、対物レンズ８の瞳面に配置された結像開口絞り９と光学的に共役な位置に配置されている。したがって、照明系による照明光束の中心は結像光学系の光軸に平行となり、いわゆるテレセントリックな照明が行われる。
【００２０】
本実施形態において調整の対象となるのは、ウェハＷを照明する照明光束の中心線のウェハ面の法線（ひいては光軸）に対する傾きの調整、すなわち照明光束のテレセントリシティの調整である。この照明テレセントリシティの調整は、照明系中の照明開口絞り４を光軸と直交する面に沿って微動させることにより行われる。図２は、照明系中の照明開口絞りが光軸から偏心した状態を説明する図である。なお、図２では、図１の光源１、ＣＣＤ１１および信号処理系１２の図示を省略している。
【００２１】
図２に示すように、照明開口絞り４を通過する光束の中心が光軸からδだけずれると、第２照明リレーレンズ系５の投影倍率をβとしたとき、対物レンズ８の瞳面に配置された結像開口絞り９を通過する位置が光軸からβδだけずれる。その結果、対物レンズ８の焦点距離をｆとすると、ウェハＷを照明する光束の中心線が光軸に対してβδ／ｆだけ傾くことになる。このとき、ウェハＷからの反射光は照明光の傾きと反対側に傾いて結像光学系に入射するが、ウェハＷが結像光学系に対して合焦状態にある場合には、照明開口絞り４が偏心していないときと同じ位置にウェハマーク像が形成される。
【００２２】
ところで、ピッチＰの回折格子パターンに波長λの光が入射角度θｉで入射するときのｎ次回折光の回折角θｎは、次の式（１）で表される。
sinθｎ＝ｎλ／Ｐ＋sinθｉ（１）
これらの回折光のうち、対物レンズ８または結像開口絞り９で規定される結像光学系の物体側開口数よりも小さい回折角の光が、結像レンズ１０を介してＣＣＤ１１の撮像面１１ａ上に結像する。
【００２３】
なお、上述したように、照明開口絞り４がδだけ偏心した場合、照明光束の入射角度がβδ／ｆだけ変化する。したがって、次の式（２）に示すように、照明光束の入射角度の変化に応じて、回折角も変化することになる。
sinθｎ’＝ｎλ／Ｐ＋sin（θｉ−βδ／ｆ）（２）
【００２４】
図３および図４は、ウェハ上に設けられた回折格子パターンが対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスした場合の回折光の様子を示す図である。なお、図３および図４では、照明系の図示を省略し、結像光学系部分だけを示している。また、理解を容易にするために、照明光束をかなり細い光束として表している。
【００２５】
図３を参照すると、照明光束ＳＨが、結像光学系の光軸に対してわずかに偏心している。そして、対物レンズ８の焦点面８ａからわずかに下方にデフォーカスしたウェハＷ上の回折格子状パターンからの回折光の一部Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１が、対物レンズ８により集光され、結像開口絞り９で遮られる（けられる）ことなく、結像レンズ１０へ導かれる。ウェハＷからの回折光Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１は、結像レンズ１０を介して、ＣＣＤ１１の撮像面１１ａよりもわずかに手前で結像する。なお、図３では、対物レンズ８の焦点面８ａ上の１点に達する照明光束ＳＨを示すとともに、焦点面８ａからデフォーカスしたウェハＷ上の１点から発する回折光束Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１を示している。この点は、以下の図４においても同様である。
【００２６】
したがって、ウェハＷ上の一点に対応する点像は、撮像面１１ａで広がって形成される。この点像の広がりの重心を点像の中心と考えると、ウェハＷのデフォーカス量（対物レンズ８の焦点面とウェハＷの表面との間隔）Δと照明光束ＳＨの傾きβδ／ｆとの積Δβδ／ｆだけ、像の中心が位置ずれすることになる。
【００２７】
ウェハＷ上に設けられたピッチＰ１の回折格子パターンからの回折光が結像光学系の開口にけられない（たとえば結像開口絞り９に遮られない）ようにするには、照明光束ＳＨの太さを考慮して次の式（３）が成立する必要がある。
ｎλ／Ｐ１＋ｓ＜ｕ＜（ｎ＋１）λ／Ｐ１−ｓ（３）
【００２８】
ここで、ｓは、結像光学系の瞳面（結像開口絞り９の位置）での照明光束ＳＨの半径を対物レンズ８の焦点距離ｆで割った値（以下、「照明開口数」という）である。また、ｕは、結像光学系の物体側開口数（以下、「結像開口数」という）である。さらに、ｎは整数である。式（３）は、次の式（４）のように変形することができる。
（ｕ＋ｓ）／（ｎ＋１）＜λ／Ｐ１＜（ｕ−ｓ）／ｎ（４）
【００２９】
また、回折格子パターンのライン部の幅とスペース部の幅とが等しい場合には、０次を除く偶数次の回折光は互いに打ち消し合うため光量が０になる。したがって、ピッチＰ１の回折格子パターンからの回折光が結像開口絞り９に遮られるようにするには、偶数次の回折角が結像開口数ｕに等しくなるように設定してもよい。この場合、回折格子パターンのピッチＰ１が次の式（５）に示す関係を満たすことになる。
【００３０】
Ｐ１＝２ｎλ／ｕ（５）
式（５）は、回折格子パターンのピッチＰ１が、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍であることを意味している。
【００３１】
一方、図４では、対物レンズ８の焦点面８ａからわずかに下方にデフォーカスしたウェハＷ上の回折格子状パターンからの回折光Ｌ１およびＬ−１が、結像開口絞り９で遮られるように設定されている。この場合、回折光Ｌ１およびＬ−１の外側は結像開口絞り９で制限されるので、結像光束の外側は照明開口絞り４の偏心による影響を受けない。ただし、結像開口絞り９を通過する光束Ｌ０は照明開口絞り４の偏心による影響を受けるので、像の中心は位置ずれすることになる。ただし、図５および図６を参照して後述するように、図４の状態における像の位置ずれ量は図３の状態における像の位置ずれ量よりもかなり小さくなる。
【００３２】
このように、ウェハＷ上に設けられたピッチＰ２の回折格子パターンからの回折光が結像開口絞り９に遮られるようにするには、次の式（６）が成立する必要がある。また、式（６）は、次の式（７）のように変形することができる。
ｎλ／Ｐ２−ｓ＜ｕ＜ｎλ／Ｐ２＋ｓ（６）
（ｕ−ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ２＜（ｕ＋ｓ）／ｎ（７）
【００３３】
前述のように、回折格子パターンのライン部の幅とスペース部の幅とが等しい場合には、０次を除く偶数次の回折光は互いに打ち消し合うため光量が０になる。したがって、ピッチＰ２の回折格子パターンからの回折光が結像開口絞り９に遮られるには、奇数次の回折角が結像開口数ｕに等しくなるように設定してもよい。この場合、回折格子パターンのピッチＰ２が次の式（８）に示す関係を満たすことになる。
【００３４】
Ｐ２＝（２ｎ−１）λ／ｕ（８）
式（８）は、回折格子パターンのピッチＰ２が、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの奇数倍であることを意味している。
【００３５】
図５および図６は、回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。図５および図６において、横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はパターン像の位置ずれ量を示している。また、「ｍｒａｄ」は、照明光束の傾きに対応し、「×１０^-3ｒａｄ（ラジアン）」を示している。
【００３６】
図５では、照明光の波長λを０．６μｍとし、結像開口数ｕを０．６とし、照明開口数ｓを０．２としている。また、回折格子パターンは、明部の幅および暗部の幅がともに１μｍに設定されたピッチ２μｍの明暗パターンである。すなわち、図５では、回折格子パターンピッチが照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍（具体的には２倍）に設定されており、図３の設定に対応する計算結果を示している。
【００３７】
一方、図６では、図５の場合と同様に、照明光の波長λを０．６μｍとし、結像光学系の物体側開口数ｕを０．６とし、照明開口数ｓを０．２としている。しかしながら、図５の場合とは異なり、回折格子パターンは、明部の幅および暗部の幅がともに０．５μｍに設定されたピッチ１μｍの明暗パターンである。すなわち、図６では、回折格子パターンピッチが照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの奇数倍（具体的には１倍）に設定されており、図４の設定に対応する計算結果を示している。
【００３８】
図５と図６とを比較すると、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍に設定されたピッチＰ１を有する第１回折格子パターンと奇数倍に設定されたピッチＰ２を有する第２回折格子パターンとを同じ量だけデフォーカスさせた場合、第１回折格子パターン像の位置ずれ量は比較的大きく、第２回折格子パターン像の位置ずれ量は比較的小さいことがわかる。すなわち、第１回折格子パターンは照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感であり、第２回折格子パターンは照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに鈍感である。
【００３９】
ところで、各回折格子パターン像の位置ずれ量は、たとえば数ｎｍ程度とかなり小さい値である。したがって、各回折格子パターン像の位置ずれ量を個々に検出する場合、ウェハステージＷＳの移動誤差（特に上下方向の移動誤差）などの影響により位置ずれ量を正確に検出することは困難である。そこで、本実施形態では、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感なピッチＰ１の回折格子パターンと、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに鈍感なピッチＰ２の回折格子パターンとを、同一の検出視野内に入るようにウェハＷ上に並列的に設けている。
【００４０】
図７は、本実施形態において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。図７に示すように、調整用マークは、第１のピッチＰ１を有する第１明暗パターンで形成された第１調整用マーク２１と、第１のピッチＰ１とは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有する第２明暗パターンで形成された第２調整用マーク２２とから構成されている。ここで、第１明暗パターンおよび第２明暗パターンは、暗部（図中斜線で示す）の幅と明部の幅とがほぼ等しく構成されている。また、第１調整用マーク２１の中心と第２調整用マーク２２の中心とがピッチ方向に一致するように構成されている。
【００４１】
さらに、第１調整用マーク２１のピッチＰ１は、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの２倍（偶数倍）に設定されている。一方、第２調整用マーク２２のピッチＰ２は、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの１倍（奇数倍）に設定されている。これらの明暗パターンは、たとえばガラスウェハにクロムの薄膜をエッチングすることにより作成することができる。あるいは、シリコンウェハに反射率の異なるパターンを形成することにより作成することができる。
【００４２】
本実施形態では、ウェハＷ上に並列的に設けられた第１調整用マーク２１と第２調整用マーク２２とが同一の検出視野内に入るように、ウェハステージＷＳを駆動してウェハＷを位置検出装置の結像光学系に対して位置決めする。次に、結像光学系に対してウェハＷをデフォーカスさせた状態で、すなわち第１調整用マーク２１と第２調整用マーク２２とを結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、第１調整用マーク２１の像と第２調整用マーク２２の像との間の相対ずれ量を検出する。ここで、第１調整用マーク２１の像と第２調整用マーク２２の像との間の相対ずれ量は、たとえば第１調整用マーク２１の像のアライメント位置と第２調整用マーク２２の像のアライメント位置との間のピッチ方向に沿った距離として検出される。
【００４３】
こうして、信号処理系１２では、得られた相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて、照明光束の傾きを検出することができる。したがって、検出した照明光束の傾きに応じて、照明開口絞り４を光軸に直交する面に沿って所定距離だけ微動させることにより、照明光束のテレセントリシティを調整することができる。この場合、手動により照明開口絞り４を移動させても良いし、信号処理系１２から指令を受ける適当な駆動系を介して移動させても良い。
【００４４】
以上のように、本実施形態では、一対の調整用マークが同一の検出視野内に入るように設定し、結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整用マーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出する。ここで、一方の調整用マークは照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して比較的大きな位置ずれ量が発生する敏感なマークであり、他方の調整用マークは照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して比較的小さな位置ずれ量が発生する鈍感なマークである。
【００４５】
また、露光装置に搭載された位置検出装置は、ウェハマークの位置を高精度に検出するように構成されており、非常に高い検出精度を有する信号処理系を備えている。したがって、本実施形態では、デフォーカス操作に際してウェハステージの移動誤差などの影響を受けることなく、照明光束の傾きを高精度に検出することができる。その結果、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行うことができる。
【００４６】
上述の実施形態では、ピッチの異なる一対の明暗パターンからなる調整用マークを用いて、照明光束のテレセントリシティを調整している。しかしながら、ピッチが等しく且つ段差の異なる一対の段差パターンからなる調整用マークを用いて、照明光束のテレセントリシティを調整することもできる。以下、段差の異なる一対の段差パターンを用いる変形例について説明する。
【００４７】
半導体ウェハなどでは、エッチングによりパターンを所定の深さで掘り込むことにより、段差パターンを形成することができる。段差パターンでは、掘り込み部と残し部との間の段差が、光の位相差を生じさせることになる。本実施形態のように反射照明の場合には段差が往復で影響するので、付与される位相差φは、段差をｔとし、照明光の波長をλとしたとき、次の式（９）で表される。
φ＝４πｔ／λ （９）
【００４８】
ここで、掘り込み部の幅がピッチＰのｄ倍であるとき、ｎ次回折光の強度Ｉ_nは、次の式（１０）で表される。
Ｉ_n＝２（１−cosφ）ｄ²sin²（πｎｄ）／（π²ｎ²ｄ²）（１０）
【００４９】
ｍ次回折角θｍ（ｍは整数）が結像開口数ｕに一致しているとき、ｍ次回折光の強度Ｉ_mが０になるには、１−cosφが０になる必要がある。すなわち、位相差φがπの偶数倍になること、ひいては式（９）を参照すると段差ｔが波長λの１／４の偶数倍になることが必要である。この場合、次数に関わらず回折光は全く発生しないが、パターンエッジの部分で照明光が散乱されるので、この散乱光に基づいてパターンエッジの像を検出することができる。しかしながら、散乱光はほぼ等方的に広がり照明の入射方向に依存しないので、照明光が傾いた状態でウェハＷをデフォーカスさせても、パターンエッジ像の位置ずれは起こらない。
【００５０】
これに対して、１−cosφが２のときは、回折光が発生し、パターン像が形成される。回折光の回折角は前述のように照明光の入射角の影響を受けるので、図４に示すように、照明光が傾いた状態でウェハＷをデフォーカスさせると、パターン像は敏感に位置ずれする。なお、１−cosφが２になるには、位相差φがπの奇数倍になること、ひいては式（９）を参照すると段差ｔが波長λの１／４の奇数倍になることが必要である。
【００５１】
このとき、パターンピッチＰと、結像開口数ｕと、照明開口数ｓとの間には、次の式（１１）に示す関係が成立する。
ｍλ／Ｐ＋ｓ＜ｕ＜（ｍ＋１）λ／Ｐ−ｓ（１１）
【００５２】
ところで、図４に示すように、照明開口数ｓが結像開口数ｕに比して十分に小さい場合には回折光同士が重ならないが、実際の光学系では照明開口数ｓが結像開口数ｕの０．５倍から０．９倍に設定されることが多い。この場合、一部の回折光が結像光学系の開口でけられたりけられなかったりすると、回折光が結像に関与したりしなかったりする。その結果、ウェハＷのデフォーカス量とパターン像の位置ずれ量との関係が変化し、照明光の傾きを検出することができなくなってしまう。
【００５３】
したがって、結像光学系の開口で回折光の端がけられたりけられなかったりすることがないように、ｍおよびｎを整数として、次の式（１２）に示す関係を満たす必要がある。また、式（１２）は、次の式（１３）のように変形することができる。
ｍλ／Ｐ＋ｓ＜ｕ＜ｎλ／Ｐ−ｓ（１２）
（ｕ＋ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ＜（ｕ−ｓ）／ｍ（１３）
【００５４】
図８は、変形例にかかる回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。図８において、横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はパターン像の位置ずれ量を示している。また、図中実線は照明光の波長λの１／４の２倍（偶数倍）の段差λ／２を有する第１段差パターンを示し、図中破線は波長λの１／４の１倍（奇数倍）の段差λ／４を有する第２段差パターンを示している。なお、各段差パターンは同じピッチを有し、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定されている。
【００５５】
図８では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７とし、照明光束の傾きを５ｍｒａｄ（５×１０^-3ｒａｄ）としている。この場合、式（１２）および（１３）においてｍ＝１およびｎ＝５で、１次回折光と５次回折光とが結像開口絞り９でけられない状態になっている。なお、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定されているので、２次回折光および４次回折光の強度は０となり結像に関与しない。また、３次回折光は、照明光束の傾きによって結像開口絞り９でけられる状態になっている。
【００５６】
図８を参照すると、照明光の波長λの１／４の２倍（偶数倍）の段差λ／２を有する第１段差パターンと波長λの１／４の１倍（奇数倍）の段差λ／４を有する第２段差パターンとを同じ量だけデフォーカスさせた場合、第１段差パターン像の位置ずれ量はほとんど発生することなく、第２段差パターン像の位置ずれ量は比較的大きく発生することがわかる。すなわち、第１段差パターンはデフォーカスに鈍感であり、第２段差パターンはデフォーカスに敏感である。
【００５７】
なお、照射光の入射角が傾くと、パターンの位置によって入射光の位相差が生じる。このため、パターンエッジでの位相差が変化したように見えてしまい、ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にあってもパターン像がずれて見えてしまう。ところが、上述の２つの位相差では１−cosφが極値に対して対称になっているので、像ずれが生じない。図９は、ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にある場合に、特定の２つの位相差では像ずれが生じないことを示す図である。
【００５８】
図９では、横軸に段差パターンの段差を示し、縦軸にパターン像の位置ずれ量を示している。また、図９では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７とし、照明光束の傾きを５ｍｒａｄ（５×１０^-3ｒａｄ）とし、段差パターンが結像光学系に対して合焦状態にありデフォーカス量を０としている。さらに、段差パターンは、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定され、３．９３６μｍのピッチを有する。
【００５９】
図９を参照すると、段差パターンが結像光学系に対して合焦状態にありデフォーカス量が０であるにもかかわらず、段差がλ／４またはλ／２でないとき、すなわち位相差がπまたは２πでないときには、像の位置ずれが発生することがわかる。ちなみに、図１０は、図８の第２段差パターンに対応する図であって、照明光束の傾きとパターン像の位置ずれ量とデフォーカス量との関係を示す図である。
【００６０】
図１０において、縦軸にパターン像の位置ずれ量を示し、一方の横軸に照明光束の傾きを示し、他方の横軸にデフォーカス量を示している。また、図１０では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７としている。さらに、段差パターンは、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定され、３．９３６μｍのピッチを有し、段差が０．１６４μｍ（波長λの１／４に相当）に設定されている。すなわち、図１０の段差パターンは、図８の第２段差パターンに対応している。図１０を参照すると、第２段差パターンは照明光束の傾きおよびデフォーカスに敏感であることがわかる。
【００６１】
そこで、変形例では、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに鈍感な第１段差パターンと、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感な第２段差パターンとを、同一の検出視野内に入るようにウェハＷ上に並列的に設けている。図１１は、本実施形態の変形例において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。図１１に示すように、変形例の調整用マークは、第１の段差を有する第１段差パターンで形成された第１調整用マーク２３と、第１段差パターンと同じピッチを有し且つ第１の段差とは実質的に異なる第２の段差を有する第２段差パターンで形成された第２調整用マーク２４とから構成されている。
【００６２】
ここで、第１段差パターンおよび第２段差パターンは、ライン部の幅とスペース部の幅とがほぼ等しく構成されている。また、第１調整用マーク２３の段差は、照明光の波長λの１／４の２倍（偶数倍）すなわちλ／２に設定されている。一方、第２調整用マーク２４の段差は、照明光の波長λの１／４の１倍（奇数倍）すなわちλ／４に設定されている。
【００６３】
こうして、本実施形態の変形例においても、照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して鈍感な第１調整用マーク２３と敏感な第２調整用マーク２４とを結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で像の相対ずれ量を検出し、得られた相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを高精度に検出することができる。したがって、検出した照明光束の傾きに応じて、照明開口絞り４を光軸に直交する面に沿って所定距離だけ手動で（あるいは自動制御で）微動させることにより、照明光束のテレセントリシティを高精度に調整することができる。
【００６４】
なお、変形例では、第１段差パターンのピッチと第２段差パターンのピッチとが等しい。このため、２つの調整用マークの中心位置をピッチ方向に一致させる必要のある上述の実施形態とは異なり、２つの調整用マークの基準位置を定める必要がない。したがって、２つの調整用マークが検出視野内に入った状態で相対ずれ量を計測することができ、２つの調整用マークの基準位置を検出視野内に入れる操作が不要になり、作業性の向上を期待することができる。
【００６５】
なお、上述の実施形態およびその変形例では、位置合わせマークの位置を検出する位置検出装置に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、重ね合わせマークの位置を検出してマークの重ね合わせを検査する重ね合わせ検査装置に本発明を適用することもできる。したがって、本発明における位置検出装置は、いわゆる重ね合わせ検査装置をも含む広い概念である。
【００６６】
また、上述の実施形態およびその変形例では、露光装置に搭載された位置検出装置に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、一般的な位置検出装置に本発明を適用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して敏感な調整用マークと鈍感な調整用マークとが同一の検出視野内に入るように設定し、結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整用マーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出する。したがって、デフォーカス操作に際して被検物体の移動誤差などの影響を受けることなく照明光束の傾きを高精度に検出し、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行って、高精度な位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる位置検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】照明系中の照明開口絞りが光軸から偏心した状態を説明する図である。
【図３】ウェハ上に設けられた回折格子状のパターンが対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスした場合の回折光の様子を示す図である。
【図４】ウェハ上に設けられた回折格子状のパターンが対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスした場合の回折光の様子を示す図である。
【図５】図３の設定において回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。
【図６】図４の設定において回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。
【図７】本実施形態において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。
【図８】変形例にかかる回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。
【図９】ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にある場合に、特定の２つの位相差では像ずれが生じないことを示す図である。
【図１０】図８の第２段差パターンに対応する図であって、照明光束の傾きとパターン像の位置ずれ量とデフォーカス量との関係を示す図である。
【図１１】本実施形態の変形例において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１光源
２ライトガイド
３第１照明リレーレンズ系
４照明開口絞り
５第２照明リレーレンズ系
６照明視野絞り
７ハーフプリズム
８対物レンズ
９結像開口絞り
１０結像レンズ
１１撮像素子（ＣＣＤ）
１２信号処理系
Ｗウェハ
ＷＳウェハステージ
ＷＭウェハマーク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position detection apparatus and an adjustment method thereof, and more particularly to an adjustment method of a position detection apparatus (including an overlay inspection apparatus) mounted on an exposure apparatus used in a lithography process for manufacturing semiconductor elements, liquid crystal display elements, and the like. It is.
[0002]
[Prior art]
When manufacturing a semiconductor element or a liquid crystal display element, a pattern is baked using an exposure apparatus on a resist-coated substrate, and unnecessary resist is removed by development processing. Then, a pattern layer having a predetermined property is formed by a processing process such as etching or vapor deposition. In this way, a semiconductor element and a liquid crystal display element are manufactured by repeating the above process several times to several tens of times.
[0003]
In recent years, in semiconductor elements and liquid crystal display elements, pattern miniaturization has progressed, and the tolerance for the formation position has decreased. For this reason, when the pattern is printed by the exposure apparatus, the pattern detection accuracy of the position detection apparatus for detecting the position of the pattern printed in the previous process has become strict. Similarly, the pattern detection accuracy of the overlay inspection apparatus for inspecting that the current pattern is correctly printed with respect to the pattern printed in the previous process is becoming stricter.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, alignment marks and overlay inspection marks of semiconductor elements and liquid crystal display elements are formed in a stepped pattern. In this case, when these marks are detected, if the telecentricity adjustment state of the illumination light beam by the illumination system is not correct, the illumination light is irradiated obliquely onto the stepped pattern. As a result, the method of creating a shadow differs depending on the level difference of the level difference pattern, so that an error occurs in pattern image position detection (and hence mark position detection).
[0005]
Therefore, in the prior art, the telecentricity of the illumination light beam is adjusted with reference to a signal waveform obtained by photoelectric detection of the pattern image. In this way, the conventional technology does not adjust the illumination system by quantitatively grasping the tilt of the illumination light, so the telecentricity of the illumination beam is not sufficiently adjusted, and highly accurate position detection is possible. Could not do.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and can adjust the telecentricity of an illumination light beam with high accuracy, and by extension, a position detection device capable of performing highly accurate position detection, and the adjustment thereof. It aims to provide a method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, an illumination system for illuminating a mark provided on a test object and an image of the mark based on light from the illuminated mark In an adjustment method of a position detection device that includes an imaging optical system and detects the position of the mark based on the image of the mark,
A diffraction grating-shaped first adjustment mark and second adjustment mark provided in parallel on the object to be measured are set so as to fall within the same detection field of view,
In a state where the first adjustment mark and the second adjustment mark are defocused with respect to the imaging optical system, the first adjustment mark image and the second adjustment mark image Detects the relative deviation of
Detecting the inclination of the illumination light beam by the illumination system based on the relationship between the detected relative deviation amount and the defocus amount;
There is provided an adjustment method characterized in that the illumination system is adjusted in accordance with the detected inclination of the illumination light beam.
[0008]
According to a preferred aspect of the present invention, the first adjustment mark is formed with a first light / dark pattern having a first pitch P1, and the second adjustment mark is substantially different from the first pitch P1. Are formed in a second bright / dark pattern having a different second pitch P2. Alternatively, the first adjustment mark is formed of a first step pattern having a first step, and the second adjustment mark has the same pitch as the first step pattern and the first step Is preferably formed with a second step pattern having substantially different second steps.
[0009]
According to another aspect of the present invention, an illumination system for illuminating a mark provided on a test object, and an image of the mark based on light from the illuminated mark A diffraction grating provided in parallel on the object to be detected so as to fall within the same detection field of view in a position detection device that includes an imaging optical system and detects the position of the mark based on the image of the mark Amount of the first adjustment mark and the second adjustment mark when the first adjustment mark and the second adjustment mark are defocused with respect to the imaging optical system, the image of the first adjustment mark, and the image of the second adjustment mark And a tilt detecting section for detecting the tilt of the illumination light beam by the illumination system based on the relative deviation amount between the two and the position detecting device.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the diffraction grating-like first adjustment mark and second adjustment mark provided in parallel on the object to be inspected have the same detection field (detection field defined by the imaging optical system or the image sensor). The object to be examined is positioned with respect to the imaging optical system of the position detecting device so as to fall within. Next, in a state where the test object is defocused with respect to the imaging optical system, that is, in a state where the first adjustment mark and the second adjustment mark are defocused with respect to the imaging optical system, A relative shift amount between the image of the first adjustment mark and the image of the second adjustment mark is detected.
[0011]
Thus, the inclination of the illumination light beam can be detected based on the relationship between the obtained relative deviation amount and the defocus amount, and the illumination system can be adjusted according to the detected inclination of the illumination light beam. Specifically, for example, the telecentricity of the illumination light beam can be adjusted by finely moving the aperture stop in the illumination system by a predetermined distance according to the inclination of the illumination light beam along a plane orthogonal to the optical axis. .
[0012]
As described above, in the present invention, the pair of adjustment marks are set so as to fall within the same detection field of view, and the relative shift amount of the pair of adjustment mark images is defocused with respect to the imaging optical system. And the inclination of the illumination light beam is detected based on the relationship between the detected relative deviation amount and the defocus amount. Here, as the pair of adjustment marks, an adjustment mark sensitive to the inclination and defocus of the illumination light beam and an insensitive adjustment mark can be used.
[0013]
The position detection device is configured to detect the position of the mark provided on the object to be detected with high accuracy, and includes a signal processing system having very high detection accuracy. Therefore, in the present invention, the tilt of the illumination light beam can be detected with high accuracy without being affected by the movement error of the object to be examined during the defocusing operation.
As a result, the telecentricity of the illuminating light beam can be adjusted with high accuracy, and as a result, highly accurate position detection can be performed.
[0014]
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a position detection device according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the present invention is applied to an adjustment method for a position detection device mounted on an exposure apparatus. The illustrated position detection apparatus includes a light source 1 for supplying illumination light having a wide wavelength bandwidth (for example, 530 nm to 800 nm). As the light source 1, a light source such as a halogen lamp can be used.
[0015]
Illumination light supplied from the light source 1 enters an incident end of a light guide 2 such as an optical fiber via a relay optical system (not shown). Illumination light propagating through the inside of the light guide 2 and exiting from the exit end illuminates the illumination aperture stop 4 having, for example, a circular opening (light transmission part) via the first illumination relay lens system 3. To do. Illumination light restricted via the illumination aperture stop 4 enters the half prism 7 via the second illumination relay lens system 5. An illumination field stop 6 is disposed in the optical path of the second illumination relay lens system 5.
[0016]
The illumination light reflected by the half prism 7 illuminates a wafer mark (positioning mark) WM provided on the wafer W via the objective lens 8. Here, the wafer W is held on a wafer stage WS movable in a horizontal plane and in a vertical direction in the drawing. In this way, the light source 1, the light guide 2, the first illumination relay lens system 3, the illumination aperture stop 4, the second illumination relay lens system 5, the illumination field stop 6, the half prism 7, and the objective lens 8 are the object to be examined. The illumination system for illuminating the wafer mark WM provided on the wafer W is configured.
[0017]
Reflected light (including diffracted light) from the wafer mark WM with respect to the illumination light enters the half prism 7 via the objective lens 8 and the imaging aperture stop 9. The light transmitted through the half prism 7 forms an image of the wafer mark WM on the imaging surface 11a of the imaging element 11 such as a CCD via the imaging lens 10. As described above, the objective lens 8, the imaging aperture stop 9, the half prism 7, and the imaging lens 10 are imaging optics for forming an image of the wafer mark WM based on the light from the illuminated wafer mark WM. The system is configured.
[0018]
The output of the CCD 11 is supplied to the signal processing system 12. The signal processing system 12 obtains position information of the wafer mark WM by performing signal processing (waveform processing such as pattern edge detection) on the image signal supplied from the CCD 11. Thus, the position where the pattern is formed is detected from the position information of the obtained wafer mark WM, and exposure is performed by correcting the position of the pattern to be printed in the next step.
[0019]
The illumination field stop 6 is disposed at a position optically conjugate with the surface of the wafer W set in a focused state with respect to the imaging optical system (set on the front focal plane of the objective lens 8). Yes. Therefore, the illumination area formed on the wafer W by the illumination system is defined by the illumination field stop 6. Further, the illumination aperture stop 4 is disposed at a position optically conjugate with the imaging aperture stop 9 disposed on the pupil plane of the objective lens 8. Therefore, the center of the illumination light beam by the illumination system is parallel to the optical axis of the imaging optical system, and so-called telecentric illumination is performed.
[0020]
The object of adjustment in this embodiment is adjustment of the inclination of the center line of the illumination light beam that illuminates the wafer W with respect to the normal (and hence the optical axis) of the wafer surface, that is, adjustment of the telecentricity of the illumination light beam. The adjustment of the illumination telecentricity is performed by finely moving the illumination aperture stop 4 in the illumination system along a plane orthogonal to the optical axis. FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the illumination aperture stop in the illumination system is decentered from the optical axis. 2, illustration of the light source 1, the CCD 11, and the signal processing system 12 in FIG. 1 is omitted.
[0021]
As shown in FIG. 2, when the center of the light beam passing through the illumination aperture stop 4 is deviated from the optical axis by δ, the projection magnification of the second illumination relay lens system 5 is set to β, and the lens is arranged on the pupil plane of the objective lens 8. The position passing through the imaged aperture stop 9 is shifted from the optical axis by βδ. As a result, when the focal length of the objective lens 8 is f, the center line of the light beam that illuminates the wafer W is inclined by βδ / f with respect to the optical axis. At this time, the reflected light from the wafer W is inclined to the opposite side to the inclination of the illumination light and enters the imaging optical system. However, when the wafer W is in focus with respect to the imaging optical system, the illumination aperture A wafer mark image is formed at the same position as when the diaphragm 4 is not decentered.
[0022]
By the way, the diffraction angle θn of the nth-order diffracted light when the light of wavelength λ enters the diffraction grating pattern with the pitch P at the incident angle θi is expressed by the following equation (1).
sinθn = nλ / P + sinθi (1)
Among these diffracted lights, light having a diffraction angle smaller than the object-side numerical aperture of the imaging optical system defined by the objective lens 8 or the imaging aperture stop 9 passes through the imaging lens 10 and the imaging surface 11 a of the CCD 11. Image on top.
[0023]
As described above, when the illumination aperture stop 4 is decentered by δ, the incident angle of the illumination light beam changes by βδ / f. Therefore, as shown in the following equation (2), the diffraction angle also changes according to the change in the incident angle of the illumination light beam.
sin θn ′ = nλ / P + sin (θi−βδ / f) (2)
[0024]
FIGS. 3 and 4 are diagrams showing the state of the diffracted light when the diffraction grating pattern provided on the wafer is defocused slightly downward from the focal plane of the objective lens. 3 and 4, the illumination system is not shown, and only the imaging optical system portion is shown. Further, in order to facilitate understanding, the illumination light beam is represented as a fairly thin light beam.
[0025]
Referring to FIG. 3, the illumination light beam SH is slightly decentered with respect to the optical axis of the imaging optical system. Then, part of the diffracted light L1, L0, L-1 from the diffraction grating pattern on the wafer W defocused slightly downward from the focal plane 8a of the objective lens 8 is condensed by the objective lens 8 and connected. The light is guided to the imaging lens 10 without being blocked by the image aperture stop 9. The diffracted lights L1, L0, L-1 from the wafer W are imaged slightly before the imaging surface 11a of the CCD 11 via the imaging lens 10. 3 shows the illumination light beam SH reaching one point on the focal plane 8a of the objective lens 8, and diffracted light beams L1, L0, L-1 emitted from one point on the wafer W defocused from the focal plane 8a. Is shown. This also applies to FIG. 4 below.
[0026]
Therefore, a point image corresponding to one point on the wafer W is formed to spread on the imaging surface 11a. Considering the center of gravity of the spread of the point image as the center of the point image, the defocus amount of the wafer W (the distance between the focal plane of the objective lens 8 and the surface of the wafer W) Δ and the inclination βδ / f of the illumination light beam SH The center of the image is displaced by the product Δβδ / f.
[0027]
In order to prevent the diffracted light from the diffraction grating pattern of pitch P1 provided on the wafer W from being blocked by the aperture of the imaging optical system (for example, not blocked by the imaging aperture stop 9), the illumination light beam SH The following formula (3) needs to be satisfied in consideration of the thickness.
nλ / P1 + s <u <(n + 1) λ / P1-s (3)
[0028]
Here, s is a value obtained by dividing the radius of the illumination light beam SH on the pupil plane of the imaging optical system (the position of the imaging aperture stop 9) by the focal length f of the objective lens 8 (hereinafter referred to as “illumination numerical aperture”). ). U is the object-side numerical aperture of the imaging optical system (hereinafter referred to as “imaging numerical aperture”). Furthermore, n is an integer. Equation (3) can be modified as the following equation (4).
(U + s) / (n + 1) <λ / P1 <(u−s) / n (4)
[0029]
In addition, when the width of the line portion of the diffraction grating pattern is equal to the width of the space portion, the even-order diffracted light except the 0th order cancels each other, so that the light amount becomes zero. Therefore, in order to make the imaging aperture stop 9 block the diffracted light from the diffraction grating pattern with the pitch P1, the even-order diffraction angle may be set equal to the imaging numerical aperture u. In this case, the pitch P1 of the diffraction grating pattern satisfies the relationship expressed by the following equation (5).
[0030]
P1 = 2nλ / u (5)
Equation (5) means that the pitch P1 of the diffraction grating pattern is an even multiple of a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ of the illumination light by the imaging numerical aperture u.
[0031]
On the other hand, in FIG. 4, the diffracted lights L1 and L-1 from the diffraction grating pattern on the wafer W defocused slightly downward from the focal plane 8a of the objective lens 8 are blocked by the imaging aperture stop 9. Is set. In this case, since the outside of the diffracted lights L1 and L-1 is limited by the imaging aperture stop 9, the outside of the imaging light beam is not affected by the eccentricity of the illumination aperture stop 4. However, since the light beam L0 passing through the imaging aperture stop 9 is affected by the eccentricity of the illumination aperture stop 4, the center of the image is displaced. However, as will be described later with reference to FIGS. 5 and 6, the image displacement amount in the state of FIG. 4 is considerably smaller than the image displacement amount in the state of FIG. 3.
[0032]
Thus, in order for the diffracted light from the diffraction grating pattern with the pitch P2 provided on the wafer W to be blocked by the imaging aperture stop 9, the following equation (6) needs to be satisfied. Moreover, Formula (6) can be deform | transformed like following Formula (7).
nλ / P2-s <u <nλ / P2 + s (6)
(Us) / n <λ / P2 <(u + s) / n (7)
[0033]
As described above, when the width of the line portion and the width of the space portion of the diffraction grating pattern are equal, the even-order diffracted lights except the 0th order cancel each other, so the light amount becomes zero. Therefore, in order for the diffracted light from the diffraction grating pattern with the pitch P2 to be blocked by the imaging aperture stop 9, the odd-order diffraction angle may be set equal to the imaging numerical aperture u. In this case, the pitch P2 of the diffraction grating pattern satisfies the relationship expressed by the following equation (8).
[0034]
P2 = (2n−1) λ / u (8)
Equation (8) means that the pitch P2 of the diffraction grating pattern is an odd multiple of a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ of the illumination light by the imaging numerical aperture u.
[0035]
5 and 6 are diagrams showing the positional deviation of the pattern image when the diffraction grating pattern is defocused with respect to the imaging optical system. 5 and 6, the horizontal axis indicates the defocus amount, and the vertical axis indicates the positional deviation amount of the pattern image. Further, “mrad” corresponds to the inclination of the illumination light beam, and “× 10 ^-3 rad (radian) ".
[0036]
In FIG. 5, the wavelength λ of illumination light is 0.6 μm, the imaging numerical aperture u is 0.6, and the illumination numerical aperture s is 0.2. The diffraction grating pattern is a light / dark pattern with a pitch of 2 μm, in which both the width of the bright part and the width of the dark part are set to 1 μm. That is, in FIG. 5, the diffraction grating pattern pitch is set to an even multiple (specifically, twice) of the value λ / u obtained by dividing the wavelength λ of the illumination light by the imaging numerical aperture u. The calculation result corresponding to is shown.
[0037]
On the other hand, in FIG. 6, similarly to the case of FIG. 5, the wavelength λ of the illumination light is 0.6 μm, the object-side numerical aperture u of the imaging optical system is 0.6, and the illumination numerical aperture s is 0.2. Yes. However, unlike the case of FIG. 5, the diffraction grating pattern is a light / dark pattern with a pitch of 1 μm in which both the width of the bright part and the width of the dark part are set to 0.5 μm. That is, in FIG. 6, the diffraction grating pattern pitch is set to an odd multiple (specifically, 1) of a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ of the illumination light by the imaging numerical aperture u. The calculation result corresponding to is shown.
[0038]
Comparing FIG. 5 with FIG. 6, the first diffraction grating pattern having a pitch P1 set to an even multiple of a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ of the illumination light by the imaging numerical aperture u is set to an odd multiple. When the second diffraction grating pattern having the pitch P2 is defocused by the same amount, the positional deviation amount of the first diffraction grating pattern image is relatively large and the positional deviation amount of the second diffraction grating pattern image is relatively small. I understand that. That is, the first diffraction grating pattern is sensitive to the eccentricity and defocus of the illumination aperture stop 4, and the second diffraction grating pattern is insensitive to the eccentricity and defocusing of the illumination aperture stop 4.
[0039]
By the way, the positional deviation amount of each diffraction grating pattern image is a fairly small value, for example, about several nm. Therefore, when the positional deviation amount of each diffraction grating pattern image is detected individually, it is difficult to accurately detect the positional deviation amount due to the influence of the movement error (particularly the vertical movement error) of the wafer stage WS. Therefore, in this embodiment, the diffraction grating pattern with the pitch P1 sensitive to the eccentricity and defocus of the illumination aperture stop 4 and the diffraction grating pattern with the pitch P2 insensitive to the eccentricity and defocusing of the illumination aperture stop 4 are the same. They are provided in parallel on the wafer W so as to fall within the detection visual field.
[0040]
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of an adjustment mark used for adjusting the telecentricity of the illumination light beam in the present embodiment. As shown in FIG. 7, the adjustment mark includes a first adjustment mark 21 formed with a first light / dark pattern having a first pitch P1, and a second pitch that is substantially different from the first pitch P1. The second adjustment mark 22 is formed of a second light / dark pattern having P2. Here, the first light / dark pattern and the second light / dark pattern are configured such that the width of the dark portion (shown by hatching in the drawing) and the width of the bright portion are substantially equal. Further, the center of the first adjustment mark 21 and the center of the second adjustment mark 22 are configured to coincide with the pitch direction.
[0041]
Further, the pitch P1 of the first adjustment mark 21 is set to be twice (even times) a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ of the illumination light by the imaging numerical aperture u. On the other hand, the pitch P2 of the second adjustment mark 22 is set to one time (odd multiple) of a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ of the illumination light by the imaging numerical aperture u. These light and dark patterns can be created, for example, by etching a thin film of chromium on a glass wafer. Alternatively, it can be created by forming patterns with different reflectivities on a silicon wafer.
[0042]
In the present embodiment, the wafer stage WS is driven by driving the wafer stage WS so that the first adjustment mark 21 and the second adjustment mark 22 provided in parallel on the wafer W are within the same detection visual field. Positioning is performed with respect to the imaging optical system of the position detection device. Next, in a state where the wafer W is defocused with respect to the imaging optical system, that is, in a state where the first adjustment mark 21 and the second adjustment mark 22 are defocused with respect to the imaging optical system, The amount of relative deviation between the image of the first adjustment mark 21 and the image of the second adjustment mark 22 is detected. Here, the relative shift amount between the image of the first adjustment mark 21 and the image of the second adjustment mark 22 is, for example, the alignment position of the image of the first adjustment mark 21 and the image of the second adjustment mark 22. It is detected as a distance along the pitch direction with respect to the alignment position.
[0043]
Thus, the signal processing system 12 can detect the inclination of the illumination light beam based on the relationship between the obtained relative shift amount and defocus amount. Therefore, the telecentricity of the illumination light beam can be adjusted by finely moving the illumination aperture stop 4 by a predetermined distance along a plane orthogonal to the optical axis in accordance with the detected inclination of the illumination light beam. In this case, the illumination aperture stop 4 may be moved manually, or may be moved via an appropriate drive system that receives a command from the signal processing system 12.
[0044]
As described above, in the present embodiment, the pair of adjustment marks are set so as to fall within the same detection field of view, and the relative deviation between the pair of adjustment mark images in the defocused state with respect to the imaging optical system. The amount is detected, and the inclination of the illumination light beam is detected based on the relationship between the detected relative deviation amount and the defocus amount. Here, one adjustment mark is a sensitive mark that generates a relatively large amount of positional deviation with respect to the tilt and defocus of the illumination light beam, and the other adjustment mark is related to the tilt and defocus of the illumination light beam. This is an insensitive mark in which a relatively small amount of displacement occurs.
[0045]
The position detection device mounted on the exposure apparatus is configured to detect the position of the wafer mark with high accuracy, and includes a signal processing system having very high detection accuracy. Therefore, in this embodiment, the tilt of the illumination light beam can be detected with high accuracy without being affected by the movement error of the wafer stage during the defocus operation. As a result, the telecentricity of the illuminating light beam can be adjusted with high accuracy, and as a result, highly accurate position detection can be performed.
[0046]
In the above-described embodiment, the telecentricity of the illumination light beam is adjusted using the adjustment marks made up of a pair of bright and dark patterns with different pitches. However, it is also possible to adjust the telecentricity of the illumination light beam by using an adjustment mark composed of a pair of step patterns having the same pitch and different steps. Hereinafter, a modified example using a pair of step patterns having different steps will be described.
[0047]
In a semiconductor wafer or the like, a step pattern can be formed by digging a pattern at a predetermined depth by etching. In the step pattern, a step between the dug portion and the remaining portion causes a light phase difference. In the case of reflected illumination as in the present embodiment, the step difference affects reciprocatingly. Therefore, the applied phase difference φ is expressed by the following equation (9) when the step is t and the wavelength of the illumination light is λ. expressed.
φ = 4πt / λ (9)
[0048]
Here, when the width of the digging portion is d times the pitch P, the intensity I of the nth-order diffracted light I _n Is represented by the following equation (10).
I _n = 2 (1-cosφ) d ² sin ² (Πnd) / (π ² n ² d ² (10)
[0049]
When the m-th order diffraction angle θm (m is an integer) coincides with the imaging numerical aperture u, the intensity I of the m-th order diffracted light I _m In order to become 0, 1-cosφ needs to be 0. That is, it is necessary that the phase difference φ be an even multiple of π, and that the step t be an even multiple of ¼ of the wavelength λ. In this case, no diffracted light is generated regardless of the order, but the illumination light is scattered at the pattern edge portion, so that an image of the pattern edge can be detected based on the scattered light. However, since the scattered light spreads approximately isotropically and does not depend on the incident direction of illumination, even if the wafer W is defocused in a state where the illumination light is tilted, the position shift of the pattern edge image does not occur.
[0050]
On the other hand, when 1-cosφ is 2, diffracted light is generated and a pattern image is formed. Since the diffraction angle of the diffracted light is affected by the incident angle of the illumination light as described above, when the wafer W is defocused with the illumination light tilted as shown in FIG. 4, the pattern image is sensitively displaced. To do. In order for 1-cos φ to be 2, it is necessary that the phase difference φ is an odd multiple of π, and that the step t is an odd multiple of ¼ of the wavelength λ.
[0051]
At this time, the relationship represented by the following equation (11) is established among the pattern pitch P, the imaging numerical aperture u, and the illumination numerical aperture s.
mλ / P + s <u <(m + 1) λ / P−s (11)
[0052]
By the way, as shown in FIG. 4, when the illumination numerical aperture s is sufficiently smaller than the imaging numerical aperture u, the diffracted lights do not overlap with each other. However, in an actual optical system, the illumination numerical aperture s is the imaging numerical aperture. It is often set from 0.5 to 0.9 times the number u. In this case, if a part of the diffracted light is or cannot be displaced at the aperture of the imaging optical system, the diffracted light does not participate in the imaging. As a result, the relationship between the defocus amount of the wafer W and the positional deviation amount of the pattern image changes, and the inclination of the illumination light cannot be detected.
[0053]
Therefore, it is necessary to satisfy the relationship represented by the following formula (12), where m and n are integers, so that the edge of the diffracted light is not shifted or not shifted at the aperture of the imaging optical system. Further, the equation (12) can be modified as the following equation (13).
mλ / P + s <u <nλ / P−s (12)
(U + s) / n <λ / P <(us) / m (13)
[0054]
FIG. 8 is a diagram showing a positional deviation of the pattern image when the diffraction grating pattern according to the modification is defocused with respect to the imaging optical system. In FIG. 8, the horizontal axis represents the defocus amount, and the vertical axis represents the pattern image positional deviation amount. Further, the solid line in the figure indicates a first step pattern having a step λ / 2 that is twice (even times) 1/4 of the wavelength λ of the illumination light, and the broken line in the figure indicates 1 time of 1/4 of the wavelength λ ( A second step pattern having a step λ / 4 of (odd multiple) is shown. Each step pattern has the same pitch, and the width of the line portion is set equal to the width of the space portion.
[0055]
In FIG. 8, the wavelength λ of the illumination light is 0.656 μm, the imaging numerical aperture u is 0.5, the illumination numerical aperture s is 0.27, and the inclination of the illumination light beam is 5 mrad (5 × 10 ^-3 rad). In this case, in Equations (12) and (13), m = 1 and n = 5, and the first-order diffracted light and the fifth-order diffracted light are incapable of being moved by the imaging aperture stop 9. Since the width of the line portion and the width of the space portion are set to be equal, the intensity of the second-order diffracted light and the fourth-order diffracted light becomes 0 and does not participate in image formation. Further, the third-order diffracted light is in a state where it is generated by the imaging aperture stop 9 due to the inclination of the illumination light beam.
[0056]
Referring to FIG. 8, the first step pattern having a step λ / 2 that is twice (even times) 1/4 of the wavelength λ of the illumination light and the step λ that is 1 time (odd times) 1/4 of the wavelength λ. When the second step pattern having / 4 is defocused by the same amount, the displacement amount of the second step pattern image is relatively large and the displacement amount of the second step pattern image is relatively large. I understand that. That is, the first step pattern is insensitive to defocus, and the second step pattern is sensitive to defocus.
[0057]
In addition, when the incident angle of irradiation light inclines, the phase difference of incident light will arise with the position of a pattern. For this reason, it appears that the phase difference at the pattern edge has changed, and the pattern image appears to be shifted even if the wafer surface is in focus with respect to the imaging optical system. However, in the above-described two phase differences, 1-cosφ is symmetric with respect to the extreme value, so that no image shift occurs. FIG. 9 is a diagram showing that image displacement does not occur with two specific phase differences when the wafer surface is in focus with respect to the imaging optical system.
[0058]
In FIG. 9, the horizontal axis indicates the level difference of the level difference pattern, and the vertical axis indicates the amount of displacement of the pattern image. In FIG. 9, the wavelength λ of the illumination light is 0.656 μm, the imaging numerical aperture u is 0.5, the illumination numerical aperture s is 0.27, and the inclination of the illumination light beam is 5 mrad (5 × 10 ^-3 rad), the step pattern is in focus with respect to the imaging optical system, and the defocus amount is zero. Further, in the step pattern, the width of the line portion and the width of the space portion are set to be equal and have a pitch of 3.936 μm.
[0059]
Referring to FIG. 9, when the step pattern is in focus with respect to the imaging optical system and the defocus amount is 0, the step is not λ / 4 or λ / 2, that is, the phase difference is π. Alternatively, when it is not 2π, it can be seen that the image is displaced. Incidentally, FIG. 10 is a diagram corresponding to the second step pattern of FIG. 8, and is a diagram showing the relationship between the tilt of the illumination light beam, the positional deviation amount of the pattern image, and the defocus amount.
[0060]
In FIG. 10, the vertical axis indicates the amount of positional deviation of the pattern image, one horizontal axis indicates the inclination of the illumination light beam, and the other horizontal axis indicates the defocus amount. In FIG. 10, the wavelength λ of the illumination light is 0.656 μm, the imaging numerical aperture u is 0.5, and the illumination numerical aperture s is 0.27. Further, in the step pattern, the width of the line portion is equal to the width of the space portion, has a pitch of 3.936 μm, and the step is set to 0.164 μm (corresponding to ¼ of the wavelength λ). That is, the step pattern in FIG. 10 corresponds to the second step pattern in FIG. Referring to FIG. 10, it can be seen that the second step pattern is sensitive to the tilt and defocus of the illumination light beam.
[0061]
Therefore, in the modified example, the first step pattern insensitive to the eccentricity and defocus of the illumination aperture stop 4 and the second step pattern sensitive to the eccentricity and defocus of the illumination aperture stop 4 fall within the same detection field. As shown in FIG. FIG. 11 is a diagram schematically showing a configuration of an adjustment mark used for adjusting the telecentricity of the illumination light beam in the modification of the present embodiment. As shown in FIG. 11, the adjustment mark of the modification has the same pitch as the first step mark 23 and the first adjustment mark 23 formed by the first step pattern having the first step and the first step mark. The second adjustment mark 24 is formed of a second step pattern having a second step substantially different from the step.
[0062]
Here, the first step pattern and the second step pattern are configured so that the width of the line portion is substantially equal to the width of the space portion. Further, the step of the first adjustment mark 23 is set to twice (even times) 1/4 of the wavelength λ of the illumination light, that is, λ / 2. On the other hand, the level difference of the second adjustment mark 24 is set to 1 times (odd multiple) 1/4 of the wavelength λ of the illumination light, that is, λ / 4.
[0063]
Thus, also in the modification of the present embodiment, the first adjustment mark 23 and the sensitive second adjustment mark 24 that are insensitive to the tilt and defocus of the illumination light beam are defocused with respect to the imaging optical system. The relative displacement amount of the image can be detected in this state, and the inclination of the illumination light beam can be detected with high accuracy based on the relationship between the obtained relative displacement amount and the defocus amount. Therefore, the telecentricity of the illumination light beam is increased by finely moving the illumination aperture stop 4 manually (or automatically) by a predetermined distance along a plane orthogonal to the optical axis in accordance with the detected inclination of the illumination light beam. The accuracy can be adjusted.
[0064]
In the modified example, the pitch of the first step pattern is equal to the pitch of the second step pattern. For this reason, unlike the above-described embodiment in which the center positions of the two adjustment marks need to coincide with the pitch direction, it is not necessary to determine the reference positions of the two adjustment marks. Therefore, the amount of relative deviation can be measured in a state where the two adjustment marks are in the detection visual field, and an operation for placing the reference positions of the two adjustment marks in the detection visual field becomes unnecessary, improving workability. Can be expected.
[0065]
In the above-described embodiment and its modifications, the present invention is applied to the position detection device that detects the position of the alignment mark. However, the present invention is not limited to this, and the position of the overlay mark is detected. The present invention can also be applied to an overlay inspection apparatus that inspects overlay of marks. Therefore, the position detection apparatus in the present invention is a broad concept including a so-called overlay inspection apparatus.
[0066]
In the above-described embodiment and its modifications, the present invention is applied to the position detection device mounted on the exposure apparatus. However, the present invention is not limited to this and is applied to a general position detection device. can do.
[0067]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the adjustment mark that is sensitive to the tilt and defocus of the illumination light beam and the insensitive adjustment mark are set in the same detection field of view, and the imaging optical system On the other hand, the relative deviation amount of the pair of adjustment mark images is detected in a defocused state, and the inclination of the illumination light beam is detected based on the relationship between the detected relative deviation amount and the defocus amount. Therefore, the tilt of the illumination beam is detected with high accuracy without being affected by the movement error of the object to be examined during the defocus operation, and the telecentricity of the illumination beam is adjusted with high accuracy to detect the position with high accuracy. It can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a position detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which an illumination aperture stop in the illumination system is decentered from the optical axis.
FIG. 3 is a diagram showing a state of diffracted light when a diffraction grating pattern provided on a wafer is defocused slightly downward from the focal plane of the objective lens.
FIG. 4 is a diagram showing a state of diffracted light when a diffraction grating pattern provided on a wafer is defocused slightly downward from the focal plane of the objective lens.
5 is a diagram showing a positional deviation of a pattern image when the diffraction grating pattern is defocused with respect to the imaging optical system in the setting of FIG. 3;
6 is a diagram showing a positional deviation of a pattern image when the diffraction grating pattern is defocused with respect to the imaging optical system in the setting of FIG. 4;
FIG. 7 is a diagram schematically showing the configuration of an adjustment mark used for adjusting the telecentricity of an illumination light beam in the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a positional deviation of a pattern image when a diffraction grating pattern according to a modification is defocused with respect to the imaging optical system.
FIG. 9 is a diagram showing that image displacement does not occur with two specific phase differences when the wafer surface is in focus with respect to the imaging optical system.
10 is a diagram corresponding to the second step pattern of FIG. 8 and showing the relationship between the tilt of the illumination light beam, the amount of positional deviation of the pattern image, and the defocus amount.
FIG. 11 is a diagram schematically showing the configuration of an adjustment mark used for adjusting the telecentricity of an illumination light beam in a modification of the present embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Light source
2 Light guide
3 First lighting relay lens system
4 Illumination aperture stop
5 Second illumination relay lens system
6 Illumination field stop
7 Half prism
8 Objective lens
9 Imaging aperture stop
10 Imaging lens
11 Image sensor (CCD)
12 Signal processing system
W wafer
WS wafer stage
WM wafer mark

Claims

An illumination system for illuminating a mark provided on the object to be examined, and an imaging optical system for forming an image of the mark based on the illuminated light from the mark, the image of the mark In the adjustment method of the position detection device for detecting the position of the mark based on
A diffraction grating-shaped first adjustment mark and a diffraction grating-shaped second adjustment mark whose detection position shift sensitivity with respect to defocusing is substantially different from the first adjustment mark are formed on the object to be measured. In parallel,
The first adjustment mark and the second adjustment mark are set so as to fall within the same detection visual field,
In a state where the first adjustment mark and the second adjustment mark are defocused with respect to the imaging optical system, the first adjustment mark image and the second adjustment mark image Detects the relative deviation of
Detecting the inclination of the illumination light beam by the illumination system based on the relationship between the detected relative deviation amount and the defocus amount;
An adjustment method comprising adjusting the illumination system according to the detected inclination of the illumination light beam.

The first adjustment mark is formed of a first light / dark pattern having a first pitch P1,
2. The adjustment method according to claim 1, wherein the second adjustment mark is formed by a second light / dark pattern having a second pitch P <b> 2 substantially different from the first pitch P <b> 1.

In the first pitch P1 and the second pitch P2, the wavelength of the illumination light is λ, and the radius of the illumination light beam on the pupil plane of the imaging optical system is the focal length of the objective lens in the imaging optical system. When the value divided by s is s, the object numerical aperture of the imaging optical system is u, and n is an integer,
(U + s) / (n + 1) <λ / P1 <(u−s) / n
(U−s) / n <λ / P2 <(u + s) / n
The adjustment method according to claim 2, wherein the following condition is satisfied.

In the first adjustment mark and the second adjustment mark, the width of the bright part and the width of the dark part are set to be approximately equal,
The first pitch P1 is set to substantially an even multiple of a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ by the object numerical aperture u of the imaging optical system.
The second pitch P2 is set to be approximately an odd multiple of a value λ / u obtained by dividing the wavelength λ by an object-side numerical aperture u of the imaging optical system. Adjustment method.

The first adjustment mark is formed of a first step pattern having a first step,
The second adjustment mark is formed by a second step pattern having the same pitch as the first step pattern and a second step substantially different from the first step. The adjustment method according to claim 1.

The first adjustment mark and the second adjustment mark are set such that the width of the line portion is substantially equal to the width of the space portion,
The first step is set to an even number of times 1/4 of the wavelength λ of the illumination light,
The adjustment method according to claim 5, wherein the second step is set to be an odd multiple of ¼ of the wavelength λ of the illumination light.

The pitch P of the first step pattern and the second step pattern is that the wavelength of illumination light is λ, and the radius of the illumination light beam on the pupil plane of the imaging optical system is the focal point of the objective lens in the imaging optical system When the value divided by the distance is s, the object numerical aperture of the imaging optical system is u, and n and m are integers,
(U + s) / n <λ / P <(u−s) / m
The adjustment method according to claim 6, wherein the following condition is satisfied.

An illumination system for illuminating a mark provided on the object to be examined, and an imaging optical system for forming an image of the mark based on the illuminated light from the mark, the image of the mark In the detection method of the position detection device for detecting the position of the mark based on
A diffraction grating-shaped first adjustment mark and a diffraction grating-shaped second adjustment mark whose detection position shift sensitivity with respect to defocusing is substantially different from the first adjustment mark are formed on the object to be measured. In parallel,
The first adjustment mark and the second adjustment mark are set so as to fall within the same detection visual field,
In a state where the first adjustment mark and the second adjustment mark are defocused with respect to the imaging optical system, the first adjustment mark image and the second adjustment mark image Detects the relative deviation of
A detection method comprising detecting an inclination of an illumination light beam by the illumination system based on a relationship between a detected relative deviation amount and the defocus amount.

An illumination system for illuminating a mark provided on the object to be examined, and an imaging optical system for forming an image of the mark based on the illuminated light from the mark, the image of the mark In the position detection device for detecting the position of the mark based on
On the object to be measured, a diffraction grating-shaped first adjustment mark, and a diffraction grating-shaped second adjustment mark in which the sensitivity of detection position shift with respect to defocusing is substantially different from the first adjustment mark; Are provided in parallel,
Identical to the defocus amount obtained while defocusing the first adjustment marks to be within the detection field and the second adjustment marks relative to the imaging optical system, the first adjustment marks A position detection device comprising an inclination detection unit for detecting an inclination of an illumination light beam by the illumination system based on an amount of relative deviation between the image and the image of the second adjustment mark. .